朝阳市GPS控制网设计
摘要
自GPS问世至今一直都是处于发展趋势，并在大多数工程的控制中替代了传统的测量的方式。GPS技术正影响着测绘技术的发展。本文结合实际工程来说明GPS在做大范围控制布网及解算的具体过程。基于鞍钢设计院所做的鞍钢朝阳市新厂区的GPS 控制网的基础上，详细的从收集资料并通过实地选点踏勘进行取舍选定网型,并在符合各项技术指标前提下最终确定控制网。由于整个网型中一侧没有已知平面控制点，因此本人加设了一个GPS点作为高程拟合联测点。设计外业GPS观测方法及人员仪器调配方式。考虑了厂区以后发展和GPS网的高程拟合精度问题进行二等水准测量，并拟定其水准路线，保证已知点高程精度且应均匀分布于测区，在地形复杂的测区，适当增加水准重合点进行观测进行实地测量，得出路线上各未知高程点的大地高。最终通过GPS自带的解算软件解算并平差GPS控制网,获取各点地理坐标，进行误差控制分析，使之达到令人满意的精度。利用GPS布设控制网从时间、经济上都优于传统测量，并且精度也是非常乐观。
关键词：GPS网形设计；技术设计；水准联测；高程拟合；数据处理
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GPS control network Design of Chao yang City
Abstract
Since the advent of GPS has always been the trend in the development and control of the majority of the project to replace the traditional way of measuring.GPS technology is affecting the development of mapping technology. In this paper, the actual works to illustrate the scope of GPS control division at the large networks and the process of solving specific. Based on the a new factory’s GPS control network of Anshan Iron and Steel Institute has done in Chao yang City, information from the collection point through the ground spot survey conducted elections to choose the selected network type in detail, and various technical indicators in line with the premise that the ultimate determine the control network. because the entire grid plane in the side of the control point is not known, I set up a GPS point of fitting together as a measuring point elevation. GPS observation design industry and the way to the deployment of personnel equipment. Plant after taking into account the development and elevation of the GPS network of the issue for fitting a second-class standards of precision measurement, and the development of its standard line, to ensure the accuracy of the known point of elevation and should be evenly distributed in the test area, in a complex terrain area the appropriate increase in the standard coincidence observation points to conduct site surveys, that is to draw the line on the land of the unknown high-elevation point. Final adoption of GPS software built-in solver solvers and GPS control network adjustment to obtain the geographical coordinates of various points, the analysis of error control to achieve satisfactory accuracy. The use of GPS control network laid from the time, economically superior to the traditional measurement, and the accuracy is also very optimistic.
Key words: GPS network design ；Technical design ；Leveling surveying
Elevation fitting ；Data processing
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目 录
摘要 ............................................................................................................................................ I Abstract ................................................................................................................................... II 1 绪论 ...................................................................................................................................... 1
1.1全球定位系统的概况 ................................................................................................... 1 1.2 GPS的特点 ................................................................................................................... 2 1.3 GPS的应用前景........................................................................................................... 3 1.4本设计流程 ................................................................................................................... 4 2 GPS的定位原理与测量高程方法 ............................................................................... 5
2.1 GPS定位原理............................................................................................................... 5
2.1 .1 相对定位的概念 ............................................................................................... 5 2.1 .2 相对定位原理 ................................................................................................... 5 2.1 .3 GPS的定位方法................................................................................................ 6 2.2 GPS测量高程方法....................................................................................................... 7
2.2.1 高程系统概述 .................................................................................................... 7 2.2.2 GPS测高方法..................................................................................................... 7
3朝阳市GPS控制网设计 .............................................................................................. 10
3.1概述 ............................................................................................................................. 10
3.1.1任务来源 ........................................................................................................... 10 3.1.2 测区概况 .......................................................................................................... 10 3.1.3 对收集资料分析利用 ...................................................................................... 10 3.1.4 GPS控制网技术设计的依据与基准设计....................................................... 11 3.2 GPS测量的精度标准及分级..................................................................................... 12 3.3 GPS各项技术设计..................................................................................................... 13
3.3.1设计的技术分析 ............................................................................................... 13 3.3.2 GPS网优化设计............................................................................................... 14
3.3.3 GPS控制网基准的优化设计…….........……...……...…………………….....14
3.3.4 GPS网的精度设计........................................................................................... 15 3.3.5 GPS定位的密度设计....................................................................................... 16 3.4网形布设方案设计 ..................................................................................................... 16
3.4.1GPS控制网的基准设计.................................................................................... 16 3.4.2GPS控制网的图形设计.................................................................................... 17 3.4.3提高GPS网可靠性的方法.............................................................................. 21 3.4.4提高GPS网精度的方法.................................................................................. 21 3.4.5 GPS控制网图................................................................................................... 22 3.5 选点与埋标 ................................................................................................................................. 23
3.5.1 选点 .................................................................................................................. 23 3.5.2 埋标 .................................................................................................................. 23 3.6 GPS网外业观测......................................................................................................... 26
3.6.1 观测工作的主要技术指标 .............................................................................. 26 3.6.2外业作业原则 ................................................................................................... 26 3.6.3观测时段选择 ................................................................................................................. 26 3.6.4 GPS静态测量外业记录手薄........................................................................... 27
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3.7 设备、器材筹备及人员组织 .................................................................................... 27
3.7.1 仪器选用 .......................................................................................................... 27 3.7.2 仪器的检验 ...................................................................................................... 27 3.7.3 人员配备情况 .................................................................................................. 28 3.8 工程预算 .................................................................................................................... 28 4 水准联测 ........................................................................................................................... 30
4.1.1水准观测需要符合以下的规定 ....................................................................... 30 4.1.2二等水准的技术要求 ....................................................................................... 30 4.1.3水准联测具体施测方法 ............................................................................................... 30 4.1.4水准路线拟定图 ............................................................................................... 31
5 数据处理 ........................................................................................................................... 32
5.1 GPS测量数据处理基本步骤 ................................................................................................. 32
5.1.1 粗加工 .............................................................................................................................. 32 5.1.2 数据预处理 ..................................................................................................................... 32 5.1.3 基线解算 .......................................................................................................... 32 5.1.4 无约束平差 ..................................................................................................................... 33 5.1.5 约束平差 ......................................................................................................................... 33 5.1.6 具体操作步骤 ................................................................................................................ 33 5.1.7 GPS高程拟合................................................................................................... 34 5.2水准数据处理 ............................................................................................................. 34 结束语 .................................................................................................................................... 36
致谢 ......................................................................................................... 错误！未定义书签。 参考文献 ............................................................................................................................... 37
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1 绪论
GPS是全球定位系统（Global Positioning System）的英文缩写，它是随着现代化科学技术的发展而建立的第一代精密卫星定位系统。下面主要介绍GPS卫星定位系统发展的概况、特点、以及GPS定位技术的应用前景。
GPS系统的组成
GPS系统包括三大部分：空间部分—GPS卫星星座；地面控制部分—地面监控系统；用户设备部分—GPS信号接收机
1.1全球定位系统的概况
全球定位系统是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经近10年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、 自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。全球定位系统是美国第二代卫星导航系统。是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。和子午仪系统一样，全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。
按目前的方案，全球定位系统的空间部分使用24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座。21+3颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分，分布在六个轨道面上（每轨道面四颗），轨道倾角为55度。卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形（DOP）。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。
地面监控部分包括四个监控间、一个上行注入站和一个主控站。监控站设有GPS用户接收机、原子钟、收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机。监控站的主要任务是取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站。主控站设在范登堡空军基地。它对地面监控部实行全面控制。主控站主要任务是收集各监控站对GPS卫星的全部观测数据，利用这些数据计算每颗GPS卫星的轨道和卫星钟改正值。上行注入站
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也设在范登堡空军基地。它的任务主要是在每颗卫星运行至上空时把这类导航数据及主控站的指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天进行一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。
全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统。随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓， 目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。
1.2 GPS的特点
相对于经典的测量技术来说，GPS定位技术主要有一下特点：
1.测站间无需通视
这一优点既可大大减少测量工作的经费和时间，同时也使点位的选择变得更加灵活。
2．定位精度高
试验表明，目前在小于50km的基线上，其相对定位精度可达1×10～2×10，而在100～500km的基线上可达10～10。随着观测技术与数据处理方法的改善，可望在大于1000km的距离上，相对定位精度达到或优于10。
3．观测时间短
随着GPS系统的不段完善，目前20㎞以内相对静态定位，仅需15～40分钟；快速静态相对定位中，在流动站与基准站相距在15㎞以内时，流动站观测的时间只需1～2分钟；动态相对定位，出发时流动站观测1～2分钟，然后可随时定位，每站观测进需几秒。
4．提供三维坐标
经典大地测量将平面与高程采用不同的方法分别施测。GPS可同时精确测定测站点的三维坐标。目前GPS水准可满足四等水准测量的精度。
5．操作简便
随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已经达―傻瓜化‖的程度；接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动程度。使野外工作变得轻松越快。
6．全天候作业
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目前GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行，不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候影响。
7.功能多，应用广
GPS系统不仅可用于测量、导航、还可应用与测速、测时。测速的精度可达0.1m/s，测试的精度可达十几号微妙。其应用领域不断扩大。
因此，GPS定位技术的发展是对经典测量技术的一次重大突破。一方面，它使经典的测量理论与方法产生了深刻的变革；另一方面，也进一步加强了测量学与其他学科之间的相互渗透，从而促进了测绘科学技术的现代化发展。
1.3 GPS的应用前景
最初设计GPS的主要目的是用于导航、收集情报等军事目的。但后来得应用开发表明，GPS不仅可以达到上述目的，而且用GPS卫星信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位，米级至亚米级精度的动态定位，亚米级至厘米级精度的速度测量何毫微秒级精度的时间测量。
用GPS信号可以进行海、陆、空、地的导航，导弹制导，大地测量和工程测量的精密定位，时间传递和速度测量等。在测绘领域，GPS定位定位技术已用于建立高精度的大地测量控制网，测定地球动态参数；建立陆地及海洋大地测量基准，进行高精度海陆联测及海洋测绘；监测地球板块运动状态和地壳形变；在工程测量方面，已成为建立城市与工程控制网的主要手段；在精密工程的变形监测方面，它也发挥着及其重要的作用；同时GPS定位技术也用于测定航空航天摄影瞬间相机的位置，可在无地面控制或仅有少量地面控制点的情况下进行航测快速成图，引起了地理信息系统及全球遥感监测的技术革命。
1.4本设计流程
GPS外业观测 辽宁科技大学本科生毕业设计 第4页
资料收集
图上网形设计
实地踏勘选点
网形修正
水准联测
内业数据处理
得出平面坐标与正常高 辽宁科技大学本科生毕业设计 第5页
2 GPS的定位原理与测量高程方法
2.1 GPS定位原理
2.1.1 相对定位的概念
用两台接收机分别安置在基线的两个端点，其位置静止不动，同步观测相同的4颗以上GPS卫星，确定基线两个端点在协议地球坐标系中的相对位置．这种定位模式称为相对定位如图2.1。在测量过程中，通过重复观测取得了充分的多余观测数据，从而改善了GPS定位的精度。
卫星γtiφφ'ti+1tiφ'i卫星ηti+1φi测站1测站2
图2.1相对定位原理
2.1.2 相对定位原理
由于在GPS绝对定位(或单点定位)中，定位精度将受到卫星轨道误差、钟差及信号传播误差等因素的影响，虽然其中一些系统性误差可以通过模型加以削弱，但改正后的残差仍是不可忽略的。GPS相对定位．也叫差分GPS定位，是目前GPS测量中定位精度最高的定位方法，它广泛地应用于大地测量、精密工程测量、地球动力学的研究及精密导航中。GPS的工作原理实际上就是利用测距后方交会原理确定点位与导航，将无线电信号发射台从地面点搬到卫星上，组成一个卫星导航定位系统，应用无线电测距交会的原理，由三个以上地面已知点（控制点）交会出卫星的位置，反之利用三个以上卫星的已知空间位置又可以交会出地面未知点（接收机）的位置。GPS卫星发射测距信号和导航电文，用户用GPS接收机在某一时刻i同时接收到三颗GPS卫星信号见图2.2，
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XjS1YjZjS2S3p
图2.2 GPS定位原理
测量出测站P到三颗GPS卫星的距离S1、S2、S3，并计算出该时刻GPS卫星的空间坐标为（Xj、Yj、Zj），j=1,2,3。用距离交会法解算出测站P的位置（Xp、Yp、Zp），其观测方程式为：
S1^2=(Xp-X1)^2+(Yp-Y1)^2(Zp-Z1) ^2 （2-1）
S2^2=(Xp-X2)^2+(Yp-Y2)^2(Zp-Z2)^2 （2-2） S3^2=(Xp-X3)^2+(Yp-Y3)^2(Zp-Z3)^2 （2-3） 因此，利用GPS卫星导航定位时，必须同时跟踪至少三颗以上的卫星。
2.1.3 GPS的定位方法
根据GPS导航定位的方式不同，可分为GPS绝对定位和相对定位，根据接收机天线是否处于运动状态，又可以分为静态定位和动态定位，GPS卫星导航实质上就是广义的GPS动态定位。GPS绝对定位也叫单点定位，即利用GPS卫星和用户接收机之间的距离观测值直接确定用户接收机天线在WGS－84坐标系中相对于坐标原点（地球质心）的绝对位置。GPS相对定位也叫差分GPS定位，即至少用两台GPS接收机，同步观测相同的GPS卫星，确定两台接收机天线之间的相对位置，它是目前GPS定位中精度最高的一种方法。现在又出现了一种叫载波相位动态实时差分－RTK（Real-time kinematic）技术，实质也就是相对定位，只不过它能快速完成整周模糊度的搜索求解。其基本过程是基准站（已知点）通过数据链将其采集的观测数据和测站信息一起传送给流动站，流
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动站利用同步采集到的GPS观测数据，在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果。
2.2 GPS测量高程方法
2.2.1 高程系统概述 1.高程系统 （1）大地高（Hg） （2）正常高/正高（Hr/hg） 2.大地高系统
大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统。某点的大地高是该点到通过该点的参考椭球的法线与参考椭球面的交点间的距离。大地高也称为椭球高，大地高一般用符号H表示。大地高是一个纯几何量，不具有物理意义，同一个点，在不同的基准下，具有不同的大地高。 3.正高系统
正高系统是以大地水准面为基准面的高程系统。某点的正高是该点到通过该点的铅垂线与大地水准面的交点之间的距离，正高用符号hg表示。 4.正常高系统
正常高系统是以似大地水准面为基准的高程系统。某点的正常高是该点到通过该点的铅垂线与似大地水准面的交点之间的距离，正常高用Hr表示。 5.高程系统之间的转换关系
Hr=H-r （2-4） Hg=H-hg （2-5） 2.2.2 GPS测高方法
1.等值线图法
从高程异常图或大地水准面差距图分别查出各点的高程异常或大地水准面差距，然后分别采用下面两式可计算出正常高和正高。
在采用等值线图法确定点的正常高和正高时要注意以下几个问题：
（1）注意等值线图所适用的坐标系统，在求解正常高或正高时，要采用相应坐标系
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统的大地高数据。
（2）采用等值线图法确定正常高或正高，其结果的精度在很大程度上取决于等值线图的精度。
2.大地水准面模型法
地球模型法本质上是一种数字化的等值线图，目前国际上较常采用的地球模型有OSU91A等。不过可惜的是这些模型均不适合于我国。
3.拟合法
（1）GPS高程测量
GPS所测量的高程是沿法线方向到WGS84椭球面的高度，即以简单的数学曲面为基准面，具有明确的几何意义但缺乏物理意义，而工程测量中要求的正常高是沿垂线到似大地水准面的高度，即以不规则的有起伏的重力等位面为基准面，具有严格的物理意义，这两种基准面是不一致的，它们之间的差距称为高程异常（图2.3高程异常），其关系式如下:
δ= H – h （2-6）
式中: δ—高程异常，表示似大地水准面参考椭球面的距离； H—大地高；h—正常高。
似大地水准面δ法线参考椭球面
图2.3 高程异常
在进行GPS测量后，由GPS三维平差可得到各点的大地高，若网中有部分GPS点是水准联测点，则这些点的正常高h是已知的，即可求得这些点的高程异常。在一定范围内高程异常不为常数，但可以认为在此范围内变化平缓，可用一些数学函数来拟合，求得能反映GPS网控制范围中高程异常变化的函数，然后通过内插求得网中其它各类的高程异常。可见，研究GPS高程的意义如下:①精确求定GPS点的正常高;②求定高精度的似
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[2]大地水准面。所以通常利用GPS和水准测量成果确定似大地水准面的方法为GPS水准。
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3朝阳市GPS控制网设计
3.1概述
3.1.1任务来源
鞍钢是国有企业，是祖国钢铁行业的龙头，多年为国家建设提供大量钢材，国家的需要，扩大鞍钢生产产量，利用朝阳市的资源在朝阳又建立一个新厂区，因此需要对新厂区布设控制网，建立地下管线，厂区建设及后期对厂区建筑物变形观测等工作。 3.1.2 测区概况
朝阳是辽宁西部的重要城市之一，是一个充满活力的文明古城。位于燕山山脉向辽沈平原过渡与河北省、内蒙古自治区交接地带，地处东经118°55ˊ—— 121°16ˊ、北纬40°23ˊ——42°28ˊ。朝阳地域辽阔，资源丰富，交通便利，主要气候特点为四季分明，雨热同季，日照充足，日温差较大，降水偏少。本工程所做控制地区多山，属于丘陵地形应该用GPS做大范围的控制。 3.1.3 对收集资料分析利用
收集到1：1万地形图一份，并收集到一系列工程能用到的平面点与高程点具体见表（3-1）与（3-2）
表3-1 平面起算数据(54北京坐标系)
点名 靠山屯 潘家窝堡铺 傲宝山 麒麟山 凤云山 东山
类型 三角 三角 三角 三角 三角 三角
等级 三 三 三 二 二 三
坐标X 4599293.151 4609174.887 4604223.074 4605318.014 4600146.750 4597097.449
坐标Y 535306.226 530959.488 529749.454 541605.912 541716.413 531397.756
高程 238.516 321.562 371.111 — — 367.080
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表3-2 高程起算数据(1985国家高程基准)
点名 八中 朝阳桥 榆树林桥 财校 十三中 中山小学
类型 水准 水准 水准 水准 水准 水准
等级 四等 四等 四等 四等 四等 四等
高程 175.468 173.209 174.514 176.420 197.715 169.420
3.1.4 GPS控制网技术设计的依据与基准设计
1 .GPS控制网的技术设计的依据
GPS控制网技术设计及业外测量的主要技术依据是GPS测量规范（规程）和测量任务书。
GPS测量规范（规程）
GPS测量规范（规程）是国家测绘管理部门和行业部门所制定的技术标准和法规，目前GPS控制网设计依据的规范（规程）有：
（1）2001年国家质量技术监督局发布的国家标准《全球定位系统（GPS）测量规范》，以下简称国标（GB）；
（2）1992年国家测绘局发布的测绘行业标准《全球定位系统（GPS）测量规范》，以下简称《规范》；
（3）1998年建设部发布的行业标准《全球定位系统城市测量技术规程》，以下简称《规程》；
（4）各部委根据本部门GPS工作的实际情况指定的其他GPS测量规程或细则。 测量任务书或测量合同是测量施工单位上级主管部门或合同甲方下达的技术要求文件。这种技术文件是指令性的，它规定了测量任务的范围、目的、精度和密度要求、提交成果资料的项目和时间、完成任务的经济指标等。
在GPS测量方案设计时，一般首先依据测量任务书提出的GPS网的精度、点位密度和经济指标，并结合国家标准或其他行业规范（规程），现场具体确定点位及点间的连接方式、各点设站观测的次数、时段长短等布网施测方案。
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2.基准设计
GPS测量获得的是GPS基线向量,它属于WGS—84坐标系的三维坐标差,而实际需要的是国家坐标系或地方独立坐标系的坐标。因此需要结合测区概况和已有资料(表3-1和表3-2),进行GPS网的基准设计。
根据鞍钢厂区近期发展与远景规划相结合的战略目标，按照现阶段厂区建设的需要，采用中央子午线经度为120°,投影面与54北京坐标系相同而建立的坐标系统。
3.2 GPS测量的精度标准及分级
对于GPS网的精度要求，主要取决于网的用途和定位技术所能达到的精度。精度指标通常是以GPS网相邻点间弦长标准差来表示，即：
2 бa2 （3-1） （bd）式中：—— 标准差（基线向量的弦长中误差，mm）； a —— GPS接收机标称精度中的固定误差（mm）； b —— GPS接收机标称精度中的比例误差系数（1×10-6）；
d —— 相邻点间的距离（km）。
根据2001年国家质量技术监督局发布的国家标准《全球定位系统（GPS）测量规范》，将GPS控制网按其精度划分为AA、A、B、C、D、E六个精度级别，如表3-3所示。
表3-3 GB《规范》规定的GPS测量控制网精度分级
级别 AA A B C D E
平均距离/Km
1000 300 70 10～15 5～10 0.2～5
固定误差a/mm
≤3 ≤5 ≤8 ≤10 ≤10 ≤10
比例误差系数b/10-6
≤0.01 ≤0.1 ≤1 ≤5 ≤10 ≤20
其中，AA级主要用于全球性的地球动力学研究、地壳形变测量和精密定轨；A级主要用于区域性的地球动力学研究和地壳形变测量；B级主要用于局部变形监测和各种
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精密工程测量； C级主要用于大、中城市及工程测量的基本控制网；D、E级主要用于中、小城市，城镇及测图、地籍、土地信息、房产、物探、勘测、建筑施工等控制测量。AA、A级是建立地心参考框架的基础，同时AA、A、B级也是建立国家空间大地测量控制网的基础。
为了进行城市和工程测量，建设部发布的行业标准《全球定位系统城市测量技术规程》将GPS测量划分为二等、三等、四等和一级、二级，如表3-4所示。
表3-4 GPS测量控制网精度分级表
平均距离
等 级
/km
二等 三等 四等 一级 二级
9 5 2 1 ≤1
≤10 ≤10 ≤10 ≤10 ≤15
≤2 ≤5 ≤10 ≤10 ≤20
1/120000 1/80000 1/45000 1/20000 1/10000
固定误差a/(mm)
比例误差b/10-6
最弱边相对中误差
注：当边长小于200m时，边长中误差应小于20mm。
在实际工作中，精度标准的确定还要根据用户的实际需要及人力、物力、财力等情况合理设计，也可参照本部门已有的生产规程和作业经验适当掌握。在布网时可以逐步布设、越级布设或布设同级全面网。[1]
3.3 GPS各项技术设计
3.3.1设计的技术分析
1.等级确定
根据要新建设的厂区范围、收集到的已知点范围及布设控制网的目的确定布设的GPS控制网应按C级布设。
2.技术设计 （1）时段设计
根据规范对C级网的要求，采用快速静态相对定位，时段长度根据边长而定。 GPS网的时段设计有点连式、边连式和网连式三种基本方法。点连式所构成的图形几何
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强度太弱；网连式布网冗赘，工作量太大；边连式布网有太多的非同步闭合条件，工作量适中。根据C级GPS网的要求我们采用边点结合的混合式布网方法。 （2）观测方法
GPS网的观测采用载波相位快速静态相对定位模式,作业仪器采用3台Timble5700双频GPS接受机,它的标称精度可达5 mm±1ppm,满足精度要求。作业方法是:将GPS三套接收机设备分别安置在网中三角形的各个端点上,对基线边同步观测4颗或4颗以上的卫星。这种模型的特点是:观测过的基线边构成一个闭合图形,便于观测成果的检验,从而提高观测成果的可靠性和GPS网平差后的精度。 3.3.2 GPS网优化设计
GPS控制网的优化设计是实施GPS测量的基础性工作，它是在网的精确性、可靠性和经济性方面,寻求GPS控制网设计的最佳方案。根据GPS测量特点分析可知，GPS网需要以一个点的坐标为定位基准，而此点的精度高低直接影响到网中各基线向量的精度和网的最终精度。同时由于GPS网的尺度含有系统误差以及同地面网的尺度匹配问题，所以有必要提供精度较高的外部尺度基准。
由于GPS网的精度与网的几何图形结构无关，且与观测权相关甚小，而影响精度的主要因素是网中各点发出基线的数目及基线的权阵。因此，提出了GPS网形结构强度优化设计的概念，讨论增加的基线数目、时段数、点数对GPS网的精度、可靠性、经济效益的影响。同时，经典控制网中的三类优化设计，即网的加密和改进问题，对于GPS网来说，也就意味着网中增加一些点和观测基线，故仍可将其归结为对图形结构强度的优化设计。综上所述，GPS网的优化设计主要归结为两类内容的设计： (1)GPS网基准化的优化设计。
(2)GPS网图形结构强度的优化设计，其中包括：网的精度设计能力的可靠性设计，网发现系统差能力的强度设计。[5] 3.3.3 GPS控制网基准的优化设计
经典控制网的基准优化设计是选择一个外部配置，使得达到一定的要求，而GPS网的基准优化设计主要是对坐标未知参数X进行的设计。基准选取的不同将会对网的精度产生直接影响，其中包括GPS网基线向量解中的位置基准的选择，以及GPS网转换到地方坐标系所需的基准设计。另外，由于GPS尺度往往存在系统误差，因此应提出对GPS网尺度基准的优化设计。
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1．位置基准设计
研究表明，GPS基线向量解算中作为位置基准的固定点误差是引起基线误差的一个重要因素，使用测量时获得的单点定位值作为起算坐标，由于其误差可达数十米以上，所以选用不同点的单点定位坐标值作为固定点时，引起的基线向量差可达数厘米。因此，必须对网的位置基准进行优化设计。 2．尺度基准设计
尽管GPS观测量本身已含有尺度信息，但由于GPS网的尺度含有系统误差，所以，还需要提供外部尺度基准。
GPS网的尺度系统误差有两个特点：一是随时间变化，由于美国政府的SA政策，使广播星历误差大大增加，从而对基线带来较大的尺度误差；另一个随区域变化，由区域重力场模型不准确引起的重力摄动造成。因此，如何有效地降低或消除这种尺度误差，提供可靠的尺度基准就是尺度基准优化问题。其优化有以下几种方案：
(1)提供外部尺度基准。对于边长小于50km的GPS网，可用较高精度的测距仪(或更高)测量2至3条基线边，作为整网的尺度基准。对于大型长基线网，可采用SLR站的相对定位观测值和VLBI基线作为GPS网的尺度基准。
(2)提供内部尺度基准。在无法提供外部尺度基准的情况下，仍可采用GPS观测值作为GPS网的尺度基准，只是对作为尺度基准观测量提出一些不同要求，其尺度基准设计如下。
在GPS网中选一条长基线．对该基线尽可能多地长时间、多次观测，最后取多次观测段所得的基线的平均值，以其边长作为网的尺度基准。由于它是不同时期的平均值，尺度误差可以抵消。因此，它的精度要比网中其他短基线高得多，可以作为尺度基准。 以上讨论了GPS基线向量解其中位置基准以及GPS尺度基准的选择与优化问题。此外，GPS成果转换到地面实用坐标系中，还存在一个转换基准的选择问题，此处不再讨论。 3.3.4 GPS网的精度设计
精度是用来衡量网的坐标参数估值受观测偶然误差影响程度的指标。网的精度设计是根据偶然误差的传播规律，按照一定的精度设计方法，分析网中各未知点平差后预期能达到的精度，这常被称为网的统计强度设计与分析。一般常用坐标的方差——协方差阵来分析，也可用误差椭圆(球)来描述坐标点的精度状况，或用点之间方位、距离和角度的标准差来定义。
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对于GPS网的精度要求，一般用网中点之间的距离误差来表示。其精度与网的点位坐标无关，与观测时间无明显的相关性(整周模糊度一旦被确定后)，GPS网平差的法方程只与点间的基线数目有关，且基线向量的三个坐标差分量之间又是相关的，因此，很难从数学的角度和实际应用出发，建立使未知数的协因数阵逼近理想的准则矩阵。所以，目前较为可行的方法是给出坐标的协出数阵的某种纯量精度标准函数。设GPS网有误差方程
3.3.5 GPS定位的密度设计
各种不同的任务要求和服务对象，对GPS网的分布有不同的要求。例如，国家特级（AA级）基准点主要用于提供国家级基准，有助于定轨、精密星历计算和大范围大地变形监测，平均距离几百公里。而一般工程测量所需要的网点则应满足测图加密和工程测量，平均边长几公里，甚至更短几百米以内。综合以上因素，国家《规范》和《规程》对GPS网中两相邻点间距离视其需要做出了规定：各级GPS相邻点间平均距离应符合表3-3、3-4中所列数据的要求，相邻点间最小距离可为平均距离的1/3～1/2倍，最大距离可为平均距离的2～3倍。 在特殊情况下，个别点的间距可也可结合任务和服务对象，对GPS点分布要求做出具体的规定。[4]
3.4网形布设方案设计
3.4.1 GPS控制网的基准设计
通过GPS测量可以获得地面点间的GPS基线向量，它属于WGS-84坐标系的三维坐标系。在实际工程应用中，我们需要的是国家坐标系（1954年北京坐标系或1980年西安坐标系）或地方独立坐标系的坐标。
在GPS网控制的基准设计时，必须考虑以下几个问题:
(1) GPS测量成果转化到工程所需的地面坐标系中的坐标，应选择足够的地面坐标系的起算数据与GPS测量数据重合，或者联测足够的地方控制点，以求得坐标转换参数用以坐标转换。在选择联测点时既要考虑充分利用旧资料，又要使新建的高精度GPS网不受因旧资料精度较低的影响。因此，大中城市GPS控制网应与附近的国家控制点联测3个以上。小城市或工程控制可以联测2~3个点。
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(2) 为保证GPS网进行约束平差后坐标精度的均匀性以及减少尺度比误差影响，对GPS网内重合的高等级国家点或原城市等级控制网点，除未知点连结图形观测外，对他们也要构成图形。
(3) 在布设GPS网时，可以采用高精度的激光测距边作为起算边长，激光测距边的数量可在3～5条左右。这些边可设在GPS网中的任何位置，但激光测距边两端的高差不应过份悬殊。
(4) 在布设GPS网时，可以引入起算方位，但起算方位不宜太多。起算方位可布设在GPS网中任何位置。
(5) GPS网经三维平差计算后，得到是相对于参考椭球面的大地高程，为求得GPS点的正常高程 ，可根据具体情况联测高程点。联测的高程点需均匀分布于网中，对丘陵或山区联测高程点应按高程拟合曲面的要求进行布设。AA、A级网应按二等水准逐点联测高程。B级网应按三等水准或与其相当的方法至少每隔2～3点联测一点。C级网应按四等水准或与其相当的方法至少每隔3～6点联测一点。D、E级网具体联测宜采用不低于四等水准或与其精度相等的方法进行。GPS点高程在经过精度分析后可供测图或其他方面使用。[3] 3.4.2 GPS控制网的图形设计
1.网型设计
网的图形设计主要是根据网的用途和用户要求，侧重考虑如何保证和检核GPS数据质量；同时还要考虑接收机类型、数量和经费、时间、人力及后勤保障条件等因素，以期在满足要求的前提条件下，取得最佳的效益。 1）．设计原则
（1）GPS网一般应采用独立观测边构成闭合图形，如三角形、多边形或附合线路，以增加检核条件，提高网的可靠性。
（2）GPS网作为测量控制网，其相邻点间基线向量的精度，应分布均匀。 （3）GPS网点应尽量与原有地面控制点相结合。重合点一般不少于3个（不足时应联测），且在网中分布均匀，以可靠地确定GPS网与地面之间的转换参数。 （4）GPS网点应考虑与水准点重合，而非重合点，一般应根据要求以水准测量（或相当精度的测量方法）进行联测，或在网中布设一定密度的水准联测点。
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（5）为了便于GPS的测量观测和水准联测，减少多路径影响，GPS网点一般应设在视野开阔和交通便利的地方。
（6）为了便于用经典方法联测或扩展，可在GPS网点附近布设一通视良好的方位点以建立联测方向，方向点与观测站距离一般应大于300米。
（7）GPS网必须由非同步独立观测边构成若干个闭合环或附和线路。各级GPS网中每个闭合环或附和线路中的边数应符合表3-5的规定。
表3-5 最简独立闭合环或附和线路边数的规定
级别
闭合环或附和线路的边数
A ≤5
B ≤6
C ≤6
D ≤8
E ≤10
(8)GPS网基线满足要求见表3-6。
表3-6 GPS网特征条件参数
GPS网特征条件参数 总基线数 必要基线数 独立基线数 多余基线数
GPS网特征条件计算公式
B总 SN(N-1) /2 B必 n-1 B独 S(N-1) B多 S(N-1) -(n-1)
2 GPS网的基本形式
根据GPS测量的不同用途，GPS网的几何图形结构，有以下三种形式。[3] （1）三角形网
如图3.1所示。图中各三角形边是由非同步观测的独立边所组成。这种网的几何图形结构强，具有良好的自检能力，能有效地发现观测成果的粗差，确保网的可靠性。经平差后网中相邻点间基线向量的精度分布均匀。
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图3.1 GPS三角网
这种网的主要缺点是观测工作量较大，尤其当接收机的数量较少时，将使观测工作的时间大为延长。因此，通常只有当网的可靠性和精度要求较高时，才单独采用这种图形结构的网。 （2）环形网
由若干个含有多条独立观测边的闭合环所组成的网，称为环形网，如图3.2所示。这种网的图形结构强度较三角网差，其优点是观测工作量较小，具有较好的自检性和可靠性。其缺点主要是非直接观测的基线边（或称间接边）精度较直接观测边低，相邻点间的基线精度分布不均匀。由于环形网的自检能力和可靠性与闭合环中所含基线边的数量有关，所以，一般根据网的精度要求，规定闭合环中包含的基线边的数量。表3-7如下： 表3-7 闭合环基线边数的限值
类级 闭合环中的边数
A ≤8
B ≤10
C ≤12
三角网和环形网是大地测量和精密工程测量普遍采用的两种基本图形。通常，根据实际情况往往采用上述两种图形的混合网形。
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图3.2 GPS环形网
（3）附和线路和星形网
在GPS高级网中需进一步加密控制点时，可采用附和线路，如图3.3所示。为保证可靠性和精度，附和线路所包含的边数也不能超过一定限制。
图3.3 附合线路
星形网的几何图形如图3.4所示。其图形简单，直接观测边之间不构成任何闭合图形，所以检验和发现粗差的能力差。这种图形的主要优点是观测中只需要两台GPS接收机，作业简单。它广泛地应用于工程测量、边界测量、地籍测量和碎部测量等方面，定位中采用快速定位的作业模式。
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图3.4 星形网
3.4.3 提高GPS网可靠性的方法
增加观测期数（增加独立基线数): 在布设GPS网时，适当增加观测期数（时段数）对于提高GPS网的可靠性非常有效。因为，随着观测期数的增加，所测得的独立基线数就会增加，而独立基线数的增加，对网的可靠性的提高是非常有宜的。
保证一定的重复设站次数: 保证一定的重复设站次数，可确保GPS网的可靠性。一方面，通过在同一测站上的多次观测，可有效地发现设站、对中、整平、量测天线高等人为错误；另一方面，重复设站次数的增加，也意味着观测期数的增加。不过，需要注意的是，当同一台接收机在同一测站上连续进行多个时段的观测时，各个时段间必须重新安置仪器，以更好地消除各种人为操作误差和错误。
保证每个测站至少与三条以上的独立基线相连，这样可以使得测站具有较高的可靠性。在布设GPS网时，各个点的可靠性与点位无直接关系，而与该点上所连接的基线数有关，点上所连接的基线数越多，点的可靠性则越高。
在布网时要使网中所有异步环的边数不大于6条：在布设GPS网时，检查GPS观测值（基线向量）质量的最佳方法是异步环闭合差，而随着组成异步环的基线向量数的增加，其检验质量的能力将逐渐下降。[6] 3.4.4 提高GPS网精度的方法
(1) 为保证GPS网中各相邻点具有较高的相对精度，对网中距离较近的点一定要进行同步观测，以获得它们间的直接观测基线。为提高整个GPS网的精度，可以在全面网之上布设框架网，以框架网作为整个GPS网的骨架；精心制定一个子区和子环路的
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实测方案。
(2) 在布网时要使网中所有最小异步环的边数不大于6条
(3) 在布设GPS网时，引入高精度激光测距边，作为观测值与GPS观测值（基线向量）一同进行联合平差，或将它们作为起算边长。
(4) 若要采用高程拟合的方法，测定网中各点的正常高/正高，则需在布网时，选定一定数量的水准点，水准点的数量应竟可能的多，且应在网中均匀分布，还要保证有部分点分布在网中的四周，将整个网包含在其中。
(5) 为提高GPS网的尺度精度，可采用增设长时间、多时段的基线向量的方法。[6] 3.4.5 GPS控制网图
经过以上的分析并参考各项技术指标拟定了这次工程的GPS控制网的网型如图3.5。外业踏勘选点及实地观测可带随设计的两张图纸进行作业。
PJBJK2JK3ABSQLSJK1GP07FYSGP09GP08DS
图3.5 GPS控制网
GP10 由图中分析有12个同步观测环，一个由ABS-GP07-GP08-GP09四点组成的异步观测环，根据表3-6中的公式可得必要基线数为11条，独立基线数为24条，由以上的分析可以确定出此网型的主要特征，并且符合上面提到过的要求。
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3.5 选点与埋标
3.5.1 选点
由于GPS测量观测站之间不一定要求相互通视,而且网的图形结构也比较灵活,所以选点工作比常规控制测量的选点要简便。但由于点位的选择对于保证观测工作的顺利进行和保证测量结果的可靠性有着重要的意义,所以在选点工作开始前,除收集和了解有关测区的地理情况,决定其适宜的点位外,选点工作还应遵守以下原则: 1.点位应设在易于安装接受设备、视野开阔的较高点上;
2.点位目标要显著,视场周围15º以上不应有障碍物,以减小GPS信号被遮挡或被障碍物吸收;
3.点位应远离大功率无线电发射源(如电台、微波站等),其距离不小于200m;远离高压输电线和微波无线电信号传送通道,其距离不得小于50m。以避免电磁场对GPS信号的干扰;
4.点位附近不应有大面积水域或不应有强烈干扰卫星信号接受的物体,以减弱多路径效应的影响;
5.点位应选在交通方便,有利于其他观测手段扩展与联测的地方; 6.地面基础稳定,易于点的保存;
7.选点人员应按技术设计进行踏勘;在实地按要求选定点位。当利用旧点时,应对旧点的稳定性、完好性,以及觇标是否安全、可用性进行检查,符合要求方可利用。 3.5.2 埋标
基本控制点应埋设固定标石。
在埋石困难的沥青或水泥地面时可打入刻有十字的钢桩代替标石，标石、钢桩规格如下：
土质地面可埋设石灰石标桩，桩面150×150mm，中间刻有5cm长的十字线。桩高0.8米，塑混凝土底座40×40cm，高0.3米。埋入地下0.95米。如下图：
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图3.6 控制点标桩
建筑物顶上设置标石，标石应和建筑物顶面牢固连接。
GPS网点应埋设具有中心标志的标石，以精确标志点位。点的标石和标志必须稳定、坚固以利长久保存和利用。在基岩露头地区，也可直接在基岩嵌入金属标志。每个点位标石埋设结束后，应按表3-8填写点的记录, 并提交以下资料：
(1) 点的记录。
(2) GPS网的选点网图。
(3) 土地占用批准文件与测量标志委托保管书。 (4) 选点与埋石工作技术总结。
(5) 点名应向当地政府部门或群众进行调查后确定，一般取村名、山岗名、地名、单位名。利用原有旧点时，点名不宜更改，点号编排(码)应便于计算机计算。
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表3-8 GPS点点之记 土质 号 点 GPS点 点 名 及 种 类 相邻点（名﹑号﹑里程﹑通视否） 标石说明（单﹑双层﹑类型）旧点 旧点名 所在地 交通路线 所在图幅号 X Y 概略位置 L B （略图） 备注 日期： 年 月 日 记录者： 绘图者： 校对者：
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3.6 GPS网外业观测
3.6.1 观测工作的主要技术指标
表3-9 四等GPS相对定位测量的主要技术规定 卫星截止高度角 同时观测有效卫星数 有效观测卫星总数 观测时间段 观测时段长度/min 数据采样间隔
时段中任一卫星有效观测时间/min 点位几何图形强度因子/PDOP
15º ≥4 ≥4 ≥1.6 ≥10 5～15 ≥3 <8
3.6.2外业作业原则
进行GPS控制测量作业设计时，一方面要考虑经济问题，目的在于缩短野外作业时间， 节约资金，使测量费用指标达到最优。另一方面，要有较多的多余观测，以提高观测成果的精度和可靠性。同时还必须考虑各待测点的点位精度的均匀性和各观测时段的独立性。基于这些因素，我们的作业设计原则是： a GPS网中各待测点的设站次数应相同；
b优先测量点间距离较近的点，同时沿最短距离欠站； c 应该联测相距较远的高等级已知点；
d GPS网中各待测点每次重复设站都使用不同的接收机。
3.6.3 观测时段的选择
GPS卫星的观测是待GPS卫星离开地平线一定的角度才开始的，高度角愈小，愈有利于减小三维位置图形强度因子- PDOP值。但卫星高度角愈小，对流层影响愈显著，测量误差随之增大。总之，若PDOP值愈大，说明观测条件愈差。因此，要根据实际情况选定最佳值。GPS定位精度与能同步跟踪的卫星数有至关重要的作用，若接收机有观测到五颗卫星以上的能力，就能把所有可能观测到的卫星都锁定进行跟踪观测。虽然
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GPS卫星星座共计24颗(其中21颗为可用于导航的卫星，3颗为活动的备用卫星)，在地球表面上任何地点、任何时刻，在高度角15°以上均可同时观测到6颗卫星。但对于一些接收条件差，基线向量相对较长的基线，如何保证同步跟踪卫星数，就需要分析星历预报与实地结合的原理选定最佳观测时段，以确保工作顺利进行，减少作业返工量。在选择最佳时段时尽量避开卫星频繁起落时段，分析得知在9:30至10:00、4:45至5:30之间频繁的起落，虽能保证卫星数，但很难长时间锁定卫星；另外在8:00至9:30卫星数不足4颗。这在观测条件差的测站就很难保证精度，因此应尽量避开;根据星历预报的图表分析得知在5:00至8:00、10:00至16:30时间段能保证稳定地5颗以上卫星数，对于一天的作业而言也便于开展.[4] 3.6.4 GPS静态测量外业记录手薄
表3-10 GPS静态测量外业记录手薄
点名 开始记录时间 天线类型及编号
观测员
接收机名称及编号 结束记录时间 天线高 观测日期
3.7 设备、器材筹备及人员组织
3.7.1 仪器选用：3台Timble5700GPS接收机1+2台套及相应附件，徕卡数字水准仪DNA03。 3.7.2 仪器的检验
光学对点器检验：我们将采用投影法检验，其检验与校正的步骤如下： （1）在三脚架上安置机座并使其水平，三脚架下放一张白纸； （2）用光学对点器在白纸上标出一点A； （3）将机座旋转120度，同法标出第二点B； （4）将机座再旋转120度,同法标出第三点C； 观测中三点几乎完全重合，满足检验的要求。
微基线的检验：在平坦的地面上适当选择两点1、2，使其距离大概为5米，把高精度的全站仪在任意一点上安置好，沿选定的方向在选定的直线上用归化法放样放样出5
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米，且标定此点2，重复几次提高此距离的放样精度，以达到相应规程所要求的精度。然后在拿出我们野外观测所要用的两台Timble5700的接收机，分别安置在两点上，同时开机进行观测，大概一小时左右，同时关机。然后用相应的软件进行基线解算。用相同的方法重复此操作几次，最后两种观测所得到的基线进行比较，接收机所测的基线长度没有超过规定的±3毫米，此仪器可以进行规定等级的野外观测。
3.7.3 人员配备情况：高级工程师3名、技术员8名、向导3名以及司机3名。
3.8 工程预算
表3-11 C级GPS控制点成本表
项目 标石选埋 外业观测 内业计算 总计
单价（元/个）
500 5000 200 —
个数 4 12 12 —
表3-12 二等水准测量费用
项目 水准观测 总计
单价（元/公里）
800 —
公里数 19 —
表3-13 车辆调度费用
车辆总类 金杯面包车（2） 松花江面包车
总计
单价（元/百公里）
85 70 —
百公里数 10 15 —
合计（元） 1700 1050 2750
备注 — — —
合计（元） 15200 15200
备注 — —
合计（元） 2000 60000 2400 64800
备注 — — — —
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表3-14 GPS外业观测人员工资表
人员 高级工程师 技术员 向导 司机 总计
人数（人）
3 8 3 3 —
工资（元/天）
100 60 50 50 —
天数 3 3 3 3 —
合计（元）
900 1440 450 450 3240
备注 — — — — —
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4 水准联测
根据GPS高程网拟合要求需联测部分水准点，考虑到对厂区的以后发展应当进行二等水准测量，以后便于进行对建筑物的沉降观测。 4.1.1 水准观测需要符合以下的规定：
1.观测前，应使仪器与外界气温趋于一致。观测时，应用白色测伞遮蔽阳光。迁站时，应当用白色仪器罩将仪器罩住。
2.使用补偿式自动安平水准仪观测的操作程序与气泡式水准仪相同，观测前圆水准器应精确校正，观测时应严格置平，其补偿误差不应大于0.2秒。
3.在连续各测站上安置水准仪三角架时，应使其中两脚与水准路线的方向平行，而第三脚轮换置于路线方向的左侧或者右侧。
4.同一测站上观测时，不得两次调焦。
5.观测中不得为了增加标尺读数而把尺桩安置在沟边或壕坑中的方法
6.每测段的往测和返测的站数应为偶数。由往测转向返测时，两根标尺应互换位置，并应重新整置仪器。[8] 4.1.2二等水准测量的技术要求
表4-1 一、二等精密水准测量外业计算尾数取位如表
项目 等级 往（返）测距离总和 km 一 二 0.01 0.01 测段距离中 各测站 数 km 0.1 0.1 高 差 mm 0.01 0.01 往（返）测高差总和 mm 0.01 0.01 测段高差中 水准点 数 mm 0.1 0.1 高 程 mm 1 1 表4-2测段路线往返测高差不符值、附合路线和环线闭合差
以及检测已测测段高差之差的限值
项目 等级 往（返）测距离总和 Km 一 二 0.01 0.01 测段距离中 数 km 0.1 0.1 各测站 高 差 mm 0.01 0.01 往（返）测高差总和 mm 0.01 0.01 辽宁科技大学本科生毕业设计 第31页
表4-3 水准测量限差
项 目 等级 仪器视线类型 长度/m 一 二 S05 S1 S05 ≤30 ≤50 ≤50 ≤0.5 ≤1.0 ≤1.5 ≤3.0 视线长度 前后 前后 视距视距视线高度（下丝书） /m ≥0.5 ≥0.3 读基辅分划读数之差/mm ≤0.3 ≤0.4 ≤0.4 ≤0.6 基辅分划所得高差上下丝读数平均值 与中丝读数之差 1cm分划标尺/mm ≤3.0 ≤3.0 ≤0.7 ≤1.0 检测间歇点高差之差/mm 差/m 累积差/m 之 差 0.5cm分/mm 划标尺/mm ≤1.5 ≤1.5 4.1.3 水准联测具体施测方法
依据图4.1的水准路线图进行二等水准测量，必须依据观测规定要求进行测量。若工期要求或者是工作人员有剩余，可分组从两侧或者从某一点开始进行观测。水准观测路线选择比较灵活可根据实际情况而定。 4.1.3水准路线拟定图
CYQQLSJK3BZCXFYSGP07I3GP08GP09I10GP10I9I10DSI7I8I6I5I4
图4.1水准路线拟定图
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5 数据处理
5.1 GPS测量数据处理基本步骤：粗加工、预处理、基线解算平差处理、坐标转换
和高程转换。
5.1.1 粗加工
l .原始观测数据的下载。
在进行基线解算之前，首先需要从接收机上下载原始的GPS观测值数据,至少应当有：观测值文件；星历参数文件。有些接收机还另外列出了测站信息文件、电离层参数和UTC 参数文件。
2.外业输入数据的检查与修改。
在读入了观测值数据后，就需要对观测数据进行必要的检查，检查的项目包括：测站名、点号、测站坐标、天线高等。 5.1.2 数据预处理
为了获得GPS观测基线向量并对观测成果进行质量检核，首先要进行GPS数据的顶处理，根据预处理结果对观测数据的质量进行分析并做出评价，以确保观测成果和定位结果的预期精度。
GPS网数据处理分基线向量解算和网平差两个阶段。各阶段数据处理软件均采用随机所带软件。处理的主要内容有:
1）GPS卫星轨道方程的标准化。
其目的是解决因星历数据来源、时段不同而产生的差异卫星轨道方程。
2）时钟多项式的拟合和标准化。
观测值文件的标准化：各接收文件的记录格式、类型、项目、采样率、数据单位应统一。
3）对观测值进行各种模型改正。 双频观测相位线性合成为单频观测值。 平均计算每一个观测点的伪距定位坐标。 5.1.3 基线解算
基线向量的解算事一个复杂的平差计算过程。解算时要顾及观测时段中信号间断引起得数据剔除、观测数据粗差的发现及剔除、星座变化引起的整周未知参数的增加等问题。基线处理完成后应对以下结果分析和检核：
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①观测值残差分析②基线长度的精度③基线向量环闭合差的计算及检核 5.1.4 无约束平差
GPS基线向量网的无约束平差常用的是三维无约束平差法。GPS基线向量提供的尺度和定向基准术语WGS-84坐标系，进行三维无约束平差时，需要引入位置基准，引入的位置基准不用引起观测值的变形和改正。引入位置基准的方法有三种，一种为网中有高级的GPS点时，将高级GPS点的坐标（属于WGS-84坐标系）作为网平差时的位置基准；第二种为网中无高级GPS点时，取网中任一点的伪距定位坐标作为固定网点坐标的起算数据；第三种为引入何时的近似坐标系下的亏秩自由网基准。 5.1.5 约束平差
约束平差可分为三维约束平差和二维约束平差 1.三维约束平差
基线向量网的三维约束平差可以在国家（或地方）大地坐标系中进行，约束条件事地面网点的固定坐标，固定大地方位角和固定空间弦长，平差结束后同时完成了坐标系统的转换。
2.实际应用中以国家（或地方）坐标系的一个已知点和一个已知方向作为其算数据，平差时将GPS基线向量观测值及其方差阵转换到国家（或地方）坐标系的二维平面（或球面）上，然后在国家（或地方）坐标系中进行二维约束平差。[1] 5.1.6 具体操作步骤
利用与Timble5700GPS接收机配套的TGO解算软件进行解算。 1.数据传输
将外业观测数据传输到计算机中
2.TGO软件建立坐标系统
（1）首先打开TGO软件，在功能菜单下选择坐标系统编辑模块（Coordinate System Manager）。
（2）进入坐标系统管理器，单击编辑/增加椭球。
（3）输入定义坐标系统的椭球名称、地球的长半轴、扁率，短半轴和偏心率会自动计算出来。
（4）增加基准/Molodensky。
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（5）创建新的基准转换组。 （6）增加坐标系统组。
（7）选择投影方式：横轴墨卡托投影，之后选择第五部创建的基准转换组，决不能是默认的WGS-84基准，大地水准面模型选择全球性水准面模型EGM96（Global）。投影带中心子午线度数填120°。 （8）文件退出并保存。 3.TGO软件新建项目 4.导入静态观测数据 5.处理GSP基线 6.GPS网的无约束平差 5.1.7 GPS高程拟合
在三维无约束平差计算后，根据软件的功能和联测已知水准数据的数量选择适当的高程拟合模型进行高程拟合计算。
(1)应根据不同的测区，选用合适的拟合模型。通过划分分区可使拟合模型与拟合区域高程异常的变化更加接近。
(2) 所利用的平差后的GPS观测值应具有较高的精度，可看作准确值。且根据规范，使测区布有已知的水准点，亦应联测部分水准点，保证适当数量的已知点。计算时高程异常取到毫米。
(3)保证已知点高程精度且应均匀分布于测区。在地形复杂的测区，应适当增加水准重合点进行观测。
(4)采用的已知水准点越多，拟合精度越高。
(5)为减少粗差对高程拟合结果的影响，高程拟合应选择多种拟合方案进行，对各方案拟合结果进行比较分析后，剔除影响拟合精度的粗差，选择最佳拟合结果作为最终成果。
5.2水准数据处理
用计算机直接读取PCMCIA卡的数据，经计算机转换后依靠徕卡公司为这套设备编写的专用处理软件LevelPak-Pro计算,软件包括输入、处理、报告和输出等功能。在运算后可得出计算成果表，确认无误后将结果交给进行拟合GPS控制网人员，并交由专
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门人员保管成果。
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结束语
经过了两个多月的学习和工作，在杨凤芸老师的悉心指导和严格要求下，我终于完成了以《朝阳市GPS控制网设计》为课题论文。此课题主要是研究应用GPS布设大范围的控制网，建立鞍钢朝阳新厂区，考虑了厂区以后发展和GPS网的高程拟合精度问题，选用较为精密的水准仪进行二等水准测量，并拟定其水准路线，保证已知点高程精度且应均匀分布于测区，在地形复杂的测区，适当增加水准重合点进行观测进行实地测量，得出路线上各未知高程点的大地高。最终通过GPS自带的解算软件解算并平差GPS控制网,获取各点地理坐标，进行误差控制分析，使之达到令人满意的精度。并且引用了有关的技术指标作为此次设计的技术依据。
虽然论文其中借鉴了不少前人的经验及资料，但是还是有很多不足之处，但是这也成就了我在大学期间自己独立完成的最大的项目，心中还是很高兴的。还是引用一句话来叮嘱自己吧：只有经过长时间完成其发展的艰苦工作，并长期埋头沉浸于其中的任务， 方可望有所成就。
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参考文献
[1]徐绍铨 张华海 杨志强 王泽民.GPS测量原理及应用 [M].修订版. 武汉：武汉测绘科技大学，2003
[2]沈学标.GPS水准高程拟合精度的分析[J].测绘通报，1998(7) [3]张海中.GPS控制网技术[J].<<江西测绘>>2008年第04期
[4]虞延林.余绍熙 ,马才学. [J]. GPS定位与精度 [J].测绘通报，1993(03) [5]刘经南.广域差分GPS原理和方法 [M]. 北京：测绘出版社，1999 [6]洪大永.GPS全球定位系统技术及其应用[M].厦门：厦门大学出版社，1998 [7]施闯.大规模高精度GPS网平差与分析理论及其应用. [M].北京：测绘出版社，2002 [8]孔祥元.郭际明.控制测量学. [M].武汉：武汉大学出版社，1996 [9]武汉测绘科技大学《测量学》编写组. [M]武汉：测绘出版社，1979 [10] GPS World Receiver Survey, GPS World Magazine, Jan2005
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