GPS 测量与数据处理

1©2005~2012. 黄劲松 武汉大学 测绘学院

GPS测量与数据处理

黄劲松武汉大学 测绘学院

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第四章 GPS 测量的外业

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本章内容• 选点与埋石 • 接收机的选用及维护保养 • 接收机的检验 • 观测方案设计 • 作业调度 • 观测作业 • 成果验收和上交资料 • 外业进度估算及项目成本预算

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1. 选点与埋石

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选点准备• 收集资料

– 点之记，平面控制网及水准网的网图，成果表，技术总结，地形图，交通图，测区总体建设规划及近期发展规划，…

• 了解和研究测区内的相关情况– 交通，通讯，供电，气象及大地点，…

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图上设计• 作用

– 确定点位的分布、数量– 确定联测的高等级控制点

• 设计目标：– 满足应用要求– 易于保存– 交通方便

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测站的基本要求• 观测条件

– 对空通视条件好， 15 以上不宜有成片障碍物。– 15 以上不宜有金属导体 *– 便于仪器安置及观测作业。– 远离可能的干扰源。– 远离易引起多路径的环境。

• 位置及设施– 地质条件良好、点位稳定、易于保存，尽可能顾及交

通等条件。– 充分利用符合要求的现有观测设施。– 尽量选择测站小环境与周围大环境一致的地点。

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辅助点和方位点• 辅助点

– 作用：检验、恢复主点– 要求：若 A 、 B 级 GPS 点不位于基岩上时，

应在附近埋设 1~3 个辅助点，并测定它们与 GPS 点之间的距离和高差，精度优于 5mm 。

• 方位点– 作用：高精度的后视方向– 要求：可根据需要在 GPS 点附近设置方位点。

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选点作业• 实地探勘选点、标记。• 利用旧点时，应对其稳定性、可靠性和完好性进行检查。• 点名通常应取居民地名， C 、 D 、 E 级点也可取山名、

地名、单位名。少数民族地区的点名采用音译汉语名，可附原文。

• 新旧点重合时，通常用原名，否则因注上原名。与水准点重合时，应注明水准点等级和编号。

• 所有点应在现场绘制点之记。 AA 级和 A 级点还应填写地质概要、构造背景及地形地质略图。

• 点位周围存在高于 10 的障碍物时，应绘制点的环视图。• 选点工作完成后，应绘制 GPS 网选点图。

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提交资料• 点之记和环视图• GPS 网选点图

– 绘于测区地形图上• 选点工作总结

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标石类型• 天线墩

– 基岩天线墩，岩层天线墩，岩层标石土层天线墩

• 标石– 岩层普通标石，普通基本标石，冻土基本标石，

固定沙石基本标石，普通标石，建筑物上的标石

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标石实例

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中心标志①• 中心标志要求

– 基岩和基本标石的中心标志采用铜或不锈钢制作

– 普通标石的中心标志可采用铁或坚硬的复合材料制作

– 中心用十字丝或直径小于 0.5mm 的中心点表示

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中心标志②• 中心标志实例

金属标志 不锈钢标志

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强制对中装置①• 适用范围

– 高等级控制测量（ A 、 B 级控制网）– 特种精密工程测量（比如大坝、水库、桥梁的

控制变形监测）• 强制对中方法

– 在观测墩上埋设强制对中装置，使用连接螺丝或连接杆直接连接仪器相应部位，对中误差 <0.1mm 。

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强制对中装置②• 实例

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埋石作业• 标石可用混泥土灌制，也可用整块花岗岩、青石等坚硬石料凿制。• 天线墩、基岩标石和基本标石应现场浇灌混凝土，普通标石可预制。• 各层标志中线应严格位于同一铅垂线上，偏差不大于 2mm 。强制对

中装置不大于 1mm 。• 利用旧点时应确认标石完好，并符合同级 GPS 点埋石的要求。若上

标石被破坏，可以下标石为准重新埋设上标石。• 方位点上应埋设普通标石，并加以注记。• 埋石所占土地，应经土地使用者或土地管理部门同意。• 新埋标石及天线墩应办理测量标志委托保管书，一式三份。• 利用旧点时需对委托保管书进行核实，无法落实时应重新办理委托保

管手续。• B 、 C 级点的标石埋设后需经一个雨季，冻土地区需经一个解冻期，

基岩或岩层标石需经一个月后，方可用于观测。• 现场浇灌混凝土标石，应在标石上压印 GPS 点类别、埋设年代和“国家设施勿动”等字样。荒漠、平原等地方，还需在点旁埋设指示牌。

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上交资料• 点之记• 土地占用批准文件和测量标志委托保管书• 标石建造拍摄的照片• 埋石工作总结

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2. 接收机的维护保养

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接收机的维护和保养• 主机及天线

– 主机及天线：防撞、防压、防摔、防水、防潮、防尘、防雷击

– 接口：使用正确的接口；插拔应注意方向– 存储卡插槽：插卡应注意方向，以免针脚损坏

• 附件– 线缆：勿过度弯曲，勿用力拉拽线缆– 电池：注意电池保养及充放电时的极性

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3. 接收机的检验

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检验内容• 新购置 GPS 接收机的检验

– 一般性检视– 通电检验– 试测检验

• 旧 GPS 接收机的检验– 一般性检视– 通电检验– 试测检验的准备部分

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一般性检视

• 目的–外观是否良好– 部件及附件是否齐全

• 项目–外观完好性检视– 部件、附件的齐备性、完好性

检查及其与主机匹配性检查– 需紧固部件的检验– 设备文档及软件齐备性检查

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通电检验• 目的

– 能够正常启动并运行• 项目

–信号灯的检验–按键及显示系统的检验– 仪器自检–信号跟踪锁定的检验

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试测检验①• 目的

– 工作性能是否达到要求

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试测检验②• 准备工作

– 水准器检验– 天线高专用尺检验– 数据传录设备及软件检验– 数据处理软件的测试评估

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试测检验③• 接收机内部噪声水平的测试

–零基线–超短基线

功分器

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试测检验④• 接收机天线相位中心偏差及稳定性检验

–旋转天线法– 相对定位法

几何中心

相位中心

几何中心

相位中心

旋转后相位中心

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试测检验⑤• 野外实测

– 接收机野外作业性能及不同测程精度指标测试– 在基线场进行

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其他检验• 接收机频标稳定性检验和数据质量评价• 接收机高低温性能测试• 接收机综合性能评价

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检定证书

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接收机野外检定场• 定义

–由具有各种长度的已知基线所构成的用于测试接收机性能质量的设施。

• 要求– 应具有各种长度的基线（超短基线： 5~10m ；短基线： 1~10km ；中等基线： 10~50km ；长基线： >50km ）

– 点位稳定，观测条件好– 测站采用强制对中– 中长基线组成网形

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4. 观测方案设计

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基本技术要求

级别 项目

B C D E

卫星截止高度角（°） 10 15 15 15

同时观测有效卫星数 ≥ 4 ≥ 4 ≥ 4 ≥ 4

有效观测卫星总数 ≥ 20 ≥ 6 ≥ 4 ≥ 4

观测时段数 ≥ 3 ≥ 2 ≥ 1.6 ≥ 1.6

时段长度 ≥ 23 h ≥ 4 h ≥ 60 min ≥ 40 min

采样间隔(s) 30 10~30 10~30 10~30

B 、 C 、 D 和 E 级 GPS 网测量的基本技术要求（ GB/T 18314—2009 ）

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观测方案内容 • 接收机配备 • 接收机参数设置 • 设站及观测记录

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接收机配备• 规范要求

• 原则– 类型：尽可能采用双频全相位接收机（利于周跳探测，可消除电

离层折射影响，观测值质量高）。 – 数量：接收机数越多，网的结构就越好，推进速度也就越快。但

作业调度的复杂度也将增大。为了既保证效率，又降低作业调度复杂度，接收机数量最好为偶数， 4 或 6台。

级别 A B C D、E

单频/双频 双频/全波长 双频 双频或单频 双频或单频

观测值种类 L1，L2载波相位及双频码伪距 L1，L2载波相

位 L1载波相位 L1载波相位

其他性能

可外接频标，3个以上数据端口，

可输出实时数据流（含原始观测数

据、导航定位数据和差分修正数

据）、可存储 7天 30s采样数据

- - -

同步观测台量 - ≥ 4 ≥ 3 ≥ 2

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接收机参数设置 • 规范要求

• 说明– 所规定卫星截止高度角和采样间隔为上限值，实际采

用值可根据接收机存储器容量、观测精度要求及观测时段的长短，适当减小，卫星截止高度角可低至 5 ，采样间隔可短至 5s 。

级别 项目

B C D E

卫星截止高度角（°） 10 15 15 15

同时观测有效卫星数 ≥ 4 ≥ 4 ≥ 4 ≥ 4

有效观测卫星总数 ≥ 20 ≥ 6 ≥ 4 ≥ 4

观测时段数 ≥ 3 ≥ 2 ≥ 1.6 ≥ 1.6

时段长度 ≥ 23 h ≥ 4 h ≥ 60 min ≥ 40 min

采样间隔(s) 30 10~30 10~30 10~30

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设站• 对中、整平和量仪器高

– 对中误差不大于 1mm– 用专用量高设备或钢卷尺在互为 120° 的三处量取天线高，互差不大于 3mm ，取中数采用

• 定向– 安置天线时，应将天线上的标志线指向正北，

可采用罗盘仪来定向，顾及磁偏角改正，定向误差不超过 ±5°

– 对于未标示定向标志的天线，可预先指定定向标记

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观测记录• 观测过程中，应注意接收机的运行状态，如接收卫星状态、信噪比、单点定位结果、剩余内存量、电量等。发现异常，应及时记录在手簿的备注栏内并向上级报告。

• 每时段始末各记录一次观测卫星号、天气状态、实时定位的 PDOP值等。当时段长度超过 2h 时，应在 UTC 整点时增加记录一次。夜间可每隔 4h 记录一次。

• 气象观测时所用的干湿温度计应悬挂在测站附近，与天线相位中心大致同高处。悬挂地点应通风良好，避开阳光直射。空盒气压计可置于测站附近地面上。

• 每时段观测前后各量取天线高一次，两次之差不应大于 3mm ，取中数作为最后的天线高。较差超限时应查明原因，提出处理意见并记入手簿记事栏内。

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5. 作业调度

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作业方法• 分区观测，逐步推进扩展

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调度指挥的工作内容• 安排作业时段• 分配观测任务

– 安排作业小组– 指定各作业小组的观测时间、测站– 确定迁站方式，进行交通工具的调配

• 突发情况的处理– 延误的处理– 设备故障的处理– 测站错误的处理– 突发恶劣天气的处理

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调度指挥的作用• 通过观测时间的选择，保证观测质量• 通过同步图形的配置（扩展方式），保证

GPS 网的图形强度• 通过迁站方式的确定，保证作业的效率• 通过适当的应急处理方式，保证作业的顺

利进行

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人员安排• 外业观测队组成

– 队长、内业处理人员、观测小组、驾驶员、后勤保障的人员

• 安排原则– 将能力不同的人员安排在一起，每小组至少安排一名熟练人员

– 困难点可适当增加小组人员– 若每组配备车辆，驾驶员可作为小组成员

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交通工具配备• 配备原则

–所需车辆的数量不应少于观测小组数的一半

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观测时段确定• 确定原则

– 选择卫星数较多、 PDOP值较小的时间段（观测窗口）

– 时段长度不短于规范要求• 辅助设计工具

–专门的“计划”软件

卫星可见性 卫星运行轨迹

PDOP

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卫星状态的预报①

指定地点和预报时段等条件

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卫星状态的预报②

可观测卫星预报结果

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卫星状态的预报③

卫星运行轨迹预报图

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卫星状态的预报④

PDOP 预报结果

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卫星状态的预报⑤

设置障碍物

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调度命令下达• 形式

–按天下达• 内容

– 观测时段数–各时段起始和结束时间–各小组任务安排–车辆安排 小组

时段号 时间 1 2 3 4 5 6

1 9:00~10:00 G001 G002 G005 G006 G009 G010

2 11:00~12:00 G001 G011 G005 G006 G013 G012

3 13:00~14:00 . . . . . .

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同步图形的连接方式 • 点连式 • 边连式• 网连式• 混连式

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点连式• 形式

– 相邻的同步图形间只通过一个公共点相连。

• 优点– 作业效率高，图形扩展迅速。

• 缺点– 图形强度低，如果连接点发生问题，将影响到后面的同步图形。

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边连式• 形式

– 相邻的同步图形间有一条边（即两个公共点）相连。

• 优点– 作业效率较高，图形强度较强。

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网连式• 形式

– 相邻的同步图形间有 3 个（含 3 个）以上的公共点相连。

• 优点– 图形强度最强。

• 缺点– 作业效率低。

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迁站方案①• 内容

– 各小组的调度部署计划• 顾及因素

– 一天内观测时段的数量– 迁站及设备安置和拆卸时间– 每点的观测次数– 可供使用的车辆– 观测小组成员对点位及到达点位交通路线的熟悉程度– 点与点之间的交通状况

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迁站方案②• 制定基本原则

– 高可靠– 高精度– 高效率

• 常用方案– 平推式–翻转式–伸缩式

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平推式（追鱼式）②• 方法

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平推式（追鱼式）②• 特点

–效率– 需每组配备车辆，增加作业单位投入，在车辆

不足时，作业效率将大大降低。–各小组在作业期间不停地运动，这既加大了作

业强度，加大了出现意外的可能性，增加了各组协同的难度

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翻转式①• 方法

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翻转式②• 特点

–调度较简单–各小组作业强度较小。–无法发现上点发生错误的情况

• 注意事项–为削弱仪器对中整平误差影响，在原测站上连续观测多个时段的小组要在进行每时段的测量时，重新安置仪器

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伸缩式①• 方法

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伸缩式②• 特点

–所构网的边长长短结合，精度均匀–每个点都采用不同的仪器进行了观测，有利于

发现一些人为误差–调度略显复杂，–每小组需要寻找更多的点

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推进方式④• 选择推进方式需考虑的因素

–重复设站的要求– 基线的布设–迁站效率– 交通工具的配备– 作业组对点位的熟悉情况

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6. 观测作业

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准备工作 • 预热和静置（现在一般不做要求）• 对中、整平、量仪器高及天线定向

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观测作业 • 按规定的时间进行作业。• 经检查接收机电源电缆和天线等连接无误后方可开机。• 接收机通过自检后，可开始进行观测，并输入测站，观测

单元和时段等控制信息。• 观测前和作业过程中，应随时填写测量手簿中的记录项目。• 一般不得进行偏心观测。否则应精确测定归心元素。• 观测时在接收天线附近应避免使用无线通信设备• 天气太冷时，可对接收机适当进行保温和加热。天热时应避免阳光直射接收机

• 观测期间防止接收设备震动，不得移动天线，要避免人员和其他物体碰动天线或阻挡信号

• 所有预定作业项目完成且符合要求，记录和资料完整无误，方可迁站

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记录• GPS 测量手簿

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记录• GPS 测量手簿填写实例

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外业观测成果的质量检核 • 观测记录完整性及合理性检查

– 记录手簿中的内容是否完整，是否按要求量测了天线高，天线类型及量测方式是否正确，天线高的数值是否合理

– 通过点位略图和测量近似坐标等判定设站是否正确– 若采用的是偏心观测的方法，是否采用了合适的量测

方法与地面标志进行了连接• 外业观测数据质量的检核

– 通过对外业 GPS 观测数据进行处理，对处理结果进行检核来进行的

– 反映 GPS外业观测数据质量的数据处理结果是基线解算的结果和 GPS 网无约束平差的结果

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补测和重测• 发生如下情况应进行补测或重测

–未按施测方案进行观测，外业缺测、漏测– 复测基线的边长较差超限，同步环闭合差超限，独立环闭合差或附合路线的闭合差超限时，可剔除该基线而不必进行重测；但若剔除该基线后新组成的独立环所含基线数超过规定，应重测与该基线有关的同步图形

–当测站的观测条件很差而造成多次重测后仍不能满足要求时，经批准，可舍弃该点或变动测站位置后再进行重测

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7. 成果验收和上交资料

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成果验收• 交送成果

– 观测数据– 观测记录– 外业数据处理结果

• 验收重点– 实施方案是否符合规范和技术设计的要求– 补测、重测和数据剔除是否合理– 数据处理软件是否符合要求，处理项目是否齐全，起算数据是否正确

– 各项技术指标是否符合要求

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上交资料 • 测量任务书或测量合同书、技术设计书• 点之记、测站环视图、测量标志委托保管

书、选点资料和埋石资料• 接收机、气象仪器及其他仪器的检验资料• 外业观测记录、测量手簿及其他记录• 数据处理中生成的文件、资料和成果表• GPS 网展点图• 技术总结和成果验收报告

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7. 外业进度估算及项目成本预算

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外业进度估算 • 最少观测天数

• 预期观测天数

minmin INT

p

sd

s

最少观测天

数 每天计划观

测时段数

mine o id d d d

休息日天数 应对不可预期情况的天数

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项目成本预算 • 支出项目

–项目设计成本；–踏勘、选点、埋石成本；– 差旅费；– 成果资料收集整理成本；–外业作业期间每日的支出，包括人员工资、食宿、交通、仪器设备等费用。这可以根据每天的支出乘上预期完成项目外业观测所需天数得出；

–内业（含成果计算、报告等）