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科目
专业 班级 课时 课型
课题 单元九 GPS测量
教学目的 了解GPS定位方法和GPS定位误差掌握GPS静态测量方法掌握RTK测量
重点难点 重点：GPS定位原理和GPS静态测量方法、RTK测量难点：GPS静态测量后处理
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教 学 过 程 或 内 容 教法要点
课题一 GPS静态测量模块一：GPS定位方法模块二：GPS定位误差模块三：GPS静态测量
模块一：GPS定位方法GPS定位的方法是多种多样的，用户可以根据不同的用途采用不同的定位方法。GPS定位方法可依据不同的分类标准，作如下划分：一、根据定位所采用的观测值1.伪距定位伪距定位所采用的观测值为GPS伪距观测值，所采用的伪距观测值既可以是C/A码伪距，也可以是P码伪距。伪距定位的优点是数据处理简单，对定位条件的要求低，不存在整周模糊度的问题，可以非常容易地实现实时定位；其缺点是观测值精度低，C/A 码伪距观测值的精度一般为3米，而P码伪距观测值的精度一般也在30个厘米左右，从而导致定位成果精度低，另外，若采用精度较高的P码伪距观测值，还存在AS的问题。2.载波相位定位载波相位定位所采用的观测值为GPS的载波相位观测值，即L1、L2或它们的某种线性组合。载波相位定位的优点是观测值的精度高，一般优于2个毫米；其缺点是数据处理过程复杂，存在整周模糊度的问题。二、根据定位的模式1.绝对定位绝对定位又称为单点定位，这是一种采用一台接收机进行定位的模式，它所确定的是接收机天线的绝对坐标。这种定位模式的特点是作业方式简单，可以单机作业。绝对定位一般用于导航和精度要求不高的应用中。2.相对定位相对定位又称为差分定位，这种定位模式采用两台以上的接收机，同时对一组相同的卫星进行观测，以确定接收机天线间的相互位置关系。三、根据获取定位结果的时间1.实时定位实时定位是根据接收机观测到的数据，实时地解算出接收机天线所在的位置。2.非实时定位非实时定位又称后处理定位，它是通过对接收机接收到的数据进行后处理以进行定位得方法。四、根据定位时接收机的运动状态1.动态定位所谓动态定位，就是在进行GPS定位时，认为接收机的天线在整个观测过程中的位置是变化的。也就是说，在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个随时间的改变而改变的量。动态定位又分为Kinematic和Dynamic两类。2.静态定位所谓静态定位，就是在进行GPS定位时，认为接收机的天线在整个观测过程中的位置是保持不变的。也就是说，在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个不随时间的改变而改变的量。在测量中，静态定位一般用于高精度的测量定位，其具体观测模式多台接收机在不同的测站上进行静止同步观测，时间由几分钟、几小时甚至数十小时不等。
模块二：GPS定位误差GPS 测量是通过地面接收设备接收卫星传送来的信息，计算同一时刻地面接收设备到多颗卫星之间的伪距离，采用空间距离 ( https: / / baike. / item / %E7%A9%BA%E9%97%B4%E8%B7%9D%E7%A6%BB / 8965556" \t "https: / / baike. / item / GPS%E8%AF%AF%E5%B7%AE / _blank )后方交会方法，来确定地面点的三维坐标。因此，对于GPS卫星、卫星信号传播过程和地面接收设备都会对GPS 测量产生误差。主要误差来源可分为：与GPS卫星有关的误差；与信号传播有关的误差；与接收设备有关的误差。与GPS卫星有关的误差（1）卫星星历 ( https: / / baike. / item / %E5%8D%AB%E6%98%9F%E6%98%9F%E5%8E%86 / 7536374" \t "https: / / baike. / item / GPS%E8%AF%AF%E5%B7%AE / _blank )误差卫星星历误差是指卫星星历给出的卫星空间位置 ( https: / / baike. / item / %E7%A9%BA%E9%97%B4%E4%BD%8D%E7%BD%AE / 2291427" \t "https: / / baike. / item / GPS%E8%AF%AF%E5%B7%AE / _blank )与卫星实际位置间的偏差,由于卫星空间位置是由地面监控系统根据卫星测轨结果计算求得的,所以又称为卫星轨道 ( https: / / baike. / item / %E5%8D%AB%E6%98%9F%E8%BD%A8%E9%81%93 / 1500661" \t "https: / / baike. / item / GPS%E8%AF%AF%E5%B7%AE / _blank )误差。它是一种起始数据误差,其大小取决于卫星跟踪站 ( https: / / baike. / item / %E5%8D%AB%E6%98%9F%E8%B7%9F%E8%B8%AA%E7%AB%99 / 8871813" \t "https: / / baike. / item / GPS%E8%AF%AF%E5%B7%AE / _blank )的数量及空间分布、观测值 ( https: / / baike. / item / %E8%A7%82%E6%B5%8B%E5%80%BC / 558500" \t "https: / / baike. / item / GPS%E8%AF%AF%E5%B7%AE / _blank )的数量及精度、轨道计算 ( https: / / baike. / item / %E8%BD%A8%E9%81%93%E8%AE%A1%E7%AE%97 / 1308278" \t "https: / / baike. / item / GPS%E8%AF%AF%E5%B7%AE / _blank )时所用的轨道模型及定轨软件的完善程度等。星历误差是GPS 测量的重要误差来源.（2）卫星钟差 ( https: / / baike. / item / %E9%92%9F%E5%B7%AE / 7431199" \t "https: / / baike. / item / GPS%E8%AF%AF%E5%B7%AE / _blank )卫星钟差是指GPS卫星时钟与GPS标准时间的差别。为了保证时钟的精度，GPS卫星均采用高精度的原子钟 ( https: / / baike. / item / %E5%8E%9F%E5%AD%90%E9%92%9F / 765460" \t "https: / / baike. / item / GPS%E8%AF%AF%E5%B7%AE / _blank )，但它们与GPS标准时之间的偏差和漂移和漂移总量仍在1ms～0.1ms以内，由此引起的等效误差将达到300km～30km。这是一个系统误差 ( https: / / baike. / item / %E7%B3%BB%E7%BB%9F%E8%AF%AF%E5%B7%AE / 975865" \t "https: / / baike. / item / GPS%E8%AF%AF%E5%B7%AE / _blank )必须加于修正。（3）SA干扰误差SA误差是美国军方为了限制非特许用户利用GPS进行高精度点定位而采用的降低系统精度的政策，简称SA政策 ( https: / / baike. / item / SA%E6%94%BF%E7%AD%96 / 3424657" \t "https: / / baike. / item / GPS%E8%AF%AF%E5%B7%AE / _blank )，它包括降低广播星历 ( https: / / baike. / item / %E5%B9%BF%E6%92%AD%E6%98%9F%E5%8E%86 / 1365627" \t "https: / / baike. / item / GPS%E8%AF%AF%E5%B7%AE / _blank )精度的ε技术和在卫星基本频率 ( https: / / baike. / item / %E5%9F%BA%E6%9C%AC%E9%A2%91%E7%8E%87 / 10790188" \t "https: / / baike. / item / GPS%E8%AF%AF%E5%B7%AE / _blank )上附加一随机抖动的δ技术。实施SA技术 ( https: / / baike. / item / SA%E6%8A%80%E6%9C%AF / 4159466" \t "https: / / baike. / item / GPS%E8%AF%AF%E5%B7%AE / _blank )后，SA误差已经成为影响GPS定位 ( https: / / baike. / item / GPS%E5%AE%9A%E4%BD%8D / 3504691" \t "https: / / baike. / item / GPS%E8%AF%AF%E5%B7%AE / _blank )误差的最主要因素。虽然美国在2000年5月1日取消了SA，但是战时或必要时，美国可能恢复或采用类似的干扰技术。（4）相对论效应的影响这是由于卫星钟和接收机所处的状态(运动速度和重力位 ( https: / / baike. / item / %E9%87%8D%E5%8A%9B%E4%BD%8D / 10676016" \t "https: / / baike. / item / GPS%E8%AF%AF%E5%B7%AE / _blank )) 不同引起的卫星钟和接收机钟之间的相对误差 ( https: / / baike. / item / %E7%9B%B8%E5%AF%B9%E8%AF%AF%E5%B7%AE / 11042382" \t "https: / / baike. / item / GPS%E8%AF%AF%E5%B7%AE / _blank )。2.与信号传播有关的误差（1）电离层折射在地球上空距地面50～100 km 之间的电离层 ( https: / / baike. / item / %E7%94%B5%E7%A6%BB%E5%B1%82 / 338438" \t "https: / / baike. / item / GPS%E8%AF%AF%E5%B7%AE / _blank )中,气体分子受到太阳等天体各种射线辐射产生强烈电离,形成大量的自由电子 ( https: / / baike. / item / %E8%87%AA%E7%94%B1%E7%94%B5%E5%AD%90 / 5428153" \t "https: / / baike. / item / GPS%E8%AF%AF%E5%B7%AE / _blank )和正离子。当GPS 信号通过电离层时,与其他电磁波一样,信号的路径要发生弯曲,传播速度也会发生变化,从而使测量的距离发生偏差,这种影响称为电离层折射。（2）对流层折射对流层 ( https: / / baike. / item / %E5%AF%B9%E6%B5%81%E5%B1%82 / 395714" \t "https: / / baike. / item / GPS%E8%AF%AF%E5%B7%AE / _blank )的高度为40km 以下的大气底层,其大气密度 ( https: / / baike. / item / %E5%A4%A7%E6%B0%94%E5%AF%86%E5%BA%A6 / 2121345" \t "https: / / baike. / item / GPS%E8%AF%AF%E5%B7%AE / _blank )比电离层 ( https: / / baike. / item / %E7%94%B5%E7%A6%BB%E5%B1%82 / 338438" \t "https: / / baike. / item / GPS%E8%AF%AF%E5%B7%AE / _blank )更大,大气状态也更复杂。对流层与地面接触并从地面得到辐射热能,其温度随高度的增加而降低。GPS 信号通过对流层时,也使传播的路径发生弯曲,从而使测量距离产生偏差,这种现象称为对流层折射。减弱对流层折射的影响主要有3 种措施: ①采用对流层模型加以改正,其气象参数在测站直接测定。②引入描述对流层 ( https: / / baike. / item / %E5%AF%B9%E6%B5%81%E5%B1%82 / 395714" \t "https: / / baike. / item / GPS%E8%AF%AF%E5%B7%AE / _blank )影响的附加待估参数,在数据处理中一并求得。③利用同步观测量求差。（3）多路径效应 ( https: / / baike. / item / %E5%A4%9A%E8%B7%AF%E5%BE%84%E6%95%88%E5%BA%94 / 5766194" \t "https: / / baike. / item / GPS%E8%AF%AF%E5%B7%AE / _blank )测站周围的反射物所反射的卫星信号(反射波 ( https: / / baike. / item / %E5%8F%8D%E5%B0%84%E6%B3%A2 / 5943055" \t "https: / / baike. / item / GPS%E8%AF%AF%E5%B7%AE / _blank ))进入接收机天线,将和直接来自卫星的信号(直接波 ( https: / / baike. / item / %E7%9B%B4%E6%8E%A5%E6%B3%A2 / 5531785" \t "https: / / baike. / item / GPS%E8%AF%AF%E5%B7%AE / _blank )) 产生干涉,从而使观测值 ( https: / / baike. / item / %E8%A7%82%E6%B5%8B%E5%80%BC / 558500" \t "https: / / baike. / item / GPS%E8%AF%AF%E5%B7%AE / _blank )偏离,产生所谓的“多路径误差 ( https: / / baike. / item / %E5%A4%9A%E8%B7%AF%E5%BE%84%E8%AF%AF%E5%B7%AE / 10862683" \t "https: / / baike. / item / GPS%E8%AF%AF%E5%B7%AE / _blank )”。这种由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应被称作多路径效应。减弱多路径误差的方法主要有: ①选择合适的站址。测站不宜选择在山坡、山谷和盆地中,应离开高层建筑物。②选择较好的接收机天线,在天线中设置径板,抑制极化特性不同的反射信号3.与接收设备有关的误差（1）接收机钟差 GPS 接收机一般采用高精度的石英钟,接收机的钟面时与GPS 标准时之间的差异称为接收机钟差。把每个观测时刻的接收机钟差当作一个独立的未知数,并认为各观测时刻的接收机钟差间是相关的,在数据处理中与观测站的位置参数一并求解，可减弱接收机钟差的影响。 接收机的位置误差 接收机天线相位中心相对测站标石中心位置的误差,叫接收机位置误差。其中包括天线置平和对中误差,量取天线高误差。在精密定位时,要仔细操作,来尽量减少这种误差影响。在变形监测中,应采用有强制对中装置的观测墩。相位中心随着信号输入的强度和方向不同而有所变化,这种差别叫天线相位中心的位置偏差。这种偏差的影响可达数毫米至厘米。而如何减少相位中心的偏移是天线设计中的一个重要问题。在实际工作中若使用同一类天线,在相距不远的两个或多个测站同步观测同一组卫星,可通过观测值求差来减弱相位偏移的影响。但这时各测站的天线均应按天线附有的方位标进行定向,使之根据罗盘指向磁北极。 接收机天线相位中心偏差 在GPS 测量时,观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准的,而天线的相位中心与其几何中心,在理论上应保持一致。但是观测时天线的相位中心随着信号输入的强度和方向不同而有所变化,这种差别叫天线相位中心的位置偏差。这种偏差的影响可达数毫米至厘米。而如何减少相位中心的偏移是天线设计中的一个重要问题。（4）由于热噪声、软件和各通道之间的偏差引起的观测值误差
模块三：GPS静态测量目前，GPS静态定位在测量中被广泛地用于大地测量、工程测量、地籍测量、物探测量及各种类型的变形监测等，在以上这些应用中，其主要还是用于建立各种级别、不同用途的控制网。一、GPS静态定位在测量中的应用GPS静态定位在测量中主要用于测定各种用途的控制点。其中，较为常见的方面是利用GPS建立各种类型和等级的控制网，在这些方面，GPS技术已基本上取代了常规的测量方法，成为了主要手段。较之于常规方法，GPS在布设控制网方面具有以下一些特点：1：测量精度高GPS观测的精度要明显高于一般的常规测量手段，GPS基线向量的相对精度一般在~之间，这是普通测量方法很难达到的。2：选点灵活、不需要造标、费用低GPS测量，不要求测站间相互通视，不需要建造觇标，作业成本低，大大降低了布网费用。3：全天侯作业在任何时间、任何气候条件下，均可以进行GPS观测，大大方便了测量作业，有利于按时、高效地完成控制网的布设。4：观测时间短采用GPS布设一般等级的控制网时，在每个测站上的观测时间一般在1~2个小时左右，采用快速静态定位的方法，观测时间更短。5：观测、处理自动化采用GPS布设控制网，观测工程和数据处理过程均是高度自动化的。布设GPS基线向量网的工作步骤布设GPS基线向量网主要分测前、测中和测后三个阶段进行。二、测前工作项目的提出一项GPS测量工程项目，往往是由工程发包方、上级主管部门或其他单位或部门提出，由GPS测量队伍具体实施。对于一项GPS测量工程项目，一般有如下一些要求：测区位置及其范围测区的地理位置、范围，控制网的控制面积。用途和精度等级控制网将用于何种目的，其精度要求是多少，要求达到何种等级。点位分布及点的数量控制网的点位分布、点的数量及密度要求，是否有对点位分布有特殊要求的区域。提交成果的内容用户需要提交哪些成果，所提交的坐标成果分别属于哪些坐标系，所提交的高程成果分别属于哪些高程系统，除了提交最终的结果外，是否还需要提交原始数据或中间数据等。时限要求对提交成果的时限要求，即何时是提交成果的最后期限。投资经费。对工程的经费投入数量。技术设计负责GPS测量的单位在获得了测量任务后，需要根据项目要求和相关技术规范进行测量工程的技术设计。关于技术设计的具体内容将在第5章中作详细介绍。测绘资料的搜集与整理在开始进行外业测量之前，现有测绘资料的搜集与整理也是一项极其重要的工作。需要收集整理的资料主要包括测区及周边地区可利用的已知点的相关资料（点之记、坐标等）和测区的地形图等。仪器的检验对将用于测量的各种仪器包括GPS接收机及相关设备、气象仪器等进行检验，以确保它们能够正常工作。踏勘、选点埋石在完成技术设计和测绘资料的搜集与整理后，需要根据技术设计的要求对测区进行踏勘，并进行选点埋石工作。三、测量实施实地了解测区情况由于在很多情况下，选点埋石和测量是分别由两个不同的队伍或两批不同的人员完成的，因此，当负责GPS测量作业的队伍到达测区后，需要先对测区的情况作一个详细的了解。主要需要了解的内容包括点位情况（点的位置、上点的难度等）、测区内经济发展状况、民风民俗、交通状况、测量人员生活安排等。这些对于今后测量工作的开展是非常重要的。卫星状况预报根据测区的地理位置，以及最新的卫星星历，对卫星状况进行预报，作为选择合适的观测时间段的依据。所需预报的卫星状况有卫星的可见性、可供观测的卫星星座、随时间变化的PDOP值、随时间变化的RDOP值等。对于个别有较多或较大障碍物的测站，需要评估障碍物对GPS观测可能产生的不良影响。确定作业方案根据卫星状况、测量作业的进展情况、以及测区的实际情况，确定出具体的作业方案，以作业指令的形式下达给各个作业小组，根据情况，作业指令可逐天下达，也可一次下达多天的指令。作业方案的内容包括作业小组的分组情况，GPS观测的时间段以及测站等。外业观测各GPS观测小组在得到作业指挥员所下达的作业指令后，应严格按照作业指令的要求进行外业观测。在进行外业观测时，外业观测人员除了严格按照作业规范、作业指令进行操作外，还要根据一些特殊情况，灵活地采取应对措施。在外业中常见的情况有不能按时开机、仪器故障和电源故障等。数据传输与转储在一段外业观测结束后，应及时地将观测数据传输到计算机中，并根据要求进行备份，在数据传输时需要对照外业观测记录手簿，检查所输入的记录是否正确。数据传输与转储应根据条件，及时进行。基线处理与质量评估对所获得的外业数据及时地进行处理，解算出基线向量，并对解算结果进行质量评估。作业指挥员需要根据基线解算情况作下一步GPS观测作业的安排。重复确定作业方案、外业观测、数据传输与转储与基线处理与质量评估四步，直至完成所有GPS观测工作。四、测后工作结果分析（网平差处理与质量评估）对外业观测所得到的基线向量进行质量检验，并对由合格的基线向量所构建成的GPS基线向量网进行平差解算，得出网中各点的坐标成果。如果需要利用GPS测定网中各点的正高或正常高，还需要进行高程拟合。技术总结根据整个GPS网的布设及数据处理情况，进行全面的技术总结。成果验收课题二 RTK测量一、RTK测量技术原理 RTK（Real Time Kinematic）实时动态测量技术，是以载波相位观测为根据的实时差分GPS ( http: / / www. / s q=%E5%B7%AE%E5%88%86GPS&ie=utf-8&src=wenda_link" \t "http: / / wenda. / q / _blank )（RTDGPS）技术，它是测量技术发展里程中的一个突破，它由基准站接收机、数据链、 流动站接收机三部分组成。 在基准站上安置1台接收机为参考站， 对卫星进行连续观测 ( http: / / www. / s q=%E8%BF%9E%E7%BB%AD%E8%A7%82%E6%B5%8B&ie=utf-8&src=wenda_link" \t "http: / / wenda. / q / _blank )，并将其观测数据和测站信息，通过无线电传输设备，实时地发送给流动站，流动站GPS接收机 ( http: / / www. / s q=GPS%E6%8E%A5%E6%94%B6%E6%9C%BA&ie=utf-8&src=wenda_link" \t "http: / / wenda. / q / _blank )在接收GPS卫星信号的同时，通过无线接收设备，接收基准站传输的数据，然后根据相对定位 ( http: / / www. / s q=%E7%9B%B8%E5%AF%B9%E5%AE%9A%E4%BD%8D&ie=utf-8&src=wenda_link" \t "http: / / wenda. / q / _blank )的原理，实时解算出流动站的三维坐标 ( http: / / www. / s q=%E4%B8%89%E7%BB%B4%E5%9D%90%E6%A0%87&ie=utf-8&src=wenda_link" \t "http: / / wenda. / q / _blank )及其精度（即基准站和流动站坐标差△X、△Y、△H ( http: / / www. / s q=%E2%96%B3H&ie=utf-8&src=wenda_link" \t "http: / / wenda. / q / _blank )，加上基准坐标得到的每个点的WGS－84坐标，通过坐标转换 ( http: / / www. / s q=%E5%9D%90%E6%A0%87%E8%BD%AC%E6%8D%A2&ie=utf-8&src=wenda_link" \t "http: / / wenda. / q / _blank )参数得出流动站每个点的平面坐标X、Y和海拔高H）。分电台模式和网络通讯模式。电台模式图：RTK使用步骤设置项目设置坐标系统参数GPS和基准站主机连接设置基准站设置移动站移动站到测区已知点上测量出固定解状态下的已知点原始坐标。根据已知点的原始坐标和当地坐标求解出两个坐标系之间的转换参数。打开坐标转换参数，则RTK测出的原始坐标会自动转换成当地坐标。到另外你至少一个已知点检查所得到的当地坐标是否正确。在当地坐标系下进行测量，放样等操作，得到当地坐标系下的坐标数据。三、RTK具体外业操作方法步骤一：室外架设基准站。选择视野开阔且地势较高的地方架设基站，基站附近不应有高楼或成片密林（卫星接收不好）、大面积水塘（多路径效应严重）、高压输电线或变压器（有干扰）。基站一般架设在未知点上，后面的说明均征对这种情况。步骤二：设置基准站。打开GPS基准站接收机.(基准站一般设置为“外挂基站”（用GPRS除外），设置好后按电源键退出设置。一般设置一次后以后都不用设置)打开手簿，新建项目，输入项目名、坐标系统、投影参数后“创建”。手簿设置基站：设置——连接（注意连接时旁边最好只有一台主机开机，因为新版手簿没有选择机器号码这项。若提示无法连接，则在连接失败界面等待40秒左右确定然后再进行连接即可。）等连接成功后，设置——基准站——添加（输入基站名）——当前（测量当前坐标5秒作为基站坐标）——高级选项——数据链（外挂数据链）——OK——是。等显示基站连接成功后：设置——断开（蓝牙连接）。步骤三：设置移动台。按照正确方法连接移动台，开机(按照设置基准站的方法设置移动台为“内置UHF电台移动站”。)用手簿连接移动台（方法同连接基准站一样）。然后设置移动台：设置——移动台——天线高（选择斜高，数值为从对中杆底部测到移动台上端天线缝处）——OK。现在可以开始测量了，到达要测量的位置后，观察解类型是否为“固定解——窄带”，若是，调整对中杆使其竖直，点击右下脚“移动台”或者键盘上SP键，在弹出菜单中输入点名后确定即测出该点坐标（可在查看——坐标库——记录点坐标中查看）。步骤四：求转换参数。<重点部分>当测量数据中含有至少2个已知点的坐标后，即可进行求解转换参数。现分几步说明：1．查看——坐标库——控制点库：添加已知点的理论坐标。输入点名， 坐标类型和查看格式都选择“当地平面坐标”，输入已知坐标后确定。再输入其他已知点坐标。已知点输入完毕后退出。2．（建立对应关系）查看——坐标库——记录点库：选中已知点，编辑，控制点前打√，在下拉菜单里选择与之对应的点，OK。同样将另一已知点对应起来。3．辅助——计算——转换参数——文件[7]——提取当前记录——解算——应用——文件[7]——添加到水准点库——解算——应用——退出。中间弹出菜单都选OK。4．此时可以看到左下脚坐标显示窗口坐标已经改为当地坐标。最好确认一下参数是否启用（“设置——参数：看平面转换和高程拟合是否启用”）步骤五：进行外业测量。前面的设置好后，就可以进行外业数据采集和进行放样工作了。1.S86RTK点测量“测量”—进入“点测量”界面（如下图）快捷键A采点（固定解且汽泡平时按），BB查看测量点2.点放样“测量”—进入“点放样”界面（如下图）点“目标”进入坐标管理库，手工可以增加点，也可以通过文件调入点，如果不显示“目标”请点按钮
天线
基准站
移动站站

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