E级GPS测量关键技术设计项目说明书.doc

章贡区E级GPS控制网
设计书

江西理工大学应用科学学院

6月23日

一、 任务概述
为了满足章贡区第二次土地资源详查工作需要，章贡区人民政府委托我校在中心城区进行测量，测制1：500数字化地籍图近50平方公里，具体范围由章贡区土管局圈定；双方于6月20日签署了测绘协议，要求在8月底完成。为完成此次测图任务需要布设一控制网，要求2个月内完成。
二、 测区概况
章贡区在江西省南部、赣州市中偏西北部，北纬25°40′16″～25°58′56″、东经114°46′44″～115°3′40″间。东、南、北和赣县接壤，西和南康市、赣州经济技术开发区相邻，总面积 375.52平方千米。底，辖水东、水南、水西、沙石、沙河5个镇和赣江、解放、南外、东外4个街道办事处，共 57个行政村，48个街道小区居民委员会和 10个镇辖居民委员会。
　　章贡区属低山丘陵区。地势由东南、西北向中部倾斜，略呈马鞍形。东南、西北高，为丘陵山地，中部平缓，为河谷平原。最高点为峰山，海拔1016.4米；最低点在水西镇白田村西部田塅，海拔93米。境内河流有章江、贡江，交汇合流为赣江而北去。漂亮赣州古城正处于低山、丘陵环抱，章、贡、赣江围绕之中，组成“山为翠浪涌，水作玉虹流”靓丽风光，有“千里赣江第一城”誉称。境内山脉被章、贡、赣三江截为东、东南、西北三部分，分属武夷山脉、九连山脉、罗霄山脉余脉。全境有群山作屏障，中部有三江滋润土地，尽夺山川之灵气。 
　　章贡区属亚热带季风湿润气候区，气候温和，四季分明，雨量充沛，光照充足。年均气温19.4℃，无霜期286日，年均降水量1494.8毫米,年均日照1888.5小时；冬盛行偏北风，夏盛行偏南风，年均风速1.9米/秒，适宜多种生物繁衍生长。

三、 测量依据
1、《全球定位系统（GPS）测量规范》（GB/T18314—）；
2、《全球定位系统城市测量技术规程》（CJJ73—99）；
3、《公路全球定位系统（GPS）测量规范》（JTJ/T066—98）；
4、《数字产品质量要求》（GB17491.1）;
四、 已经有资料利用情况
1、有等级控制点：①测区周围有国家二等三角点：3个，经检测精度符合要求后可做为四等平面控制起算点使用。②测区周围有国家Ⅱ等水准点2个，经检测精度符合要求后可做为四等水准起算点使用 。
2、卫星遥感图可作为测区设计、工作计划用图。

五、 布网方案
1、GPS测量关键技术要求
（1）平均边长
表1 GPS网中各点平均边长
级
别
项
目

AA
A
B
C
D
E
平均距离
1000
300
70
10~15
5~10
0.2~5
（2）外业观察要求
表2 各级GPS测量基础技术要求要求
级
别
项
目

AA
A
B
C
D
E
卫星截止高度角（°）
10
10
15
15
15
15
同时观察有效卫星数
≥4
≥4
≥4
≥4
≥4
≥4
有效观察卫星总数
≥20
≥20
≥9
≥2
≥4
≥4
观察时段数
≥10
≥6
≥4
≥2
≥1.6
≥1.6
表3 观察技术要求
级
别
项
目

AA
A
B
C
D
E
时段长度
min
静态
≥720
≥540
≥240
≥60
≥45
≥40
快速静态
双频+P（Y）码
-
-
-
≥10
≥5
≥2
双频全波
-
-
-
≥15
≥5
≥2
单频或双频半波
-
-
-
≥30
≥5
≥2
采样间隔
S
静态
30
30
30
10~30
10~30
10~30
快速静态
-
-
-
5~5
5~15
5~15
时间中任一卫星有效观察时间min
静态
≥15
≥15
≥15
≥15
≥15
≥15
快速静态
双频+P（Y）码
-
-
-
≥1
≥1
≥1
双频全波
-
-
-
≥3
≥3
≥3
单频或双频半波
-
-
-
≥5
≥5
≥5
注：
1、在时段中观察时间符合表7中第七项要求卫星，为有效观察卫星；
2、计算有效观察卫星总数时，应将各时段有效观察卫星数扣除其间反复卫星数；
3、观察时段长度，应为开始统计数据到结束统计时间段；
4、观察时段数≥1.6，指每站观察一时段，最少60%测站再观察一时段。
5、 所做E级GPS控制网还应符合以下要求：相对中误差<1/45000；cpop值<6；闭合环或附合路线边数<8。
工具：水泥钉、1台能够正常使用计算机及中海达GPS静态接收机 4台套/组、联机使用HDS 数据处理软件。

2、布网要求
GPS网相邻点间基线中误差按下式计算：

式中(mm)为固定误差；(ppm)为百分比误差系数；(km)为相邻点间距离。GPS-E级网关键技术要求应符合表1要求。相邻点最小距离应为平均距离1/2～1/3；最大距离应为平均距离2～3倍。
表1　GPS网关键技术要求
级　别
平均距离(km)
(mm)
(1×10-6)
最弱边相对中误差
E级
0.2～5
≤10
≤20
1/45000
注：当边长小于200m时，边长中误差应小于20mm。
3、布网标准和网形设计
（1）GPS网应依据测区实际需要和交通情况进行设计。GPS网点和点间不要求每点通视，但考虑常规测量方法加密时应用，每点应有1～2个通视方向。
（2）在布网设计中应顾及原有测绘结果资料和多种大百分比尺地形图沿用，对凡符合GPS-E级网布点要求旧有控制点，应充足利用其标石。
（3）GPS网应由若干个独立观察环组成，也可采取附合线路组成。E级GPS网中每个闭合环或附合线路中边数应符合表2要求。
非同时观察GPS基线向量边，应按所设计网图选定，也可按软件功效自动挑选独立基线组成环路。
表2　闭合环或附合线路边数要求
级　别
E　　级　　
闭合环或附合线路边数（条）
≤10
（4）为求定GPS点在80西安坐标系中坐标，应和当地80西安坐标系中原有控制点联测，联测总点数不得少于3个。
（5）为了求得GPS网点正常高，应进行水准测量高程联测，高程联测采取等级水准测量方法进行，联测GPS-E级控制点且应均匀分布于网中。
六、 作业要求
1、选点
在了解任务、目标、要求和测区自然地理条件基础上，进行现场踏勘，最终进行选点。选点应符合下列要求：
（1）点位选择应符合技术设计要求，并有利于其它测量手段进行扩展和联测；
（2）点位基础应坚实稳定，易于长久保留，并应有利于安全作业；
（3）点位应便于安置接收设备和操作，视野应开阔，视场内周围障碍物高度角通常应小于15°；
（4）点位应远离大功率无线电发射源（如电视台、微波站等），其距离不得小于200m，并应远离高压输电线其距离不得小于50m，以避免周围磁场对卫星信号干扰；
（5）点位周围不应有对电磁波反射（或吸收）强烈物体，以降低多路径效应影响；
（6）交通应便于作业，以提升作业效率；
（7）应充足利用符合上述要求原有控制点及其标石，但利用旧点时应检验旧点稳定性、完好性，符合要求方可利用；
（8）选好点后应按合理方法给GPS点编号。
另外，有时还需考虑测区内通讯设施、电力供给等情况，方便于各点之间联络和设备用电或充电。
总而言之，结合测区实际情况， GPS控制点宜布设在较高永久性建筑物、山顶及其它符合要求地方，或已成型较宽城市主干道、路口或其它较开阔而又稳固建（构）筑物上。
2、标石埋设
（1）E级GPS点标石及标志规格参见附录D，标石中心标志用铜材料制作，标志中心应刻有清楚、精细十字丝；
（2）地面E级GPS点标石可用混凝土预先制作，然后运往各点埋设，埋设时坑底填以沙石，捣固扎实或浇灌混凝土底层，楼顶E级GPS点标石应现场浇灌，浇灌前应将楼面磨出新层、打毛，钉上3～4颗钢钉，再套模浇灌；
（3）埋石结束后应填写GPS点之记；
（4）待标石埋设稳定，没有下沉，或现场浇灌标石凝固后2～3天方可观察。
3、观察准备
（1）天天出发工作前应检验电池容量是否充足，仪器及其附件是否携带齐全。
（2）作业前应检验接收机内存是否充足。
（3）天线安置应符合下列要求：
① 作业员到测站后应先安置好接收机使其处于静置状态，然后再安置天线；
② 天线可用脚架直接安置在测量标志中心铅垂线方向上，对中误差应小于3mm。天线应整平，天线基座上圆水准所泡应居中；
③ 天线定向标志应指向正北，定向误差不宜超出±5°。
4、观察作业要求
（1）观察组应严格按调度表要求时间进行作业，以确保同时观察同一卫星组。当情况有改变需修改调度计划时，应经作业队责任人同意，观察组不得私自更改计划。
（2）接收机电源电缆和天线应连接无误，接收机预置状态应正确，然后方可开启接收机进行观察。
（3）各观察时段前后各量取天线高一次，两次量高之差小于3mm。取平均值作为最终天线高，统计在手簿。若互差超限，应查明原因，提出处理意见记入手簿备注栏中。
天线高是指观察时天线平均相位中心至测站中心标志面高度，分为上、下两段：上段是指相位中心至天线底面高度，这是常数hc，由厂家给出；下段是从天线底面至测站中心标志面高度，由观察员在现场采取倾斜测量方法直接量取。具体方法是：
从三脚架三个空档（互成120°）测量天线底盘下表面至测站中心标志面距离，互差应小于3mm，取平均值为L，天线底盘半径为R，再利用厂家提供hc，按天线高 求出。
（4）接收机开始统计数据后，作业人员可使用专用功效键选择菜单，查看测站信息、接收卫星数、卫星号、各通道信噪比、实时定位结果及存贮介质统计情况等。
（5）仪器工作正常后，作业员立即（每隔15min）逐项填写测量手簿中各项内容。
（6）一个时段观察过程中不得进行以下操作：关闭接收机以重新开启；进行自测试（发觉故障除外）；改变卫星截止高度角；改变数据采样间隔；改变天线位置；按动关闭文件和删除文件等功效。
（7）观察员在作业期间不得私自离开测站，并预防仪器受震动和被移动，预防人和其它物体靠近天线，遮挡卫星信号。
（8）接收机在观察过程中不应在接收机近旁使用对讲机和手机等通讯设备；雷雨过境时应关机停测，并卸下天线以防雷击。
（9）观察中应确保接收机工作正常，数据统计正确，每日观察结束后，应立即将数据下载到计算机硬、软盘上，确保观察数据不丢失。
5、外业观察统计
（1）录项目应包含下列内容：
① 测站名、测站号；
② 观察月、日/年积日、天气情况、时段号；
③ 观察时间应包含开始和结束统计时间，宜采取协调世界时UTC，填写至时、分；
④ 接收机设备应包含接收机类型及号码，天线号码；
⑤ 近似位置应包含测站近似经、纬度和近似高程，经、纬度应取至1′，高程应取至0.1m；
⑥ 天线高应包含测前、测后量得高度及其平均值，均取至0.001m；
⑦ 观察情况应包含电池电压、接收卫星号及其信噪比（SNR）、故障情况等。
（2）统计应符合下列要求：
① 原始观察值和记事项目应按规格现场统计，字迹要清楚、整齐、美观，不得涂改、转抄；
② 外业观察统计各时段结束后，应立即将天天外业观察统计结果录入计算机硬、软盘；
③ 接收机内存数据文件在下载到存贮介质上时，不得进行任何剔除和删改，不得调用任何对数据实施重新加工组合操作指令。

六、数据处理方案
1、基线解算及其质量检验
（1）基线解算以双差固定解作为最终止果，双差固定解可靠性由以下两项指标来判别，即固定解单位权中误差（Rms）和整周模糊度检验倍率（Ratio），其检验值见表4。依据表4判别时，Rms必需首先符合要求，而Ratio值越大表示固定值越可靠。
表4　静态GPS基线固定解可靠性判别表
基线长度（km）
≤5
5～10
＞10
Rms(m)
≤0.010
≤0.012
≤0.015
Ratio
≥2.5
≥2.1
≥2.0

（2）同时多边形闭合差检验
对于采取同一个数学模型基线解，其同时时段中任一三边同时环坐标分量相对闭合差和全长相对闭合差不宜超出表5要求。
对于采取不一样数学模型基线解，其同时时段中任一三边同时环坐标分量闭合差和全长相对闭合差按独立环闭合差要求检核。同时时段中多边形同时环，可不反复检核。
表5 同时环坐标分量及环线全长相对闭合差要求（1×10-6）
等　级
限差类型
E　 级　　
坐标分量相对闭合差
6.0
环线全长相对闭合差
10.0

（3）反复基线边检验
反复基线长度较差不宜超出下式要求：

式中：为E级GPS控制网要求精度（按实际平均边长计算）
（4）独立环闭合差检验
不管采取单基线模式或多基线模式解算基线，全部应在整个GPS网中选择独立基线组成独立环，各独立环坐标分量闭合差和全长闭合差应符合下式要求：

式中: :为闭合环边数；
:为E级GPS控制网要求精度（按实际平均边长计算）
=
2、补测和重测
（1）不管何种原因造成一个控制点不能和两条合格独立基线相连接，则在该点上应补测或重测不得少于一条独立基线。
（2）能够舍弃在反复基线较差、同时环闭合差、独立环闭合差中超限基线，但应确保舍弃基线后独立环所含基线数不超出表2要求，不然应重测该基线或相关同时图形。
（3）因为点位不符合GPS测量要求而造成一个测站数次重测仍不能满足各项技术要求时，可按技术设计要求另增选新点进行重测。
3、GPS网平差
（1）起算数据和坐标系统
首先要了解测区中央子午线经度，起算数据带号，采取坐标系等。如岳麓山校区起算数据为3度带1954北京坐标，则中央子午线经度为114°，故采取1954北京坐标系，取中央子午线经度L0＝114°3°带高斯投影。即有：参考椭球为克拉索夫斯基椭球，长半径a=6378245m，扁率α=1/298.3；中央子午线经度L0＝114°00′00″。
高程系统采取1985国家高程基准。
（2）三维无约束平差
当GPS基线各项质量检验符合要求时，应以全部独立基线组成闭合图形，以三维基线向量及其协方差阵作为观察信息，以一个点WGS－84系三维坐标作为起算依据，进行GPS网三维无约束平差。以提供各GPS控制点在WGS－84坐标系下三维坐标，各基线向量三个坐标差观察值更正数，基线边长和点位和边长精度信息，并生成GPS高程拟合数据文件。
在三维无约束平差中，基线向量更正数（Vδx、Vδy、Vδz）绝对值应满足下式要求：
Vδx≤3
Vδy≤3
Vδz≤3
式中：为E级GPS控制网要求基线精度。
　　当超限时，可认为该基线或其周围存在粗差基线，应采取软件提供方法或人工方法剔除粗差基线，直至符合上式要求。
（3）二维约束平差
在无约束平差确定有效观察量基础上，以起算数据中提供已知点作为强制约束固定值，进行二维约束平差。平差结果就输出各GPS控制点在前述坐标系统中二维平面坐标，基线向量更正数，基线边长、方位和坐标、基线边长、方位精度信息，转换参数及其精度信息。
约束平差中，应将已知坐标点组合成不一样约束条件，以发觉作为约束已知坐标和GPS网不兼容（即约束平差结果严重扭曲GPS无约束平差结果精度）。
4、水准联测
为满足GPS控制网高程拟合需要， GPS-E级控制点应联测一定百分比四等水准。联测水准GPS点均匀分布在测区，水准路线连接成水准网。
5、GPS点高程拟累计算
要正确计算各GPS点正常高，现在关键有GPS水准高程、GPS重力高程和GPS三角高程等方法。其中GPS水准高程是现在GPS作业中是常见方法。用于GPS高程拟累计算方法关键是曲面拟正当（包含平面拟正当、多项式曲面拟正当、多面函数拟正当、曲面样条拟正当、非参数回归曲面拟正当和移动曲面法）。

七、 上交资料
1、GPS控制测量技术设计书；
2、GPS控制点点之记；
3、GPS控制点外业观察手簿；
4、GPS控制网平差汇报；
5、GPS控制网网图及坐标结果表；
6、GPS控制测量技术总结。

附页1
调度表
时段编号
观察时间
测站号/名
测站号/名
测站号/名
机号
机号
机号
1
.10.24
10:48-11:53
A1
X1
X2
二
一
五
2
.10.22
17:19-18:25
A1
X1
D1
一
二
五
3
.10.18
08:20-09:30
A1
D1
E2
一
五
二
4
.10.18
09:41-10:46
A1
E2
E1
一
二
五
5
.10.24
12:55-14:07
A1
E1
E3
二
五
一
6
.10.24
10:53-11:50
A1
E3
X2
一
二
五