《GPS原理与应用》实验实习指导书.doc

苏州科技学院
环境科学与工程学院

地理信息系统专业
《GPS原理与应用》

实验与实习指导书

2011年7月

目录

第一部分 实验与实习须知 3
1、实验与实习规定 3
2、GPS仪器使用注意事项 3
第二部分 GPS测量实验项目 4
实验一 GPS仪器认识 5
实验二 GPS静态定位 6
实验三 GPS准动态测量 7
附：实验报告封面格式 8
第三部分 GPS测量实习指导 10
1、目的和意义 10
2、组织领导 10
3、任务与基本要求 10
4、实习内容 10
4.1、GPS观测点的要求 10
4.2、GPS静态相对定位（采用边点混合式，举例绘图，见图形） 11
4.3、GPS数据处理 11
4.4、GPS准动态相对定位模式 16
4.5、GPS 动态定位模式 16
5、 时间安排 16
6、实施方法与步骤 17
6.1已知数据 17
6.2 最佳观测窗口选择 17
6.3 观测 17
7、实习报告要求 18
第四部分 附录 20
1：SGS200 GPS接收机使用指导 20
2：实习报告封面格式 21
3：GPS外业测站观测手簿 22
4 测站周围障碍物略图举例 25
5：GPS外业项目观测手簿 26
第一部分 实验与实习须知
1、实验与实习规定
1、实习过程中应遵守实习纪律及有关规定，确保仪器和人身安全，凡违反实习纪律和规定，无故缺勤天数超过实习有效天数的三分之一，或未交实习成果和实习报告或伪造实习成果者，均按不及格处理。
2、实习过程中，应按实习指导书的有关精度要求进行测量与计算，不满足精度要求的应返工。实习观测数据与计算应在规定记录手薄中记载，不得伪造、涂改或转抄。
3、每组应注意团结协作，密切配合，相互帮助，确保实习顺利完成。
4、切实爱护实习仪器与用品，凡损坏仪器与用品的应按仪器室规定赔偿，并应给予批评教育。
2、GPS仪器使用注意事项
(1) 一个时段观测中不得进行以下操作：关闭接收机又重新启动；进行自测试改变卫星高度角；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；
(2) 观测员在作业期间不得擅自离开测站，并应防止仪器受震动和被移动，防止人和其他物体靠近天线，遮挡卫星信号；
(3)雷雨过境时应关机待测，并卸下天线以防雷击；
(4) 不可踩到和碰到接收机数据电缆和天线电缆，以防人为信号失锁，记录数据丢失，电缆折断甚至控制器死机；
(5) 每一时段开始前，应查看电池电压，判断是否满足本时段观测（正常工作电压10∽36VDC）；
(6)测前应保证接收机有足够的存贮空间，以及避免手簿系统故障或中断造成数据丢失。
(7) 观测中应保证接收机工作正常，且记录完整无误，经检查所有规定作业项目全部完成后方可迁站。
第二部分 GPS测量实验项目
《GPS原理与应用》是地理信息系统专业的一门专业课程，所属课程编05221209，理论课程总学时数48，其中实验时数8。《GPS原理与应用》实验是对学生进行GPS应用操作基本技能训练的一个重要环节，是对课堂理论教学加深认识的过程。要求学生了解GPS设备的具体使用方法和注意事项。
《GPS原理与应用》实验共开设4个实验项目：
1、 GPS仪器认识，要求学生掌握GPS系统配置、设备连接及观测的基本方法；
2、 GPS单点定位，要求学生了解GPS单点定位（绝对定位）的全过程。
3、 GPS测量-- GPS相对定位，了解静态相对定位的过程、原理和方法。
4、 GPS测量--GPS快速静态相对定位，与静态相对定位比较，了解快速静态相对定位的过程、原理和方法。
实验分组进行，每组4人。主要参考资料为李天文编著的《GPS测量原理与应用》，南方GPS 9600北极星测量系统操作手册、中海达HD8200X接收机快速入门手册。
实验报告内容：
1） 方法：通过甚么方法进行实验：外业、教师讲解演示、自己动手练习、完成实验撰写实验报告；
2） 内容：具体步骤：选点、安置脚架仪器、对中整平、电池、量高、开机、记录、参数设置、观测关机。。
3） 结果：记录仪器品牌型号、部件、观测方法、仪器号、点号和时段号、仪器高、锁定卫星数和号、PDOP值、高度角、观测间隔、定位坐标。。。。
4） 认识和讨论

实验一 GPS仪器认识

1、 实验时间： 地点：

2、方法：

3、内容：

4、结果

实验二 GPS单点定位

1、实验时间： 地点：

2、方法：

3、内容：

4、结果

实验三 GPS静态相对定位
1、实验时间： 地点：

2、方法：

3、内容：

4、结果

实验四 GPS快速静态相对定位
1、实验时间： 地点：

2、方法：

3、内容：

4、结果

附：实验报告封面格式
苏州科技学院
环境科学与工程学院

地理信息系统专业
GPS原理与应用

实 验 报 告

专业班级
姓名
学号
实验小组

20 年 月 日
第三部分 GPS测量实习指导
1、目的和意义
1）、本课程是对学生进行GPS定位操作基本技能强化训练的一个重要实践环节。本次实践教学的目的是使学生全方位地在作业环境中系统训练，进一步巩固和加深GPS定位技术的理论知识，进而提高GPS 测量仪器操作和数据处理技能，达到熟练操作GPS仪器的水平。
2）、进行几种GPS测量模式的实际操作锻炼，巩固和加深课堂学习的知识，进一步了解GPS的原理与应用。
3）、通过计划与组织，锻炼同学们的项目计划和实施能力。
2、组织领导
分组进行，每小组4人左右，设置小组长与大组长，大组长任务是组织同学按计划和要求完成实习任务，负责小组之间与班长和教师之间的联系。小组长负责仪器设备的管理使用及仪器安全。每班班长负责小组之间仪器、观测时间、观测点等方面的组织和协调。
3、任务与基本要求
本次实习时间为一周。
GPS实习周是一次实践性教学环节，在学校实习基地进行GPS静态、快速静态和动态测量的综合操作训练及数据处理，按照相关要求，完成操作训练科目，达到规定的操作技能指标，提供合格的观测成果，编写实习报告。
4、实习内容
4.1、GPS观测点的要求
1) 观测点视场开阔，周围障碍物高度角>10~15。
2) 点位应远离大功率无线电发射源(如电视台、微波站等)其距离不小于200m；远离高压输电线，其距离不得小于50m。以避免电磁场对GPS信 号的干扰。
3)点位应选在交通方便，有利于其它观测手段扩展与联测的地方 。
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收的物体，以减弱多路径效应的影响。
5) 当利用旧点时，应对旧点的稳定性、完好性，以及现标是否安全可用性作一检查，符合要求方可利用。
4.2、GPS静态相对定位（采用边点混合式，举例绘图，见图形）
—GPS网站址环视图绘制
—GPS设站和天线的整平、对中、安装
—GPS接收机静态系统连接
—GPS接收机静态系统参数设置。
—GPS接收机测站信息记录
—GPS接收机静态数据采集与观测信息评价。
小组人多时可以分2批进行。
4.3、GPS数据处理
将观测数据转换为Rinex格式后用TGOffice软件进行数据处理。该软件是目前最好的随机所带的软件。
1）基线解算
—以双差观测值列出误差方程和法方程进行平差，一般以点间坐标差为未知数。求解基线向量及其精度。
—解算过程：建立误差方程V=AX+L；建立法方程；求解未知数X；精度估计
—对解算效果不好，残差大的基线向量必须对观测数据进行预处理，再重新进行基线解，以获得合格结果。分几种情况介绍残差的概念及其作用。
2）GPS网平差（介绍自由网平差和GPS网约束平差、参数转换的概念和作用）
—基线平差获得了每条基线的最或是值，但各条基线组成的基线或称基线向量网仍会有不符值（闭合差），必须消除这些不符值。
—GPS在WGS-84系统下获得的测量成果，对单点定位，点的坐标可用大地坐标和三维直角坐标表示，对相对定位可用大地坐标差或三维直角坐标差表示。一般接收机软件给出这两种结果。
—解算过程：；列出观测方程；列出约束条件方程；列出误差方程；组成法方程；解算法方程；精度计算：计算单位权方差和平差后未知数方差。
3）数据处理总结
（1）数据预处理，基线向量解算—采用随机软件（后处理软件）。先将接收机记录的数据传至计算机进行预处理，再以双差观测值列出误差方程，用最小二乘法组成法方程进行平差，以点间坐标差为未知数。
（2）GPS平差—可采用随机或专用平差软件进行，将上述解算获得的单基线向量组成基线网进行平差，以消除图形闭合差，求出GPS网中各点的坐标，同时将GPS坐标转换为地方坐标。
（3）提交数据处理报告。
具体操作步骤及其结果分析（见TGO操作流程，在资料库/TrimberGPS中）
TGOffice软件是美国天宝公司进行数据后处理的软件，该软件使用前要先卸载瑞星杀毒软件（瑞星和TGOffice有冲突）。
将南方9600数据转为Rinex格式
（1）安装GPSPro070104.exe软件至南方后处理程序。或将FTP服务器上的STH子目录全部下载到本地目录。其中有5 个软件，其中的
StarTransfer.exe 为数据传输，如要密码，可以键入任何21个字母，如111.。。
SthoRinex.exe 为南方数据格式转为标准格式，以便天宝软件可以使用。
（2）在计算机上设置文件夹；
（3）通讯—通讯接口—开始连接—传输数据—开始（文件要一个个传输，文件名一定要4位或2个汉字，可改文件夹或天线高。
（4）转为计算机后文件夹为*.sth，要转为*.070(N)Rinex，选择输入路径—转换。在TGO中导入时选Rinex—确认。选*.obs， *.??o

4.4、GPS快速静态相对定位模式
1、特点：
—流动接收机不需连续跟踪卫星；
—基线不适宜构成几何图形，检核条件不充分。
—精度较静态观测低。
—要求：至少同时观测4 颗卫星。
—流动站与基准站相距离<15km
2、作业方法
—在测区中部设置基准站，安置接收机连续跟踪观测至少4 颗卫星；另一台接收机依次分别置于待定点，同步观测4颗卫星2—5分钟。
本方法观测时间短，不组成图形，只进行基线平差（多余观测数据少）。
4.5、实时动态（RTK）定位模式
以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量技术。
基本思想：在基准站上安置一台接收机，进行连续观测，将观测数据通过无线电传输设备，发送给用户站。用户站接收机在接收信号的同时，接收基准站传输的数据，根据相对定位原理，实时计算并显示用户站的三维坐标及其精度。
特点：
—实时动态获得观测点位的坐标，定位速度快
—定位精度较高，可用于一般精度的控制测量。
5、 时间安排
具体时间安排如下：
第一天 上午 8：00 实习动员，任务安排，领取GPS仪器，下午 踏堪选点，观测准备，试测，制定观测计划，开始观测。
第二天 GPS静态观测。结束后仪器交回实验室。应始终保持一块电池使用，另一块电池在充电，注意自己安排充电时间，要先放电，一般在每组观测后即可以换电池，以免观测到一半时无电。晚上将数据传进计算机，转化为Rinex格式。要求观测和安置仪器要不同的人进行，大家都受到锻炼。保证至少每站有45分钟的观测数据。画示意图形表示观测路线。
第三天 上午GPS快速静态观测或RTK观测，结束后交回GPS仪器。
第四天 全天熟悉Trimber公司的GPS数据处理软件，计算试验数据，进行GPS基线解算，GPS网平差。
第五天 计算观测数据（已转化Rinex格式）。撰写实习报告。
6、实施方法与步骤
6.1已知数据
为进行GPS的WGS84坐标与地方坐标的转换，至少与3个已知点重和。
6.2 最佳观测窗口选择
1.观测窗口：观察可视卫星的几何分布情况。
2. 三维位置精度因子PDOP：反映四颗以上可视卫星组成几何体形状优劣质量指标，一般规定GDOP应小于6。
6.3 观测
1、为提高可靠性，可保证一定的重复设站次数（如点连接，边连接）。
2、GPS观测中用到的几个基本概念
(1)观测时段：测站上从观测开始到观测停止的时间段。
(2)同步观测：两台或两台以上接收机同时对同一组卫星进行的观测。
· (3)同步观测环：三台或三台以上接收机同步观测获得的基线向量所构成的闭合环。
(4)观测期数：对本基线是第几次观测。例如对边连接中的重复观测边是2期。
(5)异步观测环：在构成多边形环路的所有基线向量中，只要有非同步观测基线向量，则该多边形环路叫异步观测环，简称异步环。
(6)独立基线：对于N台GPS接收机构成的同步观测环，有J条同步观测基线，其中独立基线数为N-1。
3、作业准备
—天线安置
—GPS接收机测站信息采集与设置
—填写测站名、年月日、时段号、天线高等信息于测量手簿
－开机
－输入测站信息
－开始观测记录
－观测卫星接收状况
－数据采集
—关机后的收尾工作
—观测过程中应注意的事项
(1) 一个时段观测中不得进行以下操作：关闭接收机又重新启动；进行自测试改变卫星高度角；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；
(2) 观测员在作业期间不得擅自离开测站，并应防止仪器受震动和被移动，防止人和其他物体靠近天线，遮挡卫星信号；
(3)雷雨过境时应关机待测，并卸下天线以防雷击；
(4) 不可踩到和碰到接收机数据电缆和天线电缆，以防人为信号失锁，记录数据丢失，电缆折断甚至控制器死机；
(5) 每一时段开始前，应查看电池电压，判断是否满足本时段观测（正常工作电压10∽36VDC）；
(6)测前应保证接收机有足够的存贮空间，以及避免手簿系统故障或中断造成数据丢失。
(7) 观测中应保证接收机工作正常，且记录完整无误，经检查所有规定作业项目全部完成后方可迁站。
(8) 每日观测结束后，应及时将数据转存至计算机硬、软盘上，确保观测数据不丢失
（9）及时充电。
7、实习报告要求
实习报告要求在实习期间编写，实习结束时上交。报告应反映学生在实习中所获得的一切知识，力求完善。参考格式如下：
1） 封面——实习名称，地点、起至日期、班组、姓名，指导教师。
2） 目录
3） 前言——说明实习的目的、任务、要求。
4） 内容——实习的项目、原理、程序、方法、达到的精度、计算结果，是否符合要求；与已有结果比较，分析原因。必须有观测略图、测量记录表，测站周围障碍物略图。
5） 结束语——实习的心得体会，意见和建议。
第四部分 附录
1实习报告封面格式
苏州科技学院
环境科学与工程学院

地理信息系统专业
GPS原理与应用

实 习 报 告

专业班级 实习小组
学号 姓名
实习地点
指导教师

200 年 月 日
2：GPS外业测站观测手簿
GPS外业观测手簿

观测者姓名 日 期 年 月 日
测 站 名 测站号
天气状况 时段号

测站附近坐标：
经度：E ° ′
纬度：N ° ′
高程： （m）
本测站为
新点
等大地点
等水准点

记录时间： 北京时间 UTC GPS
开录时间 结束时间
接收机号 天线号 天线高： (m)
测后校核值： h上 （m）h下 (m)
1、 2、 3、 平均值：
天线高量取方式图

测站略图及障碍物情况
观测状况记录
1、 电池电压 （V）
2、 接收卫星号
3、 信噪比（SNR）
4、 故障情况
5、 备注

GPS外业观测手簿
观测者姓名 日 期 年 月 日
测 站 名 测站号
天气状况 时段号

测站附近坐标：
经度：E ° ′
纬度：N ° ′
高程： （m）
本测站为
新点
等大地点
等水准点

记录时间： 北京时间 UTC GPS
开录时间 结束时间
接收机号 天线号 天线高： (m)
测后校核值： h上 （m）h下 (m)
1、 2、 3、 平均值：
天线高量取方式图

测站略图及障碍物情况
观测状况记录
1、 电池电压 （V）
6、 接收卫星号
7、 信噪比（SNR）
8、 故障情况
9、 备注

GPS外业观测手簿
观测者姓名 日 期 年 月 日
测 站 名 测站号
天气状况 时段号

测站附近坐标：
经度：E ° ′
纬度：N ° ′
高程： （m）
本测站为
新点
等大地点
等水准点

记录时间： 北京时间 UTC GPS
开录时间 结束时间
接收机号 天线号 天线高： (m)
测后校核值： h上 （m）h下 (m)
1、 2、 3、 平均值：
天线高量取方式图

测站略图及障碍物情况
观测状况记录
1、 电池电压 （V）
10、 接收卫星号
11、 信噪比（SNR）
12、 故障情况
13、 备注

3 测站周围障碍物略图举例

GPS外业项目观测计划表
（大组号 组长 小组号 组长 ）
时 段
编 号
观 测
时 间
测站号、 名
测站号、 名
测站号、 名
测站号、 名
测站号、 名
测站号、 名
机 号
机 号
机 号
机 号
机 号
机 号

时 段
编 号
观 测
时 间
测站号、 名
测站号、 名
测站号、 名
测站号、 名
测站号、 名
测站号、 名
机 号
机 号
机 号
机 号
机 号
机 号

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