【正文】 摘 要 本文介紹了 GPS 在精密工程測(cè)量中的應(yīng)用現(xiàn)狀，探討了 GPS 定位及 GPS 精密定位涉及的理論問題，包括誤差機(jī)理，坐標(biāo)系統(tǒng)，整周未知數(shù)的確定等并對(duì)精密定位數(shù)據(jù)處理軟件 GAMIT 等的功能特點(diǎn)作了介紹。最后使用 TGO,SLUTION 等軟件對(duì)清澗縣的 GPS 網(wǎng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理實(shí)踐。 關(guān)鍵詞 ： GPS 精密測(cè)量； GAMIT 軟件；精密星歷，載波實(shí)時(shí)差分技術(shù)等 Abstract In this paper,on base of the usage of GPS in the precise survey,gives several problem of theory ,include Error ,The system of coordinate,fixing of N 0 and so also introduce the function features of accurate softwares GAMIT, last,we use the softwares TGO and Solution to deal with the date of QingJian county. Key word:Accurate surveying of GPS。the software of GAMIT,Precise ephemeris。RTK. 1 緒論 定位技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)介 衛(wèi)星定位技術(shù)是利用人造地球衛(wèi)星進(jìn)行點(diǎn)位測(cè)量的技術(shù)。其經(jīng)歷了 （ 1）早期的衛(wèi)星定位技術(shù)：這一階段主要是把衛(wèi)星作為空間的觀測(cè)目標(biāo)；（ 2）子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用；（ 3） GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)的建立；（ 4）我國的雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其原理為空間球面交會(huì)測(cè)量原理。 我們?cè)诠こ虦y(cè)量方面，應(yīng)用 GPS 靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)，布設(shè)精密工程控制網(wǎng)，用于城市和礦區(qū)油田地面沉降監(jiān)測(cè)、大壩變形監(jiān)測(cè)、高層建筑變形監(jiān)測(cè)、隧道貫通測(cè)量等精密工程。加密測(cè)圖控制點(diǎn)，應(yīng)用 GPS 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)（簡(jiǎn)稱 RTK）測(cè)繪各種比例尺地 形圖和用于施工放樣。 在精密工程測(cè)量中的應(yīng)用 國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的問題 目前， GPS 測(cè)量因?yàn)槠涞母呔群透咝?，而在國?nèi)外工程測(cè)量中的運(yùn)用是越來越多，尤其是一些大型的精密工程測(cè)量項(xiàng)目中．由于美國的 SA 政策等因數(shù)測(cè)量精度不是很高，而精密工程測(cè)量中主要運(yùn)用載波相位的觀測(cè)量進(jìn)行，其精度已經(jīng)達(dá)到很高的水平。 精密工程測(cè)量中存在的問題是在進(jìn)行基線解算時(shí)如何能更好的剔除誤差，達(dá)到好的成果。我想突破口就是根據(jù)測(cè)量實(shí)際的需要選取合適的軟件進(jìn)行基線解算與網(wǎng)平差。 小結(jié) GPS 在工程測(cè)量 中的應(yīng)用愈來愈廣泛，尤其是在精密工程測(cè)量中的應(yīng)用更是如此，例如歐洲核子研究中心大型對(duì)撞機(jī)的 GPS 控制測(cè)量，美國斯坦福直線加速器 GPS 控制網(wǎng)，加拿大鐵路麥克堂納德山的隧道（１４ km） GPS 測(cè)量，英吉利海峽海底隧道 GPS 貫通測(cè)量，我國武鋼擴(kuò)建 GPS 控制網(wǎng)，美國在愛達(dá)荷州清水河大壩上的 GPS 監(jiān)測(cè)網(wǎng)及縱多的城市 GPS 網(wǎng)等。 目前，在工程測(cè)量中主要采用傳統(tǒng)的方法建立高精度的施工控制網(wǎng)，由于受到觀測(cè)儀器精度等因素的影響，平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)一般分開布設(shè)，即用三角測(cè)量方法建立平面控制網(wǎng)，用水準(zhǔn)測(cè)量方法建立高程控制網(wǎng)。這 種方法有外業(yè)工作量大﹑受地形通視﹑外界條件影響等顯著缺陷。由于近幾年 GPS 技術(shù)的廣泛應(yīng)用。高精度 GPS 控制測(cè)量已經(jīng)在很多工程中得到應(yīng)用，大量的實(shí)踐數(shù)據(jù)表明， GPS 控制網(wǎng)的平面坐標(biāo)精度是可靠的，能達(dá)到工程測(cè)量的要求，但高程方面由于受坐標(biāo)系的不一致影響，其精度一直被認(rèn)為不太可靠，這在很大程度上限制了 GPS 技術(shù)的應(yīng)用。因此，有必要對(duì) GPS 水準(zhǔn)測(cè)量的理論和方法進(jìn)行深入的探討及其平面方面理論與方法的研究，以提高其觀測(cè)精度，從而使其更廣泛地應(yīng)用于測(cè)繪領(lǐng)域。 在精密的工程測(cè)量中我們要處理的是長(zhǎng)基線的解算，這就需要我們?cè)诰?密測(cè)量核心問題上下功夫。例如，精密星歷的確定及完善；對(duì)電離層，對(duì)流層的誤差運(yùn)用雙頻再進(jìn)行建模，運(yùn)用一些精密測(cè)量軟件如 GAMIT,BENESE,GLBOK 等。 測(cè)量控制網(wǎng)的精度指 在工程測(cè)量中的基線向量網(wǎng)的等級(jí)及其精度指標(biāo)如下： 根據(jù)我國 1992 年所頒布的全球定位系統(tǒng)測(cè)量規(guī)范， GPS 基線向量網(wǎng)被分成了 A、 B、 C、 D、 E五個(gè)級(jí)別。下圖是我國全球定位系統(tǒng)測(cè)量規(guī)范中有關(guān) GPS 網(wǎng)等級(jí)的有關(guān)內(nèi)容。 GPS 網(wǎng)的精度指標(biāo)，通常是以網(wǎng)中相鄰點(diǎn)之間的距離誤差來表示的，其具體形式為： a=開根號(hào)（ a 的平 方 +（ b*d）的平方） 其中， a：網(wǎng)中相鄰點(diǎn)間的距離中誤差 (mm)； q：固定誤差 (mm)； b：比例誤差 (ppm[8])； d：相鄰點(diǎn)間的距離 (km)。 對(duì)于不同等級(jí)的 GPS 網(wǎng)，有下列的精度要求： 測(cè)量分類 固定誤差 (mm) 比例誤差 (ppm 相鄰點(diǎn)距離 (km) A ≤ 5 ≤ 100～ 2020 B ≤ 8 ≤ 1 15～ 250 C ≤ 10 ≤ 5 5～ 40 D ≤ 10 ≤ 10 2～ 15 E ≤ 10 ≤ 20 1～ 10 A 級(jí)網(wǎng)一般為區(qū)域或國家框架網(wǎng)、區(qū)域動(dòng)力學(xué)網(wǎng)； B 級(jí)網(wǎng)為國家大地控制網(wǎng)或地方框架網(wǎng)； C 級(jí)網(wǎng)為地方控制網(wǎng)和工程控制網(wǎng)； D 級(jí)網(wǎng)為工程控制網(wǎng)； E 級(jí)網(wǎng)為測(cè)圖網(wǎng)。 美 國 聯(lián) 邦 大 地 測(cè) 量 分 管 委 員 會(huì) （ Federal Geodetic Control SubmitteeFGCS）在 1988 年公布的 GPS 相對(duì)定位的精度標(biāo)準(zhǔn)中有一個(gè) AA 級(jí)的等級(jí)，此等級(jí)的網(wǎng)一般為全球性的坐標(biāo)框架。 下面介紹我國的高精度 GPS 網(wǎng)及測(cè)量情況 :國家高精度 GPSA 級(jí) B 級(jí)網(wǎng)由國家測(cè)繪局，中國地震局等單位與 1991年至 1 996 年布測(cè)完畢，全網(wǎng)共有 818 個(gè) GPS 點(diǎn)，其中國家 GPSA 級(jí)網(wǎng)于 1992年首次布測(cè)，又于 1996 年進(jìn)行了復(fù)測(cè)，國家 GPSA 級(jí)網(wǎng)是由 27 個(gè) GPS 點(diǎn)組成的，平均邊長(zhǎng)是 650 公里全網(wǎng)整體平差后，在 ITRF93 參考框架下的地心坐標(biāo)絕對(duì)精度達(dá)到 ,水平方向精度優(yōu)于 2 10? 8? ，垂直方向精度優(yōu)于 7 10? 8? 。 GPSB 級(jí) 網(wǎng)于 19911995 年布測(cè) ,共記 818 個(gè)點(diǎn) ,其中大部分重合于原天文大地網(wǎng)的天文點(diǎn) ,三角點(diǎn) ,重力點(diǎn) ,并全部聯(lián)測(cè)了精密水準(zhǔn) .GPS B 級(jí)網(wǎng)的布測(cè)采用了不同的精度和分辨率，平均西北地區(qū)平均點(diǎn)距為 150 公里中部 100，東北 50 到 70，平差后的地心坐標(biāo)絕對(duì)精度：水平 方向的重復(fù)精度優(yōu)于 4 710?? ，垂直方向的重復(fù)精度優(yōu)于 8 710?? 。 A、 B 級(jí) GPS 網(wǎng)點(diǎn)都聯(lián)廁了幾何水準(zhǔn)。這樣，就為我國各 部門的測(cè)繪工作，建立各級(jí)測(cè)量控制網(wǎng)，提供了高精度的平面和高程三維基準(zhǔn)。我國已完成西沙、南沙群島各島嶼與大陸的 GPS 聯(lián)測(cè)，使海島與全國大地網(wǎng)聯(lián)成一整體。 GPS 的 AA 級(jí)， AB 級(jí)網(wǎng)的精度是非常高的，此網(wǎng)的測(cè)設(shè)是采用激光技術(shù)，上千公里的誤差才是 3到 5厘米。 控制網(wǎng)的精度分析 （ GPS 網(wǎng)三維平差中的精度分析） 在 GPS 網(wǎng)三維平差中，除直接求解出 GPS 點(diǎn)的大地坐標(biāo)和轉(zhuǎn)化參數(shù)外，還可以求得各點(diǎn)的空間直角坐標(biāo)、高斯平面坐標(biāo)、一些邊的平面邊長(zhǎng)和方位角等。 GPS網(wǎng)的精度計(jì)算主要包含以下內(nèi)容。 ①驗(yàn)后單位權(quán)中誤差 在 GPS 網(wǎng)平差前需要給定單位權(quán)中誤差 0? ，而平差后仍按下式計(jì)算單位權(quán)中誤差的估計(jì)值 0^? = rPVVT （ 1） 式中： TV 為 GPS 基線向量觀測(cè)值和其他觀測(cè)值的改正值 P 為根據(jù)觀測(cè)值的方差陣和驗(yàn)前單位權(quán)中誤差 0? 確定的權(quán)陣， r 為多余觀測(cè)值。 ② 各點(diǎn)大地坐標(biāo)的中誤差 在 WGS84 坐標(biāo)系或國家坐標(biāo)系進(jìn)行平差時(shí)，可求得 iP 點(diǎn)的大地坐標(biāo)平差值，則其相應(yīng)中誤差為 iB^? = 0^?iiBBQ ?iL^? 0^?iiLLQ （ 2） ?iH^? 0^?iiHHQ ③轉(zhuǎn)換參數(shù)的中誤差 當(dāng)含有地面起算數(shù)據(jù)和觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，也可由法方程系數(shù)陣的逆陣中得到轉(zhuǎn)化參數(shù)的諧因數(shù)，若只考慮尺度參數(shù)和繞法線的旋轉(zhuǎn)參數(shù)時(shí)中誤差為 ???????AA ????????0^^0^^ (3) ④空間直角坐標(biāo)的中誤差為 ???????????????ZZZZZYYYYYXXXXXQDQDQD0^^0^^0^^?????? (4) ⑤高斯平面坐標(biāo)的中誤差和誤差橢球由高斯平面正算公式可得微分關(guān)系 ????????????? dLdBRdydx g (5) 則平面坐標(biāo)的方差為 ???????yyyxxyxx DD DD ??????yyyxxyxx 20^? = TgLLLBBLBBg R R ??????20^? (6) 其誤差橢球元素為 ? ?? ?? ???????????????????????yyxxxyxyyyxxyyxxyyxxQtgQKKFKE2242121220^220^2??? (7) 近年來，隨著 GPS技術(shù)的廣泛應(yīng)用和深入發(fā)展，測(cè)繪科學(xué)正日益發(fā)生著深刻的變革， GPS除了越來越廣地應(yīng)用于普通工程測(cè)量之外，在地殼運(yùn)動(dòng)變 形監(jiān)測(cè)精密工程測(cè)量方面也正日益發(fā)揮著其巨大作用。一些國外和國內(nèi)的 GPS精密工程測(cè)量項(xiàng)目，比如北京首都圈地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、深圳高精度測(cè)量框架、隧道、大壩、對(duì)撞機(jī)、核電站、高層建筑電視塔等都運(yùn)用了 GPS精密工程測(cè)量。 GPS精密工程測(cè)量與 GPS普通控制測(cè)量相比，在精度要求、坐標(biāo)基準(zhǔn)、外業(yè)施測(cè)、數(shù)據(jù)處理等方方面面都有著巨大的差異，有著其特殊的地方，這些差異和特殊在我們的本科 GPS課程學(xué)習(xí)中是沒有接觸到的，而廣泛的 GPS精密工程應(yīng)用又恰恰要求我們必須掌握這些理論。本論文旨在深入學(xué)習(xí)和掌握 GPS精密工程測(cè)量的特點(diǎn)以及其與 普通 GPS測(cè)量的區(qū)別與聯(lián)系、從而熟悉 GPS精密工程的設(shè)計(jì)、施測(cè)及數(shù)據(jù)處理技術(shù)，為畢業(yè)后領(lǐng)導(dǎo)類似工程打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。 高精度的工程測(cè)量中的 GPS的應(yīng)用，涉及到到很多的理論與方法，本文致力與這方面的研究與學(xué)習(xí)。本文的內(nèi)容主要有： 1. 廣泛收集和學(xué)習(xí)國內(nèi)外典型的大型 GPS精密工程測(cè)量項(xiàng)目的有關(guān)布測(cè)及數(shù)據(jù)處理論文資料， 深入學(xué)習(xí) GPS精密測(cè)地涉及的理論方法和技術(shù) ,熟悉 GPS精密測(cè)量與常規(guī) GPS測(cè)量在精度要求、坐標(biāo)基準(zhǔn)、外業(yè)施測(cè)、數(shù)據(jù)處理方面的區(qū)別； 3. 深入學(xué)習(xí) GPS精密測(cè)量中 GPS數(shù)據(jù)處理方面涉及的理論 基礎(chǔ)包括載波相位相對(duì)測(cè)量原理、精密星歷、電離層對(duì)流層誤差產(chǎn)生的基理及消除或消弱措施、周跳探測(cè)及修復(fù)、整周未知數(shù)的解算、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、網(wǎng)平差等內(nèi)容； 了解 GPS精密測(cè)地中廣泛使用的 GPS數(shù)據(jù)處理軟件如 GAMIT、 BERNESE、 GLOBK等的基本功能 5. 熟悉 GPS精密測(cè)量數(shù)據(jù)處理流程，能進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的 GPS精密測(cè)地?cái)?shù)據(jù)處理工作?？偨Y(jié)，得出一些有益的結(jié)論和建議。 2 GPS及定位原理 全球定位系統(tǒng)簡(jiǎn)介 GPS的全稱是“ Navigation by Satellite Timing And Ranging Global Positioning System— NAVSTAR GPS”，直譯為“用衛(wèi)星定時(shí)和測(cè)距進(jìn)行導(dǎo)航的全球定位系統(tǒng)”，簡(jiǎn)稱全球定位系統(tǒng) — GPS。它是美國國防部于本世紀(jì) 70年代初開始設(shè)計(jì)、研制，并于 1994建成的軍民兩用衛(wèi)星定位系統(tǒng)，由空間衛(wèi)星部分、地面監(jiān)控部分及用戶信號(hào)接收部分組成。 系統(tǒng)的組成 GPS 全球定位系統(tǒng)主要由三大部分組成，即空間星座部分 (GPS 衛(wèi)星星座 )、地面監(jiān)控部分和用戶設(shè)備部分。 一、空間星座部分 1． GPS衛(wèi)星星座 全球定位系統(tǒng)的空間星座部 分，由 24顆衛(wèi)星組成，其中包括 3顆可隨時(shí)啟用的備用衛(wèi)星。工作衛(wèi)星分布在 6個(gè)近圓形軌道面內(nèi)，每個(gè)軌道面上有 4顆衛(wèi)星。上述 GPS衛(wèi)星的空間分布，保障了在地球上任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻均至少可同時(shí)觀測(cè)到 4顆衛(wèi)星，加之衛(wèi)星信號(hào)的傳播和接收不受天氣的影響，因此 GPS是 — 種全球性、全天候的連續(xù)實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)。 2． GPS衛(wèi)星及功能 在全球定位系統(tǒng)中， GPS衛(wèi)星的主要功能是：接收、儲(chǔ)存和處理地面監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)射來的導(dǎo)航電文及其它有關(guān)信息；向用戶連續(xù)