【正文】 80 年西安大地坐標(biāo)系 在實(shí)際使用中需要根據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)的變換來(lái)求出所使用的坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)這樣更有利于表達(dá)地面控制點(diǎn)的位置和處理 GPS 觀測(cè)成果因此在測(cè)量中被得到了廣泛的應(yīng)用 在 GPS定位中 GPS衛(wèi)星是高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星其坐標(biāo)值隨時(shí)間在快速變化著需要實(shí)時(shí)地由 GPS 衛(wèi)星信號(hào)測(cè)量出測(cè)站至衛(wèi)星之間的距離實(shí)時(shí)地由衛(wèi)星的導(dǎo)航電文解算出衛(wèi)星的坐標(biāo)值并進(jìn)行測(cè)站點(diǎn)的定位依據(jù)測(cè)距的原理其定位原理與計(jì)算方法主要有偽距法定位載波相位測(cè)量定位以及差分 GPS 定位等對(duì)于待定點(diǎn)來(lái)說(shuō)根據(jù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以將 GPS 定位分為靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位靜態(tài)定位指的是對(duì) 于固定不動(dòng)的待定點(diǎn)將 GPS 接收機(jī)置于其上觀測(cè)數(shù)分鐘乃至更長(zhǎng)的時(shí)間以確定該點(diǎn)的三維坐標(biāo)又叫絕對(duì)定位若以兩臺(tái) GPS 接收機(jī)分別置于兩個(gè)固定不變的待定點(diǎn)上則通過(guò)一定時(shí)間的觀測(cè)可以確定兩個(gè)待定點(diǎn)間的相對(duì)位置又叫相對(duì)定位而動(dòng)態(tài)定位則至少有一臺(tái)接收機(jī)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)定的是各觀測(cè)時(shí)刻觀測(cè)歷元運(yùn)動(dòng)中的接收機(jī)的點(diǎn)位絕對(duì)點(diǎn)位或相對(duì)點(diǎn)位 利用接收到的衛(wèi)星信號(hào)測(cè)距碼或載波相位均可進(jìn)行靜態(tài)定位實(shí)際應(yīng)用中為了減弱衛(wèi)星的軌道誤差衛(wèi)星鐘差接收機(jī)鐘差以及電離層和對(duì)流層的折射誤差的影響常采用載波相位觀測(cè)值的各種線形組合即差分值作為觀測(cè)值獲得兩點(diǎn)之 間高精度的 GPS 基線向量即坐標(biāo)差 二 GPS 幾種定位方式 1 偽距測(cè)量定位 偽距法定位是由 GPS接收機(jī)在某一時(shí)刻測(cè)出得到四顆以上 GPS衛(wèi)星的偽距以及已知的衛(wèi)星位置采用距離交會(huì)的方法求定接收機(jī)天線所在點(diǎn)的三維坐標(biāo)所測(cè)偽距就是由衛(wèi)星發(fā)射的測(cè)距碼信號(hào)到達(dá) GPS 接收機(jī)的傳播時(shí)間乘以光速得到的量測(cè)距離由于衛(wèi)星鐘接收機(jī)鐘的誤差以及無(wú)線電信號(hào)經(jīng)過(guò)電離層和對(duì)流層中的延遲實(shí)際測(cè)出的距離ρ與衛(wèi)星到接收機(jī)的幾何距離ρ有一定的差值因此一般稱量出的距離為偽距用 CA 碼進(jìn)行測(cè)量的偽距為 CA 碼偽距用 P 碼測(cè)出的偽距為 P碼偽距偽距法定位雖然一 次定位精度不高 P碼定位誤差約為 10mCA碼定位誤差為2030m但因其具有定位速度快且無(wú)多值性問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)仍然是 GPS定位系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航的最基本方法同時(shí)所測(cè)偽距又可作為載波相位測(cè)量中解決整周數(shù)不確定問(wèn)題模糊度的輔助資料 2 載波相位測(cè)量定位 利用測(cè)距碼進(jìn)行偽距測(cè)量是 GPS 定位系統(tǒng)的基本測(cè)距方法然而由于測(cè)距碼的碼元長(zhǎng)度較大對(duì)于一些高精度應(yīng)用來(lái)講其測(cè)距精度還顯的過(guò)低無(wú)法滿足需要如果觀測(cè)精度均取至測(cè)距碼波長(zhǎng)的百分之一則偽距測(cè)量對(duì) P 碼而言量測(cè)精度為30cm 對(duì) CA 碼而言為 3m 左右而如果把載波作為量測(cè)信號(hào)由于載波的波長(zhǎng)短19cm24cm 所以就可達(dá)到很高的精度目前的大地型接收機(jī)的載波相位測(cè)量精度一般為 1～ 2mm 有的精度更高但載波信號(hào)是一種周期性的正弦信號(hào)而相位測(cè)量又只能測(cè)定其不足一個(gè)波長(zhǎng)的部分因而存在著整周數(shù)不確定性的問(wèn)題使解算過(guò)程變地十分復(fù)雜 在 GPS 信號(hào)中由于已用相位調(diào)整的方法在調(diào)制了測(cè)距碼和導(dǎo)航電文因而接收到的載波的相位已不再連續(xù)所以在進(jìn)行載波相位測(cè)量以前首先要進(jìn)行解調(diào)工作設(shè)法將調(diào)制在載波上的測(cè)距碼和衛(wèi)星電文去掉重新獲取載波這一工作稱為重建載波重建載波一般可采用兩種方法一種是碼相關(guān)法另一種是平方法采用前者用戶可同時(shí)提取測(cè)距 信號(hào)和衛(wèi)星電文但用戶必須知道測(cè)距碼的結(jié)構(gòu)采用后者用戶無(wú)須掌握測(cè)距碼的結(jié)構(gòu)但只能獲取載波信號(hào)而無(wú)法獲得測(cè)距碼和衛(wèi)星電文 3 差分 GPS 定位 差分技術(shù)很早就被人們所應(yīng)用比如相對(duì)定位中在一個(gè)測(cè)站上對(duì)兩個(gè)觀測(cè)目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)將觀測(cè)值求差或在兩個(gè)測(cè)站上對(duì)一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)將觀測(cè)值求差或在一個(gè)測(cè)站上對(duì)一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行兩次觀測(cè)求差其目的是消除公共誤差提高定位精度利用求差后的觀測(cè)值解算兩觀測(cè)站之間的基線向量這種差分技術(shù)已經(jīng)用于靜態(tài)相對(duì)定位 該部分所講述的差分 GPS 定位技術(shù)是將一臺(tái)接收機(jī)安置在基準(zhǔn)站上進(jìn)行觀測(cè)根據(jù)基準(zhǔn)站已知精密坐標(biāo)計(jì)算出 基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)并由基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)地將這一改正數(shù)發(fā)送出去用戶接收機(jī)在進(jìn)行 GPS 觀測(cè)的同時(shí)也接收到基準(zhǔn)站的改正數(shù)并對(duì)其定位結(jié)果進(jìn)行改正從而提高定位精度 GPS 定位中存在著三部分誤差一是多臺(tái)接收機(jī)公有的誤差如衛(wèi)星鐘誤差星歷誤差二是傳播延遲誤差如電離層誤差對(duì)流層誤差三是接收機(jī)固有的誤差如內(nèi)部噪聲通道延遲多路徑效應(yīng)采用差分定位可完全消除第一部分誤差可大部分消除第二部分誤差視基準(zhǔn)站至用戶的距離 差分可分為單基準(zhǔn)站差分具有多個(gè)基準(zhǔn)站的局部區(qū)域差分和廣域差分三種 第四節(jié) GPS 導(dǎo)航定位誤差 一 與 GPS 衛(wèi)星有關(guān)的 誤差 與 GPS 衛(wèi)星有關(guān)的誤差主要包括衛(wèi)星的軌道誤差和衛(wèi)星鐘的誤差 1 衛(wèi)星鐘差 由于衛(wèi)星的位置是時(shí)間的函數(shù)因此 GPS 的觀測(cè)量均發(fā)精密測(cè)時(shí)為依據(jù)而與衛(wèi)星位置相對(duì)應(yīng)的信息是通過(guò)衛(wèi)星信號(hào)的編碼信息傳送給接收機(jī)的在 GPS 定位中無(wú)論是碼相位觀測(cè)或是載波相位觀測(cè)均要求衛(wèi)星鐘與接收機(jī)時(shí)鐘保持 嚴(yán)格的同步實(shí)際上盡管 GPS 衛(wèi)星均設(shè)有高精度的原子鐘銣鐘和銫鐘但是它們與理想的GPS 時(shí)之間仍存在著難以避免的偏差和漂移這種偏差的總量約在 1ms 以內(nèi) 對(duì)于衛(wèi)星鐘的這種偏差一般可由衛(wèi)星的主控站通過(guò)對(duì)衛(wèi)星鐘運(yùn)行狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測(cè)確定并通過(guò)衛(wèi)星的導(dǎo)航電文提供給接收機(jī)經(jīng)鐘差改正后各衛(wèi)星之間的同步差即可保持在 20ns 以內(nèi)在相對(duì)定位中衛(wèi)星鐘差可通過(guò)觀測(cè)量求差或差分的方法消除 2 衛(wèi)星軌道偏差 估計(jì)與處理衛(wèi)星的軌道偏差較為困難其主要原因是衛(wèi)星在運(yùn)行中要受到多種攝動(dòng)力的復(fù)雜影響而通過(guò)地面監(jiān)測(cè)站以難以充分可靠的測(cè)定這作用力并掌握它們的 作用規(guī)律目前衛(wèi)星軌道信息是通過(guò)導(dǎo)航電文等到的 應(yīng)該說(shuō)衛(wèi)星軌道誤差是當(dāng)前 GPS 測(cè)量的主要誤差來(lái)源之一測(cè)量的基線長(zhǎng)度越長(zhǎng)此項(xiàng)誤差的影響就越大 在 GPS 定位測(cè)量中處理衛(wèi)星軌道誤差有以下幾種方法 21 忽略軌道誤差 這種方法以從導(dǎo)航電文中所獲得的衛(wèi)星軌道信息為準(zhǔn)不再考慮衛(wèi)星軌道實(shí)際存在的誤差所以廣泛的用于精度較低的實(shí)時(shí)單點(diǎn)定位工作中 22 采用軌道改進(jìn)法處理觀測(cè)數(shù)據(jù) 這種方法是在數(shù)據(jù)處理中引入表征衛(wèi)星軌道偏差的改正參數(shù)并假設(shè)在短時(shí)間內(nèi)這些參數(shù)為常量將其與其它求知數(shù)一并求解 23 同步觀測(cè)值求差 這一方法是利用在兩個(gè)或多 個(gè)觀測(cè)站一同對(duì)同一衛(wèi)星的同步觀測(cè)值求差以減弱衛(wèi)星軌道誤差的影響由于同一衛(wèi)星的位置誤差對(duì)不同觀測(cè)站同步觀測(cè)量的影響具有系統(tǒng)誤差性質(zhì)所以通過(guò)上述求差的方法可以明顯的減弱衛(wèi)星軌道誤差的影響尤其當(dāng)基線較短時(shí)其效用更不明顯 這種方法對(duì)于精度相對(duì)定位具有極其重要的意義 二 與衛(wèi)星信號(hào)傳播有關(guān)的誤差 與衛(wèi)星信號(hào)有關(guān)的誤差主要包括大氣折射誤差和多路徑效應(yīng)電離層折射的影響 S 衛(wèi)星信號(hào)的其它電磁波信號(hào)一樣當(dāng)其通過(guò)電離層時(shí)將受到這一介質(zhì)彌散特性的影響便其信號(hào)的傳播路徑發(fā)生變化當(dāng) GPS 衛(wèi)星處于天頂方向時(shí)電離層折射對(duì)信號(hào)傳播路徑的影 響最小而當(dāng)衛(wèi)星接近地平線時(shí)則影響最大 為了減弱電離層的影響在 GPS 定位中通常采用下面措施利用雙頻觀測(cè)由于電離層的影響是信號(hào)頻率的函數(shù)所以利用不同頻率的電磁波信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)便能多確定其影響而對(duì)觀測(cè)量加以修正因此具有雙頻的 GPS 接收機(jī)在精密定位中測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用不過(guò)應(yīng)當(dāng)明確指出在太陽(yáng)輻射的正午或在太陽(yáng)黑子活動(dòng)的異常期應(yīng)盡量避免觀測(cè)在尤其是精密定位測(cè)量 利用電離層模型加以修正對(duì)于單頻 GPS 接收機(jī)為了減弱電的影響一般是采用導(dǎo)航電文提供的電離層模型或其它適合的電離層模型對(duì)觀測(cè)量加以修正但是這種模型至今仍在完善之中 目前模型改正的有效率約為 75％利用同步觀測(cè)值求差這一方法是利用兩臺(tái)或多臺(tái)接收機(jī)對(duì)同一衛(wèi)星的同步觀測(cè)的求差以減弱電離層折射的影響尤其當(dāng)觀測(cè)站間的距離較近時(shí) 20km 由于衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)各觀測(cè)站的路徑相近所經(jīng)過(guò)的介質(zhì)狀況相似因此通過(guò)各觀測(cè)站對(duì)相同衛(wèi)星信號(hào)的同步觀測(cè)值求差便可顯著的減弱電離層折射影響其殘差將不會(huì)超過(guò) 0000001 對(duì)于單頻 GPS接收機(jī)而言這種方法的重要意義尤為明顯對(duì)流層折射的影響對(duì)流層折射對(duì)觀測(cè)值的影響可分為干分量與濕分量干分量主要與大氣的濕度與壓力有關(guān)而濕分量主要與信號(hào)傳播路徑上的大氣濕度有關(guān)對(duì)于干 分量的影響可通過(guò)地面的大氣資料計(jì)算濕分量目前尚無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)定對(duì)于輸送短的基線 50km 濕分量的影響較小關(guān)于對(duì)流層折射的影響一般有以下幾種處理方法定位精度要求不高時(shí)可不考慮其影響用對(duì)流層模型進(jìn)行改正采用觀測(cè)量求差的方法與電離層的影響相類(lèi)似當(dāng)觀測(cè)站間相距不遠(yuǎn) 20km 時(shí)由于信號(hào)通過(guò)對(duì)流層的路徑相近對(duì)流層的物理特性相近所以對(duì)同 一衛(wèi)星的同步觀測(cè)值求差可以明顯的減弱對(duì)流層折射的影響多路徑效應(yīng)影響多路徑效應(yīng)亦稱多路徑誤差是指接收機(jī)天線除直接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)外還可能收到經(jīng)天線周?chē)匚镆淮位蚨啻畏瓷涞男l(wèi)星信號(hào)信號(hào) 疊加將會(huì)引起測(cè)量參考點(diǎn)相位中心點(diǎn) 位置的變化從而便觀測(cè)量產(chǎn)生誤差而且這種誤差隨天線周?chē)瓷涿娴男再|(zhì)而異難以控制根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料表明在一般反射環(huán)境下多路徑效應(yīng)對(duì)測(cè)碼偽距的影響可達(dá)到米級(jí)對(duì)測(cè)相偽距的影響可達(dá)到厘米級(jí)而在高反射環(huán)境下不僅其影響將顯著增大而且常常導(dǎo)致接收的衛(wèi)星信號(hào)失鎖和使載波相位觀測(cè)量產(chǎn)生周跳因此在精密 GPS 導(dǎo)航和測(cè)量中多路徑效應(yīng)的影響是不可忽視的目前減弱多路徑效應(yīng)影響的措施有 1 安置接收機(jī)天線的環(huán)境應(yīng)避開(kāi)較強(qiáng)的反射面如水面平坦光滑的地以及平整的建筑物表面等 2 選擇造型適宜且屏蔽良好的天線等適當(dāng)延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí) 間削弱多路徑效應(yīng)的周期性影響 4 改善 GPS 接收機(jī)的電路設(shè)計(jì)減弱多路徑效應(yīng)的影與 GPS 接收機(jī)設(shè)備有關(guān)的誤差主要包括觀測(cè)誤差接收機(jī)鐘差天線相位中心誤差和載波相位觀測(cè)的整周不定性影響觀測(cè)誤差觀測(cè)誤差包括觀測(cè)的分辨誤差及接收機(jī)天線相對(duì)于測(cè)站點(diǎn)的安置誤差等根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般認(rèn)為觀測(cè)的分辨誤差約為信號(hào)波長(zhǎng)的 1 故知道載波相位的分辨誤差比碼相位不小由于此項(xiàng)誤差屬于偶然誤差可適當(dāng)?shù)卦黾佑^測(cè)量將會(huì)明顯地減弱其影響接收機(jī)天線相對(duì)于觀測(cè)站中心的安置誤差主要是天線的置不與對(duì)中誤差以及量取天線高的誤差在精密定位工作中必須認(rèn)真仔細(xì)操作以盡量減 小這種誤差的影響接收機(jī)的鐘差 盡管 GPS 接收機(jī)有高精度的石英鐘其日頻率穩(wěn)定度可以達(dá)到 10 的11 方但對(duì)載波相位觀測(cè)的影響仍是不可忽視的處理接收機(jī)鐘差較為有效的方法是將各觀測(cè)時(shí)刻的接收機(jī)鐘差間看成是相關(guān)的由此建立一個(gè)鐘差模型并表示為一個(gè)時(shí)間多項(xiàng)式的形式然后在觀測(cè)量的平差計(jì)算中統(tǒng)一求解得到多項(xiàng)式的系數(shù)因而也得到接收機(jī)的鐘差改正載波相位觀測(cè)的整周未知數(shù) 載波相位觀測(cè)當(dāng)前普遍采用的最精密的觀測(cè)方法由于接收機(jī)只能測(cè)定載波相位非整周的小數(shù)部而無(wú)法直接測(cè)定開(kāi)波相位整周數(shù)因而存在整周不定性問(wèn)題此外在觀測(cè)過(guò)程中由于衛(wèi)星信號(hào)失 鎖而發(fā)生的周跳現(xiàn)象從衛(wèi)星信號(hào)失鎖到信號(hào)重新鎖定對(duì)載波相位非整周的小數(shù)部分并無(wú)影響仍和失鎖前保持一致但整周數(shù)卻發(fā)生中斷而不再連續(xù)所以周跳對(duì)觀測(cè)的影響與整周未知數(shù)的影響相似在精密定位的數(shù)據(jù)處理中整周未知數(shù)和周跳都是關(guān)鍵性的問(wèn)題天線的相位中心位置偏差在 GPS 定位中觀測(cè)值是以接收機(jī)天線相位中心位置為準(zhǔn)的因而天線的相位中心與其幾何中心理論上保持一致可是實(shí)際上天線的相位中心位置隨著信號(hào)輸入的強(qiáng)度和方向不同而有所變化即觀測(cè)時(shí)相位中心的瞬時(shí)位置稱為視相位中心與理論上的本單位中心位置將有所不同天線相位中心的偏差對(duì)相對(duì)定位結(jié)果 的影響根據(jù)天線性能的優(yōu)劣可達(dá)數(shù)毫米至數(shù)厘米所以對(duì)于精密相對(duì)定位這種影響是不容忽視的在實(shí)際工作中如果使用同一類(lèi)型的天線在相距不遠(yuǎn)的兩個(gè)或多個(gè)觀測(cè)站上同步觀測(cè)同一組衛(wèi)星那么便可通過(guò)觀測(cè)值求差以削弱相位中心偏移的影響需要提及的是安置各觀測(cè)站的天線時(shí)均按天線附有的方位標(biāo)進(jìn)行定向使之根據(jù)羅盤(pán)指向磁北極 A B C D E 5 8 10 10 10 5 5 10 10 20 表 31 各級(jí)ＧＰＳ網(wǎng)水平分量的中誤差 第二節(jié) GPS 網(wǎng)的布設(shè) 一 步網(wǎng) 1所選點(diǎn)位要便于低等級(jí)常規(guī)測(cè)量的使用每一個(gè) GPS點(diǎn)應(yīng)與兩個(gè)或兩個(gè)以上的控制點(diǎn)通視困難情況下也至少保持與相鄰一個(gè)控制點(diǎn)通視否則需埋設(shè)方位樁且用 GPS 聯(lián)測(cè) 2GPS 點(diǎn)間距離應(yīng)按規(guī)范要求設(shè)計(jì)可考慮靈活變動(dòng)以便于低等級(jí)控制點(diǎn)加密小間中距相鄰點(diǎn)位應(yīng)進(jìn)行直接聯(lián)測(cè) 3GPS 網(wǎng)點(diǎn)中各同步邊應(yīng)盡可能構(gòu)成若干個(gè)閉合環(huán)在完成各邊的平差后可檢驗(yàn)閉合差是否滿足相應(yīng)等級(jí)要求一等以上 GPS 網(wǎng)中至少包含三個(gè)閉合環(huán)且彼此線性無(wú)關(guān)二三四等也應(yīng)有兩個(gè)以上的閉合環(huán)五等網(wǎng)也至少有一個(gè)閉合環(huán) 4 考慮將測(cè)區(qū)內(nèi)原有的國(guó)家或地方測(cè)設(shè)的三角點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)有利于兩系統(tǒng)成果的變換聯(lián)測(cè)點(diǎn)應(yīng)盡量均勻分布在整個(gè)測(cè)區(qū)的里面和外圍為精確求定 轉(zhuǎn)換參數(shù)GPS 網(wǎng)要盡可能多地聯(lián)測(cè)高等級(jí)的大地控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)點(diǎn)和重合點(diǎn)的個(gè)數(shù)不得少于 3個(gè)特殊情況下也不得少于 2 個(gè) 第三節(jié) GPS 的坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng) 一 WGS84 大地坐標(biāo)系 WGS84 大地坐標(biāo)系的幾何定義是原點(diǎn)位于地球質(zhì)心 Z 軸指向 BIH 19840 定義的協(xié)議地球極 CTP 方向 X 軸指向的零子午面和 CTP 赤道的交點(diǎn) Y 軸與 ZX 軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)于 WGS84 大地坐標(biāo)系有一 WGS84 橢球 WGS84橢球及有關(guān)常數(shù)采用國(guó)際大地測(cè)量 IAG和地球物理聯(lián)合會(huì) IUGG第 17屆大會(huì)大地測(cè)量常數(shù)的推薦值四個(gè)基本參數(shù)為 長(zhǎng) 半軸 a 6378137177