【文章內(nèi)容簡介】 8 (3)操作簡便 GPS 定位的自動化程度很高，作業(yè)人員只限于安置儀器、開關(guān)儀器、量取儀器高和監(jiān)視工作狀態(tài)，其他如衛(wèi)星捕獲、跟蹤觀測、數(shù)據(jù)采集等均由儀器自動完成，加之儀器本身質(zhì)量輕，體積小，攜帶方便，大大降低了作業(yè)難度，提高了功效。其次， GPS 定位的結(jié)果，可以直接提供點的三維坐標(biāo)，不僅可以精確確定點的平面位置，也為研究大地水準(zhǔn)面的形狀和確定地面點高程開辟了新途徑。 (4)全天候作業(yè) GPS 定位不受天氣條件制約，可以在任何時間、任何地點從事作業(yè)，加之觀測時間縮短、速度加快，便利了 人們對測量工程的統(tǒng)籌安排，使工程計劃具有較大的可行性，為準(zhǔn)確、快速地提供測繪成果成為可能。 隨著科學(xué)技術(shù)的進步和應(yīng)用需求的增加， GPS 已從當(dāng)初的性能單一發(fā)展到今天的廣泛應(yīng)用。 GPS 以其獨特的、強大的功能，涉足于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。尤其是近幾年來向消費市場發(fā)展的勢頭很強，它已進入我們的日常工作、學(xué)習(xí)、生活和娛樂之中。 GPS 已成功地應(yīng)用于大地測量和城市控制網(wǎng)；正在試驗應(yīng)用于民用飛機的航線導(dǎo)航和精確進場著陸；應(yīng)用于陸地車輛的智能交通指揮與管理；應(yīng)用于地球資源勘察、大型工程項目設(shè)計測量與形變監(jiān)測；應(yīng)用于航測與衛(wèi)星 遙感等。 GPS 技術(shù)的高精度和自動化深刻地影響著地球動力學(xué)、大地測量學(xué)、天文學(xué)及其相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域，它在這些基礎(chǔ)學(xué)科的應(yīng)用研究與開拓工作方面都取得了迅速的發(fā)展和卓越的成就，展示了 GPS 巨大的優(yōu)勢和潛力。在 21 世紀(jì) GPS 將繼續(xù)成為軍民兩用的系統(tǒng)，既要更好地滿足軍事需要，也要擴展民用市場和應(yīng)用的范圍。 GPS 技術(shù)在各方面的應(yīng)用正在蓬勃發(fā)展，可以相信，它正在向軍用、民用及其他各個領(lǐng)域不斷滲透與應(yīng)用，也必將朝者更寬廣的范圍和更深刻的層次迅速發(fā)展。 隨著全球定位系統(tǒng)的不斷改進，硬、軟件的不斷完善，應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷地開拓，從 其發(fā)展趨勢看， GPS 衛(wèi)星定位技術(shù)也更加深入和普及測繪領(lǐng)域，從而給測繪領(lǐng)域帶來一場深刻的技術(shù)革命。 GPS 靜態(tài)原理 GPS 測量工作與經(jīng)典大地測量工作相類似，按其性質(zhì)可分為外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩大部分。其中：外業(yè)工作主要包括選點 (即觀測站址的選擇 )、建立觀測標(biāo)志、野外觀測作業(yè)以及成果質(zhì)量檢核等；內(nèi)業(yè)工作主要包括 GPS 測量的技術(shù)設(shè)計、測后數(shù)據(jù)處理以及技術(shù)總結(jié)等。如果按照 GPS 測量實施的工作程序，則大體可分為這樣幾個階段：技術(shù)設(shè)計、選點與建立標(biāo)志、外業(yè)觀測、成果檢核與處理。 GPS 測量是一項技術(shù)復(fù)雜、要求嚴格、耗費較 大的工作，對這項工作總的原則是，在滿足用戶要求的情況下，盡可能地減少經(jīng)費、時間和人力的消耗。因此，對其各階段的工作都要精心設(shè)計和實施。 作業(yè)模式 GPS 測量的作業(yè)模式是指利用 GPS 定位技術(shù)，確定觀測站之間相對位置所采用的作業(yè)方式。它主要由 GPS 接收設(shè)備的軟件和硬件來決定。不同的作業(yè)模式其作業(yè)的方法和觀測時間亦有所不同，因此亦有不同的應(yīng)用范圍。 黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計報告 9 GPS 網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計 GPS 網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計是 GPS 測量工作實施的第一步，是一項基礎(chǔ)性工作。這項工作應(yīng)根據(jù) GPS 網(wǎng)的用途和用戶的要求來進行，其主要內(nèi) 容包括精度指標(biāo)的確定， GPS 網(wǎng)的圖形設(shè)計和 GPS 網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計。 測量的精度標(biāo)準(zhǔn) 對 GPS 網(wǎng)的精度要求，主要取決于 GPS 網(wǎng)的用途。精度指標(biāo)通常均以 GPS 網(wǎng)中相鄰點之間的距離誤差來表示，其形式為 () 其中， —— GPS 網(wǎng)中相鄰點間的距離誤差 (mm)； —— 與接收設(shè)備有關(guān)的常量誤差 (mm)； —— 比例誤差 (ppm)； —— 相鄰點間的距離 (km)。 根據(jù) GPS 網(wǎng)的不同用途，其精度可劃分為如表 1— 1 所列的五類標(biāo)準(zhǔn)。 在 GPS 網(wǎng)總體設(shè)計中，精度 指標(biāo)是比較重要的參數(shù)，它的數(shù)值將直接影響 GPS 網(wǎng)的布設(shè)方案、觀測數(shù)據(jù)的處理以及作業(yè)的時間和經(jīng)費。在實際設(shè)計工作中，用戶可根據(jù)所作控制的實際需要和可能，合理地制定。既不能制定過低而影響網(wǎng)的精度，也不必要盲目追求過高的精度造成不必要的支出。 表 不同級別 GPS 網(wǎng)的精度標(biāo)準(zhǔn) 類別 測量類型 常量誤差 D?（ mm） 比例誤差 pp（ ppm） A 地殼形變測量或國家高精度 GPS 網(wǎng) ≤ 5 ≤ B 國家基本控制測量 ≤ 3 ≤ 1 C 控制網(wǎng)加密，城市測量，工程測量 ≤ 10 ≤ 5 D 控制網(wǎng)加密，城市測量，工程測量 ≤ 10 ≤ 10 E 控制網(wǎng)加密，城市測量，工程測量 ≤ 10 ≤ 20 GPS 網(wǎng)的圖形設(shè)計 GPS 網(wǎng)的圖形設(shè)計雖然主要決定于用戶的要求，但是經(jīng)費、時間和人為的消耗以及所需接收設(shè)備的類型、數(shù)量和后勤保障條件等，也都與 GPS 網(wǎng)的設(shè)計有關(guān)。對此應(yīng)當(dāng)充分加以顧及，以期在滿足用戶要求的條件下盡量減少消耗。 為了滿足用戶的要求，設(shè)計的一般原則是： ① GPS 網(wǎng)一般應(yīng)通過獨立觀測邊構(gòu)成閉合 圖形，例如三角形、多邊形或附合線路，黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計報告 10 以增加檢核條件，提高網(wǎng)的可靠性。 ② GPS 網(wǎng)點應(yīng)盡量與原有地面控制網(wǎng)點相重合。重合點一般不應(yīng)少于 3 個（不足時應(yīng)聯(lián)測）且在網(wǎng)中應(yīng)分布均勻，以便可靠地確定 GPS 網(wǎng)與地面網(wǎng)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。 ③ GPS 網(wǎng)點應(yīng)考慮與水準(zhǔn)點相重合，而非重合點一般應(yīng)根據(jù)要求以水準(zhǔn)測量方法(或相當(dāng)精度的方法 )進行聯(lián)測，或在網(wǎng)中設(shè)一定密度的水準(zhǔn)聯(lián)測點，以便為大地水準(zhǔn)面的研究提供資料。 ④ 為了便于觀測和水準(zhǔn)聯(lián)測， GPS 網(wǎng)點一般應(yīng)設(shè)在視野開闊和容易到達的地方。 ⑤ 為了便于用經(jīng)典方法聯(lián)測或擴展，可在 GPS 網(wǎng)點附近布設(shè)一通視良好的方位點，以建立聯(lián)測方向。方位點與觀測站的距離，一般應(yīng)大干 300 米。 根據(jù) GPS 測量的不同用途， GPS 網(wǎng)的獨立觀測邊均應(yīng)構(gòu)成一定的幾何圖形。圖形的基本形式如下： （ 1）三角形網(wǎng) GPS 網(wǎng)中的三角形邊由獨立觀測邊組成。根據(jù)經(jīng)典測量可知，這種圖形的幾何圖形幾何結(jié)構(gòu)強，具有良好的自檢能力，能夠有效的發(fā)現(xiàn)觀測成果的粗差，以保障網(wǎng)的可靠性。同時，經(jīng)平差后網(wǎng)中相鄰點間基線向量的精度分布均勻。 但其觀測工作量較大，尤其當(dāng)接收機的數(shù)量較少時，將使觀測工作的總時間大為延長，因此通常只有當(dāng)網(wǎng)的精度和可靠性 要求較高，接收機數(shù)目在三臺以上時，才單獨采用這種圖形。見圖 11。 （ 2）環(huán)形網(wǎng) 環(huán)形網(wǎng)是由若干含有多條獨立觀測邊的閉合環(huán)所組成的網(wǎng)，這種網(wǎng)形與經(jīng)典測量中的導(dǎo)線網(wǎng)相似，圖形的結(jié)構(gòu)比三角形稍差。此時閉合環(huán)中所含基線邊的數(shù)量決定了網(wǎng)的自檢能力和可靠性。 一般來說，閉合環(huán)中包含的基線邊不能超過一定的數(shù)量。根據(jù)有關(guān)規(guī)范，對閉合環(huán)中基線的邊數(shù)有以下限制； 最簡獨立閉合環(huán)或符合路線邊數(shù)的規(guī)定 表 路線邊數(shù)規(guī)定表 級 別 A B C D E 路線邊數(shù) ≤5 ≤6 ≤6 ≤8 ≤10 環(huán)形網(wǎng)的優(yōu)點是觀測工作量較小，且具有較好的自檢性和可靠性，其缺點主要是，非直接觀測的基線邊（或間接邊）精度較直接觀測邊低，相鄰點間的基線精度分布不均勻。作為環(huán)形網(wǎng)特例，在實際工作中還可以按照網(wǎng)的用途和實際的情況，采用所謂附合線路。這種附合線路與經(jīng)典測量中的附合導(dǎo)線相似。采用這種圖形的條件是，附合線路兩端點間的已知基線向量，必須具有較高的精度，另外，附合線路所包含的基線邊數(shù)，也不能超過一定的限制。見圖 12。 圖 三角形網(wǎng) 圖 環(huán)形網(wǎng) 圖 星形網(wǎng) （ 3）星形網(wǎng) 黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計報告 11 星形網(wǎng)的幾何圖形簡單，但其直接觀測邊之間，一般不構(gòu)成閉合圖形，所以其檢驗與發(fā)現(xiàn)粗差的能力 較差。 這種網(wǎng)的主要優(yōu)點，是觀測中通常只需要兩臺 GPS 接收機，作業(yè)簡單。因此在快速靜態(tài)定位和動態(tài)定位等快速作業(yè)模式中，大多采用這種網(wǎng)形。它廣泛用于工程放樣、邊界測量、地籍測量和碎部測量等。見圖 13。 三角形和環(huán)形網(wǎng)，是大地測量和精密工程測量中普遍采取的兩種基本圖形。用戶還可以根據(jù)實際情況采用上述兩種圖形的混合網(wǎng)形。 基線長度 GPS 接收機對收到的衛(wèi)星信號量測可達毫米級的精度。但是，由于衛(wèi)星信號在大氣傳播時不可避免地受到大氣層中電離層及對流層的擾動，導(dǎo)致觀測精度的降低。因此在GPS 測量中，通常采 用差分的形式，用兩臺接收機來對一條基線進行同步觀測。在同步觀測同一組衛(wèi)星時，大氣層對觀測的影響大部分都被抵消了?；€越短，抵消的程度越顯著，因為這時衛(wèi)星信號通過大氣層到達兩臺接收機的路徑幾乎相同。 因此，建議用戶在設(shè)計基線邊時以 20 公里范圍以內(nèi)為宜?；€邊過長，一方面觀測時間勢必增加，另一方面由于距離增大而導(dǎo)致電離層的影響有所增強。 GPS 網(wǎng)的基準(zhǔn) 在全球定位系統(tǒng)中，衛(wèi)星主要視作位置已知的高空觀測目標(biāo)。所以，為了確定接收機的位置， GPS 衛(wèi)星的瞬時位置通常歸化到統(tǒng)一的地球坐標(biāo)系統(tǒng)?，F(xiàn)在全球定位系統(tǒng) 采用的 WGS－ 84 坐標(biāo)系統(tǒng)，是一個精確的全球大地坐標(biāo)系統(tǒng)。而我國的國家大地坐標(biāo)系采用的是 1954 北京坐標(biāo)系及 1980 西安坐標(biāo)系。通常在工程測量中，還往往采用獨立的施工坐標(biāo)系。因此，在 GPS 測量中必須確定地區(qū)性坐標(biāo)系與全球坐標(biāo)系的大地測量基準(zhǔn)之差，并進行兩坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換。中海達 HD2021 后處理軟件很方便就可實現(xiàn)WGS－ 8 54 坐標(biāo)系、 80 坐標(biāo)系中空間直角坐標(biāo)、大地坐標(biāo)及高斯平面直角坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換，并且可以采用高斯投影或 UTM 投影在任何獨立坐標(biāo)系中進行網(wǎng)平差處理。 GPSRTK 動態(tài)原理 動態(tài)定位（測量） GPS 動態(tài)定位（測量）是利用 GPS 信號，測定相對于地球運動的用戶天線的狀態(tài)參數(shù)，這些狀態(tài)參數(shù)包括三維坐標(biāo)、三維速度和時間七個參數(shù)。 （ 1） GPS 動態(tài)定位的應(yīng)用 導(dǎo)航 – 探險、車輛、船舶、航空器等 跟蹤、監(jiān)控與調(diào)度 – 車輛、船舶、航空器等 制導(dǎo) – 武器制導(dǎo)、自動駕駛等 定軌 – 衛(wèi)星、航天器等 姿態(tài)確定 – 衛(wèi)星、航天器、航空器等 測量 – 測圖、放樣、監(jiān)測等 黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計報告 12 導(dǎo)航，是測得運動載體的狀態(tài)參數(shù)，并導(dǎo)引運動載體準(zhǔn)確地運動到預(yù)定的后續(xù)位置。 （ 2） GPS 動態(tài)定位的特點 用戶多樣性 速度多異性 定位實時性 數(shù)據(jù)短時性 精度要求多變性 (3) GPS 動態(tài)定位的類型 1）單點動態(tài)定位（動態(tài)絕對定位） 2）實時差分動態(tài)定位法： ①位置差分 ②偽距差分 ③相位平滑偽距差分：載波多普勒計數(shù)平滑偽距、載波相位平滑偽距 ④載波相位差分：修正法、求差法 GPS 動態(tài)定位的基本原理 （ 1）單點偽距動態(tài)定位（動態(tài)絕對定位） GPS 絕對定位主要是以 GPS 衛(wèi)星和用戶接收機天線之間的距離為基本觀測量，并利用已知的 衛(wèi)星瞬時坐標(biāo)來確定接收機天線對應(yīng)的點位在協(xié)議地球坐標(biāo)系中的位置。 動態(tài)絕對定位是確定處于運動載體上的接收機在運動的每一瞬間的位置。由于接收機天線處于運動狀態(tài)，故天線點位的坐標(biāo)是一個變化的量，因此確定每一瞬間坐標(biāo)的觀測方程只有較少的多余觀測 (甚至沒有多余觀測 )，且一般常利用測距碼偽距進行動態(tài)絕對定位。因此，其精度較低，一般僅有幾十米的精度，在 SA 政策影響下，其精度甚至低于百米。通常這種定位方法只用于精度要求不高的飛機、船舶以及陸地車輛等運動載體的導(dǎo)航。 （ 2）位置差分原理 位置差分的優(yōu)點是需要傳輸?shù)?差分改正數(shù)較少，計算方法較簡單，任何一種 GPS接收機均可改裝成這種差分系統(tǒng)。其缺點主要為： 1)要求基準(zhǔn)站與用戶站必須保持觀測同一組衛(wèi)星，由于基準(zhǔn)站與用戶站接收機配備的不完全相同，且兩站觀測環(huán)境也不完全相同，因此難以保證兩站觀測同一組衛(wèi)星，并會導(dǎo)致定位所產(chǎn)生的誤差可能會不很匹配，從而影響定位精度。 2)位置差分定位效果不如偽距差分好。 （ 3）偽距差分原理 偽距差分是目前應(yīng)用最廣泛的一種差分定位技術(shù)之一。該定位技術(shù)通過在基準(zhǔn)站上利用已知坐標(biāo)求出測站至衛(wèi)星的距離，并將其與含有誤差的測量距離比較， 然后利用一個α β濾波器將此差值濾波并求出其偏差，并將所有衛(wèi)星的測距誤差傳輸給用戶，用戶利用此測距誤差來改正測量的偽距。最后，用戶利用改正后的偽距求出自身的坐標(biāo)。如果基準(zhǔn)站、用戶站均觀測了相同的 4 顆或 4 顆以上的衛(wèi)星，即可實現(xiàn)用戶站的定位。 （ 4）相位平滑偽距差分原理 偽距差分實際上是在測站之間求偽距觀測值的一次差，因而消除了兩偽距觀測值中所含有的共同的系統(tǒng)誤差，但是卻無法消除偽距觀測值中所含有的隨機誤差，從而限制了偽距差分定位的精度。 載波相位測量的精度較測距碼偽距測量的精度高 2 個數(shù)量級， 如果能用載波相黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計報告 13 位觀測值對偽距觀測值進行修正，就可提高偽距定位的精度，但是載波相位整周數(shù)無法直接測得，因而難以直接利用載波觀測值。 （ 5）