【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 8 (3)操作簡(jiǎn)便 GPS 定位的自動(dòng)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(cè)、數(shù)據(jù)采集等均由儀器自動(dòng)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(diǎn)的三維坐標(biāo)，不僅可以精確確定點(diǎn)的平面位置，也為研究大地水準(zhǔn)面的形狀和確定地面點(diǎn)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(shí)間、任何地點(diǎn)從事作業(yè)，加之觀測(cè)時(shí)間縮短、速度加快，便利了 人們對(duì)測(cè)量工程的統(tǒng)籌安排，使工程計(jì)劃具有較大的可行性，為準(zhǔn)確、快速地提供測(cè)繪成果成為可能。 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)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(dú)特的、強(qiáng)大的功能，涉足于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。尤其是近幾年來(lái)向消費(fèi)市場(chǎng)發(fā)展的勢(shì)頭很強(qiáng)，它已進(jìn)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(cè)量和城市控制網(wǎng)；正在試驗(yàn)應(yīng)用于民用飛機(jī)的航線導(dǎo)航和精確進(jìn)場(chǎng)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(xiàng)目設(shè)計(jì)測(cè)量與形變監(jiān)測(cè)；應(yīng)用于航測(cè)與衛(wèi)星 遙感等。 GPS 技術(shù)的高精度和自動(dòng)化深刻地影響著地球動(dòng)力學(xué)、大地測(cè)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(shì)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(kuò)展民用市場(chǎng)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(gè)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(jìn)，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(shì)看， GPS 衛(wèi)星定位技術(shù)也更加深入和普及測(cè)繪領(lǐng)域，從而給測(cè)繪領(lǐng)域帶來(lái)一場(chǎng)深刻的技術(shù)革命。 GPS 靜態(tài)原理 GPS 測(cè)量工作與經(jīng)典大地測(cè)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(diǎn) (即觀測(cè)站址的選擇 )、建立觀測(cè)標(biāo)志、野外觀測(cè)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(cè)量的技術(shù)設(shè)計(jì)、測(cè)后數(shù)據(jù)處理以及技術(shù)總結(jié)等。如果按照 GPS 測(cè)量實(shí)施的工作程序，則大體可分為這樣幾個(gè)階段：技術(shù)設(shè)計(jì)、選點(diǎn)與建立標(biāo)志、外業(yè)觀測(cè)、成果檢核與處理。 GPS 測(cè)量是一項(xiàng)技術(shù)復(fù)雜、要求嚴(yán)格、耗費(fèi)較 大的工作，對(duì)這項(xiàng)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(fèi)、時(shí)間和人力的消耗。因此，對(duì)其各階段的工作都要精心設(shè)計(jì)和實(shí)施。 作業(yè)模式 GPS 測(cè)量的作業(yè)模式是指利用 GPS 定位技術(shù)，確定觀測(cè)站之間相對(duì)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(lái)決定。不同的作業(yè)模式其作業(yè)的方法和觀測(cè)時(shí)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(jì)報(bào)告 9 GPS 網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計(jì) GPS 網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計(jì)是 GPS 測(cè)量工作實(shí)施的第一步，是一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作。這項(xiàng)工作應(yīng)根據(jù) GPS 網(wǎng)的用途和用戶的要求來(lái)進(jìn)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(jì)和 GPS 網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)。 測(cè)量的精度標(biāo)準(zhǔn) 對(duì) 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(diǎn)之間的距離誤差來(lái)表示，其形式為 () 其中， —— GPS 網(wǎng)中相鄰點(diǎn)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(diǎn)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(jì)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(cè)數(shù)據(jù)的處理以及作業(yè)的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，用戶可根據(jù)所作控制的實(shí)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(jí)別 GPS 網(wǎng)的精度標(biāo)準(zhǔn) 類別 測(cè)量類型 常量誤差 D?（ mm） 比例誤差 pp（ ppm） A 地殼形變測(cè)量或國(guó)家高精度 GPS 網(wǎng) ≤ 5 ≤ B 國(guó)家基本控制測(cè)量 ≤ 3 ≤ 1 C 控制網(wǎng)加密，城市測(cè)量，工程測(cè)量 ≤ 10 ≤ 5 D 控制網(wǎng)加密，城市測(cè)量，工程測(cè)量 ≤ 10 ≤ 10 E 控制網(wǎng)加密，城市測(cè)量，工程測(cè)量 ≤ 10 ≤ 20 GPS 網(wǎng)的圖形設(shè)計(jì) GPS 網(wǎng)的圖形設(shè)計(jì)雖然主要決定于用戶的要求，但是經(jīng)費(fèi)、時(shí)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(jì)有關(guān)。對(duì)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(jì)的一般原則是： ① GPS 網(wǎng)一般應(yīng)通過獨(dú)立觀測(cè)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(jì)報(bào)告 10 以增加檢核條件，提高網(wǎng)的可靠性。 ② GPS 網(wǎng)點(diǎn)應(yīng)盡量與原有地面控制網(wǎng)點(diǎn)相重合。重合點(diǎn)一般不應(yīng)少于 3 個(gè)（不足時(shí)應(yīng)聯(lián)測(cè)）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(diǎn)應(yīng)考慮與水準(zhǔn)點(diǎn)相重合，而非重合點(diǎn)一般應(yīng)根據(jù)要求以水準(zhǔn)測(cè)量方法(或相當(dāng)精度的方法 )進(jìn)行聯(lián)測(cè)，或在網(wǎng)中設(shè)一定密度的水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)點(diǎn)，以便為大地水準(zhǔn)面的研究提供資料。 ④ 為了便于觀測(cè)和水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)， GPS 網(wǎng)點(diǎn)一般應(yīng)設(shè)在視野開闊和容易到達(dá)的地方。 ⑤ 為了便于用經(jīng)典方法聯(lián)測(cè)或擴(kuò)展，可在 GPS 網(wǎng)點(diǎn)附近布設(shè)一通視良好的方位點(diǎn)，以建立聯(lián)測(cè)方向。方位點(diǎn)與觀測(cè)站的距離，一般應(yīng)大干 300 米。 根據(jù) GPS 測(cè)量的不同用途， GPS 網(wǎng)的獨(dú)立觀測(cè)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(dú)立觀測(cè)邊組成。根據(jù)經(jīng)典測(cè)量可知，這種圖形的幾何圖形幾何結(jié)構(gòu)強(qiáng)，具有良好的自檢能力，能夠有效的發(fā)現(xiàn)觀測(cè)成果的粗差，以保障網(wǎng)的可靠性。同時(shí)，經(jīng)平差后網(wǎng)中相鄰點(diǎn)間基線向量的精度分布均勻。 但其觀測(cè)工作量較大，尤其當(dāng)接收機(jī)的數(shù)量較少時(shí)，將使觀測(cè)工作的總時(shí)間大為延長(zhǎng)，因此通常只有當(dāng)網(wǎng)的精度和可靠性 要求較高，接收機(jī)數(shù)目在三臺(tái)以上時(shí)，才單獨(dú)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(dú)立觀測(cè)邊的閉合環(huán)所組成的網(wǎng)，這種網(wǎng)形與經(jīng)典測(cè)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(shí)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(lái)說(shuō)，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(duì)閉合環(huán)中基線的邊數(shù)有以下限制； 最簡(jiǎn)獨(dú)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(jí) 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(diǎn)是觀測(cè)工作量較小，且具有較好的自檢性和可靠性，其缺點(diǎn)主要是，非直接觀測(cè)的基線邊（或間接邊）精度較直接觀測(cè)邊低，相鄰點(diǎn)間的基線精度分布不均勻。作為環(huán)形網(wǎng)特例，在實(shí)際工作中還可以按照網(wǎng)的用途和實(shí)際的情況，采用所謂附合線路。這種附合線路與經(jīng)典測(cè)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(diǎn)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(jì)報(bào)告 11 星形網(wǎng)的幾何圖形簡(jiǎn)單，但其直接觀測(cè)邊之間，一般不構(gòu)成閉合圖形，所以其檢驗(yàn)與發(fā)現(xiàn)粗差的能力 較差。 這種網(wǎng)的主要優(yōu)點(diǎn)，是觀測(cè)中通常只需要兩臺(tái) GPS 接收機(jī)，作業(yè)簡(jiǎn)單。因此在快速靜態(tài)定位和動(dòng)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(cè)量、地籍測(cè)量和碎部測(cè)量等。見圖 13。 三角形和環(huán)形網(wǎng)，是大地測(cè)量和精密工程測(cè)量中普遍采取的兩種基本圖形。用戶還可以根據(jù)實(shí)際情況采用上述兩種圖形的混合網(wǎng)形。 基線長(zhǎng)度 GPS 接收機(jī)對(duì)收到的衛(wèi)星信號(hào)量測(cè)可達(dá)毫米級(jí)的精度。但是，由于衛(wèi)星信號(hào)在大氣傳播時(shí)不可避免地受到大氣層中電離層及對(duì)流層的擾動(dòng)，導(dǎo)致觀測(cè)精度的降低。因此在GPS 測(cè)量中，通常采 用差分的形式，用兩臺(tái)接收機(jī)來(lái)對(duì)一條基線進(jìn)行同步觀測(cè)。在同步觀測(cè)同一組衛(wèi)星時(shí)，大氣層對(duì)觀測(cè)的影響大部分都被抵消了。基線越短，抵消的程度越顯著，因?yàn)檫@時(shí)衛(wèi)星信號(hào)通過大氣層到達(dá)兩臺(tái)接收機(jī)的路徑幾乎相同。 因此，建議用戶在設(shè)計(jì)基線邊時(shí)以 20 公里范圍以內(nèi)為宜?；€邊過長(zhǎng)，一方面觀測(cè)時(shí)間勢(shì)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(qiáng)。 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(cè)目標(biāo)。所以，為了確定接收機(jī)的位置， GPS 衛(wèi)星的瞬時(shí)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(gè)精確的全球大地坐標(biāo)系統(tǒng)。而我國(guó)的國(guó)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(cè)量中，還往往采用獨(dú)立的施工坐標(biāo)系。因此，在 GPS 測(cè)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(cè)量基準(zhǔn)之差，并進(jìn)行兩坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換。中海達(dá) HD2021 后處理軟件很方便就可實(shí)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(dú)立坐標(biāo)系中進(jìn)行網(wǎng)平差處理。 GPSRTK 動(dòng)態(tài)原理 動(dòng)態(tài)定位（測(cè)量） GPS 動(dòng)態(tài)定位（測(cè)量）是利用 GPS 信號(hào)，測(cè)定相對(duì)于地球運(yùn)動(dòng)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(shí)間七個(gè)參數(shù)。 （ 1） GPS 動(dòng)態(tài)定位的應(yīng)用 導(dǎo)航 – 探險(xiǎn)、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(dòng)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(cè)量 – 測(cè)圖、放樣、監(jiān)測(cè)等 黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 12 導(dǎo)航，是測(cè)得運(yùn)動(dòng)載體的狀態(tài)參數(shù)，并導(dǎo)引運(yùn)動(dòng)載體準(zhǔn)確地運(yùn)動(dòng)到預(yù)定的后續(xù)位置。 （ 2） GPS 動(dòng)態(tài)定位的特點(diǎn) 用戶多樣性 速度多異性 定位實(shí)時(shí)性 數(shù)據(jù)短時(shí)性 精度要求多變性 (3) GPS 動(dòng)態(tài)定位的類型 1）單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位（動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位） 2）實(shí)時(shí)差分動(dòng)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(jì)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(dòng)態(tài)定位的基本原理 （ 1）單點(diǎn)偽距動(dòng)態(tài)定位（動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位） GPS 絕對(duì)定位主要是以 GPS 衛(wèi)星和用戶接收機(jī)天線之間的距離為基本觀測(cè)量，并利用已知的 衛(wèi)星瞬時(shí)坐標(biāo)來(lái)確定接收機(jī)天線對(duì)應(yīng)的點(diǎn)位在協(xié)議地球坐標(biāo)系中的位置。 動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位是確定處于運(yùn)動(dòng)載體上的接收機(jī)在運(yùn)動(dòng)的每一瞬間的位置。由于接收機(jī)天線處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，故天線點(diǎn)位的坐標(biāo)是一個(gè)變化的量，因此確定每一瞬間坐標(biāo)的觀測(cè)方程只有較少的多余觀測(cè) (甚至沒有多余觀測(cè) )，且一般常利用測(cè)距碼偽距進(jìn)行動(dòng)態(tài)絕對(duì)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(jī)、船舶以及陸地車輛等運(yùn)動(dòng)載體的導(dǎo)航。 （ 2）位置差分原理 位置差分的優(yōu)點(diǎn)是需要傳輸?shù)?差分改正數(shù)較少，計(jì)算方法較簡(jiǎn)單，任何一種 GPS接收機(jī)均可改裝成這種差分系統(tǒng)。其缺點(diǎn)主要為： 1)要求基準(zhǔn)站與用戶站必須保持觀測(cè)同一組衛(wèi)星，由于基準(zhǔn)站與用戶站接收機(jī)配備的不完全相同，且兩站觀測(cè)環(huán)境也不完全相同，因此難以保證兩站觀測(cè)同一組衛(wèi)星，并會(huì)導(dǎo)致定位所產(chǎn)生的誤差可能會(huì)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(cè)站至衛(wèi)星的距離，并將其與含有誤差的測(cè)量距離比較， 然后利用一個(gè)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(cè)距誤差傳輸給用戶，用戶利用此測(cè)距誤差來(lái)改正測(cè)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(cè)了相同的 4 顆或 4 顆以上的衛(wèi)星，即可實(shí)現(xiàn)用戶站的定位。 （ 4）相位平滑偽距差分原理 偽距差分實(shí)際上是在測(cè)站之間求偽距觀測(cè)值的一次差，因而消除了兩偽距觀測(cè)值中所含有的共同的系統(tǒng)誤差，但是卻無(wú)法消除偽距觀測(cè)值中所含有的隨機(jī)誤差，從而限制了偽距差分定位的精度。 載波相位測(cè)量的精度較測(cè)距碼偽距測(cè)量的精度高 2 個(gè)數(shù)量級(jí)， 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(jì)報(bào)告 13 位觀測(cè)值對(duì)偽距觀測(cè)值進(jìn)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(wú)法直接測(cè)得，因而難以直接利用載波觀測(cè)值。 （ 5）