【導(dǎo)讀】時(shí)20年，耗資200億美元的美國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，當(dāng)前，量等領(lǐng)域，特別是在測(cè)量領(lǐng)域。本文介紹了GPS的特點(diǎn)、發(fā)展。線解算的基本原理等。根據(jù)GPS測(cè)量的技術(shù)特點(diǎn)，論述了GPS. 在307國(guó)道實(shí)際測(cè)量工作中的應(yīng)用。三角高差、水平視距。關(guān)鍵詞：GPS；307國(guó)道工程；控制測(cè)量；視距測(cè)量；

　　

【正文】 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 18 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。 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 鐘差可通過觀測(cè)量求差（或差分）的方法消除。 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)星軌道信息是通過導(dǎo)航電文等到的。 應(yīng)該說，衛(wèi)星軌道誤差是當(dāng)前 GPS 測(cè)量的主要誤差來源之一。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 : 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。 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 太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 19 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。 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 GPS衛(wèi)星信號(hào)的其它電磁波信號(hào)一樣，當(dāng)其通過電離層時(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 離層 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)過的介質(zhì)狀況相似，因此通過各觀測(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 太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 20 。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，可通過地面的大氣資料計(jì)算；濕分量目前尚無法準(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。 采 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似，當(dāng)觀測(cè)站間相距不遠(yuǎn) (20km)時(shí)，由于信號(hào)通過對(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)天線周圍地物一次或多次反射的衛(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圍反射面的性質(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： 安置接收機(jī)天線的環(huán)境，應(yīng)避開較強(qiáng)的反射面，如水面 、 平坦光滑的地面 以及平整的建筑物表面等。 。 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。 改善 GPS 接收機(jī)的電路設(shè)計(jì)， 為 減弱多路徑效應(yīng)的影 三、 接收設(shè)備有關(guān)的誤差 太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 21 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) 中 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 之 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) 是 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 分 ，而無法直接測(cè)定開波相位整周數(shù)，因而存在整周不定性問題。 此外，在觀測(cè)過程中，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?？墒牵瑢?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 太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 22 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 亦 按天線附有的方位標(biāo)進(jìn)行定向，使之根據(jù)羅盤指向磁北極。 太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 23 第三章 GPS 外業(yè)測(cè)量 第一節(jié) 影響 GPS 測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)的因素 GPS 外業(yè)涉及面很廣，因而外業(yè)階段的技術(shù)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)管理問題，經(jīng)綜合大致有以下一些因素應(yīng)加以考慮： (1)同測(cè)站有關(guān)的因素：網(wǎng)點(diǎn)密度；布網(wǎng)方案；時(shí)段分配、重復(fù)設(shè)站和重合點(diǎn)的設(shè)計(jì)； (2)同觀測(cè)衛(wèi)星有關(guān)的因素：觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)；衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量；圖形強(qiáng)度因子；衛(wèi)星高 度角；星歷來源。 (3)同儀器有關(guān)的因素：接收機(jī)，用于精密相對(duì)定位時(shí)至少為兩臺(tái)；天線，若天線設(shè)計(jì)質(zhì)量和穩(wěn)定性欠佳，會(huì)帶來一系列的誤差；記錄設(shè)備，可以是盒式數(shù)據(jù)磁帶或軟磁盤。 (4)后勤 面的因素：動(dòng)用接收機(jī)臺(tái)數(shù)及其來源和使用期間；測(cè)區(qū)內(nèi)各時(shí)段，機(jī)組的調(diào)度；其他外業(yè)裝備，主要是效能工具和通訊設(shè)備。 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) 精度分級(jí) 固定誤差 a（ mm） 比例誤差 b（ ppmm） A B C D E ? 5 ? 8 ? 10 ? 10 ? 10 ? 5 ? 5 ? 10 ? 10 ? 20 太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 24 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) 。 （ 2） GPS 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)。 （ 3） GPS 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 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 Z、X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。 2m。 ? ? ? ?? ?8 3 2692 . 01 1 1 1 13 9 8 6 0 0 5 0 .6 1 04 8 4 .1 6 6 8 5 1 0 1 .3 0 1 07 2 9 2 1 1 5 1 0 0 .1 5 0 0 1 0MG m sCra d s????? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ?地 心 引 力 常 數(shù) （ 含 大 氣 層 ）正 常 化 二 階 帶 諧 系 數(shù)地 球 自 轉(zhuǎn) 角 速 度 大地水準(zhǔn)面高等于由定位測(cè)定的點(diǎn)的大地高減去該點(diǎn)的正高。 太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 25 WGS— 84 于 1985 年開始使用， 1986 年生產(chǎn)出第一批相對(duì)于地心坐標(biāo)系的地圖、航測(cè)圖和大地成果。由于 GPS導(dǎo)航定位全面采用了 WGS— 84，用戶可以獲得更高精度的 地心坐標(biāo)，也可以通過轉(zhuǎn)換，獲得較高精度的參心大地坐標(biāo)系坐標(biāo)。如圖 31 圖 31 WGS— 84 坐標(biāo)系 二、 1954 年北京坐標(biāo)系 20 世紀(jì) 50年代，我國(guó)采用了克拉索夫斯基橢球參數(shù)，并與前蘇聯(lián) 1942 年坐標(biāo)系進(jìn)行聯(lián)測(cè)，通過計(jì)算建立了我國(guó)大地坐標(biāo)系，定名為 1954 年北京坐標(biāo)系。其中高程異常是以前蘇聯(lián) 1955 年大地水準(zhǔn)面差距重新平差結(jié)果為依據(jù)，按我國(guó)的天文水準(zhǔn)路線傳算過來的。因此 1954 年北京坐標(biāo)系可以認(rèn)為是前蘇聯(lián) 1942 年坐標(biāo)系的延伸。它的原點(diǎn)不在北京，而在前蘇聯(lián)的普爾科沃，相應(yīng)的橢球?yàn)榭死鞣蛩够鶛E球。 三、 1980 年國(guó)家大地坐標(biāo)系