【導(dǎo)讀】GPS即全球定位系統(tǒng)是美國從上世紀(jì)70年代開始研制，歷時20年，本文介紹了GPS的特點(diǎn)、發(fā)展及應(yīng)用、GPS的組成及工作原理，外業(yè)。測量、工作流程、GPS基線解算的基本原理等。

　　

【正文】 GPS 網(wǎng)建成為廉有監(jiān)測三維形變功能的控制網(wǎng)。這樣監(jiān)測 GPS網(wǎng)既可以為城市建設(shè)提供發(fā)現(xiàn)隱患、預(yù)防災(zāi)害的極有價(jià)值的信息，也有利于充分發(fā)揮 GPS網(wǎng)在城市建設(shè)中的作用。 采用分級布網(wǎng)的方案 分級布網(wǎng)是建立常規(guī)測量控制網(wǎng)的基本方法，由于 GPS 測量具有許多優(yōu)越性，所以并不要求 GPS 網(wǎng)按常規(guī)控制網(wǎng)分很多等 級布設(shè)，但有計(jì)劃地分級布設(shè) GPS 網(wǎng)，有利 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)論文 20 于測區(qū)的近期需要和遠(yuǎn)期的發(fā)展。例如，大城市的 GPS 控制網(wǎng)可以分為三級：首級網(wǎng)中相鄰點(diǎn)的平均距離大于 5km；次級網(wǎng)中相鄰點(diǎn)平均距離為 1km5km；三級網(wǎng)相鄰點(diǎn)平均距離可小于 1km，且可采用 GPS 與全站儀相結(jié)合的方法布設(shè)。對于小城市，分兩級布設(shè) GPS 網(wǎng)即可。 為提高 GPS 網(wǎng)的可靠性，各級 GPS網(wǎng)必須布設(shè)成為由獨(dú)立的 GPS 基線向量邊（簡稱為 GPS 邊）構(gòu)成的閉合圖形網(wǎng)，閉合圖形可以是三邊形 、四邊形或多邊形，也可以包含一些附和路線，但網(wǎng)中不允許存在支線。 （二） GPS 測量的精 度標(biāo)準(zhǔn) GPS 測量的精度標(biāo)準(zhǔn)常用網(wǎng)中相鄰點(diǎn)之間的距離中誤差表示，其形式為 σ = a + bd （ ） 式中 σ ———— 距離中誤差， mm a———— 固定誤差， mm b———— 比例誤差系數(shù)， 106 d———— 相鄰點(diǎn)的距離， km 國家測繪局 1992 年制訂的我國第一部《 GPS 測量規(guī)范》，將 GPS 的測量精度分為 AE5 級（見表 31）。其中 A， B兩級一般是國家 GPS 控制網(wǎng)，而 C， D， E3 級則是針對局部性 GPS 網(wǎng)規(guī)定的，在 GPS 網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計(jì)中，應(yīng) 根據(jù)測區(qū)大小 和 GPS 網(wǎng)的用途來設(shè)計(jì)網(wǎng)的等級和精度標(biāo)準(zhǔn)。 表 31 GPS 的測量精度 A B C D E 固定誤差 a/mm ? 5 ? 8 ? 10 ? 10 ? 10 比例誤差系數(shù)b/106 ? ? 1 ? 5 ? 10 ? 20 相鄰點(diǎn)最小距離/km 100 15 5 2 1 相鄰點(diǎn)最大距離/km 2020 250 40 15 0 相鄰點(diǎn)平均距離/km 300 70 1510 105 52 （三）坐標(biāo)系統(tǒng)和起算數(shù)據(jù) GPS 采用的 1984 年世界大地坐標(biāo)系（ world geodetic system， WGS84 坐標(biāo)系）是一個協(xié)議坐標(biāo)系，其空間直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)是地球的質(zhì)心， Z 軸指向國際時間局（ ）定義的地極方向。而實(shí)用上需要得到的是參心坐標(biāo)系，在我國即 1980 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)論文 21 年國家大地坐標(biāo)系和 1954 年北京坐標(biāo)系（或地方獨(dú)立坐標(biāo)系）的坐標(biāo)，“參心” 意指參考橢球的中心。為此，在 GPS網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計(jì)中，必須有 GPS 網(wǎng)的成果所采用的坐標(biāo)系和起算數(shù)據(jù)，即 GPS 網(wǎng)所采用的基準(zhǔn)，或稱之為 GPS 網(wǎng)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。 GPS 網(wǎng)的基準(zhǔn)與常規(guī)控制網(wǎng)的基準(zhǔn)類似，包括位置基準(zhǔn) 、方位基準(zhǔn)和尺度基準(zhǔn)。GPS 網(wǎng)的位置基準(zhǔn)，通常都是由給定的 起算點(diǎn)坐標(biāo)確定；方位基準(zhǔn)可以通過給定起算方位角決定，也可以 GPS 基線向量的方位為方位基準(zhǔn)；尺度基準(zhǔn)可以由地面的電磁波測距邊確定，或由兩個以上的起算點(diǎn)之間的距離確定，也可以由 GPS 基線向量的距離確定。 二、 影響 GPS 測量技術(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： 同測站有關(guān)的因素網(wǎng)點(diǎn)密度；布網(wǎng)方案；時段分配、重復(fù)設(shè)站和重合點(diǎn)的設(shè)計(jì)。 同觀測衛(wèi)星有關(guān)的因素觀測衛(wèi)星數(shù)；衛(wèi)星信號質(zhì)量；圖形強(qiáng)度因子；衛(wèi)星高度角；星歷來源。 同 儀器有關(guān)的因素接收機(jī)，用于精密相對定位時至少為兩臺；天線，若天線設(shè)計(jì)質(zhì)量和穩(wěn)定性欠佳，會帶來一系列的誤差；記錄設(shè)備，可以是盒式數(shù)據(jù)磁帶或軟磁盤。 后勤方面的因素動用接收機(jī)臺數(shù)及其來源和使用期間；測區(qū)內(nèi)各時段，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。 三、 GPS 控制網(wǎng)的圖形設(shè)計(jì) 對于常規(guī)方法布設(shè)的三角網(wǎng)、三邊網(wǎng)或?qū)Ь€網(wǎng)，圖形設(shè)計(jì)是非常重要的一項(xiàng)工作。良好的圖形設(shè)計(jì)可以減少野外選點(diǎn)的工作量，節(jié)省造標(biāo)的經(jīng)費(fèi)，也為得到較高精度的成果打下基礎(chǔ)。由于 GPS 的同步觀測不要求通視，因此， GPS 網(wǎng)的圖形設(shè)計(jì)也 具有很大的靈活性。衛(wèi)星定位測量控制網(wǎng)的布設(shè)，應(yīng)符合下列要求： 1 應(yīng)根據(jù)測區(qū)的實(shí)際情況、精度要求、衛(wèi)星狀況、接收機(jī)的類型和數(shù)量以及測區(qū)已有的測量資料綜合設(shè)計(jì)。 2 首級網(wǎng)布設(shè)時宜聯(lián)測兩個以上高等級國家控制點(diǎn)或地方坐標(biāo)系的高等級控制點(diǎn)；對控制網(wǎng)內(nèi)的長邊，宜構(gòu)成大地四邊形或中點(diǎn)多邊形。 3 控制網(wǎng)應(yīng)有獨(dú)立觀測邊構(gòu)成一個或若干個閉合環(huán)或附合路線；各等級控制網(wǎng) 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)論文 22 中構(gòu)成閉合環(huán)或附合導(dǎo)線的邊數(shù)不宜多于 6條。 4 各等級控制網(wǎng)中獨(dú)立基線的觀測總數(shù)，不宜少于必要觀測基線數(shù)的 倍。 5 加密網(wǎng)應(yīng)根據(jù)工程 需要，在滿足本規(guī)范精度要求的前提下可采取比較靈活的布網(wǎng)方式。 6 對于采用 GPSRTK 測圖的測區(qū)，在控制網(wǎng)的布設(shè)中應(yīng)顧及參考站點(diǎn)的分及位置。 四、技術(shù)指標(biāo) 衛(wèi)星定位測量的主要技術(shù)要求 1 各等級衛(wèi)星定位測量控制網(wǎng)的主要技術(shù)指標(biāo)，其主要技術(shù)要求見表 3— 2： 表 32衛(wèi)星定位控制網(wǎng)的主要技術(shù)要求 等級 平均邊長（ km） 固定誤差 A （ mm） 比例誤差系數(shù) B（ mm/km） 約束點(diǎn)間的邊長相對中誤差 約束平差后最弱邊相對中誤差 二等 9 ≤ 10 ≤ 2 ≤ 1/250000 ≤ 1/120200 三等 ≤ 10 ≤ 5 ≤ 1/150000 ≤ 1/70000 四等 2 ≤ 10 ≤ 10 ≤ 1/100000 ≤ 1/40000 一級 1 ≤ 10 ≤ 20 ≤ 1/40000 ≤ 1/20200 二級 ≤ 10 ≤ 40 ≤ 1/20200 ≤ 1/10000 2 各等級控制網(wǎng)的基線精度，按下式計(jì)算。 ? = 22 )( dBA ?? 式中 ? ——— 基線長度中誤差（ mm）； A ——— 固定誤差（ mm）； B ——— 比例誤差系數(shù)（ mm/km）； d ——— 平均邊長（ km）。 3 衛(wèi)星定位測量控制網(wǎng)觀測精度的評定，應(yīng)滿足下列要求； 1 控制網(wǎng)的測量中誤差，按下式計(jì)算； m= ][31 nWWN 式中 m ———控制網(wǎng)的測量中誤差（ mm）； N ———控制網(wǎng)中異步環(huán)的個數(shù)； n ———異步環(huán)的邊數(shù)； W ———異步環(huán)環(huán)線全長閉合差（ mm）； 2 控制網(wǎng)的測量中誤差，應(yīng)滿足相應(yīng)等級控制網(wǎng)的基線精度要求，并符合下式 的規(guī)定。 m≤ ? 第二節(jié) GPS 控制網(wǎng)的外業(yè)設(shè)計(jì) 一、選點(diǎn)要求 由于 GPS 測量觀測站之間不 — 定要求相互通視，而且網(wǎng)的圖形結(jié)構(gòu)也比較靈活，所以選點(diǎn)工作比常規(guī)控制測量的選點(diǎn)要簡便。但由于點(diǎn)位的選擇對于保證觀測工作的順利進(jìn)行和保證測量結(jié)果的可靠性有著重要的意義，所以在選點(diǎn)工作開始前，除收集 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)論文 23 和了解有關(guān)測區(qū)的地理情況和原有測量控制點(diǎn)分布及標(biāo)架、標(biāo)型、標(biāo)石完好狀況，決定其適宜的點(diǎn)位外，點(diǎn)位的選擇應(yīng)符合下列要求。 衛(wèi)星定位測量控制點(diǎn)的選定，應(yīng)符合下列要求 ； 1 點(diǎn)位應(yīng)該在土質(zhì)結(jié)實(shí)、穩(wěn)固可靠的地方，同時要有利于加密和擴(kuò)展，每個控制點(diǎn)至少應(yīng)有一個通視方向。 2 點(diǎn)位應(yīng)選在視野開闊，高度角在 15 度以上的范圍內(nèi)，應(yīng)無障礙物；點(diǎn)位附近不應(yīng)有強(qiáng)烈干擾接收機(jī)衛(wèi)星信號的干擾源或強(qiáng)烈反射衛(wèi)星信號的物體。 3. 選定能便于長期保存，穩(wěn)定堅(jiān)固的地方設(shè)點(diǎn)，國家和地方基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)埋設(shè)固定的標(biāo)石或儀器墩用于安置接收機(jī)天線、墩標(biāo)設(shè)于 樓頂時，要對大樓的穩(wěn)定性和形變定期監(jiān)測。 4. GPS 網(wǎng)點(diǎn)應(yīng)避開高壓輸電線、變電站等設(shè)施，其最近處不得小于 100m，同時距離省市級強(qiáng)輻射電臺、 電視臺、微波中繼站不得小于 300m，需要在這些地點(diǎn)設(shè)站時，必須在停止播發(fā)的時間段上進(jìn)行定位作業(yè)。 5. 交通便利點(diǎn)位離開附近可通輕便車的道路不應(yīng)超過 500m，且在點(diǎn)位 30m 內(nèi)有足夠的空間安置接收機(jī)和方便操作進(jìn)行。 6 充分利用符合要求的舊有控制點(diǎn)。 二、埋石 由于時間要求，埋石擬與選點(diǎn)同時進(jìn)行。根據(jù)現(xiàn)場具體情況，采用埋預(yù)制標(biāo)石和現(xiàn)澆混凝土兩種形式，不管采用哪種形式標(biāo)石及標(biāo)志規(guī)格應(yīng)符合規(guī)范要求。埋設(shè)時坑底填以沙石，搗固夯實(shí)，考慮到天氣的因素，現(xiàn)澆混凝土應(yīng)適當(dāng)添加防凍劑并應(yīng)做好防凍措施。 三、外業(yè)觀 測 外業(yè)觀測采用四臺南方測繪儀器公司的 NGS9600 型靜態(tài) GPS~衛(wèi)星接受機(jī)， GPS接收機(jī)標(biāo)稱精度的固定誤差 a≤ 5 mm，比例誤差系數(shù) b≤ 2*10— 6。進(jìn)行同步觀測。觀測前應(yīng)對接受機(jī)進(jìn)行各項(xiàng)相關(guān)檢驗(yàn)，確認(rèn)儀器性能良好。根據(jù) GPS 網(wǎng)形設(shè)計(jì)編制作業(yè)調(diào)度表，作好人員和交通工具的配備。觀測者應(yīng)根據(jù) GPS 作業(yè)調(diào)度表的安排進(jìn)行觀測，采取靜態(tài)相對定位，衛(wèi)星高度角 150，時段長度 45min，采樣間隔 10 s。在 4個點(diǎn)上同時安置 4 臺接收機(jī)天線 (對中、整干、定向 )，量取天線高，測量氣象數(shù)據(jù)，開機(jī)觀察，當(dāng)各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到要求時，按接 收機(jī)的提示輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，則接收機(jī)自動記錄，觀測者填寫測量手簿和外業(yè)觀測記錄，并應(yīng)隨時監(jiān)視儀器的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)不良反應(yīng)，及時報(bào)告或記錄案。觀測要求按照下表進(jìn)行測量。 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)論文 24 表 33 GPS 測量作業(yè)基本技術(shù)要求 項(xiàng)目 觀測方法 技術(shù)要求 衛(wèi)星高度角 靜態(tài) ＞ 15 度 有效衛(wèi)星數(shù) 靜態(tài) ＞ 4 顆 平均重復(fù)測站數(shù) 靜態(tài) ＞ 時段長度 靜態(tài) ＞ 45 分鐘 歷元間隔 靜態(tài) 10 秒 圖形強(qiáng)度因子 靜態(tài) ＜ 6 第三節(jié) GPS 控制網(wǎng)的外業(yè)實(shí)施 一、儀器準(zhǔn)備 此次 C 級控制網(wǎng)的建立所采用的儀器是南方 NGS9600 型 GPS 接收機(jī)，該接收機(jī)是以四臺套進(jìn)行工作。所以作業(yè)以前準(zhǔn)備四個三腳架，四臺接收機(jī)，四個盒尺。 1 GPS 接收機(jī)的選用 對于不同的 GPS 網(wǎng)的類級和控制等級，精度要求不一，此處提出選用接收機(jī)的基本要求， GPS 控制測量作業(yè)的基本技術(shù)要求，應(yīng)符合表 34 的規(guī)定。 表 34 GPS 控制測量作業(yè)的基本技術(shù)要求 等級 二等 三等 四等 一級 二級 接收機(jī)類型 雙頻 雙頻或單頻 雙頻或單頻 雙頻或單頻 雙頻或單頻 儀器標(biāo)稱精度 10mm+2ppm 10mm+5ppm 10mm+5ppm 10mm+5ppm 10mm+5ppm 觀測量 載波相位 載波相位 載波相位 載波相位 載波相位 衛(wèi)星高度角 （ 0 ） 靜態(tài) ≥ 15 ≥ 15 ≥ 15 ≥ 15 ≥ 15 快速靜態(tài) 一 一 一 ≥ 15 ≥ 15 有效觀測衛(wèi)星數(shù) 靜態(tài) ≥ 5 ≥ 5 ≥ 4 ≥ 4 ≥ 4 快速靜態(tài) 一 一 一 ≥ 5 ≥ 5 觀測時段長度（ min） 靜態(tài) 30～ 90 20～ 60 15～ 45 10～ 30 10～ 30 快速靜態(tài) 一 一 一 10～ 15 10～ 15 數(shù)據(jù)采樣間隔（ s） 靜態(tài) 10～ 30 10～ 30 10～ 30 10～ 30 10～ 30 快速靜態(tài) 一 一 一 5～ 15 5～ 15 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)論文 25 點(diǎn)位幾何圖形強(qiáng)度因子PDOP ≤ 6 ≤ 6 ≤ 6 ≤ 8 ≤ 8 南方 9600 型測量系統(tǒng) GPS 測量的工作程序如下圖 31： 圖 31 二、 接收機(jī)及附屬設(shè)備的檢驗(yàn)與維護(hù) 接收機(jī)、天線及其他設(shè)備是否完整齊全，可隨時出測。 各設(shè)備及電纜外部有無損傷、銹蝕，能否確保安全連接。 充電后信號燈、按鍵、顯示系統(tǒng)以及儀表工作是否正常，可用自測試命令進(jìn)行測試。 用于 A、 B級的接收機(jī)，每年出測前至少檢定一次，按規(guī)范要求應(yīng)在不同長度的標(biāo)準(zhǔn)基線或規(guī)定的比較基線或 GPS測量檢驗(yàn)場上進(jìn)行測試。 新出廠的 A、 B級 GPS 觀測的接收設(shè)備應(yīng)進(jìn)行天線相位中心穩(wěn)定性檢驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)或更換插板的接收機(jī)，有關(guān)檢驗(yàn)和試測項(xiàng)目需要重新進(jìn)行。 是 GPS 網(wǎng)的總體設(shè)計(jì) 實(shí)地定點(diǎn)、埋石 GPS 觀測計(jì)劃準(zhǔn)備 基線向量解算 數(shù)據(jù)傳輸 野外定位觀測及記錄 GPS 網(wǎng)平差 成果輸出打印 質(zhì)量合格 否 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)論文 26 通風(fēng)干濕表及空盒氣壓表，至少每三年送檢一次，天線的圓水準(zhǔn)氣泡和光學(xué)對中器每年至少進(jìn)行一次檢校。 三、人員組織 每臺接收機(jī)必須有一個人進(jìn)行操作，為了全面加強(qiáng)控制測量工作的領(lǐng)導(dǎo)，測量隊(duì)伍還成立了職