【導(dǎo)讀】時20年，耗資200億美元的美國第二代衛(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測量的技術(shù)特點(diǎn)，論述了GPS. 在307國道實(shí)際測量工作中的應(yīng)用。三角高差、水平視距。關(guān)鍵詞：GPS；307國道工程；控制測量；視距測量；

　　

【正文】 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 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)星的位置是時間的函數(shù)，因此， GPS 的觀測量均發(fā) 精密測時為依據(jù)，而與衛(wèi)星位置相對應(yīng)的信息，是通過衛(wèi)星信號的編碼信息傳送給接收機(jī)的。在 GPS定位中，無論是碼相位觀測或是載波相位觀測，均要求衛(wèi)星鐘與接收機(jī)時鐘保持嚴(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)。 對于衛(wèi)星鐘的這種偏差，一般可由衛(wèi)星的主控站，通過對衛(wèi)星鐘運(yùn)行狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測確定，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)。在相對定位中，衛(wèi)星 鐘差可通過觀測量求差（或差分）的方法消除。 衛(wèi)星軌道偏差 估計與處理衛(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力的復(fù)雜影響，而通過地面監(jiān)測站，以難以充分可靠的測定這作用力，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 測量的主要誤差來源之一。測量的基線長度越長，此項誤差的影響就越大。 在 GPS 定位測量中，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)時單點(diǎn)定位工作中。 采用軌道改進(jìn)法處理觀測數(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)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 19 時間內(nèi)這些參數(shù)為常量，將其與其它求知數(shù)一并求解。 同步觀測值求差 這一方法是利用在兩個或多個觀測站一同，對同一衛(wèi)星的同步觀測值求差。以減弱衛(wèi)星軌道誤差的影響。由于同一衛(wèi)星的位置誤差對不同觀測站同步觀測量的影響，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，其效用更不明顯。 這種方法對于精度相對定位，具有極 其重要的意義。 二、 與衛(wèi)星信號傳播有關(guān)的誤差 與衛(wèi)星信號有關(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)星信號的其它電磁波信號一樣，當(dāng)其通過電離層時，將受到這一介質(zhì)彌散特性的影響，便其信號的傳播路徑發(fā)生變化。當(dāng) GPS 衛(wèi)星處于天頂方向時，電離層折射對信號傳播路徑的影響最小，而當(dāng)衛(wèi)星接近地平線時，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 由于電離層的影響是信號頻率的函數(shù)，所以利用不同頻率的電磁波信號進(jìn)行觀測。便能多確定其影響 ，而對觀測量加以修正。因此，具有雙頻的 GPS 接收機(jī)，在精密定位中測量中得到廣泛的應(yīng)用。不過應(yīng)當(dāng)明確指出，在太陽輻射的正午或在太陽黑子活動的異常期，應(yīng)盡量避免觀測。在尤其是精密定位測量。 利用電離層模型加以修正 對于單頻 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觀測量加以修正，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％。 利用同步觀測值求差 這一方法是利用兩臺或多臺接收機(jī)，對同一衛(wèi)星的同步觀測的求差，以減弱電離層折射的 影響，尤其當(dāng)觀測站間的距離較近時（ 20km)，由于衛(wèi)星信號到達(dá)各觀測站的路徑相近，所經(jīng)過的介質(zhì)狀況相似，因此通過各觀測站對相同衛(wèi)星信號的同步觀測值求差，便可顯著的減弱電離層折射影響，其殘差將不會超過 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 20 。對于單頻 GPS 接收機(jī)而言，這種方法的重要意義尤為明顯。 對流層折射的影響 對流層折射對觀測值的影響，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傳播路徑上的大氣濕度有關(guān)。對于干分量的影響，可通過地面的大氣資料計算；濕分量目前尚無法準(zhǔn)確測定。對于輸送短的基線 (50km)，濕分量的影響較小 關(guān)于對流層折射的影響，一般有以下幾種處理方法： 定位精度要求不高時，可不考慮其影響。 采 用對流層模型進(jìn)行改正； 采用觀測量求差的方法。與電離層的影響相類似，當(dāng)觀測站間相距不遠(yuǎn) (20km)時，由于信號通過對流層的路徑相近，對流層的物理特性相近，所以對同 一衛(wèi)星的同步觀測值求差，可以明顯的減弱對流層折射的影響。 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，信號疊加將 會引起測量參考點(diǎn)（相位中心點(diǎn) )位置的變化，從而便觀測量產(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)驗資料表明，在一般反射環(huán)境下，多路徑效應(yīng)對測碼偽距的影響可達(dá)到米級，對測相偽距的影響可達(dá)到厘米級。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)星信號失鎖和使載波相位觀測量產(chǎn)生周跳。因此，在精密 GPS 導(dǎo)航和測量中，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)延長觀測時間，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， 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)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 21 與 GPS 接收機(jī)設(shè)備有關(guān)的誤差主要包括觀測誤差，接收機(jī)鐘差，天線相位中心誤差和載波相位觀測的整周不定性影響。 觀測誤差 觀測誤差包括觀測的分辨誤差及接收機(jī)天線相對于測站點(diǎn)的安置誤差等。 根據(jù)經(jīng)驗，一般認(rèn)為觀測的分辨誤差約為信號波長的 1%。故知道載波相位的分辨誤差比碼相位不小，由于此項誤差屬于偶然誤差，可適當(dāng)?shù)卦黾佑^測量，將會明顯 地減弱其影響。 接收機(jī)天線相對于觀測站中心的安置誤差，主要是天線的置不與對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，但對載波相位觀測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時刻的接收機(jī)鐘差 之 間看成是相關(guān)的，由此建立一個鐘差模型，并表示為一個時間多項式的形式，然后在觀測量的平差計算中統(tǒng)一求解，得到多項式的系數(shù)，因而也得到接收機(jī)的鐘差改 正。 載波相位觀測的整周未知數(shù) 載波相位觀測 是 當(dāng)前普遍采用的最精密的觀測方法，由于接收機(jī)只能測定載波相位非整周的小數(shù)部 分 ，而無法直接測定開波相位整周數(shù)，因而存在整周不定性問題。 此外，在觀測過程中，由于衛(wèi)星信號失鎖而發(fā)生的周跳現(xiàn)象。從衛(wèi)星信號失鎖到信號重新鎖定，對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)，所以周跳對觀測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?，實(shí)際上天線的相位中心位置隨著信號輸入的強(qiáng)度和方向不同而有所變化，即觀測時相位中心的瞬時位置（稱為視相 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 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相對定位結(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。所以對于精密相對定位，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)的兩個或多個觀測站上，同步觀測同一組衛(wèi)星，那么便可通過觀測值求差，以削弱相位中心偏移的影響。需要提及的 是，安置各觀測站的天線時，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)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 23 第三章 GPS 外業(yè)測量 第一節(jié) 影響 GPS 測量技術(shù)設(shè)計的因素 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： (1)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； (2)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。 (3)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。 (4)后勤 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。 表 31 各級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 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)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 24 一、 步網(wǎng) （ 1）所選點(diǎn)位要便于低等級常規(guī)測量的使用，每一個 GPS 點(diǎn)應(yīng)與兩個或兩個以上的控制點(diǎn)通視，困難情況下也至少保持與相鄰一個控制點(diǎn)通視， 否則，需埋設(shè)方位樁，且用 GPS 聯(lián)測 。 （ 2） GPS 點(diǎn)間距離應(yīng)按規(guī)范要求設(shè)計，可考慮靈活變動，以便于低等級控制點(diǎn)加密，小間中距相鄰點(diǎn)位應(yīng)進(jìn)行直接聯(lián)測。 （ 3） GPS 網(wǎng)點(diǎn)中各同步邊應(yīng)盡可能構(gòu)成若干個閉合環(huán)，在完成各邊的平差后，可檢驗閉合差是否滿足相應(yīng)等級要求。一等以上 GPS 網(wǎng)中至少包含三個閉合環(huán)且彼此線性無關(guān)；二、三、四等也應(yīng)有兩個以上的閉合環(huán)；五等 網(wǎng)也至少有一個閉合環(huán)。 （ 4）考慮將測區(qū)內(nèi)原有的國家或地方測設(shè)的三角點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測，有利于兩系統(tǒng)成果的變換，聯(lián)測點(diǎn)應(yīng)盡量均勻分布在整個測區(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)測高等級的大地控制點(diǎn)，聯(lián)測點(diǎn)和重合點(diǎn)的個數(shù)不得少于 3個，特殊情況下也不得少于 2個。 第三節(jié) GPS 的坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(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)采用國際大地測量（ IAG）和地球物理聯(lián)合會（ IUGG）第 17屆大會大地測量常數(shù)的推薦值，四個基本參數(shù)為： 長半軸 a=6378137177。 2m。 ? ? ? ?? ?8 3 21 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 sCr a 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)面高等于由定位測定的點(diǎn)的大地高減去該點(diǎn)的正高。 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 25 WGS— 84于 1985 年開始使用， 1986 年生產(chǎn)出第一批相對于地心坐標(biāo)系的地圖、航測圖和大地成果。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，通過計算建立了我國大地坐標(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)的橢球為克拉索