【正文】 獲取載波這一工作稱為重建載波重建載波一般可采用兩種方法一種是碼相關(guān)法另一種是平方法采用前者用戶可同時提取測距信號和衛(wèi)星電文但用戶必須知道測距碼的結(jié)構(gòu)采用后者用戶無須掌握測距碼的結(jié)構(gòu)但只能獲取載波信號而無法獲得測距碼和衛(wèi)星電文四差分GPS定位差分技術(shù)很早就被人們所應(yīng)用比如相對定位中在一個測站上對兩個觀測目標(biāo)進行觀測將觀測值求差或在兩個測站上對一個目標(biāo)進行觀測將觀測值求差或在一個測站上對一個目標(biāo)進行兩次觀測求差其目的是消除公共誤差提高定位精度利用求差后的觀測值解算兩觀測站之間的基線向量這種差分技術(shù)已經(jīng)用于靜態(tài)相對定位該部分所講述的差分GPS定位技術(shù)是將一臺接收機安置在基準(zhǔn)站上進行觀測根據(jù)基準(zhǔn)站已知精密坐標(biāo)計算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)并由基準(zhǔn)站實時地將這一改正數(shù)發(fā)送出去用戶接收機在進行GPS觀測的同時也接收到基準(zhǔn)站的改正數(shù)并對其定位結(jié)果進行改正從而提高定位精度GPS定位中存在著三部分誤差一是多臺接收機公有的誤差如衛(wèi)星鐘誤差星歷誤差二是傳播延遲誤差如電離層誤差對流層誤差三是接收機固有的誤差如內(nèi)部噪聲通道延遲多路徑效應(yīng)采用差分定位可完全消除第一部分誤差可大部分消除第二部分誤差視基準(zhǔn)站至用戶的距離差分可分為單基準(zhǔn)站差分具有多個基準(zhǔn)站的局部區(qū)域差分和廣域差分三種詳情見下表21表21 幾種定位模式比較定位模式 特點 定位精度標(biāo)準(zhǔn)差 單點定位 經(jīng)典單點定位 采用單頻接收機利用4顆以上衛(wèi)星的偽距進行定位采用經(jīng)驗?zāi)Ｐ透恼婋x層和對流層延遲影響 取消SA后 平面3～5m高程7～10m 精密單點定位 采用雙頻接收機使用精密星歷和鐘差利用偽距和載波相位進行定位用雙頻信號組合消除電離層影響引入未知參數(shù)估計對流層影響 平面坐標(biāo)05m 高程1m 相對定位 經(jīng)典靜態(tài)相對定位 利用兩臺以上單頻或雙頻接收機進行同步觀測較長時間一般大于20分鐘利用雙差消除時空相關(guān)的誤差項衛(wèi)星鐘差接收機鐘差電離層和對流層延遲與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差主要包括衛(wèi)星的衛(wèi)星鐘誤差軌道差衛(wèi)星鐘差 衛(wèi)星鐘差是指GPS衛(wèi)星時鐘與GPS標(biāo)準(zhǔn)時間的差別為了保證時鐘的精度GPS衛(wèi)星均采用高精度的原子鐘但它們與GPS標(biāo)準(zhǔn)時之間的偏差和漂移總量仍在1ms～01ms以內(nèi)由此引起的等效誤差將達到300km～30km這是一個系統(tǒng)誤差必須加于修正衛(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)星軌道誤差有以下種方法 1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)星軌道實際存在的誤差所以廣泛的用于精度較低的實時單點定位工作中采用軌道改進法處理觀測數(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)在短時間內(nèi)這些參數(shù)為常量將其與其它知數(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明顯 這種方法對于精度相對定位具有極其重要的意義 與衛(wèi)星信號有關(guān)的誤差主要包括電離層折射誤差和多路徑效應(yīng)電離層折射的影響 電離層是指地球上空大氣圈的上層距離地面高度在50km至1000km之間的大氣層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 1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行觀測便能確定其影響對觀測量加以修正因此具有雙頻的GPS接收機在精密定位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0000001對于單頻GPS接收機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相位中心點 位置的變化從而觀測量產(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到米級對測相偽距的影響可達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圖22　　多路徑效應(yīng)目前減弱多路徑效應(yīng)影響的措施有安置接收機天線的環(huán)境應(yīng)避開較強的反射面如水面平坦光滑的地面平整的建筑物表面等選擇造型適宜且屏蔽良好的天線等適當(dāng)延長觀測時間削弱多路徑效應(yīng)的周期性影響改善GPS接收機的電路設(shè)計減弱多路徑效應(yīng)的影響 與GPS接收機設(shè)備有關(guān)的誤差主要包括觀測誤差接收機鐘差天線相位中心誤差載波相位觀測的整周不定性和影響觀測誤差 觀測誤差包括觀測的分辨誤差及接收機天線相對于測站點的安置誤差等 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小由于此項誤差屬于偶然誤差適當(dāng)?shù)卦黾佑^測量將會明顯地減弱其影響 接收機天線相對于觀測站中心的安置誤差主要是天線的置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的鐘差 盡管GPS接收機有高精度的石英鐘其日頻率穩(wěn)定度可以達到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鐘差較為有效的方法是將各觀測時刻的接收機鐘差間看成是相關(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)因而也得到接收機的鐘差改正天線的相位中心位置偏差 在GPS3一1 RTK原理示意圖第一節(jié) RTK操作的流程框圖RTK操作包括基準(zhǔn)站的操作和流動站的操作兩部分一RTK基準(zhǔn)站的操作流程二RTK 測量流動站的操作流程三RTK放樣流動站的操作流程 第二節(jié) RTK測量系統(tǒng)及其作業(yè)精度的影響因素一RTK測量系統(tǒng)的構(gòu)成RTK測量系統(tǒng)主要由GPS接收設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成一GPS接收設(shè)備在基準(zhǔn)站和用戶站上應(yīng)分別設(shè)置雙頻GPS接收機因為雙頻觀測值不僅精度高而且有利于快速準(zhǔn)確地解算整周未知數(shù)當(dāng)基準(zhǔn)站為多用戶服務(wù)時其接收機的采樣率應(yīng)與用戶接收機采樣率最高的相一致二數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備 也稱數(shù)據(jù)鏈 由基準(zhǔn)站的無線電發(fā)射臺與用戶站的接收臺組成它是實現(xiàn)實時動態(tài)測量的關(guān)鍵設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備要充分保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性其頻率和功率的選擇主要取決于用戶站與基準(zhǔn)站的距離環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)的傳輸速度三軟件系統(tǒng)支持實時動態(tài)測量的軟件系統(tǒng)的質(zhì)量和功能對于保障實時動態(tài)測量的可行性測量結(jié)果的可靠性和精確性具有決定意義這種軟件系統(tǒng)突出的功能是能夠快速解算整周未知數(shù)能選擇快速靜態(tài)準(zhǔn)動態(tài)和實時動態(tài)等作業(yè)模式實時完成對解算結(jié)果的質(zhì)量分析和評價二實時動態(tài)差分RTK的最低配置參考站參考站由GPS雙單頻接收機GPS天線數(shù)據(jù)發(fā)送電臺天線電源腳架等部分組成流動站流動站由GPS雙單頻接收機GPS天線數(shù)據(jù)接收電臺天線電源背包HUSKY手控器對中桿等組成支持實時動態(tài)差分的軟件系統(tǒng)及各項工程測量應(yīng)用功能參考站接收機設(shè)在具有已知坐標(biāo)的參考點位上連續(xù)接收所有可視GPS衛(wèi)星信號并將測站坐標(biāo)觀測值衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)及接收機工作狀態(tài)通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送出去流動站接收機在跟蹤GPS衛(wèi)星信號的同時接收來自參考站的數(shù)據(jù)通過OTF算法解求載波相位整周模糊度再通過相對定位模型獲取所在點相對參考站的坐標(biāo)和精度指標(biāo)OTF算法是RTK的關(guān)鍵技術(shù)OTF算法很多不同廠家生產(chǎn)的動態(tài)GPS接收機使用不同的OTF算法一般來說首先在未知點的近似坐標(biāo)和協(xié)方差 的基礎(chǔ)上確定整周模糊度的搜索空間在搜索空間內(nèi)計算所有可能的模糊度解然后通過比較最小方差選擇最可能的解最后通過比較最優(yōu)解和次優(yōu)解決定最后的模糊度解RTK的定位精度一般為平面10mm2ppm高程20mm2ppm RTK作用距離標(biāo)稱15Km一般應(yīng)為10Km 與當(dāng)?shù)丨h(huán)境有關(guān) 標(biāo)準(zhǔn)12V電源推薦功耗低體積小重量輕 工作溫度范圍大并防水防塵防曬防震有功能強勁的處理軟件 冷啟動60秒熱啟動10秒再捕獲1秒 存儲器容量大 最好是內(nèi)存與PC卡都有 定位數(shù)據(jù)更新速率10次秒數(shù)據(jù)輸出有RTCMSC104NMEA0183兩種格式 參考站或流動站可以互換建議 24通道CA碼P碼及L1L2載波相位接收機 具備L2上CA碼第三個民用GPS頻道L5WAASINMARSAT等功能并內(nèi)置WAAS和EGNOS 雙頻系統(tǒng)GPSGLONASS 操作方便性能穩(wěn)定可靠故障率低可靠性高 優(yōu)于9999 數(shù)據(jù)鏈能同時支持多種數(shù)據(jù)通信手段接收來自參考站的信息如UHFGSM信號方式或者任意通信方式的組合來建立數(shù)據(jù)鏈的系統(tǒng)RTK測量在30km范圍內(nèi)精度可達到2cm以下 可連接其他外部測量設(shè)備形成超站儀 系統(tǒng)配置設(shè)置作業(yè)計劃項目管理數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)處理橢球設(shè)置地圖投影地球模型處理報告網(wǎng)的設(shè)計與最小二乘平差代碼和屬性清單調(diào)閱與編輯坐標(biāo)轉(zhuǎn)換GISCAD輸出 軟件應(yīng)為多用戶多界面的操作系統(tǒng) 輸出數(shù)據(jù)格式可以用戶定義可兼容其它品牌GPS的數(shù)據(jù)可直接輸出其它應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)格式不需編制格式轉(zhuǎn)換軟件數(shù)據(jù)處理能以自動和人工兩種方式進行能夠?qū)?shù)據(jù)成果進行科學(xué)的整體評價RTK測量保留了所有經(jīng)典GPS功能如靜態(tài)測量快速靜態(tài)測量等觀測數(shù)據(jù)亦可采用后處理的方式靜態(tài)測量數(shù)據(jù)后處理的方式是高精度控制測量中的理想方法由于后處理定位和實時定位可以同時進行所以能做到彼此互補發(fā)揮各自特長2經(jīng)典的GPS測量因不具備實時性而不能用來放樣放樣工作還得配備傳統(tǒng)的測量儀器RTK測量彌補了這一缺陷放樣精度可達到厘米級3實現(xiàn) RTK測量的關(guān)鍵技術(shù)之一是快速解算載波的整周未知數(shù)用經(jīng)典的靜態(tài)相對定位法解得整周未知數(shù)并達到足夠精度往往需要 1h甚至更長的時間在RTK測量中盡管初始化時間和長短受到跟蹤觀測的衛(wèi)星數(shù)幾何圖形強度多路徑效應(yīng)電離層干擾等諸多因素影響但已可在數(shù)分鐘之內(nèi)完成4由于RTK測量成果是在野外觀測時實時提供因此能在現(xiàn)場及時進行檢核避免外業(yè)工作返工例如整周未知數(shù)初始化情況和測點點位精度等信息均可在作業(yè)現(xiàn)場進行核對5能夠接收到GPS信號的任何地點全天24h均可進行實時GPS測量的放樣6完成參考站的設(shè)置后整個系統(tǒng)只需一人持流動站接收機操作也可設(shè)置幾個流動站利用同一參考站觀測信息各自獨立開展工作二RTK技術(shù)存在問題與不足之處1衛(wèi)星可見度問題在不能被衛(wèi)星很好地覆蓋地區(qū)高山峽谷深處及密集森林區(qū)高樓林立的鬧市區(qū)RTK的使用受到限制2外界干擾問題易受到障礙物如大樹高大建筑物和各種高頻信號源的干擾精度會受到影響RTK所必需的用于傳送參考站觀測數(shù)據(jù)的無線電信號由于受到干擾衰減嚴(yán)重同樣功率的電臺信號的傳送距離比無阻擋時短得多會嚴(yán)重影響外業(yè)精度和作業(yè)半徑3初始化的問題在山區(qū)林區(qū)鬧市區(qū)作業(yè)時GPS衛(wèi)星信號被阻擋機會多容易造成失鎖采用RTK作業(yè)時有時需要經(jīng)常重新初始化4電力供應(yīng)問題需要多塊大容量存電電池電瓶才能保證連續(xù)作業(yè)在電力供應(yīng)缺乏或偏遠(yuǎn)作業(yè)區(qū)受到限制第四章 GPS RTK在道路橋梁中的應(yīng)用第一節(jié) 概述一GPS在道路橋梁中的應(yīng)用GPS在道路工程中的應(yīng)用目前主要是用于建立各種道路工程控制網(wǎng)及測定航測外控點等隨著高等級公路的迅速發(fā)展對勘測技術(shù)提出了更高的要求由于線路長已知點少因此用常規(guī)測量手段不僅布網(wǎng)困難而且難以滿足高精度的要求目前國內(nèi)已逐步采用GPS技術(shù)建立線路首級高精度控制網(wǎng)如滬寧滬杭高速公路的上海段就是利用GPS建立了首級控制網(wǎng)然后用常規(guī)方法布設(shè)導(dǎo)線加密實踐證明在幾十公里范圍內(nèi)的點位誤差只有2cm左右達到了常規(guī)方法難以實現(xiàn)的精度同時也大大提前了工期浙江省測繪局利用Wild 200 GPS接收機的快速靜態(tài)定位功能施測了線路的全部初測導(dǎo)線快速高精度的建立了數(shù)百公里的高速公路控制網(wǎng)取得了良好的效果GPS技術(shù)也同樣應(yīng)用于特大橋梁的控制測量中由于無需通視可構(gòu)成較強的網(wǎng)形提高點位精度同時對檢測常規(guī)測量的支點也非常有效如在江陰長江大橋的建設(shè)中首先用常規(guī)方法建立了高精度邊角網(wǎng)然后利用GPS對該網(wǎng)進行了檢測GPS檢測網(wǎng)達到了毫米級精度與常規(guī)精度網(wǎng)的比較符合較好GPS技術(shù)在隧道