【正文】 ?22 P B p B P BS B P X X Y Y Z Z? ? ? ? ? ? 太原理工大學陽泉學院 畢業(yè)論文 13 ? ? ? ? ? ?2222 P C p C P CS C P X X Y Y Z Z??? ? ? ? ? ????? 圖 26 GPS 衛(wèi)星定位示意圖 式中：（ AX ， AY ， AZ ），（ BX ， BY ， BZ ），（ CX ， CY ， CZ ）分別為 衛(wèi)星 A， B，C 在時刻 it 的空間直角坐標。在實際使用中需要根據(jù)坐標系統(tǒng)間的轉換參數(shù)進行坐標系統(tǒng)的變換，來求出所使用的坐標系統(tǒng)的坐標。 在 GPS 定位中， GPS衛(wèi)星是 高速運動的衛(wèi)星，其坐標值隨時間在快速變化著。依據(jù)測距的原理，其定位原理與計算方法主要有偽距法定位，載波相位測量定位以及差分 GPS 定位等。靜態(tài)定位指的是對于固定不動的待定點，將 GPS 接收機置于其上，觀測數(shù)分鐘乃至更長的時間，以確定該點的三維坐標，又叫絕對定位。而動態(tài)定位則至少有一臺接收機處于運動狀態(tài)，測定的是各觀測時刻（觀測歷元）運動中的接收機的點位（絕對點位或相對點位）。實際應用中，為了減弱衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差以及電離層和對流層的折射誤差的影響，常采用載波相位觀測值的各種線形組合（即差分值）作為觀測值，獲得兩點之 太原理工大學陽泉學院 畢業(yè)論文 14 間高精度的 GPS 基線向量（即坐標差）。所測偽距就是由衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號到達 GPS 接收機的傳播時間乘以光速得到的量測距離。用 C/A 碼進行測量的偽距為 C/A 碼偽距。偽距法定位雖然一次定位精度不高（ P碼定位誤差約為 10m， C/A 碼定位誤差為 20~30m），但因其具有定位速度 快，且無多值性問題等優(yōu)點，仍然是 GPS 定位系統(tǒng)進行導航的最基本方法。 載波相位測量定位 利用測距碼進行偽距測量是 GPS 定位系統(tǒng)的基本測距方法。如果觀測精度均取至測距碼波長的百分之一，則偽距測量對 P 碼而言量測精度為 30cm，對C/A 碼而言為 3m 左右。目前的大 地型接收機的載波相位測量精度一般為 1～ 2mm，有的精度更高。 在 GPS 信號中由于已用相位調(diào)整的方法在調(diào)制了測距碼和導航電文，因而接收到的載波的相位已不再連續(xù)，所以在進行載波相位測量以前，首先要進行解調(diào)工作，設法將調(diào)制在載波上的測距碼和衛(wèi)星電文去掉，重新獲取載波，這一工作稱為重建載波。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構；采用后者，用戶無須掌握測距碼的結構，但只能獲取載波信號而無法獲得測距碼和衛(wèi)星電文 差分 GPS 定位 差分技術很早就被人們所應用。其目的是消除公共誤差，提高定位精度。 該部分所講述的差分 GPS 定位技術是將一臺接收機安置在基準站上進行觀測。用戶接收機在進行 GPS觀測的同時，也接收到基準站的改正數(shù)，并對其定位結果進行改正，從而提高定位精度。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（視基準站至用戶的距離）。 第四節(jié) GPS 導航定位誤差 一、與 GPS 衛(wèi)星有關的誤差 與 GPS 衛(wèi)星有關的誤差主要包括衛(wèi)星的軌道誤差和衛(wèi)星鐘的誤差。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)星鐘與接收機時鐘保持嚴格的同步。這種偏差的總量約在 1ms 以內(nèi)。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)。 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 太原理工大學陽泉學院 畢業(yè)論文 16 攝動力的復雜影響，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航電文等到的。測量的基線長度越長，此項誤差的影響就越大。 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)，并假設在短時間內(nèi)這些參數(shù)為常量，將其與其它求知數(shù)一并求解。以減弱衛(wèi)星軌道誤差的影響。 這種方法對于精度相對定位，具有極其重要的意義。 電離層折射的影響 GPS 衛(wèi)星信號的其它電磁波信號一樣，當其通過電離層時，將受到這一介質彌散特性的影響，便其信號的傳播路徑發(fā)生變化。 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行觀測。因此，具有雙頻的 GPS 接收機，在精密定 位中測量中得到廣泛的應用。在尤其是精密定位測量。 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 。 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。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確測定。 采 用對流層模型進行改正； 采用觀測量求差的方法。 多路徑效應影響 多路徑效應亦稱多路徑誤差，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而異，難以控制。而在高反射環(huán)境下，不僅其影響將顯著增大，而且常常導致接收的衛(wèi)星信號失鎖和使載波相位觀測量產(chǎn)生周跳。 目前減弱多路徑效應影響的措施有： 安置接收機天線的環(huán)境，應避開較強的反射面，如水面 、 平坦光滑的地 面 以 太原理工大學陽泉學院 畢業(yè)論文 18 及平整的建筑物表面等。 適當延長觀測時 間，削弱多路徑效應的周期性影響。 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。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?shù)卦黾佑^測量，將會明顯地減弱其影響。 接收機的鐘差 盡管 GPS 接收機 中 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。 載波相位觀測的整周未知數(shù) 載波相位觀測 是 當前 普遍采用的最精密的觀測方法，由于接收機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。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)和周跳都是關鍵性的問題。可是，實際上天線的相位中心位置隨著信號輸入的強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果的影響，根據(jù)天線性能的優(yōu)劣，可達數(shù)毫米至數(shù)厘米。 在實際工作中，如果使用同一類型的天線，在相距不遠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。 第三章 工作流程 第一節(jié) GPS 控制網(wǎng)的內(nèi)業(yè)設計 一、 GPS 控制網(wǎng)設計 GPS 控制網(wǎng)的技術設計是進行 GPS測量的基礎。其內(nèi)容包括測區(qū)范圍、測量精度、提交成果方式、完成時間等。 （一） GPS 網(wǎng)技術設計的一般原則 充分考慮 GPS 控制網(wǎng)的應用范圍 對于工程建設的 GPS 網(wǎng)，應當既考慮勘測設計階段的需要，又要考 慮到施工放樣等階段的需要。這樣監(jiān)測 GPS網(wǎng)既可以為城市建設提供發(fā)現(xiàn)隱患、預防災害的極有價值的信息，也有利于充分發(fā)揮 GPS網(wǎng)在城市建設中的作用。例如，大城市的 GPS 控制網(wǎng)可以分為三級：首級網(wǎng)中相鄰點的平均距離大于 5km；次級網(wǎng)中相鄰點平均距離為 1km5km；三級網(wǎng)相鄰點平均距離可小于 1km，且可采用 GPS 與全站儀相結合的方法布設。 為提高 GPS 網(wǎng)的可靠性，各級 GPS網(wǎng)必須布設成為由獨立的 GPS 基線向量邊（簡稱為 GPS 邊）構成的閉合圖形網(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。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)的技術設計中，應 根據(jù)測區(qū)大小 和 GPS 網(wǎng)的用途來設計網(wǎng)的等級和精度標準。而實用上需要得到的是參心坐標系，在我國即 1980 太原理工大學陽泉學院 畢業(yè)論文 21 年國家大地坐標系和 1954 年北京坐標系（或地方獨立坐標系）的坐標，“參心” 意指參考橢球的中心。 GPS 網(wǎng)的基準與常規(guī)控制網(wǎng)的基準類似，包括位置基準 、方位基準和尺度基準。 二、 影響 GPS 測量技術設計的因素 GPS 外業(yè)涉及面很廣，因而外業(yè)階段的技術設計是一個復雜的技術管理問題，經(jīng)綜合大致有以下一些因素應加以考慮： 同測站有關的因素網(wǎng)點密度；布網(wǎng)方案；時段分配、重復設站和重合點的設計。 同 儀器有關的因素接收機，用于精密相對定位時至少為兩臺；天線，若天線設計質量和穩(wěn)定性欠佳，會帶來一系列的誤差；記錄設備，可以是盒式數(shù)據(jù)磁帶或軟磁盤。 三、 GPS 控制網(wǎng)的圖形設計 對于常規(guī)方法布設的三角網(wǎng)、三邊網(wǎng)或導線網(wǎng)，圖形設計是非常重要的一項工作。由于 GPS 的同步觀測不要求通視，因此， GPS 網(wǎng)的圖形設計也 具有很大的靈活性。 2 首級網(wǎng)布設時宜聯(lián)測兩個以上高等級國家控制點或地方坐標系的高等級控制點；對控制網(wǎng)內(nèi)的長邊，宜構成大地四邊形或中點多邊形。 4 各等級控制網(wǎng)中獨立基線的觀測總數(shù)，不宜少于必要觀測基線數(shù)的 倍。 6 對于采用 GPSRTK 測圖的測區(qū)，在控制網(wǎng)的布設中應顧及參考站點的分及位置。 ? = 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）。 m≤ ? 第二節(jié) GPS 控制網(wǎng)的外業(yè)設計 一、選點要求 由于 GPS 測量觀測站之間不 — 定要求相互通視，而且網(wǎng)的圖形結構也比較靈活，所以選點工作比常規(guī)控制測量的選點要簡便。 衛(wèi)星定位測量控制點的選定，應符合下列要求 ； 1 點位應該在土質結實、穩(wěn)固可靠的地方，同時要有利于加密和擴展，每個控制點至少應有一個通視方向。 3. 選定能便于長期保存，穩(wěn)定堅固的地方設點，國家和地方基準點應埋設固定的標石或儀器墩用于安置接收機天線、墩標設于 樓頂時，要對大樓的穩(wěn)定性和形變定期監(jiān)測。 5. 交通便利點位離開附近可通輕便車的道路不應超過 500m，且在點位 30m 內(nèi)有足夠的空間安置接收機和方便操作進行。 二、埋石 由于時間要求，埋石擬與選點同時進行。埋設時坑底填以沙石，搗固夯實，考慮到天氣的因素，現(xiàn)澆混凝土應適當添加防凍劑并應做好防凍措施。進行同步觀測。根據(jù) GPS 網(wǎng)形設計編制作業(yè)調(diào)度表，作好人員和交通工具的配備。在 4個點上同時安置 4 臺接收機天線 (對中、整干、定向 )，量取天線高，測量氣象數(shù)據(jù)，開機觀察，當各項指標達到要求時，按接 收機的提示輸入相關數(shù)據(jù)，則接收機自動記錄，觀測者填寫測量手簿和外業(yè)觀測記錄，并應隨時監(jiān)視儀器的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)不良反應，及時報告或記錄案。 太原理工大學陽泉學院 畢業(yè)論文 24 表 33 GPS 測量作業(yè)基本技術要求 項目 觀測方法 技術要求 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 圖形強度因子 靜態(tài) ＜ 6 第三節(jié) GPS 控制網(wǎng)的外業(yè)實施 一、儀器準備 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，該接收機是以四臺套進行工作。 1 GPS 接收機的選用 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的基本要求， GPS 控制測量作業(yè)的基本技術要求，應符合表 34 的規(guī)定。 各設備及電纜外部有無損傷、銹蝕，能否確保安全連接。 用于 A、 B級的接收機，每年出測前至少檢定一次，按規(guī)范要求應在不同長度的標準基線或規(guī)定的比較基線或 GPS測量檢驗場上進行測試。 是 GPS 網(wǎng)的總體設計 實地定點、埋石 GPS 觀測計劃準備 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 質量合格 否 太原理工大學陽泉學院 畢業(yè)論文 26 通風干濕表及空盒氣壓表，至少每三年送檢一次，天線的圓水準氣泡和光學對中器每年至少進行一次檢