【正文】 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(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 2 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(xiàng)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 21 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 22 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 23 同步觀測值求差 這一方法是利用在兩個(gè)或多 個(gè)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(shí)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 S 衛(wèi)星信號的其它電磁波信號一樣當(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)電離層折射對信號傳播路徑的影 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(shí) 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 0000001 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(jì)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(shí)可不考慮其影響用對流層模型進(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(shí)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(yàn)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 1 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以及平整的建筑物表面等 2 選擇造型適宜且屏蔽良好的天線等適當(dāng)延長觀測時(shí) 間削弱多路徑效應(yīng)的周期性影響 4 改善 GPS 接收機(jī)的電路設(shè)計(jì)減弱多路徑效應(yīng)的影與 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(yàn)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(xiàng)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)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(shí)刻的接收機(jī)鐘差間看成是相關(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的整周未知數(shù) 載波相位觀測當(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可是實(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(shí)相位中心的瞬時(shí)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(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(gè)或多個(gè)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(shí)均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 A B C D E 5 8 10 10 10 5 5 10 10 20 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) 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(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 2GPS 點(diǎn)間距離應(yīng)按規(guī)范要求設(shè)計(jì)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 3GPS 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(gè)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(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 19840 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 ZX 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(gè)基本參數(shù)為 長 半軸 a 6378137177。的成片障礙物以免阻擋來自衛(wèi)星的信號接收 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(shí)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(shí)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(shí)必須在停止播發(fā)的時(shí)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 GPS 網(wǎng)點(diǎn)應(yīng)避開對電磁波接收有強(qiáng)烈吸收和反射影響的金屬和其他障礙物側(cè)面傾向測站的各種平面物體大范圍水面等等 二 埋石 由于時(shí)間要求埋石擬與選點(diǎn)同時(shí)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(shí)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≤ 2106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(shí)段長度 45min 采樣間隔 10 s 在 4 個(gè)點(diǎn)上同時(shí)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(shí)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(shí)監(jiān)視儀器的狀態(tài)發(fā)現(xiàn)不良反應(yīng)及時(shí)報(bào)告或記錄案觀測要求按照下表進(jìn)行測量 表 43 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) ＞ 16 時(shí)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(gè)三腳架四臺接收 機(jī)四個(gè)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)的基本要求見表 44 表 44 接收機(jī)的選用 級別 A B C DE 單頻 雙頻 雙頻 雙頻 雙頻 單頻 雙頻 單頻 標(biāo)稱 精度 a≤ 5mm b≤ 05 a≤ 5mm b≤ 1 a≤ 10mm b≤ 2 a≤ 10mm b≤ 3 觀測量 載波相位或載波相位 PY 碼偽距 載波相位或載波相位 PY 碼偽距 載波相位或載波相位 PY 碼偽距 載波相位或載 波相位 PY 碼偽距 同步觀測接收機(jī)數(shù) ≥ 4 ≥ 3 ≥ 2 ≥ 2 南方 9600 型測量系統(tǒng) GPS 測量的工作程序如下圖 41 圖 41 二 接收機(jī)及附屬設(shè)備的檢驗(yàn)與維護(hù) 1 接收機(jī)天線及其他設(shè)備是否完整齊全可隨時(shí)出測 2 各設(shè)備及電纜外部有無損傷銹蝕能否確保安全連接 3 充電后信號燈按鍵顯示系統(tǒng)以及儀表工作是否正?？捎米詼y試命令進(jìn)行測試 4用于 AB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 5新出廠的 AB 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 6 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(gè)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)伍還成立了職員組和技術(shù)指導(dǎo)組 職員組的主要任務(wù)是在進(jìn)行測量時(shí)負(fù)責(zé)操作儀器及看管儀器 技術(shù)指導(dǎo)組的任務(wù)是具體負(fù)責(zé)組織控制測量實(shí)施過程中的的重大技術(shù)性問題 四 儀器安裝 將準(zhǔn)備好的三腳架架到已經(jīng)選好的待測點(diǎn)上將接收機(jī)安 裝到三腳架上對中整平量取天線高開機(jī)進(jìn)入工作階段 注本次觀測采用的作業(yè)模式是靜態(tài)定位模式 1．作業(yè)方法采用四臺接收設(shè)備分別安置在基線的兩個(gè)端點(diǎn)同步觀測顆以上衛(wèi)星每時(shí)段長 45 分鐘 2．精度基線的定位精度可達(dá) 5mmlppmDD 為基線長度 千米 3．注定事項(xiàng)所有已觀測基線組成一系列封閉圖形以利于外業(yè)檢核提高成果可靠性并通過平差助于進(jìn)一步提高定位精度 五 野外觀測 野外觀測應(yīng)嚴(yán)格按照技術(shù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行 1安置天線天線安置是 GPS精密測量的重要保證要仔細(xì)對中整平量取儀器高儀器高要用鋼尺在互為 120176