第七章

GPS的基本知識(shí)

概述

GPS定位系統(tǒng)的組成

GPS衛(wèi)星定位的基本原理

GPS測(cè)量的實(shí)施

GPS測(cè)量的作業(yè)模式*124GPS測(cè)量的實(shí)施GPS測(cè)量：與常規(guī)測(cè)量一樣，分為外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩部分。GPS測(cè)量實(shí)施階段：網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；選點(diǎn)與建立標(biāo)志；外業(yè)觀測(cè)；內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。4.1、GPS網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)GPS網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)施GPS測(cè)量的第一步，也是在網(wǎng)的精確性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性方面，實(shí)現(xiàn)用戶要求的重要環(huán)節(jié)。主要內(nèi)容：精度指標(biāo)的合理確定網(wǎng)的圖形設(shè)計(jì)網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)。*3

精度指標(biāo)的合理確定對(duì)GPS網(wǎng)的精度要求，主要取決于網(wǎng)的用途。精度指標(biāo)，以網(wǎng)中相鄰點(diǎn)之間的距離誤差來表示（GPS測(cè)量規(guī)范）。精度指標(biāo)影響GPS網(wǎng)的布設(shè)方案、觀測(cè)計(jì)劃、觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理方法，以及作業(yè)的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。所以，在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，要根據(jù)實(shí)際需要確定。網(wǎng)的圖形設(shè)計(jì)網(wǎng)的圖形設(shè)計(jì)，應(yīng)在滿足用戶要求的條件下，盡量減少作業(yè)成本。GPS網(wǎng)應(yīng)采用獨(dú)立觀測(cè)邊構(gòu)成閉合圖形，如：三角形、多邊形或附合線路。網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)網(wǎng)的基準(zhǔn)：包括網(wǎng)的位置基準(zhǔn)、方向基準(zhǔn)和尺度基準(zhǔn)。而確定網(wǎng)的基準(zhǔn)，是通過網(wǎng)的整體平差來實(shí)現(xiàn)的。網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)，主要是指確定網(wǎng)的位置基準(zhǔn)問題。確定網(wǎng)的位置基準(zhǔn)，通?？筛鶕?jù)情況，選取以下方法：（1）選取網(wǎng)中一點(diǎn)的坐標(biāo)值并加以固定，或給以適當(dāng)?shù)臋?quán)；（2）網(wǎng)中的點(diǎn)均不固定，通過自由網(wǎng)偽逆平差或擬穩(wěn)平差，確定網(wǎng)的位置基準(zhǔn)；（3）在網(wǎng)中選若干點(diǎn)的坐標(biāo)值并加以固定；（4）選網(wǎng)中若干點(diǎn)（直至全部點(diǎn)）的坐標(biāo)值并給以適當(dāng)?shù)臋?quán)。*44.2、外業(yè)觀測(cè)方法１、外業(yè)觀測(cè)計(jì)劃設(shè)計(jì)（１）編制ＧＰＳ衛(wèi)星可見性預(yù)報(bào)圖：利用衛(wèi)星預(yù)報(bào)軟件，輸入測(cè)區(qū)中心點(diǎn)概略坐標(biāo)、作業(yè)時(shí)間、衛(wèi)星截止高度角≥１５°等，利用不超過２０天的星歷文件即可編制衛(wèi)星預(yù)報(bào)圖。（２）編制作業(yè)調(diào)度表：應(yīng)根據(jù)儀器數(shù)量、交通工具狀況、測(cè)區(qū)交通環(huán)境及衛(wèi)星預(yù)報(bào)狀況制定作業(yè)調(diào)度表。作業(yè)表應(yīng)包括：觀測(cè)時(shí)段（測(cè)站上開始接收衛(wèi)星信號(hào)到停止觀測(cè)，連續(xù)工作的時(shí)間段），注明開、關(guān)機(jī)時(shí)間；測(cè)站號(hào)、測(cè)站名；接收機(jī)號(hào)、作業(yè)員；車輛調(diào)度表。２、野外觀測(cè)野外觀測(cè)應(yīng)嚴(yán)格按照技術(shù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。（１）

安置天線：安置天線是ＧＰＳ精密測(cè)量的重要保證。要仔細(xì)對(duì)中、整平，量取儀器高。儀器高要求鋼尺在互為１２０°方向量三次，互差小于３

mm，取平均值后記錄或輸入ＧＰＳ接收機(jī)。*5（２）安置ＧＰＳ接收機(jī)：ＧＰＳ接收機(jī)應(yīng)安置在距天線不遠(yuǎn)的安全處，連接天線及電源電纜，并確保無誤。（３）開機(jī)觀測(cè)：打開ＧＰＳ接收機(jī)，輸入或記錄測(cè)站名。詳情可參見不同儀器的操作手冊(cè)。ＧＰＳ接收機(jī)自動(dòng)化程度很高，儀器一旦跟蹤衛(wèi)星進(jìn)行定位，接收機(jī)自動(dòng)將接收的衛(wèi)星星歷、觀測(cè)值文件以及輸入信息存入接收機(jī)內(nèi)記憶體。作業(yè)員只需要定期查看接收機(jī)工作狀況。一個(gè)時(shí)段的測(cè)量結(jié)束后，要查看儀器高和測(cè)站名是否輸入，確保無誤后再關(guān)機(jī)、關(guān)電源，遷站。（４）ＧＰＳ接收機(jī)記錄的數(shù)據(jù)有：ＧＰＳ衛(wèi)星星歷；觀測(cè)歷元的時(shí)刻和碼偽距觀測(cè)值及載波相位觀測(cè)值；ＧＰＳ絕對(duì)定位結(jié)果；測(cè)站信息。３、觀測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)在測(cè)區(qū)要及時(shí)嚴(yán)格檢查，對(duì)外業(yè)預(yù)處理成果，按規(guī)范要求嚴(yán)格檢查、分析，根據(jù)情況進(jìn)行必要的重測(cè)和補(bǔ)測(cè)。確保外業(yè)成果無誤后方可離開測(cè)區(qū)。*64.3、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理根據(jù)上述處理所獲得的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)文件，便可進(jìn)行觀測(cè)數(shù)據(jù)的平差計(jì)算工作。平差計(jì)算的主要內(nèi)容包括：同步觀測(cè)基線向量的解算。同一基線邊，多歷元同步觀測(cè)值的平差計(jì)算。由此所得到的平差結(jié)果為：基線向量（坐標(biāo)差）及其相應(yīng)的方差與協(xié)方差陣。觀測(cè)成果檢核與網(wǎng)平差?；€解算完畢后，需要對(duì)基線向量按網(wǎng)形構(gòu)成，檢核同步環(huán)、異步環(huán)以及重復(fù)觀測(cè)邊的閉合差。具體要求參見GPS測(cè)量規(guī)范。檢查合格后，就可以利用上述基線向量的平差結(jié)果，作為相關(guān)觀測(cè)量，進(jìn)行網(wǎng)的整體平差，消除不符值。平差的結(jié)果，一般是網(wǎng)點(diǎn)的空間直角坐標(biāo)，大地坐標(biāo)和高斯平面坐標(biāo)，以及相應(yīng)的方差與協(xié)方差。坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，或與地面網(wǎng)的聯(lián)合平差。在城市、礦山等區(qū)域性的測(cè)量工作中，往往需要將GPS測(cè)量結(jié)果化算到用戶所采用的區(qū)域性坐標(biāo)系統(tǒng)。因此，上述GPS網(wǎng)，在WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)中的平差結(jié)果，尚需按用戶的要求，進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，或者為了改善已有的經(jīng)典地面控制網(wǎng)，確定GPS網(wǎng)與經(jīng)典地面網(wǎng)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，需要進(jìn)行兩網(wǎng)的聯(lián)合平差。*74.4、GPS測(cè)量誤差GPS定位的觀測(cè)量不可避免地會(huì)受到多種誤差源影響。按照這些誤差源的來源，一般可分為三種情況：與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差與接收設(shè)備有關(guān)的誤差(一)與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差衛(wèi)星星歷誤差：廣播星歷或其它軌道信息給出的衛(wèi)星位置與衛(wèi)星真實(shí)位置之間的差值。衛(wèi)星鐘誤差：GPS的觀測(cè)量均以精密測(cè)時(shí)為前提。雖然GPS衛(wèi)星均配有高精度的原子鐘，但它們與標(biāo)準(zhǔn)的GPS時(shí)之間仍會(huì)有偏差或漂移。*8(二)與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差

大氣折射誤差：根據(jù)其性質(zhì)，分為電離層折射影響、對(duì)流層折射影響。電離層延遲量與GPS信號(hào)頻率有關(guān)，對(duì)流層延遲量與GPS信號(hào)頻率無關(guān)，因此，也可合稱為中性大氣折射影響，簡(jiǎn)稱對(duì)流層折射。

多路徑效應(yīng)：接收機(jī)天線除直接收到來自GPS衛(wèi)星的信號(hào)外，還可能收到天線周圍地物反射來的信號(hào)。這兩種信號(hào)疊加在一起將引起測(cè)距觀測(cè)值的變化，而且這種變化隨天線周圍反射面的性質(zhì)而異，難以控制。多路徑效應(yīng)具有周期性誤差，其變化幅度可達(dá)數(shù)厘米。

消除或減弱多路徑效應(yīng)方法：采用載波相位測(cè)量方法；采用扼流圈天線。這種天線一般裝備有抑徑板或抑徑圈，可以阻擋來自水平面以下的多路徑信號(hào)被接收。在進(jìn)行GPS測(cè)量選址工作時(shí)，還應(yīng)當(dāng)考慮多路徑信號(hào)產(chǎn)生的可能性，盡量避開高大建筑物和遠(yuǎn)離水面，避免接收其反射信號(hào)。*9(三)與接收設(shè)備有關(guān)的誤差

觀測(cè)誤差：觀測(cè)分辨誤差、接收機(jī)天線相對(duì)測(cè)站點(diǎn)的安置誤差。一般認(rèn)為觀測(cè)分辨誤差約為信號(hào)波長(zhǎng)的1%。由于載波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于GPS偽隨機(jī)測(cè)距碼的波長(zhǎng)，則采用載波相位觀測(cè)量可達(dá)到更高精度。天線的安置誤差主要有天線的置平與對(duì)中誤差和量取天線高的誤差。只要在觀測(cè)中認(rèn)真操作，可以盡量減少這些誤差的影響。

接收機(jī)的鐘差：一般是在數(shù)據(jù)處理中作為未知數(shù)解出。另外在作差分法相對(duì)定位時(shí)，也可以通過在不同衛(wèi)星之間求差來消除其影響。

天線的相位中心誤差：GPS測(cè)量的觀測(cè)值都是以天線的相位中心為準(zhǔn)，而我們一般只能觀察到天線的幾何中心，因此，要求天線的幾何中心與相位中心一致，這應(yīng)在天線的生產(chǎn)和設(shè)計(jì)上達(dá)到。另外，若采用同種型號(hào)的接收機(jī)天線，可以近似認(rèn)為相位中心與幾何中心的偏離情況是一樣的，因此，用觀測(cè)值的求差和相對(duì)定位能削弱這種影響，但這時(shí)要求統(tǒng)一按天線的方向標(biāo)定向，使各天線的指北極都指向正北方向。*105GPS測(cè)量的作業(yè)模式GPS測(cè)量的作業(yè)模式：利用GPS定位技術(shù)，確定觀測(cè)站之間相對(duì)位置所采用的作業(yè)方式。不同的作業(yè)模式，因作業(yè)方法和觀測(cè)時(shí)間的不同，而具有不同的應(yīng)用范圍。由于GPS測(cè)量數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)的發(fā)展，為確定兩點(diǎn)之間的相對(duì)位置，已有多種作業(yè)模式可供選擇。目前，較為普遍采用的作業(yè)模式主要有：靜態(tài)相對(duì)定位動(dòng)態(tài)相對(duì)定位。*115.1靜態(tài)相對(duì)定位模式作業(yè)方法：采用兩套（或兩套以上）接收設(shè)備，分別安置在一條（或數(shù)條）基線的端點(diǎn)，根據(jù)基線長(zhǎng)度和要求的精度，同步觀測(cè)4顆以上衛(wèi)星數(shù)時(shí)段，每一時(shí)段長(zhǎng)1～3小時(shí)。定位精度：基線測(cè)量的精度可達(dá)5mm+1ppm×D，D為基線長(zhǎng)度，以公里計(jì)。特點(diǎn)：所觀測(cè)的獨(dú)立基線邊，應(yīng)構(gòu)成某種閉合圖形（如圖），以利于觀測(cè)成果的檢核，增強(qiáng)網(wǎng)的強(qiáng)度，提高成果的可靠性和精確性，基線長(zhǎng)度可由數(shù)公里至上千公里。適應(yīng)范圍：建立地殼運(yùn)動(dòng)或工程變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)；建立全球性或國(guó)家級(jí)大地控制網(wǎng)；建立長(zhǎng)距離檢?；€；進(jìn)行島嶼與大陸聯(lián)測(cè)；建立精密工程測(cè)量控制網(wǎng)。靜態(tài)相對(duì)定位模式示意圖*12

5.2動(dòng)態(tài)相對(duì)定位模式

作業(yè)方法：建立一個(gè)基準(zhǔn)站，并在其上安置一臺(tái)接收機(jī)，連續(xù)跟蹤所有可見衛(wèi)星；另一臺(tái)接收機(jī)，安置在運(yùn)動(dòng)的載體上(如圖)，在出發(fā)點(diǎn)按快速靜態(tài)相對(duì)定位法，靜止觀測(cè)數(shù)分鐘，以進(jìn)行初始化；運(yùn)動(dòng)的接收機(jī)從出發(fā)點(diǎn)開始，在運(yùn)動(dòng)過程中按預(yù)定的采樣間隔自動(dòng)觀測(cè)。該作業(yè)模式要求：至少同步觀測(cè)至少4顆衛(wèi)星，并在運(yùn)動(dòng)過程中保持連續(xù)跟蹤；同時(shí)，運(yùn)動(dòng)點(diǎn)與