畢業(yè)設計 gps控制網的優(yōu)化設計研究（含外文翻譯）

1、<p><b>　　畢業(yè)設計(論文)</b></p><p>　　設計題目：GPS控制網的優(yōu)化設計研究 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　GPS定位在測量中有很大的應用潛力。近年來，GPS 接收機的小型化、小功耗給其應用于測量提供了有利的條件。在軟件方面，GPS 的基線解算、

2、平差也有了很大的發(fā)展，這些都促使GPS 在測量中得到了較為廣泛的應用。而且隨著GPS 定位技術的發(fā)展，衛(wèi)星數的增多更新,目前所用GPS接收機的實際相對定位精度及其穩(wěn)定性較高，許多廠家生產的GPS 接收機( 如leicaNGSS1200，Trimble 4700等) 可達到B 級以上的定位精度。因此，研究用GPS 布設短基線控制網的精度和縮短觀測時段長度的可行性， 有其重要意義。本論文所要研究的內容就是在現有GPS條件下，通過布設短基線控

3、制網，對不同觀測方式及不同外界條件下GPS定位結果進行分析，檢核GPS所能達到的精度，及對外界條件因素的依賴程度，總結影響精度的原因及解決方法，為實際的生產和研究提供參考依據.</p><p>　　關鍵詞：GPS，基線解算，定位精度，相位中心</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　GPS positionin

4、g measurements have great potential. In recent years, GPS receivers of small size, small power consumption to applied to provide favorable conditions for measurement. In terms of software, GPS's baseline, the adjustm

5、ent has also been greatly developed, which prompted the measurement of GPS has been more widely used. And with GPS positioning technology, satellite increased the number of updates. Currently used in the actual GPS recei

6、ver positioning accuracy and stability of the rela</p><p>　　Key words: GPS, baseline, positioning accuracy, the phase center changes</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>

7、　　摘要1</b></p><p>　　AbstractII</p><p>　　1 GPS 簡介1</p><p>　　1.1 GPS的定義1</p><p>　　1.2　GPS的系統(tǒng)組成1</p><p>　　1.3 GPS 測量的特點2</p><p>　　2 G

8、PS定位原理4</p><p>　　2.1　GPS的基本定位原理4</p><p>　　2.2　GPS定位的基本觀測量4</p><p>　　3　影響GPS 測量精度的誤差7</p><p>　　3.1 GPS衛(wèi)星自身誤差7</p><p>　　3.2 與信號傳播有關的誤差8</p><

9、p>　　3.3 與接收機有關的誤差11</p><p><b>　　4 實驗內容13</b></p><p>　　4.1 研究內容13</p><p>　　4.2測區(qū)概述14</p><p><b>　　4.3 觀測15</b></p><p>　　5 實驗

10、數據分析及結論17</p><p>　　5.1 TGO與南方數據處理軟件精度比較17</p><p>　　5.2 短基線測量定位精度研究18</p><p>　　5.3 確定GPS天線相位中心的偏差22</p><p>　　5.4 相同衛(wèi)星，不（相）同時段的定位精度比較28</p><p>　　5.5

11、高度截止角和采樣間隔變換引起的基線變化32</p><p>　　5.6 處理不良歷元的重要性驗證36</p><p><b>　　6　結束語39</b></p><p><b>　　參考文獻41</b></p><p><b>　　致謝43</b></p>

12、<p><b>　　附錄44</b></p><p><b>　　1 GPS 簡介</b></p><p>　　1.1 GPS的定義</p><p>　　1973年12月，美國國防部批準陸?？杖娐?lián)合研制一種新的軍用衛(wèi)星導航系統(tǒng)—NAVSTARGPS，其英文全稱為Navigation by Satellit

13、e Timing And Ranging (NAVSTAR) Global Positioning System (GPS)，我們稱之為GPS系統(tǒng)【1】。它是一種被動式衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，能為世界上任何地方，包括空中、陸地、海洋用戶，全天候、全時間、連續(xù)地提供精確的三維位置、三維速度及時間信息，具有實時性的導航、定位和授時功能。</p><p>　　1.2　GPS的系統(tǒng)組成</p><p>

14、　　GPS系統(tǒng)由GPS衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控系統(tǒng)和GPS信號接收機三部分組成。GPS衛(wèi)星星座由24顆衛(wèi)星組成，這24顆衛(wèi)星平均高度約為20000km均勻分布在6個軌道平面上。衛(wèi)星軌道平面相對地球赤道平面的傾角約為55°，各軌道平面升交點的赤經相差60°，在相鄰軌道上，衛(wèi)星的升交距角相差30°。每個軌道上的四顆衛(wèi)星相互間隔為90°，衛(wèi)星運行周期11小時58分。這樣，保證了地面上任何時間、任何地點至少可同

15、時觀測到4顆衛(wèi)星，以便保證定位的精度和可靠性。GPS衛(wèi)星的作用是接收地面監(jiān)控系統(tǒng)提供的衛(wèi)星星歷并把衛(wèi)星星歷播發(fā)給各種不同的用戶。</p><p>　　地面監(jiān)控系統(tǒng)由主控站、注入站和監(jiān)測站三部分組成.它們主要負責編算GPS衛(wèi)星星歷并將其發(fā)射到GPS衛(wèi)星上，監(jiān)測GPS衛(wèi)星的“健康”狀態(tài)，保持各顆衛(wèi)星處于同一GPS時間系統(tǒng)。</p><p>　　GPS信號接收機的主要任務是接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信

16、號，以獲取必要的導航定位信息，完成導航定位工作。當GPS衛(wèi)星出現在用戶視界時，靜態(tài)定位一般設置高度角在10度或者15度以上，接收機捕獲到按該衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星，跟蹤這些衛(wèi)星的運行，對所接收到的GPS信號，進行變換、放大和處理并進行記錄，而其它高度角低于設置高度角的衛(wèi)星信號不進行記錄，從記錄的信息可計算出GPS信號從衛(wèi)星到接收機天線的傳播時間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)射的導航電文，實時地計算出測站的三維坐標位置以及三維速度和時間。

17、</p><p>　　GPS衛(wèi)星的核心是一個高質量的震蕩器即GPS鐘，它產生兩個相關的波，即L頻段的頻率分別為1.5754 GHz和1.2276 GHz的Ll，L2波。GPS信息用相位調制技術加載在這兩個頻段上發(fā)射。為了保障美國的利益與安全，限制非經美國特許的用戶利用GPS定位的精度，該系統(tǒng)除在設計階段采取了許多保密措施外，在系統(tǒng)運行中還采取了其它一些措施，來限制用戶進行GPS測量的精度。1998年美國副總統(tǒng)戈爾

18、提出了GPS現代化這一概念，GPS現代化包括軍事和民用兩部分。GPS現代化的民用部分包括3項措施:于2000年5月1日零點取消了SA。在L2頻道上增加第二民用碼即CA/碼，這樣有利于提高定位精度和進行電離層改正;增加L5民用頻率，這有利于提高民用實時定位的精度和導航的安全性。GPS的現代化，使得GPS在測量中的應用有了新的發(fā)展和挑戰(zhàn)。</p><p>　　1.3 GPS 測量的特點</p><

19、p>　?。?）測量精度高，在小于50km 的基線上，其相對定位精度可達l×l0，在大于l 000 km 的基線上可達l×l0；</p><p>　　（2）測站間無需通視，可根據實際需要確定點位，使得選點工作更加靈活方便；</p><p>　　（3）觀測時間短，靜態(tài)相對定位每站僅需20min 左右，動態(tài)相對定位僅需幾秒鐘；</p><p>　

20、?。?）儀器操作簡便，觀測人員只需對中、整平、量取天線高及開機后設定參數，接收機即可進行自動觀測和記錄。</p><p>　　2 GPS定位原理</p><p>　　2.1　GPS的基本定位原理</p><p>　　GPS的基本定位原理是：衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數和時間信息用戶接收到這些信息后經過計算求出接收機的三維位置三維方向以及運動速度和時間信息【3】。

21、</p><p>　　全球定位系統(tǒng)(簡稱GPS)是美國國防部為軍事目的建立的，旨在徹底解決海上、空中和陸地運載工具的導航和定位問題。從GPS的提出到1994年建成，經歷了20年。到1994年，7顆GPS試驗衛(wèi)星和分布在六根軌道上的24顆(3顆備用)工作衛(wèi)星已全部升空，目前所有工作衛(wèi)星均己正常工作，整個系統(tǒng)耗資300億美元。實踐證實，GPS對人類活動影響極大，應用價值極高。它從根本上解決了人類在地球上的導航和定位問

22、題，可以滿足各種不同用戶的需要。特別是用于精密定位的測地型GPS接收機的出現，給大地測量帶來了革命性的變化。</p><p>　　2.2　GPS定位的基本觀測量</p><p>　　GPS定位系統(tǒng)由三部分組成，即由GPS衛(wèi)星組成的空間部分、由若干地面站組成的控制部分和以接收機為主體的廣大用戶部分。三者有各自獨立的功能和作用，但又是有機地配合而缺一不可的整體系統(tǒng)。GPS定位的基本觀測量有：碼

23、相位偽距觀測值、載波相位觀測值和積分多普勒觀測值【2】。下面簡單介紹一下前二種觀測值。</p><p>　　2.2.1　碼相位偽距觀測值</p><p>　　碼相位偽距測量是GPS接收機通過測量衛(wèi)星發(fā)射信號與接收機接收到此信號之間的時間差，來求得衛(wèi)星接收機間的距離【3】:</p><p><b>　　（2-1）</b></p>&

24、lt;p><b>　　式中:為光速。</b></p><p>　　由于衛(wèi)星鐘的誤差、接收機鐘的誤差以及無線電信號經過電離層和對流層中的延遲等，實際測出的距離與衛(wèi)星到接收機真實距離R有誤差。因此，一般稱為偽距。</p><p>　　2.2.2 載波相位觀測值</p><p>　　在碼相關型接收機中，當GPS接收機鎖定衛(wèi)星載波相位，就可以得

25、到從衛(wèi)星傳到接收機經過延時的載波信號。如果將載波信號與接收機內產生的基準信號比相就可得到載波相位觀測值。若接收機內振蕩器頻率初相位與衛(wèi)星發(fā)射載波初相位完全相同，衛(wèi)星在0時刻發(fā)射信號，經過后于時刻被接收機接收，接收機通道鎖定衛(wèi)星信號，對應的相位差為，又設衛(wèi)星載波信號于歷元時刻的相位為，接收機基準信號在時刻相位為，則有:</p><p><b>　　（2-2）</b></p>&l

26、t;p>　　通過鑒相器，衛(wèi)星到接收機間的相位差可分為個整周相位和不到一個整周相位之和，即:</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　衛(wèi)星到接收機距離為:</p><p><b>　　（2-4）</b></p><p><b>　　式中:為波長。</b

27、></p><p>　　鑒相器只能測出不足一個整周相位值，測不出來。因此，在載波相位測量中出現了一個整周未知數(也稱為整周模糊度)，需要通過其他途徑求定。另外，如果在跟蹤衛(wèi)星過程中，由于某種原因，如衛(wèi)星信號被障礙物擋住而暫時中斷，受無線電信號干擾造成信號失鎖等，這樣，計數器無法連續(xù)計數，因此，當信號重新被跟蹤后，整周計數就不正確，但不到一個整周的相位觀測值仍然是正確的。這種現象稱為周跳。周跳的出現和處理是載

28、波相位測量中的重要問題。</p><p>　　由于載波頻率高、波長短，因此，載波相位測量精度高。不過，利用載波相位觀測值進行定位，要解決整周模糊度的解算和周跳修復問題。</p><p>　　3　影響GPS 測量精度的誤差</p><p>　　3.1 GPS衛(wèi)星自身誤差</p><p>　　3.1.2 軌道誤差</p><

29、p>　　有關部門提供一定精度的衛(wèi)星軌道，以廣播星歷形式發(fā)播給用戶使用，從而已知觀測瞬間所觀測衛(wèi)星的位置，因而衛(wèi)星軌道誤差與星歷誤差是一個含義。衛(wèi)星星歷誤差又等效為偽距誤差。由于衛(wèi)星軌道受地球和日、月引力場、太陽光壓、潮汐等攝動力及大氣阻力的影響，而其中有的是隨機影響，而不能精密確定，使衛(wèi)星軌道產生誤差?？刂凭W的靜態(tài)GPS測量是利用載波相位測量，一般是由一個點設為已知點與一個待定點位同步觀測GPS衛(wèi)星，取得載波相位觀測值，從而得出待

30、定點位的坐標或兩點間的坐標值，稱為基線測量。短基線測量可以消除SA影響。動態(tài)測量解決SA影響的途徑是實時差分定位(稱Real-time)，即在已知坐標點上布設基準點，通過基準站取得誤差校正值，通過數據鏈實時傳給導航定位的移動站，從而消除SA影響及兩站的各種共同的誤差，提高了移動站的導航定位精度。加濾波等處理的導航軟件以及組合導航系統(tǒng)，已使導航定位精度差分距離在100km左右時達到亞米級，差分距離遠于1500km時達到米級。</p&

31、gt;<p>　　3.1.2 美國的SA技術與AS影響</p><p>　　SA技術是選擇可用性(Selective Availability)的簡稱，它是由兩種技術使用戶的定位精度降低，即（di-ther）技術和(epsilon)技術。技術是人為地施加周期為幾分鐘的呈隨機特征的高頻抖動信號，使GPS衛(wèi)星頻率10.23MHz加以改變，最后導致定位產生干擾誤差，技術是降低衛(wèi)星星歷精度，呈無規(guī)則的隨機變

32、化，使得衛(wèi)星的真實位置增加了人為的誤差。</p><p>　　AS技術(Anti-Spoofing)叫反電子欺騙技術，其目的是為了在和平時期保護其P碼，不讓非授權用戶使用；戰(zhàn)時防止敵方對精密導航定位作用的P碼進行電子干擾。AS技術使得用C/A碼工作的用戶無法再和P碼相位測量聯(lián)合解算進行雙頻電離層精密測距修正，實際降低了用戶定位精度【1】。</p><p>　　3.1.3 確定GPS衛(wèi)星軌道

33、是減少星歷誤差和消除技術影響的根本方法</p><p>　　利用區(qū)域性GPS跟蹤網可以確定GPS衛(wèi)星軌道。跟蹤站地心坐標的誤差對衛(wèi)星軌道的影響是10倍或更大。因此，要提供優(yōu)于2m精度的衛(wèi)星軌道要求跟蹤站地心坐標的精度優(yōu)于0.1m。據介紹，采用強約束全球站松弛軌道的加權約束基準方法，可以得出優(yōu)于5cm的相對坐標值，基本上可以滿足我國現階段區(qū)域性定軌的需要。</p><p>　　3.2 與信號

34、傳播有關的誤差</p><p>　　3.2.1 太陽光壓對GPS衛(wèi)星產生攝動加速度</p><p>　　太陽光壓對衛(wèi)星產生攝動影響衛(wèi)星的軌道，它是精密定軌的最主要誤差源。太陽光壓對衛(wèi)星產生的攝動加速度受太陽與地球間距離的變化而引起太陽輻射壓力的變化，也與太陽光強度、衛(wèi)星受到的照射面程和照射面積與太陽的幾何關系及照射面的反射和吸收特性有關，由于衛(wèi)星表面材料的老化、衛(wèi)星姿態(tài)控制的誤差等也使太陽

35、光壓發(fā)生變化。已有的太陽光壓改正模型有：標準光壓模型、多項式光壓模型和ROCK4光壓攝動模型，這幾種光壓模型精度基本上相當，可以滿足1m定軌的要求。最近有人提出，用附加隨機過程參數的方法或者對較長的軌道用一階三角多項式逼近非模型化的長期項影響，可得到更理想的結果，甚至可以滿足0.1～0.2m精度的定軌要求。</p><p>　　3.2.2 電離層的信號傳播延遲</p><p>　　電離層引

36、起碼信號傳播延遲，它與沿衛(wèi)星和用戶接收機視線方向上的電子密度有關，在垂直方向上延遲值在夜間平均可達3m左右，白天可達15m，在低仰角情況下分別可達9m和45m，在反常時期這個值還會加大。為了削弱電離層延遲所引起的定位精度損失，在長基準測量中用雙頻接收機采集GPS數據，對觀測成果進行實時電離層延遲改正，可以獲得很好的效果。對于單頻接收機的用戶，雖然可以用數學模型進行改正，但其殘差仍然很大。也可以用提高衛(wèi)星高度截止角減少其影響。在赤道和地極

37、附近存在著嚴重的電離層赤道擾動和地極擾動。因而，利用雙頻GPS接收機觀測，只適用于沒有電離層擾動的中緯度地區(qū)來進行電離層改正。赤道擾動。最壞的電離層影響是在赤道附近。強烈影響大概在±10°以內的區(qū)域，此影響可延續(xù)至赤道兩邊的±30°。擾動一般在日落到午夜發(fā)生，延續(xù)到第二天黎明。它是由電離層中電子含量小規(guī)模無規(guī)律引起的，它有幾米到幾千米的波長，這些無規(guī)律的電子密度能夠產生衍射和反射效應，接收的信號能

38、使相位和振幅變異，它能妨礙GPS衛(wèi)星信號跟蹤，引起周跳。甚至基線在10km以內時，強烈的電子水平分布梯度能使模糊度解算不能進行。地極擾動。它沒有赤道附近</p><p>　　3.2.3 對流層的信號傳播延遲</p><p>　　對流層延遲是電磁波信號通過對流層時其傳播速度不同于真空中光速所引起的。分干大氣分量和濕大氣分量。在低仰角時它可以達到20m。其中干大氣分量約占80%～90%，可以用

39、一定的模型GPS測量誤差源分析及精度控制雷娟勘察設計設計大部分改正掉。濕大氣分量數值雖不大，但它隨緯度和高度的變化呈現出很大的變化，而且隨時間變化得非?？臁Ｓ捎诳諝庵械乃透蓺庀喈旊y以預測，所以測量中往往測量的是干、濕分量混合體，故難以得到它的準確值。到目前為止已開發(fā)出來了許多計算濕對流層延遲的實用模型，但對流層延遲仍為主要誤差源。對流層延遲與電離層延遲一樣，主要影響天頂方向，由于它們的相關性，在短基線測量中會很好的消除，在長基線測量

40、中采取雙頻接收機也能很好的減少其影響。對于對流層延遲，多用隨機過程模擬和濾波方法進行參數估算及函數逼近方法模擬改正。好的數學模型改正，可以使基線天頂方向提高到水平方向(平面坐標)接近的水平。</p><p>　　3.2.4 多路徑誤差</p><p>　　多路徑誤差是指GPS信號射至其他的物體上又反射到GPS接收天線上，對GPS信號直接射至GPS接收天線上的直接波的干擾。多路徑誤差的大小，

41、取決于反射波的強弱和用戶天線抗衡反射波的能力。用戶天線附設仰徑板，當仰徑板半徑為40cm，天線高于1m～2m，可抑制多路徑影響。據大量資料的分析統(tǒng)計，多路徑誤差有以下危害：</p><p>　?。?）當邊長小于 10km 時，主要誤差源是天線的對中誤差和多路徑誤差；</p><p>　?。?）多路徑誤差對點位坐標的影響，在一般環(huán)境下可達5～9cm，在高反射環(huán)境下可達15cm;</p&

42、gt;<p>　?。?）在高反射環(huán)境(城鎮(zhèn)、水體旁、沙灘、飛機、艦船等)下，碼信號受多徑誤差的影響，可導致接收機的相位失鎖；</p><p>　　實踐證明，觀測值中的很多周跳都是由于多路徑誤差引起的。接收機天線附近的水平面、垂直面和斜面都會使GPS信號產生鏡反射。天線附近的地形地物，例如道路、樹木、建筑物、池塘、水溝、沙灘、山谷、山坡等都能構成鏡反射。因此，選擇GPS點位時應特別注意避開這些地形地物

43、，采取提高天線高度和其他防止多路徑誤差的措施。</p><p>　　3.3 與接收機有關的誤差</p><p>　　3.3.1 接收機中誤差</p><p>　　GPS接收機一般采用高精度的石英鐘，其穩(wěn)定度約為10。若接收機鐘與衛(wèi)星鐘間的同步差為1µs，則由此引起的等效距離誤差約為300m。</p><p>　　減弱接收機鐘差的方法

44、：</p><p>　?。?）把每個觀測時刻的接收機鐘差當作一個獨立的未知數，在數據處理中與觀測站的位置參數一并求解。</p><p>　?。?）認為各觀測時刻的接收機鐘差間是相關的，像衛(wèi)星鐘那樣，將接收機鐘差表示為時間多項式，并在觀測量的平差計算中求解多項式的系數。這種方法可以大大減少未知數，該方法成功與否的關鍵在于鐘誤差模型的有效程度。</p><p>　?。?

45、）通過在衛(wèi)星間求一次差來消除接收機的鐘差。</p><p>　　3.3.2 接收機的位置誤差</p><p>　　接收機天線相位中心相對于測站標石中心位置的誤差，叫做接收機位置誤差。 這里包括天線的只憑和對中誤差，量取天線高誤差。如將天線高度為1.6m 時置平誤差為0.1°時，可能會產生對中誤差3mm。因此在精密定位時，必須仔細操作，以盡量減少這種誤差的影響。在變形監(jiān)測中，應用有

46、強制對中裝置的觀測墩。</p><p>　　3.3.3 天線相位中心位置的偏差</p><p>　　在GPS測量中，觀測值都是以接收機天線的相位中心位置為準的，而天線的相位中心與其幾何中心，在理論上應保持一致?？墒菍嶋H上天線的相位中心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（一般稱相位中心）與理論上的相位中心將有所不同，這種差別叫天線相位中心的位置偏差。這種偏差的

47、影響，可達數毫米至數厘米。而如何減少相位中心的偏移是天線設計中的一個重要問題。</p><p>　　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、測站上同步觀測了同一組衛(wèi)星，，那么便可以通過觀測值的求差來消弱相位中心偏移的影響。不過，這時各觀測站的天線應按天線附有的方向進行定向，使之根據羅盤指向磁北極。通常定向偏差應保持在3°以內。</p><p><b&

48、gt;　　4 實驗內容</b></p><p><b>　　4.1 研究內容</b></p><p>　　我國1992 年頒布的《全球定位系統(tǒng)(GPS) 測量規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)，對GPS 相對定位的精度、相鄰點的距離及觀測時段長度的規(guī)定如表4-1 所列。其中AB 兩級一般是國家控制網， C、D、E 級是局部控制網【5】。</p>&l

49、t;p>　　表 5-1 GPS測量有關技術規(guī)定 </p><p>　　按表4-1 的規(guī)定， 用GPS 進行控制測量，相鄰點的距離最短在1km 以上(E 級)；觀測時段長度最短在60min 以上(D、E 級)。然而，一些小范圍的測量控制網，如變形監(jiān)測網、工程建筑物施工控制網等，可能其一部分或所有相鄰點的距離在1km 以內。 </p>&

50、lt;p>　　另外，隨著GPS 定位技術的發(fā)展，衛(wèi)星數的增多更新。目前所用GPS接收機的實際相對定位精度及其穩(wěn)定性較高， 許多廠家生產的GPS 接收機( 如NGS9600，leicaNGSS1200，Trimble 4700等) 可達到B 級以上的定位精度。因此， 探討用GPS 布設短基線控制網的精度和縮短觀測時段長度的可行性，有其重要意義。在研究這一問題的同時，還對NGS9600GPS天線相位中心偏差進行測定，對不同時間、不同時

51、段的觀測精度進行分析研究，將南方GPS數據處理軟件與天寶TGO數據處理軟件精度進行比較等，對如何提高作業(yè)效率，提高作業(yè)質量提供參考意見。</p><p><b>　　4.2測區(qū)概述</b></p><p>　　測區(qū)為山東科技大學泰安校區(qū)從西門到東門繞環(huán)山公路的一個閉合環(huán)。本人于2010年5月用標稱精度為± (5mm + 1ppm ) 的NGS9600GPS

52、接收機， 采用4 臺接收機在位于學校周圍的4 個控制點上進行了觀測試驗(見圖1)。又用Leica dna03 電子水準儀進行二等水準觀測。</p><p>　　圖4-1 埋點布設圖</p><p><b>　　4.2.1 選點</b></p><p>　　（1）點位應設在易于安裝接收設備、視野開闊的較高點之上。</p><

53、;p>　?。?）點位應遠離大功率無線電發(fā)射源（如電視臺、微波站等），其距離不小于200m;遠離高壓輸電線和微波無線電信號傳送通道，其距離不得小于50m。以避免電磁場對GPS信號的干擾。</p><p>　?。?）點位附近不應有大面積水域或不應有強烈干擾衛(wèi)星信號接受的物體，以避免多路徑效應的影響。</p><p>　?。?）點位應選在交通方便，有利于其他觀測手段擴展與聯(lián)測的地方。<

54、;/p><p>　　（5）當理用舊點時，應對舊點的穩(wěn)定性、完好性，以及點位是否安全 、可用性進行檢查，符合要求方可利用。</p><p>　?。?）選擇兩個可以通視的點，便于對其進行距離監(jiān)測，便于與GPS基線長度比較。</p><p>　　因為路面比較結實，可直接在路面嵌入鋼釘。鋼釘要稍高出路面2~3MM以便于水準觀測。</p><p><

55、b>　　4.3 觀測</b></p><p>　　4.3.1 觀測前設置</p><p>　　觀測前對GPS接收機進行編號1號、2號、3號、4號，保證各個點每次觀測都以相同儀器條件1號機器觀測1號點，2號機觀測2號點，3號機器觀測3號點，4號機觀測4號點。并設置高度截止角15°，采樣間隔1s，采樣次數3。</p><p>　　4.3.2

56、觀測時注意事項</p><p>　?。?）在正常點位，天線安置在三腳架上，并安置在標志中心的上方直接對中，天線基座上的圓水準氣泡必須整平。架不宜過低，一般應距地面一米以上。</p><p>　?。?）在天線的上表面，位于電池盒上方的測點上有一個小三角形，它是定向標志，用它來對準參考北向。所有的接收機在測量時應對準相同方向。</p><p>　?。?）天線架設好后，在

57、圓盤天線間隔120°的三個方向分別量取天線高，三次測量結果之差不應超過3mm，取其三次結果的平均值計入測量手薄中，天線高記錄取值0.001m。</p><p>　?。?）打開接收機完成設置，搜尋衛(wèi)星，接收機將開始數據采集。打開主機電源后，初始界面有三種采集工作方式選擇(三種采集方式不同之處實訓一中的有關介紹)，你需選擇其中任何一種工作方式來采集數據，若不進行選擇，則延時10 秒后自動進入默認采集方式“智

58、能模式”。觀測過程中要隨時查看儀器內存或硬盤容量。</p><p>　?。?）結束采集，再次量取天線高，方法同步驟（4）。</p><p>　?。?）每日觀測結束后，應及時將數據轉存至計算機硬、軟盤上，確保觀測數據不丟失【6】。</p><p>　　4.3.3 具體觀測</p><p>　　觀測時采用4 臺接收機， 構成6 個同步環(huán)，共觀測4

59、天，第一次（4月29日）連續(xù)觀測八小時采樣間隔15秒，嚴格對中整平所有的GPS機屏幕統(tǒng)一朝北；第二次（5月4日）觀測六個小時，采樣間隔1秒，嚴格對中整平，所有的GPS機屏幕統(tǒng)一朝北；第三次（5月6日）連續(xù)觀測四個時段，每一時段60min，基座不動僅動GPS天線，嚴格對中整平，第一時段屏幕統(tǒng)一朝北，第二時段屏幕統(tǒng)一朝東，第三時段屏幕統(tǒng)一朝南，第三時段屏幕統(tǒng)一朝西；第四次（5月19日）僅對能相互通視的C3－C4基線進行觀測，在C3點安置3號

60、機，屏幕朝北，連續(xù)觀測六個時段。在C4點安置4號機，嚴格對中整平連續(xù)觀測四個時段，每一時段60分鐘，第一時段屏幕朝東，第二時段屏幕朝南，第三時段屏幕朝西，第三時段屏幕統(tǒng)一朝北。卸下4號機天線，基座不動，依次換上1號機和2號機的天線部分，各觀測一個時段，每時段60分鐘，保證與3號機同步。</p><p>　　5 實驗數據分析及結論</p><p>　　4臺GPS接收機進行同步環(huán)觀測，同步環(huán)

61、閉合差從理論上講等于零，但由于計算環(huán)中各基線向量時所采用的觀測資料實際上并不嚴格相同，數據處理軟件不夠完善以及計算過程中舍入誤差等原因，同步環(huán)閉合差實際上并不為零【2】。也就是說同時對四個點的采集數據進行處理得到的基線向量已經做了改動，所以在研究現有這四臺GPS的定位精度時應該選擇其中兩個點的采集數據進行處理，即對獨立的基線向量進行處理。GPS精度比較的方法常見坐標比較法和基線比對法。</p><p>　　5.1

62、 TGO與南方數據處理軟件精度比較</p><p>　　在南方數據處理軟件中導入觀測數據后不進行解算，直接Rinex輸出，再用TGO數據處理軟件對所得Rinex數據處理，Rinex數據分為觀測值文件（用于存放GPS觀測值）、導航電文文件（用于存放GPS衛(wèi)星導航電文）【2】。在觀測值文件中可以準確地截取觀測時間段，下面對5月4號的觀測數據9~10時和10~11時的TGO數據處理完的基線長度與南方數據處理軟件處理后的

63、基線長度進行比較，見表（5-1）</p><p>　　TGO與南方數據處理比較 表5-1</p><p>　　圖5-1 TGO與南方數據處理后差值（單位mm）</p><p>　　數據最大相差2mm，最小相差-1mm。說明TGO軟件和南方GPS數據處理軟件處理的結果基本相同。9:00~10:00這一時段與10:00~11:00時段的基線數據相差最大為

64、6mm，最小-2mm。產生的誤差相對較大，原因分析：</p><p>　?。?）對衛(wèi)星信號的不良歷元處理不相同，有些較小的不良歷元沒處理掉，導致變動較大；</p><p>　?。?）觀測時段的不同，所采集的衛(wèi)星位置也有所變動，接收到不同衛(wèi)星的信號而引起地面定位精度的變化。</p><p>　?。?）外界環(huán)境（氣溫、太陽光強度等）的變化導致兩個觀測時段的定位結果略有不

65、同。 </p><p>　　5.2 短基線測量定位精度研究</p><p>　　隨著GPS 相對定位精度及其穩(wěn)定性的提高，現行GPS測量規(guī)范對各等級GPS控制測量規(guī)定的相鄰點的最短距離和最短觀測時段長度已不盡合理。</p><p>　　表5-2 基線數據隨觀測時長變化表</p><p>　　20分鐘得到基線數據與以后較

66、長時間的基線數據相差5mm。這說明20分鐘的靜態(tài)觀測可以滿足要求，進行相鄰點距離小于1km 的短基線平面控制測量，可以達到三等三角網的精度，點位精度可優(yōu)于1cm。</p><p>　　該GPS 試驗網的相鄰點距離均在1km 以內，點間距變化范圍為0. 26～ 0. 64km ，平均點間距為0. 38km。上述GPS 試驗網用標稱精度為±(1mm + 1ppm ) 的SOKKIA SET510全站儀測定了

67、C3—C4邊長。往返各測10次，取平均值264.1197。下面利用該網的GPS 和傳統(tǒng)大地測量數據， 分析其GPS 測量成果的精度。</p><p>　　表5-3 全站儀觀測數據</p><p>　　下面對GPS 網的精度進行分析：</p><p>　　從表5-3 看出， GPS 測量的橢球距離與光電測距儀測得的邊長之間的最大互差只為

68、10mm，GPS 邊長與光電邊長很接近，且不存在明顯的系統(tǒng)誤差的影響(正、負互差的個數及其數值的大小接近)。因為光電測距儀所測量的邊長精確可靠， 故可認為該GPS 試驗網的觀測數據及其數據處理結果是可靠的。 </p><p>　　從以上分析可見：在較好的觀測條件下(可視衛(wèi)星數在6 顆以上， PDOP 值≤8) ， 用標稱精度為± (5mm + 1ppm ) 的GPS 接收機， 以2個觀測時段、每個時段用

69、快速靜態(tài)定位觀測20min，進行相鄰點距離小于1km的短基線平面控制測量， 可以達到三等三角網的精度，點位精度可優(yōu)于1cm。按表1 中的精度指標和相鄰點的距離，可計算出《規(guī)范》對各等級GPS 測量的邊長相對精度的要求【5】(見表5-4)。</p><p>　　表5-4 各級 GPS 測量基本技術要求規(guī)范 </p><p>　　表5-5

70、 各等級GPS 測量的邊長相對精度【5】</p><p>　　按表5-4 中的精度指標和相鄰點的距離,可計算出《規(guī)范》對各等級GPS 測量的邊長相對精度的要求(見表5-5)。從表5-5 知，C 級網與國家一、二等三角網的精度相當；D、E 兩級網分別與國家三、四等三角網的精度相當。</p><p><b>　　綜上所述</b></p><p>

71、　　（1）當用標稱精度為±(5mm + 1ppm ) 的GPS 接收機，用2 個觀測時段進行D、E 兩級控制測量時，《規(guī)范》應允許相鄰點的距離小于1km (依據本次試驗結果， 最短距離不小于0. 5km為宜)， 一個時段可以用快速靜態(tài)定位觀測 20 min。這樣， 既可滿足精度要求，又可更好地發(fā)揮GPS 定位的優(yōu)越性，節(jié)省觀測時間和成本。</p><p>　　（2）用精度指標為± ( 5mm

72、+1ppm ) 的GPS 接收機進行相鄰點距離小于1km 的平面控制測量， 由于基線很短， 比例誤差的影響是很小的， 定位誤差的主要來源是與接收設備有關的常量誤差， 其中接收機天線相對于測站中心的安置誤差是一項重要的誤差來源。所以， 本次試驗中注意將天線嚴格置平和對中，并在各觀測時段的前后分別精確量取天線高2 次，取其均值， 盡可能地減小接收機天線相對于測站中心的安置誤差。</p><p>　　5.3 確定GP

73、S天線相位中心的偏差</p><p>　　GPS天線相位中心偏差可分為水平偏差和垂直偏差兩部分。就一般天線而言，其相位中心在垂直方向上的偏差遠大于在水平方向上的偏差（水平偏差僅幾個毫米，垂直偏差可達160mm）。</p><p>　　5.3.1 水平偏差</p><p>　　目前，GPS接收機天線相位中心誤差的檢測方法有兩種。一種是用室內微波天線測量設備測定，即通過

74、精密可控微波信號源測量天線接收信號的強度分布來確定天線電氣中心，從而測定天線相位中心偏差。此種方法測定精度較高，但設備復雜昂貴，測量費用高，且一般測繪部門無此設備。另一種方法是在野外利用接收到的GPS衛(wèi)星發(fā)播的信號，通過測定兩天線間的基線向量來測定天線相位中心的偏差，即基線測量相對測定法，也稱為旋轉天線法。</p><p>　　對能相互通視的C3－C4基線進行觀測，在C3點安置3號機，屏幕朝北，連續(xù)觀測六個時段。

75、在C4點安置4號機，嚴格對中整平連續(xù)觀測四個時段，每一時段60分鐘，第一時段屏幕朝東，第二時段屏幕朝南，第三時段屏幕朝西，第三時段屏幕統(tǒng)一朝北。卸下4號機天線，基座不動，一次換上1號機和2號機的天線部分，各觀測一個時段，每時段60分鐘，保證與3號機同步。</p><p>　　表5-6 天線不同朝向觀測數據</p><p>　　圖 5-2 天線相位中心變化示意

76、圖</p><p>　　假設C3點坐標是（0，0）則C4點坐標：屏幕朝東(213.222，-1.177) 屏幕朝南(213.23，-1.182) 屏幕朝西(213.226，-1.182) 屏幕朝北(213.224，-1.175)取四次觀測的中數，平面坐標對應數值為（213.226，-1.179），把它當做儀器的相位中心位置，則在屏幕朝北的情況下，4號機天線中心的實際位置為（X+0.002，Y-0.004），1號機

77、天線中心的實際位置為（X-0.007，Y+0.002），2號機天線中心的實際位置為（X，Y+0.001），1號機其中(X， Y)為天線屏幕朝北時的天線幾何中心位置。一號機天線中心的實際位置偏差略大，原因可能來自外部條件影響，但沒有超出其出廠標定的精度，可以用于高精度的定位測量。</p><p>　　5.3.2 垂直偏差的確定</p><p>　　GPS接收機天線相位中心在垂直方向上的偏差

78、遠大于在水平方向上的偏差，且隨著天線型號不同而不同。目前，有的GPS接收機已標稱其GPS接收機天線相位中心偏差為0（即0相位中心偏差），但由于種種原因，實際觀測時天線相位中心偏差不為0。經檢測和研究表明，GPS接收機天線相位中心在垂直方向上的偏差與GPS接收機廠家標稱值差，最大可達厘米級，這對于高精度的GPS變形監(jiān)測是不能忽視的。因此，在進行高程方向精度要求較高的GPS測量時，應檢測GPS接收機天下相位中心在垂直方向上的偏差，并加以改正

79、。</p><p>　　在野外檢測兩個GPS天線相位中心在垂直方向上偏差之差的方法——“高差比較法，其基本原理如下：</p><p>　　在相距幾米附有強制對中裝置的觀測點C3和C4上，各安裝一臺GPS接收機，設C3和C4的大地高分別為和，天線高分別為和，和為在C3和C4進行GPS觀測后求出的大地高觀測值，設安置在C3和C4點上GPS天線相位中心在垂直分量上偏差為和。則有：</p&g

80、t;<p>　　=-=（--）-（--） （5-1）</p><p>　　可得出兩臺GPS天線相位中心垂直之差</p><p>　　=-=(-)--(-)=- （5-2）</p><p>　　式（5-2）中，為測站A和B之間的GPS 觀測的大地高之高差，可由精密水準測量測得，若GPS天線相位中心高無偏差，則-應為零。所以，當已知其中

81、一個天線相位中心在垂直方向上的偏差（例如，由微波天線測量設備測定）便可以測定另一天線相位中心在垂直方向上的偏差。若兩GPS天線相位中心偏差都未正確測定，則可測定一對GPS天線相位中心在垂直方向上偏差之差。這個就是我們在進行GPS相對定位時，求定兩點之間高差所需要的GPS天線相位中心在垂直方向上的改正。</p><p>　　對閉合環(huán)進行二等水準觀測，觀測時采用leica DNA03 電子水準儀，限差【5】要求如下表

82、：</p><p>　　表5-7 二等水準觀測限差</p><p>　　閉合環(huán)線中四點的高程：</p><p>　　表5-8 高程表</p><p>　　4月29日的觀測數據以15秒為一個采樣間隔，C3與C4的高差與二等水準測得高差最大相差=29mm，5月4日的觀測數據以1秒為

83、一個采樣間隔，數據量比較大，高差與二等水準的高差最大相差=3mm。實測表明：</p><p>　?。?）采用同型號GPS接收機及天線進行測量時，值不是固定的，隨時間變化，最大可達。</p><p>　?。?）觀測時段長度在6h以上，可有效地減弱其影響，若取24h解算的平均值時，兩個GPS天線相位中心在垂直方向上偏差之差值接近于零；</p><p>　?。?）當采用不

84、同型號GPS接收機及天線混合進行測量時，也隨時間變化，但存在系統(tǒng)性偏差，觀測時段再長也消除不了其影響，必須加以改正。</p><p>　　GPS天線相位中心在垂直方向上偏差的大小，主要與GPS天線設計、制造工藝及材料有關，也與觀測環(huán)境、時間、季節(jié)及氣象條件等多種因素有關，這些都有待進一步深入研究。</p><p>　　5.3.3 高程隨觀測時段長度變化</p><p&

85、gt;　　對5月4日的觀測數據，通過截取不同觀測時段長度，獲得GPS大地高。將不同時段所測得的各觀測點的高程統(tǒng)計如表（5-9）所示，假設C1點高程為零。</p><p>　　表5-9 高程隨時間變化情況</p><p>　　將各時段測得的GPS高程與二等水準測得高程相比較，得到高程差值變化表如下：</p><p>　　圖5-3 高程差隨

86、時間變化情況</p><p>　　由圖（5-3）可以清楚地看出GPS的高程觀測精度隨觀測時段長度的減小而逐漸降低。采用六個小時以上觀測時段測得的高程差值較小，可以滿足四等水準測量要求。</p><p>　　5.4 相同衛(wèi)星，不（相）同時段的定位精度比較</p><p>　　在南方GPS數據處理軟件中，打開0504觀測數據文件→數據編輯（禁止無用的衛(wèi)星周跳，選擇較長

87、時間的衛(wèi)星歷元）。例如，選擇四顆衛(wèi)星9、18、26、27，時段選擇11:00~12:00進行基線解算：</p><p><b>　　第一步：</b></p><p>　　圖5-4 單擊觀測數據后</p><p><b>　　第二步：</b></p><p>　　圖5-5 雙擊測站數據后</p

88、><p><b>　　第三步：</b></p><p>　　圖5-6 雙擊基線后</p><p><b>　　數據統(tǒng)計： </b></p><p>　　表5-10 對接收到的衛(wèi)星歷元處理后的基線情況</p><p>　　表5-11 共用四顆衛(wèi)星9、18、26、

89、27 基線解算情況</p><p>　　表5-12 共用五顆衛(wèi)星9、18、26、27、21基線情況 </p><p>　?。?）將5月4號的觀測數據進行處理，每一小時為一個時段，將各個時段的衛(wèi)星信號中的周跳處理后所得基線解算情況如表（5-10）所示。</p><p>　　（2）從上午9時到下午14時，有共用衛(wèi)星四顆：9、18、26、27、，采用同樣的方法，分

90、別選取這四顆衛(wèi)星不同時段的采集歷元，然后進行基線解算，結算結果如表（5-11）所示。發(fā)現方差比小于3，無法進行正常解算，誤差較大；</p><p>　?。?）從上午9時到下午13時，有共用衛(wèi)星五顆：9、18、26、27、21，分別選取這五顆衛(wèi)星不同時段的采集歷元，然后進行基線解算，結算結果如表（5-12）所示。</p><p><b>　　結論：</b></p&

91、gt;<p>　?。?）雖然理論上講GPS觀測至少需要四顆衛(wèi)星，但是此時的GPS機卻無法準確定位，由方差比等于0.99可以看出。只有達到五顆以上可視衛(wèi)星時才可以解出當前GPS機的點位。</p><p>　?。?）對于9:00~13:00共用五顆衛(wèi)星9、18、26、27、21。結算結果與去除周跳后的所有觀測衛(wèi)星歷元相比較，△X差值最小-2mm，最大3mm?！鱕差值最小-8mm，最大2mm。△Z差值最小

92、-7mm，最大-4mm。S差值最小-4mm，最大0mm。可以說明五顆衛(wèi)星的定位結果基本滿足要求，但為了獲得更高精度的定位精度，采集來自較多的衛(wèi)星信號可以滿足這一點。</p><p>　　表5-13 相同時段不同衛(wèi)星的比較</p><p>　　將4月29日9:00~10:00和5月4日9:00~10:00的觀測數據進行比對，△X1-△X2=0.003m， △Y1-△Y=-0.

93、001，△Z1-△Z2=-0.002，S1-S2=0.002，數值相差不大。將5月4日10:00~11:00和5月4日10:00~11:00的觀測數據進行比對，△X1-△X2=0m， △Y1-△Y=-0.001，△Z1-△Z2=-0.001，S1-S2=0，數值相差亦不大，但仍在標稱精度之內。說明在相同時間段，由于衛(wèi)星位置大致相同，氣候條件大致相同，儀器條件也相同的情況下，此時的定位誤差主要來兩次對中整平誤差。</p>&

94、lt;p>　　5.5 高度截止角和采樣間隔變換引起的基線變化</p><p>　　在南方數據處理軟件中，當基線無法獲得解時，即此時的基線顏色是灰色，需要通過改變高度截止角，采樣間隔，如此對所獲得數據進行基線解算，現將結算的極限情況陳列如下：</p><p>　　表5-14 5月4日的數據處理結果</p><p>　　表5-15

95、 4月29日數據處理結果</p><p><b>　　所得結論：</b></p><p>　　（1）采樣間隔為1秒時，3號機和4號機同步33分鐘，采樣間隔為2秒時，3號機和4號機同步66min，采樣間隔為5秒時，3號機和4號機同步166分鐘，采樣間隔為10秒時，3號機和4號機同步331分鐘。大于10秒的時間間隔后，同步都為331分鐘，說明采樣間隔在沒必要的情

96、況下可以設為10秒及以上，因為這樣可以節(jié)約GPS內存，而且在GPS機整日長時間觀測時可節(jié)省電量。</p><p>　?。?）在相同的采樣間隔中，截止角為15°和20°的基線解算情況較為合理理想，所以在沒有特殊觀測情況下，對基線的解算處理應該將截止角設定在15°和20°之間。</p><p>　?。?）在相同的高度截止角。采樣間隔為15，20，25秒時

97、基線情況較為合理理想，所以在基線處理時對采樣間隔的選擇以15秒，20秒和25秒為首選。</p><p>　　5.6 處理不良歷元的重要性驗證</p><p>　　在基線處理時，將不良歷元（毛刺）的處理是在進行基線結算前必須進行的一步，下面采用實驗但對處理錯誤歷元的重要性進行檢驗證明。</p><p>　　表5-16 未處理歷元的基線解算隨歷元間隔變化情況

98、 </p><p>　　表5-17 處理錯誤歷元的基線解算隨歷元間隔變化情況 </p><p>　　說明是否處不良誤歷元對GPS定位精度的影響不大，但是處理不良歷元后，在截止角不變的條件下，隨著歷元間隔的變化，基線情況變化均勻，可以說微乎其微。而不處理不良歷元的表（5-16）在歷元間隔為35秒的時候出現變動較大，所以基線解算過程中做好對不良歷元進行處理，消除其影響。</

99、p><p><b>　　6　結束語</b></p><p>　　根據試驗分析結果，在參照GPS 測量規(guī)范中的有關技術規(guī)定下可得出如下結論和看法，供GPS 用戶制定短基線平面控制測量方案時參考。</p><p>　　(1) 用標稱精度為± (5mm + 1ppm ) 的GPS 接收機，以2 個觀測時段、每個時段用快速靜態(tài)定位觀測20min，

100、進行相鄰點距離小于1km 的短基線平面控制測量，在較好的觀測條件下，可以達到三等三角網的精度，點位精度可優(yōu)于1cm。</p><p>　?。?）在區(qū)域面積不大，地形部復雜的地區(qū)可以采用GPS高程測量，同時還要求GPS觀測已知點要有足夠的精度，合理布置網型。高程控制時需要觀測六個小時以上，可達到四等水準觀測要求。</p><p>　?。?) 對于GPS控制網基線測量，基線長度較短的情況下，G

101、PS的軌道誤差，太陽光壓影響及美國SA技術基本對測量精度不發(fā)生影響。在作業(yè)過程中，在GPS接收機滿足作業(yè)精度要求的情況下，測量的主要誤差源是多路徑誤差、周跳和點位的對中誤差。</p><p>　?。?） 觀測前最好根據星歷預報選擇最佳觀測時段。下午14時以后至15時定位精度低。所以高精度GPS觀測最好避開這個時間段，在其余時間觀測不僅能提高效率，而且質量也有保障。</p><p>　?。?

102、）現有的NGS9600沒有標明天線方向，所以在進行定位觀測時讓屏幕方向朝向相同是有必要的。尤其是在獨立環(huán)觀測中，隔日觀測時最好仍然在同樣的點上使用同樣的儀器，有天線方向的GPS機最好讓天線方向統(tǒng)一朝北。</p><p>　?。?）采樣間隔在沒必要的情況下可以設為10秒及以上，因為這樣可以節(jié)約GPS內存，而且在GPS機整日長時間觀測時可節(jié)省電量。</p><p>　?。?）不可以將基線向量長

103、度誤解為兩點間平距，研究發(fā)現，在TGO數據處理軟件中，兩點間的橢球距離才是我們用光電測距儀所測得的平距。</p><p>　　補充說明：因為時間有限，測得的數據具有主觀性，因此不排除個別環(huán)境原因影響下（如陰天、夜晚等）造成的GPS測量精度有所改變。所以以上結論僅供參考。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]徐

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