武大控制測量學 第6章 GPS衛(wèi)星定位基礎(chǔ).ppt

第六章gps衛(wèi)星定位基礎(chǔ) 本章提要 6 1gps概述6 2gps定位原理6 3gps控制網(wǎng)的設(shè)計6 4gps外業(yè)觀測6 5gps數(shù)據(jù)處理 習題 本章提要 主要講述gps定位系統(tǒng)的組成 gps定位原理 gps控制網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計和外業(yè)觀測 gps數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容 并結(jié)合昆明市g(shù)ps連續(xù)運行參考站的建立 講述了運行參考站技術(shù)在控制測量中的應(yīng)用 6 1gps概述 1 gps定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng) globalpositioningsystem gps 是一種定時和測距的空間交會定點的導航系統(tǒng) 可以向全球用戶提供連續(xù) 實時 高精度的三維位置 三維速度和時間信息 2 系統(tǒng)組成gps系統(tǒng)包括三大部分 地面控制部分 空間部分 用戶分 地面控制部分 地面控制部分 主控站 監(jiān)控站和注入站 主控站 位于美國科羅拉多 colorado 的法爾孔 falcon 空軍基地 根據(jù)各監(jiān)控站對gps的觀測數(shù)據(jù) 計算出衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星時鐘的改正參數(shù)等 并將這些數(shù)據(jù)通過注入站注入到衛(wèi)星中去 對衛(wèi)星進行控制 向衛(wèi)星發(fā)布指令 當工作衛(wèi)星出現(xiàn)故障時 調(diào)度備用衛(wèi)星 替代失效的工作衛(wèi)星工作 主控站還具有監(jiān)控站的功能 監(jiān)控站 主控站 夏威夷 hawaii 阿松森群島 ascencion 迭哥伽西亞 diegogarcia 和卡瓦加蘭 kwajalein 接收衛(wèi)星信號 監(jiān)測衛(wèi)星的工作狀態(tài) 注入站 阿松森群島 ascencion 迭哥伽西亞 diegogarcia 和卡瓦加蘭 kwajalein 其作用和功能是 注入站的作用是將主控站計算的衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星時鐘的改正參數(shù)等注入到衛(wèi)星中去 空間部分 衛(wèi)星分布組成 由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成gps衛(wèi)星星座 衛(wèi)星分布情況24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面內(nèi) 軌道傾角為55度 各個軌道平面之間夾角為60度 即軌道的升交點赤經(jīng)各相差60度 每個軌道平面內(nèi)各顆衛(wèi)星之間的升交角相差90度 每顆衛(wèi)星的正常運行周期為11h58min 若考慮地球自轉(zhuǎn)等因素 將提前4min進入下一周期 gps衛(wèi)星信號載波 l波段雙頻l11575 42mhz l21227 60mhz衛(wèi)星識別 碼分多址 cdma 測距碼 c a碼 民用 p碼 美國軍方及特殊授戶 導航數(shù)據(jù) 衛(wèi)星軌道坐標 衛(wèi)星鐘差方程式參數(shù) 電離層延遲修正 用戶部分 組成 gps接收機 氣象儀器 計算機 鋼尺等儀器設(shè)成 gps接收機 天線單元 信號處理部分 記錄裝置和源 天線單元 由天線和前置放大器組成 靈敏度高 抗干擾性強 gps天線分為單極天線 微帶天線 錐型天線等 信號處理部分 是gps接收機的核心部分 進行濾波和信號處理 由跟蹤環(huán)路重建載波 解碼得到導航電文 獲得偽距定位結(jié)果 記錄裝置 主要有接收機的內(nèi)存硬盤或記錄卡 cf卡 電源 分為外接和內(nèi)接電池 12v 機內(nèi)還有一鋰電池 ptk系統(tǒng) 導航型接收機 大地型接收機 gps接收機的基本類型 大地型 導航型和授時型三種 大地型接收機按接收載波信號的差異分為單頻 l1 型和雙頻 l1 l2 型 3gps系統(tǒng)的特點定位精度高gps相對定位精度在50km以內(nèi)可達10 6 100 500km可達10 7 1000km可達10 9 在300 1500m工程精密定位中 1小時以上觀測的解其平面其平面位置誤差小于1mm 觀測時間短20km以內(nèi)快速靜態(tài)相對定位 僅需15 20分鐘 rtk測量時 當每個流動站與參考站相距在15km以內(nèi)時 流動站觀測時間只需1 2分鐘 測站間無須通視可節(jié)省大量的造標費用 由于無需點間通視 點位位置可根據(jù)需要 可稀可密 使選點工作甚為靈活 也可省去經(jīng)典大地網(wǎng)中的傳算點 過渡點的測量工作 可提供三維坐標gps可同時精確測定測站點的三維坐標 平面 大地高 通過局部大地水準面精化 gps水準可滿足四等水準測量的精度 操作簡便全天候作業(yè)gps觀測可在一天24小時內(nèi)的任何時間進行 功能多 應(yīng)用廣可用于測量 導航 精密工程的變形監(jiān)測 還可用于測速 測時 4gps的應(yīng)用 1 gps應(yīng)用于導航主要是為船舶 汽車 飛機等運動物體進行定位導航 船舶遠洋導航和進港引水 機航路引導和進場降落 汽車自主導航 地面車輛跟蹤和城市智能交通管理 緊急救生 個人旅游及野外探險 個人通訊終端 與手機 pda 電子地圖等集一體 2 gps應(yīng)用于授時校頻gps時間系統(tǒng)建立的示意圖gps全部衛(wèi)星與地面測控站構(gòu)成一個閉環(huán)的自動修正系統(tǒng) 采用協(xié)調(diào)世界時utc usno mc 為參考基準 gps時間系統(tǒng)建立的示意圖 3 gps應(yīng)用于高精度測量各種等級的大地測量 控制測量 道路和各種線路放樣 水下地形測量 地殼形變測量 大壩和大型建筑物變形監(jiān)測 gis數(shù)據(jù)動態(tài)更新 工程機械 輪胎吊 推土機等 控制 精細農(nóng)業(yè) 6 2gps定位原理 1 gps定位中的誤差源 1 衛(wèi)星有關(guān)的誤差 衛(wèi)星星歷誤差衛(wèi)星星歷誤差 由衛(wèi)星星歷所給出的衛(wèi)星位置與衛(wèi)星的實際位置之差 星歷誤差的大小主要取決于衛(wèi)星定軌系統(tǒng)的質(zhì)量 觀測值的數(shù)量及精度 定軌時所有的數(shù)學力學模型和定軌軟件的完善程度等 此外與星歷的外推時間間隔 實測星歷的外推時間間隔可視為零 也有直接關(guān)系 軌道誤差對基線測量的影響可用下式表示 式中 dr為軌道誤差 d為基線長 為衛(wèi)星至地球表面距離 大約25000km db為基線誤差 衛(wèi)星鐘的鐘誤差衛(wèi)星上雖然使用了高精度的原子鐘 但它們也不可避免地存在誤差 這種誤差既包含著系統(tǒng)性的誤差 如鐘差 鐘速 頻漂等偏差 也包含著隨機誤差 2 與信號傳播有關(guān)的誤差 電離層延遲電離層 含平流層 是高度在先50 1000km間的大氣層 電離層延遲 帶電粒子的存在影響無線電信號的傳播 使傳播速度發(fā)生變化 傳播路徑產(chǎn)生彎曲 從而使信號傳播時間t與真空中光速c的乘積不等于衛(wèi)星至接收機的幾何距離 電離層延遲取決于信號傳播路徑上的總電子含量tec和信號的頻率f 而tec又與時間 地點 太陽黑子數(shù)等多種因素有關(guān) 對流層延遲對流層是高度在50km以下的大氣層 gps衛(wèi)星信號在對流層中的傳播速度v c n c為真空中的光速 n為大氣折射率 其值取決于氣溫 氣壓和相對濕度等因子 多路徑誤差多路徑誤差 經(jīng)某些物體表面反射后到達接收機的信號如果與直接來自衛(wèi)星的信號疊加干擾后進入接收機 就將使測量值產(chǎn)生系統(tǒng)誤差 多路徑誤差對測距碼偽距觀測值的影響要比對載波相位觀測值的影響大得多 多路徑誤差取決于測站周圍的環(huán)境 接收機的性能以及觀測時間的長短 3 與接收機有關(guān)的誤差接收機的鐘誤差接收機鐘有誤差 接收機鐘差主要取決于鐘的質(zhì)量 與使用時的環(huán)境也有一定關(guān)系 它對測距碼偽距觀測值和載波相位觀測值的影響是相同的 接收機的位置誤差在進行授時和定軌時 接收機的位置是已知的 其誤差將使授時和定軌的結(jié)果產(chǎn)生系統(tǒng)誤差 接收機的測量噪聲用接收機進行g(shù)ps測量時 由于儀器設(shè)備及外界環(huán)境影響而引起的隨機測量誤差 其值取決于儀器性能及作業(yè)環(huán)境的優(yōu)劣 觀測足夠長的時間后 測量噪聲的影響通?？梢院雎圆挥?4 相對論效應(yīng)相對論效應(yīng) 由于衛(wèi)星鐘和接收機鐘所處運動狀態(tài)和重力位不同引起衛(wèi)星鐘和接收機鐘之間產(chǎn)生相對鐘誤差的現(xiàn)象狹義相對論若衛(wèi)星在地心慣性坐標系中的運動速度為vs 則在地面頻率為f的鐘安置到衛(wèi)星上 其頻率將變?yōu)?兩者的頻率差為 廣義相對論原理 由廣義相對論可知 若衛(wèi)星所處的重力位為 地面測站處的重力位為 那么同一臺鐘放在衛(wèi)星上和放在地面上時鐘頻率將相差 其中 總的影響總的相對論效應(yīng)會使一臺鐘放到衛(wèi)星上去后比在地面時增加 那么解決相對論效應(yīng)的最簡單的辦法就是在制造衛(wèi)星鐘時預先把頻率降低 5 其它因素gps控制部分人為或計算機造成的影響 由于gps控制部分的問題或用戶在進行數(shù)據(jù)處理時引入的誤差等 數(shù)據(jù)處理軟件的算法不完善對定位結(jié)果的影響 2gps基本定位原理 1 概述被動式有源無線電定位技術(shù)利用距離交會的原理確定接收機的三維位置及鐘差 1 gps定位的各種常用的觀測量 l1載波相位觀測值l2載波相位觀測值調(diào)制在l1上的c a code偽距調(diào)制在l2上的p code偽距dopple觀測值 2 對衛(wèi)星進行測距 pij pj rj ri 有關(guān)各觀測量及已知數(shù)據(jù)如下 r 為已知的衛(wèi)地矢量p 為觀測量 偽距 r 為未知的測站點位矢量 接收機對跟蹤的每一顆衛(wèi)星進行測距 3 gps定位的分類 按定位方式單點定位相對定位 差分定位 按接收機的運動狀態(tài)分動態(tài)定位靜態(tài)定位 4 偽距測量 偽距觀測值的計算 接收機至衛(wèi)星的距離借助于衛(wèi)星發(fā)射的碼信號量測并計算得到的接收機本身按同一公式復制碼信號比較本機碼信號及到達的碼信號確定傳播延遲的時間 t傳播延遲時間乘以光速就是距離觀測值 c t 整周跳變修復 整周跳變 衛(wèi)星信號失鎖 使接收機的整周計數(shù)不正確 但不到一整周的相位觀測值仍是正確的 這種現(xiàn)象稱為周跳 屏幕掃描法高次差或多項式擬和法在衛(wèi)星間求差法用雙頻觀測值修復周跳根據(jù)平差后的殘差發(fā)現(xiàn)和修復整周跳變 屏幕掃描法 根據(jù)衛(wèi)星的相位觀測值變化率的圖像的連續(xù)性進行手動修復 高次差或多項式擬和法 1 高次差法高次差根據(jù)周跳會破壞載波相位測量的觀測值int 隨時間而有規(guī)律變化的特性來探測的 例見下表 表4高次差法周跳影響規(guī)律 2 多項式擬和法 基本思想首先用時間多項式擬合觀測值序列 然后分析擬合殘差發(fā)現(xiàn)周跳并確定周跳的大小 適用范圍多項式擬合可以用于原始相位觀測值 也可以用于相位觀測值的線性組合 實踐中 常用單差相位擬合和雙差相位擬合 不過一般而言 由于雙差觀測值可以消除接收機和衛(wèi)星的鐘差的影響 雙差相位擬合法在相對定位中用得更廣泛 以下介紹雙差相位擬合法 多項式擬合法 注意事項 1 時間必須標準化 雙差序列的擬和多項式 2 檢驗量為雙差序列相鄰歷元之差 當n m 1時 有多余觀測 組成誤差方程 最小二乘法求解 在衛(wèi)星間求差法 在gps測量中 每一瞬間要對多顆衛(wèi)星進行觀測 因而在每顆衛(wèi)星的載波相位測量觀測值中 所受到的接收機振蕩器的隨機誤差的影響是相同的 在衛(wèi)星間求差后即可消除此項誤差的影響 根據(jù)平差后的殘差發(fā)現(xiàn)和修復整周跳變 修復周跳后的觀測值中也可能引入1 2周的偏差 平差計算后 有周跳的觀測值上則會出現(xiàn)很大的殘差 據(jù)此可以發(fā)現(xiàn)和修復周跳 3整周未知數(shù)n0的確定 1 2 n t0 未知的整周未知數(shù) ti 相位差的小數(shù)部分接收機記錄綠色部分為整周計數(shù)接收機記錄 偽距法將偽距觀測值減去載波相位測量的實際觀測值 化為以距離為單位 后即可得到 n0 將整周未知數(shù)當作平差中的待定參數(shù) 經(jīng)典方法1 整數(shù)解短基線測量2 實數(shù)解長基線測量多普勒法 三差法 將相鄰兩個觀測歷元的載波相位相減 消去了整周未知數(shù)n0 從而直接解出坐標參數(shù) 常用來獲得未知參數(shù)的初始值 快速確定整周未知數(shù)法這種方法對某一置信區(qū)間所有整數(shù)組合一一進行平差 取估值的驗后方差或方差和為最小的一組整周未知數(shù)作為整周未知數(shù)的最佳估值 進行短基線定位時 利用雙頻接收機只需觀測一分鐘便能成功地確定整周未知數(shù) 整周未知數(shù)n0的確定方法 由此 在一定置信水平1 條件下 相應(yīng)于任一整周模糊度的置信區(qū)間應(yīng)為 上式中 tr 1 為顯著水平為 自由度為r 雙差浮點解平差中的多余觀測數(shù) 的t分布密度函數(shù)的雙尾 分位值 當顯著水平 自由度r確定以后 其值可從分布表中查得 設(shè)ci為 i的所有取值可能個數(shù) 則 n個整周模糊度 快速確定整周未知數(shù)法 相對定位 至少兩臺接收機實時或事后處理數(shù)據(jù)可用偽距或載波相位觀測值差分定位 未知站 參考站 偽距觀測方程的線性化形式為 其中 對任一歷元同步觀測的四顆衛(wèi)星j 1 2 3 4 令 則方程組形式如下 方程組簡化為 解方程求解 偽距法絕對定位的解算 當同步觀測的衛(wèi)星數(shù)多于四顆時 則可組成誤差方程式 最小二乘法求解 協(xié)因數(shù)陣 未知數(shù)的中誤差 偽距測量中誤差 偽距法絕對定位的解算 精度高于偽距法靜態(tài)絕對定位需加電離層 對流層等改正觀測值為 i進行周跳探測修復及整周模糊度的固定其結(jié)果一般作為相對定位參考站的近似坐標 p x y z 用載波相位觀測值進行靜態(tài)絕對定位 gps絕對定位的定位精度主要取決于 衛(wèi)星分布的幾何圖形觀測量精度 權(quán)系數(shù)陣qx 絕對定位精度評定 平面位置精度因子hdop horizontaldop 及其相應(yīng)的平面位置精度高程精度因子vdop verticaldop 及其相應(yīng)的高程精度 精度因子dop1 空間位置精度因子pdop positiondop 及其相應(yīng)的三維定位精度接收機鐘差精度因子tdop timedop 及其鐘差精度幾何精度因子gdop geometricdop 及其相應(yīng)的中誤差 精度因子dop2 精度因子與所測衛(wèi)星的空間分布有關(guān) gdop 1 v 六面體體積v最大情形 一顆衛(wèi)星處于天頂 其余3顆衛(wèi)星相距120 至少兩臺接收機固定連續(xù)同步觀測 中等長度的基線 100 500km 相對定位精度可達10 6 10 7甚至更好 采用載波相位觀測值 或測相偽距 為基本觀測量 參考站 未知站 靜態(tài)相對定位 ti時刻載波相位觀測量 觀測量的線性組合 站間單差 消除了與衛(wèi)星有關(guān)的誤差 如衛(wèi)星鐘差站間距不大時可消除大部分大氣誤差多測站時注意選取基站 單差 single difference sd 星際二次差 在一次差的基礎(chǔ)進一步消除了與接收機有關(guān)的載波相位及其鐘差項注意選取基星gps基線向量處理時常用的模型 雙差 double difference dd 歷元間差分 在雙差的基礎(chǔ)上進一步消除了 初始整周模糊度當然還有一些其它的載波相位觀測值的線性組合 三差 triple difference td 優(yōu)點 消除或減弱一些具有系統(tǒng)性誤差的影響減少平差計算中未知數(shù)的個數(shù) 缺點 原始獨立觀測量通過求差將引起差分量之間的相關(guān)性平差計算中 差分法將使觀測方程數(shù)明顯減少基站和基星選取情況隨接收機的數(shù)量增多情況越來越復雜 差分模型的優(yōu)缺點 載波相位測量的觀測方程線性化形式為 測站k的坐標近似值向量 測站k的坐標近似值向量的改正數(shù)向量 觀測方程的線性化及平差模型 單差觀測值模型的誤差方程為 兩觀測站同步觀測衛(wèi)星數(shù)為nj 則誤差方程組為 若同步觀測同一組衛(wèi)星的歷元數(shù)為nt 同理可列出其誤差方程組 單差觀測方程的誤差方程式模型 雙差觀測方程的誤差方程式模型1 兩觀測站 同步觀測衛(wèi)星sj和sk一個歷元 并以sj為參考衛(wèi)星 其雙差觀測方程的誤差方程式為 若同步觀測衛(wèi)星數(shù)為nj時 雙差觀測方程的誤差方程式模型2 基線兩端同步觀測同一組衛(wèi)星的歷元數(shù)為nt 則相應(yīng)的誤差方程組為 雙差觀測方程的誤差方程式模型3 相應(yīng)的法方程式及其解可表示為 討論 如何解決多歷元解算時誤差方程式系數(shù)陣很大的問題 應(yīng)用p w技術(shù)和l1與l2交叉相關(guān)技術(shù) 使l2載波相位觀測值得到恢復 其精度與使用p碼相同研制能同時接受gps和glonass信號的接收機發(fā)展dgps和wadgps差分gps系統(tǒng)建立獨立的gps衛(wèi)星測軌系統(tǒng)建立獨立的衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng) 針對sa和as政策的對策 根據(jù)差分gps基準站發(fā)送的信息方式可將單站gps差分定位分為 位置差分偽距差分相位差分 單站gps的差分 原理 兩站觀測同一組衛(wèi)星消去了基準站和用戶站的共同誤差 提高了定位精度站間距離在100km以內(nèi) 位置差分原理 原理 分為修正法和差分法 修正法與偽距差分類似 流動站的坐標 消去公共誤差 能實時給出厘米級高精度的定位結(jié)果電臺的功率限制了用戶到基準站距離 作用范圍幾十公里 廣泛用于工程測量中 載波相位差分原理 6 3gps控制網(wǎng)的設(shè)計 項目來源項目的來源 性質(zhì) 即項目由何單位 部門下達 發(fā)包 屬于何種性質(zhì)的項目等 測區(qū)概況測區(qū)的地理位置 氣候 人文 經(jīng)濟發(fā)展狀況 交通條件 通訊條件等 工程概況工程的目的 作用 要求 gps網(wǎng)等級 精度 完成時間 有無特殊要求等在進行技術(shù)設(shè)計 實際作業(yè)和數(shù)據(jù)處理中所必須要了解的信息 技術(shù)依據(jù)工程所依據(jù)的測量規(guī)范 工程規(guī)范 行業(yè)標準及相關(guān)的技術(shù)要求等 1完整的技術(shù)設(shè)計內(nèi)容 現(xiàn)有測繪成果測區(qū)內(nèi)及與測區(qū)相關(guān)地區(qū)的現(xiàn)有測繪成果的情況 施測方案測量采用的儀器設(shè)備的種類 采取的布網(wǎng)方法等 作業(yè)要求選點埋石要求 外業(yè)觀測時的具體操作規(guī)程 技術(shù)要求等 包括儀器參數(shù)的設(shè)置 如采樣率 截止高度角等 對中精度 整平精度 天線高的量測方法及精度要求等 觀測質(zhì)量控制外業(yè)觀測的質(zhì)量要求 包括質(zhì)量控制方法及各項限差要求等 如數(shù)據(jù)刪除率 rms值 ratio值 同步環(huán)閉合差 異步環(huán)閉合差 相鄰點相對中誤差 點位中誤差等 數(shù)據(jù)處理方案詳細的數(shù)據(jù)處理方案 包括基線解算和網(wǎng)平差處理所采用的軟件和處理方法等內(nèi)容 對于基線解算的數(shù)據(jù)處理方案 應(yīng)包含如下內(nèi)容 基線解算軟件 參與解算的觀測值 解算時所使用的衛(wèi)星星歷類型等 對于網(wǎng)平差的數(shù)據(jù)處理方案 應(yīng)包含如下內(nèi)容 網(wǎng)平差處理軟件 網(wǎng)平差類型 網(wǎng)平差時的坐標系 基準及投影 起算數(shù)據(jù)的選取等 提交成果要求規(guī)定提交成果的類型及形式 若國家技術(shù)質(zhì)量監(jiān)督總局或行業(yè)發(fā)布新的技術(shù)設(shè)計規(guī)定 應(yīng)據(jù)之編寫 2gps基線向量網(wǎng)的等級 1 等級 根據(jù)我國1992年所頒布的全球定位系統(tǒng)測量規(guī)范 gps基線向量網(wǎng)被分成了a b c d e五個等級 2 等級gps網(wǎng)的精度指標 以網(wǎng)中相鄰點之間的距離誤差來表示 其具體形式為 其中 網(wǎng)中相鄰點間的距離中誤差 mm 固定誤差 mm 比例誤差 ppm 相鄰點間的距離 km a級網(wǎng) 一般為區(qū)域或國家框架網(wǎng) 區(qū)域動力學網(wǎng) b級網(wǎng) 為國家大地控制網(wǎng)或地方框架網(wǎng) c級網(wǎng) 為地方控制網(wǎng)和工程控制網(wǎng) d級網(wǎng) 為工程控制網(wǎng) e級網(wǎng) 為測圖網(wǎng) 等級gps網(wǎng)的精度指標 1 常用的布網(wǎng)形式 跟蹤站式會戰(zhàn)式多基準站式 樞紐點式 同步圖形擴展式單基準站式 2 跟蹤站式布網(wǎng)形式 若干臺接收機長期固定安放在測站上 進行常年 不間斷的觀測 即一年觀測365天 一天觀測24小時 這種觀測方式很象是跟蹤站 因此 這種布網(wǎng)形式被稱為跟蹤站式 特點 接收機在各個測站上進行了不間斷的連續(xù)觀測 觀測時間長 數(shù)據(jù)量大 一般采用精密星歷 具有很高的精度和框架基準特性 需要建立專門的永久性跟蹤站 用以安置儀器設(shè)備 觀測成本很高 一般用于建立gps跟蹤站 aa級網(wǎng) 對于普通用途的gps網(wǎng) 由于此種布網(wǎng)形式觀測時間長 成本高 故一般不被采用 3gps基線向量網(wǎng)的布網(wǎng)形式 布網(wǎng)形式 在布設(shè)gps網(wǎng)時 一次組織多臺gps接收機 集中在一段不太長的時間內(nèi) 共同作業(yè) 在作業(yè)時 所有接收機在若干天的時間里分別在同一批點上進行多天 長時段的同步觀測 在完成一批點的測量后 所有接收機又都遷移到另外一批點上進行相同方式的觀測 直至所有的點觀測完畢 特點 各基線均進行過較長時間 多時段的觀測 因而具有特高的尺度精度 此種布網(wǎng)方式一般用于布設(shè)a b級網(wǎng) 3 會戰(zhàn)式 布網(wǎng)形式 若干臺接收機在一段時間里長期固定在某幾個點上進行長時間的觀測 這些測站稱為基準站 在基準站進行觀測的同時 另外一些接收機則在這些基準站周圍相互之間進行同步觀測 特點 基準站之間進行了長時間的觀測 可以獲得較高精度的定位結(jié)果 這些高精度的基線向量可以作為整個gps網(wǎng)的骨架 具較強的圖形結(jié)構(gòu) 多基準站式 布網(wǎng)形式 多臺接收機在不同測站上進行同步觀測 在完成一個時段的同步觀測后 又遷移到其它的測站上進行同步觀測 每次同步觀測都可以形成一個同步圖形 在測量過程中 不同的同步圖形間一般有若干個公共點相連 整個gps網(wǎng)由這些同步圖形構(gòu)成 特點 具有擴展速度快 圖形強度較高 且作業(yè)方法簡單的優(yōu)點 同步圖形擴展式是布設(shè)gps網(wǎng)時最常用的一種布網(wǎng)形式 同步圖形擴展式 要求同步 這樣 流動的接收機每觀測一個時段 就與基準站間測得一條同步觀測基線 所有這樣測得的同步基線就形成了一個以基準站為中心的星形 流動的接收機有時也稱為流動站 特點 單基準站式的布網(wǎng)方式的效率很高 但是由于各流動站一般只與基準站之間有同步觀測基線 故圖形強度很弱 為提高圖形強度 一般需要每個測站至少進行兩次觀測 布網(wǎng)形式 又稱作星形網(wǎng)方式 它是以一臺接收機作為基準站 在某個測站上連續(xù)開機觀測 其余的接收機在此基準站觀測期間 在其周圍流動 每到一點就進行觀測 流動的接收機之間一般不 6 單基準站式 4布設(shè)gps基線向量網(wǎng)時的設(shè)計指標 1 效率指標效率指標e 理論最少觀測期數(shù)與設(shè)計的觀測期數(shù)的比值 其中 為理論最少觀測期數(shù) 理論最少觀測期數(shù)r為平均重復設(shè)站次數(shù) m為接收機數(shù) n為gps網(wǎng)的點數(shù) int 為湊整函數(shù) 為設(shè)計觀測期數(shù) 效率指標來衡量某種網(wǎng)設(shè)計方案的效率 以及在采用某種布網(wǎng)方案作業(yè)時所需要的作業(yè)時間 消耗等 2 可靠性指標gps網(wǎng)的內(nèi)可靠性 指所布設(shè)的gps網(wǎng)發(fā)現(xiàn)粗差的能力 即可發(fā)現(xiàn)的最小粗差的大小 gps網(wǎng)的外可靠性 指gps網(wǎng)抵御粗差的能力 即未剔除的粗差對gps網(wǎng)所造成的不良影響的大小 整網(wǎng)的平均可靠性指標 在實際的gps網(wǎng)的設(shè)計中采用一個計算較為簡單的反映gps網(wǎng)可靠性的數(shù)量指標 該指標就是整網(wǎng)的多余獨立基線數(shù)與總的獨立基線數(shù)的比值 其中 為多余的獨立基線數(shù) 為必要的獨立基線數(shù) 為總的獨立基線數(shù) 為觀測期數(shù) 為同步觀測接收機的臺數(shù) 根據(jù)已確定的gps網(wǎng)的網(wǎng)形 可以得到gps網(wǎng)的設(shè)計矩陣 從而可以得到gps網(wǎng)的協(xié)因數(shù)陣 在gps網(wǎng)的設(shè)計階段可以采用作為衡量gps網(wǎng)精度的指標 精度指標 5gps網(wǎng)的設(shè)計準則 為保證對衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤觀測和衛(wèi)星信號的質(zhì)量 要求測站上空應(yīng)盡可能的開闊 在10 15 高度角以上不能有成片的障礙物 為減少各種電磁波對gps衛(wèi)星信號的干擾 在測站周圍約200m的范圍內(nèi)不能有強電磁波干擾源 如大功率無線電發(fā)射設(shè)施 高壓輸電線等 為避免或減少多路徑效應(yīng)的發(fā)生 測站應(yīng)遠離對電磁波信號反射強烈的地形 地物 如高層建筑 成片水域等 為便于觀測作業(yè)和今后的應(yīng)用 測站應(yīng)選在交通便利 上點方便的地方 測站應(yīng)選擇在易于保存的地方 1 選點原則 增加觀測期數(shù) 增加獨立基線數(shù) 保證一定的重復設(shè)站次數(shù) 保證每個測站至少與三條以上的獨立基線相連 這樣可以使得測站具有較高的可靠性 在布網(wǎng)時要使網(wǎng)中所有最小異步環(huán)的邊數(shù)不大于6條 提高gps網(wǎng)可靠性的方法 為保證gps網(wǎng)中各相鄰點具有較高的相對精度 對網(wǎng)中距離較近的點一定要進行同步觀測 以獲得它們間的直接觀測基線 為提高整個gps網(wǎng)的精度 可以在全面網(wǎng)之上布設(shè)框架網(wǎng) 以框架網(wǎng)作為整個gps網(wǎng)的骨架 在布網(wǎng)時要使網(wǎng)中所有最小異步環(huán)的邊數(shù)不大于6條 在布設(shè)gps網(wǎng)時 引入高精度激光測距邊 作為觀測值與gps觀測值 基線向量 一同進行聯(lián)合平差 或?qū)⑺鼈冏鳛槠鹚氵呴L 若要采用高程擬合的方法 測定網(wǎng)中各點的正常高 正高 則需在布網(wǎng)時 選定一定數(shù)量的水準點 水準點的數(shù)量應(yīng)盡可能的多 且應(yīng)在網(wǎng)中均勻分布 還要保證有部分點分布在網(wǎng)中的四周 將整個網(wǎng)包含在其中 為提高gps網(wǎng)的尺度精度 可采用如下方法 增設(shè)長時間 多時段的基線向量 提高gps網(wǎng)精度的方法 若要求所布設(shè)的gps網(wǎng)的成果與舊成果吻合最好 則起算點數(shù)量越多越好 若不要求所布設(shè)的gps網(wǎng)的成果完全與舊成果吻合 則一般可選3 5個起算點 這樣既可以保證新老坐標成果的一致性 也可以保持gps網(wǎng)的原有精度 為保證整網(wǎng)的點位精度均勻 起算點一般應(yīng)均勻地分布在gps網(wǎng)的周圍 4 布設(shè)gps網(wǎng)時起算點的選取與分布 5 布設(shè)gps網(wǎng)時起算邊長的選取與分布 6 布設(shè)gps網(wǎng)時起算方位的選取與分布 可以采用高精度激光測距邊作為起算邊長 激光測距邊的數(shù)量可在3 5條左右 可設(shè)置在gps網(wǎng)中的任意位置 但激光測距邊兩端點的高差不應(yīng)過分懸殊 在布設(shè)gps網(wǎng)時 可以引入起算方位 但起算方位不宜太多 起算方位可布設(shè)在gps網(wǎng)中的任意位置 6 4gps外業(yè)觀測 1gps外業(yè)觀測的作業(yè)方式 1 點連式觀測作業(yè)方式在觀測作業(yè)時 相鄰的同步圖形間只通過一個公共點相連 特點作業(yè)效率高 圖形擴展迅速 它的缺點是圖形強度低 如果連接點發(fā)生問題 將影響到后面的同步圖形 2 邊連式觀測作業(yè)方式在觀測作業(yè)時 相鄰的同步圖形間有一條邊 即兩個公共點 相連 特點具有較好的圖形強度和較高的作業(yè)效率 3 網(wǎng)連式觀測作業(yè)方式在作業(yè)時 相鄰的同步圖形間有3個 含3個 以上的公共點相連 特點所測設(shè)的gps網(wǎng)具有很強的圖形強度 但網(wǎng)連式觀測作業(yè)方式的作業(yè)效率很低 4 混連式觀測作業(yè)方式在實際的gps作業(yè)中 一般并不是單獨采用上面所介紹的某一種觀測作業(yè)模式 而是根據(jù)具體情況 有選擇地靈活采用這幾種方式作業(yè) 特點實際作業(yè)中最常用的作業(yè)方式 它實際上是點連式 邊連式和網(wǎng)連式的一個結(jié)合體 2外業(yè)gps調(diào)度與觀測記錄 1 調(diào)度計劃為保證gps外業(yè)觀測作業(yè)的順利進行 保障精度 提高效率 在進行g(shù)ps外業(yè)觀測之前 就編制好調(diào)度計劃 gps衛(wèi)星可見性預報圖表在gps可見性預報圖表中可以了解衛(wèi)星的分布狀況 預報圖表 可見的衛(wèi)星星號 衛(wèi)星高度角 方位角及空間位置精度因子pdop和幾何精度因子gdop等 星歷預報圖 預報星歷分析圖 2 外業(yè)調(diào)度對需測gps點分布的情況 交通路線等因素加以綜合考慮 顧及星歷預報 制定合理的外業(yè)調(diào)度計劃 3 觀測作業(yè)各測站的觀測員應(yīng)按計劃規(guī)定的時間作業(yè) 確保同步觀測 確保接收機存儲器 目前常用cf卡 有足夠存儲空間 開始觀測后 正確輸入高度角 天線高及天線高量取方式 觀測過程中應(yīng)注意查看測站信息 接收到的衛(wèi)星數(shù)量 衛(wèi)星號 各通道信噪比 相位測量殘差 實時定位的結(jié)果及其變化和存儲介質(zhì)記錄等情況 一般來講 主要注意dop值的變化 如dop值偏高 gdop一般不應(yīng)高于6 應(yīng)及時與其他測站觀測員取得聯(lián)系 適當延長觀測時間 同一觀測時段中 接收機不得關(guān)閉或重啟 將每測段信息如實記錄在gps測量手簿上 進行長距離高等級gps測量時 要將氣象元素 空氣濕度等如實記錄 每隔一小時或兩小時記錄一次 附 gps外業(yè)觀測記錄手簿gps測量記錄手簿 1 aa a與b級測量手簿記錄格式 注 氣象元素各欄內(nèi)應(yīng)記錄氣象儀器讀數(shù)和相對應(yīng)的修正值 測站跟蹤作業(yè)記錄 c d e級測量手簿記錄格式 快速靜態(tài)定位參考站測量手簿記錄格式 快速靜態(tài)定位流動站測量手簿記錄格式 6 5gps數(shù)據(jù)處理 1基線解算 1 觀測值的處理gps基線向量表示測站與測站間的坐標增量 gps基線向量具有長度 水平方位和垂直方位等三項屬性 若在某一歷元中 對k顆衛(wèi)星數(shù)進行了同步觀測 則可以得到k 1個雙差觀測值 若在整個同步觀測時段內(nèi)同步觀測衛(wèi)星的總數(shù)為l則整周未知數(shù)的數(shù)量為l 1 基線解算時一般只有兩類參數(shù) 一類是測站的坐標參數(shù) 數(shù)量為3 另一類是整周未知數(shù)參數(shù) m為同步觀測的衛(wèi)星數(shù) 數(shù)量為 2 基線解算 初始平差根據(jù)雙差觀測值的觀測方程 組成誤差方程后 然后組成法方程后 求解待定的未知參數(shù)其精度信息 其結(jié)果為 待定參數(shù) 待定參數(shù)的協(xié)因數(shù)陣 單位權(quán)中誤差 通過初始平差 所解算出的整周未知數(shù)參數(shù)本應(yīng)為整數(shù) 由于觀測值誤差 隨機模型和函數(shù)模型不完善等原因 使得其結(jié)果為實數(shù) 此時與實數(shù)的整周未知數(shù)參數(shù)對應(yīng)的基線解被稱作基線向量的實數(shù)解或浮動解 為了獲得較好的基線解算結(jié)果 必須準確地確定出整周未知數(shù)的整數(shù)值 整周未知數(shù)的確定 確定基線向量的固定解當確定了整周未知數(shù)的整數(shù)值后 與之相對應(yīng)的基線向量就是基線向量的整數(shù)解 2基線解算的分類 1 單基線解算 定義用臺gps接收機進行了一個時段的同步觀測 每兩臺接收機之間就可以形成一條基線向量 共有條同步觀測基線 其中可以選出相互獨立的條同步觀測基線 選擇獨立基線時 要保證所選的條獨立基線不構(gòu)成閉合環(huán)就可以了 單基線解算 在基線解算時不顧及同步觀測基線間的誤差相關(guān)性 對每條基線單獨進行解算 特點單基線解算的算法簡單 由于其解算結(jié)果無法反映同步基線間的誤差相關(guān)的特性 不利于后面的網(wǎng)平差處理 一般只用在較低級別gps網(wǎng)的測量中 2 多基線解算 定義多基線解算顧及了同步觀測基線間的誤差相關(guān)性 在基線解算時對所有同步觀測的獨立基線一并解算 特點多基線解算在理論上是嚴密的 3基線解算的質(zhì)量控制 1 質(zhì)量控制指標 單位權(quán)方差因子其中 為觀測值的殘差 為觀測值的權(quán) 為觀測值的總數(shù) 實質(zhì)單位權(quán)方差因子又稱為參考因子 2 數(shù)據(jù)刪除率 定義在基線解算時 如果觀測值的改正數(shù)大于某一個閾值時 則認為該觀測值含有粗差 則需要將其刪除 被刪除觀測值的數(shù)量與觀測值的總數(shù)的比值 就是所謂的數(shù)據(jù)刪除率 實質(zhì)數(shù)據(jù)刪除率從某一方面反映出了gps原始觀測值的質(zhì)量 數(shù)據(jù)刪除率越高 說明觀測值的質(zhì)量越差 3 ratio值 定義 實質(zhì)反映了所確定出的整周未知數(shù)參數(shù)的可靠性 這一指標取決于多種因素 既與觀測值的質(zhì)量有關(guān) 也與觀測條件的好壞有關(guān) 4 rdop 定義rdop值指的是在基線解算時待定參數(shù)的協(xié)因數(shù)陣的跡 的平方根 即rdop值的大小與基線位置和衛(wèi)星在空間中的幾何分布及運行軌跡 即觀測條件 有關(guān) 當基線位置確定后 rdop值就只與觀測條件有關(guān)了 而觀測條件又是時間的函數(shù) 因此 實際上對與某條基線向量來講 其rdop值的大小與觀測時間段有關(guān) 實質(zhì)rdop表明了gps衛(wèi)星的狀態(tài)對相對定位的影響 即取決于觀測條件的好壞 它不受觀測值質(zhì)量好壞的影響 5 rms 定義即均方根誤差 rootmeansquare 即 其中 為觀測值的殘差 為觀測值的權(quán) 為觀測值的總數(shù) 實質(zhì)表明了觀測值的質(zhì)量 觀測值質(zhì)量越好 越小 反之 觀測值質(zhì)量越差 則越大 它不受觀測條件 觀測期間衛(wèi)星分布圖形 的好壞的影響 依照數(shù)理統(tǒng)計的理論觀測值誤差落在1 96倍rms的范圍內(nèi)的概率是95 6 同步環(huán)閉合差同步環(huán)閉合差是由同步觀測基線所組成的閉合環(huán)的閉合差 如果同步環(huán)閉合差超限 則說明組成同步環(huán)的基線中至少存在一條基線向量是錯誤的 如果同步環(huán)閉合差沒有超限 還不能說明組成同步環(huán)的所有基線在質(zhì)量上均合格 7 異步環(huán)閉合差不是完全由同步觀測基線所組成的閉合環(huán)稱為異步環(huán) 異步環(huán)的閉合差稱為異步環(huán)閉合差 當異步環(huán)閉合差滿足限差要求時 則表明組成異步環(huán)的基線向量的質(zhì)量是合格的 當異步環(huán)閉合差不滿足限差要求時 則表明組成異步環(huán)的基線向量中至少有一條基線向量的質(zhì)量不合格 要確定出哪些基線向量的質(zhì)量不合格 可以通過多個相鄰的異步環(huán)或重復基線來進行 8 重復基線較差不同觀測時段 對同一條基線的觀測結(jié)果 就是所謂重復基線 這些觀測結(jié)果之間的差異 就是重復基線較差 4gps基線向量網(wǎng)平差 1 網(wǎng)平差的分類根據(jù)平差所進行的坐標空間 三維平差和二維平差根據(jù)平差時所采用的觀測值和起算數(shù)據(jù)的數(shù)量和類型 可將平差分為無約束平差 約束平差和聯(lián)合平差等 三維平差與二維平差三維平差 平差在三維空間坐標系中進行 觀測值為三維空間中的觀測值 解算出的結(jié)果為點的三維空間坐標 二維平差 平差在二維平面坐標系下進行 觀測值為二維觀測值 解算出的結(jié)果為點的二維平面坐標 二維平差一般適合于小范圍gps網(wǎng)的平差 無約束平差 約束平差和聯(lián)合平差無約束平差 在平差時不引入會造成gps網(wǎng)產(chǎn)生由非觀測量所引起的變形的外部起算數(shù)據(jù) 常見的gps網(wǎng)的無約束平差 一般是在平差時沒有起算數(shù)據(jù)或沒