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1、全球定位系统全球定位系统Globle Positioning System主讲老师主讲老师:苏安玉苏安玉资源与环境学院资源与环境学院:0451-55190745概概 述述全球定位系统（Global Positioning System）是由美国历时20多年，耗资200多亿美元建立的一个卫星导航定位系统，利用该系统，用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速；另外，利用该系统，用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。GPS 支配始于1973 年，已于1994 年进入完全运行状态。n作为新一代的卫星导航定位系统，它n的应用领域和应用前景已远远超出了该n系统设计者当时的
2、设想，目前，它在航n空、航天、军事、交通、运输、资源勘探、通信、气象等n几乎全部的领域中，都被作为一项特别重要的技术手段和n方法，用来进行导航、定时、定位、地球物理参数测定和n大气物理参数测定等。在测量中，它最初主要用于高精度大地测量和限制测量，建立各种类型和等级的测量限制网；现在，它还在测量领域的其它方面得到充分的应用，如用于各种类型的施工放样、测图、变形观测、航空摄影测量、海上测量和地理信息系统中地理数据的采集等。尤其是在各种类型的测量限制网的建立这一方面，GPS定位技术已基本上取代了常规测量手段，成为了主要的技术手段。现在，在我国接受GPS技术布设了新的国家大地测量限制网，很多城市也都接
3、受GPS技术建立了城市限制网。GPS应用举例佩带GPS的士兵航空器定位与导航海上导航坦克导航导弹导航军军 事事精确着陆系统科学探讨科学探讨森林调查、资源管理生态探讨给动物戴的项圈圣母峰的隆起探讨农业监控测绘领域测绘领域GPS限制测量RTK地形测图及施工放样其他应用其他应用车辆导航管理配备GPS的巡警自助旅游车辆导航第一节第一节 GPS定位原理概述定位原理概述1.GPS的组成的组成GPS系统由三大部分组成：空间部分 地面限制部分 用户部分空间部分空间部分 n24颗卫星（21+3）n6个轨道平面n55轨道倾角n20200km轨道高度（地面高度）n12小时（恒星时）轨道周期n5个多小时出现在地平线以
4、上（每颗星）每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号。GPS用户正是利用这些信号来进行工作的。GPS卫星地面限制部分GPS的限制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构成，依据其作用的不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。一个主控站：科罗拉多(Kolorado)法尔孔 (Falcon)空军基地三个注入站：阿松森群岛（Ascencion)迭哥伽西亚(Diego Garcia)卡瓦加兰(kwajalein)五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷（Hawaii)主控站主控站它的作用是依据各监控站对GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入
5、站注入到卫星中去；同时，它还对卫星进行限制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作；另外，主控站也具有监控站的功能。注入站与注入站与监控站监控站注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。n监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星的工作状态。55HawaiiAscencionDiego GarciakwajaleinColorado Falcon地面限制部分分布用户部分GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机气象仪器等所组成。它的作用是接收GPS卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。通用接收机（
6、定位型）天线天线天线天线前置放大器前置放大器前置放大器前置放大器电源部分电源部分电源部分电源部分放大部分放大部分放大部分放大部分微处理器微处理器微处理器微处理器数据存器数据存器数据存器数据存器显示控制器显示控制器显示控制器显示控制器供电信号信息命令数据供电，控制供电数据控制 GPS接收机(9600)2.GPS信号GPS卫星放射两种频率的载波信号，即频率为1575.42MHz的L1载波和频率为1227.60MHz的L2载波。它们的频率分别是基本频率10.23MHz的154倍和120倍，它们的波长分别为19.03cm和24.42cm。在L1和L2上又分别调制着多种信号。卫星信号结构L11575.4
7、2 MHZP码码 10.23MHZ基准频率基准频率10.23MHZL21227.60MHZP码码10.23MHZC/A码码 1.023MHZ 154120卫星信息电文（卫星信息电文（D码）码）50byte/S每颗卫星都放射一系列无线电信号（基准频率每颗卫星都放射一系列无线电信号（基准频率）两种载波（两种载波（L1和和L2）(测量出或消退电离层效应而引起的延迟误差测量出或消退电离层效应而引起的延迟误差)两种码信号（两种码信号（C/A码和码和P码码(Pseudo-randomNoise伪随机噪声伪随机噪声)）一组导航电文（信息码，一组导航电文（信息码，D码）码）C/A码与码与P码码nC/A码又被称
8、为粗捕获码，它被调制在L1载波上，每颗卫星的C/A码都不一样，用来分别各卫星信号。C/A码是一般用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号。用 C/A码的测距误差在29.32.93米。单点定位精度为2030米。nP码又被称为精码，它被调制在L1和L2载波上，在实施AS政策时，P码与W码进行模二相加生成保密的Y码，此时，一般用户无法利用P码来进行导航定位。用 P码的测距误差在2.930.293米。单点定位精度优于10米。导航信息导航信息导航信息被调制在L1载波上，其信号频率为50Hz，包含有GPS卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。用户一般须要利用此导航信息来计算某一时刻GPS卫
9、星在地球轨道上的位置，导航信息也被称为广播星历。3.GPS定位原理与方法定位原理与方法 n二维定位雾号角1R1单一信号源测距两个信号源测距产生位置多值性雾号角1R1雾号角2R2用附加测量消除位置多值性雾号角3R3雾号角1R1雾号角2R2n三维定位卫星1S1卫星1S1卫星2S2用户位置在球面上用户位置两球相交的圆周上卫星1S1卫星2S2卫星3S3用户位于圆周两点之一上卫星3相交的圆距离观测值的计算卫星钟调制的码信号接收机时钟复制的码信号t接收机至卫星的距离借助于卫星放射的码信号量测并计算得到的接收机本身按同一公式复制码信号比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟的时间t传播延迟时间乘以光速就是距
10、离观测值=C t接受载波相位观测值测距发防卫星的电磁波信号：信号量测精度优于波长的1/100载波波长（L1=19cm,L2=24cm)比C/A码波长 (C/A=293m)短得多所以，GPS测量接受载波相位观测值可以获得比伪距（C/A码或P码）定位高得多的成果精度L1载波载波L2载波载波C/A码码P-码码 p=29.3 m L2=24 cm L1=19c m C/A=293 m解算出初始整周未知数测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成（1）初始整周未知数n；（2）t 0至t i 时刻的整周记数Ci；（3）相位尾数i假如信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初始整周未知数n为了利用载波相位进行
11、定位，必需先解算出初始整周未知数，取得总观测值n+Ci+iTime(0)AmbiguityTime(i)AmbiguityCounted CyclesPhase Measurement初始整周未知数的确定与定位精度的关系假如无法精确解出初始整周未知数，则定位精度难以优于假如无法精确解出初始整周未知数，则定位精度难以优于1m随着初始整周未知数解算精度的提高，定位精度也相应提高随着初始整周未知数解算精度的提高，定位精度也相应提高一旦初始整周未知数精确获得，定位精度不再随时间延长而提高一旦初始整周未知数精确获得，定位精度不再随时间延长而提高经典静态定位须要经典静态定位须要30-80分钟观测才能求定初
12、始整周未知数分钟观测才能求定初始整周未知数快速静态定位将这个过程缩短到快速静态定位将这个过程缩短到2-5分钟分钟精精度度m1.000.100.01整周未知数确定后整周未知数确定前经典静态定位经典静态定位00308025时间（分）时间（分）快速静态定位快速静态定位单点定位结果的获得单点定位解可以理解为一个后方交会问题卫星充当轨道上运动的限制点，观测值为测站至卫星的伪距（由时延值推算得到）由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差所以要同步观测4颗卫星，解算四个未知参数：纬度,经度,高程 h,钟差 t4.GPS定位的误差源定位的误差源（1）与GPS卫星有关的因素SA：（Selective Availabi
13、lity）选择性定位实力。美国政府从其国家利益动身，通过降低广播星历精度技术、在GPS基准信号中加入高频抖动 技术等方法，人为降低一般用户利用GPS进行导航定位的精度。卫星星历误差：在进行GPS定位时，计算在某时刻GPS卫星位置所需的卫星轨道参数是通过各种类型的星历供应的，但不论接受哪种类型的星历，所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异，这就是所谓的星历误差。n卫星钟差：卫星钟差是GPS卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS标准时间之间的误差。n卫星信号放射天线相位中心偏差：卫星信号放射天线相位中心偏差是GPS卫星上信号放射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。与GPS卫星有关的因素
14、（2）与传播途径有关的因素。电离层延迟：大气层的电离层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变更，这种变更称为电离层延迟。对流层延迟：对流层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变更，这种变更称为对流层延迟。多路径效应：由于接收机四周环境的影响，使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有各种反射和折射信号的影响，这就是所谓的多路径效应。（3）与接收机有关的因素接收机钟差：接收机钟差是GPS接收机所运用的时钟的钟面时与GPS标准时之间的差异。接收机天线相位中心偏差：接收机天线相位中心偏差是GPS接收机天线的标称相位中心与其真实的相位中心之间的差异。接收机软件和硬件造成的误差：在进
15、行GPS定位时，定位结果还会受到诸如处理与限制软件和硬件等的影响。（4）其它GPS限制部分人为或计算机造成的影响：由于GPS限制部分的问题或用户在进行数据处理时引入的误差等。数据处理软件的影响：数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响。其次节其次节 坐标系、基准和坐标系统坐标系、基准和坐标系统 测量的基本任务：测量的基本任务：就是确定物体在空间中的位置、姿态及其运动轨迹。而对这些特征的描述都是建立在某一个特定的空间框架和时间框架之上的。所谓空间框架就是我们常说的坐标系统，而时间框架就是我们常说的时间系统。1.1.坐标系统坐标系统 一个完整的坐标系统是由坐标系和基准两方面要素所构成的。坐标系指的
16、是描述空间位置的表达形式，而基准指的是为描述空间位置而定义的一系列点、线、面。在大地测量中的基准一般是指为确定点在空间中的位置，而接受的地球椭球或参考椭球的几何参数和物理参数，及其在空间的定位、定向方式，以及在描述空间位置时所接受的单位长度的定义。空间直角坐标系n空间直角坐标系的坐标系原点位于参考椭球的中心，Z轴指向参考椭球的北极，X轴指向起始子午面与赤道的交点，Y轴位于赤道面上，且按右手系与X轴呈90夹角。某点在空间中的坐标可用该点在此坐标系的各个坐标轴上的投影来表示。图1 空间直角坐标系 空间大地坐标系空间大地坐标系是接受大地经、纬度和大地高来描述空间位置的。纬度是空间的点与参考椭球面的法
17、线与赤道面的夹角，经度是空间中的点与参考椭球的自转轴所在的面与参考椭球的起始子午面的夹角，大地高是空间点沿参考椭球的法线方向到参考椭球面的距离。图2 空间大地坐标系 2.2.坐标系变换与基准变换坐标系变换与基准变换在GPS测量中，常常进行坐标系变换与基准变换。坐标系的变换方法 空间直角坐标系与空间大地坐标系间的转换 空间坐标系与平面直角坐标系间的转换基准变换 七参数转换法 （1）在相同的基准下，空间大地坐标系向空间直角坐标系的转换方法为a为地球椭球长半轴；b为地球椭球的短半轴。其中：，为卯酉圈的半径；（2）在相同的基准下，空间直角坐标系向空间大地坐标系的转换方法为：（3）坐标系统转换七个转换参
18、数转换法：设两空间直角坐标系间有七个转换参数3个平移参数、3个旋转参数和1个尺度参数。m为空间直角坐标系A转换到空间直角坐标系B的尺度参数。若：为某点在空间直角坐标系A的坐标；为该点在空间直角坐标系B的坐标；为空间直角坐标系A转换到空间直角坐标系B的平移参数；为空间直角坐标系A转换到空间直角坐标系B的旋转参数；n则由空间直角坐标系A到空间直角坐标系B的转换关系为：其中：3.GPS测量中常用的坐标系统测量中常用的坐标系统nWGS-84:n World Geodical System（世界大地坐标系-84）,由美国国防部制图局建立。n WGS-84坐标系是目前GPS所接受的坐标系统，GPS所发布的
19、星历参数就是基于此坐标系统的。n WGS-84坐标系的坐标原点位于地球的质心，Z轴指向地球北极方向，X轴指向起始子午面和赤道的交点，Y轴与X轴和Z轴构成右手系。n WGS-84系所接受椭球参数为：n1954年北京坐标系 n 1954年北京坐标系是我国目前广泛接受的大地测量坐标系。该坐标系源自于原苏联接受过的1942年普尔科夫坐标系。n 建国前，我国没有统一的大地坐标系统，建国初期，在苏联专家的建议下，我国依据当时的具体状况，建立起了全国统一的1954年北京坐标系。该坐标系接受的参考椭球是克拉索夫斯基椭球，该椭球的参数为：1954年北京坐标系存在以下缺点n克拉索夫斯基椭球参数同现代精确的椭球参数
20、的差异较大。n参考椭球面与我国大地水准面呈西高东低的系统性倾斜，东部高程异样达60余米，最大达67米。n该坐标系统的大地点坐标是经过局部分区平差得到的，因此，全国的天文大地限制点事实上不能形成一个整体，区与区之间有较大的隙距，如在有的接合部中，同一点在不同区的坐标值相差1-2米，因而一等锁具有明显的坐标积累误差。n1980年西安大地坐标系 n1978年，我国确定重新对全国天文大地网施行整体平差，并且建立新的国家大地坐标系统，整体平差在新大地坐标系统中进行，这个坐标系统就是1980年西安大地坐标系统。n椭球的短轴平行于地球的自转轴，起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面，椭球面同似大地水准面在我
21、国境内符合最好，高程系统以1956年黄海平均海水面为高程起算基准。第三节第三节GPS静态定位在测量中的应用静态定位在测量中的应用 目前，GPS静态定位在测量中被广泛地用于大地测量、工程测量、地籍测量、物探测量及各种类型的变形监测等，在以上这些应用中，其主要还是用于建立各种级别、不同用途的限制网。1.GPS相关术语相关术语n卫星高度截止角:elevation mask,接收机所跟踪卫星的最低高度角，一般在10 以上。较高的截止高度角有利于防止大气层的影响及旁边物体和多路径的影响。n历元间隔:n GPS接收机连续接收两个历元的时间间隔,一般可选5秒、10秒或15秒。nPDOP值：n 三维几何精度因
22、子，指卫星与测站点所构成的空间几何图形精度，一般小于8，最好小于4。n年积日：表示某天是一年中的第几天。n 从每年的1月1日北京时间8:00起先为001天,到其次年的1月1日北京时间8:00为365天结束。n时段：observing session观测时段两台或多台接收机进行同步观测，同时接收数据的时间段。n基线（Baseline）：两测量点的连线，在此两点上同时接收GPS 信号并收集其观测数据。n方差比：同一组数据的残差比即次小残差的方差与最小残差的方差之比。n中误差：一组真误差平方的平均值的平方根。n同步环：同一时段观测的基线所形成的环。n异步环：不同时段观测的基线所形成的环。n重复基线：
23、不同时间段观测的同一条基线。n同步时间：同步环中各条基线公共观测的时间段。2.GPS静态定位在测量中的应用静态定位在测量中的应用 GPS静态定位在测量中主要用于测定各种用途的限制点。其中，较为常见的方面是利用GPS建立各种类型和等级的限制网，在这些方面，GPS技术已基本上取代了常规的测量方法，成为了主要手段。较之于常规方法，GPS在布设限制网方面具有以下一些特点：n测量精度高:GPS基线向量的相对精度一般在 10-510-9 之间，是一般测量方法很难达到的。n选点敏捷、不要求测站间相互通视,不须要造标、费用低。n全天侯作业：任何时间、任何气候条件下观测。n观测时间短：每站观测时间一般在12个小
24、时左右，接受快速静态定位，观测时间更短。n观测、处理自动化。GPS的特点：3.布设布设GPS基线向量网的工作步骤基线向量网的工作步骤 布设GPS基线向量网主要分测前、测中和测后三个阶段进行。（1）测前工作 项目的提出 一项GPS测量工程项目，往往是由工程发包方、上级主管部门或其他单位或部门提出，由GPS测量队伍具体实施。测区位置及其范围 测区的地理位置、范围，限制网的限制面积。n用途和精度等级用途和精度等级 限制网将用于何种目的，其精度要求是多少，限制网将用于何种目的，其精度要求是多少，要求达到何种等级。要求达到何种等级。n点位分布及点的数量点位分布及点的数量 n 限制网的点位分布、点的数量及
25、密度要求，限制网的点位分布、点的数量及密度要求，是否有对点位分布有特殊要求的区域。是否有对点位分布有特殊要求的区域。n提交成果的内容提交成果的内容 n 用户须要提交哪些成果，所提交的坐标成果用户须要提交哪些成果，所提交的坐标成果分别属于哪些坐标系，所提交的高程成果分别分别属于哪些坐标系，所提交的高程成果分别属于哪些高程系统，除了提交最终的结果外，属于哪些高程系统，除了提交最终的结果外，是否还须要提交原始数据或中间数据等。是否还须要提交原始数据或中间数据等。测前工作测前工作n时限要求时限要求 对提交成果的时限要求，即何时是提交成果的最对提交成果的时限要求，即何时是提交成果的最终期限。终期限。n投
26、资经费投资经费 对工程的经费投入数量。对工程的经费投入数量。n技术设计技术设计 负责负责GPSGPS测量的单位在获得了测量任务后，须要测量的单位在获得了测量任务后，须要依据项目要求和相关技术规范进行测量工程的技依据项目要求和相关技术规范进行测量工程的技术设计。关于技术设计的具体内容将在第四章中术设计。关于技术设计的具体内容将在第四章中作具体介绍。作具体介绍。n仪器的检验仪器的检验 对将用于测量的各种仪器包括对将用于测量的各种仪器包括GPSGPS接收机及相关接收机及相关设备、气象仪器等进行检验，以确保它们能够正设备、气象仪器等进行检验，以确保它们能够正常工作。常工作。测前工作测前工作n测绘资料的
27、搜集与整理测绘资料的搜集与整理 在起先进行外业测量之前，现有测绘资料的搜集在起先进行外业测量之前，现有测绘资料的搜集与整理也是一项极其重要的工作。须要收集整理与整理也是一项极其重要的工作。须要收集整理的资料主要包括测区及周边地区可利用的已知点的资料主要包括测区及周边地区可利用的已知点的相关资料（点志记、坐标等）和测区的地形图的相关资料（点志记、坐标等）和测区的地形图等。等。n踏勘、选点埋石踏勘、选点埋石 在完成技术设计和测绘资料的搜集与整理后，须在完成技术设计和测绘资料的搜集与整理后，须要依据技术设计的要求对测区进行踏勘，并进行要依据技术设计的要求对测区进行踏勘，并进行选点埋石工作。选点埋石工
28、作。测前工作测前工作（2 2）测量实施测量实施 n实地了解测区状况实地了解测区状况 由于在很多状况下，选点埋石和测量是由于在很多状况下，选点埋石和测量是分别由两个不同的队伍或两批不同的人分别由两个不同的队伍或两批不同的人员完成的，因此，当负责员完成的，因此，当负责GPSGPS测量作业的测量作业的队伍到达测区后，须要先对测区的状况队伍到达测区后，须要先对测区的状况作一个具体的了解。主要须要了解的内作一个具体的了解。主要须要了解的内容包括点位状况（点的位置、上点的难容包括点位状况（点的位置、上点的难度等）、测区内经济发展状况、民风民度等）、测区内经济发展状况、民风民俗、交通状况、测量人员生活支配等
29、。俗、交通状况、测量人员生活支配等。这些对于今后测量工作的开展是特别重这些对于今后测量工作的开展是特别重要的。要的。n卫星状况预报卫星状况预报依据测区的地理位置，以及最新的卫星星历，对卫星状依据测区的地理位置，以及最新的卫星星历，对卫星状况进行预报，作为选择合适的观测时间段的依据。所需况进行预报，作为选择合适的观测时间段的依据。所需预报的卫星状况有卫星的可见性、可供观测的卫星星座、预报的卫星状况有卫星的可见性、可供观测的卫星星座、随时间变更的随时间变更的PDOP值、随时间变更的值、随时间变更的TDOP值等。值等。n确定作业方案确定作业方案依据卫星状况、测量作业的进展状况、以及测区的实际依据卫星
30、状况、测量作业的进展状况、以及测区的实际状况，确定出具体的作业方案，以作业指令的形式下达状况，确定出具体的作业方案，以作业指令的形式下达给各个作业小组，依据状况，作业指令可逐天下达，也给各个作业小组，依据状况，作业指令可逐天下达，也可一次下达多天的指令。作业方案的内容包括作业小组可一次下达多天的指令。作业方案的内容包括作业小组的分组状况，的分组状况，GPS观测的时间段以及测站等。观测的时间段以及测站等。测量实施测量实施n外业观测外业观测 各各GPSGPS观测小组在得到作业指挥员所下达的作业观测小组在得到作业指挥员所下达的作业指令后，应严格依据作业指令的要求进行外业指令后，应严格依据作业指令的要
31、求进行外业观测。在进行外业观测时，外业观测人员除了观测。在进行外业观测时，外业观测人员除了严格依据作业规范、作业指令进行操作外，还严格依据作业规范、作业指令进行操作外，还要依据一些特殊状况，敏捷地实行应对措施。要依据一些特殊状况，敏捷地实行应对措施。在外业中常见的状况有不能按时开机、仪器故在外业中常见的状况有不能按时开机、仪器故障和电源故障等。障和电源故障等。n数据传输与转储数据传输与转储 在一段外业观测结束后，应刚好地将观测数据在一段外业观测结束后，应刚好地将观测数据传输到计算机中，并依据要求进行备份，在数传输到计算机中，并依据要求进行备份，在数据传输时须要比照外业观测记录手簿，检查所据传输
32、时须要比照外业观测记录手簿，检查所输入的记录是否正确。数据传输与转储应依据输入的记录是否正确。数据传输与转储应依据条件，刚好进行。条件，刚好进行。测量实施测量实施n基线处理与质量评估基线处理与质量评估对所获得的外业数据刚好地进行处理，解算出对所获得的外业数据刚好地进行处理，解算出基线向量，并对解算结果进行质量评估。作业基线向量，并对解算结果进行质量评估。作业指挥员须要依据基线解算状况作下一步指挥员须要依据基线解算状况作下一步GPS观观测作业的支配。测作业的支配。n重复确定作业方案、外业观测、数据传输与转重复确定作业方案、外业观测、数据传输与转储与基线处理与质量评估四步，直至完成全部储与基线处理
33、与质量评估四步，直至完成全部GPS观测工作。观测工作。测量实施测量实施（3）测后工作测后工作n结果分析（网平差处理与质量评估）结果分析（网平差处理与质量评估）n对外业观测所得到的基线向量进行质量检验，对外业观测所得到的基线向量进行质量检验，并对由合格的基线向量所构建成的并对由合格的基线向量所构建成的GPS基线向基线向量网进行平差解算，得出网中各点的坐标成果。量网进行平差解算，得出网中各点的坐标成果。n技术总结技术总结n依据整个依据整个GPS网的布设及数据处理状况，进网的布设及数据处理状况，进行全面的技术总结。行全面的技术总结。n成果验收成果验收第四节第四节技术设计技术设计 在布设GPS网时，技
34、术设计是特别重要的。这是因为技术设计供应了布设GPS网的技术准则，在布设GPS网时所遇到的全部技术问题，都须要从技术设计中找寻答案。因此，在进行每一项GPS工程时，都必需首先进行技术设计 技术设计的内容技术设计的内容 一个完整的技术设计，主要应包含如下内容：n项目来源项目来源 介绍项目的来源、性质。n测区概况测区概况 介绍测区的地理位置、气候、人文、经济发展状况、交通条件、通讯条件等。n工程概况工程概况 介绍工程的目的、作用、要求、GPS网等级（精度）、完成时间等。n技术依据技术依据 介绍作业所依据的测量规范、工程规范、行业标准等。n施测方案施测方案 介绍测量所接受的仪器、实行的布网方法等。介
35、绍测量所接受的仪器、实行的布网方法等。n作业要求作业要求 介绍外业观测时的具体操作规程、技术要求等，介绍外业观测时的具体操作规程、技术要求等，包括仪器参数的设置（如采样率、截止高度角包括仪器参数的设置（如采样率、截止高度角等）、对中精度、整平精度、天线高的量测方等）、对中精度、整平精度、天线高的量测方法及精度要求等。法及精度要求等。n观测质量限制观测质量限制 介绍外业观测的质量要求，包括质量限制方法介绍外业观测的质量要求，包括质量限制方法及各项限差要求等。及各项限差要求等。n数据处理方案数据处理方案 具体的数据处理方案，包括基线解算和网平差具体的数据处理方案，包括基线解算和网平差处理所接受的软
36、件和处理方法等内容。处理所接受的软件和处理方法等内容。技术设计的内容技术设计的内容 第五节第五节布网方法布网方法1.GPS基线向量网的等级基线向量网的等级 n依据我国1992年所颁布的全球定位系统测量规范，GPS基线向量网被分成了A、B、C、D、E五个级别。测量分类固定误差(mm)比例误差(ppm)相邻点距离(km)A50.11002000EBCD810101015102015250540215110A级网一般为区域或国家框架网；B级网为国家大地限制网或地方框架网；C级网为地方限制网和工程限制网；D级网为工程限制网；E级网为测图网。2.设计的一般原则n应通过独立观测边构成闭合图形，以增加检核条
37、件，提高网的牢靠性。n 应尽量与原有地面限制网相重合，重合点一般不少于3个，且分布匀整。n 应考虑与水准点相重合，或在网中布设确定密度的水准联测点。n 点应设在视野开阔和简洁到达的地便利于联测方向。3.GPS基线向量网的布网形式 GPS网常用的布网形式很多，依据不同用途和等级要求可实行不同的形式。在工程测量和地形测图布设限制网时，最常用的布网形式是同步图形扩展式。同步图形扩展式具有作业效率高，图形强度好且作业方法简洁的特点，是目前在GPS测量中普遍接受的一种布网形式。同步图形扩展式主要以下几种方式：点连式、边连式、网连式、混连式n布网形式布网形式 所谓同步图形扩展式的布网形式，就是多台接收机在
38、不同测站上进行同步观测，在完成一个时段的同步观测后，又迁移到其它的测站上进行同步观测，每次同步观测都可以形成一个同步图形，在测量过程中，不同的同步图形间一般有若干个公共点相连，整个GPS网由这些同步图形构成。1.点连式点连式n观测作业方式观测作业方式n所谓点连式就是在观测作业时，相邻的同步所谓点连式就是在观测作业时，相邻的同步图形间只通过一个公共点相连。这样，当有图形间只通过一个公共点相连。这样，当有m台仪器共同作业时，每观测一个时段，就台仪器共同作业时，每观测一个时段，就可以测得可以测得m-1个新点，当这些仪器观测了个新点，当这些仪器观测了s个个时段后，就可以测得时段后，就可以测得1+s(m
39、-1)个点。个点。n特点特点n点连式观测作业方式的优点是作业效率高，点连式观测作业方式的优点是作业效率高，图形扩展快速；它的缺点是图形强度低，假图形扩展快速；它的缺点是图形强度低，假如连接点发生问题，将影响到后面的同步图如连接点发生问题，将影响到后面的同步图形。形。图5 点连式 边连式边连式n观测作业方式 所谓边连式就是在观测作业时，相邻的同步图形间有一条边（即两个公共点）相连。这样，当有 m台仪器共同同作业时，每观测一个时段，就可以测得 m-2个新点，当这些仪器观测了 s个时段后，就可以测得2+s(m-2)个点。n特点 边连式观测作业方式具有较好的图形强度和较高的作业效率。图6 边连式 网连
40、式网连式n观测作业方式n所谓网连式就是在作业时，相邻的同步图形间有3个（含3个）以上的公共点相连。这样，当有m台仪器共同作业时，每观测一个时段，就可以测得m-3个新点，当这些仪器观测了s个时段后，就可以测得k+s(m-3)个点。n特点 n接受网连式观测作业方式所测设的GPS网具有很强的图形强度，但网连式观测作业方式的作业效率很低。4.选点n点位远离大功率的无线电放射台和高压输电线，以避开其四周磁场对GPS卫星信号的干扰。接收机天线与其距离，一般不得小于200m；n旁边不应有大面积的水域，或对电磁波反射（或吸取）猛烈的物体，以减弱多路径效应的影响；n观测站应设在易于安置接收设备的地方，且视场开阔
41、。在视场内四周障碍物的高度角，依据状况一般应小于1015；n观测站应选在交通便利的地方，并且便于用其它测量手段联测和扩展；n绘制点之记。5.GPS外业观测:n仪器安置:对中与整平,量取天线高n按技术设计与作业指令同时开机nGPS接收机的操作n记录接收机观测时段与相应点号n同步观测时间达到相应等级的时间要求后,关机n进行下一时段观测,直至完成全部测量任务n数据传输与备份。1.基线解算质量限制指标基线解算质量限制指标n中误差n方差比 n数据删除率n同步环闭合差n异步环闭合差n重复基线较差 第六节第六节GPS基线解算基线解算 2.GPS基线解算的过程基线解算的过程 接收机都配备相应的数据处理软件，可
42、自动进行GPS基线解算,解算过程是：原始观测数据的读入(RINEX格式)外业输入数据的检查与修改 设定基线解算的限制参数 基线解算 基线质量的检验(同步环闭和差、异步环闭和差和重复基线较差)结束.1.GPS网平差的过程网平差的过程 n提取基线向量，构建GPS基线向量网 选取相互独立的边长较短的质量好的基线构成闭合的几何图形。n三维无约束平差 在WGS-84三维空间直角坐标系下进行得到GPS网中各个点在WGS-84系下经过了平差处理的三维空间直角坐标或地理坐标。第七节第七节GPS基线向量网平差基线向量网平差n约束平差约束平差/联合平差联合平差n约束平差约束平差/联合平差事实上是坐标系的转换问联合
43、平差事实上是坐标系的转换问题题n指定进行平差的基准和坐标系统。指定进行平差的基准和坐标系统。n指定起算数据。指定起算数据。n检验约束条件的质量。检验约束条件的质量。n进行平差解算。进行平差解算。n质量分析与限制质量分析与限制n利用基线质量限制指标对基线解算与平差的结利用基线质量限制指标对基线解算与平差的结果进行分析果进行分析,发觉有质量问题，须要依据具体发觉有质量问题，须要依据具体状况进行处理。状况进行处理。第八节第八节 技术总结技术总结1.技术总结的作用 在完成了GPS网的布设后，应当细致完成技术总结。每项GPS工程的技术总结是工程一系列必要文档的主要组成部分。它能够使各方面对工程的各个细微
44、环节有完整而充分的了解，便于今后对成果的充分而全面地加以利用。通过对整个工程的总结，测量作业单位还能够总结阅历，发觉不足，为今后进行新的工程供应参考。2.技术总结的内容技术总结的内容 技术设计须要包含以下内容：项目来源：介绍项目的来源、性质。测区概况：介绍测区的地理位置、气候、人文、经济发展状况、交通条件、通讯条件等。工程概况：介绍工程目的、作用、要求、等级（精度）、完成时间等。技术依据：介绍作业所依据的测量规范、工程规范、行业标准等。施测方案：介绍测量所接受的仪器、实行的布网方法等。n作业要求：介绍外业观测时的具体操作规程、技术要求等，包括仪器参数的设置（如采样率、截止高度角等）、对中精度、
45、整平精度、天线高的量测方法及精度要求等。n观测质量限制：介绍外业观测的质量要求，包括质量限制方法及各项限差要求等。n数据处理方案：说明具体的数据处理方案，包括基线解算方法、网平差处理方法等。n结论：对整个工程的质量及成果作出结论。RTK技术nRTK（real-time-kinematic）技术是GPS实时载波相位差分的简称。这是一种将GPS与数传技术相结合，实时解算进行数据处理，在1-2秒的时间里得到测站点在制定坐标系中的三维定位结果，并达到cm级的精度。自90年头初，RTK技术一经问世，极大的拓展了GPS的运用空间，使GPS只能做限制测量的局面中摆脱出来，而起先广泛运用于工程测量。直到今日，
46、RTK技术仍代表着高精度GPS的高端水平。RTK技术系统构成RTK系统构成：1.基准站 2.移动站 3.数据链RTK技术工作原理差分数据1.x,y,z2.载波相位观测值3.伪距观测值参数设置坐标存储基准站移动站采集器数据处理与数据传输RTK技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术。数据处理：RTK的数据处理是在移动站上进行的，处理的数据量比较大，依靠功能强大的便携的计算工具，RTK才能得以实现。数据传输：RTK定位时要求基准站实时地把大量的差分数据传输给移动站，一般都是通过民用无线电台来实现，特殊的也可以通过无线通讯网络传递或者有线网络进行中继。RTK技术的优点n定位速度快：可在1-2秒内确定
47、待测点坐标。n精度较高：可以达到cm级。与静态GPS测量（mm级）相比精度略低，但完全可以满足测绘要求。n应用范围广：广泛应用于城市、矿山等区域性的限制测量，工程测量和地籍测量等。n作业简洁，自动化程度高。n作业成本低，时间短。RTK技术的局限性GPS误差的空间相关性随参考站和移动站距离的增加而渐渐失去线性，因此在较长距离下（单频大于10km,双频大于30km），经过差分处理后的用户数据仍旧含有很大的观测误差，从而导致定位精度的降低。用户须要架设本地的参考站。误差随距离增长。误差增长使流淌站和参考站距离受到限制(15KM)牢靠性和可行性随距离降低。VRS-GPS网络RTK技术 为了克服传统RT
48、K技术的缺陷，在20世纪90年头中期，人们提出了网络RTK技术。在网络RTK技术中，线性衰减的单点GPS模型被区域型的GPS网络误差模型所取代，即用多个参考站组成的GPS网络来估计一个地区的GPS误差模型，并为网络覆盖地区的用户供应校正数据。而用户收到的也不是某个实际参考站的观测数据，而是一个虚拟参考站的数据和距离自己位置较近的某个参考网格的校正数据，因此网络RTK技术又被称为虚拟参考站技术（virtual reference station）。n它的出现将使一个地区的全部测绘工作成为一个有机的整体，结束以前GPS作业单打独斗的局面。同时，它将大大扩展RTK的作业范围，使GPS的应用更广泛，精
49、度和牢靠性将进一步提高，使从前很多GPS无法完成的任务成为可能。最重要的是，在具备了上述优点的同时，建立GPS网络成本反而会极大的降低。网络RTK技术示意图网络RTK技术系统结构基准站网移动站移动站75km控制中心双向数据通讯双向数据通讯VRS系统是集internet技术，无线通讯技术，计算机 网络管理和GPS定位技术一身的系统。包括3个部分：限制中心，基准站网和用户部分。限制中心（Control center）限制中心是整个系统的核心。它即是通讯限制中心，也是数据处理中心。它通过通讯线（光缆，ISDN，电话线）与全部的基准站通讯；通过无线网络（GSM，CDMA，GPRS.）与移动用户通讯。由
50、计算机实时系统限制整个系统的运行，所以限制中心的软件GPSNET即是数据处理软件，也是系统管理软件。基准站网基准站网是固定的GPS接收系统，分布在整个网络中，一个VRS网络可包括多数个站，但最少要3个站，站与站之间的距离可达70公里，（传统高精度GPS网络，站间距离不过10-20公里）。固定站与限制中心之间有通讯线相连，数据实时的传送到限制中心。用户部分（移动站）用户部分就是用户的接收机，加上无线通讯的调制解调器。依据自己的不同需求，放置在不同的载体上，如：汽车，飞机，农业机器，挖掘机等等，当然测量用户也可以把它背在肩上。接收机通过无线网络将自己初始位置发给限制中心，并接收中心的差分信号，生成