毕业论文--如何提高GPS在工程测量应用中的精度.doc

如何提高GPS在工程测量应用中的精度 本科毕业设计（论文）题目如何提高GPS在工程测应用应用中的精度学生姓名 学号0915060111教学院系土木工程与建筑学院专业年级测绘工程2010级指导教师 职称副教授单位辅导教师职 称单位完成日期2014年6月12日How to improve the precision of GPS in the application of Engineering Surveying摘 要 GPS定位技术作为一项20世纪的高新技术，已经广泛应用于轮船、飞机以及汽车的导航定位。由于GPS测量有传统测量不可取代的优点，使GPS测量在工程测量中的地位日益重要，相关的技术知识也发展很快。随着GPS接收机的改进，GPS定位技术，DGPS差分定位技术和RTK实时差分定位技术的发展，并且满足动态、快速、高精度定位的需要，使GPS在陆地导航、各类控制网建立、精密工程测量、施工放样等方面推广应用。随着GPS定位技术的不断发展及其在测量中日益深入广泛的应用,对其测量精度的要求越来越高。本文首先分析了研究意义及发展现状，介绍了GPS的系统组成与测量原理。在分析各种测量方法的同时，指出它们的优缺点和适用情况，使用范围。然后分析了各种来源误差、起算点、布网方法、观测时间对GPS观测精度的影响，针对各种误差，提出了相应的减弱或消除方法，并结合工程实例，重点讨论了起算点对高程精度的影响，分析总结出可供工程实践参考的结论。最后分析讨论了RTK测量的精度影响因素，指出一些对提高精度有用的方法，并对提高GPS在工程测量应用中的精度提出了进一步深入研究的建议。关键词：GPS测量精度；影响因素；误差；起算点ABSTRACTHigh tech GPS as a kind of positioning technology of twentieth Century , has been widely used in ships, aircraft and vehicles navigation and positioning. Because of the advantages of the traditional measurement cant be replaced by the GPS measurement, the measurement of GPS in the project measurement is becoming more and more important, the technical knowledge relevant also develops very quickly. With the improvement of GPS receivers,GPS positioning technology, the development of differential DGPS positioning technology and RTK real-time differential positioning technology, and meeting the dynamic, fast, high precision positioning,GPS is highly popularized and applied in land navigation, all kinds of control network establishment, precise engineering surveying, construction layout etc. With the continuous development of GPS technology and its application in the measurement being widely used, the measuring accuracy is increasingly demanded. This paper first analyzes the status quo and development research, introduces the GPS system composition and measurement principle. In the analysis of the various methods of measuring, the thesis points out their advantages and disadvantages as well as the applicable conditions, the scope of use. Then analyzes the effects of various sources of error, the starting point, network design, observation time on GPS observation precision , puts forward the corresponding reduction or elimination method for a variety of errors, discusses the influence of the starting point of elevation accuracy combined with engineering example, and at last summarizes some conclusions for practical engineering. The final analysis of the factors affecting the accuracy of RTK measurement is discussed, and points out some methods to improve the accuracy of useful, and suggestions for further research are put forward to improve the accuracy of GPS measurements in engineering applications.Keywords： GPS measurement accuracy；influence factors；error；starting point目录1绪论31.1 概述31.2 研究背景与意义31.3 国内外研究现状41.4 本文内容安排42 GPS测量原理及其技术概述52.1 GPS在工程测量中的应用现状及发展前景52.2系统组成52.3 GPS测量原理62.3.1 绝对定位原理72.3.2 相对定位原理72.3.3 差分GPS定位原理83影响GPS测量精度的因素93.1 GPS测量误差93.1.1 与卫星有关的误差103.1.2 与传播路径有关的误差103.1.3 与接收设备有关的误差113.2 GPS布网方案123.2.1 起算点影响因素133.2.2 GPS布网方案153.2.3 观测时长174 RTK测量184.1RTK简介184.2 RTK系统组成184.3 RTK网194.4 RTK精度影响因素204.4.1 RTK定位误差204.4.2 同仪器和GPS卫星有关的误差204.4.3 同信号传播有关的误差201绪论1.1 概述使用人造卫星确定地球上点的位置的研究开始于1959年，霍布斯进大学应用物理实验室的子午卫星导航系统Transit于1964年1月研制成功。事实证明，该系统不受时间、天气等因素的限制，能在地球上任何观测到卫星的地方接收卫星信号，进行单点定位、双点联测等工作，然后计算出测站在地球坐标系中三维地心坐标和两点间三维坐标差。但由于该系统卫星少，观测间隔时间大（每隔12小时才能观测一次），无法实时连续定位，并且只能得到二维坐标经度和纬度，没有高程。由于卫星轨道太低，受大气阻力和引力场的影响较大，限制了定位经度。鉴于上述原因，美国国防部于1973年批准陆、海、空三军共同研制第二代卫星导航定位系统，英文为Navigation Sstellite Timing And Ranging/Global Positioning System1，简称GPS。该系统历经三个阶段：原理可行性验证阶段（19731979），系统研制与试验阶段（19791984）和工程发展与完成阶段。到1994年，所有GPS星座装配完成，20年，耗资近300亿美元，最终建成由24颗卫星构成的GPS系统2。GPS自产生以来就得到迅速发展，其优越的性能特点，引起各国军事和民用部门广泛关注。该系统可提供全天24小时的全球定位服务，利用导航卫星发射信号进行测时测距，具有海、陆、空全方位实时三维导航定位能力，可为用户提供高精度的三维位置、三维速度、一维时间信息3。近十多年，GPS技术高度自动化以及所能达到的精度，使其在大地测量、控制测量、工程测量及车辆、船舶、飞机等的导航方面，得到广泛应用4。1.2 研究背景与意义 传统的工程控制测量是在大地测量基础上进行的，即必须有一定数量的已知点作为工程控制测量的起算依据。而传统的大地测量，首先是在全国范围内布设高精度的一等锁和二等网，然后逐级加密出三、四等网，为工程控制测量提供起算点。它不仅周期长，花费的代价大，随着时间的推移，大量点位遭到破坏，使传统的工程控制测量难以实施，且施测过程中还必须考虑通视条件和图形结构，使工程测量的精度和效率受到很大影响。GPS技术的发展为大地测量提供了一种新的测量手段。因为GPS测量不需要两点问通视、受天气影响较小、直接获得三维坐标等优点，GPS技术已成为大地测量的主要手段。 近年来，由于GPS接收机的小功耗、小型化，给其应用于测量领域提供了便利条件。软件方面，GPS平差、基线结算也有了较大发展，促进了GPS在测量中的广泛应用。最近几年，动态GPS（RTK）的发展缩短了工程工期，减少了人员的投入，降低了成本，充分体现出GPS技术的优越性。但是在工程实践中，要确保GPS数据的精度及稳定性，充分发挥它在测量中的优越性，就必须分析对其精度的影响因素。动态GPS的应用使测量人员投入减少，观测时间缩短，由于不受通视条件和网形等条件的影响，提高了工作效率，但是同时由于动态GPS测量没有静态测量的约束条件，不能直接衡量它的观测精度，无法满足控制测量的要求。其精度与静态测量相比存在一定的差距，还有可靠性不高，缺少检核条件等缺点。因此，有必要研究分析GPS各种测量的资料、观测及数据处理方法，探求GPS测量精度。通过研究分析，对GPS测量有进一步的认识，进一步提高观测精度和工作效率。1.3 国内外研究现状 2000年，我国建成北斗导航试验系统，我国成为继美、俄之后世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。2011年12月27日起，北斗导航系统开始向中国以及周边地区提供导航定位和授时服务；2002年3月24日，欧盟首脑会议批准建设伽利略卫星导航定位系统的实施计划；建成的最初目标是2008年，但由于技术等问题延长到了2011年。2010年初，欧盟委员会再次宣布，伽利略系统将推迟到2014年投入运营。 1998年lO月19日一1999年4月19日，美国导航研究所和国际地球自转服务中心、国际GPS服务中心、国际大地测量协会共同组织了一次GLONASS/GPS国际大联测，并称之为国际GLoNASS试验。这次联测在美国、俄罗斯、中国香港、台湾和法国等26个国家和地区布设了61个观测站，国际激光测距服务中心也参加了GLONASSGPS国际大联测，它组织了中国、日本、美国和澳大利亚等15个国家， 30台卫星激光测距仪，对9颗GLONASS导航卫星激光测距。依据GLONASS全球观测网的测量成果，解算出WGS-84坐标与PZ-90坐标和ITRF坐标之间的参数。由此可见，需要组织大的测量队伍，布设分布适宜的观测网，才能够解算出多种卫星导航系统的统一坐标，获取较满意成果5。为得到高精度的动态已知点，卫星导航定位系统较多采用全球定轨观测网来测定导航卫星的轨道参数。随我国对地观测卫星的精密定轨需求的增强，对地观测卫星不断发射升空，将给测绘工作者带来用武的新天地。70年代后期，在从事多年理论研究的同时，我国航天科技单位引进试制成功了各种人造卫星观测仪器。80年代初，我国有些科研单位和院校开始研究GPS技术。80年代中期，我国引进了GPS接收机，并应用于各个领域。并已研究建立了自己的卫星导航系统。20世纪80年代末期以来，GPS技术在我国测绘、航天、地质、航道、海洋、交通、水利、石油、农业、渔业和信息等行业获得了广泛应用。GPS的现代化加速了GPS技术在我国更多领域的应用。例如大地测量方面，用GPS技术开展国际联测建立全球性大地控制网，提供高精度地心坐标，测定精化大地水准面。建立各级测量控制网，提供高精度平面和高程三维基准。卫星导航定位技术与遥感、通信和电子消费产品不断的融合，将创造出更多新产品和新服务。特别是我国自行研发的北斗卫星导航系统的成功运行和伽利略卫星导航定位系统即将建成，将开创卫星导航定位应用的新天地。1.4 本文内容安排 本文分析了GPS测量理论，在静态GPS方面，重点分析各种来源误差、起算点、布网方法以及观测时间对GPS测量精度的影响。针对不同工程的不同要求，以具体工程数据加以理论分析，探讨出比较合理的提高GPS在工程测量应用中精度的方法来指导工程实践；在动态RIK部分，分析其误差来源的若干因素，得出一些指导工程实践的结论。本文的内容安排如下：第一章首先介绍了GPS在测绘领域的巨大优势和潜力，本文的研究背景与意义，国内外研究现状。第二章介绍了全球定位系统，阐述了静态GPS系统的构成、定位原理，重点介绍了绝对定位、相对定位和差分GPS定位原理。第三章对影响GPS测量精度的因素进行研究。分析了影响GPS测量精度的若干因素，其次对各个因素通过具体工程数据加以分析和处理，并得出结论。第四章介绍RTK的测量原理，主要介绍其系统的组成、工作原理、误差来源以及相应提高精度的方法。第五章对全文总结和对未来工作的展望。2 GPS测量原理及其技术概述2.1 GPS在工程测量中的应用现状及发展前景GPS定位系统自产生以来就得到了迅速的发展，引起各国军事部门和民用部门的普遍关注。GPS定位技术以其高自动化和所达到的精度，也引起了测量工作者极大的兴趣，使其在应用基础的研究、新应用领域的开拓、软件和硬件的开发等方面，都得到蓬勃发展。现在这一定位技术已广泛应用于工程测量、大地测量、地籍测量、地壳变形监测、地壳运动监测、航空摄影和海洋测绘、运载工具导航和管制、工程变形监测和地球动力学等许多测量领域。自1982年第一代测量型的GPS接收机投入市场以来，我国陆续进口了GPS接收机进行各方面的研究工作。90年代后，GPS接收机价格下降，越来越多的单位购买GPS接收机应用于工程测量等领域。 相对于经典测量技术而言，GPS测量技术主要特点如下：1、测站间无需通视。GPS测量技术不需要测站间相互通视，不再需要建造觇标。这一优点使点位的选着变得更为灵活，同时也大大的减少了测量工作的时间和费用。2、定位精度高。已完成的大量GPS测量表明，在小于50千米的基线上，其相对定位精度可达12ppm，基线越长，他的相对精度就越高。3、观测时间短。采用快速相对定位的方法，对于短基线(小于20千米)，观测时间可缩短到几分钟。对地形测量、放样测量等测量工作，采用快速静态、实时动态定位技术，可将一个点的测量时间缩短到几秒钟。4、提供三维坐标。，GPS测量可同时观测得到三维坐标，这一优点为确定地面点的高程和研究大地水准面的形状开辟了新途径。5、操作简便。GPS接收机越来越轻便，测量的自动化程度高，测量任务主要是放置的GPS接收机的天线，开关设备，测量仪器高，监视设备的工作状态。6、全天候作业。可在任何的时间和地方连续进行GPS观测，一般不会受天气状况影响。当前的GPS卫星定位仪具有一个防水装置。正因为以上优点，GPS接收机已成为目前主要的测量仪器之一。常规平面控制测量已大部分采用GPS进行，将GPS用于水上测量使工作效率大大提高。动态GPS测量技术的输出，使GPS开始在放样、地形等常规测量中使用。由于GPS测量技术所具有的优越性、先进性和跨学科的特点， 使得GPS定位技术已成为当今测量的前沿学科，与遥感、地理信息系统并称为3S6。2.2系统组成GPS定位系统由空间卫星、地面监控和用户接收机三部分组成。图1.1空间卫星部分如图1.1所示，21+3颗卫星分布在六个独立轨道上，每个轨道有4颗卫星，各轨道升交点赤经相差60，对赤道面倾角为55，卫星运行周期为11h58min，卫星高度为20200km。卫星通过天定附近可观测时间为5小时，卫星的布局能保证在全球任何时刻任何地方高度角在25以上的可观测卫星数至少4颗8。卫星接收并存储地面监控站发出的导航信息，在原子频标控制下发送导航与定位信息给用户，接收执行监控站的指令，进行必要数据处理，调整卫星姿态和播发信号的关启7。卫星上安装有微型计算机、原子钟、电子存储和发射设备，均由太阳能电池供电。卫星上备有的少量燃料用来调卫星型轨道姿态，若出现故障，备用卫星随时可由地面控制站发出指令飞往指定地点。地面监控部分地面监控部分包括一个主控站、三个信息注入站和五个监测站。主控站位于美国本土，主要负责协调管理地面监控系统。三个信息注入站分别位于大西洋、印度洋、太平洋，他们都位于赤道带附近9。注入站将主控站推算编制的导航电文、卫星星历、控制指令注入相应卫星的存储系统。监测站中四个位于主控站和信息注入站，另一个位于夏威夷。监测站主要用于监测大气数据、卫星轨道数据及卫星工作状态。用户接收机用户接收机包括主机、天线、电源、输入和输出设备、数据处理软件等。接收机通过天线接收卫星发出的信号，利用本机产生的伪随机噪声码获得距离观测量和导航电文，依据导航电文提供的钟差改正数和卫星位置，计算接收机所处的位置10。通常采用全方位形的天线，以便采集各方位卫星信号。天线基座中的前置放大器将信号放大，由同轴电缆接入主机。按接收机使用状态的不同，分为高动态接收机和低动态接收机；按精度的不同，分为双频精码接收机和单频粗码接收机；按用途的不同，可分为测量型、导航型、受时型接收机。2.3 GPS测量原理 GPS测量的基本原理是利用测距交会原理来确定点位的三维坐标。GPS卫星发送给用户的导航电文是不归零的二进制数据码，码率fd=50HZ。为增强GPS信号保密性、抗干扰性，实现遥远卫星通讯，节省卫星的电能，GPS卫星采用了伪噪声码对D码作二级调制。用户使用GPS接收机在某一时刻接收到三颗以上到卫星信号，测出测站点(天线中心)至三颗以上GPS卫星的距离，解算此时GPS卫星的空间坐标，利用距离交会法解算测站点的位置11。 使用GPS来定位的方法有多种，根据测距原理，主要有伪距定位法，载波相位测量法和差分GPS定位。对待定点来说，依据其运动的状态分为静态定位和动态定位。静态定位是指将接收机安置其上观测几分钟至更长的时间，确定这个点的三维坐标。动态定位是至少一台接收机处于运动状态，测定的是各观测时刻相应运动中接收机的点位。若按定位方式，GPS定位可分为绝对定位和相对定位。绝对定位是根据一台接收机观测的数据来确定接收机位置，它只能采用伪距观测量。相对定位就是利用两台以上的接收机的观测数据确定观测点间的相对位置，即可以采用伪距观测量，也可以采用相位观测量。2.3.1 绝对定位原理绝对定位又称为单点定位,指在协议地球坐标系中,直接确定观测站相对于坐标原点绝对坐标的定位方法。其基本原理是以GPS卫星与接收机天线间的距离(或距离差)观测量为基础,根据已知的卫星的瞬时坐标,确定用户接收机天线对应的点位,也就是观测站位置。绝对定位的实质就是测量学中空间距离后方交会。在一个观测站上有3个独立的距离观测量就够了,但由于GPS采用的是单程测距原理,同时用户接收机钟与卫星钟难以保持严格的同步，因此实际观测的测站至卫星间距离受到卫星钟和接收机钟同步差的影响(所以叫做伪距)。可以用导航电文给出的钟差参数修正卫星钟差，但接收机钟差一般难以预先准确确定，常把它作为一个未知参数，在与观测站坐标在数据处理中一并求解。2.3.2 相对定位原理 相对定位基本情况是将两台GPS接收机分别安置在基线两端，同步观测相同卫星，确定基线端点在协议地球坐标系中相对位置或基线向量。当把多台GPS接收机安置在若干条基线的端点时，同步观测GPS卫星，能够确定多条基线向量。由于两个或多个观测站在同步观测相同卫星时，卫星的钟差、轨道误差、电离层和对流层的折射误差和接收机钟差等误差的影响有一定的相关性,因此利用这些观测量不同的组合，相对定位，就能有效地减弱上述误差的影响，提高定位精度。根据接收机在定位过程中所处的不同状态,相对定位分为静态和动态。静态相对定位是设置在基线端点的接收机是固定的，这样可以通过连续观测取得足够的多余观测数据,来改善定位精度。当前普遍采用在观测值之间求差的方法来提高相对定位的精度。1.站问单差：对不同测站，同步观测相同的卫星所得观测量之差。因为两个测站在相同时刻对同一卫星来说，它的星历误差、卫星钟差等与卫星有关的误差相同，所以站间单差能够消除与卫星有关的误差。对距离两万千米以上的卫星而言，地面测站间距离一般只有几千米到几十千米，所以卫星到不同测站之间的路径基本是相同的，因此大气折射带来的误差对两测站的同步观测值有一定的相关性。两测站间的距离越小时，相关性就越大，对单差观测量的影响就明显减弱。2.星间单差：同一测站不同卫星的同步观测量之差。星间单差可以将与测站有关的误差如接收机钟差的影响大大减弱甚至消除。星间单差可用于单点定位，能够提高绝对定位的精度。3.双差解：对站间单差再次在星间求差。站间求差能够消除或很大的减弱与传播介质和卫星有关的误差影响，在卫星间求差则可消除或减弱与测站相关误差的影响，因此接收机钟差就可忽略。站星双差的观测量精度很高，主要用于相对定位。4.三差解：对二次差再次求差成为三次差，称为三差或载波相位观测值的三次差。常在卫星、接收机和历元间求三次差。三次模型消除了整周未知数，因而能够快速提供测站的近似坐标。因为三次求差使观测方程数目明显减少，可能对未知参数的解算产生不利影响。所以实际工作中一般不用三差模型，而是多采用站星双差模型。静态相对定位一般采用载波相位观测值作为基本观测量，这种方法是当前GPS定位精度最高的方法，广泛应用于工程测量、大地测量和地壳变形监测等精密测量领域。动态相对定位是把一台接收机安置在基准站上固定不动，另一台接收机安置在运动的载体上，然后两台接收机同步观测相同卫星，观测运动点相对基准站的实时位置。根据采用观测量的不同，动态相对定位又分为测相伪距动态相对定位和测码伪距动态相对定位。目前测码伪距动态相对定位法的实时定位精度可达到米级。以相对定位原理为基础的实时差分GPS定位由于可有效地减弱钟差、星历误差、大气折射等误差的影响，其定位精度远比伪距动态定位的精度高，普遍应用在运动目标的监测、导航和管理等方面。测相伪距动态相对定位法是一种以预先初始化或动态解算载波相位整周未知数为基础的高精度动态相对定位法。目前在较小的范围内(如20km)获得了成功应用，定位精度可达到12cm。2.3.3 差分GPS定位原理 根据GPS基准站发送信息的方式，差分GPS定位可分为位置差分、相位差分和伪距差分三类。这三类差分方式的工作原理相同，都是基准站发送改正数，然后用户站接收，对其测量结果改正以得到精确的定位结果。不同的是当发送改正数的内容不一样时，其差分定位精度就不同。1.位置差分原理最简单的一种差分方法，任何GPS接收机都能够改装和组成这种差分系统。其原理是安装于基准站上的GPS接收机在观测到4颗卫星后就可以进行三维定位，解算出基准站坐标。因为存在有时钟误差、轨道误差、大气影响、AS影响、多径效应和其他的误差，解算出来的坐标与基准站已知的坐标不一样，有误差存在。利用数据链基准站将改正数发送出去，用户站接收，然后改正其解算出的用户站坐标。最后得到已消去了基准站和用户站的共同误差的改正后的用户坐标，如大气影响、SA影响、卫星轨道误差等，有效提高定位精度。用户站和基准站观测同一组卫星是上述情况的先决条件。位置差分法适用于基准站和用户的距离在100km以内的情况12。2.伪距差分原理目前伪距差分是GPS接收机中用途最广的一种技术，大部分的商用差分GPS接收机都采用了这种技术。国际海事无线电委员会所推荐的RTMC SC104就采用了这种技术。基准站上的接收机计算得出它与可见卫星的距离，把计算出的距离同含有误差的测量值进行比较，再利用滤波器把它们的差值滤波，求出其偏差。然后所有卫星将测距误差传送给用户，用户根据此测距误差对测量的伪距进行改正。最后用户根据改正后的伪距去解算本身的位置，就能够消去公共误差，提高定位的精度。与位置差分相似的是，伪距差分能够抵消两站公共误差，但系统误差会随着用户与基准站距离的增加而出现，这种误差无论使用任何差分法都不能消除，所以用户与基准站之间的距离是精度的决定性影响因素。3.载波相位差分原理使用GPS卫星载波相位进行的静态基线测量，测地型接收机能够获得很高的精度(10-610-8），为可靠求解相位模糊度,静止观测要求一两个小时或更长的时间，这样很大的限制了在实际工程中的应用。因而寻求快速测量的方法就应运而生。比如用整周模糊度快速逼近技术(FARA)，5分钟就能完成基线观测任务，往返重复设站(reoccupation)，动态(kinematic)和准动态(stop and go)来提高GPS的作业效率。但上述这些测量技术都是在事后进行数据处理，无法实时提交成果和实时进行成果质量评定，不能有效的避免发现问题检查不合格造成返工的现象。差分GPS能够实时确定载体的位置，精度为达到米级，能够满足水下测量、引航等工程的要求。伪距差分、位置差分、伪距差分相位平滑等技术也已成功应用于各种测量作业中。精度更高的测量技术载波相位差分技术也随之而来。载波相位差分技术又称为RTK技术，实时处理两个测站载波相位是载波相位差分技术的基础。它可以实时提供观测点的三维坐标，并且达到厘米级的精度。和伪距差分的原理相同，载波相位差分技术是由基准站通过数据链的方式实时把它的载波观测量以及站点坐标信息一起传送给用户站。用户站接收来自基准站的载波相位和GPS卫星的载波相位，然后组成相位差分观测值实时处理，给出实时的精度达到厘米级的定位结果。载波相位差分GPS方法分为差分法和修正法两类。修正法与伪距差分相同，既由基准站将载波相位的修正量传送给用户站，改正其载波相位并求解坐标。差分法是把基准站采集到的载波相位信息发送给用户站，然后求差解算坐标。修正法为准RKT技术，差分法则是真正的RTK技术。3影响GPS测量精度的因素3.1 GPS测量误差 GPS在工程测量的应用中，误差是需要考虑的一个重要影响因素。按误差的性质，可以分为偶然误差和系统误差两大类。其中偶然误差主要包括多路径效应引起的误差、测量观测误差等。系统误差主要有接收机钟差、卫星钟差、卫星轨道误差、对流层折射误差和电离层折射误差等。对于系统误差，在数据处理过程中，通过建立系统误差模型计算改正数、在数学模型中引入未知参数求解、同步观测数据求差等方法，可以消除或减弱系统误差的影响。对偶然误差，主要用延长观测时间、增加观测次数或改善观测条件等方法来减弱其影响。若以误差来源分，GPS测量的误差能够分三类，为与接收设备有关的误差、与卫星有关的误差和GPS信号传播路径有关的误差。接下来以这种方法，详细分析GPS测量中的各种误差，探讨消除或减弱这些误差的方法，为提高GPS在工程测量应用中的精度提供理论基础。3.1.1 与卫星有关的误差 （1）卫星钟差 通过分析GPS定位原理我们发现，GPS是通过测定信号由GPS卫星传送给接收机的时间差信号来确定距离，计算位置的。所以对GPS卫星钟的稳定度要求就不言而喻了，如果测定的时间差有1ms的误差，对应就是300km的测距误差。即使GPS卫星使用的是高精度的铯、铷原子钟，精度达到10-14级别，但任不可避免误差的影响。对卫星钟差来说，可以采用接受卫星导航电文的方式，根据改正模型（由GPS地面监控系统提供）来计算改正数，改正后的卫星钟能够达到20ns的精度，相当于6m的距离误差。GPS差分定位中的卫星钟差也可以采用在卫星之间求差的方法（单差再次在星间求差）来消除其对测量精度的影响。(2)卫星轨道误差卫星轨道误差既测算卫星位置出现的误差。卫星运动过程中受多种摄动力的影响，其运行轨道相当复杂，通过精确测算各种摄动力想准确预报卫星轨道的困难可想而知，利用广播星历计算卫星位置的精度能够可达到510m47。目前可以利用差分计算有效地消弱卫星轨道误差的影响，差分后基线长度误差b与卫星位置误差s与的关系可粗略简化为b=bs，其中，b代表基线长度，为接收机到卫星的距离。比如若卫星的位置误差为20m，基线长度为25km时，基线长度误差约为2cm。由此可见卫星轨道误差对差分相对定位的影响不明显，但随着基线长度的增加，卫星轨道误差的影响越来越大。所以当基线测量的距离较长时，可利用亚米的精密星历，或用短弧法，把部分卫星轨道参数同基线向量一并解算。3.1.2 与传播路径有关的误差 （1）对流层折射影响对流层指的是地面到高度40km的大气层。对流层折射的影响是由于电磁波信号的传播速度在通过大气对流层时发生变化，这样导致测距成果产生系统性偏差。卫星高度角、气压、温度、湿度等因素都与流层折射的影响有关。对流层折射的一般在影响在230m之间15。虽然对流层折射的影响（一般影响在230m之间）要远小于电离层折射影响，但对流层折射的影响是长距离、高精度GPS测量的主要误差之一，而且目前没有特别有效的减弱方法。对短距离(20km)的GPS基线测量，利用GPS接收机之间的差分来消弱对流层折射的影响，效果不错。长距离的基线观测量可以观测气象元素(气压、温度、湿度等)，按照模型计算改正数，同时在差分计算模型中引入对流层改正参数一并解算。 （2）电离层折射影响电离层是指高度在70km到100km间的大气层。与对流层折射的影响相似，电离层折射影响是指电磁波信号的传播速度在通过电离层时发生变化，导致测距成果产生系统性偏差。电离层折射的影响取决于太阳黑子数、太阳光照强度、卫星高度角、时间、地点等外界条件和信号频率。中午且卫星处于地平线上时电离层折射的影响最大（150m）,夜间当卫星在天顶附近时，电离层折射影响就较弱(5m)21，因为电离层折射影响的强弱与GPS的信号频率平方是成反比的，所以使用双频GPS接收能基本消除电离层的影响，但与单频GPS接收机相比，双频GPS接收机很贵。通过使用数学模型，单频GPS接收机也可进行改正，消除75电离层折射的影响。在基线长度不大的情况下(20km)，单频GPS接收机还能使用接收机之间求差的方法减弱电离层折射的影响，能达到残差影响小于10-6。 （3）多路径效应影响多路径误差是指GPS接收机不但接收到卫星发射的信号，还收到从反射体反射的电磁波信号，两种信号产生干涉，GPS信号相位发生变化产生测量误差。多路径效应误差对GPS测量的精度会产生严重的影响，在伪距观测中能产生数米的误差。多路径误差有常数部分和周期性部分，通过延长观测时间能够减弱周期部分的多路径误差，常数部分会在同一地点将重复出现，连续观测几天也无法消除或减弱。无论是码观测值还是载波相位观测值，都受多路径误差的影响，其中码观测值的多路径影响更为复杂。其误差大约是载波相位多路径影响的200倍。多路径误差对点位坐标的影响，在一般环境下可达5-9cm，在高反射环境下可达15cm。良好环境条件下对伪距观测的影响约为4-5cm，极坏条件下码信号多路径误差可能会造成接收机相位失锁，许多周跳就是由于多路径误差引起的13。削弱多路径误差的方法选择适合测量的站点。GPS测站不宜选择在邻近水面或平坦光滑的地带、盐碱地带或金属矿区等地，这些地方会引起强烈的反射信号。灌木丛、草和其它地面植被能较好地吸收微波信号的能量，是较为理想的设站地址。站附近有高层建筑物时，卫星信号会被墙壁反射到天线，选站时应注意远离这些建筑物。GPS测站应远离具有电磁波强辐射源的地方，如雷达、电台、微波中继站等设施附近。如果GPs点已确定，且不能改变，而它又处于强反射波的地方，为减少多路径误差，观测时可适当变化天线高度。或根据线相距的数值，采用大偏心观测，避开强反射波。一般采用性能良好的微带天线，并在天线下部安置屏蔽地面反射电波的抑径板来减弱多路径误差，这个方法可使多路径误差减少近l314。，由于多路径误差是时间的函数，其大小和符号会随卫星高度角的变化而变化，所以适当地延长观测时间，可以削弱多路径误差的周期性影响。3.1.3 与接收设备有关的误差 (1)观测误差观测误差主要包括GPS接收机天线安置误差(天线置平误差、天线对中误差、天线量高误差等)与GPS接收机的分辨误差。天线安置误差，可通过精细操作，达到要求的精度。分辨误差通常认为是信号波长的l，通过增加观测次数，可减弱分辨误差。(2)接收机钟差GPS接收机一般采用石英钟，稳定度大约为lO-11，比卫星的钟差要大23个数量级。可采用与处理卫星钟差类似的方法处理接收机钟差，处理GPS接收机钟差的常用方法是引入钟差未知数，与所求未知坐标向量一起解算。（3）载波相位观测的整周未知数前面已经提到，载波相位观测法是当前普遍采用的最精密的观测方法,它可精确的测定卫星至测站之间的距离。但是由于接收机只能测定载波相位非整周的小数部分,和从某一起历元至观测历元件载波相位变化的整周数,无法直接测定载波相位相应该起始历元在传播路径上变化的整周数。因而在相位伪距观测中,存在整周未知数的影响。载波相位观测除上述整周未知数问题外,在观测过程中,还可能发生整周跳变问题。当用户接收机收到信号并实时锁定后,载波信号的整周数便可由接收机自动计数。但中途若卫星信号被阻挡或受到干扰,则接收机的跟踪可能中断。当卫星信号被重新锁定后,被测载波相位的小数部仍是连续的,可这时整周数却不再是连续的。这种情况称为整周变跳或周跳。（4）天线相位中心的位置偏差在GPS测量中,伪距和相位观测量都是测量卫星到接收机天线相位中心间的距离。天线对中都是以天线几何中心为准。要求天线相位中心应与天线的几何中心保持一致。但是,天线相位中心的瞬时位置会随信号输入的强度和方向不同发生变化,所以观测时相位中心的瞬时位置与理论上的相应的相位中心是不一致的。天线相位中心与几何中心之差称为天线相位中心偏差。天线相位中心的偏差对相对定位结果的影响,根据天线性能的好坏,可达数毫米甚至数厘米。所以对精密相对定位而言,这种影响是不容忽视的。为削弱天线相位中心的影响,在实际测量时,要求天线严格对中、整平。3.2 GPS布网方案 GPS在线路野外控制、平面控制测量等许多方面有着显著的优势，在控制测量中常采用的作业模式是静态和快速静态定位。工程实践中我们发现GPS作业面临的主要问题是：怎样确保稳定的联测精度、提高外业工作效率，充分发挥GPS作业的精确、高效、快捷等优点。为此需要在联测起算点、GPS布网、观测时间等方面入手分析。3.2.1 起算点影响因素 GPS定位结果属于WGS-84地心坐标系。但城市与工程测量成果采用某一国家或地方坐标系，需要将GPS测量成果转换成国家或地方的相应成果，主要是利用GPS网点与原地面控制网点重合(重合点一般不少于3点)的方式进行转换，将少量的重合己知点作为约束条件，将GPS网强制附合到己知点所在的坐标系中。实践证明；重合点的误差和点位分布将影响GPS网约束平差的精度，由于设置控制点的建筑物形变等原因，引起这些己知点的坐标有时可能存在较大的误差。若将这些存在较大误差的己知点作为平差计算或坐标转换的约束，其结果严重影响GPS测量的原有精度。特别是当这些点误差较大或含有粗差时，会严重影响GPS成果的可靠性，使高精度的GPS定位成果失去本来意义，所以在进行GPS网约束平差前，很有必要对GPS控制网起算点坐标的误差进行分析。起算点主要包含点位本身精度和点位的分布两种因素，起算点的问题会直接在GPS网的平差结果中表现出来。起算数据的数量在GPS控制网中也尤为重要，为了解算出控制网中未知点的坐标，一般需要和国家控制点联测。在GPS作业前，应尽多搜集测区周围高等级控制点，最好为同一系统、同一等级的。为提高GPS联测的可靠性，便于网形设计，保证网的精度，GPS联测的起算点最好有3个以上，均匀分布在测区周围。当联测点多于3个时，内业计算时可分组计算，选择附合条件较好的点作为起算数据，求得最优的解算结果17。在进行GPS网的约束平差或联合平差时，为了保证GPS控制网的精度不因束数据的影响而显著降低，有必要检验起算数据的质量。传统的起算数据检验方法主要有方差检验法、附合路线法和检查点法三种。方差检验法：在进行三维无约束平差时要进行方差估计，调整观测值的权，直到验后的单位权方差与先验的单位权方差相容。在进行约束平差时，以三维无约束平差所得到的验后的单位权方差作为先验的单位权方差，逐个加入起算数据进行平差计算，同时检验验后的单位权方差与先验的单位权方差之间的相容性，当在加入了某一起算数据后若发现它们不一致，则说明该起算数据可能存在质量问题。附合路线法：附合路线法是从一个起算点通过一条由GPS导线推算另一个起算点的坐标，将此坐标与已知值比较，根据它们差异值的大小来判断起算点的质量。为了准确地判断起算点质量的好坏，一般需要采用多条附合路线。检查点法：在进行平差计算时，保留一个点作为检查点，平差后比较这个点坐标的平差值和已知值，根据它们差异的大小来判断起算点质量的好坏。为了能准确地判断起算点质量的好坏，一般需要轮换地将各个起算点分别作为检查点。大多数情况下，约束平差的精度比无约束平差的精度要低。当起算数据有4个或4个以上时，可以利用符合路线法和检查点法对起算点进行检验，剔除误差大的起算点，以保证约束平差后GPS单位权中误差符合规范要求。但是实际工程中我们经常遇到起算数据只有3个，起算数据高程精度本身不匹配，位置关系也不太理想的情况，不可以通过简单的数据处理后平差的中误差来判定起算数据精度匹配的好坏。以某个工程为例，需要在测区布设四等GPS控制网，坐标系采用北京54坐标系统，中央子午线108，采用1985国家高程基准。观测人员严格按照操作规范、作业指令进行操作，使用4台中海达单频接收机，作业前通过检测站检测，性能和指标均达到要求。由于当地国家点遭到严重破坏，只能在测区的一侧找到3个GPS控制点，且分布不均匀。如图31所示：G001-G011是测区布设的未知点，S002，S003，S007是已知GPS控制点，它们都分布在测区的一侧，且S003和s007距离较近。G005GGGGG888G001G010G011G008G007G006G009G002G013G012G004G003S002G011为检验起算数据精度，进行如下数据处理：进行行自由网平差(表31)；用控制点S002-S003-S007进行约束平差(表32)；用控制点S003-S007进行平差(表33)；三种方法高程比较（表3.4）。点名自由误差高程/HGOO10.0141035.108GOO20.0181028.321G0030.0161019.100G0040.0161021.960G0050.0171017.253G0060.0181079.692G0070.0211085.022G0080.0301143.760G0090.0221141.373G0100.0191147.313G0110.0201137.151G0120.0171137.744G0130.0211082.141S0020.0151156.231S0030.0141106.926S0070.0161028.328表3.1 自由网平差基线解算成果表点名高程中误差G0011073.8100.013G0021067.0700.017G0031057.4940.014G0041060.3040.014G0051055.6130.015G0061118.1900.015G0071123.5240.018G0081182.7250.022G0091180.3050.018G0101186.4470.017G0111176.2250.017G0121177.2280.015G0131121.5720.020S0021