GPS在控制测量中的应用课件

GPS在控制測量中的應用10.1GPS概述1．GPS定位系統全球定位系統（GlobalPositioningSystem——GPS）是一種定時和測距的空間交會定點的導航系統，可以向全球用戶提供連續、即時、高精度的三維位置、三維速度和時間資訊。2．系統組成

GPS系統包括三大部分：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、監控站和注入站。①主控站：位於美國科羅拉多（Colorado）的法爾孔（Falcon）空軍基地。根據各監控站對GPS的觀測數據，計算出衛星的星曆和衛星時鐘的改正參數等，並將這些數據通過注入站注入到衛星中去；對衛星進行控制，向衛星發佈指令；當工作衛星出現故障時，調度備用衛星，替代失效的工作衛星工作；主控站還具有監控站的功能。②監控站：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）。接收衛星信號，監測衛星的工作狀態。③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星星曆和衛星時鐘的改正參數等注入到衛星中去。空間部分①衛星分佈組成：由21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成GPS衛星星座。②衛星分佈情況

24顆衛星均勻分佈在6個軌道平面內，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各相差60度。每個軌道平面內各顆衛星之間的升交角相差90度。每顆衛星的正常運行週期為11h58min，若考慮地球自轉等因素，將提前4min進入下一週期。③GPS衛星信號載波：L波段雙頻L11575.42MHz，L21227.60MHz

衛星識別：碼分多址（CDMA）測距碼：C/A碼（民用），P碼（美國軍方及特殊授戶）導航數據：衛星軌道座標、衛星鐘差方程式參數、電離層延遲修正用戶部分①組成：GPS接收機、氣象儀器、電腦、鋼尺等儀器設成。②GPS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，由跟蹤環路重建載波，解碼得到導航電文，獲得偽距定位結果。記錄裝置:主要有接收機的記憶體硬碟或記錄卡（CF卡）。電源:分為外接和內接電池（12V），機內還有一鋰電池。PTK系統導航型接收機大地型接收機③GPS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系統的特點定位精度高GPS相對定位精度在50km以內可達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於1mm。觀測時間短20KM以內快速靜態相對定位，僅需15-20分鐘；RTK測量時，當每個流動站與參考站相距在15KM以內時，流動站觀測時間只需1-2分鐘。測站間無須通視可節省大量的造標費用。由於無需點間通視，點位位置可根據需要，可稀可密，使選點工作甚為靈活，也可省去經典大地網中的傳算點、過渡點的測量工作。可提供三維座標

GPS可同時精確測定測站點的三維座標(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

GPS觀測可在一天24小時內的任何時間進行。功能多、應用廣可用於測量、導航，精密工程的變形監測，還可用於測速、測時。4GPS的應用（1）GPS應用於導航主要是為船舶、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；個人旅遊及野外探險；個人通訊終端（與手機，PDA，電子地圖等集一體）。（2）GPS應用於授時校頻GPS時間系統建立的示意圖

GPS全部衛星與地面測控站構成一個閉環的自動修正系統。採用協調世界時UTC（USNO/MC）為參考基準。GPS時間系統建立的示意圖（3）GPS應用於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，大壩和大型建築物變形監測；GIS數據動態更新；工程機械（輪胎吊，推土機等）控制；精細農業。返回本章首頁10.2GPS定位原理1.GPS定位中的誤差源（1）衛星有關的誤差①衛星星曆誤差

衛星星曆誤差：由衛星星曆所給出的衛星位置與衛星的實際位置之差。星曆誤差的大小主要取決於衛星定軌系統的品質，觀測值的數量及精度，定軌時所有的數學力學模型和定軌軟體的完善程度等。此外與星曆的外推時間間隔（實測星曆的外推時間間隔可視為零）也有直接關係。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；為衛星至地球表面距離，大約25000km；db為基線誤差。軌道誤差基線長度基線誤差（ppm）基線誤差（mm）2.5m2.5m2.5m2.5m1km10km100km1000km0.1ppm0.1ppm0.1ppm0.1ppm0.1mm1mm10mm100mm0.5m0.5m0.5m0.5m1km10km100km1000km0.002ppm0.002ppm0.002ppm0.002ppm0.002mm0.02mm0.2mm2mm表1軌道誤差對不同長度的基線影響②衛星鐘的鐘誤差衛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）與信號傳播有關的誤差①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，使傳播速度發生變化，傳播路徑產生彎曲，從而使信號傳播時間t與真空中光速c的乘積不等於衛星至接收機的幾何距離。電離層延遲取決於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、太陽黑子數等多種因素有關。②對流層延遲對流層是高度在50km以下的大氣層。

GPS衛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，其值取決於氣溫、氣壓和相對濕度等因數。③多路徑誤差多路徑誤差:經某些物體表面反射後到達接收機的信號如果與直接來自衛星的信號疊加干擾後進入接收機，就將使測量值產生系統誤差。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。多路徑誤差取決於測站周圍的環境、接收機的性能以及觀測時間的長短。（3）與接收機有關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於鐘的品質，與使用時的環境也有一定關係。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果產生系統誤差。接收機的測量雜訊用接收機進行GPS測量時，由於儀器設備及外界環境影響而引起的隨機測量誤差，其值取決於儀器性能及作業環境的優劣。觀測足夠長的時間後，測量雜訊的影響通常可以忽略不計。（4）相對論效應相對論效應：由於衛星鐘和接收機鐘所處運動狀態和重力位不同引起衛星鐘和接收機鐘之間產生相對鐘誤差的現象狹義相對論若衛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的鐘安置到衛星上，其頻率將變為：兩者的頻率差為：

廣義相對論原理：由廣義相對論可知，若衛星所處的重力位為，地面測站處的重力位為，那麼同一臺鐘放在衛星上和放在地面上時鐘頻率將相差：其中，總的影響

总的相对论效应会使一台钟放到卫星上去后比在地面时增加,那麼解決相對論效應的最簡單的辦法就是在製造衛星鐘時預先把頻率降低。（5）其他因素GPS控制部分人為或電腦造成的影響；由於GPS控制部分的問題或用戶在進行數據處理時引入的誤差等；數據處理軟體的演算法不完善對定位結果的影響。2GPS基本定位原理（1）概述被動式有源無線電定位技術利用距離交會的原理確定接收機的三維位置及鐘差空間距離交會原理圖（1）GPS定位的各種常用的觀測量L1載波相位觀測值L2載波相位觀測值調製在L1上的C/A-code偽距調製在L2上的P-code偽距Dopple觀測值GPS信號構成圖（2）對衛星進行測距PijPjRj

riRj=ri+Pij有關各觀測量及已知數據如下：r—

為已知的衛地向量P—為觀測量（偽距）R—為未知的測站點位向量接收機對跟蹤的每一顆衛星進行測距（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分動態定位靜態定位（4）偽距測量單點定位解可以理解為一個後方交會問題衛星充當軌道上運動的控制點，觀測值為測站至衛星的偽距（由時延值推算得到）由於接收機時鐘與衛星鐘存在同步誤差所以要同步觀測4顆衛星，解算四個未知參數：緯度

,經度

,高程h,鐘差

t偽距觀測值的計算衛星鐘調製的碼信號接收機時鐘複製的碼信號

t

t

接收機至衛星的距離借助於衛星發射的碼信號量測並計算得到的接收機本身按同一公式複製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：衛星信號失鎖，使接收機的整周計數不正確，但不到一整周的相位觀測值仍是正確的。這種現象稱為周跳。周跳探測修復方法螢幕掃描法高次差或多項式擬和法在衛星間求差法用雙頻觀測值修復周跳根據平差後的殘差發現和修復整周跳變螢幕掃描法

根據衛星的相位觀測值變化率的圖像的連續性進行手動修復。高次差或多項式擬和法（1）高次差法高次差根據周跳會破壞載波相位測量的觀測值Int(ψ)+Δψ隨時間而有規律變化的特性來探測的。例見下表。表2載波相位觀測值及其差值（無周跳）觀測曆元原始相位觀測值

一次差二次差三次差四次差t1475833.225111608.7533t2487441.9784399.813812008.56712.5074t3499450.5455402.3212-0.579712410.88831.9277t4511861.4338404.24890.963912815.13722.8916t5524676.5710407.1405-0.272113222.2777t6537898.84872.6195409.7600-0.421913632.0377t7551530.88642.1976411.957614043.9953t8565574.8817表3載波相位觀測值及其差值（有周跳）觀測曆元原始相位觀測值

一次差二次差三次差四次差t1475833.225111608.7533t2487441.9784399.813812008.56712.5074t3499450.5455402.3212100.579712410.8883-98.0723t4511861.4338304.2489300.963912715.1372202.8916t5524576.5710507.1405300.272113222.2777t6537798.8487-97.3805409.760099.578113632.0377t7551430.88642.1976411.957614043.9953t8565474.8817表4高次差法周跳影響規律觀測曆元原始相位觀測值

一次差二次差三次差四次差t100t20000t300

0

t40

-3

-2

t5

-

3

0t6

0-0t7

000t8

（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，然後分析擬合殘差發現周跳並確定周跳的大小。適用範圍多項式擬合可以用於原始相位觀測值，也可以用於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，由於雙差觀測值可以消除接收機和衛星的鐘差的影響，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曆元之差當n>m+1時，有多餘觀測，組成誤差方程：最小二乘法求解在衛星間求差法

在GPS測量中，每一瞬間要對多顆衛星進行觀測，因而在每顆衛星的載波相位測量觀測值中，所受到的接收機振盪器的隨機誤差的影響是相同的。在衛星間求差後即可消除此項誤差的影響。

根據平差後的殘差發現和修復整周跳變

修復周跳後的觀測值中也可能引入1—2周的偏差。平差計算後，有周跳的觀測值上則會出現很大的殘差，據此可以發現和修復周跳。3整周未知數N0的確定(1/2)N(t0):未知的整周未知數(ti):相位差的小數部分接收機記錄綠色部分為整周計數接收機記錄N(t0)=4N(t0)=4N(t0)=4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)後即可得到λN0

。將整周未知數當作平差中的待定參數——經典方法

1)整數解短基線測量

2)實數解長基線測量多普勒法(三差法)

將相鄰兩個觀測曆元的載波相位相減，消去了整周未知數N0，從而直接解出座標參數。常用來獲得未知參數的初始值。快速確定整周未知數法這種方法對某一置信區間所有整數組合一一進行平差，取估值的驗後方差或方差和為最小的一組整周未知數作為整周未知數的最佳估值。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。整周未知數N0的確定方法

由此，在一定置信水準1－α條件下，相應於任一整周模糊度的置信區間應為:

上式中，tr,1-

為顯著水準為α，自由度為r(雙差浮點解平差中的多餘觀測數)的t分佈密度函數的雙尾α分位值，當顯著水準α、自由度r確定以後，其值可從分佈表中查得。設Ci為i的所有取值可能個數，則

(n個整周模糊度)快速確定整周未知數法相對定位至少兩臺接收機即時或事後處理數據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偽距觀測方程的線性化形式為:其中:對任一曆元同步觀測的四顆衛星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星數多於四顆時，則可組成誤差方程式：最小二乘法求解協因數陣未知數的中誤差偽距測量中誤差偽距法絕對定位的解算精度高於偽距法靜態絕對定位需加電離層、對流層等改正觀測值為Φi進行周跳探測修復及整周模糊度的固定其結果一般作為相對定位參考站的近似座標P（X，Y，Z）用載波相位觀測值進行靜態絕對定位GPS絕對定位的定位精度主要取決於：衛星分佈的幾何圖形觀測量精度權係數陣Qx：絕對定位精度評定平面位置精度因數HDOP(horizontalDOP)

及其相應的平面位置精度高程精度因數VDOP(VerticalDOP)

及其相應的高程精度精度因數DOP1空間位置精度因數PDOP(PositionDOP)及其相應的三維定位精度接收機鐘差精度因數TDOP(TimeDOP)及其鐘差精度幾何精度因數GDOP(GeometricDOP)及其相應的中誤差精度因數DOP2衛星幾何分佈對精度因數的影響精度因數與所測衛星的空間分佈有關GDOP∝1/V

六面體體積V最大情形：一顆衛星處於天頂，其餘3顆衛星相距120°至少兩臺接收機固定連續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甚至更好採用載波相位觀測值（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：消除了與衛星有關的誤差：如衛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進一步消除了與接收機有關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）曆元間差分在雙差的基礎上進一步消除了：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)優點：消除或減弱一些具有系統性誤差的影響減少平差計算中未知數的個數

缺點：原始獨立觀測量通過求差將引起差分量之間的相關性平差計算中，差分法將使觀測方程數明顯減少基站和基星選取情況隨接收機的數量增多情況越來越複雜

差分模型的優缺點載波相位測量的觀測方程線性化形式為:——測站k的座標近似值向量

——測站k的座標近似值向量的改正數向量

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星數為nj，則誤差方程組為:

若同步觀測同一組衛星的曆元數為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，同步觀測衛星Sj和Sk一個曆元，並以Sj為參考衛星，其雙差觀測方程的誤差方程式為：若同步觀測衛星數為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星的曆元數為nt，則相應的誤差方程組為:雙差觀測方程的誤差方程式模型3相應的法方程式及其解可表示為:討論：如何解決多曆元解算時誤差方程式係數陣很大的問題？應用P-W技術和L1與L2交叉相關技術，使L2載波相位觀測值得到恢復，其精度與使用P碼相同研製能同時接受GPS和GLONASS信號的接收機發展DGPS和WADGPS差分GPS系統建立獨立的GPS衛星測軌系統建立獨立的衛星導航與定位系統針對SA和AS政策的對策

根據差分GPS基準站發送的資訊方式可將單站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：基站流動站計算座標值已知座標值座標偏差座標改正兩站觀測同一組衛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。流動站的座標基站流動站相位觀測值差分法(RTK)相位觀測值差分計算消去公共誤差，能即時給出厘米級高精度的定位結果電臺的功率限制了用戶到基準站距離，作用範圍幾十公里。廣泛用於工程測量中載波相位差分原理返回本章首頁10.3GPS控制網的設計

專案來源專案的來源、性質。即專案由何單位、部門下達、發包，屬於何種性質的專案等。測區概況測區的地理位置、氣候、人文、經濟發展狀況、交通條件、通訊條件等。工程概況工程的目的、作用、要求、GPS網等級（精度）、完成時間、有無特殊要求等在進行技術設計、實際作業和數據處理中所必須要瞭解的資訊。技術依據工程所依據的測量規範、工程規範、行業標準及相關的技術要求等。1完整的技術設計內容現有測繪成果測區內及與測區相關地區的現有測繪成果的情況。施測方案測量採用的儀器設備的種類、採取的布網方法等。作業要求選點埋石要求、外業觀測時的具體操作規程、技術要求等，包括儀器參數的設置（如採樣率、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。觀測品質控制外業觀測的品質要求，包括品質控制方法及各項限差要求等。如數據刪除率、RMS值、RATIO值、同步環閉合差、非同步環閉合差、相鄰點相對中誤差、點位中誤差等。數據處理方案詳細的數據處理方案，包括基線解算和網平差處理所採用的軟體和處理方法等內容。對於基線解算的數據處理方案，應包含如下內容：基線解算軟體、參與解算的觀測值、解算時所使用的衛星星曆類型等。對於網平差的數據處理方案，應包含如下內容：網平差處理軟體、網平差類型、網平差時的坐標系、基準及投影、起算數據的選取等。提交成果要求規定提交成果的類型及形式；若國家技術品質監督總局或行業發佈新的技術設計規定，應據之編寫。2GPS基線向量網的等級（1）等級：根據我國1992年所頒佈的全球定位系統測量規範，GPS基線向量網被分成了A、B、C、D、E五個等級。（2）等級GPS網的精度指標：以網中相鄰點之間的距離誤差來表示，其具體形式為：

其中，：網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)。測量等級(mm)(ppm)相鄰點距離(km)A≤5≤0.1100-2000B≤8≤115-250C≤10≤55-40D≤10≤102-15E≤10≤201-10A級網：一般為區域或國家框架網、區域動力學網；B級網：為國家大地控制網或地方框架網；C級網：為地方控制網和工程控制網；D級網：為工程控制網；E級網：為測圖網。等級GPS網的精度指標（1）常用的布網形式：跟蹤站式會戰式多基準站式（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，這種觀測方式很像是跟蹤站，因此，這種布網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觀測，觀測時間長、數據量大；一般採用精密星曆；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，用以安置儀器設備，觀測成本很高。一般用於建立GPS跟蹤站（AA級網），對於普通用途的GPS網，由於此種布網形式觀測時間長、成本高，故一般不被採用。3GPS基線向量網的布網形式

布網形式：在佈設GPS網時，一次組織多臺GPS接收機，集中在一段不太長的時間內，共同作業。在作業時，所有接收機在若干天的時間裏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後，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。此種布網方式一般用於佈設A、B級網。（3）會戰式布網形式：若干臺接收機在一段時間裏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果，這些高精度的基線向量可以作為整個GPS網的骨架，具較強的圖形結構。多基準站式布網形式：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後，又遷移到其他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網由這些同步圖形構成。特點：具有擴展速度快，圖形強度較高，且作業方法簡單的優點。同步圖形擴展式是佈設GPS網時最常用的一種布網形式。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：單基準站式的布網方式的效率很高，但是由於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。布網形式：又稱作星形網方式，它是以一臺接收機作為基準站，在某個測站上連續開機觀測，其餘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佈設GPS基線向量網時的設計指標（1）效率指標效率指標e：理論最少觀測期數與設計的觀測期數的比值。其中：為理論最少觀測期數；理論最少觀測期數

R為平均重複設站次數；m為接收機數；n為GPS網的點數；

INT()為湊整函數，。為設計觀測期數。效率指標來衡量某種網設計方案的效率，以及在採用某種布網方案作業時所需要的作業時間、消耗等。（2）可靠性指標

GPS網的內可靠性：指所佈設的GPS網發現粗差的能力，即可發現的最小粗差的大小。

GPS網的外可靠性：指GPS網抵禦粗差的能力，即未剔除的粗差對GPS網所造成的不良影響的大小。整網的平均可靠性指標：在實際的GPS網的設計中採用一個計算較為簡單的反映GPS網可靠性的數量指標，該指標就是整網的多餘獨立基線數與總的獨立基線數的比值（）。

其中：為多餘的獨立基線數；，為必要的獨立基線數，為總的獨立基線數，，為觀測期數，為同步觀測接收機的台數。

根據已確定的GPS網的網形，可以得到GPS網的設計矩陣，從而可以得到GPS網的協因數陣，在GPS網的設計階段可以採用作為衡量GPS網精度的指標。精度指標5GPS網的設計準則為保證對衛星的連續跟蹤觀測和衛星信號的品質，要求測站上空應盡可能的開闊，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衛星信號的干擾，在測站周圍約200m的範圍內不能有強電磁波干擾源，如大功率無線電發射設施、高壓輸電線等。為避免或減少多路徑效應的發生，測站應遠離對電磁波信號反射強烈的地形、地物，如高層建築、成片水域等。為便於觀測作業和今後的應用，測站應選在交通便利，上點方便的地方。測站應選擇在易於保存的地方。（1）選點原則增加觀測期數（增加獨立基線數）。保證一定的重複設站次數。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。在布網時要使網中所有最小非同步環的邊數不大於6條。提高GPS網可靠性的方法為保證GPS網中各相鄰點具有較高的相對精度，對網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網的精度，可以在全面網之上佈設框架網，以框架網作為整個GPS網的骨架。在布網時要使網中所有最小非同步環的邊數不大於6條。在佈設GPS網時，引入高精度鐳射測距邊，作為觀測值與GPS觀測值（基線向量）一同進行聯合平差，或將它們作為起算邊長。若要採用高程擬合的方法，測定網中各點的正常高/正高，則需在布網時，選定一定數量的水準點，水準點的數量應盡可能的多，且應在網中均勻分佈，還要保證有部分點分佈在網中的四周，將整個網包含在其中。為提高GPS網的尺度精度，可採用如下方法：增設長時間、多時段的基線向量。提高GPS網精度的方法若要求所佈設的GPS網的成果與舊成果吻合最好，則起算點數量越多越好；若不要求所佈設的GPS網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座標成果的一致性，也可以保持GPS網的原有精度；為保證整網的點位精度均勻，起算點一般應均勻地分佈在GPS網的周圍。（4)佈設GPS網時起算點的選取與分佈（5)佈設GPS網時起算邊長的選取與分佈（6)佈設GPS網時起算方位的選取與分佈

可以採用高精度鐳射測距邊作為起算邊長，鐳射測距邊的數量可在3-5條左右，可設置在GPS網中的任意位置。但鐳射測距邊兩端點的高差不應過分懸殊。

在佈設GPS網時，可以引入起算方位，但起算方位不宜太多，起算方位可佈設在GPS網中的任意位置。返回本章首頁§10.4GPS外業觀測1GPS外業觀測的作業方式（1）點連式觀測作業方式在觀測作業時，相鄰的同步圖形間只通過一個公共點相連。特點作業效率高，圖形擴展迅速；它的缺點是圖形強度低，如果連接點發生問題，將影響到後面的同步圖形。（2）邊連式觀測作業方式在觀測作業時，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效率。（3）網連式觀測作業方式在作業時，相鄰的同步圖形間有3個（含3個）以上的公共點相連。特點所測設的GPS網具有很強的圖形強度，但網連式觀測作業方式的作業效率很低。（4）混連式觀測作業方式在實際的GPS作業中，一般並不是單獨採用上面所介紹的某一種觀測作業模式，而是根據具體情況，有選擇地靈活採用這幾種方式作業。特點實際作業中最常用的作業方式，它實際上是點連式、邊連式和網連式的一個結合體。2外業GPS調度與觀測記錄（1）調度計畫為保證GPS外業觀測作業的順利進行，保障精度，提高效率，在進行GPS外業觀測之前，就編制好調度計畫。①GPS衛星可見性預報圖表在GPS可見性預報圖表中可以瞭解衛星的分佈狀況。預報圖表：可見的衛星星號，衛星高度角，方位角及空間位置精度因數PDOP和幾何精度因數GDOP等。②星曆預報圖預報星曆分析圖（2）外業調度對需測GPS點分佈的情況，交通路線等因素加以綜合考慮，顧及星曆預報，制定合理的外業調度計畫。（3）觀測作業各測站的觀測員應按計畫規定的時間作業，確保同步觀測。確保接收機記憶體（目前常用CF卡）有足夠存儲空間。開始觀測後，正確輸入高度角，天線高及天線高量取方式。觀測過程中應注意查看測站資訊、接收到的衛星數量、衛星號、各通道信噪比、相位測量殘差、即時定位的結果及其變化和存儲介質記錄等情況。一般來講，主要注意DOP值的變化，如DOP值偏高（GDOP一般不應高於6），應及時與其他測站觀測員取得聯繫，適當延長觀測時間。同一觀測時段中，接收機不得關閉或重啟；將每測段資訊如實記錄在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時間（UTC）跟蹤衛星號（PRN）及信噪比緯度°'

"經度°'

"大地高mPDOP注：氣象元素各欄內應記錄氣象儀器讀數和相對應的修正值測站跟蹤作業記錄C、D、E級測量手簿記錄格式快速靜態定位參考站測量手簿記錄格式快速靜態定位流動站測量手簿記錄格式返回本章首頁§10.5GPS數據處理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座標增量。GPS基線向量具有長度、水準方位和垂直方位等三項屬性。若在某一曆元中，對k顆衛星數進行了同步觀測，則可以得到k-1個雙差觀測值；若在整個同步觀測時段內同步觀測衛星的總數為l則整周未知數的數量為l-1。基線解算時一般只有兩類參數，一類是測站的座標參數，數量為3；另一類是整周未知數參數（m為同步觀測的衛星數），數量為。（2）基線解算①初始平差根據雙差觀測值的觀測方程，組成誤差方程後，然後組成法方程後，求解待定的未知參數其精度資訊，其結果為：待定參數：待定參數的協因數陣：單位權中誤差：

通過初始平差，所解算出的整周未知數參數本應為整數。由於觀測值誤差、隨機模型和函數模型不完善等原因，使得其結果為實數，此時與實數的整周未知數參數對應的基線解被稱作基線向量的實數解或浮動解。為了獲得較好的基線解算結果，必須準確地確定出整周未知數的整數值。②整周未知數的確定③確定基線向量的固定解當確定了整周未知數的整數值後，與之相對應的基線向量就是基線向量的整數解。2基線解算的分類（1）單基線解算①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成閉合環就可以了。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性，對每條基線單獨進行解算。②特點單基線解算的演算法簡單；由於其解算結果無法反映同步基線間的誤差相關的特性，不利於後面的網平差處理；一般只用在較低級別GPS網的測量中。（2）多基線解算①定義多基線解算顧及了同步觀測基線間的誤差相關性，在基線解算時對所有同步觀測的獨立基線一併解算。②特點多基線解算在理論上是嚴密的。3基線解算的品質控制（1）品質控制指標①單位權方差因數其中：為觀測值的殘差；為觀測值的權；為觀測值的總數。②實質單位權方差因數又稱為參考因數。

（2）數據刪除率①定義在基線解算時，如果觀測值的改正數大於某一個閾值時，則認為該觀測值含有粗差，則需要將其刪除。被刪除觀測值的數量與觀測值的總數的比值，就是所謂的數據刪除率。②實質數據刪除率從某一方面反映出了GPS原始觀測值的品質。數據刪除率越高，說明觀測值的品質越差。（3）RATIO值①定義②實質反映了所確定出的整周未知數參數的可靠性，這一指標取決於多種因素，既與觀測值的品質有關，也與觀測條件的好壞有關。（4）RDOP①定義

RDOP值指的是在基線解算時待定參數的協因數陣的跡（）的平方根，即RDOP值的大小與基線位置和衛星在空間中的幾何分佈及運行軌跡（即觀測條件）有關，當基線位置確定後，RDOP值就只與觀測條件有關了，而觀測條件又是時間的函數，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。②實質

RDOP表明了GPS衛星的狀態對相對定位的影響，即取決於觀測條件的好壞，它不受觀測值品質好壞的影響。（5）RMS①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；為觀測值的總數。②實質表明了觀測值的品質，觀測值品質越好，越小，反之，觀測值品質越差，則越大，它不受觀測條件（觀測期間衛星分佈圖形）的好壞的影響。依照數理統計的理論觀測值誤差落在1.96倍RMS的範圍內的概率是95%。（6）同步環閉合差同步環閉合差是由同步觀測基線所組成的閉合環的閉合差。如果同步環閉合差超限，則說明組成同步環的基線中至少存在一條基線向量是錯誤的；如果同步環閉合差沒有超限，還不能說明組成同步環的所有基線在品質上均合格。（7）非同步環閉合差不是完全由同步觀測基線所組成的閉合環稱為非同步環，非同步環的閉合差稱為非同步環閉合差。當非同步環閉合差滿足限差要求時，則表明組成非同步環的基線向量的品質是合格的；當非同步環閉合差不滿足限差要求時，則表明組成非同步環的基線向量中至少有一條基線向量的品質不合格，要確定出哪些基線向量的品質不合格，可以通過多個相鄰的非同步環或重複基線來進行。（8）重複基線較差不同觀測時段，對同一條基線的觀測結果，就是所謂重複基線。這些觀測結果之間的差異，就是重複基線較差。4GPS基線向量網平差（1）網平差的分類根據平差所進行的座標空間：三維平差和二維平差根據平差時所採用的觀測值和起算數據的數量和類型，可將平差分為無約束平差、約束平差和聯合平差等。①三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，解算出的結果為點的三維空間座標。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，解算出的結果為點的二維平面座標。二維平差一般適合於小範圍GPS網的平差。②無約束平差、約束平差和聯合平差無約束平差：在平差時不引入會造成GPS網產生由非觀測量所引起的變形的外部起算數據。常見的GPS網的無約束平差，一般是在平差時沒有起算數據或沒有多餘的起算數據。約束平差：平差時所採用的觀測值完全是GPS觀測值（即GPS基線向量），而且，在平差時引入了使得GPS網產生由非觀測量所引起的變形的外部起算數據。聯合平差：平差時所採用的觀測值除了GPS觀測值以外，還採用了地面常規觀測值，這些地面常規觀測值包括邊長、方向、角度等觀測值等。（2）平差過程①取基線向量，構建GPS基線向量網提取基線向量時需要遵循以下幾項原則：必須選取相互獨立的基線，若選取了不相互獨立的基線，則平差結果會與真實的情況不相符合；所選取的基線應構成閉合的幾何圖形；選取品質好的基線向量，基線品質的好壞，可以依據、、同步環閉和差、非同步環閉和差和重複基線較差來判定；選取能構成邊數較少的非同步環的基線向量；選取邊長較短的基線向量。②三維無約束平差在構成了GPS基線向量網後，需要進行GPS網的三維無約束平差，通過無約束平差主要達到以下幾個目的：根據無約束平差的結果，判別在所構成的GPS網中是否有粗差基線，如發現含有粗差的基線，需要進行相應的處理，必須使得最後用於構網的所有基線向量均滿足品質要求。調整各基線向量觀測值的權，使得它們相互匹配。③約束平差/聯合平差約束平差的具體步驟是：指定進行平差的基準和坐標系統。指定起算數據。檢驗約束條件的品質。進行平差解算。（3）品質分析與控制根據基線向量的改正數的大小，可以判斷出基線向量中是否含有粗差。發現構成GPS網的基線中含有粗差，則需要採用刪除含有粗差的基線、重新對含有粗差的基線進行解算或重測含有粗差的基線等方法加以解決；發現個別起算數據有品質問題，則應該放棄有品質問題的起算數據。5GPS數據處理過程（1）原始觀測數據的讀入（2）外業輸入數據的檢查與修改在讀入了GPS觀測值數據後，就需要對觀測數據進行必要的檢查，檢查的專案包括：測站名、點號、測站座標、天線高等。對這些專案進行檢查的目的，是為了避免外業操作時的誤操作。（3）基線解算的控制參數（4）基線解算（5）基線品質的檢驗基線的品質檢驗需要通過、、同步環閉和差、非同步環閉和差和重複基線較差來進行。（6）平差進行精度評定，得到各測站平差後坐標。（7）成果轉化根據實際生產需要，轉化為當地座標。返回本章首頁10.6昆明市連續運行GPS參考站系統1立項背景

昆明市連續運行GPS參考站系統是昆明市城市空間數據基礎設施的重要組成部分。該系統的基本任務是建成一個由若干連續運行的GPS參考站組成的參考站系統，即時獲取參考站帶有時間標記的位置資訊，通過數據通信網絡如因特網和廣播網等方式，為需要測量和導航的用戶提供座標和GPS測量數據，以滿足各種不同行業、不同用戶對精密定位、快速和即時定位、導航的需要，滿足城市規劃、國土測繪、地籍管理、城鄉建設、環境監測、災害監測、安全監測，交通管理等多種現代資訊化管理的社會需要，它將在數字昆明的建設和昆明市的城市規劃、建設、管理中發揮巨大的作用。2系統設計（1）總體目標首期將由6個新建的GPS參考站組成，平均站間距在40Km左右，可覆蓋昆明市和部分區縣，面積約6000平方公里。系統的基本目標：能夠連續不斷地對各參考站進行數據採集，並監測GPS衛星原始觀測數據及其品質，數據採樣率達20Hz，它不僅適合於高精度平面及高程測量等測繪工作，而且也可應用於導航、形變監測、地震預報、氣象預報、水文、板塊運動、潮汐研究、海洋應用、物探、火山/滑坡監測等領域。（2）技術設計依據名稱編號發佈單位《全球定位系統(GPS)測量規範》GB/T18314-2001國家技術監督局《差分全球定位系統（DGPS）技術要求》GB/T17424-1998國家技術監督局《測繪技術設計規定》CH/T1004-1999國家測繪局《測繪技術總結編寫規定》CH1001-1991國家測繪局《城市測量規範》CJJ8-99中華人民共和國建設部《IGSSiteGuidelines》2004Apil14IGSCentralBureau/JPL《混凝土結構設計規範》GBJ10-89中華人民共和國建設部《電子電腦機房設計規範》GB50174-93國家技術監督局、建設部《通信局（站）雷電過電壓保護工程設計規範》YD/T5098-2001中華人民共和國資訊產業部《建築物防雷設計規範》，2000年修訂版GB50057-94中華人民共和國建設部《電腦資訊系統防雷保安器》CA173-1998中國公安部《工程測量規範》GB50026-93中華人民共和國建設部參考站系統的建設（1）參考站選址和建網原則站址基礎堅實穩定，避開地質構造不穩定的區域；遠離周邊一些易於產生多路徑信號源的地方，如高大建築物，金屬物體反射面，樹林，水域等，一般距離應不小於100m；站址10度以上高度角天空無障礙物；站址應遠離電磁信號干擾源，如微波站，無線電發射台，高壓線和雷擊區等，一般距離應不小於100m；站址應便於接入市電、通訊線路，且穩定、安全和可靠；避開交通要道線路附近，但到達站址要交通便利；便於管理和維護，保證設備安全。（2）參考站選址（3）參考站的建設墩標的建設

GPS參考站時應選在地質結構穩定的地面，但有時因條件限制需選在建築物樓頂上。電湧防護的建設為了防止參考站電子設備遭受雷電襲擊，將各種線路之間安裝電湧保護器（SurgeProtectiveDevices，SPD），用於各類通信系統對各種雷電電流、操作過電壓等進行保護的器件。後備電源系統的建設採用UPS後備電源供電。在一般情況下，整套系統是依賴AC交流電源運行，但當電源中斷時，後備電源可自動代替主電源使各項設備連續運行達大約四十八小時。後備電源系統包括一臺電源控制充電器、電壓轉換及一組多個深充電池。④GPS參考站的硬體配備GPS參考站設備安裝連接示意圖（4）數據中心的建設數據中心是整個系統非常重要的一個部分，配備一臺伺服器與6臺GRX1200ProGPS參考站接收機相連。（5）通訊系統的建設參考站與數據中心間的數據通訊

RTK數據播發的數據通訊在數據中心將數據發送到FTP或Web伺服器參考站系統的組成及功能（1）系統構成

GPS參考站子系統、通訊網絡子系統、數據控制中心子系統、用戶應用子系統等組成。（2）系統各部分的功能GPS參考站子系統：由6個參考站組成，主要功能是全天24小時不間斷地接收GPS衛星信號、採集原始數據；通訊網絡子系統：由1條靜態IP和6條動態IP組成的VPN網路以及GSM/GPRS無線通訊網組成，功能是即時傳輸各參考站GPS數據至數據中心和發送RTK改正數到流動站用戶；數據控制中心子系統：由伺服器和相應的軟體構成，功能是控制、監控、下載、處理、發佈和管理各參考站GPS數據，計算網路RTK改正數，生成各種格式的改正數據，併發給流動站用戶。用戶應用子系統：由不同的流動站組成，功能是接收改正數，並解算出流動站的精確位置。系統的關鍵技術（1）GPS參考站系統VPN組網通訊系統通過動態ADSL利用VPN虛擬專網技術組成GPS定位數據通訊網絡，把各參考站與數據中心連接起來。（2）主副站技術即時動態定位解算主副站技術是基於最新多站、多系統、多頻（L1,L2,L5）和多信號非差處理演算法，採用著名的LAMBDA演算法和SmartCheck技術和卡爾曼濾波方法進行嚴格即時平差的通用軟體包。選擇距流動站最近的一個有效參考站作為主站，一定半徑範圍內至少二個其他有效的參考站作為副站，主站和副站自動組成一個單元進行網解，發送主站差分改正數和副站與主站改正數的差值給流動站，對流動站進行加權改正，最後得到精確座標。系統測試結果（1）有效服務範圍：網路RTK：覆蓋參考站網內區域以及網外20Km半徑覆蓋的範圍，共6000平方公里；單站RTK：最大達到53.4KM,滿足0~30KM;（2）可利用性：從多次測試的結果統計為96.9%;（3）可靠性：從多次測試的結果比較統計為100%;（4）相容性：除使用徠卡系列產品，測試期間僅使用南方S80進行了相容性測試，能夠接收昆明網路RTK數據並能快速得到固定解（5）系統能提供的原始數據格式有徠卡專用格式LB2，國際通用格式RINEX；差分數據格式有：RTCMV2.0，2.1，2.2，2.3，3.0以及CMR/CMR+。（6）系統精度：內符合精度網路RTK單站RTK

最大平面點位精度(cm)4.753.98最小平面點位精度(cm)0.170.67平均平面點位精度(cm)2.053.1內符合精度表外符合精度網路RTK單站RTK與已知WGS-84的比較與已知昆明87座標的比較與已知WGS-84的比較

最大平面差值度(cm)4.66.73.98最小平面差值(cm)0.50.10.67平均平面差值(cm)2.53.13.1

最大高程差值(cm)10.9最小高程差值(cm)0.6平均高程差值(cm)4.6外符合精度表返回本章首頁10.7GPS參考站系統在控制測量中的應用

1參考站系統的應用（1）建立並維護一個高質量地心座標基準。參考站建立起來之後，利用參考站的長期跟蹤數據和因特網上隨時可以收集的周邊地區固定參考站的觀測數據，週期性地更新參考站的地心座標，相對精度可以達到10-8至10-9左右，絕對精度可望優於分米級。（2）取代常規測量控制網。參考站網的基本功能相當於現有的國家或城市基本控制網。（3）實現城鄉GIS系統的即時更新。參考站網系統的建成，任何野外即時採集的資訊都可以連同它們的空間屬性數據一起，通過系統的逆向數據通道回饋到市縣不同類型的GIS系統資料庫中，即時進行資料庫的更新。（4）滿足地球物理與環境監測的需求。參考站網的一個重要應用領域就是滿足地球物理與環境監測方面的需要。其中包括與周邊地區連續跟蹤參考站進行數據交換，分析研究所在板塊相對於其他周邊板塊的運動規律，也支持地震監測等部門從事參考站網服務區內流動監測點位進行毫米級精度的監測研究作業。（5）服務於公共安全。（6）GPS氣象學。

GPS氣象學是最近一二十年內形成的一門新興學科，利用GPS無線電信號穿越大氣圈時受到電離層與對流層的彌散效應和出現的折射現象，進行數值分析，特別是可以精確地提取大氣層中的水氣含量和分佈，從而對可能出現的降水時間和強度作出前所未有的精確預報，服務於當地的農業、交通、旅遊、體育和社會公共活動的精密部署，減少災害性天氣給各行各業帶來的生命財產損失。（7）地面施工機械的自動引導。參考站系統建成後，野外地面機械施工的用戶可以通過引進或開發，利用高速即時動態回應的GPS接收機設備，實現生產工藝的徹底改造，淘汰傳統的、落後的、勞動力密集型的生產模式，進入現代化、自動化、數位化新階段，大大節省時間、人力、物力與財力，並顯著改善生產環境的安全水準。（8）提供即時RTK測量作業服務。為擁有單臺GPS接收機的測繪用戶，提供全天24小時、全年365天的即時釐米級RTK作業支持，確保城市各種地圖的快速更新，各項工程的即時施工放樣。每個地形點、碎部點、工程點的點位測定時間縮短到不到一分鐘。（9）提供各種後處理技術服務。參考站網系統還將為需要提供各種後處理技術服務的用戶提供事後數據檢索、摘錄、電郵；對於用戶採集的外業數據代為進行品質分析、基線解算、整體平差、高程與點位座標成果的系統換算，原始數據的永久性委託存檔管理；接受對第三方數據資料(含國內外其他參考站和用戶系統的觀測數據以及相應時間區間的精密星曆等等)的委託收集、加工處理和成果報告的編制。（10）滿足節水、精密農業的需要。借助於地下管道灌溉系統，根據GPS引導的機械設備採集的各點土壤墒情和化學成分，控制供水和施肥量。同時也在高精度GPS(釐米級)設備引導下進行機耕，防止機械對管道系統的破壞。此外，還可以在電腦系統管理下實現精密輪作與套種，真正實現農業生產的現代化。3參考站系統在控制測量中的應用（1）RTK技術的優點

GPS參考站系統在控制測量中應用，除了常規的後處理方式來進行控制測量外，其更主要應用的就是利用GPS參考站系統RTK技術進行控制測量。：①作業效率高②位精度高，數據安全可靠，沒有誤差積累。只要滿足RTK的基本工作條件，在參考站系統覆蓋範圍內，RTK的平面精度和高程精度都能達到釐米級。③降低了作業條件要求。和傳統測量相比，網路RTK技術受通視條件、能見度、氣候、季節等因素的影響和限制較小，在傳統測量看來由於地形複雜、地物障礙而造成的難通視地區，只要滿足網路RTK的基本工作條件，它也能輕鬆地進行快速的高