GPS操作流程及基線解算

1、-作者xxxx-日期xxxxGPS操作流程及基線解算【精品文檔】第八章 GPS操作流程和基線解算第一節(jié) GPS系統(tǒng)組成一、設備GPS系統(tǒng)由空間衛(wèi)星部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收部分三部分組成，如圖所示。1、空間衛(wèi)星部分（1）GPS衛(wèi)星星座。設計星座：213，即21顆正式的工作衛(wèi)星加3顆活動的備用衛(wèi)星。6個軌道面，平均軌道高度20200km，軌道傾角55，周期11h58min（顧及地球自轉(zhuǎn)，地球與衛(wèi)星的幾何關系每天提前4min重復一次）。保證在24h，在高度角15以上，能夠同時觀測到48顆衛(wèi)星。（2）GPS衛(wèi)星。GPS衛(wèi)星的作用是發(fā)送用于導航定位的信號等。主要設備是原子鐘（2臺銫鐘、2臺銣鐘）、信

2、號生成與發(fā)射裝置。類型有試驗衛(wèi)星B1oCk I和工作衛(wèi)星BloCk。（3）GPS衛(wèi)星由洛克韋爾國際公司空間部研制。衛(wèi)星重774kg（包括310kg燃料），采用鋁蜂巢結構，主體呈柱形，直徑為l。5m。星體兩側(cè)裝有兩塊雙葉對日定向太陽能電池帆板，全長，接受日光面積。對日定向系統(tǒng)控制兩翼帆板旋轉(zhuǎn)，使板面始終對準太陽，為衛(wèi)星不斷提供電力，并給三組15AH鎘鎳蓄電池充電，以保證衛(wèi)星在地影區(qū)能正常工作。在星體底部裝有多波束定向天線，這是一種由12個單元構成的成形波束螺旋天線陣，能發(fā)射L，和L。波段的信號，其波束方向圖能覆蓋約半個地球。在星體兩端面上裝有全向遙測遙控天線，用于與地面監(jiān)控網(wǎng)通信。此外，衛(wèi)星上還

3、裝有姿態(tài)控制系統(tǒng)和軌道控制系統(tǒng)。工作衛(wèi)星的設計壽命為7年。從試驗衛(wèi)星的工作情況看，一般都能超過或遠遠超過設計壽命。第一代衛(wèi)星現(xiàn)已停止工作。第二代衛(wèi)星用于組成GPS工作衛(wèi)星星座，通常稱為GPS工作衛(wèi)星。BloCkA的功能比BloCk大大增強，表現(xiàn)在軍事功能和數(shù)據(jù)存儲容量。BloCk只能存儲供45天用的導航電文，而BloCkA則能夠存儲供180天用的導航電文，以確保在特殊情況下使用GPS衛(wèi)星。第三代衛(wèi)星尚在設計中，以取代第二代衛(wèi)星，改善全球定位系統(tǒng)。其特點是：可對自己進行自主導航；每顆衛(wèi)星將使用星載處理器，計算導航參數(shù)的修正值，改善導航精度，增強自主能力和生存能力。據(jù)報道，該衛(wèi)星在沒有與地面聯(lián)系的

4、情況下可以工作6個月，而其精度可與有地面控制時的精度相當。2、地面監(jiān)控部分（1）地面監(jiān)控部分的分布。1）主控站1個，地點在美國科羅拉多州法爾孔空軍基地。2）監(jiān)測站5個，分別在夏威夷、美國科羅拉多州法爾孔空軍基地、阿松森群島（大西洋）、迪戈加西亞（印度洋）和卡瓦加蘭（太平洋）。3）注入站3個，分別在阿松森群島（大西洋）、迪戈加西亞（印度洋）和卡瓦加蘭（太平洋）。（2）監(jiān)控部分的作用。1）主控站的作用是收集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)測與協(xié)調(diào)和控制衛(wèi)星。2）監(jiān)測站的作用是根據(jù)其接收到的衛(wèi)星擴頻信號求出相對于其原子鐘的偽距和偽距差，檢測出所測衛(wèi)星的導航定位數(shù)據(jù)。利用環(huán)境傳感器測出當?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)。然后將算得的偽

5、距、導航數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)及衛(wèi)星狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送給主控站，供主控站使用。3）注入站的作用作用是將主控站需傳輸給衛(wèi)星的資料以既定的方式注入到衛(wèi)星存儲器中，供衛(wèi)星向用戶發(fā)送。3、用戶接收部分用戶接收部分的基本設備就是GPS信號接收機、機內(nèi)軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包。其作用是接收、跟蹤、變換和測量GPS衛(wèi)星所發(fā)射的GPS信號，以達到導航和定位的目的。GPS信號接收機的任務是：跟蹤可見衛(wèi)星的運行，捕獲一定衛(wèi)星高度截至角的待測衛(wèi)星信號，并對GPS信號進行變換、放大和處理，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導航電文，測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收機天線的傳播時間，實時地計算出測站的三維位置、三維速度和時間。靜態(tài)定位中，

6、GPS接收機在捕獲和跟蹤GPS衛(wèi)星的過程中固定不變，接收機高精度地測量GPS信號的傳播時間，利用GPS衛(wèi)星在軌的已知位置，解算出接收機天線所在位置的三維坐標。而動態(tài)定位則是用GPS接收機測定一個運動物體的運動軌跡。載體上的GPS接收機天線在跟蹤GPS衛(wèi)星的過程中相對地球而運動，接收機用GPS信號實時地測得運動載體的瞬間三維位置和三維速度。近年來，國內(nèi)引進了許多類型的GPS測地型接收機。各種類型的GPS測地型接收機用于精度相對定位時，其雙頻接收機精度可達5mm+1ppmD（D為距離，單位為km，下同），單頻接收機在一定距離內(nèi)精度可達10mm+1ppmD，用于差分定位時精度可達亞米級至厘米級。目前

7、，各種類型的GPS信號接收機體積越來越小，質(zhì)量越來越輕，便于野外觀測。二、技術特點GPS可為各類用戶連續(xù)提供動態(tài)目標的三維位置、三維速度及時間信息。GPS測量主要特點如下。1、功能多、用途廣GPS系統(tǒng)不僅可以用于測量、導航，還可以用于測速、測時。測速的精度可達，測時的速度可達幾十毫微妙。其應用領域不斷擴大。2、定位精度高大量的實驗和工程應用表明，用載波相位觀測量進行靜態(tài)相對定位，在小于50km的基線上，相對定位精度可達110。210。，而在100500km的基線上可達10 s10，。隨著觀測技術與數(shù)據(jù)處理方法的改善，可望在大于1000km的距離上，相對定位精度達到或優(yōu)于10。在實時動態(tài)定位（R

8、TK）和實時差分定位（RTD）方面，定位精度可達到厘米級和分米級，能滿足各種工程測量的要求。其精度如表6-1所示。隨著GPS定位技術及數(shù)據(jù)處理技術的發(fā)展，其精度還將進一步提高。3、實時定位利用全球定位系統(tǒng)進行導航，即可實時確定運動目標的三維位置和速度，可實時保障運動載體沿預定航線運行，亦可選擇最佳路線。特別是對軍事上動態(tài)目標的導航，具有十分重要的意義。4、觀測時間短目前，利用經(jīng)典的靜態(tài)相對定位模式，觀測20km以內(nèi)的基線所需觀測時問，對于單頻接收機在1h左右，對于雙頻接收機僅需1520min。采用實時動態(tài)定位模式，流動站初始化觀測15min后，并可隨時定位，每站觀測僅需幾秒鐘。利用GPS技術建

9、立控制網(wǎng)，可縮短觀測時間，提高作業(yè)效益。5、觀測站之間無需通視經(jīng)典測量技術需要保持良好的通視條件，又要保障測量控制網(wǎng)的良好圖形結構。而GPS測量只要求測站15。以上的空間視野開闊，與衛(wèi)星保持通視即可，并不需要觀測站之間相互通視，因而不再需要建造覘標。這一優(yōu)點即可大大減少測量工作的經(jīng)費和時間（一般造標費用約占總經(jīng)費的3050）。同時，也使選點工作變得非常靈活，完全可以根據(jù)工作的需要來確定點位，可通視也使電位的選擇變得更靈活，可省去經(jīng)典測量中的傳算點、過渡點的測量工作。不過也應指出，GPS測量雖然不要求觀測站之間相互通視，但為了方便用常規(guī)方法聯(lián)測的需要，在布設GPS點時，應該保證至少一個方向通視。

10、6、操作簡便GPS測量的自動化程度很高。對于“智能型”接收機，在觀測中測量員的主要任務只是安裝并開關儀器、量取天線高、采集環(huán)境的氣象數(shù)據(jù)、監(jiān)視儀器的工作狀態(tài)，而其他工作，如衛(wèi)星的捕獲、跟蹤觀測和記錄等均由儀器自動完成。結束觀測時，僅需關閉電源，收好接收機，便完成野外數(shù)據(jù)采集任務。 .如果在一個測站上需要作較長時問的連續(xù)觀測，還可實行無人值守的數(shù)據(jù)采集，通過網(wǎng)絡或其他通信方式，將所采集的觀測數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理中心，實現(xiàn)全自動化的數(shù)據(jù)采集與處理。GPS用戶接收機一般重量較輕、體積較小。現(xiàn)在有許多GPS接收機是天線、主機、電源組合在一起的一體機，白化程度較高，野外測量時僅“一鍵”開關，攜帶和搬運都很

11、方便。7、可提供全球統(tǒng)一的三維地心坐標經(jīng)典大地測量將平面和高程采用不同方法分別施測。GPS測量中，在精確測定觀測站平面位置的同時，可以精確測量觀測站的大地高程。GPS測量的這一特點，不僅為研究大地水準面的形狀和確定地面點的高程開辟了新途徑，同時也為其在航空物探、航空攝影測量及精密導航中的應用，提供了重要的高程數(shù)據(jù)。GPS定位是在全球統(tǒng)一的WGS一84坐標系統(tǒng)中計算的，因此全球不同點的測量成果是相互關聯(lián)的。8、全球全天候作業(yè)GPS衛(wèi)星較多，且分布均勻，保證了全球地面被連續(xù)覆蓋，使得在地球上任何地點、任何時候進行預觀測工作，通常情況下，除雷雨天氣不宜觀測，一般不受天氣狀況的影響。因此，GPS定位技

12、術的發(fā)展是對經(jīng)典測量技術的一次重大突破。第二節(jié) 控制網(wǎng)設計GPS測量工作與經(jīng)典測量工作相類似，按其性質(zhì)可分為外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩大部分。其中，外業(yè)工作主要包括選點、建立測站標志、野外觀測作業(yè)以及成果質(zhì)量檢核等；內(nèi)業(yè)工作主要包括GPS測量的技術設計、測后數(shù)據(jù)處理及技術總結等。控制網(wǎng)設計包括控制網(wǎng)的設計依據(jù)、設計精度和設計網(wǎng)形。一、GPS網(wǎng)技術1、GPS網(wǎng)技術設計的原則技術設計是建立GPS控制網(wǎng)的第一步，也是確保GPS網(wǎng)在滿足準確、可靠、經(jīng)濟的前提下，滿足建設需要的關鍵性工作。GPS網(wǎng)技術設計應遵循以下基本原則，即確定適宜的精度標準，選取適用的測量基準，嚴格按照相應的規(guī)范要求選點并設置點位標志。（1）、精

13、度確定根據(jù)網(wǎng)的用途及工程控制的精度要求確定GPS網(wǎng)測量的相應精度等級，精度等級的劃分應參照相應行業(yè)的GPS測量規(guī)范。（2）、選點與埋設GPS點位選擇的好壞，對于GPs觀測工作的順利進行和結果的可靠性有著重要的影響，因此，在實地選點前應根據(jù)測量任務的目的和測區(qū)情況等，收集測區(qū)已有各類控制點和地形圖等資料，以便于選點工作。在選點時應遵循以下原則：點位周圍應便于安置接收設備，視野開闊視場內(nèi)障礙物的高度角不宜超過15。點位應遠離大功率無線電發(fā)射源（如電視臺、電臺微波站等）及電壓輸電線和微波無線電信號傳送通道，以避免周圍磁場對GPS信號的干擾；點位周圍不應有強烈反射衛(wèi)星信號的物體（如大型建筑物等）；點位

14、應選在交通方便，并有利于用其他測量手段擴展和聯(lián)測，以提高作業(yè)效率；點位應選在地面基礎穩(wěn)固的地方，以利于點位的保存；點位的埋設宜用混凝土現(xiàn)場澆筑的形式埋設為不銹鋼標志，埋深應在當?shù)赜谰脙鐾翆右韵旅祝瑯睹孀⒂涀煮w應朝向正北。2、GPS網(wǎng)構成的概念觀測時段：測站上開始接收衛(wèi)星信號到觀測停止，連續(xù)工作的時間段，簡稱時段。同步觀測：兩臺或兩臺以上接收機同時對同一組衛(wèi)星進行的觀測。同步觀測環(huán)：三臺或三臺以上接收機同步觀測獲得的基線向量所構成的閉合環(huán)，簡稱同步環(huán)。獨立觀測環(huán)：由獨立觀測所獲得的基線向量構成的閉合環(huán)，簡稱獨立環(huán)。異步觀測環(huán)：在構成多邊形環(huán)路的所有基線向量中，只要有非同步觀測基線向量，則該多邊形

15、環(huán)路叫異步觀測環(huán)，簡稱異步環(huán)。獨立基線：對于N臺GPS接收機構成的同步觀測環(huán)，獨立基線數(shù)為Nl。非獨立基線：除獨立基線外的其他基線叫非獨立基線，總基線數(shù)與獨立基線數(shù)之差即為非獨立基線數(shù)。理論上，同步閉合環(huán)中各基線向量的坐標差之和（即閉合差）應為零，但由于有時各臺GPS接收機并不是嚴格同步，同步閉合環(huán)的閉合差并不等于零。有的GPS規(guī)范規(guī)定了同步閉合差的限差，對于同步較好的情況，應遵守此限差的要求，但當由于某種原因，同步不是很好時，應適當放寬此項限差。高速鐵路工程測量規(guī)范已經(jīng)對此不作規(guī)定。當同步閉合環(huán)的閉合差較小時，通常只能說明GPS基線向量的計算合格，并不能說明GPS基線的觀測精度高，也不能發(fā)現(xiàn)

16、接收的信號受到干擾而產(chǎn)生的某些粗差。為了確保GPS觀測效果的可靠性，有效地發(fā)現(xiàn)觀測成果中的粗差，必須使GPS網(wǎng)中的獨立基線構成一定的幾何圖形稱獨立觀測環(huán)。GPS控制網(wǎng)的圖形也應該由一個或若干個獨立觀測環(huán)構成。GPS構網(wǎng)的基本圖形可分為：三角形網(wǎng)、環(huán)形網(wǎng)、星形網(wǎng)。3、GPS網(wǎng)的基準GPS測量獲得的GPS基線向量，是屬于WGS一84坐標系的三維坐標差，而實際上我們需要的是國家坐標系或地方獨立坐標系中的坐標成果。因此，在進行GPS網(wǎng)的技術設計時，必須明確GPS成果所采用的坐標系統(tǒng)和起算數(shù)據(jù)，即明確GPS網(wǎng)所采用的基準。GPS網(wǎng)的基準包括網(wǎng)的位置基準、方位基準和尺度基準。一般來說，方位基準以給定的起算

17、方位角值來確定，或者由GPS基線向量的方位作為方位基準；尺度基準由起算點間的距離確定，或者由地面的電磁波測距邊確定，也可以由GPS基線向量的距離確定；GPS網(wǎng)的位置基準，一般是由給定的起算點坐標值及其精度確定。為求定GPS點在地面坐標系的坐標，應在地面坐標系中選定起算數(shù)據(jù)。在選擇起算點時，既要考慮充分利用舊資料，又要使新建的GPS網(wǎng)不受舊資料精度較低的影響。在高速鐵路控制網(wǎng)的布設中，每隔一定間距應聯(lián)測高等級平面控制點，但沿線國家高級控制點之間精度較低，基礎平面控制網(wǎng)CP I經(jīng)國家點約束后使高精度的CP I控制網(wǎng)發(fā)生扭曲變形，大大降低了CP I控制點間的相對精度，部分地段經(jīng)國家點約束后的CP I

18、控制點間甚至不能滿足1/180 000的要求。因此，高速鐵路平面控制測量首先采用GPS精密定位測量方法建立高精度的框架控制網(wǎng)CP0，作為高速鐵路平面控制測量的起算基準，也為平面控制網(wǎng)復測提供了基準。GPS網(wǎng)的位置基準，可選取以下方法之一：（1）選取網(wǎng)中一點的坐標值并給定其方位角（一點一方向）；（2）在網(wǎng)中選若干點的坐標值并加以固定；（3）選網(wǎng)中若干點（直至全部點）的坐標值，并給以適當?shù)臋?。約束平差在確定網(wǎng)的位置基準的同時，對GPS網(wǎng)的方向和尺度也會產(chǎn)生影響，當網(wǎng)中已知點的坐標含有較大的誤差，或其權難以可靠地確定時，將會對網(wǎng)的定向與尺度產(chǎn)生不利的影響，例如前面所講的高速鐵路CP I控制網(wǎng)的約束平

19、差。因此，對于一個大范圍的GPS網(wǎng)，在具有一組分布適宜的、高精度的已知點時（CP0框架控制網(wǎng)），為改善GPS網(wǎng)的定向和尺度，約束平差法才具有重要意義。在一般情況下，對于一些區(qū)域性的GPS網(wǎng)，如橋梁和隧道工程GPS網(wǎng)，其是否精確地位于地心坐標系統(tǒng)，并不特別重要，因而，這時多采用固定一點的坐標及其方位角的經(jīng)典自由網(wǎng)平差法為宜（一點一方向平差）。4、設計網(wǎng)形布設GPS控制網(wǎng)的觀測作業(yè)方式主要以下幾種：點連式、邊連式、網(wǎng)連式和混連式：（1）、點連式所謂點連式就是在觀測作業(yè)時，相鄰的同步圖形間只通過一個公共點相連（見圖）。這樣，當有m臺儀器共同作業(yè)時，每觀測一個時段，就可以測得m一1個新點，當這些儀器觀

20、測了s個時段后.就可以測得S（m一1）+1個點。點連式觀測作業(yè)方式的優(yōu)點是作業(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）、邊連式所謂邊連式就是在觀測作業(yè)時，相鄰的同步圖形間有一條邊（即兩個公共點）相連見圖）。這樣，當有m臺儀器共同同作業(yè)時，每觀測一個時段，就可以測得m一2個新點，當這些儀器觀測觀測了S個時段后，就可以測得S（m一2）+2個點。邊連式觀測作業(yè)方式具有較好的圖形強度和較高的作業(yè)效率。（3）、網(wǎng)連式所謂網(wǎng)連式就是在作業(yè)時，相鄰的同步圖形問有3個（含3個）以上的公共點相連見圖）。這樣，當有m臺儀器共同作業(yè)時，每觀測一個時段，就可以測得

21、m一k個新點，當這些儀器觀測了s個時段后，就可以測得k+s（m一k）個點。采用網(wǎng)連式觀測作業(yè)方式所測設的GPS網(wǎng)具有很強的圖形強度，但網(wǎng)連式觀測作業(yè)了式的作業(yè)效率很低，（4）、混連式在實際的GPS作業(yè)中，一般并不是采用單獨上面介紹的某一種觀測作業(yè)模式，而是根據(jù)具體情況，有選擇的靈活采用這幾種方式作業(yè)，這種觀測作業(yè)方式就是混連式。他實際上是點連式、邊連式和網(wǎng)連式的結合體。觀測工作，或數(shù)據(jù)采集，是GPS測量的主要外業(yè)工作，所以，當觀測工作開始之前，仔細地擬定觀測計劃，對于順利地完成觀測任務，保障測量成果的精度，提高效益是極為重要的。擬定觀測計劃的依據(jù)是：GPS網(wǎng)的布設方案，規(guī)模大小，精度要求，GP

22、S衛(wèi)星星座，參加作業(yè)的GPS接收機數(shù)量以及后勤保障條件（運輸、通信）等。觀測計劃的主要內(nèi)容應包括：GPS衛(wèi)星的可見性圖及最佳觀測時間的選擇，采用的接收機類型和數(shù)量，觀測區(qū)的劃分和觀測工作的進程以及接收機的高度計劃等。第三節(jié) 外業(yè)測量一、測量外業(yè)工作1、觀測計劃觀測工作或數(shù)據(jù)采集，是GPS測量的主要外業(yè)工作，所以，當觀測工作開始之前，仔細地擬定觀測計劃，對于順利地完成觀測任務，保障測量成果的精度，提高效益是極為重要的。擬定觀測計劃的依據(jù)是：GPS網(wǎng)的布設方案，規(guī)模大小，精度要求，GPS衛(wèi)星星座，參加作業(yè)的GPS接收機數(shù)量以及后勤保障條件（運輸、通信）等。觀測計劃的主要內(nèi)容應包括：GPS衛(wèi)星的可見

23、性圖及最佳觀測時間的選擇，采用的接收機類型和數(shù)量，觀測區(qū)的劃分和觀測工作的進程以及接收機的高度計劃等。2、野外觀測外業(yè)觀測的工作量，與用戶的要求精度和采用的接收機類型和數(shù)量，以及作業(yè)模式等因素有關。GPS網(wǎng)觀測工作量的設計，除要考慮觀測工作的效率外，還必須保證網(wǎng)的精度和可靠性。當參加作業(yè)的接收機數(shù)為ki，則每一時段可得觀測基線向量數(shù)為ki（ki一1）/2。其中包括獨立觀測向量數(shù)（ki一1）和多余觀測向量數(shù)（ki一1）（ki一2）/2。因為增加多余觀測量，會提高網(wǎng)的可靠性，所以，作業(yè)中適當增加接收機的數(shù)量，不僅會提高工作效率，同時也將明顯地增加多余觀測量。另外，為了有助于外業(yè)觀測數(shù)據(jù)的檢核，增加

24、可靠性，通常根據(jù)不同的精度要求，基線測量中，同步觀測的時段數(shù)以及時段的長度有不同的要求。在外業(yè)觀測中，儀器操作人員應注意以下事項：（1）當確認外接電源電纜及天線等各項連接完全無誤后，方可接通電源，啟動接收機。（2）開機后接收機有關指示顯示正常并通過自檢后，方能輸入有關測站和時段控制信息。（3）接收機在開始記錄數(shù)據(jù)后，應注意查看有關觀測衛(wèi)星數(shù)量、衛(wèi)星號、相位測量殘差、實時定位結果及其變化、存儲介質(zhì)記錄等情況。（4）一個時段觀測過程中，不允許進行以下操作：關閉又重新啟動;進行自測試（發(fā)現(xiàn)故障除外）；改變衛(wèi)星高度角設置；改變天線位置；改變數(shù)據(jù)采樣間隔；按動關閉文件和刪除文件等功能鍵。（5）需要記錄氣

25、象要素時，在每一觀測時段始、中、末要各觀測記錄一次，當時段較長時可適當增加觀測次數(shù)。（6）在觀測過程中要特別注意供電情況，除在出測前認真檢查電池容量是否充足外，作業(yè)中觀測人員不要遠離接收機，聽到儀器的低電壓報警要及時予以處理，否則可能會造成儀器內(nèi)部數(shù)據(jù)的破壞或丟失。對觀測時段較長的觀測工作，建議盡量采用太陽能電池板或汽車電瓶進行供電。（7）儀器高一定要按規(guī)定始、末各量測一次，并及時輸入儀器及記入測量手簿之中。（8）接收機在觀測過程中不要靠近接收機使用對講機；雷雨季節(jié)架設天線要防止雷擊，雷雨過境時應關機停測，并卸下天線。（9）觀測站的全部預定作業(yè)項目，經(jīng)檢查均己按規(guī)定完成，且記錄與資料完整無誤后

26、方可遷站。（10）觀測過程中要隨時查看儀器內(nèi)存或硬盤容量，每日觀測結束后，應及時將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至計算機硬、軟盤上，確保觀測數(shù)據(jù)不丟失。3、觀測記錄在外業(yè)觀測工作中，所有信息資料均須妥善記錄。記錄形式主要有以下兩種：（1）觀測記錄。觀測記錄由GPS接收機自動進行，均記錄在存儲介質(zhì)（如硬盤、硬卡或記憶卡等）上，其主要內(nèi)容有：載波相位觀測值及相應的觀測歷元；同一歷元的測碼偽距觀測值；GPS衛(wèi)星星歷及衛(wèi)星鐘差參數(shù)；實時絕對定位結果；測站控制信息及接收機工作狀態(tài)信息。（2）測量手簿。測量手簿是在接收機啟動前及觀測過程中，由觀測者隨時填寫的。其記錄格式在現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)程中略有差別，視具體工作內(nèi)容選擇進行。觀測記

27、錄和測量手簿都是GPS精密定位的依據(jù)，必須認真、及時填寫，堅決杜絕事后補記或追記。外業(yè)觀測中存儲介質(zhì)上的數(shù)據(jù)文件應及時拷貝一式兩份，分別保存在專人保管的防水、防靜電的資料箱內(nèi)。存儲介質(zhì)的外面，適當處應貼制標簽，注明文件名、網(wǎng)區(qū)名、點名、時段名、采集日期、測量手簿編號等。接收機內(nèi)存數(shù)據(jù)文件在轉(zhuǎn)錄到外存介質(zhì)上時，不得進行任何剔除或刪改，不得調(diào)用任何對數(shù)據(jù)實施重新加工組合的操作指令。4、數(shù)據(jù)預處理數(shù)據(jù)預處理軟件是GPS接收設備的重要組成部分。對其所具有的功能，一般是通過實測的計算工作來進行檢驗的。對測量型GPS接收機，其主要檢驗內(nèi)容包括：衛(wèi)星預報及觀測計劃擬定功能的檢驗；靜態(tài)定位軟件和網(wǎng)平差軟件功能

28、的檢驗；快速靜態(tài)定位軟件和實時定位軟件功能的檢驗等，并且通過上述檢驗，在數(shù)據(jù)處理的精度，使用的自動化水平，對觀測數(shù)據(jù)的篩選，周跳的判別與修復，整周未知數(shù)的解算能力以及網(wǎng)平差的功能等方面，對數(shù)據(jù)作出評價。二、測量數(shù)據(jù)處理每一個廠商所生產(chǎn)的接收機都會配備相應的數(shù)據(jù)處理軟件，它們在使用方法上都會有各自不同的特點。但是，無論是哪種軟件，它們在使用步驟上卻是大體相同的。GPS數(shù)據(jù)處理的過程依次為：原始觀測數(shù)據(jù)讀入、外業(yè)輸入數(shù)據(jù)檢查與修改、基線解算控制參數(shù)、基線解算、基線質(zhì)量檢驗。1、原始觀測數(shù)據(jù)讀入在進行基線解算時，首先需要讀取原始的GPS觀測值數(shù)據(jù)。一般說來，各接收機廠商隨接收機一起提供的數(shù)據(jù)處理軟件

29、都可以直接處理從接收機中傳輸出來的GPS原始觀測值數(shù)據(jù)，而由第三方所開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件則不一定能對各接收機的原始觀測數(shù)據(jù)進行處理，要處理這些數(shù)據(jù)，首先需要進行格式轉(zhuǎn)換。目前，最常用的格式是RINEX格式.對于按此種格式存儲的數(shù)據(jù)，大部分的數(shù)據(jù)處理軟件都能直接處理。2、外業(yè)輸入數(shù)據(jù)檢查與修改在讀入了GPS觀測值數(shù)據(jù)后，就需要對觀測數(shù)據(jù)進行必要的檢查，檢查的項目包括測站名、點號、測站坐標、天線高等。對這些項目進行檢查的目的，是為了避免外業(yè)操作時的失誤操作。3、基線解算控制參數(shù)基線解算的控制參數(shù)用以確定數(shù)據(jù)處理軟件采用何種處理方法來進行基線解算，設定基線解算的控制參數(shù)是基線解算時的一個非常重要的環(huán)節(jié)

30、，通過控制參數(shù)的設定，可以實現(xiàn)基線的精化處理。4、基線解算基線解算的過程一般是自動進行的，無需過多的人工干預。5、基線質(zhì)量檢驗基線解算完畢后，基線結果并不能馬上用于后續(xù)的處理，還必須對基線的質(zhì)量進行檢驗，只有質(zhì)量合格的基線才能用于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，如果不合格，則需要對基線進行重新解算或重新測量?；€的質(zhì)量檢驗需要通過數(shù)據(jù)刪除率、RATIO、RDOP、RMs、同步環(huán)閉和差、異步環(huán)閉和差和重復基線較差等來進行。6、GPS網(wǎng)平差（1）提取基線向量要進行GPS網(wǎng)平差，首先必須提取基線向量，構建GPS基線向量網(wǎng)。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

31、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。選取質(zhì)量好的基線向量，基線質(zhì)量的好壞，可以依據(jù)同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差和重復基線較差來判定。選取能構成邊數(shù)較少的異步環(huán)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(wǎng)后，需要進行GPS網(wǎng)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(jù)無約束平差的結果，判別在所構成的GPS網(wǎng)中是否有粗差基線，如發(fā)現(xiàn)含有粗差的基線，需要進行相應的處理，必須使得最后用于構網(wǎng)的所有基線向量均滿足質(zhì)量要求。調(diào)整各基線向量觀測值的權，使得它們相互匹配。（3） 約束平差或聯(lián)合平差在進行完三維無約束平差后，需要進行約束平差

32、或聯(lián)合平差，平差可根據(jù)需要在三維空問進行或二維空間中進行。約束平差的具體步驟是：指定進行平差的基準和坐標系統(tǒng)。指定起算數(shù)據(jù)。檢驗約束條件的質(zhì)量。進行平差解算。（4） 質(zhì)量分析與控制在這一步，進行GPS網(wǎng)質(zhì)量的評定，在評定時可以采用基線向量的改正數(shù)進行。根據(jù)基線向量的改正數(shù)的大小，可以判斷出基線向量中是否含有粗差。若在進行質(zhì)量評定時，發(fā)現(xiàn)有質(zhì)量問題，需要根據(jù)具體情況進行處理，如果發(fā)現(xiàn)構成GPS網(wǎng)的基線中含有粗差，則需要采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。如果發(fā)現(xiàn)個別起算數(shù)據(jù)有質(zhì)量問題，則應該放棄有質(zhì)量問題的起算數(shù)據(jù)。三、鐵路GPS測量數(shù)據(jù)處理軟

33、件鐵路GPS測量的數(shù)據(jù)處理軟件有Leica Geo Office （LGO）軟件和科傻系列軟件GPS工程測量網(wǎng)通用平差軟件包（CosaGPS）。1、Leica Geo Office（LGO）軟件Leica Geo Office（瑞士萊卡綜合辦公軟件）軟件通過LEICA Geo Office來開拓數(shù)據(jù)的潛能，管理和瀏覽自己的TPS、GPS以及Level數(shù)據(jù)。LEICA Geo Office是一個直觀的，圖形化的視窗多任務環(huán)境，使用簡單而方便。所有組成成分都有一個類似的外觀，可以進行無縫連接和協(xié)作。TPS、GPS以及Level數(shù)據(jù)都通過一個標準化的工具和數(shù)據(jù)流程來處理。內(nèi)建的HELP包括有用的教程

34、，并提供建議和信息。2、科傻系列軟件GPS工程測量網(wǎng)通用平差軟件包（CosaGPS）CosaGPS有以下優(yōu)點：（1）功能全面。軟件具有在世界空間直角坐標系（WGS一84）進行三維向量網(wǎng)平差（無約束平差和約束平差）、在橢球面上進行衛(wèi)星網(wǎng)與地面網(wǎng)三維平差、在高斯平面坐標系進行二維聯(lián)合平差、針對工程獨立網(wǎng)的固定一點一方向的平差、高程擬合等功能，并帶有常用的工程測量計算工具，可以實現(xiàn)各種坐標轉(zhuǎn)換。（2）整體性好。全部軟件集成在統(tǒng)一的環(huán)境下，編輯器、文檔、圖形、數(shù)據(jù)處理模塊均自主編寫；采用多文檔，可同時處理多項任務；采用工程管理模式，可方便進行各類數(shù)據(jù)的操作。（3）解算容量大，運算速度快。軟件設計采用節(jié)

35、省內(nèi)存的快速算法，在現(xiàn)有的大部分微機操作系統(tǒng)windows 98，windows 2000，windows XP上，可整體解算數(shù)千個控制點的GPS控制網(wǎng)，內(nèi)存不夠時則采用外存作緩沖，因而還可解算更大規(guī)模的GPS工程網(wǎng)。（4）操作簡明，使用方便。在windows 98，windows 2000，windows XP系統(tǒng)環(huán)境下運行，可采用表格方式或文本方式進行數(shù)據(jù)錄入，大部分操作采用“傻瓜式選項。對于輸入量較少的已知數(shù)據(jù)和參數(shù)，采用表格方式輸入；對于大批量的數(shù)據(jù)，則采用文件方式輸入。四、三維平差、平面坐標轉(zhuǎn)換和精度評定1、三維平差根據(jù)平差所進行的坐標空間，可將GPS網(wǎng)平差分為三維平差和二維平差。（

36、1）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問坐標。GPS網(wǎng)的三維平差，一般在三維空間直角坐標系或三維空間大地坐標系下進行。（2）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坐標。二維平差一般適合于小范圍GPS網(wǎng)的平差。2、平面坐標轉(zhuǎn)換同一坐標系內(nèi)，空間三維直角坐標、大地坐標和高斯平面直角坐標這三種不同坐標表達形式之間可以方便地進行轉(zhuǎn)換。不同坐標系之間，也可以通過參數(shù)轉(zhuǎn)換和橢球投影轉(zhuǎn)換進行坐標數(shù)值的轉(zhuǎn)變。（1）同一坐標系內(nèi)的坐標轉(zhuǎn)換同一坐標系內(nèi)，大地坐標和高斯平面直角坐標可以通過高斯投影正、反算公式進行互

37、換。高斯投影正、反算公式的形式復雜，但早已實現(xiàn)程序模塊化，可以十分方便地在眾多測量程序中進行互換。只要選定橢球形狀參數(shù)、投影帶寬和投影采用的中央子午線經(jīng)度，就可以計算得到大地坐標在相應投影帶中的高斯平面直角坐標（高斯投影正算），或者相應投影帶中的高斯平面直角坐標所對應的大地坐標（高斯投影反算）。高斯投影正算公式實現(xiàn)了空間三維直角坐標到平面直角坐標的轉(zhuǎn)換，具有十分重要的應用意義。高斯投影是由德國科學家高斯于19世紀20年代擬定，后經(jīng)德國大地測量學家克呂格于1912年對投影公式加以補充，故稱為高斯 克呂格投影，簡稱為高斯投影。高斯投影在英、美國家稱為橫軸墨卡托投影（UTM）。高斯投影的中央經(jīng)線長度

38、比等于1，UTM投影規(guī)定中央經(jīng)線長度比為。高斯投影具有如下基本特點：高斯投影的中央經(jīng)線是和赤道垂直的直線，其他經(jīng)線均為凹向并對稱于中央經(jīng)線的曲線，其他緯線均為以赤道為對稱軸向兩極彎曲的曲線，經(jīng)緯線成直角相交；中央經(jīng)線投影長度變形比等于1，即沒有長度變形，其余經(jīng)線長度比均大于1，長度變形為正；在同一條經(jīng)線上，長度變形隨緯度的降低而增大，在赤道處為最大；在同一條緯線上，長度變形隨經(jīng)差的增加而增大，且增大速度較快；面積變形也是距中央經(jīng)線愈遠，變形愈大；高斯投影后角度沒有變形；為了保證地圖的精度，采用分帶投影方法，即將投影范圍的東西界加以限制，使其變形不超過一定的限度，這樣把許多帶結合起來，可成為整個

39、區(qū)域的投影。在高斯投影上，規(guī)定以中央經(jīng)線為x軸，赤道為y軸，兩軸的交點為坐標原點。X坐標值在赤道以北為正，以南為負；y坐標值在中央經(jīng)線以東為正，以西為負。我國在北半球，x坐標皆為正值。y坐標在中央經(jīng)線以西為負值，運用起來很不方便。為了避免y坐標出現(xiàn)負值，將各帶的坐標縱軸西移5 O（km，即將所有y值都加500km（加常數(shù)）。由于采用了分帶方法，各帶的投影完全相同，某一坐標值（z，y），在每一投影帶中均有一個，在全球則有60個同樣的坐標值，不能確切表示該點的位置。因此，在y值前需冠以帶號，這樣的坐標稱為通用坐標。我國的高鐵平面精測網(wǎng)對投影長度變形有嚴格控制，要求最大變形比不超過10mm/km。盡

40、管可以通過細分投影帶，或者抬高投影面高程的方式來限制投影長度變形比。但是，在平面直角坐標的使用過程中，這種方法將增加了大量的坐標換帶計算工作。 高斯投影坐標換帶計算的方法為：先將某一投影分帶內(nèi)的高斯平面直角坐標轉(zhuǎn)換成通用的大地坐標，然后重新設定投影的中央子午線和帶寬，就可以得到在新的投影帶中的高斯平面直角坐標，如圖所示?？臻g三維直角坐標和高斯平面直角坐標之間不能直接相互轉(zhuǎn)換，其必須通過大地坐標這個中間轉(zhuǎn)換過程才能實現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換，即它們之間的轉(zhuǎn)換是間接的。具體過程如圖6。7所示?？臻g三維直角坐標大地坐標標高斯平面直角坐標（2）不同坐標系之間的坐標轉(zhuǎn)換不同坐標系之間的坐標轉(zhuǎn)換通常采用參數(shù)轉(zhuǎn)換方法。其

41、中，平面直角坐標之間的轉(zhuǎn)換采用四參數(shù)法（兩個平移參數(shù)、一個旋轉(zhuǎn)參數(shù)、一個尺度參數(shù)），空間直角坐標之間的轉(zhuǎn)換采用七參數(shù)法（三個平移參數(shù)、三個旋轉(zhuǎn)參數(shù)、一個尺度參數(shù)）。如果涉及平面直角坐標和空問直角坐標之問的轉(zhuǎn)換，還必須增加考慮橢球參數(shù)的變換問題。平面直角坐標系之間的坐標轉(zhuǎn)換如圖所示，坐標系XOY的原點在坐標系XOY中的坐標為a、b，X軸與X軸之夾角為臼?？梢哉J為坐標系xOY原是與坐標系xoy重合，后因為O分別平移了a、b之距離，并且坐標系二坐標軸ox與Oy又相對0x與0y逆時針旋轉(zhuǎn)了臼角而得到的。在二坐標系之間引入一個輔助坐標系XOY使它的二坐標軸Ox”與0Y分別與Ox、Oy平行：在xOY系中有

42、一點P，其坐標為（XY），則由坐標系平移公式與坐標系旋轉(zhuǎn)公式可得：故有考慮不同坐標系之間的尺度（長度）因子m，即：上式即坐標系平移和旋轉(zhuǎn)后新、舊坐標系中某一點坐標的關系式。只要轉(zhuǎn)換參數(shù)是精確已知的，則可以十分方便地進行坐標在不同坐標系之間的轉(zhuǎn)換。同樣的道理，對于兩個空間直角坐標有如下坐標轉(zhuǎn)換關系（見圖）：如果轉(zhuǎn)換參數(shù)未知，但是已知一定數(shù)量的點（平面坐標轉(zhuǎn)換需要2個以上，空間直角坐標轉(zhuǎn)換需要3個以上），其在兩個坐標系中的坐標都精確已知，則可以利用數(shù)學上的最小二乘原則進行轉(zhuǎn)換參數(shù)的求估。估計出來的參數(shù)可以用以其他點的坐標轉(zhuǎn)換。當平面直角坐標和空間直角坐標之問進行轉(zhuǎn)換時，因為涉及高斯投影，所以需要確

43、認兩種不同坐標系所采用的參考地球橢球是否相同。如果不同，則要進行橢球參數(shù)的改變。具體過程示意如圖所示。3、精度評定（1）基線向量解算及精度分析基線解算采用廠家提供的隨機軟件按靜態(tài)相對定位模式進行，基線解算采用衛(wèi)星廣播星歷坐標作為基線解的起算數(shù)據(jù)。基線向量異步環(huán)閉合差是檢驗基線向量網(wǎng)質(zhì)量的一項重要技術指標，當它滿足限差要求時，能說明組成基線向量網(wǎng)的所有基線解算質(zhì)量合格、成果可靠。按高速鐵路工程測量規(guī)范（TB 106012009）要求GPS控制基線向量網(wǎng)所有異步環(huán)閉合差應符合下式規(guī)定：其中 式中：n為閉合環(huán)邊數(shù)；一為標準差，即基線向量弦長中誤差，mm；a為固定誤差；6為比例誤差；d為閉合環(huán)平均邊長

44、，km。（2）網(wǎng)平差精度分析網(wǎng)平差包括三維無約束平差、三維約束平差和二維約束平差，平差數(shù)據(jù)采用基線向量的雙差固定解進行。首先進行三維無約束平差，以檢定基線向量網(wǎng)自身的內(nèi)符合精度及其系統(tǒng)誤差和粗差，然后再進行三維約束平差和二維約束平差。各等級GPS測量控制網(wǎng)的主要技術指標，應符合表的規(guī)定。五、高程轉(zhuǎn)換1、各種高程系統(tǒng)及相互關系各種高程系統(tǒng)及相互關系如圖所示。2、GPS水準基本原理既有大地高，又有正常高的點稱為公共點。對于公共點有：若假設網(wǎng)中其他點上的高程異常相同，即參考橢球面與似大地水準面平行，則非公共各點的高程可由下式得：3、GPS水準方法（1）等值線圖法：從高程異常圖或大地水準面差距圖分別查

45、出各點的高程異?；虼蟮厮疁拭娌罹?，然后分別采用下面兩式可計算出正常高和正高。（2）地球模型法：地球模型法本質(zhì)上是一種數(shù)字化的等值線圖，目前國際上較常采用的地球模型有OSU91EGM96等。我國有CQG2000，各個省有省級的厘米級似大地水準面模型。（3）高程擬合法：利用在范圍不大的區(qū)域中，高程異常具有一定的幾何相關性這一原理，采用數(shù)學方法，求解正高、正常高或高程異常。石家莊至武漢客運專線（河北邢臺段）GPS控制測量，正線全長公里，設計速度目標值350公里/小時，輸送能力單向8000萬人/年，沿線設高邑西、邢臺東、邯鄲東、安陽東、鶴壁東、新鄉(xiāng)東、鄭州東、許昌東、漯河西、駐馬店西、明港東、信陽東、

46、大悟和橫店東14個車站，建設總工期4年半。測區(qū)屬山區(qū)，位于東徑111o44-112o30，北緯34o49-35o08。行政隸屬山西省垣曲縣和河南省澠池縣、新安縣、濟源市、孟津縣。測區(qū)東西長約70km，南北方向?qū)捈s 8km，總體呈帶狀分布，補設樁點分布在黃河干流和 39條大小支流上，測區(qū)地形條件復雜，地勢高低起伏，溝壑縱橫交叉，大部分地區(qū)懸崖峭壁，氣候復雜，人跡罕至，交通十分困難。因此決定采用GPS接收機對其進行控制測量。其測量流程如圖1所示：六、GPS網(wǎng)的技術設計測量工作實施的第一步就是GPS網(wǎng)的技術設計，它包括GPS網(wǎng)精度指標的確定，GPS網(wǎng)的網(wǎng)形設計及GPS網(wǎng)的基準設計三方面。（1）GPS網(wǎng)的精度指標，主要取決于工程對控制網(wǎng)的要求。精度指標通常以網(wǎng)中相鄰點間的弦長精度來表示，其形式為：