GPS在控制測量中的應用2

PAGEPAGE1GPS在控制測量中的應用本章摘要GPS是全球定位系統(tǒng)，是隨著現代科學技術的迅速發(fā)展而建立起來的新一代精密衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)GPS定位技術。由于GPS在具有定位精度高、觀測時間短、觀測站間無需通視、能提供全球統(tǒng)一的地心坐標等特點，被廣泛應用于大地控制測量中。本章主要講述GPS定位系統(tǒng)的組成、GPS定位原理、GPS控制網的技術設計和外業(yè)觀測，GPS數據處理等內容。并結合昆明市GPS連續(xù)運行參考站的建立，講述了連續(xù)運行參考站技術在控制測量中的應用。本章內容是GPS測繪新技術在控制測量中的應用，要掌握GPS定位原理，重點掌握運用GPS建立測量控制網的原理、方法和技術。突出GPS控制網的技術設計、觀測方案設計、外業(yè)數據采集、GPS數據處理等技能點的學習?！?0.1GPS概述全球定位系統(tǒng)（GlobalPositioningSystem——GPS）是美國從本世紀70年代開始研制，歷時20年，耗資300億美元，于1994年全面建成。它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，為海、陸、空三軍提供精密導航，向特殊用戶進行授時，還可以用于情報收集、核爆監(jiān)測、應急通訊和衛(wèi)星定位等一些軍事目的。10.1.1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；用戶部分。圖10-1顯示了GPS定位系統(tǒng)的三個組成部分及其相互關系圖10-1GPS系統(tǒng)組成1.地面控制部分GPS的地面控制部分由分布在全球的由若干個跟蹤站組成的監(jiān)控系統(tǒng)所構成（見圖10_2）。根據其作用的不同，跟蹤站分為主控站、監(jiān)控站和注入站。主控站有一個，位于美國科羅拉多（Colorado）的法爾孔（Falcon）空軍基地。它的作用是根據各監(jiān)控站對GPS的觀測數據，計算出衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星時鐘的改正參數等，并將這些數據通過注入站注入到衛(wèi)星中去；同時，它還對衛(wèi)星進行控制，向衛(wèi)星發(fā)布指令；當工作衛(wèi)星出現故障時，調度備用衛(wèi)星，替代失效的工作衛(wèi)星工作；另外，主控站還具有監(jiān)控站的功能。監(jiān)控站有5個，除了主控站外，其他4個分別位于夏威夷（Hawaii）、阿松森群島（Ascencion）、迭哥伽西亞（DiegoGarcia）、和卡瓦加蘭（Kwajalein）。監(jiān)控站的作用是接收衛(wèi)星信號，監(jiān)測衛(wèi)星的工作狀態(tài)。注入站有3個，它們分別位于阿松森群島（Ascencion）、迭哥伽西亞（DiegoGarcia）、和卡瓦加蘭（Kwajalein）。注入站的作用是將主控站計算的衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星時鐘的改正參數等注入到衛(wèi)星中去。地面監(jiān)控系統(tǒng)提供每顆GPS衛(wèi)星所播發(fā)的星歷。并對每顆衛(wèi)星工作情況進行監(jiān)測和控制。地面監(jiān)控系統(tǒng)另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時間標準－GPS時間系統(tǒng)（GPST）。圖10-2地面控制部分圖10-2地面控制部分2.空間部分GPS工作衛(wèi)星及其星座由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，記作（21+3）GPS星座（見圖10-3）。24顆衛(wèi)星均勻分布在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(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，若考慮地球自轉等因素，將提前4min進入下一周期。圖10-3GPS衛(wèi)星分布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（美國軍方及特殊授權用戶）導航數據：衛(wèi)星軌道坐標、衛(wèi)星鐘差方程式參數、電離層延遲修正3.用戶部分主要指GPS接收機，此外還包括氣象儀器、計算機、鋼尺等儀器設備組成。GPS接收機主要由天線單元，信號處理部分，記錄裝置和電源組成。天線單元由天線和前置放大器組成，靈敏度高，抗干擾性強。接收天線把衛(wèi)星發(fā)射的十分微弱的信號通過放大器放大后進入接收機。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，獲得偽距定位結果。記錄裝置主要有接收機的內存硬盤或記錄卡（CF卡）。電源分為外接和內接電池（12V），機內還有一鋰電池。GPS接收機的基本類型主要分為大地型、導航型和授時型三種。(見圖10-4)其中，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。RTK系統(tǒng)導航型接收機大地型接收機abc圖10-4不同類型的接收機10.1.2GPS系統(tǒng)的特點GPS系統(tǒng)的特點：高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便、應用廣泛等。1.定位精度高應用實踐已經證明，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于1mm2.觀測時間短隨著GPS系統(tǒng)的不斷完善，軟件的不斷更新，目前，20KM以內快速靜態(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以內時，流動站觀測時間只需1-2分鐘。3.測站間無須通視GPS測量不要求測站之間互相通視，只需測站上空開闊即可，因此可節(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。4.可提供三維坐標經典大地測量將平面與高程采用不同方法分別施測。GPS可同時精確測定測站點的三維坐標(平面+大地高)。目前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。5.操作簡便隨著GPS接收機不斷改進，自動化程度越來越高，有的已達“傻瓜化”的程度，接收機的體積越來越小，重量越來越輕，極大地減輕測量工作者的工作緊張程度和勞動強度。6.全天候作業(yè)目前GPS觀測可在一天24小時內的任何時間進行,不受陰天黑夜、起霧刮風、下雨下雪等氣候的影響。7.功能多、應用廣GPS系統(tǒng)不僅可用于測量、導航，精密工程的變形監(jiān)測，還可用于測速、測時。測速的精度可達0.1m/s，測時的精度優(yōu)于0.2ns10.1.3GPS的應用1.GPS應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。例如：船舶遠洋導航和進港引水；飛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，電子地圖等集成一體）。圖10-5GPS時間系統(tǒng)建立的示意圖圖10-5GPS時間系統(tǒng)建立的示意圖每個GPS衛(wèi)星上都裝有銫原子鐘作星載鐘；GPS全部衛(wèi)星與地面測控站構成一個閉環(huán)的自動修正系統(tǒng)(見圖10-5)；采用協(xié)調世界時UTC（USNO/MC）為參考基準。為了得到精密的GPS時間，一般使它的準確度達到<100ns[相對于UTC（USNO/MC）]，對特殊用途可以提供授時服務。當前精密的GPS時間同步技術可以實用10-10-103.GPS應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數據動態(tài)更新；工程機械（輪胎吊，推土機等）控制；精細農業(yè)。經過30余年的實踐證明，GPS系統(tǒng)是一個高精度、全天候和全球性的無線電導航、定位和定時的多功能系統(tǒng)。GPS技術已經發(fā)展成為多領域、多模式、多用途、多機型的高新技術國際性產業(yè)。目前已遍及國民經濟各種部門，并開始逐步深入人們的日常生活。§10.2GPS定位原理10.2.1GPS定位中的誤差源GPS定位中出現的各種誤差從誤差源來講大體可分為下列三類：1.衛(wèi)星有關的誤差（1）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)星的實際位置之差稱為衛(wèi)星星歷誤差。星歷誤差的大小主要取決于衛(wèi)星定軌系統(tǒng)的質量，如定軌站的數量及其地理分布，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）也有直接關系。在影響GPS測量精度的眾多誤差源中，軌道誤差是主要誤差源。軌道誤差對基線測量的影響可用下式表示：式中，為軌道誤差；D為基線長；為衛(wèi)星至地球表面距離，大約25000km；為基線誤差。下表給出了軌道誤差對不同長度的基線影響。表10-1軌道誤差對不同長度的基線影響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（2）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。系統(tǒng)誤差遠較隨機誤差的值大，而且可以通過檢驗和比對來確定并通過模型來加以改正；而隨機誤差只能通過鐘的穩(wěn)定度來描述其統(tǒng)計特性，無法確定其符號和大小。2.與信號傳播有關的誤差與GPS信號傳播有關的誤差主要是大氣折射誤差和多路徑效應。（1）電離層延遲電離層（含平流層）是高度在先60～1000km間的大氣層。在太陽紫外線X射線、射線和高能粒子的作用下，該區(qū)域內的氣體分子和原子將產生電離，形成自由電子和正離子。帶電粒子的存在將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，產生所謂的電離層延遲。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、太陽黑子數等多種因素有關。測距碼偽距觀測值和載波相位觀測值所受到的電離層延遲大小相同，但符號相反。（2）對流層延遲對流層是高度在50km以下的大氣層。整個大氣中的絕大部分質量集中在對流層中。GPS衛(wèi)星信號在對流層中的傳播速度V=c/n。以為真空中的光速，n為大氣折射率，其值取決于氣溫、氣壓和相對濕度等因子。此外，信號的傳播路徑也會產生彎曲。由于上述原因使距離測量值產生的系統(tǒng)性偏差稱為對流層延遲。對流層對測距碼偽距和載波相位觀測值的影響是相同的。（3）多路徑誤差多路徑誤差:經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.與接收機有關的誤差（1）接收機的鐘誤差與衛(wèi)星鐘一樣，接收機鐘也有誤差。而且由于接收機中大多采用的是石英鐘，因而其鐘誤差較衛(wèi)星鐘更為顯著。該項誤差主要取決于鐘的質量，與使用時的環(huán)境也有一定關系。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。（2）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(tǒng)誤差。該項誤差對測碼偽距觀測值的影響是相同的。進行GPS基線解算時，需已知其中一個端點在WGS-84坐標系中的坐標，已知坐標的誤差過大也會對解算結果產生影響。（3）接收機的測量噪聲這是指用接收機進行GPS測量時，由于儀器設備及外界環(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。一般而言，測量噪聲的值均小于上述的各種偏差值。觀測足夠長的時間后，測量噪聲的影響通?？梢院雎圆挥?。4.相對論效應相對論效應分為廣義相對論和狹義相對論。（1）狹義相對論由于衛(wèi)星鐘被安置在高速運動的衛(wèi)星中，按照狹義相對論的觀點會產生時間膨脹的現象，對GPS衛(wèi)星鐘的影響：若衛(wèi)星在地心慣性坐標系中的運動速度為，則在地面頻率為f的鐘安置到衛(wèi)星上，其頻率將變?yōu)椋簝烧叩念l率差為：考慮到GPS衛(wèi)星的平均運動速度=3874m/s和真空中的光速c=299792458m/s,則因此，衛(wèi)星上鐘的頻率將變慢。（2）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，若地面的地心距R近似取6378km,衛(wèi)星的地心距近似取26560km由此可以看出，對GPS衛(wèi)星而言，廣義相對論效應的影響比狹義相對論效應的影響要大得多，且符號相反?？偟南鄬φ撔绊憚t為：既然總的相對論效應會使一臺鐘放到衛(wèi)星上去后比在地面時增加,那么解決相對論效應的最簡單的辦法就是在制造衛(wèi)星鐘時預先把頻率降低。衛(wèi)星鐘的標準頻率為，所以廠家在生產時應把頻率降為當這些衛(wèi)星進入軌道受到相對論效應的影響后，頻率正好變?yōu)闃藴暑l率。在該問題的討論中，取r=26560km，也就是說，在將GPS衛(wèi)星軌道視作圓軌道進行討論的，此時，狹義相對論效應和廣義相對論效應均為常數，用降低衛(wèi)星鐘頻率加以消除。實際上，GPS衛(wèi)星軌道是一個橢圓，衛(wèi)星至地心的距離及衛(wèi)星的運動速度V，都將隨時間的變化而變化。所以，嚴格來講，狹義相對論效應和廣義相對論效應都是時間的函數，每顆衛(wèi)星的改正并不相同。由于篇幅原因，此處不加以詳細闡述。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據處理時引入的誤差等；數據處理軟件的算法不完善對定位結果的影響。10.2.2GPS基本定位原理利用GPS進行定位的基本原理，是以GPS衛(wèi)星和用戶接收機天線之間距離(或距離差)的觀測量為基礎，并根據已知的衛(wèi)星瞬間坐標來確定用戶接收機所對應的點位，即待定點的三維坐標(x，y，z)。GPS定位的關鍵是測定用戶接收機天線至GPS衛(wèi)星之間的距離。1.偽距的概念及偽距測量GPS衛(wèi)星能夠按照星載時鐘發(fā)射結構為‘偽隨機噪聲碼的信號，稱為測距碼信號(即粗碼C／A碼或精碼P碼)。該信號從衛(wèi)星發(fā)射經時間t后，到達接收機天線；衛(wèi)星至接收機的空間幾何距離ρ=Ct。實際上，由于傳播時間t中包含有衛(wèi)星時鐘與接收機時鐘不同步的誤差，測距碼在大氣中傳播的延遲誤差等等，因此求得的距離值并非真正的站星幾何距離，習慣上稱之為“偽距”，用ρ表示，與之相對應的定位方法稱為偽距法定位。為了測定上述測距碼的時間延遲，即GPS衛(wèi)星信號的傳播時間，需要在用戶接收機內復制測距碼信號，并通過接收機內的可調延時器進行相移，使得復制的碼信號與接收到的相應碼信號達到最大相關，即使之相應的碼元對齊。為此，所調整的相移量便是衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號到達接收機天線的傳播時間，即時間延遲。假設在某一標準時刻Ta衛(wèi)星發(fā)出—個信號，該瞬間衛(wèi)星鐘的時刻為ta，該信號在標準時刻Tb到達接收機，此時相應接收機時鐘的讀數為tb；于是偽距測量測得的時間延遲，即為tb與ta之差。由于衛(wèi)星鐘和接收機時鐘與標準時間存在著誤差，設信號發(fā)射和接收時刻的衛(wèi)星和接收機鐘差改正數分別為Va和Vb，(Tb-Ta)+（Vb-Va）即為測距碼從衛(wèi)星到接收機的實際傳播時間△T。由上述分析可知，在△T中已對鐘差進行了改正；但由△TC所計算出的距離中，仍包含有測距碼在大氣中傳播的延遲誤差，必須加以改正。設定位測量時，大氣中電離層折射改正數為δρI，對流層折射改正數為δρT，則所求GPS衛(wèi)星至接收機的真正空間幾何距離ρ應為偽距測量的精度與測量信號(測距碼)的波長及其與接收機復制碼的對齊精度有關。目前，接收機的復制碼精度一般取1／100，而公開的C／A碼碼元寬度(即波長)為293m，故上述偽距測量的精度最高僅能達到3m(2931／100≈3m)，難以滿足高精度測量定位工作的要求,而用C/A碼測距時，通常采用窄相關技術，測距精度可達碼元寬度1/1000左右，由于美國于1994年1月31日實施了AS技術，將P碼和保密的W碼進行模二相加以形成保密的Y碼，使得民用用戶只能用精度較低的C/A碼進行測距，利用Z實際上，在偽距測量觀測方程中，由于衛(wèi)星上配有高精度的原于鐘，且信號發(fā)射瞬間的衛(wèi)星鐘差改正數Va可由導航電文中給出的有關時間信息求得。但用戶接收機中僅配備一般的石英鐘，在接收信號的瞬間，接收機的鐘差改正數不可能預先精確求得。因此，在偽距法定位中，把接收機鐘差Vb作為未知數，與待定點坐標在數據處理時一并求解。由此可見，在實際單點定位工作中，在一個觀測站上為了實時求解四個未知數x、y、z和Vb，便至少需要四個同步偽距觀測值ρi。也就是說，至少必須同時觀測四顆衛(wèi)星。偽距法的數學模型為：2.載波相位測量（1）原理利用GPS衛(wèi)星發(fā)射的載波為測距信號。由于載波的波長（λL1＝19.03cm，λL2＝24.42cm）比測距碼波長要短得多，因此對載波進行相位測量，就可能得到較高的測量定位精度。假設衛(wèi)星S在to時刻發(fā)出一載波信號，其相位為φ(S)；此時若接收機產生—個頻率和初相位與衛(wèi)星載波信號完全—致的基準信號，在to瞬間的相位為φ(R)。假設這兩個相位之間相差N個整周信號和不足一周的相位Fr(ψ)，則相位差：φ(R)-φ(S)=Fr(ψ)+N載波信號是一個單純的余弦波。在載波相位測量中，接收機無法判定所量測信號的整周數，但可精確測定其零數Fr(ψ)，并且當接收機對空中飛行的衛(wèi)星作連續(xù)觀測時，接收機借助于內含多普勒頻移計數器，可累計得到載波信號的整周變化數Int(ψ)。因此，ψ=Int(ψ)+Fr(ψ)才是載波相位測量的真正觀測值。而No稱為整周模糊度，它是一個未知數，但只要觀測是連續(xù)的，則各次觀測的完整測量值中應含有相同的，也就是說，完整的載波相位觀測值應為：在to時刻首次觀測值中Int(ψ)＝0，不足整周的零數為Fr(ψ)，N0是未知數；在t1時刻N0值不變，接收機實際觀測值ψ由信號整周變化數Inti(ψ)和其零數Fri(ψ)組成。與偽距測量一樣，考慮到衛(wèi)星和接收機的鐘差改正數Va、Vb以及電離層折射改正和對流層折射改正δρI,δρT的影響，可得到載波相位測量的基本觀測方程為:,為載波波長。代入偽距方程中，得兩式比較可看出，載波相位測量觀測方程中，除增加了整周末知數N0外，與偽距測量的觀測方程在形式上完全相同。（2）周跳與整周未知數1）周跳如果由于某種原因在兩個觀測歷元之間的某一段時間工作計數器中止了正常的累積工作，從而使整周計數較應有值少了n周，那么當計數器恢復正常工作后，所有的載波相位觀測值中的整周計數Int(ψ)便都會含有同一偏差值——較正常值少n周。這種整周計數Int(ψ)出現系統(tǒng)偏差而不足一周的部分Fr(ψ)仍然保持正確的現象稱為整周跳變，簡稱周跳。周跳的探測與修復衛(wèi)星在空間的運行軌跡是一條平滑的曲線，因而衛(wèi)星至接收機的載波相位觀測值的變化也應是平緩而有規(guī)律的。周跳破壞這種規(guī)律性，使觀測值產生一種系統(tǒng)性的誤差。周跳的探測及修復從本質上講就是如何從載波相位觀測值的時間序列中尋找可能存在的這種系統(tǒng)性的粗差并加以改正。探測、修復周跳的方法很多，較為常用的有高次差法、多項式擬合法、利用雙頻P碼偽距觀測值等方法。高次差法：在相鄰觀測值之間依次求差，一般取三次差，若無周跳，所得結果應在同一量級，否則，會有較大差異。該法雖較為直觀，易于理解但不太適合在計算機上運算。多項式擬合法：從本質上講與高次差是一致的，其算法適合于計算機運算，被廣泛采用。其作法是將n個無周跳的載波相位觀測值代入下式，進行擬合：用最小二乘法求得式中的系數，并根據擬合后的殘差計算出中誤差。用求得的多項式系數外推下一歷元的載波相位觀測值并與實際觀測值進行比較，當兩者之差小于3時，認為無周跳。但不足整周部分要保持不變。用雙頻P碼偽距觀測值來探測、修復周跳：根據任一歷元的雙頻P碼偽距觀測值P1，P2及載波相位觀測值，即可求得寬巷觀測值的整周未知數N，若相鄰兩歷元所得整周未知數之差小于4，則認為不存在周跳。采用該方法時無需提供衛(wèi)星軌道、測站坐標等信息，也不需要在測站和衛(wèi)星間求差，適用于任意長度的基線。與此同時，還可完成粗差的探測和剔除工作，是一種較為理想的方法。該方法在自動化數據編輯中得到了廣泛應用。3）整周未知數整周未知數的確定是載波相位測量中特有的問題，也是進一步提高GPS定位精度、提高作業(yè)速度的關鍵所在。目前，確定整周未知數的方法主要有三種：偽距法、No作為未知數參與平差法和三差法。偽距法就是在進行載波相位測量的同時，再進行偽距測量；由兩種方法的觀測方程可知，將未經過大氣改正和鐘差改正的偽距觀測值減去載波相位實際觀測值與波長的乘積，便可求出整周未知數No，No作為未知數參與平差，就是將No作為未知參數，在測后數據處理和平差時與測站坐標一并求解；根據對No的處理方式不同，可分為“整數解”和“實數解”。三差法就是從觀測方程中消去No的方法，又稱多普勒法，因為對于同一顆衛(wèi)星來說，每個連續(xù)跟蹤的觀測中，均含有相同的整周求知數，因而將不同觀測歷元的觀測方程相減，即可消去整周末知數No，從而直接解算出坐標參數。3.相對定位相對定位是目前GPS測量中精度最高的一種定位方法，它廣泛用于高精度測量工作中。由于GPS測量結果中不可避免地存在著種種誤差；但這些誤差對觀測量的影響具有一定的相關性，所以利用這些觀測量的不同線性組合進行相對定位，便可能有效地消除或減弱上述誤差的影響，提高GPS定位的精度，同時消除了相關的多余參數，也大大方便了GPS的整體平差工作。如果用平均誤差量與兩點間的長度相比的相對精度來衡量，GPS相位相對定位的方法的相對定位精度一般可以達10-6（1ppm），最高可接近10-9（1ppb）。靜態(tài)相對定位的最基本情況是用兩臺GPS接收機分別安置在基線的兩端，固定不動；同步觀測相同的GPS衛(wèi)星，以確定基線端點在WGS—84坐標系中的相對位置或基線向量，由于在測量過程中，通過重復觀測取得了充分的多余觀測數據，從而改善了GPS定位的精度。4.單點定位SPP（SinglePointPositioning），其優(yōu)點是只需用一臺接收機即可獨立確定待求點的絕對坐標；且觀測方便，速度快，數據處理也較簡單。主要缺點是精度較低，一般來說，只能達到米級的定位精度，目前的手持GPS接收機大多采用的該技術。5.精密單點定位PPP(PrecisePointPositioning),利用載波相位觀測值以及由IGS等組織提供的高精度的衛(wèi)星鐘差來進行高精度單點定位的方法。目前，根據一天的觀測值所求得的點位平面位置精度可達2-3cm,高程精度可達3～4cm,實時定位的精度可達分米級。但該定位方式所需顧及方面較多，如精密星歷、天線相位中心偏差改正、地球固體潮改正、海潮負荷改正、引力延遲改正、天體軌道攝動改正等，所以精密單點定位目前還處于研究、發(fā)展階段，有些問題還有待深入研究解決。由于該定位方式只需一臺GPS接收機，作業(yè)方式簡便自由，所以PPP已成為當前§10.3GPS控制網的設計10.3.1總述一個完整的技術設計，主要應包含如下內容：1.項目來源介紹項目的來源、性質。即項目由何單位、部門下達、發(fā)包，屬于何種性質的項目等。2.測區(qū)概況介紹測區(qū)的地理位置、氣候、人文、經濟發(fā)展狀況、交通條件、通訊條件等。這可為今后工程施測工作的開展提供必要的信息。如在施測時作業(yè)時間、交通工具的安排，電力設備使用，通訊設備的使用等。3.工程概況介紹工程的目的、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(yè)和數據處理中所必須要了解的信息。4.技術依據介紹工程所依據的測量規(guī)范、工程規(guī)范、行業(yè)標準及相關的技術要求等。5.現有測繪成果介紹測區(qū)內及與測區(qū)相關地區(qū)的現有測繪成果的情況。如已知點、測區(qū)地形圖等。6.施測方案介紹測量采用的儀器設備的種類、采取的布網方法等。7.作業(yè)要求規(guī)定選點埋石要求、外業(yè)觀測時的具體操作規(guī)程、技術要求等，包括儀器參數的設置（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。8.觀測質量控制介紹外業(yè)觀測的質量要求，包括質量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(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。9.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采用的軟件和處理方法等內容。對于基線解算的數據處理方案，應包含如下內容：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。對于網平差的數據處理方案，應包含如下內容：網平差處理軟件、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。10.提交成果要求規(guī)定提交成果的類型及形式；若國家技術質量監(jiān)督總局或行業(yè)發(fā)布新的技術設計規(guī)定，應據之編寫。10.3.2GPS基線向量網的等級根據我國1992年所頒布的全球定位系統(tǒng)測量規(guī)范，GPS基線向量網被分成了A、B、C、D、E五個級別。下面是我國全球定位系統(tǒng)測量規(guī)范中有關GPS網等級的有關內容。GPS網的精度指標，通常是以網中相鄰點之間的距離誤差來表示的，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)。對于不同等級的GPS網，有下列的精度要求：測量分類固定誤差(mm)比例誤差(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(qū)域或國家框架網、區(qū)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。美國聯邦大地測量分管委員會（FederalGeodeticControlSubcommittee-FGCS）在1988年公布的GPS相對定位的精度標準中有一個AA級的等級，此等級的網一般為全球性的坐標框架。10.3.3GPS基線向量網的布網形式GPS網常用的布網形式有以下幾種：（1）跟蹤站式（2）會戰(zhàn)式（3）多基準站式（樞紐點式）（4）同步圖形擴展式（5）單基準站式1．跟蹤站式（1）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，這種觀測方式很象是跟蹤站，因此，這種布網形式被稱為跟蹤站式。（2）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、數據量大，而且在處理采用這種方式所采集的數據時，一般采用精密星歷，因此，采用此種形式布設的GPS網具有很高的精度和框架基準特性。每個跟蹤站為保證連續(xù)觀測，一般需要建立專門的永久性建筑即跟蹤站，用以安置儀器設備，這使得這種布網形式的觀測成本很高。此種布網形式一般用于建立GPS跟蹤站（AA級網），對于普通用途的GPS網，由于此種布網形式觀測時間長、成本高，故一般不被采用。2．會戰(zhàn)式（1）布網形式在布設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(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，這就是所謂的會戰(zhàn)式的布網。（2）特點所布設的GPS網，因為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于布設A、B級網。圖10-63．圖10-6（1）布網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。（見圖10-6）（2）特點所布設的GPS網，由于在各個基準站之間進行了長時間的觀測，因此，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。4．同步圖形擴展式（1）布網形式圖10-7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網由這些同步圖形構成。圖10-7（2）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GPS網時最常用的一種布網形式。5．單基準站式（1）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(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。見圖10-7。（2）特點單基準站式的布網方式的效率很高，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。10.3.4布設GPS基線向量網時的設計指標在布設GPS網時，我們除了遵循一定的設計原則外，還需要一些定量的指標來指導我們的工作。在我們進行GPS網的設計時經常需要采用效率指標、可靠性指標和精度指標等。1．效率指標在進行GPS網的設計時，我們經常采用效率指標來衡量某種網設計方案的效率，以及在采用某種布網方案作業(yè)時所需要的作業(yè)時間、消耗等。在布設一個GPS網時，在點數、接收機數和平均重復設站次數確定后，則完成該網測設所需的理論最少觀測期數（同步觀測的時段數）就可以確定。但是，當按照某個具體的布網方式和觀測作業(yè)方式進行作業(yè)時，要按要求完成整網的測設，所需的觀測期數與理論上的最少觀測期數會有所差異，理論最少觀測期數與設計的觀測期數的比值，稱之為效率指標（e），即其中：為理論最少觀測期數；理論最少觀測期數R為平均重復設站次數；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。該指標可用來衡量GPS網設計的效率。2．可靠性指標GPS網可靠性，可以分為內可靠性和外可靠性。所謂GPS網的內可靠性就是指所布設的GPS網發(fā)現粗差的能力，即可發(fā)現的最小粗差的大??；所謂GPS網的外可靠性就是指GPS網抵御粗差的能力，即未剔除的粗差對GPS網所造成的不良影響的大小。由于內、外可靠性指標在計算上過于煩瑣，因此，在實際的GPS網的設計中采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余獨立基線數與總的獨立基線數的比值，稱為整網的平均可靠性指標（），即：其中：為多余的獨立基線數；，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臺數。3．精度指標當GPS網布網方式和觀測作業(yè)方式確定后，GPS網的網形就確定了，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(xié)因數陣，在GPS網的設計階段可以采用作為衡量GPS網精度的指標。該指標可通過相關軟件（如武漢大學測繪學院開發(fā)的COSA軟件）計算得到。10.3.5GPS網的設計準則GPS網設計的出發(fā)點是在保證質量的前提下，盡可能地提高效率，努力降低成本。因此，在進行GPS的設計和測量時，既不能脫離實際的應用需求，盲目地最求不必要的高精度和高可靠性；也不能為追求高效率和低成本，而放棄對質量的要求。1．選點（1）為保證對衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤觀測和衛(wèi)星信號的質量，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。（2）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的范圍內不能有強電磁波干擾源，如大功率無線電發(fā)射設施、高壓輸電線等。（3）為避免或減少多路徑效應的發(fā)生，測站應遠離對電磁波信號反射強烈的地形、地物，如高層建筑、成片水域等。（4）為便于觀測作業(yè)和今后的應用，測站應選在交通便利，上點方便的地方。（5）測站應選擇在易于保存的地方。2．提高GPS網可靠性的方法（1）增加觀測期數（增加獨立基線數）。在布設GPS網時，適當增加觀測期數（時段數）對于提高GPS網的可靠性非常有效。因為，隨著觀測期數的增加，所測得的獨立基線數就會增加，而獨立基線數的增加，對網的可靠性的提高是非常有益的。（2）保證一定的重復設站次數。保證一定的重復設站次數，可確保GPS網的可靠性。一方面，通過在同一測站上的多次觀測，可有效地發(fā)現設站、對中、整平、量測天線高等人為錯誤；另一方面，重復設站次數的增加，也意味著觀測期數的增加。不過，需要注意的是，當同一臺接收機在同一測站上連續(xù)進行多個時段的觀測時，各個時段間必須重新安置儀器，以更好地消除各種人為操作誤差和錯誤。（3）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。在布設GPS網時，各個點的可靠性與點位無直接關系，而與該點上所連接的基線數有關，點上所連接的基線數越多，點的可靠性則越高。（4）在布網時要使網中所有最小異步環(huán)的邊數不大于6條。在布設GPS網時，檢查GPS觀測值（基線向量）質量的最佳方法是異步環(huán)閉合差，而隨著組成異步環(huán)的基線向量數的增加，其檢驗質量的能力將逐漸下降。提高GPS網精度的方法（1）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。（2）為提高整個GPS網的精度，可以在全面網之上布設框架網，以框架網作為整個GPS網的骨架。（3）在布網時要使網中所有最小異步環(huán)的邊數不大于6條。（4）在布設GPS網時，引入高精度激光測距邊，作為觀測值與GPS觀測值（基線向量）一同進行聯合平差，或將它們作為起算邊長。（5）若要采用高程擬合的方法，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，且應在網中均勻分布，還要保證有部分點分布在網中的四周，將整個網包含在其中。（6）為提高GPS網的尺度精度，可采用如下方法：增設長時間、多時段的基線向量。4．布設GPS網時起算點的選取與分布若要求所布設的GPS網的成果與舊成果吻合最好，則起算點數量越多越好，若不要求所布設的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坐標成果的一致性，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布在GPS網的周圍。要避免所有的起算點分布在網中一側的情況。5．布設GPS網時起算邊長的選取與分布在布設GPS網時，可以采用高精度激光測距邊作為起算邊長，激光測距邊的數量可在3~5條左右，可設置在GPS網中的任意位置。但激光測距邊兩端點的高差不應過分懸殊。布設GPS網時起算方位的選取與分布在布設GPS網時，可以引入起算方位，但起算方位不宜太多，起算方位可布設在GPS網中的任意位置。§10.4GPS外業(yè)觀測10.4.1GPS外業(yè)觀測的作業(yè)方式同步圖形擴展式的作業(yè)方式具有作業(yè)效率高，圖形強度好的特點，是目前在GPS測量中普遍采用的一種布網形式，在此主要介紹該布網方式的作業(yè)方式。采用同步圖形擴展式布設GPS基線向量網時的觀測作業(yè)方式主要以下幾種式：點連式，邊連式，網連式，混連式。點連式（1）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。這樣，當有臺儀器共同作業(yè)時，每觀測一個時段，就可以測得個新點，當這些儀器觀測觀測了個時段后，就可以測得個點。（2）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（1）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。這樣，當有臺儀器共同同作業(yè)時，每觀測一個時段，就可以測得個新點，當這些儀器觀測觀測了個時段后，就可以測得個點。（2）特點具有較好的圖形強度和較高的作業(yè)效率。網連式（1）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。這樣，當有臺儀器共同作業(yè)時，每觀測一個時段，就可以測得個新點，當這些儀器觀測了個時段后，就可以測得個點。（2）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(yè)方式的作業(yè)效率很低?；爝B式（1）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，而是根據具體情況，有選擇地靈活采用這幾種方式作業(yè)，這樣一種種觀測作業(yè)方式就是所謂的混連式。（2）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、邊連式和網連式的一個結合體。10.4.2外業(yè)GPS調度與觀測記錄1．調度計劃為保證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GPS外業(yè)觀測之前，就編制好調度計劃。（1）GPS衛(wèi)星可見性預報圖表GPS定位的精度與衛(wèi)星的幾何分布密切相關。從GPS可見性預報圖表中可以了解衛(wèi)星的分布狀況。通常利用廠家提供的商用軟件，根據由軟件得出的計劃外業(yè)日期的預報星歷和測區(qū)的概略坐標得到；對于特殊的工程可從IGS網站中獲取預報星歷。預報圖表(見圖10-8)主要內容包括可見的衛(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。下圖為2006年4月26日8：00~13：00的星歷預報，截止高度角取15度，所用軟件為LEICASateliteAvailability。1）星歷預報表TimeSats.PDOPGDOPSatelliteNos08.0051.538.062417242808.1051.517.662417242808.2051.496.842417242808.3061.314.77241017242808.4071.182.732451017242808.5071.182.802451017242809.0071.242.732451013172409.1071.252.972451013172409.2071.253.192451013172409.3071.263.342451013172409.4071.273.372451013172409.5061.333.6024510131710.0071.222.442451013173010.1061.362.6124510173010.2061.372.5324510173010.3071.162.392451017293010.4061.292.7024510293010.5071.152.622451026293011.0071.152.732451026293011.1081.072.3624561026293011.2081.072.4924561026293011.3081.072.5124561026293011.4081.082.4324561026293011.5081.092.2824561026293012.0081.112.1324561026293012.1061.323.43261026293012.2051.606.642610262912.3051.646.102610262912.4051.695.332610262912.5061.602.59261018262913.0071.382.302610182126292）星歷預報圖圖10-8預報星歷分析圖如上圖，在8：00-8:40間預報的GDOP值偏高，在調度中一定要加以考慮，避開觀測效果不佳的時段。2．外業(yè)調度按照技術設計與實地踏勘所得結果，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)調度計劃。根據測量規(guī)范，確定觀測段數及每時段觀測時間，在保證結果精度的基礎上，盡量提高作業(yè)效率。觀測作業(yè)目前接收機的自動化程度較高，操作人員只需作好以下工作即可：1）各測站的觀測員應按計劃規(guī)定的時間作業(yè)，確保同步觀測。2）確保接收機存儲器（目前常用CF卡）有足夠存儲空間。3）開始觀測后，正確輸入高度角，天線高及天線高量取方式。4）觀測過程中應注意查看測站信息、接收到的衛(wèi)星數量、衛(wèi)星號、各通道信噪比、相位測量殘差、實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一般不應高于6），應及時與其他測站觀測員取得聯系，適當延長觀測時間。5）同一觀測時段中，接收機不得關閉或重啟；將每測段信息如實記錄在GPS測量手簿上。6）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點號點名圖幅編號觀測記錄員日期段號觀測日期接收機名稱及編號天線類型及其編號存儲介質編號數據文件名溫度計類型及編號氣壓計類型及其編號備份存儲介質編號近似緯度°

'

"N近似經度°'

"

E近似高程m采樣間隔s開始記錄時間hmin結束記錄時間hmin天線高測定天線高測定方法及略圖點位略圖測前：測后：測定值_________________m修正值_________________m天線高_________________m平均值_________________m記事氣象元素及天氣情況時間（UTC）氣壓（mbar）干溫（°C）濕度（°C）天氣情況測站跟蹤作業(yè)記錄時間（UTC）跟蹤衛(wèi)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（2）C、D、E級測量手簿記錄格式點號點名圖幅編號觀測記錄員日期段號觀測日期接收機名稱及編號天線類型及其編號存儲介質編號數據文件名溫度計類型及編號氣壓計類型及編號備份存儲介質編號近似緯度°'

"N近似經度°'

"E近似高程m采樣間隔s開始記錄時間hmin結束記錄時間hmin天線高測定天線高測定方法及略圖點位略圖測前：測后：測定值________________m修正值________________m天線高________________m平均值________________m時間（UTC）跟蹤衛(wèi)星號（PRN）信噪比緯度°'

"經度°'

"大地高mPDOP記事（3）快速靜態(tài)定位參考站測量手簿記錄格式點號點名圖幅編號觀測記錄員觀測日期觀測單元號接收機名稱及編號天線類型及其編號時段號數據文件名采樣間隔開始記錄時間hmin結束記錄時間hmin天線高測定天線高測定方法及略圖點位略圖測前：測后：測定值________________m修正值________________m天線高________________m平均值________________m時間（UTC）跟蹤衛(wèi)星號（PRN）及信噪比緯度緯度°'

"經度°'

"大地高mPDOP記事（4）快速靜態(tài)定位流動站測量手簿記錄格式參考站名參考站號觀測單元號流動站名流動站號觀測值時段號數據文件名接收機名稱及編號天線類型及編號采樣間隔開始記錄時間hmin結束記錄時間hmin天線高測定天線高測定方法及略圖點位略圖測前：測后：測定值________________m修正值________________m天線高________________m平均值________________m時間（UTC）跟蹤衛(wèi)星號（PRN）及信噪比緯度°'

"經度°'

"大地高mPDOP記事§10.5GPS數據處理10.5.1基線解算1．觀測值的處理GPS基線向量表示了各測站間的一種位置關系，即測站與測站間的坐標增量。GPS基線向量與常規(guī)測量中的基線是有區(qū)別的，常規(guī)測量中的基線只有長度屬性，而GPS基線向量則具有長度、水平方位和垂直方位等三項屬性。GPS基線向量是GPS同步觀測的直接結果，也是進行GPS網平差，獲取最終點位的觀測值。若在某一歷元中，對k顆衛(wèi)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(wèi)星的總數為l則整周未知數的數量為l-1。在進行基線解算時，電離層延遲和對流層延遲一般并不作為未知參數，而是通過模型改正或差分處理等方法將它們消除。因此，基線解算時一般只有兩類參數，一類是測站的坐標參數，數量為3；另一類是整周未知數參數（m為同步觀測的衛(wèi)星數），數量為。2.基線解算基線解算的過程實際上主要是一個平差的過程，平差所采用的觀測值主要是雙差觀測值。在基線解算時，平差要分三個階段進行，第一階段進行初始平差，解算出整周未知數參數的和基線向量的實數解（浮動解）；在第二階段，將整周未知數固定成整數；在第三階段，將確定了的整周未知數作為已知值，僅將待定的測站坐標作為未知參數，再次進行平差解算，解求出基線向量的最終解-整數解（固定解）。（1）初始平差根據雙差觀測值的觀測方程（需要進行線性化），組成誤差方程后，然后組成法方程后，求解待定的未知參數其精度信息，其結果為：待定參數：待定參數的協(xié)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，但由于觀測值誤差、隨機模型和函數模型不完善等原因，使得其結果為實數，因此，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）整周未知數的確定第二節(jié)已提及，此處不再詳述。（3）確定基線向量的固定解當確定了整周未知數的整數值后，與之相對應的基線向量就是基線向量的整數解。10.5.2基線解算的分類1．單基線解算（1）定義當有臺GPS接收機進行了一個時段的同步觀測后，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，至于這條獨立基線如何選取，只要保證所選的條獨立基線不構成閉合環(huán)就可以了。這也是說，凡是構成了閉合環(huán)的同步基線是函數相關的，同步觀測所獲得的獨立基線雖然不具有函數相關的特性，但它們卻是誤差相關的，實際上所有的同步觀測基線間都是誤差相關的。所謂單基線解算，就是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）特點單基線解算的算法簡單，但由于其解算結果無法反映同步基線間的誤差相關的特性，不利于后面的網平差處理，一般只用在較低級別GPS網的測量中。2．多基線解算（1）定義與單基線解算不同的是，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并解算。（2）特點多基線解由于在基線解算時顧及了同步觀測基線間的誤差相關特性，因此，在理論上是嚴密的。10.5.3基線解算的質量控制1．質量控制指標（1）單位權方差因子1）定義其中：為觀測值的殘差；為觀測值的權；為觀測值的總數。2）實質單位權方差因子又稱為參考因子。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原始觀測值的質量。數據刪除率越高，說明觀測值的質量越差。3．RATIO值1）定義顯然，2）實質 反映了所確定出的整周未知數參數的可靠性，這一指標取決于多種因素，既與觀測值的質量有關，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(xié)因數陣的跡（）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，當基線位置確定后，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(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，它不受觀測值質量好壞的影響。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質量，觀測值質量越好，越小，反之，觀測值質量越差，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。依照數理統(tǒng)計的理論觀測值誤差落在1.96倍RMS的范圍內的概率是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。由于同步觀測基線間具有一定的內在聯系，從而使得同步環(huán)閉合差在理論上應總是為0的，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，但反過來，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量不合格，要確定出哪些基線向量的質量不合格，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果，就是所謂重復基線。這些觀測結果之間的差異，就是重復基線較差。總結、和這幾個質量指標只具有某種相對意義，它們數值的高低不能絕對的說明基線質量的高低。若偏大，則說明觀測值質量較差，若值較大，則說明觀測條件較差。10.5.4GPS基線向量網平差1.網平差的分類GPS網平差的類型有多種，根據平差所進行的坐標空間，可將GPS網平差分為三維平差和二維平差，根據平差時所采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坐標。GPS網的三維平差，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。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余的起算數據。約束平差：平差時所采用的觀測值完全是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：平差時所采用的觀測值除了GPS觀測值以外，還采用了地面常規(guī)觀測值，這些地面常規(guī)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基線向量網要進行GPS網平差，首先必須提取基線向量，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：1）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；2）所選取的基線應構成閉合的幾何圖形；3）選取質量好的基線向量，基線質量的好壞，可以依據、、、同步環(huán)閉和差、異步環(huán)閉和差和重復基線較差來判定；4）選取能構成邊數較少的異步環(huán)的基線向量；5）選取邊長較短的基線向量。（2）三維無約束平差在構成了GPS基線向量網后，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：1）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(fā)現含有粗差的基線，需要進行相應的處理，必須使得最后用于構網的所有基線向量均滿足質量要求。2）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/聯合平差在進行完三維無約束平差后，需要進行約束平差或聯合平差，平差可根據需要在三維空間進行或二維空間中進行。約束平差的具體步驟是：1）指定進行平差的基準和坐標系統(tǒng)。2）指定起算數據。3）檢驗約束條件的質量。4）進行平差解算。3．質量分析與控制在這一步，進行GPS網質量的評定，在評定時可以采用下面的指標：基線向量的改正數。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。若在進行質量評定時，發(fā)現有質量問題，需要根據具體情況進行處理，如果發(fā)現構成GPS網的基線中含有粗差，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)現個別起算數據有質量問題，則應該放棄有質量問題的起算數據。10.5.5GPS數據處理過程每一個廠商所生產的接收機都會配備相應的數據處理軟件，它們在使用方法都會有各自不同的特點，但是，無論是那種軟件，它們在使用步驟上卻是大體相同的。GPS基線解算的過程是：1．原始觀測數據的讀入在進行基線解算時，首先需要讀取原始的GPS觀測值數據。一般說來，各接收機廠商隨接收機一起提供的數據處理軟件都可以直接處理從接收機中傳輸出來的GPS原始觀測值數據，而由第三方所開發(fā)的數據處理軟件則不一定能對各接收機的原始觀測數據進行處理，要處理這些數據，首先需要進行格式轉換。目前，最常用的格式是RINEX格式，對于按此種格式存儲的數據，大部分的數據處理軟件都能直接處理。2．外業(yè)輸入數據的檢查與修改在讀入了GPS觀測值數據后，就需要對觀測數據進行必要的檢查，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)操作時的誤操作。3．基線解算的控制參數基線解算的控制參數用以確定數據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是基線解算時的一個非常重要的環(huán)節(jié)，通過控制參數的設定，可以實現基線的精化處理。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．基線質量的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，還必須對基線的質量進行檢驗，只有質量合格的基線才能用于后續(xù)的數據處理，如果不合格，則需要對基線進行重新解算或重新測量?；€的質量檢驗需要通過、、、同步環(huán)閉和差、異步環(huán)閉和差和重復基線較差來進行。6．平差進行精度評定，得到各測站平差后坐標。7．成果轉化根據實際生產需要，轉化為當地坐標，一般商用軟件均有該功能。8．結束10.5.6目前國際上著名的高精度GPS分析軟件有：瑞士Bernese大學的Bernese軟件，美國MIT的GAMIT/GLOBK軟件，德國GFZ的EPOS.P.V3,美國JPL的GIPSY軟件等。這些軟件對高精度的GPS數據處理主要分為兩個主要方面：一是對GPS原始數據進行處理獲得同步觀測網的基線解；二是對各同步網解進行整體平差和分析，獲得GPS網的整體解。在GPS網的平差分析方面，Bernese、EPOS和GIPSY軟件主要是采用法方程疊加的方法，即：首先將各同步觀測網自由基準的法方程矩陣進行疊加，然后再對平差系統(tǒng)給予確定的基準，獲得最終的平差結果。GLOBK軟件則是采用卡爾曼濾波的模型，對GAMIT的同步網解進行整體處理。國內著名的GPS網平差軟件有：原武漢測繪科技大學研制的GPSADJ，PowerAdj系列平差處理軟件及同濟大學研制的TGPPS靜態(tài)定位后處理軟件?！?0.6昆明市連續(xù)運行GPS參考站系統(tǒng)10.6.1立項背景城市數字化和數字城市是現代化城市的發(fā)展趨勢，城市空間數據基礎設施是數字城市的基礎，昆明市連續(xù)運行GPS參考站系統(tǒng)是昆明市城市空間數據基礎設施的重要組成部分。該系統(tǒng)的基本任務是建成一個由若干連續(xù)運行的GPS參考站組成的參考站系統(tǒng)，實時獲取參考站帶有時間標記的位置信息，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坐標和GPS測量數據，以滿足各種不同行業(yè)、不同用戶對精密定位、快速和實時定位、導航的需要，滿足城市規(guī)劃、國土測繪、地籍管理、城鄉(xiāng)建設、環(huán)境監(jiān)測、災害監(jiān)測、安全監(jiān)測，交通管理等多種現代信息化管理的社會需要，它將在數字昆明的建設和昆明市的城市規(guī)劃、建設、管理中發(fā)揮巨大的作用。昆明市是一個發(fā)展變化迅速的城市，每天都要進行大量的城市規(guī)劃、建設、工程施工等工作，這些工作的進行都需要以測繪作為基礎，特別是測量控制點的坐標。但是以靜態(tài)測量構成的靜態(tài)測量控制點來作為城市規(guī)劃、建設的基礎設施，已不能適應現代化城市發(fā)展的要求，這表現在：1）由于城市變化日益加快，道路頻繁翻新、改造、擴建，埋石的測量控制點約70%的被破壞,嚴重制約了為城市規(guī)劃、建設、管理和為領導決策提供基礎信息資料的工作。GPS參考站系統(tǒng)的建設作為永久控制網的基準點，實現從傳統(tǒng)的地面控制飛躍到無控制網系統(tǒng)，不受城市建設等因素的影響，能夠準確實時快速提供控制點。2）目前維持城市規(guī)劃、建設和管理基準的經典靜態(tài)控制點是一次測量結果，作為城市長期的定位基準，從動態(tài)變化觀點來說，它不能反映城市受環(huán)境變遷、災害侵蝕、人工開發(fā)而引起的變化，而起到動態(tài)基準的作用。從滿足城市高精度工程及現代化建設的需求來說，也必須建立長期的、連續(xù)運行的GPS參考站系統(tǒng)作為動態(tài)監(jiān)測基準，及時反映城市空間信息多種動態(tài)變化，為地區(qū)工程變形、災害監(jiān)測、大氣狀態(tài)監(jiān)測等提供科學的動態(tài)基礎。3）城市GIS是城市現代管理和建設的必要手段，數據是GIS的血液，需要不斷地實時更新、補充。目前很多部門只注重GIS系統(tǒng)的建立，卻忽視了GIS數據的動態(tài)更新，GIS如果沒有動態(tài)更新地理信息，用它來輔助決策將會產生錯誤的結果，會給城市規(guī)劃與建設造成危害，GPS參考站系統(tǒng)的建立，將能夠實時地、動態(tài)地更新地理信息，為昆明市的各行各業(yè)的專業(yè)信息系統(tǒng)提供準確及時的定位信息服務，為政府的正確決策提供有效、可靠的保障。10.6.2系統(tǒng)設計1．總體目標21世紀是一個信息化時代，城市信息化、數字化已成為迫切需要。目前全國各地政府都非常重視社會信息化的建設，全球乃至國內都在積極開展GPS城市參考站系統(tǒng)的建設，它是空間數據的一項重要基礎設施，可滿足不同行業(yè)用戶的需求，具有降低成本、縮短作業(yè)時間、提高測量效率和定位精度等優(yōu)勢。針對云南省昆明市區(qū)及周邊的地理環(huán)境、應用的實際需求進行客觀、科學設計，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(qū)縣，面積約6000平方公里。整個系統(tǒng)由GPS硬件（接收機與扼流圈天線）、參考站管理、控制與計算軟件、數據通訊系統(tǒng)、供電系統(tǒng)以及避雷設施等組成。系統(tǒng)的基本目標是能夠連續(xù)不斷地對各參考站進行數據采集，并監(jiān)測GPS衛(wèi)星原始觀測數據及其質量，數據采樣率達20Hz，它不僅適合于高精度平面及高程測量等測繪工作，而且也可應用于導航、形變監(jiān)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(jiān)測等領域。昆明市連續(xù)運行GPS參考站系統(tǒng)建成后，將為昆明市提供一個高精度三維動態(tài)測量基準，建立一個無控制點的電子測量控制網，為城市規(guī)劃及工程建設提供各種精度的實時常規(guī)和網絡RTK/DGPS或非實時的定位服務，也為市政管理、園林綠化、土地管理、基礎地理信息更新，提供快速測量手段，同時也能為其他部門提供服務。因此它將是一個綜合性定位服務系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備多種通訊手段，包括無線電數據鏈、電話固網、GSM流動通訊網以及NTRIP(InternetRTK)方式用于發(fā)布實時的GPS衛(wèi)星觀測改正數據給各類用戶，可快速、可靠地達到毫米級至厘米級的定位效果。而且，此系統(tǒng)已考慮將來可擴展性的因素，可方便地配合其它軟件及設備以增強整個系統(tǒng)的效能，達到綜合性服務的目標。2．技術設計依據由于GPS參考站系統(tǒng)的建設，目前沒有相應的建設規(guī)范，該系統(tǒng)的建設參照國家的有關技術規(guī)范和行業(yè)標準以及一些國際現行通用標準來進行科學技術設計。有關GPS測量部分將參照國家技監(jiān)局、測繪局制定的測繪規(guī)范或規(guī)定，數據中心機房建設參照有關電子計算機機房建設的國家標準，站址和墩標施工參照國家土建施工建筑行業(yè)規(guī)范以及IGS跟蹤站的相關技術要求，通信部分參照國家通信線路施工的有關規(guī)范，系統(tǒng)設備的防雷和電涌防護參照國家信息產業(yè)部制定的相關標準。主要有以下一些規(guī)范和標準：名稱編號發(fā)布單位《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》GB/T18314-2001國家技術監(jiān)督局《差分全球定位系統(tǒng)（DGPS）技術要求》GB/T17424-1998國家技術監(jiān)督局《測繪技術設計規(guī)定》CH/T1004-1999國家測繪局《測繪技術總結編寫規(guī)定》CH1001-1991國家測繪局《城市測量規(guī)范》CJJ8-99中華人民共和國建設部《IGSSiteGuidelines》2004Apil14IGSCentralBureau/JPL《混凝土結構設計規(guī)范》GBJ10-89中華人民共和國建設部《電子計算機機房設計規(guī)范》GB50174-93國家技術監(jiān)督局、建設部《通信局（站）雷電過電壓保護工程設計規(guī)范》YD/T5098-2001中華人民共和國信息產業(yè)部《建筑物防雷設計規(guī)范》，2000年修訂版GB50057-94中華人民共和國建設部《計算機信息系統(tǒng)防雷保安器》CA173-1998中國公安部《工程測量規(guī)范》GB50026-93中華人民共和國建設部10.6.3參考站系統(tǒng)的建設1．參考站選址和建網原則在選擇GPS參考站站址的時候，需要考慮衛(wèi)星可用性，是否存在潛在干擾源等因素，盡量選在有利于GPS衛(wèi)星信號接收的地方，另外，應遵循以下一些基本原則：（1）站址基礎堅實穩(wěn)定，避開地質構造不穩(wěn)定的區(qū)域；（2）遠離周邊一些易于產生多路徑信號源的地方，如高大建筑物，金屬物體反射面，樹林，水域等，一般距離應不小于100m；（3）站址10度以上高度角天空無障礙物；（4）站址應遠離電磁信號干擾源，如微波站，無線電發(fā)射臺，高壓線和雷擊區(qū)等，一般距離應不小于100m；（5）站址應便于接入市電、通訊線路，且穩(wěn)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；（6）便于管理和維護，保證設備安全。同時在擬建站址處進行連續(xù)兩天48小時GPS觀測，以考察是否會存在有較強的多路徑、電磁等干擾以及網解和區(qū)域模型效果等問題。系統(tǒng)建網基本原則有以下幾點：（1）昆明市連續(xù)運行GPS參考站系統(tǒng)在滿足系統(tǒng)技術要求的條件下以最少的參考站數量實現最大的覆蓋服務區(qū)域；（2）符合GPS參考站建站的基本要求；（3）有利于工程總體目標的實現及系統(tǒng)分期建設。2．參考站選址測試為了確保昆明市連續(xù)運行GPS參考站系統(tǒng)滿足實際工作的應用，昆明市勘察測繪研究院使用徠卡GPS530雙頻RTK接收機對選擇的參考站進行實測，以考察網設計是否合理，參考站網軟件是否能夠對所測數據進行解算（參考站的分布見圖10-9）。野外觀測采用靜態(tài)方式，參考站站址觀測時段為兩天（48小時）。同時為模擬實時RTK測量效果，在參考站網的覆蓋的最弱區(qū)域，靜態(tài)觀測10~1