实用工测20全球卫星定位测量

实 用 工 程 测 量 实 用 工 程 测 量 20.1 概 述 所 谓 全 球 卫 星 定 位 测 量 ， 就 是 指 利 用 空 间 飞 行 的 卫 星 来 实 现 地面 点 位 的 测 定 。 目 前 正 在 运 行 的 全 球 卫 星 定 位 位 系 统 有 美 国 的 G PS和 俄 罗 斯 的 G LONASS。 正 在 建 设 中 的 欧 盟 G ALILEO， 还 未 投 入使 用 。 全 球 卫 星 定 定 位 系 统 ， 一 般 指 美 国 的 G PS。 G PS具 有 全 球 性、 全 天 候 、 连 续 的 三 维 定 位 、 导 航 、 测 速 和 授 时 能 力 ， 广 泛 应 用 于航 空 航 天 、 海 陆 空 三 军 导 航 、 地 球 物 理 、 大 地 测 量 、 交 通 管 理 以 及城 镇 建 设 等 各 个 领 域 ， 并 已 渗 透 到 人 们 的 日 常 工 作 、 学 习 和 生 活 之中 。 1957年 10月 世 界 上 第 一 颗 人 造 地 球 卫 星 发 射 成 功 ， 使 空 间 科 学技 术 的 发 展 ， 迅 速 跨 入 一 个 崭 新 的 时 代 。 人 造 地 球 卫 星 的 出 现 ， 首先 引 起 各 国 军 事 部 门 的 高 度 重 视 。 1958年 底 ， 美 国 海 军 武 器 实 验 室着 手 建 立 为 美 国 军 舰 导 航 服 务 的 卫 星 系 统 ， 即 海 军 导 航 卫 星 系 统 （Navy Navigation Satellite System NNSS） ， NNSS系 统 中 ， 卫 星 轨 道 都 通 过 地 极 ， 故 也 称 “ 子 午 （ Transit） 卫 星 系 统 ” ， 1964年 该 系统 建 成 。 但 是 系 统 卫 星 数 目 较 少 （ 5 6颗 ） ， 运 行 高 度 较 低 （ 平 均约 1000km） ， 因 此 无 法 提 提 供 连 续 地 实 时 三 维 导 航 。 实 用 工 程 测 量 为 了 满 足 军 事 部 门 和 民 用 部 门 ， 对 连 续 实 时 三 维 导 航 的 迫 切 要求 ， 1973年 美 国 防 部 组 织 海 陆 空 三 军 ， 共 同 研 究 建 立 新 代 卫 星 导航 系 统 ， 即 目 前 所 称 的 “ 授 时 与 测 距 导 航 系 统 /全 球 定 位 系 统 ” （Navigation Satellite Timing and Ranging/G lobal Positioning System NAVSTAR/G PS） ， 通 常 简 称 为 全 球 定 位 系 统 （ G PS）。 G PS具 有 高 精 度 连 续 实 时 三 维 导 航 能 力 ， 并 有 良 好 的 抗 干 拢 性， 因 此 G PS大 大 超 过 NNSS。 G PS的 主 要 特 点 是 ： (1)全 球 全 天 候 实 时 定 位 。 G PS卫 星 数 目 多 ， 分 布 合 理 ， 所 以地 球 上 任 何 地 点 都 可 以 连 续 同 步 观 测 到 至 少 4颗 卫 星 ， 从 而 保 证 了全 球 、 全 天 候 、 实 时 三 维 定 位 定 位 。 (2)自 动 化 程 度 高 。 用 G PS接 收 机 测 量 时 ， 只 要 将 天 线 精 确 安置 在 测 站 上 ， 主 机 可 安 放 在 测 站 不 远 处 ， 也 可 放 在 室 内 ， 通 过 专 用 的 通 讯 线 和 天 线 连 接 ， 接 通 电 源 ， 启 动 接 收 机 ， 仪 器 就 自 动 开始 工 作 。 结 束 测 量 时 ， 仅 需 关 闭 电 源 ， 取 下 接 收 机 ， 便 完 成 野 外数 据 采 集 任 务 。 实 用 工 程 测 量 (3)观 测 速 度 快 ， 精 度 高 。 目 前 ， 20km以 内 相 对 静 态 定 位 仅 需15 20分 钟 。 G PS相 对 定 位 精 度 可 达 10-6， 100 500km可 达 10-7。 在 300 1500m工 程 精 密 定 位 中 ， 观 测 1小 时 以 上 ， 解 算 平 面 位置 误 差 小 于 1mm。 (4)应 用 领 域 非 常 广 泛 。 由 于 G PS提 供 精 确 的 位 置 、 速 度 和 时 间信 息 ， 对 现 代 战 争 成 败 至 关 重 要 ， 极 大 改 变 了 未 来 战 争 的 作 战 方式 。 在 导 航 方 面 ， G PS不 仅 供 用 于 海 上 、 空 中 和 陆 地 运 动 目 标 的导 航 ， 而 且 可 对 运 动 目 标 实 施 监 控 、 管 理 和 救 援 。 实 时 监 视 和 修正 航 行 路 ， 可 以 保 障 运 动 物 体 沿 预 定 航 线 运 行 ， 并 可 选 择 最 佳 航线 。 在 地 球 物 理 方 面 ， 精 确 测 定 地 球 板 块 的 位 移 和 运 动 速 速 率 ，预 测 地 震 灾 害 提 供 重 要 数 据 。 在 测 绘 方 面 ， 目 前 G PS己 成 大 地 测量 测 定 控 点 的 主 要 方 法 ， 在 工 程 测 量 以 及 城 市 测 绘 己 广 泛 采 用G PS先 进 的 定 位 技 术 。 在 交 通 运 输 方 面 ， 实 施 运 输 监 控 、 调 度 管 理 、 事 故 处 理 和 紧 急 救 援 都 起 到 非 常 重 要 作 用 。 随 着 G PS定 位 技术 的 发 展 ， 应 用 领 域 还 会 不 断 拓 宽 。 实 用 工 程 测 量 空 间 部 分由 24颗 GPS卫 星 组 成 地 面 监 控 系 统由 监 测 站 、 主 控 站 、 注 入 站 组 成用 户 部 分由 GPS接 收 机 组 成监 测 站注 入 站 主 控 站 20. 2 实 用 工 程 测 量 地 球 上 任 何 地 方 至 少 同 时 可 看 到 四 颗 卫 星 。 其 发 射 信 号 能 覆 盖 地 面 面 积38%。 卫 星 在 轨 道 的 任 何 位 置 ， 对 地 面 的 距 离 和 波 束 覆 盖 面 积 基 本 不 变 。 在 波束 覆 盖 区 域 内 ， 用 户 接 收 到 的 卫 星 信 号 强 度 近 似 相 等 。 这 对 提 高 定 位 精 度 十分 有 利 。 在 全 球 任 何 地 方 、 任 何 恶 劣 的 气 候 条 件 下 ， 为 用 户 提 供 二 十 四 小 时不 间 断 的 免 费 服 务 。 卫 星 高 度 ： 20200公 里运 行 周 期 ： 11小 时 58分卫 星 分 布 在 六 条 升 交 点 相 隔 60的 轨 道 面 上 ， 轨 道 倾 角 为 55每 条 轨 道 上 分 布 四 颗 卫 星 ， 相 临 两 轨 道 上 的 卫 星 相 隔 40 实 用 工 程 测 量 实 用 工 程 测 量 1个 主 控 站 3个 注 入 站 5个 监 测 站 太 平 洋印 度 洋大 西 洋 实 用 工 程 测 量 实 用 工 程 测 量 实 用 工 程 测 量 实 用 工 程 测 量 =用 户 部 分 观 测 和 记 录 由 若 干 卫 星 发 送 的 数 据 ,并 运用 数 学 方 法 求 得 三 维 空 间 位 置 以 及 时 间 和 速 度 实 用 工 程 测 量 实 用 工 程 测 量 TOPCON产 品 实 用 工 程 测 量 实 用 工 程 测 量 Leica GPS接 收 机 实 用 工 程 测 量 南 方 仪 器 厂 实 用 工 程 测 量 实 用 工 程 测 量 实 用 工 程 测 量 20.3.1 GPS卫 星 信 号 的 组 成1.载 波 信 号 L1载 波 ， 波 长 =19.03cm， 频 率 f1=1575.42MHZ L2载 波 ， 波 长 =24.42cm， 频 率 f2=1227.6OMHZ。2.测 距 码 C/A码 （ 粗 码 /捕 获 码 ） ： 调 制 在 L1载 波 上 。 结 构 公 开 ，不 同 的 卫 星 有 不 同 的 C/A码 。 P码 （ 精 码 ） ： 调 制 在 L 1和 L2载 波 上 。3.数 据 码 （ D码 ） （ 导 航 电 文 ） 提 供 有 关 卫 星 位 置 ， 卫 星 钟 的 性 能 、 发 射 机 的 状 态 等 数据 和 信 息 。 用 户 利 用 观 测 值 以 及 这 些 信 息 和 数 据 就 能 进 行 导航 和 定 位 。 实 用 工 程 测 量 20.3.2 GPS的 常 用 坐 标 系WGS-84世 界 大 地 坐 标 系 ： 原 点 是 地 球 的 质 心 Z轴 指 向 国 际 时 间 局BIH1984.0定 义 的 协 议 地 球 北极 （ CTP） 方 向 X轴 指 向 BIH1984.0的 零 子午 面 和 CTP相 对 应 的 赤 道 的 交点 Y轴 垂 直 于 ZOX平 面 且 与 Z、 X轴 构 成 右 手 坐 标 系 协 议 地 球 北 极 CTP ZWGS-84 Y WGS-84X WGS-84国际时间局(BIH)定义的零子午圈 O 地球质心协议地 赤 道球 实 用 工 程 测 量 20.3.3 GPS定 位 原 理 实 用 工 程 测 量 实 用 工 程 测 量 20.3.4 伪 距 测 量 与 载 波 相 位 测 量1.伪 距 测 量 实 用 工 程 测 量 G PS采 用 的 单 程 测 距 原 理 ， 它 不 同 于 电 磁 波 测 距 仪 中 的双 程 测 距 。 这 就 要 求 卫 星 时 钟 与 接 收 机 时 钟 要 严 格 同 步 。 但实 际 上 ， 两 者 难 于 严 格 同 步 ， 因 此 存 在 不 同 步 误 差 ， 另 外 ，测 距 码 在 大 气 中 传 播 还 受 到 大 气 电 离 层 折 射 及 大 气 对 流 层 的影 响 ， 产 生 延 迟 误 差 。 因 此 ， 测 距 码 所 求 得 距 离 值 并 非 真 正的 站 星 几 何 距 离 ， 习 惯 上 称 其 为 “ 伪 距 ” 。 由 于 卫 星 钟 差 、 电 离 层 折 射 和 大 气 对 流 的 影 响 ， 可 以 通过 导 航 电 文 中 所 给 的 有 关 参 数 加 以 修 正 ， 而 接 收 机 的 钟 差 却难 以 预 先 准 确 地 确 定 ， 所 以 把 接 收 机 的 钟 差 当 作 一 个 未 知 数， 与 测 站 坐 标 一 起 解 算 。 这 样 ， 在 一 个 观 测 站 上 要 解 出 4个未 知 参 数 ， 即 3个 点 位 坐 标 分 量 和 1个 钟 差 参 数 ， 所 以 至 少 同时 观 测 4颗 卫 星 。 实 用 工 程 测 量 实 用 工 程 测 量 2.载 波 相 位 测 量 实 用 工 程 测 量 20.3.5 GPS定 位 方 法 实 用 工 程 测 量 实 用 工 程 测 量 S S S S1 2 3 4 实 用 工 程 测 量 5、 实 时 动 态 定 位 测 量 实 时 动 态 定 位 测 量 ， 即 GPS RTK测 量 技 术 （ 其 中 RTK为实 时 动 态 的 意 思 ， 英 文 是 Real Time Kinematic） 。 GPS RTK测 量 技 术 原 理 ： 在 两 台 GPS接 收 机 之 间 增 加 一 套 无 线 通 信 系 统 （ 又 称数 据 链 ） ， 将 两 台 或 多 台 相 对 独 立 的 GPS接 收 机 联 成 有 机的 整 体 。 基 准 站 （ 安 置 在 己 知 点 上 的 GPS接 收 机 ） 通 过 电 台 将 观测 信 息 、 测 站 数 据 传 输 给 流 动 站 （ 运 动 中 的 的 GPS接 收 机） ， 流 动 站 将 基 准 站 传 来 的 载 波 观 测 信 号 与 流 动 站 本 身 观测 的 载 波 观 测 信 号 进 行 差 分 处 理 ， 从 而 解 算 出 两 站 间 的 基线 向 量 。 若 事 先 输 入 相 应 的 坐 标 转 换 参 数 和 投 影 参 数 ， 即可 实 时 得 到 流 动 站 伪 三 维 坐 标 及 其 精 度 。 实 用 工 程 测 量 基 准 站接 收 机 GPS信 号基 准 站 观 测 数 据无 线 通信 设 备 流 动 站实 时 解 算 两 点 之 间 基 线实 时 解 算 流 动 站 WGS-84坐 标转 换 为 当 地 基 准 坐 标(我 国 为 国 家 大 地 坐 标系 C80或 P54) 接 收 机无 线 通信 设 备基 准 站观 测 信 号 流 动 站观 测 信 号基 准 站 流 动 站 实 用 工 程 测 量 20.4.1 G PS控 制 网 的 技 术 设 计 1.充 分 考 虑 建 立 控 制 网 的 应 用 范 围 根 据 工 程 的 近 期 、 中 长 期 的 需 求 确 定 控 制 网 的 范 围 。 2.采 用 的 布 网 方 案 及 网 形 设 计 适 当 地 分 级 布 设 G PS网 顾 及 测 站 选 址 、 仪 器 设 备 装 置 与 后 勤 交 通 保 障 等 因 素 设 计 各 观 测 时 段 的 时 间 及 接 收 机 的 搬 站 顺 序 G PS网 一 般 由 一 个 或 若 干 个 独 立 观 测 环 组 成 ， 也 可 采 用路 线 形 式 。 实 用 工 程 测 量 3.G PS测 量 的 精 度 标 准 国 家 测 绘 局 1992年 制 订 的 我 国 第 一 部 “ G PS测 量 规 范 ” 将G PS的 测 量 精 度 分 为 A E五 级 ， 以 适 应 于 不 同 范 围 、 不 同 用途 要 求 的 G PS工 程 。 4.坐 标 系 统 与 起 算 数 据 在 G PS网 的 技 术 设 计 中 ， 必 须 说 明 G PS网 的 成 果 所 采 用 的 坐标 系 统 和 起 算 数 据 。 空 间 相 似 变 换 求 得 七 个 待 定 系 数 ： 3个 平 移 参 数 、 3个 旋 转 参数 和 1个 缩 放 参 数 。5.G PS点 的 高 程 G PS测 定 的 高 程 是 WG S-84坐 标 系 中 的 大 地 高 ， 与 我 国 采 用 的1985年 黄 海 国 家 高 程 基 准 正 常 高 之 间 也 需 要 进 行 转 换 。 为 了 得到 G PS点 的 正 常 高 ， 应 使 一 定 数 量 的 G PS点 与 水 准 点 重 合 ， 或 者对 部 分 G PS点 联 测 水 准 。 若 需 要 进 行 水 准 联 测 ， 则 在 进 行 G PS布点 时 应 对 此 加 以 考 虑 。 实 用 工 程 测 量 20.4.2 选 点 与 建 立 点 位 标 志 选 定 G PS点 点 位 时 ， 应 遵 守 以 下 的 几 点 原 则 ： 1.周 围 应 便 于 安 置 接 收 设 备 ， 便 于 操 作 ， 视 野 开 阔 ， 视 场内 周 围 障 碍 物 的 高 度 角 一 般 应 小 于 15 ； 2.远 离 大 功 率 无 线 电 发 射 源 （ 如 电 视 台 、 微 波 站 等 ） ， 其距 离 不 小 于 400m； 远 离 高 压 输 电 线 ， 其 距 离 不 小 于 200m； 3.点 位 附 近 不 应 有 强 烈 干 扰 卫 星 信 号 接 收 的 物 体 ， 并 尽 量避 开 大 面 积 水 域 ； 4.交 通 方 便 ， 有 利 于 其 它 测 量 手 段 扩 展 和 联 测 ； 5.地 面 基 础 稳 定 ， 易 于 点 的 保 存 为 了 较 长 期 地 保 存 点 位 ， G PS控 制 点 一 般 应 设 置 具 有 中 心标 志 的 标 石 ， 精 确 地 标 志 点 位 ， 点 的 标 石 和 标 志 必 须 稳 定 、 坚固 。 最 后 ， 应 绘 制 点 之 记 、 测 站 环 视 图 和 G PS 网 图 、 作 为 提 交 的 选 点 技 术 资 料 。 实 用 工 程 测 量 20.4.3 G PS外 业 观 测 1.G PS观 测 准 备 工 作 (1)G PS接 收 仪 的 一 般 性 检 视主 要 检 查 接 收 机 给 部 件 是 否 齐 全 、 完 好 ， 紧 固 部 件 是 否 松 动 与 脱 落 ， 设 备 的 使 用手 册 及 资 料 是 否 齐 全 等 。 (2)通 电 检 验 检 验 的 主 要 项 目 包 括 ： 设 备 通 电 后 有 关 信 号 灯 、 按 键 、 显 示 系 统 和 仪 表 工 作情 况 ， 以 及 自 测 试 系 统 工 作 情 况 。 当 自 测 试 正 常 后 ， 按 操 作 步 骤 进 行 卫 星 捕 获 与跟 踪 ， 以 检 验 其 工 作 情 况 。 (3)试 测 检 验 主 要 是 检 验 接 收 机 精 度 及 其 稳 定 性 。 两 台 G PS接 收 机 所 测 的 基 线 长 与 标 准值 比 较 ， 以 确 定 接 收 机 的 精 度 和 稳 定 性 。 实 用 工 程 测 量 (4)编 制 G PS卫 星 可 见 性 预 报 及 观 测 时 段 的 选 择 G PS定 位 精 度 与 观 测 卫 星 的 几 何 图 形 有 密 切 关 系 。 卫 星 几 何图 形 的 强 度 越 好 ， 定 位 精 度 越 高 。 从 测 观 测 站 观 测 卫 星 的 高 度 角越 小 ， 卫 星 分 布 范 围 越 大 ， 则 几 何 精 度 因 子 G DOP值 越 小 ， 定 位精 度 越 高 ， 一 般 要 求 G DOP值 小 于 6。 因 此 ， 观 测 前 要 编 制 卫 星 可见 性 预 报 ， 选 择 最 佳 观 测 时 段 ， 拟 定 观 测 计 划 。 一 般 G PS接 收 机 的 商 用 数 据 处 理 系 统 都 带 有 卫 星 可 见 预 报 软件 。 使 用 软 件 时 ， 需 在 当 前 子 目 录 下 存 有 前 期 观 测 卫 星 星 历 文 件； 调 入 预 报 软 件 后 ， 输 入 预 计 观 测 站 的 概 略 坐 标 、 预 计 观 测 日 期和 观 测 卫 星 的 高 度 的 截 止 角 （ 例 如 10 或 15 ） 。 软 件 首 先 读 取前 期 卫 星 星 历 文 件 的 卫 星 日 程 表 （ 即 含 有 所 有 G PS卫 星 的 概 略 星历 ） ， 软 件 按 预 计 观 测 日 期 计 算 卫 星 位 置 ， 再 利 用 测 站 坐 标 计 算卫 星 高 度 角 ， 选 取 高 度 角 大 于 高 度 的 截 止 角 的 所 有 卫 星 进 行 预 报， 按 时 间 顺 序 列 出 所 有 可 见 卫 星 信 息 。 根 据 卫 星 的 几 何 精 度 G DOP的 变 化 情 况 ， 可 以 选 择 最 佳 时 间 段。 进 一 步 安 排 观 测 卫 作 的 进 程 表 及 接 收 机 的 调 度 计 划 。 实 用 工 程 测 量 2.观 测 工 作 观 测 工 作 包 括 ： 天 线 安 置 ， G PS接 收 仪 安 置 与 操 作 ， 气象 参 数 测 定 ， 测 站 记 录 等 。 （ 1） 天 线 安 置 天 线 的 精 确 安 置 是 实 现 精 密 定 位 的 前 提 条 件 之 一 。 一 般 情况 下 ， 天 线 应 尽 量 利 用 三 脚 架 安 置 在 标 志 中 心 的 垂 线 方 向 上， 直 接 对 中 ； 天 线 的 圆 水 准 泡 必 须 居 中 ； 天 线 定 向 标 志 线 应指 向 正 北 。 天 线 安 置 后 ， 应 在 各 观 测 时 段 的 前 后 各 量 取 天 线 高 一 次。 两 次 量 高 取 平 均 值 作 为 最 后 天 线 高 。 (2)安 置 G PS接 收 仪 在 离 天 线 的 适 当 位 置 的 地 面 上 安 放 接 收 仪 ， 用 电 缆 把 接收 仪 与 电 源 、 天 线 及 控 制 器 连 接 好 ， 确 认 无 无 误 后 ， 打 开 电 源 开 关 ， 进 行 预 热 和 静 置 。 实 用 工 程 测 量 (3)开 机 观 测 观 测 的 主 要 任 务 ， 是 捕 获 G PS卫 星 信 号 并 对 其 进 行 跟 踪 、 接 收 和 处 理信 号 ， 以 获 取 所 需 的 定 位 观 测 数 据 。 其 主 要 步 骤 如 下 ： (a)开 机 后 检 查 各 指 示 灯 与 仪 表 显 示 是 否 正 常 ， 若 正 常 开 始 自 测 试 。 (b)按 测 量 功 能 键 ， 接 收 机 开 始 搜 索 卫 星 ， 输 入 测 站 参 数 ， 等 待 开 测命 令 。 (c)按 测 量 键 开 始 同 步 观 测 ， 并 注 意 有 关 信 息 。 按 测 量 键 显 示 测 站 的 地 理 坐 标 、 累 计 数 据 采 集 时 间 、 PDOP值 、 可 视卫 星 和 锁 定 卫 星 的 数 量 。 观 测 过 程 中 ， 通 过 显 示 屏 随 时 了 解 作 业 进 程 。 (4)观 测 记 录 与 测 量 手 簿 观 测 记 录 由 G PS接 收 机 自 动 形 成 ， 自 动 记 录 在 存 储 介 质 （ 如 PCMCIA卡 等 ） 上 ， 其 内 容 有 G PS卫 星 星 历 及 卫 星 钟 差 参 数 、 伪 距 观 测 值 等 。 至于 测 站 的 信 息 ， 包 括 测 站 点 点 号 、 时 段 号 、 天 线 高 等 ， 通 常 是 由 观 测 人员 手 工 输 入 接 收 机 。 测 量 手 簿 在 观 测 过 程 中 由 观 测 人 员 填 写 ， 不 得 测 后 补 记 。 手 簿 的 内 容还 包 括 天 气 状 况 、 气 象 元 素 、 观 测 人 员 等 内 容 。 实 用 工 程 测 量 20.4.4 成 果 检 核 与 数 据 处 理 1.将 观 测 数 据 下 载 到 计 算 机 中 ， 并 计 算 GPS基 线 向 量 ， 基线 向 量 的 解 算 软 件 一 般 采 用 仪 器 厂 家 提 供 的 软 件 。 2.对 解 算 成 果 进 行 检 核 ， 常 见 的 有 同 步 环 和 异 步 环 的 检 测。 根 据 规 范 要 求 的 精 度 ， 剔 除 误 差 大 的 数 据 ， 必 要 时 还 需 要 进行 重 测 。 3.将 基 线 向 量 组 网 进 行 平 差 了 。 平 差 软 件 可 以 采 用 仪 器 厂家 提 供 的 软 件 ， 也 可 以 采 用 通 用 数 据 格 式 的 第 三 方 软 件 或 自 编软 件 。 4.通 过 平 差 计 算 ， 最 终 得 到 各 观 测 点 在 指 定 坐 标 系 中 的 坐标 ， 并 对 坐 标 值 的 精 度 进 行 评 定 。