測繪畢業(yè)設(shè)計--rtk技術(shù)在施工測量中的控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計說明書</b></p><p><b>　　土木工程系</b></p><p>　　2010年6月18日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本次設(shè)計的題目RTK技術(shù)在施工測量中的控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計。</

2、p><p>　　近年來由于GPS系統(tǒng)進一步穩(wěn)定和完善,計算機技術(shù)和其他相應(yīng)學(xué)科的迅猛發(fā)展,GPS技術(shù)也隨之愈來愈穩(wěn)定成熟,該項技術(shù)優(yōu)點日益凸現(xiàn),其在測繪精度、速度和經(jīng)濟效益方面都大大優(yōu)于目前的常規(guī)測量技術(shù)手段,已成為工程測量的主要方法。對于級別高的控制測量由相對靜態(tài)定位技術(shù)完成，應(yīng)用RTK技術(shù)進行實時定位可達到厘米級的精度,很多生產(chǎn)單位已把RTK技術(shù)作為低等級測量的主要手段。在具體的實踐生產(chǎn)過程中,由于受傳統(tǒng)控制思路

3、,以及現(xiàn)行規(guī)范不匹配的影響,相應(yīng)資料較少,導(dǎo)致基于RTK的GPS控制網(wǎng)效益還沒有達到最優(yōu)化?？刂凭W(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計是實施測量的基礎(chǔ)性工作，它是在網(wǎng)的精確性、可靠性和經(jīng)濟性方面,尋求控制網(wǎng)設(shè)計的最佳方案。以實際設(shè)計效率高而且耗費少為原則。在能保證實測網(wǎng)質(zhì)量要求的前提下以最經(jīng)濟為原則，這就要合理地確定重復(fù)設(shè)站率以及具體地分配網(wǎng)點上的重復(fù)設(shè)站次數(shù)，找出針對不同工程提出最適合工程的控制網(wǎng)優(yōu)化方案。</p><p>　　關(guān)鍵詞：

4、RTK;控制網(wǎng)；優(yōu)化設(shè)計；數(shù)據(jù)處理；控制測量；</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The design of the subject construction technology in the measurement of the gps-rtk control network optimization design.<

5、/p><p>　　In recent years, due to stabilize and improve the GPS system, computer technology and other related disciplines, GPS technology rapid development of more mature, stable and the technical advantages, th

6、e protruding in surveying and mapping accuracy, speed and economic benefit are much better than the conventional measure current technology, has become a major method of engineering surveying. For high level of control m

7、easure relative static positioning technology, application of RTK technology re</p><p>　　Key words： RTK;Control net；Optimization design；The data processing；Control measure；</p><p><b>　　目

8、 錄</b></p><p>　　第 1 章 緒論- 1 -</p><p>　　1.1前言- 1 -</p><p>　　1.1.1GPS與控制網(wǎng)概述- 1 -</p><p>　　1.1.2國內(nèi)外現(xiàn)狀- 2 -</p><p>　　1.1.3課題研究的目標和意義- 4 -</p>

9、;<p>　　1.2課題研究的主要內(nèi)容- 5 -</p><p>　　第 2 章 控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計概述- 6 -</p><p>　　2.1控制網(wǎng)布設(shè)優(yōu)化基本概念- 6 -</p><p>　　2.2 RTK的控制網(wǎng)布設(shè)優(yōu)化- 7 -</p><p>　　第 3 章 全球定位系統(tǒng)與控制網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計- 10 -<

10、/p><p>　　3.1全球定位系統(tǒng)- 10 -</p><p>　　3.1.1GPS組成與定位原理- 10 -</p><p>　　3.1.2基本觀測量及其誤差分析- 13 -</p><p>　　3.1.3GPS定位分類- 16 -</p><p>　　3.1.4 GPS測量數(shù)據(jù)處理- 17 -</p&

11、gt;<p>　　3.1.5 GPS的應(yīng)用- 19 -</p><p>　　3.2 工程控制網(wǎng)的測設(shè)- 21 -</p><p>　　3.2.1工程控制網(wǎng)的分類與作用- 21 -</p><p>　　3.2.2 控制網(wǎng)布設(shè)形式- 21 -</p><p>　　3.2.3工程控制網(wǎng)的基準與建立方法- 25 -</p

12、><p>　　3.2.4平面坐標系的選擇與確定- 26 -</p><p>　　3.2.5工程控制網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計、選點與埋石- 29 -</p><p>　　3.3工程控制網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理- 31 -</p><p>　　3.3.1GPS野外數(shù)據(jù)采集- 31 -</p><p>　　3.3.2GPS工程控制網(wǎng)的平差與轉(zhuǎn)換

13、- 32 -</p><p>　　3.4工程控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計- 38 -</p><p>　　3.4.1控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計內(nèi)容- 38 -</p><p>　　3.4.2 具體案例分析- 40 -</p><p>　　3.4.3控制網(wǎng)優(yōu)化方案- 54 -</p><p>　　第 4 章 設(shè)計方案在工程實例中的

14、應(yīng)用- 57 -</p><p>　　4.1 任務(wù)來源及工作量- 57 -</p><p>　　4.2 測區(qū)概況- 58 -</p><p>　　4.3 布網(wǎng)方案- 59 -</p><p>　　4.3.1 技術(shù)設(shè)計的依據(jù)與基準設(shè)計- 59 -</p><p>　　4.3.2 方案設(shè)計的技術(shù)分析- 60 -

15、</p><p>　　4.3.3 GPS網(wǎng)的設(shè)計及施測方法- 60 -</p><p>　　4.3.4 方案比較- 64 -</p><p>　　4.3.5 所選方案的精度分析- 66 -</p><p>　　4.4 選點與埋標- 68 -</p><p>　　4.4.1 選點- 68 -</p>

16、<p>　　4.4.2 標志埋設(shè)- 69 -</p><p>　　4.5 外業(yè)觀測- 70 -</p><p>　　4.5.1 外業(yè)作業(yè)原則- 70 -</p><p>　　4.5.2 觀測時段的選擇- 70 -</p><p>　　4.5.3 外業(yè)作業(yè)方案- 72 -</p><p>　　4

17、.5.4 觀測工作的主要技術(shù)指標- 74 -</p><p>　　4.6 數(shù)據(jù)處理- 74 -</p><p>　　4.6.1 粗加工- 74 -</p><p>　　4.6.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理- 75 -</p><p>　　4.7 結(jié)束語- 77 -</p><p>　　第 5 章 結(jié)論與展望- 78 -

18、</p><p>　　5.1 總結(jié)- 78 -</p><p>　　5.2 進一步需要研究的工作- 78 -</p><p>　　致 謝- 80 -</p><p>　　參考文獻- 81 -</p><p>　　附 錄- 83 -</p><p>　　外文資料及譯文- 8

19、6 -</p><p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計 任 務(wù) 書- 102 -</p><p>　　設(shè)計（研究）進度計劃表- 105 -</p><p><b>　　第 1 章 緒論</b></p><p><b>　　1.1前言</b></p><p>　　1.1.1GPS與控

20、制網(wǎng)概述</p><p>　　全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，簡稱GPS），又稱全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，是一個中距離圓型軌道衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。它可以為地球表面絕大部分地區(qū)（98%）提供準確的定位、測速和高精度的時間標準。系統(tǒng)由美國國防部研制和維護，可滿足位于全球任何地方或近地空間的軍事用戶連續(xù)精確的確定三維位置、三維運動和時間的需要。該系統(tǒng)包括太空中的24顆GPS衛(wèi)星；地面上的1個主控站、

21、3個數(shù)據(jù)注入站和5個監(jiān)測站及作為用戶端的GPS接收機。最少只需其中3顆衛(wèi)星，就能迅速確定用戶端在地球上所處的位置及海拔高度；所能收聯(lián)接到的衛(wèi)星數(shù)越多，解碼出來的位置就越精確。</p><p>　　該系統(tǒng)由美國政府于20世紀70年代開始進行研制并于1994年全面建成。使用者只需擁有GPS接收機即可使用該服務(wù)，無需另外付費。GPS信號分為民用的標準定位服務(wù)（SPS，Standard Positioning Servi

22、ce）和軍規(guī)的精確定位服務(wù)（PPS，Precise Positioning Service）兩類。由于SPS無須任何授權(quán)即可任意使用，原本美國因為擔心敵對國家或組織會利用SPS對美國發(fā)動攻擊，故在民用訊號中人為地加入誤差(即SA政策，Selective Availability)以降低其精確度，使其最終定位精確度大概在100米左右；軍規(guī)的精度在十米以下。2000年以后，克林頓政府決定取消對民用訊號的干擾。因此，現(xiàn)在民用GPS也可以達到十

23、米左右的定位精度。</p><p>　　GPS定位技術(shù)的高度自動化及其所達到的高精度，也引起了廣大測量工作者的極大興趣。全球定位系統(tǒng)（GPS）在應(yīng)用基礎(chǔ)的研究、新應(yīng)用領(lǐng)域的開拓、軟件和硬件的開發(fā)等方面都取得了迅速發(fā)展。當初，設(shè)計GPS系統(tǒng)的主要目的是應(yīng)用于導(dǎo)航、收集情報等軍事目的。但是，后來的應(yīng)用開發(fā)表明，GPS系統(tǒng)不僅可以到達上述的目的，而且用GPS衛(wèi)星發(fā)來的導(dǎo)航定位信號能夠進行厘米級甚至毫米級的精度的靜待相對

24、定位，米級至亞米級精度的動態(tài)定位，亞米級至厘米級精度的速度測量和毫米級的時間測量。因此，GPS系統(tǒng)展現(xiàn)了及其廣闊的應(yīng)用前景。</p><p>　　大地控制網(wǎng)簡稱“大地網(wǎng)”，是水平控制網(wǎng)與高程控制網(wǎng)的總稱。水平控制圖用三角測量和導(dǎo)線測量建立，配合天文測量、重力測量、高程測量，并歸算到參考橢球面上，以推算出各大地點的大地坐標，作為平面位置的基本控制。高程控制網(wǎng)用水準測量建立，結(jié)合天文測量、重力測量，推算出各水準點的高

25、程，作為高程的基本控制，簡稱為“水準網(wǎng)”。GPS定位技術(shù)以其精度高、速度快、費用省、操作簡便等優(yōu)良特性被廣泛應(yīng)用于大地控制測量中 。時至今日，可以說GPS定位技術(shù)已完全取代了用常規(guī)測角、測距手段建立大地控制網(wǎng)。 我們一般將應(yīng)用GPS衛(wèi)星定位技術(shù)建立的控制網(wǎng)叫GPS網(wǎng)。歸納起來大致可以將GPS網(wǎng)分為兩大類：</p><p>　　一類是全球或全國性的高精度GPS網(wǎng)，這類GPS網(wǎng)中相鄰點的距離在數(shù)千公里至上萬公里， 其

26、主要任務(wù)是做為全球高精度坐標框架或全國高精度坐標框架，為全球性地球動力學(xué)和空間科學(xué)方面的科學(xué)研究工作服務(wù)，或用以研究地區(qū)性的板塊運動或地殼形變規(guī)律等問題。</p><p>　　另一類是區(qū)域性的 GPS網(wǎng)，包括城市或礦區(qū)GPS網(wǎng)，GPS工程網(wǎng)等，這類網(wǎng)中的相鄰點間的距離為幾公里至 幾十公里，其主要任務(wù)是直接為國民經(jīng)濟建設(shè)服務(wù)。</p><p>　　1.1.2國內(nèi)外現(xiàn)狀</p>

27、<p>　　GPS作為新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)，不僅具有全球性、全天候、連續(xù)的精密三維導(dǎo)航與定位功能，而且具有良好的抗干擾性和保密性。因此，發(fā)展全球定位系統(tǒng)（GPS）已經(jīng)成為各國導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)代化的標志。全球定位系統(tǒng)（GPS）的迅速發(fā)展，引起了各國軍事部門和廣大民用部門的普遍關(guān)注。</p><p>　　全球四大衛(wèi)星定位系統(tǒng):</p><p>　　美國GPS：由美國國防部于20世紀7

28、0年代初開始設(shè)計、研制，于1993年全部建成。1994年，美國宣布在10年內(nèi)向全世界免費提供GPS使用權(quán)，但美國只向外國提供低精度的衛(wèi)星信號。據(jù)信該系統(tǒng)有美國設(shè)置的“后門”，一旦發(fā)生戰(zhàn)爭，美國可以關(guān)閉對某地區(qū)的信息服務(wù)。歐盟“伽利略”：1999年，歐洲提出計劃，準備發(fā)射30顆衛(wèi)星，組成“伽利略”衛(wèi)星定位系統(tǒng)。今年該計劃正式啟動。俄羅斯“格洛納斯”：尚未部署完畢。始于上世紀70年代，需要至少18顆衛(wèi)星才能確保覆蓋俄羅斯全境；如要提供全球定

29、位服務(wù)，則需要24顆衛(wèi)星。中國“北斗”：2003年我國北斗一號建成并開通運行，不同于GPS，“北斗”的指揮機和終端之間可以雙向交流。去年5月12日四川大地震發(fā)生后，北京武警指揮中心和四川武警部隊運用“北斗”進行了上百次交流。北斗二號系列衛(wèi)星今年起將進入組網(wǎng)高峰期，預(yù)計在2015年形成由三十幾顆衛(wèi)星組成的覆蓋全球的系統(tǒng)。</p><p>　　在衛(wèi)星與地面站之間信號的傳送方式上，美國GPS的衛(wèi)星信號上傳和控制部分均

30、處于同一個波段，而伽利略全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)則有3個波段分別傳送，因此可使地面系統(tǒng)在任何時候都可以同任何一個衛(wèi)星進行信號傳遞。此外，美國GPS只有28顆衛(wèi)星，而伽利略全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)由30顆衛(wèi)星組成，因此全球覆蓋面更廣，并且衛(wèi)星定位的精度也比GPS提高了10倍以上，可以達到1至3米左右。 現(xiàn)在大家所熟悉的美國GPS由于在建立之初是應(yīng)用于軍事，因此對民用領(lǐng)域有許多限制。例如目前GPS的精度雖然可以達到10米以內(nèi)，但美國考慮到本國的利益

31、，對國際上開放的民用精度只有30米，而且可在任何時間以任何借口中斷服務(wù)。伽利略計劃的實施，將結(jié)束美國GPS在世界上的壟斷局面。據(jù)了解，從現(xiàn)在到2005年，伽利略計劃將完成衛(wèi)星和地面組成設(shè)備的研發(fā)和仿真測試工作；在2006年至2008年，將發(fā)射衛(wèi)星，并進行地面臺站的安裝調(diào)試。2008年，伽利略全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)將正式投入商業(yè)運行。伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)特許經(jīng)營說明會,日前在北京舉行。本次會議的主要目的是向中國各界全面推介伽利略系統(tǒng)特許運營的

32、概念,為伽利略系統(tǒng)在中國的運營準備條件。包括歐洲</p><p>　　作為大地測量的科研任務(wù)是研究地球 的形狀及其隨時間的變化，因此建立全球覆蓋的坐標系統(tǒng)一的高精度大地 控制網(wǎng)是大地測量工作者多年來一直夢寐以求的。直到空 間技術(shù)和射電天文技術(shù)高度發(fā)達，才得以建立跨洲際的全球大地網(wǎng)，但由于VLBI、SLR 技術(shù)的設(shè)備昂貴且非常笨重，因此在全球也只有少數(shù)高精度大地點，直到GPS技術(shù)逐步 完善的今天才使全球覆蓋的高精度

33、GPS網(wǎng)得以實現(xiàn)，從而建立起了高精度的（在1-2CM） 全球統(tǒng)一的動態(tài)坐標框架，為大地測量的科學(xué)研究及相關(guān)地學(xué)研究打下了堅實的基礎(chǔ)。</p><p>　　1991年國際大地測量協(xié)會（LAG）決定在全球范圍內(nèi)建立一個IGS（國際GPS地球動力學(xué)服務(wù)） 觀測網(wǎng)，并于1992年6-9月間實施了第一期會戰(zhàn)聯(lián)測，我國借此機會由多家單位合作，在全國范圍內(nèi) 組織了一次盛況空前的“中國‘92 GPS會戰(zhàn)”，目的是在全國范圍內(nèi)確定

34、精確的地心 坐標，建立起我國新一代的地心參考框架及其與國家坐標系的轉(zhuǎn)換參數(shù)；以優(yōu)于10-8量 級的相對精度確定站間基線向量，布設(shè)成國家高精度衛(wèi)星大地網(wǎng)的骨架，并奠定地殼運動及地球動力學(xué)研究的基礎(chǔ)。</p><p>　　作為我國高精度坐標框架的補充以及為滿足國家建設(shè)的需要，在國家A級網(wǎng)的基礎(chǔ)上建立了國家 B級網(wǎng)（又稱國家高精度GPS網(wǎng)）。布測工作從1991年開始，經(jīng)過5年 努力完成外業(yè)工作，內(nèi)業(yè)計算已基本完成，不日

35、將公布使用。全網(wǎng)基本均勻布點，覆蓋 全國，共布測730個點左右，總獨立基線數(shù)2200多條，平均邊長在我國東部地區(qū)為50km，中部地區(qū)為 100km，西部地區(qū)為150km，經(jīng)整體平差后，點位地心坐標精度達±0.1m，GPS基線邊長 相對中誤差可達 2.0*10e-8，高程分量相對中誤差為3.0*10e-8。</p><p>　　新布成的國家A、B級網(wǎng)已成為我國現(xiàn)代大地測量和基礎(chǔ)測繪的基本框架，將在國民經(jīng)濟

36、建設(shè)中 發(fā)揮越來越重要的作用。國家A、B級網(wǎng)以其特有的高精度把我國傳統(tǒng)天文大地網(wǎng)進行了 全面改善和加強，從而克服了傳統(tǒng)天文大地網(wǎng)的精度不均勻 ，系統(tǒng)誤差較大等傳統(tǒng)測量手段 不可避免的缺點。通過求定A、B級GPS網(wǎng)與天文大地網(wǎng)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，建立起了地心 參考框架和我國國家坐標的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而使國家大地點的服務(wù)應(yīng)用領(lǐng)域更寬廣。 利用A、B級GPS網(wǎng)的高精度三維大地坐標，并結(jié)合高精度水準聯(lián)測，從而大大提高了確定我國大地水準面的精度，特別

37、是克服我國西部大地水準面存在較大系統(tǒng)誤差的缺陷。 </p><p>　　區(qū)域GPS網(wǎng)是指國家C、D、E級GPS網(wǎng)或?qū)楣こ添椖坎紲y的工程GPS網(wǎng)。這類網(wǎng)的特點 是控制區(qū)域有限（或一個市或一個地區(qū)），邊長短（一般從幾百米到20KM），觀測時間短 （從快速靜態(tài)定位的幾分鐘至一兩個小時）。由于GPS定位的高精度、快速度、省費用 等優(yōu)點，建立區(qū)域大地控制網(wǎng)的手段我國已基本被GPS技術(shù)所取代。就其作用而言分為建立新的地面控

38、制網(wǎng)；檢核和改善已有地面網(wǎng)；對已有的地面網(wǎng)進行加密；擬合區(qū)域大地水準面。</p><p>　　1.1.3課題研究的目標和意義</p><p>　　本課題研究的目標：以實際設(shè)計效率高而且耗費少為原則。在能保證實測網(wǎng)質(zhì)量要求的前提下以最經(jīng)濟為原則，這就要合理地確定重復(fù)設(shè)站率以及具體地分配網(wǎng)點上的重復(fù)設(shè)站次數(shù)，找出針對不同工程提出最適合工程的控制網(wǎng)優(yōu)化方案。</p><p&g

39、t;　　GPS控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計是實施GPS測量的基礎(chǔ)性工作，它是在網(wǎng)的精確性、可靠性和經(jīng)濟性方面,尋求GPS控制網(wǎng)設(shè)計的最佳方案。 所謂優(yōu)化設(shè)計就是在復(fù)雜的科研和工程問題中，從所存在的許多可能決策中選擇最好決策的一門科學(xué)。在現(xiàn)代特種精密工程測量中，反負有重大責(zé)任的測量工作，都需要首先進行控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計?？刂凭W(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計的目的即質(zhì)量標準要求，一般體現(xiàn)在以下幾方面：</p><p>　　滿足控制網(wǎng)的必要精度標準；&

40、lt;/p><p>　　滿足控制網(wǎng)有多的多余觀測，以控制觀測值中粗差影響的可靠性標準；</p><p>　　滿足控制網(wǎng)有充分控制觀測值中系統(tǒng)誤差影響的可測定性標準；</p><p>　　變形監(jiān)測網(wǎng)應(yīng)滿足監(jiān)測出微小位移的靈敏度標準；</p><p>　　造標及觀測等應(yīng)滿足一定的費用標準。</p><p>　　總之，控制網(wǎng)的優(yōu)

41、化設(shè)計必須有以定量形式表達的關(guān)于精度、可靠性、可測定性、靈敏度以及費用等各類數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　1.2課題研究的主要內(nèi)容</p><p>　　本課題主要是研究討論了RTK技術(shù)在施工測量中控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計，GPS作為新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)，不僅具有全球性、全天候、連續(xù)的精密三維導(dǎo)航與定位功能，而且具有良好的抗干擾性和保密性。 近年來由于GPS系統(tǒng)進一步穩(wěn)定和完善,計算機技術(shù)和其

42、他相應(yīng)學(xué)科的迅猛發(fā)展,GPS技術(shù)也隨之愈來愈穩(wěn)定成熟,該項技術(shù)優(yōu)點日益凸現(xiàn),其在測繪精度、速度和經(jīng)濟效益方面都大大優(yōu)于目前的常規(guī)測量技術(shù)手段,已成為工程測量的主要方法。對于級別高的控制測量由相對靜態(tài)定位技術(shù)完成,而隨著RTK接收機價格的合理性,應(yīng)用RTK技術(shù)進行實時定位可達到厘米級的精度,很多生產(chǎn)單位已把RTK技術(shù)作為低等級測量的主要手段。在具體的實踐生產(chǎn)過程中,由于受傳統(tǒng)控制思路,以及現(xiàn)行規(guī)范不匹配的影響,相應(yīng)資料較少,導(dǎo)致基于RTK

43、的GPS控制網(wǎng)效益還沒有達到最優(yōu)化。還存在如網(wǎng)形的布設(shè)形式、提高精度的方法、衡量精度指標等問題尚需要研究。在論文第1章，主要是介紹了國內(nèi)外對課題的研究現(xiàn)狀；在論文第2章，提出本課題的研究目標；在論文第3章，主要是介紹控制網(wǎng)的布設(shè)并提出自己的控制網(wǎng)優(yōu)化方案；在論文第4章，根據(jù)本人在論文中提出的優(yōu)化方案應(yīng)用于具體的工程實例，</p><p>　　第 2 章 控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計概述</p><p>

44、;　　2.1控制網(wǎng)布設(shè)優(yōu)化基本概念</p><p>　　工程控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的作用,是使所求解的控制網(wǎng)的圖形和觀測綱要在高精度、高可靠性及低成本意義上為最優(yōu)?？刂凭W(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計指標包括精度、可靠性和經(jīng)濟費用指標。精度指標一般通過精度約束函數(shù)來滿足?？煽啃苑譃閮?nèi)部可靠性和外部可靠性,常用的指標有:觀測量的多余觀測分量、可發(fā)現(xiàn)粗差的能力等。這些指標均對某些特定的條件有顯著作用。根據(jù)工程控制網(wǎng)的特點,其可靠性指標可用平均可

45、靠率來表示:</p><p><b>　　（2-1-1）</b></p><p>　　式中,r為多余觀測數(shù),n為總觀測數(shù)?？刂凭W(wǎng)的費用標準一般可用下式表示</p><p>　　S=∑CP （2-1-2）</p><p>　　式中C稱為費用系數(shù),它是目前優(yōu)化設(shè)計中最難確

46、定的參數(shù),也是數(shù)學(xué)優(yōu)化設(shè)計方法中有待進一步研究的課題。P為觀測值的權(quán)。通常,用觀測次數(shù)的多寡來表征同一量綱觀測量精的費用,可用線性函數(shù)表示,而補充或刪除一個觀測量與增減重復(fù)觀測次數(shù)的費用之間的函數(shù)關(guān)系則較難確定.?？刂凭W(wǎng)最終的優(yōu)化結(jié)果,是各個階段優(yōu)化設(shè)計的總和。因此,在各個階段的優(yōu)化設(shè)計上不必強求同時滿足精度、可靠性和費用指標,而最后的優(yōu)化設(shè)計結(jié)果中達到這三指標便可。因此,首先利用控制網(wǎng)的完全觀測圖形,在一定的平均可靠率和精度約束下,解

47、算最佳的觀測圖形,然后在此圖形設(shè)計的基礎(chǔ)上求解滿足精度約束條件、費用最省的觀測方案,這樣,分兩步將控制網(wǎng)圖形與觀測綱要優(yōu)化設(shè)計用解析法直接求解。 </p><p>　　網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計方法有解析法和模擬法兩種。解析法是基于優(yōu)化設(shè)計理論構(gòu)造目標函數(shù)和約束條件，解求目標函數(shù)的極大值或極小值。一般將網(wǎng)的質(zhì)量指標作為目標函數(shù)或約束條件。網(wǎng)的質(zhì)量指標主要有精度、可靠性和建網(wǎng)費用，對于變形監(jiān)測網(wǎng)還包括網(wǎng)的靈敏度或可區(qū)分性。對

48、于網(wǎng)的平差模型而言，按固定參數(shù)和待定參數(shù)的不同，網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計又分為零類、一類、二類和三類優(yōu)化設(shè)計，涉及到網(wǎng)的基準設(shè)計，網(wǎng)形、觀測值精度以及觀測方案的設(shè)計。</p><p>　　零類設(shè)計是控制網(wǎng)參考系或基準的設(shè)計問題,它包括數(shù)據(jù)處理的方法和坐標系的選擇,不同用途的控制網(wǎng)選擇不同的數(shù)據(jù)處理方法。 </p><p>　　一類設(shè)計是控制網(wǎng)的網(wǎng)形設(shè)計問題,是在預(yù)定測量精度的前提下,確定最佳的點

49、位概略坐標和聯(lián)系方式?？刂泣c的設(shè)計位置,主要受工程的需要及地形和設(shè)備條件的制約,有些因素目前還很難用數(shù)學(xué)的方式表示。而控制網(wǎng)的圖形(即控制點之間的聯(lián)系方式)對網(wǎng)的圖形強度影響較大,它是一類設(shè)計的主要研究內(nèi)容。</p><p>　　二類設(shè)計是控制網(wǎng)在圖形固定的前提下,尋求最佳的精度配置,它是控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的熱點問題。</p><p>　　三類設(shè)計則是對已有控制網(wǎng)的改善,它一般要包含零類、一類

50、和二類設(shè)計。</p><p>　　在工程測量中,施工控制網(wǎng)、安裝控制網(wǎng)和變形監(jiān)測網(wǎng)都需要作優(yōu)化設(shè)計。除特別的精密控制網(wǎng)可考慮用專門編寫的解析法優(yōu)化設(shè)計程序作網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計外，其他的網(wǎng)都可用模擬法進行設(shè)計。模擬法優(yōu)化設(shè)計的 軟件功能和進行優(yōu)化設(shè)計的步驟主要是：根據(jù)設(shè)計資料和地圖資料在圖上選點布網(wǎng)，獲取網(wǎng)點近似坐標(最好將資料作數(shù)字化掃描并在微機上進行)。模擬觀測方案，根據(jù)儀器確定觀測值精度，可進一步模擬觀測值。計算網(wǎng)

51、的各種質(zhì)量指標如精度、可靠性、靈敏度。精度應(yīng)包括點位精度、相鄰點位精度、任意兩點間的相對精度、最弱點和最弱邊精度、邊長和方位角精度。進一步可計算坐標未知數(shù)的協(xié)方差陣或部分點坐標的協(xié)方差陣，協(xié)方差陣的主成份計算，特征值計算，點位誤差橢圓、置信橢圓的計算等?？煽啃园總€觀測值的多余觀測分量(內(nèi)部可靠性)和某一觀測值的粗差界限值對平差坐標的影響(外部可靠性)。靈敏度包括靈敏度橢圓、在給定變形向量下的靈敏度指標以及觀測值的靈敏度影響系數(shù)。將計

52、算出的各質(zhì)量指標與設(shè)計要求的指標比較，使之既滿足設(shè)計要求，又不致于有太大的富余。通過改變觀測值的精度或改變觀測方案(增加或減少觀測值)或局部改變網(wǎng)形(增加或減少網(wǎng)點)等方法重新作</p><p>　　2.2 RTK的控制網(wǎng)布設(shè)優(yōu)化</p><p>　　近年來由于GPS系統(tǒng)進一步穩(wěn)定和完善,計算機技術(shù)和其他相應(yīng)學(xué)科的迅猛發(fā)展,GPS技術(shù)也隨之愈來愈穩(wěn)定成熟,該項技術(shù)優(yōu)點日益凸現(xiàn),其在測繪精度

53、、速度和經(jīng)濟效益方面都大大優(yōu)于目前的常規(guī)測量技術(shù)手段,已成為工程測量的主要方法。對于級別高的控制測量由相對靜態(tài)定位技術(shù)完成,而隨著RTK接收機價格的合理性,應(yīng)用RTK技術(shù)進行實時定位可達到厘米級的精度,很多生產(chǎn)單位已把RTK技術(shù)作為低等級測量的主要手段。在具體的實踐生產(chǎn)過程中,由于受傳統(tǒng)控制思路,以及現(xiàn)行規(guī)范不匹配的影響,相應(yīng)資料較少,導(dǎo)致基于RTK的GPS控制網(wǎng)效益還沒有達到最優(yōu)化。還存在如網(wǎng)形的布設(shè)形式、提高精度的方法、衡量精度指標

54、等問題尚需要研究。</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的進步和人類社會的發(fā)展，工程結(jié)構(gòu)愈來愈復(fù)雜，其施工建設(shè)對測量的精度要求亦越來越高。對于建筑施工而言，普通工程測量的測量精度多在厘米級水平，采用常規(guī)測量手段和方法就可滿足工程施工要求；而精密工程測量則要求在毫米乃至毫米以下，若采用常規(guī)測量手段和方法則難以達到精度要求。事實上，精密工程測量一直是工程測量界關(guān)注的對象，因為精密工程測量代表著工程測量學(xué)的發(fā)展方向，是促進

55、工程測量學(xué)科發(fā)展的動力。精密工程測量是指絕對測量精度達到毫米量級，相對測量精度達到10um，在特殊條件下，采用先進的儀器設(shè)備和技術(shù)手段進行的一種特殊的工程測量工作。精密工程控制網(wǎng)的作用是在工程施工前（設(shè)計階段）、施工中（施工階段）以及施工后（竣工運營階段）的各個不同的階段對被測量（放樣）點、線和面提供可靠的測量基準。</p><p><b>　　1）控制網(wǎng)的布設(shè)</b></p>

56、<p>　　精密工程測量控制網(wǎng)在許多方面有別于國家大地測量和常規(guī)工程測量控制網(wǎng)。首先表現(xiàn)在控制網(wǎng)的設(shè)計上，必須先進行網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計?？紤]到后期變形測量的需要，控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計通常要同時涉及到精度、可靠性和靈敏度指標設(shè)計。設(shè)計中，要求盡可能地進行多余觀測，以增強網(wǎng)的內(nèi)部可靠性（增加觀測值多余觀測分量），有利于觀測值粗差定位和方差分量估計。對于采用GPS布網(wǎng)，就要求對網(wǎng)作精心布設(shè)，注意地面觀測條件，并且采用精密星歷解算基線。對于精

57、密工程來說，盡量不采用單純的GPS網(wǎng)，將GPS網(wǎng)與邊角網(wǎng)同時聯(lián)合解算是一個不錯的選擇，但要注意GPS網(wǎng)與地面網(wǎng)邊之間的精度匹配以及地面邊角測量精度匹配的影響，當然成本會相應(yīng)增大，這還有待實踐的進一步檢驗。</p><p>　　在實踐中工作中，按以下步驟進行優(yōu)化設(shè)計：先固定觀測值的精度，對選取的網(wǎng)點，觀測所有可能的邊和方向，計算網(wǎng)的質(zhì)量的指標，若質(zhì)量偏低，則必須提高觀測值的精度。在某一組先驗精度下，若網(wǎng)的質(zhì)量指標偏

58、高了，這時可按觀測值的內(nèi)部可靠性指標刪減觀測值，若某個觀測的多余觀分量太大，說明該觀測值顯得多余，應(yīng)刪去；若很小，則該觀測值的精度不宜增加。根據(jù)這種方案很容易得到一個最優(yōu)方案。</p><p>　　2）測量儀器和控制網(wǎng)的實施</p><p>　　目前幾乎所有精密工程測量都采用高精度的全站儀（1-2mm+1-2ppm）和各種高精度GPS接收機，以及高精度水準儀（0.5-1.0mm/km），為

59、控制網(wǎng)的實施提供技術(shù)保障。值得重視的是，所有的儀器設(shè)備和設(shè)施，在測量前均應(yīng)進行所有項目的鑒定檢核，以便于在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中進行各項必要的改正。如全站儀的測角內(nèi)外符合精度，邊長的加乘常數(shù)和周期誤差，水準儀的i角誤差和透鏡運行誤差，GPS的相位偏心誤差等。</p><p>　　原則上所有的測量控制點均應(yīng)不受變形因素影響,通常埋設(shè)至基巖層，以確保點位穩(wěn)固，用鋼筋混泥土現(xiàn)場澆鑄，并采用強制歸心裝置，以消除對中誤差。作業(yè)要

60、求至少按工程測量規(guī)范二等要求施測。長度和水準需進行必要的往返觀測，借以減弱其綜合觀測誤差。此外，照準誤差不能忽視，根據(jù)我們的經(jīng)驗，多數(shù)粗差的產(chǎn)生往往是照準上出現(xiàn)問題。與常規(guī)控制不同的另一方面，需要定期對網(wǎng)進行檢測，以考察所埋設(shè)的有可能發(fā)生變動的控制點是否穩(wěn)定。</p><p><b>　　內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理</b></p><p>　　精密工程控制網(wǎng)涉及的數(shù)據(jù)處理內(nèi)容較多，

61、相對其它較復(fù)雜一些，概括起來分三個部分。一是坐標系和投影面的選擇。多數(shù)情況一般采用地方獨立坐標系，若考慮到今后的需要，還應(yīng)和國家控制網(wǎng)進行聯(lián)測。選擇地方獨立坐標系主要是有利于施工放樣的方便，為了反映網(wǎng)的內(nèi)部實際精度而不受起始點誤差的影響，也經(jīng)常選擇一個已知點和一個已知方向來作為網(wǎng)的起算數(shù)據(jù)。二是數(shù)據(jù)的預(yù)處理，邊角網(wǎng)涉及的數(shù)據(jù)預(yù)處理項目有：數(shù)據(jù)整理，方向投影改化，邊長常數(shù)及周期誤差改正、傾斜改正和投影改化，閉合差驗算等。水準測量包括數(shù)據(jù)整

62、理，尺長改正、水準面不平行改正，閉合差驗算等。三是網(wǎng)的平差，由于觀測值涉及到多個不同類型和來源，通常采用按方差分量估計進行定權(quán)平差。</p><p>　　方差和協(xié)方差分量估計實質(zhì)上是精化平差的隨機模型，或者說更為準確地知道模型參數(shù)的隨機性質(zhì)，這是平差理論上的要求。過去我們經(jīng)常忽略它，取代的是我們的經(jīng)驗，這對精度要求不高的控制網(wǎng)來說是允許的。但對精密工程控制網(wǎng)來說必須對多種觀測量進行綜合處理，這可從后面的實例和參考

63、文獻得到應(yīng)證。因此，方差分量估計已成為精密工程測量平差的必備內(nèi)容。</p><p>　　計算過程中，我們還應(yīng)密切注意觀測值改正數(shù)的變化。對于較大的改正數(shù)要采取措施，較好的辦法是用巴爾達的數(shù)據(jù)探測法對觀測值進行處理，其作法是每次只對一個較大的改正數(shù)（如大于3.5倍的中誤差）所對應(yīng)的觀測值進行處理，直到所有的改正數(shù)均小于某一個閥值。穩(wěn)健估計法雖具有抵抗多個粗差影響的優(yōu)點，但不易對多個粗差同時進行定位和定值。</

64、p><p>　　第 3 章 全球定位系統(tǒng)與控制網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計</p><p><b>　　3.1全球定位系統(tǒng)</b></p><p>　　3.1.1GPS組成與定位原理</p><p><b>　　組成</b></p><p>　　GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)由三部分組成:空間部分—G

65、PS星座(GPS星座是由24顆衛(wèi)星組成的星座，其中21顆是工作衛(wèi)星，3顆是備份衛(wèi)星);地面控制部分—地面監(jiān)控系統(tǒng); 用戶設(shè)備部分—GPS 信號接收機。1）空間部分</p><p>　　GPS的空間部分是由24 顆工作衛(wèi)星組成,它位于距地表20 200km的上空,均勻分布在6 個軌道面上(每個軌道面4 顆) ,軌道傾角為55°。此外,還有4 顆有源備份衛(wèi)星在軌運行。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時間

66、都可觀測到4 顆以上的衛(wèi)星,并能保持良好定位解算精度的幾何圖象。這就提供了在時間上連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰?。GPS 衛(wèi)星產(chǎn)生兩組電碼, 一組稱為C/ A 碼 ;一組稱為P 碼 ,P 碼因頻率較高,不易受干擾,定位精度高,因此受美國軍方管制,并設(shè)有密碼,一般民間無法解讀,主要為美國軍方服務(wù)。C/ A 碼人為采取措施而刻意降低精度后,主要開放給民間使用。2）地面控制部分</p><p>　　地面控制部分由一個主控站,5

67、個全球監(jiān)測站和3 個地面控制站組成。監(jiān)測站均配裝有精密的銫鐘和能夠連續(xù)測量到所有可見衛(wèi)星的接受機。監(jiān)測站將取得的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù),包括電離層和氣象數(shù)據(jù),經(jīng)過初步處理后,傳送到主控站。主控站從各監(jiān)測站收集跟蹤數(shù)據(jù),計算出衛(wèi)星的軌道和時鐘參數(shù),然后將結(jié)果送到3 個地面控制站。地面控制站在每顆衛(wèi)星運行至上空時,把這些導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站指令注入到衛(wèi)星。這種注入對每顆GPS 衛(wèi)星每天一次,并在衛(wèi)星離開注入站作用范圍之前進行最后的注入。如果某地面站發(fā)生故

68、障,那么在衛(wèi)星中預(yù)存的導(dǎo)航信息還可用一段時間,但導(dǎo)航精度會逐漸降低。對于導(dǎo)航定位來說，GPS衛(wèi)星是一動態(tài)已知點。星的位置是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的星歷—描述衛(wèi)星運動及其軌道的 的參數(shù)算得的。每顆GPS衛(wèi)星所播發(fā)的星歷，是由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供的。衛(wèi)星上的各種設(shè)備是否正常 工作，以及衛(wèi)星是否一直沿著預(yù)定軌道運行，都要由地面設(shè)備進行監(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)。這就需要地面站監(jiān)測 各顆衛(wèi)星的時間，求

69、出鐘差。然后由地面注入站發(fā)給衛(wèi)星，衛(wèi)星再由導(dǎo)航電文發(fā)給用戶設(shè)備。 GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控</p><p>　　用戶設(shè)備部分即GPS 信號接收機。其主要功能是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測衛(wèi)星,并跟蹤這些衛(wèi)星的運行。當接收機捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號后,即可測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率,解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù),接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算,計算出用戶所在地理

70、位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時間等信息。接收機硬件和機內(nèi)軟件以及GPS 數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成完整的GPS 用戶設(shè)備。GPS 接收機的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩部分。接收機一般采用機內(nèi)和機外兩種直流電源。設(shè)置機內(nèi)電源的目的在于更換外電源時不中斷連續(xù)觀測。在用機外電源時機內(nèi)電池自動充電。關(guān)機后,機內(nèi)電池為RAM存儲器供電,以防止數(shù)據(jù)丟失。目前各種類型的接受機體積越來越小,重量越來越輕,便于野外觀測使用。</p><p&

71、gt;<b>　　定位原理</b></p><p><b>　　1)GPS信號介紹</b></p><p>　　GPS衛(wèi)星使用L波段的兩種載波:來發(fā)射衛(wèi)星信號。</p><p>　　L1載波：f1=154×10.23=1575.42MHz，波長為λ1=19.032cm</p><p>　　

72、L2載波：f2=120×10.23=1227.6MHz,波長為λ2=24.42cm（式中：10.23MHz為時鐘基本頻率）</p><p>　　在載波L1和L2上分別調(diào)制著測距碼和數(shù)據(jù)碼及其他導(dǎo)航定位信息，主要有：</p><p>　　(a) 粗碼C/A碼</p><p>　　C/A碼的碼長為1023位，周期為1ms，是用于粗測距和捕獲GPS衛(wèi)星信號的偽隨

73、機碼。它被調(diào)制在L1載波上，是由兩個10級反饋移位寄存器構(gòu)成的G碼產(chǎn)生的。由于每顆衛(wèi)星的C/A碼都不相同，因此，可用它們的PRN號來區(qū)分。由于C/A碼的碼長很短，易于捕獲，所以C/A碼除了作為粗測碼外，還作為GPS衛(wèi)星信號的捕獲碼，并由此過渡到捕獲P碼，它是普通用戶來測定測站點到衛(wèi)星間距離的一種主要信號，其測距精度最高達0.1m。</p><p>　　(b) 精碼P(y)碼</p><p>

74、;　　P碼是GPS衛(wèi)星的精測碼，碼率為10.23MHz。它同時被調(diào)制在L1和L2載波上，是由兩個偽隨機碼的乘積得到的，其周期為7天。因美國實施限制政策，在P碼上增加了一個極度保密的W碼，形成新的Y碼，絕對禁止一般用戶使用。</p><p><b>　　(c) 廣播星歷</b></p><p>　　廣播星歷被調(diào)制在L1載波上，信號頻率為50Hz。其主要包括：相對某一參考

75、歷元的開普勒軌道參數(shù)和必要的軌道攝動改正項參數(shù)，這些參數(shù)共有16個，其中包括：1個參考時刻，6個對應(yīng)參考時刻的開普勒軌道參數(shù)和9個反映攝動力影響的參數(shù)。這些參數(shù)由GPS衛(wèi)星發(fā)射的含有軌道信息的導(dǎo)航電文傳遞給用戶，用戶可以利用所接收到的導(dǎo)航電文來計算出某一時刻GPS衛(wèi)星在地球軌道上的位置。</p><p>　　2) GPS定位測量原理及方程</p><p>　　GPS衛(wèi)星定位測量的基本原理是

76、：利用GPS接收機在某一時刻同時接收3顆</p><p>　　?圖3-1 對4顆衛(wèi)星進行觀測</p><p>　?。ɑ?顆以上）的GPS衛(wèi)星信號，用戶利用這些信息測量出測站點至3顆（或3顆以上）GPS衛(wèi)星的距離，并計算出該時刻GPS衛(wèi)星的三維坐標，根據(jù)距離交會原理解算出測站點的三維坐標。然而，由于衛(wèi)星和接收機的時鐘誤差，因此，GPS衛(wèi)星定位測量應(yīng)至少對4顆衛(wèi)星進行觀測來進行定位計算。如圖(

77、3-1)所示可確定四個距離觀測方程。</p><p>　　[(Xi-X)2+(Yi-Y)2+(Zi-Z)2]+c×(t-ti)= （3-1-1）</p><p>　　式中：i=1、2、3、4；</p><p>　　C為GPS信號的傳播速度；</p><p>　　（Xi,Yi,Z

78、i）為衛(wèi)星的軌道坐標;</p><p>　　ti為各個衛(wèi)星的時鐘差；</p><p>　　ρi為各個衛(wèi)星到測站點接收機天線的距離；</p><p>　　待測點坐標（X,Y,Z）和接收機時鐘差t為未知數(shù)。</p><p>　　通過解算方程式求出測站點的三維坐標，從而確定測站點的位置。</p><p>　　根據(jù)多普勒效應(yīng),

79、由于衛(wèi)星在不停運動,用戶接收機接收到的衛(wèi)星信號將有一個頻移,并且頻移和距離的變化率成正比,因此如果對此頻移進行積分,就能得到在積分時間內(nèi)距離的變化量.如圖2,某顆“子午儀”衛(wèi)星從t1時刻的A點運動到t2時刻的B點,接收機根據(jù)接收到的衛(wèi)星信號頻移,就能夠計算出A點和B點到接收機的距離之差.而根據(jù)幾何知識,到任意兩點距離之差為一定值的點在一個旋轉(zhuǎn)雙曲面上,這兩個定點就是該雙曲面的焦點.而子午儀衛(wèi)星在t1和t2時刻之間從A點運動到B點,接收機

80、從衛(wèi)星接收到的星歷信息中得到A和B點的空間位置,而A點和B點到接收機的距離之差已被測出,則接收機位于以A點和B點為焦點的雙曲面上.同理,當衛(wèi)星從t2時刻的B點運動到t3時刻的C點時,接收機測出B點和C點到接收機的距離差,則接收機也應(yīng)位于B點和C點為焦點的雙曲面上.衛(wèi)星從t3時刻的C點運動到t4時刻的D點,接收機也應(yīng)位于C點和D點為焦點的雙曲面上.兩個雙曲面相交可得一條相交的曲線,多個雙曲面則可交會出接收機的空間座標,接收機的位置則被確定

81、。</p><p>　　圖3-2 “子午儀”衛(wèi)星定位原理</p><p>　　多普勒定位原理的優(yōu)點是:精度均勻、不受天氣和時間的限制,只要接收機能夠收到單顆子午衛(wèi)星上發(fā)來的無線電信號,便可在地球表面的任何地方進行單點定位或聯(lián)測定位.缺點是:由于該系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)目較少,運行高度較低,從地面站觀測到衛(wèi)星的時間間隔較長,只能提供二維斷續(xù)定位,而且精度較低,定位時間較長。</p>&l

82、t;p>　　3.1.2基本觀測量及其誤差分析</p><p><b>　　基本觀測量</b></p><p>　　GPS基本觀測量包括碼偽距觀測量、載波相位觀測量和積分多普勒觀測量。</p><p><b>　　碼偽距觀測量</b></p><p>　　GPS衛(wèi)星依據(jù)自己的時鐘發(fā)出某一結(jié)構(gòu)的測

83、距碼，該測距碼經(jīng)過t時間的傳播后到達接收機。接收機在自己的時鐘控制下產(chǎn)生一組結(jié)構(gòu)完全相同的測距碼——復(fù)制碼，并通過時延器使其延遲時間t，將這兩組測距碼進行相關(guān)處理，若自相關(guān)系數(shù)R(t，)1,則繼續(xù)調(diào)整延遲時間t，直至自相關(guān)系數(shù)R(t，)=1為止。是接收機所產(chǎn)生的復(fù)制碼與接收到的GPS衛(wèi)星測距碼完全對齊，那么其延遲時間t，即為GPS衛(wèi)星信號從衛(wèi)星傳播到接收機所用的時間t。GPS衛(wèi)星信號的傳播是一種無線電信號的傳播，其速度等于光速c，衛(wèi)星至

84、接收機的距離即為t，與c的乘積。</p><p><b>　　載波相位觀測量</b></p><p>　　利用測距碼進行偽距測量是全球定位系統(tǒng)的基本測距方法。然而由于測距碼的碼元長度較大，對于一些高精度應(yīng)用來講其測距精度還顯得過低無法滿足需要。如果觀測精度均取至測距碼波長的百分之一，則偽距測量對P碼而言量測精度為30cm，對C/A碼而言為3cm左右。而如果把載波作為量

85、測信號，由于載波的波長短，=19cm，=24cm，所以就可達到很高的精度。目前的大地型接收機的載波相位測量精度一般為1~2mm，有的精度更高。但載波信號是一種周期性的正弦信號，而相位測量又只能測定其不足一個波長的部分，因而存在著整周數(shù)不確定性的問題，使解算過程變得比較復(fù)雜。</p><p>　　在GPS信號中由于已用相位調(diào)整的方法在載波上調(diào)制了測距碼和導(dǎo)航電文，因而接收到的載波的相位已不再連續(xù)，所以在進行載波相位

86、測量以前，首先要進行解調(diào)工作，設(shè)法將調(diào)制在載波上的測距碼和衛(wèi)星電文去掉，重新獲取載波，這一工作稱為重建載波。重建載波一般可采用兩種方法，一種是碼相關(guān)法，另一種是平方法。采用前者，用戶可同時提取測距信號和衛(wèi)星電文，但用戶必須知道測距碼的結(jié)構(gòu)；采用后者，用戶無須掌握測踉碼的結(jié)構(gòu)，但只能獲得載波信號而無法獲得測距碼和衛(wèi)星電文。</p><p><b>　　誤差分析</b></p>&

87、lt;p>　　GPS測量是通過地面接收設(shè)備接收衛(wèi)星傳送來的信息，計算同一時刻地面接收設(shè)備到多顆衛(wèi)星之間的偽距離，采用空間距離后方交會方法，來確定地面點的三維坐標。因此，對于GPS衛(wèi)星、衛(wèi)星信號傳播過程和地面接收設(shè)備都會對GPS測量產(chǎn)生誤差。主要誤差來源可分為：與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差；與信號傳播有關(guān)的誤差；與接收設(shè)備有關(guān)的誤差。</p><p>　　在GPS衛(wèi)星定位測量中，影響觀測量精度的主要誤差來源一般可分

88、為三類：與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差：衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星時鐘誤差。</p><p>　　1）與衛(wèi)星有關(guān)的誤差</p><p><b>　　a） 衛(wèi)星星歷誤差</b></p><p>　　衛(wèi)星星歷誤差是指衛(wèi)星星歷給出的衛(wèi)星空間位置與衛(wèi)星實際位置間的偏差，由于衛(wèi)星空間位置是由地面監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)衛(wèi)星測軌結(jié)果計算求得的，所以又稱為衛(wèi)星軌道誤差。它是一種起始數(shù)據(jù)

89、誤差，其大小取決于衛(wèi)星跟蹤站的數(shù)量及空間分布、觀測值的數(shù)量及精度、軌道計算時所用的軌道模型及定軌軟件的完善程度等。星歷誤差是GPS 測量的重要誤差來源。</p><p><b>　　b） 衛(wèi)星鐘差</b></p><p>　　衛(wèi)星鐘差是指GPS衛(wèi)星時鐘與GPS標準時間的差別。為了保證時鐘的精度，GPS衛(wèi)星均采用高精度的原子鐘，但它們與GPS標準時之間的偏差和漂移和漂移

90、總量仍在1ms～0.1ms以內(nèi)，由此引起的等效誤差將達到300km～30km。這是一個系統(tǒng)誤差必須加于修正。</p><p>　　c) SA干擾誤差</p><p>　　SA誤差是美國軍方為了限制非特許用戶利用GPS進行高精度點定位而采用的降低系統(tǒng)精度的政策，簡稱SA政策，它包括降低廣播星歷精度的ε技術(shù)和在衛(wèi)星基本頻率上附加一隨機抖動的δ技術(shù)。實施SA技術(shù)后，SA誤差已經(jīng)成為影響GPS定

91、位誤差的最主要因素。雖然美國在2000年5月1日取消了SA，但是戰(zhàn)時或必要時，美國可能恢復(fù)或采用類似的干擾技術(shù)。</p><p>　　SA技術(shù)主要內(nèi)容是：</p><p>　　在廣播星歷中有意地加入誤差，使定位中的已知點(衛(wèi)星)的位置精度大為降低；</p><p>　　（2）有意地在衛(wèi)星鐘的鐘頻信號中加入誤差，使鐘的頻率產(chǎn)生快慢變化，導(dǎo)致測距精度大衛(wèi)降低。</

92、p><p>　　2) 與傳播途徑有關(guān)的誤差</p><p><b>　　a) 電離層折射</b></p><p>　　在地球上空距地面50～100 km 之間的電離層中，氣體分子受到太陽等天體各種射線輻射產(chǎn)生強烈電離，形成大量的自由電子和正離子。當GPS 信號通過電離層時，與其他電磁波一樣，信號的路徑要發(fā)生彎曲，傳播速度也會發(fā)生變化，從而使測量的距

93、離發(fā)生偏差，這種影響稱為電離層折射。對于電離層折射可用3 種方法來減弱它的影響：</p><p>　　利用雙頻觀測值，利用不同頻率的觀測值組合來對電離層的延尺進行改正；</p><p>　?。?）利用電離層模型加以改正；</p><p>　?。?）利用同步觀測值求差，這種方法對于短基線的效果尤為明顯。</p><p><b>　　b

94、) 對流層折射</b></p><p>　　對流層的高度為40km 以下的大氣底層，其大氣密度比電離層更大，大氣狀態(tài)也更復(fù)雜。對流層與地面接觸并從地面得到輻射熱能，其溫度隨高度的增加而降低。GPS 信號通過對流層時，也使傳播的路徑發(fā)生彎曲，從而使測量距離產(chǎn)生偏差，這種現(xiàn)象稱為對流層折射。減弱對流層折射的影響主要有3 種措施：</p><p>　　采用對流層模型加以改正，其氣象參

95、數(shù)在測站直接測定；</p><p>　　（2）引入描述對流層影響的附加待估參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中一并求得;</p><p>　?。?）利用同步觀測量求差。</p><p><b>　　c) 多路徑效應(yīng)</b></p><p>　　測站周圍的反射物所反射的衛(wèi)星信號（反射波）進入接收機天線，將和直接來自衛(wèi)星的信號（直接波） 產(chǎn)生

96、干涉，從而使觀測值偏離，產(chǎn)生所謂的“多路徑誤差”。這種由于多路徑的信號傳播所引起的干涉時延效應(yīng)被稱作多路徑效應(yīng)。減弱多路徑誤差的方法主要有：</p><p>　　選擇合適的站址。測站不宜選擇在山坡、山谷和盆地中，應(yīng)離開高層建筑物；</p><p>　　（2）選擇較好的接收機天線，在天線中設(shè)置徑板，抑制極化特性不同的反射信號</p><p>　　3) 與GPS 接收機

97、有關(guān)的誤差</p><p><b>　　a) 接收機鐘差</b></p><p>　　GPS 接收機一般采用高精度的石英鐘，接收機的鐘面時與GPS 標準時之間的差異稱為接收機鐘差。把每個觀測時刻的接收機鐘差當作一個獨立的未知數(shù)，并認為各觀測時刻的接收機鐘差間是相關(guān)的，在數(shù)據(jù)處理中與觀測站的位置參數(shù)一并求解，可減弱接收機鐘差的影響。</p><p&g

98、t;　　b) 接收機的位置誤差</p><p>　　接收機天線相位中心相對測站標石中心位置的誤差，叫接收機位置誤差。其中包括天線置平和對中誤差，量取天線高誤差。在精密定位時，要仔細操作，來盡量減少這種誤差影響。在變形監(jiān)測中，應(yīng)采用有強制對中裝置的觀測墩。相位中心隨著信號輸入的強度和方向不同而有所變化，這種差別叫天線相位中心的位置偏差。這種偏差的影響可達數(shù)毫米至厘米。而如何減少相位中心的偏移是天線設(shè)計中的一個重要問

99、題。在實際工作中若使用同一類天線，在相距不遠的兩個或多個測站同步觀測同一組衛(wèi)星，可通過觀測值求差來減弱相位偏移的影響。但這時各測站的天線均應(yīng)按天線附有的方位標進行定向，使之根據(jù)羅盤指向磁北極。</p><p>　　c) 接收機天線相位中心偏差</p><p>　　在GPS 測量時，觀測值都是以接收機天線的相位中心位置為準的，而天線的相位中心與其幾何中心，在理論上應(yīng)保持一致。但是觀測時天線的

100、相位中心隨著信號輸入的強度和方向不同而有所變化，這種差別叫天線相位中心的位置偏差。這種偏差的影響可達數(shù)毫米至厘米。而如何減少相位中心的偏移是天線設(shè)計中的一個重要問題。 </p><p>　　3.1.3GPS定位分類</p><p>　　GPS 定位的方法是多種多樣的用戶可以根據(jù)不同的用途采用不同的定位方法GPS 定位方法可依據(jù)不同的分類標準作如下劃分:</p><p&g

101、t;　　1)根據(jù)定位所采用的觀測值</p><p><b>　　a)偽距定位</b></p><p>　　偽距定位所采用的觀測值為 GPS 偽距觀測值所采用的偽距觀測值，既可以是C/A 碼偽距也可以是P 碼偽距，偽距定位的優(yōu)點是數(shù)據(jù)處理簡單對定位條件的要求低不存在整周模糊度的問題可以非常容易地實現(xiàn)實時定位，其缺點是觀測值精度低C/A 碼偽距觀測值的精度一般為3 米而P

102、 碼偽距觀測值的精度一般也在30 個厘米左右從而導(dǎo)致定位成果精度低另外若采用精度較高的P 碼偽距觀測值還存在AS的問題。</p><p><b>　　b）載波相位定位</b></p><p>　　載波相位定位所采用的觀測值為 GPS 的載波相位觀測值即L1 L2 或它們的某種線性組合。載波相位定位的優(yōu)點是觀測值的精度高一般優(yōu)于2 個毫米其缺點是數(shù)據(jù)處理過程復(fù)雜存在整周

103、模糊度的問題。</p><p><b>　　2）根據(jù)定位的模式</b></p><p><b>　　a)絕對定位</b></p><p>　　絕對定位又稱為單點定位，這是一種采用一臺接收機進行定位的模式它所確定的是接收機天線的絕對坐標，這種定位模式的特點是作業(yè)方式簡單可以單機作業(yè)絕對定位一般用于導(dǎo)航和精度要求不高的應(yīng)用中。

104、</p><p><b>　　b）相對定位</b></p><p>　　相對定位又稱為差分定位，這種定位模式采用兩臺以上的接收機同時對一組相同的衛(wèi)星進行觀測以確定接收機天線間的相互位置關(guān)系。</p><p>　　3）根據(jù)獲取定位結(jié)果的時間</p><p><b>　　a)實時定位</b></p

105、><p>　　實時定位是根據(jù)接收機觀測到的數(shù)據(jù)，實時地解算出接收機天線所在的位置。</p><p><b>　　b）非實時定位</b></p><p>　　非實時定位又稱后處理定位，它是通過對接收機接收到的數(shù)據(jù)進行后處理以進行定位得方法。</p><p>　　4）根據(jù)定位時接收機的運動狀態(tài)</p><p&

106、gt;<b>　　a)動態(tài)定位</b></p><p>　　所謂動態(tài)定位，就是在進行GPS 定位時認為接收機的天線在整個觀測過程中的位置是變化的，也就是說在數(shù)據(jù)處理時將接收機天線的位置作為一個隨時間的改變而改變的量動態(tài)定位又分為Kinematic 和Dynamic 兩類。</p><p><b>　　b）靜態(tài)定位</b></p>&

107、lt;p>　　所謂靜態(tài)定位，就是在進行GPS 定位時認為接收機的天線在整個觀測過程中的位置是保持不變的，也就是說在數(shù)據(jù)處理時將接收機天線的位置作為一個不隨時間的改變而改變的量，在測量中靜態(tài)定位一般用于高精度的測量定位，其具體觀測模式多臺接收機在不同的測站上進行靜止同步觀測時間由幾分鐘幾小時甚至數(shù)十小時不等。</p><p>　　3.1.4 GPS測量數(shù)據(jù)處理</p><p>　　GP