1、GPS操作流程及基线解算第八章 GPS操作流程和基线解算第一节 GPS系统组成一、设备GPS系统由空间卫星部分、地面监控部分和用户接收部分三部分组成，如图6.1所示。1、空间卫星部分（1）GPS卫星星座。设计星座：213，即21颗正式的工作卫星加3颗活动的备用卫星。6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55，周期11h58min（顾及地球自转，地球与卫星的几何关系每天提前4min重复一次）。保证在24h，在高度角15以上，能够同时观测到48颗卫星。（2）GPS卫星。GPS卫星的作用是发送用于导航定位的信号等。主要设备是原子钟（2台铯钟、2台铷钟）、信号生成与发射装置。类型有试验卫星B
2、1oCk I和工作卫星BloCk。（3）GPS卫星由洛克韦尔国际公司空间部研制。卫星重774kg（包括310kg燃料），采用铝蜂巢结构，主体呈柱形，直径为l。5m。星体两侧装有两块双叶对日定向太阳能电池帆板，全长5.33m，接受日光面积7.2。对日定向系统控制两翼帆板旋转，使板面始终对准太阳，为卫星不断提供电力，并给三组15AH镉镍蓄电池充电，以保证卫星在地影区能正常工作。在星体底部装有多波束定向天线，这是一种由12个单元构成的成形波束螺旋天线阵，能发射L，和L。波段的信号，其波束方向图能覆盖约半个地球。在星体两端面上装有全向遥测遥控天线，用于与地面监控网通信。此外，卫星上还装有姿态控制系统和
3、轨道控制系统。工作卫星的设计寿命为7年。从试验卫星的工作情况看，一般都能超过或远远超过设计寿命。第一代卫星现已停止工作。第二代卫星用于组成GPS工作卫星星座，通常称为GPS工作卫星。BloCkA的功能比BloCk大大增强，表现在军事功能和数据存储容量。BloCk只能存储供45天用的导航电文，而BloCkA则能够存储供180天用的导航电文，以确保在特殊情况下使用GPS卫星。第三代卫星尚在设计中，以取代第二代卫星，改善全球定位系统。其特点是：可对自己进行自主导航；每颗卫星将使用星载处理器，计算导航参数的修正值，改善导航精度，增强自主能力和生存能力。据报道，该卫星在没有与地面联系的情况下可以工作6个
4、月，而其精度可与有地面控制时的精度相当。2、地面监控部分（1）地面监控部分的分布。1）主控站1个，地点在美国科罗拉多州法尔孔空军基地。2）监测站5个，分别在夏威夷、美国科罗拉多州法尔孔空军基地、阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）。3）注入站3个，分别在阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）。（2）监控部分的作用。1）主控站的作用是收集数据、数据处理、监测与协调和控制卫星。2）监测站的作用是根据其接收到的卫星扩频信号求出相对于其原子钟的伪距和伪距差，检测出所测卫星的导航定位数据。利用环境传感器测出当地的气象数据。然后将算得的伪距、导航数据、气象
5、数据及卫星状态数据传送给主控站，供主控站使用。3）注入站的作用作用是将主控站需传输给卫星的资料以既定的方式注入到卫星存储器中，供卫星向用户发送。3、用户接收部分用户接收部分的基本设备就是GPS信号接收机、机内软件以及GPS数据的后处理软件包。其作用是接收、跟踪、变换和测量GPS卫星所发射的GPS信号，以达到导航和定位的目的。GPS信号接收机的任务是：跟踪可见卫星的运行，捕获一定卫星高度截至角的待测卫星信号，并对GPS信号进行变换、放大和处理，解译出GPS卫星所发送的导航电文，测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，实时地计算出测站的三维位置、三维速度和时间。静态定位中，GPS接收机在捕获
6、和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运动轨迹。载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动，接收机用GPS信号实时地测得运动载体的瞬间三维位置和三维速度。近年来，国内引进了许多类型的GPS测地型接收机。各种类型的GPS测地型接收机用于精度相对定位时，其双频接收机精度可达5mm+1ppmD（D为距离，单位为km，下同），单频接收机在一定距离内精度可达10mm+1ppmD，用于差分定位时精度可达亚米级至厘米级。目前，各种类型的GPS
7、信号接收机体积越来越小，质量越来越轻，便于野外观测。二、技术特点GPS可为各类用户连续提供动态目标的三维位置、三维速度及时间信息。GPS测量主要特点如下。1、功能多、用途广GPS系统不仅可以用于测量、导航，还可以用于测速、测时。测速的精度可达0.1m/s，测时的速度可达几十毫微妙。其应用领域不断扩大。2、定位精度高大量的实验和工程应用表明，用载波相位观测量进行静态相对定位，在小于50km的基线上，相对定位精度可达110。210。，而在100500km的基线上可达10 s10，。随着观测技术与数据处理方法的改善，可望在大于1000km的距离上，相对定位精度达到或优于10。在实时动态定位（RTK）
8、和实时差分定位（RTD）方面，定位精度可达到厘米级和分米级，能满足各种工程测量的要求。其精度如表6-1所示。随着GPS定位技术及数据处理技术的发展，其精度还将进一步提高。3、实时定位利用全球定位系统进行导航，即可实时确定运动目标的三维位置和速度，可实时保障运动载体沿预定航线运行，亦可选择最佳路线。特别是对军事上动态目标的导航，具有十分重要的意义。4、观测时间短目前，利用经典的静态相对定位模式，观测20km以内的基线所需观测时问，对于单频接收机在1h左右，对于双频接收机仅需1520min。采用实时动态定位模式，流动站初始化观测15min后，并可随时定位，每站观测仅需几秒钟。利用GPS技术建立控制
9、网，可缩短观测时间，提高作业效益。5、观测站之间无需通视经典测量技术需要保持良好的通视条件，又要保障测量控制网的良好图形结构。而GPS测量只要求测站15。以上的空间视野开阔，与卫星保持通视即可，并不需要观测站之间相互通视，因而不再需要建造觇标。这一优点即可大大减少测量工作的经费和时间（一般造标费用约占总经费的3050）。同时，也使选点工作变得非常灵活，完全可以根据工作的需要来确定点位，可通视也使电位的选择变得更灵活，可省去经典测量中的传算点、过渡点的测量工作。不过也应指出，GPS测量虽然不要求观测站之间相互通视，但为了方便用常规方法联测的需要，在布设GPS点时，应该保证至少一个方向通视。6、操
10、作简便GPS测量的自动化程度很高。对于“智能型”接收机，在观测中测量员的主要任务只是安装并开关仪器、量取天线高、采集环境的气象数据、监视仪器的工作状态，而其他工作，如卫星的捕获、跟踪观测和记录等均由仪器自动完成。结束观测时，仅需关闭电源，收好接收机，便完成野外数据采集任务。 .如果在一个测站上需要作较长时问的连续观测，还可实行无人值守的数据采集，通过网络或其他通信方式，将所采集的观测数据传送到数据处理中心，实现全自动化的数据采集与处理。GPS用户接收机一般重量较轻、体积较小。现在有许多GPS接收机是天线、主机、电源组合在一起的一体机，白化程度较高，野外测量时仅“一键”开关，携带和搬运都很方便。
11、7、可提供全球统一的三维地心坐标经典大地测量将平面和高程采用不同方法分别施测。GPS测量中，在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测量观测站的大地高程。GPS测量的这一特点，不仅为研究大地水准面的形状和确定地面点的高程开辟了新途径，同时也为其在航空物探、航空摄影测量及精密导航中的应用，提供了重要的高程数据。GPS定位是在全球统一的WGS一84坐标系统中计算的，因此全球不同点的测量成果是相互关联的。8、全球全天候作业GPS卫星较多，且分布均匀，保证了全球地面被连续覆盖，使得在地球上任何地点、任何时候进行预观测工作，通常情况下，除雷雨天气不宜观测，一般不受天气状况的影响。因此，GPS定位技术的发
12、展是对经典测量技术的一次重大突破。第二节 控制网设计GPS测量工作与经典测量工作相类似，按其性质可分为外业和内业两大部分。其中，外业工作主要包括选点、建立测站标志、野外观测作业以及成果质量检核等；内业工作主要包括GPS测量的技术设计、测后数据处理及技术总结等。控制网设计包括控制网的设计依据、设计精度和设计网形。一、GPS网技术1、GPS网技术设计的原则技术设计是建立GPS控制网的第一步，也是确保GPS网在满足准确、可靠、经济的前提下，满足建设需要的关键性工作。GPS网技术设计应遵循以下基本原则，即确定适宜的精度标准，选取适用的测量基准，严格按照相应的规范要求选点并设置点位标志。（1）、精度确定
13、根据网的用途及工程控制的精度要求确定GPS网测量的相应精度等级，精度等级的划分应参照相应行业的GPS测量规范。（2）、选点与埋设GPS点位选择的好坏，对于GPs观测工作的顺利进行和结果的可靠性有着重要的影响，因此，在实地选点前应根据测量任务的目的和测区情况等，收集测区已有各类控制点和地形图等资料，以便于选点工作。在选点时应遵循以下原则：点位周围应便于安置接收设备，视野开阔视场内障碍物的高度角不宜超过15。点位应远离大功率无线电发射源（如电视台、电台微波站等）及电压输电线和微波无线电信号传送通道，以避免周围磁场对GPS信号的干扰；点位周围不应有强烈反射卫星信号的物体（如大型建筑物等）；点位应选在
14、交通方便，并有利于用其他测量手段扩展和联测，以提高作业效率；点位应选在地面基础稳固的地方，以利于点位的保存；点位的埋设宜用混凝土现场浇筑的形式埋设为不锈钢标志，埋深应在当地永久冻土层以下0.3米，桩面注记字体应朝向正北。2、GPS网构成的概念观测时段：测站上开始接收卫星信号到观测停止，连续工作的时间段，简称时段。同步观测：两台或两台以上接收机同时对同一组卫星进行的观测。同步观测环：三台或三台以上接收机同步观测获得的基线向量所构成的闭合环，简称同步环。独立观测环：由独立观测所获得的基线向量构成的闭合环，简称独立环。异步观测环：在构成多边形环路的所有基线向量中，只要有非同步观测基线向量，则该多边形
15、环路叫异步观测环，简称异步环。独立基线：对于N台GPS接收机构成的同步观测环，独立基线数为Nl。非独立基线：除独立基线外的其他基线叫非独立基线，总基线数与独立基线数之差即为非独立基线数。理论上，同步闭合环中各基线向量的坐标差之和（即闭合差）应为零，但由于有时各台GPS接收机并不是严格同步，同步闭合环的闭合差并不等于零。有的GPS规范规定了同步闭合差的限差，对于同步较好的情况，应遵守此限差的要求，但当由于某种原因，同步不是很好时，应适当放宽此项限差。高速铁路工程测量规范已经对此不作规定。当同步闭合环的闭合差较小时，通常只能说明GPS基线向量的计算合格，并不能说明GPS基线的观测精度高，也不能发现
16、接收的信号受到干扰而产生的某些粗差。为了确保GPS观测效果的可靠性，有效地发现观测成果中的粗差，必须使GPS网中的独立基线构成一定的几何图形称独立观测环。GPS控制网的图形也应该由一个或若干个独立观测环构成。GPS构网的基本图形可分为：三角形网、环形网、星形网。3、GPS网的基准GPS测量获得的GPS基线向量，是属于WGS一84坐标系的三维坐标差，而实际上我们需要的是国家坐标系或地方独立坐标系中的坐标成果。因此，在进行GPS网的技术设计时，必须明确GPS成果所采用的坐标系统和起算数据，即明确GPS网所采用的基准。GPS网的基准包括网的位置基准、方位基准和尺度基准。一般来说，方位基准以给定的起算
17、方位角值来确定，或者由GPS基线向量的方位作为方位基准；尺度基准由起算点间的距离确定，或者由地面的电磁波测距边确定，也可以由GPS基线向量的距离确定；GPS网的位置基准，一般是由给定的起算点坐标值及其精度确定。为求定GPS点在地面坐标系的坐标，应在地面坐标系中选定起算数据。在选择起算点时，既要考虑充分利用旧资料，又要使新建的GPS网不受旧资料精度较低的影响。在高速铁路控制网的布设中，每隔一定间距应联测高等级平面控制点，但沿线国家高级控制点之间精度较低，基础平面控制网CP I经国家点约束后使高精度的CP I控制网发生扭曲变形，大大降低了CP I控制点间的相对精度，部分地段经国家点约束后的CP I
18、控制点间甚至不能满足1/180 000的要求。因此，高速铁路平面控制测量首先采用GPS精密定位测量方法建立高精度的框架控制网CP0，作为高速铁路平面控制测量的起算基准，也为平面控制网复测提供了基准。GPS网的位置基准，可选取以下方法之一：（1）选取网中一点的坐标值并给定其方位角（一点一方向）；（2）在网中选若干点的坐标值并加以固定；（3）选网中若干点（直至全部点）的坐标值，并给以适当的权。约束平差在确定网的位置基准的同时，对GPS网的方向和尺度也会产生影响，当网中已知点的坐标含有较大的误差，或其权难以可靠地确定时，将会对网的定向与尺度产生不利的影响，例如前面所讲的高速铁路CP I控制网的约束平
19、差。因此，对于一个大范围的GPS网，在具有一组分布适宜的、高精度的已知点时（CP0框架控制网），为改善GPS网的定向和尺度，约束平差法才具有重要意义。在一般情况下，对于一些区域性的GPS网，如桥梁和隧道工程GPS网，其是否精确地位于地心坐标系统，并不特别重要，因而，这时多采用固定一点的坐标及其方位角的经典自由网平差法为宜（一点一方向平差）。4、设计网形布设GPS控制网的观测作业方式主要以下几种：点连式、边连式、网连式和混连式：（1）、点连式所谓点连式就是在观测作业时，相邻的同步图形间只通过一个公共点相连（见图6.3）。这样，当有m台仪器共同作业时，每观测一个时段，就可以测得m一1个新点，当这些
20、仪器观测了s个时段后.就可以测得S（m一1）+1个点。点连式观测作业方式的优点是作业效率高，图形扩展迅速；它的缺点是图形强度低，如果连接点发生问题，将影响到后面的同步图形。（2）、边连式所谓边连式就是在观测作业时，相邻的同步图形间有一条边（即两个公共点）相连见图6.4）。这样，当有m台仪器共同同作业时，每观测一个时段，就可以测得m一2个新点，当这些仪器观测观测了S个时段后，就可以测得S（m一2）+2个点。边连式观测作业方式具有较好的图形强度和较高的作业效率。（3）、网连式所谓网连式就是在作业时，相邻的同步图形问有3个（含3个）以上的公共点相连见图6.5）。这样，当有m台仪器共同作业时，每观测一
21、个时段，就可以测得m一k个新点，当这些仪器观测了s个时段后，就可以测得k+s（m一k）个点。采用网连式观测作业方式所测设的GPS网具有很强的图形强度，但网连式观测作业了式的作业效率很低，（4）、混连式在实际的GPS作业中，一般并不是采用单独上面介绍的某一种观测作业模式，而是根据具体情况，有选择的灵活采用这几种方式作业，这种观测作业方式就是混连式。他实际上是点连式、边连式和网连式的结合体。观测工作，或数据采集，是GPS测量的主要外业工作，所以，当观测工作开始之前，仔细地拟定观测计划，对于顺利地完成观测任务，保障测量成果的精度，提高效益是极为重要的。拟定观测计划的依据是：GPS网的布设方案，规模大
22、小，精度要求，GPS卫星星座，参加作业的GPS接收机数量以及后勤保障条件（运输、通信）等。观测计划的主要内容应包括：GPS卫星的可见性图及最佳观测时间的选择，采用的接收机类型和数量，观测区的划分和观测工作的进程以及接收机的高度计划等。第三节 外业测量一、测量外业工作1、观测计划观测工作或数据采集，是GPS测量的主要外业工作，所以，当观测工作开始之前，仔细地拟定观测计划，对于顺利地完成观测任务，保障测量成果的精度，提高效益是极为重要的。拟定观测计划的依据是：GPS网的布设方案，规模大小，精度要求，GPS卫星星座，参加作业的GPS接收机数量以及后勤保障条件（运输、通信）等。观测计划的主要内容应包括
23、：GPS卫星的可见性图及最佳观测时间的选择，采用的接收机类型和数量，观测区的划分和观测工作的进程以及接收机的高度计划等。2、野外观测外业观测的工作量，与用户的要求精度和采用的接收机类型和数量，以及作业模式等因素有关。GPS网观测工作量的设计，除要考虑观测工作的效率外，还必须保证网的精度和可靠性。当参加作业的接收机数为ki，则每一时段可得观测基线向量数为ki（ki一1）/2。其中包括独立观测向量数（ki一1）和多余观测向量数（ki一1）（ki一2）/2。因为增加多余观测量，会提高网的可靠性，所以，作业中适当增加接收机的数量，不仅会提高工作效率，同时也将明显地增加多余观测量。另外，为了有助于外业观
24、测数据的检核，增加可靠性，通常根据不同的精度要求，基线测量中，同步观测的时段数以及时段的长度有不同的要求。在外业观测中，仪器操作人员应注意以下事项：（1）当确认外接电源电缆及天线等各项连接完全无误后，方可接通电源，启动接收机。（2）开机后接收机有关指示显示正常并通过自检后，方能输入有关测站和时段控制信息。（3）接收机在开始记录数据后，应注意查看有关观测卫星数量、卫星号、相位测量残差、实时定位结果及其变化、存储介质记录等情况。（4）一个时段观测过程中，不允许进行以下操作：关闭又重新启动;进行自测试（发现故障除外）；改变卫星高度角设置；改变天线位置；改变数据采样间隔；按动关闭文件和删除文件等功能键
25、。（5）需要记录气象要素时，在每一观测时段始、中、末要各观测记录一次，当时段较长时可适当增加观测次数。（6）在观测过程中要特别注意供电情况，除在出测前认真检查电池容量是否充足外，作业中观测人员不要远离接收机，听到仪器的低电压报警要及时予以处理，否则可能会造成仪器内部数据的破坏或丢失。对观测时段较长的观测工作，建议尽量采用太阳能电池板或汽车电瓶进行供电。（7）仪器高一定要按规定始、末各量测一次，并及时输入仪器及记入测量手簿之中。（8）接收机在观测过程中不要靠近接收机使用对讲机；雷雨季节架设天线要防止雷击，雷雨过境时应关机停测，并卸下天线。（9）观测站的全部预定作业项目，经检查均己按规定完成，且记
26、录与资料完整无误后方可迁站。（10）观测过程中要随时查看仪器内存或硬盘容量，每日观测结束后，应及时将数据转存至计算机硬、软盘上，确保观测数据不丢失。3、观测记录在外业观测工作中，所有信息资料均须妥善记录。记录形式主要有以下两种：（1）观测记录。观测记录由GPS接收机自动进行，均记录在存储介质（如硬盘、硬卡或记忆卡等）上，其主要内容有：载波相位观测值及相应的观测历元；同一历元的测码伪距观测值；GPS卫星星历及卫星钟差参数；实时绝对定位结果；测站控制信息及接收机工作状态信息。（2）测量手簿。测量手簿是在接收机启动前及观测过程中，由观测者随时填写的。其记录格式在现行规范和规程中略有差别，视具体工作内
27、容选择进行。观测记录和测量手簿都是GPS精密定位的依据，必须认真、及时填写，坚决杜绝事后补记或追记。外业观测中存储介质上的数据文件应及时拷贝一式两份，分别保存在专人保管的防水、防静电的资料箱内。存储介质的外面，适当处应贴制标签，注明文件名、网区名、点名、时段名、采集日期、测量手簿编号等。接收机内存数据文件在转录到外存介质上时，不得进行任何剔除或删改，不得调用任何对数据实施重新加工组合的操作指令。4、数据预处理数据预处理软件是GPS接收设备的重要组成部分。对其所具有的功能，一般是通过实测的计算工作来进行检验的。对测量型GPS接收机，其主要检验内容包括：卫星预报及观测计划拟定功能的检验；静态定位软
28、件和网平差软件功能的检验；快速静态定位软件和实时定位软件功能的检验等，并且通过上述检验，在数据处理的精度，使用的自动化水平，对观测数据的筛选，周跳的判别与修复，整周未知数的解算能力以及网平差的功能等方面，对数据作出评价。二、测量数据处理每一个厂商所生产的接收机都会配备相应的数据处理软件，它们在使用方法上都会有各自不同的特点。但是，无论是哪种软件，它们在使用步骤上却是大体相同的。GPS数据处理的过程依次为：原始观测数据读入、外业输入数据检查与修改、基线解算控制参数、基线解算、基线质量检验。1、原始观测数据读入在进行基线解算时，首先需要读取原始的GPS观测值数据。一般说来，各接收机厂商随接收机一起
29、提供的数据处理软件都可以直接处理从接收机中传输出来的GPS原始观测值数据，而由第三方所开发的数据处理软件则不一定能对各接收机的原始观测数据进行处理，要处理这些数据，首先需要进行格式转换。目前，最常用的格式是RINEX格式.对于按此种格式存储的数据，大部分的数据处理软件都能直接处理。2、外业输入数据检查与修改在读入了GPS观测值数据后，就需要对观测数据进行必要的检查，检查的项目包括测站名、点号、测站坐标、天线高等。对这些项目进行检查的目的，是为了避免外业操作时的失误操作。3、基线解算控制参数基线解算的控制参数用以确定数据处理软件采用何种处理方法来进行基线解算，设定基线解算的控制参数是基线解算时的
30、一个非常重要的环节，通过控制参数的设定，可以实现基线的精化处理。4、基线解算基线解算的过程一般是自动进行的，无需过多的人工干预。5、基线质量检验基线解算完毕后，基线结果并不能马上用于后续的处理，还必须对基线的质量进行检验，只有质量合格的基线才能用于后续的数据处理，如果不合格，则需要对基线进行重新解算或重新测量。基线的质量检验需要通过数据删除率、RATIO、RDOP、RMs、同步环闭和差、异步环闭和差和重复基线较差等来进行。6、GPS网平差（1）提取基线向量要进行GPS网平差，首先必须提取基线向量，构建GPS基线向量网。提取基线向量时需要遵循以下几项原则：必须选取相互独立的基线，若选取了不相互独
31、立的基线，则平差结果会与真实的情况不相符合。所选取的基线应构成闭合的几何图形。选取质量好的基线向量，基线质量的好坏，可以依据同步环闭合差、异步环闭合差和重复基线较差来判定。选取能构成边数较少的异步环的基线向量。选取边长较短的基线向量。（2）三维无约束平差在构成了GPS基线向量网后，需要进行GPS网的三维无约束平差，通过无约束平差主要达到以下几个目的：根据无约束平差的结果，判别在所构成的GPS网中是否有粗差基线，如发现含有粗差的基线，需要进行相应的处理，必须使得最后用于构网的所有基线向量均满足质量要求。调整各基线向量观测值的权，使得它们相互匹配。（3） 约束平差或联合平差在进行完三维无约束平差后
32、，需要进行约束平差或联合平差，平差可根据需要在三维空问进行或二维空间中进行。约束平差的具体步骤是：指定进行平差的基准和坐标系统。指定起算数据。检验约束条件的质量。进行平差解算。（4） 质量分析与控制在这一步，进行GPS网质量的评定，在评定时可以采用基线向量的改正数进行。根据基线向量的改正数的大小，可以判断出基线向量中是否含有粗差。若在进行质量评定时，发现有质量问题，需要根据具体情况进行处理，如果发现构成GPS网的基线中含有粗差，则需要采用删除含有粗差的基线、重新对含有粗差的基线进行解算或重测含有粗差的基线等方法加以解决。如果发现个别起算数据有质量问题，则应该放弃有质量问题的起算数据。三、铁路GPS测量数据处理软件铁路GPS测量的数据处理软件有Leica Geo Office （LGO
