GPS测量技术在数字测图中的应用探讨项目设计方案

1 量技术在数字测图中的应用探讨 项目设计方案 第一章 绪论 史 英文 全球定位系统 ）的简称。 958 年美国军方的一个项目， 1964 年投入使用。 20 世纪 70 年代，美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统 主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、 核爆监测和应急通讯等一些军事目的，经过 20 余年的研究实验 ,到 1994 年，全球覆盖率高达 98%的 24 颗 星星座己布设完成。 目前世界上最先进、最完善的卫星导航系统与定位系统，它不仅具有全球性、全天候、实时高精度，三维导航与定位能力，而且具有良好的抗干扰和保密性。因此引起世界各国军事部门和广大民用部门的普遍关注，由于 位技术的高度自动化信其所达到的高精度和具有潜力，也引起测绘界的高度重视，特别是近几年来， 位技术在应用基础的研究、新应用领域的开拓、软件和硬件的开发等方面都取得了迅速的发 展，广泛的科学实验活动也为这一新技术的应用展现极为广阔的前景！ 目前， 其是在大地测量学及相关学科领域，如地球动力学，海洋大地测量学，地球物理勘探、资源勘察、航空与卫星遥感、工程测量学等方面的广泛应用，充分的显示了这一卫星定位技术的高精度和高效益。 近年来， 密定位技术已在我国得到广泛的应用，在大地测量中、工程测量与变形监测、资源勘察及地壳动力监测等方面取得了良好的效果和成功经验，充分地证明了密定位技术瓣优越性和巨大潜力，在新的世纪 里。 航与定位技术将会获得进一步的发展，应用将更为广泛，效益会更为显著，将为我国经济建设、国防建设的发展和科学技术的进步发挥更大的作用。 星定位技术与常规测量相比，具有以下优点： 1、 之间不要求相互通视，对 的几何图形也没有严格的要求，因而使 位的选择更为灵活，可以自由布设。 2、 定位精度高。目前采用载波相位进行相对一位，精度 可达 1 3、 观测速度快。目前，利用静态定位方法，完成一条基线的相对定位所需要的，根据要观测的精度不同，一般约为 1果采用快 速静态相 2 对定位技术，观测时间可缩短到数分钟。 4、 功能齐全。 量可同时测定测点的平面位置和高程，采用实时动态测量可进行施工放样。 5、 操作简便。 量的自动化程度很高，作业员在观测是只需要安置和开启、关闭仪器，量取天线高度，监视仪器的工作状态及采集环境的气象数据，而其它如捕获、跟踪观测卫星和记录观测娄数据待一系列测量工作均由仪器自动完成。 6、 全天候、全球性作业。由于 星有 24 颗而且分布合理，在地球任何地点、任何时间均可连续同步观测到 4 项以上的卫星，因此在任何地点，任何时间均可进行 量。 量一般不受天气况的影响。 7、可提供三维坐标。经大地测量将平面与高程采用不同方式分别实施。同时精确测定点的三维坐标。 理与组成 理 统 的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到 (由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之 间的真实距离，而是伪距（ 当 星正常工作时，会不断地用 1 和 0 二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射 导航电文 。 统 使用的伪码一共有两种，分别是民用的 C/A 码 和军用的 P(Y)码。 C/A 码频率 复周期一毫秒，码间距 1 微秒，相当于 300m； P 码 频率 复周期 ，码间距 秒，相当于 30m。而 Y 码是在 P 码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s 调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含 5 个子帧每帧长 6s。前三帧各 10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共 15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第 1、 2、 3 数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电 文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在 地坐标系中的位置速度等信息便可得知。 可见 航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标 x、 y、 z 外，还要引进一个 t 即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用 4 个方程将这 4 个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到 4 个卫星的信号。 收机 可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化）；以及 卫星状况等。 收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机 3 卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对 0A 码测得的伪距称为 度约为 20 米左右，对 P 码测 得的伪距称为 P 码伪距，精度约为2 米左右。 收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言， 载波相位 应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频 移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相 位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度 ，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位 精度也只能采用相位观测值。 按定位方式， 位 分为单点定位和相对定位（ 差分定位 ）。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或 工程测量 均应采用相位观测值进行相对定位。 在 测量中包含了卫星和接收机的 钟差 、大气传播延迟、 多路径效应 等误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离较远时（大气有明显差别），应选用双频接收机。 成 1）地面监控部分；（ 2）空间卫星部分；（ 3）用户接收部分。 以下分别介绍它们的作用、工作原理和工作状况。 （ 1）地面监控部分 地面监控站在 位系统试验阶段和工作阶段有所不同。试验卫星的地面监控站由设在加利福尼亚洲范登堡空军基地的一个主控站、一个注入站和一 个监控站以及位于其它地方的四个监控站组成。 包括一个主控站，三个注入站和五个监控站组成。其分布情况是：主控站设在美国本土科罗拉多洲斯平士（ 联合空间执行中心 即 三个注入站分别设在大西洋的阿森松岛（ 印度洋的狄哥伽西亚（ 太平洋的卡瓦加兰 (三个美国空军基地上；五个监测站，除一个单独在 夏威夷（ ，其余四个都分设在主控站和注入站上；这 5个监测站也称为空军跟踪站（ （ 2）地面监控系统的作用 星作为一种动态已知点，其“已知数据”为表述卫星运动及其轨道参数的“卫星星历”，不可能也无须在卫星上设置庞杂的机构去测算和编制，而是由地面站测算好后编成电文形式发送给卫星，再由卫星转发至地面用户。另外， 4 卫星上各种设备是否正常工作，要否启用配件、卫星运行情况、要不要纠正运行轨道以及使各卫星处于同一时间标准 间系统等，都需要由 地面监控站来完成，所以地面监控站有下列主要作用： 1） 主控站拥有以大型电子计算机为主体的数据收集、计算、传输、诊断等设备，其主要作用如下： 收集数据。收集各监测站获得监测的伪距和积分多普勒观测值、卫星时钟和工作状态数据、气象、监测站自身状态以及参考星历等数据。 数据处理。根据所收集的前述数据计算各卫星的星历、卫星状态、时钟改正、大气传播改正等，具体地就是卫星位置和速度的六个轨道根数的摄动，每个卫星的三个太阳压力常数，卫星的时钟偏差、漂移和漂移率，各个监测站的时钟偏差、对流层残余偏差及极移 偏差等状态数据。并将这些数据按一定格式编制成导航电文，并将导航电文及时传送给注入站。 监测与协调。主控站一方面承担控制和协调各监控站与注入站的工作，另一方面还要监测整个地面监控系统是否正常，检验注入卫星的电文是否正确，监控卫星是否按预定状态将电文发送给用户。 调度卫星。修正卫星的运行轨道，调用备用卫星去接替失效卫星的工作。 主控站的星历编算工作分成两步：第一步是编算参考星历，根据 5 个 算 形成误差约为 100m 左右的参考星历。第二步是编算注入星 历，根据每个监控站对每颗可见星每 6S 所作的伪距测量和积分多普勒观测值，用联机卡尔滤波器计算参考星历的线性摄动，并以后者改正参考星历，并外推出 26之为预报星历。主控站将预报星历按照一定的格式编制成导航电文发送给注入站，由注入站注入给卫星。由于甚长基线射电干涉测量（ 卫星激光测距（ 够精化定轨观测站的站坐标，以及双频接收机对 星的精密定轨观测。当 卫星全部入轨运行后，预报星历的精度，据估算径向误差约为1m，切向误差约为 7m，法向误差约为 3 主控站按上述程序所编算的星历，由 星发送给广大用户，称之为广播星历。它的实际精度一般为 1 2万分之一），有时又只有 3 4精度的广播星历，主要用于解算实时位置。但在某些高精度应用场合，广播星历的精度远不能满足 据处理的需要，而需要用一种精度较高的用于测后数据处理的“精密星历”。目前除了几种用于测后数据处理的商品精密星历以外，还有下列几种形式。 官方精密星历。 全球 2） 监控站是无人值守的数据自动采集中心， 它在主控站 的遥控下自动地采集定轨数据， 其位置经精密测定。各个监控站 均用 飞越其上空的所有 可见 星 每 6S 进行一次伪距测量和积分多普勒观测 。监控站的主要设备包括 1 台双频接收机、一台高精度原子钟、一台电子计算机和若干台环境数据传感器。各监控站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， 并对它们进行各项改正（如电离层、对流层、天线相位中心、相对论效应等项改正），每 15滑一次观测数据，依此算出每 2隔的观测值， 然 后将算得的伪距、导航数据、气象数据及卫星状态数据传送给主控站，为主控站编算导航电文 5 提供可靠的数据。 3） 注入站是无人值守的工作站，设有 物面天线， 1 台 C 波段发射机和一台电子计算机。其主要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 当某颗 星飞越注入站上空时，它先取该颗卫星的导航电文，用 10S）波段的微波作载波，将导航电文注射给该颗卫星。每天注射 1 次，每次将14 型卫星的存储器只能存储 14，只有 80存入卫星上的存储器。因此，即使地面监控系统停止注射，卫星仍能继续发送导航电文 随着时间的流逝，预报星历的精度越来越差。例如，可使定位精度从 1000m。此外，注入站还能每分钟自动地向主控站报告一次它的工作状态。 间卫星部分 空间卫星部分是由空间运行的多颗卫星按一定的规则组成的 书第一章第二节已有述及。这里仅就空间卫星的作用和有关情况作些说明。 美国发射的 星，有多种编号方式。比如可以按 星发射的先后顺序编号；也可以根据 星所采用的伪随机噪声码 号；还可以根据美国和加拿大联合组成的北美空军指挥部给定的内部距离操作码 号；以及根据美国航空航天局在其序列文件中编的 号和根据卫星发射年代与该年代中的发射序列编的识别号。其中， 号是供导航定位用的，识别号是供用户查询卫星有关数据用的。 目前已入轨的 作卫星 都是用火箭或航天飞机发射的，其编号方法与试验卫星的编号方法基本相同，其轨道近于圆形，最大偏心率为 道长半径也是 26560道 倾角为 55，卫星的高度为 20200行周期为十二恒星时，即每天绕地球运行两周，地面观测者能够观测到的 星圆弧度约 152 虑到 星刚从地平线上升起时， 号受大气层影响较大，一般均待 星升起 10以后，才用它进行导航定位测量。因此，星的实际观测弧段为 132左右。（其计算公式详见 星导航定位原理与方法刘基余编著，科学出版社， 2003 年 8 月）。 工作卫星之所以采用二万公里高近于圆形的轨道，一方面是为了增大地面覆盖面积；另一方面是为了使覆盖均匀，从而达到信 号强度均匀、接收时间也均匀的目的。 星的主要作用有三方面： （ 1）接收由地面注入站用 S 波段（ 10段）发送的导航电文和其它信号； （ 2）接收地面主控站的调度命令，修正其在轨运行偏差及启用备用时钟等； （ 3）连续不断地向广大用户发送 航定位信号，并用导航电文的形式提供卫星自身的现势位置与其它在轨卫星的概略位置，以便用户接收使用。 户接收部分 用户接收部分的基本设备，就是 号接收机、机内软件以及 据的后处理软件包。其作用是接收、跟踪、变换和测量 星所发射的 号，以达到导航和定位的目的。 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止角的待测卫星信号，并对 号进行变换、放大和处理，解译出 星所发 6 送的导航电文，测量出 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， 收机在捕获和跟踪 星的过程中固定不变，接收机高精度地测量 号的传播时间，利用 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 收机测定一个运动物体的运行轨迹。载体上的 收机天线在跟踪 星的过程中相对地球而运动，接收机用 号实时地测得运动载体的瞬间三维位置和三维速度。 收机一般用蓄电池作电源。同时采用机内、机外两种直流电源。设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测。在用机外电池的过程中，机内电池自动充电。关机后，机内电池为 储器供电，以防止丢失数据。 第二章 外测量原理 统组成和工作原理 统组成 系统由基准站、若干个流动站及无线电通讯系统三部分组成。基准站包括 收 机、 线、无线电通讯发射系统、供 收机和无线电台使用的电源及基准站控制器等部分。流动站由以下几个部分组成 : 收机、 线、无线电通讯接听系统、供 收机和无线电使用的电源及流动站控制器等部分 。 （ 1） 统包括三大部分：空间部分 星星座；地面控制部分 地面监控系统；用户部分 收机。 （ 2） 统的空间部分由 21 颗工作卫星及 3 颗备用卫星组成， 它们均匀分布在 6 个近似圆形轨道上。 （ 3） 作卫星的地面监控系统包 括一个主控站、三个注入站和五个监测站。 （ 4） 星位置采用 地坐标系。 （ 5） 统中卫星钟和接收机钟均采用稳定而连续的 间系统。 （ 6） 星星历分为预报星历 (广播星历 )和后处理星历（精密星历） 。 （ 7） 收机依据其用途可分为：导航型接收机、测地（量）型接收机和授时 型接收机。 （ 8） 在 位工作中，由于某种原因，如卫星信号被暂时阻挡，或受到外界干 扰影响，引起卫星跟踪的暂时中断，使计数器无法累积计数，这种现象称为整周 跳变（周跳） （ 9） 根据不同的用途， 的图形布设通常有：点连式、边连式、网连式和边 点混合连接四种基本方式。选择什么样的组网，取决于工程所要求的精度、 野外条件及 收机台数等因素。 （ 10） 卫星定位中常采用空间直角坐标系及其相应的大地坐标系，一般取地球质心 为坐标系原点。 （ 11） 我国目前常采用的两个国家坐标系是 1954 年北京坐标系和 1980 年国家大地坐标系。 （ 12） 收机的天线类型主要有：单板天线；四螺旋形天线；微带天线和锥形 天线。 7 （ 13） 收机主要由 收机天线单元、 收机主机单元和电源三部 分组成。 （ 14） 单站差分按基准站发送信息的方式来分，可分为、位置差分伪距差分和载波 相位差分。 （ 15） 与信号传播有关的误差有电离层折射误差、对流层折射误差及多路径效应误 差。 （ 16） 数据处理基本流程包括数据采集、 数据传输、 数据预处理、 基线结算、 平差。 （ 17） 星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。 （ 18） 对于 N 台 收机构成的同步观测环，有 J 条同步观测基线，其中独立 基线 数为 （ 19） 双频接收机可以同时接收 号，利用双频技术可以消除或减弱对流 层折射对观测量的影响，所以定位精度较高，基线长度不受限制，所以作业效率 较高。 作原理（如图 2 图 2作原理图 统包括三大部分 :地面监控部分、空间卫星部分、用户接收部分 ,各部分均有各自独立的功能和作用 ,同时又相互配合形成一个有机整体系统。对于静态 量系统 , 统需要二台或二台以上接收机进行同步观测 ,记录的数据用软件进行事后处理可得到两测站间 的精密 84 坐标系统的基线向量 ,经过平差、坐标转换等工作 ,才能求得未知的三维坐标。现场无法求得结果 ,不具备实时性。 基准站把接收道的所有卫星信息（包括伪距和载波相位观测值）和基准站的一些信息 (如基站坐标天线高等 ) 都通过无线电通讯系统传递到流动站，流动站在接收卫星数据的同时也接受基准站传递的卫星数据。流动站完成初始化后 ,把接收到的基准站信息传送到控制器内并将基准站的载波观测信号进行差分处理 ,即可实时求得未知点的坐标 外数据的采集 8 （ 1）实训动员 （ 2）使用的仪器及物品： 电池）、基座、脚架若干台，作业调度表，外业观测手簿，小钢尺，铅笔，安装有传输软件和数据处理软件的计算机 ，数据传输线若干根，便携式存储器。 （ 3）搜集资料 1）广泛收集测区及其附近已有的控制测量成果和地形图资料 控制测量资料包括成果表、点之记、展点图、路线图、计算说明和技术总结等。收集资料时要查明施测年代、作业单位、依据规范、坐标系统和高程基准、施测等级和成果的精度评定。 收集的地形图资料包括测区范围内及周边地区各种比例尺地形图和专业用图，主要查明地图的比例尺、施测年代、作业单位、依据规范、坐标系统、高程系统和成图质量等。 如果收集到的控制资料的坐标系统、高程系统不一致，则应收集、整理这些不同系统 间的换算关系。 2）收集有关 量定位的技术要求 通过参考测量规范，收集有关的测量技术要求。 全球定位系统 18314全球定位系统城市测量技术规程 3公路全球定位系统（ 量规范 066 全球定位系统 (路测量规程 测绘技术总结编写规定 001城市测量规范 测绘技术应用与规范管理实用手册 (1 制网的布设 （ 1） 业时的卫星状况，预期达到的精度，成果的可靠性以及工作效率，按照优化设计原则进行。 如一个或若干个独立观测环，或者附合路线形式，以增加检核条件，提高网的可靠性。 应考虑常规测量方法加密时的应用，每点应有一个以上通视方向。 在可能条件下，新布设的 布设的 点应尽量与地面 原有控制网点相联接，联接处的重合点数不应少于三个，且分布均匀，以便可靠地确定 点，应利用已有水准点联测高程。 C 级网每隔 36 点联测一个高程点， D 和 E 级网视具体情况确定联测点数。 A 和 B 级网的高程联测分别采用三、四等水准测量的方法； 级网可采用等外水准或与其精度相当的方法进行。 （ 2） 在 般首先根据测量任务书提出的 结合规范 (规程 )规定并现场踏勘具体确定各点间的连接方法，各点设站观测的次数、时间长短等布 网观测方案。 各种不同的任务要求和服务对象，对 的分布要求也不同。对于一般城市和工程测量布设点的密度主要满足测图加密和工程测量的需要，平均边长一般 9 在几公里以内。 (规程中 所示 )： 表 1 规程 中相邻点间距离（ 级别 项目 二等 三等 四等 一级 二级 相邻点最小距离 3 邻点最大距离 27 15 6 3 3 相邻点平均距离 9 5 2 1 终点 正数 (m) 正数 (m) 正数 (m) 距离 /改正数 (m) 中误差 /相对误差 (m) : 16274 : 16274 : 12894 : 11209 : 10180 : 10180 : 11631 : 11631 : 13145 : 13145 : 19127 : 19127 37 : 11540 : 11540 : 9128 : 9128 : 13165 : 13165 : 14270 : 15026 : 13000 : 16277 : 13832 : 9624 : 12422 : 5464 : 12193 (验