（地质工程专业论文）基于gps技术的昆明市大地水准面形状的研究及其应用.pdf

昆明理工大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 全球定位系统g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 作为新一代的卫星导航定 位系统，经过二十多年的发展，己发展成为一种被广泛采用的系统，它的应用 领域和应用前景已远远超出了该系统设计者当初的设想，目前，它在航空、航天、 军事、交通、运输、源勘探、通信、气象等几乎所有的领域中，都被作为一项非 常重要的技术手段和方法，用来进行导航、定时、定位、地球物理参数测定和大 气物理参数测定等。 作为较早采用6 p s 技术的领域，在测量中，它最初主要用于高精度大地测量 和控制测量，建立各种类型和等级的测量控制网；现在，它除了继续在这些领域 发挥着重要作用外，还在测量领域的其它方面得到充分的应用，如用于各种类型 的旌工放样、测图、变形观测、航空摄影测量、海测和地理信息系统中地理数据 的采集等。尤其是在各种类型的测量控制网的建立这一方面，g p s 定位技术已基 本上取代了常规测量手段，成为了主要的技术手段。现在，在我国采用g p s 技术 布设了新的国家大地测量控制网，很多城市也都采用g p s 技术建立了城市控制网。 我们知道，g p s 静态相位法相对定位的精度，在几公里乃至上千公里的距 离上均可获得厘米级的w g s - 8 4 系三维坐标，云南地处高原山区，用g p s 技术代替 等级水准能够产生巨大的经济效益和明显的社会效应，然而由于地形及其它技 术方面的原因，省内各测绘生产部门至今尚未能在规模较大的控制测量中做这 种替代，结合我院近几年对昆明市城建g p s 控制网改造及正在进行的c o r s 建设， 通过建立基于空间( x ，y ) 平台的数字高程异常等值线图查询系统，解决g p s 大地高转换为正常高的问题，用6 p s 技术代替等级水准，提高生产效率，产生 经济效益。 本文首先介绍了g p s 、c o r s 的基本知识，详细阐述了基于g p s ( c o r s ) 技术 的昆明市大地水准面精化理论和方法，并利用多年基础测绘资料，确定了昆明 市1 0 0 0 平方公里范围内数字高程异常等值线。经过大量的数据验证，此高程异 常等值线具有一定的实用价值，随着基础测绘资料不断的增加，实验范围进一 步扩大，高程异常等值线日趋精准，其研究结果对研究如何提高地方局部大地 水准面的精度将具有非常重大的意义。我院现在正在进行国家基础测绘设施项 昆明理工大学硕士研究生学位论文第1 i 页 目的工作。g p s 技术及c o r s 新技术将会在我院的工作中起到重要作用。 k 关键词l ：大地水准面的精化、高程异常等值线图、大地高、正高、正常 高、高程异常、高程异常数字地形模型、o p s 水准、c o r s 显明瓒正大学硕士研究生学位论文 第1 i l 茭 r e f i n i n gg e o i d a n di t sa p p l i c a t i o ni nk u n m i n gc i t y a b s t r a c t g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) h a sb e e nw i d e l ya d a p t e da st h em a i n p o s i t i o n i n gt o o ln o w a d a y sa f t e rd e v e l o p m e n tf o rm o r et h a n2 0y e a r sw i t h an e wg e n e r a t i o nu p d a t i n g 。t h ea p p l i c a t i o n so fa r e a sa n dp r o s p e c t s d i m e n s i o no fg p sh a v ee x c e e d e di t so r i g i n a lp u r p o s e i th a sb e c o m eav e r y i m p o r t a n tt e c h n i c a lm e t h o da n ds o l u t i o nw a y i na l m o s te v e r yf i e l do f t r a n s p o r t a t i o n ，c o m m u n i c a t i o n ，m e t r o l o g y ，a e r o l o g i ca n ds o o n o r i g i n a l l y ，g p sw a su s e da sa t o o lo fe s t a b l i s h i n gt h ep r e c i s i o nc l a s s o fg e o d e t i c a l l yn e t w o r k sa n dv a r i o u so fc o n t r o t l i n gn e t w o r k s 。w i t ht h e d e v e l o p m e n to fg p sc e c h n i q u e s ，g r e a tc h a n g e sh a v et a k e ni ne v e r yf i e l d s o fs u r v e y i n ga n dm a p p i n g f o re x a m p l e ，g p sh a ss u b s t i t u t e dt h et r a d i t i o n a l w o r k si np r o f i l e ，s u r v e y i n g ，d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g ，a e r os u r v e y i n ga n d s oo n a n dan e wn a t i o n a lg e o d e t i cn e t w o r kw i t hg p st e c h n i q u eh a sb e e n s e tu pi no u rc o u n t r y al o to fc i t yc o n t r o ln e t w o r k sa l s oh a v eb e e ns e t u pi nm a n yc i t i e s + a sw e l lk n o w n ，t h es t a t i cp h a s er e l a t i v ep o s i t i o n i n go fg p sc a n a c h i e v e3 - d i m e n s i o n c o o r d i n a t o rw i t hc e n t i m e t e ra c c u r a c yw i t h i nal e n g t h f r o mk i l o m e t e r st ot h o u s a n dk i l o m e t e r s u t i l i z a t i o no fg p st or e p l a c et h e c l a s sl e v e l i n gw o r kw i l lp r o d u c eg r e a te c o n o m i ca n ds o c i e t yb e n e f i t si n y u n n a np r o v i n c ei nw h i c hm o u n t a i n sa n du n d u l a t i o n sc o v e ra l m o s t 鑫lla r e a 。 a c c o r d i n gt ot h ep r o j e c to fc o r so fk u n m i n gc i t y ，i no r d e r t or e a l i z eg p s h e i g h t i n ga na l t e r n a t i v et og e o m e t r i cl e v e l i n g ，w eh a v ec o n s t r u c t e dt h e p l a t f o r mo fd i g i t a lg e o i dc o n t o u rs y s t e mb a s e do ns p a c ep o s i t jo n ( x ，y ) or e a l i z et h et r a n s l a t i o nb e t w e e ng e o d e t i ch e i g h ta n dl e v e l i n gh e i g h t i nt h i sp a p e r ，t h eb a s i ck n o w l e d g eo fg p s ，c o r sh a v eb e e ni n t r o d u c e d b r i e f l y ，a n dt h et h e o r ya n dm e t h o d so fr e f i n i n gt h el o o mg e o i db a s e du p o n g p so rc o r sh a v eb e e nd i s c u s s e di nd e t a i l w eu s et h es u r v e y i n gd a t a 昆明理工大学硕士研究生学位论文第页 a c c u m u l a t e df o rm a n yy e a r si nk u n m i n gc i t yt od e t e r m i n et h ed i g i t a g e e id c o n t o u rw i t h i nt h ea r e ao fo v e ri 0 0 0s q u a r ek i l o m e t e r s a n di t i sp r o v e d t h a tt h i sc o n t o u rm a pa c h i e y e da p p l i c a t i o nv a l u ea f t e rv a s tq u a n t i t yo f t e s t s w i t ht h ea c c u m u l a t i o no fb a s i cs u r v e y i n gd a t aa n dt h ei n c r e a s eo f s c a ea n dt h ea c c u r a c yi m p r o v e m e n to fg e o i dc o n t o u r ，t h er e s u l t so ft h e r e s e a r c hw i l lp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nr e f i n i n gt h e1 0 c a lg e o i da n dc o r s o fk u n m i n gc i t y k e yw o r d s ：g e o i dr e f i n e m n e n t ，m a po fg e o i dc o n t o u r ，g e o d e t i ch e i g h t ， o r t h o m e t r i eh e i g h t ，n o r m a lh e i g h t ，g e o i d ，g e o i dd i g i t a lt e r r e s t r i a l m o d e l ，g p sl e v e l i n g ，c o r s 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：1 窀玄傍k 日 期：劲叶年夕月巧日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 籼戥纽槲_ 盗塞越 日 期：塑堕生皇月塑旦 注：此页放在封面后，目录前。 昆明璎工大学磺士研究生学位论文第l 燹 第1 章绪论 1 1 苫l 言 ”空间数据基础设施( s d i ) ”悬联合国和美国政府首脑倡导的为迎接瓤世纪 挑战的战略措施，也就是建立起资源、环境、社会、经济等各种领域多种僖息数 据的采集、传输、分享、处理、分聿慝、反馊被决策的服务隧络体系。显然，”空趣 数据基础设施”是信息社会、知识经济时代必备的基础设施，”数字地球”则怒其中 熬个重要嬷藏部分。空瓣经萋霹瓣闼是撼述客麓缴器鳃最主要熬纂本参数，迄 是空间数据魅础设施中最为主要的组成部分，其它各种信息离开了空间和时间就 会豢褥毫无意义。溺j 篼，可戮毫不每张遣说，窆闻德置与辩阕露惑楚整个蒸磴设 施的基础。g p s 卫星定位技术是以”多星、离轨、高频、测量一测距”为体制，以商 精瘦的原予钟为核心，具有全球性、全天候、连续、精确、安时的母航、定位、 授时、守时的功能，能在全球任何娥点、任傅时闻提供用户静止和动态的地理位 置和时间信息。 垒球定攮系统g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 馋为赫一代的卫星髻靛定 位系统，经过二十多年的发展，已发展成为一种被广泛采用的系统，它的应用领 域鞠癍矮嫠爨已远邃超塞了该系统设诗者当秘懿设想，磊蓠，它在簸空、靛天、 军事、交通、运输、源勘探、通信、气象等几乎所宵的领域中，都被作为顶非 常重要静技术手段和方法，髑来迸行导航、定时、定位、地球耱瑾参数测定和大 气物理参数测定等。 作为较早采用g p s 技术的领域，在测量中，它最初主要用于嵩精度大地测量 程控铡测量，建立务转类型翱等级懿测量控划网；现在，它除了继续在这些领域 发挥着重要作用外，还在测蹩领域的其它方面得到充分的应用，如阁于各种类型 懿旋工援襻、溅整、交彩残灏、簸空豢影溺爨、海溅蠢遥理信息系绫中建毽数据 的采集等。尤其是在各种类溅的测擞控制网的建立遮一方面，g p s 邂位技术已基 本上取彳弋了常规测羹手段，成为了主要静技术手段。现在，在我国莱用g p s 技术 布设了新的因家大地测量控制网，很多城市也都采用g p s 技术建立了城市控制网。 昆明理工大学硕士研究生学位论文第2 页 l - 2 昆明市大地水准面精化的应用需求 作为地处高原的云南，随着g p s 定位技术的广泛应用，简捷而经济地获得测 点的平面位置，但是却一直未能以相应的精度解求点位的高程。原因是尽管g p s 能给出高精度的大地高，却由于没有一个具有相应精度的似大地水准面模型，致 使在g p s 大地高到正常高的转换中精度严重损失。用g p s 技术代替等级水准能 够产生巨大的经济效益和明显的社会效应，然而由于地形及其它技术方面的原 因，省内各测绘生产部门至今尚未能在规模较大的控制测量中做这种替代，为 此，研究如何提高区域性地方大地水准面或似大地水准面的精度非常必要和紧 迫，具有重要的科学意义和现实意义。 城市g p s 卫星差分系统的基本任务是建成一个由若干连续运行的g p s 站组成的 基准站网，实时获取基准站带有时间标记的位置信息，通过数据通信网络将这些 时间位置信息按一定的格式提供给用户，与用户的g p s 观测数据联合解算或施加改 正，得到带有时间标记的用户空间位置这样一个服务系统。根据传送信息的精度 及应用不同，系统可以满足不同种类用户的不同要求。这种服务涵盖了从实时导 航定位到快速高精度定位等方面，从而为基础测绘、城市规划、国土管理、地籍 管理、工程建设、环境监测、防震减灾、交通管理等各种社会信息化管理需求提 供强有力的支撑条件。 为了从根本上满足基础测绘及其它行业部门对g p s 应用的需求，提高g p s 整 体应用的水平，加快昆明市城市基础信息设施的建设。昆明市勘察测绘研究院 2 0 0 4 年启动了城市g p s 卫星差分系统的建立( 简称c o r s ) 。该系统采用国外领先 的g p s 设备技术，以网络技术为依托，实现g p s 的实时网络集成。该技术的高程 定位关键，在于建立高精度的大地水准面模型( 即区域地球高程模型) ，所以，研 究昆明地区大地水准面精化问题就显得极为迫切和重要。昆明城市g p s 卫星差分 系统的建立，将为测绘及其它部门的用户提供高质量高效率的高精度快速、实时 定位、事后精密定位和导航定位等数据服务，满足基础测绘、城市规划、土地管 理、地籍管理城乡建设、环境监测、防灾减灾、交通监控等多种信息化管理要求 从而提高昆明市基础信息设施的整体地位，增强昆明市科技竞争实力。 昆明理工大学硕士研究生学位论文第3 页 1 3 本文的主要工作和研究内容 本文主要研究利用昆明市多年来的高精度g p s 控制网资料和直接水准数据， 根据精化局部或区域大地水准面的理论、方法和技术，研究内容如下： 1 、g p s 和c o r s 的定位原理和方法精化区域大地水准面的基本原理和计算 方法； 2 、建立基于( x ，y ) 分布的昆明市大地水准面形状的空间数据库 3 、应用g p s 技术，按照大地测量学理论，计算昆明市范围内的高程异常 4 、应用g i s 软件或a u t o c a d 构建昆明市大地水准面形状的等值线模型，并 对其进行管理和分析，进行各种二维空间数据及三维空间的昆明市大地水 准面形状的分析应用 昆明理工大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章g p s 和c o r s 的定位技术原理概述 2 16 p s 组成及精密定位原理 全球卫星定位系统g p s ( g o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 是美军7 0 年代初在“子 午仪卫星导航定位”技术上发展而起的具有全球性、全能性( 陆地、海洋、航空 与航天) 、全天候性优势的导航定位、定时、测速系统。 2 1 1 全球定位系统g p s 简介 全球卫星定位系统g p s 由三大子系统构成：空间卫星系统、地面监控系统、 用户接收系统。 1 空间卫星系统 空间卫星系统由均匀分布在6 个轨道平面上的2 4 颗高轨道工作卫星构成，各 轨道平面相对于赤道平面的倾角为5 5 。，轨道平面间距6 0 0 。在每一轨道平面内， 各卫星升交角距差9 0 0 ，任一轨道上的卫星比西边相邻轨道上的相应卫星超前3 0 0 。 事实上，空间卫星系统的卫星数量要超过2 4 颗，以便及时更换老化或损坏的卫星， 保障系统正常工作。该卫星系统能够保证在地球的任一地点向使用者提供4 颗以 上可视卫星。 空间系统的每颗卫星每1 2 小时( 恒星时) 沿近圆形轨道绕地球一周，由星载 高精度原子钟( 基频f = i o 2 3 m h z ) 控制无线电发射机在“低噪音窗口”( 无线电 窗口中，2 至8 区间的频区天线噪声最低的一段是空间遥测及射电干涉测量优先 选用频段) 附近发射l 1 、l 2 两种载波，向全球的用户接收系统连续地播发g p s 导航信号。g p s 工作卫星组网保障全球任一时刻、任一地点都可对4 颗以上的卫 星进行观测( 最多可达1 1 颗) ，实现连续、实时地导航和定位。 g p s 卫星向广大用户发送的导航电文是一种不归零的二进制数据码d ( t ) ， 码率f d = 5 0 h z 。为了节省卫星的电能、增强g p s 信号的抗干扰性、保密性，实现 遥远的卫星通讯，g p s 卫星采用伪噪声码对d 码作二级调制，即先将d 码调制成 伪噪声码( p 码和c a 码) ，再将上述两噪声码调制在l 1 、l 2 两载波上，形成向 用户发射的g p s 射电信号。因此，g p s 信号包括两种载波( l 1 、l 2 ) 和两种伪噪 昆明骥王大学硕士研究生学位论文第5 荧 声码( p 码、c a 码) 。这四种0 p s 信号的频率皆源于1 0 2 3 l - ! z ( 星载原子钟的基 频) 的基准频率。綦准频率与各信号频率之阔存程一定的战例。其中，p 黼为精 确娼，美国为了自身的利益，只供荚国军方、政府枫关以及得到美国政府批准的 民用用户使用，c a 码为粗码，其定位和时间精度均低于p 码，目前，全馓界的 民殿窖户均霹不受鼹卷地受费使用。 2 地面监控系统 建瑟婺茬系统癫均匀分毒在美瓣本耧三六洋熬美军蘩逡上黪5 个蕊测蛞、 一个主控站和三个注入站构成。该系统的功能是：对空间卫星系统进行监测、控 裁，著淘每颗卫星注入更新静导靛穗文。 地面馓控系统器站的主要任务怒： 1 箍测站 用g p s 接收系统测量每颗卫星的伪距期距离差，采集气象数据，著将溅测数 据传送给圭控点。5 个监控站均为茏人守值的数据聚集中心。 2 。圭接站 主控站接收各j | 氛测站的g p s 卫星观测数据、卫摄工作状态数据、各监测站和 注入蛞鑫赛静工作袄态数据。稷据上述各类数螽，宠成菇下凡项工彳睾： 及时编算每颗卫凝的导航电文并传送给注入站。 控错和协调监测站闻、注入站闻的工作，检验注入卫星韵导航电文是否正确以 及卫星是否将导航魄文发给_ g p s 用户系统。 诊断卫星工作状态，改变偏离轨邋的卫望位置及姿态，调整备用卫星取代失效 卫璧。 3 注入站 接受兰接菇送遮翁各里霾导簸魄文并褥之注入飞越萁上空载每颓卫星。 1 用户接收系统 用户接收系统主要由蔽无线电传感和计筹机技术支撑的g p s 卫星接收枫和 g p s 数据处理软件构成。 1 g p s 接收机 g p s 卫攫接收撬的基本续梅是天线单元霹接收擎元嚣部分。天线攀元懿塞要 作用是：当g p s 卫星从地平线上升起时，能捕获、跟踪卫星，接收放大g p s 信号。 昆明理王大学硕士硪究生学位论文第6 页 接收单元的主要作用是：记录g p s 信号并对信号进行解调和滤波处理，还原出g p s 翌震发送豹导航电文，解求信号农站星闻瀚话播辩闯帮载波相位麓，实时缝获得 导航定位数据或采用测后处理的方式，获得定位、测速、定时等数据。 微处瑕器是g p s 接收机的核心，承担整个系统的管理、控制和实时数据处理。 榄羼监控嚣是接收极与操 莹者进行人辊交流的部髂。 目前，国际上已l 推出几十种测量用g p s 接收机，各厂商的产鼎朝着实用、轻 馁、易于攘俸、荑褒谚廉戆方囱发震。 2 g p s 数据处理软件 g p s 数据楚瑾软俘是g p s 嗣户系统嚣蕊要部分，萁主簧功能麓对g p s 接寝税 获取的卫凝测量记渌数据进行“粗加工”、“预处理”，并对处理结果进行平麓计算、 坐标转换殿分析综合处理。解得铡站的三维坐标，测体的艇标、运动速度、方向 及精确时刻。 g p s 怒位技术是正在发展中的高新技术，数据处理技术也处在不断更新之中， 各系列g p s 接收捉制造厂家磅裁黪处理软牛也冬英特色。 2 1 。2 韶s 定鬣源理 g p s 定位的慕本原理是根据离速运动的卫星麟阅使爨作为已知的起算数据， 采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位谶。如图2 1 所示，假设t 时刻 在缝蘧德溅点上安霆g p s 接收援，可以溅定g p s 售号到达接收壤黪惑趣t ，霉鸯嚣 上接收机所接收到的卫星艨历等其它数据可以确定以下四个方程式： 叠釜2臻蓬3 躞2 - 1 昆明理工大学硕士研究生学位论文第6 页 接收单元的主要作用是：记录g p s 信号并对信号进行解调和滤波处理，还原出g p s 卫星发送的导航电文，解求信号在站星间的传播时间和载波相位差，实时地获得 导航定位数据或采用测后处理的方式，获得定位、测速、定时等数据。 微处理器是g p s 接收机的核心，承担整个系统的管理、控制和实时数据处理。 视屏监控器是接收机与操作者进行人机交流的部件。 目前，国际上已推出几十种测量用g p s 接收机，各厂商的产品朝着实用、轻 便、易于操作、美观价廉的方向发展。 2 咿s 数据处理软件 6 p s 数据处理软件是g p s 用户系统的重要部分，其主要功能是对g p s 接收机 获取的卫星测量记录数据进行“粗加工”、“预处理”，并对处理结果进行平差计算、 坐标转换及分析综合处理。解得测站的三维坐标，测体的坐标、运动速度、方向 及精确时刻。 g p s 定位技术是正在发展中的商新技术，数据处理技术也处在不断更新之中， 各系列g p s 接收机制造j + 家研制的处理软件也各具特色。 2 1 2g p s 定位原理 g p s 定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据， 采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位簧。如图2l 所示，假设t 时刻 在地面待测点上安置g p s 接收机，可以测定g p s 信号到达接收机的时间t ，再加 上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式： 上接收机所接收鳓的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式： 望2卫瞿3 图2 - 1 昆明璞王大学磁士研究生学位论文第7 页 ( 盖l 一爿) 2 + ( 墨一y ) 2 + ( z l z ) 2 + c 2 o t o ) 絮d ? ( 盖2 - x ) 2 + ( 匕一r ) 2 十( z 2 一z ) 2 + c 2 p t o ) 燃d ； ( 石3 - x ) 2 + ( 匕一y ) 2 + ( z 3 一z ) 2 十c 2 o t o ) 霉d ； ( 盖4 一x ) 2 + ( 甄一y ) 2 + ( z 4 一z ) 2 + c 2 o t o ) 茹d ； 上述蹬个方程式中待测点坐檬x 、y 、z 寝g t o 为未鳃参数+ 獒中d i = c a t i ( i = l 、2 、3 、4 ) 。 d i ( i = l 、2 、3 、4 ) 分髑秀至璧l 、里羼2 、墨厘3 、墨塞4 爨搂浚税之淫翁 距离。 t i ( i = i 、2 、3 、4 ) 分剐为卫星l 、墨攫2 、卫星3 、卫星4 的信号到达接 收机所经历的时间。 c 为6 p s 信号的传播速度( 却光速) 。 暇个方程式中各个参数意义如下： x 、y 、z 为待测点坐标的空间崴角坐标。 x i 、y i 、z i ( i = t 、2 、3 、4 ) 分裂为墨星1 、里鬟2 、里星3 、卫璧4 在t 时刻的空间赢角坐标，可由_ 卫星导航电文求得。 v ti ( i = l 、2 、3 、4 ) 分嗣为翌蓬1 、童星2 、翌星3 、翌藿的至星镑豹赞 羞，由卫星星历提供。v t o 为接收机的钟差。 由殴上酉个方程静可解算疆j 待测点的坐标x 、y 、z 和接收祝的锋疆v t o 。 2 1 36 p s 定位的基本方法 g p s 定德采麓空蕊被动式瓣量簌理，罄在溺站上安置g p s 矮户按敢系统，_ ；冀 各种可能的方式接收g p s 卫尾系统发送的各炎信号。由计算机求解竟占星关系和测 菇的三维坐标。 由对g p s 信号观测量的不圊，g p s 定位的基本方法有以下几穆形式： 伪距测量 ，载波$ 位溅茧 多普勒测量 至星瓣龟于涉溅量 为了精密定位，一台g p s 接收机往往不遐单纯采用一种测量方式，而是以某 昆明理工大学硕士研究生学位论文第8 页 种方式为主，并辅以其他方法。 目前，全球定位系统已广泛应用于军事和民用等众多领域中。g p s 技术按待 定点的状态分为静态定位和动态定位两大类。静态定位是指待定点的位置在观测 过程中固定不变的，如g p s 在大地测量中的应用。动态定位是指待定点在运动载 体上，在观测过程中是变化的，如g p s 在船舶导航中的应用。静态相对定位的精 度般在几毫米几厘米范围内，动态相对定位的精度一般在几厘米到几米范围内。 对g p s 信号的处理从时间上划分为实时处理及后处理。实时处理就是一边接收卫 星信号一边进行计算，获得目前所处的位置、速度及时问等信息；后处理是指把 卫星信号记录在一定的介质上，回到室内统一进行数据处理。一般来说，静态定 位用户多采用后处理，动态定位用户采用实时处理或后处理。 2 1 4g p s 定位技术的基本特点 1 、全球覆盖连续导航定位，g p s 有2 4 颗卫星，且分布合理，所以在地球上和近 地空间上任何一点，均可以连续同步观测4 颗以上卫星、实现全球、全天候连 续导航定位。 2 、高精度三维定位，g p s 能连续为各类用户提供三维位置、三维速度和精确时间 信息。 3 、实时导航定位，利用g p s 进行导航定位，0 1 秒即可完成一次定位，这对高动 态用户尤其重要。 4 、被动式全天候导航定位，这种导航定位不仅隐蔽性好，而且可以容纳无数多用 户。 5 、抗干扰性能好、保密性强，g p s 采用数据通讯的特殊编码技术，即伪噪声码技 术，因而具有良好的抗干扰性和保密性。 2 2c o r s 原理及发展应用现状 连续运行的g p s 参考站网系统c o r s ( c o n t i n u o u s l yo p e r a t i n g ( g p s ) r e f e r e n c es t a t i o n s ) 是由多个( 一般多余3 个) g p s 固定接收站为基础，通过计 算机网络技术把数据通讯设备与数据控制中心连接起来，利用专业开发的数据处 理和网络通讯软件包进行维护管理的一个应用网络系统集成。如图( 22 ) ，它能 昆明理工大学硕士研究生学位论文第9 页 够伞大候2 4 小时连续运行、高度白动化、无人值守并且具有完善的系统监控、报 警、远程通讯、数据分发和备份、数据分析等功能。g p s 台站网不仅一t j 以服务_ 卜 昏种测量利测图等传统测绘领域，而且可以服务于气象、交通、地震、皤2 结构 变彤幡测和科研等许多其它领域。 昆明理工大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 2 1 昆明城市g p s 卫星差分基准站网建立简介 昆明市勘察测绘研究院长期以来一邕是昆明城市基础地理信息的牛产、管理、 推。应用的卡要力量，其在昆f ! j 基础地理窄日j 数据方面的1 作，代表了昆明城市 空间数掘基础设施建设的水甲。为r 提高g t ，s 整体应用的水平，根本上满足基础 测绘及其它行业部门对g p s 心用的需求，加快昆明市城市基础信息设施的建设。 昆明市勘察测绘研究院2 0 0 4 年6 月启动了城市g p s 卫星差分系统的建萨( 简称 ( o r s ) 。该系统分多期建完成，第一期投入建设四个基站，覆盖了“一湖阴片”的 謦含区域，有效酊积达3 0 0 0t - 方公里，最高精度可达毫米级，预计年底投入使用， ( ；1 1 s 基站空间分布如图( 2 - 2 ) 所示： 劁( 2 3 ) 昆明市gps 参考站系统是“空间数据暴础设施”最为重要的组成部分。它 的成功建设将为昆明市城市基础地理信息系统的维护和应用打下良好的皋础，能 。i 匙速建立城市测量控制网或建立无控制网系统，及时更新城市基本地形图，进行 城市形变监测和导航。还u 进行资源普查、城市规划、r i 丁政建设、交通管理、气 象预报、地震及灾害监测、农业和林业资源环境管理等，服务于“电子政务”， 提供各种综合信息给领导作决策之用。 昆明理工大学硕士研究生学位论文第11 页 2 2 2昆明城市g p s 卫星差分系统建设的应用需求分析 针对昆明市的具体情况，从近期来看，昆明城市g p s 卫星差分系统的建立可以满 足以下几个方面的需求： ( ) 、基础测绘的需求： 随着社会经济日益发展，对物体的时间空间信息要求越来越高。时间与位置 快速更新的社会发展需求体现在各个方面。以昆明市为例，六、七十年代的一幅 城市地图可以沿用多年，无需改舨。而在今天，甚至只需几个月的时间就有可能 要求城市地图更新。 测绘工作是城市规划、建设和工程施工的基础。其中，城市控制网点又是这 些测绘工作的实物基准。传统的用静态方式建立起来的控制点，已经越来越不能 满足城市发展的需要。在昆明市，每年大约有x 左右的平面和高程点被毁：或者 由于新建筑物的出现，观测通视条件被损坏而不能使用。每年为维持这些测绘工 作的基准需要不断的投入。利用城市g p s 卫星差分系统，可以方便地在任何需要 的时候、在任何地点确定任意控制点的空间位置，为城市测绘提供一个无实物控 制点的测量基准。 另一方面，从动态和变化的观点来看，地面及地面建筑物无一不处于变化之 中。传统的静态控制网严格说来只能作为某一时刻( 观测时刻) 的测量基准，用 它作为监测动态变化的基准，显然不能得到正确的结果。随着对动态变化监测要 求的不断提高，确定基准，已经成为我们无法回避的现实需求。传统的控制测量 方法显然无法满足这一要求。而以连续观测的基准站测量基准，则可以适应这种 动态基准的需要。 此外，当前测绘技术正从模拟、解析测量阶段发展到数字化、自动化阶段， 从事后处理阶段发展为实时处理阶段，从一维、二维发展到三维、四维定位阶段。 社会发展和进步的需要，迫使测绘工程现代化、信息化、实时化，这样，建设基 于卫星定位技术的三维实时动态测绘参考基准网是测绘技术发展的必然趋势，电 子地图的出现也为此创造了条件。 当前，昆明勘察测绘研究院的测绘手段已趋于相对落后，不太适应当今城市 发展，城市建设对测绘的需要。而城市g p s 卫星差分系统的建立，不但可以大大 昆明骥王大学硕士研究生学饿论文繁12 页 提高测绘精度、速度、与效率，降低测绘游动强度和成本，省去测量标志保护与 修复的费稍，节省各项测绘工程实施过程中约3 0 静控制溺量费稿，而且可以对 工程建设避行实时、有效、长期的形变监测。 对城市规划藕城市建设而言，城市g p s 卫星麓分系统的建立，将带来精密城 市娌划和动态城市规划，霹链对燃的使用现状，避行实融精密的趣划，对城审 的超高层建筑也可以很轻松地满足超高层建筑施工精度高、速度快、费用省的要 求。 测量旋系统精度需求，是g p s 应用系统中最高要求的体现。同时，g p s 技术 戆逡现是对灞量方法及灏豢蕊念静一次革命往静敬变。传统测量囱予受设器条件 的限制，测量方法与规范一直以等级划分并加阻制定。应用g p s 技术，百t 完全打 酸以往澜餐等级捌分规定，而以应用系统精度要求制定观测纲要域观测规范。建 立在连续运行的g p s 基准斌基础上的测量类系统糙度需求。 综上所述，昆明城市g p s 卫星差分系统的建立，将对基础测绘带来以下应用： 1 、为慰唆市提供一个囊壤度三维动态测霪基准。 2 、建立一个无控制点的电子测擞控制网，为市政建设，工程建设提供各种精度 3 、靛实跨蕺建实辩霆键鼹务。 4 、为市政规划、地图更新、地籍管理提供一种全天候快速的技术手段。 ( 二) 其它方面的镶求： l 、地球物理及环境监测的需求： g p s 应用中另个重要方垂楚魅球烧理应震。包摆遮究形变溅霪，重力溅量 应用与电离层监测应用等。她壳形变测薰要求精度较高，相对精度要求达到毫米 薰级甚至受寓。 可持续发展是人类面临的一个熏大课蹶，对环境及地质灾害监测是解决这一 重大谋瑟的先决条件。 地面沉降一直怒影响照明市经济发展的一个羹要匿素。研究资料显示，剽用 连续g p s 技术比传统的水凇测量有明显的逮度快，周期短、精度均匀优势。埔g p $ 测餐配合髫标匿的精密水准量，姆使地匿淀降监测靛总费爆节省2 溅以上，l 筝业 周期可缩短1 5 1 上。同时，连续g p s 参考站也可作为地面沉降监测网的熬准点， 昆明理工大学硕士研究生学位论文 第13 页 为地面沉降观测提供基准连续观测资料。此外，昆明市附近的山体崩塌、泥石流 等对当地经济发展造成了严重的影响。地震及地震活动影响给昆明市附近人民造 成严重的灾害让人们记忆犹新。而一个长年连续观测的基准站网的建立，将为不 间断监测诸如此类的地质灾害及其连续变化提供重要的基础资料。 综上所述，昆明城市g p s 卫星差分系统的建立，将对地球科学研究方面至少带来 以下应用： 大地水准面精化。 地壳变形监测和活断层监测。 变形动力学研究。 通过以上分析，可以清楚的看出：作出昆明市国民社会和经济建设的各种应 用与需求都与高程位置有关，因而，推求和精化昆明市大地水准面，就显得非常 必要和迫切。 2 2 3 昆明城市g p s 卫星差分系统总体规划方案 ( 一) 昆明城市6 p s 卫星差分系统总体规划目标 为满足昆明城市g p s 卫星差分系统的应用需求，满足各类应用系统技术要求， 建立由若干个g p s 连续观测站( 称之为基准站或参考站) 组成的区域g p $ 基准网 ( 或参考站网) ，实现差分导航差分定位与高精度实时动态定位，覆盖全市范围 8 5 以上；建立一个以数据监控、数据存储、数据管理、数据处理与数据发布为目 的并与互联网相连的数据中心；建立一个中心连接各参考站的数据通信系统，满 足实时或准实时基准站监控观测与数据传送要求。 昆明城市g p s 卫星差分系统，将满足下列学科的应用： 1 动态大地基准或参考框架的建立。 2 大地水准面精化。 3 地壳形变( 包括地面沉降) 与大型人工物体( 包括高层建筑) 变形监测。 4 大气科学与气象预报。 5 r s 、g i s 基础数据快速更新。 建议昆明城市g p s 卫星差分系统采取分期实施，逐步扩充、不断完善的原则 进行建设。 昆鹅建王大学琰圭磷炎生擎姣论文篱14 页 ( 二) 毙明镳枣6 p s 卫璧麓分系统惑体瓣划骧裂； 1 、g p s 逡续参考港喇建蹦溅剿 l ，在满是系统技术要求酌条件下糖最少的参考站实现蹑大的入翻及地域粳盖。 2 ，符合6 p $ 连续蕊溺蛞( 参考基准站) 逡站基本要求。 3 有利于工程总体哥标的实现及系统分步建设。 4 连续参考站网的布设要分层次对待。 2 、g p s 基凑蛙通傣鼷及数援发商系统建设滕赠 1 。瀵足6 p s 基准站网数掇遥馈婴求，安全可爨。 2 。满避稻户数撵需求。 3 。有利予工程总体曩探龄实瑰及系统分步建设。 ( 三) 蓖硝城市g p s 卫星蒺分系统技术指标 1 覆盏范阔 蒺分导航：全枣范匿9 0 以上疆蓬。 精密定位：全市8 5 以上覆盖，基准站半经 3 0 k m ；其中枣区熬准蛙半径 1 5 k m 2 。精发 动态参考鏊港：各参考站在全球i t r f 框絮下三缭蠛心坐标分量糟凄饶予 o t m ( 建造予稳定基岩上的蒸准点天线墩不少于4 个，每年提供次) 。 蓦线商量的坐标分羹相对耩魔优子3 1 0 7 。 快速成实时定位：水平5 c m 、垂溉l o c m ( 基准站半径 1 5 k m ) ；水平l o c m 、垂 直t 5 c m ( 基准站半径 3 0 k m ) 。 事后槌对精密定位，变形监测：水平5 勰、囊蠹1 0 哪。 导簸：求平3 臻、蓉轰7 稀( 蓥疆站半径 3 0 溉) ；承平讯、垂誊l 钿( 蒸罐站 半径 9 0 k m ) 。 3 可褥性 譬航：9 5 0 ( 3 6 5 天肉) ，9 5 。o 转( 1 天内) 。 定位：9 5 0 ( 3 6 5 天内) ，9 5 o ( 1 天内) 。 昆明理工大学硕士研究生学位论文第1 5 页 4 完好性 报警时间： 6 s 误报概率： 0 3 2 2 4昆明城市g p s 卫星差分系统设计方案 ( 一) 技术可行性分析： 昆明城市g p s 卫星差分系统的工程实旌，主要依靠g p s 卫星定位导航、数据 通信、计算机网络三大核心技术，加之系统保密措施也是必要的。从上述定位导航 的需求分析，我们考察当前的这些技术能否满足要求： g p s 卫星定位导航技术： 在作用距离小于2 0 0 公里的范围内，用常规差分技术一d g p s 可获得的精度 为0 3 一l o 米，在基础测绘应用方面其精度可达到0 3 一o 5 米。 r t k 技术可获得距参考站2 0 公里范围0 0 1 0 0 5 米的定位精度，基线精度为1 1 0 p p m 。参考站布设，国外研究建议，站间距离为4 0 6 0 公里。这样，在同步 观测6 颗卫星的基础上，用户在网中任意位置观测1 0 1 5 分钟，即可获得0 0 1 0 0 5 米的相对精度定位。 在作用距离小于2 0 公里的范围内，用快速静态差分技术- - r s p 可获得的精度 为0 0 1 - - 0 1 米。 在作用距离小于1 0 公里的范围内，用精密静态差分技术- - p s p 可获得的精度 为0 0 0 1 0 0 0 5 米。 数据通信、计算机网络技术： 系统中g p s 基准站之间，及基准站与数据监控分析中心之间的通信采用市话 线或i s d n ，或者采用微波扩频通信，其通信主频为2 4 g 。上述通信方法的通信速 率最小为4 8 0 0 b p s ，最大可为6 4 kb p s ，能够满足系统通信速率要求。实现系统与 用户通信的技术目前采用因特网，还可采用f m 副载波广播u h f v h f 通信，分别 能满足c d g p s 和r t k 实时性要求。进步可采用g s m 移动电话，也能满足c d g p s 和r t k 实时性要求。 计算机网络主要是计算机硬件、软件和通信协议。协议是标准化的，硬件、 软件可以选择高标准配置，能够满足连续运行基准站网络建设要求。 昆明理工大学硕士研究生学位论文第16 页 系统的安全保密： 系统的安全保密分成两个方面，第一是数据保密问题，第二是系统及其数据 安全保护问题： 1 ) 系统数据保密问题：目前国家尚未有关于米级精度的差分导航 数据限制性使用的法规政策。实际上，国家已经批准交通部海监局2 1 个差分 导航站向世界用户发播r t c m 差分修正数据；此外，国家对实时定位方式也未制定 有关法规限制国内用户使用。如各部委已引进的大量商用r t k 系统，开展石油勘 探、地质、海洋工程、城市测量等工作。因此，昆明城市g p s 卫星差分系统将根 据不同使用权限的用户享用不同系统资源的原则，制定严格法规措施和相应技术 措施，在相关的r t k 实时定位数据格式r t c mv 2 1 和