（道路与铁道工程专业论文）全球定位系统（GPS）实时动态（RTK）技术在公路勘测设计中的应用研究.pdf

摘要 本论文是全球定位系统( g p s ) 用于公路工程测量研究系统的一个子课题，主 要研究将全球定位系统( g p s ) r t k 技术用于公路勘测设计中。 论文简要介绍了g p s 系统的组成、主要工作特点以及在公路工程中的应用现 状；论述了公路工程测量中涉及的时间系统和坐标系统及其坐标系统转换关系： 从g p s 定位的基本原理出发，详细地分析了g p s 定位的主要误差来源并给出了相 应的处理方法：系统地研究了载波相位整周未知数的确定方法。论文结合a s h t e c h z - s u r v e y o r 仪器的使用，全面地研究了公路g p sr t k 测量的作业模式的特点以及 应用g p sr t k 技术进行公路测量( 包括公路平面、纵断面、横断面) 全过程。论 文论述了g p sr t k 与常规全站仪( t p s ) 相结合，解决特殊工程问题，提出了开放 的测量世界( o s w ) 的理念。 关键词：g p s ，r t k ，公路勘测，g p s 控制网，基准站，流动站。 a b s t r a c t t h i st h e s i si sc o n c e r n e do nap a r to ft h er e s e a r c hp r o j e c to ft h eg p s ( g l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m ) i nh i g h w a ys u r v e y i tm a i n l ys t u d i e sh o wt ou s eg p s r t k ( r e a l t i m ek i n e m a t i c ) i nh i g h w a ys u r v e ya n d d e s i g n t h et h e s i st h i e fi n t r o d u c e st h ec o m p o s i t i o no fg p sa n dc h a r a c t e r i s t i co fw o r ka n d a p p l i c a t i o nc u r r e n ts i t u a t i o ni nh i g h w a ye n g i n e e r i n g i td i s c u s s e dt h et i m es y s t e ma n d c o o r d i n a t e ss y s t e mi n v o l v e di nh i g h w a ya n dc o n v e r s i o ni nc o o r d i n a t e ss y s t e m b a s eo n t h eb a s i cp r i n c i p l eo fg p sp o s i t i o n p r i n c i p l e ，t h e s a u c eo fm a i ne r r o ri ng p s p o s i t i o n i n gi sd e t a i l e da n a l y s i si nt h i sp a p e ra n dt h ec o r r e s p o n d i n gt r e a t m e n tm e t h o di s g i v e n i ts y s t e m a t i cr e s e a r c h e dt h em e t h o do fd e f i n i t ei nc a r r i e rp h a s ea m b i g u i t y t h i s p a p e rc o m b i n e sw i t ht h eu s eo ft h ea s h t e c hz s u r v e y o ri n s t r u m e n t ，m a k eao v e r a l l r e s e a r c hi nc h a r a c t e r i s t i co ft h ew o r kp a t t e mo fh i g h w a yg p sr t kt e c h n o l o g yi n h i g h w a ys u r v e y ( i n c l u d e sh i g h w a yl e v e l ，v e r t i c a ls e c t i o n ，c r o s ss e c t i o n ) t h et h e s i s d e s c r i b e si n t e g r a t i o no fg p sr t ka n dt o t a lp o s i t i o ns y s t e m ( t p s ) t os o l v et h e p a r t i c u l a re n g i n e e r i n gp r o b l e m s an e wi d e a o ft h eo s w ( o p e ns u r v e yw o r l d ) i s d e v e l o p e d k e y w o r d s ：g p s ，r t k ，h i g h w a ys u r v e y , g p s c o n t r o l n e t w o r k ，b a s es t a t i o n ， m o v i n g s t a t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 译触渺为妒6 年r 月日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 沦文作者签名：诲础弛 洲签名：坼铭 加6 年f 月吕日 冽6 年f 月，譬日 第一章绪论 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，简称g p s ) 是美国陆海空三 军联合研制的卫星导航系统，具有全球性、全天候、连续性、实时性导航定位和 定时功能，能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。单点导航定位与相 对测地定位是g p s 应用的两个方面，对常规测量而言，相对测地定位是主要的应 用方式。 1 1 前言 1 1 i 公路勘测设计技术的发展概况 按照公路设计过程划分，公路测设分为勘测( 外业) 和设计( 内业) 两大部 分。勘测部分的技术发展主要是地形数据采集的自动化和高精度，这取决于各种 新技术、先进设备的支持：设计部分主要取决于计算机硬、软件环境和c a d 研究 与应用水平的提高。目前，能直接为公路勘测设计提供技术支持的首推：全球定 位系统( g p s ) 、航空摄影、遥感和计算机等高新技术及这些技术的集成。 科学的产生和发展是由生产决定的。公路勘测设计技术也不例外，它是人类 长期以来，在生活和生产方面与自然界斗争的结晶。由于生活和生产的需要，在 社会生产力低下、交通工具简陋的简单时期，道路的功能主要是行人、马车运输 和一些军事方面的需要，测量工作就被用于实际，但由于当时测量技术落后，所 以道路测设技术简单。 1 7 世纪以来，望远镜的应用，为测量科学的发展开拓了光明前景，使测量 方法、测量仪器有了重大的改变，西方发达国家先后设计生产了水准仪、经纬仪 等测量仪器，并将这些技术用于道路测设中，人们在道路设计方面也逐步引用高 程、坡度等概念，进而发展成为比较全面的设计理论和方法。 1 9 0 3 年飞机的发明，使摄影测量成为可能，不但使成图工作提高了速度， 缩短了周期，减轻了劳动强度，而且改变了测绘地形图的工作状况，为由手工业 生产方式向自动化方式转化开创了光明的前景。与此同时，航空摄影测量技术也 用于道路选线当中。二战时期，由于汽车工业的发展和军事上的需要，道路测设 技术得到全面发展。其后，随着计算机技术的飞速发展，一门新兴的公路设计新 技术道路c a d 诞生了。 2 0 世纪中叶，新的科学技术得到了快速发展，特别是电子学、信息学、电 子计算机科学和空间科学等，在其自身发展的同时，给测量科学的发展开拓了广 阔的道路，创造了发展的条件，推动着测量技术和仪器的变革和进步。2 0 世纪 8 0 年代，全球定位系统( g p s ) 问世，采用卫星直接进行空间点的三维定位，引 起了测绘工作重大变革。由于卫星定位具有全球性、全天候、快速、高精度和无 需建立高标等优点，被广泛用在大地测量、工程测量、地形测量及军事的导航定 位上。除了美国研制g p s 定位系统外，前苏联研制了g l o n a s s 定位系统，还有欧 洲空间局的全球卫星导航系统( n a v s a t d ) 等都开展了工作。我国也在进行卫星 导航定位系统的研究，所研制的双星定位系统已有很大进展，不久即将问世。为 公路测设水平的进一步提高提供了广阔的发展空间。 数字化测绘技术的形成标志着现代数字测设时期的到来。发达国家在2 0 世 纪7 0 年代就先后发展起成功的数字化测设技术。应用电子速测仪、航空摄影测 量、g p s 等技术建立了数字地形图，通过计算机在数模上进行路线设计。目前， 我国己初步形成一种以3 s ( g p s 、g i s 、r s ) 技术为支撑，以数字高程模型( d e m ) 、 数字栅格地图( d r g ) 、数字正射影像图( d o m ) 、数字线化图( d l g ) ，简称“4 d ” 产品为代表的数字测绘产品规模化生产格局，自行开发研制出全数字化摄影测量 系统等一批具有世界先进水平的科研成果。路线c a d 技术正向集成化、智能化发 展。数字化测图技术与智能c a d 的有机结合，使公路测设技术达到现代化水平。 1 1 2 全球定位系统( g p s ) 的发展及在公路工程中的应用 1 全球定位系统( g p s ) 的发展 全球定位系统( g p s ) 是美国国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空 中设施进行高精度导航和定位的要求而建立的，该系统于二十世纪七十年代开始 设计、研制，历经2 0 年，耗资3 0 0 亿美金，于1 9 9 3 年全部建成。 g p s 作为新一代卫星导航与定位系统，不仅具有全球性、全天候、连续的精 密三维导航与定位功能，而且具有良好的抗干扰性和保密性。因此，发展全球定 位系统( g p s ) 已成为美国导航技术现代化的重要标志。全球定位系统( g p s ) 的 迅速发展，引起了各国军事部门和广大民用部门的普遍关注。g p s 定位技术的高 度自动化及其所达到的高精度，也引起了广大测量工作者的极大兴趣。全球定位 系统( g p s ) 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 都取得了迅速发展。 目前，g p s 精密定位技术已经广泛地渗透到经济建设和科学技术的许多领域， 尤其对经典测量学的各个方面产生了极其深刻的影响。它在大地测量学及其相关 学科领域，如地球动力学、海洋大地测量、资源勘察、航空与卫星遥感、工程变 形监测、运动物体测速以及精密时间传递等方面的广泛应用，充分显示了这一卫 星定位技术的高精度和高效益。 近年来，g p s 精密定位技术在我国也已得到蓬勃发展。在我国大地测量、精 密工程测量、地壳运动监测、资源勘察和城市控制网的改造、公路工程测量等方 面的应用及其取得的成功经验，进一步展示了g p s 精密定位技术的显著优越性和 巨大潜力。 2 全球定位系统( g p s ) 技术在公路工程中的应用现状 全球定位系统( g p s ) 技术在公路工程测量中的应用也十分广泛，具体表现 主要有以下几个方面： ( 1 ) 静态g p s 相对定位的应用 静态相对定位就是至少有两台接收机同时接受卫星信号，经过卫星信号的处 理可精确计算出点在w g s 一8 4 地心坐标系的三维坐标差，根据其中一点的坐标可 推算出另一点的坐标。由于静态相对定位精度高，因此广泛应用于形变监测、大 地测量、城市与工程测量领域。同样，静态g p s 相对定位也用于线路勘测中，目 前主要用于建立路线控制测量和桥隧控制测量以及测定航测像片外部控制点。 随着高等级道路的兴建，对路线勘测提出了更高的要求，由于路线长而已知 点少，因此用常规手段不仅布网困难而且难以满足高精度的要求，而g p s 高精度 的特点正好可以满足这一要求。目前国内已逐步采用g p s 技术建立路线首级控制 网。在沪杭、沪宁、石太等高速公路中都应用了g p s 定位技术建立首级控 制网，然后用常规方法布设导线加密。实践证明，在几十公里范围内绝对点位误 差高达2 c m 左右，达到了常规方法难以实现的精度，同时大大地缩短了工期。g p s 技术同样也应用于特大桥梁和隧道贯通的控制测量中，由于无需通视，可构成较 强的图形结构，特别是对常规测量中无校核的支点的测量提供了方便。首先用常 规测量建立了高精度的边角网，然后利用g p s 技术对该网进行检测，g p s 检测网 的精度达到了毫米级，与常规测量的结果符合很好，取得了很好的效果。长梁山 隧道贯通的洞外控制测量采用g p s 定位技术施测，节省了许多人力物力，保证了 工程的进度，取得了良好的经济效益和社会效益。 g p s 以同样的优点应用于航测外部控制点的测定。近年来航测在铁路、公路 建设中发挥了重要的作用，如京九铁路、深圳地铁、广深珠高速公路等工程 中都应用了航测成图和选线。目前的航测成图对每对像对都需要一定数量的外部 共同控制点，以进行像片的内业纠正，而用常规方法测定这些点的平面位置和高 程需要很多过渡点，不仅时间周期长，而且精度难以保证，另外还会出现不少无 检核的支点，易发生错误。利用g p s 测定航n # i - 控点，可直接构成网形，精度高、 速度快且可以适当加入检核条件，具有较高的可靠性。在用g p s 测定外控点的同 时用常规方法测定各点的高程，通过两种方法所测成果的比较说明，只要适当布 设g p s 水准点，g p s 测量成果在高程上能满足航测成图的要求。深圳地铁工程建 设中，沿线带状地形图采用了航测成图方法，由于时间紧，通视困难，常规测量 方法测定所有外控点工作量极大，而采用g p s 定位技术，尽管观测条件差，但在 2 0 天的时间内完成了绝大多数外控点的测定工作，为提前工期做出了贡献。 ( 2 ) 动态g p s 相对定位的应用 动态g p s 相对定位就是将一台g p s 接收机置于基准站不动。而另一台( 或几 台) g p s 接收机处于运动状态，根据基准站与流动站信号的差分可解算出流动站 各时刻的位置参数。 动态g p s 相对定位应用于道路勘测在国内刚刚起步，国外在这方面的研究已 取得了一些成果。加拿大卡尔加里大学设计了一种动态定位系统，该系统包括一 台联接式惯性系统、两台g p s 接收机和一台计算机，可用于道路线性的测定，为 养护工作服务。该系统对行进中的汽车定位精度为1 0 1 5 c m ，测定道路坡度的 精度为0 1 ，平竖曲线的曲率可以每4 0 m 小于o 1 。的精度求得，对于一台车速 为每小时8 0 公里的车辆，沿路每3 5 m 即可获得包括坐标、坡度。横向坡度和平 竖曲线曲率的一组数据，可取得道路竣工测量资料，因测量迅速，对交通繁忙的 道路定期复测也有了可能。奥地利研制出了一种用g p s 作为测量手段之一的 e m s a t 测量车，可实现测定火车轨道的几何形状，为轨道养护提供数据。德国和 加拿大还试验成功了无需航测外控点的航空摄影测量，只需机载g p s 动态测量， 用载波相位差分法测定航片的外方位元素，大大的提高了工作效率。 3 全球定位系统( g p s ) 技术在公路工程中应用的前景 ( 1 ) 静态g p s 相对定位的应用前景 在今后的路线勘测中，静态定位技术的应用将在相当广泛的范围内逐步取 代常规测量方法，从首级控制到一、二级导线，从路线控制到航测控制测量，从 隧道外控制到特大桥梁的施工控制测量等。随着应用理论研究的深入以及作业规 范的建立与完善，静态将更好的为路线和桥隧工程中的控制测量服务。在工程控 制测量中，g p s 具有联测远距离已知点而无需点间通视的优点，t p s ( t o t a i s t a r i o np o s i t i o ns y s t e m ) 全站仪定位系统有机动灵活，短距离测量速度快，相 对精度较高，便于指导工程施工等特点。因此，在施工控制网中，如何发挥g p s 和t p s 的各自优势，快速布设精度较均匀的控制网，已成为g p s 在过程中应用的 一个重要的研究方向。 静态g p s 相对定位也是动态差分定位的基础。在动态差分测量中，有其中 一个是基准站( 参考站) ，它的基准数据往往都是通过静态相对定位获得的，通 过静态相对定位可以建立动态差分的基准站网络，然后才能进行动态差分定位。 ( 2 ) 动态g p s 定位的应用前景 目前，在国内动态g p s 应用于路线勘测不是很多，是今后的一个研究方向。 动态g p s 的应用将为路线勘测技术带来较大的变革。动态g p s 的应用前景主要有 以下两个方面： 采用g p s 辅助航测成图及建立模型 航测成图要求每对像对需要4 6 个控制点，为测定这些点的平面坐标和高 程需花费大量的时间、人力和物力，而采用g p s 辅助航测成图，可以利用g p s 测定摄影中心的三维空间坐标，只需要少量的地面控制点便可以达到像片控制的 目的，可大大提高工作效率。g p s 辅助的航测用于公路测设已由交通部于1 9 9 6 年2 月列为“九五”国家重点科技攻关课题。在该项目中，主要研究机载g p s 测量中卫星的失锁、周跳的探测和修复理论，研究数字摄影测量中的影像相关技 术，研究成果可减少野外测量工作量的5 0 以上，能快速生成数字地面模型， 生成较大比例尺的地形图和正射投影图，生成地面影像景观图，能够支持路线方 案的三维几何设计，为路线工程设计打下良好的基础。 q g p sr t k 技术与全站仪相结合 r t k ( r e a lt i m ek i n e m a t i c ) 是实时载波相位测量的简称，它可以达到厘米 级的钡4 量精度，因具有实时性而保证了观测数据的质量，可用于野外观测数据的 采集、中线测量、纵横断面测量等方面。若充分发挥g p s 无需通视以及全站仪灵 活方便的优点，把两者相结合，可以满足各种场合测量工作的需要，并大大加快 观测速度，提高观测质量，形成新一代的路线勘测系统。因此，r t k 与全站仪相 结合的应用是路线勘测技术发展的一个重要方向，它不仅能为设计提供良好的基 础，而且能满足施工测量、监理、竣工测量、养护测量、g i s 前端数据采集的需 要。g p s 与t p s 结合完成从初测到定测以至施工测量竣工测量的全过程，因此， 这样的系统更适合我国国情，易于被生产单位接受和采纳。 勘测是设计的基础，目前我国路线勘测的水平不是很高，集成化、系统化 的程度不高，与世界先进水平相比还有一定的差距，不能适应公路建设对勘测设 计的要求，而公路工程设计的瓶颈是数据采集。现在，地面原始数据的采集已开 始采用g p s 、航测、全站仪等多种现代化的高效的数据采集手段。因此，上述动 态g p s 的两个应用领域为充分，c a d 的强大功能提供了良好的前景。 1 2 主要的研究内容 g p $ 在各行各业得到了广泛的应用。g p s 己在公路工程中得到很好的应用， 如何更好地发挥g p s 的作用，提高工作效率，从理论到实践仍有较大的距离。公 路勘测对测量不仅要求高而且有其特殊性。本论文是全球定位系统( g p s ) 用于 公路工程测量研究系统的一个子课题。主要研究内容是将全球定位系统( g p s ) r t k 技术用于公路勘测设计中，并从g p s 观测量出发，研究了g p s 定位原理，分 析了测量误差产生的原因以及提高精度的方法，得出了一些有益的结论。全文分 为六章。各章主要研究内容如下： 第一章绪论介绍了公路勘测设计技术的发展概况，分析了g p s 在公路工 程测量中的应用现状与前景。 第二章全球定位系统( g p s ) 定位的观测量及误差分析介绍了全球定位 系统( g p s ) 的组成，从g p s 的观测量入手分析了g p s 定位的主要误差源。研究 伪距测量、载波相位测量的基本理论。 第三章全球定位系统( g p s ) 中的坐标系统和坐标转换研究全球定位系 统( g p s ) 中坐标系统的分类、g p s 坐标系统及其各系统之间的坐标转换。 第四章全球定位系统( g p s ) 定位原理研究全球定位系统( g p s ) 的定位 原理，分析了观测卫星的几何分布及其对绝对定位精度的影响以及整周未知数的 确定方法。 第五章实时动态( r t k ) g p s 测量的原理及其在公路勘测设计中的应用介 绍了g p s 实时动态( r t k ) 的基本原理及其系统构成，研究了公路g p sr t k 测量的 作业模式的特点以及应用g p sr t k 技术进行公路测量( 包括公路平面、纵断面、 横断面) ，研究g p sr t k 与常规全站仪( t p s ) 相结合，解决特殊工程问题。 第六章结束语本文的总结，综述了全文的结果，指出了进一步要研究的 工作。 第二章全球定位系统( g p s ) 定位原理 2 1 全球定位系统( g p s ) 的组成 全球定位系统( g p s ) 是随着现代科学技术的迅速发展而建立起来的新一代 精密卫星定位系统。 全球定位系统( 6 p s ) 主要由g p s 空间卫星部分( 卫星星座) 、地面监控部分 和用户设备部分三部分组成。 2 1 1 空间卫星部分 1 g p s 卫星星座， 如图2 1 ，g p s 卫星星座由2 4 颗卫星组成， 其中有2 1 颗工作卫星，3 颗备用卫星。工作卫 星分布在6 个近似圆形轨道面内，每个轨道上 有4 颗卫星。卫星轨道面相对地球赤道面的倾 角约为5 5 。，各轨道平面升交点赤经相差6 0 0 ， 在相邻轨道上，卫星的升交距角相差3 0 0 。轨道 平均高度约为2 0 2 0 0 k m ，卫星运行周期为11 小 时5 8 分。因此，同一观测站上，每天出现的卫 星分布图形相同，只是每天提前约4 分钟。每 图2 - 1g p s 卫星星座 颗卫星每天约有5 小时在地平线以上，同时在地平线以上的卫星数目，随时间和 地点而异，最少有4 颗，最多可达1 1 颗。这样的布设方案将保证在世界任何地 方、任何时间，都可进行实时三维定位。 2 g p s 卫星及功能 g p s 卫星主体呈圆柱形，直径为1 5 m ，重约7 7 4 k g ( 包括3 1 0 k g 燃料) ，两侧 设有两块双叶太阳能板，能自动对日定向，以提供卫星正常工作用电。每颗卫星 装有4 台高精度原子钟( 2 台铷钟和2 台铯钟) ，这是卫星的核心设备。它将发 射标准频率信号，为g p s 测量提供高精度的时间标准。 g p s 卫星的主要功能是接收并存储由地面监控站发来的导航信息；接收并执 行主控站发出的控制命令，如调整卫星姿态，启用备用卫星等；向用户连续发送 卫星导航定位所需信息，如卫星轨道参数、卫星健康状态及卫星信号发射时间标 准等。 3 g p s 卫星信号的组成 g p s 卫星向地面发射的信号是经过二次调制的组合信息。它是由铷钟和铯钟 提供的基准信息( ，2 l o 2 3 m h z ) ，经过分频或倍频产生d ( ，) 码( 5 0 h z ) 、c a 码 ( 1 0 2 3 m h z ，波长2 9 3 m ) 、p 码( i 0 2 3 m h z ，波长2 9 3 m ) 、l 。载波( j 1 = 1 5 7 5 4 2 m h z ， = 1 9 5 0 c m ) 和l 载波( = 1 2 2 7 。6 0 m h z ，a 2 = 2 4 4 5 c m ) 。d ( f ) 码是卫星导航 电文，其中含有卫星广播星历( 它是以6 个开普勒轨道参数和9 个反映轨道摄动 力影响的参数组成) 和空中2 4 颗卫星历书( 卫星概略坐标) 。利用广播星历可以 计算卫星空间坐标( x s i ，y s i ，z s i ) 。 c a 码是用于快速捕获卫星的码，不同卫星有不同的c a 码。d ( t ) 码与c a 码或p ( 码) 模二相加，然后再分别调制在l l ，l 2 载波上，合成后向地面发射。 2 1 2 地面监控部分 地面监控部分是由分布在美国本土和三 大洋的美军基地上的5 个地面站组成。按功 能可分为监测站、主控站和注入站三种。 1 监测站 现有5 个地面站均具有监测站的功能。 监测站是在主控站直接控制下的数据自 动采集中心。站内设有双频g p s 接收机、高 精度原子钟、计算机各一台和若干台环境 0 、n j 。 拦8 圈2 - 2 地面控制部分各站分布图 数据传感器。接收机对g p s 卫星进行连续观测，以采集数据和监测卫星的工作状 态。原子钟提供时间标准，而环境传感器收集有关当地的气象数据。所有观测资 料由计算机进行处理，并存储和传送到主控站，用以确定卫星的轨道。 2 主控站 主控站一个，设在美国本土科罗拉多。它除了协调管理地面监控系统外，还 负责将监测站的观测资料联合处理，推算卫星星历、卫星钟差和大气层的修正参 数，并将这些数据编制成导航电文传送到注入站。另外它还可以调整偏离轨道的 卫星，使之沿预定轨道运行和启用备用卫星。 3 注入站 注入站有3 个，设在南大西洋的阿松森岛、印度洋的迭哥伽西亚和南太平洋 的卡瓦加兰。注入站的主要设备，包括一台直径为3 6 m 的天线、一台c 波段发 射机和一台计算机。其主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫 星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并监 测注入信息的正确性。 整个g p s 的地面监控部分，除主控站外均无人值守。各站之间用现代化通信 网络联系起来，在原予钟和计算机的驱动和精确控制下，各站实现了高度的自动 化和标准化。 2 1 3 用户设备部分 全球定位系统的空间部分和地面监控部分，是用户应用该系统进行定位的基 础，而用户只有通过用户设备，才能实现应用g p s 的目的。 全球定位系统的用户设备部分，包括g p s 接收机硬件、数据处理软件和微处 理器及其终端设备等。工作原理如图2 - 3 所示。 g p s 信号接收机是 用户设备部分的核心，一 般由主机、天线和电源三 部分组成。其主要功能是 跟踪接收g p s 卫星发射 的信号并进行变换、放 大、处理，以便测量出 g p s 信号从卫星到接收 机天线的传播时间；解译 导航电文，实时地计算测 矗据辅l h 图2 - 3g p s 接收机的工作原理 站点的三维位置，甚至三维速度和时间。g p s 接收机根据接收的卫星信号频率， 又可分为单频( l 。) 和双频( l ，l 2 ) 接收机等。 在精密定位测量工作中，一般均采用大地型双频机或单频接收机。单频接收 机适用于l o k m 左右或更短距离的精密定位工作，其相对定位的精度能达 5 m m + l p p m d ( d 为基线长度，以k m 计) 。而双频接收机由于能同时接收到卫星发 射的两种频率( l t = 1 5 7 5 4 2 m h z 和l 2 = 1 2 2 7 6 0 m h z ) 的载波信号，故可进行长距离 的精密定位工作，其相对定位的精度可优于5 m m + l p p m d 。用于精密定位测量工 作的g p s 接收机，其观测数据必需进行后期处理。因此必须配有功能完善的后处 理软件，才能求得所需测站点的三维坐标。 用户设备的主要任务是接收g p s 卫星发射的无线电信号，以获得必要的定位 信息及观测量，并经数据处理而完成定位工作。 2 2g p s 定位的方法与观测量 2 2 1g p s 定位方法的分类 利用g p s 进行定位的方法有多种，按参考点的不同位置，可分为 ( 1 ) 绝对定位( 或单点定位) 即在地球协议坐标系统中，确定观测点相 9 对地球质心的位置。这时，可认为参考点与地球质心相重合。 ( 2 )相对定位即在地球协议坐标系统中，确定观测点与某一地面参考 点之间的相对位置。 如果按用户接收机在定位过程中所处的状态，则定位方法可分为 ( 1 ) 静态定位即在定位过程中，接收机的位置是固定的，处于静止状态。 ( 2 ) 动态定位即在定位过程中，接收机天线处于运动状态。 而在绝对定位和相对定位中，又都包括静态和动态两种方式。 2 2 2g p s 定位的观测量 利用g p s 定位，无论采取何种方法，都是通过观测g p s 卫星而获得的某种观 测量来实现的。g p s 卫星信号含有多种定位信息，根据不同的要求，可以从中获 得不同的观测量。目前，广泛采用的基本观测量主要有两种，即码相位观测量和 载波相位观测量。 1 码相位观测：即测量g p s 卫星发射的测距码信号( c a 码或p 码) ，到达 用户接收机天线( 观测站) 的传播时间，因此这种观测方法也称为时间延迟测量。 为了测量码信号的时间延迟，需要在用户接收机内复制测距码信号，并通过接收 机的时间延迟器进行相移，以使复制的码信号与接收到的相应码信号达到最大相 关，即使其相应的码元对齐。为此，所必须的相移量，便是卫星反射的码信号达 到接收机天线的传播时间，即时间延迟。在卫星钟与接收机钟完全同步，并且忽 略大气折射影响的情况下，所得到的时间延迟乘以光速，便为所测卫星的信号发 射天线至用户接收机天线之问的几何距离，简称为所测卫星至观测站之间的几何 距离。即 石= c f( 2 1 ) 由于卫星钟、接收机钟的误差及无线电信号经过电离层和对流层的延迟，因 此，测出的距离p 与实际的卫星到接收机距离有误差。一般称此距离为伪距，通 过c a 码相位进行测量的为c a 码伪距，对p 码相位进行测量的为p 码伪距。接 收机的复制码与其接收的相应码的相关( 对齐) 精度，约为码元宽度( 或码的波 长) 的1 。对c a 码来说，由于其码元宽度约为2 9 3 m ，所以其观测精度约为2 9 m ： 而p 码的码元宽度为2 9 3 m ，其观测精度约为0 2 9 m ，比c a 码的观测精度约高 1 0 倍。所以，有时也将c a 码称为粗码，p 码称为精码。 0 2 载波相位观测：即测量接收机接收到的具 有多普勒频移的载波信号，与接收机产生的参 考载波信号之间的相位差。若以妒( ，) 表示卫星 s 于历元，。发射的载波信号相位：妒( f 。) 表示接 收机t 。于历元，的参考信号相位，同时考虑到 接收信号的相位与卫星发射信号的相位相等 ( 如图2 4 ) ，则上述相位差可表示为 中f = 识( t j ) 一妒( f 。) 图2 4 载波相位观测 ( 2 - 2 ) 由于载波的波长远小于码的波长，所以在分辨率相同的情况下，载波相位的 观测精度远比码相位的观测精度为高。例如，对载波l 。而言，其波长为1 9 c m ， 所以相应的观测误差约为2 0 r a m ；而对载波l ：的相对误差为2 5 m m 。载波相位观 测，是目前最精确的观测方法，对精密定位工作有极为重要的意义。同样，在 卫星钟与接收机钟严格同步，并且忽略大气折射影响的情况下，如果载波的整周 未知数已经确定，则载波相位差乘以相应的载波波长，也可以确定观测站至所测 卫星之间的几何距离。 由于全球定位系统采用了单程测距原理，所以，要准确地测定卫星至观测站 的距离，就必须使卫星钟与用户接收机钟保持严格同步，但在实践中这是难以实 现的。因此，实际上，通过上述码相位观测或载波相位观测，所确定的卫星至观 测站的距离，都不可避免地含有卫星钟和接收机钟非同步误差的影响。为了与上 述的几何距离相区别，这种含有钟差影响的距离，通常均称为“伪距”，并把它 视为g p s 定位的基本观测量。 为了叙述方便，将由码相位观测所确定的伪距，简称为测码伪距，而由载波 相位观测所确定的伪距，简称为测相伪距。 2 3 观测量的误差来源及其影响 2 3 1 误差的分类 在g p s 定位中，影响观测量精度的主要误差来源，可分为三类 ( 1 ) 与g p s 卫星有关的误差； ( 2 ) 与信号传播有关的误差： ( 3 ) 与接收设备有关的误差； ( 4 ) 其它误差。 这些误差的细节及其影响参见表2 1 。把各种误差的影响，投影到观测站至 卫星的距离上，以相应的距离误差表示，并称为等效距离偏差。表2 - 1 所列对观 测距离的影响，即为与相应误差等效的距离偏差。 测码伪距的测量误差表2 - 1 对伪距测量的影响( m ) 误差来源 p 码 c a 码 卫星部分 星历误差与模型误差 4 24 2 钟差与稳定性3 0 3 o 卫星摄动 1 01 0 相位不确定性 0 50 5 其它 0 9o 9 合计5 45 4 信号传播 电离层折射 2 35 o 1 0 0 对流层折射 2 02 0 多路径效应 l21 2 其它 0 5o 5 合计3 35 5 1 0 3 信号接收 接收机噪音 1 075 其它 0 50 5 合计 1 18 0 总计 6 41 08 - 1 3 8 根据误差的性质，上述误差可分为系统误差与偶然误差两类： ( 1 ) 系统误差 系统性的误差，主要包括卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及大气 折射的误差等。为了减弱和修正系统误差对观测量的影响，一般根据系统误差产 生的原因而采取不同的措施，其中包括 引入相应的未知参数，在数据处理中联同其它未知参数一并解算； 建立系统误差模型，对观测量加以修正； 将不同观测站，对相同卫星的同步观测值求差，以减弱或消除系统误差的 影响； 简单地忽略某些系统误差的影响。 ( 2 ) 偶然误差 偶然误差，主要包括信号的多路径效应引起的误差和观测误差等。 2 3 2 与卫星有关的误差 与g p s 卫星有关的误差，主要包括卫星的轨道误差和卫星钟的误差。 1 卫星钟差 由于卫星的位置是时间的函数，所以g p s 的观测量，均以精密测时为依据。 而与卫星位置相应的时间信息，是通过卫星信号的编码信息传送给用户的。在 g p s 定位中，无论是码相位观测或载波相位观测，均要求卫星钟与接收机钟保持 严格同步。实际上，尽管g p s 卫星均设有高精度的原子钟( 铷钟和铯钟) ，但它 们与理想的g p s 时之间，仍存在着难以避免的偏差或漂移。这种偏差的总量约在 l m s 以内，因此引起的等效距离误差，约可达3 0 0 k m 。 对于卫星钟的这种偏差，一般可以通过对卫星钟运行状态的连续监测，而精 确地确定，并表示为以下二阶多项式的形式： 3 t = 口o + 口l o t o e ) + 口2 ( f f “) ( 2 3 ) 其中，f 。为参考历元；为卫星钟的钟差：g 。为卫星钟的钟速( 或频率偏差) ； 啦为卫星钟的钟速变率( 或老化率) 。 这些数值，由卫星的主控站测定，并通过卫星的导航电文提供给用户。 经以上钟差模型改正后，各卫星钟之间的同步差，可保持在2 n s 以内，由此 引起的等效距离偏差将不会超过6 m 。卫星钟差或经改正后的残差，在相对定位 中，可以通过观测量求差( 或差分) 的方法消除。 2 卫星轨道偏差 估计与处理卫星的轨道误差一般比较困难，其主要原因是，卫星在运行中要 受到多种摄动力的复杂影响，而通过地面监测站，又难以充分可靠地测定这些作 用力，并掌握它们的作用规律。 卫星的轨道误差，是当前利用g p s 定位的重要误差来源之一。g p s 卫星距地 面观测站的最大距离约为2 5 0 0 0 k m ，如果基线测量的允许误差为l c m ，则当基线 长度不同时，允许的轨道误差大致如表2 2 所示。可见，在相对定位中，随着基 线长度的增加，卫星轨道误差将成为影响定位精度的主要因素。 基线长度与容许轨道误差表2 - 2 基线长度( k )基线相对误差( 1 0 1 )容许轨道误差( m ) 1 01 02 5 0 0 1 0 01 02 5 0 1 0 0 00 12 5 1 0 0 0 00 0 10 2 5 在g p s 定位中，根据不同的要求，处理卫星轨道误差的方法原则上有三种： 忽略轨道误差。这时简单地认为，由导航电文所获知的卫星轨道信息， 是不含误差的。很显然，这时卫星轨道实际存在的误差，将成为影响定位精度的 主要因素之一。这一方法，广泛地应用于实时单点定位工作。 采用轨道改进法处理观测数据。这一方法地基本思想是，在数据处理中， 引入表征卫星轨道偏差地改正参数，并假设在短时间内这些参数为常量，将其作 为待估量与其它未知参数一并求解。 同步观测值求差。这一方法，是利用在两个或多个观测站上，对同一卫 星的同步观测值求差，以减弱卫星轨道误差的影响。由于同一卫星的位置误差， 对不同观测站同步观测量的影响，具有系统性质，所以通过求差的方法，可以明 显地减弱卫星轨道误差的影响，尤其当基线较短时，其有效性更为明显。这种方 法，对于精密相对定位，具有极其重要的意义。 2 3 3 卫星信号的传播误差 与卫星信号传播有关的误差，主要包括大气折射误差和多路径效应。 g p s 卫星发射的电磁波信号达到地面接收机，所传播的空间并不是真空，而 要穿过性质与状态各异，且不稳定的若干大气层，所以，相对真空来说，这些因 素可能改变电磁波传播的方向、速度和强度，这种现象称为大气折射。 众所周知，地球的表面被一层很厚的大气所包围，而大气在垂直方向的物理 性质有很大的差异。根据对电磁波传播的不同影响，一般可将大气层分为对流层 和电离层。 1 电离层折射的影响 电离层分布于地球大气层的顶部，约在地面向上5 0 1 0 0 0 k m 范围的大气层。 由于受到太阳等天体的各种射线辐射，电离层中的气体分子发生电离，形成大量 的自由电子和正离子。当g p s 卫星信号通过电离层时，将受到这一介质弥散特性 的影响，使信号的传播路径发生弯曲，传播速度也会发生变化。所以，信号的传 播时间与真空中光速的乘积并不等于卫星至接收机的几何距离，该偏差称为电离 层折射误差。假设，由此引起电磁波信号传播路径的变化为，则 ，= ，如一1 协 ( 2 4 ) 其中，n 为电离层的折射率，s 为信号的传播路径。 对码相位观测 小。眈s 笋 浯s ， 对载波相位观测 小m 2 s 笋 e ， 其中，为信号传播路径上的电子总量。可见，电离层对信号传播路径影响的 大小，主要取决于电子总量和信号的频率f 。 对于g p s 卫星信号来说，在夜间当卫星处于天顶方向时，电离层折射对信号 传播路径的影响将小于5 m ；而在日间正午前后，当卫星接近地平线时，其影响 大于1 5 0 m 。为了减弱电离层的影响，在g p s 定位中常采用以下措施： 利用双频观测 由于电离层的影响是信号频率的函数，所以，利用不同频率的电磁波信号进 行观测，便可确定其影响的大小，以便对观测量加以修正。 假设，垃乜，) 为用厶载波的码相位观测时，电离层对距离观测值的影响， 而无和死分别为根据载波厶和三：的码观测所得到的伪距，并取印= 无一瓦， 于是有 垃乜1 ) = 一1 5 4 5 7 f i p ( 2 7 ) 对于载波相位观测量的影响有 却 乜) = - 1 5 4 5 7 ( f o - 1 2 8 3 3 c p i ：) ( 2 8 ) 其中，却。乜。) 为用频率z 的载波观测时，电离层折射对相位观测量的影响； 和妒。为相应于工和 的载波相位观测量。 实践表明，利用模型( 2 7 ) 和( 2 8 ) 进行修正，其消除电离层影响的有效 性不低于9 5 。因此，具有双频的g p s 接收机，在精密定位工作中得到广泛应 用。 利用电离层模型加以修正 对于单频g p s 接收机用户，为了减弱电离层的影响，一般是采用由导航电文 所提供的电离层模型，或其它适宜的电离层模型对观测量加以改正。目前模型改 正的有效性约为7 5 。 利用同步观测值求差 这一方法，是利用两台或多台接收机，对同一组卫星的同步观测值求差，以 减弱电离层折射的影响。尤其当观测站的距离较近时( 例如小于2 0 k m ) 由于卫 星信号到达不同观测站的路径相近，所经过的介质状况相似，所以，通过不同观 测站对卫星的同步观测值求差，便可显著地减弱电离层折射影响，其残差将不会 超过1 0 “。这一方法特别适合单频g p s 接收机的用户。 2 对流层折射的影响 对流层是指从地面向上约4 0 k m 范围内的大气底层，其大气密度比电离层大， 大气状态也更复杂。由于地面辐射热能的影响，对流层的温度随高度的上升而降 低，当g p s 信号通过对流层时，传播路径发生弯曲，从而使距离产生偏差，这种 偏差称为对流层折射误差。 由于对流层的介质对g p s 信号没有弥散效应，所以其群折射与相对折射率可 以认为相等。对流层折射对观测值的影响，可分为干分量和湿分量两部分，干分 量主要与大气的温度和压力有关，而湿分量主要与信号传播路径上的大气湿度和 高度有关。当卫星处于天顶方向时，对流层千分量对距离观测值的影响，约占对 流层影响的9 0 ，且这种影响可以应用地面的大气资料计算。若地面平均大气 压力1 0 1 3 m b a r ，则在天顶方向，干分量对所测距离的影响约为2 3 m ，而当高角度 为l o 。时，其影响约为2 0 m 。湿分量的影响虽数值不大，但由于难以可靠地确定 信号传播路径上地大气物理参数，所以湿分量尚无法准确地测定。 关于对流层折射的影响，一般有以下几种处理方法： 定位精度要求不高时，可以简单忽略： 采用对流层模型加以改正； 引入描述对流层影响的附加待估参数，在数据处理中一并求解； 利用同步观测求差。与电离层的影响相类似，当两观测站的距离不太远时 ( 小于2 0