学习GNSS测量定位必备知识

第一部分第一部分 RTK 八大基八大基础础知知识识 RTK 作为现代化测量中的测绘仪器 已经非常普及 RTK 在测量中的优越 性也是不言而喻 为了能让 RTK 的优越性能在使用中充分的发挥出来 为了能 让 RTK 使用人员能灵活的应用 RTK 我认为 RTK 使用人员必须了解以下的基 本知识 1 GPS 的概念及组成的概念及组成 GPS GlobalPositioning System 即全球定位系统 是由美国建立的一 个卫星导航定位系统 利用该系统 用户可以在全球范围内实现全天候 连续 实时的三维导航定位和测速 另外 利用该系统 用户还能够进行高精度的时间 传递和高精度的精密定位 GPS 计划始于 1973 年 已于 1994 年进入完全运行状态 FOC 2 GPS 的整个系统由空间部分 地面控制部分和用户部分所组成 空间部分 GPS 的空间部分是由 24 颗 GPS 工作卫星所组成 这些 GPS 工作卫星共 同组成了 GPS 卫星星座 其中 21 颗为可用于导航的卫星 3 颗为活动的备用 卫星 这 24 颗卫星分布在 6 个倾角为 55 的轨道上绕地球运行 卫星的运行 周期约为 12 恒星时 每颗 GPS 工作卫星都发出用于导航定位的信号 GPS 用户正是利用这些信号来进行工作的 控制部分 GPS 的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构成 根据其作用的不同 这些跟踪站又被分为主控站 监控站和注入站 主控站有 一个 位于美国克罗拉多 Colorado 的法尔孔 Falcon 空军基地 它的作用是 根据各监控站对 GPS 的观测数据 计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等 并将这些数据通过注入站注入到卫星中去 同时 它还对卫星进行控制 向卫星 发布指令 当工作卫星出现故障时 调度备用卫星 替代失效的工作卫星工作 另外 主控站也具有监控站的功能 监控站有五个 除了主控站外 其它四个 分别位于夏威夷 Hawaii 阿松森群岛 Ascencion 迭哥伽西亚 Diego Garcia 卡瓦加兰 Kwajalein 监控站的作用是接收卫星信号 监测卫星的 工作状态 注入站有三个 它们分别位于阿松森群岛 Ascencion 迭哥伽西亚 Diego Garcia 卡瓦加兰 Kwajalein 注入站的作用是将主控站计算出的 卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去 用户部分 GPS 的用户部分由 GPS 接收机 数据处理软件及相应的用户设备如计算 机气象仪器等所组成 它的作用是接收 GPS 卫星所发出的信号 利用这些信号 进行导航定位等工作 以上这三个部分共同组成了一个完整的 GPS 系统 2 GPS 发射的信号发射的信号 GPS 卫星发射两种频率的载波信号 即频率为 1575 42MHz 的 L1 载波 和频率为 1227 60HMz 的 L2 载波 它们的频率分别是基本频率 10 23MHz 的 154 倍和 120 倍 它们的波长分别为 19 03cm 和 24 42cm 在 L1 和 L2 上又分别调制着多种信号 这些信号主要有 C A 码 C A 码又被称为粗捕获码 它被调制在 L1 载波上 是 1MHz 的伪随机噪 声码 PRN 码 其码长为 1023 位 周期为 1ms 由于每颗卫星的 C A 码都 不一样 因此 我们经常用它们的 PRN 号来区分它们 C A 码是普通用户用 以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号 P 码 P 码又被称为精码 它被调制在 L1 和 L2 载波上 是 10MHz 的伪随机噪 声码 其周期为七天 在实施 AS 时 P 码与 W 码进行模二相加生成保密的 Y 码 此时 一般用户无法利用 P 码来进行导航定位 Y 码 见 P 码 导航信息 导航信息被调制在 L1 载波上 其信号频率为 50Hz 包含有 GPS 卫星的 轨道参数 卫星钟改正数和其它一些系统参数 用户一般需要利用此导航信息 来计算某一时刻 GPS 卫星在地球轨道上的位置 导航信息也被称为广播星历 3 GPS 定位的原理定位的原理 GPS 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 确定待测点的位置 如下图所示 假设 t 时刻 在地面待测点上安置 GPS 接收机 可以测定 GPS 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 上述四个方程式中待测点坐标 x y z 和 Vto 为未知参数 其中 di c ti i 1 2 3 4 di i 1 2 3 4 分别为卫星 1 卫星 2 卫星 3 卫星 4 到接收机之 间的距离 ti i 1 2 3 4 分别为卫星 1 卫星 2 卫星 3 卫星 4 的信号到达 接收机所经历的时间 c 为 GPS 信号的传播速度 即光速 四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直角坐标 xi yi zi i 1 2 3 4 分别为卫星 1 卫星 2 卫星 3 卫星 4 在 t 时刻的空间直角坐标 可由卫星导航电文求得 Vt i i 1 2 3 4 分别为卫星 1 卫星 2 卫星 3 卫星 4 的卫星钟 的钟差 由卫星星历提供 Vto 为接收机的钟差 由以上四个方程即可解算出待测点的坐标 x y z 和接收机的钟差 Vto 目前 GPS 系统提供的定位精度是优于 10 米 而为得到更高的定位精度 我们通常采用差分 GPS 技术 将一台 GPS 接收机安置在基准站上进行观测 根据基准站已知精密坐标 计算出基准站到卫星的距离改正数 并由基准站实 时将这一数据发送出去 用户接收机在进行 GPS 观测的同时 也接收到基准站 发出的改正数 并对其定位结果进行改正 从而提高定位精度 差分 GPS 分为 两大类 伪距差分和载波相位差分 中国 3S 专业站 1 伪距差分原理 这是应用最广的一种差分 在基准站上 观测所有卫星 根据基准站已知 坐标和各卫星的坐标 求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离 再与测得 的伪距比较 得出伪距改正数 将其传输至用户接收机 提高定位精度 这种 差分 能得到米级定位精度 如沿海广泛使用的 信标差分 2 载波相位差分原理 载波相位差分技术又称 RTK Real Time Kinematic 技术 是实时处理两 个测站载波相位观测量的差分方法 即是将基准站采集的载波相位发给用户接 收机 进行求差解算坐标 载波相位差分可使定位精度达到厘米级 大量应用 于动态需要高精度位置的领域 4 GPS 定位的误差源定位的误差源 我们在利用 GPS 进行定位时 会受到各种各样因素的影响 影响 GPS 定 位精度的因素可分为以下四大类 一 与 GPS 卫星有关的因素 1 SA 政策 美国政府从其国家利益出发 通过降低广播星历精度 技术 在 GPS 基准 信号中加入高频抖动 技术 等方法 人为降低普通用户利用 GPS 进行导航定位 时的精度 2 卫星星历误差 在进行 GPS 定位时 计算在某时刻 GPS 卫星位置所需的卫星轨道参数是 通过各种类型的星历提供的 但不论采用哪种类型的星历 所计算出的卫星位 置都会与其真实位置有所差异 这就是所谓的星历误差 3 卫星钟差 卫星钟差是 GPS 卫星上所安装的原子钟的钟面时与 GPS 标准时间之间的 误差 4 卫星信号发射天线相位中心偏差 卫星信号发射天线相位中心偏差是 GPS 卫星上信号发射天线的标称相位中 心与其真实相位中心之间的差异 二 与传播途径有关的因素 1 电离层延迟 由于地球周围的电离层对电磁波的折射效应 使得 GPS 信号的传播速度发 生变化 这种变化称为电离层延迟 电磁波所受电离层折射的影响与电磁波的 频率以及电磁波传播途径上电子总含量有关 2 对流层延迟 由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应 使得 GPS 信号的传播速度发 生变化 这种变化称为对流层延迟 电磁波所受对流层折射的影响与电磁波传 播途径上的温度 湿度和气压有关 3 多路径效应 由于接收机周围环境的影响 使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有 各种反射和折射信号的影响 这就是所谓的多路径效应 三 与接收机有关的因素 1 接收机钟差 接收机钟差是 GPS 接收机所使用的钟的钟面时与 GPS 标准时之间的差异 2 接收机天线相位中心偏差 接收机天线相位中心偏差是 GPS 接收机天线的标称相位中心与其真实的相 位中心之间的差异 3 接收机软件和硬件造成的误差 在进行 GPS 定位时 定位结果还会受到诸如处理与控制软件和硬件等的影 响 四 其它 1 GPS 控制部分人为或计算机造成的影响 由于 GPS 控制部分的问题或用户在进行数据处理时引入的误差等 2 数据处理软件的影响 数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响 5 GPS 测量中坐标系统 坐标系的转换过程测量中坐标系统 坐标系的转换过程 引用 摘要 GPS 在测量领域得到了广泛的应用 本文介绍将 GPS 所采集到的 WGS 84 坐标转换成工程所需的坐标的过程 关键词 GPS 坐标系统坐标系转换 一 概述 GPS 及其应用 GPS 即全球定位系统 Global Positioning System 是美国从本世纪 70 年始研制 历时 20 年 耗资 200 亿美元 于 1994 年全面建成的卫星导航定 位系统 作为新一代的卫星导航定位系统经过二十多年的发展 已成为在航空 航天 军事 交通运输 资源勘探 通信气象等所有的领域中一种被广泛采用 的系统 我国测绘部门使用 GPS 也近十年了 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 的工程测量 变形观测 航空摄影测量 海洋测量和地理信息系统中地理数据 的采集等 GPS 以测量精度高 操作简便 仪器体积小 便于携带 全天候操作 观 测点之间无须通视 测量结果统一在 WGS84 坐标下 信息自动接收 存储 减少繁琐的中间处理环节 高效益等显著特点 赢得广大测绘工作者的信赖 二 GPS 测量常用的坐标系统 1 WGS 84 坐标系 WGS 84 坐标系是目前 GPS 所采用的坐标系统 GPS 所发布的星历参数 就是基于此坐标系统的 WGS 84 坐标系统的全称是 World Geodical System 84 世界大地坐标系 84 它是一个地心地固坐标系统 WGS 84 坐 标系统由美国国防部制图局建立 于 1987 年取代了当时 GPS 所采用的坐标系 统 WGS 72 坐标系统而成为 GPS 的所使用的坐标系统 WGS 84 坐标系的 坐标原点位于地球的质心 Z 轴指向 BIH1984 0 定义的协议地球极方向 X 轴指向 BIH1984 0 的启始子午面和赤道的交点 Y 轴与 X 轴和 Z 轴构成右手 系 采用椭球参数为 a 6378137m f 1 298 257223563 2 1954 年北京坐标系 1954 年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系 是一种参心 坐标系统 该坐标系源自于原苏联采用过的 1942 年普尔科夫坐标系 该坐标 系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球 该椭球的参数为 a 6378245m f 1 298 3 我国地形图上的平面坐标位置都是以这个数据为基准推算的 3 地方坐标系 任意独立坐标系 在我们测量过程中时常会遇到的如一些某城市坐标系 某城建坐标系 某 港口坐标系等 或我们自己为了测量方便而临时建立的独立坐标系 三 坐标系统的转换 在工程应用中使用 GPS 卫星定位系统采集到的数据是 WGS 84 坐标系数 据 而目前我们测量成果普遍使用的是以 1954 年北京坐标系或是地方 任意 独立坐标系为基础的坐标数据 因此必须将 WGS 84 坐标转换到 BJ 54 坐标 系或地方 任意 独立坐标系 目前一般采用布尔莎公式 七参数法 完成 WGS 84 坐标系到北京 54 坐标 系的转换 得到北京 54 坐标数据 XBJ54 XWGS84 KXWGS84 x YWGS84 Z ZWGS84 Y YBJ54 YWGS84 KYWGS84 Y XWGS84 Z ZWGS84 X ZBJ54 ZWGS84 KZWGS84 Z XWGS84 Y ZWGS84 X 四 坐标系的变换 同一坐标系统下坐标有多种不同的表现形式 一种形式实际上就是一种坐 标系 如空间直角坐标系 X Y Z 大地坐标系 B L 平面直角坐标 x y 等 通过坐标统的转换我们得到了 BJ54 坐标系统下的空间直角坐标 我们还须在 BJ54 坐标系统下再进行各种坐标系的转换 直至得到工程所需的 坐标 1 将空间直角坐标系转换成大地坐标系 得到大地坐标 B L L arctan Y X B arctan Z Ne2sinB X2 Y2 0 5 H X2 Y2 0 5sinB N 用上式采用迭代法求出大地坐标 B L 2 将大地坐标系转换成高斯坐标系 得到高斯坐标 x y 按高斯投影的方法求得高斯坐标 x F1 B L y F2 B L 3 将高斯坐标系转换成任意独立坐标系 得到独立坐标 x y 在小范围内测量 我们可以将地面当作平面 用简单的旋转 平移便可将 高斯坐标换成工程中所采用坐标系的坐标 x y x xcos ysin y ycos xsin 五 小结 由于 GPS 测量的种种优点 GPS 定位技术现已基本上取代了常规测量手 段成为了主要的技术手段 市面上出现了许多转换软件和不同型号的 GPS 数据 处理配套软件 包含了怎样将 GPS 测量中所得到的 WGS 84 转换成工程中所 须坐标的功能 万变不离其宗 只要我们明白了 WGS 84 转换到独立坐标系 的转换过程 便可很容易的使用该软件了 甚至可以自己编写程序 将 WGS 84 坐标转换成独立坐标系坐标 6 GPS 高程测量高程测量 一 高程系统 1 高程系统 1 大地高 Hg 2 正常高 正高 Hr hg 2 大地高系统 大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统 某点的大地高是该点到 通过该点的参考椭球的法线与参考椭球面的交点间的距离 大地高也称为椭球 高 大地高一般用符号 H 表示 大地高是一个纯几何量 不具有物理意义 同 一个点 在不同的基准下 具有不同的大地高 3 正高系统 正高系统是以大地水准面为基准面的高程系统 某点的正高是该点到通过 该点的铅垂线与大地水准面的交点之间的距离 正高用符号 hg 表示 4 正常高系统 正常高系统是以似大地水准面为基准的高程系统 某点的正常高是该点到 通过该点的铅垂线与似大地水准面的交点之间的距离 正常高用 Hr 表示 5 高程系统之间的转换关系 Hr H r Hg H hg 二 GPS 测高方法 1 等值线图法 从高程异常图或大地水准面差距图分别查出各点的高程异常或大地水准面 差距 然后分别采用下面两式可计算出正常高和正高 在采用等值线图法确定点的正常高和正高时要注意以下几个问题 1 注意等值线图所适用的坐标系统 在求解正常高或正高时 要采用相应 坐标系统的大地高数据 2 采用等值线图法确定正常高或正高 其结果的精度在很大程度上取决于 等值线图的精度 2 大地水准面模型法 地球模型法本质上是一种数字化的等值线图 目前国际上较常采用的地球 模型有 OSU91A 等 不过可惜的是这些模型均不适合于我国 3 拟合法 1 基本原理 所谓高程拟合法就是利用在范围不大的区域中 高程异常具有一定的几何 相关性这一原理 采用数学方法 求解正高 正常高或高程异常 2 注意事项 适用范围 上面介绍的高程拟合的方法 是一种纯几何的方法 因此 一般仅适用于 高程异常变化较为平缓的地区 如平原地区 其拟合的准确度可达到一个分米 以内 对于高程异常变化剧烈的地区 如山区 这种方法的准确度有限 这主 要是因为在这些地区 高程异常的已知点很难将高程异常的特征表示出来 选择合适的高程异常已知点 所谓高程异常的已知点的高程异常值一般是通过水准测量测定正常高 通 过 GPS 测量测定大地高后获得的 在实际工作中 一般采用在水准点上布设 GPS 点或对 GPS 点进行水准联测的方法来实现 为了获得好的拟合结果要求 采用数量尽量多的已知点 它们应均匀分布 并且最好能够将整个 GPS 网包围 起来 高程异常已知点的数量 若要用零次多项式进行高程拟合时 要确定 1 个参数 因此 需要 1 个以 上的已知点 若要采用一次多项式进行高程拟合 要确定 3 个参数 需要 3 个 以上的已知点 若要采用二次多项式进行高程拟合 要确定 6 个参数 则需要 6 个以上的已知点 分区拟合法 若拟合区域较大 可采用分区拟合的方法 即将整个 GPS 网划分为若干区 域 利用位于各个区域中的已知点分别拟合出该区域中的各点的高程异常值 从而确定出它们的正常高 下图是一个分区拟合的示意图 拟合分两个区域进 行 以虚线为界 位于虚线上的已知点两个区域都采用 7 RTK 的工作原理和精度分析的工作原理和精度分析 经常有一些客户会打电话给我询问一些有关 RTK 的精度问题 根据我的总 结 这些客户对 RTK 的原理掌握不够深刻 对一些能反映 RTK 精度的指标也理 解不透 在此我对 RTK 的原理及精度简要的阐述一下 希望能抛砖引玉 对大家有 所帮助 RTK 是实时动态测量 其工作原理可分为两部分阐述 一 实时载波相位差分 我们知道 在利用 GPS 进行定位时 会受到各种各样因素的影响 见上节 中的 GPS 误差源 为了消除这些误差源 必须使用两台以上的 GPS 接收机同步 工作 GPS 静态测量的方法是各个接收机独立观测 然后用后处理软件进行差 分解算 那么对于 RTK 测量来说 仍然是差分解算 只不过是实时的差分计算 也就是说 两台接收机 一台基准站 一台流动站 都在观测卫星数据 同 时 基准站通过其发射电台把所接收的载波相位信号 或载波相位差分改正信号 发 射出去 那么 流动站在接收卫星信号的同时也通过其接收电台接收基准站的电 台信号 在这两信号的基础上 流动站上的固化软件就可以实现差分计算 从而 精确地定出基准站与流动站的空间相对位置关系 在这一过程中 由于观测条 件 信号源等的影响会有误差 即为仪器标定误差 一般为平面 1cm 1ppm 高程 2cm 1ppm 二 坐标转换 空间相对位置关系不是我们要的最终值 因此还有一步工作就是把空间相对 位置关系纳入我们需要的坐标系中 GPS 直接反映的是 WGS 84 坐标 而我们 平时用的则是北京 54 坐标系或西安 80 坐标系 所以要通过坐标转换把 GPS 的 观测成果变成我们需要的坐标 这个工作有多种模型可以实现 我们的软件采 用的是平面与高程分开转换 平面坐标转换采用先将 GPS 测得成果投影成平面 坐标 再用已知控制点计算二维相似变换的四参数 高程则采用平面拟合或二 次曲面拟合模型 利用已知水准点计算出该测区的待测点的高程异常 从而求 出他们的高程 坐标转换也会带来误差 该项误差主要取决于已知点的精度和 已知点的分布情况 从上可以看出 RTK 的测量精度包括两个部分 其一是 GPS 的测量误差 其二是坐标转换带来的误差 对于南方 RTK 设备来说 这两项误差都能够反映 GPS 的测量误差在实 时测量时可以从手簿上的工程之星中看得到 HRMS 和 VRMS 对于坐标转换 误差来说 又可能有两个误差源 一是投影带来的误差 二是已知点误差的传 递 当用三个以上的平面已知点进行校正时 计算转换四参数的同时会给出转 换参数的中误差 北方向分量和东方向分量 必须通过控制点坐标库进行校正才 能得到 值得注意的是 如果此时发现转换参数中误差比较大 比如 大于 5cm 而在采集点时实时显示的测量误差在标称精度范围之内 则可以判定是 已知点的问题 有可能找错点或输错点 有可能已知点的精度不够 也有可能 已知点的分布不均匀 当平面已知点只有两个时 则只能满足计算坐标转换四 参数的必要条件 无多余条件 也就不能给出坐标转换的精度评定 此时 可以 从查看四参数中的尺度比 来检验坐标转换的精度 该值理想值为 1 如果发 现 偏离 1 较多 比如 1 1 40000 超出了工程精度 则在保证 GPS 测量精度满足要求的情况下 可判定已知点有问题 总结得到 为了保证 RTK 的高精度 最好有三个以上平面坐标已知点进行校正 而且 点精度要均等 并要均匀分布于测区周围 要利用坐标转换中误差对转换参数的 精度进行评定 如果利用两点校正 一定要注意尺度比是否接近于 1 8 RTK 测量注意事项测量注意事项 一 参考站要求 参考站的点位选择必须严格 因为参考站接收机每次卫星信号失锁将会影 响网络内所有流动站的正常工作 1 周围应视野开阔 截止高度角应超过 15 度 周围无信号反射物 大面积 水域 大型建筑物等 以减少多路径干扰 并要尽量避开交通要道 过往行人 的干扰 2 参考站应尽量设置于相对制高点上 以方便播发差分改正信号 3 参考站要远离微波塔 通信塔等大型电磁发射源 200 米外 要远离高压 输电线路 通讯线路 50 米外 4 RTK 作业期间 参考站不允许移动或关机又重新启动 若重启动后必须 重新校正 5 参考站连结必须正确 注意虚电池的正负极 红正黑负 6 参考站主机开机后 需等到差分信号正常发射方可离开参考站 S82 表 现为 DL 指示灯每 5 秒钟快闪 2 次 S86 表现为 RX 指示灯每 5 秒钟快闪 2 次 二 流动站要求 1 在 RTK 作业前 应首先检查仪器内存容量能否满足工作需要 并备足电 源 2 在打开工程之星之后 首先要确保手簿与主机蓝牙连通 3 为了保证 RTK 的高精度 最好有三个以上平面坐标已知点进行校正 而 且点精度要均等 并要均匀分布于测区周围 要利用坐标转换中误差对转换参数 的精度进行评定 如果利用两点校正 一定要注意尺度比是否接近于 1 4 由于流动站一般采用缺省 2m 流动杆作业 当高度不同时 应修正此值 5 在信号受影响的点位 为提高效率 可将仪器移到开阔处或升高天线 待数据链锁定达到固定后 再小心无倾斜地移回待定点或放低天线 一般可以 初始化成功 转自南方测绘济南分公司博客 第二部分第二部分 静静态态 GPS 控制控制测测量使用技量使用技术术方法方法 1 1 控制点的布设控制点的布设 为了达到 GPS 测量高精度 高效益的目的 减少不必要的耗费 在测量中遵循这样的 原则 在保证质量的前提下 尽可能地提高效率 降低成本 所以对 GPS 测量各阶段的工作 都要精心设计 精心组织和实施 建议用户在测量实施前 对整个 GPS 测量工作进行合理 的总体设计 总体设计 是指对 GPS 网进行优化设计 主要是 确定精度指标 网的图形设计 网 中基线边长度的确定及 网的基准设计 在设计中用户可以参照有关规范灵活地处理 下面 将结合国内现有的一些资料对 GPS 测量的总体设计简单地介绍一下 1 1 确定精度标准 确定精度标准 在 GPS 网总体设计中 精度指标是比较重要的参数 它的数值将直接影响 GPS 网的 布设方案 观测数据的处理以及作业的时间和经费 在实际设计工作中 用户可根据所作 控制的实际需要和可能 合理地制定 既不能制定过低而影响网的精度 也不必要盲目追 求过高的精度造成不必要的支出 2 2 选点 选点 选点即观测站位置的选择 在 GPS 测量中并不要求观测站之间相互通视 网的图形选 择也比较灵活 因此选点比经典控制测量简便得多 但为了保证观测工作的顺利进行和可 靠地保持测量结果 用户注意使观测站位置具有以下的条件 确保 GPS 接收机上方的天空开阔 GPS 测量主要利用接收机所接收到的卫星信号 而且接收机上空越开阔 则观测到的卫星数目越多 一般应该保证接收机所在平面 15 以 上的范围内没有建筑物或者大树的遮挡 图 5 1 高度截止角 周围没有反射面 如大面积的水域 或对电磁波反射 或吸收 强烈的物体 如 玻璃墙 树木等 不致引起多路径效应 远离强电磁场的干扰 GPS 接收机接收卫星广播的微波信号 微波信号都会受到电磁场的影响而产生噪声 降低信噪比 影响观测成果 所以 GPS 控制点最好离开高压线 微波站或者产生强电磁干 扰的场所 邻近不应有强电磁辐射源 如无线电台 电视发射天线 高压输电线等 以免 干扰 GPS 卫星信号 通常 在测站周围约 200m 的范围内不能有大功率无线电发射源 如 电视台 电台 微波站等 在 50m 内不能有高压输电线和微波无线电信号传递通道 观测站最好选在交通便利的地方以利于其它测量手段联测和扩展 地面基础稳固 易于点的保存 注意 用户如果在树木 觇标等对电磁波传播影响较大的物体下设观测站 当接收机 工作时 接收的卫星信号将产生畸变 这样即使采集时各项指标 如观测卫星数 DOP 值 等都较好 但观测数据质量很差 建议用户可根据需要在 GPS 点大约 300 米附近建立与其通视的方位点 以便在必要时 采用常规经典的测量方法进行联测 在点位选好后 在对点位进行编号时必须注意点位编号的合理性 在野外采集时输入 的观测站名由四个任意输入的字符组成 为了在测后处理时方便及准确 必须不使点号重 复 建议用户在编号时尽量采用阿拉伯数字按顺序编号 3 3 基线长度 基线长度 GPS 接收机对收到的卫星信号量测可达毫米级的精度 但是 由于卫星信号在大气传 播时不可避免地受到大气层中电离层及对流层的扰动 导致观测精度的降低 因此在使用 GPS 接收机测量时 通常采用差分的形式 用两台接收机来对一条基线进行同步观测 在 同步观测同一组卫星时 大气层对观测的影响大部分都被抵消了 基线越短 抵消的程度 越显著 因为这时卫星信号通过大气层到达两台接收机的路径几乎相同 同时 当基线越长时 起算点的精度对基线的精度的影响也越大 起算点的精度常常 影响基线的正常求解 因此 建议用户在设计基线边时 应兼顾基线边的长度 通常 对于单频接收机而言 基线边应以 20 公里范围以内为宜 基线边过长 一方面观测时间势必增加 另一方面由于 距离增大而导致电离层的影响有所增强 4 4 提高提高 GPSGPS 网可靠性的方法网可靠性的方法 可以通过下面的一些方法提高 GPS 网的可靠性 1 1 增加独立基线数 增加独立基线数 在布设 GPS 网时 适当增加观测时段数 对于提高 GPS 网的可靠性非常有效 因为 随着观测时段数的增加 所测得的独立基线数就会增加 而独立基线数的增加对网的可靠 性的提高是非常有效的 2 2 保证一定的重复设站次数 保证一定的重复设站次数 保证一定的重复设站次数 可确保 GPS 网的可靠性 一方面 通过在同一测站上的多 次观测 可有效地发现设站 对中 整平 量测天线高等人为错误 另一方面 重复设站 次数的增加 也意味着观测期数的增加 不过需要注意的是 当同一台接收机在同一测站 上连续进行多个时段的观测时 各个时段间必须重新安置仪器 以更好地消除各种人为操 作误差和错误 3 3 保证每个测站至少与三条以上的独立基线相连 保证每个测站至少与三条以上的独立基线相连 保证每个测站至少与三条以上的独立基线相连 这样可以使得测站具有较高的可靠性 在布设 GPS 网时 各个点的可靠性与点位无直接关系 而与该点上所连接的基线数有关 点上所连接的基线数越多点的可靠性则越高 4 4 在布网时要使网中所有最小异步环的边数不大于 在布网时要使网中所有最小异步环的边数不大于 6 条条 在布设 GPS 网时 检查 GPS 观测值基线向量质量的最佳方法是异步环闭合差 而随着 组成异步环的基线向量数的增加 其检验质量的能力将逐渐下降 因此 要控制最小异步 环的边数 所谓最小异步闭合环 即构成闭合环的基线边是异步的 且边数又是最少的 5 5 提高 提高 GPS 网精度的方法网精度的方法 可以通过下列方法提高 GPS 网的精度 为保证 GPS 网中各相邻点具有较高的相对精度 对网中距离较近的点一定要进行同步 观测 以获得它们间的直接观测基线 为提高整个 GPS 网的精度 可以在全面网之上布设框架网 以框架网作为整个 GPS 网 的骨架 在布网时要使网中所有最小异步环的边数不大于 6 条 若要采用高程拟合的方法测定网中各点的正常高 正高 则需在布网时选定一定数量的 水准点 水准点的数量应尽可能的多 且应在网中均匀分布 还要保证有部分点分布在网 中的四周 将整个网包含在其中 为提高 GPS 网的尺度精度 可采用增设长时间 多时段的基线向量 6 6 布设 布设 GPS 网时起算点的选取与分布网时起算点的选取与分布 若要求所布设的 GPS 网的成果与旧成果吻合最好 则起算点数量越多越好 若不要求 所布设的 GPS 网的成果完全与旧成果吻合 则一般可选 3 5 个起算点 这样既可以保证 新老坐标成果的一致性 也可以保持 GPS 网的原有精度 为保证整网的点位精度均匀 起算点一般应均匀地分布在 GPS 网的周围 要避免所有 的起算点分布在网中一侧的情况或连成一线的情况 2 2 GPSGPS 基线解算基线解算 1 1 基线解算的步骤基线解算的步骤 基线解算的过程 实际上主要是一个利用最小二乘法进行平差的过程 平差所采用的 观测值主要是双差观测值 在基线解算时 平差要分五个阶段进行 第一阶段 根据三差 观测值 求得基线向量的初值 第二阶段 根据初值及双差观测值进行周跳修复 第三阶 段进行双差浮点解算 解算出整周未知数参数和基线向量的实数解 第四阶段将整周未知 数固定成整数 即整周模糊度固定 在第五阶段 将确定了的整周未知数作为已知值 仅 将待定的测站坐标作为未知参数 再次进行平差解算 解求出基线向量的最终解 整数解 2 2 重复基线的检查重复基线的检查 同一基线边观测了多个时段得到的多个基线边称为重复基线边 对于不同观测时段的 基线边的互差 其差值应小于相应级别规定精度的倍 而其中任一时段的结果与各时段平 均值之差不能超过相应级别的规定精度 我们在进行基线处理时经常会遇到重复基线检查不合格的情况 而造成这种情况的主 要有以下几种情况 1 在架设仪器时由于对中整平的误差造成 该种情况一般对短基线影 响很大 处理该种情况时需要在出外业前对基座进行检查并且进行外业观测架设仪器时 严格对中整平 2 由于点号及仪器高输错 或外业记录时出错造成 这种情况最为普遍 并且由于该种情况还会造成异步环搜索时异步环不闭合 一般来说在软件上比较好检查 出出错的观测点 例如我们可以在软件上查看观测数据通过观测数据的初始经纬度来判定 点号是否出错 在搜索异步环时往往超限数据非常大 对于这种情况的处理一定要严格外 业观测手簿的记录 3 3 闭合环搜索闭合环搜索 在 GPS 测量中 为了检验 GPS 野外实测数据的质量 往往需要计算 GPS 网中同步环或 异步环闭合差 为了使精度评估更准确 往往需要删除一些重复基线 通常的软件都要求手工输入 若网较复杂 则工作量就非常庞大 而且错误 遗漏也就难以避免 实际上 在软件中 可以结合图论的有关知识 采用深度优先搜索的方法搜索整个 GPS 网中的最小独立闭合环 最小独立异步闭合环 最小独立同步闭合环以及手工选定环路和重复基线 所谓最小独立闭合环 具有以下几方面的含义 闭合环必须是最小的 即边数是最少的 闭合环必须是独立的 4 4 GPSGPS 基线向量网平差基线向量网平差 在一般情况下 多个同步观测站之间的观测数据 经基线向量解算后 用户所获得的 结果一般是观测站之间的基线向量及其方差与协方差 再者 在某一区域的测量工作中 用户可能投入的接收机数总是有限的 所以 当布设的 GPS 网点数较多时 则需在不同的 时段 按照预先的作业计划 多次进行观测 而 GPS 解算不可避免地会带来误差 粗差以 及不合格解 在这种情况下 为了提高定位结果的可靠性 通常需将不同时段观测的基线 向量连接成网 并通过观测量的整体平差 以提高定位结果的精度 这样构成的 GPS 网 将含有许多闭合条件 整体平差的目的 在于清除这些闭合条件的不符值 并建立网的基 准 另外 不管是静态解算还是动态解算 都是在 WGS 84 坐标系下进行的 而已有的经典 地面控制网规模大 资料丰富 或者 用户只进行小范围的测量 需要的仅仅是局部平面 坐标 加之 GPS 单点定位的坐标精度较低 远远不能满足高精度测量的要求 而且 通 常用户需要的是国家坐标系下的大地坐标 或投影坐标 或地方坐标系下的投影坐标 高 程坐标也不再是大地高 椭球高 而是水准高 正高 有时还需要通过高精度 GPS 网 与经典地面网的联合处理 加强和改善经典地面网 以满足用户的需要 这样就需要将 WGS 84 之间的坐标增量转换到大地坐标中去 从而得到用户所需要的坐标 由于坐标系之 间的系统参数不一样以及水准异常等原因 这种转换理所当然地会带来误差 根据平差所进行的坐标空间 可将 GPS 网平差分为三维平差和二维平差 根据平差时 所采用的观测值和起算数据的数量和类型 可将平差分为无约束平差约束平差和联合平差 等 所谓三维平差是指平差在空间三维坐标系中进行 观测值为三维空间中的观测值 解 算出的结果为点的三维空间坐标 GPS 网的三维平差 一般在三维空间直角坐标系或三维 空间大地坐标系下进行 所谓二维平差 是指平差在二维平面坐标系下进行 观测值为二 维观测值 解算出的结果为点的二维平面坐标 所谓无约束平差 指的是在平差时不引入会造成 GPS 网产生由非观测量所引起的变形 的外部起算数据 常见的 GPS 网的无约束平差 一般是在平差时没有起算数据或没有多余 的起算数据 所谓约束平差 指的是平差时所采用的观测值完全是 GPS 基线向量 而且 在平差时引入了使得 GPS 网产生由非观测量所引起的变形的外部起算数据 GPS 网的联合平差 指的是平差时所采用的观测值除了 GPS 观测值以外 还采用了地 面常规观测值 这些地面常规观测值包括边长 方向 角度等观测值等 3 3 常遇问题的解决办法常遇问题的解决办法 1 1 如何处理不合格基线 如何处理不合格基线 通过设置卫星高度角 采样间隔 有效历元等参数可以对基线进行优化 1 1 卫星高度截止角卫星高度截止角 卫星高度角的截取对于数据观测和基线处理都非常重要 观测较低仰角的卫星有时会 因为卫星信号强度太弱 信噪比较低而导致信号失锁 或者信号在传输路径上受到较大的 大气折射影响而导致整周模糊度搜索的失败 但选择较大的卫星高度角可能出现观测卫星 数的不足或卫星图形强度欠佳 因此同样不能解算出最佳基线 一般情况下处理基线中高度截止角默认设置为 20 度 如果同步观测卫星数太少或者 同步观测时间不足 对于短基线来说 可以适当降低高度角后重新试算 这样可能会获得 满足要求的基线结果 此时应注意 要求测站的数据要稳定 且环视条件要好 解