《建筑工程测量》-第8章

8.1GPS系统简介及组成８.１.１GPS系统简介ＧＰＳ是ＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍＴｉｍｉｎｇａｎｄＲａｎｇｉｎｇ／ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ的英文简称，即“授时与测距导航系统／全球定位系统”。ＧＰＳ是美国国防部于１９７３年批准建立的新一代卫星导航系统，它是一种可以授时和测距的空间交会定点的导航系统；可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置、三维速度和时间信息，为陆、海、空三军提供精密导航，还可用于情报搜集、核爆监测、应急通信等军事目的。下一页返回8.1GPS系统简介及组成ＧＰＳ技术的用途十分广泛，诸如海空导航、车辆引行、导弹制导、精密定位、工程测量、动态监测、设备安装、时间传递、速度测量等许多方面，都可以应用这一技术。ＧＰＳ系统的广泛应用，引起了各国科学家的关注和研究。俄罗斯、欧盟以及我国的科学家，在积极开发利用美国ＧＰＳ信号资源的同时，还致力于研究各自的卫星导航定位系统。全球导航卫星系统ＧＬＯＮＡＳＳ是前苏联研制组建的第二代卫星导航定位系统，已于１９９６年年初组网成功并正式投入运行，现由俄罗斯负责管理和维护。上一页下一页返回8.1GPS系统简介及组成中国的北斗卫星导航定位系统（ＣＯＭＰＡＳＳＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳａｔｅｌｌｉｔｅＳｙｓｔｅｍ），是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统，是继美国的ＧＰＳ、俄罗斯的ＧＬＯＮＡＳＳ之后，第三个成熟的卫星导航系统。截至２０１２年１０月，中国完成了１６颗导航卫星的密集发射，区域卫星导航系统组网发射任务全部圆满，２０１３年初已正式服务绝大部分亚太地区。到２０２０年，将建成由３０余颗卫星组成的北斗全球卫星导航系统。欧盟１９９９年年初正式推出“伽利略（Ｇａｌｉｌｅｏ）”计划，部署新一代民用全球卫星导航系统。上一页下一页返回8.1GPS系统简介及组成该系统由２７颗运行卫星和３颗预备卫星组成，可以覆盖全球，定位精度达几米，也可与美国的ＧＰＳ系统兼容，总投资为３５亿欧元，预计将于２０１４年开始运作，并在２０１９年完工。８.１.２GPS系统组成ＧＰＳ系统由空间系统、地面监控系统和用户系统三部分组成。１．空间系统空间系统由２１颗工作卫星和３颗备用卫星组成，均匀地分布在倾角为５５°的６个轨道上，如图８-１所示。各轨道面之间的交角为６０°，卫星距地球约２０２００ｋｍ，运行周期为１１ｈ５８ｍｉｎ，在全球任何地区任何时间都可以随时接收至少４颗卫星信号。上一页下一页返回8.1GPS系统简介及组成ＧＰＳ卫星的主体呈圆柱形，直径约为１．５ｍ，重约７７４ｋｇ（包括３１０ｋｇ燃料），两侧各安装两块双叶太阳能电池板，能自动对日定向，以保证卫星正常工作的用电需要，如图８-２所示。每颗ＧＰＳ卫星带有４台高精度原子钟，其中２台为铷钟，２台为铯钟。原子钟为ＧＰＳ定位提供高精度的时间标准。每颗卫星上还装有微型计算机、电文接收存储和信号发射设备，并由太阳能电池提供电源。每颗卫星上还备有少量燃料，用来调节卫星的轨道和姿态。ＧＰＳ卫星的主要作用在于：接收地面各注入站发送来的卫星星历（卫星在某时刻的位置）、钟差信息和信号的大气传播改正等信息，并连续不断地向用户发送含有上述信息的导航定位电文。上一页下一页返回8.1GPS系统简介及组成２．地面监控系统地面监控系统由１个主控站、５个监测站和３个注入站组成，工作原理如图８-３所示。主控站：其任务是收集各监测站送来的所跟踪卫星的数据，并据此计算卫星轨道、钟差参数和外推出未来２４ｈ的卫星轨道和卫星钟参数，然后送至各注入站，此外还诊断卫星工作状态，调整卫星姿态和轨道。监测站：５个监测站的分布如图８-４所示。每个监测站装配有双频ＧＰＳ接收机、气象元素传感器、原子钟和微机。上一页下一页返回8.1GPS系统简介及组成监测站是无人值守的ＧＰＳ卫星跟踪站，在微机控制下，对视场中所有ＧＰＳ卫星进行伪距测量，为了对观测值进行对流层延时改正，借助气象传感器自动采集当地的温度、气压和相对湿度，将每隔１．５ｓ的观测结果，根据电离层和气象数据，采取平滑方法，获得每１５ｍｉｎ的结果数据，并将这些数据发送到主控站。注入站：接收主控站发送来的卫星星历和钟差信息。当某颗ＧＰＳ卫星飞越注入站上空时，用１０ｃｍ（Ｓ）波段的微波作载波，将该卫星的导航电文发给该卫星。每天注入三次，每次注入１４ｄ的星历。此外，注入站能定时自动向主控站报告自己的工作状态。３．用户系统上一页下一页返回8.1GPS系统简介及组成用户系统包括ＧＰＳ接收机和数据处理软件等。ＧＰＳ接收机一般由天线单元和信号接收单元两部分组成，如图８-５所示。天线单元由接收天线和前置放大器两个部件组成，当微弱的ＧＰＳ信号到达接收天线后，天线将电磁波能量转化为电流，送到前置放大器予以放大。接收单元的核心部件是信号通道。不同类型的接收机通道数不同，一般有１～１２个不等，每个通道可跟踪一颗卫星。实践证明，多通道平行跟踪全部可见卫星的成果精度明显优于采用少通道序贯跟踪的接收机。上一页下一页返回8.1GPS系统简介及组成微处理器是ＧＰＳ接收机工作的灵魂，ＧＰＳ接收机其他部件的工作都是在其指令统一协同下进行的。ＧＰＳ接收机的主要任务可概括为：当ＧＰＳ卫星从用户的地平线升起时，能够捕获跟踪所选择的待测卫星，对所接收到的微弱卫星信号进行变换、放大和处理，以测量ＧＰＳ信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出ＧＰＳ卫星所发送的导航电文，实时计算出测站（天线相位中心）的三维坐标，并根据预设置的更新率，不断更新计算点位坐标；通过面板键盘的控制，可以显示所需要的数据信息。目前，各种类型的ＧＰＳ接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测，如图８-６所示。同时，能接收ＧＰＳ、ＧＬＯＮＡＳＳ、北斗卫星信号的“三星”全球导航定位系统接收机也已经问世。上一页返回8.2ＧＰＳ定位的基本原理及实施过程８.２.１GPS定位的基本原理ＧＰＳ定位时，把卫星看成是动态的已知控制点，利用所测的距离进行空间后方交会，从而得到接收机的位置。ＧＰＳ测量有伪距和载波相位两种基本观测量。GPS接收机测量卫星信号（测距码）由卫星传播至接收机的时间，再乘上电磁波传播的速度，便得到由卫星到接收机的伪距。由于传播时间含有卫星时钟与接收机时钟不同步误差，以及测距码在大气中传播的延迟误差等，所以求得的伪距并不等于卫星与测站之间的几何距离。下一页返回8.2ＧＰＳ定位的基本原理及实施过程载波相位测量是把接收到的卫星信号和接收机本身的信号混频，再进行相位测量。由于相位测量只能测定载波波长不足一个波长的部分，因此所测的相位可看成是波长整倍数未知的伪距，载波相位测量的精度一般为１～２ｍｍ。ＧＰＳ定位的方法，按定位时ＧＰＳ接收机所处的状态，可分为静态定位和动态定位；按定位的结果，又可分为绝对定位和相对定位。静态定位指在定位过程中，ＧＰＳ接收机的位置是固定的，处于静止状态；而动态定位时，ＧＰＳ接收机处于运动状态。绝对定位指在ＷＧＳ－８４坐标系中，确定测站相对地球质心绝对位置的方法，也称为单点定位，如图８-７所示。上一页下一页返回8.2ＧＰＳ定位的基本原理及实施过程其优点是只需一台GPS接收机即可定位，外出观测较为自由方便，数据处理也较简单，但其结果受卫星星历误差和卫星信号传播过程中的大气延迟误差的影响比较显著，所以定位精度较差，一般为几十米。相对定位指在WGS-８４坐标系中，确定测站与某一地面参考点之间的相对位置，或确定两测站之间相对位置的方法，如图８-８所示。进行相对定位时，需要两台或两台以上ＧＰＳ接收机同时进行定位。此时，许多误差对同步观测的测站有相同的或大致相同的影响。因此，计算时这些误差可以抵消或大幅度削弱，从而获得很高精度的相对位置，一般精度为几毫米至几厘米。相对定位与绝对定位相比，外业观测的实施以及数据处理要复杂。相对定位广泛应用于大地测量、工程测量、地壳变形监测等精密定位领域。上一页下一页返回8.2ＧＰＳ定位的基本原理及实施过程同其他测量工作一样，ＧＰＳ测量同样会不可避免地受到测量误差的干扰。ＧＰＳ测量的各种误差可归纳为以下三类：（１）同卫星有关的误差，包括卫星轨道误差和卫星钟差。（２）同信号传播有关的误差，包括电离层误差、对流层误差、周跳、接收机噪声和多路径误差。（３）同测站有关的误差，包括接收钟差和基地站（起算点）ＷＧＳ－８４坐标的误差。８.２.２GPS测量的实施过程ＧＰＳ测量按其工作性质，可分为外业工作和内业工作两大部分。上一页下一页返回8.2ＧＰＳ定位的基本原理及实施过程外业工作主要包括选点、建立标志、野外观测作业等；内业工作主要包括ＧＰＳ控制网技术设计、数据处理和技术总结等。１．ＧＰＳ控制网的技术设计ＧＰＳ控制网的技术设计是进行ＧＰＳ测量的基础，包括精度指标的确定和网形设计。（１）精度指标的确定。精度是用来衡量网的坐标参数估值受观测偶然误差影响程度的指标。ＧＰＳ测量的精度指标通常是以网中相邻点之间的距离中误差来表示，其形式为上一页下一页返回8.2ＧＰＳ定位的基本原理及实施过程国家测绘局２００９年颁布的《全球定位系统（ＧＰＳ）测量规范》将ＧＰＳ控制网分为Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ五级，各级控制网的精度指标见表８-１。其中Ａ、Ｂ两级为国家ＧＰＳ控制网，Ｃ、Ｄ、Ｅ三级是针对局域性ＧＰＳ网规定的。此外，各部委根据本部门ＧＰＳ工作的实际情况也制定了其他的ＧＰＳ规程或细则。由于精度指标的大小将直接影响ＧＰＳ网的布设方案及ＧＰＳ作业模式，因此在实际设计中，应根据用户的实际需要及设备条件慎重确定。控制网可以分级布设，也可以越级布设或布设同级全面网。（２）网形设计。ＧＰＳ测量中，由于不要求测站点间通视，因此其图形设计具有较大的灵活性。上一页下一页返回8.2ＧＰＳ定位的基本原理及实施过程ＧＰＳ网的网形设计主要考虑网的用途、用户要求、经费、时间、人力及后勤保障条件等，同时还应考虑所投入的接收机的类型和数量等条件。ＧＰＳ网的基本构网方式有点连式、边连式、网连式和边点混合式四种。点连式：如图８-９（ａ）所示，相邻的同步图形（即多台接收机同步观测卫星所获基线构成的闭合图形，又称同步环）之间仅用一个公共点连接。这种方式所构成的图形几何强度很弱，一般不单独使用。边连式：如图８-９（ｂ）所示，相邻同步图形之间由一条公共基线连接。这种布网方案复测的边数较多，网的几何强度较高。上一页下一页返回8.2ＧＰＳ定位的基本原理及实施过程非同步图形的观测基线可以组成异步观测环（称为异步环），异步环常用于检查观测成果的质量。所以边连式的可靠性优于点连式。网连式：相邻同步图形之间由两个以上的公共点连接。这种方法要求四台以上的接收机同步观测。它的几何强度和可靠性更高，但所需的经费和时间也更多，一般用于较高精度的控制测量。边点混合式：将点连式与边连式有机地结合起来组成ＧＰＳ网。如图８-９（ｃ）所示，它是在点连式基础上加测四个时段，把边连式与点连式结合起来得到的。这种方式既能保证网的几何强度，提高网的可靠性，又能减少外业工作量，降低成本，因而是一种比较理想的布网方法。上一页下一页返回8.2ＧＰＳ定位的基本原理及实施过程对于低等级的ＧＰＳ测量或碎部测量，也可采用图８-１０所示的星形布设。这种图形的主要优点是观测中只需要两台ＧＰＳ接收机，作业简单。但由于直接观测边之间不构成任何闭合图形，所以其检查和发现粗差的能力比点连式更差。这种方式常采用快速定位的作业模式。进行网形设计时，还需注意以下几个问题：１）ＧＰＳ网必须由非同步独立观测边构成若干个闭合环或附合路线，以构成检核条件，提高网的可靠性。2)尽管ＧＰＳ测量不要求相邻测站点之间通视，但为了今后便于用常规测量方法联测或扩展，要求每个控制点应有一个以上的通视方向。上一页下一页返回8.2ＧＰＳ定位的基本原理及实施过程３）为了确定ＧＰＳ网与原有地面控制点之间的坐标转换参数，要求至少有３个ＧＰＳ控制网点与地面控制网点重合。４）ＧＰＳ网点应考虑与水准点重合，非重合点一般进行等级水准联测，以便为研究大地水准面提供资料。２．选点与建立标志ＧＰＳ测量测站之间不要求通视，网的图形结构比较灵活，故选点工作较常规测量简便。但ＧＰＳ测量又有其自身的特点，选点时应满足以下要求：点位应选在交通方便、易于安置接收设备的地方，且视场要开阔；ＧＰＳ点应避开对电磁波接收有干扰的物体，如高压线、电视台、微波站、大面积水域等。上一页下一页返回8.2ＧＰＳ定位的基本原理及实施过程点位选定后，按要求埋置标石，并绘制点之记。３．外业观测ＧＰＳ外业观测工作主要包括天线安置、观测作业和观测记录。（１）天线安置。天线的相位中心是ＧＰＳ测量的基准点，所以妥善安置天线是实现精密定位的重要条件之一。天线安置的内容包括对中、整平、定向和量天线高。进行静态相对定位时，天线应架设在三脚架上，安置在标志中心的上方直接对中，天线基座上的圆水准气泡必须居中（对中与整平方法与经纬仪安置相同）。定向是使天线的定向标志线指向正北，定向误差一般不应超过±（３°～５°）。上一页下一页返回8.2ＧＰＳ定位的基本原理及实施过程天线高是指天线的相位中心至观测点标志中心的垂直距离，用小钢尺在互为１２０°的方向量三次，要求互差小于３ｍｍ，满足要求后取三次结果的平均值，记入测量手簿中。（２）观测作业。观测作业的主要任务是捕获ＧＰＳ卫星信号，并对其进行跟踪、接收和处理，以获取所需的定位信息和观测数据。天线安置完成后，将ＧＰＳ接收机安置在距天线不远的安全处，接通接收机与电源、天线的连接电缆，经检查无误后，在约定的时间打开电源，启动接收机进行观测。ＧＰＳ接收机具体的操作步骤和方法，因接收机的类型和作业模式不同而不同，在随机所带的操作手册中都有详细的介绍。上一页下一页返回8.2ＧＰＳ定位的基本原理及实施过程事实上，ＧＰＳ接收机的自动化程度很高，一般仅需按动若干功能键（有的甚至只需按一个电源开关键），即能顺利地完成测量工作。观测数据由接收机自动形成，并以文件形式保存在接收机存储器中。作业人员只需定期查看接收机的工作状况并做好记录。观测过程中接收机不得关闭或重新启动；不得更改有关设置参数；不得碰触天线或阻挡信号；不准改变天线高。测站的全部预定作业经检查均已完成，确保记录资料完整无误后，方可迁站。（３）观测记录。观测记录的形式一般有两种。一种由接收机自动形成，并保存在接收机存储器中，供随时调用和处理。上一页下一页返回8.2ＧＰＳ定位的基本原理及实施过程这部分内容主要包括ＧＰＳ卫星星历和卫星钟差参数；观测历元及伪距和载波相位观测值；实时绝对定位结果；测站控制信息及接收机工作状态信息。另一种是测量手簿，由观测人员