-第八章GPS操作流程和基线解算第一节 GPS系统组成一、设备GPS系统由空间卫星部分、地面监控部分和用户接收部分三部分组成，如图6.1所示。1、空间卫星部分（1）GPS卫星星座。设计星座：213，即21颗正式的工作卫星加3颗活动的备用卫星。6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55，周期11h58min（顾及地球自转，地球与卫星的几何关系每天提前4min重复一次）。保证在24h，在高度角15以上，能够同时观测到48颗卫星。（2）GPS卫星。GPS卫星的作用是发送用于导航定位的信号等。主要设备是原子钟（2台铯钟、2台铷钟）、信号生成与发射装置。类型有试验卫星B1oCk I和工作卫星BloCk。（3）GPS卫星由洛克韦尔国际公司空间部研制。卫星重774kg（包括310kg燃料），采用铝蜂巢结构，主体呈柱形，直径为l。5m。星体两侧装有两块双叶对日定向太阳能电池帆板，全长5.33m，接受日光面积7.2。对日定向系统控制两翼帆板旋转，使板面始终对准太阳，为卫星不断提供电力，并给三组15AH镉镍蓄电池充电，以保证卫星在地影区能正常工作。在星体底部装有多波束定向天线，这是一种由12个单元构成的成形波束螺旋天线阵，能发射L，和L。波段的信号，其波束方向图能覆盖约半个地球。在星体两端面上装有全向遥测遥控天线，用于与地面监控网通信。此外，卫星上还装有姿态控制系统和轨道控制系统。工作卫星的设计寿命为7年。从试验卫星的工作情况看，一般都能超过或远远超过设计寿命。第一代卫星现已停止工作。第二代卫星用于组成GPS工作卫星星座，通常称为GPS工作卫星。BloCkA的功能比BloCk大大增强，表现在军事功能和数据存储容量。BloCk只能存储供45天用的导航电文，而BloCkA则能够存储供180天用的导航电文，以确保在特殊情况下使用GPS卫星。第三代卫星尚在设计中，以取代第二代卫星，改善全球定位系统。其特点是：可对自己进行自主导航；每颗卫星将使用星载处理器，计算导航参数的修正值，改善导航精度，增强自主能力和生存能力。据报道，该卫星在没有与地面联系的情况下可以工作6个月，而其精度可与有地面控制时的精度相当。2、地面监控部分（1）地面监控部分的分布。1）主控站1个，地点在美国科罗拉多州法尔孔空军基地。2）监测站5个，分别在夏威夷、美国科罗拉多州法尔孔空军基地、阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）。3）注入站3个，分别在阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）。（2）监控部分的作用。1）主控站的作用是收集数据、数据处理、监测与协调和控制卫星。2）监测站的作用是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。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，供主控站使用。3）注入站的作用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，供卫星向用户发送。3、用户接收部分用户接收部分的基本设备就是GPS信号接收机、机内软件以及GPS数据的后处理软件包。其作用是接收、跟踪、变换和测量GPS卫星所发射的GPS信号，以达到导航和定位的目的。GPS信号接收机的任务是：跟踪可见卫星的运行，捕获一定卫星高度截至角的待测卫星信号，并对GPS信号进行变换、放大和处理，解译出GPS卫星所发送的导航电文，测量出GPS信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，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置，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GPS接收机测定一个运动物体的运动轨迹。载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动，接收机用GPS信号实时地测得运动载体的瞬间三维位置和三维速度。近年来，国内引进了许多类型的GPS测地型接收机。各种类型的GPS测地型接收机用于精度相对定位时，其双频接收机精度可达5mm+1ppmD（D为距离，单位为km，下同），单频接收机在一定距离内精度可达10mm+1ppmD，用于差分定位时精度可达亚米级至厘米级。目前，各种类型的GPS信号接收机体积越来越小，质量越来越轻，便于野外观测。二、技术特点GPS可为各类用户连续提供动态目标的三维位置、三维速度及时间信息。GPS测量主要特点如下。1、功能多、用途广GPS系统不仅可以用于测量、导航，还可以用于测速、测时。测速的精度可达0.1m/s，测时的速度可达几十毫微妙。其应用领域不断扩大。2、定位精度高大量的实验和工程应用表明，用载波相位观测量进行静态相对定位，在小于50km的基线上，相对定位精度可达110。210。，而在100500km的基线上可达10 s10，。随着观测技术与数据处理方法的改善，可望在大于1000km的距离上，相对定位精度达到或优于10。在实时动态定位（RTK）和实时差分定位（RTD）方面，定位精度可达到厘米级和分米级，能满足各种工程测量的要求。其精度如表6-1所示。随着GPS定位技术及数据处理技术的发展，其精度还将进一步提高。3、实时定位利用全球定位系统进行导航，即可实时确定运动目标的三维位置和速度，可实时保障运动载体沿预定航线运行，亦可选择最佳路线。特别是对军事上动态目标的导航，具有十分重要的意义。4、观测时间短目前，利用经典的静态相对定位模式，观测20km以内的基线所需观测时问，对于单频接收机在1h左右，对于双频接收机仅需1520min。采用实时动态定位模式，流动站初始化观测15min后，并可随时定位，每站观测仅需几秒钟。利用GPS技术建立控制网，可缩短观测时间，提高作业效益。5、观测站之间无需通视经典测量技术需要保持良好的通视条件，又要保障测量控制网的良好图形结构。而GPS测量只要求测站15。以上的空间视野开阔，与卫星保持通视即可，并不需要观测站之间相互通视，因而不再需要建造觇标。这一优点即可大大减少测量工作的经费和时间（一般造标费用约占总经费的3050）。同时，也使选点工作变得非常灵活，完全可以根据工作的需要来确定点位，可通视也使电位的选择变得更灵活，可省去经典测量中的传算点、过渡点的测量工作。不过也应指出，GPS测量虽然不要求观测站之间相互通视，但为了方便用常规方法联测的需要，在布设GPS点时，应该保证至少一个方向通视。6、操作简便GPS测量的自动化程度很高。对于“智能型”接收机，在观测中测量员的主要任务只是安装并开关仪器、量取天线高、采集环境的气象数据、监视仪器的工作状态，而其他工作，如卫星的捕获、跟踪观测和记录等均由仪器自动完成。结束观测时，仅需关闭电源，收好接收机，便完成野外数据采集任务。 .如果在一个测站上需要作较长时问的连续观测，还可实行无人值守的数据采集，通过网络或其他通信方式，将所采集的观测数据传送到数据处理中心，实现全自动化的数据采集与处理。GPS用户接收机一般重量较轻、体积较小。现在有许多GPS接收机是天线、主机、电源组合在一起的一体机，白化程度较高，野外测量时仅“一键”开关，携带和搬运都很方便。7、可提供全球统一的三维地心坐标经典大地测量将平面和高程采用不同方法分别施测。GPS测量中，在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测量观测站的大地高程。GPS测量的这一特点，不仅为研究大地水准面的形状和确定地面点的高程开辟了新途径，同时也为其在航空物探、航空摄影测量及精密导航中的应用，提供了重要的高程数据。GPS定位是在全球统一的WGS一84坐标系统中计算的，因此全球不同点的测量成果是相互关联的。8、全球全天候作业GPS卫星较多，且分布均匀，保证了全球地面被连续覆盖，使得在地球上任何地点、任何时候进行预观测工作，通常情况下，除雷雨天气不宜观测，一般不受天气状况的影响。因此，GPS定位技术的发展是对经典测量技术的一次重大突破。第二节控制网设计GPS测量工作与经典测量工作相类似，按其性质可分为外业和内业两大部分。其中，外业工作主要包括选点、建立测站标志、野外观测作业以及成果质量检核等；内业工作主要包括GPS测量的技术设计、测后数据处理及技术总结等。控制网设计包括控制网的设计依据、设计精度和设计网形。一、GPS网技术1、GPS网技术设计的原则技术设计是建立GPS控制网的第一步，也是确保GPS网在满足准确、可靠、经济的前提下，满足建设需要的关键性工作。GPS网技术设计应遵循以下基本原则，即确定适宜的精度标准，选取适用的测量基准，严格按照相应的规*要求选点并设置点位标志。（1）、精度确定根据网的用途及工程控制的精度要求确定GPS网测量的相应精度等级，精度等级的划分应参照相应行业的GPS测量规*。（2）、选点与埋设GPS点位选择的好坏，对于GPs观测工作的顺利进行和结果的可靠性有着重要的影响，因此，在实地选点前应根据测量任务的目的和测区情况等，收集测区已有各类控制点和地形图等资料，以便于选点工作。在选点时应遵循以下原则：点位周围应便于安置接收设备，视野开阔视场内障碍物的高度角不宜超过15。点位应远离大功率无线电发射源（如电视台、电台微波站等）及电压输电线和微波无线电信号传送通道，以避免周围磁场对GPS信号的干扰；点位周围不应有强烈反射卫星信号的物体（如大型建筑物等）；点位应选在交通方便，并有利于用其他测量手段扩展和联测，以提高作业效率；点位应选在地面基础稳固的地方，以利于点位的保存；点位的埋设宜用混凝土现场浇筑的形式埋设为不锈钢标志，埋深应在当地永久冻土层以下0.3米，桩面注记字体应朝向正北。2、GPS网构成的概念观测时段：测站上开始接收卫星信号到观测停止，连续工作的时间段，简称时段。同步观测：两台或两台以上接收机同时对同一组卫星进行的观测。同步观测环：三台或三台以上接收机同步观测获得的基线向量所构成的闭合环，简称同步环。独立观测环：由独立观测所获得的基线向量构成的闭合环，简称独立环。异步观测环：在构成多边形环路的所有基线向量中，只要有非同步观测基线向量，则该多边形环路叫异步观测环，简称异步环。独立基线：对于N台GPS接收机构成的同步观测环，独立基线数为Nl。非独立基线：除独立基线外的其他基线叫非独立基线，总基线数与独立基线数之差即为非独立基线数。理论上，同步闭合环中各基线向量的坐标差之和（即闭合差）应为零，但由于有时各台GPS接收机并不是严格同步，同步闭合环的闭合差并不等于零。有的GPS规*规定了同步闭合差的限差，对于同步较好的情况，应遵守此限差的要求，但当由于*种原因，同步不是很好时，应适当放宽此项限差。高速铁路工程测量规*已经对此不作规定。当同步闭合环的闭合差较小时，通常只能说明GPS基线向量的计算合格，并不能说明GPS基线的观测精度高，也不能发现接收的信号受到干扰而产生的*些粗差。为了确保GPS观测效果的可靠性，有效地发现观测成果中的粗差，必须使GPS网中的独立基线构成一定的几何图形称独立观测环。GPS控制网的图形也应该由一个或若干个独立观测环构成。GPS构网的基本图形可分为：三角形网、环形网、星形网。3、GPS网的基准GPS测量获得的GPS基线向量，是属于WGS一84坐标系的三维坐标差，而实际上我们需要的是国家坐标系或地方独立坐标系中的坐标成果。因此，在进行GPS网的技术设计时，必须明确GPS成果所采用的坐标系统和起算数据，即明确GPS网所采用的基准。GPS网的基准包括网的位置基准、方位基准和尺度基准。一般来说，方位基准以给定的起算方位角值来确定，或者由GPS基线向量的方位作为方位基准；尺度基