第十二章全球定位系统与地籍测量

第十二章全球定位系统与地籍测量第一节概述一、GPS定位技术的兴起及其特点美国国防部于1973年批准陆海空三军共同研制新一代卫星导航系统，全称为“授时与测距导航系统／全球定位系统”(NavigationTimingandRanging/GlobalPositioningSystem)，简称为“全球定位系统(GPS)”。GPS整个发展计划分三个阶段实施：第一阶段(1973—1978年)进行方案论证、理论研究和总体设计；第二阶段(1978—1988年)进行工程研制，主要是发射GPS试验性卫星，检验GPS系统的基本性能；第三阶段(1989—1993年)进行实用组网。整个计划耗时20年，投资300亿美元，是继阿波罗登月、航天飞机之后的第三大空间工程。GPS定位技术的发展，对于传统的测量技术是一次巨大的冲击。它一方面使经典的测量理论和方法产生了深刻的变革，另一方面也进一步加强了测绘科学与其他学科之间的相互渗透，从而促进测绘科学技术的现代化发展。与传统的测量技术相比，GPS定位技术有以下特点：(1)观测站之间无需通视。传统测量要求测站点之间既要保持良好的通视条件，又要保障三角网的良好结构。GPS测量不要求观测站之间相互之间通视，这一优点既可大大减少测量工作的经费和时间，同时也使点位的选择变得甚为灵活。GPS测量虽不要求观测站之间相互通视，但必须保持观测站的上空开阔，以使接收GPS卫星的信号不受干扰。(2)定位精度高。现已完成的大量实验表明，在小于50km的基线上，其相对定位精度可达10-6～2×10-6，而在100～500km的基线上可达10-6～10-7。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10-8。(3)观测时间短。目前，利用经典静态定位方法，完成一条基线的相对定位所需要的观测时间，根据要求的精度不同，一般约为1～3h。快速相对定位法，其观测时间仅需数分钟至十几分钟。(4)操作简便。GPS测量的自动化程度很高，在观测中测量员的主要任务只是安装并开关仪器、量取仪器高和监视仪器的工作状态和采集环境的气象数据，而其他观测工作，如卫星的捕获、跟踪观测等均由仪器自动完成。另外，GPS用户接收机一般重量较轻、体积较小，因此携带和搬运都很方便。(5)全天候作业。GPS观测工作可以在任何地点、任何时间连续地进行，一般也不受天气状况的影响。GPS已经广泛渗透到了经济建设和科学技术的许多领域，极大地促进了地籍测绘工作的进步。它不仅使地籍测绘的工作方式发生了根本性的变革，也大大提高了地籍测绘的工作效率，拓宽了地籍测绘的服务范围。另外，前苏联自1978年开始发射自己的全球导航卫星系统(GLONASS)试验卫星，在20世纪90年代中期建成GLONASS工作卫星，星座由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成，均分布在三个轨道平面上。欧洲空间局(ESA)正在筹建民用导航卫星系统，包括在赤道平面的6颗同步卫星和12颗高椭圆轨道卫星的混合卫星星座。我国也建立了双星定位系统，由2颗同步卫星确定平面位置的导航系统。第二节GPS全球定位系统定位技术*一、GPS定位的基本原理(一)基本原理地面接收机可以在任何地点、任何位置、任何气象条件下进行连续观测，并且在时钟的控制下，测出卫星信号到达接收机的时间Δt，进而确定卫星与接收机之间的距离ρ:itc式中，c为信号传播速度，i为有关的改正数之和。GPS定位就是把卫星看成是移动的控制点，根据测量的星站距离进行空间距离后方交会，确定地面接收机的位置。图12-3GPS定位的基本原理如图12-3所示，A、B、C为已知瞬时位置的卫星点，接收机的位置坐标可由下式计算：222222222222)()()()()()()()()(CCCCBBBBAAAAzzyyxxzzyyxxzzyyxx式中：xA，yA，zA为A点的空间直角坐标；xB，yB，zB为B点的空间直角坐标；xC，yC，zC为C点的空间直角坐标。(二)伪距法定位原理卫星根据自己的星载时钟发出含有测距码的调制信号，经过t时间的传播后到达接收机，此时接收机的伪随机噪声码发生器在本机时钟的控制下，又产生一个与卫星发射的测距码结构完全相同的“复制码”。通过机内的可调延时器将复制码延迟时间，使得复制码与接收到的测距码“对齐”。在理想情况下，时延就等于卫星信号的传播时间t，将传播速度c乘以时延，就可以求得卫星至接收机的距离：c(12-1)考虑到卫星时钟和接收机时钟不同步的影响、电离层(高度在50～1000km的大气层)和对流层(高度在50km以下的大气层)对传播速度的影响，所以称作伪距。真正距离和伪距之间的关系式：tbtatropioncvcv(12-2)式中：ion，trop分别表示电离层和对流层的折射改正；tav，tbv分别表示卫星时钟的钟差改正和接收机的钟差改正。(三)载波相位测量法定位原理(差分法)载波相位测量的观测量是GPS接收机所接收的卫星载波信号与接收机本振参考信号的相位差。以)(kjkt表示k接收机在接收机钟面时刻kt时所接收到的j卫星载波信号的相位值，)(kkt表示接收机在钟面时刻所产生的本地参考信号的相位值，则k接收机在接收机钟面时刻kt时观测j卫星所取得的相位观测量为：)()()(kkkjkkjkttt(12-3)接收机与观测卫星的距离为：)(kjkt(12-4)通常的相位或相位差测量只是测出一周以内的相位值，实际测量中，如果对整周进行计数，则自某一初始取样时刻(0t)以后就可以取得连续的相位测量值。如图12-4，在初始0t时刻，测得小于一周的相位差为0，其整周数为jN0，此时包含整周数的相位观测值应为：jkjkjjkNttNt000000)()()(接收机继续跟踪卫星信号，不断测得小于一周的相位差)(t，并利用整波计数器记录从0t到it时间内的整周数变化量)(Int，只要卫星从0t到it之间信号没有中断，则初始时刻整周模糊度jN0就为一常数，这样，任一时刻it卫星到k接收机的相位差为：)()()(0IntNttjikijkjk。图12-4载波相位测量原理(四)相对定位的原理相对定位是用两台接收机分别安置在基线两端，同步观测相通的GPS卫星，确定基线端点的相对位置或坐标差。若已知其中一点坐标后，可求得另一点坐标。同样，多台接收机安置在多条基线上同步观测相通卫星，可以确定多条基线向量。在两个观测站或多个观测站同步观测相同卫星的情况下，卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差等观测量的影响具有一定的相关性。利用这些观测量的不同组合(求差)进行相对定位，可有效地消除或减弱相关误差的影响，提高相对定位的精度。假设安置在基线端点的接收机T(i=1,2)，对GPS卫星js和ks,于历元1t和2t进行了同步观测，则可得以下独立的载波相位观测量：)(11tj，)(21tj，)(11tk，)(21tk，)(12tj，)(22tj，)(12tk，)(22tk。在静态相对定位中，目前普遍应用的重要组合形式有单差、双差和三差。图12-5GPS相对定位原理单差，即不同观测站同步观测相同卫星所得观测量之差。其表达形式为：)()()(12tttjjj(12-5)双差，即不同观测站同步观测同一组卫星所得单差之差。其表达形式为：)]()()()([)()()(1212tttttttjjkkjkk(12-6)三差，即于不同历元同步观测同一组卫星所得观测量的双差之差。其表达形式为：)]()()()([)]()()()([)()()(111211122122212212tttttttttttjjkkjjkkkkk(12-7)二、静态相对GPS定位技术近年来，由于GPS测量数据处理软件系统的发展，使得确定两点之间的相对位置有多种作业方式可供选择。在地籍测量中，主要根据GPS硬件和软件条件、测量目的、精度要求以及观测条件等确定不同的作业方式。目前，地籍测量中应用的静态GPS测量作业方式主要有经典静态测量和快速静态测量两种。(一)经典静态相对定位该作业方式是采用两套(或两套以上)接收设备，分别安置在一条(或数条)基线的端点，同步观测4颗以上卫星，每时段长45min至2h或更长。这种作业模式所观测过的基线边，应构成某种闭合图形，以便于观测成果的检核，提高成果的可靠性和GPS网平差后的精度。基线长度可由20km至几百公里。基线的相对定位精度可达5mm十10-6×D，D为基线长度(km)。经典静态相对定位作业方式适用于建立全球性或国家级大地控制网，建立地壳运动或工程变形监测网，建立长距离检校基线，进行岛屿与大陆联测以及精密定位。图12-6经典静态相对定位图12-7快速静态定位(二)快速静态定位该作业方式是在测区的中部选择一个基准站，并安置一台接收设备连续跟踪所有可见卫星，另一台接收机依次到各点流动设站，每个点上观测数分钟至十几分钟。该作业模式要求在观测时段中，必须有5颗卫星可供观测，同时流动站与基准站相距不超过15km。接收机在流动站之间移动时，不必保持对所测卫星的连续跟踪，因而可关闭电源以降低能耗。该模式作业速度快、精度高。流动站相对于基准站的基线中误差为5mm+10-6×D。缺点是二台接收机工作时，构不成闭合图形，可靠性较差。快速静态定位作业方式适用于控制测景及其加密；工程测量、地籍测量及大批百米左右的点位定位。三、动态相对GPS定位技术目前，地籍测量中应用的相对动态GPS测量技术主要有实时动态(RTK)、常规差分GPS和PPK、广域差分GPS。(一)实时动态(RTK)测量技术实时动态(RealTimeKinematic—RTK)测量技术是以载波相位测量为根据的实时差分GPS测量技术，是GPS测量技术发展中的一个突破。其他的GPS作业模式观测数据需在测后处理，不仅无法实时地给出观测站的定位结果，而且也无法对基准站和用户观测数据的质量进行实时地检核；而实时动态GPS测量是在基准站上安置一台GPS接收机，对所有可见的GPS卫星进行连续观测，并将其观测数据通过无线电传输设备，实时地发送给用户观测站。在用户观测站上，GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时，通过无线电接收设备接收基准站传输的观测数据，然后根据相对定位的原理，实时地计算并显示用户站的三维坐标及其精度。RTK测量技术为GPS测量工作的可靠性和高效率提供了保障，对GPS测量技术的发展和普及具有重要的现实意义。根据用户的要求，目前实时动态测量采用的作业模式主要有快速静态测量、准动态测量、动态测量。(二)常规差分GPS测量技术和PPK测量技术常规差分GPS和PPK同属于伪距差分技术。常规差分GPS是在某一已知位置建立一个参考站，在参考站上计算所有可见卫星的伪距改正数和改正数变化率，并将这些改正信息发布给附近用户，用户利用这些信息修正自己接收的观测伪距，从而提高定位精度。常规差分GPS的定位精度与用户至参考站的距离有关，精度的衰减率为1cm/km，在50km之内，定位精度优于1m。PPK(Post-ProcessingKinematic)模式是最早的GPS动态差分技术方式，其定位原理类似于常规差分GPS，只是采用数据后处理，在参考站和流动站之间不需要建立无线电通讯数据链。它的缺点和常规差分GPS一样，定位的精度受参考站和流动站之间的距离限制。(三)广域差分GPS测量技术常规差分GPS技术只能用于局部区域。当用户与参考站之间的距离增加时，空间相关开始减弱，定位精度明显下降。在广域差分GPS中，伪距的定位误差分为三大类，即轨道误差、卫星钟差和电离层误差；根据大区域内若干个GPS参考站的观测资料和位置信息，联合解算出每个卫星的卫星钟差、轨道改正数、电离层改正数，然后将这些改正数发送给覆盖范围内的用户，用户