4.-GPS定位原理

四、GPS定位原理§5.1GPS定位方法分类§5.2GPS静态定位原理§5.3GPS动态定位原理§5.4GPS快速静态相对定位§5.5CORS§5.1GPS定位方法分类§5.2GPS静态定位原理精度因子载波相位测量（六）•载波相位测量的线性组合§5.3GPS快速静态相对定位快速静态与全站仪导线和几何水准比较•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。•快速静态模式要求观测时段中必须有5颗卫星可供观测，同时流动站与基准站相距不超过15km。(1)单基站作业方式点位最大误差19．1mm，平均7．5mm。由此判断这种作业方式可以达到一级GPS网的精度要求。(2)双基站作业方式最大点位误差10.726mm平均4．848mm。§5.4GPS动态定位原理伪距差分原理RTK转换参数的取得根据RTK的原理，参考站和流动站直接采集的都为WGS84坐标，参考站一般以一个WGS84坐标作为起始值来发射，流动站同步接收WGS84坐标并通过电台来接收参考站的数据，条件满足后就可达到固定解，流动站就可实时得到高精度的相对于参考站的WGS84三维坐标，这样就保证了参考站与流动站之间的测量精度。如果要符合到已有的已知点上，需要把原坐标系统和现有坐标系统之间的转换参数求出。转换参数大概分为三参数、四参数、七参数和拟合参数。三参数是通过一个已知点来校正，求出WGS84坐标系统的坐标值与实际应用坐标值的三维差值，即△X、△Y、△H。三参数从原理上说参考站每次开机都需要重新校正，如果参考站架设在同一地点，且每次开机发射的WGS84坐标都已经通过设置来固定，那么三参数就不需要再重新求。这种方法参考站可以在已知点上，也可以在未知点上，但每次都需要一个已知点。如果参考站在已知点，那么流动站可以在任何地方输入参考站坐标来校正；参考站在未知点，流动站必需到已知点上输入流动站坐标进行校正。对于参考站在测量中位置不动而偶尔关机的情况（如电量耗尽），仪器一般会提供一键设置基准站功能，再次开机时，主机会按照上次的参数设置基准站，流动站和基准站通讯之后，不需要再重新校正。可以看到，三参数只是一个点的三维改正值，它默认了使用点所在的坐标系与WGS84坐标系北方向是一致的，但实际情况并非如此，随着距离的增大RTK测量结果会和已知坐标系产生越来越大的偏移量，误差也会越大，所以采用标准坐标系时这种方法仅限于1km左右的测量范围。当然如果是假定近似直角坐标就没有这种距离限制，因为通常假定的坐标北方向与WGS84方向是一致的。四参数是同一椭球不同坐标系之间的转换参数，表示为△X、△Y、A（旋转角）、K（尺度比）；七参数是两个不同椭球之间的转换参数，表示为△X、△Y、△Z、△α、△β、△γ、△K，三个平移、三个旋转和一个尺度参数。四参数和七参数是不能同时使用的，两者只能选其一。RTK直接测量的坐标是属于WGS84坐标系，我们通常用的是国家标准坐标系统，比如1954年北京坐标系，两者并不是一个椭球，那么原则上讲需要七参数才可以实现两个椭球的转换，我们才有可能采集到54坐标。但在不能精确求取七参数的情况下，可把WGS84的原始经纬度作为北京54的经纬度处理，这样一来就可以通过采集两个或两个以上的北京54已知点来求取四参数。求取四参数的方法：一是利用室内点校正，即在未到现场的情况下，在点校正菜单中，选取数据库中的控制点，并且输入对应的WGS84坐标，软件就会自动计算出四参数并给出点位精度；另一种方法就是利用现场点校正，即在指定的控制点进行坐标联测，一般联测两个以上点就可以求出四参数，并自动启用。七参数的求解方法一般是靠做控制测量即静态测量。将静态测量的数据导入平差软件进行处理后，软件会自动求出七参数，在做RTK测量时可以直接输入使用。七参数相对于四参数来说可以认为是更准确、精度更高，有条件的话尽量使用七参数。实际工作中，转换参数是一个很重要的问题，所以一定要正确求取，最好留一些点进行检查，以实时把握参数的精度。具体求参数时主要是对已知点的要求比较多，有以下几个方面：1、控制点的数量应足够。一般来讲，平面控制应至少三个，高程控制应根据地形地貌条件，数量要求会更多（比如6个或以上）以确保拟合精度要求。2、控制点的控制范围和分布的合理性。控制范围应以能够覆盖整个工区为原则，一般情况下，相邻控制点之间的距离在3km-5km，所谓分布的合理性主要是指控制点分布的均匀性，当然控制点是越多越好。3、已知点少时，点位决定精度。如果只有两个点情况下，两已知点距离不应太近，一般情况下作用范围不应超过两点距离的1.5倍；另外两已知点也不应在象限方向上，即不应在东西或南北方向，应存在一定的偏角。4、控制点精度应统一。用于求参数的控制点应是经过统一平差的点。RTK在线路放样中的应用1.设计和施工中进行定位放样时,首先采用GPS静态定位技术或常规测量方法沿线布设控制网并精确测得各控制点坐标和高程,作为定线测量设置基准站的条件。控制测量的成果可以文本数据格式文件的形式输入或存入到电子簿供放样时调用。定线测量放样点的坐标可以按两种形式输入电子手簿。2.精度RTK技术在公路设计和施工放样中要注意解决的几个问题1动态相位定位的坐标与转换在RTK定位技术中基准站已知坐标用的是国家坐标系或城市地方坐标系中的坐标,而计算是在WGS-84坐标系中进行。因此,在公路设计和施工定线测量开始之前,必须先求定两坐标系之间的转换参数。2基准站的安置作为路线定线测量,基准站的安置是顺利实施实时动态定位(RTK)测量的关键之一,所以基准站选择要满足下列条件:(1)采集准确的WGS-84坐标,计算一套转换参数;(2)确认输入正确的控制点三维坐标;(3)基准点GPS天线周围无高度超过15°的障碍物阻挡卫星信号、以保证RTK定线测量顺利进行;(4)100m内无强大的电磁波辐射源。四、临时基站RTK测量GPSRTK测量过程一般包括：基准站选择和设置、流动站设置、中继站的设立等。1）基准站的观测点位的选择和系统设置（1）GPSRTK定位的数据处理过程是基准站和流动站之间的单基线处理过程，基准站和流动站的观测数据质量好坏、无线电的信号传播质量好坏对定位结果的影响很大。实际野外工作时，流动站作业点是由测量任务决定的，因此基准站的选择就显得尤为重要了。（2）基准站的设置包括：建立项目和坐标系统管理、基准站电台频率的选择、GPSRTK工作方式的选择、基准站坐标输入、基准站工作启动等。2）流动站GPS的设置建立项目和坐标系统管理、流动电台频率的选择、有关坐标的输入、GPSRTK工作方式的选择、流动站RTK工作启动、使用RTK流动站测量地形点等。3）中继站电台的设立中继电台只是转发信号，只要中继电台能够接收基准站电台信号，同时能够将其发送给流动站使用，可以按需安排随时任意安排位置。五、CORS连续运行参考站（ContinuousOperationalReferenceSystem，简称CORS系统）是现代GPS的发展热点之一。CORS系统是卫星定位技术、计算机网络技术、数字通讯技术等高新科技多方位、深度结晶的产物。CORS系统有一个或多个数据处理中心，各个参考站点与数据处理中心之间具有网络连接，数据处理中心从参考站点采集数据，利用参考站网软件进行处理，然后向各种用户自动地发布不同类型的卫星导航原始数据和各种类型RTK改正数据。CORS系统能够全年365天，每天24小时连续不间断地运行，全面取代常规大地测量控制网。用户只需一台GNSS接收机即可进行快速定位。它具有操作简便、成本低、精度高、实时性强、覆盖率广等优点，特别是CORS系统内网络RTK测量功能的实现改变了传统测量作业模式，较大的提高了测绘工作的效率。1.CORS概况C0RS系统由基准站网、数据处理中心、数据传输系统、定位导航数据播发系统、用户应用系统五个部分组成。各基准站与监控分析中心间通过数据传输系统连接成一体，形成专用网络。1）基准站网基准站网由范围内均匀分布的基准站组成。负责采集GPS卫星观测数据并输送至数据处理中心，同时提供系统完好性监测服务。2.CORS系统组成2）数据处理中心用于接收各基准站数据，进行数据处理，形成多基准站差分定位用户数据，组成一定格式的数据文件，分发给用户。数据处理中心是CORS的核心单元，也是高精度实时动态定位得以实现的关键所在。2.CORS系统组成数据处理中心24小时连续不断地根据各基准站所采集的实时观测数据在区域内进行整体建模解算，自动生成一个对应于流动站点位的虚拟参考站(包括基准站坐标和GPS观测值信息)并通过现有的数据通信网络和无线数据播发网，向各类需要测量和导航的用户以国际通用格式提供码相位／载波相位差分修正信息，以便实时解算出流动站的精确点位。3）数据传输系统CORS各部分的连接是通过通信子系统完成的.数据通信子系统有两部分组成，一是是将基准站观测数据传到数据中心，其通讯采用数字电路或VPN网络：二是把GPS差分数据传送到用户系统。其通信方式主要采用GPRS或CDMA网络。4）数据播发系统系统通过移动网络、UHF电台、Internet等形式向用户播发定位导航数据。5）用户应用系统按照应用精度可分为厘米级用户系统、亚米级用户系统、米级用户系统等。各类用户通过GPS天线接收卫星数据，通过通讯模块接收控制中心发出的差分改正数据，接收机计算出用户所在位置的坐标。3.CORS系统主要优势：1）改进了初始化时间、扩大了有效工作的范围；2）采用连续基站，用户随时可以观测，使用方便，提高了工作效率；3）拥有完善的数据监控系统，可以有效地消除系统误差和周跳，增强差分作业的可靠性；4）用户不需架设参考站，真正实现单机作业，减少了费用；5）使用固定可靠的数据链通讯方式，减少了噪声干扰；6）提供远程INTERNET服务，实现了数据的共享；7）扩大了GPS在动态领域的应用范围，更有利于车辆、飞机和船舶的精密导航；4.CORS分类1）单基站系统就是只有一个连续运行站。类似于一加一的RTK,只不过基准站由一个连续运行的基准站代替，基准站上有一个控制软件实时监控卫星的状态，存储和发送相关数据。2）多基站系统分布在一定区域内的多台连续观测站，每一个观测站都是一个单基站，同时每一个单基站还有一个中央控制计算机控制。目前国产品牌中只有南方拥有这套软件。5.CORS技术类型（理论类型）CORS系统目前主要的核心技术主要有三种:虚拟参考站技术VRS(VirtualReferencestation)区域改正数技术FKP(Flachen-Korrectur-Parameter；主辅站技术MAC(Master-auxiliaryconcept)；增强参考站技术ARS(AuGmentionReferenceStation)。它们各自具有不要的特点，并由不同的理论算法来支撑。1）VRS(VirtualReferenceSystem)VRS技术是现有网络RTK技术的代表。采用VRS技术，基准站网子系统必需包括三个以上的连续运行基准站，数据中心通过组合所有基准站的数据，确定整个CORS覆盖区域的电离层误差、对流层误差、轨道误差模型等。作业时，首先通过GPRS或者CDMA无线通信网络向数据中心发出服务请求，并将流动站的概略位置回传给数据中心，数据中心利用与流动位置最接近的三个基准站的观测数据及误差模型，生成一个对应于流动站概略位置的虚拟基准站（VRS），然后将这个虚拟基准站的改正数据信息发送给流动站，流动站再结合自身的观测数据实时解算其所在位置的精确坐标。2）区域改正FKP•全网整体解算模型是要求所有参考站将每一个观测瞬间所采集的未经差分处理的同步观测值，实时地传输给中心控制站，通过中心参考站的实时处理，产生一个称为FKP的空间误差改正参数，然后将这种FKP参数通过扩展的RTCM信息，发送给所有服务区内的流动站。•统传输的FKP参数能够比较理想地支持流动站的应用软件，但是流动站系统必须知道有关的数学模型，才能利用FKP参数生成相应的改正数。3）主副站技术（MAC）是区域