簡易測量-第四節(jié)GPS測量概述

第四節(jié)GPS測量概述4.1GPS測量概述所謂全球衛(wèi)星定位測量，就是指利用空間飛行的衛(wèi)星來實現(xiàn)地面點位的測定。目前正在運行的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)有美國的GPS和俄羅斯的GLONASS。正在建設(shè)中的歐盟GALILEO，還未投入使用。全球衛(wèi)星定定位系統(tǒng)，一般指美國的GPS。GPS具有全球性、全天候、連續(xù)的三維定位、導航、測速和授時能力，廣泛應(yīng)用于航空航天、海陸空三軍導航、地球物理、大地測量、交通管理以及城鎮(zhèn)建設(shè)等各個領(lǐng)域，并已滲透到人們的日常工作、學習和生活之中。1957年10月世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功，使空間科學技術(shù)的發(fā)展，迅速跨入一個嶄新的時代。人造地球衛(wèi)星的出現(xiàn)，首先引起各國軍事部門的高度重視。1958年底，美國海軍武器實驗室著手建立為美國軍艦導航服務(wù)的衛(wèi)星系統(tǒng)，即海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)（NavyNavigationSatelliteSystem－NNSS），NNSS系統(tǒng)中，衛(wèi)星軌道都通過地極，故也稱“子午（Transit）衛(wèi)星系統(tǒng)”，1964年該系統(tǒng)建成。但是系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)目較少（5～6顆），運行高度較低（平均約1000km），因此無法提供連續(xù)地實時三維導航。為了滿足軍事部門和民用部門，對連續(xù)實時三維導航的迫切要求，1973年美國防部組織海陸空三軍，共同研究建立新代衛(wèi)星導航系統(tǒng)，即目前所稱的“授時與測距導航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)”（NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem－NAVSTAR/GPS），通常簡稱為全球定位系統(tǒng)（GPS）。GPS具有高精度連續(xù)實時三維導航能力，并有良好的抗干攏性，因此GPS大大超過NNSS。GPS的主要特點是：(1)全球全天候?qū)崟r定位。GPS衛(wèi)星數(shù)目多，分布合理，所以地球上任何地點都可以連續(xù)同步觀測到至少4顆衛(wèi)星，從而保證了全球、全天候、實時三維定位。(2)自動化程度高。用GPS接收機測量時，只要將天線精確安置在測站上，主機可安放在測站不遠處，也可放在室內(nèi)，通過專用的通訊線和天線連接，接通電源，啟動接收機，儀器就自動開始工作。結(jié)束測量時，僅需關(guān)閉電源，取下接收機，便完成野外數(shù)據(jù)采集任務(wù)。(3)觀測速度快，精度高。目前，20km以內(nèi)相對靜態(tài)定位僅需15～20分鐘。GPS相對定位精度可達10-6，100～500km可達10-7。在300～1500m工程精密定位中，觀測1小時以上，解算平面位置誤差小于1mm。(4)應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。由于GPS提供精確的位置、速度和時間信息，對現(xiàn)代戰(zhàn)爭成敗至關(guān)重要，極大改變了未來戰(zhàn)爭的作戰(zhàn)方式。在導航方面，GPS不僅供用于海上、空中和陸地運動目標的導航，而且可對運動目標實施監(jiān)控、管理和救援。實時監(jiān)視和修正航行路，可以保障運動物體沿預定航線運行，并可選擇最佳航線。在地球物理方面，精確測定地球板塊的位移和運動速速率，預測地震災害提供重要數(shù)據(jù)。在測繪方面，目前GPS己成大地測量測定控點的主要方法，在工程測量以及城市測繪己廣泛采用GPS先進的定位技術(shù)。在交通運輸方面，實施運輸監(jiān)控、調(diào)度管理、事故處理和緊急救援都起到非常重要作用。隨著GPS定位技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域還會不斷拓寬。4.2GPS衛(wèi)星系統(tǒng)的組成空間星座部分（空間部分）地面支撐系統(tǒng)（地面監(jiān)控部分）GPS接收機（用戶部分）空間部分空間部分由24顆GPS衛(wèi)星組成地面監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)測站、主控站、注入站組成用戶部分由GPS接收機組成監(jiān)測站注入站主控站一、空間星座部分（1）GPS衛(wèi)星星座衛(wèi)星高度：20200公里運行周期：11小時58分衛(wèi)星分布在六條升交點相隔60度的軌道面上，軌道傾角為55度。o每條軌道上分布四顆衛(wèi)星，相臨兩軌道上的衛(wèi)星相隔40度。o地球上任何地方至少同時可看到四顆衛(wèi)星。其發(fā)射信號能覆蓋地面面積38%。衛(wèi)星在軌道的任何位置，對地面的距離和波束覆蓋面積基本不變。在波束覆蓋區(qū)域內(nèi)，用戶接收到的衛(wèi)星信號強度近似相等。這對提高定位精度十分有利。在全球任何地方、任何惡劣的氣候條件下，為用戶提供二十四小時不間斷的免費服務(wù)。（2）在GPS系統(tǒng)中衛(wèi)星的作用①用L波段的兩個無線載波(19cm和24cm波)向廣大用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導航定位信號。②在衛(wèi)星飛越注入站上空時，接收由地面注入站不斷發(fā)送到衛(wèi)星的導航電文和其它有關(guān)信息，并通過GPS信號電路，適時地和發(fā)送給廣大用戶。③接收地面主控站通過注入站發(fā)送到衛(wèi)星的調(diào)度命令，適時地改正運行偏差或啟用備用時鐘等。二、GPS地面監(jiān)控部分1個主控站（斯平士）3個注入站（阿松森島、狄哥伽西亞、卡瓦迦蘭）5個監(jiān)測站（夏威夷島）1.主控站地點：位于科羅拉多的斯平士(ColoradoSprings)的聯(lián)合空間執(zhí)行中心(CSOC)設(shè)備：主控站擁有大型電子計算機，用作數(shù)據(jù)采集、計算、傳輸、診斷、編輯等。作用：（一）采集數(shù)據(jù)（二）編輯電文（三）診斷功能（四）調(diào)整衛(wèi)星2.注入站地點：三個站分別設(shè)大西洋的阿松森(Ascension)島、印度洋的狄哥·伽西亞(DiegoGarcia)和太平洋的卡瓦迦蘭(Kwajalein)的三個美國軍事基地上。設(shè)備：一臺直徑3.6m的天線，一臺S波段發(fā)射機和一臺計算機。作用：主控站將編輯的衛(wèi)星電文傳送到位于三大洋的三個注入站，定時將這些信息注入各個衛(wèi)星，然后由GPS衛(wèi)星發(fā)送給廣大用戶，這就是所用的廣播星歷。此外，注入站能主動向主控站發(fā)射信號，每分鐘報告一次自己的工作狀態(tài)。3．監(jiān)測站地點：五個監(jiān)測站：除一個主控站、三個注入站兼作外，還有一個在夏威夷島。設(shè)備：監(jiān)控站有雙頻GPS接收機，對每顆衛(wèi)星長年連續(xù)不斷地進行觀測，每6秒進行一次偽距測量和積分多普勒觀測，采集氣象要素等數(shù)據(jù)。作用：對每顆衛(wèi)星進行觀測，精確測定衛(wèi)星在空間的位置，并向主控站提供觀測數(shù)據(jù)。監(jiān)測站是一種無人值守的數(shù)據(jù)采集中心，受主控站的控制，定時將觀測數(shù)據(jù)送往主控站。五個監(jiān)測站分布在美國本土和三大洋的美軍基地上，保證了全球GPS定軌的精度要求。由這五個監(jiān)測站提供的觀測數(shù)據(jù)形成了GPS衛(wèi)星實時發(fā)布的廣播星歷。三、GPS用戶部分用戶部分觀測和記錄由若干衛(wèi)星發(fā)送的數(shù)據(jù),并運用數(shù)學方法求得三維空間位置以及時間和速度。=用戶部分包括用戶組織系統(tǒng)和根據(jù)要求安裝相應(yīng)的設(shè)備，但其中心設(shè)備是GPS接收機。它是一種特制的無線電接收機，用來接收導航衛(wèi)星發(fā)射的信號，并以此計算出定位數(shù)據(jù)。GPSGPS用戶設(shè)備GPS接收機硬件機內(nèi)軟件GPS數(shù)據(jù)的后期處理軟件天線單元接收單元前置放大器接收天線GPS系統(tǒng)的特點1、全球，全天候工作2、功能多，應(yīng)用廣3、測站之間無需通視4、定位精度高，隱蔽性好5、觀測時間短6、提供三維坐標7、操作簡便8、免費、容易4.3GPS小區(qū)域控制測量GPS控制網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計1.充分考慮建立控制網(wǎng)的應(yīng)用范圍根據(jù)工程的近期、中長期的需求確定控制網(wǎng)的范圍。2.采用的布網(wǎng)方案及網(wǎng)形設(shè)計適當?shù)胤旨壊荚O(shè)GPS網(wǎng)。顧及測站選址、儀器設(shè)備裝置與后勤交通保障等因素。設(shè)計各觀測時段的時間及接收機的搬站順序。GPS網(wǎng)一般由一個或若干個獨立觀測環(huán)組成，也可采用路線形式。3.GPS測量的精度標準國家測繪局1992年制訂的我國第一部“GPS測量規(guī)范”將GPS的測量精度分為A～E五級，以適應(yīng)于不同范圍、不同用途要求的GPS工程。4.坐標系統(tǒng)與起算數(shù)據(jù)在GPS網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計中，必須說明GPS網(wǎng)的成果所采用的坐標系統(tǒng)和起算數(shù)據(jù)?？臻g相似變換求得七個待定系數(shù)：3個平移參數(shù)、3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)和1個縮放參數(shù)。5.GPS點的高程GPS測定的高程是WGS-84坐標系中的大地高，與我國采用的1985年黃海國家高程基準正常高之間也需要進行轉(zhuǎn)換。為了得到GPS點的正常高，應(yīng)使一定數(shù)量的GPS點與水準點重合，或者對部分GPS點聯(lián)測水準。若需要進行水準聯(lián)測，則在進行GPS布點時應(yīng)對此加以考慮。選點與建立點位標志選定GPS點點位時，應(yīng)遵守以下的幾點原則：1.周圍應(yīng)便于安置接收設(shè)備，便于操作，視野開闊，視場內(nèi)周圍障礙物的高度角一般應(yīng)小于15°；2.遠離大功率無線電發(fā)射源（如電視臺、微波站等），其距離不小于400m；遠離高壓輸電線，其距離不小于200m；3.點位附近不應(yīng)有強烈干擾衛(wèi)星信號接收的物體，并盡量避開大面積水域；4.交通方便，有利于其它測量手段擴展和聯(lián)測；5.地面基礎(chǔ)穩(wěn)定，易于點的保存為了較長期地保存點位，GPS控制點一般應(yīng)設(shè)置具有中心標志的標石，精確地標志點位，點的標石和標志必須穩(wěn)定、堅固。最后，應(yīng)繪制點之記、測站環(huán)視圖和GPS網(wǎng)圖、作為提交的選點技術(shù)資料。4.4GPS外業(yè)觀測1.GPS觀測準備工作(1)GPS接收儀的一般性檢視主要檢查接收機給部件是否齊全、完好，緊固部件是否松動與脫落，設(shè)備的使用手冊及資料是否齊全等。(2)通電檢驗檢驗的主要項目包括：設(shè)備通電后有關(guān)信號燈、按鍵、顯示系統(tǒng)和儀表工作情況，以及自測試系統(tǒng)工作情況。當自測試正常后，按操作步驟進行衛(wèi)星捕獲與跟蹤，以檢驗其工作情況。(3)試測檢驗主要是檢驗接收機精度及其穩(wěn)定性。兩臺GPS接收機所測的基線長與標準值比較，以確定接收機的精度和穩(wěn)定性。(4)編制GPS衛(wèi)星可見性預報及觀測時段的選擇GPS定位精度與觀測衛(wèi)星的幾何圖形有密切關(guān)系。衛(wèi)星幾何圖形的強度越好，定位精度越高。從觀測站觀測衛(wèi)星的高度角越小，衛(wèi)星分布范圍越大，則幾何精度因子GDOP值越小，定位精度越高，一般要求GDOP值小于6。因此，觀測前要編制衛(wèi)星可見性預報，選擇最佳觀測時段，擬定觀測計劃。一般GPS接收機的商用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)都帶有衛(wèi)星可見預報軟件。使用軟件時，需在當前子目錄下存有前期觀測衛(wèi)星星歷文件；調(diào)入預報軟件后，輸入預計觀測站的概略坐標、預計觀測日期和觀測衛(wèi)星的高度的截止角（例如10°或15°）。軟件首先讀取前期衛(wèi)星星歷文件的衛(wèi)星日程表（即含有所有GPS衛(wèi)星的概略星歷），軟件按預計觀測日期計算衛(wèi)星位置，再利用測站坐標計算衛(wèi)星高度角，選取高度角大于高度的截止角的所有衛(wèi)星進行預報，按時間順序列出所有可見衛(wèi)星信息。根據(jù)衛(wèi)星的幾何精度GDOP的變化情況，可以選擇最佳時間段。進一步安排觀測衛(wèi)作的進程表及接收機的調(diào)度計劃。2.觀測工作觀測工作包括：天線安置，GPS接收儀安置與操作，氣象參數(shù)測定，測站記錄等。（1）天線安置天線的精確安置是實現(xiàn)精密定位的前提條件之一。一般情況下，天線應(yīng)盡量利用三腳架安置在標志中心的垂線方向上，直接對中；天線的圓水準泡必須居中；天線定向標志線應(yīng)指向正北。天線安置后，應(yīng)在各觀測時段的前后各量取天線高一次。兩次量高取平均值作為最后天線高。(2)安置GPS接收儀在離天線的適當位置的地面上安放接收儀，用電纜把接收儀與電源、天線及控制器連接好，確認無無誤后，打開電源開關(guān)，進行預熱和靜置。(3)開機觀測觀測的主要任務(wù)，是捕獲GPS衛(wèi)星信號并對其進行跟蹤、接收和處理信號，以獲取所需的定位觀測數(shù)據(jù)。其主要步驟如下：(a)開機后檢查各指示燈與儀表顯示是否正常，若正常開始自測試。(b)按測量功能鍵，接收機開始搜索衛(wèi)星，輸入測站參數(shù)，等待開測命令。(c)按測量鍵開始同步觀測，并注意有關(guān)信息。按測量鍵顯示測站的地理坐標、累計數(shù)據(jù)采集時間、PDOP值、可視衛(wèi)星和鎖定衛(wèi)星的數(shù)量。觀測過程中，通過顯示屏隨時了解作業(yè)進程。(4)觀測記錄與測量手簿觀測記錄由GPS接收機自動形成，自動記錄在存儲介質(zhì)（如PCMCIA卡等）上，其內(nèi)容有GPS衛(wèi)星星歷及衛(wèi)星鐘差參數(shù)、偽距觀測值等。至于測站的信息，包括測站點點號、時段號、天線高等，通常是由觀測人員手工輸入接收機。測量手簿在觀測過程中由觀測人員填寫