测绘工程毕业论文

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1、山东科技大学泰山科技学院毕业设计(论文)设计题目：影响GPS定位精度的若干外部条件研究 院(系) 资源与土木工程系 专业班级 测绘工程 设计人 * 学号 0604010418 *年 *月 * 日山东科技大学泰山科技学院学生毕业设计（论文）摘要GPS定位在测量中有很大的应用潜力。近年来，GPS 接收机的小型化、小功耗给其应用于测量提供了有利的条件。在软件方面，GPS 的基线解算、平差也有了很大的发展，这些都促使GPS 在测量中得到了较为广泛的应用。而且随着GPS 定位技术的发展，卫星数的增多更新,目前所用GPS接收机的实际相对定位精度及其稳定性较高，许多厂家生产的GPS 接收机( 如leicaN

2、GSS1200，Trimble 4700等) 可达到B 级以上的定位精度。因此，研究用GPS 布设短基线控制网的精度和缩短观测时段长度的可行性， 有其重要意义。本论文所要研究的内容就是在现有GPS条件下，通过布设短基线控制网，对不同观测方式及不同外界条件下GPS定位结果进行分析，检核GPS所能达到的精度，及对外界条件因素的依赖程度，总结影响精度的原因及解决方法，为实际的生产和研究提供参考依据.关键词：GPS，基线解算，定位精度，相位中心AbstractGPS positioning measurements have great potential. In recent years, GPS

3、receivers of small size, small power consumption to applied to provide favorable conditions for measurement. In terms of software, GPSs baseline, the adjustment has also been greatly developed, which prompted the measurement of GPS has been more widely used. And with GPS positioning technology, sate

4、llite increased the number of updates. Currently used in the actual GPS receiver positioning accuracy and stability of the relative high number of manufacturers of GPS receivers (such as leicaNGSS1200, Trimble 4700, etc.) can reach more than B-level positioning accuracy. Therefore, the study laid a

5、short baseline using GPS control network of the accuracy and feasibility of shortening the length of observation period, has its significance. This paper will study the content is available GPS conditions, short baseline control network through the layout of different observation methods and differe

6、nt external conditions, the results of GPS positioning, check the accuracy of GPS can achieve, and factors on the external conditions dependence, summing up the reasons affecting the accuracy and solution. For the actual production and research references.Key words: GPS, baseline, positioning accura

7、cy, the phase center changes目 录摘要1AbstractII1 GPS 简介11.1 GPS的定义11.2GPS的系统组成11.3 GPS 测量的特点22 GPS定位原理42.1GPS的基本定位原理42.2GPS定位的基本观测量43影响GPS 测量精度的误差73.1 GPS卫星自身误差73.2 与信号传播有关的误差83.3 与接收机有关的误差114 实验内容134.1 研究内容134.2测区概述144.3 观测155 实验数据分析及结论175.1 TGO与南方数据处理软件精度比较175.2 短基线测量定位精度研究185.3 确定GPS天线相位中心的偏差225.4 相

8、同卫星，不（相）同时段的定位精度比较285.5 高度截止角和采样间隔变换引起的基线变化325.6 处理不良历元的重要性验证366结束语39参考文献41致谢43附录44IV山东科技大学泰山科技学院学生毕业设计（论文） 1 GPS 简介1.1 GPS的定义1973年12月，美国国防部批准陆海空三军联合研制一种新的军用卫星导航系统NAVSTARGPS，其英文全称为Navigation by Satellite Timing And Ranging (NAVSTAR) Global Positioning System (GPS)，我们称之为GPS系统【1】。它是一种被动式卫星导航定位系统，能为世界上

9、任何地方，包括空中、陆地、海洋用户，全天候、全时间、连续地提供精确的三维位置、三维速度及时间信息，具有实时性的导航、定位和授时功能。1.2GPS的系统组成GPS系统由GPS卫星星座、地面监控系统和GPS信号接收机三部分组成。GPS卫星星座由24颗卫星组成，这24颗卫星平均高度约为20000km均匀分布在6个轨道平面上。卫星轨道平面相对地球赤道平面的倾角约为55，各轨道平面升交点的赤经相差60，在相邻轨道上，卫星的升交距角相差30。每个轨道上的四颗卫星相互间隔为90，卫星运行周期11小时58分。这样，保证了地面上任何时间、任何地点至少可同时观测到4颗卫星，以便保证定位的精度和可靠性。GPS卫星的

10、作用是接收地面监控系统提供的卫星星历并把卫星星历播发给各种不同的用户。地面监控系统由主控站、注入站和监测站三部分组成.它们主要负责编算GPS卫星星历并将其发射到GPS卫星上，监测GPS卫星的“健康”状态，保持各颗卫星处于同一GPS时间系统。GPS信号接收机的主要任务是接收GPS卫星发射的信号，以获取必要的导航定位信息，完成导航定位工作。当GPS卫星出现在用户视界时，静态定位一般设置高度角在10度或者15度以上，接收机捕获到按该卫星高度截止角所选择的待测卫星，跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号，进行变换、放大和处理并进行记录，而其它高度角低于设置高度角的卫星信号不进行记录，从记录的信息可

11、计算出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发射的导航电文，实时地计算出测站的三维坐标位置以及三维速度和时间。GPS卫星的核心是一个高质量的震荡器即GPS钟，它产生两个相关的波，即L频段的频率分别为1.5754 GHz和1.2276 GHz的Ll，L2波。GPS信息用相位调制技术加载在这两个频段上发射。为了保障美国的利益与安全，限制非经美国特许的用户利用GPS定位的精度，该系统除在设计阶段采取了许多保密措施外，在系统运行中还采取了其它一些措施，来限制用户进行GPS测量的精度。1998年美国副总统戈尔提出了GPS现代化这一概念，GPS现代化包括军事和民用两部分。GPS现代化的

12、民用部分包括3项措施:于2000年5月1日零点取消了SA。在L2频道上增加第二民用码即CA/码，这样有利于提高定位精度和进行电离层改正;增加L5民用频率，这有利于提高民用实时定位的精度和导航的安全性。GPS的现代化，使得GPS在测量中的应用有了新的发展和挑战。1.3 GPS 测量的特点（1）测量精度高，在小于50km 的基线上，其相对定位精度可达ll0，在大于l 000 km 的基线上可达ll0；（2）测站间无需通视，可根据实际需要确定点位，使得选点工作更加灵活方便；（3）观测时间短，静态相对定位每站仅需20min 左右，动态相对定位仅需几秒钟；（4）仪器操作简便，观测人员只需对中、整平、量取

13、天线高及开机后设定参数，接收机即可进行自动观测和记录。552 GPS定位原理2.1GPS的基本定位原理GPS的基本定位原理是：卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息用户接收到这些信息后经过计算求出接收机的三维位置三维方向以及运动速度和时间信息【3】。全球定位系统(简称GPS)是美国国防部为军事目的建立的，旨在彻底解决海上、空中和陆地运载工具的导航和定位问题。从GPS的提出到1994年建成，经历了20年。到1994年，7颗GPS试验卫星和分布在六根轨道上的24颗(3颗备用)工作卫星已全部升空，目前所有工作卫星均己正常工作，整个系统耗资300亿美元。实践证实，GPS对人类活动影响极大，应用价值极

14、高。它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，可以满足各种不同用户的需要。特别是用于精密定位的测地型GPS接收机的出现，给大地测量带来了革命性的变化。2.2GPS定位的基本观测量GPS定位系统由三部分组成，即由GPS卫星组成的空间部分、由若干地面站组成的控制部分和以接收机为主体的广大用户部分。三者有各自独立的功能和作用，但又是有机地配合而缺一不可的整体系统。GPS定位的基本观测量有：码相位伪距观测值、载波相位观测值和积分多普勒观测值【2】。下面简单介绍一下前二种观测值。2.2.1码相位伪距观测值码相位伪距测量是GPS接收机通过测量卫星发射信号与接收机接收到此信号之间的时间差，来求得卫星接收

15、机间的距离【3】: （2-1）式中:为光速。由于卫星钟的误差、接收机钟的误差以及无线电信号经过电离层和对流层中的延迟等，实际测出的距离与卫星到接收机真实距离R有误差。因此，一般称为伪距。2.2.2 载波相位观测值在码相关型接收机中，当GPS接收机锁定卫星载波相位，就可以得到从卫星传到接收机经过延时的载波信号。如果将载波信号与接收机内产生的基准信号比相就可得到载波相位观测值。若接收机内振荡器频率初相位与卫星发射载波初相位完全相同，卫星在0时刻发射信号，经过后于时刻被接收机接收，接收机通道锁定卫星信号，对应的相位差为，又设卫星载波信号于历元时刻的相位为，接收机基准信号在时刻相位为，则有: （2-2

16、）通过鉴相器，卫星到接收机间的相位差可分为个整周相位和不到一个整周相位之和，即: （2-3）卫星到接收机距离为: （2-4）式中:为波长。鉴相器只能测出不足一个整周相位值，测不出来。因此，在载波相位测量中出现了一个整周未知数(也称为整周模糊度)，需要通过其他途径求定。另外，如果在跟踪卫星过程中，由于某种原因，如卫星信号被障碍物挡住而暂时中断，受无线电信号干扰造成信号失锁等，这样，计数器无法连续计数，因此，当信号重新被跟踪后，整周计数就不正确，但不到一个整周的相位观测值仍然是正确的。这种现象称为周跳。周跳的出现和处理是载波相位测量中的重要问题。由于载波频率高、波长短，因此，载波相位测量精度高。不

17、过，利用载波相位观测值进行定位，要解决整周模糊度的解算和周跳修复问题。3影响GPS 测量精度的误差3.1 GPS卫星自身误差3.1.2 轨道误差有关部门提供一定精度的卫星轨道，以广播星历形式发播给用户使用，从而已知观测瞬间所观测卫星的位置，因而卫星轨道误差与星历误差是一个含义。卫星星历误差又等效为伪距误差。由于卫星轨道受地球和日、月引力场、太阳光压、潮汐等摄动力及大气阻力的影响，而其中有的是随机影响，而不能精密确定，使卫星轨道产生误差。控制网的静态GPS测量是利用载波相位测量，一般是由一个点设为已知点与一个待定点位同步观测GPS卫星，取得载波相位观测值，从而得出待定点位的坐标或两点间的坐标值，

18、称为基线测量。短基线测量可以消除SA影响。动态测量解决SA影响的途径是实时差分定位(称Real-time)，即在已知坐标点上布设基准点，通过基准站取得误差校正值，通过数据链实时传给导航定位的移动站，从而消除SA影响及两站的各种共同的误差，提高了移动站的导航定位精度。加滤波等处理的导航软件以及组合导航系统，已使导航定位精度差分距离在100km左右时达到亚米级，差分距离远于1500km时达到米级。3.1.2 美国的SA技术与AS影响SA技术是选择可用性(Selective Availability)的简称，它是由两种技术使用户的定位精度降低，即（di-ther）技术和(epsilon)技术。技术是

19、人为地施加周期为几分钟的呈随机特征的高频抖动信号，使GPS卫星频率10.23MHz加以改变，最后导致定位产生干扰误差，技术是降低卫星星历精度，呈无规则的随机变化，使得卫星的真实位置增加了人为的误差。AS技术(Anti-Spoofing)叫反电子欺骗技术，其目的是为了在和平时期保护其P码，不让非授权用户使用；战时防止敌方对精密导航定位作用的P码进行电子干扰。AS技术使得用C/A码工作的用户无法再和P码相位测量联合解算进行双频电离层精密测距修正，实际降低了用户定位精度【1】。3.1.3 确定GPS卫星轨道是减少星历误差和消除技术影响的根本方法利用区域性GPS跟踪网可以确定GPS卫星轨道。跟踪站地心

20、坐标的误差对卫星轨道的影响是10倍或更大。因此，要提供优于2m精度的卫星轨道要求跟踪站地心坐标的精度优于0.1m。据介绍，采用强约束全球站松弛轨道的加权约束基准方法，可以得出优于5cm的相对坐标值，基本上可以满足我国现阶段区域性定轨的需要。3.2 与信号传播有关的误差3.2.1 太阳光压对GPS卫星产生摄动加速度太阳光压对卫星产生摄动影响卫星的轨道，它是精密定轨的最主要误差源。太阳光压对卫星产生的摄动加速度受太阳与地球间距离的变化而引起太阳辐射压力的变化，也与太阳光强度、卫星受到的照射面程和照射面积与太阳的几何关系及照射面的反射和吸收特性有关，由于卫星表面材料的老化、卫星姿态控制的误差等也使太

21、阳光压发生变化。已有的太阳光压改正模型有：标准光压模型、多项式光压模型和ROCK4光压摄动模型，这几种光压模型精度基本上相当，可以满足1m定轨的要求。最近有人提出，用附加随机过程参数的方法或者对较长的轨道用一阶三角多项式逼近非模型化的长期项影响，可得到更理想的结果，甚至可以满足0.10.2m精度的定轨要求。3.2.2 电离层的信号传播延迟电离层引起码信号传播延迟，它与沿卫星和用户接收机视线方向上的电子密度有关，在垂直方向上延迟值在夜间平均可达3m左右，白天可达15m，在低仰角情况下分别可达9m和45m，在反常时期这个值还会加大。为了削弱电离层延迟所引起的定位精度损失，在长基准测量中用双频接收机

22、采集GPS数据，对观测成果进行实时电离层延迟改正，可以获得很好的效果。对于单频接收机的用户，虽然可以用数学模型进行改正，但其残差仍然很大。也可以用提高卫星高度截止角减少其影响。在赤道和地极附近存在着严重的电离层赤道扰动和地极扰动。因而，利用双频GPS接收机观测，只适用于没有电离层扰动的中纬度地区来进行电离层改正。赤道扰动。最坏的电离层影响是在赤道附近。强烈影响大概在10以内的区域，此影响可延续至赤道两边的30。扰动一般在日落到午夜发生，延续到第二天黎明。它是由电离层中电子含量小规模无规律引起的，它有几米到几千米的波长，这些无规律的电子密度能够产生衍射和反射效应，接收的信号能使相位和振幅变异，它

23、能妨碍GPS卫星信号跟踪，引起周跳。甚至基线在10km以内时，强烈的电子水平分布梯度能使模糊度解算不能进行。地极扰动。它没有赤道附近那么强烈，它的发生与磁暴活动有关，它主要是位于磁纬的6970的极光带。在强磁暴期间，这些极光影响能延伸到中纬度地区，使周跳数增多。3.2.3 对流层的信号传播延迟对流层延迟是电磁波信号通过对流层时其传播速度不同于真空中光速所引起的。分干大气分量和湿大气分量。在低仰角时它可以达到20m。其中干大气分量约占80%90%，可以用一定的模型GPS测量误差源分析及精度控制雷娟勘察设计设计大部分改正掉。湿大气分量数值虽不大，但它随纬度和高度的变化呈现出很大的变化，而且随时间变

24、化得非常快。由于空气中的水汽和干气相当难以预测，所以测量中往往测量的是干、湿分量混合体，故难以得到它的准确值。到目前为止已开发出来了许多计算湿对流层延迟的实用模型，但对流层延迟仍为主要误差源。对流层延迟与电离层延迟一样，主要影响天顶方向，由于它们的相关性，在短基线测量中会很好的消除，在长基线测量中采取双频接收机也能很好的减少其影响。对于对流层延迟，多用随机过程模拟和滤波方法进行参数估算及函数逼近方法模拟改正。好的数学模型改正，可以使基线天顶方向提高到水平方向(平面坐标)接近的水平。3.2.4 多路径误差多路径误差是指GPS信号射至其他的物体上又反射到GPS接收天线上，对GPS信号直接射至GPS

25、接收天线上的直接波的干扰。多路径误差的大小，取决于反射波的强弱和用户天线抗衡反射波的能力。用户天线附设仰径板，当仰径板半径为40cm，天线高于1m2m，可抑制多路径影响。据大量资料的分析统计，多路径误差有以下危害：（1）当边长小于 10km 时，主要误差源是天线的对中误差和多路径误差；（2）多路径误差对点位坐标的影响，在一般环境下可达59cm，在高反射环境下可达15cm;（3）在高反射环境(城镇、水体旁、沙滩、飞机、舰船等)下，码信号受多径误差的影响，可导致接收机的相位失锁；实践证明，观测值中的很多周跳都是由于多路径误差引起的。接收机天线附近的水平面、垂直面和斜面都会使GPS信号产生镜反射。天

26、线附近的地形地物，例如道路、树木、建筑物、池塘、水沟、沙滩、山谷、山坡等都能构成镜反射。因此，选择GPS点位时应特别注意避开这些地形地物，采取提高天线高度和其他防止多路径误差的措施。3.3 与接收机有关的误差3.3.1 接收机中误差 GPS接收机一般采用高精度的石英钟，其稳定度约为10。若接收机钟与卫星钟间的同步差为1s，则由此引起的等效距离误差约为300m。减弱接收机钟差的方法：（1）把每个观测时刻的接收机钟差当作一个独立的未知数，在数据处理中与观测站的位置参数一并求解。（2）认为各观测时刻的接收机钟差间是相关的，像卫星钟那样，将接收机钟差表示为时间多项式，并在观测量的平差计算中求解多项式的

27、系数。这种方法可以大大减少未知数，该方法成功与否的关键在于钟误差模型的有效程度。（3）通过在卫星间求一次差来消除接收机的钟差。3.3.2 接收机的位置误差接收机天线相位中心相对于测站标石中心位置的误差，叫做接收机位置误差。 这里包括天线的只凭和对中误差，量取天线高误差。如将天线高度为1.6m 时置平误差为0.1时，可能会产生对中误差3mm。因此在精密定位时，必须仔细操作，以尽量减少这种误差的影响。在变形监测中，应用有强制对中装置的观测墩。3.3.3 天线相位中心位置的偏差在GPS测量中，观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准的，而天线的相位中心与其几何中心，在理论上应保持一致。可是实际上天线

28、的相位中心随着信号输入的强度和方向不同而有所变化，即观测时相位中心的瞬时位置（一般称相位中心）与理论上的相位中心将有所不同，这种差别叫天线相位中心的位置偏差。这种偏差的影响，可达数毫米至数厘米。而如何减少相位中心的偏移是天线设计中的一个重要问题。在实际工作中，如果使用同一类型的天线，在相距不远的两个或多个观、测站上同步观测了同一组卫星，那么便可以通过观测值的求差来消弱相位中心偏移的影响。不过，这时各观测站的天线应按天线附有的方向进行定向，使之根据罗盘指向磁北极。通常定向偏差应保持在3以内。4 实验内容4.1 研究内容我国1992 年颁布的全球定位系统(GPS) 测量规范(以下简称规范)，对GP

29、S 相对定位的精度、相邻点的距离及观测时段长度的规定如表4-1 所列。其中AB 两级一般是国家控制网， C、D、E 级是局部控制网【5】。表 5-1 GPS测量有关技术规定 测量分级相对定位精度相邻点距离(km)观测时段数时段长度（mi）常量误差（mm）比例误差（10）最小最大A50.110020008180B81152506120C105540290D 1010215260E1020110260按表4-1 的规定， 用GPS 进行控制测量，相邻点的距离最短在1km 以上(E 级)；观测时段长度最短在60min 以上(D、E 级)。然而，一些小范围的测量控制网，如变形监测网、工程建筑物施工控制

30、网等，可能其一部分或所有相邻点的距离在1km 以内。 另外，随着GPS 定位技术的发展，卫星数的增多更新。目前所用GPS接收机的实际相对定位精度及其稳定性较高， 许多厂家生产的GPS 接收机( 如NGS9600，leicaNGSS1200，Trimble 4700等) 可达到B 级以上的定位精度。因此， 探讨用GPS 布设短基线控制网的精度和缩短观测时段长度的可行性，有其重要意义。在研究这一问题的同时，还对NGS9600GPS天线相位中心偏差进行测定，对不同时间、不同时段的观测精度进行分析研究，将南方GPS数据处理软件与天宝TGO数据处理软件精度进行比较等，对如何提高作业效率，提高作业质量提供

31、参考意见。4.2测区概述测区为山东科技大学泰安校区从西门到东门绕环山公路的一个闭合环。本人于2010年5月用标称精度为 (5mm + 1ppm ) 的NGS9600GPS 接收机， 采用4 台接收机在位于学校周围的4 个控制点上进行了观测试验(见图1)。又用Leica dna03 电子水准仪进行二等水准观测。 图4-1 埋点布设图4.2.1 选点 （1）点位应设在易于安装接收设备、视野开阔的较高点之上。 （2）点位应远离大功率无线电发射源（如电视台、微波站等），其距离不小于200m;远离高压输电线和微波无线电信号传送通道，其距离不得小于50m。以避免电磁场对GPS信号的干扰。（3）点位附近不应

32、有大面积水域或不应有强烈干扰卫星信号接受的物体，以避免多路径效应的影响。（4）点位应选在交通方便，有利于其他观测手段扩展与联测的地方。 （5）当理用旧点时，应对旧点的稳定性、完好性，以及点位是否安全 、可用性进行检查，符合要求方可利用。（6）选择两个可以通视的点，便于对其进行距离监测，便于与GPS基线长度比较。因为路面比较结实，可直接在路面嵌入钢钉。钢钉要稍高出路面23MM以便于水准观测。4.3 观测4.3.1 观测前设置观测前对GPS接收机进行编号1号、2号、3号、4号，保证各个点每次观测都以相同仪器条件1号机器观测1号点，2号机观测2号点，3号机器观测3号点，4号机观测4号点。并设置高度截

33、止角15，采样间隔1s，采样次数3。4.3.2 观测时注意事项（1）在正常点位，天线安置在三脚架上，并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整平。架不宜过低，一般应距地面一米以上。（2）在天线的上表面，位于电池盒上方的测点上有一个小三角形，它是定向标志，用它来对准参考北向。所有的接收机在测量时应对准相同方向。（3）天线架设好后，在圆盘天线间隔120的三个方向分别量取天线高，三次测量结果之差不应超过3mm，取其三次结果的平均值计入测量手薄中，天线高记录取值0.001m。（4）打开接收机完成设置，搜寻卫星，接收机将开始数据采集。打开主机电源后，初始界面有三种采集工作方式选择(三种

34、采集方式不同之处实训一中的有关介绍)，你需选择其中任何一种工作方式来采集数据，若不进行选择，则延时10 秒后自动进入默认采集方式“智能模式”。观测过程中要随时查看仪器内存或硬盘容量。（5）结束采集，再次量取天线高，方法同步骤（4）。（6）每日观测结束后，应及时将数据转存至计算机硬、软盘上，确保观测数据不丢失【6】。4.3.3 具体观测观测时采用4 台接收机， 构成6 个同步环，共观测4天，第一次（4月29日）连续观测八小时采样间隔15秒，严格对中整平所有的GPS机屏幕统一朝北；第二次（5月4日）观测六个小时，采样间隔1秒，严格对中整平，所有的GPS机屏幕统一朝北；第三次（5月6日）连续观测四个

35、时段，每一时段60min，基座不动仅动GPS天线，严格对中整平，第一时段屏幕统一朝北，第二时段屏幕统一朝东，第三时段屏幕统一朝南，第三时段屏幕统一朝西；第四次（5月19日）仅对能相互通视的C3C4基线进行观测，在C3点安置3号机，屏幕朝北，连续观测六个时段。在C4点安置4号机，严格对中整平连续观测四个时段，每一时段60分钟，第一时段屏幕朝东，第二时段屏幕朝南，第三时段屏幕朝西，第三时段屏幕统一朝北。卸下4号机天线，基座不动，依次换上1号机和2号机的天线部分，各观测一个时段，每时段60分钟，保证与3号机同步。5 实验数据分析及结论4台GPS接收机进行同步环观测，同步环闭合差从理论上讲等于零，但由

36、于计算环中各基线向量时所采用的观测资料实际上并不严格相同，数据处理软件不够完善以及计算过程中舍入误差等原因，同步环闭合差实际上并不为零【2】。也就是说同时对四个点的采集数据进行处理得到的基线向量已经做了改动，所以在研究现有这四台GPS的定位精度时应该选择其中两个点的采集数据进行处理，即对独立的基线向量进行处理。GPS精度比较的方法常见坐标比较法和基线比对法。5.1 TGO与南方数据处理软件精度比较 在南方数据处理软件中导入观测数据后不进行解算，直接Rinex输出，再用TGO数据处理软件对所得Rinex数据处理，Rinex数据分为观测值文件（用于存放GPS观测值）、导航电文文件（用于存放GPS卫

37、星导航电文）【2】。在观测值文件中可以准确地截取观测时间段，下面对5月4号的观测数据910时和1011时的TGO数据处理完的基线长度与南方数据处理软件处理后的基线长度进行比较，见表（5-1）TGO与南方数据处理比较 表5-1910时TGO南方1011时TGO南方C1C2315.482315.482C1C2315.479315.479C1C3642.382642.381C1C3642.385642.384C1C4417.485417.483C1C4417.484417.486C2C3375.267375.265C2C3375.274375.274C2C4263.209263.209C2C4263

38、.209263.210C3C4264.442264.442C3C4264.444264.443图5-1 TGO与南方数据处理后差值（单位mm）数据最大相差2mm，最小相差-1mm。说明TGO软件和南方GPS数据处理软件处理的结果基本相同。9:0010:00这一时段与10:0011:00时段的基线数据相差最大为6mm，最小-2mm。产生的误差相对较大，原因分析：（1）对卫星信号的不良历元处理不相同，有些较小的不良历元没处理掉，导致变动较大；（2）观测时段的不同，所采集的卫星位置也有所变动，接收到不同卫星的信号而引起地面定位精度的变化。（3）外界环境（气温、太阳光强度等）的变化导致两个观测时段的定

39、位结果略有不同。 5.2 短基线测量定位精度研究随着GPS 相对定位精度及其稳定性的提高，现行GPS测量规范对各等级GPS控制测量规定的相邻点的最短距离和最短观测时段长度已不尽合理。表5-2 基线数据随观测时长变化表观测时间方差比XYZS椭球距离5无解10无解15无解203.42213.221-1.176156.413264.441264.108254.08213.221-1.174156.413264.44264.107306.16213.221-1.175156.412264.44264.107358.34213.221-1.176156.412264.441264.1084047.221

40、3.220-1.176156.412264.441264.1084510.9213.221-1.176156.412264.441264.1085012.1213.222-1.176156.412264.442264.1095528.4213.223-1.177156.411264.442264.109608.8213.223-1.178156.411264.442264.1097024.12213.222-1.177156.411264.442264.1098019.0213.222-1.177156.411264.442264.1099021.5213.223-1.178156.41126

41、4.442264.1110020.5213.223-1.179156.411264.442264.1111019.7213.223-1.180156.411264.443264.1112019213.226-1.185156.406264.442264.1133126.7213.226-1.190156.406264.443264.11120分钟得到基线数据与以后较长时间的基线数据相差5mm。这说明20分钟的静态观测可以满足要求，进行相邻点距离小于1km 的短基线平面控制测量，可以达到三等三角网的精度，点位精度可优于1cm。该GPS 试验网的相邻点距离均在1km 以内，点间距变化范围为0. 2

42、6 0. 64km ，平均点间距为0. 38km。上述GPS 试验网用标称精度为(1mm + 1ppm ) 的SOKKIA SET510全站仪测定了C3C4边长。往返各测10次，取平均值264.1197。下面利用该网的GPS 和传统大地测量数据， 分析其GPS 测量成果的精度。表5-3 全站仪观测数据观测次数43(单位m)34椭球距离(单位m)10次观测264.1199 264.1199264.1197 264.1197264.1189 264.1207264.1197 264.1198264.1198 264.1207264.1196 264.119264.1191 264.1191264.

43、1193 264.1201264.1201 264.1201264.119 264.1191264.107264.108264.108264.109264.109264.109264.11264.11264.11264.11平均值264.1199264.1195264.109终值比较264.1197264.109下面对GPS 网的精度进行分析：从表5-3 看出， GPS 测量的椭球距离与光电测距仪测得的边长之间的最大互差只为10mm，GPS 边长与光电边长很接近，且不存在明显的系统误差的影响(正、负互差的个数及其数值的大小接近)。因为光电测距仪所测量的边长精确可靠， 故可认为该GPS 试验网的

44、观测数据及其数据处理结果是可靠的。 从以上分析可见：在较好的观测条件下(可视卫星数在6 颗以上， PDOP 值8) ， 用标称精度为 (5mm + 1ppm ) 的GPS 接收机， 以2个观测时段、每个时段用快速静态定位观测20min，进行相邻点距离小于1km的短基线平面控制测量， 可以达到三等三角网的精度，点位精度可优于1cm。按表1 中的精度指标和相邻点的距离，可计算出规范对各等级GPS 测量的边长相对精度的要求【5】(见表5-4)。表5-4 各级 GPS 测量基本技术要求规范 项目级别ABCDE卫星截止高度角（）1015151515同时观测有效卫星数44444有效观测卫星总数209644

45、观测时段数6421.61.6基线平均距离（km）3007010155100.25时段长度（min）540240604540表5-5 各等级GPS 测量的边长相对精度【5】测量等级ABCDE相对精度1/（667976)万1/(1297)万1/(1419)万1/(69)万1/(35)万按表5-4 中的精度指标和相邻点的距离,可计算出规范对各等级GPS 测量的边长相对精度的要求(见表5-5)。从表5-5 知，C 级网与国家一、二等三角网的精度相当；D、E 两级网分别与国家三、四等三角网的精度相当。综上所述（1）当用标称精度为(5mm + 1ppm ) 的GPS 接收机，用2 个观测时段进行D、E 两

46、级控制测量时，规范应允许相邻点的距离小于1km (依据本次试验结果， 最短距离不小于0. 5km为宜)， 一个时段可以用快速静态定位观测 20 min。这样， 既可满足精度要求，又可更好地发挥GPS 定位的优越性，节省观测时间和成本。（2）用精度指标为 ( 5mm +1ppm ) 的GPS 接收机进行相邻点距离小于1km 的平面控制测量， 由于基线很短， 比例误差的影响是很小的， 定位误差的主要来源是与接收设备有关的常量误差， 其中接收机天线相对于测站中心的安置误差是一项重要的误差来源。所以， 本次试验中注意将天线严格置平和对中，并在各观测时段的前后分别精确量取天线高2 次，取其均值， 尽可能

47、地减小接收机天线相对于测站中心的安置误差。5.3 确定GPS天线相位中心的偏差GPS天线相位中心偏差可分为水平偏差和垂直偏差两部分。就一般天线而言，其相位中心在垂直方向上的偏差远大于在水平方向上的偏差（水平偏差仅几个毫米，垂直偏差可达160mm）。5.3.1 水平偏差目前，GPS接收机天线相位中心误差的检测方法有两种。一种是用室内微波天线测量设备测定，即通过精密可控微波信号源测量天线接收信号的强度分布来确定天线电气中心，从而测定天线相位中心偏差。此种方法测定精度较高，但设备复杂昂贵，测量费用高，且一般测绘部门无此设备。另一种方法是在野外利用接收到的GPS卫星发播的信号，通过测定两天线间的基线向

48、量来测定天线相位中心的偏差，即基线测量相对测定法，也称为旋转天线法。对能相互通视的C3C4基线进行观测，在C3点安置3号机，屏幕朝北，连续观测六个时段。在C4点安置4号机，严格对中整平连续观测四个时段，每一时段60分钟，第一时段屏幕朝东，第二时段屏幕朝南，第三时段屏幕朝西，第三时段屏幕统一朝北。卸下4号机天线，基座不动，一次换上1号机和2号机的天线部分，各观测一个时段，每时段60分钟，保证与3号机同步。表5-6 天线不同朝向观测数据C3朝向C4朝向方差XYZS3号机北2号机北99.99-213.2261.178-156.417264.4483号机北1号机北10.63-213.2191.177-

49、156.409264.4383号机北4号机北24.4-213.2241.175156.410264.4433号机北4号机东31.15-213.2221.177-156.422264.4493号机北4号机南25.89-213.231.182-156.42264.4543号机北4号机西25.46-213.2261.182-156.416264.447NC4点4号机朝向东南西北C3点3号机朝北 图 5-2 天线相位中心变化示意图假设C3点坐标是（0，0）则C4点坐标：屏幕朝东(213.222，-1.177) 屏幕朝南(213.23，-1.182) 屏幕朝西(213.226，-1.182) 屏幕朝北(

50、213.224，-1.175)取四次观测的中数，平面坐标对应数值为（213.226，-1.179），把它当做仪器的相位中心位置，则在屏幕朝北的情况下，4号机天线中心的实际位置为（X+0.002，Y-0.004），1号机天线中心的实际位置为（X-0.007，Y+0.002），2号机天线中心的实际位置为（X，Y+0.001），1号机其中(X， Y)为天线屏幕朝北时的天线几何中心位置。一号机天线中心的实际位置偏差略大，原因可能来自外部条件影响，但没有超出其出厂标定的精度，可以用于高精度的定位测量。5.3.2 垂直偏差的确定GPS接收机天线相位中心在垂直方向上的偏差远大于在水平方向上的偏差，且随着天线

51、型号不同而不同。目前，有的GPS接收机已标称其GPS接收机天线相位中心偏差为0（即0相位中心偏差），但由于种种原因，实际观测时天线相位中心偏差不为0。经检测和研究表明，GPS接收机天线相位中心在垂直方向上的偏差与GPS接收机厂家标称值差，最大可达厘米级，这对于高精度的GPS变形监测是不能忽视的。因此，在进行高程方向精度要求较高的GPS测量时，应检测GPS接收机天下相位中心在垂直方向上的偏差，并加以改正。在野外检测两个GPS天线相位中心在垂直方向上偏差之差的方法“高差比较法，其基本原理如下： 在相距几米附有强制对中装置的观测点C3和C4上，各安装一台GPS接收机，设C3和C4的大地高分别为和，天

52、线高分别为和，和为在C3和C4进行GPS观测后求出的大地高观测值，设安置在C3和C4点上GPS天线相位中心在垂直分量上偏差为和。则有：=-=（-）-（-） （5-1）可得出两台GPS天线相位中心垂直之差=-=(-)-(-)=- （5-2）式（5-2）中，为测站A和B之间的GPS 观测的大地高之高差，可由精密水准测量测得，若GPS天线相位中心高无偏差，则-应为零。所以，当已知其中一个天线相位中心在垂直方向上的偏差（例如，由微波天线测量设备测定）便可以测定另一天线相位中心在垂直方向上的偏差。若两GPS天线相位中心偏差都未正确测定，则可测定一对GPS天线相位中心在垂直方向上偏差之差。这个就是我们在进

53、行GPS相对定位时，求定两点之间高差所需要的GPS天线相位中心在垂直方向上的改正。 对闭合环进行二等水准观测，观测时采用leica DNA03 电子水准仪，限差【5】要求如下表：表5-7 二等水准观测限差等级视线长度前后视距差前后视距累积差视线高度上下丝读数平均数与中丝读数之差检测间歇点高差之差闭合差仪器类型视线长度二S0550m1m3m0.3m1.5mm1mm4闭合环线中四点的高程：表5-8 高程表点名水准往测观测值水准返侧观测值水准平均值4月29日GPS观测值5月6日GPS观测值C10000（假设值）0（假设值）C215.774015.775015.774515.8215.770C335.

54、127135.128735.127935.20235.134C422.039022.035022.037022.122.0414月29日的观测数据以15秒为一个采样间隔，C3与C4的高差与二等水准测得高差最大相差=29mm，5月4日的观测数据以1秒为一个采样间隔，数据量比较大，高差与二等水准的高差最大相差=3mm。实测表明：（1）采用同型号GPS接收机及天线进行测量时，值不是固定的，随时间变化，最大可达。（2）观测时段长度在6h以上，可有效地减弱其影响，若取24h解算的平均值时，两个GPS天线相位中心在垂直方向上偏差之差值接近于零；（3）当采用不同型号GPS接收机及天线混合进行测量时，也随时间

55、变化，但存在系统性偏差，观测时段再长也消除不了其影响，必须加以改正。GPS天线相位中心在垂直方向上偏差的大小，主要与GPS天线设计、制造工艺及材料有关，也与观测环境、时间、季节及气象条件等多种因素有关，这些都有待进一步深入研究。5.3.3 高程随观测时段长度变化 对5月4日的观测数据，通过截取不同观测时段长度，获得GPS大地高。将不同时段所测得的各观测点的高程统计如表（5-9）所示，假设C1点高程为零。表5-9 高程随时间变化情况高程7h6h5h4h3h2h1h0.5h水准C1000000000C215.7715.7715.76915.76715.7715.76815.76215.7615.7

56、745C335.13435.13835.14535.14835.14435.1535.15335.15535.1279C422.04122.04422.04622.04622.04622.04822.04535.04922.037将各时段测得的GPS高程与二等水准测得高程相比较，得到高程差值变化表如下： 图5-3 高程差随时间变化情况由图（5-3）可以清楚地看出GPS的高程观测精度随观测时段长度的减小而逐渐降低。采用六个小时以上观测时段测得的高程差值较小，可以满足四等水准测量要求。5.4 相同卫星，不（相）同时段的定位精度比较在南方GPS数据处理软件中，打开0504观测数据文件数据编辑（禁止无

57、用的卫星周跳，选择较长时间的卫星历元）。例如，选择四颗卫星9、18、26、27，时段选择11:0012:00进行基线解算：第一步： 图5-4 单击观测数据后第二步： 图5-5 双击测站数据后第三步：图5-6 双击基线后数据统计： 表5-10 对接收到的卫星历元处理后的基线情况时段接收的卫星XYZS方差比9:0010:0027、26、21、18、15、9、5213.223-1.180156.414264.4445210:0011:0027、26、21、18、15、9、5213218-1.178156.421261.44468.5711:0012:009、15、18、21、22、24、26、272

58、13.221-1.185156.412264.44199.9912:0013:009、12、14、18、21、22、24、26、27213.227-1.190156.409264.44499.9913:0014:009、12、14、18、22、24、26、27、30213.226-1.186156.412264.44678.78平均值213.223-1.184156.414264.444 表5-11 共用四颗卫星9、18、26、27 基线解算情况时段XYZS方差比9:0010:00213.219-1.185156.420264.4450.99（无解）10:0011:00213.222-1.191156.413264.4430.99（无解）11:0012:00213.222-1.192156.410264.4410.99（无解）12:0013:00213.230-1.192156.394264.4380.99（无解）13:0014:00213.203-1.172156.434264.4400.99（无解）表5-12 共用五颗卫星9、18、26、27、21基线情况 时段X