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1、GPS技术与应用期 末 试 卷专业名称 地图学与地理信息系统 姓名学号 liutaobinue 2010 年 06月 24 日GPS技术与应用-期末作业BINGYUE一、 叙述GPS测量的方法和步骤。答：GPS测量的方法和步骤主要分测前、测中和测后三个阶段进行。1、 测前工作项目的提出一项GPS测量工程项目，往往是由工程发包方、上级主管部门或其他单位或部门提出，由GPS测量队伍具体实施。对于一项GPS测量工程项目，一般有如下一些要求：测区位置及其范围测区的地理位置、范围，控制网的控制面积。用途和精度等级控制网将用于何种目的，其精度要求是多少，要求达到何种等级。点位分布及点的数量控制网的点位分布
2、、点的数量及密度要求，是否有对点位分布有特殊要求的区域。提交成果的内容用户需要提交哪些成果，所提交的坐标成果分别属于哪些坐标系，所提交的高程成果分别属于哪些高程系统，除了提交最终的结果外，是否还需要提交原始数据或中间数据等。时限要求对提交成果的时限要求，即何时是提交成果的最后期限。投资经费。对工程的经费投入数量。技术设计负责GPS测量的单位在获得了测量任务后，需要根据项目要求和相关技术规范进行测量工程的技术设计。测绘资料的搜集与整理在开始进行外业测量之前，现有测绘资料的搜集与整理也是一项极其重要的工作。需要收集整理的资料主要包括测区及周边地区可利用的已知点的相关资料（点之记、坐标等）和测区的地
3、形图等。仪器的检验对将用于测量的各种仪器包括GPS接收机及相关设备、气象仪器等进行检验，以确保它们能够正常工作。踏勘、选点埋石在完成技术设计和测绘资料的搜集与整理后，需要根据技术设计的要求对测区进行踏勘，并进行选点埋石工作。2、 测量实施实地了解测区情况由于在很多情况下，选点埋石和测量是分别由两个不同的队伍或两批不同的人员完成的，因此，当负责GPS测量作业的队伍到达测区后，需要先对测区的情况作一个详细的了解。主要需要了解的内容包括点位情况（点的位置、上点的难度等）、测区内经济发展状况、民风民俗、交通状况、测量人员生活安排等。这些对于今后测量工作的开展是非常重要的。卫星状况预报根据测区的地理位置
4、，以及最新的卫星星历，对卫星状况进行预报，作为选择合适的观测时间段的依据。所需预报的卫星状况有卫星的可见性、可供观测的卫星星座、随时间变化的PDOP值、随时间变化的RDOP值等。对于个别有较多或较大障碍物的测站，需要评估障碍物对GPS观测可能产生的不良影响。确定作业方案根据卫星状况、测量作业的进展情况、以及测区的实际情况，确定出具体的作业方案，以作业指令的形式下达给各个作业小组，根据情况，作业指令可逐天下达，也可一次下达多天的指令。作业方案的内容包括作业小组的分组情况，GPS观测的时间段以及测站等。外业观测各GPS观测小组在得到作业指挥员所下达的作业指令后，应严格按照作业指令的要求进行外业观测
5、。在进行外业观测时，外业观测人员除了严格按照作业规范、作业指令进行操作外，还要根据一些特殊情况，灵活地采取应对措施。在外业中常见的情况有不能按时开机、仪器故障和电源故障等。Page: 3在此叙述在外业测量中常见的问题及应采取的应对方法。数据传输与转储在一段外业观测结束后，应及时地将观测数据传输到计算机中，并根据要求进行备份，在数据传输时需要对照外业观测记录手簿，检查所输入的记录是否正确。数据传输与转储应根据条件，及时进行。基线处理与质量评估对所获得的外业数据及时地进行处理，解算出基线向量，并对解算结果进行质量评估。作业指挥员需要根据基线解算情况作下一步GPS观测作业的安排。重复确定作业方案、外
6、业观测、数据传输与转储与基线处理与质量评估四步，直至完成所有GPS观测工作。3、 测后工作结果分析（网平差处理与质量评估）对外业观测所得到的基线向量进行质量检验，并对由合格的基线向量所构建成的GPS基线向量网进行平差解算，得出网中各点的坐标成果。如果需要利用GPS测定网中各点的正高或正常高，还需要进行高程拟合。技术总结根据整个GPS网的布设及数据处理情况，进行全面的技术总结。成果验收 提交文档。所有测量工作报告，结果，取得成果等全部交由委托部门。二、叙述目前GPS数据处理软件为何采用双差法载波相对定位原理答：近年来，GPS定位理论和软件科学的发展促进了GPS定位软件的研发，一批满足不同应用需求
7、的GPS定位软件亦已面世。不同的软件定位原理稍有不同，下先通过介绍载波相对 定位原理，再通过比较几个大厂商所有的定位方法说明为什么要采用双差法载波相对定位原理。尽管不同软件在数据处理方法上各有其住优缺点，但它们的总体结构基本上是一致的，即由数据准备、轨道计算、模型改正、数据编辑和参数估计5部分组成。各个部分之间的衔接稍有差别，但都利用了或部分利用了又差法载波相对定位方法，这也正是为什么目前采用双差法载波相对定位原理的原因。1、载波相位相对定位的原理和特点相对定位，又称差分定位，这种定位模式采用两台或两台以上的接受机，同步跟踪相同的卫星信号，以确定接收机天线间的相对位置（三维坐标或基线向量）的方
8、法，只要给出一个测点的坐标值，其余各测点的坐标即可求得，由于各台接收机的同步观测相同卫星，这样卫星钟的钟差、卫星星历误差、大气延迟误差几乎相同，解算各测点坐标时可有效消除或大幅度削弱，从而有较高的定位精度。相对定位一般采用载波相位测量，精度可达（5mm），一般在大地测量、精密工程测量等领域有广泛的应用。RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进
9、行实时处理，同时给出厘米级定位结果，历时不到一秒钟。流动站可处于静止状态，也可处于运动状态；可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完成周模糊度的搜索求解。在整周末知数解固定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，则流动站可随时给出厘米级定位结果。RTK技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术，RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据(伪距观测值，相位观测值)及已知数据传输给流动站接收机，数据量比较大，一般都要求9600的波特率，但这在无线电上是不难实现的。GPS 载波相位精确相对定位技术具有定位精度
10、高、测量距离长、全天候自主独立性工作以及不受美国P码(Y码)保密限制等优点。(1）载波相位观测方程在历元tk时刻，接收机R和GPS卫星j之间的载波相位观测方程可以写为: 其中： 接收机R到卫星j在tk时刻的载波相位观测值(周)； 接收机R到卫星j在tk：时刻的几何距离(m)； 卫星j的广播轨道偏差(M)；c 真空中的光速(m/ S )；卫星j的钟差(S)； 接收机R的钟差(S)；载波相位的整周模糊度(周)；接收机R与卫星J之间信号传播的电离层延迟(M)； 接收机R与卫星J之间信号传播的对流层延迟(M)；接收机R与卫星J之间信号传播的对流层延迟(M)；由于接收机噪声而引起的误差(m)；由于多路径
11、效应而引起的误差(M)； 载波的波长(m/周)。(2)载波相位差分方程a、单差方程当两个接收机1(假设为基准天线即主天线)和2(从天线)在某一历元观测到同一颗卫星J时得出单差方程 单差方程只能消除卫星钟差，在基线的条件下，电离层和对流层延迟的误差项可以忽略不计。如果忽略电离层、对流层延迟和卫星轨道偏差的影响，则可得认为卫星到两天线的距离差近似的等于由天线1和2构成的基线矢量与卫星到主天线1的单位矢量的点乘。b、 双差方程由站 间 单 差方程可以看出，如果观测一定数目的历元，则观测方程中包含了大量的接收机站间钟差dT12，因而法方程阶数高，计算量较大。于是考虑在某一历元基线两端的天线1与天线2同
12、时观测到第i,j颗 卫星时的情况得到双差方程。可以进一步消除接收机间的钟差，具有良好的统计特性。另外一个优点是双差方程中未知参数个数少，解算过程比较简明；而且双差方程更大程度上消减了对流层延迟，和电离层延迟，所以当前载波相位相对定位软件多数采用双差模型。C、三差方程考虑天线1与天线2在两个不同时刻t1，t2同时观测到第i,j颗卫星时的情况上两式相减，消去双差模糊度，忽略多路径效应引起的误差，得三差方程其中近似为白噪声。三差方程的相关性较强，但方程中没有整周模糊度，对于观测长时间数据的静态检校系统，通过相隔一定时间的双差方程形成的三差方程可以减小相关性，求解出精度较高的基线解。缺点：GPS载波相
13、位精确相对定位技术的难点在于整周模糊度的求解。另外在载波相位测量发生周跳时，可能导致计算的失败，更为严重的情况是导致整个求解过程重新开始。2、一般数据处理的总体结构（1） 数据准备：RINREX 格式的数据转换为软件特有的数据格式；剔除一些不正常的观测值（如缺伪距或某个相位数据）；根据测站的先验坐标、星历和伪距数据确定站钟偏差的先验值或站钟偏差多项式拟合系数的先验值。（2） 轨道计算：将广播星历或精密星历改成标准轨道；如果需要改进轨道，则进行轨道积分，将卫星坐标及坐标对初始条件和其他待估参数的偏导写成列表形式。（3） 模型改正：对观测值进行各种误差模型改正（对流层折射、潮汐、自转等）得到理论值
14、及一阶偏导，从观测值中扣除这些理论值得到相应的验前观测残差。（4） 数据编辑：修正相位观测值的周跳，剔除粗差。（5） 参数估计：采用最小二乘或卡尔曼滤波估计，由编辑干净的非差观测值或双差观测值求解测站坐标、相位模糊度、（如果采用定轨或轨道松弛）卫星轨道改正值、地球自转和对流层湿分量天顶延迟等参数。3、以下都是一些国内外主要应用的数据处理软件：1） GAMIT/GLOBKGAMIT 软件处理双差观测量，采用最小二乘算法进行参数估计。采用双差观测量的优点是可以完全消除卫星钟差和接收机钟差的影响，同时也可以明显减弱诸如轨道误差、大气折射误差等系统性误差的影响。用GAMIT 估计对流层天顶延迟参数和大
15、气水平梯度参数，通常采用线性分段模型，根据观测时间和区域自主确定参数个数。如果测站间隔较近，估计得到的参数间的相关性会非常大，由此降低了应用于气象学研究的可靠性。这是所有相对定位软件的共同局限。2） GIPSYGIPSY 软件是基于VLBI 数据分析软件而开发的，在数据分析中，不取载波相位数据的双差，而是直接处理载波非差观测量，这是GIPSY 的一大特色。在非差处理模式中，卫星钟差和接收机钟差被视为具有白噪声性质的平稳随机过程直接估算。非差处理模式对于现在我们一般施测的高密度区域来说并没有什么显著影响，但对大且测点稀疏的GPS网则意义重大。 但采用非差观测量也存在着明显的不利之处：第一，因为非差观测量不能像双差观测量那样消除或减弱许多共同误差源的影响，特别是星钟和站钟，从而使可靠及自动地探测粗差和周跳变得非常困难；第二，增加了待估参数（卫星钟差和接收机钟差）。GIPSY 的另一个特色是参数估计采用卡尔曼滤波的方法，其核心是一个均方根信号滤波的序贯估计算法。该算法对数据有过滤作用，能进一步剔除被污染的数据，保证了最终结果的
