网形结构对GPS网精度的影响和分析

《网形结构对GPS网精度的影响和分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《网形结构对GPS网精度的影响和分析（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、GPS全球卫星定位导航系统(Global PositioningSystem-GPS) 是美国从本 世纪 70 年代开始研制，历 时 20 年 耗资 200 亿美元，于 1994 年全面建成，具有在海、陆、空 进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与 定位系统。经近10年我国测绘等部门的使用表明，GPS以 全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点， 赢得广大测 绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航 空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变 形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科， 从而给测绘领 域带来一场深刻的技术革命。随着全球定位系统的不断改进， 硬、软

2、件的不断完善， 应用领域正在不断地开拓， 目前已遍及国民经济各种部门， 并开始逐 步深入 人们的 日常生活 。本文首先简要阐述了此次大庆油田布设 GPS 网的背景 和 GPS 的基本理论及相关技术要求接下来着重叙述了整个 GPS 控制 网的 布设和实施 过程和 结果分析 。在文章的 后半部 又重点论述了大地水准面精化的基本理论并结合该理论对 此次大庆 油田 GPS 控制网的 高 程 拟合精度 进行分 析， 得出 相应的结论和建议。最 后论述了大庆油田地区大地水准面精 化的 意义 。2、GPS 的基本理论2.1 GPS 定义全球定位系统(Global Positioning SystemGPS)

3、是美国从本世纪70年代开始研制，历时20 年，耗资300 亿美元，于1994年全面建成。它是一种定时和测距的空间交会定 点的导航系统，可以向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置、三维速度和时间信息， 为海、陆、空三军提供精密导航，向特殊用户进行授时，还可以用于情报收集、核爆监测、 应急通讯和卫星定位等一些军事目的。2.2 GPS 系统的特点:PS 系统的特点：高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等。1. 定位精度高应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50km以内可达10-6, 100-500km可达10-7, 1000km可达10-9。在300-1500m工程精密定位中，1

4、小时以上观测的解其平面其平面位置 误差小于1mm,与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较，其边长较差最大为0.5mm,校 差中误差为 0.3mm。2. 观测时间短随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20KM以内快速静态相对定位，仅 需15-20分钟；RTK测量时，当每个流动站与参考站相距在15KM以内时，流动站观测时间 只需 1-2 分钟。3. 测站间无须通视GPS 测量不要求测站之间互相通视，只需测站上空开阔即可，因此可节省大量的造标费 用。由于无需点间通视，点位位置可根据需要，可稀可密，使选点工作甚为灵活，也可省去 经典大地网中的传算点、过渡点的测量工作。4. 可提供三维坐

5、标 经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测。 GPS 可同时精确测定测站点的三维坐标(平面+大地高)。目前通过局部大地水准面精化， GPS 水准可满足四等水准测量的精度。5. 操作简便随着 GPS 接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“傻瓜化”的程度，接收机 的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。6. 全天候作业目前 GPS 观测可在一天24小时内的任何时间进行, 不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪 等气候的影响。7. 功能多、应用广GPS 系统不仅可用于测量、导航，精密工程的变形监测，还可用于测速、测时。测速的 精度可达0.1m/s，测时的精

6、度优于0.2ns,其应用领域在不断扩大。当初，设计GPS系统的 主要目的是用于导航，收集情报等军事目的。但是，后来的应用开发表明， GPS 系统不仅能 够达到上述目的，而且用 GPS 卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位，米级至亚米级精度的动态定位，亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精 度的时间测量。因此，GPS系统展现了极其广阔的应用前景。2.3 GPS发展历程GPS实施计划共分三个阶段：第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到1979年，共发射 了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年，

7、又陆续发射了 7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度 远远超过设计标准。第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发 射成功，表明GPS系统进入工程建设阶段。1993年底实用的GPS网 （21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。2.4 GPS原理2.4.1、GPS系统的组成GPS由三个独立的部分组成： 空间部分：21颗工作卫星，3颗备用卫星。 地面支撑系统：1个主控站，3个注入站，5个监测站。用户设备部分：接收GPS卫星发射信号，以获得必要的导航和定 位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。GPS接收机硬件一般由主机、天线和电源组成

8、。2.4.2、GPS 定位原理GPS 定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知 的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如 图所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS 信号到达接收机的时间At,再加上接收机所接收到的卫星星历等其 它数据可以确定以下四个方程式：細-x)2+Cyi呼严+呼舛匚他一佻片山 仗2 -x)2+(y2 -y)2+(Z2-z)21/c(fU5-Hd2 fc -x)2+(y3 -疔+-券1耳d4上述四个方程式中待测点坐标x、y、z和Vto为未知参数，其 中 di=cAti （i=l、2、3、4）。di （i=1、 2、 3、

9、4） 分别为卫星 1、卫星 2、卫星 3、卫 星 4 到接收机之间的距离。ti （i=1、 2、 3、 4） 分别为卫星 1、卫星 2、卫星 3、 卫星 4 的信号到达接收机所经历的时间。c 为 GPS 信号的传播速度（即光速）。四个方程式中各个参数意义如下：x、y、z 为待测点坐标的空间直角坐标。xi 、yi 、zi （i=1、2、3、4） 分别为卫星1、卫星 2 卫星 3、卫星 4 在 t 时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。Vt i （i=1、2、3、4） 分别为卫星 1、卫星 2、卫星 3、 卫星 4 的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。 Vto 为接收机的 钟差。由以上四个方程即可

10、解算出待测点的坐标 x、y、z 和接收机 的钟差 Vto 。10.1.3 GPS 的应用1. GPS 应用于导航 主要是为船舶,汽车,飞机等运动物体进行定位导航。例如：船舶远洋导航和进港引水 飞机航路引导和进场降落；汽车自主导航；地面车辆跟踪和城市智能交通管理；紧急救生 个人旅游及野外探险；个人通讯终端（与手机，PDA,电子地图等集成一体）。2. GPS 应用于授时校频图 10-5 GPS 时间系统建立的示意图每个 GPS 卫星上都装有 銫原子钟作星载钟； GPS 全 部卫星与地面测控站构成一 个闭环的自动修正系统（见图 10-5）；采用协调世界时 UTC（USNO/MC）为参考基准。 为了得

11、到精密的GPS时间，一 般使它的准确度达到 vlOOns相对于 UTC（ USNO/MC） ，对特殊用途 可以提供授时服务。当前精密的GPS时间同步 技术可以实用10-10-10-11 s的同步精度。这一精度可以用于国际上各重要时间和相关物理实 验室的原子钟之间的时间传递。利用它可以在地球上不同区域相当远的距离（数千公里）的 实验室上利用各种精密仪器设备对太空的天体、运动目标，如脉冲星、行星际飞行探测器等 进行同步观测，以确定它们的太空位置、物理现象和状态的某些变化。3. GPS 应用于高精度测量 各种等级的大地测量，控制测量；道路和各种线路放样；水下地形测量；地壳形变测量， 大坝和大型建筑物

12、变形监测；GIS数据动态更新；工程机械（轮胎吊，推土机等）控制；精 细农业。经过 30 余年的实践证明， GPS 系统是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定 位和定时的多功能系统。GPS技术已经发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的高新技 术国际性产业。 目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。1） GPS 网的设计I 设计原则 GPS 网一般应采用独立观测边构成闭合图形，如三角形、多边形或附合线路，以增加检核条件，提高 网的可靠性。 GPS网作为测量控制网，其相邻点间基线向量的精度，应分布均匀。 GPS网点应尽量与原有地面控制点相结合。重合点一般不少于3个（不足时应

13、联测），且在网中分布均 匀，以可靠地确定GPS网与地面之间的转换参数。 GPS网点应考虑与水准点重合，而非重合点，一般应根据要求以水准测量（或相当精度的测量方法）进 行联测，或在网中布设一定密度的水准联测点。 为了便于 GPS 的测量观测和水准联测，减少多路径影响， GPS 网点一般应设在视野开阔和交通便利的 地方。 为了便于用经典方法联测或扩展，可在GPS网点附近布设一通视良好的方位点以建立联测方向，方向点 与观测站距离一般应大于 300 米。 GPS网必须由非同步独立观测边构成若干个闭合环或附和线路。各级GPS网中每个闭合环或附和线路 中的边数应符合表3-2 的规定。表 3-2 最简独立闭

14、合环或附和线路边数的规定7级别ABCDE闭合环或附和线路的边数5668102.2.2 GPS 网的精度设计 精度是用来衡量网的坐标参数估值受观测偶然误差影响程度的指标。网的精度设计是根据偶然误差的传播 规律，按照一定的精度设计方法，分析网中各未知点平差后预期能达到的精度，这常被称为网的统计强度 设计与分析。一般常用坐标的方差协方差阵来分析，也可用误差椭圆（球）来描述坐标点的精度状况， 或用点之间方位、距离和角度的标准差来定义。对于 GPS 网的精度要求，一般用网中点之间的距离误差来表示。其精度与网的点位坐标无关，与观测时间 无明显的相关性（整周模糊度一旦被确定后），GPS网平差的法方程只与点间

15、的基线数目有关，且基线向量 的三个坐标差分量之间又是相关的，因此，很难从数学的角度和实际应用出发，建立使未知数的协因数阵 逼近理想的准则矩阵。所以，目前较为可行的方法是给出坐标的协出数阵的某种纯量精度标准函数。设 GPS 网有误差方程V = B I 3m 1 3m m n 1 3m 1式中 I、V分别为观测向量和改正向量;X为坐标未知参数向量阵；P为观测值权阵；为先验方差因子（在设计阶段取必 =1）, m为观测基线数;n为待定点数。由最小二乘可得参数估值及其协因数阵： x=（BT BT PI.禹=（矿丹尸优化设计中常用的纯量精度标准，根据其由。槪构成的函数形式的不同的可表示成不同的最优纯量精度标 准函数。现在最常用的是求的轨迹，以次来表示纯量精度。4 布设 GPS 基线向量网的设计指标在布设GPS网时,除了遵循一定的设计原则外，还需要一些定量的指标来指导我 们的工作。在进行GPS 网的设计时, 经常需要采用效率指标、可靠性指标和精度指标。4.1 效率指标在布设一个GPS网时,在测量点数、GPS接收机数和平均重复设站次数确定后，完 成该测量所需的理论最少观测期数就可以确定。但是, 当按照某个具体的布网方式和