gps定位系統在公路工程測量中的應用研究-資料下載頁

【導讀】袃莀艿螃蝿荿蒂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇薂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆荿蒃肅芅蒁螈羀芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁莂蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿蒂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇薂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆荿蒃肅芅蒁螈羀芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁莂蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿蒂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇薂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆荿蒃肅芅蒁螈羀芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁莂蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿蒂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆

　　

【正文】 間的位置（三維坐標），從而用距離交會的方法求得Ｐ點的三維坐標（ Xｐ， Yｐ， Zｐ），其數學式為： 圖 27 GPS 衛星定位示意圖 式中：（ XA， YA， ZA），（ XB， YB， ZB），（ XC， YC， ZC）分別為衛星 A，B， C 在時刻 ti的空間直角坐標。在 GPS測量中通常采用兩類坐標系統，一類是在空間 固定的坐標系統，另一類是與地球體相固聯的坐標系統，稱地固坐標系統，我們在公路工程控制測量 中常用地固坐標系統（如： WGS－ 84 世界大地坐標系和1980年西安大地坐標系）。在實際使用中需要根據坐標系統間的轉換參數進行坐標系統的變換，來求出所使用的坐標系統的坐標。這樣更有利于表達地面控制點的位置和處理 GPS觀測成果，因此在測量中被得到了廣泛的應用。 在 GPS定位中， GPS衛星是高速運動的衛星，其坐標值隨時間在快速變化著。需要實時地由 GPS 衛星信號測量出測站至衛星之間的距離，實時地由衛星的導航電文解算出衛星的坐標值，并進行測站點的定位。依據測距的原理，其定位原理與計算方法主要有偽距法定位，載波相位測 量定位以及差分 GPS 定位等。對于待 15 太原理工大學陽泉學院 畢業設計說明書 定點來說，根據運動狀態可以將 GPS 定位分為靜態定位和動態定位。靜態定位指的是對于固定不動的待定點，將 GPS 接收機置于其上，觀測數分鐘乃至更長的時間，以確定該點的三維坐標，又叫絕對定位。若以兩臺 GPS 接收機分別置于兩個固定不變的待定點上，則通過一定時間的觀測，可以確定兩個待定點間的相對位置，又叫相對定位。而動態定位則至少有一臺接收機處于運動狀態，測定的是各觀測時刻（觀測歷元）運動中的接收機的點位（絕對點位或相對 點位）。 利用接收到的衛星信號（測距碼）或載波相位，均可進行靜態定位。實際應用中，為了減弱衛星的軌道誤差、衛星鐘差、接收機鐘差以及電離層和對流層的折射誤差的影響，常采用載波相位觀測值的各種線形組合（即差分值）作為觀測值，獲得兩點之間高精度的 GPS基線向量（即坐標差）。 二、 GPS幾種定位方式 偽距測量定位 偽距法定位是由 GPS 接收機在某一時刻測出得到四顆以上 GPS 衛星的偽距以及已知的衛星位置，采用距離交會的方法求定接收機天線所在點的三維坐標。所測偽距就是由衛星發射的測距碼信號到達 GPS 接收機 的傳播時間乘以光速得到的量測距離。由于衛星鐘、接收機鐘的誤差以及無線電信號經過電離層和對流層中的延遲，實際測出的距離 ρ/與衛星到接收機的幾何距離 ρ有一定的差值，因此一般稱量出的距離為偽距。用 C/A 碼進行測量的偽距為 C/A 碼偽距。用 P 碼測出的偽距為 P 碼偽距。偽距法定位雖然一次定位精度不高（ P 碼定位誤差約為10m， C/A碼定位誤差為 20~30m），但因其具有定位速度快，且無多值性問題等優點，仍然是 GPS 定位系統進行導航的最基本方法。同時，所測偽距又可作為載波相位測量中解決整周數不確定問題（模糊度）的輔助資料。 載波相位測量定位 利用測距碼進行偽距測量是 GPS 定位系統的基本測距方法。然而由于測距碼的碼元長度較大，對于一些高精度應用來講其測距精度還顯的過低無法滿足需要。如果觀測精度均取至測距碼波長的百分之一，則偽距測量對 P碼而言量測精度為 30cm，對 C/A 碼而言為 3m左右。而如果把載波作為量測信號，由于載波的波長短 19cm； 24cm，所以就可達到很高的精度。目前的大地型接收機的載波相位測量精 16 太原理工大學陽泉學院 畢業設計說明書 度一般為 1～ 2mm，有的精度更高。但載波信號是一種周 期性的正弦信號，而相位測量又只能測定其不足一個波長的部分，因而存在著整周數不確定性的問題，使解算過程變地十分復雜。 在 GPS 信號中由于已用相位調整的方法在調制了測距碼和導航電文，因而接收到的載波的相位已不再連續，所以在進行載波相位測量以前，首先要進行解調工作，設法將調制在載波上的測距碼和衛星電文去掉，重新獲取載波，這一工作稱為重建載波。重建載波一般可采用兩種方法，一種是碼相關法，另一種是平方法。采用前者，用戶可同時提取測距信號和衛星電文，但用戶必須知道測距碼的結構；采用后者，用戶無須掌握測距碼的結構，但只 能獲取載波信號而無法獲得測距碼和衛星電文 差分 GPS定位 差分技術很早就被人們所應用。比如相對定位中，在一個測站上對兩個觀測目標進行觀測，將觀測值求差；或在兩個測站上對一個目標進行觀測，將觀測值求差；或在一個測站上對一個目標進行兩次觀測求差。其目的是消除公共誤差，提高定位精度。利用求差后的觀測值解算兩觀測站之間的基線向量，這種差分技術已經用于靜態相對定位。 該部分所講述的差分 GPS定位技術是將一臺接收機安置在基準站上進行觀測。根據基準站已知精密坐標，計算出基準站到衛星的距離改正數，并由基準站實時地 將這一改正數發送出去。用戶接收機在進行 GPS 觀測的同時，也接收到基準站的改正數，并對其定位結果進行改正，從而提高定位精度。 GPS定位中，存在著三部分誤差：一是多臺接收機公有的誤差，如：衛星鐘誤差、星歷誤差；二是傳播延遲誤差，如：電離層誤差、對流層誤差；三是接收機固有的誤差，如：內部噪聲、通道延遲、多路徑效應。采用差分定位，可完全消除第一部分誤差，可大部分消除第二部分誤差（視基準站至用戶的距離）。 差分可分為單基準站差分、具有多個基準站的局部區域差分和廣域差分三種。 17 太原理工大 學陽泉學院 畢業設計說明書 第四節 GPS導航定位誤差 一、 與 GPS衛星有關的誤差 與 GPS衛星有關的誤差主要包括衛星的軌道誤差和衛星鐘的誤差。 1 、衛星鐘差 由于衛星的位置是時間的函數，因此， GPS的觀測量均發精密測時為依據， 而與衛星位置相對應的信息，是通過衛星信號的編碼信息傳送給接收機的。在GPS 定位中，無論是碼相位觀測或是載波相 位觀測，均要求衛星鐘與接收機時鐘保持 嚴格的同步。實際上，盡管 GPS衛星均設有高精度的原子鐘（銣鐘和銫鐘），但是 它們與理想的 GPS 時之間，仍存在著難以避免的偏差和漂移。這種偏差的總量約 在 1ms以內。 對于衛星鐘的這種偏差，一般可由衛星的主控站，通過對衛星鐘運行狀態的 連續監測確定，并通過衛星的導航電文提供給接收機。經鐘差改正后，各衛星之 間的同步差，即可保持在 20ns 以內。在相對定位中，衛星鐘差可通過觀測量求差 （或差分）的方法消除。 衛星軌道偏差 估計與處理衛星的軌道偏差較為困難 ，其主要原因是，衛星在運行中要受到 多種攝動力的復雜影響，而通過地面監測站，以難以充分可靠的測定這作用力， 并掌握它們的作用規律，目前，衛星軌道信息是通過導航電文等到的。 應該說，衛星軌道誤差是當前 GPS測量的主要誤差來源之一。測量的基線長 度越長，此項誤差的影響就越大。 在 GPS定位測量中，處理衛星軌道誤差有以下幾種方法 : 這種方法以從導航電文中所獲得的衛星軌道信息為準，不再考慮衛星軌道實 際存在的誤差，所以廣泛的用于精度較低的實時單點定位工作中。 法處理觀測數據 這種方法是在數據處理中，引入表征衛星軌道偏差的改正參數，并假設在短 18 太原理工大學陽泉學院 畢業設計說明書 時間與衛星信號傳播有關的誤差 與衛星信號有關的誤差主要包括大氣折射誤差和多路徑效應。 電離層折射的影響 GPS衛星信號的其它電磁波信號一樣，當其通過電離層時，將受到這一介質彌散特性的影響，便其信號的傳播路徑發生變化。當 GPS 衛星處于天頂方向時，電離層折射對信號傳播路徑的影響最小，而當衛星接近地平線時，則影響最大。 為了減弱電離層的影響，在 GPS定位中通常采用下面措施： 由于電離層的影響是信號頻率的函數，所以利用不同頻率的電磁波信號進行觀測。便能多確定其影響，而對觀測量加以修正。因此，具有雙頻的 GPS接收機，在精密定位中測量中得到廣泛的應用。不過應當明確指出，在太陽輻射的正午或在太陽黑子活動的異常期，應盡量避免觀測。在尤其是精密定位測量。 對于單頻 GPS 接收機，為了減弱電離層的影響，一般是采用導航電文提供的電離層模型，或其它適合的電離層模型對觀測量加以修正，但是這種模型至今仍在完善之中， 目前模型改正的有效率約為 75％。 這一方法是利用兩臺或多臺接收機，對同一衛星的同步觀測的求差，以減弱電離層折射的影響，尤其當觀測站間的距離較近時（ 20km)，由于衛星信號到達各觀測站的路徑相近，所經過的介質狀況相似，因此通過各觀測站對相同衛星信號的同步觀測值求差，便可顯著的減弱電離層折射影響，其殘差將不會超過 19 太原理工大學陽泉學院 畢業設計說明書 。對于單頻 GPS接收機而言，這種方法的重要意義尤為明顯。 對流層折射的影響 對流層折射對觀測值的影響，可分為干分量與濕分量。干分量主要與大氣的濕度與壓力有關，而濕分量主要與信號傳播路徑上的大氣濕度有關。對于干分量的影響，可通過地面的大氣資料計算；濕分量目前尚無法準確測定。對于輸送短的基線 (50km)，濕分量的影響較小 關于對流層折射的影響，一般有以下幾種處理方法： ，可不考慮其影響。 ； 采用觀測量求差的方法。與電離層的影響相類似，當觀測站間相距不遠 (20km)時，由于信號通過對流層的路徑相近， 對流層的物理特性相近，所以對同 一衛星的同步觀測值求差，可以明顯的減弱對流層折射的影響。 多路徑效應影響 多路徑效應亦稱多路徑誤差，是指接收機天線除直接收到衛星發射的信號外，還可能收到經天線周圍地物一次或多次反射的衛星信號，信號疊加將會引起測量參考點（相位中心點 )位置的變化，從而便觀測量產生誤差，而且這種誤差隨天線周圍反射面的性質而異，難以控制。根據實驗資料表明，在一般反射環境下，多路徑效應對測碼偽距的影響可達到米級，對測相偽距的影響可達到厘米級。而在高反射環境下，不僅其影響將顯著增大，而且常常導致 接收的衛星信號失鎖和使載波相位觀測量產生周跳。因此，在精密 GPS 導航和測量中，多路徑效應的影響是不可忽視的。 目前減弱多路徑效應影響的措施有： 安置接收機天線的環境，應避開較強的反射面，如水面、平坦光滑的地面以及平整的建筑物表面等。 。 ，削弱多路徑效應的周期性影響。 改善 GPS接收機的電路設計，為減弱多路徑效應的影 三、 接收設備有關的誤差 20 太原理工大學陽泉學院 畢業設計說明書 與 GPS 接收 機設備有關的誤差主要包括觀