GPS获取信息的工作原理及方法.docx

GPS 获取信息的工作原理及方法GPS具有全能性、全球性、全天候和实时性的精密三维导航与定位功能，而 且具有良好的抗干扰性和保密性因此，GPS技术在大地测量、工程测量、航空 摄影测量、海洋测量、城市测量等测绘领域得到了广泛应用GPS主要由空间卫 星星座、地面监控站及用户设备3部分构成GPS基线向量网的等级根据我国1992年所颁布的全球定位系统测量规范，GPS基线向量网被分 成了 A、B、C、D、E五个级别中国国家A级和B级GPS大地控制网分 别由30个点和800个点构成，它们均匀地分布在中国大陆，平均边长相应为 650 km和150 km对A级GPS网来说，水平方向的重复精度好于2x10， 垂直方向不低于7 -8 X10-8；对B级GPS网来说，则分别好于4x10-7和 8x10-7GPS网的精度指标，通常是以网中相邻点之间的距离误差来表示的， 其具体形式为：其中：网中相邻点间的距离中误差(mm)； a：固定误差(mm)； b： 比例误差(ppm)； D：相邻点间的距离(km)有下列的精度要求：对于不同等 级的GPS网，有下列的精度要求：测量分类A B C D E固定误差a(mm) <5 <8 <10 <10 <10 比例误差 b(ppm) <0.1 <1 <5 <10 <20 相邻点距离(km) 100〜2000 15〜250 5〜402〜15 1〜10。

A级网一般为区域或国家框架网、区域动力学网; B级网为国家大地控制网或地方框架网；C级网为地方控制网和工程控制网； D级网为工程控制网；E级网为测图网GPS网的设计准则出发点GPS网设计的出发点是在保证质量的前提下，尽可能地提高效率，努力 降低成本但是，在进行GPS的设计和测设时，既不能脱离实际的应用需求， 盲目地 追求不必要的高精度、高效率和低成本，而放弃对质量的要求GPS网布网作业准则1.选点为保证对卫星的连续跟踪观测和卫星信号 的质量，要求测站上空应尽可能的开阔，在10°-15高度角以上不能有成片的障 碍物；为减少各种电磁波对GPS卫星信号的干扰，在测站周围约200m的范 围内不能有强电磁波干扰源，如大功率无线电发射设施、高压输电线等；为避 免或减少多路径效应的发生，测站应远离对电磁波信号反射强烈的地形、地物; 为便于观测作业和今后的应用，测站应选在交通便利，上点方便的地方；测站应 选择在易于保存的地方2.提高GPS网可靠性的方法增加观测期数（增加独 立基线数）：在布设GPS网时，适当增加观测期数（时段数）对于提高GPS网 的可靠性非常有 效因为，随着观测期数的增加，所测得的独立基线数就会增 加，而独立基线数的增加，对网的可靠性的提高是非常有益的。

保证一定的重复 设站次数：保证一定的重复设站次数，可确保GPS网的可靠性一方面，通过 在同一测站上的多次观测，可有效地发现设站、对中、整平、量测天线高等人为 错误；另一方面，重复设站次数的增加，也意味着观测期数的增加不过，需要 注意的是，当同一台接收机在同一测站上连续进行多个时段的观测时，各个时段 间必须重新安置仪器，以更好地消除各种人为操作误差和错误保证每个测站 至少与三条以上的独立基线相连，这样可以使得测站具有较高的可靠性在布设 GPS网时，各个点的可靠性与点位无直接关系，而与该点上所连接的基线数有 关，点上所连接的基线数越多，点的可靠性则越高在布网时要使网中所有最小 异步环的边数不大于6条在布设GPS网时，检查GPS观测值（基线向量）质 量的最佳方法是异步环闭合差，而随着组成异步环的基线向量数的增加，其检验 质量的能力将逐渐下降3.提高GPS网精度的方法为保证GPS网中各相邻 点具有较高的相对精度，对网中距离较近的点一定要进行同步观测，以获得它们 间的直接观测基线；为提高整个GPS网的精度，可以在全面网之上布设框架网， 以框架网作为整个GPS网的骨架；在布网时要使网中所有最小异步环的边数不 大于6条；在布设GPS网时，引入高精度激光测距边，作为观测值与GPS观 测值（基线向量）一同进行联合平差，或将它们作为起算边长；若要采用高程拟 合的方法，测定网中各点的正常高、正高，则需在布网时，选定一定数量的水准 点，水准点的数量应尽可能的多，且应在网中均匀分布，还要保证有部分点分布 在网中的四周，将整个网包含在其中；为提高GPS网的尺度精度，可采用如下 方法：增设长时间、多时段的基线向量。

4.布设GPS网时起算点的选取与分布 若要求所布设的GPS网的成果与旧成果吻合最好，则起算点数量越多越好，若 不要求所布设的GPS网的成果完全与旧成果吻合，则一般可选3-5个起算点，这 样既可以保证新老坐标成果的一致性，也可以保持GPS网的原有精度；为保证 整网的点位精度均匀，起算点一般应均匀地分布在GPS网的周围要 避免所 有的起算点分布在网中一侧的情况5.布设GPS网时起算边长的选取与分布 在布设GPS网时，可以采用高精度激光测距边作为起算边长，激光测距边的 数 量可在3-5条左右，它们可设置在GPS网中的任意位置但激光测距边两端 点的高差不应过分悬殊6.布设GPS网时起算方位的选取与分布在布设 GPS网时，可以引入起算方位，但起算方位不应太多，起算方位可布 设在GPS 网中的任意位置GPS基线向量网的布网形式GPS网常用的布网形式有以下几种：跟踪站式、会战式、多基准站式（枢 纽点式）、同步图形扩展式、单基准站式1.跟踪站式（1）布网形式 若干台 接收机长期固定安放在测站上，进行常年、不间断的观测，即一年 观测365天， 一天观测24小时，这种观测方式很像是跟踪站，因此，这种布网形式被称为 跟踪站式。

2）特点由于在采用跟踪站式的布网形式布设GPS网时，接收机 在各个测站上进行了不间断的连续观测，观测时间长、数据量大，而且在处理采 用这种方式所采集的数据时，一般采用精密星历，因此，采用此种形式布设的 GPS网具有很高的精度和框架基准特性每个跟踪站为保证连续观测，一般需 要建立专门的永久性建筑即跟踪站，用以安置仪器设备，这使得这种布网形式的 观测成本很高此种布网形式一般用于建立GPS跟踪站（AA级网），对于普 通用途的GPS网，由于此种布 网形式观测时间长、成本高，故一般不被采用 ⑻2.会战式（1）布网形式 在布设GPS网时，一次组织多台GPS接收 机，集中在一段不太长的时间内，共同作业在作业时，所有接收机在若干天的 时间里分别在同一批点上进行多天、长时段的同步观测，在完成一批点的测量后， 所有接收机又都迁移到另外一批点上进行相同方式的观测，直至所有的点观测 完毕，这就是所谓的会战式的布网2）特点 采用会战式布网形式所布设的 GPS网，因为各基线均进行过较长时间、多时段的观测，所以可以较好地消除 SA等因素的影响，因而具有特高的尺度精度此种布网方式一般用于布设A、 B级网3.多基准站式（1）布网形式 所谓多基准站式的布网形式就是有若干 台接收机在一段时间里长期固定在某几个点上进行长时间的观测，这些测站称 为基准站，在基准站进行观测的同时，另外一些接收机则在这些基准站周围相互 之间进行同步观测。

2）特点采用多基准站式的布网形式所布设的GPS网， 由于在各个基准站之间进行了长时间的观测，因此，可以获得较高精度的定位 结果，这些高精度的基线向量可以作为整个GPS网的骨架另外一方面，其 余的进行了同步观测的接收机间除了自身间有基线向量相连外，它们与各个基 准站之间也存在有同步观测，因此，也 有同步观测基线相连，这样可以获得更 强的图形结构4.同步图形扩展式（1）布网形式 所谓同步图形扩展式的布 网形式，就是多台接收机在不同测站上进行同步观 测，在完成一个时段的同步 观测后，又迁移到其它的测站上进行同步观测，每次 同步观测都可以形成一个 同步图形，在测量过程中，不同的同步图形间一般有若干个公共点相连，整个 GPS网由这些同步图形构成2）特点同步图形扩展式的布网形式具有扩 展速度快，图形强度较高，且作业方法简单的优点同步图形扩展式是布设GPS 网时最常用的一种布网形式5.单基准站式（1）布网形式 单基准站式的布 网方式有时又称作星形网方式，它是以一台接收机作为基准站，在某个测站上 连续开机观测，其余的接收机在此基准站观测期间，在其周围 流动，每到一点 就进行观测，流动的接收机之间一般不要求同步，这样，流动的 接收机每观测 一个时段，就与基准站间测得一条同步观测基线，所有这样测得的同步基线就 形成了一个以基准站为中心得星形。

流动的接收机有时也称为流动站图3-2 单基准站式（2）特点单基准站式的布网方式的效率很高，但是由于各流动站 一般只与基准站之间有同步观测基线，故图形强度很弱，为提高图形强度，一 般需要每个测站至少进行两次观测采用同步图形扩展的布网形式布设GPS向量网的作业方式同步图形扩展式的作业方式具有作业效率高，图形 强度好的特点，它是目前在GPS测量中普遍采用的一种布网形式作业方式 主要以下几种方式：点连 式、边连式、网连式、混连式1•点连式（1） 相邻同步图形只通过一个点进行连接2）特点作业效率高，图形扩展迅速, 但图形强度低，点连式校正麻烦2.边连式（1）相邻同步图形只通过一条公 共边进行相连2）特点作业效率较高，图形强度较好3.混合式（1）根据 具体情况，有选择的采用几种方式的混合应用2）特点 混合式观测作业方式 是我们实际作业中最常用的作业方式，它实际上是点连式、边连式和网连式的一 个结合体GPS基线解算GPS基线解算的分类单基线解算（1）定义当有m台GPS接收机进行了一个时段的同步观测后，每两台 接收机之间就可以形成一条基线向量，共有1/2*m*（m-1）条同步观测基线，其 中最多可以选出相 互独立的m-1条同步观测基线，至于这m-1条独立基线如 何选取，只要保证所选的m-1条独立基线不构成闭和环就可以了。

即，凡是 构成了闭和环的同步基线是函数相关的，同步观测所获得的独立基线虽然不具 有函数相关的特性，但它们 却是误差相关的，实际上所有的同步观测基线间都 是误差相关的所谓单基线解算，就是在基线解算时不顾及同步观测基线间的 误差相关性，对每条基线单独进行解算2）特点 单基线解算的算法简单， 但由于其解算结果无法反映同步基线间的误差相关的特性，不利于后面的网平 差处理，一般只用在普通等级GPS网的测设中多基线解（1）定义与单基线解算不同的是，多基线解算顾及了同步观测 基线间的误差相关性，在基线解算时对所有同步观测的独立基线一并解算2） 特点多基线解由于在基线解算时顾及了同步观测基线间的误差相关特性，因此， 在理论上是严密的GPS基线解算的基本原理基线解算的过程实际上主要是一个平差的过程，平差所采用的观测值主要 是双差观测值在基线解算时，平差要分三个阶段进行，第一阶段进行初始平 差，解算出整周未知数参数的和基线向量的实数解（浮动解）；在第二阶段，将 整周未知数固定成整数；在第三阶段，将确定了的整周未知数作为已知值，仅将 待定的测站坐标作为未知参数，再次进行平差解算，解求出基线向量的最终解 整数解（固定解）。

初始平差根据双差观测值的观测方程，组成误差方程后，然后组成法方程后，求解 待定的未知参数其精度信息，其结果为：待定参数；待定参数的协因数阵；单 位权中误差通过初始平差，所解算出的整周未知数参数 本应为整数，但由于 观测值误差、随即模型和函数模型不完善等原因，使得其结果为实数，因此，此 时与实数的整周未知数参数对应的基线解被称作基线向量的实数解或浮动解 为了获得较好的基线解算结果，必须准确地确定出整周未知数的整数值整周未知数的确定确定整周未知数的整数值的方法有很多种，目前所采用的 方法基本上是以下面将要介绍的搜索法为基础的搜索法的具体步骤如下：（1） 根据初始平差的结果和分别以其中的每一个整周未知数为中心，以与它们。