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GPS原理及应用课件PPT

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GPS原理及其应用西南交通大学 测量工程系 2003年11月6日第一章 GPS卫星定位原理一、卫星定位技术发展的回顾二、GPS定位系统的组成三、GPS定位的观测方程四、GPS卫星测量的误差来源五、差分法载波相位测量和观测的线性组合一、卫星定位技术发展的回顾 人类从直立并漫游世界时就开始寻找一种简单方式确定他所在位置和方向。如:堆石头做标记,但可能遭到雨水破坏;在开始探索海洋时,星星是唯一能依靠的东西,但仅能在晴朗的夜晚进行,且由于距离太远使其无论在何处看起来都一样,故需要精确的量测(早期天体导航的误差可达几百米至几千米)。 卫星定位技术是利用人造地球卫星进行点位测量的。五十年代美国国家大地测量局。 开始利用卫星几何光学观测法和卫形淦黛道跟踪法建立全球卫星网和全球地心坐标系,建立了一个由45个点组成的全球三角网。前苏联和若干欧洲国家也作了类似的工作。六十年代美国还完成了多普勒卫星定位系统---海军子午导航卫星系统(NNSS)的布设,并于1968年向民用开放。前苏联也建立了一个由12颗所谓宇宙卫星组成的叫做CICADA系统的卫星导航系统,自此揭开了卫星定位的新篇章。接着美国在七十年代又开始研制第二代卫星定位系统---全球定位系统(GPS)。 进入八十年代,GPS得到了全面的发展。它的定位精度非常高,在大地测量和地球动力学中获得了日益广泛的应用。俄罗斯、法国和德国也相继研制了GLONASS、DORIS和PRARE系统。GLONASS系统定位原理与GPS系统相类似。DORIS为地基系统,其建立的主要目的用于美、法合作的海洋计划TOPEX/POSEIDON的精密定轨,也用于绝对与相对定位以及监测地壳运动。PRARE(Precise Range And Range-rate Equipment)为一种精密双向、双频(S/X带)卫星跟踪系统,它可以测定时钟参数、轨道根数、站坐标和地球自转参数。 进入九十年代,空间定位技术群更是得到了空前的发展,GLONASS系统正式投入运行,西欧欧洲空间局(ESA)开始筹建NAVSAT,NAVSAT是由6颗地球同步卫星(GEO)和12颗高椭圆轨道卫星(HEO)组成的混合卫星星座.可实现全天候、实时导航和定位。日本也在积极筹划建立日本的多功能卫星增强系统(MSAS)。 国际移动卫星组织(原名国际海事卫星组织,简称INMARSAT)是提供全球通信的国际间合作组织,*是INMARSAT的创始成员国之一.该组织可通过所属的通信卫星,提供全球移动通信服务。 国际海事卫星组织,计划对其第三代卫星INMARSATIII进行改进,使其具有转发GPS/GLONASS导航信息的能力。国际民航组织(ICAO)为了打破一两个国家独霸卫星定位的被动局面,计划组建民用的GNSS系统,在2000年以前,建成与完善由GPS+GLONASS+INMARSAT+GAIT+RAIM组成的混合系统。其中GAIT为地面增强和完好式监视系统,RAIM为机载独立完善监控系统. 混合系统建成之后,ICAO将允许在某特定空域内,将GNSS作为单一的导航手段运行.2000年以后,ICAO将组建纯民用GNSS系统,建成后,GNSS将拥有30颗卫星作为其第一代全球卫星导航系统,这一系统不仅能提供与GPS和GLONASS系统类似的导航定位功能。,还能同时具有全球卫星移动通信的能力。这一组合导航系统的开发,全球将形成GPS/GLONASS/GNSS/INMARSAT等多种卫星定位系统的多元化的空间资源环境。这将从根本上改变对单一系统的依赖,使卫星定位技术的所有权、控制权和运营权实行国际化,到那时卫星定位技术才能成为能够使人们完全放心使用的空间定位系统。 返 回二、GPS定位系统的组成 GPS定位技术是利用高空中的GPS卫星,向地面发射L波段的载频无线电测距信号,由地面上用户接收机实时地连续接收,并计算出接收机天线所在的位置。因此,GPS定位系统是由以下三个部分组成:(1)GPS卫星星座(空间部分)(2)地面监控系统(地面控制部分)(3)GPS信号接收机(用户设备部分)。 这三部分有各自独立的功能和作用,对于整个全球定位系统来说,它们都是不可缺少的。 (一)GPS卫星和星座 自1978年2月22日第一颗GPS试验卫星(PRN4)入轨运行之后,到1985年10月9日最后一颗GPS试验卫星入轨运行为止,总共发射了11颗GPS试验卫星(Block I),其中由于发射故障以及卫星入轨后出现的故障,实际上只有部分GPS试验卫星能够正常工作。后来为了完善GPS定位系统的功能,又研制并陆续发射了Block II和Block IIA型GPS工作卫星。第一颗GPS工作卫星(PRN14)是于1989年2月14日发射,于1996年9月12日发射了第27颗GPS工作卫星(Block IIA,PRN30),其中有2颗卫星因为故障而不能正常工作,共计有25颗GPS工作卫形淦鞴成了完整的GPS工作卫星星座,达到“全星座状态”,同时所有的GPS试验卫星停止工作,退出历史舞台。并且为了以后进一步发展的需要,将采用更为先进的Block IIR和Block IIF型卫星。 目前覆盖全球的“GPS全星座”,使得在地球上任何地方可以同时观测到4-12颗高度角15以上的卫星。GPS卫星分布在6个近圆形轨道面,高度在地面以上约20200km,轨道面相对于地球赤道面倾斜55角,卫星运转周期约11小时58分(半个恒星日)。这样在各地每天出现的卫星情况提前4分钟与上一次的相同。 在GPS定位系统中,GPS卫星的作用是:(1)向广大用户连续不断地发送导航定位信号,用导航电文报告自己的现势位置,以及其它在轨卫星的概略位置。(2)在飞越注入站上空时,接受由地面注入站用S波段发送来的导航电文和其它有关信息,供实时转发给地面上广大用户。(3)接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令。 (二)地面监控系统 地面监控系统由一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。主控站的作用是收集各个监测站所测得的伪距和积分多普勒观测值、环境要素等数据,计算每颗GPS卫星的星历、时钟改正量、状态数据、以及信号的大气层传播改正,并按一定的形式编制成导航电文,传送到主控站,此外还控制和监视其余站的工作情况并管理调度GPS卫星。 注入站的作用是将主控站传来的导航电文,用10cm(S)波段的微波作载波,分别注入到相应的GPS卫星中,通过卫星将导航电文传递给地面上的广大用户。由于导航电文是GPS用户所需要的一项重要信息,通过导航电文才能确定出GPS卫星在各时刻的具体位置,因此注入站的作用是很重要的。 监测站的主要任务是为主控站编算导航电文提供原始观测数据。每个监测站上都有GPS信号接收机对所见卫星作伪距测量和积分多普勒观测,采集环境要素等数据,经初步处理后发往主控站。 以上地面监控系统实际上都是由美国军方所控制。由于军方为了限制民间用户通过GPS所达到的实时定位精度,而对GPS卫形淦黛道精度和时钟稳定性作了有意降低(SA政策),这不利于广大民间用户。为了克服SA政策的影响,一些国际性科研机构建立了广泛分布的全球性跟踪网络,用来精确测定GPS卫星的轨道元素供后处理之用,或计算预报星历。但是这两种星历都不是由GPS卫星播发给用户,而是要通过一定的信息渠道获得,有别于GPS卫星的广播星历。 (三) 用户设备部分 GPS的空间部分和地面监控部分,为用户广泛利用该系统进行导航和定位提供了基础。而用户要实现利用GPS进行导航和定位的目的,还需要具备GPS信号接收机,即用户设备部分。这部分的作用是接收GPS卫星发射的信号,获得必要的导航和定位信息及观测量,经数据处理后获得观测时刻接收机天线相位中心的位置坐标。 用户设备部分主要由GPS接收机硬件和数据处理软件组成。关于GPS接收机有多种分类方法,但对于大地测量应用来说,一般都是采用较精密的双频接收机,可作双频载波相位测量。从具体应用与成本价格出发,也可选用稍为便宜的单频接收机。所有GPS接收机生产厂家一般都随机提供数据处理软件包,但其作用是有限的。国际上有一些科研机构为了克服商用数据处理软件的不足,已经开发研制了多种精密的GPS数据后处理软件包,如GAMIT(美国麻省理工学院)、Bernese(瑞士伯尔尼大学天文学院)、GIPSY(美国加州大学喷气推进实验室)等,主要用于科研目的。 返 回(四)、相对于经典的测量技术来说,这一新技术的主要特点如下: ● 全球地面覆盖。 ● 功能多,精度高。 ● 实时定位。 ● 应用广泛。 ●观测站之间无需通视。既要保持良好的通视条件,又要保障测量控制网的良好结构,这一直是经典测量技术在实践方面的困难问题之一。GPS测量不要求观测站之间相互通视,因而不再需要建造觇标,这一优点既可大大减少测量工作的经费和时间,同时也使点位的选择变得甚为灵活。不过为了使接收GPS卫星的信号不受干扰,必须保持观测站的上空开阔(净空)。 ●定位精度高。现已完成的大量实验表明,目前在小于50km的基线上,其相对定位精度可达1~2×10-6,而在100km~500km的基线上可达10-6 ~ 10-7。随着观测技术与数据处理方法的改善,可望在大于1000km的距离上,相对定位精度可达到或优于10-8。 ●观测时间短。目前,利用经典的静态定位方法,完成一条基线的相对定位所需要的观测时间,根据要求的精度不同,一般约为1~3小时。为了进一步缩短观测时间,提高作业速度,近年来发展的短基线(例如不超过20km)快速相对定位法,其观测时间仅需数分钟。 ●提供三维坐标。GPS测量,在精确测定观测站平面位置的同时,可以精确测定观测站的大地高程。GPS测量的这一特点,不仅为研究大地水准面的形状和确定地面点的高程开辟了新途径,同时也为其在航空物探,航空摄影测量及精度导航中的应用,提供了重要的高程数据。 ●操作简便。GPS测量的自动化程度很高,在观测中测量员的主要任务只是安置并开关仪器,量取仪器高,监视仪器的工作状态和采集环境的气象数据,而其它观测工作,如卫星的捕获,跟踪观测和记录等均由仪器自动完成。另外,GPS用户接收机一般重量较轻,体积较小,因此携带和搬运都很方便。 ●全天侯作业。GPS观测工作,可以在任何地点,任何时间连续地进行,一般也不受天气状况的影响。三、GPS定位的观测方程(一) 伪距法 GPS全球定位系统的基本定位方法,是通过测量信号从卫星到接收机的传播时间,得到卫星与接收机之间的距离,然后根据多个这样的距离来解算接收机天线所在的位置坐标。假定卫星和接收机的时钟都是与GPS系统的时间(或UTC时间)保持完全同步,即不存在卫星钟差与接收机钟差,并且为简化起见,也不考虑大气层折射延迟(包括电离层和对流层)等的影响,则此时卫星至地面接收机的距离,与信号传播时间之间有如下简单关系: (2.1) 式中c为光速。 实际上卫星钟与接收机钟一般并没有与GPS系统时间完全同步,再考虑到大气层折射延迟的影响,因此测量得到的并非真正的卫星至接收机的几何直线距离,而是所谓的伪距PR: (2.2) 式中 tR 为接收机时钟与GPS系统时间的同步差, tS 为卫星钟与GPS系统时间的同步差, ta 为大气层折射延迟影响(包括电离层和对流层的折射延迟), XS、XR 分别为GPS卫星和接收机在协议地球坐标系(WGS84系)中的地心矢量。 在式(2.2)中,tS 可以由卫形淦縻播电文查出,并在观测方程中作相应的改正;tR 一般是直接作为未知数,与测站坐标等其它未知数一并求解;ta 为大气层折射所致的多余时间延迟,其中电离层折射影响可以通过双频观测技术予以消除,对单频接收机则可通过有关模型予以粗略改正;对流层折射效应可以通过选择适当延迟模型予以估算,例如Hopfield模型或Saastamoinen模型等。 由于存在测站三维位置坐标和接收机时钟改正量四个未知数,故至少需同时对四个卫星进行观测才能对方程(2.2)求解,求出四个未知数。定位原理如图2-1所示。 将式(2.2)展开为线性形式,其矩阵表达式为 (2.3) 式中,X包括接收机三维位置坐标和接收机时钟改正量等未知参数。若观测值协方差矩阵用L表示,观测值权矩阵 ,则法方程及其解可以表示为: (2.4) 当P=I(单位矩阵)时, 可以表示如下: (2.5) 该系数阵是在空间直角坐标系中给出的,而实际上为了便于估算观测站的位置精度,常采用其在大地坐标系统中的表达形式。假设在大地坐标系统中相应点位坐标的权系数阵为 则根据方差与协方差传播定律,可得 其中 为了评价定位结果,在导航学中一般采用精度因子(DOP)来表示,它是权系数阵(2.5)中主对角线元素的函数。关于DOP的定义如下 (2.6) 通常有如下几种: 平面位置精度因子 高程精度因子VDOP= 空间位置精度因子 接收机钟差精度因子TDOP=tt 几何精度因子 一般DOP值越小,则相应的解算结果精度越高。 (二) 多普勒伪距法由于GPS卫星绕地球运行,地面点P与GPS卫星之间存在着相对运动,其结果是使P点接收到的GPS信号中存在有多普勒频移: (2.7) 式中,fS为卫星发射信号频率, fR为在P点接收到的卫星信号频率, VS为卫星相对于P点运动的径向速度, c为光速。实际观测量并非是fd,而是所谓的积分多普勒计数: (2.8) 式中,f0为P点处接收机参考频率,t1、t2为积分区间的端点。积分多普勒计数实际上是接收机本振信号与接收信号在一段时间上的积分拍频。 NP与卫星至接收机的距离变化量之间存在有下列关系: (2.9) 将上式线性化,并考虑大气层折射延迟的影响、卫星钟与接收机时钟误差等影响,即可得到实用的观测方程。 (三) 载波相位测量方法 由于载波的波长远小于测距码的波长,所以在分辨率相同的情况下,载波相位的观测精度远较码相位的观测精度高。载波相位观测值的定义为 (2.10) 式中,S(tS)为接收机于tR时刻收到的卫星信号的相位,R(tR)为接收机同时刻产生的参考信号的相位, tS、tR 是GPS系统时间或UTC时间。对于连续波,载波相位测量的观测方程可表示为: (2.11) 式中,为信号发射时刻(tS)的卫星至接收机距离,=c/fS为信号波长,fS为卫星信号频率, N为初始观测时刻传播路径上整波长数目(整周未知数),t包括卫星钟与接收机钟误差和大气层折射延迟等影响。 从上式中可以看到,用精密的载波相位测量值解算时,除了同样要考虑卫星钟与接收机钟的时间同步差,以及大气层折射延迟影响外,还有整周未知数的问题。只有这些问题都解决了,才能得出高精度的卫星测量定位结果。 四、干涉测量方法 GPS干涉测量方法是由射电天文学中VLBI(甚长基线干涉测量)技术发展而来的,其基本观测量是卫星信号到达两个测站的时间差(干涉时延)或基线相位差。观测方程分别为 (2.12) (2.13) 而 式中,i、j为测站编号, Ni、Nj分别为测站i和测站j与某颗GPS卫星有关的初始整周未知数,ti、tj为测站i和测站j接收机时间与GPS系统时间的同步差,=c/fS为卫星发射信号的波长。 将式(2.13)与式(2.11)相比较,不难发现,载波相位观测值经过简单的变换(单差)就可以得到与干涉测量方法相同的观测方程。 目前GPS接收机主要采用的是伪距法和载波相位观测量,而干涉测量方法和多普勒方法则退居次要地位。 返 回 四、GPS卫星测量的误差来源 GPS卫星在距离地面约20200公里的高空,向地面上的广大用户发送测距信号和导航电文等信息。GPS定位的观测量不可避免地会受到多种误差源影响。按照这些误差源的来源,一般可分为三种情况:(1)与GPS卫星有关的误差、(2)与信号传播有关的误差、(3)与接收设备有关的误差。以下作简要的分析: (一) 与GPS卫星有关的误差 1.卫星星历误差: 它是指广播星历或其它轨道信息给出的卫星位置与卫星真实位置之间的差值。前面已经提到过,GPS卫星星历是由布设在地面上、具有一定数量与空间分布的监测站连续跟踪观测GPS卫星, 并结合环境要素等其它信息,再由主控站对卫星作精密定轨计算得到的。而广播星历又是由定轨结果外推得出,因此广播星历的精度是有限的,另外由于SA政策的实施,人为地对广播星历精度又作了降低,这都不利于高精度用户对广播星历的使用。一些国际性科学研究组织为了克服这种困难,建立了全球范围大量分布的卫星跟踪站,对观测数据做精密的定轨计算,可以提供高精度的后处理用GPS星历,其中IGS精密星历,据称其绝对定轨精度已达5cm。国际上进行了一些大范围的GPS会测实验,采用IGS精密星历,并使用Bernese等高精度后处理软件,结果精度普遍达到10-8以上。 2.卫星钟误差 由于卫星位置是时间的函数,所以GPS的观测量均以精密测时为前提。虽然GPS卫星均配有高精度的原子钟,但它们与理想的GPS时之间仍会有偏差或漂移,难以避免。对于此,导航电文是用二阶多项式表示这种偏差量: (2.14) 其中,t0e为参考历元,a0为卫星钟的固定钟差,a1为卫星钟的钟速,a2为卫星钟的钟速变化率(钟漂)。这些值都在导航电文中给出。而对于IGS精密星历,在解算出各历元时刻GPS卫星的轨道位置时,一般也提供了关于此卫星的时钟偏差量,准确度在0.5ns~5.0ns以内,由此引起的等效距离误差在0.5m左右。 (二) 与信号传播有关的误差 与GPS信号传播有关的误差主要是大气折射误差和多路径效应。而大气折射误差根据其性质,往往区分为电离层折射影响和对流层折射影响。实际上,这里对流层折射影响也包括有来自平流层与中间层的折射,因此也可合称为中性大气折射影响,但一般还是简单地称为对流层折射。 所谓多路径效应,是指接收机天线除直接收到来自GPS卫星的信号外,还可能收到天线周围地物反射来的信号。这两种信号叠加在一起将会引起测量参考点(相位中心)的变化,而且这种变化随天线周围反射面的性质而异,难以控制。多路径效应具有周期性误差,其变化幅度可达数厘米。 消除或减弱多路径效应,除了采用载波相位测量方法外,一般是采用造型适宜且屏蔽良好的天线。这种天线一般装备有抑径板或抑径圈,可以阻挡来自水平面以下的多路径信号被接收。但是实际上,有些多路径信号并不是来自地面的反射,而是竖立的高大建筑物表面,经过这种表面反射的多路径信号,往往也具有较大的高度角值,可以从水平面以上进入接收机天线。因此在进行GPS测量选址工作时,还应当考虑多路径信号产生的可能性,尽量避开这种高大建筑物。 (三) 与接收设备有关的误差 这类误差主要有:观测误差、接收机钟差、相位中心误差和载波相位观测的整周不定性误差等。 1.观测误差 分观测的分辨误差与接收机天线相对测站点的安置误差。一般认为观测的分辨误差约为信号波长的1%。由于载波的波长远小于GPS伪随机测距码的波长,因此采用载波相位观测量一般可以达到更高的精度。而天线的安置误差主要有天线的置平与对中误差和量取天线高的误差。只要在观测中认真操作,可以尽量减少这些误差的影响。 2.接收机的钟差 对于这种误差,一般是在数据处理中作为未知数来解出。另外在作差分法相对定位时,也可以通过在不同卫星之间求差来消除这部分影响。 3.天线的相位中心误差 GPS测量的观测值都是以天线的相位中心为准的,而我们一般只能观察到天线的几何中心,因此要求天线的几何中心与相位中心一致,这应在天线的生产和设计上达到,是天线生产厂家的任务。另外,若采用同种型号的接收机天线,可以近似认为相位中心与几何中心的偏离情况是一样的,因此用观测值的求差和相对定位能削弱这种影响,但这时要求统一按天线的方向标定向,使各天线的指北极都指向正北方向。 关于载波相位测量的整周不定性误差,主要是指观测中整周未知数的跳变现象(周跳)。另外也有在数据处理时求解整周未知数时的失败,不能将整周未知数固定为某一整数,而只能取实数解的情况。周跳的发生是与多种因素有关的,如信号受阻挡失锁、接收机内部热噪声影响、电离层活动出现异常变化等。这里涉及到太多的专业内容,限于篇幅本文中不作详细介绍。 返 回 五、差分法载波相位测量和观测量的线性组合 设在某基线两端安设GPS接收机Ti(i=1,2),对卫星sk和sj与历元t1和t2进行同步观测,则对任一频率Li(i=1,2),有独立的载波相位观测量j1(t1)、j1(t2)、k1(t1)、k1(t2)、j2(t1)、j2(t2)、k2(t1)、k2(t2) 。这些观测量被称为基本观测量,而相应的基本观测方程为 (2.15) 式中t1(t)为历元t时测站1的接收机钟差,tj(t)为历元t时卫星j的时钟误差,j1,IP(t)为电离层折射延迟量,j1,T(t)为对流层折射延迟量。 为了克服关于大气折射延迟改正不够准确,以及减少未知数等原因,常对以上观测量作差分处理。一般用到的有单差、双差、和三差法。 (一) 单差法 单差观测量通常是指不同观测站同步观测相同卫星所得观测量之差,其表达形式为 (2.16) 相应的观测方程为 (2.17) 可见其中已经消去了两站共视卫星sj的时钟误差tj(t),另外对流层折射与电离层折射部分也都有所消弱。 (二) 双差法 双差观测量是在单差法基础上,对不同测站同步观测一组卫星所得单差之差,即 (2.18) 相应的观测方程为 (2.19) 这样进一步消除了两站的接收机时钟误差项。为了简便起见,式中忽略了有关大气折射延迟的双差项。 (三) 三差法 三差法是在双差法基础上,进一步对不同历元之间,不同测站同步观测的同一组卫星所得双差观测量作差分,即 (2.20) 相应的观测方程为 (2.21) 这样一来,就进一步消去了双差观测方程中含有整周未知数的项。 差分法载波相位测量虽然可以消去一系列多余参数项(即指不含有测站坐标的项),但是在组成差分观测方程的同时,减少了观测方程的个数,另外也增加了观测量之间的相关性,这些都不利于提高最后解的精度。一般是采用双差法求解最终结果,而三差法则只是用于确定整周未知数或求得测站坐标的近似解。 返 回第二章 GPS测量的实施 前面介绍了有关GPS定位的基本概念和原理,本章将介绍目前GPS测量实施的主要过程,作业的基本方法和原则。由于GPS测量工作的实施方法与用户的要求,和所用接收系统硬件与软件的发展水平密切相关,所以,关于GPS测量工作的作业细节,用户还须按国家有关部门颁发的GPS测量规范,以及所用GPS接收系统的操作说明书执行。 第1节 概 述 GPS测量工作可分为外业作业和内业两大部分。其中,外业工作主要包括,选点(即观测站址的选择)、建立测站标志、野外观测作业以及成果质量检核等工作;内业工作主要包括,GPS测量的技术设计、测后数据处理以及技术总结等。如果按照GPS测量实施的工作程序,则大体可分为这样几个阶段:网的优化设计;选点与建立标志;外业观测;成果检核与处理。 GPS测量,是一项技术复杂、要求严格、耗费较大的工作,实施这项工作的原则是,在满足用户对测量精度和可靠性等要求的情况下,尽可能地减少经费、时间和人力的消耗。因此,对其各阶段的工作,都要精心设计,精心组织和实施。 为了满足用户的要求,GPS测量作业,应遵守统一的规范和细则。但是,测量工作的实施,与GPS定位技术的发展水平密切相关,GPS接收系统硬件与软件的不断改善,将直接影响测量工作的实施方法、观测时间、作业的要求和成果处理方法。 虽然一些国家为了实际工作的需要,已制定了一些适用于不同任务的作业规范或细则,但一般只能对GPS测量工作的实施,提出一些原则性的规定与要求。因此,这里我们将以这些规范为参考,主要介绍一下有关GPS测量作业的基本方法和原则。考虑到,以载波相位观测量为根据的相对定位法,是当前GPS测量中普遍采用的精密定位方法,所以,下面将主要介绍实施这种高精度GPS测量工作的基本程序与作业模式。 第2节 GPS网的优化设计 GPS网的优化设计,是实施GPS测量工作的第一步,是一项基础性的工作,也是在网的精确性、可靠性和经济性方面,实现用户要求的重要环节。这项工作的主要内容包括,精度指标的合理确定,网的图形设计和网的基准设计。 2.1精度标准的确定 对GPS网的精度要求,主要取决于网的用途。精度指标,通常均以网中相邻点之间的距离误差来表示,其形式为 (1)其中,──网中相邻点间的距离误差(mm); a0──与接收设备有关的常量误差(mm); b0──比例误差(ppm或10-6); D──相邻点间的距离(km)。根据我国1992年颁布的GPS测量规范的要求,GPS相对定位的精度,划分为如表1所列的标准。 上表所列的精度指标,主要是对GPS网的平面位置而言,而考虑到垂直分量的精度,一般较水平分量为差,所以根据经验,在GPS网中对垂直分量的精度要求,可将上表所列的比例误差部分增大一倍。 为了读者参考,在表2中,同时给出了美国联邦大地测量分管理委员会(Federal Geodetic Control Subcommittee──FGCS),于1988年公布的GPS相对定位的精度标准。 精度指标,是GPS网优化设计的一个重要量,它的大小将直接影响GPS网的布设方案、观测计划、观测数据的处理方法以及作业的时间和经费。所以,在实际设计工作中,要根据用户的实际需要和可能,慎重确定。 2.2 网的图形设计 网的图形设计,虽然主要决定于用户的要求,但是有关经费、时间和人力的消耗以及所需接收设备的类型、数量和后勤保障条件等,也都与网的图形设计有关。对此应当充分加以顾及,以期在满足用户要求的条件下,尽量减少消耗。 (1)设计的一般原则为了满足用户的要求,设计的一般原则是 ●GPS网一般应采用独立观测边构成闭合图形,例如三角形、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网点相重合。重合点一般不应少于3个(不足时应联测),且在网中应分布均匀,以利于可靠地确定GPS网与地面网之间的转换参数。 ●GPS网点应考虑与水准点相重合,而非重合点,一般应根据要求以水准测量方法(或相当精度的方法)进行联测,或在网中布设一定密度的水准联测点,以便为大地水准面的研究提供资料。 ●为了便于GPS的测量观测和水准联测,GPS网点一般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。方位点与观测站的距离,一般应大于300m。(2)基本图形的选择 根据GPS测量的不同用途,GPS网的独立观测边,应构成一定的几何图形。图形的基本形式如下。 ●三角形网 GPS网中的三角形边由独立观测边组成。根据经典测量的经验已知,这种图形的几何结构强,具有良好的自检能力,能够有效地发现观测成果的粗差,以保障网的可靠性。同时,经平差后网中的相邻点间基线向量的精度分布均匀。 这种网形的主要缺点饰淦髹测工作量较大,尤其当接收机的数量较少时,将使观测工作的总时间大为延长。因此通常只有当网的精度和可靠性要求较高时,才单独采用这种图形。 由若干含有多条独立观测边的闭合环所组成的网,称为环形网。这种网形与经典测量中的导线网相似,其图形的结构强度比三角网为差。不难理解,由于这时网的自检能力和可靠性,与闭合环中所含基线边的数量有关,所以,根据网的不同精度要求,一般都规定闭合环中包含的基线边,不超过一定的数量。例如,在文献[124]中,对闭合环中基线的边数,作了如下的限制。 环形网的优点饰淦髹测工作量较小,且具有较好的自检性和可靠性,其缺点主要是,非直接观测的基线边(或间接边)精度比直接观测边低,相邻点间的基本精度分布不均匀。 作为环形网的特例,在实际工作中还可按照网的用途和实际情况,采用所谓附合线路。这种附合线与经典测量中的附合导线相类似。采用这种图形的条件是,附合线路两端点间的已知基线向量,必须具有较高的精度,另外,附合线路所包含的基线边数,也不能超过一定的限制。 三角形网和环形网,是大地测量和精密工程测量中普遍采用的两种基本图形。通常,根据情况往往采用上述两种图形的混合网形。 ●星形网 星形网的几何图形如图-3所示。 星形网的几何图形简单,但其直接观测边之间,一般不构成闭合图形,所以其检验与发现粗差的能力差。 这种网形的主要优点,饰淦髹测中通常只需要两台GPS接收机,作业简单。因此在快速静态定位和准动态定位等快速作业模式中,大都采用这种网形,它被广泛地应用于工程放样、边界测量、地籍测量和碎部测量等。 (3) 独立基线向量的选择 前已指出,GPS控制网一般应由独立观测的基线向量构成。 假设,在GPS测量中,参加同步观测的仪器数为k1,则每一观测时段可得基线向量(或称基线)数为 (2) 其中包括的独立基线向量数为(k1-1)。其余均为非独立基线向量,可由独立基线向量导出,其数量为 。例如,当ki=4时,每一观测时段可得基线数为6,其中独立基线3条,非独立基线3条。 然而,在(ki-1)ki/2同步观测的基线中,如何选择(ki-1)条独立基线,却具有一定的任意性。例如,在上例中,3条独立基线的选择方式,可有图-4所示多种形式。 参加同步观测的仪器越多,选取独立基线向量的可能方式便迅速增加。这就为选用独立基线向量,以构成最佳的GPS网形,提供了充分的选择性。在实际工作中,可根据对GPS网的要求和经验来确定。 图-4独立基线向量的可能选取方式示例(单一时段) 当具有多时段的观测成果时,独立基线向量的选取,一般应以构成闭合图形为优。例如,用4台仪器进行了2个时段的同步观测,这时可得6条独立基线向量,其选取的基本方式,可取以下五种(图-5)。 数据分析表明,图中选取方式(e),在精确性与可靠性方面,均优于其余选取方式[45]。 2.3 网的基准设计 网的基准包括网的位置基准、方向基准和尺度基准。而确定网的基准,是通过网的整体平差来实现的。在GPS网的优化设计中,应当根据网的用途,提出确定网的基准的方法和原则。 一般来说,在GPS网整体平差中,可能含有两类观测量,即相对观测量(如基线向量)和绝对观测量(如点在WGS-84中的坐标值)。在仅含有相对观测量的GPS网中,网的方向基准和尺度基准,由在平差计算中作为相关观测量的基线向量唯一地确定;而网的位置基准,则决定于所取网点坐标的近似值系统和平差方法。在GPS网包含点的坐标观测量的情况下,网的位置基准,将取决于这些网点的坐标值及其精度。 GPS网的基准设计,一般主要是指确定网的位置基准问题。确定网的位置基准,通常可根据情况,选取以下方法: (1)选取网中一点的坐标值并加以固定,或给以适当的权;(2)网中的点均不固定,通过自由网伪逆平差或拟稳平差,确定网的位置基准;(3)在网中选若干点的坐标值并加以固定;(4)选网中若干点(直至全部点)的坐标值并给以适当的权。 前两种方法,对GPS网定位的约束条件最少,所以,通常称为最小的约束法;而后两种方法,对平差计算则存在若干约束条件,其约束条件的多少,取决于在网中所选点的数量,这种方法,通常称为约束法。 以最小约束法进行GPS网的平差,对网的定向与尺度没有影响,也就是说,不管采用上述那种最小的约束法,平差后网的方向和尺度,以及网中元素(边长、方位或坐标差)的相对精度都是相同的,但网的位置及点位精度却不相同。 约束平差法,在确定网的位置基准的同时,对GPS网的方向和尺度也会产生影响,其影响程度,与约束条件的多少,及所取观测值的精度有关。当网中已知点的坐标含有较大的误差,或其权难以可靠地确定时,将会对网的定向与尺度产生不利的影响。虽然从理论上说,在网的平差计算中,给所有的已知位置以适当的权的比例关系,则是一个需要慎重考虑的问题。 所以,一般只有对于一个大范围的GPS网,而且要求精确地位于WGS-84协议地球坐标系时,或者具有一组分布适宜的,高精度的已知点时,为改善GPS网的定向和尺度,约束平差法才具有重要意义。在一般情况下,对于一些区域性的GPS网,如城市、矿山和工程GPS网,其是否精确位于地心坐标系统,并不特别重要,因此,这时多采用最小约束平差法。而且,为了与经典地面网相联合,通常以采用固定一点的经典自由网平差法为宜。 第3节 选点与建立标志 3.1 选点工作 选点,即观测站址的选择。 由于GPS测量观测站之间不要相互通视,而且网的图形选择也比较灵活,所以选点工作,远较经典控制测量的选点工作简便。但由于点位的选择,对于保证观测工作的顺利进行和可靠地保持测量结果,具有重要意义,所以,在选点工作开始之前,应充分收集和了解有关测区的地理情况,以及原有测量标志点的分布及保存情况,以便确定适宜的观测站位置。 选点工作通常应遵守的原则是 (1)观测站(即接收天线安置点)应远离大功率的无线电发射台和高压输电线,以避免其周围磁场对GPS卫星信号的干扰。接收机天线与其距离,一般不得小于200m; (2)观测站附近不应有大面积的水域,或对电磁波反射(或吸收)强烈的物体,以减弱多路径效应的影响; (3)观测站应设在易于安置接收设备的地方,且视场开阔。在视场内周围障碍物的高度角,根据情况一般应小于10~15; (4)观测站应选在交通方便的地方,并且便于用其它测量手段联测和扩展; (5)对于基线较长的GPS网,还应考挛淦髹测站附近,应具有良好的通信设施(电话与电报、邮电)和电力供应,以供观测站之间的联络和设备用电; (6)点位选定后(包括方位点),均应按规定绘制点之记,其主要内容包括,点位及点位略图,点位的交通情况以及选点情况等。 选点工作结束后,应提交的技术资料主要包括 l点之记及点的环视图(附录五、六); lGPS网选点图; l选点工作技术总结。 3.2 建立点位标志 为了保持点位,以便长期利用GPS测量进行重复观测,GPS 网点,一般应设置具有中心标志的标石,以精确标志点位。点的标石和标志必须稳定、坚固,以利长久保存和利用。尤其对于研究地球动力学现象和工程变形。而建立的各种监测网,以及大范围的高精度GPS网,其网点的位置,必须可靠地加以标志。对于城市、矿山和工程测量的区域性GPS网,其点位一般也须妥善地加以标志。但是,随着GPS定位技术的发展和普及,重测一个点,将可能比建造和长久保持一个点更经济,那时,除上述以研究动力学现象为目的的监测网、卫星跟踪网和作为坐标系统维持和传递国家GPS控制网之外,建造长久保护的标志点,可能将不再是必要的了。 目前,GPS网点的标石类型及其适用范围,如表4所列。关于各种标石的构造可参见附录七。 第4节 GPS测量的观测工作 观测工作的内容主要包括:观测计划的拟定、仪器的选择与检验和观测工作的实施等。其中, 有关仪器的检验,将在5节另行介绍。 4.1 观测计划的拟定 观测工作,或数据采集,是GPS测量的主要外业工作,所以,当观测工作开始之前,仔细地拟定观测计划,对于顺利地完成观测任务,保障测量成果的精度,提高效益是极为重要的。 拟定观测计划的依据是:GPS网的布设方案,规模大小,精度要求,GPS卫星星座,参加作业的GPS接收机数量以及后勤保障条件(运输、通信)等。观测计划的主要内容应包括:GPS卫星的可见性图及最佳观测时间的选择,采用的接收机类型和数量,观测区的划分和观测工作的进程以及接收机的高度计划等。 1. 观测工作量的设计与计算 外业观测的工作量,与用户的要求精度和采用的接收机类型和数量,以及作业模式等因素有关。GPS网观测工作量的设计,除要考挛淦髹测工作的效率外,还必须保证网的精度和可靠性。 前已指出,当参加作业的接收机数为ki,则每一时段可得观测基线向量数为 ki (ki-1)/2 其中包括独立观测向量数(ki--1)和多余观测向量数(ki-1)(ki-2)/2。 因为增加多余观测量,会提高网的可靠性,所以,作业中适当增加接收机的数量,不仅会提高工作效率,同时也将明显地增加多余观测量。 另外,为了有助于外业观测数据的检核,增加可靠性,通常根据不同的精度要求,基线测量中,同步观测的时段数以及时段的长度,应满足表5规定。 假设,np为GPS网的点数nT为相对定位的观测时段数,则在采用边连接方式推进时,所需观测时段的总数NT,可按下式估算: 2. 关于分区观测 当GPS网的点数较多,而参加同步观测的接收机数量有限时,网的观测工作需分区进行。当实行分区观测时,为了增加网的整体性,提高网的精度,相邻分区应设置公共点数,又会延缓测量工作的进程,这在实际工作中,应根据网的用途慎重考虑。一般公共点的数量不得少于3个。 公共点数过少,将使网的整体性变差,影响网的精度。而增加公共点,又会延缓测量工作的进程。 3. 关于卫星的可见性预报及观测时段的选择 因为观测卫星的几何分布,对GPS定位的精度具有重要影响,所以,为了选择最佳的观测时段,拟定观测计划,应首先编制如GPS卫星数和PDOP变化图。编制可见性图所用的测站概略坐标,可取该图适用范围(<300km)内,各点概略坐标的平均值,而编制可见性图所用的概略星历,其龄期也不能过长,一般不应超过30天,超过时应重新观测一组新的概略星历。 4. 观测进程及调度计划 最佳观测时间确定后,在观测工作开始之前,须拟定观测工作的进程表及接收机的高度计划。尤其当GPS网规模较大,参加作业的仪器较多时,仔细地拟定和选择这些计划的优化方案,对于顺利地实现预定的观测任务极为重要。 观测工作的进程计划,涉及到网的规模、精度要求、作业的接收机数量和后勤保障条件等,在实际工作中,应根据最优化的原则合理拟定。 4.2 GPS测量仪器设备的配置 4.3 观测工作 观测工作主要包括:天线安置,观测作业,观测记录和观测数据的质量判定等。 1. 天线安置 天线的妥善安置,是实现精密定位的重要条件之一。其安置工作一般应满足以下要求: 静态相对定位时,天线安置应尽可能利用三脚架,并安置在标志中心的上方直接对中观测。在特殊情况下,方可进行偏心观测,但归心元素应精密测定。 当天线需安置在三角点觇标的基板上时,应先将觇标顶部拆除,以防止对信号的干扰。这时可将标志中心投影到基板上,作为安置天线的依据。 天线底板上的圆水准器气泡必须居中。 天线的定向标志线,应指向正北,并顾及当地磁偏角影响,以减弱相位中心偏差的影响。定向误差依定位的精度不同而异,一般应不超过3~5。 雷雨天气安置天线时,应注意将其底盘接地,防止雷击。 天线安置后,应在各观测时段的前后,各量测天线高一次,测量的方法按仪器的操作说明执行。两次量测结果之差不应超过3mm,并取其平均值采用。 所谓天线高,系指天线的相位中心,至观测点标志中心顶端的垂直距离。一般分为上、下两段,上段是从相位中心至天线底面的距离,这一段的数值由厂家给出,并作为常数;下段是从天线底面,至观测点标志中心顶端的距离,这一段由用户临时测定。天线高的量测值应为上下两段距离之和。 2. 观测作业 在开机实施观测工作之前,接收机一般需按规定经过预热和静置。观测作业的主要任务是捕获GPS卫星信号,并对其进行跟踪、处理和量测,以获取所需要的定位信息和观测数据。 利用GPS接收机作业的具体操作步骤和方法,随接收机的类型和作业模式不同而异。而且,随着接收机设备软件和硬件的不断发展,接收机设备的操作方法也将有所变化,自动化的水平将不断提高。用户可按随机操作手册执行。 一般来说,在外业观测工作中,操作人员应注意以下事项: 当确认外接电源电缆及天线等各项联结完全无误后,方可接通电源,启动接收机; 开机后,接收机的有关指和仪表数据显示正常时,方能进行自测试和输入有关测站和时段控制信息; 接收机在开始记录数据后,用户应注意查看有关观测卫星数量、卫星号、相位测量残差,实时定位结果及其变化、存储介质记录等情况; 在观测过程中,接收机不得关闭并重新启动;不准改变卫星高度角的限值;不准改变天线高; 每一观测时段中,气象资料一般应在时段始末及中间各观测记录一次,当时段较长时(如超过60分),应适当增加观测次数; 观测站的全部预定作业项目,经检查均已按规定完成,且记录与资料均完整无误后,方可迁站。 3. 观测记录 在外业观测过程中,所有的观测数据和资料,均须妥善记录。记录的形式主要有以下两种:(1)观测记录 观测记录,由接收设备自动形成,均记录在存储介质(如磁带、磁卡或记忆卡等)上,其内容包括, 载波相位观测值及相应的观测历元; 同一历元的测码伪距观测值; GPS卫星星历及卫星钟差参数; 实时绝对定位结果; 测站控制信息及接收机工作状态信息。 (2)测量手簿 测量手簿,是在接收机启动前及观测过程中,由用户随时填写的。其记录格式和内容参写附录八。其中,观测记事栏记载观测过程中发生的重要问题,问题出现的时间及其处理方式。为了保证记录的准确性,测量手簿必须在作业过程中随时填写,不得事后补记。上述观测记录和测量手簿,都是GPS精密定位的依据,必须妥善地保管。第5 节 GPS接收设备的检验 5.1检验的主要内容 GPS测量工作所采用的接收设备,都必须对其性能和可能达到的精度水平进行检验,合格后方能参加作业。尤其对于新购置的设备,应按规定进行全面的检验。接收机全面检验的内容,包括一般检视、通电检验、试测检验和随机数据后处理软件的检测。 1. 一般性检视 主要检查接收设备的各部件及其附件是否齐全、完好,紧固部件有否松动与脱落,设备的使用手册及随机软件等资料是否齐全。 2. 通电检验 检验的主要项目包括:设备通电后有关信号灯、按键、显示系统和仪表的工作情况,以及自测试系统的工作情况。当自测试正常后,按操作步骤进行卫星的捕获与跟踪,以检验接收机捕获卫星的时间,接收信号的信噪比及信号的锁定等情况。 3. 试测检验 试测检验应在不同长度的标准基线上,或专设的GPS测量检验场上进行。标准基线的相对精度,应不低于被检验接收设备的标称精度。试测检验是接收设备检验的主要内容之一,凡是用于精密定位的接收设备,都应按作业时间的长短,至少在每年出测前进行一次。 试测检验的主要内容包括:接收机野外作业的性能,接收机的内部噪声水平,天线相位中心的稳定性,以及对不同测程的基线测量所能达到的精度等。 另外,天线底座的圆水准器和光学对中器,也都要在每年出测前进行检验和校正。对于作业中所使用的气象测量仪表(通风干湿表、气压表、温度计),也应定期送气象部门检验,以保障其正常工作。 4. 随机数据后处理软件的检验 随机数据处理软件,是GPS接收设备的重要组成部分。对其所具有的功能,一般是通过实测的计算工作来进行检验的。对测量型GPS接收机,其主要检验内容包括:卫星预报及观测计划拟定功能的检验;静态定位软件和网平差软件功能的检验;快速静态定位软件和实时定位软件功能的检验等,并且通过上述检验,在数据处理的精度,使用的自动化水平,对观测数据的筛选,周跳的判别与修复,整周未知数的解算能力以及网平差的功能等方面,对软件作出评价。 5.2 GPS接收机的检验内容与方法 随着GPS接收机硬件与软件的不断改善,对GPS接收机的检验内容和方法也将有所变化。现将测量型GPS接收机,目前几项主要的检验内容及检验方法简介如下。 1. 接收机内部噪声水平的检验 接收机的内噪声,主要是由于接收机硬件的不完善(如接收机钟差、信号通道的时间延迟及延迟锁定相环误差等)所引起,其检验方法,可根据实际情况采用以下两种方法之一。 l零基线检验法。这项检验的主要设备,如图7所示的功率分配器(简称功分器),其检验的基本原理是,将同一天线接收的GPS卫星信号,通过功分器分成相位、功率相同的两路信号,分别输入两台接收机,根据两台接收机的观测数据,利用相对定位的原理解算相应的基线向量。 这种方法,可以有效地消除大气折射误差,卫形淦黛道偏差,天线相位中心偏差,信号多路径误差以及仪器对中误差等项影响。在理论上,所解算的基线向量应为0。 所以,解算的基线向量与理论值的偏差,将直接地反映接收机内部的噪声水平。 由以上叙述可知,在这项检验中,功分器的质量,对保障接收机内部噪声水平检验的可靠性,是极其重要的。 -----超短基线检验法 在无功分器的情况下,GPS接收机的内部噪声水平,也可利用长度精确已知的超短基线或基线网进行检验。为此,须在地势平坦,对空视野开阔的地区,布设一边长为5m~10m的基线或基线网。检验时须将两台接收机的天线,分别安置在超短基线的两端,并按高精度静态相对定位的要求进行同步观测,观测时段的长度,根据情况可取1.0~2.0小时。 这时,由于基线长度很短,所以观测数据通过差分处理后,可以有效地消除卫形淦黛道误差,大气折射误差和多路径效应等外界因素的影响,其测量结果与已知的基线长度之差,便主要反应了接收机的内部噪声水平。 2. 天线相位中心稳定性的检验天线相位中心稳定性的检验,目前可根据情况采用以下两种方法之一,即 -----旋转天线法; -----相对定位法;旋转天线法,虽是目前较为严格地测定天线相位中心位置,及其变化规律的方法,但这一方法,需在微波暗室中进行,并要利用专门的微波天线测量设备。检验较为复杂,尚难以普遍采用。对于这种方法的细节,有兴趣的读者可参见有关文献。 相对定位法,是目前应用较为普遍的方法。检验工作须在超短基线网上进行,以便尽可能地消除卫形淦黛道误差,大气折射误差和多路径效应等因素的影响。这一方法的基本工作过程是,将GPS接收天线分别精确地安置在基线网的端点上,并将天线的定向标志指向正北。观测一个时段(1~2小时)后,固定一个天线不动,将其余依次同向旋转90,180和270,并再分别观测一个时段。根据以上观测数据,利用相对定位原理,求解各时段的基线值,其互差一般规定不应超GPS接收机标称固定误差的二倍。 3. 关于GPS测量系统的野外检定场前已指出,GPS测量系统的实测,一般应在GPS专用野外检验场进行。因此,建立一个布局合理,质量良好的检定场。无论对新购进的GPS接收设备的开箱检验,或对于已有设备出测前和收测后的检验,均具有重要意义。为了保障检定结果的可靠性和检验工作的适应性,检定场的建立一般应遵循以下主要原则: -----为了满足用户对不同测程和不同检验内容的要求,检定场通常应由超短边(5m~10m),短边(<10km),长边(~500km)和超长边(>500km)构成。 -----检定场不同长度的基线,应分别构成闭合图形(如三角形或大地四边形),以便进行图形条件检验,提高检定的可靠性; -----检定场应位于地质结构坚固、稳定的地区,以利长期保存; -----检定场的点位选择,除应满足GPS测量选点的一般要求外,尤应注意设在交通方便,通信与电力供应条件良好,视野(对空)开阔的地区,以方便使用; GPS测量系统的检验,是了解该系统的性能、精度,保障GPS测量质量的重要环节,在实际工作中应予以充分重视。 GPS接收机属贵重的精密电子仪器,为了确保设备的安全和正常工作,用户必须制定严格的使用、运输与保管办法。第6节 GPS测量的作业模式 所谓GPS测量的作业模式,亦即利用GPS定位技术,确定观测站之间相对位置所采用的作业方式。它与GPS接收设备的软件和硬件密切相关。同时,不同的作业模式,因作业方法和观测时间的不同,而具有不同的应用范围。 近年来,特别由于GPS测量数据处理软件系统的发展,为确定两点之间的相对位置,已有多种作业模式可供选择。目前,在GPS接收系统硬件和软件的支持下,较为普遍采用的作业模式,主要有静态相对定位、快速静态相对定位、准动态相对定位和动态相对定位等。现将这些不同作业模式的特点及其适用范围,简单地介绍如下。 6.1经典静态相对定位模式作业方法:采用两套(或两套以上)接收设备,分别安置在一条(或数条)基线的端点,根据基线长度和要求的精度,按表5的规定同步观测4颗以上卫星数时段,每一时段长1~3小时。定位精度:基线测量的精度可达5mm+1ppm×D,D为基线长度,以公里计。特点:这种作业模式所观测的独立基线边,应构成某种闭合图形(如图8),以利于观测成果的检核,增强网的强度,提高成果的可靠性和精确性,基线长度可由数公里至上千公里。 适应范围: · 建立地壳运动或工程变形监测网; · 建立全球性或国家级大地控制网; ·建立长距离检校基线; ·进行岛屿与大陆联测; ·建立精密工程测量控制网。 6.2快速静态相对定位模式作业方法:在测区的中部选择一个基准站(或参考站),并安置一台接收机,连续跟踪所有可见卫星;另一台接收机,依次到各点流动设站,并且在每个流动站上,静止观测数分钟,以便按快速解算整周未知数的方法解算整周未知数。如图10-9所示。该作业模式要求,在观测中必须至少跟踪4颗卫星,同时流动站与基准站相距,不超过15km。 定位精度: 流动站相对基准站的基线中误差,可达(5~10)mm+1ppm×D 特点: 接收机在流动站之间移动时,不必保持对所测卫星的连续跟踪,因而可关闭电源以降低能耗。该模式作业速度快,精度高。缺点是,在采用两台接收机作业的情况下,直接观测边不构成闭合图形,可靠性较差。 适用范围: · 小范围的控制测量及其加密; · 工程测量、边界测量; · 地籍测量及碎部测量等。 6.3 准动态相对定位模式作业方法: ----在测区选择一基准站,并在其上安置一台接收机,连续跟踪所有可见卫星; ----置另一台流动的接收机于起始点(例如图10中1号点)观测数分钟,以便快速确定整周未知数; 在保持对所测卫星连续跟踪的情况下,流动的接收机依次迁到2,3…号流动点各观测数分钟。 该作业模式要求,作业时必须至少有4颗以上分布良好的卫星可供观测;在观测过程中,流动接收机对所测卫星信号不能失锁;一旦发生失锁现象,应在失锁后的流动点上,将观测时间延长至数分钟;流动点与基准站相距,目前一般应不超过15km。 定位精度: 基准测量的中误差可达(10~20)mm+1ppm×D。 特点: 该作业模式效率甚高。在作业过程中,即使偶然发生失锁,只要在失锁的流动点上,延长观测数分钟,仍可继续按该模式作业。 应用范围: · 开阔地区的加密测量; · 工程定位及碎部测量; · 剖面测量和路线测量; · 地籍测量等。 6.4 动态相对定位模式 作业方法: · 建立一个基准站,并在其上安置一台接收机,连续跟踪所有可见卫星; · 另一台接收机,安置在运动的载体上(见图11),在出发点按快速静态相对定位法,静止观测数分钟,以进行初始化; 运动的接收机从出发点开始,在运动过程中,按预定的采样间隔自动观测。 该作业模式要求,至少同步观测4颗以上分布良好的卫星,并在运动过程中保持连续跟踪;同时,运动点与基准站的距离,目前应不超过15km。 定位精度:运动点相对基准之基线测量精度,可达(1-2)cm+1ppm×D. 特点: 速度快,精度高,可实现载体的连续实时定位。应用范围: · 精密测定载体的运动轨迹; · 道路中心测量; · 航道测量; · 开阔地区的剖面测量和水文测量等。第7节 实时动态测量系统及其应用 7.1 GPS 实时动态定位方法概述 实时动态(Real Time Kinematic—RTK)测量系统,是GPS测量技术与数据传输技术相结合,而构成的组合系统。它是GPS测量技术发展中的一个新的突破。 RTK测量技术,是以载波相位观测为根据的实时差分GPS (RTD GPS)测量技术。大家知道,GPS测量工作的模式已有多种,如静态、快速静态、准动态和动态相对定位等。但是,利用这些测量模式,如果不与数据传输系统相结合,其定位结果均需通过观测数据的测后处理而获得。由于观测数据需在测后处理,所以上述各种测量模式,不仅无法实时地给出观测站的定位结果,而且也无法对基准站和用户站观测数据的质量,进行实时的检核,因而难以避免在数据后处理中发现不合格的测量成果,需要进行返工重测的情况。 过去解决这一问题的措施,主要是延长观测时间,以获得大量的多余观测,来保障测量结果的可靠性。但是,这样一来,便显著地降低了GPS测量工作的效率。 实时动态测量的基本思想是,在基准站上安置一台GPS接收机,对所有可见GPS卫星进行连续地观测,并将其观测数据,通过无线电传输设备,实时地发送给用户观测站。在用户站上,GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时,通过无线电接收设备,接收基准站传输的观测数据,然后根据相对定位的原理,实时地计算并显示用户站的三维坐标及其精度。 这样,通过实时计算的定位结果,便可监测基站与用户站观测成果的质量和解算结果的收敛情况,从而可实时地判别解算结果是否成功,以减少冗余观测,缩短观测时间。 RTK测量系统的开发成功,为GPS测量工作的可靠性和高效率提供了保障,这对GPS测量技术的发展和普及,具有重要的现实意义。不过,这一测量系统的应用,也明显地增加了用户的设备投资。 7.2 实时动态(RTK)测量系统的设备配置 RTK测量系统的构成, 主要包括三部分: ----- GPS接收设备; ----- 数据传输系统; ----- 软件系统。 1.GPS接收设备 RTK测量系统中,至少包含二台接收机,分别安置在基准站和用户站上。基准站应设在测区内地势较高,视野开阔,且坐标已知的点上。在城区可考虑设在楼顶平台上。作业期间,基准站的接收机应连续跟踪全部可见GPS卫星,并将观测数据通过数据传输系统,实时地发送给用户站。 图12实时相对定位(RTK或RTDGPS)示意T1T2基准站 当基准站为多用户服务时,应采用双频GPS接收机,且其采样率应与用户站接收机采样率最高的相一致。 2. 数据传输系统 数据传输系统(或简称数据链),由基准站的发射台与用户站的接收台组成,它是实现实时动态测量的关键设备。 数据传输设备,要充分保证传输数据的可靠性,其频率和功率的选择主要决定于用户站与基准站间的距离,环境质量,数据的传输速度。有关数据链的详细情况,读者可参阅有关文献。 3. 支持实时动态测量的软件系统 a. 快速解算,或动态快速解算整周未知数; b. 根据相对定位原理,采用适当的数据处理方法(例如序贯平差法),实时解算用户站在WGS—84中的三维坐标; c. 根据已知转换参数,进行坐标系统的转换; d. 解算结果质量的分析与评价; e. 作业模式(例如,静态,快速静态,准动态和动态等工作模式)的选择与转换; f. 测量结果的显示与绘图。 7.3 实时动态(RTK)测量的作业模式与应用根据用户的要求,目前实时动态测量采用的作业模式,主要有: ···快速静态测量采用这种测量模式,要求GPS接收机在每一用户站上,静止地进行观测。在观测过程中,连同接收到的基准站的同步观测数据,实时地解算整周未知数和用户站的三维坐标。如果解算结果的变化趋于稳定,且其精度已满足设计的要求,便可适时的结束观测工作。 采用这种模式作业时,用户站的接收机在流动过程中,可以不必保持对GPS卫星的连续跟踪,其定位精度可达1cm~2cm。这种方法可应用于城市、矿山等区域性的控制测量,工程测量和地籍测量等。 ··· 准动态测量同一般的准动态测量一样,这种测量模式,通常要求流动的接收机。在观测工作开始之前,首先在某一起始点上静止地进行观测,以便采用快速解算整周未知数的方法实时地进行初始化工作。初始化后,流动的接收机在每一观测站上,只需静止观测数历元,并连同基准站的同步观测数据,实时地解算流动站的三维坐标。目前,其定位的精度可达厘米级。这种方法,要求接收机在观测过程中,保持对所测卫星的连续跟踪。一旦发生失锁,便需重新进行初始化的工作。准动态实时测量模式,通常主要应用于地籍测量、碎部测量、路线测量和工程放样等。 ··· 动态测量动态测量模式,一般需首先在某一起始点上,静止地观测数分钟,以便进行初始化工作。之后,运动的接收机按预定的采样时间间隔自动地进行观测,并连同基准站的同步观测数据,实时地确定采样点的空间位置。目前,其定位的精度可达厘米级。这种测量模式,仍要求在观测过程中,保持对观测卫星的连续跟踪。一旦发生失锁,则需重新进行初始化。这时,对陆上的运动目标来说,可以在卫星失锁的观测点上,静止地观测数分钟,以便重新初始化,或者利用动态初始化(AROF)技术,重新初始化,而对海上和空中的运动目标来说,则只有应用AROF技术,重新完成初始化的工作。  实时动态测量模式,主要应用于航空摄影测量和航空物探中采样点的实时定位,航道测量,道路中线测量,以及运动目标的精密导航等。目前,实时动态测量系统,已在约20km的范围内,得到了成功的应用。相信,随着数据传输设备性能和可靠性的不断完善和提高,数据处理软件功能的增强,它的应用范围将会不断地扩大。 智能交通系统(Intelligent Transport Systems,简称ITS)就是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子控制技术以及计算机处理技术等有效地综合运用于整个交通系统,而建立起来的一种在大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、高效的运输综合管理系统。城市公共交通智能化调度系统是运用先进的GPS技术、GIS技术、无线通信技术以及计算机管理技术,在每个公交车辆和调度中心都配置双向语音和数据通信功能的电台,建立车辆动态管理系统,实现全天候、大范围、多车辆的实时动态定位、调度、监控,改进车辆运行管理,增强突发事件的反应能力,提高车辆运行率和行车安全度,并针对公交车辆的实际运行情况,通过电子站牌提供实时乘客服务信息。 第8节 观测成果的外业检核观测成果的外业检核,是确保外业观测质量,实现预期定位精度的重要环节,所以,当观测任务结束后,必须在测区,及时对外业的观测数据质量进行检核和评价,以便及时发现不合格的成果,并根据情况采取淘汰或重测、补测措施。外业观测成果检核的主要内容有 1. 同步边观测数据的检核同步边是指接收机设于基线两端,通过多历元同步观测,经平差计算的基线边。对其检核的内容包括;观测数据的剔除率由于不合格而剔除的观测值个数,与参加同步边平差计算的观测值总数之比,称为数据剔除率。根据不同的精度要求,剔除率一般应不超过5%~10%。观测值的残差分析观测值的残差分析观测值的残差,即各观测值与其平差值之差。残差主要由观测值的偶然误差和系统误差残余部分的影响而产生的。其中系统误差残余部分的影响,与数据处理中所采用的模型密切相关。所以,采用不同模型的后处理软件,这种系统性误差,对上述残差的影响也将不同。这是一种尚待深入分析的问题。 残差分析,主要是试图将观测值中的偶然误差分离出来,并判定其大小。若设观测值的残差为, , , 2…,n为观测值个数,则其分析方法大致如下: ──计算残差的一次差和二次差: ──计算观测值偶然误差的中误差: (4)一般规定应小于1cm。 计算同步边平差值的中误差和相对中误差同步边每一时段平差值的中误差,应小于0.1m,而其相对中误差,应不超过相应精度级别的要求。 2. 重复观测边的检核同一条基线边,若观测了多个时段(2),则可得到多个边长结果。这种具有多个独立观测结果的边,称为重复边。对于重复边的检核内容包括:计算不同时段观测结果的互差,该差值应小于相应级别规定精度的倍;同一条边若有三个时段以上的观测结果,则应计算各时段结果的平均值。其中任一时段的结果,与其平均值之差,应不超过相应级别的规定精度。 3. 独立边构成的环闭合差检核当独立观测的基线向量,构成某种闭合图形(例如三角形、多边形)时,图形的闭合差,在理论上应为零。但是,由于各种观测量误差,以及数据处理的模型误差等因素的综合影响,致使该闭合差一般均不为零。假设,环中各独立观测边的坐标分量差之和为 4. 同步环闭合差的检验第9节 观测数据的测后处理过程 GPS测量数据的测后处理,一般均可借助相应的后处理软件自动地完成。随着定位技术的迅速发展,GPS测量数据后处理软件的功能和自动化程度,将不断增强和提高,所采用的模型也将不断改进。对观测数据进行后处理的基本过程,大体分为:预处理,平差计算,坐标系统的转换,或与已有地面网的联合平差。下面分别加以介绍。 9.1观测数据的预处理 预处理的主要目的,是对原始观测数据进行编辑、加工与整理,分流出各种专用的信息文件,为进一步的平差计算作准备。预处理工作的完善与否,对随后的平差计算以及平差结果的精度,将产生重要影响,因此,对预处理的方法,采用的数学模型和评价数据质量的标准等,都必须仔细分析,慎重确定。预处理工作的主要内容有: -----数据传输。将GPS接收机记录的观测数据,传输到磁盘或其它介质上,以提供计算机等设备进行处理和保存。 -----数据分流。从原始记录中,通过解码将各项数据分类整理,剔除无效观测值和冗余信息,形成各种数据文件,如星历文件、观测文件和测站信息文件等,以供进一步处理。以上两项工作,一般也称之为数据的粗加工,可视为预处理的准备工作。 -----观测数据的平滑、滤波。剔除粗差并进一步删除无效观测值。 -----统一数据文件,如星历文件、观测文件和测站信息文件等,以供进一步处理。以上两项工作,一般也称之为数据的粗加工,可视为预处理的准备工作。 -----观测数据的平滑、滤波。剔除粗差并进一步删除无效观测值。 -----统一数据文件格式。将不同类型接收机的数据记录格式、项目和采样间隔,统一为标准化的文件格式,以便统一处理。 -----卫形淦黛道的标准化。为了统一不同来源卫形淦黛道信息的表达方式,和平滑GPS卫星每小时更新一次的轨道参数,一般须采用多项式拟合法,使观测时段的卫形淦黛道标准化,以减化计算工作,提高定位精度。 -----探测周跳、修复载波相位观测值。 -----对观测值进行各项必要的改正。观测数据的预处理,一般均由后处理软件自动完成。因此,不断完善和提高软件的功能和自动化水平,对提高观测数据预处理的质量和效率是极为重要的。 9.2平差计算根据上述处理所获得的标准化数据文件,便可进行观测数据的平差计算工作。平差计算的主要内容包括: -----同步观测的基线向量平差。即同一基线边,多历元同步观测值的平差计算。在同一测区中,同类精度的数据处理,应采用相同的方法和相同的模型。由此所得到的平差结果,为基线向量(坐标差)及其相应的方差与协方差。 -----GPS网平差。利用上述基线向量的平差结果,作为相关观测量,进行网的整体平差。整体平差应在WGS-84坐标系统中进行,平差的结果,一般是网点的空间直角坐标,大地坐标和高斯平面坐标,以及相应的方差与协方差。 -----坐标系统的转换,或与地面网的联合平差。在城市、矿山等区域性的测量工作中,往往需要将GPS测量结果,化算到用户所采用的区域性坐标系统。因此,上述GPS网,在WGS-84坐标系统中的平差结果,尚需按用户的要求,进行坐标系统的转换,或者为了改善已有的经典地面控制网,确定GPS网与经典地面网之间的转换参数,需要进行两网的联合平差。 GPS网与经典地面网的联合平差与坐标系统的转换,是GPS测量数据后处理的重要内容之一,而有关两网联合平差的方法与模型,可参见本书第九章的介绍。观测数据经上述处理后,需要输出打印的资料主要有: -----测区和各观测站的基本情况; -----参加平差计算的观测值数量、质量、观测时段的起止时刻和延续时间; -----平差计算采用的坐标系统,基本常数和起算数据; -----平差计算的方法及所采取的先验方差与协方差; -----GPS网整体平差结果,包括空间直角坐标、大地坐标和高斯平面坐标,以及在上述不同坐标系统中,相邻点之间的距离和方位角; -----GPS网与已有经典地面网的联合平差结果,主要包括地面网的坐标,等级、重合点数及其坐标值;联合平差采用的坐标系统、平差方法,平差后的坐标值及两网的转换参数; -----平差值的精度信息,包括观测值的残差分析资料,平差值的方差与协方差阵及相关系数阵等。 9.3技术总结与上交资料 1. 关于技术总结 GPS测量的外业工作和数据处理结束后,应及时编写技术总结。其内容要点如下: ------项目名称,任务来源,施测目的与精度要求; ------测区范围与位置、自然地理条件、气候特点、交通及电信、电源情况; ------测区已有测量标志情况; ------施测单位,作业时间,技术依据及作业人员情况; -----接收设备的类型、数量和检验情况; -----选点与埋石情况,观测环境评价及与原有测量标志的重合情况; -----观测实施情况,观测时段选择,补测与重测情况及作业中发生与存在的问题说明; -----观测数据质量的检核情况,起算数据,数据处理的内容、方法及所采用的软件情况; -----工作量与定额计算; -----成果中尚在的问题与必须说明的其它问题; -----必要的附表与附图。 2. 上交资料 GPS测量任务完成后,各项技术资料均应仔细地加以整理,并经验收后上交,以提供用户使用。上交资料的内容一般应包括: -----测量任务书与技术设计; -----GPS网展点图; -----观测站的点之记,环视图; -----卫星可见性图,精度因子PDOP(或GDOP)预报表及观测计划; -----外业观测记录,测量手簿及其它记录(如归心元素); -----接收设备及气象仪器等的检验资料; -----外业观测数据的质量评价和外业检核资料; -----数据处理资料和成果表; -----技术总结与成果验收报告。 第 三 章 GLONASS卫星定位 技术简介 1、引言 GPS导航与定位技术在今天已经被导航界和测绘界广泛地应用于各个领域, 然而GPS由于人为因素和技术本身的弱点, 在定位的精确性、可靠性与安全性方面都不尽如人意。正当人们在探讨解决GPS技术存在的这些问题的时候,当今世界上的另一导航定位系统俄罗斯的全球卫星导航系统(the Global Navigation Satellite System,简记为GLONASS)的建立引起了世人的极大关注。 世界上的主要卫星定位技术公司(如美国的ASHTECH、3S NAVIGATION 、JAVAD公司,法国的DASSAULT SERCEL公司等纷纷开展对GLONASS系统的研究,并逐步推出了能兼容接收受两种(GPS和GLONASS)卫星信号的接收机和定位设备。这些新型卫星定位双星接收系统必将打破单星系统的垄断地位,成为未来卫星定位技术的主流产品。本文则是在这种背景下,介绍GLONASS 及其信号的一些重要特征,以供读者进一步了解这一领域发展情况的参考。 2 、GLONASS的产生背景本世纪70年代,作为对美国宣布建立和发展GPS的反应,前苏联国防部构想了GLONASS。1993年,俄罗斯政府正式将GLONASS交由俄空军(VKS)负责。VKS负责GLONASS的航天器部署及在轨维护,并通过科学信息中心将GLONASS的信息传播给公众。在80年代,GLONASS的信息鲜为人知,除了卫形淦黛道的一般特征和传送导航信息的频率之外,前苏联国防部未披露任何其它信息。然而,Leeds大学的Peter Daly教授和它的研究生们经过努力,侦察出了GLONASS卫星信号结构的一些细节。随着前苏联的解体,俄罗斯解密了界面控制文件(the Interface Control Document:ICD)。ICD描述了系统及其组成,信号结构以及供民用的导航信息。1995年11月4日在加拿大蒙特利尔国际民用航空组织第二次会议上,俄罗斯将其最新版本的ICD交给大会的导航卫星系统讨论组。自此,有关GLONASS的信息越来越明朗。 3、GLONASS的组成与GPS一样,GLONASS也由三部分组成:空间部分,控制部分及用户部分。GLONASS的空间部分也是由24颗卫星组成,轨道排列在3个平面上,升交点赤经彼此相隔120度,轨道平面倾角为64.8度。每个轨道平面上有8颗卫星,同一平面上卫星分布均匀,卫形淦黛道长半轴25510km,卫星运行周期为11小时15分,目前,GLONASS系统中有13 至15颗卫星处于正常工作状态。到24颗GLONASS卫星全部投入运行时,在全球的任何时间任何地点都可以看到5至10颗GLONASS卫星。 GLONASS的控制部分由系统控制中心和一个遍布俄罗斯的跟踪网组成。GLONASS的控制部分与GPS很相似,必须监视所有卫星的状况。在确定星历和卫星钟补偿时顾及了GLONASS卫星时与俄罗斯国家Etalon时UTC(SU)的尺度差别,并每隔30分钟向卫星加载导航数据。 GLONASS用户部分:与GPS一样,GLONASS是军/民两用的。所有的军方、民间用户组成了其用户部分,从理论上说系统的潜在民用市场与GPS一样巨大。 4 、 GLONASS系统特征 4.1 信号结构 GLONASS信号与GPS相同的方面是: 都是用L波段上的两个频带(即L1和L2)作为载波; 在L1频带上发射伪随机码,且伪随机码周期都是1毫秒; 以每秒50比特向用户接收机发送卫形淦黛道概略坐标(Almanac)和定位使用的卫星星历(Ephemeris)。 GLONASS信号与GPS不同之处在于它们表示卫星的方法不同。24颗GPS卫星使用相同的频率工作,但是每颗卫星发射不同的伪随机码(PRN),称为码分多址技术(CDMA)。PRN编号方式是从1至32,GPS卫星只实用了其中的24个PRN码。GLONASS卫星的表示方法是根据它在轨道上的位置编码。根据卫星在轨道上的分布位置从1至24顺序编码,叫做ID码,且每颗卫星使用特定频率工作,叫做频分多址技术(FDMA)。另外,GPS的CA码和P码在发射时,实施了SA及AS政策,即对GPS卫星基准频率采用技术(高频抖动),对导航电文采用技术(降低C/A码广播星历精度)及P码加密技术(将P码加密为Y码)。GLONASS则没有这种降低定位精度的人为干扰。 4.2 时间系统 GLONASS与GPS使用不同的时间系统, GPS时间以UTC(USNO)为基准,而GLONASS 时间以UTC(SU)为基准。UTC(USNO)由美国海军观测台维持,UTC(SU)由俄联邦国家时间和频率服务处维持。若不考虑卫星钟差及相对论效应,可用下式将GLONASS广播星历的参考时转换成GPS时: 4.3 卫星坐标系统 4.4 GPS与GLONASS的特征对比 GLONASS与GPS系统的特征比较表见表一。 4.5 星历比较 GLONASS 广播星历与GPS广播星历结构有些不一样,GPS广播星历是以开普勒轨道及其摄动参数形式给出的。GPS广播星历每小时更新一次,有效期为2小时。而GLONASS 广播星历是以卫星在PZ90卡迪尔地心坐标系中的状态向量形式给出,每半小时更新一次。与卫星位置计算有关的GLONASS广播星历参数见表三。 5 、GLONASS载波相位差分模型 5.1 单差模型 5.2 双差模型 6、 GLONASS接收机   与GPS接收机相比, GLONASS接收机的供应还受到很大限制。一方面是GLONASS接收机价格无法与GPS接收机竞争,另一方面,目前GPS用户转向GLONASS的时机也是不成熟的。 前苏联GLONASS接收机的生产是由设计部门和生产部门合作完成的。目前在俄罗斯、乌克兰、白俄罗斯都有生产厂家。除前苏联外,大量生产厂家、研究机构及大学已经设计并制造了GLONASS接收机,其中一些是用于试验的原型机,有一些是为特殊用途(如用于低轨卫星)研制的。表二是几种商用GLONASS接收机,其中大部分是GPS/GLONASS兼容机。GPS与GLONASS接收设备一体化的研究与开发工作,一直受到普遍重视。GPS/GLONASS兼容机充分利用不同卫星定位系统的卫星信息资源,提高卫星定位的精确性、可靠性与安全性,其主要特点是: ①用户可同时接收的可见卫星的数目约增加一倍,因而可以明显改善观测卫星的几何配置,提高定位的精度; ②利用两个独立的卫星定位系统,可大为提高导航的可靠性与安全性 ③由于可见卫星数目增加,可能在一些卫星被遮挡的情况下,能进行正常的导航和测量,这对于城市测量与城市交通管理与监控极为重要; ④可有效地削弱美、俄两国对各自定位系统的可能限制,保障用户利用导航系统的安全性与可靠性; 目前,GPS/GLONASS一体化的接收设备,已初步开发成功。随着兼容机硬件与软件的不断完善。它为全球卫星定位系统在导航与测量领域的应用开劈了更为广阔的前景。为了在全球范围内提高导航的安全性,可靠性和精确性,近年来,在利用现有卫星导航系统和数据链技术的基础上,美国正在开发一种全球导航卫星系统(Global/Navigation Satellite System——GNSS)即GPS/GLONASS INMARSAT组合导航系统,INMARTSAT饰淦鼹际海事卫星组织的简称。该组织通过所属的通信卫星,可提供全球移动通信服务。国际海事卫星组织,计划利用其第三代卫星INMARSAT——III转发GPS/GLONASS导航信息,为全球各地的用户提供导航服务。这样,于任何时间,地点,用户均可通过该系统的终端,实时地获得所需导航信息。国际民航组织(ICAO)也拟采用这一组合系统,作为其第一代全球卫星导航系统。这一组合导航系统的开发,受到广大用户的普遍关注,体显了现代化精密导航技术发展的一个趋势。 开放服务包括定位、导航和时间信号服务,但不包括系统集成信息。对用户而言,系统集成信息是指用户能实时了解系统发布的信号的质量,尤其是可能的预设的功能性干扰情况。开放服务和现有的GPS和GLONASS系统的类似服务相兼容,但其服务精度更高。任何人只要装备了“伽利略”接收机就能接收GPS、GLONASS和“伽利略”卫星导航系统的信号。开放服务将与商业和生命安全服务共享两个开放的导航信号。开放服务将主要用于道路交通中的个人导航、道路信息和提供路线建议的系统、移动通信等应用领域。    商业服务将主要涉及专业用户,这些专业用户将来自测绘、海关、船舶和车辆管理以及关税征收等领域。商业服务将提供在独立频率上的第三种导航信号的接入服务,并使用户能利用三载波相位模糊分辨力技术(TCAR)来改善精度。商业服务中将包含集成信息,时间信号的精度将会高达到100纳秒。商业服务将采取“准入控制”措施,“准入控制”措施的实现将通过接收机上的“进入匙”(类似于移动通讯中的Pin码)来保证。这样将无需使用昂贵的信号编码技术。    官方服务的对象是那些对于精度、信号质量和信号传输的可靠性要求极高的用户。官方服务将包括以下三种:生命安全服务、官方管理服务和搜救服务。生命安全服务(开放服务加集成信息)将根据一个明确的“时间警告限定”(在非正常情况出现后6秒)向全球用户发布有关系统的集成信息缺损的警告。生命安全服务的时效性很强,并将实行“准入控制”措施。在有关官方管理领域(例如交通)的服务将具有抵抗人为干扰及非法入侵的能力。官方管理服务的信号将由经过编制的测距码和集成数据组成。这项服务的接入将受到欧盟成员国的控制。搜救服务将实现对遇难人员和运输工具的精确定位,通过“伽利略”卫星装备的搜救转发器,装备有搜救黑匣子的运输工具在出现意外时,搜救黑匣子将开始工作并向救援中心发送求救信号,在收到求救信号后,救援中心会向求救者发送反馈信息。   GPS技术的其他应用领域车辆自导航 车船管理调度:在出租车行业、长途运输业、租车服务业等将能够对车辆进行跟踪、调度管理。在拥挤的停* ⒒鸪档鞫瘸∧芄蛔既返厝范ǔ盗镜奈恢茫行У氐鞫盗尽 邮递服务: 对重要的货物、包裹与信函等进行跟踪、引导与保护。对货场物品入库与出库的调度能有效地确定货物的存放地点,提高出货效率,增加管理手段、避免积压。 民航运输: 使飞机着陆时驾驶员通过仪表操作对准跑道。 渔业生产: GPS能满足渔猎对定位的要求。同时能为捕鱼船队在法律上避免发生捕鱼边界的纠纷,提高在经济专属区的作业效率。公路水路维护: 能准确地引导维护人员调查需维护的交通设施。 火警、警察、救护的应急调遣: 提高紧急事件处理部门对火灾现场、犯罪现场、交通事故现场、交通堵塞等紧急事件的响应效率。 E-911: 美国通讯委员会(FCC)要求将所有的移动电话安装无线电定位装置,以便用户在通过移动电话向911请求帮助时可找到用户位置,实现快速援助。GPS将是满足FCC要求的一种精确、成本低廉的方式。搜索与求援: 将更加有效地对在人迹罕至、条件恶劣的航海、登山探险、滑雪、沙漠作业中失踪的人员进行求援搜索。道路支持: 车在路上坏了时,将提高救援车辆找到你的效率。突发事件临战状态准备: 如在洪水发生时,需要快速地为救灾工作做好准备,如绘制洪水边界图、排洪国界图、排洪通道、防洪大堤的调查。   满足人们在资源勘探、遥感探测、勘探地形、森林实地自然资源调查、动物跟踪、生态环境保护、海洋生物调查、社会调查、防止动物威胁等诸多方面对定位精度的要求。  在徒步旅行、野营、打猎时人们会发现GPS要比USGS(美国国家地图中心)的地图更方便应用。在航船时能准确地绕过沙洲岩石等障碍区,钓鱼者能够准确地找到鱼窝、平静的水湾等。 谢 谢

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