gps在精密工程测量中的应用现

gps在精密工程测量中的应用现内容摘要：

它办法。 GPS 的相关政策及对策 GPS 与美国的国防现代化发展密切相关，为保障美国的利益， GPS 采取有如下一些保护性政策和措施，包括：  对不同的用户提供不同服务 GPS栽波中采用两种测距码，即精码 (P码 )和粗码 (C/A码 )，相应采取两种服务方式即精密定位服务 (PPS)和标准定位服务 (SPS)。 PPS提供 L1 和 L2 上的 P码上的 C/A码导航电文以及能消除 SA影响的密匙； SPS仅提供 L1 上的 C/A码和导航电文。  选择可用性 (SA)政策 SA政策包括人为干扰星历数据的  技术以及在 GPS基准信号中加入高频抖动的  技术。 SA政策下， SPS用户实时单点定位精度为 100200m，甚至更差。  反电子欺骗 (AS)措施 AS措施是对 P码引入机密码（ W码），将 P码转换为保密码（ Y码）的技术。 AS实施时，非特许用户将无法应用 P码进行精密实时单点定位。 为摆脱或削弱 GPS保密性政策的限制，广大导航定位用户采取了以下对策  采用差分定位方法  使用 GPS测轨精密星历  使用其它卫星定位系统  使用能同时接收处理多种卫星定位系统信号的接收设备 3 精密 GPS测量的理论基础 简述 因为星历也存在着误差，当 GPS 信息发播的卫星位置不正确时 ,将产生星历误差。 通常 ,此误差的径向分量最小 ,而切向误差和横 向误差则可能大一个数量级。 幸运的是 :这两种较大的分量误差不影响定位精度 ,只有卫星位置误差沿视线方向的投影才产生定位误差。 由于卫星误差反映了位置预报 ,故星历误差随着最后一个地面注入站注入信息的时间而增长。 此外 ,SA是星历误差的重要组成部分。 据研究资料表明，对于 24 小时的 预报而言，测 距误差中星历误差约占 m，此误差同各卫星钟密切相关．而且，这些误差对 C／ A码和 P 码是相同的 . 大区域，米级精度实时定位为特征的广域差分系统正从研究阶段走向实用阶段。 高精度 GPS 相对定位在较大范围内的地球动力学现象实时监测和大型 精密工程测量里的应用也成为现实。 由于 GPS 卫星广播星历，特别是事实施 SA 政策以后的卫星广播星历的误差影响，在上述高精度定位中，实时确定高精度的 GPS卫星星历是保证定位精度的关键之一 . 卫星广播星历是用 GPS 的跟踪站的伪距测量值定轨外推的。 其精度加上 SA政策的影响后为 100 米或更差，随着 IGS 数据的处理工作的不断完善，利用全球站数 IGS 数据处理中心用全球的几十到几百个站的一天或多天的 数据定轨，精度可达 10 厘米。 又可以根据 IGS 数据处理中心 SIO 的 GAMIT 软件采用的的基本定模型和算法，用法方程叠加的方法实 时更新 GPS 卫 星的轨道，达到了利用中国 GPS 跟踪网的数据精密实时确定实时卫星轨道的目的。 GPS 卫星定轨的模型和方法。 因为卫星星历是系统跟踪站进行定轨外推得出的。 GPS 卫星定轨问题可以用以下系统方程概括： /()( GMetXs  |Xs(t)+ni si tQtXF1 ))(),(( (8) )())(,)()((),(()( tWtPxtxtRtXGtY ps  (9) 式（ 8）为卫星运动方程，右边第一项为质点地球引力加速度；第二项为作为在卫星上的 摄动加速度； Xs(t)为惯性系中的卫星位置向量； Gme 为地球引力常数； Q(t)为力模型参数 .式 (8)为观测方程 .式中 , px 为地固坐标系中的测站坐标； x 和 R(t)为地固坐标到惯性系的平移参数和旋转矩阵； P(t)为描述观测值中的其他误差影响的模型参数； W(t)为观测噪声。 式（ 9）为一个二阶常微分方程组，通常根据给定的卫星轨道初值和力模型参数的近似值，用数值积分的方法求出卫星运动方程和相应的变分方程的数值解即卫星坐标和卫星坐标 对卫星轨道初值和力模型参数的偏导数。 然后，用估计出的卫星轨道初值和力模型参数对卫星运动方程积分得出的精密的卫星轨道。 得到精密星历的方法 那么我们在高精度的工程测量中如何才能得到精密星历，普通 GPS 测量 利用广播星历进行轨道确定与预报数据处理的思路是利用广播星历和国家测绘局现有的 8个 GPS 永久跟踪站 (见下图 )的每天观测数据，并且在较好的 GPS 跟踪网解的基础上，对 GPS 卫星轨道参数的约束适当的放松而不是固定处理，从而可以估计长弧段的参数。 毕竟出现在我国上空的 GPS 卫星数及出现的时间是有限的，而且所利用 的 GPS 跟踪站数量有限，因此即使利用三天的数据进行轨道改进，所得到的结果也不可能达到 IGS 站的水平。 图 我们轨道处理采用方案：利用三天连续的轨道来确定精密星历以及进行 24小时的预报 ，目前国际上较为流行的定轨方法是利用连续的三天轨道，拟合出一个高精度的轨道。 在 GAMIT 软件中，三天解方案是取中间一天分别向前后进行一天积 分，得到一个 3 天的弧段，在接下来的数据处理中，均采用这个轨道。 最终的处理是对 GAMIT 产生的结果文件 H文件进行迭加处理技术，得到中间一天的精密的轨道模型。 然后，通过这个模型进行 24小时的外推预报，得到预报星历。 下面列出了正常轨道解算与预报轨道结果同 IGS 精密星历进行比较的结果图表。 以 1999 年第 108 天为例。 取 1999 年年积日为 10 10 109 三天的数据，采用 GAMIT 软件得到，具体结果见以下表与图例。 其中，除了个别卫星如 4号、 10 号星以及未列在内的 8号星（差值在 20 米左右），其余各个星的状况非常好，基本上在 米的量级上，结果非常不错。 轨道比较结果包括每一颗卫星在径向、切向以及法向三个方向的位置差以及综合误差。 由于卫星分布轨道的实际情况，卫星可视的时间与 高度（见图 ）与轨道最终的确定精度有着密切的联系。 （图 ）给出了每颗星的轨道精密解与预报结果同 IGS 比较的部分结果。 轨道预报精度取决于三天解的情况以及建立起的三天弧段的质量，并在此基础上重新积分得到的，考虑到跟踪站站数较少，而且区域范围只在中国，因此掌握的 GPS 卫星信息是有欠缺的在获得的结果中平均精度在 2 米左右。 （图 ）给出了部分预报结果的比较差值。 用 IGS 预报星历进行轨道预报 我们以 IGP 轨道作为初始轨道进行了测试。 由于 IGP 轨道的精度已经达到了 米的水平，但是并不是所有的卫星都能够 满足如此的指标，在这种星历中经常出现缺少某一颗或几颗卫星的情况，或者某些卫星的精度十分的差，采用国内几个跟踪站计算所得到的结果对于 IGP 初始轨道的改进非常的小，通过对计算轨道进行 24 小时以及 48 小时的预报，得到的结果都基本上能够满足了 2 米的精度（见图 ） 以上我们对定轨的进行了讨论以及实际计算，得到了详实的资料。 由于受到地域以及时间延迟等因素的限制，使得自主进行 GPS 定轨以及预报工作遇到较大的难度，通过对计算结果同 IGS 精密轨道的比较，我们可以得出下列结论： 在采用广播星历作为轨道初始值以及利用国内 8 个 GPS 跟踪站的原则下，不建议采用单天解进行轨道确定及预报。 采用三天轨道解方案得到的结果与 IGS 轨道的比较可以看出，得到的轨道计算结果明显得到了改善， 24 小时卫星轨道 预报精度可以达到 2米左右，个别卫星在 48米水平。 从实际操作角度考虑，是比较适合我国自主定轨的方案，而且目前能够达到的精度也完全可以满足我国实时差分服务的要求，并可以实时提供 IGP（ IGS 快速预报星历）的结果已经达到了 米左右的水平，并且已经可以实时提供，对于差分服务而言是最为理想轨道信息，但目前 IGP 有时间（比如公休日）和星座上的缺陷，不能够满足差分工程可靠性的要求。 另外从我国网络发展的状况以及时区限制的的情况而言，全球站数据以及IGP 报星历全部到位将有一定的延迟，此现在我国还不能够完全实现其实时性 ． IGS（ International GPS Service for Geodynamics） IGS 组织于 1993 年正式建立，通过提供 GPS 数据产品及大地测量、地球物理等方面的科学研究项目来进行服务。 通过各国政府资助建立了遍布于全球的GPS 跟踪站网（图 ）并且利用这些跟踪站连续不断地跟踪测量处理得到了每天的 GPS 卫星轨道信息。 由于是分布于全球各站的数据采集，因此所得到的拟合轨道弧段较为完整与平滑适合于全球各个角落 GPS 测量工作（ IGS 的精密星历是通过七个国际数据处理分析中心所得到的结果进行 加权平均得到的，分为三种类型见下表） 图 ： IGS 全球 GPS 跟踪站分布网图 电离层误差 由于电离层中存在自由电子 ,GPS 信号在电离层中传播时将产生 时延。 时延值同自由电子数成正比。 就一阶项而言 ,此时延值也同载波频率平方的倒数 (1/f2)成正增长。 载波平滑接收机的滤波器设计时应顾及此特性。 通常 ,温带电离层的变化比较平稳 ,而赤道和两极的附近的电离层变化则较大。 电离层效应是限制单频接收机测程的主要因素。 要改正受电离层时延影响的观测值 ,最简单的方法是采用时延内部的周日模型。 利用 GPS 信息能够不断更新这些参数。 此模型的有效精度 ,温带区约177。 2～177。 5m。 第二种技术是采用双频接收机。 利用 L1/L2 频率的双频观测值可直接解算电离层时延。 L1 和 L2 到达时间之差可直接进 行代数解算。 对于一台质量较好的双频接收机而言 ,在基本消除电离层影响后 ,应能提供177。 1～177。 2m 的测距精度。 第三种方法是采用“码 /载波相位扩散技术” (简称 CCD 技术 )。 就一阶项而言 ,电离层对码观测值的影响为ss ednf ，相位观测值的影响为ss ednf  2。 由此可见 ,电离层对两种观测值的影响数值相同 ,符号相反。 将这两种观测值加权组合即可基本削弱电离层误差 ,使单频接收机的测程扩大到 400km,精度到177。 1cm+2179。 106D。 第四种方法是基于准实时更新。 它 将用于广域差分 GPS。 此技术在全球温带也能得出177。 1～177。 2m 或更高的精度。 我们在高精度 GPS 测量中为了我们利用双频机并配合电离层进行建模，我们要知道 GPS 精密测量中电离层是其中的一个难点，如何建模是我们要研究的。 对流层误差 另一种误差源是由于对流层引起的真空光速、气温、气压和湿度的变化。 这些变化都将影响电波的传播速度。 码和载波的观测值均受到同样的时延。 对于多数用户和一般环境而言 ,采用可靠的对流层模型 ,有效精度可达到177。 1m 或更高。 GPS 载波相位测量，只能测量载波滞后相位 1 周 以内的小数部分，不能测量载波滞后相位的整周数。 其后的载波滞后相位整周数变化值（始后周数）是通过由多普勒积分由电子记数器累积读得的。 由于 gps 信号接受机自身故障或 gps信号意外中断，导致载波锁相环路的短盏失锁，而引起的多普勒记数的短盏中断，当载波锁相环路重新锁定后，多普勒记数又重新开始，以致造成载波滞后 相位整周数变化值（始后周数）的不连续记数。 这种多普勒记数的中断现象，称为整周跳变，简称为周跳。 当 GPS 载波相位观测值没发生周跳时 ,卫星一次通过的载波滞后相位整周数是连续的 ,各时元的观测值都会还有一个共同的 整周未知数 N0，即时元 t1 的整周模糊度 ,当发生周跳时其后所有的载波相位观测值都会含有一偏差值 ,该偏差就是中断期间所丢失的整周数，即周跳后的载波相位测量中的含有未知数 N0+daita 所谓周跳的探测就是利用观测的信息来发现周跳。 在探测出周跳后 ,利用观测信息来估计丢失的周数 2，从而修正周跳后的载波相位观测值，称为周跳的修复。 在探测出周跳后，也可将 N0+daita 视为周跳后的整周模糊度而利用平差的原理求解出这个未知参数，这是一个整周模糊度的求解问题。 静态的定位中，由于接收机静止不动，周跳的探测与修复问题已得到 了很好的解决。 在动态条件下，由于动态接收机在不断的运动中，周跳的的探测与修复比静态定位要难得多。 由于 GPS 信号的接收机能提供多种观测信息，利用这些信息观测信息本身的相互关系，而无轨道信息，可以对周跳进行探测与修复，目前有下列方法。 1 利用载波相位及其变化率的多项式拟合来探测，修复周跳（多项式拟合法） 2 利用伪距和载波相位观测值组合来探测修复周跳（伪距 /载相组合法） 3 利用双频载波相位组合观测值来探测 修复周跳（电离层残差法） 先就多项式拟合法做一介绍：从载波相位测量 的特性可知，周跳前后，载波相位不再是 连续函数，但其变化率则是连续函数且为载波相位的严格一阶导数。 利用载波相位的变化率，载波相位的观测值可对周跳进行探测与修复。 3 因此，我们知道 只有对经过了周跳的探测修复及标记的观测数据才可以进行后续的整周未知数的确定，对坏的垃圾数据是无从谈起整周未知数的确定的。 周跳的修复在 GPS 观测过程中 ,当接收机收到卫星信号并进行实时跟踪后 ,接收机便会自动显示观测期间载波相位整周数的变化。 但在实际工作中 ,由于病态卫星的出现与外界环境的干扰会引起卫星信号的衰减 ,则接收机将发生失锁现象。 当接收机重新锁定卫星信号后 ,被测载波相位 的小数部分将仍和未发生中断的情形一样是连续的 ,但整周数。