文档介绍：第三章 GPS的应用及全站仪的相关知识
 
由第一部分可知,地形测量是分为控制测量和碎部测量两个部分,本课题中,控制测量是应用GPS布设的,而碎部测量则是应用全站仪完成,所以在这里,我就重点GPS控制网布设(定位)的原理、方法及全站仪的相关知识。
 
 
§1 GPS定位原理
GPS进行定位的方法,根据用户接收祝天线在测量中所处的状态来分,可分为静态定位和动态定位;若按定位的结果进行分类,则可分为绝对定位和相对定位。
所谓绝对定位,是在WGS—84坐标系中,独立确定观测站相对地球质心绝对位置的方法。相对定位同样在WGS—84坐标系中,确定的则是观测站与某一地面参考点之间的相对位置,或两观测站之间相对位置的方法。
所谓静态定位,即在定位过程中,接收机天线(待定点)的位置相对于周围地面点而言,处于静止状态。而动态定位正好与之相反,即在定位过程中,接收机天线处于运动状态,也就是说定位结果是连续变化的,如用于飞机、轮船导航定位的方法就属动态定位。
各种定位方法还可有不同的组合,如静态绝对定位、静态相对定位、动态绝对定位、动态相对定位等。现就测绘领域中,最常用的静态定位方法的原理作一简介。
一、基本定位原理
利用GPS进行定位的基本原理,是以GPS卫星和用户接收机天线之间距离(或距离差)的观测量为基础,并根据已知的卫星瞬间坐标来确定用户接收机所对应的点位,即待定点的三维坐标(x,y,z)。由此可见,GPS定位的关键是测定用户接收机天线至GPS卫星之间的距离。
GPS卫星能够按照星载时钟发射某一结构为‘伪随机噪声码’的信号,称为测距码信号(即粗码C/A码或精码P码)。该信号从卫星发射经时间t后,到达接收机天线;用上述信号传播时间t乘以电磁波在真空中的速度C,就是卫星至接收机的空间几何距离ρ。
实际上,由于传播时间t中包含有卫星时钟与接收机时钟不同步的误差,测距码在大气中传播的延迟误差等等,由此求得的距离值并非真正的站星几何距离,习惯上称之为“伪距”,用表示,与之相对应的定位方法称为伪距法定位。
为了测定上述测距码的时间延迟,即GPS卫星信号的传播时间,需要在用户接收机内复制测距码信号,并通过接收机内的可调延时器进行相移,使得复制的码信号与接收到的相应码信号达到最大相关,即使之相应的码元对齐。为此,所调整的相移量便是卫星发射的测距码信号到达接收机天线的传播时间,即时间延迟。
假设在某一标准时刻Ta卫星发出—个信号,该瞬间卫星钟的时刻为ta,该信号在标准时刻Tb到达接收机,此时相应接收机时钟的读数为tb;于是伪距测量测得的时间延迟,即为tb与ta之差。
由于卫星钟和接收机时钟与标准时间存在着误差,设信号发射和接收时刻的卫星和接收机钟差改正数分别为Va和Vb,
(Tb—Ta)即为测距码从卫星到接收机的实际传播时间△T。由上述分析可知,在△T中已对钟差进行了改正;但由△T·C所计算出的距离中,仍包含有测距码在大气中传播的延迟误差,必须加以改正。设定位测量时,大气中电离层折射改正数为δρI,对流层折射改正数为δρT,则所求GPS卫星至接收机的真正空间几何距离ρ应为
伪距测量的精度与测量信号(测距码)的波长及其与接收机复制码的对齐精度有关。目前,接收机的复制码精度一般取1/100,而公开的C/A码码元宽度(即波长)为293m,故上述伪距测量的精度最高仅能达到3m(293×1/100≈3m),难以满足高精度测量定位工作的要求。
GPS绝对定位又称单点定位,其优点是只需用一台接收机即可独立确定待求点的绝对坐标;且观测方便,速度快,数据处理也较简单。主要缺点是精度较低,目前仅能达到米级的定位精度。
在伪距测量的观测方程中,若卫星钟和接收机时钟改正数Va和Vb已知;且电离层折射改正和对流层折射改正均可精确求得;那么测定伪距就等于测定了站星之间的真正几何距离,而与卫星坐标(xs,ys,zs)和接收机天线相位中心坐标(x,y,z)之间有如
下关系:
卫星的瞬时坐标(xs,ys,zs)可根据接收到的卫星导航电文求得,故式中仅有三个未知数,即待求点三维坐标(x,y,z)。如果接收机同时对三颗卫星进行伪距测量,从理论上说,就可解算出接收机天线相位中心的位置。因此GPS单点定位的实质,就是空间距离后方交会。
实际上,在伪距测量观测方程中,由于卫星上配有高精度的原于钟,且信号发射瞬间的卫星钟差改正数Va可由导航电文中给出的有关时间信息求得。但用户接收机中仅配备一般的石英钟,在接收信号的瞬间,接收机的钟差改正数不可能预先精确求得。因此,在伪距法定位中,把接收机钟差Vb作为未知数,与待定点坐标在数据处理时一并求解。由此可见,在