1、GPS操作流程及基線解算第八章 GPS操作流程和基線解算第一節(jié) GPS系統(tǒng)組成一、設(shè)備GPS系統(tǒng)由空間衛(wèi)星部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收部分三部分組成，如圖6.1所示。1、空間衛(wèi)星部分（1）GPS衛(wèi)星星座。設(shè)計(jì)星座：213，即21顆正式的工作衛(wèi)星加3顆活動(dòng)的備用衛(wèi)星。6個(gè)軌道面，平均軌道高度20200km，軌道傾角55，周期11h58min（顧及地球自轉(zhuǎn)，地球與衛(wèi)星的幾何關(guān)系每天提前4min重復(fù)一次）。保證在24h，在高度角15以上，能夠同時(shí)觀測(cè)到48顆衛(wèi)星。（2）GPS衛(wèi)星。GPS衛(wèi)星的作用是發(fā)送用于導(dǎo)航定位的信號(hào)等。主要設(shè)備是原子鐘（2臺(tái)銫鐘、2臺(tái)銣鐘）、信號(hào)生成與發(fā)射裝置。類型有試驗(yàn)衛(wèi)星B

2、1oCk I和工作衛(wèi)星BloCk。（3）GPS衛(wèi)星由洛克韋爾國(guó)際公司空間部研制。衛(wèi)星重774kg（包括310kg燃料），采用鋁蜂巢結(jié)構(gòu)，主體呈柱形，直徑為l。5m。星體兩側(cè)裝有兩塊雙葉對(duì)日定向太陽能電池帆板，全長(zhǎng)5.33m，接受日光面積7.2。對(duì)日定向系統(tǒng)控制兩翼帆板旋轉(zhuǎn)，使板面始終對(duì)準(zhǔn)太陽，為衛(wèi)星不斷提供電力，并給三組15AH鎘鎳蓄電池充電，以保證衛(wèi)星在地影區(qū)能正常工作。在星體底部裝有多波束定向天線，這是一種由12個(gè)單元構(gòu)成的成形波束螺旋天線陣，能發(fā)射L，和L。波段的信號(hào)，其波束方向圖能覆蓋約半個(gè)地球。在星體兩端面上裝有全向遙測(cè)遙控天線，用于與地面監(jiān)控網(wǎng)通信。此外，衛(wèi)星上還裝有姿態(tài)控制系統(tǒng)和

3、軌道控制系統(tǒng)。工作衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命為7年。從試驗(yàn)衛(wèi)星的工作情況看，一般都能超過或遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)壽命。第一代衛(wèi)星現(xiàn)已停止工作。第二代衛(wèi)星用于組成GPS工作衛(wèi)星星座，通常稱為GPS工作衛(wèi)星。BloCkA的功能比BloCk大大增強(qiáng)，表現(xiàn)在軍事功能和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量。BloCk只能存儲(chǔ)供45天用的導(dǎo)航電文，而BloCkA則能夠存儲(chǔ)供180天用的導(dǎo)航電文，以確保在特殊情況下使用GPS衛(wèi)星。第三代衛(wèi)星尚在設(shè)計(jì)中，以取代第二代衛(wèi)星，改善全球定位系統(tǒng)。其特點(diǎn)是：可對(duì)自己進(jìn)行自主導(dǎo)航；每顆衛(wèi)星將使用星載處理器，計(jì)算導(dǎo)航參數(shù)的修正值，改善導(dǎo)航精度，增強(qiáng)自主能力和生存能力。據(jù)報(bào)道，該衛(wèi)星在沒有與地面聯(lián)系的情況下可以工作6個(gè)

4、月，而其精度可與有地面控制時(shí)的精度相當(dāng)。2、地面監(jiān)控部分（1）地面監(jiān)控部分的分布。1）主控站1個(gè)，地點(diǎn)在美國(guó)科羅拉多州法爾孔空軍基地。2）監(jiān)測(cè)站5個(gè)，分別在夏威夷、美國(guó)科羅拉多州法爾孔空軍基地、阿松森群島（大西洋）、迪戈加西亞（印度洋）和卡瓦加蘭（太平洋）。3）注入站3個(gè)，分別在阿松森群島（大西洋）、迪戈加西亞（印度洋）和卡瓦加蘭（太平洋）。（2）監(jiān)控部分的作用。1）主控站的作用是收集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)測(cè)與協(xié)調(diào)和控制衛(wèi)星。2）監(jiān)測(cè)站的作用是根據(jù)其接收到的衛(wèi)星擴(kuò)頻信號(hào)求出相對(duì)于其原子鐘的偽距和偽距差，檢測(cè)出所測(cè)衛(wèi)星的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)。利用環(huán)境傳感器測(cè)出當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)。然后將算得的偽距、導(dǎo)航數(shù)據(jù)、氣象

5、數(shù)據(jù)及衛(wèi)星狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送給主控站，供主控站使用。3）注入站的作用作用是將主控站需傳輸給衛(wèi)星的資料以既定的方式注入到衛(wèi)星存儲(chǔ)器中，供衛(wèi)星向用戶發(fā)送。3、用戶接收部分用戶接收部分的基本設(shè)備就是GPS信號(hào)接收機(jī)、機(jī)內(nèi)軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包。其作用是接收、跟蹤、變換和測(cè)量GPS衛(wèi)星所發(fā)射的GPS信號(hào)，以達(dá)到導(dǎo)航和定位的目的。GPS信號(hào)接收機(jī)的任務(wù)是：跟蹤可見衛(wèi)星的運(yùn)行，捕獲一定衛(wèi)星高度截至角的待測(cè)衛(wèi)星信號(hào)，并對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，測(cè)量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，實(shí)時(shí)地計(jì)算出測(cè)站的三維位置、三維速度和時(shí)間。靜態(tài)定位中，GPS接收機(jī)在捕獲

6、和跟蹤GPS衛(wèi)星的過程中固定不變，接收機(jī)高精度地測(cè)量GPS信號(hào)的傳播時(shí)間，利用GPS衛(wèi)星在軌的已知位置，解算出接收機(jī)天線所在位置的三維坐標(biāo)。而動(dòng)態(tài)定位則是用GPS接收機(jī)測(cè)定一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。載體上的GPS接收機(jī)天線在跟蹤GPS衛(wèi)星的過程中相對(duì)地球而運(yùn)動(dòng)，接收機(jī)用GPS信號(hào)實(shí)時(shí)地測(cè)得運(yùn)動(dòng)載體的瞬間三維位置和三維速度。近年來，國(guó)內(nèi)引進(jìn)了許多類型的GPS測(cè)地型接收機(jī)。各種類型的GPS測(cè)地型接收機(jī)用于精度相對(duì)定位時(shí)，其雙頻接收機(jī)精度可達(dá)5mm+1ppmD（D為距離，單位為km，下同），單頻接收機(jī)在一定距離內(nèi)精度可達(dá)10mm+1ppmD，用于差分定位時(shí)精度可達(dá)亞米級(jí)至厘米級(jí)。目前，各種類型的GPS

7、信號(hào)接收機(jī)體積越來越小，質(zhì)量越來越輕，便于野外觀測(cè)。二、技術(shù)特點(diǎn)GPS可為各類用戶連續(xù)提供動(dòng)態(tài)目標(biāo)的三維位置、三維速度及時(shí)間信息。GPS測(cè)量主要特點(diǎn)如下。1、功能多、用途廣GPS系統(tǒng)不僅可以用于測(cè)量、導(dǎo)航，還可以用于測(cè)速、測(cè)時(shí)。測(cè)速的精度可達(dá)0.1m/s，測(cè)時(shí)的速度可達(dá)幾十毫微妙。其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。2、定位精度高大量的實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用表明，用載波相位觀測(cè)量進(jìn)行靜態(tài)相對(duì)定位，在小于50km的基線上，相對(duì)定位精度可達(dá)110。210。，而在100500km的基線上可達(dá)10 s10，。隨著觀測(cè)技術(shù)與數(shù)據(jù)處理方法的改善，可望在大于1000km的距離上，相對(duì)定位精度達(dá)到或優(yōu)于10。在實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位（RTK）

8、和實(shí)時(shí)差分定位（RTD）方面，定位精度可達(dá)到厘米級(jí)和分米級(jí)，能滿足各種工程測(cè)量的要求。其精度如表6-1所示。隨著GPS定位技術(shù)及數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，其精度還將進(jìn)一步提高。3、實(shí)時(shí)定位利用全球定位系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航，即可實(shí)時(shí)確定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的三維位置和速度，可實(shí)時(shí)保障運(yùn)動(dòng)載體沿預(yù)定航線運(yùn)行，亦可選擇最佳路線。特別是對(duì)軍事上動(dòng)態(tài)目標(biāo)的導(dǎo)航，具有十分重要的意義。4、觀測(cè)時(shí)間短目前，利用經(jīng)典的靜態(tài)相對(duì)定位模式，觀測(cè)20km以內(nèi)的基線所需觀測(cè)時(shí)問，對(duì)于單頻接收機(jī)在1h左右，對(duì)于雙頻接收機(jī)僅需1520min。采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位模式，流動(dòng)站初始化觀測(cè)15min后，并可隨時(shí)定位，每站觀測(cè)僅需幾秒鐘。利用GPS技術(shù)建立控制

9、網(wǎng)，可縮短觀測(cè)時(shí)間，提高作業(yè)效益。5、觀測(cè)站之間無需通視經(jīng)典測(cè)量技術(shù)需要保持良好的通視條件，又要保障測(cè)量控制網(wǎng)的良好圖形結(jié)構(gòu)。而GPS測(cè)量只要求測(cè)站15。以上的空間視野開闊，與衛(wèi)星保持通視即可，并不需要觀測(cè)站之間相互通視，因而不再需要建造覘標(biāo)。這一優(yōu)點(diǎn)即可大大減少測(cè)量工作的經(jīng)費(fèi)和時(shí)間（一般造標(biāo)費(fèi)用約占總經(jīng)費(fèi)的3050）。同時(shí)，也使選點(diǎn)工作變得非常靈活，完全可以根據(jù)工作的需要來確定點(diǎn)位，可通視也使電位的選擇變得更靈活，可省去經(jīng)典測(cè)量中的傳算點(diǎn)、過渡點(diǎn)的測(cè)量工作。不過也應(yīng)指出，GPS測(cè)量雖然不要求觀測(cè)站之間相互通視，但為了方便用常規(guī)方法聯(lián)測(cè)的需要，在布設(shè)GPS點(diǎn)時(shí)，應(yīng)該保證至少一個(gè)方向通視。6、操

10、作簡(jiǎn)便GPS測(cè)量的自動(dòng)化程度很高。對(duì)于“智能型”接收機(jī)，在觀測(cè)中測(cè)量員的主要任務(wù)只是安裝并開關(guān)儀器、量取天線高、采集環(huán)境的氣象數(shù)據(jù)、監(jiān)視儀器的工作狀態(tài)，而其他工作，如衛(wèi)星的捕獲、跟蹤觀測(cè)和記錄等均由儀器自動(dòng)完成。結(jié)束觀測(cè)時(shí)，僅需關(guān)閉電源，收好接收機(jī)，便完成野外數(shù)據(jù)采集任務(wù)。 .如果在一個(gè)測(cè)站上需要作較長(zhǎng)時(shí)問的連續(xù)觀測(cè)，還可實(shí)行無人值守的數(shù)據(jù)采集，通過網(wǎng)絡(luò)或其他通信方式，將所采集的觀測(cè)數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理中心，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采集與處理。GPS用戶接收機(jī)一般重量較輕、體積較小?，F(xiàn)在有許多GPS接收機(jī)是天線、主機(jī)、電源組合在一起的一體機(jī)，白化程度較高，野外測(cè)量時(shí)僅“一鍵”開關(guān)，攜帶和搬運(yùn)都很方便。

11、7、可提供全球統(tǒng)一的三維地心坐標(biāo)經(jīng)典大地測(cè)量將平面和高程采用不同方法分別施測(cè)。GPS測(cè)量中，在精確測(cè)定觀測(cè)站平面位置的同時(shí)，可以精確測(cè)量觀測(cè)站的大地高程。GPS測(cè)量的這一特點(diǎn)，不僅為研究大地水準(zhǔn)面的形狀和確定地面點(diǎn)的高程開辟了新途徑，同時(shí)也為其在航空物探、航空攝影測(cè)量及精密導(dǎo)航中的應(yīng)用，提供了重要的高程數(shù)據(jù)。GPS定位是在全球統(tǒng)一的WGS一84坐標(biāo)系統(tǒng)中計(jì)算的，因此全球不同點(diǎn)的測(cè)量成果是相互關(guān)聯(lián)的。8、全球全天候作業(yè)GPS衛(wèi)星較多，且分布均勻，保證了全球地面被連續(xù)覆蓋，使得在地球上任何地點(diǎn)、任何時(shí)候進(jìn)行預(yù)觀測(cè)工作，通常情況下，除雷雨天氣不宜觀測(cè)，一般不受天氣狀況的影響。因此，GPS定位技術(shù)的發(fā)

12、展是對(duì)經(jīng)典測(cè)量技術(shù)的一次重大突破。第二節(jié) 控制網(wǎng)設(shè)計(jì)GPS測(cè)量工作與經(jīng)典測(cè)量工作相類似，按其性質(zhì)可分為外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩大部分。其中，外業(yè)工作主要包括選點(diǎn)、建立測(cè)站標(biāo)志、野外觀測(cè)作業(yè)以及成果質(zhì)量檢核等；內(nèi)業(yè)工作主要包括GPS測(cè)量的技術(shù)設(shè)計(jì)、測(cè)后數(shù)據(jù)處理及技術(shù)總結(jié)等?？刂凭W(wǎng)設(shè)計(jì)包括控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)依據(jù)、設(shè)計(jì)精度和設(shè)計(jì)網(wǎng)形。一、GPS網(wǎng)技術(shù)1、GPS網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)的原則技術(shù)設(shè)計(jì)是建立GPS控制網(wǎng)的第一步，也是確保GPS網(wǎng)在滿足準(zhǔn)確、可靠、經(jīng)濟(jì)的前提下，滿足建設(shè)需要的關(guān)鍵性工作。GPS網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下基本原則，即確定適宜的精度標(biāo)準(zhǔn)，選取適用的測(cè)量基準(zhǔn)，嚴(yán)格按照相應(yīng)的規(guī)范要求選點(diǎn)并設(shè)置點(diǎn)位標(biāo)志。（1）、精度確定

13、根據(jù)網(wǎng)的用途及工程控制的精度要求確定GPS網(wǎng)測(cè)量的相應(yīng)精度等級(jí)，精度等級(jí)的劃分應(yīng)參照相應(yīng)行業(yè)的GPS測(cè)量規(guī)范。（2）、選點(diǎn)與埋設(shè)GPS點(diǎn)位選擇的好壞，對(duì)于GPs觀測(cè)工作的順利進(jìn)行和結(jié)果的可靠性有著重要的影響，因此，在實(shí)地選點(diǎn)前應(yīng)根據(jù)測(cè)量任務(wù)的目的和測(cè)區(qū)情況等，收集測(cè)區(qū)已有各類控制點(diǎn)和地形圖等資料，以便于選點(diǎn)工作。在選點(diǎn)時(shí)應(yīng)遵循以下原則：點(diǎn)位周圍應(yīng)便于安置接收設(shè)備，視野開闊視場(chǎng)內(nèi)障礙物的高度角不宜超過15。點(diǎn)位應(yīng)遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源（如電視臺(tái)、電臺(tái)微波站等）及電壓輸電線和微波無線電信號(hào)傳送通道，以避免周圍磁場(chǎng)對(duì)GPS信號(hào)的干擾；點(diǎn)位周圍不應(yīng)有強(qiáng)烈反射衛(wèi)星信號(hào)的物體（如大型建筑物等）；點(diǎn)位應(yīng)選在

14、交通方便，并有利于用其他測(cè)量手段擴(kuò)展和聯(lián)測(cè)，以提高作業(yè)效率；點(diǎn)位應(yīng)選在地面基礎(chǔ)穩(wěn)固的地方，以利于點(diǎn)位的保存；點(diǎn)位的埋設(shè)宜用混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑的形式埋設(shè)為不銹鋼標(biāo)志，埋深應(yīng)在當(dāng)?shù)赜谰脙鐾翆右韵?.3米，樁面注記字體應(yīng)朝向正北。2、GPS網(wǎng)構(gòu)成的概念觀測(cè)時(shí)段：測(cè)站上開始接收衛(wèi)星信號(hào)到觀測(cè)停止，連續(xù)工作的時(shí)間段，簡(jiǎn)稱時(shí)段。同步觀測(cè)：兩臺(tái)或兩臺(tái)以上接收機(jī)同時(shí)對(duì)同一組衛(wèi)星進(jìn)行的觀測(cè)。同步觀測(cè)環(huán)：三臺(tái)或三臺(tái)以上接收機(jī)同步觀測(cè)獲得的基線向量所構(gòu)成的閉合環(huán)，簡(jiǎn)稱同步環(huán)。獨(dú)立觀測(cè)環(huán)：由獨(dú)立觀測(cè)所獲得的基線向量構(gòu)成的閉合環(huán)，簡(jiǎn)稱獨(dú)立環(huán)。異步觀測(cè)環(huán)：在構(gòu)成多邊形環(huán)路的所有基線向量中，只要有非同步觀測(cè)基線向量，則該多邊形

15、環(huán)路叫異步觀測(cè)環(huán)，簡(jiǎn)稱異步環(huán)。獨(dú)立基線：對(duì)于N臺(tái)GPS接收機(jī)構(gòu)成的同步觀測(cè)環(huán)，獨(dú)立基線數(shù)為Nl。非獨(dú)立基線：除獨(dú)立基線外的其他基線叫非獨(dú)立基線，總基線數(shù)與獨(dú)立基線數(shù)之差即為非獨(dú)立基線數(shù)。理論上，同步閉合環(huán)中各基線向量的坐標(biāo)差之和（即閉合差）應(yīng)為零，但由于有時(shí)各臺(tái)GPS接收機(jī)并不是嚴(yán)格同步，同步閉合環(huán)的閉合差并不等于零。有的GPS規(guī)范規(guī)定了同步閉合差的限差，對(duì)于同步較好的情況，應(yīng)遵守此限差的要求，但當(dāng)由于某種原因，同步不是很好時(shí)，應(yīng)適當(dāng)放寬此項(xiàng)限差。高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范已經(jīng)對(duì)此不作規(guī)定。當(dāng)同步閉合環(huán)的閉合差較小時(shí)，通常只能說明GPS基線向量的計(jì)算合格，并不能說明GPS基線的觀測(cè)精度高，也不能發(fā)現(xiàn)

16、接收的信號(hào)受到干擾而產(chǎn)生的某些粗差。為了確保GPS觀測(cè)效果的可靠性，有效地發(fā)現(xiàn)觀測(cè)成果中的粗差，必須使GPS網(wǎng)中的獨(dú)立基線構(gòu)成一定的幾何圖形稱獨(dú)立觀測(cè)環(huán)。GPS控制網(wǎng)的圖形也應(yīng)該由一個(gè)或若干個(gè)獨(dú)立觀測(cè)環(huán)構(gòu)成。GPS構(gòu)網(wǎng)的基本圖形可分為：三角形網(wǎng)、環(huán)形網(wǎng)、星形網(wǎng)。3、GPS網(wǎng)的基準(zhǔn)GPS測(cè)量獲得的GPS基線向量，是屬于WGS一84坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)差，而實(shí)際上我們需要的是國(guó)家坐標(biāo)系或地方獨(dú)立坐標(biāo)系中的坐標(biāo)成果。因此，在進(jìn)行GPS網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，必須明確GPS成果所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)和起算數(shù)據(jù)，即明確GPS網(wǎng)所采用的基準(zhǔn)。GPS網(wǎng)的基準(zhǔn)包括網(wǎng)的位置基準(zhǔn)、方位基準(zhǔn)和尺度基準(zhǔn)。一般來說，方位基準(zhǔn)以給定的起算

17、方位角值來確定，或者由GPS基線向量的方位作為方位基準(zhǔn)；尺度基準(zhǔn)由起算點(diǎn)間的距離確定，或者由地面的電磁波測(cè)距邊確定，也可以由GPS基線向量的距離確定；GPS網(wǎng)的位置基準(zhǔn)，一般是由給定的起算點(diǎn)坐標(biāo)值及其精度確定。為求定GPS點(diǎn)在地面坐標(biāo)系的坐標(biāo)，應(yīng)在地面坐標(biāo)系中選定起算數(shù)據(jù)。在選擇起算點(diǎn)時(shí)，既要考慮充分利用舊資料，又要使新建的GPS網(wǎng)不受舊資料精度較低的影響。在高速鐵路控制網(wǎng)的布設(shè)中，每隔一定間距應(yīng)聯(lián)測(cè)高等級(jí)平面控制點(diǎn)，但沿線國(guó)家高級(jí)控制點(diǎn)之間精度較低，基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)CP I經(jīng)國(guó)家點(diǎn)約束后使高精度的CP I控制網(wǎng)發(fā)生扭曲變形，大大降低了CP I控制點(diǎn)間的相對(duì)精度，部分地段經(jīng)國(guó)家點(diǎn)約束后的CP I

18、控制點(diǎn)間甚至不能滿足1/180 000的要求。因此，高速鐵路平面控制測(cè)量首先采用GPS精密定位測(cè)量方法建立高精度的框架控制網(wǎng)CP0，作為高速鐵路平面控制測(cè)量的起算基準(zhǔn)，也為平面控制網(wǎng)復(fù)測(cè)提供了基準(zhǔn)。GPS網(wǎng)的位置基準(zhǔn)，可選取以下方法之一：（1）選取網(wǎng)中一點(diǎn)的坐標(biāo)值并給定其方位角（一點(diǎn)一方向）；（2）在網(wǎng)中選若干點(diǎn)的坐標(biāo)值并加以固定；（3）選網(wǎng)中若干點(diǎn)（直至全部點(diǎn)）的坐標(biāo)值，并給以適當(dāng)?shù)臋?quán)。約束平差在確定網(wǎng)的位置基準(zhǔn)的同時(shí)，對(duì)GPS網(wǎng)的方向和尺度也會(huì)產(chǎn)生影響，當(dāng)網(wǎng)中已知點(diǎn)的坐標(biāo)含有較大的誤差，或其權(quán)難以可靠地確定時(shí)，將會(huì)對(duì)網(wǎng)的定向與尺度產(chǎn)生不利的影響，例如前面所講的高速鐵路CP I控制網(wǎng)的約束平

19、差。因此，對(duì)于一個(gè)大范圍的GPS網(wǎng)，在具有一組分布適宜的、高精度的已知點(diǎn)時(shí)（CP0框架控制網(wǎng)），為改善GPS網(wǎng)的定向和尺度，約束平差法才具有重要意義。在一般情況下，對(duì)于一些區(qū)域性的GPS網(wǎng)，如橋梁和隧道工程GPS網(wǎng)，其是否精確地位于地心坐標(biāo)系統(tǒng)，并不特別重要，因而，這時(shí)多采用固定一點(diǎn)的坐標(biāo)及其方位角的經(jīng)典自由網(wǎng)平差法為宜（一點(diǎn)一方向平差）。4、設(shè)計(jì)網(wǎng)形布設(shè)GPS控制網(wǎng)的觀測(cè)作業(yè)方式主要以下幾種：點(diǎn)連式、邊連式、網(wǎng)連式和混連式：（1）、點(diǎn)連式所謂點(diǎn)連式就是在觀測(cè)作業(yè)時(shí)，相鄰的同步圖形間只通過一個(gè)公共點(diǎn)相連（見圖6.3）。這樣，當(dāng)有m臺(tái)儀器共同作業(yè)時(shí)，每觀測(cè)一個(gè)時(shí)段，就可以測(cè)得m一1個(gè)新點(diǎn)，當(dāng)這些

20、儀器觀測(cè)了s個(gè)時(shí)段后.就可以測(cè)得S（m一1）+1個(gè)點(diǎn)。點(diǎn)連式觀測(cè)作業(yè)方式的優(yōu)點(diǎn)是作業(yè)效率高，圖形擴(kuò)展迅速；它的缺點(diǎn)是圖形強(qiáng)度低，如果連接點(diǎn)發(fā)生問題，將影響到后面的同步圖形。（2）、邊連式所謂邊連式就是在觀測(cè)作業(yè)時(shí)，相鄰的同步圖形間有一條邊（即兩個(gè)公共點(diǎn)）相連見圖6.4）。這樣，當(dāng)有m臺(tái)儀器共同同作業(yè)時(shí)，每觀測(cè)一個(gè)時(shí)段，就可以測(cè)得m一2個(gè)新點(diǎn)，當(dāng)這些儀器觀測(cè)觀測(cè)了S個(gè)時(shí)段后，就可以測(cè)得S（m一2）+2個(gè)點(diǎn)。邊連式觀測(cè)作業(yè)方式具有較好的圖形強(qiáng)度和較高的作業(yè)效率。（3）、網(wǎng)連式所謂網(wǎng)連式就是在作業(yè)時(shí)，相鄰的同步圖形問有3個(gè)（含3個(gè)）以上的公共點(diǎn)相連見圖6.5）。這樣，當(dāng)有m臺(tái)儀器共同作業(yè)時(shí)，每觀測(cè)一

21、個(gè)時(shí)段，就可以測(cè)得m一k個(gè)新點(diǎn)，當(dāng)這些儀器觀測(cè)了s個(gè)時(shí)段后，就可以測(cè)得k+s（m一k）個(gè)點(diǎn)。采用網(wǎng)連式觀測(cè)作業(yè)方式所測(cè)設(shè)的GPS網(wǎng)具有很強(qiáng)的圖形強(qiáng)度，但網(wǎng)連式觀測(cè)作業(yè)了式的作業(yè)效率很低，（4）、混連式在實(shí)際的GPS作業(yè)中，一般并不是采用單獨(dú)上面介紹的某一種觀測(cè)作業(yè)模式，而是根據(jù)具體情況，有選擇的靈活采用這幾種方式作業(yè)，這種觀測(cè)作業(yè)方式就是混連式。他實(shí)際上是點(diǎn)連式、邊連式和網(wǎng)連式的結(jié)合體。觀測(cè)工作，或數(shù)據(jù)采集，是GPS測(cè)量的主要外業(yè)工作，所以，當(dāng)觀測(cè)工作開始之前，仔細(xì)地?cái)M定觀測(cè)計(jì)劃，對(duì)于順利地完成觀測(cè)任務(wù)，保障測(cè)量成果的精度，提高效益是極為重要的。擬定觀測(cè)計(jì)劃的依據(jù)是：GPS網(wǎng)的布設(shè)方案，規(guī)模大

22、小，精度要求，GPS衛(wèi)星星座，參加作業(yè)的GPS接收機(jī)數(shù)量以及后勤保障條件（運(yùn)輸、通信）等。觀測(cè)計(jì)劃的主要內(nèi)容應(yīng)包括：GPS衛(wèi)星的可見性圖及最佳觀測(cè)時(shí)間的選擇，采用的接收機(jī)類型和數(shù)量，觀測(cè)區(qū)的劃分和觀測(cè)工作的進(jìn)程以及接收機(jī)的高度計(jì)劃等。第三節(jié) 外業(yè)測(cè)量一、測(cè)量外業(yè)工作1、觀測(cè)計(jì)劃觀測(cè)工作或數(shù)據(jù)采集，是GPS測(cè)量的主要外業(yè)工作，所以，當(dāng)觀測(cè)工作開始之前，仔細(xì)地?cái)M定觀測(cè)計(jì)劃，對(duì)于順利地完成觀測(cè)任務(wù)，保障測(cè)量成果的精度，提高效益是極為重要的。擬定觀測(cè)計(jì)劃的依據(jù)是：GPS網(wǎng)的布設(shè)方案，規(guī)模大小，精度要求，GPS衛(wèi)星星座，參加作業(yè)的GPS接收機(jī)數(shù)量以及后勤保障條件（運(yùn)輸、通信）等。觀測(cè)計(jì)劃的主要內(nèi)容應(yīng)包括

23、：GPS衛(wèi)星的可見性圖及最佳觀測(cè)時(shí)間的選擇，采用的接收機(jī)類型和數(shù)量，觀測(cè)區(qū)的劃分和觀測(cè)工作的進(jìn)程以及接收機(jī)的高度計(jì)劃等。2、野外觀測(cè)外業(yè)觀測(cè)的工作量，與用戶的要求精度和采用的接收機(jī)類型和數(shù)量，以及作業(yè)模式等因素有關(guān)。GPS網(wǎng)觀測(cè)工作量的設(shè)計(jì)，除要考慮觀測(cè)工作的效率外，還必須保證網(wǎng)的精度和可靠性。當(dāng)參加作業(yè)的接收機(jī)數(shù)為ki，則每一時(shí)段可得觀測(cè)基線向量數(shù)為ki（ki一1）/2。其中包括獨(dú)立觀測(cè)向量數(shù)（ki一1）和多余觀測(cè)向量數(shù)（ki一1）（ki一2）/2。因?yàn)樵黾佣嘤嘤^測(cè)量，會(huì)提高網(wǎng)的可靠性，所以，作業(yè)中適當(dāng)增加接收機(jī)的數(shù)量，不僅會(huì)提高工作效率，同時(shí)也將明顯地增加多余觀測(cè)量。另外，為了有助于外業(yè)觀

24、測(cè)數(shù)據(jù)的檢核，增加可靠性，通常根據(jù)不同的精度要求，基線測(cè)量中，同步觀測(cè)的時(shí)段數(shù)以及時(shí)段的長(zhǎng)度有不同的要求。在外業(yè)觀測(cè)中，儀器操作人員應(yīng)注意以下事項(xiàng)：（1）當(dāng)確認(rèn)外接電源電纜及天線等各項(xiàng)連接完全無誤后，方可接通電源，啟動(dòng)接收機(jī)。（2）開機(jī)后接收機(jī)有關(guān)指示顯示正常并通過自檢后，方能輸入有關(guān)測(cè)站和時(shí)段控制信息。（3）接收機(jī)在開始記錄數(shù)據(jù)后，應(yīng)注意查看有關(guān)觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)量、衛(wèi)星號(hào)、相位測(cè)量殘差、實(shí)時(shí)定位結(jié)果及其變化、存儲(chǔ)介質(zhì)記錄等情況。（4）一個(gè)時(shí)段觀測(cè)過程中，不允許進(jìn)行以下操作：關(guān)閉又重新啟動(dòng);進(jìn)行自測(cè)試（發(fā)現(xiàn)故障除外）；改變衛(wèi)星高度角設(shè)置；改變天線位置；改變數(shù)據(jù)采樣間隔；按動(dòng)關(guān)閉文件和刪除文件等功能鍵

25、。（5）需要記錄氣象要素時(shí)，在每一觀測(cè)時(shí)段始、中、末要各觀測(cè)記錄一次，當(dāng)時(shí)段較長(zhǎng)時(shí)可適當(dāng)增加觀測(cè)次數(shù)。（6）在觀測(cè)過程中要特別注意供電情況，除在出測(cè)前認(rèn)真檢查電池容量是否充足外，作業(yè)中觀測(cè)人員不要遠(yuǎn)離接收機(jī)，聽到儀器的低電壓報(bào)警要及時(shí)予以處理，否則可能會(huì)造成儀器內(nèi)部數(shù)據(jù)的破壞或丟失。對(duì)觀測(cè)時(shí)段較長(zhǎng)的觀測(cè)工作，建議盡量采用太陽能電池板或汽車電瓶進(jìn)行供電。（7）儀器高一定要按規(guī)定始、末各量測(cè)一次，并及時(shí)輸入儀器及記入測(cè)量手簿之中。（8）接收機(jī)在觀測(cè)過程中不要靠近接收機(jī)使用對(duì)講機(jī)；雷雨季節(jié)架設(shè)天線要防止雷擊，雷雨過境時(shí)應(yīng)關(guān)機(jī)停測(cè)，并卸下天線。（9）觀測(cè)站的全部預(yù)定作業(yè)項(xiàng)目，經(jīng)檢查均己按規(guī)定完成，且記

26、錄與資料完整無誤后方可遷站。（10）觀測(cè)過程中要隨時(shí)查看儀器內(nèi)存或硬盤容量，每日觀測(cè)結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至計(jì)算機(jī)硬、軟盤上，確保觀測(cè)數(shù)據(jù)不丟失。3、觀測(cè)記錄在外業(yè)觀測(cè)工作中，所有信息資料均須妥善記錄。記錄形式主要有以下兩種：（1）觀測(cè)記錄。觀測(cè)記錄由GPS接收機(jī)自動(dòng)進(jìn)行，均記錄在存儲(chǔ)介質(zhì)（如硬盤、硬卡或記憶卡等）上，其主要內(nèi)容有：載波相位觀測(cè)值及相應(yīng)的觀測(cè)歷元；同一歷元的測(cè)碼偽距觀測(cè)值；GPS衛(wèi)星星歷及衛(wèi)星鐘差參數(shù)；實(shí)時(shí)絕對(duì)定位結(jié)果；測(cè)站控制信息及接收機(jī)工作狀態(tài)信息。（2）測(cè)量手簿。測(cè)量手簿是在接收機(jī)啟動(dòng)前及觀測(cè)過程中，由觀測(cè)者隨時(shí)填寫的。其記錄格式在現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)程中略有差別，視具體工作內(nèi)

27、容選擇進(jìn)行。觀測(cè)記錄和測(cè)量手簿都是GPS精密定位的依據(jù)，必須認(rèn)真、及時(shí)填寫，堅(jiān)決杜絕事后補(bǔ)記或追記。外業(yè)觀測(cè)中存儲(chǔ)介質(zhì)上的數(shù)據(jù)文件應(yīng)及時(shí)拷貝一式兩份，分別保存在專人保管的防水、防靜電的資料箱內(nèi)。存儲(chǔ)介質(zhì)的外面，適當(dāng)處應(yīng)貼制標(biāo)簽，注明文件名、網(wǎng)區(qū)名、點(diǎn)名、時(shí)段名、采集日期、測(cè)量手簿編號(hào)等。接收機(jī)內(nèi)存數(shù)據(jù)文件在轉(zhuǎn)錄到外存介質(zhì)上時(shí)，不得進(jìn)行任何剔除或刪改，不得調(diào)用任何對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)施重新加工組合的操作指令。4、數(shù)據(jù)預(yù)處理數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件是GPS接收設(shè)備的重要組成部分。對(duì)其所具有的功能，一般是通過實(shí)測(cè)的計(jì)算工作來進(jìn)行檢驗(yàn)的。對(duì)測(cè)量型GPS接收機(jī)，其主要檢驗(yàn)內(nèi)容包括：衛(wèi)星預(yù)報(bào)及觀測(cè)計(jì)劃擬定功能的檢驗(yàn)；靜態(tài)定位軟

28、件和網(wǎng)平差軟件功能的檢驗(yàn)；快速靜態(tài)定位軟件和實(shí)時(shí)定位軟件功能的檢驗(yàn)等，并且通過上述檢驗(yàn)，在數(shù)據(jù)處理的精度，使用的自動(dòng)化水平，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的篩選，周跳的判別與修復(fù)，整周未知數(shù)的解算能力以及網(wǎng)平差的功能等方面，對(duì)數(shù)據(jù)作出評(píng)價(jià)。二、測(cè)量數(shù)據(jù)處理每一個(gè)廠商所生產(chǎn)的接收機(jī)都會(huì)配備相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件，它們?cè)谑褂梅椒ㄉ隙紩?huì)有各自不同的特點(diǎn)。但是，無論是哪種軟件，它們?cè)谑褂貌襟E上卻是大體相同的。GPS數(shù)據(jù)處理的過程依次為：原始觀測(cè)數(shù)據(jù)讀入、外業(yè)輸入數(shù)據(jù)檢查與修改、基線解算控制參數(shù)、基線解算、基線質(zhì)量檢驗(yàn)。1、原始觀測(cè)數(shù)據(jù)讀入在進(jìn)行基線解算時(shí)，首先需要讀取原始的GPS觀測(cè)值數(shù)據(jù)。一般說來，各接收機(jī)廠商隨接收機(jī)一起

29、提供的數(shù)據(jù)處理軟件都可以直接處理從接收機(jī)中傳輸出來的GPS原始觀測(cè)值數(shù)據(jù)，而由第三方所開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件則不一定能對(duì)各接收機(jī)的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，要處理這些數(shù)據(jù)，首先需要進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。目前，最常用的格式是RINEX格式.對(duì)于按此種格式存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，大部分的數(shù)據(jù)處理軟件都能直接處理。2、外業(yè)輸入數(shù)據(jù)檢查與修改在讀入了GPS觀測(cè)值數(shù)據(jù)后，就需要對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的檢查，檢查的項(xiàng)目包括測(cè)站名、點(diǎn)號(hào)、測(cè)站坐標(biāo)、天線高等。對(duì)這些項(xiàng)目進(jìn)行檢查的目的，是為了避免外業(yè)操作時(shí)的失誤操作。3、基線解算控制參數(shù)基線解算的控制參數(shù)用以確定數(shù)據(jù)處理軟件采用何種處理方法來進(jìn)行基線解算，設(shè)定基線解算的控制參數(shù)是基線解算時(shí)的

30、一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，通過控制參數(shù)的設(shè)定，可以實(shí)現(xiàn)基線的精化處理。4、基線解算基線解算的過程一般是自動(dòng)進(jìn)行的，無需過多的人工干預(yù)。5、基線質(zhì)量檢驗(yàn)基線解算完畢后，基線結(jié)果并不能馬上用于后續(xù)的處理，還必須對(duì)基線的質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，只有質(zhì)量合格的基線才能用于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，如果不合格，則需要對(duì)基線進(jìn)行重新解算或重新測(cè)量。基線的質(zhì)量檢驗(yàn)需要通過數(shù)據(jù)刪除率、RATIO、RDOP、RMs、同步環(huán)閉和差、異步環(huán)閉和差和重復(fù)基線較差等來進(jìn)行。6、GPS網(wǎng)平差（1）提取基線向量要進(jìn)行GPS網(wǎng)平差，首先必須提取基線向量，構(gòu)建GPS基線向量網(wǎng)。提取基線向量時(shí)需要遵循以下幾項(xiàng)原則：必須選取相互獨(dú)立的基線，若選取了不相互獨(dú)

31、立的基線，則平差結(jié)果會(huì)與真實(shí)的情況不相符合。所選取的基線應(yīng)構(gòu)成閉合的幾何圖形。選取質(zhì)量好的基線向量，基線質(zhì)量的好壞，可以依據(jù)同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差和重復(fù)基線較差來判定。選取能構(gòu)成邊數(shù)較少的異步環(huán)的基線向量。選取邊長(zhǎng)較短的基線向量。（2）三維無約束平差在構(gòu)成了GPS基線向量網(wǎng)后，需要進(jìn)行GPS網(wǎng)的三維無約束平差，通過無約束平差主要達(dá)到以下幾個(gè)目的：根據(jù)無約束平差的結(jié)果，判別在所構(gòu)成的GPS網(wǎng)中是否有粗差基線，如發(fā)現(xiàn)含有粗差的基線，需要進(jìn)行相應(yīng)的處理，必須使得最后用于構(gòu)網(wǎng)的所有基線向量均滿足質(zhì)量要求。調(diào)整各基線向量觀測(cè)值的權(quán)，使得它們相互匹配。（3） 約束平差或聯(lián)合平差在進(jìn)行完三維無約束平差后

32、，需要進(jìn)行約束平差或聯(lián)合平差，平差可根據(jù)需要在三維空問進(jìn)行或二維空間中進(jìn)行。約束平差的具體步驟是：指定進(jìn)行平差的基準(zhǔn)和坐標(biāo)系統(tǒng)。指定起算數(shù)據(jù)。檢驗(yàn)約束條件的質(zhì)量。進(jìn)行平差解算。（4） 質(zhì)量分析與控制在這一步，進(jìn)行GPS網(wǎng)質(zhì)量的評(píng)定，在評(píng)定時(shí)可以采用基線向量的改正數(shù)進(jìn)行。根據(jù)基線向量的改正數(shù)的大小，可以判斷出基線向量中是否含有粗差。若在進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定時(shí)，發(fā)現(xiàn)有質(zhì)量問題，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行處理，如果發(fā)現(xiàn)構(gòu)成GPS網(wǎng)的基線中含有粗差，則需要采用刪除含有粗差的基線、重新對(duì)含有粗差的基線進(jìn)行解算或重測(cè)含有粗差的基線等方法加以解決。如果發(fā)現(xiàn)個(gè)別起算數(shù)據(jù)有質(zhì)量問題，則應(yīng)該放棄有質(zhì)量問題的起算數(shù)據(jù)。三、鐵路G

33、PS測(cè)量數(shù)據(jù)處理軟件鐵路GPS測(cè)量的數(shù)據(jù)處理軟件有Leica Geo Office （LGO）軟件和科傻系列軟件GPS工程測(cè)量網(wǎng)通用平差軟件包（CosaGPS V5.1）。1、Leica Geo Office（LGO）軟件Leica Geo Office（瑞士萊卡綜合辦公軟件）軟件通過LEICA Geo Office來開拓?cái)?shù)據(jù)的潛能，管理和瀏覽自己的TPS、GPS以及Level數(shù)據(jù)。LEICA Geo Office是一個(gè)直觀的，圖形化的視窗多任務(wù)環(huán)境，使用簡(jiǎn)單而方便。所有組成成分都有一個(gè)類似的外觀，可以進(jìn)行無縫連接和協(xié)作。TPS、GPS以及Level數(shù)據(jù)都通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的工具和數(shù)據(jù)流程來處理。

34、內(nèi)建的HELP包括有用的教程，并提供建議和信息。2、科傻系列軟件GPS工程測(cè)量網(wǎng)通用平差軟件包（CosaGPS V5.1）CosaGPS V5.1有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）功能全面。軟件具有在世界空間直角坐標(biāo)系（WGS一84）進(jìn)行三維向量網(wǎng)平差（無約束平差和約束平差）、在橢球面上進(jìn)行衛(wèi)星網(wǎng)與地面網(wǎng)三維平差、在高斯平面坐標(biāo)系進(jìn)行二維聯(lián)合平差、針對(duì)工程獨(dú)立網(wǎng)的固定一點(diǎn)一方向的平差、高程擬合等功能，并帶有常用的工程測(cè)量計(jì)算工具，可以實(shí)現(xiàn)各種坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。（2）整體性好。全部軟件集成在統(tǒng)一的環(huán)境下，編輯器、文檔、圖形、數(shù)據(jù)處理模塊均自主編寫；采用多文檔，可同時(shí)處理多項(xiàng)任務(wù)；采用工程管理模式，可方便進(jìn)行各類數(shù)據(jù)的操

35、作。（3）解算容量大，運(yùn)算速度快。軟件設(shè)計(jì)采用節(jié)省內(nèi)存的快速算法，在現(xiàn)有的大部分微機(jī)操作系統(tǒng)windows 98，windows 2000，windows XP上，可整體解算數(shù)千個(gè)控制點(diǎn)的GPS控制網(wǎng)，內(nèi)存不夠時(shí)則采用外存作緩沖，因而還可解算更大規(guī)模的GPS工程網(wǎng)。（4）操作簡(jiǎn)明，使用方便。在windows 98，windows 2000，windows XP系統(tǒng)環(huán)境下運(yùn)行，可采用表格方式或文本方式進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入，大部分操作采用“傻瓜式選項(xiàng)。對(duì)于輸入量較少的已知數(shù)據(jù)和參數(shù)，采用表格方式輸入；對(duì)于大批量的數(shù)據(jù)，則采用文件方式輸入。四、三維平差、平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和精度評(píng)定1、三維平差根據(jù)平差所進(jìn)行的坐標(biāo)

36、空間，可將GPS網(wǎng)平差分為三維平差和二維平差。（1）三維平差：平差在三維空間坐標(biāo)系中進(jìn)行，觀測(cè)值為三維空間中的觀測(cè)值，解算出的結(jié)果為點(diǎn)的三維空問坐標(biāo)。GPS網(wǎng)的三維平差，一般在三維空間直角坐標(biāo)系或三維空間大地坐標(biāo)系下進(jìn)行。（2）二維平差：平差在二維平面坐標(biāo)系下進(jìn)行，觀測(cè)值為二維觀測(cè)值，解算出的結(jié)果為點(diǎn)的二維平面坐標(biāo)。二維平差一般適合于小范圍GPS網(wǎng)的平差。2、平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換同一坐標(biāo)系內(nèi)，空間三維直角坐標(biāo)、大地坐標(biāo)和高斯平面直角坐標(biāo)這三種不同坐標(biāo)表達(dá)形式之間可以方便地進(jìn)行轉(zhuǎn)換。不同坐標(biāo)系之間，也可以通過參數(shù)轉(zhuǎn)換和橢球投影轉(zhuǎn)換進(jìn)行坐標(biāo)數(shù)值的轉(zhuǎn)變。（1）同一坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換同一坐標(biāo)系內(nèi)，大地坐標(biāo)和高

37、斯平面直角坐標(biāo)可以通過高斯投影正、反算公式進(jìn)行互換。高斯投影正、反算公式的形式復(fù)雜，但早已實(shí)現(xiàn)程序模塊化，可以十分方便地在眾多測(cè)量程序中進(jìn)行互換。只要選定橢球形狀參數(shù)、投影帶寬和投影采用的中央子午線經(jīng)度，就可以計(jì)算得到大地坐標(biāo)在相應(yīng)投影帶中的高斯平面直角坐標(biāo)（高斯投影正算），或者相應(yīng)投影帶中的高斯平面直角坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)的大地坐標(biāo)（高斯投影反算）。高斯投影正算公式實(shí)現(xiàn)了空間三維直角坐標(biāo)到平面直角坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，具有十分重要的應(yīng)用意義。高斯投影是由德國(guó)科學(xué)家高斯于19世紀(jì)20年代擬定，后經(jīng)德國(guó)大地測(cè)量學(xué)家克呂格于1912年對(duì)投影公式加以補(bǔ)充，故稱為高斯 克呂格投影，簡(jiǎn)稱為高斯投影。高斯投影在英、美國(guó)家稱為

38、橫軸墨卡托投影（UTM）。高斯投影的中央經(jīng)線長(zhǎng)度比等于1，UTM投影規(guī)定中央經(jīng)線長(zhǎng)度比為0.9996。高斯投影具有如下基本特點(diǎn)：高斯投影的中央經(jīng)線是和赤道垂直的直線，其他經(jīng)線均為凹向并對(duì)稱于中央經(jīng)線的曲線，其他緯線均為以赤道為對(duì)稱軸向兩極彎曲的曲線，經(jīng)緯線成直角相交；中央經(jīng)線投影長(zhǎng)度變形比等于1，即沒有長(zhǎng)度變形，其余經(jīng)線長(zhǎng)度比均大于1，長(zhǎng)度變形為正；在同一條經(jīng)線上，長(zhǎng)度變形隨緯度的降低而增大，在赤道處為最大；在同一條緯線上，長(zhǎng)度變形隨經(jīng)差的增加而增大，且增大速度較快；面積變形也是距中央經(jīng)線愈遠(yuǎn)，變形愈大；高斯投影后角度沒有變形；為了保證地圖的精度，采用分帶投影方法，即將投影范圍的東西界加以限制

39、，使其變形不超過一定的限度，這樣把許多帶結(jié)合起來，可成為整個(gè)區(qū)域的投影。在高斯投影上，規(guī)定以中央經(jīng)線為x軸，赤道為y軸，兩軸的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。X坐標(biāo)值在赤道以北為正，以南為負(fù)；y坐標(biāo)值在中央經(jīng)線以東為正，以西為負(fù)。我國(guó)在北半球，x坐標(biāo)皆為正值。y坐標(biāo)在中央經(jīng)線以西為負(fù)值，運(yùn)用起來很不方便。為了避免y坐標(biāo)出現(xiàn)負(fù)值，將各帶的坐標(biāo)縱軸西移5 O（km，即將所有y值都加500km（加常數(shù)）。由于采用了分帶方法，各帶的投影完全相同，某一坐標(biāo)值（z，y），在每一投影帶中均有一個(gè)，在全球則有60個(gè)同樣的坐標(biāo)值，不能確切表示該點(diǎn)的位置。因此，在y值前需冠以帶號(hào)，這樣的坐標(biāo)稱為通用坐標(biāo)。我國(guó)的高鐵平面精測(cè)網(wǎng)對(duì)投

40、影長(zhǎng)度變形有嚴(yán)格控制，要求最大變形比不超過10mm/km。盡管可以通過細(xì)分投影帶，或者抬高投影面高程的方式來限制投影長(zhǎng)度變形比。但是，在平面直角坐標(biāo)的使用過程中，這種方法將增加了大量的坐標(biāo)換帶計(jì)算工作。 高斯投影坐標(biāo)換帶計(jì)算的方法為：先將某一投影分帶內(nèi)的高斯平面直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成通用的大地坐標(biāo)，然后重新設(shè)定投影的中央子午線和帶寬，就可以得到在新的投影帶中的高斯平面直角坐標(biāo)，如圖6.6所示?？臻g三維直角坐標(biāo)和高斯平面直角坐標(biāo)之間不能直接相互轉(zhuǎn)換，其必須通過大地坐標(biāo)這個(gè)中間轉(zhuǎn)換過程才能實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換，即它們之間的轉(zhuǎn)換是間接的。具體過程如圖6。7所示?？臻g三維直角坐標(biāo)大地坐標(biāo)標(biāo)高斯平面直角坐標(biāo)（2）不同坐

41、標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換不同坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換通常采用參數(shù)轉(zhuǎn)換方法。其中，平面直角坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換采用四參數(shù)法（兩個(gè)平移參數(shù)、一個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)、一個(gè)尺度參數(shù)），空間直角坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換采用七參數(shù)法（三個(gè)平移參數(shù)、三個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)、一個(gè)尺度參數(shù)）。如果涉及平面直角坐標(biāo)和空問直角坐標(biāo)之問的轉(zhuǎn)換，還必須增加考慮橢球參數(shù)的變換問題。平面直角坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換如圖6.8所示，坐標(biāo)系XOY的原點(diǎn)在坐標(biāo)系XOY中的坐標(biāo)為a、b，X軸與X軸之夾角為臼。可以認(rèn)為坐標(biāo)系xOY原是與坐標(biāo)系xoy重合，后因?yàn)镺分別平移了a、b之距離，并且坐標(biāo)系二坐標(biāo)軸ox與Oy又相對(duì)0x與0y逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)了臼角而得到的。在二坐標(biāo)系之間引入一個(gè)輔助坐

42、標(biāo)系XOY使它的二坐標(biāo)軸Ox”與0Y分別與Ox、Oy平行：在xOY系中有一點(diǎn)P，其坐標(biāo)為（XY），則由坐標(biāo)系平移公式與坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)公式可得：故有考慮不同坐標(biāo)系之間的尺度（長(zhǎng)度）因子m，即：上式即坐標(biāo)系平移和旋轉(zhuǎn)后新、舊坐標(biāo)系中某一點(diǎn)坐標(biāo)的關(guān)系式。只要轉(zhuǎn)換參數(shù)是精確已知的，則可以十分方便地進(jìn)行坐標(biāo)在不同坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。同樣的道理，對(duì)于兩個(gè)空間直角坐標(biāo)有如下坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系（見圖6.9）：如果轉(zhuǎn)換參數(shù)未知，但是已知一定數(shù)量的點(diǎn)（平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換需要2個(gè)以上，空間直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換需要3個(gè)以上），其在兩個(gè)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)都精確已知，則可以利用數(shù)學(xué)上的最小二乘原則進(jìn)行轉(zhuǎn)換參數(shù)的求估。估計(jì)出來的參數(shù)可以用以其他點(diǎn)的坐標(biāo)

43、轉(zhuǎn)換。當(dāng)平面直角坐標(biāo)和空間直角坐標(biāo)之問進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，因?yàn)樯婕案咚雇队埃孕枰_認(rèn)兩種不同坐標(biāo)系所采用的參考地球橢球是否相同。如果不同，則要進(jìn)行橢球參數(shù)的改變。具體過程示意如圖6.10所示。3、精度評(píng)定（1）基線向量解算及精度分析基線解算采用廠家提供的隨機(jī)軟件按靜態(tài)相對(duì)定位模式進(jìn)行，基線解算采用衛(wèi)星廣播星歷坐標(biāo)作為基線解的起算數(shù)據(jù)。基線向量異步環(huán)閉合差是檢驗(yàn)基線向量網(wǎng)質(zhì)量的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，當(dāng)它滿足限差要求時(shí)，能說明組成基線向量網(wǎng)的所有基線解算質(zhì)量合格、成果可靠。按高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范（TB 106012009）要求GPS控制基線向量網(wǎng)所有異步環(huán)閉合差應(yīng)符合下式規(guī)定：其中 式中：n為閉合環(huán)邊數(shù)；

44、一為標(biāo)準(zhǔn)差，即基線向量弦長(zhǎng)中誤差，mm；a為固定誤差；6為比例誤差；d為閉合環(huán)平均邊長(zhǎng)，km。（2）網(wǎng)平差精度分析網(wǎng)平差包括三維無約束平差、三維約束平差和二維約束平差，平差數(shù)據(jù)采用基線向量的雙差固定解進(jìn)行。首先進(jìn)行三維無約束平差，以檢定基線向量網(wǎng)自身的內(nèi)符合精度及其系統(tǒng)誤差和粗差，然后再進(jìn)行三維約束平差和二維約束平差。各等級(jí)GPS測(cè)量控制網(wǎng)的主要技術(shù)指標(biāo)，應(yīng)符合表6.3的規(guī)定。五、高程轉(zhuǎn)換1、各種高程系統(tǒng)及相互關(guān)系各種高程系統(tǒng)及相互關(guān)系如圖6.11所示。2、GPS水準(zhǔn)基本原理既有大地高，又有正常高的點(diǎn)稱為公共點(diǎn)。對(duì)于公共點(diǎn)有：若假設(shè)網(wǎng)中其他點(diǎn)上的高程異常相同，即參考橢球面與似大地水準(zhǔn)面平行，則

45、非公共各點(diǎn)的高程可由下式得：3、GPS水準(zhǔn)方法（1）等值線圖法：從高程異常圖或大地水準(zhǔn)面差距圖分別查出各點(diǎn)的高程異?；虼蟮厮疁?zhǔn)面差距，然后分別采用下面兩式可計(jì)算出正常高和正高。（2）地球模型法：地球模型法本質(zhì)上是一種數(shù)字化的等值線圖，目前國(guó)際上較常采用的地球模型有OSU91EGM96等。我國(guó)有CQG2000，各個(gè)省有省級(jí)的厘米級(jí)似大地水準(zhǔn)面模型。（3）高程擬合法：利用在范圍不大的區(qū)域中，高程異常具有一定的幾何相關(guān)性這一原理，采用數(shù)學(xué)方法，求解正高、正常高或高程異常。石家莊至武漢客運(yùn)專線（河北邢臺(tái)段）GPS控制測(cè)量，正線全長(zhǎng)840.7公里，設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值350公里/小時(shí)，輸送能力單向8000萬人

46、/年，沿線設(shè)高邑西、邢臺(tái)東、邯鄲東、安陽東、鶴壁東、新鄉(xiāng)東、鄭州東、許昌東、漯河西、駐馬店西、明港東、信陽東、大悟和橫店東14個(gè)車站，建設(shè)總工期4年半。測(cè)區(qū)屬山區(qū)，位于東徑111o44-112o30，北緯34o49-35o08。行政隸屬山西省垣曲縣和河南省澠池縣、新安縣、濟(jì)源市、孟津縣。測(cè)區(qū)東西長(zhǎng)約70km，南北方向?qū)捈s 8km，總體呈帶狀分布，補(bǔ)設(shè)樁點(diǎn)分布在黃河干流和 39條大小支流上，測(cè)區(qū)地形條件復(fù)雜，地勢(shì)高低起伏，溝壑縱橫交叉，大部分地區(qū)懸崖峭壁，氣候復(fù)雜，人跡罕至，交通十分困難。因此決定采用GPS接收機(jī)對(duì)其進(jìn)行控制測(cè)量。其測(cè)量流程如圖1所示：六、GPS網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計(jì)測(cè)量工作實(shí)施的第一步就是GPS網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計(jì)，它包括GPS網(wǎng)精度指標(biāo)的確定，GPS網(wǎng)的網(wǎng)形設(shè)計(jì)及GPS網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)三方面。（1）GPS網(wǎng)的精度指標(biāo)，主要取決于工程對(duì)控制網(wǎng)的要求。精度指標(biāo)通常以網(wǎng)中相鄰點(diǎn)間的弦長(zhǎng)精度來表示，其形式為：中