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1GPS基线向量网平差程序设计前言GPS技术以其定位精度高，观测自动化,不需测站间通视及网型与精度关系不大的优势,已成为建立城市及工程控制网的主要技术手段之一。而与常规地面网相比,GPS控制网的数据处理有其自身的特点，由于基线向量是不可独立于坐标系而存在的特殊观测值，所以在平差时或平差后必须转入测区所在的坐标系统。本论文讨论了GPS基线向量的转换和平差问题及工程控制测量实用的方法，并运用VB程序设计语言完成了大地空间直角坐标向大地坐标的转换、大地坐标向高斯平面坐标的转换、二维基线向量网平差的功能。21GPS原理1.1GPS的简介全球定位系统（全局位置系统，GPS）是美国从上世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成的利用导航卫星进行测时和测距，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。它是继阿波罗登月计划、航天飞机后的美国第三大航天工程。如今，GPS已经成为当今世界上最实用，也是应用最广泛的全球精密导航、指挥和调度系统。它主要由三大子系统构成：空间卫星系统、地面监控系统、用户接收系统。1.2GPS定位原理GPS系统采用高轨测距体制，以观测站至GPS卫星之间的距离作为基本观测量。为了获得距离观测量，主要采用两种方法：一是测量GPS卫星发射的测距码信号到达用户接收机的传播时间，即伪距测量；一是测量具有载波多普勒频移的GPS卫星载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差，即载波相位测量。采用伪距观测量定位速度最快，而采用载波相位观测量定位精度最高。通过对４颗或４颗以上的卫星同时进行伪距或相位的测量即可推算出接收机的三维位置。按定位方式，GPS定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量。相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量。在定位观测时，GPS定位分为动态定位和静态定位。若接收机相对于地球表面运动，则称为动态定位。若接收机相对于地球表面静止，则称为静态定位。GPS定位的实质是根据GPS接收机与其所观测到的卫星之间的距离和所观测卫星的空间位置来求取接收机的空间位置,而这些又是根据GPS卫星发出的导航电文计算出的包括位置、伪距、相位和星历等原始观测量,通过计算来完成的.理论上卫星到接收机的距离为：iL=c(pt-st)．3上式中:iL为第i颗GPS卫星到接收机的距离;c为光速;pt为接收机相对于统一的时间基准接收到卫星发出信息的时刻;st为卫星相对于统一的时间基准发出信息的时刻.事实上,在卫星所发出信息的准确性及其传送还会受到许多诸如发出信息时刻的卫星轨道偏差、电离层与对流层的延迟效应、卫星时钟和接收机时钟与统一的时间基准之间的偏差等因素的影响,造成一定程度的偏差.根据计算GPS卫星到接收机距离的方法,大体可以分为伪距测量定位和相位测量定位两种基本定位方法.1.3GPS发展趋势1991年的海湾战争中，装在大衣口袋中的GPS接收机为无地图沙漠作战发挥了巨大作用。在“盟军行动”中，把惯导／GPS集成系统装入导弹和制导导弹，使命中精度达到9m，而且使机载炸弹具备了在夜间和恶劣天气条件下的精确打击能力。由此可见，GPS早已成为高技术武器平台不可缺少的关键组成部分。在新世纪以及未来军事战争中GPS将发挥更加巨大的作用。这样的形势下迫使GPS技术必须要有新的突破。经过不懈的努力钻研，如今经取得些成绩。就导航定位卫星技术主要发展趋势如下。（1）采用创新轨道设计欧洲多年来从未中断对导航定位卫星的研究、论证。在第一代中，有“全球导航卫星系统”（GNSS）以及“欧洲静止轨道导航重叠业务系统”（EGNOS）等，它们都是结合利用GPS和静止轨道通信卫星的方案。在第二代中，目前采用创新轨道设计的“伽利略”方案被认为是能够实现最少投入而达到理想应用目的的最佳方案。它既是独立系统，又有开放性特点，可与GPS兼容。这种系统还将在民航选择最佳航线、飞机安全进场着陆等领域有新的应用突破。（2）美国大力开发抗干扰和干扰技术GPS集成到高技术武器平台，使GPS应用概念发生全新变化。为防止地方干扰，美国在将从2005年发射的第7颗GPS-2F卫星上开始使用新型信号结构。这样，除更加保密外，还可实现6dB的信号／干扰比的改善。为此，正在研制不受干扰和欺骗的GPS接收机应用模块（GRAM）和选择利用抗欺骗模块（SAASM），4同时装有这两种模块的接收机被称为“国防部高级GPS接收机”（DARG）。美国还在开发抗干扰的军事伪系统（MillitaryPseudolites），它可为地域发射GPS差分信号，以改进信号捕获并提高质量。为保护军用飞机使用GPS，美国还在开发微带自适应天线阵列。为使敌方不能使用GPS，美国已开发出GPS干扰机，只有可口可乐瓶大小的干扰机可使敌方无法接收GPS信号。（3）进入21世纪，GPS在各方面的应用都将加强和发展。一、在综合服务系统中的应用在全球地基GPS连续运行站（约200个）的基础上所组成的IGS（InternationtolGPS），是GPS连续运行站网和综合服务系统的范例。它无偿向全球用户提供GPS各种信息，如GPS精密星历、快速星历、预报星历、IGS站坐标及其运动速率、IGS站所接收的GPS信号的相位和伪距数据、地球自转速率等。这些信息在大地测量和地球动力学方面支持了无数的科学项目，包括电离层、气象、参考框架、精密时间传递、高分辨的推算地球自转速率及其变化、地壳运动等。二、在电离层监测中的应用GPS在监测电离层方面的应用，也是GPS空间气象学的开端。太空中充满了等离子体、宇宙射线粒子、各种波段的电磁辐射，由于太阳常在１秒钟内抛出百万吨量级的带电物，电离层由此而受到强烈的干扰，这是空间气象学研究的一个对象。通过测定电离层对GPS信号的延迟来确定在单位体积内总自由电子含量（TEC），以建立全球的电离层数字模型。三、在对流层监测中的应用GPS在监测对流层方面的应用，早期主要是由于轨道误差影响定位精度，而且早期的GPS基线相对来说比较短，高差不大，因此对对流层的研究没有给予很大的重视。直到近期由于GPS轨道精度大大提高后，当对流层折射已经成为限制GPS定位精度提高的一个重要障碍时，才开始认真的对对流层的监测研究。我们可以假设在一个高程基本为零的地区，并且如果接收机所接收的GPS信号是从天顶方向传来的话，那么其延迟就可以达到2.2～2.6ｍ这一量级，而2小时内这一延迟变化可达10ｃｍ不是少见的，所以IGS分析中心所提供的对流层参数是采用2小时间隔一次。也正是由于这个实际情况，对流层折射要顾及其随机过程5的变化来加以模型化。四、在卫星测高仪中的应用多路径效应是GPS定位中的一种噪声，至今仍是高精度GPS定位中一个很不容易解决的“干扰”。过去几年利用大气对GPS信号延迟的噪声发展了GPS大气学，目前也正在利用GPS定位中的多路径效应发展GPS测高技术，即利用空载GPS作为测高仪进行测高。它是通过利用海面或冰面所反射的GPS信号，求定海面或冰面地形，测定波浪形态，洋流速度和方向。通常卫星测高或空载测高所测的是一个点，连续测量结果在反向面上是一个截面，而GPS测高则是测量有一定宽度的带，因此可以测定反射表面的起伏（地形）。据报告，试验时空载平面安装2台GPS接收机，1台天线向上用于对载体的定位，1台天线向下，用于接收GPS在反射面上的信号。美国在海上作了测定洋流和波浪的试验。丹麦在格凌兰作了测定冰面地形及其变化的试验。五、在卫星追踪技术中的应用卫星对卫星的追踪（SST）技术的实质是高分辨率的测定两颗卫星间的距离变化，一般它分为两类，即高低卫星追踪和低低卫星追踪。前一类是高轨卫星（如对地静止卫星，GPS卫星等）追踪低轨（LEO）卫星或空间飞行器，后一类是处于大体为同一低轨道上的两颗卫星之间的追踪，两颗卫星间可以相距数两千米，这两类SST技术都将LEO卫星作为地球重力场的传感器，以卫星间单向或双向的微波测距系统测定卫星间的相对速度及其变率。这一速度的不规则变化所反映的信息中，就包含了地球重力场信息。卫星轨道愈低，这一速度变化受重力场的影响愈明显，所反映重力场的分辨率也愈高。62GPS基线向量网平差模型2.1GPS的坐标转换技术GPS定位成果属于WGS-84坐标系，而实用的成果属于国家大地坐标系，因而GPS成果的坐标系转换是必不可少的。2.1.1工程GPS网和地面网之间的坐标转换模型众所周知,两个空间直角坐标系之间的三维坐标转换一般采用含有7个转换参数的布尔莎、莫洛金斯基或范士模型,对于坐标差转换而言,因其不涉及3个平移转换,可只采用余下的4个转换参数,但这仅适用于点位在两个坐标系中均具有精确的三维坐标的情况。因以往用常规技术测设的地面网属于二维坐标系,由地面点的正常高加上概略的高程异常所得的已知椭球面上的大地高只有数米的精度,由此而进行的三维坐标转换只能达到米级的精度。在工程GPS网转换中,是将GPS基线向量转换为高斯平面上的二维基线向量。因此,适用的GPS网坐标差转换模型就是仅有尺度和方位2个参数(其余2个旋转参数为零)的简化范士模型。2.1.2从投影变换方面保持高斯平面上边长尺度的一致性利用GPS技术建立平面控制网,最后需得到GPS网点的高斯平面直角坐标,这就必须选择一个椭球面作为过渡,并须选定某一经线作为高斯投影的中央子午线,这两者都关系到高斯平面上的边长尺度。GPS网应与地面网从空间边长投影方面取得相一致的边长尺度,与此相应的数据处理方法就是采用与地面网边长归算的高程基准面(常称为投影面)较为接近的区域性椭球面;采用与地面网中央子午线在位置或经度上相同的经线作为GPS网点投影变换的中央子午线。2.1.3按附合网还是按独立网进行平差定位采用GPS技术来加强改善原有地面控制网,如何合理对待、处理地面网的已7知点须根据网的用途地面网的实际精度作认真细致的分析、比较而定。若固定地面网一个起始点外,或再固定地面网的一个起始方位角,都不改变平差后GPS网的相对构形,而属于独立网平差,亦可称之为纯GPS网的无约束平差。只要如上所述选定合适的椭球面和高斯投影中央子午线,纯GPS网在高斯平面上的边长尺度就能与地面网坐标系中应有的边长尺度相一致。其优点是,归算到地面网坐标系后仍保持GPS网形的高精度,有利于在已有控制网的坐标基准中鉴定和改善原有的地面网。但由于只是在位置基准点上仍保持原有坐标值,所以其他GPS点上的高斯坐标必与原有坐标值不相一致,而且离位置基准点越远,坐标较差也越大。使近万平方公里的大城市,最大坐标较差可达30ｃｍ。另一种处理方法是对GPS网进行附合网平差,对于重合于多个已有控制点的GPS点,除固定基准点的三维坐标外,其余重合点均固定其二维坐标,在平差的同时就能获得由GPS网转换到地面网坐标系的尺度及方位旋转参数。由于在重合点上保持了原有的二维坐标,非重合点上与原有坐标的差异也会小些,迎合了生产单位不愿改动原有点位坐标的要求。但因难以估计的地面网固有误差会使GPS相对网形遭受扭曲,从而不能保持GPS网应有的高精度,由此建立的GPS网充其量只能达到与原有地面网大致相当的精度。2.2GPS基线向量的转换2.2.1ＧＰＳ基线向量转换的过程GPS数据处理一般分为基线解算和基线网平差两个阶段。第一阶段的基线处理是从原始相位观测值入手，经过粗加工、预处理、基线解算等步骤，最后获得高精度的基线向量及其协方差阵。第二阶段是利用第一阶段解算出的三维基线向量组成基线向量控制网，进行各种条件检核、平差检验，而后把属于WGS-84坐标系的基线向量转换国家或地方坐标系下，并以国家或地方坐标系的高级控制点的平面坐标为基准对基线网进行约束平差。GPS基线向量网与地面无论在三维参心空间直角坐标系中或三维参心大地坐标系中进行平差，都可得到良好的三维空间位置的平差结果，是严密的解法。特别是在三维大地坐标系中进行联合平差，可将表示平面坐标信息分量同高程位8置