GPS观测数据（共10篇）
GPS观测数据 篇1
近年来我国开展了很多大、特大型的桥梁建设,为了保证其在施工及运营期间的安全、稳定,需要对其进行变形监测。GPS由于其测量速度快、精度高的特点,在变形监测中得到了越来越广泛的应用。在桥梁的变形观测中,GPS接收机通常架设在加载试验过程中的桥面上,受梁体的振动影响,在索塔附件,接收机接收卫星信号时的遮挡很严重,同时测站周围都是大面积的水面,不可避免会有信号的失锁,产生周跳,多路径效益明显。外业采集的GPS数据在内业处理软件中很难一次性解算合格,有时候需要通过人工的干预,来使一些不合格的基线通过调整参数的设置,达到监测网形的设计要求。另外,平差时剔除一些粗差大或不合格基线并选择不同已知点来约束平差以求得最佳成果。对观测数据质量差的数据进行重新解算,作者结合某桥梁变形监测的研究工作,提出了以下三种解决方法。
1 确定合适的历元间隔
历元间隔指的是运算时的历元间隔,该值默认取5秒,可以任意指定,但必须是采集间隔的整数倍。从图1中可以看到,0104-G604这条基线约有1.1km,而同步观测时间只有15分钟,如果使用历元间隔30秒来解算,则一共有30个历元的数据参与解算,图1中解算后方差比较低为1.3,未合格。由于基线长,所观测的采集时间也越长,但野外观测时间只有15分钟,现在可调整缩小历元间隔为15秒来解算,这时参与计算的一共有60个历元的数据,比用历元间隔30秒来解算多一倍的数据量,这样可以弥补观测时间不足。此时的方差比为7.5,如图2所示,比之前的1.3好了很多,符合要求。说明采取的措施是有效的。如果调整的结果不好,就说明数据量多同时也带进了更多质量更差的数据,这时又要求增大历元间隔。综上所述,可以总结出确定合适的历元间隔的原则:(1)对基线同步观测时间较短时,可缩小历元间隔,让更多的数据参与解算。同步观测时间较长时,要增加历元间隔,让更少的数据参与解算;(2)数据周跳较多时,要增加历元间隔,这样就可跳过中断的数据继续解算。
2 确定合适的高度截止角
如果更改历元间隔来解算无法使基线方差比增加,可以再来调整高度截止角。当高度截止角较低时,参与解算的卫星数目多,但低空卫星数据通信容易被外界干扰,质量差的数据多;当高度截止角较高时,参与解算的卫星数目少,但高空卫星数据通信不易被外界干扰,质量好的数据多。人工干预得以重新参与计算,可以减少数据的剔除,最大限度的保证网形的几何强度。综上所述,确定合适的高度截止角的原则:(1)当基线详解中查看到卫星数目足够多时,适当增加高度截至角,尽量让高空卫星数据进入解算;(2)当基线详解中查看到卫星数目比较少时(最低要求4颗以上卫星),适当降低高度截止角,尽量让多一些卫星数据进入解算。
3 确定合适的网平差模型
本文的测量试验表明,根据不同的桥梁工程情况采用的平差方法是最有效的;若基准点远离变形体,选用一个各期共同观测的基准点进行经典自由网平差;若监测点位于变形体内,则采用秩亏的自由网平差。而非自由网平差和联合平差是在国家坐标系或地方坐标系内进行的,平差完后网点坐标已属于国家坐标系或地方坐标系,因而这两种方法是解决GPS成果转换的有效手段。
4 结语
采用GPS进行桥梁变形监测,当满足GPS技术的观测条件的要求时,采取文中上述措施,在数据的处理过程中还可以采取优化设计,进行人工干预,提高基线的解算质量,进而提高整体平差或高程拟合的精度。
摘要：针对桥梁变形体进行GPS变形监测,并通过GPS接收机随机软件进行外业观测数据的解算,研究GPS数据处理中解算基线向量时观测历元、截止高度角参数的最佳设置方法及平差模型的选择,提高解算精度,为其它类型工程提供依据。
关键词：变形,GPS,数据处理,基线解算,方差比
GPS观测数据 篇2
利用Vondrak方法处理GPS CV观测数据的随机噪声
GPSCV时间传递技术在高精度国际时间同步和国际原子时的建立中发挥了积极作用;目前,GPS CV技术仍然是BIPM主要采用的.远程时间比对技术;观测数据中的随机噪声是影响GPS CV比对结果精度不可忽略的因素;因此,研究了用以消除或削弱GPSCV观测数据中随机噪声的Vondrak平滑方法;结果表明,Vondrak平滑方法能有效地滤除GPS CV数据的随机噪声.
作 者：李变 Li Bian 作者单位：中国科学院,国家授时中心,陕西,西安,710600 刊 名：计算机测量与控制 ISTIC PKU英文刊名：COMPUTER MEASUREMENT & CONTROL 年，卷(期)： 14(7) 分类号：P1 关键词：Vondrak方法 GPS CV 随机噪声GPS观测数据 篇3
关键词：人工观测；自动观测；数据差异；原因分析
中图分类号：P416文献标识码：A文章编号：1674-0432（2014）-01-53-1
自2005年紫金气象观测站投入使用DZZ1-2型遥测自动气象站以来，基本实现了气象观测的自动化，丰富了获取气象资料的方法。但是通过所获取资料分析，发现人工数据与自动数据存在着一定的差距。本文通过对紫金气象站2006年1～12月压、温、风、雨量等资料分析，发现自动观测数据比人工观测数据更准确，更有连续性。自动观测更能体现出大气中的真实状态，更能满足气象现代化的建设需要。
1人工与自动观测数据差异的原因
1.1观测仪器原理产生的差异
自动气象站中使用的传感器与人工观测使用的仪器在原理上是不一样的，自动气象站传感器比较灵敏，所得的数据更有准确性，传感器性能好、便清洁维护。自动气象站不会产生由于人工观测而出现的主观错误。例如：人工观测2分钟风的平均值时，容易产生主观误差；对深层地温进行人工观测时，由于受到外界环境的影响，当从地中取出读数时会产生误差；在人工观测温度时，人体也会对读数产生影响，这些误差都是由于进行人工观测时，经常存在视觉误差和习惯误差，这样就会产生读数不准的情况，从而导致误差甚至错误产生，这些误差在自动气象站中都会规避掉。
1.2观测时间产生的差异
在地面观测规范中，人工观测要求在45～60分钟之间完成包括云、能、天、温、压、湿、地面温度等要素观测，其中蒸发量可以安排在40分钟至正点后10分钟之间观测。由于人工观测是靠观测员逐项进行，时间跨度较大，气象要素也会随之变化。在一般情况下，人工观测要素距正点的时间约是：温度和湿度相差约10～12分钟；风向、风速相差约4～6分钟；本站气压相差约1～2分钟；地面温度相差至少12分钟。在以上相差时段内，气象要素值会不有同程度的变化。实验结果表明：在夏季气温有较明显上升时，观测时间差10分钟，可造成0.4℃～0.9℃的差值。自动气象站是在00～01分内按顺序几乎是瞬间完成各要素观测的。由此说明，由于两者观测体制在观测时间上不同步，因此观测结果必然会出现差异。显然，自动观测能准确的测到正点值。因此，由于自动气象站观测时间的一致性，观测的资料有更好的使用价值。
1.3采集样本不同产生的差异
人工观测的结果主要就是通过记录仪器显示数值，也就是说观测人员只读一遍仪器的显示数值即可。而自动气象站的观测方式就不同了，它所显示最后的数值是平均值。自动气象站会每10秒记录一个数值，然后将其中的最大值和最小值去掉，将剩下的数值进行平均，最后得出的观测结果。即，自动观测值是由多个样本值平均后得出，从而说明了自动观测获取的要素值更加科学、准确、可靠。
2人工与自动观测要素对比
气压。2006年人工与自动观测的气压读数基本相同，从四次定时观测的平均差值来看，人工观测与自动观测结果几乎一致，月平均差值均在0.1hpa以内，月最高、最低气压差值均在0.8hpa以内。因我站气压传感器和气压表的安装位置处于同一高度，避免了受高度差的影响，但两者观测结果仍与仪器原理差异有关，自动气象站的气压传感器直接测出本站气压。而水银气压表的读数值要经过公式计算（经过订正）后才能得出本站气压，因此，两种观测体制的测量结果必定存在差异。中国气象局2004年颁布的《地面气象观测规范》是采用新的重力加速度公式，减少了计算误差值，使人工观测的气压值更接近大气的真实值。
气温。统计2006年四次定时人工与自动观测的气温，发现自动观测的气温普遍比人工观测的高。月平均差值均在0.2℃以内，08、14时气温处在明显升温过程中，自动比人工可高0.5℃；02时、20时的对比差值均在0.2℃以内，02、20时处在降温过程，差值较小；由此说明温度日的变化趋势与实际状态基本吻合。这与白天自动站温度传感器探头热敏电阻受太阳辐射影响所致，在阴天或气温变化平缓的天气里，这种差异就会偏小。
雨量。由于测量雨量的问题复杂，现以月总降水量、20～08时、08～20时的合计分别作比较。自动站观测的月合计年平均、20～08时降水量比人工站观测的偏少，月合计年平均偏少0.7毫米，20～08时年平均偏少1.1毫米，08～20则人工站偏少0.4毫米。月降水量越小，差值越小；月总降水量越大，差值也越大。造成此种差异的原因是人为的读数误差。自动气象站采用的是翻斗式雨量计，其测量结果就比较可靠，没有人为的读数误差。而人工站由于发报需要，在雨量较大时，测量必然会导致雨量的损失，雨量越强，损失就越多。此外，在量取时还会存在视线误差。
3结语
由于观测时间、观测仪器、环境的差异，采集样本等不同，造成自动观测与人工观测值存在一些差别。总之，自动气象站受外界因素影响较小，自动观测数据更准确，更有连续性，自动观测体系更符合气象现代化的发展需要。
参考文献
[1]中国气象局.地面气象观测规范[M].北京：气象出版社，2003.
[2]广东省气象计算机应用研究开发研究所，DZZ1-2型自动气象站技术手册，2003.
[3]吴锋.浅谈自动气象站自动观测与人工观测数据的差异[J]，吉林气象，2004，（4）：33-36.
[4]卓贞容，欧阳细美，韦丽菊，自动气象站的使用维护技巧[J].广东气象，2006，（1）.
GPS观测数据 篇4
随着我国经济建设的发展, 路桥工程作为基础工程建设的重要组成部分得到了迅猛的发展, 桥梁作为路桥工程的一个重要组成部分也有了很大的进展, 我国在近几年已经建造了大量的具有国际水平的大型桥梁, 一些新的桥型也不断出现 (如斜拉桥、悬索桥等) 。由于这些新建的大跨径桥梁投资高, 构件复杂, 更换困难, 因此, 为了验证设计方案的合理性, 提高桥梁设计水平, 以确保桥梁处于良好的运营状态, 在竣工验收时, 需对桥梁要进行静载试验, 测定桥梁控制截面在试验荷载作用下的应力和挠度变形, 为桥梁整体性能状态作一次全面的鉴定。
大型桥梁的工作性能状态一般采用静动载试验方式进行, 其主要目的是检验桥梁结构的承载能力, 了解桥梁结构在各种作用力下的实际受力状态和工作状况, 评价结构的力学特性和在设计荷载作用下的工作性能, 判别已建桥梁是否符合设计标准或能否满足使用要求。同时, 通过对静动载试验数据的分析, 可以验证桥梁承载设计的合理性, 以丰富设计经验, 为其它类似工程提供依据。
某长江公路大桥是由特大型悬索桥、斜拉桥组成, 是一座组合桥梁, 作为我国建桥史上规模空前的特大型桥梁, 对其建设和运营期间的健康监测、诊断以及各种灾害影响下的损伤预测和损伤评估, 具有重要的现实意义, 这也是进行静载试验的主要目的。
1 研究现状
目前, 在区域性变形监测方面, GPS已成为主要的技术手段之一。在我国, 北京、天津上海已经建立了GPS地表沉降观测网, 长江三峡库区建立了滑坡GPS监测网, 建立了隔河岩大坝外观GPS自动化监测系统。为了说明GPS用于工程变形监测的可行性, 原武汉测绘科技大学应用GPS对大型工程建筑物也已开展了动态监测实验与测定, 测试结果表明, 只要采取一定的措施, 利用GPS技术进行各种工程变形监测是可行的。
从文献和实际应用来看, GPS用于大型桥梁变形监测在国内已经有比较成熟的运用, 1995年6月武汉长江二桥实施了通车静动载试验;广州虎门大桥用GPS进行了变形监测, 香港青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥也才用GPS进行桥梁结构的健康监测工作;2003年8月广州大桥主桥进行了GPS静载试验等等。
2 研究意义和内容
目前, 桥梁挠度变形观测的方法常见的有:简易挠度计法、挠度仪法、百分表法、连通管法、倾角仪法、水准仪法、全站仪法等。这几种方法的优点是设备简单、精度可靠、可以多点检测, 但都具有准备工作时间过长, 人力、物力耗费大, 布测程序繁杂等缺点。利用GPS空间定位技术进行变形监测能同时测定点的三维位移, 观测时测站间无需保持通视, 变形监测网布设自由、方便, 可以进行全天候观测, 能消除或减弱系统误差的影响, 因此成为变形监测中的一种新的有效手段。
本文研究的意义在于通过采用周期性GPS变形监测作业方式对变形体开展GPS观测时段的设计、图形结构强度设计, 基准设计、监测周期设计方面做一些探讨, 并将GPS变形观测数据与传统手段获取的变形观测数据进行比较、分析, 获得一批有益的结论, 探求利用GPS技术进行工程变形监测的新思路。
3 GPS静载试验挠度变形观测实施方案
3.1 GPS观测点位布设
点位的具体布设情况如下:
1) 第一组点:大桥的南、北桥墩顶中部各布设一个点;
2) 第二组点:在距离南桥墩的第22根吊杆处 (3L/4跨) , 桥面左右两侧对称布设两个点;
3) 第三组点:在离悬中 (1/2跨) 附近, 即距离南桥墩的第44根吊杆处, 桥面左右两侧对称布设2个点;
4) 第四组点:在距离北桥墩的第22根吊杆处 (L/4跨) , 桥面左右两侧对称布设两个点;
5) 基站控制点:在大桥的附近选择一个固定的GPS控制点, 作为本次观测的GPS基站控制点。
总计9个GPS点位, 具体分布如图1所示:
3.2 仪器设备及人员
本次试验共安排9台套GPS接收机, 每套的接收机都有自备的电池, 可以确保供电时间不少于6h。每台GPS接收机由一名专人负责采集数据。进场前GPS接收机都已调试好, 人员也已熟悉了测试过程中的各工况。试验过程中根据动、静载测试过程, 分时段记录各GPS点的观测数据。
3.3 测试方法
3.3.1 测定GPS点位的初始坐标值
在车队进入桥面前, 以GPS静态测量的方式测定各点的初始三维坐标值, 同步观测时间为15~20min。
3.3.2 静态条件下的测试
1) 当车队中部通过第二组测试点位后, 桥梁经过10~15min的稳定后, 在桥面的8台GPS接收机同时开始记录数据。采集时间为10~15min, 数据采集完成后, 关机。
2) 当车队中部通过第三组测试点位后, 桥梁经过10~15min的稳定后, 在桥面的8台GPS接收机重新开机并开始记录数据。采集时间为10~5min, 数据采集完成后, 关机。
3) 当车队中部通过第四组测试点位后, 桥梁经过10~15min的稳定后, 在桥面的8台GPS接收机重新开机并开始记录数据。采集时间为10~5min, 数据采集完成后, 关机。
测试过程中需要量取桥面点位到GPS天线中心的仪器高, 精确到0.1mm。
3.4 外业测量实施
由于目前尚没有制定桥梁工程的GPS测量技术规范, 为保证控制网达到设计精度, 外业测量作业依据《全球定位系统测量技术规范》E级精度要求实施。
外业共观测了10个时段, 每个点的平均设站率大于3, 网中每个点发出的基线数目至少为6, 因此网形具有很好的可靠性, 图形强度比较大。每个时段观测的时间为15分钟左右, 采样间隔为15s, 卫星高度角为20°, 每个时段观测卫星数≥5, PDOP<5。GPS外业观测的测站点分布如下图2, 图3:
4 GPS观测数据处理结果对比及分析
利用南方GPS数据处理软件对各种加载情况下的桥梁挠度观测值进行解算后, 为了检核成果, 我们和全站仪测量的结果做了对比见表1~表4。
理论计算模型的几何尺寸和有关参数按设计文件取用, 加载量按现场实际加载的大小和位置进行计算。其中4个工况的GPS实测值和全站仪的实测值与理论计算值的比较结果见表1。由表1可以看出, GPS实测值与全站仪的实测值和理论计算值还是基本吻合的, 说明了GPS用于大型桥梁挠度变形观测是可行的。
(注:挠度以向下为正。)
其余部分工况的GPS实测值和全站仪的实测值比较见表2~表4。
5 结论
1) 从上面的GPS数据处理结果和变形曲线与全站仪和理论值的比较结果来看, 采用GPS进行悬索桥挠度变形监测, 当满足GPS技术的观测条件的要求时, 采取适当的措施是能够满足监测的需要的。而且, 在数据的处理过程中还可以采取优化设计, 进行人工干预的方式, 提高基线解算的质量。
2) 再者, 桥面上往往观测条件不好, 试验时的监测任务又比较急, 采用传统的测量方法实测一般工作量较大, 时间较长, 而GPS则以其精度高、速度快、经济方便在今后应当得到广泛的应用, 而目前用GPS+全站仪的模式进行挠度变形监测一种行之有效的方式。
3) 应用GPS技术进行悬索桥等特大型桥梁的监测, 这在国内已不是首次。武汉长江二桥于1995年6月实施通车静动载试验时, 采用加速度计按照环境随机振动方法, 对正桥主跨自振特性进行了测试。其竖向弯曲基振频率的实测值与GPS试验结果非常吻合, 也很接近于理论计算值, 表明应用动态GPS监测大型桥梁的动态特性是可行的, 为桥梁监测提供了一种新的、有效的测量手段。
参考文献
[1]李征航.GPS定位技术在变形监测中的应用[J].全球定位系统, 2001, 26 (2) .
[2]刘立龙, 林文介.GPS监测城市地表形变及数据处理分析研究[J].桂林工学院学报, 2002, 22 (1) .
[3]姜卫平, 刘经南, 叶世榕.GPS形变监测网基线处理中系统误差的分析[J].武汉大学学报:信息科学版, 2001, 26 (3) .
[4]Kenneth W.Hudnut, Jeffrey A.behr.Continuous GPS monitoring of Structral Deformation at Pacoima Dam, California[J].Seismological Research Letters, 1998, 69 (4) .
[5]施一民, 史可超.江阴长江公路大桥GPS施工检测网的布设[J].工程勘察, 1994 (4) .
[6]钱敬.GPS技术在南京长江二桥施工中的应用[J].中外公路, 2002, 22 (5) .
[7]张文基, 刘喜元, 岳建平.新建桥梁的静载试验方法研究[J].测绘通报, 2002 (7) .
[8]朱小华, 胡伍生.润扬大桥悬索桥全站仪法挠度变形观测.
[9]黄声享, 刘星, 杨永波, 等.利用GPS测定大型桥梁动态特性的试验及结果[J].武汉大学学报:信息科学版, 2004, 29 (3) .
GPS观测数据 篇5
推导了GPS接收机中多径效应引入的最大载波相位跟踪误差的闭合形式.得到以下结论:当直达信号跟踪误差不超过1码片时,最大载波测相多径误差为1/4周,该值出现在测码伪距多径误差最小的情况下;当直达信号跟踪误差超过或等于1码片时,接收机跟踪多径信号,信号误检发生.
作 者：孙礼 王银锋 张其善 Sun Li Wang Yinfeng Zhang Qishan 作者单位：北京航空航天大学2系,北京,100083 刊 名：航空学报 ISTIC EI PKU英文刊名：ACTA AERONAUTICA ET ASTRONAUTICA SINICA 年，卷(期)：1998 19(Z1) 分类号：V243 关键词：全球定位系统 多径效应 载波相位★ 候鸟效应对移动通信网络的冲击论文
★ 应对论文技术壁垒
★ 铁路工程大跨径桥梁工程论文
★ 浅谈换位的作用论文
★ 发展中国家如何应对经济全球化论文
★ 农牧业产业结构及应对措施论文
★ 应对气候变化农业科技发展战略论文
★ 现代职业教育体系构建论文
★ 地方高校在区域创新体系建设中的作用与参与机制论文
GPS静态观测和解算 篇6
1 GPS的定义及其构成
GPS是英文Global Positioning System (全球定位系统) 的简称, 中文简称“球位系”, 它是由美国水陆空联合研制的新一代的卫星定位导航系统。它主要是由空间部分、地面控制部分以及用户设备部分组成, 有GPS终端、传输网络和监控平台等几个必备的元素。
2 GPS在测绘领域的应用
GPS在测绘中的应用非常广泛, 主要应用在:陆地地形测量、地球地理学的研究、地区性测量的控制网的联测、海洋测量、精密工程测量、工程变形监测和低级测量等。测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位, 定位精度高。仪器的零部件要求较为严格, 组成比较复杂, 维修较为困难, 造价非常高。根据使用用途和精度, 又分为静态 (单频) 接收机和动态 (双频) 接收机即RTK。
3 GPS静态观测技术
GPS静态观测的具体实施步骤:首先要明确观测的具体目标, 以及需要得出的数据是为那个领域所用。在明确了观测的具体目标之后要根据目标圈定的观测区域, 了解该区域的主要道路交通状况, 水域的分布状况, 主要的植被的种植分布状况。要详细了解观测控制点的分布, 以及该区域居民区的分布, 有必要的话还要了解待观测区域的居民的民族禁忌、风土人情, 以便更好地开展观测工作。前期准备工作还要尽可能地搜集准备观测地区的各种地图、交通旅行图、地形图等各种图表, 为观测提供参考依据;搜集原来观测控制点得出的各种数据;搜集观测区域与观测相关的地质数据、气象数据、交通数据、通讯数据等;还要搜集城乡行政区域的划分以及行政村的区域划分等, 总之尽最大的努力在观测前就对被观测地区有一个较为全面的真实的较为详细的了解, 为以后的观测以及数据分析做好前期准备工作。
(1) 这些前期的准备工作完成后就要进入到观测的计划阶段。首先是进行技术方面的准备, 需要对前期所搜集的数据在进行分析的基础之上确定GPS控制网的精密度, 并完成控制网的基准设计, 控制网的图形设计以及控制网的精度预计。根据这些设计需要配套准备相应的仪器以及与之配套的计算机系统;准备机动设备以及必要的通讯设备;完成施工前的物料准备、人员准备、人员的具体分工以及工程的预算。
(2) 根据这些计划开始施工, 首先是选点。选择点位时应该综合考虑该点位是否有利于后期的施工, 是否方便于一些较大设备的安装, 视野是否开阔, 在周围15°以上是否有遮挡物, 要防止遮挡物将GPS信号吸收从而影响了观测的结果;点位的选择还要考虑远离无线电发射源, 如电视台、微波站、气象站等, 远离的距离最小不低于200 m, 远离高于输送电线路50 m以上, 尽可能的避免强磁波对GPS信号的干扰, 确保观测数据真实有效;点位的附近还不应该有大面积的水域或者强烈干扰卫星信号的物体, 以确保卫星信号的接收, 避免出现多路效应;此外, 点位的选择还要综合考虑交通的方便问题以及设备地基的稳固问题等。选点的工作人员要根据前期计划的要求进行选点, 最终形成的网型要有利于同步观测以及边点连接等问题。当有的点位需要水准联测时要进行实地踏勘水准路线。
(3) 选点的同时要对所选的点位进行埋标。埋标的标石必须稳固, 可长期使用。在埋标完成后需要绘制点位的网图。
(4) 点位设定好后就要开始具体的观测工作。观测工作是GPS测量的外部作业中最主要的部分, 在观测的开始之前对外业观测进行计划的拟定, 以便于高精确度、高效率地完成数据采集任务。观测计划所涉及的主要内容有:第一, 编制卫星可预见性报图。在高度角大于15°的限制条件下, 输入测区中心某一测站的的概略坐标, 输入日期和时间。大约使用不超过20天的星历记录就可以编制可预见性报图。第二, 卫星的几何图形强度。在GPS定位中观测卫星与地面观测点之间的几何图形其强度因子用空间强度因子PDOP表示, 无论是绝对位置还是相对位置的PDOP不能大于6。第三, 选择最佳的观测时机。当卫星大于4颗, PDOP小于6的时候就是观测的最佳时机, 此时的观测数据就是真实的有效的。第四, 观测区域的设计与划分, 当定位系统的网点较多, 网的规模较大, 并且参加观测的接收机数量相对有限, 交通和通讯不方便, 不便于展开如此大的区域观测时可以对被观测区域进行分区, 实行分区观测。在分区观测时应注意相邻区域一定要有不少于三个的公共观测点, 以保证观测的全覆盖以及观测数据的完整性。
(5) 外业观测主要的工作。天线的安置、开机观测、气象参数的测定、观测数据的记录。天线的安置应考虑在正常点位上, 天线应架设在三角支架上, 安置在标志中心的上方直接对中, 注意检查天线基座上的圆水准气泡是否平整。在遇到有干扰且不能排除干扰的特殊点位, 为防止观测的信号的中断可以选择偏心观测。天线还应设置正向标志, 标志应该指向正北, 从而减弱相心偏差的影响, 偏差一般不超过3°～5°。在遇到特殊天气安装天线时, 需要根据当时的天气对天线进行保护或者加固。如在大风天气安装时要对三角架以及天线进行固定, 在雷击天气要对天线进行接地处理, 防止雷击。开机观测时首先确认连接准确无误后才启动接收机。开机后的接收机显示正常之后输入有观测站的时段控制性息;接收机开始记录数据时应随时关注工作卫星的数量、信号的强弱以及相位观测的残差等;在一个观测时段内不允许重新启动, 在自行测试过程中, 在没有出现故障的前提下, 不允许改变卫星的高度角;不允许改变天线的位置, 采样时间的间隔;不允许删除文件。每一个观测时段中都要对开始、中间以及结束的数据进行记录, 当时段较长时可适当增加观测的频率。观测过程中要对观测设备的供电以及各个仪器的运行状况进行高度关注。雷雨天气中应关机停测, 对观测过程中产生的数据要实时记录, 认真保管为后面的数据分析提供依据。
4 GPS观测数据的解算
4.1 对于数据的预处理
预处理的目的就是对原始数据进行编辑、加工整理分流, 并产生各种专用的信息文件, 为进一步平差计算做准备。主要的工作内容有:数据传输, 即将观测数据传输到其他的储存介质之上;数据分流, 对原始数据进行筛分, 删除一些没有意义的文件, 形成专用信息文件;统一数据的文件格式;卫星轨道的标准化;探测周跳, 修复载波相位的观测值;对观测值进行必要的修改, 但不得改变数据的真实性。
4.2 解算的具体方法
基线解算一般采用的是多站、多段自动处理的方式, 一般采用双差相位观测值, 卫星星历的广播坐标也可以作为基线结算的起算依据。在多台地面接收装置的同步观测同一时段中可以采用单基线模式进行解算。同一等级的GPS, 根据基线长短不同可以采用不同的数据处理模型。
参考文献
[1]马耀昌, 辛国.GPS测量误差与数据处理的质量控制[A].测绘荆楚——湖北省测绘学会2005年“索佳杯”学术论文集[C].2005.
[2]田鹏, 杨松林, 王成龙.基于小波消噪的时序分析改进法在GPS变形监测中的应用[J].测绘科学, 2005.
[3]沈兴明, 刘港, 熊忠招.GPS虚拟参考站边缘区域进行转换参数处理的应用与精度验证[A].全国测绘科技信息网中南分网第二十一次学术信息交流会论文集[C].2007.
[4]应宁, 张志伟.GPS-RTK与全站仪组合在测量放线技术中的应用[A].建设工程理论与实践 (第二辑) [C].2005.
GPS技术在变形观测中的应用 篇7
1 桥梁变形监测与GPS应用优势
1.1 桥梁变形监测
一般而言, 作为交通建设中的一项重要内容, 桥梁同时也是我们基础设施建设的一部分。所谓桥梁变形监测, 主要是指利用现代化的传感、通信技术, 对桥梁的运行状况及各个阶段的环境条件进行严格的检测, 尤其是各部分结构的响应和功能状况, 并在此基础上获得能够全面和客观反映桥梁结构状况的有关因素。之后再对这些因素和相关数据进行分析, (主要是桥梁结构的健康指标、桥梁结构的可靠性分析等) , 从而为桥梁的科学管理及其有效的维护, 提供一个客观、科学的参照。
1.2 GPS应用优势
从实践来看, GPS的主要应用优势在于测站点之间无需同时通视、全天侯检测、三维信息、精度高以及容易操作等。传统的检测方法需要监测点之间的相互通视, 方可实现观察, 而GPS技术只需要对一个点进行测量即可;对于传统的监测方法而言, 主要包括平面与垂直位移法两种, 该种桥梁变形监测方法具有工作量大和作业周期长特点, 而且其监测的时间与位点经常难以有效的统一起来, 有时可能会增加变形的分析难度, 甚至出现错误;对于GPS技术而言, 不但可以实时提供比较精确的三维监测动态数据, 而且还不受各种自然天气的制约;GPS监测技术和设备使用前都会配有相关的雷电设施, 可以实时对桥梁进行监测;同时还有接收机, 可以有效的方便用户利用不同位置的监测点, 从而实现信息的实时采集、分析、传输以及处理和报警。
2 GPS变形监测网建立
对于一些大型的桥梁而言, GPS变形监测网通常是由一个或多个独立的观测环共同构成的, 多以三角形孔大地四边形组成混会网的形式进行布设。一般而言, 实地选点时要注意以下几点: (1) 点位的基础应做到坚实稳固, 并且易于长期的进行保存。不能选在夏季洪水易淹没的地方; (2) 点位视场内障碍物的高度角不能超过15度, 以减少卫星信号被遮挡; (3) 点位应远离大功率无线电发射源, 其距离不得小于200米, 并远离高压输电线和微波无线电信号传输通道。其距离不得小于50米, 以免电磁场对卫星信号的干扰; (4) 点位离河应保持一定的距离, 附近不能有大面积水域, 以减弱多路径效应的影响: (5) 点位离大桥的距离至少在200米以上, 减少大桥行车时对点位本身和GPS观测时的影响; (6) 点位的数量视桥型大小而定, 一般来说, 在河两岸桥梁的两侧至少各有一个点, 大型桥梁应适当增加。还应联测国家已知点或施工控制网的点。
3 GPS在桥梁变形监测中应用原理
对变形监测而言, 其对精度的要求比较高, 桥梁变形中要求其平面精度必须为1毫米, 高程精度为2毫米。GPS在桥梁监测中, 实际测量过程中, 接收机能跟踪上卫星信号, 且在t瞬间内能对载波相位进行测量, 其相位可以测到整周部分或不足一周部分, 说明卫星相位能接收到基准信号, 但信号毕竟是正弦函数, 在实际应用过程中也不能被标识, 也不能准确的测量其是第几周相位。而在t时刻之后的载波相位测量中, 接收机的计数器会走动可以对t时刻到观察时刻的周数进行调整。用载波原理对桥梁进行变形监测, 其精确度是比较高的, 能达到0.5-2毫米, 然这种监测技术在实际应用过程中, 常会受到轨道、卫星钟差以及接收机钟差和对流层等多种因素的影响, 而造成相应误差。一旦出现观测误差, 可以将不同线形组合在一起, 毕竟这种误差是因对两个或两个以上观测站实行同步观测同一卫星而引起的。正常情况下, GPS的定位会采用单差、双差和三差, 其中对变形监测数据进行处理采用的是双差法。不同接收机在不同时间内对不同应用是以载波相位测量原理和差分测量为依据进行的, 能更好的保证其精度。卫星进行同步观察并得到与之相对应的相位, 可以对卫星进行求差、接收机进行求差和历元进行求差。
4 GPS技术在桥梁变形监测中的应用
在使用GPS技术对桥梁进行变形监测时, 一定要先对其变形监测网进行分析。GPS变形监测网在实际应用过程中是最为关键和重要的, 它不仅可以实现多台同步接收机同时观测不同时期的点, 而且还能有效的保证每期GPS机台数保持不变。在对每一期进行相应的观察时, 最好是要选用分布较多的卫星时段。在此基础上采用多台GPS机进行同步观测, 这样就可以使其在观测过程中产生更多的同步观测环。当同步观测环闭合差相对较小, 并且出现了误差较大的基线以后, 可将该基线予以剔除, 剔除之后仍然能够保证具有较高的精度。
就目前来看, 在桥梁变形监测中, 除了将基线剔除外, 一般还会选用随机商业软件对不同时期产生的GPS基线进行处理。为了有效的保证其效果, 在此基础上也可以采用粗差法进行探测。在用这种方法对精差进行探测的时候, 应该先计算统计量并在此基础上逐次进行, 直至粗差位置不再出现;之后对整个GPS网进行平差, 以便更好的得到该网评差, 确定该网相应精度。在对变形网数据进行处理的时候, 一般会选用两个以上基准网进行处理。
在此基础上对其形变进行相应分析, 就能了解不同测点之间的变形信息。而为了保证变形监测网更好的发挥其作用, GPS监测网一般会布设四个以上卫星基准点, 在选用这些基准点的时候, 最好在其附近选择国家级的GPS点作为监测网基准点, 并不断的对其进行复测, 以保证其精度能够得到有效的提高。在变形观测时, 应该先对不同时期观测到的变形信息进行分析, 并在此基础上对数据定期进行复测, 对有利点进行精度监测和约束平差坐标转化, 以减少误差率形变网进行施测的时候, 可以将其分成两个时段进行施测, 白天进行监测和晚上进行监测。毕竟现在的公路和铁路交通量比较大, 特别是公路交通中在中重型载重汽车引起的震动是十分明显的, 为了减少相应汽车的噪声, 保证GPS监测效果, 其在利用GPS监测的时候, 特别是在晚间对桥梁变形进行检测的时候, 最好选在凌晨、天亮之前。
5 结语
总而言之, GPS技术为桥梁变形监测带来了新的活力和技术支撑, 克服了传统的桥梁结构监测方法的缺点, 具有非常明显的技术优势, 特别是可实现多点同步观测, 受外界影响小, 数据采集方便, 可实现实时性、自动化管理, 因此应当对此加强重视和技术创新, 以期为我国桥梁及交通建设事业的探寻新的发展契机。
参考文献
[1]赵正林.有关GPS在桥梁变形监测中的应用[J].黑龙江科技信息, 2012 (13) .
[2]喻春华刘飞许志华.GPS技术在桥梁变形监测中的应用[J].科技致富向导, 2010 (16) .
[3]魏芳菲刘成林郭杭.GPS技术在大型桥梁变形监测中的应用[J].工程勘察, 2011 (12) .
[4]余成江龙勇.GPS在桥梁变形监测中的应用探讨[J].城市建设理论研究 (电子版) , 2011 (21) .
GPS观测数据 篇8
在利用GPS载波相位进行定位时,要达到高精度,必须保证观测数据中无载波相位周跳,因此正确检测与修复周跳是GPS数据处理中的一个关键问题[1]。周跳探测与修复的基本思路是通过合理的数据处理,得出精确反映周跳变化的检测量序列,从检测量序列中探测出周跳发生的位置和大小并修复,最后将周跳改正后的数据序列参与解算。目前已有的检测周跳的方法主要有差分法、多普勒频移法、伪距相位组合法[1]、电离层残差法[2]、卡尔曼滤波法[3]和站间或站星间差分法。这几种方法各有特点,但也都有其局限性:差分法主要用于探测较大的周跳,因为差分法在放大周跳的同时也放大了噪声;多普勒频移探测周跳时,必须保证至少前四个时元的载波相位观测值没有周跳,继而用他们来探测和修复第五个时元的载波相位观测值的周跳,另外以上两种方法在动态情况下不能探测出小周跳;伪距相位组合法周跳的探测能力倚赖于伪距观测量的精度,一般需要接收机能够输出P码伪距,对单频接收机不适用;电离层残差法是目前效果最好的周跳探测方法之一,但也不能应用于单频接收机[5];卡尔曼滤波法在当运动载体机动加速度较大时不能有效探测和修复周跳。
本文提出一种新方法,基本思想是:首先采用三阶多项式模型的卡尔曼滤波对载波相位测量值进行预处理,找出一组不含有周跳的观测值,然后再用奇偶矢量法[4]探测下一观测值是否含有周跳,依次循环,完成周跳探测与修复。
2 载波相位测量值的预处理
在进行探测和修复周跳时,一些方法必须保证至少前四个历元的观测值不含有周跳,从而用来探测和修复第五个观测值的周跳。本文首先利用三阶多项式模型的卡尔曼滤波进行预处理,用残差平方和检验前N个历元的观测值有无周跳,选出不含有周跳的N个历元,然后用奇偶矢量法探测第N+1个历元是否含有周跳,依次循环。
首先建立GPS载波相位测量的动态模型和测量方程分别为:
undefined
其中,undefined为状态变量;q(k-1)为预报一步的模型误差;Z(k)=[φ1,φ2,…,φn]为载波相位观测值;B=[1 0 0 0]为k时刻的测量矩阵;V(k)为测量误差,方差为σ2;Φ为状态转移矩阵,Γ为系统噪声驱动阵,分别为:
undefined
用N点进行三阶多项式平滑的公式为:
undefined
其中:
undefined
这N点内是否有周跳,可用残差平方和C来检验:
undefined
计算:
undefined
作检验:
undefined
如果上式成立,判断这N历元内没有周跳,如果不成立,则取下N个历元继续上述步骤,直到式(6)满足为止。
3 奇偶矢量法探测周跳原理
3.1 奇偶空间矢量的形成
假设没有测量误差的情况下,GPS载波相位的测量模型为:
undefined
对H阵进行QR分解,即:
undefined
其中,Q为n×n正交矩阵,R为n×4上三角矩阵。代入式(7)中并在两边同时乘QT得到:
undefined
在这里令undefined,其中Q1为4×n,Q2为(n-4)×n,R1为4×n。
考虑测量误差的影响,因此我们取奇偶空间矢量为:
undefined
3.2 周跳的探测
由于奇偶矢量p直接反映了观测误差的信息,基于奇偶矢量可构造检验统计量,进行周跳的检测。假设在上述中判断出了一组载波相位观测值在N个历元内没有周跳,下面来判断第N+1个历元是否含有周跳。
根据这N+1个历元所组成的载波相位测量模型计算出奇偶空间矩阵Q2,将奇偶空间矢量投影到Q2的每一列,并进行标准化,得到检验统计量:
undefined
其中Q2,i为Q2的第i列。当第六个历元没有周跳时,tit为零均值正态分布,方差与测量误差方差相同为σ2。给定误警率Pw,对n个统计量有下列概率等式:
undefined
从而可以得到检测门限Tr,对每个统计量ti与Tr比较,若ti>Tr,取:
undefined
则检测到第k个历元含有周跳。
3.3 周跳的修复
探测出周跳后,去除测量模型中发生周跳的测量值,得到新的测量模型:
undefined
其中Z′,H′,V′,表示去除周跳的测量值以后的模型参数。此时利用最小二乘法可以计算出状态变量undefined,然后利用undefined估计该发生周跳的测量值在正常情况下的实测值比较,从而修正整周计数。 根据下式可以估计周跳:
undefined
4 算法步骤及算例仿真实现
4.1 算法步骤
为了更好地说明该方法,由以上理论设计出周跳探测和修复的具体算法为:
第一步:根据建立的动态方程和测量方程用N点进行三阶多项式平滑(在此取N=7),求出状态估计值undefined;
第二步:计算残差平方和C和δ,如果满足式(6),判断这N历元内没有周跳,如果不成立,则取下N个历元并跳到第一步,直到式(6)满足为止;
第三步:根据QR分解计算奇偶空间矩阵Q2,使得Q2V=0并且QundefinedQ2=I;
第四步:求出奇偶空间矢量,并将奇偶矢量投影到Q2的每一列,进行标准化,得到检验统计量ti;
第五步:根据误警率Pw,确定周跳检测门限Tr;
第六步:对每个统计量ti与Tr比较,若ti>Tr,根据式(13)检测到第k个历元含有周跳。
第七步:当探测出有周跳发生后, 根据式(14)和式(15)进行周跳的修复,从而修正载波相位测量值。
4.2 仿真结果
为验证该方法的正确性,我们利用一组无周跳数据人为地增加跳值后进行了周跳的探测和修复,进行下列模拟实验,所用数据(表1)为某OEM板输出的数据,数据采样间隔为1 s,表2中为人为添加跳值时探测的结果。
经过载波相位预处理得知,根据建立的动态方程和测量方程用7点进行三阶多项式平滑,判断出第1～7个历元中不含有周跳,然后用这7个历元来探测下面12个历元,如表2所示,在第8个历元中加入1周,在第18个历元中加入1周,可以看出,L(8)和L(18)发生了周跳,其他历元均没有发生周跳。利用式(15)得到周跳的估值后即可对载波相位测量值进行修复。
5 结 语
本文对GPS载波相位定位中出现的周跳问题进行了讨论,并提出一种新方法,首先用多项式模型的卡尔曼滤波对载波相位测量值进行预处理,然后采用奇偶矢量法进行探测周跳。通过对某OEM板上输出的数据进行仿真分析,结果表明该方法可以探测出小周跳,从而验证了该方法的有效性。
参考文献
[1]张守信.GPS卫星测量定位理论与应用[M].长沙:国防科技大学出版社,1996.
[2]贾沛璋,吴连大.单频GPS周跳检测与估计算法[J].天文学报,2001,42(2):192-197.
[3]廖向前,黄顺吉.GPS载波相位的周跳检测方法[J].电子科技大学学报,1997,26(6):27-31.
[4]陈金平.GPS完善性增强研究[D].郑州:解放军信息工程大学测绘学院,2001.
[5]Chai Yanju,Ou Jikun.Method for Detecting and RepairingCycle Slips in GPS Navigation[J].Transactions of NanjingUniversity of Aeronautics,2005:121-124.
GPS观测数据 篇9
关键词：GPS技术,综合气象观测,时间校准
随着气象现代化建设的不断推进, 综合气象观测设备不断增加。目前, 吉林省已经安装完成并投入使用的新一代天气雷达5部, 中频相参多普勒天气雷达2部, 国家级自动气象站54个, L波段探空系统3部。观测设备系统时钟准确与否将直接影响到观测资料的准确性和及时性。准确性指观测资料是否真实反映出精准时间下的客观事实。及时性指资料是否及时上传。目前, 各级气象台站校对时间的方法一般采用通过拨打授时电话12117或者通过收听调频收音机整点报时进行对时, 这两种对时方法极为不便而且时间校准不够精准, 主观性较强, 不能满足现代综合气象观测设备对时间精确程度的要求。
1 时间校准器功能需求
综合气象观测设备属于科技含量较高的现代化气象装备, 新一代天气雷达, L波段探空系统等是高、低频电子器件较多的电子设备, 工作机房电磁环境十分复杂, 需要时间校准器具有一定的抗干扰性, 在硬件选型、软件设计等方面要考虑电磁环境影响。综合气象观测设备的工作特点对时间校准器的可靠性有较高要求, 要求时间校准器具有故障自动检测、信号丢失自动报警等功能。
综合气象观测设备时间校准器可以输出和显示标准时间, GPS信号失锁后, 准确时间可以持续, 不小于2天。时间校准器可以较为方便的实现对各气象探测设备的方便校时。
2 总体结构
GPS同步授时系统的硬件以嵌入式微处理器及其外围部件为基础, 通过串口收发数据并控制GPS接收模块最终达到系统要求。由于综合气象观测设备对时间精度要求较高, 因此在硬件的设计上还应该考虑时钟的自保持能力, 当GPS接收失锁, 电磁干扰时, 时间校准器使用内置晶振时钟电路进行自保持。系统框图如图1所示。
其工作流程为, GPS接收模块通过GPS天线接收卫星发出的数据报文, CPU通过程序提取数据报文中的信息, 通过串口输出到被校时设备。同时GPS输出秒脉冲至晶振, 实现设备时钟的高精准度。
3 硬件设计
时间校准器CPU选用ARM7处理器, 是系统的核心部件负责GPS数据报文的采集、处理以及时间信息的输出等功能。ARM7处理器具有低功耗, 低成本, 高性能的特点。采用RISC指令集, 提高了指令的执行效率, 运行速度较快, 目前在智能仪表以及工业控制等领域具有广泛的应用。GPS天线与接收模块等部件均采用美国原装产品, 具有精度较高, 稳定性较好, 功能强, 无累积误差, 免维护等特点。
4 软件设计
GPS数据输出的报文为NMEA报文.NMEA是美国国家海洋电子协会 (National Marine Electronics Association) 为海用电子设备制定的标准格式NMEA-0183协议定义的语句非常多, 但是常用的或者说兼容性最广的语句只有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL等。GPS上电后, 每隔一定的时间就会返回一定格式的数据, 数据每行都以‘$’开头, 接着是信息类型, 后面是数据, 以逗号分隔开。信息的类型有: (1) GPGSV:可见卫星信息, (2) GPGLL:地理定位信息, (3) GPRMC:最小定位信息, (4) GPVTG:地面速度信息, (5) GPGGA:GPS定位信息, (6) GPGSA:当前卫星信息。因为GPRMC最小定位信息包含系统所需要的时间信息, 所以嵌入式处理器只需提取最小定位信息中的时间数据。软件编写提取最小定位信息里的UTC时间和日期信息。从而得出精准的时间信息, 以一定的格式通过串口发给被校时的综合气象观测设备, 从而实现对综合气象观测设备的校时。
5 小结
针对综合气象观测设备的特点, 设计开发了基于GPS技术的综合气象观测设备时间校准器, 该时间校准器可以接收GPS卫星播发的数据, 提取UTC日期和时间信息并且转换成标准时间格式的字符串通过串口发送给被校时的综合气象观测设备。可以改变目前各级气象台站使用调频收音机或拨打电话12117对时的现状, 校时精度也较传统方式有较大的提高。应用于新一代天气雷达时, 对于短时临近天气预报、防灾减灾工作具有重要的意义。应用在自动站设备中时, 可以使自动站数据采集时间更准确, 时间准确度的提高可以进一步实现各探测设备的同步观测。该时间校准器为综合气象观测装备提供了快捷、准确、安全的授时解决方案。
参考文献
[1]谢钢.GPS原理与接收机设计[M].北京:电子工业出版社, 2009.
[2]彭刚, 春志强.基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器应用实践[M].北京:电子工业出版社, 2011.
[3]陈军, 潘高峰译.James Bao-yen Tsui.GPS软件接收机基础[M].北京:电子工业出版社, 2007.
GPS观测数据 篇10
1 GPS观测量
如果忽略某些附加滞后相位, GPS信号接收机所接收到的GPS信号可表述为
从上式可见, 第j颗GPS卫星发送的导航定位信号, 能够提供下列观测量而测定同一站星距离:C/A码、调制于载波L1的P码 (简称为L1-P码) 、调制于载波L2的P码 (简称为L2-P码) 的伪距测量;被C/A码调制的载波L1 (即式 (1a) 的第二项, C/A-L1) , 被P码调制的载波L1 (即式 (1a) 的第一项, P-L1) , 被P码调制的载波L2 (即P-L2载波) 的载波相位测量;L1-P码和L2-P码的群时延差动测量;L1载波和L2载波的相位差动测量。
上列观测值随着GPS信号接收机的类型不同而异。例如, 对于Trimble 4000SST双频接收机, 它的观测量是C/A距伪距、载波L1和L2的滞后相位, 以及积分多普勒测量值。
GPS信号接收机, 是在C/A码步入跟踪区间后, 依靠延时锁定环路 (DLL) 实现对C/A码的同步和跟踪。若要求DLL环路步入稳定的跟踪调节状态, 必须具有
现行的GPS信号接收机, 所采用的相关区间绝大多数是一个C/A码码元 (0.9775μs) 。新近的研究表明, 最小的相关区间可达0.05个C/A码码元 (0.0489μs) ;但是, 它取决于相关器的工作模式。对于点积相关式 (dot-product mode) 和密合相关式 (coherent mode) , 其最小的相关区间仅达0.1个C/A码码元;对于早晚差幂相关式 (early-minus-late p owe r mo d e) , 其最小的相关区间可达0.05个C/A码码元。美国Van Dierendonck等学者证明, 早晚差幂相关器的C/A码测距误差为
从式 (3) 可见, 在用同一个相关器的条件下, 若采用宽相关区间 (如d=1) , C/A码的测距误差大, 若采用窄相关区间 (如d=0.1) , C/A码的测距误差小;例如, 当用S/N0=39db·Hz, BL=1Hz, TP=0.02s时, 若d=1.0C/A-chip, 则Meml=2.357m;若d=0.1C/A-chip, 则Me m l=0.743m。后者已相当于P码的测距精度, 换言之, 不用P码也能达到较高的站星距离测量精度。加拿大Calgary大学G.Lachapelle教授等学者的试验检测表明, 窄区相关技术在不用抑径圈的情况下, 能够将C/A码伪距测量误差减小57% (如表1A所示) ;若采用带抑径圈的GPS信号接收天线 (如图1所示) , C/A码伪距测量误差将减小75% (如表1B所示) 。从表1的实测数据还得知, 采用带抑径圈的G P S信号接收天线, 当采用窄区相关技术时, 可使C/A码伪距测量误差减小67%;当不采用窄区相关技术时, C/A码伪距测量误差也可减小43%。由此可见, 采用带抑径圈的GPS信号接收天线, 能够获得较明显的精度增益。
美国Weill博士的进一步研究表明, C/A码的测距精度, 不仅取决于相关区间的大小, 而且还与观测时间 (T) 长短、信噪比 (S/N0) 大小和预相关带宽有关。在信噪比为46d B·Hz和1s观测时间的情况下, C/A码的测距误差随着预相关带宽不同而变化的曲线如图2所示, 当预相关带宽为8MHz时, C/A码最高测距精度可以达到20cm;换言之, 用C/A码作导航定位测量, 可以达到用P码作导航定位测量的相同点位精度。自1994年1月1日GPS卫星实施AS技术以来, 非特许用户不仅不能用P码作实时导航定位测量, 而且不能进行P码和C/A码码相位测量的联合解算, 甚至P码数据平滑。窄区相关技术, 能使C/A码达到亚米级的测距精度, 就解决了非特许用户不能采用P码作GPS精密测量之忧。
2 测量伪距
伪距是带有距离偏差的测点和卫星之间的距离, 它是解算用户点位坐标的基础数据。从GPS卫星所用伪噪声码的整体构思可见, 伪距是采用下述“分步”测量的方法:
⊙用导航电文6s子帧的同步码 (遥测码的第1~8比特——10001001) 测量1.8×106k m以内的站星距离, 称之为同步粗测值。
⊙用P码子码X1的1.5s时间周期测量4.4×105km以内的站星距离, 称之为P码粗测值。
⊙用C/A码的1ms时间周期测量300km以内的站星距离分量, 称之为C/A码粗测值。
⊙用C/A码的码元相位测量300m以内的站星距离分量, 称之为C/A码精测值。
⊙用P码的码元相位测量30m以内的站星距离分量, 称之为P码精测值。
表2五种测量方法, 都是用于测量同一时元的同一个站星距离, 它们也像用尺长分别为1.8×106k m, 4.4×105k m, 30 0 k m, 30 0 m, 30 m的五把“电尺”, 同时而分别去量测同一站星距离, 只不过同步粗测值和P码粗测值, 是为了解决所测站星距离 (其最大值约为26, 500km) 的多值性 (模糊度) , 因此, 两种粗测值只需采用其中之一。但是, 无论采用P码粗测值, 还是同步粗测值, 其测量误差必须小于150km (0.5ms) , 以确保300km整倍数值的正确性;其他各电尺被要求达到的最低测距精度 (如表2所示) 。
上列五种观测值, 是分别按下述方法测得的。同步精测值, 可以按时间扩展测量技术, 精确测得6 s子帧同步码之间的时间之差, 其值乘以电磁波的传播速度 (3×108m/s) , 即为同步粗测值。P码粗测值和C/A码粗测值均采用“全1状态脉冲测量法” (如图3所示) 。图中的本地码发生器输出到L0全“1”状态检出器的本地码, 是已经与接收码“对齐”了的C/A码或P码;但是, 即使GPS信号接收机的时钟和GPS卫星时钟严格同步, 由于两地时钟的启动时间之异 (即信号初相不同) , 基准码不能完全代替卫星上的伪噪声码, 按照图3测得的站星距离, 总是存在由此而引入的距离偏差, 即所测得的站星距离, 不同于GPS信号接收天线和GPS卫星之间的真实距离, 而是带距离偏差的伪距。此外, 为了产生基准码, 不仅要求严格同步接收机时钟, 而且还要知道伪噪声码的结构, 因此, 非特许用户一般只能使用C/A码作为伪距测量。
码相位波道是一种测得码精测值的有效设备, 它的原理框图见图4所示。码相位波道的基本工作原理, 关键在于产生一个“码率波”, 而以它作为被测信号。“码率波”是依靠从A点输入的接收码 (C/A码或P码) 乘以延迟了二分之一码元宽度 (τ0/2) 的时延码而得到的。码相位测量是这样实现的:接收机时钟所产生的秒脉冲启开时间计数器, 致使它开始计数;当码率正弦波来到时, 它的正向过零点关闭计数器;两者开关计数器的时间之差, 即相应于站星距离。只不过C/A码的一个码元宽度 (码相位) 相应于293.05m (977.517ns) ;P码的一个码元宽度 (码相位) 相应于29.305m (97.752ns) 。因此, 码相位波道只能测得不足一个码元宽度的时间间隔[分别小于977.512ns (用C/A码) 和97.752ns毫微秒 (P码) ]。对于站星距离为293.052m的多少倍仍待解决, 正如载波相位测量一样, 存在一个多值性问题。由此可见, 码相位波道并不要求知道伪噪声码的结构, 因此, 它不仅能够精确测量C/A码的码元相位, 而且能够测量严格保密的Y码 (P码) 的码元相位, 以致码相位波道受到广大非特许用户的重视。
3 结束语
关于GNSS信号接收机只能够测得带距离偏差的伪距, 而不能够测得接收机和GNSS卫星之间的真实距离, 后续讲座将对此做专题论述。本文仅以GPS信号接收机为例, 较详细地论述了GPS观测量和C/A码伪距测量等相关问题。
参考文献
[1]刘基余.全球导航卫星系统及其应用.北京:测绘出版社, 2015.5
[2]We11s, D.E., et al, Guide to GPS Positioning, University of New Brunswick, Canada, 1987