GPS控制测量毕业设计方案.doc

前 言4第1章 绪论51.1概述51.2中国外研究现实状况61.3本文关键研究内容7第2章 GPS定位基础原理及误差起源92.1 GPS定位基础原理92.1.1 GPS系统介绍92.1.2 GPS定位基础测量102.1.3 GPS定位基础原理122.2 GPS定位误差起源152.2.1和卫星相关误差152.2.2卫星信号传输误差162.2.3和接收设备相关误差172.2.4粗差192.3 GPS数据采集模式及网间坐标转换192.3.1 GPS数据采集模式192.3.2 GPS网和其它网之间坐标转换20第3章桥梁控制测量223.1概述223.2桥梁控制网特点223. 3桥梁控制网布设233.3.1桥梁控制网基准和投影面确实定243.3.2桥梁控制网布设要求273.3.3桥梁控制网布设方法293.4桥梁控制网精度要求313.4.1桥梁控制网精度估算313.4.2高程控制网精度333.5控制网施测方法34第4章 高速铁路测量控制技术体系364.1 精密测量控制体系研究364.1.1 客运专线铁路精密工程测量概念364.1.2 建立客运专线铁路精密工程测量体系必需性364.2高速铁路客运专线铁路工程技术要求374.2.1坐标系统37第5章 GPS在大型桥梁控制测量中应用395.1 GPS桥梁控制网技术指标395.2 GPS控制网网形设计395.3 GPS桥梁控制网布设要求405.4 GPS控制网施测405.5.1 GPS仪器选择和检验405.5.2 GPS控制网外业实施405.5.3 观察数据处理415.5.4 GPS基线向量网平差42第6章 京沪高速铁路丹阳至昆山特大桥工程实例446.1 丹阳至昆山特大桥介绍446.2 丹阳至昆山特大桥GPS控制网布设446.2.1 坐标系和投影面选择446.2.2 时间基准456.2.3 控制网技术、精度指标456.2.4 平面控制网布设456.3 GPS平面控制测量466.3.1 外业观察466.3.2 基线解算476.3.3 投影转换486.3.4 GPS网平差496.3.5 精度统计分析49致谢52GPS在高速铁路特大桥控制测量中应用 摘 要GPS相对定位技术已经在测绘、交通、城建、国土资源管理等各个领域得到了广泛应用。它平面相对定位精度已经完全能够满足工程需要。结合GPS定位测量多种优点，将GPS相对定位技术引入特大型桥梁控制网测量和基础放样，不管对GPS技术本身发展还是对特大型桥梁测量控制全部含有极为关键意义。 本文关键就GPS技术在特大型桥梁测量控制应用进行了研究。从GPS基础原理出发，叙述了控制网布设、尤其对桥梁控制网设计、选点、布设和精度分析做了具体叙述。并结合苏通大桥GPS控制网控制测量和基础放样实例，对GPS在特大型桥梁测量控制中应用进行了分析，得到了GPS相对定位技术完全能够应用于特大型桥梁平面控制网和GPS RTK技术满足大型桥梁基础放样精度要求结论。关键词 : GPS，桥梁，控制网，铁路特大桥，高速铁路前 言 多年来，伴随中国交通事业蓬勃发展，桥梁建设己经迈入了一个新历史阶段，正由桥梁大国向技术强国前进。多种特大型桥梁飞跨南北，成为国家交通网络中关键枢纽。在这些科技含量高、工程规模浩大桥梁建设中，测绘作为建设先行，其传统经典测量手段发挥了极为关键作用。但中国在建和拟建很多特大型桥梁中，尤其是高速铁路大桥，其地理条件极为复杂，施工工艺和精度要求也在不停提升，传统测量手段已经极难满足建设需要，所以，探索一个新测量控制方法就显尤为关键。长久以来，利用常规测量方法布设高精度测量控制网，关键依靠于高精度测距仪和经纬仪。因为地形复杂、区域广和其它部分原因，这给常规测量带来了一定困难。常规边、角控制网测量要求各控制点间必需通视，给网形布设带来了很大限制而且工作量大，受气候条件影响显著，作业时间较长。伴随GPS技术快速发展，GPS技术应用已渗透到军事、交通、测绘、水利等各行各业。GPS包含面很广，值得研究问题也很多。现在，范围上数公里至几千公里控制网或形变监测网，精度上从百米至毫米级定位，通常全部将GPS作为首选手段。伴随RTK技术日趋成熟，GPS已开始向分米乃至厘米级放样、高精度动态定位等领域渗透。现在GPS卫星定位技术己经逐步用于建立桥梁施工平面控制网，并可方便用于桥梁施工平面控制网复测、基础施工放样和对大桥进行监测。本论文关键依据高速铁路大型桥梁实际需要，结合高速铁路丹阳至昆山特大桥工程工程实例，对GPS在大型桥梁测量控制中应用进行了部分研究和探讨。第1章 绪论1.1概述 全球定位系统(Global Positioning System-GPS)这一现代高新技术产物，现在，在航空、航天、军事、交通、运输、资源勘探、通信、气象等几乎全部领域中，它全部被作为一项很关键技术手段和方法，用于导航、定位、授时和测定大气物理参数等。 测量是较早采取GPS技术领域。最初，它关键用于建立多种类型和等级测量控制网;现在，它除了仍大量地用于这些方面外，在测量领域其它方面也已得到了广泛应用，如用于多种类型施工放样、测图、变形观察、航空摄影测量、海测和地理信息系统中地理数据采集等。在多种类型控制测量中，GPS定位技术已基础替换常规测量手段，成为关键技术手段。GPS在道路工程中应用，关键是用于建立多种道路工程控制网及测定航测外业控制点等。现在，中国己普遍采取GPS技术建立线路各等级控制网。实践证实，在几十公里范围内点位误差只有2cm左右，达成了常规方法难以实现度，同时也大大提前了工期。 铁道部在西南铁路、渝怀铁路中应用GPS建立了首级控制网，精度也完全满足一般铁路施工测量要求。多年，京沪、秦沈等高精度高速铁路控制网建立及实施，更显示出了GPS用于铁路平面控制魅力。因为GPS高程受地形、已知数据、观察条件等影响严重，所以现在GPS高程用于高速铁路控制、施工中还存在着很多方面问题值得深入深究。 在控制测量方面，GPS较之于常规方法含有以下部分特点: 1)测量精度高GPS观察精度要显著高于通常常规测量手段，GPS基线向量相对精度通常在10-1-10-9之间，这是一般测量方法极难达成。国外有试验结果表明，在长度为50km-450km基线上，三次试验结果精度统计为:南北分量1.9mm，东西分量2.1mm，垂直分量平均精度为17m，且和距离无显著关系 2)选点灵活、费用低 因为GPS测量不要求测站间相互通视，不需要建造规标，布网费用能够大大降低。 3)全天候作业 GPS测量几乎能够在任何时间、任何气候条件下，均能够进行GPS观察，大大方便了测量作业，有利于按时、高效地完成控制网布设。 4)观察时间短 采取GPS进行通常等级控制测量时，在每个测站上观察时间通常在1-2个小时左右，采取快速静态定位方法，观察时间则更短。 5)观察、处理高度自动化 采取GPS进行控制测量时，观察过程和数据处理过程均是高度自动化。这大大降低了人为误差和粗差发生可能性。 6)其它 另外还有诸如数学模型简单、可同时测定点三维坐标、易于实现无人值守观察等特点。1.2中国外研究现实状况 伴随GPS静态定位技术发展和完善，GPS技术己普遍用于多种用途控制点测量，并已在多种类型和等级控制网建立中逐步替换常规测量方法。 中国采取GPS技术布设了新国家大地测量控制网，很多城市也全部采取GPS技术建立了城市控制网。伴随GPS技术发展，GPS定位技术所取得精度越来越高。对于长至数百甚至数千公里基线，其相对定位精度可达，量级;短至数公里基线，平差后点位精度也能达成毫米级。 多年来，伴随GPS定位技术快速发展，近期有部分大桥，应用GPS定位技术进行其首级平面控制网测设，取得了可喜结果。GPS技术应用，不仅大大减轻了劳动强度、缩短了作业时间、减弱了大气折光影响，更使专长距离、无法通视地域高精度控制网测设成为可能。在桥位高程控制测量中，传统测量方法往往按规范要求方法进行跨河水准测量，联测两岸高程。比如，安徽芜湖大桥，南京长江二桥、江阴大桥等，其跨河高程测量均采取经纬仪倾角法进行作业。但这类方法通常只适适用于2千米以下跨河宽度，超出2千米以上就极其少见，难度也很大。而对于30千米宽跨海长度，要采取常规跨河水准测量方法几乎没有可能。 在中国桥位高程控制测量中，利用桥位周围己有桥梁通道或在两岸稳定国家级水准点间进行跨河传输高程，部署成闭合环线或附合水准路线，把江河两岸联络起来，是取得两岸统一高程一个有效方法。 GPS高程拟合测量是GPS过江高程传输最近发展使用一个方法。在范围不太大地形平坦区域内，以高等级水准点作为高程拟合起算点，结合高精度GPS观察值、选择适宜高程异常处理模型，高程传输精度可达国家二、三等水准精度。GPS高程拟合过江关键问题是怎样正确建立高程异常模型，因为地球表面及地层各处物质密度、质量不一样，各点大地高和正常高之间差异十分复杂，在范围较大区域采取GPS高程拟合方法传输高程，有时会出现较难控制大误差或难以预料粗差。 国际上，对桥位平面控制和高程控制技术研究已取得了可喜成绩。美国早在1984年斯坦福粒子加速器工程测量中采取GPS定位技术，平差后其平面位置精度达1-2mm，高程精度达2-3mm;欧洲核子研究中心大型环形电子对撞机控制测量，GPS定位精度亦达毫米级;横跨英吉利海峡欧洲海底隧道工程，1987年开始施工，工程全长50km,隧道深入海底40m，当采取经典大地测量方法时，隧道纵横向误差为，而以后采取GPS进行控制测量得到隧道纵横向误差为，大大提升了工程质量，降低了工程费用。 伴随GPS技术广泛应用，GPS技术已越来越多地应用于大型工程施工控制测量，尤其是平面控制网测设中。尽管GPS技术相对于常规测量方法有不可比拟优越性，但因为GPS技术测量精度范围很大，从米级到毫米级甚至亚毫米级，对于不一样用途控制网，必需依据其本身特点进行严密设计。本文将结合京沪高速铁路工程研究GPS在桥梁控制测量中应用。1.3本文关键研究内容 长久以来，利用常规测量方法布设高精度测量控制网，关键依靠于高精度测距仪和经纬仪。因为地形复杂、区域广和其它部分原因，这给常规测量带来了一定困难。常规边、角控制网测量要求各控制点间必需通视，给网形布设带来了很大限制而且工作量大，受气候条件影响显著，作业时间长。伴随GPS技术快速发展，GPS技术应用己渗透到军事、交通、测绘、水利等各行各业。GPS包含面很广，值得研究问题也很多。尤其必需针对生产中部分实际问题，研究GPS技术应用实施方法，达成实际需要。本论文依据高速铁路大型桥梁实际需要，结合工程实例，对GPS在大型桥梁测量控制中应用进行了部分研究和探讨。关键内容以下:1、讨论GPS定位系统原理及其特点2、分析总结了GPS定位误差起源和影响及对应减弱方法。3、对高速铁路精密测量高控制体系研究。对高速铁路精密工程测量概念、建立高速铁路精密工程测量体系必需性进行叙述，由此制订GPS测量方案。4、结合工程实例，对GPS在特大型桥梁测量控制中应用进行了深入研究。5、对GPS在桥梁中应用进行了总结，得出了部分结论，并展望了下一步研究工作。第2章 GPS定位基础原理及误差起源 2.1 GPS定位基础原理2.1.1 GPS系统介绍1973年12月，美国国防部同意陆海空三军联合研制一个新军用卫星导航系统navigation by satellite timing and ranging (NAVSTAR) global positioning system(GPS)，称之为GPS卫星全球定位系统，简称为GPS系统。它是美国国防部第二代卫星导航系统。它是一个基于空间卫星无线导航和定位系统，能够向数目不限全球用户连续地提供高精度全天候三维坐标、三维速度立即间信息，含有实时性导航、定位和授时功效。自1974年以来，GPS系统建立经历了方案论证、系统研制和生产试验等三个阶段。1978年2月22日第一颗GPS试验卫星入轨运行，开创了以导航卫星为动态己知点无线电导航定位新时代，标志着工程研制阶段开始。1989年2月14日，第一颗GPS工作卫星发射成功，宣告GPS系统进入了生产作业阶段; 1994年3月建成了信号覆盖率达成98%GPS工作星座，全部完成24颗工作卫星(含3颗备用卫星)发射工作，正式宣告了GPS整个系统已经正式建成并投入使用。GPS系统由三大部分组成:GPS卫星星座(空间部分)，地面监控系统(控制部分)和GPS信号接收机(用户部分)。GPS空间卫星星座由21颗工作卫星和3颗随时能够启用备用卫星组成。24颗卫星均匀分布在6个轨道面内，每个轨道面均匀分布有4颗卫星。卫星轨道平面相对地球赤道面倾角均为550，各轨道平面升交点赤道相差600，在相邻轨道上，卫星升交距角相差300。轨道平均高度约为0公里，卫星运行周期为11小时58分。GPS工作卫星空间分布保障了在地球上任何时刻、任何地点均最少能够同时观察到4颗卫星。地面观察者见到地平面上卫星颗数随时间和地点不一样而异，最少4颗，最多11颗。GPS卫星关键作用是:向用户连续发送定位信息;接收和储存由地面监控站发来卫星导航电文等信息，并适时发送给用户;接收并实施由地面监控站发来控制指令，适时地更正运行偏差和启用备用卫星等;经过星载高精度铷钟和铯钟，提供精密时间标准。 地面监控部分包含一个主控站、三个注入站和五个监测站。其关键任务是监视卫星运行;确定GPS时间系统;跟踪并预报卫星星历和卫星钟状态，向每颗卫星数据存放器注入卫星导航数据，确保GPS系统良好运行。 GPS信号接收机关键功效是快速捕捉按一定卫星截止高度角所选择待测卫星信号，并跟踪这些卫星运行，对所接收到卫星信号进行变换、放大和处理，方便测定出GPS信号从卫星到接收天线传输时间，解译出卫星所发送导航电文，实时计算出测站三维坐标、三维速度立即间信息等。 在GPS定位过程中，根据参考点位置不一样，能够分为绝对定位和相对定位。绝对定位是指在地球协议坐标系中，确定观察站相对地球质心位置，这时能够认为参考点和地球质心相重合。而相对定位指是在地球协议坐标系中，确定观察站和某一地面参考点之间相对位置。 按定位时接收机所处状态，可将GPS定位分为静态定位和动态定位两类。所谓静态定位，指是将接收机静止于测站上数分钟至1小时或更长时间观察，以确定一个点在WGS-84坐标系中三维坐标(绝对定位)，或两个点之间相对位置(相对定位)。而动态定位最少有一台接收机处于运动状态，测定是各观察历元对应运动中点位(绝对定位或相对定位)。 利用接收到测距码或载波相位均可进行静态定位。但因为载波波长远小于测距码波长，若接收机对码相位及载波相位观察值精度均取至0.1周(每2弧度为一周)，则C/A码及载波L1所对应距离误差分别为2.93m和1.9m.所以，利用码相位伪距测量只能用于单点绝对定位。而载波相位观察量则是目前GPS测量中精度最高观察量，而且它取得不受(P码或Y码)保密限制。利用载波相位进行单点定位能够达成比测距码伪距定位更高精度。载波相位测量最关键应用是进行相对定位。将两台GPS接收机分别安置在两个不一样点上，同时观察卫星载波信号，利用载波相位差分观察值，能够消除或减弱多个误差影响，取得两点间高精度GPS基线向量。2.1.2 GPS定位基础测量 利用GPS定位，不管采取何种方法，全部是经过观察GPS卫星而取得某种观察量来实现。我们知道，GPS卫星信号含有多个定位信息，依据不一样要求，能够从中获取不一样观察量，其关键包含: 1、码相位伪距观察值 码相位伪距测量是GPS接收机经过测量卫星发射信号和接收机接收到此信号之间时间差t，来求得卫星接收机间得距离P: P=t *c式中:c为光速。 因为卫星钟误差、接收机误差和无线电信号经过电离层和对流层中延迟等，实际测出距离P和卫星到接收机真实距离R有误差。所以，通常称P为伪距。2、载波相位观察值 在码相关型接收机中，当GPS接收机锁定卫星载波相位，就能够得到从卫星传到接收机经过延时载波信号。假如将载波信号和接收机内产生基准信号比相就可得到载波相位观察值。若接收机内振荡器频率初相位完全相同，卫星在时刻发射信号，经过t后于t，时刻被接收机接收，接收机通道锁定卫星信号，t对应相位差，又设卫星载波信号于历元，时刻相位为 ()，接收机基准信号在，时刻相位为()，则有: =()- () 经过鉴相器，卫星到接收机间相位差可分为个整周相位和不到一个整周相位之和，即: =()- ()= 卫星到接收机距离为: 式中:为波长。 鉴相器只能测出不足一个整周相位值，测不出来。所以，在载波相位测量中出现了一个整周未知数 (也称为整周模糊度)，需要经过其它路径求定。另外，假如在跟踪卫星过程中，因为某种原因，如卫星信号被障碍物挡住而临时中止，受无线电信号干扰造成信号失锁等，这么，计数器无法连续计数，所以，当信号重新被跟踪后，整周计数就不正确，但不到一个整周相位观察值t,仍然是正确。这种现象称为周跳。周跳出现和处理是载波相位测量中关键问题。 因为载波频率高、波长短，所以，载波相位测量精度高。不过，利用载波相位观察值进行定位，要处理整周模糊度解算和周跳修复问题。2.1.3 GPS定位基础原理1、绝对定位(测距码伪距单点定位) 绝对定位，通常指在协议地球坐标系中，直接确定观察站，相对于坐标系原点(地球质心)绝对坐标一个定位方法。利用GPS进行绝对定位基础原理，是以GPS卫星和用户接收机天线之间距离(或距离差)观察量为基础，并根据己知卫星瞬时坐标，采取空间后方交会方法来确定用户接收机天线所对应点位，即观察站位置。 测距码伪距就是由卫星发射测距码到观察站传输时间(时间延迟)乘于光速所得出距离，习惯上简称为伪距。建立伪距观察值方程，必需顾及卫星钟差，接收机钟差和大气层折射延迟等。为了表示方便，本节全部公式中均以k表示测站编号，j表示卫星编号，i表示观察历元编号。伪距观察值(k,j,i)可表示为:(k, j, i)=p(k, j, i) + c (2-1-5)式中:;为接收机钟差，;为卫星钟差 ，力表示对流层折射影响，它包含干分量和湿分量，可按测站上实测得气象元参数及至卫星高度角，采取对流层更正模型进行计算更正，表示电离层折射影响，也采取更正模型进行更正，这些下一节中将具体讲述。p(k，j，i)为正确卫地距，其计算公式为: （2-1-6）卫星坐标()是已知。顾及式(2-1-6)，在式(2-1-5)中只有4个未知数:测站三个坐标未知数（），另一个未知数是接收机钟差风。所以在同一观察历元，只须同时观察4颗卫星，即可取得4个观察方程式，求解出这4个未知数。若同时观察卫星多于4个，则存在多出观察，此时，须将式(2-1-5)线性化，再按最小二乘法进行平差计算。若一开始所给出测站在WGS-84坐标系中近似值()偏差过大，则因线性化后观察方程式仅取了一次项，为避免略去高次项对解算结果影响，可利用解算出测站坐标重新作为近似值，迭代求解，以此求出我们需要点位坐标。 应用GPS进行绝对定位，依据用户接收机天线所处状态不一样，又可分为动态绝对定位和静态绝对定位。当用户接收设备安置在运动载体上，并处于动态情况下，确定载体瞬时绝对位置定位方法，称为动态绝对定位。动态绝对定位，通常只能得到没有(或极少)多出观察量实时解。这种定位方法，被广泛应用于飞机船舶和陆地车辆等运动载体导航。当接收机天线处于静止状态时，用以确定观察站绝对坐标方法，成为静态绝对定位。这时，因为能够连续观察卫星至观察站伪距，所以可取得充足多出观察量，方便在测后，经过数据处理提升定位精度。静态绝对定位方法，关键用于大地测量，以正确测定观察站在协议地球坐标系中绝对坐标。2、相对定位(差分载波相位测量) 相对定位最基础情况，是用两台GPS接收机，分别安置在基线两端，并同时观察相同卫星，以确定基线端点，在协议地球坐标系中相对位置或基线向量。当多台接收机安置在若干条基线端点，经过同时观察GPS卫星，可以确定多条基线向量。 瞬间载波相位差指是，在某一指定时刻(历元)由接收机产生参考载波信号相位和此时接收到卫星载波信号相位之差。载波相位差观察方程为:(2-1-7) 式中:是分别在接收机钟及卫星钟所定义时间尺度中所度量初始历元(钟面时为)相位值;为载波频率;对分别表示卫地距、卫地距变率，分别为接收机钟差和卫星钟差;表示初始历元整周待定值;为对流层折射更正项; 为电离层折射更正项。 载波相位测量，由任一测站k在任一观察历元i对任一卫星J均可由接收机取得观察值叫，式(2-1-7)为其数学模型。式子右端包含大量未知数;如卫星至测站几何距离及其变率、卫星钟钟差、接收机钟差等，其中接收机绝对钟差(相对于GPS标按时)极难用两三个钟差来模拟，式(2-1-7)右端前两项也难给予参数化，再则卫星轨道、大气折射残余误差等等也全部会影响定位。在平差计算中，包含了大量并非我们实际需求未知参数。这些参数用来模拟相位观察值中部分系统性误差影响，因其数学模型难以完善，肯定存在可观模型误差。另外，实践证实，在平差过程中引入过多参数往往会降低解精度和可靠度。所以，(非差分)载波相位测量还难于用于单点绝对定位。实际上，我们经过对载波相位测量值进行多种线性组合(即差分)，便可取得高精度GPS相对定位结果。相对定位，借助于精密星历和高精度相对定位软件，很轻易取得很高相对定位结果。 依据用户接收机在定位过程中所处状态不一样，相对定位也有动态和静态之分。静态相对定位通常采取载波相位观察值为基础观察量，这一方法是目前GPS定位中精度最高一个方法，广泛应用于大地测量、工程测量和地壳变形监测等精密定位领域。动态相对定位，是用一台接收机安设在基准站上固定不动，另一台接收机安设在运动载体上，两台接收机同时观察相同卫星，以确定运动点相对于基准站实时位置。依据其采取观察量不一样，动态相对定位又可分为测码伪距动态相对定位和测相伪距动态相对定位。3、实时动态相对定位(GPS RTK ) RTK(英文为Real Time Kinematics)技术即GPS实时动态相对定位技术，是现在最优异卫星定位技术，是GPS测量技术发展一个重大里程碑。它是GPS测量技术和数据传输技术相结合而组成组合系统，它能够在野外实时得到厘米级定位精度，这为工程放样、地形测图、变形观察等多种实时高精度测量作业带来了一场变革。它基础原理是，利用2台以上GPS接收机同时接收GPS卫星信号，其中一台安置在已知坐标点上作为基准站，另一台用来测定未知点坐标为流动站。基准站经过数据传输系统(简称数据链)将其观察值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅经过数据链接收来自基准站数据，还要自己采集GPS观察数据，然后依据相对定位原理，在系统内组成差分观察值进行实时处理，实时地计算并显示用户站三维坐标及精度，历时不到一秒钟。RTK作业开始前，流动站必需优异行初始化，即完成整周未知数解算后开始进行每个历元实时测量，作业时只要能保持四颗以上卫星相位观察值跟踪和必需几何图形，则流动站可随时给出厘米级定位结果。初始化可在固定点上静止进行，也可在动态条件下利用动态初始化(AROF)技术进行。 GPS RTK定位系统组成，一套RTK定位系统通常包含一套基准站和一套流动站。一套基准站包含:一台基准站GPS接收机及天线、独立基准站发射电台及天线、设置参数和显示使用电子手簿。一套流动站包含:一套流动作业GPS接收机及天线、流动站接收信号电台(多数内置于GPS接收机内)及天线、电子手簿。现在RTK技术标称精度通常为:平面士(1Omm+1ppn) ;高程士(20mm+2ppm )，工作半径在1 Okm以上。2.2 GPS定位误差起源 GPS定位中，影响观察量精度关键误差起源，可分为三类:和卫星相关误差;和卫星信号传输相关误差;和接收设备相关误差。2.2.1和卫星相关误差 和卫星相关误差关键有卫星钟差和卫星轨道误差。1、卫星钟差 由(2-1-1)式能够看出距离是时间线性函数，所以GPS定位必需以精密测时为基础，尽管信号传输起始计时由GPS卫星上高精度原子钟确定，但它和真实GPS时仍存在偏差或漂移，这种差在1ms以内，由此引发等效距离误差最大为300km。对于卫星钟差通常利用监测站提供被注入卫星导航电文更正，系数按下式修正。 (2-2-1)上式中，为参考历元为参考历元时刻卫星钟差 为卫星钟钟速(或频率偏差) 为卫星钟钟速变率(或老化率)2、卫星轨道偏差 卫星在运行过程中受多个摄动力复杂影响，地面监测站也不能正确测定其轨道，经过导航电文所计算卫星位置误差d大约为20m-40m，伴随摄动力模型改善和定轨技术完善，卫星位置精度现在可提升到5m- 1Om。卫星离地面平均高度约为0km，卫星位置对定位精度影响可按下式计算 (2-2-2)式中，D为卫星和测站间距离;S为基线长，当基线长为1Okm时，则卫星位置误差对定位精度影响为2.5mm- 5mm。所以对于精度要求较高工程，必需采取有效方法，来降低它影响。依据要求不一样，处理卫星轨道误差方法有三种: (1)当基线足够短时，在满足精度情况下，能够忽略卫星轨道误差。 (2)采取轨道改善法处理观察数据，即在数据处理中，引入表征卫星轨道偏差更正数，并假定短时间内这些参数为常数，将其作为未知参数和坐标未知数一并求解。 (3)同时观察值求差，因为同一卫星位置误差对不一样观察站同时观察量影响，含有系统性，利用同时求差方法能够显著地减弱卫星轨道误差影响，尤其对于短基线效果更显著。2.2.2卫星信号传输误差 信号在从卫星到测站传输过程中，要受到大气折射和多路径影响。大气层结构按对电磁波传输影响不一样可分为电离层和对流层。电磁波经过大气层时折射数随高度改变。信号传输过程中，关键受分布在70km以上电离层影响和分布在40km以下对流层影响。而且电离层折射数小于0，对流层折射数大于0。折射数大于0，表示折射率大于1，则信号传输速度小于光速，即中信号对流层传输速度小于光速，引发时间延迟和伪距增加。而电离层中信号传输速度大于光速，引发时间缩短和伪距减小。试验数据表明，在天顶方向(高度角90度)，对流层可使信号传输路径误差达成2.3m;当高度角为10度时路径误差可达20m;而电离层折射引发信号传输路径误差，天顶方向最大达50m.水平方向最大也可达150m，所以大气层折射影响必需加以修正。 减弱对流层折射更正项残差影响方法关键有: (1)尽可能充足掌握观察站周围实时气象资料; (2)利用水汽辐射计正确测定信号传输路径上水汽积累量，方便正确计算大气湿分量更正量; (3)利用相对定位差分法来减弱对流层折射影响。当基线较短时，在稳定条件下，因为电磁波抵达基线两端点路径基础一致，所以经过两端点同时观察量求差，能够有效减弱对流层折射影响;(4)完善对流层大气折射更正模型。减弱电离层折射影响关键方法有 (1)利用双频观察技术; (2)相对定位中，短基线两端点观察量同时求差。2.2.3和接收设备相关误差 和接收设备相关误差关键包含:观察误差、接收机钟差、天线相位中心误差、载波相位观察整周不定性影响。 观察误差:属于偶然误差，包含分辨率带来误差，和安置天线时不对中产生误差。 接收机钟差:接收机中和卫星钟不一样时产生测时误差。接收机钟差通常在数据处理中把它设为未知参数一并求解。也能够像卫星钟一样用多项式模型表示，在平差过程中求解多项式系数，或在相对定位中利用差分技术来减弱或消除它影响。 天线相位中心误差:天线相位中心和它几何中心不一致，而在应用中我们总把它们看作一致，所以存在着天线相位偏差。减弱这种误差方法有，改善接收机天线或对于同类型天线也使用差分技术同时求差。 除了上述三类误差外，还存在其它误差起源，如:地球自转影响，相对论效应，地球潮汐，卫星钟和接收机钟振荡器随机误差等。在长距离相对定位中，假如要满足地球动力学要求，研究这些误差起源，确定它们影响规律和更正方法，含相关键意义。 假如依据误差性质，可分为系统误差和偶然误差。1、系统误差 系统误差关键包含卫星轨道误差、卫星钟差、接收机钟差、及大气折射误差，减弱或修正系统误差影响方法通常为: (1)引入对应未知参数，在数据处理中连同其它未知参数一并解算; (2)建立系统误差模型，对观察量加以修正; (3)利用差分技术，将不一样观察站对相同卫星同时观察值求差，以减弱或消除系统误差影响 (4)考虑满足测量精度要求下，忽略一些系统误差。2、偶然误差 偶然误差关键由多路径效应和观察误差引发。多路径效应是GPS测量中，地面上接收机周围物体或多或少要反射GPS信号，假如所反射卫星信号（反射波）进入接收机天线，这就将和直接来自卫星信号（直接波）产生干涉，从而使观察值偏离真值产生所谓“多路径效误差”。这种因为多路径信号传输所引发干涉时延效应被称作多路径效应。多路径反射类型以下图a-直达信号b-地面反射信号c-建筑物反射信号d-多重反射信号e-边缘散射信号图（2.2.1）多路径反射类型消弱方法减弱多路径影响至今仍无法建立出一个良好更正模型，通常采取以下方法来减弱：（1） 选择适宜站址测站应远离大面积平静水面。灌木丛、草地和其它地面植被能交好地吸收微波信号能量，是较为理想设站地址。翻耕后土地和其它粗糙不平地面反射能力也较差，也能够选站。测站不宜选择天线安置点应远离大功率无线电发生器和高压输电线,以避免周围磁场对信号干涉。测站应远离高层建筑物。观察时，汽车也不要停放离测站过近。（2） 对接收机天线有一定要求，如在天线中心设置抑径板 ，接收机天线对于极化特征不一样反射信号应该有较强抑制作用。 观察误差是因为认为原因引发多种误差。2.2.4粗差 整周未知数是指在起始观察时，信号由卫星到接收机传输路径上无法直接测定相位整数部分。 载波相位观察整周不定性指起始观察历元，信号在传输路径上整周数无法直接测定，另外，因为锁定卫星在不停运动，轻易引发失锁(即跟踪中止)，从而造成计数器上整周计数不连贯，引发粗差。 因为受多种误差影响，使GPS变形监测数据不仅含有变形信息，同时也受到多种误差污染。所以，GPS变形监测数据处理就是从受误差污染观察数据中提取变形信息。2.3 GPS数据采集模式及网间坐标转换2.3.1 GPS数据采集模式 在精密GPS测量中，通常使用载波相位观察相对定位方法来确定点三维位置或相对基准点三维坐标差，根据GPS接收机作业模式，对应也有三种数据采集方法:静态相对定位、快速静态相对定位、RTK实时动态定位。 静态相对定位观察，观察时基准站(已知站)上设置若干台GPS接收机，保持对GPS卫星连续跟踪，在流动站(监测站)上也安置GPS接收机，同时观察较长时间(从数十分钟到多个小时)，其数据处理通常在室内进行。 快速静态相对定位观察，操作和静态相对定位基础相同，只是其观察时间对较短(从几分钟到数十分钟不等)。 RTK实时动态定位观察，操作和上面方法基础相同，只是在流动站驻留时间短(只要几秒钟)，实时解算出定位结果，为此需要建立观察数据实时传输系统。 在相对定位过程中，未知参数包含:测站点坐标、电离层及对流层影响、卫星钟差、接收机钟差、未知整周数。而电离层对流层影响、卫星钟差全部有相应更正模型，经过模型更正这些影响基础上消除了。所以，要求未知参数只有测站点坐标、接收机钟差、未知整周数。而在不太长时间内，接收机钟差能够看作不变量，所以在观察方程中能够用一个固定参数表示。另外一旦锁定卫星，一未知整周数大小也是一个不变量。它个数只和接收机及卫星个数相关，而和观察历元无关。依据这些分析，在确定观察时段内，未知参数个数是确定，假如每一个观察历元生成一个观察方程，若干历元生成若干个观察方程。由平差理论可知:在未知参数个数确定情况下，其解可靠性随观察方程增多而提升。假如一个时段内能观察数个历元，显然历元个数随观察时段增加而增加，即确保了观察方程数增加。所以，观察时段长短就实际上决定了定位精度高低。 从以上分析可知，在测量精度上，其高低次序依次为:静态相对定位，快速静态相对定位，动态实时定位。所以对于精度高要求而不需要快速反馈工程，全部采取静态相对观察法，如动力学研究板块运动监测，地表变形监测，地震监测等;静态相对定位法耗时较长，在工程建设中往往不能立即对工程做出反馈，影响施工进度，所以快速相对静态定位法在确保必需精度前提下，能够替换静态定位法，这种工作模式通常见在滑坡监测中，或要求不是太高地表变形监测中;假如现场有数据处理软件，能实时处理观察结果，也能够用于现场施工监控。 现在市场上动态实时定位设备也含有很高精度(可达10-20mm )，所以很多在施工过程中，可用它来完成对施工监控和指导。2.3.2 GPS网和其它网之间坐标转换 全球定位系统采取坐标系统是新协议地球坐标系统(WGS-84 )，为了工程需要，或充足利用原始资料，有时必需将两种坐标系统一起来。经典地面网三维坐标，通常全部是在参心坐标系中，以大地坐标形式表示，因为在大地坐标系中，两网基准转换模型复杂，所以通常在空间直角坐标系统中进行。所以对已经有资料中大地坐标(B,L