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题目：GPS测量最优时间段的选择专业：测绘工程GPS测量最优时段的选择【摘要】GpS被应用于测绘领域中是现代测量技术的一次革命，甑着测量技术和理论方法的快速发展，GPS以其定位精度高，对测量条件要求核低，节省成本等诸多优点在很多方面代替了传统的测量方式。卫星的几何分布是影响GPS测量精度的因素之一.本文就如何选择GpS最优测量时间段从而获得校优的卫星空间几何分布做了探究和分析，并年合卫星星历萩取软件详述了GPS最优时间段选择的方法，总结了几种卫星星历的获取方式，并且探究了海拔和经纬度对PDOP值的影响，为GPS最佳时间段的选择做了具有普遍性的思结和参考。【关鲤字】GPS测置；卫星星历；PDOP值；最优观测时间目录1. 引言11.1 研究背景112研究现状113研究目的和意义12. GPS概述11. 1GPS的发展与组成12. 2GPS的定位原理13. 3GPS测距原理23. GPS测量相关规定和要求24. GPS测量误差分析31 .1误差来源综述34 .2卫星的几何分布对GPS测量精度的影响45. GPS测量最优时间段的选择41. 1软件简介45. 2星历文件的获取46. 3成果输出57. 4最优时间段的综合分析88. 5海拔和纬度对有效卫星数目和PDOP值的影响86. 总结9致谢语101. 引言11研究背景GPS系统即全球定位系统被应用于测量领域并且经过数十年的发展，GPS测量技术，数据处理方法,以及GPS用户端的开发和更新，GPS已经满足了大部分工程测量的精度需求和测设条件。1.2研究现状在现代测量技术中，GPS测量技术越来越成熟，有部分公司和一些网站为了提供可靠的卫星星历文件，自主研发了卫星星历的获取软件并免费对外开放，用户可各需索取。星历文件提供了卫星的分布情况，PDoP值等并通过明显的方式呈现给用户，使得用户可根据实际的测量条件进行方案的设计。星历文件的获取不但为GPS用户提供了方便，也使得测量的精度有了更好的提高。13研究目的和意义在现代测量技术中，利用传统的测量方法显然已经不能满足现代工程建设的发展和需求。利用GPS进行定位测量已经成为主流技术，因此在满测量所需精度的条件下怎样提高其测量的精度，优化测量方法，使得GPS更好的为人们服务是一项重要的课题。本文从GPS误差来源入手，阐述卫星几何分布和接收有效卫星数目对测量精度的影响，详细分析了GPS测量较优时间段选择，为GPS测量最优时间段的选取提出一些具有普遍意义的结论。2. GPS概述3. 1GPS的发展与组成美国子午卫星系统的建成与发展具有划时代的意义，它的建立是为了满足美国海军全球定位导航的需求，但是因其卫星数量少，不能满足三维连续导航，并且一次导航解算所需的时间较长等缺点，美国军方迫切寻求一种新的导航系统来替代它，GPS即全球定位系统呼之欲出。1973年美国为了满足军用的需求，开始了全球定位系统的研发和建立。但是由于1983年一架韩国客机误入苏联后被击落，美国宣布GPS系统向民用开放。随着美国SA政策的取消，GPS系统的全面建成以及技术的发展，全球定位系统的应用越来越广泛，工程测量是其应用的一个重要领域。随着技术的提高，和理论方法的不断完善，GPS定位精度日益满足人们建设和生活的需求，它将带给人类更多的便捷与服务，并且创造出难以估计的价值。未来GPS的发展可能逐渐会退出垄断的地位，随着中国，日本，俄罗斯，和欧盟的不断崛起，它们会在以后的卫星导航产业中扮演重要的角色。中国北斗导航卫星系统的建成也将对GPS形成不小的冲击。不光是GPS,全球定位技术的发展在未来绝不是单一的，它将依靠其他科学技术的综合利用体现其价值。组成GPS系统的总共有三大部分组成。第一是GPS系统尤为重要也是将卫星信号采集处理然后注入卫星的部分；第二是空间部分，它包含了24颗卫星，通过电磁波向地面发射信号；第三是用户设备部分,它将接收到的信号进行计算分析得出用户所在的位置、时间、运动速度等。这三部分各司其职发挥着各自的功能，使GPS系统良好的运行。4. 2GPS的定位原理利用GPS进行空间定位就是通过测量卫星到接收机部分的距离，确定接收机的空间坐标，实现的过称为公式(21)：Mn2=(x-Xn)2+(y-Yn)2+(z-Zn)2(2-1)公式中Mn为卫星到接收机的距离，x,y,z是卫星的三维坐标，Xn,Yn,Zn是接收机的三维坐标。从理论上来讲只要三组这样的数据即可，其他的是为了提高准确性而做的工作。静态定位的含义是将卫星信号接收部分放置在固定不变的位置上，或者说是在某一位置达到一定的观测时间。静态定位观测特点是连续长时间的进行观测，并且在得到精度较高的观测结果。动态定位则不然。因为用户部分的位置不是一成不变的，所以这种测量的方式对测量结果不能要求太高O绝对定位是只通过一台接收机接收卫星信息来确定卫星到接收机的距离。通过空间几何的知识我们明白在三维空间中只需要通过三个卫星到接收机距离的数据就可以确立接收机的具体位置，但是实际中为了提高精度或者获取必要的参数，接收机要同步观测4颗或4颗以上的卫星。绝对定位比较简单，数据处理也较简便，但是它的定位精度不高，实际情况是它的定位方式和精度都不能满足更多的需求和服务。相对定位是通过两台或者两台以上的接收机同时观测同一组卫星来确定位置的。这种用多台接收机采用求差的方法可以达到很高的定位精度。2. 3GPS测距原理卫星到接收机的距离与真实值有一个差值，这种带有差值的距离较之实际距离称之为伪距这种差值的出现有许多因素如大气中对流层与电离层对电磁波信号传输的影响等。GPS接收机到卫星的距离是通过简单的原理测定的即:距离=时间X速度。用公式(2-2)表示：1.=C×T(2-2)C是信号的传播速度，T是从卫星信号发射到接收机接收到信息的时间，L是接收机到卫星的距离在这个过程的实现中，C是已经测定的C3*l(T8ms,但是因为传播介质的变化，如电流层和对流层对波速的影响，再加上接收机种和卫星钟的不同步影响使得L的测定不等于理论值。通过资料表明虽然伪距法定位的速度较快，但是P码受到美国军方的控制，再加上美国人为的对卫星星历和卫星钟的精度降低，让C/A码进行伪距定位的精度大大降低。载波相位的工作实质是由接收机产生出一个和卫星信号完全相同的基准信号，在某一时刻接收机产生的基准信号相位为0经过一段时间接收到卫星信号的相位为61,那么接收机到卫星的距离用公式(2-3)表示：1.n=×(0-1)(2-3)但须注意的是采用这种方法，如果信号中断也就是所说的周跳，则会失去一部分整周数，影响测量精度。3. GPS测量相关规定和要求全球定位系统(GPS)测量规范(GB/T18314-2001)GPS测量按其精度划分为AA、A、B、C、D、E级，各级GPS测量的用途如表37表37各级GPS测量用途B精密工程测量、变形监测C大、中城市及工程测量的基本控制网D、E中、小城市、城镇及测图、地籍、土地信息、房产、建筑施工等的控制测量B、C、D、E级GPS网按表3-2规定执行。表3-2GPS观测技术要求级别AAABCD.E单频双频双频全波长双频全波长双频双频或单频双频或单频观测量至少有Ll、L2载波相位Ll、L2载波相位U、L2载波相位Ll载波相位Ll载波相位同步观测接收机数2524242322B、C、D、E级GPS网观测的基本技术规定应符合表33的要求表3-3GPS观测技术要求级别BCDE卫星截止高度角、度10151515同时观测有效卫星数214444有效观测卫星总数220262424同时观测数232221.61.6时段长度22324260240采样间隔、秒3010-305-155-15注1:计算观测有效卫星总数时，应将各时段的有效卫星数扣除其间的重复卫星数。注2：观测时段长度，应为开始记录到结束记录的时间段。注3：观测时段21.6,指每站至少观测1时段，其中第二次设站点数应不少于GPS网总数的60%4. GPS测量误差分析4.1 误差来源综述GPS测量的误差主要来源于三大本部分。一是卫星部分，而是在信号传播的部分，三是在接受机接收的部分。其中卫星部分包含星历误差，卫星钟误差等，在信号传播的部分包含电离层和对流层对电磁波的折射误差等，在接收机部分包含接收机钟误差，天线相位中心误差等。除此之外在高精度的测量中还要考虑地球潮汐等相关因素。经过相关方法的论证和大量实验表明，对于不同因素产生的误差可以采用相关方法得以减弱或消除。4. 2卫星的几何分布对GPS测量精度的影响我们知道GPS在进行数据采集的时候，观测时段的选择将会给结果造成一定的影响，因为在不同观测时段，GPS卫星部分的空间分布不一样的。在不同的地域，GPS接收机接收到的卫星数目也是不同的，然而测量成果的好坏与接收机和卫星部分的几何形状有相当大的系，因此在测量时满足接收机接收4颗以上效卫星数的条件同时应该选取PDOP值较小的时段观测，来提高定位的精度。如果不满足数据的采集条件如PDOP值不符规范等，就会对测量成果造成很大的影响使采集数据失效。为了更具有说服力在此处本文搜集了相关的实验数据表明说明卫星的几何分布和有效卫星数目对测量精度有一定的影响。有实验实验数据和相关理论得到：1）GPS定位的精度并不随观测时间的过多增加而一味地提高。2）在时间段的选择上，用较优良的观测条件和较短的观测时间同样可以达到较为理想的观测效果，满足精度的要求网。因此为了最大限度的得到较优的测量数据和成果并且节省成本，有必要对观测时间的选取进行分析。5. GPS测量最优时间段的选择5.1 软件简介随着北斗二代商用的开始，为了摆脱国外技术垄断和高昂的费用国内导航市场积极响应，借此机会中海达公司推出了一款全免费的卫星星历预报软件。该软件客户端体积小，兼容性好，操作简单，界面美观，并且支持北斗，GPS,GLoNASS等导航系统的卫星星历文件下载，并且完全展示卫星时段、卫星分布、卫星轨道、和PDOP值变化情况。为定位测量时间段的选择提供了非常大的帮助，该软件可预报世界上任何一点，任何时间的卫星，并且支持YUam、Rinex、Alm及AGL星历数据格式。5. 2星历文件的获取卫星星历的获取有多重方式，在此处为大家提供几种卫星星历的获取方式：1）通过南方测绘官网http:WWW2）通过网站3）通过中海达官网提供的星历预报软件进行直接下载。下面本文将借助中海达星历预报软件StarReport来分析根据某一测区某一时段的PDOP值来确定最佳观测时间。在此次的星历预报获取中，采用了福建省龙岩市的的经纬度。在此参数的设置中为了方便描述只取经纬度中值即可。因为中国统一用北京时间，所以输入参数如图5-1所示：图5-1参数设置然后输入仪器设置和采集条件中相关参数，如采集时间等。最后选择下载星历文件的保存路径。点击确定就可获得如下的卫星星历文件图5-2o*WookT63dmariNL。ID:HltIt三EUUantrici±y三T±mOEOIrbi±s>lRMtOfSQRT（八）RightAscnatWlcHad)三AirgiajnoxvtOfPerxece(rad):MeartAxiom(rad)zA±,O<s)三A£1(=/=):wk:,forPRNO1*O1OOOO.26T2195435E00261440.OOOOO.9608675892-O.T89T<LT1819E0085153.625000O.<L35T13O864EH-OOOO.398165T61-O.6648574587E+OOOO.1O29968262E003O.363T978SOTEO11T53TxmOfOirbdLtRHtcofSQRT<A>RigH±AsccnartWoOk<xrnd):AKGiunervtOfPr±g(rad)三MoaXtArxom<rscL>:ATO<s):Af1(ss>:WeelC:-forFRjNr-02,02OOOO.13O5246353EOO16144QOOOOO.9394098348-O.8126OS2T8E-OO85153.T36328O.41087515T65E-¼OOO2505458386O.6661235493E-OO1O.4749298O96E-003O.363T9T88OTEO11TS3TxmeOfOr>tRat©OfSQRT<A)£oXrFFuNrO3*«+*，«03OOOO.1T16<18O26E-OO161440.OOOOO.937186T6O8-O.8O3462O388E00851S3.713379图5-2卫星星历文件5.3成果输出在操作界面选择勾选GPS选项并进行下载卫星星历，下载完成后即可得到相关的卫星星历文件,PDOP变化值图，卫星时段图，卫星轨道图等信息。如下是经过上述步骤后得到的卫星数目变化图53,PDoP值变化图54,卫星时段图55,以及卫星分布图56,卫星轨道图57。依靠这些直观的图形我们可以分析和总结出该观测区的最佳观测时段。图5-3卫星数目变化图图5-4PDOP值变化图图5-5卫星时段图图5-6卫星分布图W时纬经日起截通壬i三BD卫PD视计时高惠普区度度期二二三1三1画PrrrMGRC7图5-7卫星轨道图5.4最优时间段的综合分析通过对卫星星历的解译得到了上述图像。我们来综合分析，以便得出该测区的最佳观测时段。图像5-3显示了该时段内满足设置条件的卫星数量，在整个时间段内卫星的可见数目均达到了6颗以上，部分可达10颗和10颗以上。绿色的条状显示卫星可见数为10颗和10以上的时间段，并且这些时段较为集中，都集中在1：0010：30o其中3：004:30达到了可见卫星数目的峰值，最见卫星高达11颗。在IL0024:00可见卫星均保持在7颗以上最大可见卫星数目值达到9颗。综和以上分析，可见依靠可见卫星数目来确定最佳观测段时间在夜晚，在凌晨3:004:30达到最优。图5-4显示了这一时段的PDoP的变化值，总体来看PDoP值都较优都在4以下。以12:00时为界限0：0012:00的PDOP值的均线（图5-4的绿色线段）在2以下，而12:0024:00的PDOP值得均线（图5-4的红色线段）在2以上3以下。所以如果选择在夜晚观测会比白天的条件要好。并且在夜晚PDe）P值得均线变化较为缓慢，而白天的PDOP值起伏较大，从这一点来说晚上观测较白天观测条件好。图5-5反应的实在在某一时刻卫星的数目，横坐标为时间，纵坐标为可观测的卫星，图中横线的长短表示了有效卫星出现时间的长短，横线越长表示可对该卫星持续追踪的时间越长，反之则越短。图中的绿色阴影部分是针对卫星出现较为集中的时间而画的，绿色部分对应的时间为1:005:00,7:00-11:00,15：0017:00o图中红色部分是针对可连续观测时间较长卫星数目集中出现的区域。红色区域和绿色区域出现重叠的区域时间为1:005:00,7：0011:00,15:0017:00。重叠部分就是通过此图所选则的最佳观测时间段。综合上面三幅图的分析，可得出该地区最优观测时间段为2:00-一3:OOo由于龙岩市是选取的一个例子，为了让本文的论点更有说服力随后又进行了多处卫星星历的获取。5.5海拔和纬度对有效卫星数目和PDOP值的影响在结束上面的分析后，为了探究纬度对PDOP值和有效卫星数目的影响随后又选取了中国地理位置最南端曾母暗沙，最北端漠河，最东端黑瞎子岛，最西端新疆乌恰县进行了卫星星历的获取。随后又对西安（北纬33°39'34°45',东经107°40'109°49'）,进行卫星星历的获取，并且以西安经纬度为中心，定经度以10°为梯度向东西递加或递减，然后定纬度以10°为梯度向南北递加或递减获取了当地的卫星星历。随后又为了探究海拔因素对PDOP值和有效卫星数目的影响，获取了中国境内最高海拔8844.43米的珠穆拉玛峰（北纬27°59',东经86°55'）,最低海拔T54米艾丁湖（北纬42°32'东经89°20,）,均值在4000左右的西藏日喀则市（北纬29.28,东经88.82）地区的卫星星历文件。综合分析了上述各地区的卫星星历文件，PDoP值变化情况以及有效卫星数目，从中发现纬度和海拔对上述结果的影响没有呈现出数学的相关性，没有随着纬度和经度的递变和海拔的递变呈现出一定的规律，借此分析得出了具有普遍意义的结论：1）在我国进行GPS测量时间段的选择大部分在晚上较好，通过一些星历文件的比较，在0:0012:00比12:0024：00有效卫星数目较多且PDOP数值的变化较为缓和。2）GPS定位测量不是时间越长越好，因为在不同时间段，GPS接收机接收到的有效卫星数不同，以及PDOP值变化是不一定稳定，如果在观测条件不好的时段进行观测很容易产生误差，势必影响观测结果。3）因为各地区PDoP值和有效卫星数目的变化没有一定的规律性，所以在测量之前需要根据当地的经纬度和测量要求获取相关的卫星星历，为外业测量提供技术支持。4）因为受客观因素的影响，实际利用GPS进行定位观测往往不是在1:0012:00这个时间段观测的，特别是在晚上其他因素会对测量造成影响。因此要根据测区实际情况提前获取卫星星历文件，进行接收机的统一调配和信息采集。在白天也可利用较优的观测时间段进行观测。6.总结GPS应用于测量领域是对测量技术与理论方法的革新，因其定位精度高，测量时间短，对测量条件的要求低等优点迅速替代了传统的测量方式并发挥出其特有的优势。在利用GPS进行定位测量时，相关的方法和技术可以减弱甚至消除其误差。许多实验和相关理论表明GPS卫星的几何分布和接收机接收有效卫星的数目会对GPS的测量结果造成一定的影响，本文收集了相关资料对其进行了说明，并且借助中海达星历预报软件StarReport详细讲述某地区卫星星历的获取方式，根据卫星星历文件分析了该地区最优观测时间段的选取。并且为了研究纬度和海拔是否会对PDOP值和有效卫星数目产生一定的影响，能让PDOP值和有效卫星数目呈现出一定的数学关系做了大量的取证和说明，从中并没有发现令人期望的结果。但是从大量的卫星星历文件中也总结出一些有用的东西。因为上午和凌晨PDOP值得变化较为缓和且有效卫星数目较多所以在这两个时间段内观测较好。受客观因素影响往往在外业施测过程中所受时间限制较大，所以在下午观测时要选取较好的条件进行观测，也能得出令人满意的观测成果。因为这次的取证忽略了时间这一因素，并且所取的实例较为有限，因此此研究还有继续深入的必要。在以后的研究中可增加取证数目，并且定点进行采集。再加入时间这一因素，长期进行分析。相信按照上述方法继续深入研究将会有更多的发现。不过本课题总结的相关的结论还是具有实际意义的。致谢语参考文献：1李天文.GPS原理及应用M.北京:科学出版社,2010,84-93.2高建尽,张乾隆.应用StarRePort星历预报软件提高测量工作效率J.北京测绘,2010,(4)：59-60.3田林亚，夏开旺.苏通大桥GPS网观测时间对基线精度的影响J.公路交通科技,2007,24(3)：91-93.4夏开旺，田林亚.GPS观测时间选取对控制网平面精度的影响J.工程勘察,2012,(12)：68-69.5马振利，吉长东.PDOP值选择对矿区GPS定位精度的影响J.矿山测量,2006,(1)：25-26.6张玉芝,李永宏.浅析GPS控制网的优化设计J.活力,2011,(3)：62-62.7吴国霞.GPS卫星定位系统误差来源分析J.黑龙江国土资源,2008,(2)：37-37.|81冯长青.GPS控制网观测方案的优化J.辽宁科技学院学报,2011,13(3)：36-38.9史延伟，王政宏.GPS控制网观测方案的优化J.科技论坛,2010,(10)：64-64.10王军,张华海.卫星几何分布对GPS相对定位精度的影响J.测绘科学,2004,29(2)：53-54.TheoptimalperiodofGPSmeasurementResourceEngineeringinstituteGeomaticsEngineeringNo.2011092646Name:【AbstractGPSisarevolutionofthemodernmeasuringtechnology,usedinGeomaticsEngineering,Withtherapiddevelopmentofmeasurementtechnologyandtheoreticalmethod,GPS,withitshighpositioningaccuracy,lowrequirementsformeasuringcondition,savetime,savecosts,andmanyotheradvantagesgenerationreplacesthetraditionalmeasurementmethodsinmanyways.TherearemanyinfluencefactorsinGPSmeasurement,inwhichgeometricdistributionisoneofimportantpartofthesatellite.Inthispaper,howtochoosetheoptimalmeasuringGPStimetoobtainthegeometricdistributionoftheoptimalsatellitespacehasbeenexploredandanalyzed,gettingsoftwareinstanceCombinedwithsoftwareinstancefromthesatelliteephemerisdetailedmethodsofchoosingtheoptimaltimeperiod,summarizedseveralaccesstosatelliteephemeris,besttimefortheGPSchoicehasmadeuniversalsignificancesummaryandguidance.KeywordAsatelliteprediction;Theoptimalobservationtime