随着卫星导航定位技术的飞速发展,长期以来,为了保证其量值的溯源与量传准确, 中长基线的校准问题成为横亘在测量和计量人员面前的一个富有挑战性的难题,越来越被 重视。本文作者主要结合多年来的理论研究和实践经验,就高精度GPS接收机校准中长基 线的可行性进行了深入研究,主要研究内容和创新点如下: 1.介绍了国际长度量值体系,剖析了当前国家长度量传体系中存在的漏洞,编制完成 了新的长度量传体系表,为国家长度量值体系建设提供了有益的技术支持。 2.紧密结合GPS测量原理、误差来源,分析评定了高精度GPS接收机校准中长基线 的测量不确定度,并与高精度光电测距仪ME5000进行了量值比对,从理论上为高精度GPS 接收机校准中长基线的研究打下了基础。 3.针对高精度GPS接收机的量值溯源问题,结合高精度GPS测量的工作特点,提出 了”以短代长”溯源方法,并通过大量的理论分析和野外实测验证,证明了该理论的正确性, 实现了高精度GPS与国家长度量传体系的挂接。 使用高精度GPS接收机校准中长基线,丰富了长度计量标准器具,保证其校准的高准 确度、高效率和低成本,使长度基线的校准模式发生巨大转变,应用于军事测绘生产实践 将产生巨大效益,有广阔的应用前景。 关键词:长度基线,计量,校准,主标准器,量值溯源,量值传递,测量不确定度 第I页 信息C程大学硕十学位报告 Abstract For a long term,with the satellite navigation and positioning technology rapid development, in order to ensure it's value of tracing and transmission, the medium and long baseline's calibration becomes prominent problem of measurement and surveying and mapping worker. With many years of theoretical study and practice, the author mainly researched the feasibility of the medium and long baseline's calibration by using high-precision GPS receiver, the main research contents as follows: 1 .This subject has introduced and analyzed the loopholes of the current state,has compiled the new table of length Transferring System. 2. This subject has combined the GPS measuring principle and error sources, has analyzed the high-precision GPS receiver's uncertainty of measurement,has compared the value with high-precision electro-optical distance meter(ME5000 ). 3. This subject has combined the characteristics of high-precision GPS,has put forward the theory about with the short distance instead of the long; with a great deal of experiment data, has proved the correctness of the theory; and has achieved the high-precision GPS receiver's tracing and transmission. The medium and long baseline's calibration by using high-precision GPS receiver, enrichs the length of primary standards of mesaurement, ensures high accuracy, high efficiency and low cost, and changes the calibration model greatly of baseline's length.This results of this research will get widely application and huge benefits if it can be applied to productive practice of surveying and mapping. Key words: Baseline, Measurement,Calibration, Primary standard, Value of tracing,Value of transmission, Uncertainty of measurement 第II豇 信息工程大学硕士学位报告 第一章绪论 1.1背景 量值溯源和传递作为保证量值统一的关键手段,在全球范围内的经济、政治、文化 交流中发挥不可或缺的重要作用。随着我国国际交往的日益频繁,科学技术的飞速发展 和融合,世界愈发需要建立和维护统一的“量值”体系。 长度计量是计量科学中最基本的内容之一,它构建了测绘计量的重要内容,同时也 是我国量传体系的重要组成部分[2]。为了保证我国长度量值的准确可靠,需要一代又一 代的计量工作者深入研究,不断完善其体系建设。 长度基线作为国家大地测量长度计量标准,是一种特殊的长度实物标准,是国家线 纹量值传递系统中的标准器具。一般由若干固定观测壤组成,墩间标志点间距离由精密 测量方法获得,其长度从几米至几百千米不等,是光电测距仪、GPS接收机等测绘装备 长度量值溯源的标准,因此其自身的溯源尤为重要 随着GPS接收机在测量、定位、导航等各个领域得到广泛应用。GPS接收机测量 的“量值”具有全球性,客观上即要求在全球范围内实现量值统一。而“量值统一”的概念 是需要体现在其量值溯源和量值传递过程中的,即在实际校准过程中实现的,这就要求 在GPS接收机校准过程中,必须坚持量值溯源的原则,建立相应的GPS基线场。 依据JJF1214-2008《长度基线场校准规范》要求,长度基线根据其作用分为测距基 线场和GPS基线场,其中GPS基线场按照其长度范围划分为四种:超短基线、短基线、 中基线和长基线[3_,如表1所示。 表1 GP〒基线场长度范围 基线类别 长度范围D 超短基线 0.2m< D^24m 短基线 24in< D^2000m 中基线 2km 30km GPS基线场作为大地测量标准中的一个重要组成部分,可以保证测绘工作对GPS 接收机的检定和精度标定,是完成GPS接收机量值溯源和量传的重要保证条件,对我 国的长度标准纳入到国际统一的量传体系中具有十分重要的现实意义,因此其自身的量 值准确至关重要。 第1页 ! 信息:I :程人学硕士学位报告 1.2问题的提出 测距基线场的长度量值的溯源方式主要有三种:维塞拉光干涉法;因瓦尺法;精密 测距仪法。其中,维塞拉光干涉法精度最高,因瓦尺法最低。 与测距基线场比较,GPS基线场的特点更为鲜明,具体如下: (1)基线边长不一,GPS基线场所覆盖的边长范围更为广泛,从5米至几百千米 不等,组合边长多,另外,由于距离的延伸使得部分基线点之间无法通视; (2)网型复杂,较之测距基线的单一直线模式,GPS基线场的网型组合复杂,且 形式不同; (3)指标要求高,较之测距基线IxlO6的技术指标,GPS基线场的总体性能指标 要求更高。 GPS基线场的特殊性,凸显出校准测距基线三种方法的局限性。上述三种方法,可 以完成超短基线和短基线及部分中基线的校准工作,但对于大部分中长基线部分,由于 其距离跨度太大,根本无法实现。如何保证GPS中长基线的量值准确,成为横亘在计 量行业人员面前一个重要课题。 目前,国外的GPS基线场的校准工作,在用光电测距仪和因瓦尺等测量工具无法 对其进行校准时,大多采用高精度GPS接收机配合专业精密解算软件进行校准,在我 国也积累了大量高精度GPS接收机进行校准测量的经验。 按照《中国人民解放军计量条例》的要求,计量技术机构应建立和保持与装备计量 保障相适应的测量标准,即使用GPS接收机进行长度基线校准工作,需要首先完成其 建标活动[2][胃3。]。 综上所述,完成高精度GPS接收机的建标工作,采用其进行中长基线的校准是解 决GPS基线场长度“量值”准确的关键点。为此需要紧紧围绕高精度GPS接收机进行中 长基线的校准的方法可行性和其法律地位的确立等方面展幵研究,主要从其工作原理和 技术能力方面能否满足校准要求、如何校准高精度GPS接收机才能保证其“全量程或大 范围”量值的准确、如何将其纳入到国家长度量传体系表、野外施测情况如何等等方面 进行,最终完成其测量标准的建标工作。 1.3主要研究内容 1.3.1研究原则 紧跟现代测绘仪器计量技术的发展,充分利用高精度GPS接收机全天候、大跨度 的优势,替代传统长度传递标准,实现长度基线中中长基线的校准,达到长度基线溯源 第2页 信息工程大学硕士学位报告 和量传准确的目的,保障我国长度与国际长度基准之间的量值统一,建立符合科技发展 要求的新的长度量传体系。 1.3.2研究内容 (1)高精度GPS接收机校准中长基线的理论可行性分析,主要从测量原理、技术 能力和影响GPS接收机定位准确度的主要误差来源等方面进行描述; (2)高精度GPS接收机的测量不确定度评定和验证,从高精度GPS接收机的技术 能力角度阐述其能否满足校准要求; (3) ”以短代长”溯源方法的提出,从高精度GPS接收机的量值溯源角度,明确其 量值的溯源途径和方法的可行性; (4)国家长度量传体系表建立的几点补充意见,从国家长度体系的补充建设方面 提出观点,确立高精度GPS校准中长基线合法性。 (5)高精度GPS接收机的野外实测验证,从野外实际测量的数据采集与分析处理 的角度,进一步论证其可行性。 1.4国内外研究现状 1. 4.1国际通用规则概述 长度计量是人类认识自然改造自然不可或缺活动,是计量学科最基础的内容。国际 单位制中长度计量的单位是“米”。米定义作为国际长度基准经历了从“档案米尺(1790 年)”、“国际米原器(1889年)”到“氪86福射波长米尺(1960年)”的变革。目 前国际公认的米定义是1984年国际计量大会批准的最新米定义:光在真空环境 (1/299792458) S时间间隔所经过的长度。此定义有两层含义,一是把长度基准与时间 基准(秒定义)联系在一起,二是给定了光在真空环境的传播速度为:c=l99792458m/s, 即承认光速c为常数 目前,国际计量大会规定的三种复原米定义方法: (1)用于大地测量的复现应根据和cf公式,由准确测定的时间f与给定的光速C 复现,这也是目前测绘计量工作的主要依据; (2)用于实验室计量的复现应根据2=c//公式,由准确测定的频率/与给定的光速 C复现; (3)用于一般测量的复现可以用氦氖激光或氪86辖射波长来复现。 计量工作的基本任务是保证装备和检测设备量值的准确可靠。量值的准确统一是测 量工作的首要条件[2]。一般来讲,光电测距仪和GPS量值的准确统一是通过野外标准基 线对其检测实现的。为此,国际标准化组织1997年发布了 IS012857-3标准,提出了利 第3贝 信息工程大学硕士学位报告 用野外基线进行仪器检测的要求。在我国也发布了相应的规程,同时对长度基线的准确 度及校准方法进行了规定,具体列表如下: (1)《长度基线场校准规范》(JJF 1214-2008); (2)《光电测距仪》(JJG703-2003); (3)《比长基线校准规程》(GB16789-1997); (4)《全站型电子速测仪计量检定规程》(GJB 5073-2004); (5)《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T 18314-2009); (6)《全球定位系统(GPS)接收机检定规程》(GJB6564-2008); (7)《全球定位系统(GPS)接收机(测地型和导航型)校准规范》(JJJF 1118-2004); (8)《军用长度基线校准规程》(报批稿); (9)《军用长度基线校准规程——ME5000光电测距仪施测要求》(CHB 5.10-2010)。 1.4.2国内外研究现状 目前,国际上野外基线的长度量值溯源主要有4种方式进行:维塞拉光干涉法、因 瓦尺法、精密测距仪法和高精度GPS校准法 (1)维塞拉光干涉法 维塞拉光干涉法是现今世界上公认校准基线精度最高的方法,测距原理如图1。 它主要根据光干涉原理一“光程相等的两束光叠加时会产生干涉现象”,将一段较 短的已知距离逐步扩大,进而测量较长的距离[35]。 i /1 K. 图1维塞拉干涉仪T作原理 第4贝 信息工程大学硕士学位报告 … fct;^■‘ ,、 Tj ▲图2光干涉法校准测量示意图 光干涉法有其独特性:一是精度要求高,Im基线尺或激光波长的精密度和准确度 要控制在lxlO_s (极限误差)以内,测量端点的定位精度应控制在±l|Lim以内;二是观 测范围小(g32m),大气折射的影响可以有效地控制在可忽略的限度内;三是测量精 度高,维塞拉干涉仪的测距精度,一般可达到lxl0_7的量级。 (2)因瓦尺法 因瓦尺法校准长度基线属于机械测量长度的方法。该方法采用因瓦尺进行尺段组合 式测量,根据线尺长度、两端读数位置的高差、重银拉力、尺长订正以及温度改正,通 过计算得出基线长度。 因瓦尺校准长度基线场通常需经由:氪86—He-Ne激光波长—Im标准杆尺—Sm线 纹尺—24m因瓦尺—野外长度基线场等五个过程[5】,所以这种传统的作业方法存在着长 度传递误差累积过大的弊端。通常采用因瓦尺校准长度基线场,需要6名测量人员密切 合作,对测量员的技术要求高,经验甚至成为测量成功与否的关键,且测量周期较长(一 般1条1km左右的测距基线,其测量周期大约需要1周以上),作业成本高、效率低等 问题突出。 图3因瓦尺测量法示意图 (3)精密测距仪法 为保证校准精度,国际上流行的方法是选取高精度光电测距仪(如ME5000, ±(0.2mm+0.2xl0—6Z))或 GeomensorCR204,±(0.1nim+0.1xl(r6Z))),采用全组合往返测 量方式,对观测值进行仪器系数改正、高差改正以及气象改正,通过计算得出基线长度, 取测量结果的平均值作为校准值[16][17][27]胃33]。 第5页 信息―丨:程大学硕士学位报告 ‘ , ilB ; 旁... ^>sv...^^!9QHiiM^Sv 图4 ME5000光电测距仪示意图 采用该方法进行长度基线校准,成本低,效率高,一般一次测量需要3人,1天2 天就可以完成基线的校准工作,这种方法也受到测量距离(一般其工作量程为2km3km)和保证测量通视的要求限制。 (4)高精度GPS校准法 主要采用高精度GPS接收机配合专业精密解算软件进行校准,其校准测量主要采 用载波相位测量法,利用多台GPS接收机在同一时间构成多个同步环,通过多个时段 的静态测量来实现高精度定位的。 Wi : L: L 图5高精度GPS校准法示意图 采用该方法进行长度基线校准,不受光电测距仪校准测量中测程和保证测量通视等 条件影响,且测量成本低、效率高、精度好等特点,越来越受到用户单位的欢迎。 目前国际上长度基线,特别是GPS中长基线的校准工作主要采用此方法进行。在 我国也积累了大量高精度GPS接收机进行校准测量的经验。但是由于该方法不符合我 国的长度量传体系表的相关要求,所以截至目前没有相应测量标准建立起来,这也是本 报告重点想解决的一个重要问题。 1.5报告研究的意义 1.5.1 GPS基线场校准的需要 GPS (Global Positioning System)即全球定位系统是新一代全天候、全方位、实时 卫星导航和定位系统。随着科学技术的飞速发展,GPS凭借其高精度、自动化和高效益 第6页 信息工程大学硕士学位报告 等显著特点,成功应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、 地壳运动检测、资源勘察和地球动力学等多种学科[2。][21][22]。 为适应GPS的普及应用以及产业化的要求,保证其测量和定位精度的准确可靠成 为迫切需要解决的一个重要难题。为此,充分利用高精度GPS接收机校准GPS基线场 中、长基线,保证其量值传递和溯源过程的准确,己经成为目前计量和测绘行业共同研 讨的一个重要课题。 1.5.2 GPS接收机溯源方法研究的需要 随着GPS接收机的广泛应用,GPS接收机的技术能力评价问题越发重要。纵观我 国目前计量和测绘行业制定的各种GPS接收机校准/检定规程,大多采用的是模糊的方 法,简单进行重复性或互差检验,无法实现全方位、准确判定仪器的性能指标。特别, 长度量值作为GPS测量的重要参量,如何达到对其指标参数“全量程或大范围”的准确衡 量,将是未来一段时期重要的研究课题。 1.5.3弥补我国长度基线建立中存在的漏洞 野外长度基线是大地测量标准中的一个重要实物基准,可以保证对测距仪器的检定 和精度标定,是完成大地测量仪器量值溯源和量传的重要保证条件[26][27][28]。 目前,全国各测绘单位和武器试验基地建有多条长度基线场,还有许多单位的长度 基线正在筹建之中,这对大地测绘仪器装备旳计量检定提供了重要的技术支撑,但是也 暴露了许多问题: (1)长度基线场构建方式不一致 目前,全国范围内的长度基线场的建立缺乏统一的细化要求,导致构建方式上千差 万别,形式各一。从基线场的整体的形状上有直线型的,有发散型的空中基线;从基线 场的整体长度上差别更大,最短的几米,最长达到几十千米;从基线建立的基准尺度上 有适用于维塞拉干涉仪尺长的(6m)、因瓦尺尺长的(24m),还有适用于电磁波测距 仪任意尺长的等等。 (2)国内外长度基准量值不统一 由于我国长度基准至今仍坚持实物长度基准——24m因瓦基线尺,这极大限制了 3 种国际复原米定义作用的延展;加之,我国原先借助芬兰FGI的维塞拉光干涉仪在国内 构建完成的成都和北京长阳标准基线场由于城市建设、规划用地和年久失修等因素废 弃,导致我国缺少了与国际长度基准量值之间的比对依托,使的我国长度基准与国际长 度基准之间失去联系近十年,造成了国内外长度基准量值的不统一。 (3)我国长度量值体系的不适用 第7页 信息工程大学硕士学位报告 我国国家线纹计量器具检定系统框图还延续1987年制定的相关版本,已经不再适 用于目前的长度溯源和量传要求,而且检定系统框图中还没有涉及GPS接收机和GPS 基线场长度校准的相关内容,这大大限制了我国长度标准建设。 由此可见,为了加快我国长度基准建设,保证我国长度量值与国际接轨,规范我国 野外长度标准建设,保证长度基线的溯源和量传准确,需要在不断完善我国长度量传体 系表(如增加计量标准器具的种类GPS接收机校准基线部分)的基础上,进一步完善 拓展其应用领域(增大工作计量器具的范围)。 1.6本章小结 本章的主要内容有: (1)简单介绍了目前我国长度基线特别是GPS基线场建设的一个基本情况,提出 了使用高精度GPS接收机进行中长基线校准测量的可行性和法律地位确立研究的问题。 (2)根据问题的提出,明确了研究的基本原则和主要研究内容。 (3)简单阐述了目前国际通用规则,介绍了国际长度计量单位“米”定义的发展历 程,重点描述了目前现行3种复原米定义,为下一步的工作提供了法律依据。 (4)重点从工作原理、作业特点等方面描述了目前国际野外长度基线校准的几种 方式、方法,同时进行简单的对比、比较,与上文呼应,提出了报告研究的方向。 (5)简要的从GPS接收机和GPS基线场校准需要、弥补我国野外长度基线中存在 的漏洞两个方面,进一步阐述了报告研究的意义。 第8页 信息工程大学硕士学位报告 第二章高精度GPS校准中长基线的理论可行性 2.1 GPS测量原理分析 GPS (Global Positioning System)即全球定位系统,由空间部分(GPS卫星星座)、 地面监控部分(主控站、监控站和注入站)和用户接收机(GPS接收机)三大部分组成, 是新一代全天候、全方位、实时卫星导航与定位系统[22][25]。 GPS接收机是一种几何量测量仪器,它接收采集4颗或以上的GPS卫星信号,采 用同步载波相位测量的方法,测量并解算GPS接收机在地球协议坐标(CTRS)中的绝 对或相对位置坐标和基线距离。 GPS载波相位观测量是一种距离观测量,它是以GPS卫星发播的载波的波长来进 行量度的。通过对GPS卫星所发播的伪随机码的倍频或其他技术手段的转化,将其变 换为标准的正弦波,再通过锁相环测定所接收的正弦波在某一特定时刻的相位,加上计 算出的传播过程的整数周,用于计算距离,简单地说,就是以信号传播时间来测量距离 的,是完全满足“复原米”定义中的第一部分^d=ct由准确测定的时间与给定的光速 C复现。 GPS基线场校准测量就是采用相对定位法,利用多台高精度GPS接收机在同一时 间构成多个同步环的情况下,通过多个时段的静态测量来实现高精度定位和基线距离量 测的,因此采用GPS测量方法完成长度基线的校准工作是满足野外长度基线计量校准 条件的。 2.2影响GPS测量的主要误差分析及解决途径 GPS载波相位测量是基于信号传播时间和速度的观测量,不可避免的会受到外界和 内部等诸多方面的影响,按照其来源将其误差分为三类:与卫星有关的误差、与传播路 径有关和与接收机有关的误差的误差这些误差对GPS测量精度的影响如下表所示。 所有这些误差根据误差性质不同可以分为系统误差和偶然误差。其中系统误差的对 于测量精度的影响会更大,但是其有规律可循,是我们研究的主要内容。 表2各种误差源对GPS测量精度影响 误差来源 对距离测运的影响 与卫星有关的误差 卫展足历误差 1.5m15tn 第 9 |)> 信息:丨:程大学硕士学位报告 卫星钟误差 电离层延迟影响 与传播路径有关的误差对流层影响 1.5m15m 多路径的影响 观测误差 与接收机有关的误差 1.5m5m 天线的相位中心偏差 由上表可知,各种误差源对GPS测量精度的影响还是比较大的,为此我们需要采 取一定的方式对其进行有效的削弱或消除,进而保证GPS的测量精度。为此,我们对 影响GPS测量精度的各种误差源做进一步的分析如下: 2.2.1与GPS卫星有关的因素 (1)卫星星历误差 广播星历和其他的定轨信息所给出的卫星位置与卫星实际位置的差值,称为卫星星 历误差,它也可称为卫星轨道误差。它是由地面跟踪站根据对卫星跟踪测轨外推计算得 到的,受到诸如跟踪站的数量及其分布、观测量的数量及精度、轨道计算所用的轨道模 型及定轨软件的完善性和SA政策等因素的影响,所以它不可避免的存在误差。 在实际测量过程中,处理该项误差主要采用两种方法: ①同步观测法,或同步观测值求差。它主要利用在两个或两个以上测站对同一卫星 进行同步观测值求差,以减弱星历误差的影响。 ②采用轨道改进法处理观测数据。主导思想是在数据处理中引入表示轨道偏差的改 正数,并假设这些参数在短时间内保持不变,将其作为待估值和其他的未知数仪器进行 求解。 (2)卫星钟误差 卫星钟误差既包括系统误差(由钟差、频偏、频源等产生的误差),也包含着随机 误差,同时还有SA政策的影响。这些频偏的总量在1ms以内。 对于卫星钟误差,可以通过对卫星钟运行状态的连续监测而准确地测定,并以下面 二阶多项式的形式给出: -a^+a^ + — 式中: ‘:参考历元; “0:卫星的钟差; :卫星的钟速; :卫星的钟速变化率。 第10页 信息工程大学硕士学位报告 虽经钟差改正后,各卫星之间的同步误差仍然存在,一般可保持在20ns以内,但 这个影响可在相对定位中通过求差消除。 2.2.2与传播途径有关的因素 与传播途径有关的因素主要包括电离层延迟、对流层延迟、多路径效应。 (1)电离层延迟影响 电离层是大气层的一部分,其中存在自由电子,当卫星信号通过是,会改变信号的 传播速度,进而产生传播延迟。GPS卫星信号与其他电磁波信号一样,在通过电离层时 将受到这一介质弥散特性的影响,产生折射,折射的大小取决于外界条件(时间、地点、 太阳黑子数等)和电磁波频率。一般当卫星处于天顶方向时,电离层折射对距离的影响 小于5nim;当卫星接近地平线时,其影响可能大于150m。 电离层延迟的影响量与信号频率有关,频率越高,延迟量越小。在实际测量过程中, 为减弱电离层的影响一般釆用以下方法: ①可通过选择合适的观测条件进行; ②利用双频改正进行,一般可以消除掉95%的影响量; ③利用模型改正; ④同步观测的方法,由于卫星信号到达相距较近的不同测站所经过的传播介质状况 相似,所以通过不同测站对同一卫星的观测量组差后,误差将可以得到明显的减弱,残 差应不会大于lxl0_6。 (2)对流层影响 对流层是指地面到高度约50km的大气层。对流层延迟大小主要取决于外界条件(气 温、气压、温度等)。它的大小与接收机至卫星的高度角有关,当卫星位于测站中天时, 延迟量最小。 在实际测量过程中,主要采取下列三种处理方法: ①模型法。利用模型公式,计算出对流层延迟影响的改正量。 ②平差法。引入描述对流层延迟影响的附加改正数,在数据处理时与其他的未知量 统一进行处理。 ③求差法。观测值求差,这种方法会是随着基线距离的增长,有效性不断减弱。 (3)多路径的影响 所谓多路径效应是指接收机天线除了直接接收到卫星信号外,还可能接收到经天线 周围地物反射的卫星信号,这两种信号叠加使接收机产生误差。它主要取决于外界条件 和天线的性能,属于偶然误差。 在实际的测量过程中应充分考虑这部分影响,提前对周围情况进行详细的勘查、使 用合适的屏蔽较好的天线和采用较长观测时间的数据取平均值的方法来加以消除。特 第11财 信息工程大学硕士学位报告 别,目前随着测绘仪器科学的飞速发展,新型天线设计(如:拖流圈天线)也充分考虑 削弱多路径影响的问题,并取得成效。 2.2.3与接收机有关的因素 这类误差主要包括观测误差、接收机钟差、接收机天线相位中心偏差、接收机软件 和硬件造成的误差。钟差在计算时是必须要改正的项目,接收机软件和硬件造成的误差 可作为系统误差,它们对基线场的检测准确度的影响可以忽略不计。 (1)观测误差[22] 根据经验,一般认为信号观测的分辨率误差约为波长的1%,所以,GPS信号的观 测精度可概略计算如下表所示: 表3 GPS信号的观测,度表 信号 波长 观测误差 P 码 29.3m 0.3m C/A 码 293m 2.9m LI 载波 19.05cni 2.0mm L2 载波 24.45cm 2.4mm 观测误差属于偶然误差,GPS测量中有效延长观测时间能明显减弱这种误差影响。 (2)天线的相位中心偏差 GPS天线相位中心与其几何中心在理论上应保持一致,但实际上却有所差异。天线 相位中心偏差对于相对定位结果的影响,根据天线性能的好坏可能达到数毫米至厘米。 对于精密测量定位来讲,这种误差是不容忽视的。 实际测量过程中,可以通过选择性能指标高的天线、统一天线指向或统一旋转天线 指向的方法,得到有效地减少和消弱。近几年发展的拖流圈天线可将残余误差控制在 1mm左右,甚至是Imm以内。 2.2.4其他不确定因素 如GPS接收机控制部分中人为或计算机造成的影响、数据处理软件的影响等。人 为误差主要是由操作过程中的错误引入的,操作人员只要严格按照事先制定好的操作程 序进行操作就不会引入不必要的误差。数据处理部分只要能保证软件中使用的文件及参 数正确,对同一组数据的解算也不会有差异。 第12页 信息工程大学硕士学位报告 2.3 GPS测量技术能力分析 根据国家军用标准GJB6564《全球定位系统(GPS)接收机检定规程》和国家JJF1118 《全球定位系统(GPS)接收机(测地型和导航型)校准规范》的要求,测量型GPS接 收机校准所需要的基线场要求的具体指标要求,分别如下表所示。 表4 GPS基线场的通用要求 序号 GJB6564-2008 范围 基线标准长度标准差0^=2) 1 超短基线 5m 24m {/<0.6mm —2 短基线 li^^i5000m —“ C/<10-6,测量精度高、稳定度高、复现性 好,很适合作为中、长基线的校准装置[13]。 当然,高精度GPS接收机的选型实验,仅为本报告的一次尝试。随着,测绘仪器 技术的飞速发展,诸多不同品牌、不同型号的仪器完全满足作为中、长基线的校准装置, 篇幅限制,不再一一陈述。 3.5 R7 GPS接收机校准中长基线的测量不确定度评定 按照GJB/J2749《军事计量测量标准建立与保持通用要求》的规定,“测量标准的 性能应满足装备和检测设备的技术保障要求”。为此我们进行了 R7 GPS接收机校准中、 长基线的测量不确定度评定工作。 第18页 信息工程大学硕士学位报告 3.5.1数学模型 由于中长基线的校准主要采用R7 GPS接收机进行,所以长度基线的基线测量值即 为基线值,其数学模型表示为: y = /Oo) (6) 式中: _y—长度基线的测量结果; X0—R7 GPS接收机的测量数据。 根据JJF1059—1999中不确定度传播律:⑷= K3//&C,.)2W2(X,),可知其校准长 度基线的测量不确定度计算公式为: rr df ^ f ul{y)= — w(xo) A / 」 (7) 式中: Uc 00—长度基线的测J量:标准不确定度; w(Xo)—R7 GPS接收机测量结果的测量不确定度。 由于输入量只有一个X。,故3//ax。=i,由此可得长度基线的测量标准不确定度为: K{y) = ul{x^) 3.5.2 R7 GPS接收机校准中长基线的测量不确定度评定 影响R7GPS接收机校准GPS长度基线的误差因素主要有GPS接收机误差、对中 安置误差、测量误差等。 (1) GPS接收机引入的不确定度分量 按照R7 GPS接收机的标称精度: U, = ^9 + (0.1xl0''xD)'wm (8) 式中: D为相邻点距离(mm)。 当 Z)=10000m 时,仏= 3.2mm。 估计基线向量误差在范围内按正态分布变化,做B类不确定度评定:A = 3, 由此可得测量结果的不确定度分量: U, =^/,/3 = 1.1mm。 (2)对中安置误差引入的不确定度分量 第19页 信息1:程大学硕士学位报告 ~ 测距基线的所有观测壤均采用强制归心装置,其安置误差可控制在±0.1mm,每条基 线两个端点分别安置GPS接收机,影响两次,其安置误差应为±0.1x7^,测量不确定度 按三角分布作B类评定,k = 4^,贝ij: “,= 01x VI=o06_。 _ V6 (3)测量误差引入的不确定度分量 对测量标准进行重复性测试,于2010年6月1214 R,使用两台型号为TrimbleR7 GPS接收机对GPS中边基线网的J3CP-GWMS基线边进行了 8次观测,每次同步测量 4h,测量数据见表7。 表7 GPS接收机测量重复性 序号 J3CP-GWMS/m 2 6998.417 2 6998.418 3 6998.417 4 6998.417 5 6998.419 6 6998.417 7 6998.418 8 6998.419 依据实验标准偏差的计算公式= 可以得出(式中A7=8): “ 11 n -1 J3RW-J3AO 基线边的 s(x) = O.S9mm。 即 = 0.89mm。 综上所述,以10000m距离作为基准,其标准不确定度为: = -Juf + 2 + 3 = 1 扩展不确定度为:U = kUc:2.名mm 相对标准不确定度为:u = 1.4画=0.14xl0-'(D = 10000m) ‘10000m 相对扩展不确定度为:U = ku^ = 0.28 X10—6 0.30X 10-6(A: = 2,Z) = 10000m) 3.6 R7 GPS接收机测量不确定度验证 R7 GPS接收机测量不确定度的验证方法主要采用传递比较法进行[11],具体测量方 法如下: 第20沉 信息:I:程大学硕士学位报告 用申请建标的测量标准检定(校准)一台稳定的传递标准或被检测量器具得到的值 为y,将同一台传递标准或被检测量器具由高一级测量标准检定(校准)得到的值>>0。 两值之差应在评定的扩展不确定度之内,艮 化 (9) 釆用R7 GPS接收机和ME5000光电测距仪分别对GPS短基线的3条边长进行校 准,由于ME5000的测距精度为0.2mm + 0.2xlO—6,远高于R7 GPS接收机 3mm + 0.1x10-的测距精度,因此在8km以内(8km为ME5000光电测距仪的最大测程), 可以将ME5000光电测距仪作为高一级的比对标准使用。R7 GPS接收机与ME5000光 电测距仪比对验证数据见表8。 表8 R7GPS接收机测量不确定度验证的测量数据 “ R7 GPS测量数据 序号 4-6 4-7 6-7 1 432.043m 768.066m 336.021m 2 432.043m768.064m336.021m 3 432.043m768.064m336.021m 4 432.043m768.065m336.021m 5 432,043m 768.065m 336.021m 6 432.044m 768.065m 336.022m 7 432.044m 768.065m 336.022m 8 432.044m 768,065m 336.022m 平均值 432.0434m 768.0649m”336.0214m ME5000测量数据“432.0422x11 768.0637m 336.0215m 平均值差值 l.lmm 1.2mm 0.1mm 从以上的数据可以得到:R7GPS接收机和ME5000光电测距仪的测量结果平均值 最大差为1.2mm,小于R7 GPS接收机校准GPS基线场的扩展不确定度IL证明R7 GPS 接收机性能稳定、准确可靠,上述测量不确定度的分析正确,可以作为GPS基线校准 装置的标准器使用。 3.7本章小节 本章的主要内容有: (1)本章首先从测量不确定度的发展历史、概念、来源和评定方法等几个方面, 对测量不确定度进行了简单阐述,并与传统误差理论概念进行了比较分析,为下一步的 细致评定打下理论基础。 第21贝 信息工程大学硕士学位报告 (2)为保证高精度GPS接收机校准中长基线测量不确定度评定的准确性和针对性, 结合项目开展的实际,简单阐述了高精度GPS接收机的选型情况,选取了主标准器一R7 GPS接收机。 (3)详细介绍了 R7GPS接收机校准中长基线的测量不确定度评定和验证测量过 程,通过评定其相对扩展不确定度约为t/ = 0.30xl0-6,远远小于GPS中、长基线校准 技术要求,完全满足校准测量的精度要求,因此采用高精度GPS接收机校准中长基线 是可行而且有效的。 第22页 信息工程人学硕士学位报告 第四章高精度GPS”以短代长”溯源方法 4.1髙精度GPS接收机的检定 测量标准的建立过程中,标准装置的溯源也是其中的一个重要环节。如何从测量标 准和测量仪器的技术能力入手,通过不间断的溯源链或比较链与相应的国家测量标准、 国际测量标准链接,以建立其测量标准和测量仪器对国际单位制的溯源性,保证其量值 的准确,是本报告研究的关键。 结合上一章高精度GPS接收机的选型实验及其测量不确定度的评定和验证工作, 我们对选型后的R7 GNSS GPS接收机,按照国家军用标准GJB6564和国家校准规范 JJF1118的相关要求进行了细致的检定[9][iq,具体检定项目如下: (1)接收机一般项目检视; (2)零基线检验; (3)天线相位中心偏差测试; (4)短基线比对测试; (5)中边基线比对测试; (6)长边基线比对测试; (7)多路径效应检验和日钟漂检验。 通过检定,采购的3套R7GNSSGPS接收机功能正常、各项检测指标均达到其标 称精度指标(具体校准数据详见附录A.7)。当然在检定过程中,同样的问题也在不断 困扰这我们——中长基线的量值溯源问题。 R7GPS接收机短基线的量值,可以通过与已经过校准的高精度以至基线或经过校 准/检定的高精度光电测距仪比对的方法,达到溯源的目的。由于目前没有通过标定的中、 长距离基线或可以覆盖其满量程的标准装置,因此R7GPS接收机中长基线的量值,只 能通过其自身的重复性测试来加以评定,这直接导致了其性能指标评定结论的“不确定 性”。如何找到并研究出确定其中长距离“量值”的有效办法,成为本报告的一个难点。 第23災 信息:I:程大学硕士学位报告 4.2高精度GPS接收机”以短代长”溯源方法的研究 4.2.1理论分析 众所周知,影响GPS测量精度的因素主要有卫星星历误差、电离层传播延迟误差、 对流层传播延迟误差、多路径效应和天线相位中心偏差等。这些误差源会导致解的误差, 结合与边长的关系,可以看出边长对相对精度的影响。 (1)卫星星历误差,它与所测卫星的方向有关,其对解的影响与边长成正比; (2)电离层传播延迟误差与所测卫星高度和网点周围的电离层密度有关。一般认 为200km以上两点间电离层的相关性变弱,加之使用双频观测进行修正,可认为存在的 残差差异在小于200km的边长时,可能与边长成正比,边长超过这个限定,与边长的关 系不大; (3)对流层传播延迟误差与网点周围低空大气的温度、湿度、气压有关,短边的 相关性较强,随着边长的增加这种相关性不断减弱。在进行精密测量时,需加入对流层 传播延迟误差修正,可以估计,其影响在边长为几十千米时与边长成正比,超过则与边 长的关系不大; (4)多路径效应与点位周围的地理环境有关,与边长无关; (5)天线相位中心偏差与天线结构和所测卫星的方向有关,与边长无关。 通过上述分析我们知道,与边长有关的误差源只有卫星星历误差和周围大气影响。 随着现代测轨技术的飞速发展,尤其是美国SA政策的取消,精密星历的使用,卫星星 历误差在不断减小。由此可以认为,当边长为几十千米至二百千米范围内时其相对精度 大体保持不变;边长大于二百千米时,边长越长则相对精度越高[22][25]。 我们也可以通过简单的例子来加以验证。按照国家和军队校准/检定规程的相关要 求,在GPS接收机的测量过程中,我们一般使用其标称精度C7 =如、{bDf作为测量过 程中的重要限差,所以我们可以按照此种方法计算出对应规程的相对精度。具体如下表 所示: _9 GPS基线场的通用要求 序号 GJB6564-2008 范围 L《度标准差 相对精度概算 1 短基线 24m5 km 3.9mm O.SxlQ-^ 2 中基线 5 km30km 15.3 mm 0.5><10 ^ 长基线 30km 以上 50.1 _ 0.5x10-'' 序号JJFl 118-2004 指标 L々度标准差相对精度概算 1 短基线 24m 2 km 3.2 mm 1.6x10-^ 2 中、长基线 2 km30 km 15.3 mm 0.5x10 ‘‘ 注:D为实际观测距离。标准差的计算按最1^距离计算。 第24页 信息工程大学硕士学位报告 通过对上述的误差理论分析和规程样例计算,不难看出,GPS测量相对精度在5 km30km的范围内大体保持不变,随着边长的不断延长,会越来越高。另外,大量的 实践过程也表明:在进行大范围控制网时,边长越长,其测量相对精度会越高。 按照计量理论,采用相对精度较低的校准结果来表明其整体的精度指标是可靠的, 也是可行的。结合GPS接收机的量值溯源问题就是“以短代长” 一使用短基线上校准 的相对低一点的校准结果作为衡量中、长基线的指标,虽然不够非常“精确”,但是只要 其满足测量限差要求,作为校准结果还是客观、有效的。这也是为何GJB6564《全球定 位系统(GPS)接收机检定规程》,对于GPS长度量值溯源工作只涉及一项“基线测量 误差”;JJG1118《全球定位系统(GPS)接收机(测地型和导航型)校准规范》,只涉 及一项“测地型GPS接收机的测量误差”的原因所在。 4.2.2 ‘‘以短代长”溯源方法数学模型的构建 “以短代长”溯源方法的核心就是通过对高精度GPS接收机在短基线上的溯源结 论,衡量出其在长度校准过程中全量程范围内的性能指标,进而达到对高精度GPS接 收机量值溯源的目的。 由于高精度GPS接收机在短、中和长基线上的测量过程,相互独立,且符合正态 分布,假以相同测量仪器、人员、参数设置和操作流程,能否使用数理统计方法找出其 内在的关系呢为此我们可以考虑采用F检验法的分析手段,只需要论证其在短基线和 中、长基线校准测量过程中的方差一致性,就可以实现其测量精度等效性评价,具体方 法模型如下: 高精度GPS测量标准短基线和长基线的数据均符合正态分布和 乂,C2,o22)。在这两个母体上: 假设//。:(7,2 =022 两次测量数据的测量次数和标准偏差分别为:《1和￠7,2, 2和CT丨。使用F检验方法 对高精度GPS测量短、中基线和长基线的数据一致性进行检验。由于统计量F = (7,2/(722 服从自由度为(《1 -1,2 -1)的尸分布。给疋显者水平Q!,得- 1,- 1)和 尸-1,-1)的值,使 -u,-\)仪 I =' __比“02卿讀2,.丨01)■ .fo HI I m uFSfftiftHL i.Oct w-i.0^:10(J:3.0w+0.5x〗cri> 1L 1 」’:按_“. n~—I .11 M1—~I .11接到M |- _' 怍 ^ _J___j J 1 J it iii'smwm 测线 长私线 器 S < I .(>mm j 1.0所 w-1.0 +10if) S <3.0/rm+0.5v:101) IL ^^ ^ J ^i 图11新长度量传体系表示意图 由上图11新的量传体系表与图8旧的量传体系表比较可知,在新的量传体系表中, 减少了铟瓦尺实物长度基准和长度基线场等中间环节。众所周知,铟瓦尺实物基准与国 际现行的维塞拉干涉仪长度基准之间存在着3><10_6 (每千米)的系统差异,成 为目前国内计量行业争论的一个焦点,因此,这一中间环节的减少,从一定程度上会减 少传递误差的累计。另外,通过直接溯源到维塞拉干涉仪量传过的标准基线,也有效地 第34页 信息工程大学硕士学位报告 实现了我国长度量值与国际长度量值的统一,这对我国的国防和经济建设将是具有十分 重要现实意义的。 同时,在新的量传体系表中还有效增加了关于GPS接收机的长度溯源问题,通过 与高精度光电测距仪的比对测量,或直接溯源至长度标准基线,对其长度量值进行了有 效控制,避免了过去“GPS接收机校准GPS基线场,反过来GPS基线场又去校准GPS 接收机”缺少长度量值控制的自闭合循环怪圈。 通过上述的比较分析,不难看出,新的长度量传体系表的建立,实现了我国长度基 准与国际长度基准的统一,保证了我国长度基准的准确;减少了诸多不必要的环节,减 少了误差累计,提高了精度;完善了 GPS接收机的量传和溯源体系,通过与高精度光 电测距仪的长度量值比对,完成了 GPS长度量值和国家长度量传体系的挂接。 5.4本章小节 本章的主要内容有: (1)本章首先对量值溯源和量值传递的概念及其相互关系进行了简单阐述,进一 步强调了量值溯源和量值的重要性和其潜在的现实意义。 (2)分析了我国目前现行的长度量传体系表,重点强调了该体系表中存在的几点 缺陷,为下一步新长度量传体系表的制定提供了技术支撑。 (3)为了保证对高精度GPS接收机校准中、长基线的量值准确可靠,我们制定了 新的长度量传体系表,并与旧的长度量传体系表进行了比较,为国家量传体系的修订提 供了重要参考。 第35页 信息工程人学硕士学位报告 第六章高精度GPS接收机性能指标的野外测试 为了检验高精度GPS接收机的性能指标,按照相关要求,我们选择稳定性好的场 地,制定了相应的实验方法、质量控制手段和野外实测方案,先后进行了 4期测试(按 照GJB/J2749《军事计量测量标准建立与保持通用要求》中“核查标准或传递标准,间 隔一个月以上用测量标准观测一次”的要求),共计进行了 36个GPS观测点,200多 条次GPS基线边的测量校准工作。 6.1测量场地的选取 测量场地的选取直接影响检定场的质量(稳定性)、维护(免遭破坏)和使用的方 便(交通、检测人员生活条件)。测量网点的选定原则: (1)地层坚固。长基线点应选择为基岩点,且靠近网络基准站;其他测距基线场 中、短基线点尽量选择基岩点,在地质条件不允许时可选为土层点。 (2)环境优良。应选择远离无线电台、雷击区及多路径效应严重的地点、距离高 压线100m以上,无强磁场影响、无剧烈振动影响。 (3)交通方便。附近有提供生活保障的居民地,上点方便。 (4)易于保管。考虑当地发展规划,有利于长期保存,免遭破坏。 GPS综合检定场是距离覆盖范围广,涵盖超短、短、中、长等全部基线类型,且场 地稳定性高。自2000年建成至今,基线的年平均变化率 X3 0 1 2 3 * 5 S 7 8 9 ID 11 12 13 14 15 S 17 18 19 M 21 22 2 3 2^' ^ 了 田 ra 1 ^ “\ /v\ I—V ^兮天丨下丨,科 W* “ n 春.! j ‘d VyJ 1 众 0 0^ I ■!■ ■_ ■_ ■ 1—I 1 ■ I ■ 1 I I 1 I I ■ ■ ■ ■ I iWf fjl , 0 1 I 3 4 5 E 7 B 9 10 n 12 13 U 15 16 17 18 13 20 21 22 23 24 etii 图18点位坐标对应的测量PDOP值情况图 (2) TEQC GPS数据质量检核 TEQC (Translation, Editing and Quality Checking)是功能强大且简单易用的 GPS/GLONASS数据预处理软件,是由研制的为地学研究GPS监测 站数据管理服务的软件,可实现GPS接收机数据的格式转换、编辑和质量检核等功能。 通过该软件进行质量检核可以反映出GPS数据的电离层延迟、多路径影响、接收机周 跳、卫星信号信噪比等信息,并实现可视化。 第39页 信息工程大学硕士学位报告 本报告的实测过程中,采用TEQC软件对测量过程中的GPS接收机数据进行质量 核查。 (3) PDCA质量管理 PDCA是生产作业过程中的四个阶段,其实质是对生产作业的全过程进行质量控制 和监督的全面质量管理。它要求将一项作业的每个阶段进行细化,研究每个阶段的工作 特点,找出每个阶段的关键所在,从而从质量控制的角度,提高技术水平,增强质量意 识,把好每个阶段的质量关,从过程上把握产品质量,达到保证产品质量,降低消耗, 提高生产效率的目的。 本报告引入PDCA作为质量控制手段之一,具体表现形式为:以相应测量标准的技 术指标作为输入,对测试试验结果是否满足测量标准技战术要求采用的测试方法和有效 措施,通过对测试实验方法的整体计划(P);实施(D)整个测试实验过程;经过质量监 督、检查和审核(C)后,经过严谨的数理统计分析,得出相应的实验结论;通过实验结 论对测试实验工作的意见以及审核分析中发现的不符合要求或不合格问题,及时采取措 施(A)或重新制定相应的测试方法和手段,必要时重新制定测试实验方案,进行实验数 据采集、处理和分析工作,从而完成整个测试实验过程中的质量控制。 z-z 、、\ Z / A-测试方法和手段 .,/■ P-课题技术、测量 、 V 的调控措施、 J 和解算方案的制定. 一 zZ.' 、-.、、、1 一 IT IT z—、 z-z-“一S / C’-测试实验的质量 、, / D-技术、测量和解 、 I 监督、检查和审核.算方案的实施阶段 /' \、一一.一一乂 一乂 图19质量保证图 6.2.2测试数据的质量控制 (1) ^验法[23][24] Z检验准则又称为罗曼若夫斯基准则,它是按照r分布(学生分布)的实际误差分 布范围来进行粗大误差判断的一种方法。 f检验准则的特点是将测量列的n个测量值中可疑的测得值;9先剔除,然后按余下 的(n-1)个数据计算算术平均值3^和标准差ol直,再判断数据;9是否含有粗大误差。 = ^—Vx,.(不含 %_/) (11) 巧_1 /=1 第 40 ]); 信息工程大学硕士学位报告 n-\ Xv; a' = \-i^~ ( V,. =x. -x' , V/不含;9) (12) I n-2 根据测量次数n和所选取的显著度《,从下表中查得系数A:值。 若怀疑的数据有: 卜)-F| 3cTf^^导致数 据被剔除的可能性很小。为此将剔除办法更改为肖维勒准则。 肖维勒准则是以正态分布为前提的。假设多次测量所得n个测量值中,某数据的残 差则剔除此数据。实用中Ze<3,这在一定程度上弥补了 3o准则的不足。 由下图可知,|v|2Z,a的概率为: 第 41 fjl 信息:1:程大学硕士学位报告 A y 一-、、、 ,f .....,<7 - z / \ ‘ / 、 ‘ y ■ \ / / 、 ‘ , -■ 、. . A 一,傷 %务>、.) 0 X 图20肖维勒准则概率分布图 p = \-2(t){Z^)(图中阴影部分) 即 24、Zc) = — _ < z^cr] 在等精度的《次重复测量中,若只有一个测得值的残差V超出某一界限tZe^T,而相 应的概率p = l-2^i(ZJ = l/,则按正态分布规律,此值的残差为正常超出,因为《个 等精度测得值中出现一个的概率恰好是1/。这说明此值中含有随机误差,但不含粗大 误差。 若按以上条件算出的概率;7值小于1//Z很多,则上述正常超出的可能性很小,而含 有粗大误差的可能性增大,这就是肖维勒准则的出发点。肖维勒准则规定: 当;= 1-2^KZJ = 1/2时,则判断该测得值的残差V为因含粗大误差的非正常超出, 故应将该值剔除。 P和Z加下标C以表示用于肖维勒准则: ;7 = l-2^i(ZJ = l/2,(y、2-1 n^c)=—~ An 7,值由《^(2」查正态概率积分表获得,而又按上式决定《值,Z。值见表16。 表丨6肖纟_勒准Wij中的值 n 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1.38 1.54 1.65 1.73 1.80 1.86 1.92 1.96 2.00 2.03 n 13 14 15 16 18 20 25 30 40 50 Zc 2.Q7 2.10 2.13 2.15 2.20 2.24 2.33 | 2.39 2.49 2.58 在本报告数据处理和分析过程中,肖维勒准则用作GPS短、中和长基线的测量数 据粗差剔除方法使用。 第42页 信息工程大学硕士学位报告 6.2.3其他保证措施 要保证校准结果的准确,首先要保证观测数据的准确可靠。 (1)硬件部分的保证:系统的硬件组成为高精度的GPS接收机和据流圈天线。测 量时天线统一指向北,以便减小天线相位中心产生的误差。使用的接收机必须是经过上 级计量部门检定。 (2)观测中准确度的保证:长时间观测时,测量点位的变化是趋于稳定的,同时 测得的数据量大,解算出的点位准确度就高,同时还保证了观测卫星的数量,充分地记 录了可能出现的各个卫星组合情况下的定位准确度。 (3)解算软件的保证:在取得原始数据的基础上,加上收集的(中间)跟踪站相 应GPS天线的数据,采用GAMIT软件进行解算。基线解算时采用IGS精密星历,以 GPS首次观测值为参考历元,增加地球潮汝改正、电离层延迟改正、对流层延迟改正等, 以削弱测量时系统误差造成的影响。 6.3重复性测试 重复性(repeatability)是指在相同测量条件下,对同一被测量连续进行多次测量所 得结果之间的一致性。这些相同测量条件称为重复性条件。重复性条件包括相同的测量 程序、相同的数据处理方法和软件、相同的观测者、相同的条件下使用同一台测量设备、 同一地点、短时间内的重复测量。重复性是测量结果的分散性定量表示,它反映了装置 的性能[19P3]。 为了验证R7GPS接收机的重复性,分别对中基线进行了 8次重复测量,长基线测 量进行了 4次测量,实验数据见表17、表18。 表17 R7GPS校准短基线和中基线测量重复性 一 短基线测量数据 中基线测量数据 序号 6-7 4-6 4-7 C-X C-W X-W 1 336.021 432.043 768.066 3950.907 6998.418 10360.644 2 336.021 432.043 768.064 3950.907 6998.419 10360.644 3 336.021 432.043 768.064 3950.907 6998.420 10360.643 4 336.021 432.043 768.065 3950.906 6998.418 10360.643 5 336.021 432.043 768.065 3950.904 6998.419 10360.642 6 336.022 432.044 768.065 3950.907 6998.419 10360.644 7 336.022 432.044 768.065 3950.907 6998.419 10360.644 8 336.022 432.044 768.065 3950.907 6998.420 10360.644 平均值336.0214432.0434 768.06493950.90656998.419010360.6435 第43页 I 信息:丨:程大学硕士学位报告 重复性 0.5 mm 0.5 mm 0.6 mm 1.1 mm 0.8 mm 0.8 mm 表18 R7 GPS校准长基线测量重复性 r~ 长基线测量数据 序号 J1JX-A088 J1JX-A166 A088-A166 1 114292.5415116891.1490192033.4074 2 114292.5415“116891.1525192033.4094 3 114292.5411116891.1514192033.4093 4 114292.5401116891.1518192033.4075 平均值114292.5411116891.1512192033.4084 重复性 0.7mm 1.7mm 0.9mm 由表17、表18的数据可知,R7 GPS接收机在中基线上测量重复性最大值为1.1mm, 在长基线(>100km)重复性最大值仅为1.7nim,都非常小,完全满足GJB6564-2008《全 球定位系统(GPS)接收机检定规程》和JJJF 1118-2004《全球定位系统(GPS)接收机 (测地型和导航型)校准规范》的相关技术要求。 6.4稳定性考核 稳定性(stability)是测量器具保持其计量特性随时间持续恒定的能力[19][23]。 以GPS综合检定场的短、中、长基线作为主要实验对象,用R7GPS接收机校准基 线进行4期校准,以核查R7GPS接收机校准基线的稳定性,校准短、中、长基线的稳 定性分别见表19、表20、表21。 6.4.1 R7 GPS校准短基线的稳定性测试 表19 R7 GPS接收机短基线测量数据列表 期数I 边名 I 测量数据(m) 稳定性_ 1 336.023 0.4854 336.023 336.6^ “2~ …336.022 0.4854 336.022336.023 〗3B6_〗3B7 336.021 336.02 336.02^ 0.2 4 336.021 0.0000 336.021 336.021 1 432.042 0.4854 ~432.Q41 432.042 ~2~ 432.043 0.4854 432.043432.044 现432.042 ~0:4^ 432.043 432.0^ G.2mm 4 432.043 0.0000 432.043 432.043 1 768.065 - 0.4854 768.064 768.064 ~2T…768.064 0.4854 768.065768.065 -3—768.064 ~0:9^ 768.064 768.0^ 0.2匪 4 丨 768.066 0.9709 | 768.064 | 768.065 丨 第44页 信息工程大学硕士学位报告 6.4.2 R7 GPS校准中基线的稳定性测试 表20 R7GPS接收机中基线测量数据列表 测量 I I i ^ r“~^ 3 ^ 4 ^ 边名 稳定性 数据 (m) (m) (m) (m) ~i 6998.417 6998.418 6998.417 6998.417 ~26998.420 6998.419 6998.418 6998.418~ J3CP-GWMS 0.7 mm 3 6998.417 6998.418 6998.417 6998.418 ~4~6998.418 6998.418 6998.419 6998.420~ ~i 10360.643 10360.644 10360.643 10360.644 ~2~ 10360.643 10360.644 10360.644 10360.644 JIJX-GWMS 0.2 mm 3 10360.643 10360.644 10360.644 10360.643 ~4~ ~10360.644 10360.644 10360.643 10360.643 ~i 3950.905 3950.907 3950.905 3950.908 ~2^ ~3950.909 3950.908 3950.908 3950.908 J1JX-J3CP 1.0 mm 3 3950.908 3950.908 3950.907 3950.908 43950.907 3950.907 3950.907 3950.906 6.4.3 R7 GPS校准长基线的稳定性测试 表21 R7 GPS接收机长基线测量数据列表 ~^~ mm mm mm Wm 稳定性 相对不确定度 A088-A166192033.4074m192033.4094m192033.4093m192033.4075m 1.0mm 0,5 xlO*A166-J1JX116891.1490m116891.1525m116891.1514m116891.1518m 1.7mm A088-J1JX114292.5415m114292.5415m114292.5411m“114292.5401mO.Vmm 0.7x10' 综合分析表19、表20和表21的数据,证明测量数据的质量高,4期测量数据短基 线稳定性最大值为0.2mm,中基线稳定性最大值为LOmm,长基线稳定性最大值为 1.7mm,均小于R7 GPS接收机的扩展不确定度U,证明R7 GPS接收机的稳定性满足要 求。 6.5本章小节 本章着重从实验的角度,按照测量场地的选取、测量重复性测试和测量稳定性考核 的顺序,严格执行测量和数据处理方案,对于R7GPS接收机校准中长基线的可行性进 行了进一步论证。 通过测试试验,证明R7GPS接收机的测量重复性好、稳定性高,完全能够满足中 长基线的技术保障要求。 第45页 信息:丨:程人学硕士学位报告 第七章结论与展望 报告以现代测量学和计量学理论为基础,以量值溯源和传递为主线,以高精度GPS 校准中长基线的可行性研究为主要目标,在该领域进行了研究。 7.1结论 报告主要进行了高精度GPS接收机中长基线校准可行性的研究,从GPS的测量原 理入手,分析了影响高精度GPS校准中长基线的主要误差来源;进行了测量不确定度 的分析、评定和验证;提出了高精度GPS”以短代长”溯源方法;编制完善了国家长度 量传体系表;提出了质量保证的控制手段和措施;规范了校准测量和数据处理的方法; 完成了 4期高精度GPS校准中长基线的野外测量和数据统计分析等工作,得出如下结 论: (1)高精度GPS测量是符合国际“复原米”定义第一部分——^/=0由准确测定的 时间t与给定的光速C复现的技术要求的;且从影响GPS测量准确度的各种因素的分析 和抑制、消除手段的分析着手,紧密结合目前各类规程、标准对中长基线的精度要求, 密切联系历年来GPS测量精度的评估实际,高精度GPS的重复性好、性能稳定可靠, 完全满足中长基线校准的技术保障要求,因此使用其校准中长基线是切实可行的。 (2)报告摒弃了过去传统“测量误差”的概念,采用现行的测量不确定度理论, 通过对高精度GPS接收机的选型实验、R7 GPS接收机校准中长基线的测量不确定度评 定和验证实验等测量过程,理论分析和实践论证相结合,R7GPS接收机校准中长基线 的相对扩展测量不确定度约为t/ = 0.3xl0_6,远远小于GPS中长基线校准技术要求,完 全满足校准测量的技术能力要求。 (3)报告在完成主标准器溯源的基础上,通过对影响GPS测量的主要误差源与基 线长度内在联系的分析,得出GPS测量当边长为几十千米至几百千米的范围内时其相 对精度大体保持不变,边长大于二百千米时,边长越长则相对精度越高的理论。使用计 量理论,提出了”以短代长”溯源方法——使用短基线上校准的相对低一点的校准结果 作为衡量中长基线的指标的方法并构建了其数学模型(F检验法)。通过大量的实验论 证,结合R7GPS接收机校准短基线、中基线和长基线之间的两两匹配检验,测量数据 全部合格(判定的定义显著水平为a =0.05,置信度为95%)。这也说明在短基线上测 量的数据与在中、长基线上进行的测量数据的方差相等,即测量精度没有显著的差异。 这也从数理统计的角度进一步验证了 “以短代长”理论的正确性,实现了 GPS接收机 长度量值的有效溯源。 第46奴 信息工程大学硕士学位报告 (3)报告简短介绍了量值溯源和传递概念及相互之间所存在的主要联系,分析了 我国目前现行的长度量传体系,重点分析了该体系中存在的诸如:技术指标低、误差累 积多、量传环节多、覆盖范围窄等缺陷,分析制定了新的长度量传体系表,减少了诸多 不必要的环节;减少了误差累积,提高了精度;完善了 GPS接收机的量传和溯源体系; 通过与高精度光电测距仪的长度量值比对,完成了 GPS长度量值和国家长度量值体系 的挂接,为国家量传体系的修订提供了重要参考,为国家长度量值体系建设提供了有益 的技术支撑。 (4)为了检验高精度GPS接收机的性能指标,按照相关要求,报告选择稳定性好 的场地,制定了相应的实验方法、质量控制手段和野外实测方案,重点从R7GPS接收 机的重复性、稳定性方面,先后进行了 4期测试,共计进行了 36个GPS观测点,200 多条次GPS基线边的测量校准工作。通过测试实验,R7 GPS接收机在短基线上测量重 复性最大值为0.6mm,在中基线上测量重复性最大值为l.lmm,在长基线(>100km) 重复性最大值仅为1.7_; 4期测量数据短基线稳定性最大值为0.9rnm,中基线稳定性 最大值为1.0mm,长基线稳定性最大值为1.7min,均小于R7 GPS接收机的扩展不确定 度U’完全满足满足GJB6564《全球定位系统(GPS)接收机检定规程》和JJJF1118 《全球定位系统(GPS)接收机(测地型和导航型)校准规范》的相关技术要求。从实 践角度,进一步证明R7GPS接收机的测量重复性好、稳定性高,完全满足中长基线的 技术保障要求。 利用本报告成果,已于2012年6月,建立了我国首套GPS校准长度基线的测量标 准。这是我国计量科学研究的一个质的飞跃,完成了从过去单一实物基准到国际复原米 定义的跨越,丰富了我国长度计量标准器具,规范了我国长度基线校准工作。 目前,报告成果还成功在国内多家长度基线建设中推广应用,取得了良好的效果。 7.2进一步研究的问题 由于时间仓促,有些论题未能在本报告中展开详述。同时,在研究中又引出了一些 相关问题,这些都是将来需要进一步研究和解决的。 (1)随着目前测绘和计量技术的飞速发展,诸多新的测量和计量装备不断涌现, 能否找到中、长基线校准的更好、更适用的装备和手段(如:VLBI)的研究; (2)随着我国“北斗导航定位系统”的不断发展、完善,北斗用户机长度和坐标 量值的确定也是亟待解决的问题之一。 第 47 信息丨:程大学硕士学位报告 7.3未来展望 从1978年美国启动GPS计划,到俄罗斯的GLONASS系统、欧盟的“伽利略”计 划和我国的“北斗”卫星导航系统的实施,这一切均表明卫星导航定位事业已经成为了 世界性的发展方向,卫星导航定位事业已成为世界性的朝阳产业。本报告的研究就是在 这种背景下应运而生的,它将对我国卫星导航定位行业的发展,以及与世界同步、与国 际接轨起到良好的促进作用。 由于时间关系,本报告的研究还流于表面,诸多问题还需要进行深入的分析和论证, 部分观点或许有所偏颇,仅供参考。 第48奴 信息工程大学硕士学位报告