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