1、GPS衛星定位技術與應用第一章 緒論一、基本概念1.衛星導航定位及基本作用1）衛星定位：通過衛星的瞬時位置利用空間距離后方交會的方法確定點位置。 優點：經濟、快速、精度均勻，不受天氣和時間限制，可以全天候作業 原理：1.通過衛星進行距離交會是GPS系統的基礎 2.接收機通過測定信號傳播時間來測定衛星與接收機之間的距離 3.為了測定信號的傳播時間，GPS需要有高精度的鐘 4.要進行定位，用戶除了要知道衛星的距離外，還需要知道衛星的位置 5.GPS信號穿過地球的電離層和對流層時，會產生信號延遲2）衛星導航：通常指運載工具的實時動態定位，即三維位置、速度和包括航向偏轉、縱向搖擺、橫向搖擺三個角度的姿

2、態的確定。3）基本作用：向各類用戶和運動平臺實時提供準確、連續的位置、速度和時間信息。目前的衛星導航系統：GPS，GLONASS，GALILEO，BDS4W時空信息when、where、what object、what change4A服務目標anyone、anything、anytime、anywhere 4）衛星三角測量：由地面上的測站拍攝衛星的瞬時位置測定地面點的坐標2.衛星定位的基本觀測量：距離、距離差 1）距離差定位方式：雙曲面定位系統（NNSS、TSICADA）2）距離定位方式：球面定位系統（GPS、GLONASS、 Galileo、 BDS）3）GPS發展趨勢：GIS/GPS/R

3、S 組成的3S集成系統GPS/INS 組合導航系統GNSS/全球導航衛星系統二、全球定位系統（GPS）1.功能特點：導航、定位、授時 1.采用距離定位方式，進行測距空間交會定點 2.提供精密的全天候的位置、速度和時間信息 3.能夠進行連續的、實時的三維定位2.衛星導航定位應用：1）在測量學中的主要應用：大地測量、地球動力學研究、測量控制網聯測、航空遙感測量、地形測量、地籍測量、土地資源調查測量、海洋測量、精密工程測量、工程變形監測等。2）在導航學中的主要應用：車輛、船只和飛機的精密導航、測速以及運動目標的監控與管理等。3）在其它相關學科領域中的主要應用：運動載體姿態測量，彈道導彈的制導，近地衛

4、星的定軌，精密測時以及氣象學和大氣物理學的研究等。 4）在海陸空的應用：1、衛星導航定位陸地應用：國家、區域、工程等大地測量控制網測設；工程建設的施工放樣測量；土建工程的實時監控；大型建筑和油氣田的沉降監測；地球板塊運動狀態和地殼形變測量；陸地、海洋大地測量基準的測定；精細農業監測2、衛星導航定位海洋應用：海底大地測量控制網的布測；海底地形的精細測量；浮標拋設和暗礁爆破等海洋工程的精確定位；水文測量，驗潮網的測設；海洋油氣平臺的就位和復位測定；海底沉船位置的精確探測，海底管道敷設測量；遠洋船舶最佳航線測定，在途航行實時調度和監測；內河船只的實時調度和自主導航測量3、衛星導航定位航空、航天應用：

5、航空應用：民航飛機的在途自主導航；飛機精密著陸；攝影和遙感飛機的七維狀態參數和三維姿態參數測量；飛機空中加油控制；機群編隊飛行的安全保護；航空援救的探尋和定點測量；機載地球物理勘探；飛機探測災區大小和標定測量航天應用：低軌通訊衛星群的實時軌道測量；衛星入軌和衛星回收的實時點位測量；載人航天器在軌防護探測；星載GPS的遮掩天體大小和大氣參數測量；對地觀測衛星的七維狀態參數和三維姿態參數測量。3.GPS組成：1.空間星座部分GPS衛星網（21+3顆衛星） 2.地面監控部分地面監控系統（主控站：1 注入站：3 監控站：5） 3.用戶設備部分.GPS信號接收機4.GNSS常規的、主要的應用技術： DG

6、PS技術靜態相對定位技術 RTK技術實時動態差分技術 PPP技術GPS精密單點定位測量技術 FKP/VRS/MAC技術（多基站）網絡RTK定位技術 ITS技術智能交通技術 STGPS技術超站式集成測繪系統5.GNSS技術的“四多”特性：多領域、多模式、多用途、多機型三、中國的GPS技術發展1.中國衛星導航技術應用：1）通訊、通信行業用GNSS進行時間同步測控2）電力、有線電視、城市地下管道采用GNSS布設線路3）交通、運輸部門用GNSS等相關集成技術營建ITS系統和監控系統4）公安、銀行、醫療、消防等用GNSS營建緊急救援或報警系統5）汽車、船舶、飛機等用GNSS導航定位6）GIS數據提供商用

7、GNSS采集地理信息相關數據，并提供位置信息相關服務（LBS）7）廣播電視行業用GNSS與羅盤制造衛星電視定向接收天線8）電子商務領域，GNNS甚至應用于CRM客戶管理和物流配送體系9）數字城市、智慧城市廣泛采用GNSS系統2.我國衛星定位產業四個重點發展方向：1）單一GPS接收機將向多星座兼容接收機發展，高精度定位向綜合服務技術迅速發展2）衛星導航在智能交通的應用迅速發展，以車載導航為核心的移動目標監控、管理與服務市場3）以差分定位技術為核心的差分網建設，網絡差分技術迅速發展4）以個性化移動信息終端為核心的移動導航產品市場，個人位置服務將成為衛星導航應用新領域第二章 衛星大地測量基礎一、衛星

8、大地測量及技術1.衛星大地測量學：研究利用人造地球衛星解決大地測量學問題，利用空間技術手段進行區域或全球大地測量的學科。2.衛星大地測量學的技術1）衛星地面跟蹤觀測技術2）衛星對地觀測技術3）衛星對衛星觀測技術3.幾種現代衛量測量技術1）VLBI：甚長基線干涉測量 2）GPS：全球定位系統3）SLR：衛星激光測距4）SA：衛星雷達測高二、坐標系統1.天球坐標系：與地球自轉無關，用于描述衛星的位置和狀態的坐標系。 1）章動、歲差 原因: 日、月、地球與其他星體的相對運動，地球內部質量分布的不均勻。 歲差：地球差異旋轉產生的回歸年與恒星年的時間差 1.日月歲差：由于日月引力作用而引起的地球自轉軸繞

9、黃道的垂直軸旋轉的一種長期運動。 50.371/年，周期約為25800年。2.行星歲差：由于行星引力對地球繞日運動軌道的攝動而引起的變化。0.134/年周期約為100萬年。3.總歲差：赤道與黃道由于日月歲差和行星歲差引起的緩慢運動。 章動：地球在公轉軌道上左右搖擺的周期運動。2）三種天球坐標系：1.瞬時真天球坐標系: 由瞬時真天極、瞬時真赤道面和瞬時真春分點所定義的天球坐標系。2.瞬時平天球坐標系: 由瞬時平天極、瞬時平赤道面和瞬時平春分點所定義的天球坐標系。3.協議天球坐標系: 相應于某一確定時刻為標準歷元的一種特定的天球坐標系。2.地球坐標系：隨地球自轉，用于表示地球觀測站的空間位置的坐標

10、系。1）極移: 由于地球體內復雜的運動而引起自轉軸相對于表面不斷變動的現象。2）兩種地球坐標系：1.瞬時地球坐標系：準地固坐標系。固聯在地球上，以地球質心為原點， Z軸指向瞬時地北極，X軸指向瞬時真赤道與格林威治平子午線交點方向，構成右手坐標系，以確定Y軸方向。2.協議地球坐標系：地固坐標系。固聯在地球上，以地球質心為原點， Z軸指向國際協議原點（CIO），X軸指向協議赤道與格林威治平子午線交點方向，構成右手坐標系，以確定Y軸方向。3.協議地球坐標系：1）CTS-84坐標系：協議地球坐標系，由一組具有已知的精確地心坐標的臺站所具體體現的。2）WGS-84坐標系：固聯在地球上，以地球質心為原點，

11、 Z軸指向 BIH系統所定義的協議地極（CTP）的方向，X軸指向BIH1984.0的零度子午面與CTP赤道的交點方向，構成右手坐標系，以確定Y軸方向。 橢球基本大地參數：（書P31）橢球幾何參數：三、衛星大地測量中的時間系統1.世界時（UT）：以平子夜為零時起算的平太陽時，以地球自轉運動來計量。2.原子時（AT）：以穩定度很高的原子能級躍遷的頻率作為標準的時間。3.協調世界時（UTC）：是一種介于原子時和世界時之間的標準時間的服務方法，定義接近世界時的折中時間系統，秒長采用原子鐘進行控制。 4.力學時（DT）：人造地球衛星動力學中所要求的時間系統。其基本單位采用國際秒制，與原子時的尺度相一致。

12、什么時候開始，從何處5.GPS時間（GPST）：GPS時屬于原子時系統，由GPS主控站的原子鐘控制，GPS 時與協調世界時（UTC）在1980年1月6日0時相一致。其后隨著時間成整倍數積累，至1987年該差值4S。四、衛星運動（了解）衛星運動狀態：受地球、太陽、月球對衛星的引力，太陽光壓、地球潮汐力等影響。 衛星受到的作用力：1.地球質心引力（中心力）-無攝運動、無攝軌道2.攝動力（非中心力）-有攝運動、有攝軌道 第三章 GPS定位系統信號和接收機的基本工作原理GPS衛星信號采用組合碼調制技術（偽隨機碼擴頻技術）組合碼調制技術：將衛星導航電文（基帶信號）經偽隨機碼擴頻技術成為組合碼，再對L頻段

13、的載波進行BPSK調制（正交調制）。作用：提高系統導航定位精度，使系統具有很高的抗電子干擾能力和極強的保密能力。偽距：接收機到GPS衛星之間的距離。碼：表達信息的二進制數及其組合。衛星信號的調制分為二級調制：第一級是導航電文調制到測距隨機碼：采用二進制編碼序列“模二和”算法，調制結果是把數據碼(導航電文)從50Hz擴展到1.023MHz(對于C/A碼) ，從而在接收信號時，采用CDMA原理，可提高獲取數據碼的信噪比。第二級是測距碼調制到載波：采用二進制信號“波形相乘”的算法，將導航電文與測距碼合成后的二進制碼調制到載波上，實現了第二次擴頻，把測距碼（C/A）從1.023MHz擴展到1575.4

14、2MHz（L1），在接收機接收GPS信號時，根據CDMA原理，可以提高C/A碼的信噪比一、偽隨機碼：由二進制碼組成的偽隨機序列，由“多級反饋移位寄存器”產生。偽隨機序列：具有非隨機序列自相關特性的有周期性的二進制序列。1.C/A碼（粗碼）：用于分址、搜捕衛星信號、粗測距，具有一定抗干擾能力，并提供民用的明碼。 2.P碼（精碼）：用于分址、通過C/A碼獲取衛星信號，精密測距，具有較強抗干擾能力，提供特許用戶使用的受控密碼。3.GPS衛星信號構成：載波信號，測距信號，導航信號 GPS定位系統通常采用兩種偽隨機碼：C/A碼和P碼二、導航電文（D碼） 1.導航電文：1）組成：衛星星歷、衛星工作狀態、時

15、間系統、衛星鐘偏差校正參數、軌道攝動改正參數、大氣折射改正參數、遙測碼、交換信息等。 2）格式：組成數據幀，按幀向外播發。 由25幀組成，播發時間12.5min，播發速度50bit/s。 1幀5子幀 1子幀10字 1字30bit 1bit需0.02s 25 * 1500bit/幀 = 25 * 5 * 300bit /子幀 2.導航電文內容：（1）遙測碼（TLM）: 用于指導用戶是否可選用衛星（2）轉換碼（HOW）：用于輔助用戶轉換C/A碼至P碼（3）第一數據塊（DATA1）；（4）第二數據塊（DATA2）；（5）第三數據塊（DATA3）3.衛星星歷： 用于確定衛星瞬間位置的信息，可以分為三類

16、：1）衛星歷書(Almanac，精度：數km)2）廣播星歷(Broadcast Ephemeris，精度： 1m)：也叫預報星歷，是指相對參考歷元的外推星歷。3）精密星歷(Precise Ephemeris，精度： 520cm) ：精密星歷是不含外推誤差的實測后處理星歷。 衛星軌道參數六個開普勒元素 三、GPS接收機1 .GPS接收機分類1）按通道工作原理分 2）按用途分 3）按載波頻率分 4）按通道數分2.基本結構：1）天線 2）主機 3）電源四五六七為重點第四章 GPS定位的基本觀測量及誤差分析一、GPS定位基本原理：= c·t二、GPS定位基本觀測量 1）碼相位偽距測量：將偽碼

17、發生器產生的與衛星信號結構完全相同的碼經過延時器延時同本機復制碼進行相關處理，得到衛星信號延遲傳播時間t，從而獲得偽距：=c·t 。 測量原理：=c·t利用測距碼測距的必要條件：必須了解測距碼的結構利用測距碼進行測距的優點：采用的是CDMA（碼分多址）技術易于捕獲微弱的衛星信號可提高測距精度便于對系統進行控制和管理（如AS）2）載波相位測量：作為傳輸工具，把搭載于其上的測距碼和導航電文從衛星傳播到地面，對于測量型接收機，載波又同時用作為測量信號，接收機對接收到的載波進行相位測量，獲得高精度的載波相位觀測值，從而實現厘米乃至毫米級的高精度基線測量。測量原理：=·整周

18、模糊度：載波相位觀測值小數部分精確可知，整周（整數）不知周跳：在跟蹤衛星過程中，由于信號被障礙物擋住而暫時中斷或受無線電信號干擾而造成信號失鎖，發生周跳現象。要解決的問題：1.載波重建技術（重建載波：將非連續的載波信號恢復成連續的載波信號），2.整周未知數解算，3.周跳判斷、修復多普勒頻移：由于衛星和接收機之間的相對運動，接收到的載波頻率發生變化。反映了衛星和接收機的相對運動速度，衛星速度已知，利用多普勒頻移觀測值可以求得接收機的瞬時運動速度。三、GPS數據觀測值格式1.GPS觀測值形式：C/A碼偽距（L1）P碼偽距（L1、L2）載波相位（L1、L2）多普勒頻移（L1、L2）2.GPS數據觀測

19、值格式：1）本機格式：接收機存儲數據的格式2）RINEX格式：統一格式，與接收機無關的數據交換格式3）SP3格式：精密星歷格式，IGS精密星歷采用此格式四、GPS誤差來源1.與衛星有關的誤差：1）衛星鐘差：衛星時鐘不穩定 偏差、漂移和漂移速率：總量可達1 ms 鐘差為1 ms等效距離為300 km ，由GPS主控站測定-衛星鐘差 -衛星鐘在參考歷元的鐘差 -衛星鐘的鐘速 -衛星鐘的鐘速變化率 通過鐘差改正后可達到：偏差20 ns等效距離為6m衛星鐘殘差部分通過觀測值差分技術來消除2）衛星星歷誤差（衛星位置誤差）：由衛星星歷給出的衛星軌道與實際的衛星軌道誤差 廣播星歷：短基線相對定位 精密星歷：

20、長基線、高精度定位3）地球自轉影響：采用WGS-84協議地球坐標系 地球自轉引起時間延遲，進而引起為行為之變化4）相對論效應影響：衛星鐘比地面鐘快2.信號傳播誤差：1）電離層折射影響：電離層含有較高密度的電子，當GPS信號通過電離層時，信號的路徑會發生彎曲，傳播速度也會發生變化。 延遲影響因素：與傳播路徑上的電子總量有關、與傳播到GPS天線的方位有關。常用的電離層改正模型： 本特（Bent）模型、國際參考電離層（IRI ）模型、克羅布歇（Klobuchar）模型2）對流層折射影響：對流層與地面接觸并從地面得到輻射熱能，其溫度隨高度的上升而降低，GPS信號通過對流層時，使傳播的路徑發生彎曲，從而

21、使測量距離產生偏差。電磁波在對流層中的傳播速度與頻率無關，與大氣折射率有關和電磁波傳播方向有關。對流層大氣折射率與大氣壓力、溫度和密度有關，分成兩部分討論：干分量、濕分量干分量與大氣溫度和壓力有關，濕分量與大氣溫度和濕度有關常用的對流層改正模型：霍普菲爾德（Hopfield）模型、薩斯塔莫寧（Sastamoinen）模型 、勃蘭克（Black）模型3）多路徑效應：由于接收機周圍高大建筑物或水面對電磁波產生的反射作用而引起的定位誤差。（金屬材料、水面等反射較強） 多路徑效應對GPS定位的影響可以達到分米級 減小多路徑效應的方法：1.天線安置盡量避開強反射物 2.選用防多路徑效應的天線3.觀測誤差

22、和接收設備誤差： 1）觀測誤差：1.與觀測分辨率有關 2.與天線安置精度有關2）接收機鐘差：采用石英晶體振蕩器解決方法：1.單點定位：鐘差作為未知數在觀測方程中求解2.載波相位定位：對觀測值求差有效地消除接收機鐘差3.高精度定位：使用外接頻標，為接收機提供高精度時間標準3）天線相位中心偏差：天線相位中心的瞬時位置與幾何中心的偏差第五章 GPS定位的基本原理和方法GPS測量定位分類：1）按定位狀態：靜態定位、動態定位2）按時效：實時定位、事后定位3）按定位模式：絕對定位（單點定位）、相對定位、差分定位4）按確定整周模糊度的解算方法及觀測時段的長短：常規靜態定位、快速靜態定位5）按定位采用的觀測值

23、：偽距測量（偽距法定位）、載波相位測量絕對定位：采用單臺GPS接收機獨立作業進行定位，也稱單點定位；直接確定信息、事件和目標相對于參考坐標系統的坐標位置測量。相對定位：采用兩臺或兩臺以上GPS接收機聯合作業確定相對位置的定位；確定信息、事件和目標相對于坐標系統內另一已知或相關的信息、事件和目標的坐標位置關系。差分定位：基于已知基準站/信標臺/空基增強系統(SBAS)衛星播發差分改正信號的定位方式。GPS基本觀測量：1）碼偽距定位：主要用于單點定位、偽距差分定位2）載波相位定位：主要進行相對定位、載波差分定位一、測距碼偽距單點定位 1.原理：由衛星發射的測距碼到觀測站的傳播時間（時間延遲）乘光速

24、所得到的量測距離。 = c·t 偽距觀測值： 衛星鐘差及接收機鐘差：定位要求：接收機鐘和衛星鐘要嚴格同步，且保持頻標穩定。而實際上無法滿足以上要求，存在鐘差。 鐘差：某時刻（i）鐘面時與GPS標準時（GPST）之差。 接收機鐘差： 衛星鐘差：衛星鐘差改正：測量原理：原始觀測值：經過導航電文改正后觀測值：2.瞬時絕對定位精度： 3.精度因子 DOP：PDOP（與空間幾何結構有關）、VDOP、HDOP、TDOP（與鐘差測定精度有關）、GDOPPDOP：表示空間位置精度因子TDOP：表示鐘差精度因子GDOP: 表示空間位置誤差和時間誤差綜合影響 1）空間位置精度因子PDOP： 平面位置精度

25、因子HDOP ： 大地高精度因子VDOP： 2）時鐘差精度因子TDOP： 3）測站定位幾何精度因子GDOP： 二、載波相位測量 1.瞬時載波相位差：某一指定時刻接收機產生的參考載波信號與此時接收到的衛星載波信號的相位之差。2.初始歷元整周模糊度：從歷元（1）到任一歷元（i），由接收機獲得的相位觀測值中的整周數均與其正確值相差同一個整數，該值稱作初始歷元整周模糊度（初始歷元整周待定值）： 整周模糊度個數：對于L1和L2載波來說： 1）1個測站同時觀測顆衛星，則有個整周模糊度2）個測站同時觀測顆衛星，則有個整周模糊度載波信號等價的傳播時間：發射時刻（衛星）： 接收時刻（接收機）：瞬時傳播時間： 實

26、際時間觀測值：3.載波相位定位： 聯立求解多個歷元、多顆衛星以及多個測站的觀測方程，可以實現載波相位絕對定位。 優點：抗干擾性能好，定位精度高，用于精密定位 要解決的問題：載波重建技術、整周模糊度解算、周跳探測與修復三、GPS相對定位 1.相對定位方式： GPS相對定位差分GPS定位利用兩臺以上的GPS接收機，分別安置在若干基線的兩端，通過同步觀測GPS衛星，以確定多條基線端點的相對位置或基線向量。目的：消除和減弱：1）衛星軌道誤差 2）衛星鐘差 3）接收機鐘差 4）電離層誤差 5）對流層誤差（折射誤差） 2.載波相對定位常用方法：1） GPS靜態相對定位：兩臺GPS接收機分別安置在兩個不同的

27、點上，同步觀測衛星載波信號，利用載波相位差分觀測值，消除多種誤差的影響，獲得兩點間高精度的GPS基線向量。2）GPS準動態相對定位：靜態安置兩臺GPS接收機，利用起始基線向量確定初始整周模糊度，然后一臺GPS接收機在周圍的觀測站流動，并且在每一觀測站上靜態進行觀測（停留數分鐘），以確定流動站與基準站之間的相對位置。3）GPS動態相對定位：用一臺GPS接收機安置在基準站上固定不動，另一臺接收機安設在運動載體上，同步觀測衛星載波信號，利用載波相位差分觀測值，消除多種誤差的影響，以確定運動點相對于基準點的實時位置。四、載波差分GPS定位 1.差分GPS產生的誘因：絕對定位精度不能滿足要求 影響絕對定

28、位精度的主要誤差：1）衛星軌道誤差 2）衛星鐘差 3）大氣延遲（對流層延遲、對流層延遲） 4）多路徑效應 差分GPS：利用設置在坐標已知的點（基準站）上的GPS接收機測定GPS測量定位誤差，用以提高在一定范圍內其它GPS接收機（流動站）測量定位精度的方法。 2.差分GPS的基本原理1）誤差的空間相關性：各類誤差中除多路徑效應均具有較強的空間相關性，從而定位結果也有一定的空間相關性。2） 差分GPS原理：利用基準站測定具有空間相關性的誤差或其對測量定位結果的影響，供流動站改正其觀測值或定位結果3）差分改正模式：1.距離改正數：利用基準站坐標和衛星星歷可計算出站星間的計算距離，計算距離減去觀測距離

29、即為距離改正數。2.位置改正數（坐標改正數）：基準站對GPS衛星進行觀測，確定出測站的觀測坐標，與已知坐標之差即為位置的改正數。 4）差分GPS分類： 1.根據時效性：實時差分、事后差分2.根據觀測值類型：碼偽距差分、載波相位差分3.根據差分改正數：位置差分（坐標差分）、距離差分4.根據工作原理和差分模型：單基準站差分、多基準站差分、局域差分、廣域差分 5）差分模式：1.位置差分特點：差分改正計算的數學模型簡單差分數據的數據量少基準站與流動站要求觀測完全相同的一組衛星 2.距離差分特點：差分改正計算的數學模型較復雜差分數據的數據量較多基準站與流動站不要求觀測完全相同的一組衛星 3.單基準站局域

30、差分：結構：一個基準站、數據通訊鏈和用戶數學模型（差分改正數的計算方法）：提供距離改正和距離改正的變率 優點：結構、模型簡單 缺點：差分范圍小，精度隨距基準站距離的增加而下降，可靠性低 4.多基準站局域差分： 結構：多個基準站、數據通訊鏈和用戶數學模型（差分改正數的計算方法）:加權平均、偏導數法、最小方差法 優點：差分精度高、可靠性高，差分范圍增大 缺點：差分范圍仍然有限，模型不完善 5.廣域差分： 結構：多個基準站、數據通訊鏈和用戶 數學模型（差分改正數的計算方法）：1）對各項誤差加以分離，建立各自的改正模型 2）用戶根據自身的位置，對觀測值進行改正 優點：差分精度高、差分精度與距離無關、差

31、分范圍大 缺點：系統結構復雜、建設費用高五、GPS觀測值的線性組合觀測值類型：碼偽距、載波相位 1.同類型同頻率觀測值的線性組合 主要目的：消除衛星鐘差、接收機鐘差和整周模糊度等未知數 GPS觀測三要素：測站、衛星、觀測歷元 相位差分的不同只取決于求差的要素和求差次數，但與求差順序無關。 1）一次差分觀測值SD：1.星際一次差分觀測值： 由測站（k）、在歷元（i）、對不同衛星（）的相位差觀測值求差。 測站（k）、歷元（i）、N顆衛星（），有N-1個不相關的一次差分觀測值。 特點：可以消除或減弱接收機鐘差可以抵消部分大氣折射影響（電離層、對流層），但不能完全消除不能減弱衛星鐘差的影響2.歷元間一

32、次差分觀測值： 在測站（k）、對某一衛星（j）的兩相鄰歷元（）的相位差觀測值求差。 特點：可以消除初始歷元整周待定值（初始歷元整周模糊度）可以抵消大部分大氣折射影響（電離層、對流層） ，但不能完全消除可以消除共同的鐘差偏差（衛星鐘、接收機鐘）且鐘速變化影響較小3.站際一次差分觀測值： 由不同測站（）、在同一歷元（i）、對同一衛星（j）的相位差觀測值求差-單差觀測值。 歷元（i）、衛星（j）、測站（），有個不相關的一次差分觀測值。 特點：可以消除和減弱短基線大氣折射影響（電離層、對流層）可以消除和減弱衛星鐘差、但接收機鐘差不能有效減弱可以減弱衛星軌道誤差的影響2）二次差分觀測值DD：1.站際、星

33、際二次差分觀測值： 由同一歷元，不同衛星的站際一次差分觀測值求差-雙差觀測值。特點：可以減少初始整周模糊度個數基本上消除接收機鐘差影響，可以轉化成二次模型表示可以消除或減弱大氣折射影響（電離層、對流層）主要用于GPS相對定位2.星際、歷元間二次差分觀測值： 特點：可以消除初始歷元整周模糊度基本上消除衛星、接收機鐘差影響大大減弱大氣折射影響（電離層、對流層） ，但不能完全消除可以對測站進行精密單點定位3.站際、歷元間二次差分觀測值：由同一衛星，不同歷元的站際一次差分觀測值求差。特點：可以消除初始整周模糊度可以抵消短基線大部分大氣折射影響（電離層、對流層）可以消除共同的鐘差偏差（衛星鐘、接收機鐘）

34、3）三次差分觀測值TD：1.星際、站際、歷元間三次差分觀測值： 由不同歷元，不同衛星、不同測站間二次差分觀測值求差特點：可以消除整周待定值基本上消除接收機鐘差影響可以消除或減弱大氣折射影響（電離層、對流層）相關性增強，解的穩定性差，精度不高數據利用率降低，觀測值大量丟失2.同類型不同頻率觀測值的線性組合 主要目的：消除電離層延遲，便于確定整周模糊度 兩個不同頻率的載波(L1、L2)相位觀測值間線性組合的一般形式： 的特性： 特殊的雙頻載波相位觀測值線性組合： 1）寬巷組合觀測值LW（n=1, m=-1）：有利于求解模糊度，但測量噪聲大 特點：模糊度保持整數特性；波長較長，模糊度容易確定；測距精

35、度略低應用：在動態定位時通常用此觀測值；輔助確定Iono-free組合觀測值的模糊度2）窄巷組合觀測值LN（n=1, m=1）特點：模糊度保持整數特性；波長短，模糊度較難確定應用：輔助確定Iono-free組合觀測值的模糊度3）消電離層組合觀測值LC（） 特點：模糊度不具有整數特性；電離層折射延遲為0應用：長基線解算；電離層活躍期或活躍地區基線的解算3.載波雙差觀測值及其觀測方程 有效消除或減弱GPS測量的系統誤差方法：對瞬時相位觀測值進行線性組合 1）雙差觀測方程：1.觀測值數量和獲取已知點坐標方法 1）單基線雙差觀測值： 雙差觀測值數： 基線數： 2）已知點坐標獲取（基星、基站）：提供法：

36、已知一點的絕對坐標（WGS-84坐標） 觀測法：單點定位解算（靜態觀測若干小時） 基星的選擇：高度角高；信號質量好；待機時間長 2.待定參數及系數（單基線雙差）：1）測站k2的三維直角坐標（X、Y、Z）2）兩接收機鐘差參數（t1、t2）3）雙差整周模糊度N （初始整周模糊度線性組合） 3.單基線誤差方程： 其中： t = 3*未知點數+鐘差數量+整周模糊度數量+衛星失鎖等增添整周模糊度數量 雙差觀測值個數： 2）載波相位差分觀測值隨機模型：假定瞬時相位是獨立的、不相關的等精度觀測值 基線單差： 單差數量：1.基線單差觀測值協方差陣： 1）原始觀測值協方差陣： 是原始觀測值的方差 對于兩顆衛星，

37、基線單差觀測值： 2）基線單差觀測值協方差陣： 對于兩顆衛星： 是單差觀測值的方差 3）多顆衛星基線單差觀測值協方差陣（i時刻）： 不同衛星 ，按單基線求解的單差觀測值是相互獨立且等精度的。 4）多測站、多顆星單差觀測值： 多基線單差： 基線單差個數： 以兩條基線兩顆衛星為例： 同一歷元、同一衛星的兩個基線單差觀測值之間是相關的同一歷元、不同衛星的兩個基線單差觀測值之間是不相關的 多測站、多顆星單差觀測值協方差陣同上2. 基線雙差觀測值協方差陣： 單基線雙差： 雙差個數： 對于4顆衛星，基線雙差觀測值: 雙差觀測值的方差 多顆星基線雙差觀測值權陣： 同一歷元的（nj-1）單基線雙差觀測值是相關

38、的。某時段多顆星基線雙差觀測值權陣：同一歷元的（）單基線雙差觀測值是相關的，不同歷元的單基線雙差觀測值是互為獨立的多測站、多顆星、多基線雙差觀測值權陣： 多基線雙差： 雙差個數：六、GPS基線向量解算1.GPS基線解算的內涵定義：利用多個測站的GPS同步觀測數據，確定這些測站之間坐標差的過程觀測值：GPS載波相位觀測值（原始觀測值、差分觀測值、不同頻率的組合觀測值）GPS偽距觀測值結果：基線向量、精度（中誤差）及誤差相關性信息（協因數陣）2.GPS基線向量的表達方式 1）地心地固坐標：笛卡兒坐標系 大地坐標系2）站心地平坐標系：直角坐標系 N：北方向；E：東方向；U：垂直方向極坐標系 S：距離

39、；A：方位角；H：高度角3.基線向量平差解算方法1）按單基線解算：不論同一測段上有多少個接收機同步觀測，每次解算都僅取兩個測站所有的線性獨立雙差觀測值進行平差解算。 單基線雙差： 單基線雙差個數： 基線數量：合理做法：應用（）條獨立基線參與平差，以保證參與平差的觀測值之間線性獨立。2）聯合解算：取同一測段內所有非基星相對于基星的雙差觀測值解算全部基線，平差解算工作量較大。 多基線雙差： 雙差個數：基線數量：4.基線向量質量評定：1）雙差觀測值單位權中誤差：，一般看作內符合精度的一項指標。2）基線長度中誤差（RMS）：短基線要求ms12cm，一般看作基線可信性的一項指標。3）雙差觀測值整周模糊度

40、的整數性Ratio: >85%：較好、8085%：一般、<70% -較差 4）同步觀測環閉合差：同步環閉合差超限，可能是因為同步環上各測站沒有完全同步，或是各測站周跳修復不同，也可能是軟件本身的缺陷所至。5）異步觀測環閉合差：異步環閉合差超限，可能因各種觀測條件較差（如多路徑誤差影響、強輻射、電離層、對流層的影響）。6）重復基線閉合差5.雙差固定解、雙差浮點解七、GPS動態定位 實時動態載波差分GPS：RTK（Real Time Kinematics）1）RTK GPS原理：修正法、差分法 修正法：在已知坐標的基準點上設置GPS基準站，對可觀測的衛星進行測量，計算出未經改正的三維G

41、PS坐標（位置差分）或衛地距離（距離差分）。 差分法：在已知坐標的基準點上設置GPS基準站，對可觀測的衛星進行測量，觀測到載波相位觀測值。2）實時動態（RTK）測量系統：GPS測量技術與數據傳輸技術相結合而構成的組合系統。RTK測量系統的構成：GPS接收機（基準站、流動站） 數據傳輸系統（數據鏈，基準站發射臺、流動站接收臺） 軟件系統RTK測量作業模式：快速靜態測量、準動態測量、動態測量第六章 GPS測量的周跳、模糊度與高程測量一、GPS測量的周跳1.周跳：由于衛星信號失鎖或干擾而使載波相位觀測值中的整周計數所發生的突變現象。1）第一類周跳：信號失鎖>數分鐘 處理方法：利用單差觀測值通過

42、高階拉格朗日多項式進行擬合修復2）第二類周跳：信號失鎖<兩歷元間隔 處理方法：利用單差觀測值擬合或雙差觀測值擬合2.周跳產生原因：1）由于頂空障礙物阻擋，造成衛星信號暫時中斷；2）由于電離層條件差、多路徑效應和衛星高度過低等原因，造成衛星信號信噪比過低，導致整周計數錯誤；3）接收機軟件發生故障，導致錯誤的信號處理；4）接收機在高速動態的環境下進行觀測，導致接收機無法正確跟蹤衛星信號；5）衛星發生瞬時故障，無法產生信號。 2.周跳的探測、修復方法：首先需要進行周跳定位，并確定周跳大小周跳探測：通過構造一個檢驗量來判斷周跳修復：通過對周跳發生后的全部相位觀測量改正一個固定值來完成 1）屏幕掃

43、描法：人工在屏幕上觀察觀測值曲線的變化是否連續2）高次差法：接收機鐘差影響此方法的有效性，通過星際、歷元間求差消除鐘差、大氣延遲的影響3）三差觀測值探測法：通過載波觀測值差分（單差、雙差、三差），消除整周模糊度，但觀測值數量明顯減少。4）多項式擬合法：根據n個相位測量觀測值擬合一個n階多項式，據此多項式來預估下一個觀測值并與實測值比較，從而來發現周跳并修正整周計數。5）雙頻P碼偽距觀測值法：利用寬巷組合6）殘差法：根據平差后的殘差，進行周跳的探測與修復二、整周模糊度確定方法基本解算方法：經典靜態相對定位法：雙差固定解、雙差浮點解實時解算模糊度方法： AROTF技術：1）確定搜索區域：坐標搜索法

44、、模糊度搜索法2）可采用的方法：模糊度函數法、最小二乘模糊度搜索法 FARA法、快速模糊度搜索濾波法、LAMBDA法三、GPS高程測量GPS高程測量主要包括：1）精化大地水準面：綜合利用水準測量和重力測量、數字地面模型資料，確定大地水準 面高程。2）擬合大地水準面：綜合利用幾何水準測量資料，擬合地面點的高程 1.常用的高程系統：大地高系統H：以參考橢球面為基準面的高程系統 利用GPS定位技術，可以直接測定地面點在WGS-84坐標中的大地高 正高系統Hg：以大地水準面為基準面的高程系統 正常高系統Hr：以似大地水準面為基準面的高程系統 2.確定大地水準面的傳統方法：1）天文大地水準法：應用天文大

45、地測量資料來確定似大地水準面高程的方法2）天文重力水準法：綜合應用天文大地測量資料和重力測量資料來確定似大地水準面高程的方法 我國采用天文重力測量方法建立了全國范圍內的高程異常值3）重力場模型法：綜合利用衛星觀測資料和重力測量資料，以球諧級數建立地球重力場模型和高程異常模型的方法。4）司托克斯重力大地水準面模型法：利用地面重力測量資料來推算大地水準面高程的實用方法。 3.GPS高程擬合方法： 1）二次曲面擬合法：利用二次曲面逼近小區域的（似）大地水準面進行擬合。2）多重二次曲面擬合法：利用多重二次曲面逼近任何光滑的數學曲面或非數學定義的任意曲面進行擬合。3）薄板小撓度變形模型擬合法：參照力學中

46、數值計算的加權殘差法，利用自組織原理選取薄板受離散負載時的小撓度變形模型進行擬合。4.常用的GPS高程擬合方法1）二次曲面擬合（n6）：二次多項式：2）平面擬合（n=3）：一次多項式：3）平移擬合（n3）：零次多項式：（用于平坦地區、小區域范圍）第七章 GPS控制網建立與應用一、GPS控制網分類 1.GPS控制網：應用GPS衛星定位技術建立的控制網2.根據用途劃分：框架基準網、大地控制網、工程控制網、測圖控制網、連續運行的參考站網二、GPS控制網技術設計1. GPS網設計的目的：1）質量的要求：保證成果質量、便與質量控制2）應用的要求：利于成果的應用3）觀測的要求：保證觀測質量、保證觀測效率、便于觀測施工2.GPS控制網設計一般原則： 1）充分考慮建立GPS控制網的應用范圍2）采用分級布網的建設方案3）確定GPS測量精度標準4）GPS網的基準設計：位置基準、方位基準、尺度基準5）GPS高程基準6）確定選點原則位置基準：與測區的坐標系統一致，通常由給定的起算點坐標確定方位基準：通過給定的起算方位角確定，或直接選用GPS基線向量的方位角尺度基準：由地面電磁波測距邊確定，或由給定的起算點坐標確定，或直接選用GPS基線向量的距離3.GPS網設計內容：1）基準設計：起算條件、數量級分布2）網形設計：同步觀測圖形的設置3）觀測設計：儀器要求、觀測要求（觀測時間及時段長度、觀測參數設