（大地测量学与测量工程专业论文）gps基线精度分析及控制网的方差分量估计研究.pdf

摘要摘要g p s 定位技术在测量中的应用日益深入广泛，随着该技术的不断发展，对g p s 测量精度的要求越来越高。对于g p s 控制网而言，提高基线解算精度是提高g p s 网点精度的基础，在此基础上，进一步提高g p s 控制网平差处理结果的精度也同样重要。基线解算是静态g p s 测量中的关键步骤，对各种情况下基线解算的结果进行精度分析有利于根据观测条件改善g p s 测量精度。本文从以下几个角度研究了影响g p s 基线解算精度的因素：l 、采用单频和消电离层模式对不同长度的基线分别解算，对处理结果进行分析。2 、根据目前单点定位精度给起始点加上适当的坐标偏差，研究起始点坐标偏差对基线处理结果的影响。3 、选用不同的观测值及其线性组合，对基线解算结果进行研究。4 、对2 4 小时观测的数据分时段处理，分析观测时间段对基线处理结果的影响。为了提高g p s 工作时效，在测设控制网时，有时采用不同类型的g p s 接收机同时观测、使用不同基线解算软件处理的基线向量、观测时段不同、观测区域不同、把大型控制网分成若干子网进行平差或将不同等级的g p s 网整体平差等，这些原因都可能造成参与平差时基线向量间权比失调，导致平差结果不准确。为了合理地确定不同观测值的权比，就需要进行验后方差估计，即方差分量估计。本文研究了将h e t m e r t 方差分量估计方法应用于g p s 网平差，通过调整单位权中误差，重新定权，使不同类型观测值之间的权比达到合理配置，提高平差精度。本文完成了h e l m e r t 方差分量估计软件的研制，并把该估计方法成功应用于苏通大桥g p s 控制网平差处理中，经过验后估计的网点坐标精度得到提高，说明了赫尔默特方差分量估计在g p s 网平差中的实用价值。关键词：g p s 控制网，基线解算，精度分析，电离层，线性组合，g p s 网平差，h e l m e r t 方差分量估计，精度因子a b s t r a c tg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e mi sw i d e l yu s e di ng e o d e s ya n ds u r v e ye n g i n e e r i n g 。w i t ht h ed e v e l o p m e n to fg p s ，p r e c i s i o nb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tf o rs m w e y i n g f o rg p sc o n t r o ln e t w o r k ，b a s e l i n es o l u t i o np r e c i s i o ni st h eb a s i cf a c t o ro ft h ec o n t r o lp o i m sp r e c i s i o n b a s i n go nt h ep r e c i s i o no fb a s e l i n es o l u t i o n ，t h ea d j u s t m e n to fg p sn e t w o r kp r e c i s i o ni sa l s oi m p o r t a n t b a s e l i n es o l u t i o ni st h ek e ys t e po fs t a t i cg p ss u r v e y i n g t h ep r e c i s i o na n a l y s i so fb a s e l i n es o l u t i o nr e s u l tu n d e re v e r yc o n d i t i o ni sb e n e f i tt oi m p r o v i n gg p ss u r v e yp r e c i s i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，g p sb a s e l i n es o l u t i o np r e c i s i o ni sa n a l y z e ds i n c et h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：1 ，d i f f e r e n tl e n g t hb a s e l i n e sa r ep r o c e s s e da n da n a l y z e db ys i n g l e仔e q u e n c ym o d e la n di o n o s p h e r ef r e em o d e l 2 ，b a s i n go nc u r r e n ts i n g l ep o i n tp o s i t i o n i n gp r e c i s i o n ，c e r t a i nc o o r d i n a t ee r r o ri sa d d e di n t of i x e dp o i n t st os t u d yt h er e s u l t 3 ，b a s e l i n ei sp r o c e s s e da n da n a l y z e dw i t hd i f f e r e n to b s e r v a t i o nv e c t o r sa n dt h e i rl m e a lc o m b i n a t i o nm o d e l s 4 ，2 4h o u r s o b s e r v a t i o nw a sd i v i d eu pt op r o c e s sb a s e l i n e i no r d e rt os a v ew o r k i n gt i m ea n di n c r e a s ew o r k i n ge f f i c i e n c y , s o m e t i m e sd i f f e r e n tt y p eo fg p se q u i p m e n t sa r eu s e d , b a s e l i n ev e c t o r sa r ep r o c e s s e db yd i f f e r e n ts o f t w a r e ，o b s e r v a t i o ni st a l c e ni nd i f f e r e n tt i m e ，o b s e r v a t i o ni st a k e nu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n ，s e v e r a ls m a l l e rn e t w o r k so fd i f f e r e n tg r a d ea r eu n i t e dt oa d j u s ta n ds oo n a st h er e s u l t ，t h e r ew i l lb ed i f f e r e n tt y p eo fo b s e r v a t i o nd a t ai na d j u s t m e n ta n dt h eb a s e l i n ev e c t o r s w e i g h tw i l lb eu n r e a s o n a b l ea n dt h er e s u l ti sn o tc o r r e c t v a r i a n c ec o m p o n e n te s t i m a t i o ni sag o o dm e t h o dt or e s o l v et h ep r o b l e m s ot h ed i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e dh o wt oa p p l yh e l m e r tv a r i a n c ec o m p o n e n te s t i m a t i o ni n t og p sn e t w o r ka a j u s t m e n t ，a c c o r d i n gt oa d j i u s f i n gt h eb a s e l i n ev e c t o r s w e i g h tt oi n c r e a s et h ep r e c i s i o n t h ed i s s e r t a t i o nt u r n so u tt h es o f t w a r eo fh e l m e r tv a r i a n c ec o m p o n e n te s t i m a t i o na n da p p l i e di ti n t os u t o n gb r i d g eg p sc o n t r o ln e t w o r ka d j u s t m e n t t h ec o n t r o lp o i n t s c o o r d i n a t ep r e c i s i o na r ei n c r e a s e d ，i ts h o w st h a th e l m e r tv a r i a n c ec o m p o n e n te s t i m a t i o ni sv a l u a b l et og p sc o n t r o ln e t w o r ka d j u s t m e n ti np r a c t i c e k e yw o r d s ：g p sc o n t r o ln e t w o r k ，b a s e l i n es o l u t i o n ，p r e c i s i o na n a l y s i s ，i o n o s p h e r e ，l i n e a lc o m b i n a t i o n ，a d j u s t m e n to fg p sn e t w o r k ，h e l m e r tv a r i a n c ec o m p o n e n te s t i m a t i o n ，p r e c i s i o nf a c t o r第一章绪论第一章绪论1 1g p s 定位技术的应用与发展全球定位系统( g p s ) 是上个世纪7 0 年代，美国国防部为了满足军事部门对海、陆、空高精度导航和定位的要求而开始进行设计和研制的导航定位系统。g p s 最初的总体设计方案是1 9 7 3 年由美国国防部批准的，1 9 7 8 年发射了第一颗卫星，经过2 0 年的研制和实验，至1 9 9 4 年，2 4 颗等间隔分布在6 个轨道面上大约2 万公里高度的卫星已全部升空并正常工作，这标志着g p s 定位系统的全面建成。该系统的设计是保证在全球任何地方、任何时候均可同时观测到四颗及四颗以上的g p s 卫星，以此实现全球范围内的导航和定位。经过三十多年的迅速发展，全球定位系统已经引起各国军事部门与民用部门的普遍关注，目前，它在航空、航天、军事、交通、运输、资源勘探、通信、气象等几乎所有的领域中，都被作为一项非常重要的技术手段和方法，用来进行导航、定位、定时、地球物理参数测定和大气物理参数测定等。一、g p s 定位技术的应用g p s 原本是美国国防部负责研制开发专门用于军事目的的，可以在任何时间、全球任何地方提供三维位置、三维速度和时间的信息服务，经过三十多年的发展，已经逐渐演变为一种世界性的高新技术产业，受到人们的普遍注意。利用g p s 的载波相位测量进行高精度相对定位，现在已经广泛应用于研究地壳板块运动、形变监测、火山爆发过程、冰盖演化和冰川延伸，以及地球旋转等各种各样的变化e l o o6 p s 高精度定位还用于实时监测大型工程建筑在实际负荷条件下的形变，如大型桥梁、高索塔和水利堤坝在实际交通、风荷和水流作用下的情况。g p s 可以用于实时估算飞机的位置和姿态，用于航空测绘和航测等。g p s 测量还可以应用于获取电离层电子密度和对流层水汽含量的实时特性等。测绘行业作为较早应用g p s 定位技术的领域，已经将g p s 发展成为测绘工作中一种不可或缺的重要工具，大大改进了测绘成果的精度、速度和经济效益。g p s 定位技术的高度自动化及其所达到的高精度和具有的潜力，对经典测量学的各个方面产生了极其深刻的影响。它在大地测量学及其相关学科领域，如地球动力学、海洋大地测量学、天文学、地球物理勘探、资源勘察、航空与卫星遥感、工程变形监测、运动目标的测速以及精密时间传递等方面的广泛应用，充分显示了这一卫星定位技术的高精度与高效益。近年来6 p s 定位技术在我国测绘行业也得到迅速发展，在我国大地测量、精密工程测量、地壳运动监测、资源勘察和城市控制网的改善等方面的应用及其所取得的成功经验，进一步展示了6 p s 精密定位技术的显著优越性和巨大潜力。在大地测量方面，g p s 定位技术以其精度高、速度快、费用省、操作简便等优良特一一! ! 塑查兰堡主旦壅皇堡苎性已经成为大地测量一个强有力的工具。在工程测量方面，应用g p s 静态相对定位技术建立工程控制网，具有点位选择限制少、作业时间短、成果精度高、工程费用低等优点，可应用于建立工程首级控制网，变形监测控制网，工矿施工控制网，工程勘探旌工控制网，隧道等地下工程控制网等。在地籍及房地产测量方面，应用r t k 技术测定每一宗土地的权属界址点以及测绘地籍与房地产图，能实时测定有关界址点及一些地物点的位置并能达到要求的厘米级精度。在海洋测绘方面，采用g p s 接收机与船上的导航设备组合起来进行定位，可以获得较好的海上定位精度。另外，在航空摄影测量方面，g p s 技术可以应用到航测外业控制测量、航摄飞行导航、机载g p s 航测等航空测图的各个阶段。二、g p s 定位技术的发展前景为了促进g p s 技术的发展、扩大其应用领域以带来更大的经济社会效益，美国政府从1 9 9 7 年开始探讨关于g p s 的现代化问题。1 9 9 8 年3 月美国副总统戈尔正式发表了g p s现代化计划公告，该计划对民用的调整是增加民用信号和频率。一旦加上第二个和第三个民用信号，就增加了g p s 信号的宽裕度，从而改进定位精度、信号的可用性积完善性、服务的连续性，以及抗无线干扰的能力。另外，在原有的l 2 和新增l 5 频率的信号上加上民用c a 码，将有助于高精度的实时动态( r t k ) 差分测量以及在长短基线上的应用研究。1 9 9 9 年1 月，美国总统戈尔宣布了一系列g p s 现代化计划的措施，这些措施的主要内容包括们：第一、启用第二民用频率和第二民用码。在将发射的b l o c ki i f 卫星的l 2 频率上加载c a 码伪距信号，这样，民用g p s 接收机在实施伪距差分时，将大大消弱电离层对定位的影响，其伪距的等效距离精度也将褥到很大程度的提高。该措施不仅对定位精度有较大的改善，而且对以后的r t k 定位、g p s 快速静态定位精度的提高和初始化时间的缩短都将有重要作用。第二、增加第三个民用频率l 5 ，其频率为1 1 7 6 4 5 m h z 。民用用户接收到三个频率，就可以解决基线解算的相位模糊度问题，目前外业观测的g p s信号质量如果较差，则在g p s 数据处理时还要做许多人工干预的数据预处理工作。因此今后在三个6 p s 民用频率条件下，g p s 定位将减少粗差、提高定位精度，从而缩短g p s定位所需要的观测时间和数据处理时间，提高作业效率。第三、改善0 p s 卫星的空间分布几何构形。将应用于6 p s 观测的卫星数由2 4 颗增加到3 0 颗，平均每一轨道平面上的g p s 卫星数比原来增加一颗，这样有利于在一定观测时间段内提高6 p s 定位的精度和可靠性。第四、改进地面控制网络，更新地基导航系统，增加系统的牢固性和精度。美国从2 0 0 0 年开始新建和改造原有的地基导航站，这些地基导航站如同g p s 卫星一样发射信号，由这些站发布伪距信息和相位信息，其主要内容和特征类同于0 p s ，功能是进行伪距差分和相位差分定位。2第一章绪论1 2 本文研究的背景、现状与意义g p s 自全面投入运行以来，在全球都得到了普及与应用，在民用领域发挥了极大的作用。由于卫星导航定位系统存在的巨大潜力，在众多领域中都被作为一项非常重要的技术手段和方法。测量是较早采用g p s 技术的领域，它最初主要是用于建立各种类型和等级的测量控制网，目前g p s 用于高精度测量越来越广泛，例如建立高精度的工程控制网，进行高精度的安全监测等，因此，对g p s 基线处理与g p s 网平差精度的研究越来越受到人们的重视。一、本文研究的背景与现状全球定位系统的定位技术日益广泛应用于测绘、天文、导航和通讯等各个领域，是现代高科技的结晶。该技术的应用，使测绘科学发生了根本性的变革，g p s 卫星定位的基本理论及其进一步的开发和应用，已逐渐成为测绘科学研究最为重要的内容和任务之一。1 。g p s 与传统的控制测量，尤其是与平面控制测量相比，有其革命性的进展。传统布设精密测量控制网的方法是利用高精度的测距仪和经纬仪，采用常规的测量方法进行工作，由于地形复杂、测量范围广以及其它的一些原因，给常规测量方法带来了一定的困难。随着高精度g p s 定位技术的发展，利用g p s 建立高精度的控制网技术将逐渐取代常规控制网测量技术，这是因为g p s 技术具有以下优点四1 ：1 、g p s 定位精度高，尤其是在平面位置上可以达到毫米级精度。2 、g p s 测量速度快，费用低，劳动强度小。3 、g p s 测量不需要控制点之间通视，能有效克服气象条件对观测的影响，有利于控制网形的优化设计。为了发展g p s 在测量中的应用时效，有必要分析与研究各种条饽下基线解算的精度及其影响蹋 、提高g p s 网平差结果精度的方法等。对g p s 基线处理精度的研究早在g p s 试验阶段就受到众多专家和学者的重视。1 9 8 4年雷蒙迪在他的博士论文中就系统地分析了在单基线情况下，利用同步载波相位观测值进行精密相对定位的理论，并得到1 驴的相对定位精度，这标志着静态g p s 精密定位的开始 3 4 1 。1 9 9 3 年雷蒙迪提出码相位和载波相位扩散技术，并将其用于实践，并利用双差法和三差法进行后处理，同时采用精密星历进行处理，测距精度得到进一步提高。提高g p s 定位精度应分析影响定位精度的误差，1 9 9 6 年美国俄亥俄大学的研究表明，多路径效应、卫星钟差、星历误差、接收机钟差、电离层和对流层折射对卫星载波信号的影响足以危及定位的精度和可靠性1 3 7 3 近年来对g p s 基线解算的精度进行研究引起国内不少专家学者的深入研究，就g p s 测量而言，通过分析外业和内业测量误差来源，进而探讨优化基线的一些常用方法，研究了一些改进基线精度的理论算法，应用于g p s基线处理软件以提高基线处理精度“13 m 1 。但到目前为止所开发出来的g p s 基线处理软件还没有达到解算出最优基线的程度，特殊精度要求的基线还需要进行人工干预，以提高g p s 基线解算的精度。随着g p s 基线精化处理技术的发展，相信将来c a p s 基线解算软件的功能将得到增强，基线解算的精度得到提高。河海大学硕士研究生论文对于g p s 控制网，提高g p s 基线解算的精度是提高g p s 控制网点精度的基础，在此基础上g p s 控制网的平差处理也同样重要。随着平差对象从单一同类观测量扩展到不同类的多种观测量，如何精确估计这些不同类观测量的方差，达到精确定权越来越受到人们的重视”1 。近年来，国内利用g p s 技术建立高精度控制网发展十分迅速，布设精密工程控制网，用于桥梁工程、隧道与管道工程、地铁贯通工程以及精密设备安装工程等；布设变形监测控制网，用于地面沉降监测、大坝变形监测、离层建筑变形监测等。g p s 控制网技术的发展，带动了对g p s 网数据处理的研究，武汉大学的刘经南、施闯等对控制网相关观测抗差估计及应用误差检验方法检验基线向量的系统误差问题进行了研究2 射。众所周知，g p s 网平差中，作为观测量的基线向量并非直接观测量，而是通过基线解算软件进行预处理的结果。h e l m e r t 方差分量估计最初在测量中只应用于测角、测边网以及水准网的平差处理。随着利用g p s 建立控制网的迅速发展，特别对于较大型g p s 网，为了提高外业观测的时效，使用不同类型的g p s 接收机进行同步观测，或者在不同观测时段进行观测不同的基线，或者将一个大型控制网分成若干子网分别观测，或者在控制网中使用了不同软件解算的基线向量，这些问题都会造成平差计算时不同类观测量方差阵之间的差异，为了消除这些差异，有必要对g p s 控制网利用h e l m e r t方法进行方差分量估计研究。赵庆海等应用方差分量估计顾及各同步观测时段的精度估计问题进行了研究。解放军信息工程大学的刘长建等对由不同软件处理得到的基线向量一并平差时，观测值向量间的权比失调问题进行了研究，并给出h e l m e r t 方差分量估计对g p s 网的抗差解析式r 4 3 。对于由不同类型观测量参与g p s 网平差处理问题采用h e l m e r t 方法进行精度估计，国内外一些专家学者将其理论与实际工作结合起来，取得了e e 较显著的效果。例如用于g p s 工程控制网提高点位精度，用于国家大地g p s 控制网改善各子网在整体网平差中的权比等等。二、本文研究的目的与意义目前用于测量的g p s 接收机普遍采用载波相位测量，但在信号传播过程中由于受到多种因素的影响，给g p s 观测值带来多种误差，使得g p s 的定位精度降低，这对高精度的测量很不利。因此如何进一步提高g p s 的定位精度，使其能够更加广泛地应用于高精度要求的工程中，是广大测绘工作者为之不懈努力的研究目标。本论文正是在这种情况下，研究和分析g p s 基线解算的精度，通过对g p s 基线解算结果的分析寻求最佳解算模式与方法。g p s 测量数据处理，一般可以借助于相应的数据处理软件自动完成，目前，由于g p s 数据处理技术仍处于研究、发展阶段，其中尚有若干问题未能解决，因而，软件所采用的数据处理模型、方法及算法恰当与否，直接关系到成果质量。利用g p s 数据处理软件进行基线向量解算，有时会遇到某个观测时段或某条基线自动解算结果的质量不理想的情况，在这种情况下，采用人工干预做一些特殊处理，将有利于提高g p s 基线解算结果的精度和质量。利用g p s 相对定位技术建立测量控制点，其点位精度一般与控制网的布设、已知点4第一章绪论的选取、观测方法、基线处理和网平差有关。随着g p s 卫星定位技术在测量中应用的日益广泛，人们提高了对成果时效性的要求，在实际工作中有时会采用多种g p s 接收机对同一个控制网进行观测或同一控制网中采用不同软件解算的基线向量，这样解算出来相同的基线向量以及相应的方差阵之问往往存在差异。另外，在高精度大型g p s 控制网中，如国家大地控制网，在平差处理过程中，通常根据一定的条件把整网划分为多个子网，各子网分别观测单独平差，然后再联合起来进行整体平差。由于施测方法、观测时间不同，各子网的单位权中误差之间存在差异，在整体平差时就存在权比失调的问题。为了解决这样的问题，正确确定基线向量和方差阵，本论文研究通过h e l m e r t 方差分量估计减弱这些差异对平差造成的影响。应用h e l m e r t 方差分量估计来改善g p s 网平差精度的情况可以概括为：1 、网中用于观测的接收机类型不同；2 、网中基线向量选择了不同观测时段的解算结果：3 、对同一控制网中使用不同软件解算的基线向量；4 、g p s观测的区域不同：5 、不同精度的子网组成控制网进行整体平差等。利用h e l m e r t 方差分量估计通过重新分配不同方差阵的权比，减弱这些差异对平差造成的影响，从而提高g p s 定位的精度。通过g p s 网平差的方差分量估计研究，对于提高g p s 测量的工作效率、缩短外业观测时间、提高g p s 定位精度具有一定的应用价值和实际意义。1 3 本文研究的主要内容g p s 定位技术的应用和发展，导致了测绘领域一场革命性的改进，利用g p s 定位技术进行测量已经部分取代了传统的测量方法。现代科技的进步使人们更注重工作的时效性，测绘工作也不例外，本文从改善g p s 测量工作的时效性出发，针对g p s 静态测量中的基线精度问题和g p s 网平差的h e l m e r t 方差分量估计进行了研究。主要研究内容包括以下几个方面：1 、对g p s 定位的基本原理进行了讨论。静态相对定位是目前精度最高的g p s 测量方法，差分观测是消除多种误差影响、提高g p s 测量精度的有效方法，本文对差分观测理论及其数学模型进行了探讨。基线解算是g p s 定位处理中的重要组成部分，本文研究了基线向量计算的过程，基线解算软件的处理过程，基线解算质量控制指标以及影响基线解算的误差因素。2 、分析研究了影响g p s 基线解算精度的因素。( 3 p s 基线解算过程一般利用数据处理软件自动完成，但自动处理结果不一定满足精度要求，通过对g p s 基线解算原理的分析，得出在什么情况下采用何种人工干预能够提高基线解算的精度。本论文从电离层折射、起始点坐标偏差、载波观测值线性组合、观测时间的长短几个方面对影响g p s基线解算结果的精度进行分析，并得出具有一定实用价值的结论。3 、对g p s 三维自由网平差理论进行探讨。目前g p s 控制网所采用的平差方法，根据固定基准点的个数可以分为经典平差、经典自由网平差和秩亏自由网平差。经典平差有两个或两个以上基准点，经典自由网平差具有一个基准点，它们的数据处理相对简单。河海大学硕士研究生论文秩亏自由网平差没有选取固定的基准点，包括有伪逆平差和拟稳平差，伪逆平差对网中所有的点进行约束，而拟稳平差考虑了网点的相对稳定性。本论文对g p s 控制网平差方法进行讨论，并探讨各种方法的基准及选取。4 、研究h e l m e r t 方差分量估计在g p s 网平差中的应用，使用m a t l a b 语言进行编程，研制了h e l m e r t 方差分量估计软件。选取苏通大桥首级g p s 控制网中1 0 个控制点、2 3条独立基线，将观测值向量分成两类，建立模型，采用所研制的软件对h e l m e r t 方差分量估计在g p s 控制网平差中的应用效果进行了分析研究。第= 章g p s 定位原理与基线处理第二章g p s 定位原理与基线处理利用g p s 进行定位，按照参考点的不同位置可以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，确定观测站相对地球质心的位置；而相对定位是指在地球协议坐标系中，确定观测站与某一地面参考点之间的相对位置。g p s 定位按照用户接收机在作业中所处的状态，还可以分为静态定位和动态定位。静态定位指的是将接收机静置于测站上数分钟或更长时间进行观测；动态定位则要求至少有一台接收机处于运动状态，测定各观测历元相应的运动中的点位。在实际精密工程测量应用中，普遍采用的是静态相对定位，能够达到相当高的测量精度，由于进行静态定位时待定点的位置可视为固定不动，因而就有可能通过大量的重复观测来提高定位精度。静态定位在大地测量、精密工程测量、地球动力学及地震监测等领域内得到了广泛的应用，是精密定位中的基本模式。随着快速解算整周模糊度技术的出现，静态定位的作业时间可大为减少，因而在普通测量和一般工程测量等领域内也得到广泛应用。所以本论文以静态相对定位为研究内容。利用接收到的测距码和载波相位均可进行静态定位，但由于载波波长远小于测距码波长，因此利用载波进行定位比利用测距码定位能够获得更高的精度。载波相位测量最主要的应用是进行相对定位，将两台或多台g p s 接收机分别安置在不同点上，同时观测卫星载波信号，利用载波相位的差分观测，可以消除或减弱多种误差的影响，从而获得两点间高精度的g p s 基线向量。2 1g p s 定位的基本原理2 1 1 g p s 观测量g p s 定位都是通过接收g p s 卫星信号而获得某种观测量来实现的。g p s 卫星所传输的卫星信号里包含多种定位信息，根据不同的要求，可以获得不同的观测量。3 。在实际工作中，g p s 观测量按不同的接收机而略有不同。但目前所广泛采用的基本观测量主要有两种，即码相位观测量和载波相位观测量。一、码相位伪距观测量码相位伪距观测量获取的基本方法是：调制接收机与卫星在各自的时钟下产生相同结构的测距码( 接收机上所调制的测距码称为复制码) ，测距码从卫星经过纽时间后传播到达接收机，在接收机内通过延时器使其延迟时间f 。将复制码与测距码进行相关处理，若自相关系数r ( f ) 1 ，则继续调整延迟时间f ，直至自相关系数r ( t ) = 1 为止。此时复常4 码与接收到的来自卫星的测距码对齐，复制码的延迟时间r 就等于卫星塑堡奎兰堡主里窒竺堡苎信号的传播时间a t 。将址乘以光速c 即为卫星到接收机的距离pp 2 a t o( 2 一i 一1 )由于卫星钟、接收机钟钟差及无线电信号受到电离层和对流层的折射，测出的距离p 与卫星到接收机实际距离之间有误差，一般称此距离p 为伪距。二、载波相位观测量在码相关型接收机中，当g p s 接收机锁定卫星信号的载波相位，就可以得到从卫星传播到接收机经过延时的载波信号，将载波信号与接收机内产生的基准信号比相就可以得到载波相位观测值。载波相位观测也即是测量接收机接收到的具有多普勒频移的载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差。如果接收机内振荡器频率初相位与卫星发射载波初相位完全相同，卫星在f 。时刻发射信号，经过出后于r ，时刻被接收机接收，出对应的相位差为彤，设卫星载波信号于历元f 。时刻的相位为谚( f ，) ，则有：= 旃( ，) 一声( ，)( 2 1 - 2 )在鉴相器内以脉冲上沿进行测相就可以得到载波相位不足一个整周的相位值( f 。) ，卫星到接收机间的相位差为o 个整周相位和不到一个整周相位之和，即：妒j = 2 万n o + ( t ) ( 2 - 1 3 )则卫星到接收机距离为：p = , r e = 五【2 石n o + a c ( t ，) 】( 2 1 4 )式中 为波长。但载波相位观测中，无法直接测定卫星载波信号在传播路线上相位变化的整周数n o ，因此，在载波相位测量中出现了一个整周未知数n o ( 也叫整周模糊度) ，需要通过其他途径求出。另外g p s 接收机在跟踪卫星的过程中，常常由于多种原因，如卫星信号被障碍物阻挡而暂时中断，受无线电信号干扰造成信号暂时失锁等，这样，计数器就无法连续计数。当信号重新被跟踪后，整周计数就不正确，但是不到一个整周的相位观测值a 0 ( t 。) 仍然是正确的，这种现象称为周跳，闵跳的探测和修复是载波相位测量中的重要问题。虽然这些有关载波相位整周不确定性的问题，可以通过数据处理适当地解决，但这样一来往往使数据处理变得较为复杂。第二章g p s 定位原理与基线处理2 1 2g p s 定位的基本原理g p s 定位是利用g p s 观测量和导航电文提供的卫星位置x 5 = p ，y s , z ) 等已知信息，确定接收机在一定精度意义下的位置。= x 。，y 。，) 。一、测码单点定位原理单点定位也叫绝对定位，通常是指在协议地球坐标系中，直接测定观测站相对于坐标系原点绝对坐标的定位方法。利用g p s 进行单点定位的原理，是以g p s 卫星和用户接收机天线之间的距离观测量为基础，并根据已知的卫星瞬时坐标，来确定观测站的位置。目前，单点定位所依据的观测量都是所测卫星至观测站的伪距，根据观钡0量性质的不同，伪距有测码伪距和测相伪距之分。本节以测码伪距为例介绍单点定位原理。测距码伪距就是由卫星发射的测距码到观测站的传播时间( 时间延迟) 乘于光速所得出的距离。建立伪距观测值方程，必须顾及卫星钟差，接收机钟差以及大气层折射延迟等。为了表达方便，本节公式中均以k 表示测站编号，- ，表示卫星编号，f 表示观测历元编号。伪距观测值p ( 足，j ，d 可表示为：p ( i ，i ) = p ( k ，i ) + c t 饿一c 厨；+ 西d c 。( 七，) + 8 p l ( k ，)( 2 一l 一5 )式中：饿为接收机钟差，毋：为卫星钟差，8 p j , o ，( k ) 表示对流层折射影响，采用对流层改正模型进行计算改正，8 n l ( k ，) 表示电离层折射影响，也可以采用改正模型进行改正。设p ( k ，j ，i ) 为正确的卫地距，其计算公式为：p ( | | ，j ，f ) = ( x j x k ) 2 + ( y 一y i ) 2 + ( z ，一以) 2 ( 2 - 1 - 6 )卫星坐标( x ，y ，z ，) 是已知的。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( k ，儿，) ，另一个未知数是接收机钟差研。因此在同一观测历元，只须同时观测4 颗卫星，即可获得4 个观测方程式，求解出这4 个未知数。若同时观测的卫星多于4 个，则存在多余观测，此时，须将式( 2 1 5 ) 线性化，再按最小二乘法进行平差计算。若一开始所给出的测站在w g s 8 4 坐标系中的近似值( x ：，y ：，z ? ) 偏差过大，则因线性化后的观测方程式仅取了一次项，为避免略- 2 ：1 拘高次项对解算结果的影响，可利用解算出的测站坐标重新作为近似值，迭代求解。二、载波相对定位原理相对定位是将至少两台g p s 接收机分别安置在各条基线的两端，同步观测相同的河海大学硕士研究生论文卫星，以确定基线端点在协议地球坐标系中的相对位置或基线向量。根据用户接收机在定位过程中所处状态的不同，相对定位有静态和动态之分。g p s 静态相对定位是目前g p s 定位中精度最高的一种方法，而静态相对定位，一般均采用载波相位观测值为基本观测量。码相位测量以测距码作为量测信号，量测精度大约是一个码元长度的百分之一。载波的波长要短的多，因而如果把载波作为量测信号，对载波进行相位测量，就可以达到很高的精度。本节主要讨论以载波相位为观测量的静态相对定位原理。瞬间载波相位差，指的是在某一指定时刻( 历元) 由接收机产生的参考载波信号的相位与此时接收到的卫星载波信号的相位之差。则载波相位差的观测方程为1 ：，1p ( ； ，j ，j ) 2 疙( ) 一力( ) + 夤硎g ) 一f 彤+ 八l 一群( ) ) 鹾，。，、+ f - f k ( t j ) + f a f 二( k ，) + n ( k ，1 )式中：氟( ) 、丸( f 1 ) 是分别在接收机钟及卫星钟所定义的时间尺度中所度量的初始历元( 钟面时为) 相位值；- 厂为载波频率：以( ) 、( ) 分别表示卫地距、卫地距变率；磁、彤分别为接收机钟差和卫星钟差；n ( k , j ，1 ) 表示初始历元的整周待定值：厂f 二婶，j ) 为对流层折射改正项：f a r l ( k ，) 为电离层折射改正项。载波相位测量，由任测站七在任一观测历元f 对任一卫星均可由接收机取得观测值妒( 七，f ) ，式( 2 1 7 ) 为其数学模型。公式的右端包括大量未知数；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，其中接收机的绝对钟差( 相对于g p s 标准时) 很难用两三个钟差来模拟，式( 2 1 7 ) 右端的前两项也难予以参数化，再刚卫星轨道、大气折射残余误差等等也都会影响定位。在平差计算中，包括了大量并非我们实际需求的未知参数。这些参数用来模拟相位观测值中的一些系统性误差影响，因其数学模型难以完善，必然存在可观的模型误差。另外，实践证明，在平差过程中引入过多的参数往往会降低解的精度和可靠度。因此，( 非差分) 载波相位测量还难于用于单点绝对定位。实际上，我们通过对载波相位测量值进行各种线性组合( 即差分) ，便可获得高精度的g p s 相对定位结果。2 。2 差分g p s 观测技术由于g p s 测量受到诸如卫星轨道误差、卫星钟差、接收机钟差、大气折射误差等系统性误差因素的影响，致使g p s 定位精度大大降低。为了减弱和修正这些误差对观测量的影响，可以通过建立系统误差模型对观测量加以修正，但在目前的研究条件下由于改正模型的不完善性，其改正后残差的影响仍然是不可忽略的。另外还可以通过第二章g p s 定位原理与基线处理引入相应的未知参数，在平差处理中连同其它未知参数一并解算，但过多的未知参数会影响解算的可靠性。鉴于以上这些原因，在实际6 p s n 量工作中，通常采用种简单有效的处理方法就是利用这些误差对观测值影响的相关性，将瞬时相位差观测值进行线性组合，通过相位差分减小观测值中有关误差的影响。差分可以分为单差、双差和三差。其中单差可以在卫星间、在接收机间或在不同历元间求一次差：常见的双差方法也有三种，即在接收机和卫星间、在接收机和历元闻以及在卫星和历元间求二次差：三差的方法只有一种，即在接收机、卫星和历元间求三次差。考虑至i j g p s 定位的误差源，实际上经常采用的差分方法只有三种，即在接收机间的单差、在接收机和卫星间的双差以及在接收机、卫星和历元间的三差。一、单差假设安置在基线两端点的接收机r ( i = 1 ，2 ) ，对g p s 卫星s ，和s ，于历元f ，和，进行了同步观测。则不同观测站，同步观测相同卫星所得观测量之单差的观测方程为：fp ( ) = 詈 户；( ) 一p ? ( ) 】+ ，【所：( ) 一所( ) 一。( 2 2 一1 )+ - 一 ( 之俨( f ) 一j 俨( r ”+ ( 之，( f ) 一：，( r ) ) 】o式中，厂一频率。c 一光速。毋，0 ) 一接收机钟差。p ? ( t ) - - q 猩z s 。至观测站l 的几何距离。创，。( ，) 一电离层折射对卫星载波信号传播路程的影响a纠，( f ) 一对流层折射对卫星载波信号传播路程的影响。v 。，= 三一；。，肌；。，甩；c 。( 茎 + a 一正c 。+ ，。c 。c ：一2 - z ，式中f ，( f ) ：妒- ) 一 咕 o ( f ) 一( f ) 】在两观测站，同步观测卫星数为p 的情况下，可以得到相应的误差方程组：a v l ( r )v 2 ( f )v 9 ( f )1z小r ) m i ( r )z g ( t ) m ；( f )譬( f ) 卅f ( f )12心f 1 11 p +出1 ( )岔2 ( f )：-，9 ( r )若进一步假设同步观测同一组卫星的历元数为g ，贝相应的误差方程可写为：( 2 2 3 )1j踮弘函、kjojjii严。硅蟛河海大学硕士研究生论文式中v = a 6 x 2 + b a n + c a t4 - l刖v = ) v p z ) v 心) r名，= 。o ：) l r篆，= 啪b ( t o 7c =p q x qc ( r 1 ) 000c ( t 2 ) 00鲁= f ( )刖l 。)0a t ( t 2 )l ( t 2 )( 2 。2 4 )n a n u 习( 2 - 2 - 5 )y = 一n “u r = 陋r 2a n f r= 0bc ) 7 e ( abc )u = 0bc ) 7 p lv a 妒( r ) ：a ( o k ( f ) 一a q , s ( t ) ：上【p ! ( f ) 一p g ( 0 一p o ) + p ，o ) 卜v a n ( 2 2 - 6 )v 。，= 去 v ，：c r ，v m ；c 。v k ：c r ，( 誊 + v - 。+ v ，。，c z 一：一，v ，t o ) ：v p t o ) 一 b 品o ) 一硝o ) 一p 矗( f ) + 硝q ) 由此，当两观测站同步观测的卫星数为p 时，可得误差方程组如下：斗蛆嘶第二章g p s 定位原埋与基线处理式中v ( f ) = a ( t ) a x 2 + b ( t ) v a n + v a t ( t )( 2 - 2 8 )v ( ，) = v ( f )v 2 ( f )( p 1 ) x l口( ，) ：f p n 36 ( f )( p i ) x ( ，一v 墩f )v 芝o )v m ：( f )v m ；( f )oo1v 以：( f )v ”；( 玲v a n ： v a n lv a n 2 v 叫7( p 1 ) x 14v a t ( t ) ：【v 出1 ( f ) v ，2 ( f ) v a t 一( r ) 】r研：= 皿：嘎a z 2 7如果在基线的两端，对同一组卫星观测的历元数为q ，那么相应的误差方程组为：吲爿曰j 蠹卜其中。，盎x 3 = ) 口( r ：) 口心) rb 、= 6 ( ) b ( t 2 ) b ( t g ) rf p 一1 ) q x ( ，一1 )。1。，上= v a i ( t 1 ) v a ( t 2 ) v a ( t g ) rp 1 ) q 。l4。，。= v ( r ：) v ( t q ) r由此，相应的法方程式及其解，可表示为r + u = 0a y = 一n 一1 u其中a y = 皿：v a n 7n = ( 4b ) 7 p ( 4b )u = 0b ) r p l其中p 为双差观测量的权矩阵。( 2 2 9 )( 2 2 1 0 )( 2 2 1 1 )pp：hv0v l1lp ：oomv一一)0o1p：w 一o型塑咝堡兰三、三差即不同历元，同步观测一组卫星，所得观测量的双差之差。三差消除了整周未知数，但是它使观测方程的数目明显减少。其观测方程为：刃岔( f ) = 匀虏( r ：) 一店( ，：) p ( f ：) + p 阳。) 】一l d ( t 。) 一m ( t ，) 一彳p ，) + 彳g 。) 相应的三差误差方程为：，沁，：撕。，帅沁楹k w ，江2 m ，l 尼2 j当同步观测的卫星数为p ，并以菜一卫星为参考卫星时，由此可得v ( t ) = a ( t ) s x 2 + l ( t )( 2 2 1 4 )式中v ( r ) = 1 ( f ) v 2 ( r ) v 川o ) r( p 1 ) x l口( f ) = 喜( ，一】扣d帮墩，)o w q ( t )田肌：( f )6 w m ；( r )o w n ：(