GPS卫星定位技术与应用

1、GPS卫星定位技术与应用第一章 绪论一、基本概念1.卫星导航定位及基本作用1）卫星定位：通过卫星的瞬时位置利用空间距离后方交会的方法确定点位置。 优点：经济、快速、精度均匀，不受天气和时间限制，可以全天候作业 原理：1.通过卫星进行距离交会是GPS系统的基础 2.接收机通过测定信号传播时间来测定卫星与接收机之间的距离 3.为了测定信号的传播时间，GPS需要有高精度的钟 4.要进行定位，用户除了要知道卫星的距离外，还需要知道卫星的位置 5.GPS信号穿过地球的电离层和对流层时，会产生信号延迟2）卫星导航：通常指运载工具的实时动态定位，即三维位置、速度和包括航向偏转、纵向摇摆、横向摇摆三个角度的姿

2、态的确定。3）基本作用：向各类用户和运动平台实时提供准确、连续的位置、速度和时间信息。目前的卫星导航系统：GPS，GLONASS，GALILEO，BDS4W时空信息when、where、what object、what change4A服务目标anyone、anything、anytime、anywhere 4）卫星三角测量：由地面上的测站拍摄卫星的瞬时位置测定地面点的坐标2.卫星定位的基本观测量：距离、距离差 1）距离差定位方式：双曲面定位系统（NNSS、TSICADA）2）距离定位方式：球面定位系统（GPS、GLONASS、 Galileo、 BDS）3）GPS发展趋势：GIS/GPS/R

3、S 组成的3S集成系统GPS/INS 组合导航系统GNSS/全球导航卫星系统二、全球定位系统（GPS）1.功能特点：导航、定位、授时 1.采用距离定位方式，进行测距空间交会定点 2.提供精密的全天候的位置、速度和时间信息 3.能够进行连续的、实时的三维定位2.卫星导航定位应用：1）在测量学中的主要应用：大地测量、地球动力学研究、测量控制网联测、航空遥感测量、地形测量、地籍测量、土地资源调查测量、海洋测量、精密工程测量、工程变形监测等。2）在导航学中的主要应用：车辆、船只和飞机的精密导航、测速以及运动目标的监控与管理等。3）在其它相关学科领域中的主要应用：运动载体姿态测量，弹道导弹的制导，近地卫

4、星的定轨，精密测时以及气象学和大气物理学的研究等。 4）在海陆空的应用：1、卫星导航定位陆地应用：国家、区域、工程等大地测量控制网测设；工程建设的施工放样测量；土建工程的实时监控；大型建筑和油气田的沉降监测；地球板块运动状态和地壳形变测量；陆地、海洋大地测量基准的测定；精细农业监测2、卫星导航定位海洋应用：海底大地测量控制网的布测；海底地形的精细测量；浮标抛设和暗礁爆破等海洋工程的精确定位；水文测量，验潮网的测设；海洋油气平台的就位和复位测定；海底沉船位置的精确探测，海底管道敷设测量；远洋船舶最佳航线测定，在途航行实时调度和监测；内河船只的实时调度和自主导航测量3、卫星导航定位航空、航天应用：

5、航空应用：民航飞机的在途自主导航；飞机精密着陆；摄影和遥感飞机的七维状态参数和三维姿态参数测量；飞机空中加油控制；机群编队飞行的安全保护；航空援救的探寻和定点测量；机载地球物理勘探；飞机探测灾区大小和标定测量航天应用：低轨通讯卫星群的实时轨道测量；卫星入轨和卫星回收的实时点位测量；载人航天器在轨防护探测；星载GPS的遮掩天体大小和大气参数测量；对地观测卫星的七维状态参数和三维姿态参数测量。3.GPS组成：1.空间星座部分GPS卫星网（21+3颗卫星） 2.地面监控部分地面监控系统（主控站：1 注入站：3 监控站：5） 3.用户设备部分.GPS信号接收机4.GNSS常规的、主要的应用技术： DG

6、PS技术静态相对定位技术 RTK技术实时动态差分技术 PPP技术GPS精密单点定位测量技术 FKP/VRS/MAC技术（多基站）网络RTK定位技术 ITS技术智能交通技术 STGPS技术超站式集成测绘系统5.GNSS技术的“四多”特性：多领域、多模式、多用途、多机型三、中国的GPS技术发展1.中国卫星导航技术应用：1）通讯、通信行业用GNSS进行时间同步测控2）电力、有线电视、城市地下管道采用GNSS布设线路3）交通、运输部门用GNSS等相关集成技术营建ITS系统和监控系统4）公安、银行、医疗、消防等用GNSS营建紧急救援或报警系统5）汽车、船舶、飞机等用GNSS导航定位6）GIS数据提供商用

7、GNSS采集地理信息相关数据，并提供位置信息相关服务（LBS）7）广播电视行业用GNSS与罗盘制造卫星电视定向接收天线8）电子商务领域，GNNS甚至应用于CRM客户管理和物流配送体系9）数字城市、智慧城市广泛采用GNSS系统2.我国卫星定位产业四个重点发展方向：1）单一GPS接收机将向多星座兼容接收机发展，高精度定位向综合服务技术迅速发展2）卫星导航在智能交通的应用迅速发展，以车载导航为核心的移动目标监控、管理与服务市场3）以差分定位技术为核心的差分网建设，网络差分技术迅速发展4）以个性化移动信息终端为核心的移动导航产品市场，个人位置服务将成为卫星导航应用新领域第二章 卫星大地测量基础一、卫星

8、大地测量及技术1.卫星大地测量学：研究利用人造地球卫星解决大地测量学问题，利用空间技术手段进行区域或全球大地测量的学科。2.卫星大地测量学的技术1）卫星地面跟踪观测技术2）卫星对地观测技术3）卫星对卫星观测技术3.几种现代卫量测量技术1）VLBI：甚长基线干涉测量 2）GPS：全球定位系统3）SLR：卫星激光测距4）SA：卫星雷达测高二、坐标系统1.天球坐标系：与地球自转无关，用于描述卫星的位置和状态的坐标系。 1）章动、岁差 原因: 日、月、地球与其他星体的相对运动，地球内部质量分布的不均匀。 岁差：地球差异旋转产生的回归年与恒星年的时间差 1.日月岁差：由于日月引力作用而引起的地球自转轴绕

9、黄道的垂直轴旋转的一种长期运动。 50.371/年，周期约为25800年。2.行星岁差：由于行星引力对地球绕日运动轨道的摄动而引起的变化。0.134/年周期约为100万年。3.总岁差：赤道与黄道由于日月岁差和行星岁差引起的缓慢运动。 章动：地球在公转轨道上左右摇摆的周期运动。2）三种天球坐标系：1.瞬时真天球坐标系: 由瞬时真天极、瞬时真赤道面和瞬时真春分点所定义的天球坐标系。2.瞬时平天球坐标系: 由瞬时平天极、瞬时平赤道面和瞬时平春分点所定义的天球坐标系。3.协议天球坐标系: 相应于某一确定时刻为标准历元的一种特定的天球坐标系。2.地球坐标系：随地球自转，用于表示地球观测站的空间位置的坐标

10、系。1）极移: 由于地球体内复杂的运动而引起自转轴相对于表面不断变动的现象。2）两种地球坐标系：1.瞬时地球坐标系：准地固坐标系。固联在地球上，以地球质心为原点， Z轴指向瞬时地北极，X轴指向瞬时真赤道与格林威治平子午线交点方向，构成右手坐标系，以确定Y轴方向。2.协议地球坐标系：地固坐标系。固联在地球上，以地球质心为原点， Z轴指向国际协议原点（CIO），X轴指向协议赤道与格林威治平子午线交点方向，构成右手坐标系，以确定Y轴方向。3.协议地球坐标系：1）CTS-84坐标系：协议地球坐标系，由一组具有已知的精确地心坐标的台站所具体体现的。2）WGS-84坐标系：固联在地球上，以地球质心为原点，

11、 Z轴指向 BIH系统所定义的协议地极（CTP）的方向，X轴指向BIH1984.0的零度子午面与CTP赤道的交点方向，构成右手坐标系，以确定Y轴方向。 椭球基本大地参数：（书P31）椭球几何参数：三、卫星大地测量中的时间系统1.世界时（UT）：以平子夜为零时起算的平太阳时，以地球自转运动来计量。2.原子时（AT）：以稳定度很高的原子能级跃迁的频率作为标准的时间。3.协调世界时（UTC）：是一种介于原子时和世界时之间的标准时间的服务方法，定义接近世界时的折中时间系统，秒长采用原子钟进行控制。 4.力学时（DT）：人造地球卫星动力学中所要求的时间系统。其基本单位采用国际秒制，与原子时的尺度相一致。

12、什么时候开始，从何处5.GPS时间（GPST）：GPS时属于原子时系统，由GPS主控站的原子钟控制，GPS 时与协调世界时（UTC）在1980年1月6日0时相一致。其后随着时间成整倍数积累，至1987年该差值4S。四、卫星运动（了解）卫星运动状态：受地球、太阳、月球对卫星的引力，太阳光压、地球潮汐力等影响。 卫星受到的作用力：1.地球质心引力（中心力）-无摄运动、无摄轨道2.摄动力（非中心力）-有摄运动、有摄轨道 第三章 GPS定位系统信号和接收机的基本工作原理GPS卫星信号采用组合码调制技术（伪随机码扩频技术）组合码调制技术：将卫星导航电文（基带信号）经伪随机码扩频技术成为组合码，再对L频段

13、的载波进行BPSK调制（正交调制）。作用：提高系统导航定位精度，使系统具有很高的抗电子干扰能力和极强的保密能力。伪距：接收机到GPS卫星之间的距离。码：表达信息的二进制数及其组合。卫星信号的调制分为二级调制：第一级是导航电文调制到测距随机码：采用二进制编码序列“模二和”算法，调制结果是把数据码(导航电文)从50Hz扩展到1.023MHz(对于C/A码) ，从而在接收信号时，采用CDMA原理，可提高获取数据码的信噪比。第二级是测距码调制到载波：采用二进制信号“波形相乘”的算法，将导航电文与测距码合成后的二进制码调制到载波上，实现了第二次扩频，把测距码（C/A）从1.023MHz扩展到1575.4

14、2MHz（L1），在接收机接收GPS信号时，根据CDMA原理，可以提高C/A码的信噪比一、伪随机码：由二进制码组成的伪随机序列，由“多级反馈移位寄存器”产生。伪随机序列：具有非随机序列自相关特性的有周期性的二进制序列。1.C/A码（粗码）：用于分址、搜捕卫星信号、粗测距，具有一定抗干扰能力，并提供民用的明码。 2.P码（精码）：用于分址、通过C/A码获取卫星信号，精密测距，具有较强抗干扰能力，提供特许用户使用的受控密码。3.GPS卫星信号构成：载波信号，测距信号，导航信号 GPS定位系统通常采用两种伪随机码：C/A码和P码二、导航电文（D码） 1.导航电文：1）组成：卫星星历、卫星工作状态、时

15、间系统、卫星钟偏差校正参数、轨道摄动改正参数、大气折射改正参数、遥测码、交换信息等。 2）格式：组成数据帧，按帧向外播发。 由25帧组成，播发时间12.5min，播发速度50bit/s。 1帧5子帧 1子帧10字 1字30bit 1bit需0.02s 25 * 1500bit/帧 = 25 * 5 * 300bit /子帧 2.导航电文内容：（1）遥测码（TLM）: 用于指导用户是否可选用卫星（2）转换码（HOW）：用于辅助用户转换C/A码至P码（3）第一数据块（DATA1）；（4）第二数据块（DATA2）；（5）第三数据块（DATA3）3.卫星星历： 用于确定卫星瞬间位置的信息，可以分为三类

16、：1）卫星历书(Almanac，精度：数km)2）广播星历(Broadcast Ephemeris，精度： 1m)：也叫预报星历，是指相对参考历元的外推星历。3）精密星历(Precise Ephemeris，精度： 520cm) ：精密星历是不含外推误差的实测后处理星历。 卫星轨道参数六个开普勒元素 三、GPS接收机1 .GPS接收机分类1）按通道工作原理分 2）按用途分 3）按载波频率分 4）按通道数分2.基本结构：1）天线 2）主机 3）电源四五六七为重点第四章 GPS定位的基本观测量及误差分析一、GPS定位基本原理：= c·t二、GPS定位基本观测量 1）码相位伪距测量：将伪码

17、发生器产生的与卫星信号结构完全相同的码经过延时器延时同本机复制码进行相关处理，得到卫星信号延迟传播时间t，从而获得伪距：=c·t 。 测量原理：=c·t利用测距码测距的必要条件：必须了解测距码的结构利用测距码进行测距的优点：采用的是CDMA（码分多址）技术易于捕获微弱的卫星信号可提高测距精度便于对系统进行控制和管理（如AS）2）载波相位测量：作为传输工具，把搭载于其上的测距码和导航电文从卫星传播到地面，对于测量型接收机，载波又同时用作为测量信号，接收机对接收到的载波进行相位测量，获得高精度的载波相位观测值，从而实现厘米乃至毫米级的高精度基线测量。测量原理：=·整周

18、模糊度：载波相位观测值小数部分精确可知，整周（整数）不知周跳：在跟踪卫星过程中，由于信号被障碍物挡住而暂时中断或受无线电信号干扰而造成信号失锁，发生周跳现象。要解决的问题：1.载波重建技术（重建载波：将非连续的载波信号恢复成连续的载波信号），2.整周未知数解算，3.周跳判断、修复多普勒频移：由于卫星和接收机之间的相对运动，接收到的载波频率发生变化。反映了卫星和接收机的相对运动速度，卫星速度已知，利用多普勒频移观测值可以求得接收机的瞬时运动速度。三、GPS数据观测值格式1.GPS观测值形式：C/A码伪距（L1）P码伪距（L1、L2）载波相位（L1、L2）多普勒频移（L1、L2）2.GPS数据观测

19、值格式：1）本机格式：接收机存储数据的格式2）RINEX格式：统一格式，与接收机无关的数据交换格式3）SP3格式：精密星历格式，IGS精密星历采用此格式四、GPS误差来源1.与卫星有关的误差：1）卫星钟差：卫星时钟不稳定 偏差、漂移和漂移速率：总量可达1 ms 钟差为1 ms等效距离为300 km ，由GPS主控站测定-卫星钟差 -卫星钟在参考历元的钟差 -卫星钟的钟速 -卫星钟的钟速变化率 通过钟差改正后可达到：偏差20 ns等效距离为6m卫星钟残差部分通过观测值差分技术来消除2）卫星星历误差（卫星位置误差）：由卫星星历给出的卫星轨道与实际的卫星轨道误差 广播星历：短基线相对定位 精密星历：

20、长基线、高精度定位3）地球自转影响：采用WGS-84协议地球坐标系 地球自转引起时间延迟，进而引起为行为之变化4）相对论效应影响：卫星钟比地面钟快2.信号传播误差：1）电离层折射影响：电离层含有较高密度的电子，当GPS信号通过电离层时，信号的路径会发生弯曲，传播速度也会发生变化。 延迟影响因素：与传播路径上的电子总量有关、与传播到GPS天线的方位有关。常用的电离层改正模型： 本特（Bent）模型、国际参考电离层（IRI ）模型、克罗布歇（Klobuchar）模型2）对流层折射影响：对流层与地面接触并从地面得到辐射热能，其温度随高度的上升而降低，GPS信号通过对流层时，使传播的路径发生弯曲，从而

21、使测量距离产生偏差。电磁波在对流层中的传播速度与频率无关，与大气折射率有关和电磁波传播方向有关。对流层大气折射率与大气压力、温度和密度有关，分成两部分讨论：干分量、湿分量干分量与大气温度和压力有关，湿分量与大气温度和湿度有关常用的对流层改正模型：霍普菲尔德（Hopfield）模型、萨斯塔莫宁（Sastamoinen）模型 、勃兰克（Black）模型3）多路径效应：由于接收机周围高大建筑物或水面对电磁波产生的反射作用而引起的定位误差。（金属材料、水面等反射较强） 多路径效应对GPS定位的影响可以达到分米级 减小多路径效应的方法：1.天线安置尽量避开强反射物 2.选用防多路径效应的天线3.观测误差

22、和接收设备误差： 1）观测误差：1.与观测分辨率有关 2.与天线安置精度有关2）接收机钟差：采用石英晶体振荡器解决方法：1.单点定位：钟差作为未知数在观测方程中求解2.载波相位定位：对观测值求差有效地消除接收机钟差3.高精度定位：使用外接频标，为接收机提供高精度时间标准3）天线相位中心偏差：天线相位中心的瞬时位置与几何中心的偏差第五章 GPS定位的基本原理和方法GPS测量定位分类：1）按定位状态：静态定位、动态定位2）按时效：实时定位、事后定位3）按定位模式：绝对定位（单点定位）、相对定位、差分定位4）按确定整周模糊度的解算方法及观测时段的长短：常规静态定位、快速静态定位5）按定位采用的观测值

23、：伪距测量（伪距法定位）、载波相位测量绝对定位：采用单台GPS接收机独立作业进行定位，也称单点定位；直接确定信息、事件和目标相对于参考坐标系统的坐标位置测量。相对定位：采用两台或两台以上GPS接收机联合作业确定相对位置的定位；确定信息、事件和目标相对于坐标系统内另一已知或相关的信息、事件和目标的坐标位置关系。差分定位：基于已知基准站/信标台/空基增强系统(SBAS)卫星播发差分改正信号的定位方式。GPS基本观测量：1）码伪距定位：主要用于单点定位、伪距差分定位2）载波相位定位：主要进行相对定位、载波差分定位一、测距码伪距单点定位 1.原理：由卫星发射的测距码到观测站的传播时间（时间延迟）乘光速

24、所得到的量测距离。 = c·t 伪距观测值： 卫星钟差及接收机钟差：定位要求：接收机钟和卫星钟要严格同步，且保持频标稳定。而实际上无法满足以上要求，存在钟差。 钟差：某时刻（i）钟面时与GPS标准时（GPST）之差。 接收机钟差： 卫星钟差：卫星钟差改正：测量原理：原始观测值：经过导航电文改正后观测值：2.瞬时绝对定位精度： 3.精度因子 DOP：PDOP（与空间几何结构有关）、VDOP、HDOP、TDOP（与钟差测定精度有关）、GDOPPDOP：表示空间位置精度因子TDOP：表示钟差精度因子GDOP: 表示空间位置误差和时间误差综合影响 1）空间位置精度因子PDOP： 平面位置精度

25、因子HDOP ： 大地高精度因子VDOP： 2）时钟差精度因子TDOP： 3）测站定位几何精度因子GDOP： 二、载波相位测量 1.瞬时载波相位差：某一指定时刻接收机产生的参考载波信号与此时接收到的卫星载波信号的相位之差。2.初始历元整周模糊度：从历元（1）到任一历元（i），由接收机获得的相位观测值中的整周数均与其正确值相差同一个整数，该值称作初始历元整周模糊度（初始历元整周待定值）： 整周模糊度个数：对于L1和L2载波来说： 1）1个测站同时观测颗卫星，则有个整周模糊度2）个测站同时观测颗卫星，则有个整周模糊度载波信号等价的传播时间：发射时刻（卫星）： 接收时刻（接收机）：瞬时传播时间： 实

26、际时间观测值：3.载波相位定位： 联立求解多个历元、多颗卫星以及多个测站的观测方程，可以实现载波相位绝对定位。 优点：抗干扰性能好，定位精度高，用于精密定位 要解决的问题：载波重建技术、整周模糊度解算、周跳探测与修复三、GPS相对定位 1.相对定位方式： GPS相对定位差分GPS定位利用两台以上的GPS接收机，分别安置在若干基线的两端，通过同步观测GPS卫星，以确定多条基线端点的相对位置或基线向量。目的：消除和减弱：1）卫星轨道误差 2）卫星钟差 3）接收机钟差 4）电离层误差 5）对流层误差（折射误差） 2.载波相对定位常用方法：1） GPS静态相对定位：两台GPS接收机分别安置在两个不同的

27、点上，同步观测卫星载波信号，利用载波相位差分观测值，消除多种误差的影响，获得两点间高精度的GPS基线向量。2）GPS准动态相对定位：静态安置两台GPS接收机，利用起始基线向量确定初始整周模糊度，然后一台GPS接收机在周围的观测站流动，并且在每一观测站上静态进行观测（停留数分钟），以确定流动站与基准站之间的相对位置。3）GPS动态相对定位：用一台GPS接收机安置在基准站上固定不动，另一台接收机安设在运动载体上，同步观测卫星载波信号，利用载波相位差分观测值，消除多种误差的影响，以确定运动点相对于基准点的实时位置。四、载波差分GPS定位 1.差分GPS产生的诱因：绝对定位精度不能满足要求 影响绝对定

28、位精度的主要误差：1）卫星轨道误差 2）卫星钟差 3）大气延迟（对流层延迟、对流层延迟） 4）多路径效应 差分GPS：利用设置在坐标已知的点（基准站）上的GPS接收机测定GPS测量定位误差，用以提高在一定范围内其它GPS接收机（流动站）测量定位精度的方法。 2.差分GPS的基本原理1）误差的空间相关性：各类误差中除多路径效应均具有较强的空间相关性，从而定位结果也有一定的空间相关性。2） 差分GPS原理：利用基准站测定具有空间相关性的误差或其对测量定位结果的影响，供流动站改正其观测值或定位结果3）差分改正模式：1.距离改正数：利用基准站坐标和卫星星历可计算出站星间的计算距离，计算距离减去观测距离

29、即为距离改正数。2.位置改正数（坐标改正数）：基准站对GPS卫星进行观测，确定出测站的观测坐标，与已知坐标之差即为位置的改正数。 4）差分GPS分类： 1.根据时效性：实时差分、事后差分2.根据观测值类型：码伪距差分、载波相位差分3.根据差分改正数：位置差分（坐标差分）、距离差分4.根据工作原理和差分模型：单基准站差分、多基准站差分、局域差分、广域差分 5）差分模式：1.位置差分特点：差分改正计算的数学模型简单差分数据的数据量少基准站与流动站要求观测完全相同的一组卫星 2.距离差分特点：差分改正计算的数学模型较复杂差分数据的数据量较多基准站与流动站不要求观测完全相同的一组卫星 3.单基准站局域

30、差分：结构：一个基准站、数据通讯链和用户数学模型（差分改正数的计算方法）：提供距离改正和距离改正的变率 优点：结构、模型简单 缺点：差分范围小，精度随距基准站距离的增加而下降，可靠性低 4.多基准站局域差分： 结构：多个基准站、数据通讯链和用户数学模型（差分改正数的计算方法）:加权平均、偏导数法、最小方差法 优点：差分精度高、可靠性高，差分范围增大 缺点：差分范围仍然有限，模型不完善 5.广域差分： 结构：多个基准站、数据通讯链和用户 数学模型（差分改正数的计算方法）：1）对各项误差加以分离，建立各自的改正模型 2）用户根据自身的位置，对观测值进行改正 优点：差分精度高、差分精度与距离无关、差

31、分范围大 缺点：系统结构复杂、建设费用高五、GPS观测值的线性组合观测值类型：码伪距、载波相位 1.同类型同频率观测值的线性组合 主要目的：消除卫星钟差、接收机钟差和整周模糊度等未知数 GPS观测三要素：测站、卫星、观测历元 相位差分的不同只取决于求差的要素和求差次数，但与求差顺序无关。 1）一次差分观测值SD：1.星际一次差分观测值： 由测站（k）、在历元（i）、对不同卫星（）的相位差观测值求差。 测站（k）、历元（i）、N颗卫星（），有N-1个不相关的一次差分观测值。 特点：可以消除或减弱接收机钟差可以抵消部分大气折射影响（电离层、对流层），但不能完全消除不能减弱卫星钟差的影响2.历元间一

32、次差分观测值： 在测站（k）、对某一卫星（j）的两相邻历元（）的相位差观测值求差。 特点：可以消除初始历元整周待定值（初始历元整周模糊度）可以抵消大部分大气折射影响（电离层、对流层） ，但不能完全消除可以消除共同的钟差偏差（卫星钟、接收机钟）且钟速变化影响较小3.站际一次差分观测值： 由不同测站（）、在同一历元（i）、对同一卫星（j）的相位差观测值求差-单差观测值。 历元（i）、卫星（j）、测站（），有个不相关的一次差分观测值。 特点：可以消除和减弱短基线大气折射影响（电离层、对流层）可以消除和减弱卫星钟差、但接收机钟差不能有效减弱可以减弱卫星轨道误差的影响2）二次差分观测值DD：1.站际、星

33、际二次差分观测值： 由同一历元，不同卫星的站际一次差分观测值求差-双差观测值。特点：可以减少初始整周模糊度个数基本上消除接收机钟差影响，可以转化成二次模型表示可以消除或减弱大气折射影响（电离层、对流层）主要用于GPS相对定位2.星际、历元间二次差分观测值： 特点：可以消除初始历元整周模糊度基本上消除卫星、接收机钟差影响大大减弱大气折射影响（电离层、对流层） ，但不能完全消除可以对测站进行精密单点定位3.站际、历元间二次差分观测值：由同一卫星，不同历元的站际一次差分观测值求差。特点：可以消除初始整周模糊度可以抵消短基线大部分大气折射影响（电离层、对流层）可以消除共同的钟差偏差（卫星钟、接收机钟）

34、3）三次差分观测值TD：1.星际、站际、历元间三次差分观测值： 由不同历元，不同卫星、不同测站间二次差分观测值求差特点：可以消除整周待定值基本上消除接收机钟差影响可以消除或减弱大气折射影响（电离层、对流层）相关性增强，解的稳定性差，精度不高数据利用率降低，观测值大量丢失2.同类型不同频率观测值的线性组合 主要目的：消除电离层延迟，便于确定整周模糊度 两个不同频率的载波(L1、L2)相位观测值间线性组合的一般形式： 的特性： 特殊的双频载波相位观测值线性组合： 1）宽巷组合观测值LW（n=1, m=-1）：有利于求解模糊度，但测量噪声大 特点：模糊度保持整数特性；波长较长，模糊度容易确定；测距精

35、度略低应用：在动态定位时通常用此观测值；辅助确定Iono-free组合观测值的模糊度2）窄巷组合观测值LN（n=1, m=1）特点：模糊度保持整数特性；波长短，模糊度较难确定应用：辅助确定Iono-free组合观测值的模糊度3）消电离层组合观测值LC（） 特点：模糊度不具有整数特性；电离层折射延迟为0应用：长基线解算；电离层活跃期或活跃地区基线的解算3.载波双差观测值及其观测方程 有效消除或减弱GPS测量的系统误差方法：对瞬时相位观测值进行线性组合 1）双差观测方程：1.观测值数量和获取已知点坐标方法 1）单基线双差观测值： 双差观测值数： 基线数： 2）已知点坐标获取（基星、基站）：提供法：

36、已知一点的绝对坐标（WGS-84坐标） 观测法：单点定位解算（静态观测若干小时） 基星的选择：高度角高；信号质量好；待机时间长 2.待定参数及系数（单基线双差）：1）测站k2的三维直角坐标（X、Y、Z）2）两接收机钟差参数（t1、t2）3）双差整周模糊度N （初始整周模糊度线性组合） 3.单基线误差方程： 其中： t = 3*未知点数+钟差数量+整周模糊度数量+卫星失锁等增添整周模糊度数量 双差观测值个数： 2）载波相位差分观测值随机模型：假定瞬时相位是独立的、不相关的等精度观测值 基线单差： 单差数量：1.基线单差观测值协方差阵： 1）原始观测值协方差阵： 是原始观测值的方差 对于两颗卫星，

37、基线单差观测值： 2）基线单差观测值协方差阵： 对于两颗卫星： 是单差观测值的方差 3）多颗卫星基线单差观测值协方差阵（i时刻）： 不同卫星 ，按单基线求解的单差观测值是相互独立且等精度的。 4）多测站、多颗星单差观测值： 多基线单差： 基线单差个数： 以两条基线两颗卫星为例： 同一历元、同一卫星的两个基线单差观测值之间是相关的同一历元、不同卫星的两个基线单差观测值之间是不相关的 多测站、多颗星单差观测值协方差阵同上2. 基线双差观测值协方差阵： 单基线双差： 双差个数： 对于4颗卫星，基线双差观测值: 双差观测值的方差 多颗星基线双差观测值权阵： 同一历元的（nj-1）单基线双差观测值是相关

38、的。某时段多颗星基线双差观测值权阵：同一历元的（）单基线双差观测值是相关的，不同历元的单基线双差观测值是互为独立的多测站、多颗星、多基线双差观测值权阵： 多基线双差： 双差个数：六、GPS基线向量解算1.GPS基线解算的内涵定义：利用多个测站的GPS同步观测数据，确定这些测站之间坐标差的过程观测值：GPS载波相位观测值（原始观测值、差分观测值、不同频率的组合观测值）GPS伪距观测值结果：基线向量、精度（中误差）及误差相关性信息（协因数阵）2.GPS基线向量的表达方式 1）地心地固坐标：笛卡儿坐标系 大地坐标系2）站心地平坐标系：直角坐标系 N：北方向；E：东方向；U：垂直方向极坐标系 S：距离

39、；A：方位角；H：高度角3.基线向量平差解算方法1）按单基线解算：不论同一测段上有多少个接收机同步观测，每次解算都仅取两个测站所有的线性独立双差观测值进行平差解算。 单基线双差： 单基线双差个数： 基线数量：合理做法：应用（）条独立基线参与平差，以保证参与平差的观测值之间线性独立。2）联合解算：取同一测段内所有非基星相对于基星的双差观测值解算全部基线，平差解算工作量较大。 多基线双差： 双差个数：基线数量：4.基线向量质量评定：1）双差观测值单位权中误差：，一般看作内符合精度的一项指标。2）基线长度中误差（RMS）：短基线要求ms12cm，一般看作基线可信性的一项指标。3）双差观测值整周模糊度

40、的整数性Ratio: >85%：较好、8085%：一般、<70% -较差 4）同步观测环闭合差：同步环闭合差超限，可能是因为同步环上各测站没有完全同步，或是各测站周跳修复不同，也可能是软件本身的缺陷所至。5）异步观测环闭合差：异步环闭合差超限，可能因各种观测条件较差（如多路径误差影响、强辐射、电离层、对流层的影响）。6）重复基线闭合差5.双差固定解、双差浮点解七、GPS动态定位 实时动态载波差分GPS：RTK（Real Time Kinematics）1）RTK GPS原理：修正法、差分法 修正法：在已知坐标的基准点上设置GPS基准站，对可观测的卫星进行测量，计算出未经改正的三维G

41、PS坐标（位置差分）或卫地距离（距离差分）。 差分法：在已知坐标的基准点上设置GPS基准站，对可观测的卫星进行测量，观测到载波相位观测值。2）实时动态（RTK）测量系统：GPS测量技术与数据传输技术相结合而构成的组合系统。RTK测量系统的构成：GPS接收机（基准站、流动站） 数据传输系统（数据链，基准站发射台、流动站接收台） 软件系统RTK测量作业模式：快速静态测量、准动态测量、动态测量第六章 GPS测量的周跳、模糊度与高程测量一、GPS测量的周跳1.周跳：由于卫星信号失锁或干扰而使载波相位观测值中的整周计数所发生的突变现象。1）第一类周跳：信号失锁>数分钟 处理方法：利用单差观测值通过

42、高阶拉格朗日多项式进行拟合修复2）第二类周跳：信号失锁<两历元间隔 处理方法：利用单差观测值拟合或双差观测值拟合2.周跳产生原因：1）由于顶空障碍物阻挡，造成卫星信号暂时中断；2）由于电离层条件差、多路径效应和卫星高度过低等原因，造成卫星信号信噪比过低，导致整周计数错误；3）接收机软件发生故障，导致错误的信号处理；4）接收机在高速动态的环境下进行观测，导致接收机无法正确跟踪卫星信号；5）卫星发生瞬时故障，无法产生信号。 2.周跳的探测、修复方法：首先需要进行周跳定位，并确定周跳大小周跳探测：通过构造一个检验量来判断周跳修复：通过对周跳发生后的全部相位观测量改正一个固定值来完成 1）屏幕扫

43、描法：人工在屏幕上观察观测值曲线的变化是否连续2）高次差法：接收机钟差影响此方法的有效性，通过星际、历元间求差消除钟差、大气延迟的影响3）三差观测值探测法：通过载波观测值差分（单差、双差、三差），消除整周模糊度，但观测值数量明显减少。4）多项式拟合法：根据n个相位测量观测值拟合一个n阶多项式，据此多项式来预估下一个观测值并与实测值比较，从而来发现周跳并修正整周计数。5）双频P码伪距观测值法：利用宽巷组合6）残差法：根据平差后的残差，进行周跳的探测与修复二、整周模糊度确定方法基本解算方法：经典静态相对定位法：双差固定解、双差浮点解实时解算模糊度方法： AROTF技术：1）确定搜索区域：坐标搜索法

44、、模糊度搜索法2）可采用的方法：模糊度函数法、最小二乘模糊度搜索法 FARA法、快速模糊度搜索滤波法、LAMBDA法三、GPS高程测量GPS高程测量主要包括：1）精化大地水准面：综合利用水准测量和重力测量、数字地面模型资料，确定大地水准 面高程。2）拟合大地水准面：综合利用几何水准测量资料，拟合地面点的高程 1.常用的高程系统：大地高系统H：以参考椭球面为基准面的高程系统 利用GPS定位技术，可以直接测定地面点在WGS-84坐标中的大地高 正高系统Hg：以大地水准面为基准面的高程系统 正常高系统Hr：以似大地水准面为基准面的高程系统 2.确定大地水准面的传统方法：1）天文大地水准法：应用天文大

45、地测量资料来确定似大地水准面高程的方法2）天文重力水准法：综合应用天文大地测量资料和重力测量资料来确定似大地水准面高程的方法 我国采用天文重力测量方法建立了全国范围内的高程异常值3）重力场模型法：综合利用卫星观测资料和重力测量资料，以球谐级数建立地球重力场模型和高程异常模型的方法。4）司托克斯重力大地水准面模型法：利用地面重力测量资料来推算大地水准面高程的实用方法。 3.GPS高程拟合方法： 1）二次曲面拟合法：利用二次曲面逼近小区域的（似）大地水准面进行拟合。2）多重二次曲面拟合法：利用多重二次曲面逼近任何光滑的数学曲面或非数学定义的任意曲面进行拟合。3）薄板小挠度变形模型拟合法：参照力学中

46、数值计算的加权残差法，利用自组织原理选取薄板受离散负载时的小挠度变形模型进行拟合。4.常用的GPS高程拟合方法1）二次曲面拟合（n6）：二次多项式：2）平面拟合（n=3）：一次多项式：3）平移拟合（n3）：零次多项式：（用于平坦地区、小区域范围）第七章 GPS控制网建立与应用一、GPS控制网分类 1.GPS控制网：应用GPS卫星定位技术建立的控制网2.根据用途划分：框架基准网、大地控制网、工程控制网、测图控制网、连续运行的参考站网二、GPS控制网技术设计1. GPS网设计的目的：1）质量的要求：保证成果质量、便与质量控制2）应用的要求：利于成果的应用3）观测的要求：保证观测质量、保证观测效率、便于观测施工2.GPS控制网设计一般原则： 1）充分考虑建立GPS控制网的应用范围2）采用分级布网的建设方案3）确定GPS测量精度标准4）GPS网的基准设计：位置基准、方位基准、尺度基准5）GPS高程基准6）确定选点原则位置基准：与测区的坐标系统一致，通常由给定的起算点坐标确定方位基准：通过给定的起算方位角确定，或直接选用GPS基线向量的方位角尺度基准：由地面电磁波测距边确定，或由给定的起算点坐标确定，或直接选用GPS基线向量的距离3.GPS网设计内容：1）基准设计：起算条件、数量级分布2）网形设计：同步观测图形的设置3）观测设计：仪器要求、观测要求（观测时间及时段长度、观测参数设