静态基线解算

1、GPS静态基线解算原理2011年5月目 录1 RINEX文件命名与类型11.1 观测文件格式11.2 导航电文文件格式32 GPS卫星位置的计算52.1 计算归化时间tk52.2 对平均运动角速度进行改正52.3 观测时刻卫星平近点角Mk的计算62.4 计算偏近点角Ek62.5 真近点角Vk的计算62.6 升交距角k的计算62.7 摄动改正项u，r，i的计算62.8 计算经过摄动改正的升交距角uk、卫星矢径rk和轨道倾角ik62.9 计算卫星在轨道平面坐标系的坐标62.10 观测时刻升交点经度k的计算72.11 计算卫星在地心固定坐标系中的直角坐标73 GPS静态基线解算73.1 载波相位测量

2、原理73.2 载波相位测量的观测方程83.3 观测值的组合83.4 在接收机和卫星间二次差93.5 观测方程的线性化10第二届江苏省高校测绘与GIS软件开发创新大赛1 RINEX文件命名与类型1.1 观测文件格式(1)观测文件的文件头如下图列出了头文件中程序里所需要的信息观测值文件头图1-1 rienx o文件表1-1 rienx o文件头文件说明标签描述RINEX VERSION / TYPE版本格式（2.10）文件类型导航系统：空格或G为GPS，R为GLONASS，ST：M为混合APPROX POSITION XYZ 标记点概略位置（WGS84）ANTENNA: DELTA H/E/N-

3、天线高度：天线底部相交于标记点的高度 - 天线中心相对标记点东向和北向距离（单位米）WAVELENGTH FACT L1/2- L1和L2载波的缺省系数 1: 整周 2: 半周 0 (L2载波): 单频接收机- 0或空格 *WAVELENGTH FACT L1/2- L1和L2载波的缺省系数 1: 整周 2: 半周 0 (L2载波): 单频接收机- 系数适用的卫星数据 - 系数适用的卫星列表 # / TYPES OF OBSERV- 文件中观测类型数量 - 观测类型如果超过9种观测类型，下行继续 观测类型： L1， L2: L1、L2载波相位测量C1: L1载波C/A码伪距测量 P1， P2:

4、 L1，L2载波P码伪距测量D1， D2: L1、L2载波多普勒频率测量 *INTERVAL以秒为单位的观测间隔TIME OF FIRST OBS -初次观测时间（四字节年，月、日、时、分、秒）-时间系统：GPS（GPS时间系统） GLO（UTC时间系统）*TIME OF LAST OBS-最后观测时间（四字节年，月、日、时、分、秒）-时间系统：GPS（GPS时间系统） GLO（UTC时间系统）*# OF SATELLITES观测到的卫星数量*PRN / # OF OBS不同的观测类型中，观测到的卫星数量，如果超过9种类型下行继续END OF HEADER文件头部分的最后一行(2)、观测文件数

5、据记录表1-2 rienx o文件观测值说明观测记录描述观测值的第一行-星历 :年(2字节需要时补0) ;月，日，时，分，秒;-星历标志0:表示正常1:表示从前一历元到当前历元观测失败 2: 开始移动天线 3: 新地点 4: 接下来是头信息 5: 其它事件 -当前历元的卫星数量 -当前观测到的卫星列表 -接收机钟差（秒，可选）-如果超过12颗卫星，下行继续事件标志: OBSERVATIONS- 观测值- LLI - 信号强度 信号强度设为 1-9级: 1: 最小信号强度 5: 信噪比S/N 9: 最大信号强度 0: 或空: 不确定 文件头1.2 导航电文文件格式文件体图1-2（1）、头文件格式

6、表1-3 rinex n文件头文件说明头文件标签说明RINEX VERSION/TYPE-RINEX格式的版本号-文件类型PGN/RUN BY/DATE-创建本数据文件所采用的名称-创建本数据文件单位名称-创建本数据文件的日期COMMENT注释行LON ALPHA历书中的电离层参数A0A3ION BETA历书中的电离层参数B0B3DELTA-UTC:A0，A1，T，W用于计算UTC时间的历书参数-A0，A1:多项式系数-T:UTC数据参考时刻-W:UTC参考周数，为连续计数，不是1024余数LEAP SECONDS由于周跳造成的时间差END OF HEADER文件头的最后一个记录（2）、数据记

7、录格式表1-4 rinex n 文件头观测值说明观测值记录说明PRN号/历元/卫星钟- 卫星的PRN号- 历元：TOC（卫星钟参考时刻） 年，月，日，时，分，秒- 卫星钟的偏差（s）- 卫星钟的漂移（s/s）- 卫星钟的漂移速度（s/s2）广播轨道1- IDOC（数据星历发布时间）- - - 广播轨道2- - 轨道偏心率- - 广播轨道3- TOE星历的参考时刻（GPS周内的秒数）- - - ik广播轨道4- - - -广播轨道5- - 上的码- GPS周数(与TOE一同表示时间)。为连续计数，不是1024的余数- L2 P码数据标记广播轨道6- 卫星精度（m）- 卫星健康状态- TGD（se

8、c）- IODC钟的数据龄期广播轨道7- 电文发送时刻- 拟合区间- 备用- 备用2 GPS卫星位置的计算2.1 计算归化时间tk首先对观测时刻t作卫星钟差改正：t=t-t (2-1) (2-2)然后对观测时刻t归化到GPS时系tk=t-toe，式中tk称作相对于参考时刻toe的归化时间。导航电文中给出的GPS卫星的轨道参数是相对于参考时刻toe而言的，为求出观测时刻t的卫星坐标，须求出观测时刻t相对于参考时刻t 的差值，即归化时间：tk =t-toe，计算t 时应注意两点：GPS导航电文提供的卫星轨道参数时间是采用GPS星期加GPS秒表示的，GPS星期为从1980年1月6日0时到当时时刻的整

9、星期数，GPS秒为从刚过去的星期日零时开始至当前时刻的秒数，GPS广播星历中的参考时刻t 就是用GPS秒表示的；而GPS接收机记录的观测时刻t(即观测历元)是用民用日即年(Y)、月(M)、日(D)、时(H)、分(min)、秒(sec)表示的。因此需将观测时刻的民用日时间换算为GPS时间，换算方法如下：先将民用日的时分秒化为实数时，即UT=H+(min/60)+(sec/3600)；然后将民用日的Y、M、D、UT化为儒略日，即JD=INT(365.25×Y)+INT(30.6001×(m+ 1)+ D + (UT/24)+1720981.5，式中INT表示实数的整数部分，Y、

10、m按以下规则计算：对于M 2，y=Y+l，m=M+12，对于M>2，Y=y，m=M ；最后计算GPS周和GPS秒：GPS周=INT(JD-2444244.5)/7)，GPS秒=(JD-24，14244.5-GPS周×7)×24×3600。计算tk 时应计及一个星期(604800s)的开始或结束。即当tk > 302400s时，tk 应减去604800s；当tk <-302400s时，tk 应加上604800s。2.2 对平均运动角速度进行改正运动角速度为 改正为 。其中n0=，式中GM=3.986005E14，是WGS-8 4坐标系中的地球引力常

11、数。dn是导航电文中给出的摄动改正数。2.3 观测时刻卫星平近点角Mk的计算Mk=M0+ntk                        (2-3)式中M0是卫星电文 给出的参考时刻toe的平近点角。2.4 计算偏近点角EkEk=Mk+esinEk(Ek，Mk以弧度计)      (2-4)上述方程可用迭代法进行解算，即先令Ek=Mk

12、，代 入上式，求出Ek再 代入上式计算，因为GPS卫星轨道的偏心率e很小，因此收敛快，只需迭代计算两次便可求得偏近点角Ek。2.5 真近点角Vk的计算由于: (2-5) (2-6)因此:   (2-7)2.6 升交距角k的计算 (2-8)为卫星电文给出的近地点角距。2.7 摄动改正项u，r，i的计算 (2-9)u，r，i分别为升交角距的改正数，向径的改正数，轨道倾角改正数2.8 计算经过摄动改正的升交距角uk、卫星矢径rk和轨道倾角ik (2-10)2.9 计算卫星在轨道平面坐标系的坐标卫星在轨道平面直角坐标系（X轴指向升交点）中的坐标为  (2-11)2.10 观测时刻升

13、交点经度k的计算 (2-12)、的值可从卫星电文中获取。2.11 计算卫星在地心固定坐标系中的直角坐标把卫星在轨道平面直角坐标系中的坐标进行旋转变换，可得出卫星在地心固定坐标系中的三维坐标： (2-13)3 GPS静态基线解算GPS所体现设计思想就是要应用处于空间中人造卫星作为参考点，确定一个物体处在地球上的某个位置。根据几何学原理可以证明，通过精确地测定地球上某个点到三个人造卫星之间的距离，就能对此地点的位置进行三角测定，这就是GPS最基本的设计思路和定位原理。按照定位时GPS接收机所处的状态，可以将GPS定位分为静态定位和动态定位两类。本次程序开发主要针对GPS静态定位。GPS定位中常用的

14、定位方法有：伪距法、载波相位测量法和射电干涉测量法。其中载波相位观测量则是目前GPS测量中精度最高的，而且它的获得不受精码(P码和Y码)保密的限制。利用载波相位进行单点定位可以达到比测距码伪距定位更高的精度。载波相位测量最主要的应用是进行相对定位。将两台GPS接收机分别安置在两个不同的点上，同时观测卫星的载波信号，利用载波相位的差分观测值，可以消除和削弱多种误差的影响，从而获得两点间高精度的GPS基线向量。3.1 载波相位测量原理基线向量平差计算采用单基线求解时，无论在一测段中同步联测多少测站，每次都仅取两个测站所含有的线性独立的双差观测值来进行解算，通过平差计算求解观测站之间的基线向量，本程

15、序采用单基线双差载波相位模型。载波信号量测精度优于波长的1/100，载波波长（L1=19cm， L2=24cm）比C/A码波长 (C/A=293m)短得多，所以GPS测量采用载波相位观测值可以获得比伪距（C/A码或P码）定位高得多的成果精度。载波相位产生测量原理图如下图：图3-3 载波相位测量图图3-4 载波相位测量3.2 载波相位测量的观测方程载波相位基本观测方程： (3-1) (3-2)考虑电离层、对流层、钟差影响有： (3-3)其中： 3.3 观测值的组合载波相位观测值求一次差，在接收机间求一次差。若在时刻接收机i、j同时对卫星p进行了载波相位测量，顾及=后，可得： (3-4)式中的，其中（，）为卫星星历给出的信号发射时刻卫星p在空间的三维坐标，（，）为信号到达时刻接收机在空间的三维坐标。将上式的相减后可得： -=- (3-5)为方便起见，令:；于是上式可简化为： (3-6)两个观测方程中的卫星钟差参数已被消去。3.4 在接收机和卫星间二次差设测站i，j同时对n颗卫星进行了观测，可写出卫星q的单差观测方程： (3-7)与卫星p的单差观测方程进一步在卫星间求差后可得： (3-8)令;；则可简化为： (3-9)称为时刻在接收机和卫星间求二次差后所的得到的双差观测值。此时，在双差观测方程中接收机的相对钟差也已经消去了。由于两测站之间的距离相对卫星来说很小，可看做信号对