全球定位系统 [恢复]

1、定位系统水太深，而我们只有一节课的时间，注定我只能在岸边走走；虽然这是大四，虽然这是选修课，虽然这是选修课里的一节学生讨论课，但我们五个人的小组还是力争不把它作为垃圾时间而做一些垃圾。可能只是互动教学的一个形式，可这个形式对我很重要。温馨提醒：请大家注意讲稿中的有关名词或原理，说不定哪一天它还会回来找你的！不求狂酷 天，只求低调奢华有内涵一、概述二、GPS卫星定位基础三、GPS定位基本原理四、GPS定位误差分析五、GPS数据处理六、GPS测量的技术与实施七、GPS接收机八、GPS定位技术在测量工程中的其他应用与发展一、概述概念：具有海陆空进行全方位、实时三维导航与定位功能的新一带卫星导航与定位

2、系统。全球定位系统的特点GPSGPS实施计划共分实施计划共分三个阶段三个阶段：第一阶段为方案论证和初步设计阶段第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从。从19731973年到年到19791979年，共发射了年，共发射了4 4颗试验卫星。研制了地面颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。接收机及建立地面跟踪网。第二阶段为全面研制和试验阶段第二阶段为全面研制和试验阶段。从。从19791979年到年到19841984年，又陆续发射了年，又陆续发射了7 7颗试验卫星。研制了各种颗试验卫星。研制了各种用途的接收机。实验表明，用途的接收机。实验表明，GPSGPS定位精度远远超过设计标准。定位精度远远超过

3、设计标准。 第三阶段为实用组网阶段第三阶段为实用组网阶段。19891989年年2 2月月4 4日第一颗日第一颗GPSGPS工作卫星发射成功，表明工作卫星发射成功，表明GPSGPS系统进入工程系统进入工程建设阶段。建设阶段。19931993年底实用的年底实用的GPSGPS网即网即(21+3)GPS(21+3)GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。 在美国在美国,共同给列为共同给列为20世纪世纪“三大航天工程三大航天工程”.GPS发展历程发展历程卫星定位系统卫星定位系统 最早的卫星定位系统是美国的最早的卫星定位系统是美国的子午仪系统子午仪系统

4、(TRANSIT)，1958年研制年研制1964年正式投入使用。年正式投入使用。由于该系统卫星数目较少由于该系统卫星数目较少(56颗颗)，运行高度较低，运行高度较低(平均平均1 000 km)，从地面站观测到卫星的时，从地面站观测到卫星的时间间隔较长间间隔较长(平均平均15 h)，因而它无法提供连续的实时三维导航，而且精度较低。为满足军，因而它无法提供连续的实时三维导航，而且精度较低。为满足军事部门和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求，事部门和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求，1973年美国国防部制定了年美国国防部制定了GPS计划。计划。俄罗斯继承前苏联的GLONASS系统1976年

5、组建，由卫星、地面测控站和用户设备三部分组成，目前的系统由21颗工作星和3颗备份星组成，分布于3个轨道平面上，每个轨道面有8颗卫星，轨道高度1万9000公里，运行周期11小时15分，现由俄罗斯运营。中国的北斗卫星导航定位系统，是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS），是继美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航定位系统目前已经发射了10颗卫星，于2012年覆盖亚太地区，2020年扩充为全球卫星导航系统。欧盟1999年初正式推出“伽利略”计划，部署新一代定位卫星。该方案由27颗运行卫星和3颗预备卫星组成，可以覆盖全球，

6、位置精度达几米，亦可与美国的GPS系统兼容，总投资额为35亿欧元。目前已经发射三颗实验卫星，未提供服务。全球卫星导航系统国际委员会为联合国的一个非正式机构。其目的是促进与民用卫星定位、导航、正时和增值服务有关的问题及各种全球卫星导航系统的兼容性和互通性问题的合作和发展。全球定位系统的组成全球定位系统的组成 GPS系统由三部分组成 空间部分 地面控制部分 用户设备部分GPS的空间部分 GPS的空间部分的组成 GPS卫星星座 6个轨道面 平均轨道高度20200km 轨道倾角55 周期11h 58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次）GPS卫星星座设计星座：21+321

7、颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星保证在每天24小时的任何时刻，在高度角15以上，能够同时观测到4颗以上卫星当前星座：28颗GPS卫星的地面轨迹GPS卫星 作用：接收、存储导航电文生成用于导航定位的信号（测距码、载波）发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文）接受地面指令，进行相应操作其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。 主要设备太阳能电池板原子钟（2台铯钟、2台铷钟）信号生成与发射装置 GPS卫星（续）类型试验卫星：Block 工作卫星：Block Block ：存储星历能力为14天，具有SA和AS地能力Block A （Advanced）：卫星间可相互通讯，存储

8、星历能力为180天，SV35和SV36带有激光反射棱镜Block R （Replacement/Replenishment）：卫星间可相互跟踪相互通讯Block F（Follow On）：新一代的GPS卫星,增设第三民用频率地面监控系统由均匀地面监控系统由均匀分布的分布的5 5个个监控站监控站、一个一个主控站主控站和三个和三个注入站注入站构成。构成。该系统的功能是：对空间卫星该系统的功能是：对空间卫星系统进行监测、控制，并向每系统进行监测、控制，并向每颗卫星注入更新的导航数据。颗卫星注入更新的导航数据。 主控站监控站 主控站接收各监控站的主控站接收各监控站的GPSGPS卫星观测数据、卫星工作状

9、态数据、各监控站和注入卫星观测数据、卫星工作状态数据、各监控站和注入站自身的工作状态数据。根据上述各类数据，完成以下几项工作：站自身的工作状态数据。根据上述各类数据，完成以下几项工作： 及时编算每颗卫星的导航电文并传送给注入站。及时编算每颗卫星的导航电文并传送给注入站。 控制和协调监控站间、注入站间的工作，检验注入卫星的导航电文是否正确以及卫控制和协调监控站间、注入站间的工作，检验注入卫星的导航电文是否正确以及卫星是否将导航电文发给了星是否将导航电文发给了GPSGPS用户系统。用户系统。 诊断卫星工作状态，改变偏离轨道的卫星位置及姿态，调整备用卫星取代失效卫星诊断卫星工作状态，改变偏离轨道的卫

10、星位置及姿态，调整备用卫星取代失效卫星。 主控站主控站 接受主控站送达的各卫星导航电文并将之注入飞越其上空的每颗卫星。 用GPS接收系统测量每颗卫星的位距和距离差，采集气象数据，并将观测数据传送给主控点。5个监控站均为无人守值的数据采集中心。 监控站监控站注入站注入站GPS的用户部分组成用户接收设备接收设备GPS信号接收机其它仪器设备GPS信号接收机组成天线单元带前置放大器接收天线接收单元信号通道存储器微处理器输入输出设备电源天线单元接收单元 天线单元 类型 单极天线 微带天线 锥形（螺旋）天线 四丝螺旋天线 空间螺旋天线 背腔平面盘旋天线接收单元接收（信号）通道定义：接收机中用来跟踪、处理、

11、量测卫星信号的部件，由无线电元器件、数字电路等硬件和专用软件所组成。类型：根据信号跟踪方式：序惯通道、多路复用通道和多通道；根据工作原理：码相关通道、平方通道等存储器微处理器作用：数据处理、控制输入输出设备电源二、GPS卫星定位基础时间系统与坐标系统天球坐标系与地球坐标系 WGS-84坐标系和我国大地坐标系坐标系统之间的转换时间系统天球坐标系以天极和春分点作为天球定向基准的坐标系。 所属学科： 测绘学(一级学科) ；大地测量学(二级学科) 天球上各种球面正交坐标系的统称。所属学科： 天文学(一级学科) ；天体测量学(二级学科)地平坐标系赤道坐标系黄道坐标系银道坐标系地球坐标系地球形状与地球椭球

12、体地球形状与地球椭球体 地球的自然表面是一个起伏很大的、一个不规则的、不能用简单的数学公式来表达的复杂曲面。我们很难在这样一个曲面上来解算测量学中产生的几何问题。为便于测绘工作的进行，一般选一个形状和大小都很接近于地球体而数学计算很方便的椭球体，称为地球椭球体。 地球直角坐标系地球直角坐标系地球大地坐标系地球大地坐标系常用的椭球参数椭圆的长半轴：a椭圆的短半轴：b椭圆的扁率： 椭圆的第一偏心率： 椭圆的第二偏心率： 极曲率半径（极点处的子午线曲率半径） c 第一基本纬度W 第二基本纬度V坐标系统分类 按坐标原点的不同分类 地心坐标系统（地心空间直角坐标系、地心大地坐标系 ） 参心坐标系统（参心

13、空间直角坐标系、参心大地坐标系 ） 站心坐标系统（垂线站心坐标系 、法站心坐标系 ）地球坐标系参心坐标系地心坐标系站心坐标系地心大地坐标系地心空间直角坐标系法线站心坐标系垂线站心坐标系参心大地坐标系参心空间直角坐标系 按坐标的表达形式分类: 笛卡儿坐标（空间直角坐标系、站心坐标系） 曲线坐标（大地坐标系） 平面直角坐标（高斯平面坐标系、其它投影平面坐标系）地球坐标系笛卡儿坐标系曲线坐标系平面直角坐标系地心大地坐标系地心空间直角坐标系站心坐标系垂线站心参心大地坐标系参心空间直角坐标系法线站心高斯平面坐标其它投影平面坐标岁差与章动岁差与章动日月岁差与章动 由于地球本身不均匀以及日月对地球的影响使地

14、轴在空间不断地抖动，这样导致天轴绕着黄极在天球上缓慢的运动。该运动可分解为长周期和短周期运动。 长周期运动是25800年绕黄极一周；短周期变化幅值最大为9秒，周期为18.6年。 日月岁差：我们称长周期运动为日月岁差 章动： 短周期变化称为章动（章动椭圆） 北天极的瞬时极就是天极瞬时位置；历元平天极 是指选择某一历元时刻的瞬时天极经过章动改正后而固定的天极称为历元平天极。 卫星测量中常用坐标系1 1瞬时极天球坐标系与地球坐标系瞬时极天球坐标系与地球坐标系 2. 2. 固定极天球坐标系固定极天球坐标系平天球坐标系平天球坐标系3. 3. 固定极地球坐标系固定极地球坐标系平地球坐标系平地球坐标系WGS

15、-84坐标系和我国大地坐标系WGS-84的定义的定义：WGS-84是修正NSWC9Z-2参考系的原点和尺度变化，并旋转其参考子午面与BIH定义的零度子午面一致而得到的一个新参考系，WGS-84坐标系的原点在地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协定地球极（CTP）方向，X轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点，Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。它是一个地固坐标系。国家大地坐标系国家大地坐标系1.19541.1954年北京坐标系年北京坐标系2.19802.1980年国家大地坐标系（年国家大地坐标系（GDZ80GDZ80）3.3.新新19541954年北京坐标系（年北京坐标系（BJ

16、54BJ54新）新）20002000国家大地坐标系（国家大地坐标系（CGCS 2000 CGCS 2000 ）坐标间的转换大地坐标转换到空间直角坐标大地坐标转换到空间直角坐标( (相同基准相同基准) )空间直角坐标转换到大地坐标空间直角坐标转换到大地坐标 ( (相同基准相同基准) )空间直角坐标至站心坐标的转换空间直角坐标至站心坐标的转换( (相同基准相同基准) )不同空间直角坐标系的转换不同空间直角坐标系的转换 ( (不同基准不同基准) )不同大地坐标系的转换不同大地坐标系的转换( (不同基准不同基准) )二维坐标系的转换二维坐标系的转换三维空间直角坐标至平面直角坐标的转换三维空间直角坐标至

17、平面直角坐标的转换( (不同基准不同基准) ) WGS84WGS84三维空间直角坐标至局部高斯平面坐标的转换三维空间直角坐标至局部高斯平面坐标的转换不同空间直角坐标系统之间的转换不同空间直角坐标系统之间的转换一维（高程）坐标转换一维（高程）坐标转换时间系统概述恒星时(sidereal time)ST1 定义： 以春分点为参考点，由它的周日视运动即春分点两次经过本地子午线的时间间隔所确定的时间称为一个 恒星日。 2 原点： 春分点通过本地子午圈的瞬时 3 计量时间单位：恒星日、恒星小时、恒星分、恒星秒； 一个恒星日=24个恒星小时=1440个恒星分=86400个恒星秒 4 分类：真恒星时和平恒星

18、时。时间系统概述平太阳时(mean solar time)MT1.1.太阳时：太阳时： 定义： 以太阳作为参考点，由它的周日视运动即两次经过本地子午线的时间间隔所确定的时间称为一个 太阳日。 一个太阳日=24个太阳小时=1440太阳分=86400太阳秒。 2.2.平太阳时：平太阳时： 定义： 以平太阳作为参考点，由它的周日视运动所确定的时间称为平太阳 时。 计量时间单位：平太阳日、平太阳小时、平太阳分、平太阳秒； 一个平太阳日=24个平太阳小时=1440平太阳分=86400个平太阳秒。 平太阳时与日常生活中使用的时间系统是一致的，他是一种地方时。时间系统概述世界时世界时(universal t

19、ime)UT(universal time)UT世界时世界时UTUT 定义：以平子午夜为零时起算的格林尼治平太阳时定义为世界时UT。他是世界统一的时间系统世界时与平太阳时的尺度一致，只是零起算点不同原子时原子时： 是以物质内部原子运动的特征为基础建立的时间系统。 原子时的尺度标准：国际制秒（SI）。 原子时的原点由下式确定：AT=UT2-0.0039(s） 协调世界时协调世界时(coordinate universal time)UTC(coordinate universal time)UTC 为了兼顾对世界时时刻和原子时秒长两者的需要建立了一种折衷的时间系统，称为协调世界时UTC。根据国际

20、规定，协调世界时UTC的秒长与原子时秒长一致，在时刻上则要求尽可量与世界时接近。 协调时与国际原子时之间的关系，如下式所示： IAT=UTC+1sn 式中n为调整参数。GPSGPS时间系统时间系统GPSTGPST GPST属于原子时系统，它的秒长即为原子时秒长，GPST的原点与国际原子时IAT相差19s。有关系式： IAT-GPST=19（s） GPS时间系统与各种时间系统的关系见下图所示：时间系统概述历元表示在GPS定位中，历元常用GPS星期加GPS秒表示，GPS星期为从1980年1月6日0时时刻的整星期数，GPS秒为从刚过去的星期日0时开始至当前时刻的秒数。常用术语 观测时段（观测时段（S

21、essionSession） 测站上开始接收卫星信号到停止接收，连续观测的时间间隔称为观测时段，简称时段。 同步观测（同步观测（Simultaneous ObservationSimultaneous Observation） 多台接收机同时对同一组卫星进行观测。 基线向量（基线向量（BaselineBaseline） 对同步观测所采集的数据进行处理，所获得的同步观测测站间的坐标差。 截止高度角（截止高度角（Cut-off ElevationCut-off Elevation） 接收机观测卫星的高度角限值，低于此限值的卫星不被观测。 采样间隔（采样间隔（IntervalInterval） 接收

22、机连续两个观测历元间的时间间隔。三、GPS定位基本原理GPS定位一、静态定位与动态定位一、静态定位与动态定位 静态定位是指GPS接收机在进行定位时，待定点的位置相对其周围的点位没有发生变化，其天线位置处于固定不动的静止状态。此时接收机可以连续地在不同历元同步观测不同的卫星，获得充分的多余观测量，根据GPS卫星的已知瞬间位置，解算出接收机天线相位中心的三维坐标。由于接收机的位置固定不动，就可以进行大量的重复观测，所以静态定位可靠性强，定位精度高，在大地测量、工程测量中得到了广泛的应用，是精密定位中的基本模式。 准静态定位是指静止不动只是相对的。在卫星大地测量学中，在两次观测之间（一般为几十天到几

23、个月）才能反映出发生的变化。 动态定位是指在定位过程中，接收机位于运动着的载体，天线也处于运动状态的定位。动态定位是用GPS信号实时地测得运动载体的位置。如果按照接收机载体的运行速度，还可将动态定位分为低动态（几十米/秒）、中等动态（几百米/秒）、高动态（几公里/秒）三种形式。其特点是测定一个动点的实时位置，多余观测量少、定位精度较低。目前导航型的GPS接收机，可以说是一种广义的动态定位，它除了要求测定动点的实时位置外，一般还要求测定运动载体的状态参数，如速度、时间和方位等。二、单点定位和相对定位二、单点定位和相对定位 GPS单点定位也叫绝对定位，就是采用一台接收机进行定位的模式，它所确定的是

24、接收机天线在WGS84世界大地坐标系统中的绝对位置，所以单点定位的结果也属于该坐标系统。 GPS单点定位的实质，即是空间距离后方交会。对此，在一个测站上观测3颗卫星获取3个独立的距离观测量就够了。但是由于GPS采用了单程测距原理，此时卫星钟与用户接收机钟不能保持同步，所以实际的观测距离均含有卫星钟和接收机钟不同步的误差影响，习惯上称之为伪距。其中卫星钟差可以用卫星电文中提供的钟差参数加以修正，而接收机的钟差只能作为一个未知参数，与测站的坐标在数据的处理中一并求解。因此，在一个测站上为了求解出4个未知参数（3个点位坐标分量和1个钟差系数），至少需要4个同步伪距观测值。也就是说，至少必须同时观测4

25、颗卫星。 相对定位又称为差分定位，是采用两台以上的接收机（含两台）同步观测相同的GPS 卫星，以确定接收机天线间的相互位置关系的一种方法。其最基本的情况是用两台接收机分别安置在基线的两端（左图），同步观测相同的GPS卫星，确定基线端点在世界大地坐标系统中的相对位置或坐标差（基线向量），在一个端点坐标已知的情况下，用基线向量推求另一待定点的坐标。相对定位可以推广到多台接收机安置在若干条基线的端点，通过同步观测GPS卫星确定多条基线向量。相对定位示意图由于同步观测值之间有着多种误差，其影响是相同的或大体相同的，这些误差在相对定位过程中可以得到消除或减弱，从而使相对定位获得极高的精度。当然，相对定位

26、时需要多台（至少两台以上）接收机进行同步观测。故增加了外业观测组织和实施的难度。 在单点定位和相对定位中，又都可能包括静态定位和动态定位两种方式。其中静态相对定位一般均采用载波相位观测值为基本观测量。这种定位方法是当前GPS测量定位中精度最高的一种方法，在大地测量、精密工程测量、地球动力学研究和精密导航等精度要求较高的测量工作中被普遍采用。三、主动式测距和被动式测距三、主动式测距和被动式测距主动式测距(右图）是用电磁波测距仪发射测距信号，通过另一端的反射器反射回来，再由测距仪接收。根据测距信号的往、返传播时间求解出往返距离 。由于电磁波测距仪需在测站点上主动发出测距信号，故称这种测距方式为主动

27、式测距。主动式测距只要求仪器钟自身能在信号往、返时间段中保持稳定，就不会影响测距精度。其缺点是用户必须发射信号因而难以隐蔽自己，这对军事用户十分不利。此 外要求用户同时具有发射设备和接收设备，装置较为复杂。双程测距（EDM）与单程测距（GPS） 被动式测距是发射站（例如卫星）在规定的时刻内准确地发出信号，用户则根据自己的时钟记录信号到达的时间，根据时差 求得单程距离 。由于用户只需被动的接收信号，故称为被动式测距。其优点是用户无需发射信号，因而便于隐蔽自己，用户装置也较简单，只配备接收设备即可。为了众多用户同时工作，要求接收机钟和各卫星钟都要和GPS 时间系统保持同步，所以对钟的稳定度提出了很

28、高的要求，或者要求采取特殊措施解决钟差对测距带来的影响。四、用四、用GPSGPS定位的基本方法定位的基本方法 前面所述的静态定位或动态定位，所依据的观测量都是所测的卫星至接收机天线的伪距。但是，伪距的基本观测量又区分为码相位观测（简称测码伪距）和载波相位观测（简称测相伪距）。这样，根据GPS信号的不同观测量，可以区分为四种定位方法： 1）卫星射电干涉测量 以银河系以外的类星体作为射电源的甚长基线干涉测量（VLBI）具有精度高，基线长度几乎不受限制等优点。因类星体离我们十分遥远，射电信号十分微弱，因而必须采用笨重、昂贵的大口径抛物面天线、高精度的原子钟和高质量的记录设备，所需的设备比较昂贵，数据

29、处理较为复杂，从而限制了该技术的应用。GPS卫星的信号强度比类星体的信号强度大10万倍，利用GPS卫星射电信号具有白噪声的特性，由两个测站同时观测一颗GPS卫星，通过测量这颗卫星的射电信号到达两个测站的时间差，可以求得站间距离。由于在进行干涉测量时，只把GPS卫星信号当作噪声信号来使用，因而无需了解信号的结构，所以这种方法对于无法获得P码的用户是很有吸引力的。其模型与在接收机间求一次差的载波相位测量定位模型十分相似。2）多普勒定位法 多普勒效应是1942年奥低利物理学家多普勒首先发现的。它的具体内容是：当波源与观测者做相对运动时，观测者接收到的信号频率与波源发射的信号频率不相同。这种由于波源相

30、对与观测者运动而引起的信号频率的移动称为多普勒频移，其现象称为多普勒效应。根据多普勒效应原理，利用GPS卫星较高的射电频率，由积分多普勒计数得出伪距差。当采用积分多普勒计数法进行测量时，所需观测时间一般较长（数小时），同时在观测过程中接收机的振荡器要求保持高度稳定。 3）伪距定位法 伪距定位法是利用全球卫星定位系统进行导航定位的最基本的方法，其基本原理是：在某一瞬间利用GPS接收机同时测定至少四颗卫星的伪距，根据已知的卫星位置和伪距观测值，采用距离交会法求出接收机的三维坐标和时钟改正数。伪距定位法定一次位的精度并不高，但定位速度快，经几小时的定位也可达米级的精度，若再增加观测时间，精度还可提高

31、。 4）载波相位测量 载波信号的波长很短，L1载波信号波长为19厘米，L2载波信号波长为24.4厘米。若把载波作为量测信号，对载波进行相位测量可以达到很高的精度。通过测量载波的相位而求得接收机到GPS 卫星的距离，是目前大地测量和工程测量中的主要测量方法。伪距定位法的应用伪距定位法的应用 伪距定位法是单点定位的基本方法，它的定位速度很快，又无多值性问题，数据处理也比较便捷。由于它的测量信号是卫星发播的测距码，故测量精度就和测距码与复制码的相关（对齐）精度有关，也与测距码的码元宽度有关。 根据经验，接收机的复制码与测距码的对齐精度约为码元宽度（或码的波长）的1。对与C/A码，其码元宽度约为293

32、m，伪距测量精度则为2.9m；对于P码，其码元宽度约为29.3m，伪距测量精度则为0.29m，比C/A码的测量精度约高10倍。 但是，由于P码受美国军方控制，一般用户无法得到，只能利用C/A码进行伪距定位，加之美国对利用GPS有限制政策，在采用SA技术时，利用C/A码进行伪距定位的精度降低至约100m，远远不能满足高精度单点定位的要求。 若要提高测站点间的相对位置精度。则可用若干台接收机同时对相同的卫星进行伪距测量，此时卫星星历误差、卫星钟的误差、电离层和对流层折射误差对各同步观测站的影响基本相同，在求坐标差时可以自行消除。 伪距法进行相对定位可以采用两种办法：（1）间接相对定位：各同步测站分

33、别进行单点定位，求得各测站坐标，然后相减求得坐标差。（2）直接相对定位：当两个测站进行同步观测时，产生两个数学式。相减后建立起伪距定位法用于相对定位的数学模型。然后解算出坐标差。GPS GPS 动态定位原理动态定位原理 动态定位的特点动态定位的特点 GPS动态定位和GPS静态定位相比较，有以下显著特点：1.用户的广泛性 GPS动态定位是运动状态下的一种实时定位方法。其绝大多数用户均在陆、海、空军事领域。同时，在交通运输、地球物理勘探、航空摄影测量、采矿生产等领域中，也有着广泛的应用。运动载体可以是地面运动的、水上航行的、空中飞行的，所以它的用户具有广泛性，比GPS静态定位具有更加广阔的应用天地

34、。2.定位的实时性 在静态定位时，用户天线相对于地球是固定不动的；而动态定位，用户天线将随着运动载体不停的运动，特别是对于高动态定位，要求以极短的时间（如亚秒级）采集一个点的实时定位数据，适时的处理定位数据，及时的给出定位成果。所以动态定位具有强烈和紧迫的实时性。 3.速度的多异性 GPS动态定位时的载体多种多样，这些载体的速度从每秒几米到每秒几公里。据此GPS动态定位分为低中高三种定位形式：低动态定位，载体的运动速度每秒几米至几十米；中等动态定位，载体的运动速度每秒100m至1000m；高动态定位，载体的运动速度在每秒一公里以上。 由上所述，动态定位显著区别于静态定位。在用户天线以每秒几米到

35、几公里的速度相对于地球运动的情况下，需要用GPS信号测定它们的七维状态参数：三维坐标、三维速度、时间。 人们的生活离不开时间，从日常生活到航海、航空和航天，定时有着广泛的应用领域。随着使用目的的不同，人们对时间准确度的要求也不同。若用GPS卫星信号进行时间传递，只要有一台能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收机，就可以获得较高的定时精度。 GPS卫星上都安装有四台原子钟，GPS时间与世界协调时UTC之差经常保持在1s以内。因此，GPS卫星可以成为一种全球性用户的时间信号源，用以进行精确的时间比对。 在用GPS信号传递时间时，存在着三种时间尺度（时标）：其一为GPS时间，它是一种全球性的时间

36、信号源，用以进行精确的时间比对；二是每颗GPS卫星的时钟；三是用户接收机的时钟。GPS定时的实质是测定用户时钟相对于GPS时间的偏差，并根据卫星电文给出的有关参数，计算出世界协调时（UTC） GPSGPS定时定时 基线解算结果的质量评定指标基线解算结果的质量评定指标单位权方差因子RMS - 均方根误差数据删除率定义：在基线解算时，如果观测值的改正数大于某一个阈值时，则认为该观测值含有粗差，则需要将其删除。被删除观测值的数量与观测值的总数的比值，就是所谓的数据删除率。定义：定义：定义：由独立基线所组成的闭合环称为异步闭合环，简称异步环异步环的闭合差称为异步环闭合差。异步环闭合差定义：同步环闭合差

37、是由同步观测基线所组成的闭合环的闭合差。同步环闭合差定义：所谓RDOP值指的是在基线解算时待定参数的协因数阵的迹（tr(Q) ）的平方根RDOP定义：RATIO值为在采用搜索算法确定整周未知数参数的整数值时，产生次最小的单位权方差与最小的单位权方差的比值。RATIO重复基线较（互）差定义：不同观测时段，对同一条基线的观测结果，就是所谓重复基线。这些观测结果之间的差异，就是重复基线较（互）差。几种典型的残差图几种典型的残差图网平差网平差网平差的类型网平差的类型无约束平差定义：GPS网的无约束平差指的是在平差时不引入会造成GPS网产生由非观测量所引起的变形的外部起算数据。常见的GPS网的无约束平差

38、，一般是在平差时没有起算数据或没有多余的起算数据。约束平差定义：GPS网的约束平差指的是平差时所采用的观测值完全是GPS观测值（即GPS基线向量），而且，在平差时引入了使得GPS网产生由非观测量所引起的变形的外部起算数据。联合平差 定义：GPS网的联合平差指的是平差时所采用的观测值除了GPS观测值以外，还采用了地面常规观测值，这些地面常规观测值包括边长、方向、角度等观测值等。无约束平差的作用 评定GPS网的内部符合精度，发现和剔除GPS观测值中可能存在的粗差,得到GPS网中各个点在WGS-84系下经过了平差处理的三维空间直角坐标,为将来可能进行的高程拟合，提供经过了平差处理的大地高数据平差结果

39、的质量评定 指标：相邻点距离中误差 1.单位权方差的检验 2.基线改正数的检验 3.已知坐标的检验53 GPSGPS数据预处理数据预处理及观测成果的质量检核及观测成果的质量检核数据预处理数据预处理 为了获得GPS观测基线向量并对观测成果进行质量检核，首先要进行GPS数据的预处理。根据预处理结果对观测数据的质量进行分析并做出评价，以确保观测成果和定位结果的预期精度。 预处理的主要目的是对原始数据进行编辑、加工整理、分流并产生各种专用信息文件，为进一步的平差计算作准备。它的基本内容是： 数据传输 将GPS接收机记录的观测数据传输到磁盘或其它介质上。 数据分流 从原始记录中，通过解参码将各种数据分类

40、整理，剔除无效观测值和冗余信息，形成各种数据文件，如星历文件、观测文件和测站信息文件等。 统一数据文件格式将不同类型接收机的数据记录格式、项目和采样间隔，统一为标准化的文件格式，以便统一处理。 卫星轨道的标准化 采用多项式拟合法，平滑GPS卫星每小时发送的轨道参数，使观测时段的卫星轨道标准化。 探测周跳、修复载波相位观测值。 对观测值进行必要改正 在GPS观测值中加入对流层改正，单频接收的观测值中加入电高层改正。 观测成果的外业检核观测成果的外业检核 对野外观测资料首先要进行复查，内容包括；成果是否符合调查命令和规范的要求；进行的观测数据质量分析是否符合实际。然后进行下列项目的检核： 一. 每

41、一条基线的检验 1、模糊度的可靠性指标Ratio：短边绝对值3或相对值95%；长边应降低要求； 2、基线实际误差与估值误差的比值：越小越好10，不能大于20； 3、反映观测质量的均方根误差RMS、参考因子单位权中误差 m0 、有关项的精度估值 mi ； 4、残差分析：载波相位残差图，残差绝对值应小于载波波长的1/10； 5、调整参数： a 观测值删除率：使用残差为RMS的倍数1.53之间调整，同一时段观测值的数据别除率，其值应小于10；卫星高度角：1020之间调整。GPSGPS网平差处理网平差处理 在各项质量检核符合要求后，以所有独立基线组成闭合图形，以三维基线向量及其相应方差协方差阵作为观测

42、信息，以一个点的WGS-84系三维坐标作为起算依据，进行GPS网的无约束平差。无约束平差应提供各控制点在WGS84系下的三维坐标，各基线向量三个坐标差观测值的总改正数，基线边长以及点位和边长的精度信息。 在无约束平差确定的有效观测量基础上，在国家坐标系或城市独立坐标系进行三维约束平差或二维约束平差。约束点的已知点坐标，已知距离或巳知方位，可以作为强制约束的固定值，也可作为加权观测值。平差结果应输出在国家或城市独立坐标系中的三维或二维坐标，基线向量改正数，基线边长。方位以及坐标，边长，方位的精度信息；转换参数及其精度信患。 采用不同类型仪器或软件，施测和计算GPS基线向量时，应对其随机模型进行分

43、析。六、GPS测量的技术与实施GPSGPS测量的技术设计测量的技术设计 GPS网技术设计的依据 GPS网技术设计的主要依据是GPS测量规范和测量任务书。 一. GPS测量规范 全球定位系统（GPS）测量规范 GB/T 183142001；各部委根据本部门GPS工作的实际情况制定的专业测量规程或细则。二. 测量任务书 测量任务书或合同书是测绘单位上级主管部门或合同甲方下达的技术要求文件，这种技术文件是指令性的，它规定了测量任务的范围、目的、精度和密度要求，提交成果资料的项目和时间，完成任务的经济指标等。 在GPS方案设计时，一般首先依据测量任务书提出的GPS网的精度、密度和经济指标，再结合规范（

44、规程）规定并现场踏勘具体确定各点间的连接方法，各点设站观测的次数、时段长短等布网观测方案。 GPS网的精度、密度设计 一. GPS测量精度标准及分类 GPS测量按其精度划分为AA、A、B、C、D、E级。 AA级主要用于全球性的地球动力学研究、地壳形变测量和精密定轨； A级主要用于区域性的地球动力学研究和地壳形变测量； B级主要用于局部形变监测和各种精密工程测量； C级主要用于大、中城市及工程测量的基本控制网； D、E级主要用于中、小城市、城镇及测图、地藉、土地信息、房产、物探、勘测、建筑施工等的控制测量。二. GPS点的密度标准 各级GPS网相邻点间的平均距离应符合表2的要求，相邻点的最小距离

45、可为平均距离的1/31/2；最大距离可为平均距离的23倍。GPS网中相邻点之间的平均距离（km) GPS网构成的几个基本概念及网特征条件一. GPS网图形构成的几个基本概念 观测时段：测站上开始接收卫星信号到观测停止连续工作的时间段，简称时段； 同步观测：两台或两台以上接收机同时对一组卫星进行的观测； 同步观测环：三台或三台以上的接收机同步观测获得的基线向量所构成的闭合环，简称同步环； 独立观测环：由独立观测所获得的基线向量构成的闭合环，简称独立环； 异步观测环：在构成多边形环路的所有基线向量中，只要有非同步观测基线向量，则该多边形环路叫异步观测环，简称异步环； 独立基线：对于N台GPS接收机

46、构成的同步观测环，有J条同步观测基线，其中独立基线数为N1，JN(N1)/2； 非独立基线：除独立基线外的其它基线叫非独立基线； 非独立基线数：总基线数与独立基线数之差即为非独立基线数。GPS基线向量的布网形式GPSGPS网常用的布网形式有跟踪站式、会战式、多基准站式、网常用的布网形式有跟踪站式、会战式、多基准站式、同步图形扩展式、单基准站式。同步图形扩展式、单基准站式。GPS网的设计准则 GPS网设计的出发点是在保证质量的前提下，尽可能地提高效率，努力降低成本。因此，在进行GPS的设计和测设时，既不能脱离实际的应用需求盲目地要求不必要的高精度和高可靠性；也不能为追求高效率和低成本而放弃对质量

47、的要求。 一.提高GPS网可靠性的方法1、增加观测期数(增加独立基线数) 2、保证一定的重复设站次数3、保证每个测站至少与三条以上的独立基线相连，这样可以使得测站具有较高的可靠性。4、在布网时要使网中所有最小异步环的边数不大于6条。二. 提高GPS网精度的方法1、 为保证GPS网中各相邻点具有较高的相对精度，对网中距离较近的点一定要进行同步观测，以获得它们间的直接观测基线。2、为提高整个GPS网的精度可以在全面网之上布设框架网，以框架网作为整个GPS 网的骨架;精心制定一个子区和子环路的实测方案。3、 在布设GPS网时，引入高精度激光测距边，作为观测值与GPS观测值（基线向量）一同进行联合平差

48、，或将它们作为起算边长。4、若要采用高程拟合的方法，测定网中各点的正常高正高，则需在布网时，选定一定数量的水准点，水准点的数量应竟可能的多，且应在网中均匀分布；还要保证有部分点分布在网的四周，将整个网包含在其中。5、为提高GPS网的尺度精度，可采用如下方法：增设长时间、多时段的基线向量。三. 布设GPS网时起算点的选取与分布 若要求所布设的GPS网的成果与旧成果吻合最好，则起算点数量越多越好；若不要求所布设的GPS网的成果完全与旧成果吻合，则一般选35个起算点，这样既可以保证新旧成果的一致性，也可以保持GPS网的原有精度。 为保证整网的点位精度均匀，起算点一般应均匀地分布在GPS网的周围。要避

49、免所有的起算点分布在网中一侧的情况。四四. . 布设布设GPSGPS网时起算边长的选取与分布网时起算边长的选取与分布 在布设GPS网时，可以采用高精度激光测距边作为起算边长，激光测距边的数量可在35条左右，它们可设置在GPS网中的任意位置。但激光测距边两端点的高差不应过分悬殊。五五. . 布设布设GPSGPS网时起算方位的选取与分布网时起算方位的选取与分布 在布设GPS网时，可以引入起算方位，但起算方位不宜太多，起算方位可布设在GPS网中的任意位置。 GPS GPS测量的外业准备及技术设计书编写测量的外业准备及技术设计书编写 在进行GPS外业工作之前，必须做好实施前的工区踏勘、资料收集、器材筹

50、备、观测计划拟定，GPS仪器检校及设计书编写等工作。 测区踏勘资料收集 设备、器材筹备及人员组织拟定外业观测计划技术设计与编写 一一. . 任务来源及工作量任务来源及工作量二二. . 测区概况测区概况三三. . 布网方案布网方案四四. . 选点与埋标选点与埋标五五. . 观测观测六六. . 数据处理数据处理七七. . 完成任务的措施完成任务的措施八八. . 上交资料上交资料资料收集全后，编写技术设计，主要编写内容如下：资料收集全后，编写技术设计，主要编写内容如下：GPSGPS测量的外业实施测量的外业实施 GPS GPS测量外业实施包括测量外业实施包括GPSGPS点的选埋、观测、数据传输及数据预点的选埋、观测、数据传输及数据预处理等工作。处理等工作。选点选点 由于GPS测量观测站之间不一定要求相互通视，而且网的图形结构也比较灵活，所以选点工作比常规控制测量的选点要简便。但由于点位的选择对于保证观测工作的顺利进行和保证测量结果的可靠性有着重要的意义，所以在选点工作开始前，除收集和了解有关测区的地理情况和原有测量控制点分布及标架、标型、标石完好状态，决定其适宜的点位。标志埋设 GPS网点一般应埋设具有中心标志的标石，以精确标志点位，点的标石和标志必须稳定、坚固以利长久保存和利用