《GPS原理及其应用》教学课件

1、GPS原理及其应用1第1页，共114页。第一章 GPS卫星定位原理一、卫星定位技术发展的回顾二、GPS定位系统的组成三、GPS定位的观测方程四、GPS卫星测量的误差来源五、差分法载波相位测量和观测的线性组合2第2页，共114页。一、卫星定位技术发展的回顾卫星定位技术是利用人造地球卫星进行定位测量。五十年代美国国家大地测量局开始利用卫星几何光学观测法和卫星轨道跟踪法建立全球卫星网和全球地心坐标系，建立了一个由45个点组成的全球三角网。前苏联和若干欧洲国家也作了类似的工作。六十年代美国还完成了多普勒卫星定位系统-海军子午导航卫星系统（NNSS）的布设，并于1968年向民用开放。前苏联也建立了一个由

2、12颗宇宙卫星组成的卫星导航系统，自此揭开了卫星定位的新篇章。接着美国在七十年代又开始研制第二代卫星定位系统-全球定位系统（GPS）。第3页，共114页。一、卫星定位技术发展的回顾1978年2月22日，第1颗GPS试验卫星发射成功，1985年10月9日最后一颗GPS试验卫星入轨运行； 1989年2月14日，第1颗GPS工作卫星发射成功，宣告了GPS系统进入了生产作业阶段；1994年全部完成24颗工作卫星（含3颗备用卫星）的发射工作。GPS系统的出现，使卫星定位技术发展到了一个辉煌的历史阶段。第4页，共114页。二、GPS定位系统的组成 GPS定位技术是利用高空中的GPS卫星，向地面发射L波段的

3、载频无线电测距信号，由地面上用户接收机实时地连续接收，并计算出接收机天线所在的位置。GPS定位系统由以下三个部分组成：（1）GPS卫星星座（空间部分）（2）地面监控系统（地面控制部分）（3）GPS信号接收机（用户设备部分）。 这三部分有各自独立的功能和作用，对于整个全球定位系统来说，它们都是不可缺少的。第5页，共114页。第6页，共114页。GPS卫星第7页，共114页。目前覆盖全球的“GPS星座”（24颗），使得在地球上任何地方可以同时观测到4-12颗高度角15以上的卫星。24颗GPS卫星分布在6个近圆形轨道面，高度在地面以上约20200km，轨道面相对于地球赤道面倾斜55角，卫星运转周期约

4、11小时58分（半个恒星日）。这样在各地每天出现的卫星情况提前4分钟与上一次的相同。在GPS定位系统中，GPS卫星的作用是：（1）向广大用户连续不断地发送导航定位信号，用导航电文报告自己的现势位置，以及其它在轨卫星的概略位置。（2）在飞越注入站上空时，接受由地面注入站发送来的导航电文和其它有关信息，供实时转发给地面上广大用户。（3）接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令。（一）GPS卫星和星座第8页，共114页。GPS卫星分布图第9页，共114页。（二）地面监控系统地面监控系统由一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。主控站的作用：收集各个监测站所测得的伪距和积分多普勒观测值、环境要素等

5、数据，计算每颗GPS卫星的星历（轨道参数）、时钟改正量、状态数据、以及信号的大气层传播改正，并按一定的形式编制成导航电文，传送到主控站，此外还控制和监视其余站的工作情况并管理调度GPS卫星。第10页，共114页。（二）地面监控系统注入站的作用：将主控站传来的导航电文，用10cm（S）波段的微波作载波，分别注入到相应的GPS卫星中，通过卫星将导航电文传递给地面上的广大用户。由于导航电文是GPS用户所需要的一项重要信息，通过导航电文才能确定出GPS卫星在各时刻的具体位置，因此注入站的作用是很重要的。监测站的任务：为主控站编算导航电文提供原始观测数据。每个监测站上都有GPS信号接收机对所见卫星作伪距

6、测量和积分多普勒观测，采集环境要素等数据，经初步处理后发往主控站。第11页，共114页。(三) 用户设备部分GPS的空间部分和地面监控部分，为用户利用该系统进行导航和定位提供了基础。而用户要实现利用GPS进行导航和定位的目的，还需要具备GPS信号接收机，即用户设备部分。其作用：接收GPS卫星发射的信号，获得必要的导航和定位信息及观测量，经数据处理后获得观测时刻接收机天线相位中心的位置坐标。 用户设备部分：由GPS接收机和数据处理软件组成。GPS接收机有多种分类，对于大地测量应用来说，一般都是采用单频接收机或双频接收机，后者可作双频载波相位精密测量，定位精度高。第12页，共114页。第13页，共

7、114页。 第14页，共114页。（四）GPS的主要特点 全球地面覆盖。 功能多，精度高。 实时定位。 应用广泛。 观测站之间无需通视。 传统的测量技术既要保持良好的通视条件，又要保障测量控制网的良好结构，这一直是在实践方面的困难问题之一。GPS测量不要求观测站之间相互通视，因而不再需要建造觇标，这一优点既可大大减少测量工作的经费和时间，同时也使点位的选择变得甚为灵活。 不过为了使接收GPS卫星的信号不受干扰，必须保持观测站上空的开阔（净空）。相对于传统的测量技术，GPS的主要特点有： 第15页，共114页。定位精度高。现已完成的大量实验表明，目前在小于50km的基线上，其相对定位精度可达12

8、10-6，而在100km500km的基线上可达10-6 10-7。随着观测技术与数据处理方法的改善，可望在大于1000km的距离上，相对定位精度可达到或优于10-8。观测时间短。目前，利用经典的静态定位方法，完成一条基线的相对定位所需要的观测时间，根据要求的精度不同，一般约为13小时。为了进一步缩短观测时间，提高作业速度，近年来发展的短基线（例如不超过20km）快速相对定位法，其观测时间仅需数分钟。第16页，共114页。提供三维坐标。GPS测量，在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。GPS测量的这一特点，不仅为研究大地水准面的形状和确定地面点的高程开辟了新途径，同时也为

9、其在航空物探，航空摄影测量及精度导航中的应用，提供了重要的高程数据。操作简便。GPS测量的自动化程度很高，在观测中测量员的主要任务只是安置并开关仪器，量取仪器高，监视仪器的工作状态和采集环境的气象数据，而其它观测工作，如卫星的捕获，跟踪观测和记录等均由仪器自动完成。另外，GPS用户接收机一般重量较轻，体积较小，因此携带和搬运都很方便。 第17页，共114页。全天侯作业。GPS观测工作，可以在任何地点，任何时间连续地进行，一般也不受天气状况的影响。第18页，共114页。三、GPS定位的观测方程（一） 伪距法 GPS全球定位系统的基本定位方法，是通过测量信号从卫星到接收机的传播时间，得到卫星与接收

10、机之间的距离，然后根据多个这样的距离来解算接收机天线所在的位置坐标。假定卫星和接收机的时钟都是与GPS系统的时间（或UTC时间世界协调时）保持完全同步，即不存在卫星钟差与接收机钟差，并且为简化起见，也不考虑大气层折射延迟（包括电离层和对流层）等的影响，则此时卫星至地面接收机的距离，与信号传播时间之间有如下简单关系： 式中c为光速。第19页，共114页。式中tR 为接收机时钟与GPS系统时间的同步差；tS 为卫星钟与GPS系统时间的同步差；ta 为大气层折射延迟影响（包括电离层和对流层的折射延迟）； ， XS、XR 分别为GPS卫星和接收机在协议地球坐标系（WGS-84系）中的地心矢量。 实际上

11、卫星钟与接收机钟一般并没有与GPS系统时间完全同步，再考虑到大气层折射延迟的影响，因此测量得到的并非真正的卫星至接收机的几何直线距离，而是所谓的伪距PR：第20页，共114页。 在上式中，tS 可以由卫星广播电文查出，并在观测方程中作相应的改正；tR 是直接作为未知数，与测站坐标等其它未知数一并求解；ta 为大气层折射所致的多余时间延迟，其中电离层折射影响可以通过双频观测技术予以消除，对单频接收机则可通过有关模型予以粗略改正；对流层折射效应可以通过选择适当延迟模型予以估算。 由于存在测站三维位置坐标和接收机时钟改正量四个未知数，故至少需同时对四个卫星进行观测才能对方程 求解，求出四个未知数。第

12、21页，共114页。无SA时 C/A码单点定位精度 15-30m有SA时 C/A码单点定位精度 100 m 军用P码单点定位精度 3 m精度:GPS卫星GPS单机实时定位原理第22页，共114页。第23页，共114页。(二) 载波相位测量方法由于载波的波长远小于测距码的波长，所以在分辨率相同的情况下，载波相位的观测精度远较码相位的观测精度高。载波相位观测值的定义为式中：S(tS)为接收机于tR时刻收到的卫星信号的相位；R(tR)为接收机同时刻产生的参考信号的相位；tS、tR 是GPS系统时间或UTC时间。对于连续波，载波相位测量的观测方程可表示为：第24页，共114页。式中，为信号发射时刻（t

13、S）的卫星至接收机距离，=c/fS为信号波长，fS为卫星信号频率，N为初始观测时刻传播路径上整波长数目（整周未知数），t包括卫星钟与接收机钟误差和大气层折射延迟等影响。从上式中可以看到，用精密的载波相位测量值解算时，除了同样要考虑卫星钟与接收机钟的时间同步差，以及大气层折射延迟影响外，还有整周未知数的问题。只有这些问题都解决了，才能得出高精度的卫星测量定位结果。第25页，共114页。基准站（坐标已知）GPS卫星待定站（坐标未知）差分定位精度伪距： 5 m相位： 厘米级 到毫米级 差分GPS定位原理第26页，共114页。四、GPS卫星测量的误差来源 GPS卫星在距离地面约20200公里的高空，向

14、地面上的广大用户发送测距信号和导航电文等信息。GPS定位的观测量不可避免地会受到多种误差源影响。按照这些误差源的来源，可分为三种情况：（1）与GPS卫星有关的误差、（2）与信号传播有关的误差、（3）与接收设备有关的误差。以下作简要的分析：(一) 与GPS卫星有关的误差1卫星星历误差: 它是指广播星历或其它轨道信息给出的卫星理论位置与实际位置之间的差值。前面已经提到过，GPS卫星星历是由布设在地面上监测站连续跟踪观测GPS卫星，再由主控站对卫星作精密定轨计算得到的。而广播星历又是由定轨结果外推得出，因此广播星历的精度是有限的。第27页，共114页。2卫星钟误差：与卫星位置是时间的函数，所以GPS

15、的观测量均以精密测时为前提。虽然GPS卫星均配有高精度的原子钟，但它们与理想的GPS时之间仍会有偏差或漂移，难以避免。由此引起的等效距离误差在0.5m左右。第28页，共114页。(二) 与信号传播有关的误差GPS信号传播的误差：是大气折射误差和多路径效应引起的。而大气折射误差又分为电离层折射影响和对流层折射影响。多路径效应：是指接收机天线除直接收到来自GPS卫星的信号外，还可能收到天线周围地物反射来的信号。这两种信号叠加在一起将会引起测量参考点（相位中心）的变化，而且这种变化随天线周围反射面的性质而异，难以控制。多路径效应具有周期性误差，其变化幅度可达数厘米。消除或减弱多路径效应，除了采用载波

16、相位测量方法外，一般是采用造型适宜且屏蔽良好的天线。这种天线一般装备有抑径板或抑径圈，可以阻挡来自水平面以下的多路径信号被接收。第29页，共114页。(三) 与接收设备有关的误差主要有：观测误差、接收机钟差、相位中心误差和载波相位观测的整周不定性误差等。1观测误差：分观测的分辨误差、接收机天线的安置误差。2接收机的钟差：可在数据处理中作为未知数来解出。在作差分法相对定位时，也可通过在不同卫星之间求差来消除。3天线的相位中心误差：GPS接收机天线的几何中心与相位中心不一致产生的误差，GPS测量的观测值都是以天线的相位中心为准的，而我们一般只能观察到天线的几何中心。该项误差是天线设计误差。整周不定

17、性误差：是指观测中整周未知数的跳变现象（周跳）。第30页，共114页。五、差分法载波相位测量和观测量的线性组合设在某基线两端安设GPS接收机Ti（i=1，2），对卫星sk和sj与历元t1和t2进行同步观测，则对任一频率Li（i=1，2），有独立的载波相位观测量j1(t1)、j1(t2)、k1(t1)、k1(t2)、j2(t1)、j2(t2)、k2(t1)、k2(t2) 。而相应的基本观测方程为 式中t1(t)为历元t时测站1的接收机钟差，tj(t)为历元t时卫星j的时钟误差，j1,IP(t)为电离层折射延迟量，j1,T(t)为对流层折射延迟量。为了克服大气折射延迟改正不够准确，以及减少未知数等

18、原因，常对以上观测量作差分处理。一般有单差、双差、和三差法。第31页，共114页。(一) 单差法单差观测量通常是指不同观测站同步观测相同卫星所得观测量之差，其表达形式为 相应的观测方程为可见式中已经消去了两站共视卫星sj的时钟误差tj(t)，另外对流层折射与电离层折射部分也都有所消弱。第32页，共114页。图2-4 测站间同步观测量的单差 T2 T1 S1 第33页，共114页。(二) 双差法双差观测量是在单差法基础上，对不同测站同步观测一组卫星所得单差之差，即 相应的观测方程为这样进一步消除了两站的接收机时钟误差项。为了简便起见，式中忽略了有关大气折射延迟的双差项。第34页，共114页。图2

19、-5 GPS同步观测量之双差 T1 T2S1 S2第35页，共114页。(三) 三差法三差法是在双差法基础上，进一步对不同历元之间，不同测站同步观测的同一组卫星所得双差观测量作差分，即 相应的观测方程为这样一来，就进一步消去了双差观测方程中含有整周未知数的项。第36页，共114页。图2-6 GPS相对定位的观测量 T1T2第37页，共114页。第二章 GPS测量的实施前面介绍了有关GPS定位的基本概念和原理，本章将介绍目前GPS测量实施的主要过程，作业的基本方法和原则。由于GPS测量工作的实施方法与用户的要求，和所用接收系统硬件与软件的相关，所以，GPS测量工作的作业细节，还须按国家有关部门颁

20、发的GPS测量规范，以及所用GPS接收系统的操作说明书执行。 第38页，共114页。第1节 概 述 GPS测量工作可分为外业和内业两大部分。其中，外业工作主要包括，选点（即观测站址的选择）、建立测站标志、野外观测作业以及成果质量检核等工作；内业工作主要包括，GPS测量的技术设计、测后数据处理以及技术总结等。如果按照GPS测量实施的工作程序，则大体可分为这样几个阶段：网的优化设计；选点与建立标志；外业观测；成果检核与处理。GPS测量，是一项技术复杂、要求严格、耗费较大的工作，实施这项工作的原则是，在满足用户对测量精度和可靠性等要求的情况下，尽可能地减少经费、时间和人力的消耗。因此，对其各阶段的工

21、作，都要精心设计，精心组织和实施。第39页，共114页。GPS相对定位的精度指标 表1测量分级常量误差a0(mm)比例误差b0(10-6)相邻点距离(km)ABCDE581010100.1151020100200015250540215110精度指标，是GPS网优化设计的一个重要量，它的大小将直接影响GPS网的布设方案、观测计划、观测数据的处理方法以及作业的时间和经费。所以，在实际设计工作中，要根据用户的实际需要和可能，慎重确定。第40页，共114页。2.2 网的图形设计网的图形设计，虽然主要决定于用户的要求，但是有关经费、时间和人力的消耗以及所需接收设备的类型、数量和后勤保障条件等，也都与网

22、的图形设计有关。对此应当充分加以顾及，以期在满足用户要求的条件下，尽量减少消耗。第41页，共114页。（1）基本图形的选择 根据GPS测量的不同用途，GPS网的独立观测边，应构成一定的几何图形。图形的基本形式如下。 图-1三角形 图-2环形网第42页，共114页。星形网 星形网的几何图形如图-3所示。 星形网的几何图形简单，但其直接观测边之间，一般不构成闭合图形，所以其检验与发现粗差的能力差。 这种网形的主要优点，是观测中通常只需要两台GPS接收机，作业简单。因此在快速静态定位和准动态定位等快速作业模式中，大都采用这种网形，它被广泛地应用于工程放样、边界测量、地籍测量和碎部测量等。 图-3星形

23、网 第43页，共114页。第3节 选点与建立标志 3.1 选点工作 选点，即观测站址的选择。由于GPS测量观测站之间不要相互通视，而且网的图形选择也比较灵活，所以选点工作，远较经典控制测量的选点工作简便。但由于点位的选择，对于保证观测工作的顺利进行和可靠地保持测量结果，具有重要意义，所以，在选点工作开始之前，应充分收集和了解有关测区的地理情况，以及原有测量标志点的分布及保存情况，以便确定适宜的观测站位置。选点工作通常应遵守的原则是（1）观测站应远离大功率的无线电发射台和高压输电线，以避免其周围磁场对GPS卫星信号的干扰。接收机天线与其距离，一般不得小于200m；第44页，共114页。（2）观测

24、站附近不应有大面积的水域，或对电磁波反射（或吸收）强烈的物体，以减弱多路径效应的影响；（3）观测站应设在易于安置接收设备的地方，且视场开阔。在视场内周围障碍物的高度角，根据情况一般应小于1015；（4）观测站应选在交通方便的地方，并且便于用其它测量手段联测和扩展；（5）对于基线较长的GPS网，还应考虑观测站附近，应具有良好的通信设施（电话与电报、邮电）和电力供应，以供观测站之间的联络和设备用电；（6）点位选定后（包括方位点），均应按规定绘制点之记，其主要内容包括，点位及点位略图，点位的交通情况以及选点情况等。第45页，共114页。3.2 建立点位标志为了保持点位，以便长期利用GPS测量进行重复

25、观测，GPS网点，一般应设置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。尤其对于研究地球动力学现象和工程变形。而建立的各种监测网，以及大范围的高精度GPS网，其网点的位置，必须可靠地加以标志。对于城市、矿山和工程测量的区域性GPS网，其点位一般也须妥善地加以标志。但是，随着GPS定位技术的发展和普及，重测一个点，将可能比建造和长久保持一个点更经济，那时，除上述以研究动力学现象为目的的监测网、卫星跟踪网和作为坐标系统维持和传递国家GPS控制网之外，建造长久保护的标志点，可能将不再是必要的了。第46页，共114页。目前，GPS网点的标石类型及其适用范围，如

26、表4所列。关于各种标石的构造可参见附录七。类 别形 式适 用 级 别基岩标石基岩天线墩基岩标石A基本标石一般基本标石土层天线墩岩层天线墩冻土基本标石沙丘基本标石A或B普通标石一般标石岩层标石建筑物上标石BE标 石 类 型 表4第47页，共114页。第4节 GPS测量的观测工作 观测工作的内容主要包括：观测计划的拟定、仪器的选择与检验和观测工作的实施等。其中， 有关仪器的检验，将在5节另行介绍。第48页，共114页。4.1 观测计划的拟定 观测工作，或数据采集，是GPS测量的主要外业工作，所以，当观测工作开始之前，仔细地拟定观测计划，对于顺利地完成观测任务，保障测量成果的精度，提高效益是极为重要

27、的。 拟定观测计划的依据是：GPS网的布设方案，规模大小，精度要求，GPS卫星星座，参加作业的GPS接收机数量以及后勤保障条件（运输、通信）等。观测计划的主要内容应包括：GPS卫星的可见性图及最佳观测时间的选择，采用的接收机类型和数量，观测区的划分和观测工作的进程以及接收机的高度计划等。第49页，共114页。1. 观测工作量的设计与计算 外业观测的工作量，与用户的要求精度和采用的接收机类型和数量，以及作业模式等因素有关。GPS网观测工作量的设计，除要考虑观测工作的效率外，还必须保证网的精度和可靠性。 前已指出，当参加作业的接收机数为ki，则每一时段可得观测基线向量数为 ki (ki-1)/2

28、其中包括独立观测向量数(ki-1)和多余观测向量数（ki-1）(ki-2)/2。 因为增加多余观测量，会提高网的可靠性，所以，作业中适当增加接收机的数量，不仅会提高工作效率，同时也将明显地增加多余观测量。 另外，为了有助于外业观测数据的检核，增加可靠性，通常根据不同的精度要求，基线测量中，同步观测的时段数以及时段的长度，应满足表5规定。第50页，共114页。GPS测量的基本技术规定 表 5 级别项目 ABCDE卫星高度角（1）1015151515观测时段数86222时段长度(min)180120906060数据采样间隔(s)15161560156015601560卫星观测值象限分布(255)%

29、(2510)%(2520)%(2520)%25%(2520)%25%第51页，共114页。3. 关于卫星的可见性预报及观测时段的选择 因为观测卫星的几何分布，对GPS定位的精度具有重要影响，所以，为了选择最佳的观测时段，拟定观测计划，应首先编制如GPS卫星数和PDOP变化图。编制可见性图所用的测站概略坐标，可取该图适用范围（300km）内，各点概略坐标的平均值，而编制可见性图所用的概略星历，其龄期也不能过长，一般不应超过30天，超过时应重新观测一组新的概略星历。第52页，共114页。第53页，共114页。在GPS测量中，所测卫星与观测站所组成的几何图形，其强度可取空间位置精度度因子（PDOP）

30、来表示。无论是绝对定位或相对定位。基值均不应超过一定的要求。相应表1所列的精度级别，PDOP值应不超过表6所列限制。 图6可见卫星数和PDOP变化PDOP的限制 表6级 别ABCDEPDOP4681010第54页，共114页。4.2 GPS测量仪器设备的配置GPS接收机是实施测量工作的关键设备，其性能要求所需的接收机数量与GPS网的布设方案和要求的精度有关，工作中可根据情况按表7规定选择。PDOP的限制 表6级 别ABCD、E单频/双频双频双频双频或单频单频或双频标称精度优于5mm+0.5ppm优于5mm+1ppm优于5mm+2ppm优于5mm+3ppm第55页，共114页。级 别ABCD、E

31、观测量载波相位载波相位载波相位载波相位同步观测接收机数4322GPS接收机的配置 续表第56页，共114页。 4.3 观测工作 观测工作主要包括：天线安置，观测作业，观测记录和观测数据的质量判定等。1. 天线安置 天线的妥善安置，是实现精密定位的重要条件之一。其安置工作一般应满足以下要求： 静态相对定位时，天线安置应尽可能利用三脚架，并安置在标志中心的上方直接对中观测。在特殊情况下，方可进行偏心观测，但归心元素应精密测定。 当天线需安置在三角点觇标的基板上时，应先将觇标顶部拆除，以防止对信号的干扰。这时可将标志中心投影到基板上，作为安置天线的依据。 天线底板上的圆水准器气泡必须居中。第57页，

32、共114页。 天线的定向标志线，应指向正北，并顾及当地磁偏角影响，以减弱相位中心偏差的影响。定向误差依定位的精度不同而异，一般应不超过35。 雷雨天气安置天线时，应注意将其底盘接地，防止雷击。 天线安置后，应在各观测时段的前后，各量测天线高一次，测量的方法按仪器的操作说明执行。两次量测结果之差不应超过3mm，并取其平均值采用。 所谓天线高，系指天线的相位中心，至观测点标志中心顶端的垂直距离。一般分为上、下两段，上段是从相位中心至天线底面的距离，这一段的数值由厂家给出，并作为常数；下段是从天线底面，至观测点标志中心顶端的距离，这一段由用户临时测定。天线高的量测值应为上下两段距离之和。第58页，共

33、114页。2. 观测作业 在开机实施观测工作之前，接收机一般需按规定经过预热和静置。观测作业的主要任务是捕获GPS卫星信号，并对其进行跟踪、处理和量测，以获取所需要的定位信息和观测数据。 利用GPS接收机作业的具体操作步骤和方法，随接收机的类型和作业模式不同而异。而且，随着接收机设备软件和硬件的不断发展，接收机设备的操作方法也将有所变化，自动化的水平将不断提高。用户可按随机操作手册执行。 一般来说，在外业观测工作中，操作人员应注意以下事项： 当确认外接电源电缆及天线等各项联结完全无误后，方可接通电源，启动接收机； 开机后，接收机的有关指和仪表数据显示正常时，方能进行自测试和输入有关测站和时段控

34、制信息；第59页，共114页。 接收机在开始记录数据后，用户应注意查看有关观测卫星数量、卫星号、相位测量残差，实时定位结果及其变化、存储介质记录等情况； 在观测过程中，接收机不得关闭并重新启动；不准改变卫星高度角的限值；不准改变天线高； 每一观测时段中，气象资料一般应在时段始末及中间各观测记录一次，当时段较长时（如超过60分），应适当增加观测次数； 观测站的全部预定作业项目，经检查均已按规定完成，且记录与资料均完整无误后，方可迁站。 第60页，共114页。3. 观测记录 在外业观测过程中，所有的观测数据和资料，均须妥善记录。记录的形式主要有以下两种：（1）观测记录 观测记录，由接收设备自动形成

35、，均记录在存储介质（如磁带、磁卡或记忆卡等）上，其内容包括， 载波相位观测值及相应的观测历元； 同一历元的测码伪距观测值； GPS卫星星历及卫星钟差参数； 实时绝对定位结果； 测站控制信息及接收机工作状态信息。第61页，共114页。第6节 GPS测量的作业模式 所谓GPS测量的作业模式，亦即利用GPS定位技术，确定观测站之间相对位置所采用的作业方式。它与GPS接收设备的软件和硬件密切相关。同时，不同的作业模式，因作业方法和观测时间的不同，而具有不同的应用范围。 近年来，特别由于GPS测量数据处理软件系统的发展，为确定两点之间的相对位置，已有多种作业模式可供选择。目前，在GPS接收系统硬件和软件

36、的支持下，较为普遍采用的作业模式，主要有静态相对定位、快速静态相对定位、准动态相对定位和动态相对定位等。现将这些不同作业模式的特点及其适用范围，简单地介绍如下。 第62页，共114页。第63页，共114页。6.1经典静态相对定位模式作业方法：采用两套（或两套以上）接收设备，分别安置在一条（或数条）基线的端点，根据基线长度和要求的精度，按表5的规定同步观测4颗以上卫星数时段，每一时段长13小时。定位精度：基线测量的精度可达5mm+1ppmD，D为基线长度，以公里计。特点：这种作业模式所观测的独立基线边，应构成某种闭合图形（如图8），以利于观测成果的检核，增强网的强度，提高成果的可靠性和精确性，基

37、线长度可由数公里至上千公里。第64页，共114页。适应范围： 建立地壳运动或工程变形监测网； 建立全球性或国家级大地控制网；建立长距离检校基线；进行岛屿与大陆联测；建立精密工程测量控制网。第65页，共114页。图8 经典静态相对定位第66页，共114页。6.2快速静态相对定位模式作业方法：在测区的中部选择一个基准站(或参考站)，并安置一台接收机，连续跟踪所有可见卫星；另一台接收机，依次到各点流动设站，并且在每个流动站上，静止观测数分钟，以便按快速解算整周未知数的方法解算整周未知数。如图10-9所示。该作业模式要求，在观测中必须至少跟踪4颗卫星，同时流动站与基准站相距，不超过15km。 第67页

38、，共114页。图9 快速静态相对定位模式 基准站 观测基线 迁站路线 流动站 第68页，共114页。 定位精度： 流动站相对基准站的基线中误差，可达(510)mm+1ppmD 特点: 接收机在流动站之间移动时,不必保持对所测卫星的连续跟踪，因而可关闭电源以降低能耗。该模式作业速度快，精度高。缺点是，在采用两台接收机作业的情况下，直接观测边不构成闭合图形，可靠性较差。 适用范围： 小范围的控制测量及其加密； 工程测量、边界测量； 地籍测量及碎部测量等。 第69页，共114页。 6.3 准动态相对定位模式作业方法： -在测区选择一基准站，并在其上安置一台接收机，连续跟踪所有可见卫星； -置另一台流

39、动的接收机于起始点(例如图10中1号点)观测数分钟，以便快速确定整周未知数； 在保持对所测卫星连续跟踪的情况下，流动的接收机依次迁到2，3号流动点各观测数分钟。 该作业模式要求，作业时必须至少有4颗以上分布良好的卫星可供观测；在观测过程中，流动接收机对所测卫星信号不能失锁；一旦发生失锁现象，应在失锁后的流动点上，将观测时间延长至数分钟；流动点与基准站相距，目前一般应不超过15km。第70页，共114页。 定位精度： 基准测量的中误差可达(1020)mm+1ppmD。 特点： 该作业模式效率甚高。在作业过程中，即使偶然发生失锁，只要在失锁的流动点上，延长观测数分钟，仍可继续按该模式作业。 应用范

40、围： 开阔地区的加密测量； 工程定位及碎部测量； 剖面测量和路线测量； 地籍测量等。图10 准动态相对定位模式 基准站 1 234567891012131 1第71页，共114页。 6.4 动态相对定位模式 作业方法： 建立一个基准站，并在其上安置一台接收机，连续跟踪所有可见卫星； 另一台接收机，安置在运动的载体上(见图11)，在出发点按快速静态相对定位法，静止观测数分钟，以进行初始化； 运动的接收机从出发点开始，在运动过程中，按预定的采样间隔自动观测。 该作业模式要求，至少同步观测4颗以上分布良好的卫星，并在运动过程中保持连续跟踪；同时，运动点与基准站的距离，目前应不超过15km。第72页，

41、共114页。 定位精度：运动点相对基准之基线测量精度，可达(1-2)cm+1ppmD.特点:速度快，精度高，可实现载体的连续实时定位。应用范围： 精密测定载体的运动轨迹； 道路中心测量； 航道测量； 开阔地区的剖面测量和水文测量等。图11 动态相对定位模式基准站 912341178651012 第73页，共114页。第7节 实时动态测量系统及其应用 7.1 GPS 实时动态定位方法概述实时动态(Real Time KinematicRTK)测量系统，是GPS测量技术与数据传输技术相结合，而构成的组合系统。它是GPS测量技术发展中的一个新的突破。第74页，共114页。RTK测量技术，是以载波相位

42、观测为根据的实时差分GPS (RTD GPS)测量技术。大家知道，GPS测量工作的模式已有多种，如静态、快速静态、准动态和动态相对定位等。但是，利用这些测量模式，如果不与数据传输系统相结合，其定位结果均需通过观测数据的测后处理而获得。由于观测数据需在测后处理，所以上述各种测量模式，不仅无法实时地给出观测站的定位结果，而且也无法对基准站和用户站观测数据的质量，进行实时的检核，因而难以避免在数据后处理中发现不合格的测量成果，需要进行返工重测的情况。过去解决这一问题的措施，主要是延长观测时间，以获得大量的多余观测，来保障测量结果的可靠性。但是，这样一来，便显著地降低了GPS测量工作的效率。第75页，

43、共114页。实时动态测量的基本思想是，在基准站上安置一台GPS接收机，对所有可见GPS卫星进行连续地观测，并将其观测数据，通过无线电传输设备，实时地发送给用户观测站。在用户站上，GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时，通过无线电接收设备，接收基准站传输的观测数据，然后根据相对定位的原理，实时地计算并显示用户站的三维坐标及其精度。这样，通过实时计算的定位结果，便可监测基站与用户站观测成果的质量和解算结果的收敛情况，从而可实时地判别解算结果是否成功，以减少冗余观测，缩短观测时间。 RTK测量系统的开发成功，为GPS测量工作的可靠性和高效率提供了保障，这对GPS测量技术的发展和普及，具有重要的现实意

44、义。不过，这一测量系统的应用，也明显地增加了用户的设备投资。 第76页，共114页。 7.2 实时动态（RTK）测量系统的设备配置RTK测量系统的构成， 主要包括三部分： - GPS接收设备； - 数据传输系统； - 软件系统。 第77页，共114页。第78页，共114页。 1.GPS接收设备 RTK测量系统中，至少包含二台接收机，分别安置在基准站和用户站上。基准站应设在测区内地势较高，视野开阔，且坐标已知的点上。在城区可考虑设在楼顶平台上。作业期间，基准站的接收机应连续跟踪全部可见GPS卫星，并将观测数据通过数据传输系统，实时地发送给用户站。 图12实时相对定位(RTK或RTDGPS)示意T

45、1T2基准站 当基准站为多用户服务时，应采用双频GPS接收机，且其采样率应与用户站接收机采样率最高的相一致。第79页，共114页。图12实时相对定位(RTK或RTDGPS)示意 T2T1第80页，共114页。2. 数据传输系统 数据传输系统（或简称数据链），由基准站的发射台与用户站的接收台组成，它是实现实时动态测量的关键设备。 数据传输设备，要充分保证传输数据的可靠性，其频率和功率的选择主要决定于用户站与基准站间的距离，环境质量，数据的传输速度。有关数据链的详细情况，读者可参阅有关文献。第81页，共114页。3. 支持实时动态测量的软件系统在此，软件系统的质量与功能，对于保障实时动态测量的可行

46、性，测量结果的精确性与可靠性，具有决定性的意义。以测相伪距为观测量的实时动态测量，其主要问题仍在于，载波相位初始整周未知数的精密确定，流动观测中对卫星的连续跟踪，以及失锁后的重新初始化问题。目前，由于快速解算和动态解算整周未知数的发展，为实时动态测量的实施奠定了基础。实时动态测量的软件系统，应具有基本功能是第82页，共114页。a. 快速解算，或动态快速解算整周未知数；b. 根据相对定位原理，采用适当的数据处理方法（例如序贯平差法），实时解算用户站在WGS84中的三维坐标；c. 根据已知转换参数，进行坐标系统的转换；d. 解算结果质量的分析与评价；e. 作业模式（例如，静态，快速静态，准动态和

47、动态等工作模式）的选择与转换；f. 测量结果的显示与绘图。第83页，共114页。7.3 实时动态（RTK）测量的作业模式与应用根据用户的要求，目前实时动态测量采用的作业模式，主要有：快速静态测量采用这种测量模式，要求GPS接收机在每一用户站上，静止地进行观测。在观测过程中，连同接收到的基准站的同步观测数据，实时地解算整周未知数和用户站的三维坐标。如果解算结果的变化趋于稳定，且其精度已满足设计的要求，便可适时的结束观测工作。采用这种模式作业时，用户站的接收机在流动过程中，可以不必保持对GPS卫星的连续跟踪，其定位精度可达1cm2cm。这种方法可应用于城市、矿山等区域性的控制测量，工程测量和地籍测

48、量等。第84页，共114页。第85页，共114页。 准动态测量同一般的准动态测量一样，这种测量模式，通常要求流动的接收机。在观测工作开始之前，首先在某一起始点上静止地进行观测，以便采用快速解算整周未知数的方法实时地进行初始化工作。初始化后，流动的接收机在每一观测站上，只需静止观测数历元，并连同基准站的同步观测数据，实时地解算流动站的三维坐标。目前，其定位的精度可达厘米级。这种方法，要求接收机在观测过程中，保持对所测卫星的连续跟踪。一旦发生失锁，便需重新进行初始化的工作。准动态实时测量模式，通常主要应用于地籍测量、碎部测量、路线测量和工程放样等。第86页，共114页。第87页，共114页。 动态

49、测量动态测量模式，一般需首先在某一起始点上，静止地观测数分钟，以便进行初始化工作。之后，运动的接收机按预定的采样时间间隔自动地进行观测，并连同基准站的同步观测数据，实时地确定采样点的空间位置。目前，其定位的精度可达厘米级。这种测量模式，仍要求在观测过程中，保持对观测卫星的连续跟踪。一旦发生失锁，则需重新进行初始化。这时，对陆上的运动目标来说，可以在卫星失锁的观测点上，静止地观测数分钟，以便重新初始化，或者利用动态初始化（AROF）技术，重新初始化，而对海上和空中的运动目标来说，则只有应用AROF技术，重新完成初始化的工作。第88页，共114页。第89页，共114页。实时动态测量模式，主要应用于

50、航空摄影测量和航空物探中采样点的实时定位，航道测量，道路中线测量，以及运动目标的精密导航等。目前，实时动态测量系统，已在约20km的范围内，得到了成功的应用。相信，随着数据传输设备性能和可靠性的不断完善和提高，数据处理软件功能的增强，它的应用范围将会不断地扩大。第90页，共114页。智能交通系统（Intelligent Transport Systems，简称ITS）就是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子控制技术以及计算机处理技术等有效地综合运用于整个交通系统，而建立起来的一种在大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、高效的运输综合管理系统。城市公共交通智能化调度系统是运用先进的GPS技术

51、、GIS技术、无线通信技术以及计算机管理技术，在每个公交车辆和调度中心都配置双向语音和数据通信功能的电台，建立车辆动态管理系统，实现全天候、大范围、多车辆的实时动态定位、调度、监控，改进车辆运行管理，增强突发事件的反应能力，提高车辆运行率和行车安全度，并针对公交车辆的实际运行情况，通过电子站牌提供实时乘客服务信息。 第91页，共114页。第92页，共114页。4. 同步环闭合差的检验当环中各边为多台接收机同步观测的结果时（例如，3台接收机同步观测结果所构成的三角形边），由于各边是不独立的，所以在理论上其闭合差应恒为零。但是，由于数据处理软件模型的不完善，或计算各同步边时数据取舍的差异，使得这种

52、同步环的闭合差，实际上一般仍不为零。这种闭合差的数值虽然一般较小，但实际观测中也可把它作为成果质量的一种检核标准。如果假设，WX，WY，Wz分别为上述同步环坐标分量的闭合差，则按规定应满足 （8）其中，W限为同步环闭合差的限值。第93页，共114页。第94页，共114页。9.2平差计算根据上述处理所获得的标准化数据文件，便可进行观测数据的平差计算工作。平差计算的主要内容包括：-同步观测的基线向量平差。即同一基线边，多历元同步观测值的平差计算。在同一测区中，同类精度的数据处理，应采用相同的方法和相同的模型。由此所得到的平差结果，为基线向量（坐标差）及其相应的方差与协方差。-GPS网平差。利用上述

53、基线向量的平差结果，作为相关观测量，进行网的整体平差。整体平差应在WGS-84坐标系统中进行，平差的结果，一般是网点的空间直角坐标，大地坐标和高斯平面坐标，以及相应的方差与协方差。第95页，共114页。-坐标系统的转换，或与地面网的联合平差。在城市、矿山等区域性的测量工作中，往往需要将GPS测量结果，化算到用户所采用的区域性坐标系统。因此，上述GPS网，在WGS-84坐标系统中的平差结果，尚需按用户的要求，进行坐标系统的转换，或者为了改善已有的经典地面控制网，确定GPS网与经典地面网之间的转换参数，需要进行两网的联合平差。GPS网与经典地面网的联合平差与坐标系统的转换，是GPS测量数据后处理的

54、重要内容之一，而有关两网联合平差的方法与模型，可参见本书第九章的介绍。观测数据经上述处理后，需要输出打印的资料主要有：第96页，共114页。-测区和各观测站的基本情况；-参加平差计算的观测值数量、质量、观测时段的起止时刻和延续时间；-平差计算采用的坐标系统，基本常数和起算数据；-平差计算的方法及所采取的先验方差与协方差；-GPS网整体平差结果，包括空间直角坐标、大地坐标和高斯平面坐标，以及在上述不同坐标系统中，相邻点之间的距离和方位角；-GPS网与已有经典地面网的联合平差结果，主要包括地面网的坐标，等级、重合点数及其坐标值；联合平差采用的坐标系统、平差方法，平差后的坐标值及两网的转换参数；-平

55、差值的精度信息，包括观测值的残差分析资料，平差值的方差与协方差阵及相关系数阵等。第97页，共114页。第 三 章 GLONASS卫星定位 技术简介1、引言 GPS导航与定位技术在今天已经被导航界和测绘界广泛地应用于各个领域, 然而GPS由于人为因素和技术本身的弱点, 在定位的精确性、可靠性与安全性方面都不尽如人意。正当人们在探讨解决GPS技术存在的这些问题的时候，当今世界上的另一导航定位系统俄罗斯的全球卫星导航系统（the Global Navigation Satellite System，简记为GLONASS）的建立引起了世人的极大关注。第98页，共114页。世界上的主要卫星定位技术公司（

56、如美国的ASHTECH、3S NAVIGATION 、JAVAD公司，法国的DASSAULT SERCEL公司等纷纷开展对GLONASS系统的研究，并逐步推出了能兼容接收受两种（GPS和GLONASS）卫星信号的接收机和定位设备。这些新型卫星定位双星接收系统必将打破单星系统的垄断地位，成为未来卫星定位技术的主流产品。本文则是在这种背景下，介绍GLONASS 及其信号的一些重要特征，以供读者进一步了解这一领域发展情况的参考。第99页，共114页。2、GLONASS的产生背景本世纪70年代，作为对美国宣布建立和发展GPS的反应，前苏联国防部构想了GLONASS。1993年，俄罗斯政府正式将GLON

57、ASS交由俄空军（VKS）负责。VKS负责GLONASS的航天器部署及在轨维护，并通过科学信息中心将GLONASS的信息传播给公众。在80年代，GLONASS的信息鲜为人知，除了卫星轨道的一般特征和传送导航信息的频率之外，前苏联国防部未披露任何其它信息。然而，Leeds大学的Peter Daly教授和它的研究生们经过努力，侦察出了GLONASS卫星信号结构的一些细节。随着前苏联的解体，俄罗斯解密了界面控制文件（the Interface Control Document：ICD）。ICD描述了系统及其组成，信号结构以及供民用的导航信息。1995年11月4日在加拿大蒙特利尔国际民用航空组织第二次

58、会议上，俄罗斯将其最新版本的ICD交给大会的导航卫星系统讨论组。自此，有关GLONASS的信息越来越明朗。第100页，共114页。 意大利天文学家伽利略利用天文望远镜发现银河系由无数颗恒星组成，月亮表面凹凸不平，木星有4颗卫星，有时太阳会出现黑子等许多观测成果，证明了哥白尼的日心说，也使他成为利用望远镜观察天体取得丰硕成果的第一人。为了纪念这位卓越的天文学家，1999年欧盟决定实施具有自主知识产权的卫星导航系统计划时，将这一计划命名为“伽利略”卫星导航计划。 我们知道，目前世界上已有的两大卫星导航定位系统在运行：一是美国的全球定位系统（GPS），二是俄罗斯的“格鲁纳斯”（GLONASS）。但是

59、这两个系统受到美、俄两国军方的严密控制，其信号的可靠性无法得到保证。长期以来欧洲只能在美、俄的授权下从事接收机制造、导航服务等从属性的工作。科索沃战争时，欧洲完全依赖美国的全球定位系统。当这个系统出于军事目的而停止运作时，一些欧洲企业的许多事务被迫中断。为了能在卫星导航领域中占有一席之地，欧洲认识到建立拥有自主知识产权的卫星导航系统的重要性。同时在欧洲一体化的进程中，建立欧洲自主的卫星导航系统将会全面加强欧盟诸成员国间的联系和合作。在这种背景下，欧盟决定启动一个军民两用的与现有的卫星导航系统相兼容的全球卫星导航计划“伽利略”（GALILEO）计划。 欧盟在1999年2月首次提出“伽利略”计划。

60、计划分成四个阶段：论证阶段，时间为2000年；系统研制和在轨确认阶段，包括研制卫星及地面设施，系统在轨确认，时间为2001年至2005年；星座布设阶段，包括制造和发射卫星，地面设施建设并投入使用，时间为2006年至2007年；运营阶段，从2008年开始。2000年度的论证工作为“伽利略”计划勾画出一个轮廓。论证报告指出，计划投入32.5亿欧元的资金，服务范围覆盖全球，可以提供导航、定位、时间、通信等项服务。其服务方式包括开放服务、商业服务与官方服务三个方面。“伽利略”卫星导航计划第101页，共114页。 开放服务包括定位、导航和时间信号服务，但不包括系统集成信息。对用户而言，系统集成信息是指用