静态Gps的原理探讨与研制

1、目录概述 .1静态 GPS 基础知识 .3第 1 节 静态 GPS 的组成 . . 3第二节美国限制性政策和用户措施 。 5第三节 GPS 相对定位原理 7NGS - 200 GPS 接收器.10NGS-200 GPS接收机系统组成10性能和规格 .1 1带静态 GPS .1 2第 1 节概述. 12GPS网络优化设计 13采摘点 18观察工作 . 19数据处理 . 20第 5 章：GPS 测量误差的来源及其影响 . 33GPS 测量误差 33消除和减少错误影响的措施.3 9后记 . . 41参考文献. . . . . . 41第一章概述定位系统（ GPS ）是随着现代科学技术的飞速发展而建立

2、起来的新一代精密卫星定位系统。 1957年10月，世界第一颗人造卫星的成功发射，使空间科学飞速发展，人类进入了一个新时代。为满足军民领域连续实时、立体导航的迫切要求，美国国防部于1973年开始组织海、空、空三军联合研究制定新一代卫星系统。这就是现在所说的“导航系统测时测距/全球定位系统-NAVSTAR/GPS”，通常称为“全球定位系统”（GPS）。该系统是美国国防部耗资100亿元开发的无线电导航系统。它具有高精度、全天候、全球覆盖能力，将在本世纪末取代所有其他无线电导航系统。现在GPS系统的24颗卫星全部部署完毕，整个系统已经投入运行，美国政府已经承诺，GPS系统将长期免费提供给全球用户使用。

3、正如人们所说：“GPS的应用只是受限于人们的想象力。” GPS自问世以来，充分展示了其在无线电导航定位领域的霸主地位。在海湾战争中，GPS在短时间内以极少的代价为美国及其盟国的胜利发挥了重要作用。许多民用领域也因GPS的出现而发生了革命性的变化：目前，GPS不仅在美国及其盟军广泛应用于导航定位，而且几乎所有用户都受到GPS高精度、 - 天气和全球覆盖能力。 ，方便，灵活，质优价廉。 GPS现已广泛应用于航空航海测绘、测绘、遥感、石油勘探、地震测绘、野外救生、勘探、防火等领域。我国GPS应用发展势头迅猛。短短几年时间，我国GPS的应用已经从几个科研单位和军事部门扩展到了民用领域。 GPS的广泛应

4、用改变了人类的生活方式，提高了工作效率，带来了巨大的经济效益。可以说GPS应用前景广阔，市场巨大。对于经典测绘技术，GPS测绘的主要特点如下：观测台之间不需要视线。保持良好的视线和良好的网形一直是经典测量的实际难点之一。使用 GPS测量不需要站点之间的相互视图，因此无需建立标准。该技术可以大大减少所需的人力物力，也使得点的选择更加灵活。定位精度高。根据相关数据，在50公里以内的基线上，相对精度可以达到1-2ppm 。观察时间短。目前，使用经典的静态定位方法，根据精度要求的不同，完成一条基线的观测时间一般需要1-3小时，而目前的快速定位方法的观测时间仅为几分钟。提供三维坐标。 GPS测量可以在准

5、确确定天文台平面位置的同时，准确确定天文台的高程。易于操作。 GPS测量的自动化程度很高。在观察过程中，测量员的工作只是简单的安装和切换仪器、测量仪器等工作，大大简化了工作程序。全天候工作。 GPS测量工作可随时随地观察，不受天气影响GPS系统的广泛应用，不仅吸引了各行各业科学家的热心研发，也刺激了GPS信号接收器厂商之间的激烈竞争。对于世界各地的用户来说，使用GPS信号的关键设备是能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收机，称为GPS信号接收机。它已成为一些电子仪器和测量仪器制造商生产的高科技电子产品。目前，全球约有53家厂商生产172种用途广泛的GPS信号接收器。但由于我国的技术水平很难

6、达到国外先进水平，我国测绘行业一直使用国外品牌的接收机。基于此，南方公司作为专业的测绘仪器公司，以振兴测绘民族为目标。 1995年推出自主产品南方系列GPS，与世界知名品牌竞争。经过五年来南方公司与各界测绘同仁的共同努力，南方系列GPS产品逐渐成熟，现已占据中国市场60%70%，并远销欧美还有新加坡等地。第二章静态GPS基本原理第一部分 GPS的组成全球定位系统主要由空间星座部分、地面监测部分和用户部分三部分组成。 （见图 2-1）空间部分：空间部分：24颗 星广播L1，L2，卫 星轨道，时间数据与辅助资料信息监控部分：监控部分：中央控制系统时间同步跟踪卫星定轨用户部分：用户部分：接收设备接收

7、卫星信号图2-1 全球定位系统（GPS）组成示意图1.空间星座部分GPS空间卫星星座由24颗卫星组成，其中包括3颗备用卫星。卫星分布在6个轨道平面上，每个轨道平面上分布4颗卫星。 GPS卫星在太空的分布，保证了地球上任何时间、任何地点都可以同时观测到至少4颗卫星。此外，卫星信号的传输和接收不受天气影响。因此，GPS是一种全天候、全球连续实时定位系统。卫星轨道平面相对于地球赤道平面的倾角为55度，每个轨道平面的升交点赤经相差60度。轨道平均高度约为20200KM ，卫星运行周期为11小时58分钟。到目前为止， GPS卫星已经设计了三代，分别是Block I = 1 * ROMAN 、 Block

8、 II = 2 * ROMAN 和Block III = 3 * ROMAN （见表2-1 ）。GPS卫星区分数量发射时间利用第一代第一座 = 1 * ROMAN 111978 1985系统实验第二代第二座 = 2 * ROMAN 281988 1994正式工作第三代第三座 = 3 * ROMAN 90年代_改进GPS表2-1 _ _GPS卫星的基本功能是接收并存储地面监控站致的导航信息，接收并执行监控站的控制指令；卫星上有一个微处理器来处理一些必要的数据；通过板载高精度时钟提供准确的时间标准；向用户致位置信息；在地面监控的指挥下，通过推进器调整卫星姿态，启动备用卫星。2.地面监控部分GPS的

9、地面监测部分目前主要分布在全球5个地面站，包括卫星监测站、主控站和信息注入站。监控站是在主控站控制下的自动采集中心。主控制站位于科罗拉多州（COLORADO SPRINGS）。主控站管理所有地面系统，计算星历、卫星时钟误差和大气校正参数，并将这些数据致到入站站以调整离轨卫星。目前有3个值机站，分别位于印度洋、南大西洋和南太平洋。它们的主要任务是将卫星星历、时钟误差、导航电文和其他控制命令等计算和编译，注入到相应卫星的存储系统中，并监测注入信息的正确性。3.用户部分全球定位系统的空间部分和地面监测部分是用户应用系统进行定位的基础，用户只能通过用户设备达到应用GPS定位的目的。用户设备的主要任务是

10、接收GPS卫星发射的无线电信号，获取必要的定位信息和观测数据，并通过数据处理完成定位工作。目前，世界上适合测量的接收机品牌很多，主要由GPS接收机硬件和软件两部分组成。第二节 美国的限制性政策和用户措施GPS技术与美国国防现代化密切相关。为了保护美国的利益和安全，该系统不仅在设计上采取了很多措施，而且在系统运行上也采取了一些措施。时钟精度降低，限制了广大民用用户获得的GPS定位精度。这些措施目前包括：为不同的用户提供不同的服务方式。 GPS卫星发射的无线电信号包含两种不同的精度测距码，即所谓的P码（也称细码）和C/A码（也称粗码）。与两种测距码相对应， GPS还提供两种定位服务，即精确定位服务

11、（ PPS ）和标准定位服务（ SPS ）。标准位置服务的主要对象是广大用户。使用SPS获得的测量精度比较低，而且单频调制的C/A码只能用于测距，使用双频技术无法消除电离层折射的影响。单点实时定位精度约为20-30m。实施选择性可用性 (SA ) 策略。为进一步降低标准定位服务的定位精度，以保护美国的利益和安全，对GPS工作卫星发布的视为干扰信号实施SA政策。目前，在SA政策的影响下，使用SPS的实时单点定位精度降低到100米（水平）和150米（垂直）左右。 SA 政策是针对大多数非美国政府许可的 GPS 用户降低实时定位精度的措施，对于可以使用精密定位服务 (PPS) 的用户，SA 的影响可

12、以自动产生被淘汰。精确测距码（P 码）（Anti-Spoting-A- S）的加密措施。 P码加密，也称为“反欺骗”美国政府限制用户的政策是其他国家的民间部门和用户非常关心的问题。为了摆脱这种限制，目前采取的措施主要有：1.建立独立的GPS测轨系统。利用GPS卫星建立独立的跟踪系统，精确测量卫星轨道，为用户提供服务。目前，我国正在建立区域轨道测量系统，为广大用户提供精确的星历，这对我国利用GPS定位技术，推进测绘科技现代化具有重要的现实意义。2 、建立独立的卫星导航定位系统。目前，一些国家和地区正在发展自己的卫星导航定位技术。尤其是俄罗斯建立的全球导航卫星系统（GLONASS）引起了世界各国的

13、普遍关注。现在，很多用户正在尝试同时接收来自美国和俄罗斯的两个定位系统，以改善接收条件，提高其性能。精确。此外，欧洲航天局（ European Space Agency - ESA ）也在研发民用卫星定位系统（简称NAVSAT ）。此外，一些国际集团正准备联合建立自己的卫星定位系统，如E-卫星通信导航系统。上述几种不同卫星定位系统的主要特点见表2-2 。卫星定位系统星座卫星数字平均卫星高度（公里）卫星运行周期载波频率(MHz)L 1L 2GPS（美国）24202007181565-1586 _ _1217-1238 _ _格洛纳斯（前）24191006751597-1617 _ _1240-1

14、260 _ _Navsat（欧洲航天局）18201787201561-1569 _ _1224 - 1232铱星通信导航系统66低轨道表2-2 _ _建立自己的卫星导航定位系统，虽然可以彻底摆脱对美国GPS的依赖，但技术复杂、成本高，对经济和技术尚处于发展阶段的中国来说难度较大。3.采取差分（DGPS）形式。美国实施SA政策以来，严重影响了实时导航定位。因此，各国专家竭尽全力研究如何克服SA的影响，差分GPS应运而生。现在实时微分技术（ Real Time kinematic - RTK ）可以实时达到厘米级精度。 RTK主要由参考站、移动站和数据链组成。影响其准确性的主要因素是数据链的可靠性

15、和实用性以及软件的处理方法。差分GPS的应用对于需要精确实时定位的导航、海洋勘测、航拍等各个方面具有重要意义。第三节GPS相对定位原理GPS相对定位是目前GPS测量中精度最高的一种定位方法。广泛用于测量、精密工程测量和地球动力学研究。在测量型GPS接收机中，基本采用这种方法。相对定位最基本的情况是用两台接收机放置在基线两端，同步观测同一颗GPS卫星，确定协议地球坐标系中基线端点的相对位置或基线矢量（见图2-2 ）。 ) .图2-2 GPS 相对定位这种方法一般可以推广到在多个基线的端点放置多个接收机，通过同步观测GPS卫星确定多个基线向量的情况。因为在两个或多个观测站同步观测同一颗卫星的情况下

16、，卫星的轨道误差、卫星钟误差、接收机钟误差、电离层和对流层的折射误差对观测量有一定的影响。 .因此，利用这些观测的不同组合进行相对定位，可以有效地消除或减少上述误差的影响，从而提高相对定位的准确性。根据用户接收机在测量过程中的不同状态，相对定位可分为静态和动态两种。我们这里研究的是静态定位原理。静态相对定位，即设置在基线端点的接收器是固定的，这样可以通过重复观测获得足够的冗余观测数据，从而提高定位精度。静态相对定位一般采用载波相位观测值（或相位测量伪距）作为基本观测值。这种定位方法是目前GPS测量中精度最高的一种方法，广泛应用于测绘、精密工程测量和地球动力学研究。实践证明，对于中等长度的基线（

17、 100-500km） ，相对定位精度可以达到，甚至更好。因此，这种方法一般用于精度要求较高的测量工作。为了可靠地确定其他未知参数联合解中载波相位的未定值，静态相对定位一般需要较长的观测时间（例如1.0 3.0小时）。因此，如何缩短观测时间，提高运行效率，已成为广大GPS用户普遍关心的问题。相对于下面描述的快速静态定位方法，上述定位方法一般被称为经典的静态相对定位方法。理论分析和实践经验表明，在载波相位观测中，如果整个周期的未定值已经确定，则相对定位精度不会随着观测时间的延长而明显提高。在较短的观测时间内，如果忽略被测卫星各自方向图的变化，则定位的较短近似值与观测历元的平方根成反比。因此，缩短

18、静态相对定位观测时间的关键是快速可靠地确定整个周期的待定值。 1985年，美国雷蒙德（Bw）开发了一种快速相对定位方式。其基本思想是利用初始基线向量确定整周的初始未定值，然后将接收器固定在参考点上。静止的，而另一个接收器在它周围的站点上漫游，并且在每个移动站处都是静止的，以使观测与参考点处的接收器基线同步，以确定流动站与固定站的相对位置。这种定位方法在形式上与动态相对定位方法类似，但实际上仍需要在每个移动台上进行静态观察，只是观察时间很短（例如几分钟）。因此，这种方法通常被称为准动态相对定位法，在一些文献中也被称为“Stop and Go” 。准动态相对定位方法的主要缺点是在接收机移动时必须保

19、持对摩擦卫星的连续跟踪。为此，近年来发展了一种快速静态相对定位。由于这种方法可以快速确定载波相位的全周期未定值，因此无需在接收器在站之间移动时保持测量的连续跟踪，即在每个移动站与参考站（或固定参考点同步观测时间）仅需几分钟，定位精度可与经典静态相对定位相媲美。由于该方法快速准确，受到GPS用户的广泛重视，将为GPS测量的应用开辟一个新的领域。第三章 NGS - 200 GPS接收机介绍GPS用户设备主要包括GPS接收机及其天线、微处理器及其终端设备和电源。接收机和天线是用户设备的核心部分，一般称为GPS接收机。它的主要功能是接收GPS卫星发出的信号，并对其进行处理和测量，以获得导航信息和必要的

20、观测。GPS接收器的主要组件包括：天线（带前置放大器）；用于信号识别和处理的信号处理器；用于接收机控制、数据采集和导航计算的微处理器；用户信息传输，包括操作面板、显示面板和数据存储；产生标准频率的精密振荡器；电源。NGS - 200 GPS测量系统是南方公司GPS系列产品之一，其精度指标和各项性能均达到世界先进水平。本文的实验数据是通过NGS - 200 GPS接收机获得的，所以本章主要介绍NGS-200 GPS接收机的基本组成1. GPS接收机。第 1 节 NGS - 200 GPS 接收机系统组成如果把GPS接收机看成是一个用户测量系统，根据其组成部分的性质和功能，可以分为硬件部分和软件部

21、分。硬件部分主要是指接收机、天线、电源等硬件设备，而软件部分是支持接收机硬件实现其功能、纠正各种导航定位任务的重要条件。一般来说，软件包括软件和外部软件。所谓软件，是指控制接收机的信号通道，按时序测量卫星信号，并在中央处理器中存储或固化自动运行程序的软件。这类软件一般以磁盘的形式提供。除非另有说明，否则引入接收设备的软件将制作此后处理软件系统。软件部分是现代GPS测量系统的重要组成部分之一。一款功能齐全、质量好的软件，不仅可以方便用户使用，满足用户的各种需求，而且对于提高定位精度、提供运行效率、开拓新的应用领域具有重要意义。它已成为体现现代GPS测量系统先进水平的重要标志。硬件部分：NGS-2

22、00接收机（带测量天线和抑制多径效应板）NGS-200 收集器和现有的收集器软件，以及收集器托盘底座和铅垂可充电电池和充电器三脚架数据采集电缆和电源电缆软件部分：计算机和采集器通讯软件基线矢量处理软件网络平差及坐标转换软件第二节 业绩和指标NGS-200接收机是南方公司研制的单频GPS接收机。该系统的整个软件系统由南方公司开发。该软件非常实用，符合我国计量行业的实际情况。 NGS-200 GPS测量系统外形美观，性能可靠，接收灵敏度高，精度完全达到标称范围。 GPS测绘系统非常适用于二等及下控测绘。对以往经典的操作模式进行了突破性的改变，将广大测量工作者从繁重的野外劳动中解放出来，极大地方便了

23、专业测量团队。对城测、国土、水利、矿山、公路、铁路、地震等部门有很大帮助，从根本上提高了控制测量的效率。用户可以产生以前无法想象的好处。特征：8通道L1载波相位和C/A码(5mm+2ppmD)静态测量精度灵敏度高，信号接收快可扩展至 NGS-200 RTD 系统在静态相对定位模式下，采集工作至少需要两个接收机。同时，为了提高野外作业的准确性和速度，应尽可能多地配备有经济条件的接收机。第 4 章 静态 GPS 控制测量概述GPS单频机全球定位系统接收机的相对定位精度可达1-2ppm ，对于工程控制测量具有诸多优势。 GPS测量提供的坐标和斜距不能直接用于工程控制。转换参数的计算方法实现了GPS相

24、对定位WGS-84坐标作为水平直角坐标( x,y)和法线高程h的高性价比使用，用于实际工程控制。要点是：GPS测点观测坐标（B、L、H）沿测点法线方向投影到工程测量的水平坐标基准面，计算投影点之间的距离，计算出水平按三边测量法从观测网水平坐标起点到各观测点的方向角，计算各点相对于起点的坐标增量和各观测点在平面坐标系中的坐标值;使用GPS测得的高度和起点到部分测点的水平高程，计算出各待定点的法线高程；增加垂线偏差校正，使数据与常规工业测控网结果一致。GPS测量工作与经典测量工作类似，按性质可分为野外工作和工业两大部分。其中，实地工作主要包括选点（即观测站站址的选择）、站牌的设立、实地观测作业和结

25、果的质量检验等；实地工作主要包括GPS测量的技术设计、测后数据处理技术的总结等。根据GPS测量的工作流程，大致可分为以下几个阶段：网络的优化设计、选点和建立标志、实地观察、结果的检查和处理。本设计主要使用NGS-200 GPS作为学习工具。NGS - 200 GPS建立测控网络（见下图3-1 ）网上选点，构网网上选点，构网实地定点、埋石实地定点、埋石GPSGPS观测计划准备野外定位观测计划与记录野外定位观测计划与记录数据传输数据传输数据预处理（求基线向量）数据预处理（求基线向量）质量合格？质量合格？数据后处理（网平差、坐标转换）否 是数据后处理（网平差、坐标转换）结果输出结果输出图3-1建立测

26、控网络的一般流程为满足用户的要求，GPS测量工作应遵守统一的规章制度。然而，测量工作的实施与GPS定位技术的发展水平密切相关。 GPS接收系统软硬件的不断完善，将直接影响到测量工作的实施方式、测量时间、操作要求和结果处理方式。GPS测量虽然比传统测量节省了人力物力，但仍然是一项技术复杂、成本高的工作。在这种情况下，应尽可能减少资金、时间和人力的消耗。因此，每个阶段的工作都必须精心组织和实施。第二节 GPS网络优化设计GPS网络的优化设计是实施GPS测量工作的第一步。本工作的主要内容包括准确度指标的合理确定、网的平面设计和网的基准设计。精度标准的确定GPS网络的精度要求主要取决于网络的用途。精度

27、指标通常用网络中邻居之间的距离误差来表示，其形式为：其中， -网络中相邻点的距离误差（ mm） ；-与接收设备相关的恒定误差（ mm ）；- 比例误差（ ppm或 10 秒）；- 相邻点之间的距离（公里）；根据我国1992年颁布的GPS测量法规要求，GPS相对定位精度分为表3-1所列标准。GPS相对定位精度指标测量分级恒定误差（毫米）比例误差( 10 -6 )相邻点之间的距离（公里）一个 5 0.1100-2000乙 8 115-250C 10 55-40D 10 102-15乙 10 201-10表 3-1上表所列精度指标主要针对GPS网络的平面位置，考虑到垂直分量的精度，一般比水平分量差。

28、因此，根据经典，GPS网络中对垂直分量的要求可以是上表所列比例误差部分的两倍。精度指标是GPS网络优化设计中的一个重要指标，其大小将直接影响GPS网络的布局规划、观测计划、观测数据处理方式以及运行时间和资金。因此，在实际设计工作中，应根据实际情况的需要和可能性，慎重确定。3.2 网页的图形设计虽然网络的平面设计主要由实际需求决定，但资金、时间和人力的消耗以及所需接收设备的种类、数量和后勤保障条件也与网络的平面设计有关。应充分考虑到这一点，以期在满足实际需要的情况下尽可能减少消耗。1.设计的一般原则 = 1 * GB3 GPS网络一般应采用独立的观测边形成封闭图形，如三角形、多边形或连线，以增加

29、观测条件，提高网络的可靠性。 = 2 * GB3 GPS网络作为测控网络，相邻点间基线矢量的精度应均匀分布。 = 3 * GB3 GPS 网点应尽可能与原有的地面控制网点相结合。重合点一般不少于3个（不足时应进行联合测量），并应均匀分布在网络中，以利于可靠确定GPS网络与地面网络之间的转换参数。 = 4 * GB3 GPS 网络点应视为与水准点重合，而不是重合点。一般应根据要求采用水准测量（或等效精度的方法）进行联测，或在网络中布置一定密度的水准联测点。 = 5 * GB3 为便于GPS测量和观测水平联测，GPS插座一般应设在视野开阔、交通便利的地方。 = 6 * GB3 为便于与经典方法进行

30、联测或扩展，可在GPS网点附近设置一个能见度好的方位点，建立联测方向。方向点与观测站的距离一般应大于300m 。基本图形的选择： = 1 * GB3 三角网优点：图形结构强，自检能力好，能有效发现观察结果中的粗差，保证网络的可靠性；调整后，网络中相邻点之间的基线向量的精度是均匀分布的。缺点：观察工作量大。适用：当对网络的准确性和可靠性要求较高时。 = 2 * GB3 环网（闭路和附路）优点：观测工作量小，具有较好的自检性和可靠性。缺点：图结构较差，间接观察的基线边（或间接边）精度低于观察边，调整后的网络中相邻点之间基线向量的精度分布不均。适用：观测点多，工作量大，一般要求网络的准确性和可靠性。

31、 = 3 * GB3 星网优点：几何结构简单，观测往往只需要两个GPS接收机，操作简单。缺点：检查和发现严重错误的能力差。适用：快速静态定位和准动态定位、工程测量、边界测量、地籍测量和碎片测量等快速作业模式。3.3 网络的基准设计网的基准设计包括网的位置基准、方向基准和比例基准，是确定网的基准，通过网的整体调整来实现。在GPS网络的优化设计中，应根据网络的目的，提出确定网络基准的方法和原则。一般来说，在GPS网络的整体调整中，可能有两种观测，即相对观测和绝对观测（如WPS - 84中点的坐标值）。在仅包含相对观测的GPS网络中，网络的方向基准和比例基准由平差计算中作为相关观测的基线方向唯一确定

32、；而网络的位置基准由所选网络点的坐标确定。近似系统和调整方法。对于包含点坐标观测的 GPS 网络，网络的位置基准将取决于这些网络的坐标值及其精度。GPS网络的参考设计一般主要是指网络参考位置的确定问题。确定网络的参考位置，通常可以根据情况选择以下方法： = 1 * GB3 选择网络中一点的坐标值并固定，或赋予适当的权重； = 2 * GB3 网络中的点不固定，通过自由网络的伪逆调整或准稳定调整来确定网络的基准； = 3 * GB3 选取网络中几个点的坐标值并固定； = 4 * GB3 选取网络的几个点（直到所有点）的坐标值，并赋予适当的权重；前两种方法对GPS网络定位的约束最小，所以通常称为最

33、小约束法；而后两种方法对调整计算有若干约束，约束的数量取决于网络中的选择。点数，这种方法，通常被称为约束法。最小约束法对GPS网络的调整对网络的方位和尺度没有影响，也就是说，不管上面提到的最小约束法，调整后的网络位置和尺度都符合网络中的元素（边长）。 ，方位角或坐标差）是相同的相对精度，但净位置和点精度不同。约束平差方法在确定网络参考位置的同时，也会影响 GPS 网络的方位和尺度。其影响程度与约束的数量和观测值的准确性有关。当网络中已知点的坐标存在较大误差，或者其权重难以可靠确定时，都会对网络的方位和尺度产生不利影响。虽然从理论上讲，在网络平差计算中，最严格的方法是给所有已知位置适当的权重，但

34、如何正确确定已知位置的权重，与网络中的其他观测不同。比例关系是一个需要慎重考虑的问题。因此，一般只针对大规模的GPS网络，需要精确的WPS - 84协议地球坐标系，或者有一组分布良好、精度高的已知点时，约束平差方法对提高GPS网络的定位和规模具有重要意义。一般来说，对于一些区域性的 GPS 网络，如城市、矿山和工程 GPS 网络，是否准确地定位在地心坐标系中并不是特别重要。因此，此时多采用最小约束调整法。此外，为了与经典地网相结合，通常建议使用带固定点的经典自由网调整方法。第四季度选择由于GPS测站和观测站互不相见，网络的图形选择也更加灵活，因此点选工作远比经典控制测量的点选工作简单。但由于点

35、的选择，对于保证观测工作的顺利进行和保持测量结果的可靠具有重要意义。因此，在开展选点工作之前，需要充分收集和了解相关测区的地理情况，与原测点进行对比。测量标记点的分布和保存，以确定合适的观测站位置。选拔工作应遵循的原则是：1、观测站应远离大功率无线电发射机和高压电力线，避免周围磁场对GPS卫星信号的干扰。接收天线与天线之间的距离一般不应小于200m 。2. 天文台附近不应有大面积水域，或有强电磁反射（或吸收）的物体，以减少多径效应的影响。3、观测站应设在容易安装接收设备的地方，视野要开阔。视场周围障碍物的高度角一般应小于10 15 ，视情况而定。4、观测站应选择在交通便利的地方，便于与其他测量

36、方法联合测量和扩展。5、对于基线较长的GPS网络，还应考虑观测站附近应有良好的通信设施（有电、邮、电）和电源，供观测站之间的通信和供电。设备。6、点选后（包括方位点），应按规定划点。评选工作结束后，应提交的技术资料主要包括：Dot 和 Dot 的环视图。GPS网络选择图。所选工作技术的总结。第五节 观察工作观测工作主要包括：天线布置、观测工作、观测操作、观测记录和观测数据质量判断。5.1 设置仪器1. 在选定的观测站架设三脚架。2. 小心打开仪器箱，取出底座，放在三脚架上，在测量点上对中并调平底座。3、从仪器箱中取出接收器，放在对中器上，锁紧，然后分别取出电池、收集器及其托盘，放在三脚架上。仪

37、器安装好后，观察前后天线升起一次。5.2 观察工作1 、确认外接电源线和天线无误后，即可打开电源，启动接收机。2.首先，接收机进行自检，搜索GPS卫星。3 .当卫星数量多于四颗（即定位模式为3D）且空间位置精度因子PDOP小于等于4时，观测条件更为有利。 80左右，越大越好。4 .自检通过后，即可开始数据采集。做完以上工作，就可以回机房进行数据处理了。第六节GPS数据处理6.1 GPS数据处理特点GPS接收器采集的是接收天线到卫星的距离和卫星星历等数据，而不是常规技术测量的地面点之间的相对关系（如边长、角度、高差等）。因此，为了获得实用的测量定位结果，需要进行一系列的处理。GPS数据处理具有以

38、下显着特点：数据很大。按每15 s记录一组观测值计算，一个接收机连续观测1 h将有240组观测值，每组观测值包括几颗卫星的伪距和载波相位（一般4颗以上） .观测等，再加上星历数据、气象数据等，几台接收机在同时观测1小时后就会有数万甚至更多的数据。处理复杂。从原始距离观测出发，得到最终的测量结果，处理过程非常复杂。简单来说，可以分为两个阶段： GPS测量数据的基线矢量计算和GPS基线矢量网络与各种地面数据的联合处理。在每个阶段，都需要对大量数据进行组织、测试、计算和分析。中间每个环节的任何错误都会直接影响最终结果的质量。有很多方法可以处理它。 GPS定位技术是一项发展中的技术，所以数据处理技术还

39、不成熟，还在发展和完善中，所以同一个问题可能有很多解决方案。自动化程度高。随着计算机特别是微型计算机的飞速发展，测量数据处理的自动化程度不断提高。为此，开发了许多集成的GPS数据处理软件包，其使用的便利性和可能性极大地提高了运行和生产效率，也促进了GPS定位技术的推广应用。6.2 NGS - 200数据处理软件系统介绍NGS - 200 GPS数据处理软件经过几年的不断修改，越来越完善。它是在DOS版和准WINDOW版的基础上，基于WINDOWS95/98操作平台开发的。主要由数据采集软件、数据传输软件、基线矢量计算软件和GPS网络平差软件组成。 NGS - 200 GPS数据处理软件系统由南

40、方测绘仪器公司开发。与处理软件相比，运行速度快，操作直观，操作简单，符合中国人的测量习惯，易学、易掌握、易使用。本设计使用的实验数据为200型GPS数据处理软件，以下图片均来自该软件系统。图4-2 _ _进入启动界面后，首先要做的工作就是由采集器将现场采集的结果输入计算机。图 4-3新建一个工程文件，然后在NGS200界面中使用“Add Observation File”读取待处理的原始数据。文件读入后，“网络图”状态栏会显示基线网络形状，如图3-4所示。点击“Raw Data ”状态栏，显示原始数据文件，如图3-5所示。要查看原始数据文件的信息，点击这个可以修改点名或天线高度，但不能修改其他

41、项目。图3-4图3-5读取所有原始数据后，点击“基线处理设置”，如图3-6所示，一般选择默认设置，即高度截止角为20度，采样间隔为60秒。然后单击“处理所有基线”。图3-6基线处理过程会以“网图”状态显示，正在处理的基线会从蓝色细线逐渐变粗，不合格基线仍为细线。 “基线配置文件”的状态栏将显示基线处理的状态。先求解三差分解，最后求解双差分定解。基线计算通过的具体标准可以在用户提示中的“基线计算条件设置”中找到。一般边长大于5公里，方差比大于3.0 ，中值误差小于15mm ，可以认为满足等级网络的要求。非分层网格要求可以相对降低。点击“详细基线”可以查看基线解决方案的详细报告（图3-7 ）。了解

42、基线解决方案过程发生了怎样的变化。 图3-7 图3-8基线求解完成后，桌面显示如图3-8所示，包括“基线名称”、“方差比”、“中间误差”、“X 增量”、“Y 增量”、“Z 增量” ，“距离”等。在这里可以查看和分析“基线预处理”的内容，并对其进行分析以获得合格的结果。从上图可以看出，没有不合格的baseline。如果有不合格的baselines，可以点击“Select All Unqualified Baselines”，然后重新设置“Baseline Solution Conditions”，比如将高度截止角从20改为15 ，然后点击“Process Selected Baselines”重

43、新处理。解决所有基线后，单击“闭环”状态栏以计算闭合差。首先，根据独立闭环差，对同步周期内任意三边同步环全长的坐标分量闭环差和相对闭环差进行同步校验。点击“闭环”，点击“搜索最小独立同步闭环”，程序会自动搜索所有同步闭环。单击该字段将列出整个闭环的基线组件。搜索结果如图3-9所示 图3-9从上图我们可以清楚的看到这个软件对GPS测量数据的详细计算过程，比如有多少个基线，由哪些点组成，形成什么环（同步，异步，重合）， ppm值是多少，在电脑屏幕上很容易看到。点击“搜索最小独立闭环”，软件将搜索所有同步闭环、异步闭环、重复基线。根据baseline解的具体情况和misclosure计算解决一些ba

44、seline，在多个基线的情况下，基线可能不会被使用或删除。当有圆弧点时（即该点仅由一条基线连接），必须重新测量基线或闭环。基线和闭包差都处理完后，设置网络平差，主要是选择坐标系，输入已知点的坐标，给出约束。请参见图3-10 。坐标系确定后，输入约束，点击“Known Point Coordinates”，点击“Add”按钮，逐点输入已知点。一般情况下，需要输入两个以上的平面坐标和三个以上的高程联合测量点。具体要求以实际要求为准。输入的已知点必须是联合测量点。以上设置完成后，即可进行“自由网络调整”、“3D约束调整”（见图3-11 ）、“2D约束调整”（见图3-12 ）和“高程拟合”（见图3-

45、12） 3-13 )。然后继续分析求解结果是否符合法规要求。 图3-10GPS测量方法与经典测量方法完全不同。在经典的测量方法中，是基于边缘测量和角度测量，然后进行平差计算。然而，GPS测量方法完全摆脱了传统的边缘和角度方法。结果是要测量的点的点坐标。坐标测量好后，在自己的坐标系中求解，即WGS-84坐标系。得到的结果也是WGS-84坐标系下的结果。而不是我们需要的结果，必须设置坐标系才能得到我们需要的结果。图 3-1 1图 3-12 图 3-13附：天河001控制网GPS数据处理结果3D 无约束调整- - 基线向量及其修正基线名称 X 增量和修正 Y 增量和修正 Z 增量和修正开始文件 -

46、结束文件 (m) (mm) (m) (mm) (m) (mm)Q0072041-Q0092041 -1438.688 -13 -165.477 7 -301.354 3Q0072052-Q0092052 -1438.688 4 -165.477 -9 -301.354 -1Q0072053-Q0362051 4367.001 -6 -2163.566 9 2436.618 3Q0072052-Q0492052 -132.190 -4 873.194 -3 -1423.173 -0Q0072053-Q0492053 -132.190 2 873.194 1 -1423.173 3Q0092041

47、-Q0482048 -1324.728 5 1066.542 7 60.599 -3Q0072041-Q0482048 -2763.416 -3 -1998.089 -17 2737.972 -6Q0092052-Q0492052 1306.498 1 1038.671 2 -1121.819 -6Q0362041-Q0412041 -2255.584 -0 387.073 4 -1559.600 -1Q0362042-Q0412042 -2255.584 1 387.073 -2 -1559.600 -2Q0362042-Q0492048 -4499.191 1 -193.348 -2 -1

48、483.772 -4Q0362051-Q0492053 -4499.191 -4 -193.348 7 -1483.772 13Q0362041-Q0502048 579.834 0 194.249 0 11.038 -0Q0412042-Q0492048 -2243.607 1 -580.421 -1 75.828 -3Q0412041-Q0502048 2835.418 -0 -192.825 -1 1570.638 1滚动经度和中误差 纬度和中误差 高程和中误差(度:分:秒) (cm) (度:分:秒) (cm) (米) (cm)Q007 30:34:25.12885N 0.2 104:1

49、6:12.69312E 0.1 526.780 0.4Q009 30:34:13.49283N 0.3 104:17:06.54370E 0.2 540.920 0.6Q036 30:34:27.49965N 0.2 104:13:24.00850E 0.1 522.327 0.4Q041 30:33:28.54304N 0.2 104:14:42.47448E 0.2 529.824 0.4Q048 30:35:56.61117N 0.3 104:18:13.23605E 0.3 548.755 0.7Q049 30:33:30.82829N 0.1 104:16:09.42416E 0.1

50、 559.766 0.3Q050 30:34:27.05078N 0.3 104:13:01.12590E 0.3 567.427 0.72D 约束调整- -X方向平移：-3374654.380米，y方向平移：-486830.679米刻度：-405.420ppm，旋转：-13.526sec点名称 北坐标和中误差 东坐标和中误差 误差椭圆(m) (cm) (m) (cm) E (cm) F (cm) ET (度:分:秒)Q007 9140.538 0.2 39086.614 0.1 0.2 0.1 168:46:34.28396Q009 8785.784 0.3 40521.864 0.2 0.

51、3 0.2 7:25:04.88955Q036 9203.970 0.2 34593.385 0.1 0.2 0.1 175:19:23.10853Q041 7393.306 0.2 36687.222 0.1 0.2 0.1 5:53:25.59551Q048 11964.639 0.3 42289.994 0.2 0.3 0.2 157:29:41.37816Q049 7468.788 0.1 39003.427 0.1 0.1 0.1 0:26:58.00881Q050 9189.001 0.3 33983.914 0.3 0.3 0.2 156:00:37.93948高程配件- -H

52、= H0 + A点名提升错误(米) (厘米)Q007 517.164 1.1Q009 531.305 1.2Q036 512.712 1.1Q041 520.210 1.1Q048 539.139 1.3Q049 550.151 1.1Q050 557.812 1.3第 5 章 GPS 测量的误差来源及影响第一节GPS测量误差的分类在GPS测量中，观测精度的主要来源可分为三类：与GPS卫星有关的错误；湾。与信号传播有关的错误； C。与接收设备相关的错误。表3-1中给出了这些错误的详细信息及其影响。为了便于理解，通常将各种误差的影响投影到观测站到卫星的距离上，表示为相应的距离误差，称为等效距离偏

53、差。表 5-1 中列出的对过程距离的影响是与相应误差相当的距离偏差。错误来源卫星- 跟踪错误- 时钟错误信号传播- 对流层- 电离层- 复用效果接收者- 观察误差- 相位中心变化对距离测量的影响1.5 15m1.5 15m1.5 5m表 5-1根据误差的性质，上述误差可分为两大类：系统误差和偶然误差：系统误差：系统误差主要包括卫星轨道误差、卫星钟误差、接收机钟误差和大气折射误差。为了减弱和纠正系统误差对观测的影响，可以根据系统误差的原因采取不同的措施，包括：在数据处理中引入相应的未知参数并与其他未知参数一起求解；建立系统误差模型并修正观察结果；计算不同观测站对系统卫星同步观测的差异，以减少或消

54、除系统误差的影响；简单地忽略一些系统错误的影响。偶然误差：偶然误差主要包括信号的多径效应引起的误差和观测误差。1.与卫星有关的错误1)卫星星历错误广播星历或其他轨道信息给出的卫星位置与卫星实际位置之间的差异称为星历误差（也称为轨道误差）。在一个观测周期（ 1 3小时）内，主要呈现系统误差特征。星历误差的大小主要取决于卫星跟踪系统的质量，如跟踪站的数量和空间分布、观测值的数量和网格精度、轨道计算中使用的轨道模型和完善程度定轨软件。此外，它还与星历的预测间隔直接相关（实测星历的预测间隔可视为零）。由于美国政府的SA技术，在星历误差中也引入了大量人为原因造成的误差，主要表现为系统误差。卫星星历误差是

55、GPS定位的重要来源之一。 GPS卫星与地面的最大距离约为25000km 。如果基线测量的内容误差为1cm ，当基线长度不同时，内容的轨道误差大致如表3-4所示。可见，在相对定位中，随着基线长度的增加，卫星轨道误差将成为影响定位精度的主要因素。表 4-2基线长度（公里）基线相对误差 ( ppm )容许轨道误差（ m ）1.010250.010.01.025.0100.00.12.51000.00.010.25在GPS测量中，根据不同的要求，处理卫星轨道的方法基本上有三种：忽略卫星星历误差；采用轨道改正法处理观测数据；同步观测值计算差值，由于卫星星历误差相差不太远，两站定位结果的影响大致相同，因

56、此采用差值计算的方法可以显着降低卫星星历的误差，当基线较短时，其有效性非常显着。2)卫星时钟的时钟误差虽然卫星上使用了高精度的原子钟，但与理想的GPS 时间之间仍然存在不可避免的偏差。这些偏差的总和不到1ms ，它们引起的等效距离误差可达300km 。这种偏差包括系统误差（由时钟误差、频率偏移、频率漂移等引起的误差）和随机误差。系统误差远大于随机误差，但前者可以通过模型进行修正。这些值由卫星的主控制站确定，并通过卫星的导航信息提供给用户。经过上述时钟误差模型校正后，卫星之间的同步差可以保持在20ns以下，由此产生的等效距离偏差不会超过6m 。可以通过计算相对定位中观测量的差值（或差值）的方法来

57、消除卫星钟差或修正后的残差。因此，随机误差成为测量时钟的重要标志。时钟差异主要取决于时钟的质量。 SA技术实施后，将人为原因引起的信号随机抖动引入卫星时钟误差。当两站对卫星进行同步观测时，卫星钟的误差对两站观测的影响是相同的。每个卫星时钟的误差预测也被认为是相互独立的。3)相对论效应相对论效应是由于卫星钟和接收钟的状态（运动速度和重力位置）不同，在卫星钟和接收钟之间产生相对时钟误差的现象。所以严格来说，将其归因于卫星相关的错误并不完全准确。但是，由于相对论效应主要取决于卫星的速度和重力，并以卫星时钟误差的形式出现，因此被归类为此类误差。由于卫星相关误差，伪距测量与载波相位测量具有相同的效果。2

58、.与信号传播有关的错误1)电离层折射当电磁波信号通过电离层时，传播速度会发生变化，导致测量结果出现系统性偏差。这种现象称为电离层折射。电离层折射的大小取决于外部条件（时间、太阳黑子数量、位置等）和信号频率。卫星在天顶方向时，电离层对距离的影响小于5m ；白天中午左右，当卫星接近地平线时，效果可能大于150m 。为了减少电离层的影响， GPS测量中常采取以下措施：采用双频观测，由于电离层的影响是信号频率的函数，因此可以确定其影响的大小通过观察不同频率的电磁波信号，以校正观察结果。使用电离层模型进行校正。对于单频接收机的用户，为了减少电离层的影响，一般采用导航电文提供的电离层模型或其他合适的电离层

59、模型进行校正。然而，此类数学模型仍在开发中。利用同步观测值计算差异，该方法使用两个或多个接收器计算同一组卫星的同步观测值的差异，以减少电离层折射的影响。2)对流层折射卫星信号通过对流层时的传播速度会发生变化，从而导致测量结果出现系统误差。对流层折射的大小取决于外部条件（气温、气压、温度等）。对流层折射影响伪距测量以及载波相位测量。3)多径效应经某些物体表面反射后到达接收机的信号会与直接从卫星进入接收机的信号叠加，导致测量值出现系统误差，即所谓的多径误差。多径误差对伪距测量的影响比载波相位测量更严重。这个误差取决于电台周围的环境和接收天线的性能。在载波相位测量中，剩余在观测值中的周期跳变（由未检测或错误修复引起）和周期未知的错误确定会导致载波测量值出现系统误差，这些误差通常也包含在传播相关错误。3.接收者相关偏差1)接收时钟的误差。与卫星时钟一样，接收器时钟也有时钟误差。而且接收机一般采用精度较低的石英钟，因此时钟误差比较严重。误差的大小主要取决于时钟的质量，也和使用环境有一定的关系。它对伪距测量和载波相位测量具有相同的效果。当同一个接收机对多颗卫星进行同步观测时，接收机时钟误差对每个对应的观测值的影响是相同的，可以认为每个接收机的时钟误差是相互独立的。2)接收机位置误差在授时定轨过程中，接收机的位置（指接收机