第16章GPS原理及其應用

1、2 “ “授時、測距導航系統(tǒng)授時、測距導航系統(tǒng)/ /全球定位系統(tǒng)（全球定位系統(tǒng)（ Navigation System Timing and Ranging/Global Positioning Navigation System Timing and Ranging/Global Positioning System System ）”的簡稱。的簡稱。該系統(tǒng)是由美國從上世紀該系統(tǒng)是由美國從上世紀7070年代開始研制，歷時年代開始研制，歷時2020年，耗資年，耗資200200億美億美元，于元，于19941994年全面建成，具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航年全面建成，具有在海、陸、空進行全方

2、位實時三維導航與定位能力的新一代衛(wèi)星無線電導航與定位系統(tǒng)。與定位能力的新一代衛(wèi)星無線電導航與定位系統(tǒng)。具有全天候、高精度、自動化、高效益等，即：具有全天候、高精度、自動化、高效益等，即：（1 1）全球覆蓋；（）全球覆蓋；（2 2）自動化，精度高；（）自動化，精度高；（3 3）實時三維動態(tài)定位、）實時三維動態(tài)定位、測速和定時；（測速和定時；（4 4）高效率，無用戶數(shù)量限制，應用廣泛。）高效率，無用戶數(shù)量限制，應用廣泛。大地測量、工程測量、航空攝影測量、運載工具導航和管制大地測量、工程測量、航空攝影測量、運載工具導航和管制、地殼運動監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、資源勘察、地球動力學等領域。、地殼運動監(jiān)測、工

3、程變形監(jiān)測、資源勘察、地球動力學等領域。應用領域還在不斷地拓展，遍及國民經(jīng)濟各種部門，并逐步深入人們應用領域還在不斷地拓展，遍及國民經(jīng)濟各種部門，并逐步深入人們的日常生活的日常生活, , 從而給測繪學科帶來了一場深刻的技術革命。從而給測繪學科帶來了一場深刻的技術革命。3GPS衛(wèi)星衛(wèi)星4相對于經(jīng)典的測量技術來說，這一新技術的相對于經(jīng)典的測量技術來說，這一新技術的如下：如下：因而不再需要建造覘標，可減少測量因而不再需要建造覘標，可減少測量工作經(jīng)費和時間，同時也使點位的選擇變得甚為靈活。工作經(jīng)費和時間，同時也使點位的選擇變得甚為靈活。 GPSGPS可以精密測定測站的平面位置和大地可以精密測定測站的平

4、面位置和大地高。高。 近年來發(fā)展的快速相對定位法，觀測時間僅近年來發(fā)展的快速相對定位法，觀測時間僅需數(shù)分鐘；實時動態(tài)定位技術（需數(shù)分鐘；實時動態(tài)定位技術（RTKRTK）在一定范圍內可提供）在一定范圍內可提供厘米級的實時三維定位結果。厘米級的實時三維定位結果。 GPSGPS測量自動化程度很高，操作員的主要任務只測量自動化程度很高，操作員的主要任務只是安置并開關儀器，量取儀器高，監(jiān)視儀器的工作狀態(tài)等是安置并開關儀器，量取儀器高，監(jiān)視儀器的工作狀態(tài)等。接收機自動完成觀測工作，如衛(wèi)星捕獲，跟蹤觀測和記。接收機自動完成觀測工作，如衛(wèi)星捕獲，跟蹤觀測和記錄等。錄等。GPSGPS接收機重量輕，體積小，攜帶方

5、便。接收機重量輕，體積小，攜帶方便。 GPSGPS接收機可以在任何地點（衛(wèi)星信號不被遮接收機可以在任何地點（衛(wèi)星信號不被遮擋的情況下），任何時間連續(xù)地進行，一般也不受天氣狀擋的情況下），任何時間連續(xù)地進行，一般也不受天氣狀況的影響。況的影響。5全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)（GPS）構成示意圖）構成示意圖 空中空中GPSGPS衛(wèi)星向地面發(fā)射信號，地面用戶接收機實時地連續(xù)接衛(wèi)星向地面發(fā)射信號，地面用戶接收機實時地連續(xù)接收，并計算出接收機位置。收，并計算出接收機位置。（1 1）GPSGPS衛(wèi)星星座（空間部分）、（衛(wèi)星星座（空間部分）、（2 2）地面監(jiān)控系統(tǒng)）地面監(jiān)控系統(tǒng)（地面控制部分）、（地面控制部分）

6、、（3 3）GPSGPS用戶接收機（信號接收處理部分）。用戶接收機（信號接收處理部分）。6GPS星座示意圖星座示意圖 共有共有2424顆顆GPSGPS工作衛(wèi)星，構成工作衛(wèi)星，構成GPSGPS工作衛(wèi)星星工作衛(wèi)星星座。座。 地球上任何地球上任何地方可以同時觀地方可以同時觀測到測到4-124-12顆高度顆高度角角1515 以上的衛(wèi)以上的衛(wèi)星星, , 分布在分布在6 6個個近圓形軌道面，近圓形軌道面，高度在地面上約高度在地面上約20200km20200km，軌道，軌道面相對于地球赤面相對于地球赤道面傾斜道面傾斜5555 角角。7- - 接收和儲存由地面監(jiān)控站發(fā)來的跟蹤監(jiān)測信息；接收和儲存由地面監(jiān)控站發(fā)

7、來的跟蹤監(jiān)測信息；- - 在地面監(jiān)控站的指令下，調整衛(wèi)星姿勢和啟用備用衛(wèi)星；在地面監(jiān)控站的指令下，調整衛(wèi)星姿勢和啟用備用衛(wèi)星；- - 進行必要的數(shù)據(jù)處理工作；進行必要的數(shù)據(jù)處理工作；- - 通過星載的高精度銫鐘和銣鐘提供精密的時間標準；通過星載的高精度銫鐘和銣鐘提供精密的時間標準；- - 向用戶廣播向用戶廣播GPSGPS信號。信號。 GPSGPS衛(wèi)星廣播的衛(wèi)星廣播的GPSGPS信號是定位基礎，它由信號是定位基礎，它由(fo=10.23Mz)(fo=10.23Mz)經(jīng)倍頻經(jīng)倍頻和分頻產生。和分頻產生。154154和和120120倍頻后，分別形成倍頻后，分別形成L L波段的兩個載波頻率信號（波段的

8、兩個載波頻率信號（L1=1575.42Mz,L2=12227.60MzL1=1575.42Mz,L2=12227.60Mz）, ,波長分別為波長分別為19.03cm19.03cm和和24.42cm24.42cm。 調制在調制在L L載波上的信號包括載波上的信號包括C/AC/A碼、碼、P P碼和碼和D D碼。碼。頻率為頻率為1.023MHz1.023MHz的偽隨機碼。的偽隨機碼。載波頻率為載波頻率為10.23MHz10.23MHz的偽隨機碼。的偽隨機碼。粗碼和精碼；粗碼和精碼；衛(wèi)星向用戶提供為計算衛(wèi)星坐標的衛(wèi)星星衛(wèi)星向用戶提供為計算衛(wèi)星坐標的衛(wèi)星星歷、系統(tǒng)時間、衛(wèi)星鐘性能及電離層改正參數(shù)等信息。

9、歷、系統(tǒng)時間、衛(wèi)星鐘性能及電離層改正參數(shù)等信息。8圖圖3 3： GPSGPS信號的結構信號的結構 9 地面監(jiān)控系統(tǒng)：由一個地面監(jiān)控系統(tǒng)：由一個、三個、三個和五個和五個組成。組成。收集各個監(jiān)測站所測觀測值、環(huán)境要素等數(shù)據(jù)收集各個監(jiān)測站所測觀測值、環(huán)境要素等數(shù)據(jù)，計算每顆，計算每顆GPSGPS衛(wèi)星的星歷、時鐘改正量、狀態(tài)數(shù)據(jù)、以及信號衛(wèi)星的星歷、時鐘改正量、狀態(tài)數(shù)據(jù)、以及信號的大氣層傳播改正，并按一定的形式編制成導航電文，傳送到的大氣層傳播改正，并按一定的形式編制成導航電文，傳送到主控站：此外還控制和監(jiān)視其余站的工作情況并管理調度主控站：此外還控制和監(jiān)視其余站的工作情況并管理調度GPSGPS衛(wèi)衛(wèi)星

10、。星。將主控站傳來的導航電文，分別注入到相應的將主控站傳來的導航電文，分別注入到相應的GPSGPS衛(wèi)星中，通過衛(wèi)星將導航電文傳遞給地面上的廣大用戶。衛(wèi)星中，通過衛(wèi)星將導航電文傳遞給地面上的廣大用戶。GPSGPS用戶所需要的一項重要信息，通過導用戶所需要的一項重要信息，通過導航電文能確定航電文能確定GPSGPS衛(wèi)星在各時刻的具體位置。衛(wèi)星在各時刻的具體位置。為主控站編算導航電文提供原始觀測數(shù)據(jù)為主控站編算導航電文提供原始觀測數(shù)據(jù)。每個監(jiān)測站上都有。每個監(jiān)測站上都有GPSGPS接收機對所見衛(wèi)星觀測，采集環(huán)境要素接收機對所見衛(wèi)星觀測，采集環(huán)境要素等數(shù)據(jù)，經(jīng)初步處理后發(fā)往主控站。等數(shù)據(jù)，經(jīng)初步處理后發(fā)

11、往主控站。10 用戶要實現(xiàn)利用用戶要實現(xiàn)利用GPSGPS進行導航和定位的目的，還需要進行導航和定位的目的，還需要GPSGPS接收接收機，即用戶設備部分。機，即用戶設備部分。接收接收GPSGPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，獲得必要的衛(wèi)星發(fā)射的信號，獲得必要的導航和定位信息及觀測量，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后獲得觀測時刻接收機導航和定位信息及觀測量，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后獲得觀測時刻接收機的位置坐標。的位置坐標。 用戶設備部分主要由用戶設備部分主要由GPSGPS接收機硬件和數(shù)據(jù)處理軟件組成。接收機硬件和數(shù)據(jù)處理軟件組成。較精密的雙頻接收機，稍為便宜的單較精密的雙頻接收機，稍為便宜的單頻接收機。頻接收機。 所有所有GPSGPS接收機生

12、產廠家一般都隨機提供數(shù)據(jù)處理軟件包，接收機生產廠家一般都隨機提供數(shù)據(jù)處理軟件包，但其作用是有限的。但其作用是有限的。 國際上有一些科研機構為了克服商用數(shù)據(jù)處理軟件的不足，國際上有一些科研機構為了克服商用數(shù)據(jù)處理軟件的不足，已經(jīng)開發(fā)研制了多種精密的已經(jīng)開發(fā)研制了多種精密的GPSGPS數(shù)據(jù)后處理軟件包。數(shù)據(jù)后處理軟件包。 11測量學中的空間距離交會方法。測量學中的空間距離交會方法。 S2 S1S3S4GPS接收機接收機TiS212 按觀測值不同分為：按觀測值不同分為：、 按使用同步觀測的接收機數(shù)和定位解算方法來分：按使用同步觀測的接收機數(shù)和定位解算方法來分：、 根據(jù)接收機的運動狀態(tài)可分為根據(jù)接收機

13、的運動狀態(tài)可分為、 確定接收機在世界坐標系（確定接收機在世界坐標系（WGS-84WGS-84）中三維坐標。）中三維坐標。 確定接收機相對地面上另一參考點的空間基線向量。確定接收機相對地面上另一參考點的空間基線向量。 接收機是靜止不動的。接收機是靜止不動的。 確定安置接收機的運動平臺的三維坐標和速度。確定安置接收機的運動平臺的三維坐標和速度。 絕對定位和相對定位中，均包含靜態(tài)和動態(tài)兩種方式。絕對定位和相對定位中，均包含靜態(tài)和動態(tài)兩種方式。 比較有代表性的定位模式，即為比較有代表性的定位模式，即為、其他的定位模式均為依此衍生而來。其他的定位模式均為依此衍生而來。13衛(wèi)星到接收機的距離觀測量，即由衛(wèi)

14、星發(fā)射的測距碼信號到衛(wèi)星到接收機的距離觀測量，即由衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號到達接收機的傳播時間乘以光速所得的距離。達接收機的傳播時間乘以光速所得的距離。 由于偽距觀測量所確定的衛(wèi)星到測站的距離，都不可避免地會含有大由于偽距觀測量所確定的衛(wèi)星到測站的距離，都不可避免地會含有大氣傳播延遲、衛(wèi)星鐘和接收機同步誤差等的影響。氣傳播延遲、衛(wèi)星鐘和接收機同步誤差等的影響。 為了與衛(wèi)星和接收機之間的真實幾何距離相區(qū)別，這種含有誤差影響為了與衛(wèi)星和接收機之間的真實幾何距離相區(qū)別，這種含有誤差影響項的距離觀測，通常稱為項的距離觀測，通常稱為“”，并把它視為，并把它視為GPSGPS定位的基本觀測量定位的基本觀測量。利

15、用接收機在某一時刻，同步測定的至利用接收機在某一時刻，同步測定的至顆以上衛(wèi)星的偽距，以及從衛(wèi)星導航電文中獲得的衛(wèi)星位置，采顆以上衛(wèi)星的偽距，以及從衛(wèi)星導航電文中獲得的衛(wèi)星位置，采用距離交會法求得接收機的三維坐標。用距離交會法求得接收機的三維坐標。14GPS衛(wèi)星衛(wèi)星15w為了克服關于大氣折射延為了克服關于大氣折射延遲改正不夠準確，以及減遲改正不夠準確，以及減少未知數(shù)等原因，常對以少未知數(shù)等原因，常對以上觀測量作差分處理。一上觀測量作差分處理。一般用到的有般用到的有、。不同觀測站不同觀測站同步觀測相同衛(wèi)星所得觀同步觀測相同衛(wèi)星所得觀測量之差。測量之差。在單差法基在單差法基礎上，對不同測站同步觀礎上

16、，對不同測站同步觀測一組衛(wèi)星所得單差之差。測一組衛(wèi)星所得單差之差。測站間同步觀測量的單差示意圖測站間同步觀測量的單差示意圖 測站間同步觀測量的雙差示意圖測站間同步觀測量的雙差示意圖 T1 T216w 在雙差法基礎上，不同測站同步觀測的在雙差法基礎上，不同測站同步觀測的同一組衛(wèi)星所得雙差觀測量作差分。同一組衛(wèi)星所得雙差觀測量作差分。測站間同步觀測量的三差示意圖測站間同步觀測量的三差示意圖 T1 T217 差分法載波相位測量雖然可以消去一系差分法載波相位測量雖然可以消去一系列多余參數(shù)項（即指不含有測站坐標的列多余參數(shù)項（即指不含有測站坐標的項），但在組成差分觀測方程時，減少項），但在組成差分觀測方

17、程時，減少了觀測方程的個數(shù)，另外，也增加了觀了觀測方程的個數(shù)，另外，也增加了觀測量之間的相關性，這些都不利于提高測量之間的相關性，這些都不利于提高最后解的精度。最后解的精度。 三差法只是用于整周跳變的探測和估計三差法只是用于整周跳變的探測和估計，或求得測站坐標的近似解。，或求得測站坐標的近似解。 18 GPSGPS測量：與常規(guī)測量一樣，分為測量：與常規(guī)測量一樣，分為和和兩部分。兩部分。 GPSGPS測量實施階段：測量實施階段：；。一、一、GPSGPS網(wǎng)的優(yōu)化設計網(wǎng)的優(yōu)化設計 GPSGPS網(wǎng)的優(yōu)化設計，實施網(wǎng)的優(yōu)化設計，實施GPSGPS測量的第一步，也是在網(wǎng)的精測量的第一步，也是在網(wǎng)的精確性、可

18、靠性和經(jīng)濟性方面，實現(xiàn)用戶要求的重要環(huán)節(jié)。確性、可靠性和經(jīng)濟性方面，實現(xiàn)用戶要求的重要環(huán)節(jié)。 主要內容：主要內容：19l對對GPS網(wǎng)的精度要求，主要取決于網(wǎng)的用途。網(wǎng)的精度要求，主要取決于網(wǎng)的用途。l精度指標，以網(wǎng)中相鄰點之間的距離誤差來表示（精度指標，以網(wǎng)中相鄰點之間的距離誤差來表示（GPS測量規(guī)范）。測量規(guī)范）。l精度指標影響精度指標影響GPS網(wǎng)的布設方案、觀測計劃、觀測數(shù)據(jù)的處理方法，以及作網(wǎng)的布設方案、觀測計劃、觀測數(shù)據(jù)的處理方法，以及作業(yè)的時間和經(jīng)費。所以，在實際設計工作中，要根據(jù)實際需要確定。業(yè)的時間和經(jīng)費。所以，在實際設計工作中，要根據(jù)實際需要確定。l網(wǎng)的圖形設計，應在滿足用戶要

19、求的條件下，盡量減少消耗。網(wǎng)的圖形設計，應在滿足用戶要求的條件下，盡量減少消耗。lGPS網(wǎng)應采用獨立觀測邊構成閉合圖形，如：網(wǎng)應采用獨立觀測邊構成閉合圖形，如：或或 。l網(wǎng)的基準：包括網(wǎng)的位置基準、方向基準和尺度基準。而確定網(wǎng)的基準，是網(wǎng)的基準：包括網(wǎng)的位置基準、方向基準和尺度基準。而確定網(wǎng)的基準，是通過網(wǎng)的整體平差來實現(xiàn)的。通過網(wǎng)的整體平差來實現(xiàn)的。l網(wǎng)的基準設計，主要是指確定網(wǎng)的位置基準問題。網(wǎng)的基準設計，主要是指確定網(wǎng)的位置基準問題。l確定網(wǎng)的位置基準，通?？筛鶕?jù)情況，選取以下方法：確定網(wǎng)的位置基準，通常可根據(jù)情況，選取以下方法：l（1）選取網(wǎng)中一點的坐標值并加以固定，或給以適當?shù)臋啵唬?/p>

20、選取網(wǎng)中一點的坐標值并加以固定，或給以適當?shù)臋啵籰（2）網(wǎng)中的點均不固定，通過自由網(wǎng)偽逆平差或擬穩(wěn)平差，確定網(wǎng)的位置基）網(wǎng)中的點均不固定，通過自由網(wǎng)偽逆平差或擬穩(wěn)平差，確定網(wǎng)的位置基準；準；l（3）在網(wǎng)中選若干點的坐標值并加以固定；）在網(wǎng)中選若干點的坐標值并加以固定；（4）選網(wǎng)中若干點（直至全部點）的坐標值并給以適當?shù)臋?。）選網(wǎng)中若干點（直至全部點）的坐標值并給以適當?shù)臋唷?0二、外業(yè)觀測方法二、外業(yè)觀測方法、外業(yè)觀測計劃設計、外業(yè)觀測計劃設計利用衛(wèi)星預報軟件，輸入測區(qū)中心利用衛(wèi)星預報軟件，輸入測區(qū)中心點概略坐標、作業(yè)時間、衛(wèi)星截止高度角點概略坐標、作業(yè)時間、衛(wèi)星截止高度角等，利用不超過天的等

21、，利用不超過天的星歷文件即可編制衛(wèi)星預報圖。星歷文件即可編制衛(wèi)星預報圖。應根據(jù)儀器數(shù)量、交通工具狀況、測區(qū)交通環(huán)境應根據(jù)儀器數(shù)量、交通工具狀況、測區(qū)交通環(huán)境及衛(wèi)星預報狀況制定作業(yè)調度表。作業(yè)表應包括：及衛(wèi)星預報狀況制定作業(yè)調度表。作業(yè)表應包括：觀測時段（測站上開始接收衛(wèi)星信號到停止觀測，連續(xù)工作的時間觀測時段（測站上開始接收衛(wèi)星信號到停止觀測，連續(xù)工作的時間段），注明開、關機時間；段），注明開、關機時間；測站號、測站名；接收機號、作業(yè)員；測站號、測站名；接收機號、作業(yè)員；車輛調度表。車輛調度表。、野外觀測、野外觀測 野外觀測應嚴格按照技術設計要求進行。野外觀測應嚴格按照技術設計要求進行。安置天

22、線是精密測量的重要保證。要仔細對中安置天線是精密測量的重要保證。要仔細對中、整平，量取儀器高。儀器高要求鋼尺在互為、整平，量取儀器高。儀器高要求鋼尺在互為方向量三次，互差小方向量三次，互差小于于 mm mm，取平均值后記錄或輸入接收機。，取平均值后記錄或輸入接收機。21接收機應安置在距天線不遠的安全處，連接收機應安置在距天線不遠的安全處，連接天線及電源電纜，并確保無誤。接天線及電源電纜，并確保無誤。打開接收機，輸入或記錄測站名。詳情可參見不同打開接收機，輸入或記錄測站名。詳情可參見不同儀器的操作手冊。接收機自動化程度很高，儀器一旦跟蹤衛(wèi)星進行定儀器的操作手冊。接收機自動化程度很高，儀器一旦跟蹤

23、衛(wèi)星進行定位，接收機自動將接收的衛(wèi)星星歷、觀測值文件以及輸入信息存入接收機內位，接收機自動將接收的衛(wèi)星星歷、觀測值文件以及輸入信息存入接收機內記憶體。作業(yè)員只需要定期查看接收機工作狀況。記憶體。作業(yè)員只需要定期查看接收機工作狀況。 一個時段的測量結束后，要查看儀器高和測站名是否輸入，確保無誤后一個時段的測量結束后，要查看儀器高和測站名是否輸入，確保無誤后再關機、關電源，遷站。再關機、關電源，遷站。 衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘差參數(shù)；衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘差參數(shù)； 觀測歷元的時刻和偽距觀測值及載波相位觀測值；觀測歷元的時刻和偽距觀測值及載波相位觀測值； 絕對定位結果；絕對定位結果； 測站信息。測站信息。、觀測數(shù)

24、據(jù)下載及數(shù)據(jù)預處理、觀測數(shù)據(jù)下載及數(shù)據(jù)預處理 外業(yè)觀測數(shù)據(jù)在測區(qū)要及時嚴格檢查，對外業(yè)預處理成果，按規(guī)范要求外業(yè)觀測數(shù)據(jù)在測區(qū)要及時嚴格檢查，對外業(yè)預處理成果，按規(guī)范要求嚴格檢查、分析，根據(jù)情況進行必要的重測和補測。確保外業(yè)成果無誤后方嚴格檢查、分析，根據(jù)情況進行必要的重測和補測。確保外業(yè)成果無誤后方可離開測區(qū)?？呻x開測區(qū)。22三、內業(yè)數(shù)據(jù)處理三、內業(yè)數(shù)據(jù)處理 根據(jù)上述處理所獲得的標準化數(shù)據(jù)文件，便可進行觀測數(shù)據(jù)的平差計算根據(jù)上述處理所獲得的標準化數(shù)據(jù)文件，便可進行觀測數(shù)據(jù)的平差計算工作。工作。 平差計算的主要內容包括：平差計算的主要內容包括：同一基線邊，多歷元同步觀測值的平差計算。同一基線邊

25、，多歷元同步觀測值的平差計算。在同一測區(qū)中，同類精度數(shù)據(jù)處理，應采用相同方法、相同模型。由此所在同一測區(qū)中，同類精度數(shù)據(jù)處理，應采用相同方法、相同模型。由此所得到的平差結果為：基線向量（坐標差）及其相應的方差與協(xié)方差。得到的平差結果為：基線向量（坐標差）及其相應的方差與協(xié)方差。基線解算完畢后，需要對基線向量按網(wǎng)形構成，基線解算完畢后，需要對基線向量按網(wǎng)形構成，檢核同步環(huán)、異步環(huán)以及重復觀測邊的閉合差。具體要求參見檢核同步環(huán)、異步環(huán)以及重復觀測邊的閉合差。具體要求參見GPSGPS測量規(guī)測量規(guī)范。檢查合格后，就可以利用上述基線向量的平差結果，作為相關觀測量范。檢查合格后，就可以利用上述基線向量的平

26、差結果，作為相關觀測量，進行網(wǎng)的整體平差，消除不符值。整體平差應在，進行網(wǎng)的整體平差，消除不符值。整體平差應在WGS-84WGS-84坐標系統(tǒng)中進行坐標系統(tǒng)中進行，平差的結果，一般是網(wǎng)點的空間直角坐標，大地坐標和高斯平面坐標，平差的結果，一般是網(wǎng)點的空間直角坐標，大地坐標和高斯平面坐標，以及相應的方差與協(xié)方差。以及相應的方差與協(xié)方差。在城市、礦山等區(qū)域性的測量在城市、礦山等區(qū)域性的測量工作中，往往需要將工作中，往往需要將GPSGPS測量結果，化算到用戶所采用的區(qū)域性坐標系統(tǒng)測量結果，化算到用戶所采用的區(qū)域性坐標系統(tǒng)。因此，上述。因此，上述GPSGPS網(wǎng)，在網(wǎng)，在WGS-84WGS-84坐標系統(tǒng)

27、中的平差結果，尚需按用戶的要坐標系統(tǒng)中的平差結果，尚需按用戶的要求，進行坐標系統(tǒng)的轉換，或者為了改善已有的經(jīng)典地面控制網(wǎng)，確定求，進行坐標系統(tǒng)的轉換，或者為了改善已有的經(jīng)典地面控制網(wǎng)，確定GPSGPS網(wǎng)與經(jīng)典地面網(wǎng)之間的轉換參數(shù)，需要進行兩網(wǎng)的聯(lián)合平差。網(wǎng)與經(jīng)典地面網(wǎng)之間的轉換參數(shù)，需要進行兩網(wǎng)的聯(lián)合平差。23四、四、GPSGPS測量誤差測量誤差lGPS衛(wèi)星在距離地面約衛(wèi)星在距離地面約20200公里的高空，向公里的高空，向地面上的廣大用戶發(fā)送測距信號和導航電文地面上的廣大用戶發(fā)送測距信號和導航電文等信息。等信息。lGPS定位的觀測量不可避免地會受到多種誤定位的觀測量不可避免地會受到多種誤差源影

28、響。按照這些誤差源的來源，一般可差源影響。按照這些誤差源的來源，一般可分為三種情況：分為三種情況：（一）與（一）與GPSGPS衛(wèi)星有關的誤差衛(wèi)星有關的誤差（二）與信號傳播有關的誤差（二）與信號傳播有關的誤差（三）與接收設備有關的誤差（三）與接收設備有關的誤差 24( (一一) ) 與與GPSGPS衛(wèi)星有關的誤差衛(wèi)星有關的誤差廣播星歷或其它軌道信息給出的衛(wèi)星位廣播星歷或其它軌道信息給出的衛(wèi)星位置與衛(wèi)星真實位置之間的差值。置與衛(wèi)星真實位置之間的差值。由布設在地面上、具有一定數(shù)量與空間由布設在地面上、具有一定數(shù)量與空間分布的監(jiān)測站連續(xù)跟蹤觀測分布的監(jiān)測站連續(xù)跟蹤觀測GPS衛(wèi)星，并結合環(huán)境要素衛(wèi)星，并

29、結合環(huán)境要素等信息，再由主控站對衛(wèi)星作精密定軌計算得到的。等信息，再由主控站對衛(wèi)星作精密定軌計算得到的。由定軌結果外推得出，因此廣播星歷的精度由定軌結果外推得出，因此廣播星歷的精度是有限的。是有限的。由于衛(wèi)星位置是時間的函數(shù)，所以由于衛(wèi)星位置是時間的函數(shù)，所以GPS的的觀測量均以精密測時為前提。雖然觀測量均以精密測時為前提。雖然GPS衛(wèi)星均配有高精衛(wèi)星均配有高精度的原子鐘，但它們與理想的度的原子鐘，但它們與理想的GPS時之間仍會有偏差或時之間仍會有偏差或漂移，難以避免。漂移，難以避免。25( (二二) ) 與信號傳播有關的誤差與信號傳播有關的誤差l 根據(jù)其性質，分為根據(jù)其性質，分為、。對流層折

30、射影響包括來自平流層與中間層的折射，因此，也可合稱。對流層折射影響包括來自平流層與中間層的折射，因此，也可合稱為為，簡稱，簡稱。l 接收機天線除直接收到來自接收機天線除直接收到來自GPS衛(wèi)星的信號外，還衛(wèi)星的信號外，還可能收到天線周圍地物反射來的信號。這兩種信號疊加在一起將引起測量可能收到天線周圍地物反射來的信號。這兩種信號疊加在一起將引起測量參考點（相位中心）的變化，而且這種變化隨天線周圍反射面的性質而異，參考點（相位中心）的變化，而且這種變化隨天線周圍反射面的性質而異，難以控制。多路徑效應具有周期性誤差，其變化幅度可達數(shù)厘米。難以控制。多路徑效應具有周期性誤差，其變化幅度可達數(shù)厘米。l l

31、 除了采用載波相位測量方法；除了采用載波相位測量方法；l 采用造型適宜且屏蔽良好的天線。這種天線一般裝備有抑徑板或抑采用造型適宜且屏蔽良好的天線。這種天線一般裝備有抑徑板或抑徑圈，可以阻擋來自水平面以下的多路徑信號被接收。徑圈，可以阻擋來自水平面以下的多路徑信號被接收。l 有些多路徑信號來自豎立的高大建筑物表面，經(jīng)過這種表面反射的多路有些多路徑信號來自豎立的高大建筑物表面，經(jīng)過這種表面反射的多路徑信號，往往也具有較大的高度角值，可以從水平面以上進入接收機天線。徑信號，往往也具有較大的高度角值，可以從水平面以上進入接收機天線。l 因此，在進行因此，在進行GPS測量選址工作時，還應當考慮多路徑信號

32、產生的可能測量選址工作時，還應當考慮多路徑信號產生的可能性，盡量避開這種高大建筑物。性，盡量避開這種高大建筑物。 26( (三三) ) 與接收設備有關的誤差與接收設備有關的誤差 l 觀測分辨誤差、接收機天線相對測站點的安置誤差。觀測分辨誤差、接收機天線相對測站點的安置誤差。l 一般認為觀測分辨誤差約為信號波長的一般認為觀測分辨誤差約為信號波長的1%。由于載波的波長遠小。由于載波的波長遠小于于GPS偽隨機測距碼的波長，則采用載波相位觀測量可達到更高精度。偽隨機測距碼的波長，則采用載波相位觀測量可達到更高精度。l 天線的安置誤差主要有天線的置平與對中誤差和量取天線高的誤天線的安置誤差主要有天線的置

33、平與對中誤差和量取天線高的誤差。只要在觀測中認真操作，可以盡量減少這些誤差的影響。差。只要在觀測中認真操作，可以盡量減少這些誤差的影響。l 一般是在數(shù)據(jù)處理中作為未知數(shù)解出。另外在作差一般是在數(shù)據(jù)處理中作為未知數(shù)解出。另外在作差分法相對定位時，也可以通過在不同衛(wèi)星之間求差來消除其影響。分法相對定位時，也可以通過在不同衛(wèi)星之間求差來消除其影響。l GPS測量的觀測值都是以天線的相位中心為準，測量的觀測值都是以天線的相位中心為準，而我們一般只能觀察到天線的幾何中心，因此，要求天線的幾何中心與相位中心而我們一般只能觀察到天線的幾何中心，因此，要求天線的幾何中心與相位中心一致，這應在天線的生產和設計上

34、達到。另外，若采用同種型號的接收機天線，一致，這應在天線的生產和設計上達到。另外，若采用同種型號的接收機天線，可以近似認為相位中心與幾何中心的偏離情況是一樣的，因此，用觀測值的求差可以近似認為相位中心與幾何中心的偏離情況是一樣的，因此，用觀測值的求差和相對定位能削弱這種影響，但這時要求統(tǒng)一按天線的方向標定向，使各天線的和相對定位能削弱這種影響，但這時要求統(tǒng)一按天線的方向標定向，使各天線的指北極都指向正北方向。指北極都指向正北方向。l 主要是指觀測中整周未知數(shù)的跳主要是指觀測中整周未知數(shù)的跳變現(xiàn)象（周跳）。另外，也有在數(shù)據(jù)處理時求解整周未知數(shù)時的失敗，不能將整變現(xiàn)象（周跳）。另外，也有在數(shù)據(jù)處理

35、時求解整周未知數(shù)時的失敗，不能將整周未知數(shù)固定為某一整數(shù)，而只能取實數(shù)解情況。周跳的發(fā)生與多種因素有關的，周未知數(shù)固定為某一整數(shù)，而只能取實數(shù)解情況。周跳的發(fā)生與多種因素有關的，如信號受阻擋失鎖、接收機內部熱噪聲影響、電離層活動出現(xiàn)異常變化等。如信號受阻擋失鎖、接收機內部熱噪聲影響、電離層活動出現(xiàn)異常變化等。27利用利用GPS定位技術，確定觀定位技術，確定觀測站之間相對位置所采用的作業(yè)方式。測站之間相對位置所采用的作業(yè)方式。w不同的作業(yè)模式，因作業(yè)方法和觀測時間的不同，不同的作業(yè)模式，因作業(yè)方法和觀測時間的不同，而具有不同的應用范圍。而具有不同的應用范圍。w由于由于GPS測量數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)的

36、發(fā)展，為確定兩測量數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)的發(fā)展，為確定兩點之間的相對位置，已有多種作業(yè)模式可供選擇。點之間的相對位置，已有多種作業(yè)模式可供選擇。w目前，較為普遍采用的目前，較為普遍采用的。285.1 靜態(tài)相對定位模式靜態(tài)相對定位模式w作業(yè)方法：作業(yè)方法：w采用兩套（或兩套以上）接收設備，分別安置在一條（或數(shù)條）基采用兩套（或兩套以上）接收設備，分別安置在一條（或數(shù)條）基線的端點，根據(jù)基線長度和要求的精度，同步觀測線的端點，根據(jù)基線長度和要求的精度，同步觀測4顆以上衛(wèi)星數(shù)顆以上衛(wèi)星數(shù)時段，每一時段長時段，每一時段長13小時。小時。w定位精度：定位精度：w基線測量的精度可達基線測量的精度可達5mm+1p

37、pmD，D為基線長度，以公里計。為基線長度，以公里計。w特點：特點：w所觀測的獨立基線邊，應構成某種閉合圖形（如圖），以利于觀測所觀測的獨立基線邊，應構成某種閉合圖形（如圖），以利于觀測成果的檢核，增強網(wǎng)的強度，提高成果的可靠性和精確性，基線長成果的檢核，增強網(wǎng)的強度，提高成果的可靠性和精確性，基線長度可由數(shù)公里至上千公里。度可由數(shù)公里至上千公里。w適應范圍：適應范圍：l建立地殼運動或工程變形監(jiān)測網(wǎng)；建立地殼運動或工程變形監(jiān)測網(wǎng)；l建立全球性或國家級大地控制網(wǎng)；建立全球性或國家級大地控制網(wǎng)；l建立長距離檢?；€；建立長距離檢校基線；l進行島嶼與大陸聯(lián)測；進行島嶼與大陸聯(lián)測；l建立精密工程測量控

38、制網(wǎng)。建立精密工程測量控制網(wǎng)。靜態(tài)相對定位模式示意圖靜態(tài)相對定位模式示意圖295.2 快速靜態(tài)相對定位模式快速靜態(tài)相對定位模式w作業(yè)方法作業(yè)方法w在測區(qū)的中部選擇一個基準站在測區(qū)的中部選擇一個基準站(或參考站或參考站)，并安置一臺接收機，連續(xù)，并安置一臺接收機，連續(xù)跟蹤所有可見衛(wèi)星；跟蹤所有可見衛(wèi)星；w另一臺接收機，依次到各點流動設站，靜止觀測數(shù)分鐘，如圖所示。另一臺接收機，依次到各點流動設站，靜止觀測數(shù)分鐘，如圖所示。w在觀測中至少跟蹤在觀測中至少跟蹤4顆衛(wèi)星，同時流動站與基準站相距不超過顆衛(wèi)星，同時流動站與基準站相距不超過15km。l定位精度定位精度l流動站相對基準站的基線中誤差，可達（流動站相對基準站的基線中誤差，可達（510）mm+1ppmDl特點特點l接收機在流動站之間移動時，不必保持對所測衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤，因而接收機在流動站之間移動時，不必保持對所測衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤，因而可關閉電源以降低能耗?？申P閉電源以降低能耗。l該模式作業(yè)速度快，精度高。該模式作業(yè)速度快，精度高。l缺點是，在采用兩臺接收機作業(yè)時，缺點是，在采用兩臺接收機作業(yè)時，直接觀測邊不構成閉合圖形。直接觀測邊不構成閉合圖形。l適用范圍：適用范圍：l小范圍的控制測量及其加密；小范圍的控制測量及其加密；l工程測量、邊界測量；工程測量、邊界測