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1、第一章 1 GPS系統(tǒng)由三部分組成：空間部分、地面控制部分、用戶設備部分 2 GPS的空間部分 ： GPS衛(wèi)星星座 （1）設計星座：21+3，即：21顆正式的工作衛(wèi)星+3顆活動的備用衛(wèi)星 （2）6個軌道面，平均軌道高度20200km，軌道傾角55 ° （3）運行周期：11h 58min （4）任何時刻，在高度角15°以上，能夠同時觀測到4顆以上衛(wèi)星 GPS衛(wèi)星作用： ①接收、存儲導航電文 ②生成用于導航定位的信號（測距碼、載波）。 ③發(fā)送用于導航定位的信號（采用雙相調制法調制在載波上的測距碼和導航電文）。 ④接受地面指令，進行相應操作。 ⑤其他特殊用

2、途，如通訊、監(jiān)測核暴等 3 GPS的地面監(jiān)控部分 組成： 主控站：1個、 監(jiān)測站：5個、 注入站：3個、 通訊與輔助系統(tǒng) 4 GPS的用戶部分 組成 ：用戶 、接收設備（GPS信號接收機、其它儀器設備） 第二章 1 坐標系統(tǒng)是由原點位置、3個坐標軸的指向和尺度所定義，根據(jù)坐標軸指向的不同，可劃分為兩大類坐標系：天球坐標系和地球坐標系。 (1)天球坐標系：與地球自轉無關，描述人造地球衛(wèi)星的位置； (2)地球坐標系：隨地球自轉，描述地面觀測站的空間位置 2.(1)天球：指以地球為中心，無限的向天空伸展的一個球體。地軸延伸與天球有兩個交點，北交點稱為天北極，南交點

3、稱為天南極。 (2)通過地心與黃道面（地球繞太陽公轉的軌道平面 ）垂直的軸線為黃軸，黃軸與天球的兩個交點分別是北黃極和南黃極。(春分點：即黃道與赤道的交點之一。) (3)天球空間直角坐標系的定義: 地球質心O為坐標原點，Z軸指向天球北極，X軸指向春分點，Y軸垂直于XOZ平面，與X軸和Z軸構成右手坐標系。則在此坐標系下，空間點的位置由坐標（X，Y，Z）來描述。 (4)天球球面坐標系的定義: 地球質心O為坐標原點，春分點軸與天軸所在平面為天球經(jīng)度（赤經(jīng)）測量基準——基準子午面，赤道為天球緯度測量基準，而建立的球面坐標?？臻g點的位置在天球坐標系下的表述為（r，α，δ）。 5

4、地球坐標系 (1) 地球直角坐標系的定義: 原點O與地球質心重合，Z軸指向地球北極，X軸指向地球赤道面與格林尼治子午圈的交點，Y軸在赤道平面里與XOZ構成右手坐標系。 (2)地球大地坐標系的定義: 地球橢球的中心與地球質心重合，橢球的短軸與地球自轉軸重合。空間點位置在該坐標系中表述為（L，B，H）。 6 衛(wèi)星測量中常用坐標系 (1) 瞬時極天球坐標系與地球坐標系 A 瞬時極天球坐標系：原點位于地球質心，z軸指向瞬時地球自轉方向（真天極），x軸指向瞬時春分點（真春分點），y軸按構成右手坐標系取向。 B 瞬時極地球坐標系：原點位于地球質心，z軸指向瞬時地球自轉軸方向

5、，x軸指向瞬時赤道面和包含瞬時地球自轉軸與平均天文臺赤道參考點的子午面的交點，y軸構成右手坐標系取向 7 日月歲差與章動 由于地球本身不均勻以及日、月對地球的影響，使地軸在空間不斷地抖動，這樣導致天軸繞著黃極在天球上緩慢的運動。該運動可分解為長周期和短周期運動。長周期運動是25800年繞黃極一周，使春分點產(chǎn)生每年約50.2秒的長期變化，稱之為日月歲差；一系列短周期變化中幅值最大為9秒，周期為18.6年，短周期變化稱為章動。 8 固定極天球坐標系——平天球坐標系 選擇某一歷元時刻，以此瞬間的地球自轉軸和春分點方向分別扣除此瞬間的章動值作為z軸和x軸指向，y軸按構成

6、右手坐標系取向，建立天球坐標系——平天球坐標系，坐標系原點與真天球坐標系相同。瞬時極天球坐標系與歷元平天球坐標系之間的坐標變換通過下面兩次變換來實現(xiàn) 9 固定極地球坐標系——平地球坐標系 極移：地球瞬時自轉軸在地球上隨時間而變，稱為地極移動，簡稱極移。 國際協(xié)定原點CIO：采用國際上5個緯度服務站的資料，以1900.00至1905.05年地球自轉軸瞬時位置的平均位置作為地球的固定極稱為國際協(xié)定原點CIO。 (1)平地球坐標系: 取地球質心為坐標原點，z軸指向CIO，x軸指向協(xié)定赤道面與格林尼治子午線的交點，y軸在協(xié)定赤道面里，與xoz構成右手坐標系，構成平地球坐標系。 1

7、0 WGS-84大地坐標系 (1) WGS（World Geodetic System）-84的定義：原點在地球質心，Z軸指向BIH（國際時間局）1984.0定義的協(xié)議地球極（CTP-Conventional Terrestrial Pole）方向，X軸指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交點，Y軸和Z、X軸構成右手坐標系。它是一個地固坐標系。 (2)WGS-84橢球及其有關常數(shù)：WGS-84采用的橢球是國際大地測量與地球物理聯(lián)合會第17屆大會大地測量常數(shù)推薦值，其四個基本參數(shù): 長半徑、地球引力常數(shù)、 正常化二階帶諧系數(shù)、地球自轉角速度。 12 坐標

8、系統(tǒng)之間的轉換 布爾沙-沃爾夫模型：七參數(shù)轉換( 7-Parameter Transformation) 在該模型中共采用了7 個參數(shù),分別是 3 個平移參數(shù) TX、 TY、 TZ , 3 個旋轉參數(shù) ω X、 ω Y、 ω Z ( 也被稱為 3 個歐拉角) 和 1 個尺度參數(shù) m。 13 時間基準 時間測量需要一個公共的標準尺度。一般來說，任何一個能觀測到的周期性運動，只要能滿足下列條件都可以作為時間基準： （1）能作連續(xù)的周期性運動，且運動周期十分穩(wěn)定； （2）運動周期具有很好的復現(xiàn)性，即在不同的時期和地點這種周期性運動都可以通過觀測和實驗來予以實現(xiàn) 14 恒星時ST

9、 (Sidereal Time) 定義：以春分點為參考點，由它的周日視運動即春分點兩次經(jīng)過本地子午線的時間間隔所確定的時間稱為一個恒星日。 恒星時在數(shù)值上等于春分點相對于本地子午圈的時角。 15 平太陽時MT (Mean Solar Time） 其周年視運動軌跡位于赤道平面而不是黃道平面；它在赤道上的運動角速度是恒定的，等于真太陽的平均角速度。 平太陽時： 以平太陽作為參考點，由它的周日視運動所確定的時間稱為平太陽時。 16 世 界時UT (Universal Time) a) 以平子午夜為零時起算的格林尼治平太陽時定義為世界時UT（格林尼治起始子午線處的平太陽時）。

10、它是世界統(tǒng)一的時間系統(tǒng)。 b) 地球自轉角速度不均勻，不僅有長期減緩的總趨勢，而且也有季節(jié)性的變化及短周期變化，較為復雜； c) 地極在地球上的位置不固定，而是在不斷移動，即極移。 d) 世界時不再嚴格滿足作為一個時間系統(tǒng)的基本條件。 17 子時ATI (International Atomic Time) 當原子中的電子從某一能級躍遷至另一能級時所發(fā)出或吸收的電磁波。這種電磁波的頻率非常穩(wěn)定，而且這種現(xiàn)象容易復現(xiàn)，所以是一種很好的時間基準。 原子時：以原子躍遷是的穩(wěn)定頻率作為時間基準的時間系統(tǒng)。 18 GPS時間系統(tǒng)(GPST) (1) 為了保證導航

11、和定位的精度，全球定位系(GPS)建立了專門的時間系統(tǒng)，簡稱GPST。 (2) GPST屬于原子時系統(tǒng)，其秒長為國際制秒(SI)，與原子時相同，但其原點與國際原子時(IAT)的起點不同。GPST與IAT之間存在一個常數(shù)差，它們的關系為： IAT-GPST=19(s) (2) GPST與協(xié)調時(UTC)規(guī)定于1980年1月6日0時相一致，其后隨著時間成整倍數(shù)積累，到1987年該差值為4s，到1995年相差10s。 GPST由主控站原子鐘控制。 第三章 衛(wèi)星運動基礎及GPS衛(wèi)星星歷 1 無攝

12、運動：僅考慮地球質心引力作用的衛(wèi)星運動稱為無攝運動。 l 受攝運動：考慮攝動力作用的衛(wèi)星運動稱為受攝運動。 2 GPS衛(wèi)星星歷 衛(wèi)星星歷：是描述衛(wèi)星運動軌道的信息。也可以說衛(wèi)星星歷就是一組對應某一時刻的軌道根數(shù)及其變率。GPS衛(wèi)星星歷分為預報星歷和后處理星歷。 GPS衛(wèi)星星歷傳送方式： （1）C/A碼星歷，其中星歷精度為數(shù)十米。 （2）P碼星歷，精度提高到5m左右。 GPS廣播星歷參數(shù)共有16個，其中包括1個參考時刻，6個對應參考時刻的開普勒軌道參數(shù)和9個反映攝動力影響的參數(shù)。 第四章 GPS衛(wèi)星的導航電文和衛(wèi)星信號 1 GPS信號包含有三種信號

13、分量，即載波信號、測距碼信號和數(shù)據(jù)碼信號(或稱D碼，即導航電文)，在這三種分量中載波和測距碼用于測量衛(wèi)星到地面接收機之間的距離；而數(shù)據(jù)碼則提供計算衛(wèi)星坐標所需的參數(shù)，由衛(wèi)星坐標和衛(wèi)星到地面間的距離求得地面點的坐標。 2 GPS衛(wèi)星的導航電文 GPS衛(wèi)星的導航電文（簡稱衛(wèi)星電文）：包含了有關衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星工作狀態(tài)、時間系統(tǒng)、衛(wèi)星鐘運行狀態(tài)、軌道攝動改正、大氣折射改正和由C/A碼捕獲P碼等導航信息的數(shù)據(jù)碼(或D碼)。這些信息是以二進制碼的形式，按幀向外播送。它的基本單位是長1500bit的一個主幀，傳輸速率是50bit/s, 30秒鐘傳送完畢一個主幀。一個主幀包括5個子幀，第

14、1、2、3子幀各有10個字碼，每個字碼有30bit。第4、5子幀各有25個不同的頁面，共有37500bit。第1、2、3子幀每30秒鐘重復一次（第4、5子幀翻轉一頁），內(nèi)容每小時更新一次。第4、5子幀的全部信息則需要750秒鐘才能夠傳送完，即第4、5子幀是12.5分鐘播完一次（一組完整電文），然后再重復之，其內(nèi)容僅在衛(wèi)星注入新的導航數(shù)據(jù)后才得以更新。 3 兩種載波 在無線電通信技術中，為了有效地傳播信息，都是將頻率較低的信號加載在頻率較高的載波上，此過程稱為調制。然后載波攜帶著有用信號傳送出去，到達用戶接收機。 GPS衛(wèi)星的測距碼信號和導航電文信號都屬于

15、低頻信號，其中C/A碼和P碼的數(shù)碼率分別為1.023Mbit/s與10.23Mbit/s，而D碼（導航電文）的數(shù)碼率僅為50bit/s。 4 GPS使用兩種載波： L1載波：fL1=154×f0=1575.42MHz,波長λ1=19.032cm，其上調制C/A碼、P碼以及導航電文； L2載波：fL2=120×f0=1227.6MHz,波長λ2=24.42cm，其上僅調制P碼與導航電文。 選擇這兩個載波的目的是：測量出或消除掉由于電離層而引起的延遲誤差。 5 衛(wèi)星信號的調制 GPS衛(wèi)星的測距碼和數(shù)據(jù)碼是用二進制調相技術調制到載波上的。

16、調制碼幅值只取0或1。如果當碼值取0時，對應的碼狀態(tài)取為+1，而碼值取1，對應的碼狀態(tài)為-1位，那么載波和相應的碼狀態(tài)相乘后便實現(xiàn)了載波的調制。這時，當載波和相應的碼狀態(tài)+1相乘時，其相位不變，而當與碼狀態(tài)-1相乘時，其相位改變180°。所以當碼值從0變1或從1變 為0時，都將使載波相位改 變180°。這時的載波信號 實現(xiàn)了調制碼的相位調制 6 偽隨機噪聲碼的產(chǎn)生及特性 l 碼：用以表達某種信息的二進制數(shù)及其組合。 l 隨機噪聲碼：某一時刻，碼元是0或1完全是隨機的一組碼序列，這種碼元幅度的取值完全無規(guī)律的碼序列，通常稱為隨機碼序列，也叫做隨機噪聲碼序列。 它是

17、一種非周期序列，無法復制。但隨機噪聲碼序列有良好的自相關性，GPS衛(wèi)星碼信號測距就是利用了GPS測距碼的良好的自相關性才獲得成功。 雖然隨機碼具有良好的自相關特性，但由于它是一種非周期性的序列，不服從任何編碼規(guī)則，所以實際上無法復制和利用。 7 偽隨機噪聲碼及其特性 偽隨機噪聲碼(Pseudo Random Noise—PRN)，簡稱偽隨機碼或偽碼。這種碼序列的主要特點是，不僅具有類似隨機碼的良好自相關特性，而且具有某種確定的編碼規(guī)則。它是周期性的，可以容易地復制。 偽隨機噪聲碼由多級反饋移位寄存器產(chǎn)生。這種移位寄存器由一組連接在一起的存儲單元組成，每個存

18、儲單元只有“0”或“1”兩種狀態(tài)，并接受脈沖和置“1”脈沖的驅動和控制。 8 粗碼C/A碼 產(chǎn)生方式 C/A碼是用于粗測距和捕獲GPS衛(wèi)星信號的偽隨機碼。它是由兩個10級反饋移位寄存器構成的G碼產(chǎn)生的。兩個移位寄存器于每星期日子夜零時，在置“1”脈沖作用下全處于1狀態(tài)，同時在碼率1.023MHz驅動下，兩個移位寄存器分別產(chǎn)生序列G1（t）和G2（t）。G2(t)序列經(jīng)過 相位選擇器，輸入一個與G2（t）平移等價的m序列，然后與G1(t)模2相加， 便得到C/A碼。C/A也稱為捕獲碼。 l C/A碼特點 C/A碼的碼長很短，易于捕獲。在GPS導航和定位中，

19、為了捕獲C/A碼以測定衛(wèi)星信號傳播的時延，通常需要對C/A碼逐個進行搜索。因為C/A碼總共只有1023個碼元，所以若以每秒50碼元的速度搜索，只需要約20．5秒便可達到目的。由于C/A碼易于捕獲，而且通過捕獲的C/A碼所提供的信息，又可以方便地捕獲GPS的P碼。 9 精碼P(y)碼 產(chǎn)生方式： P碼是衛(wèi)星的精測碼，碼率為10.23MHz。它是由兩個偽隨機碼PN1(t)和PN2(t)的乘積得到的。 l P碼精度 P碼碼元寬度為29.30m。由于P碼的碼元寬度為C/A碼的1/10，這時若取碼元的對齊精度仍為碼元寬度的l/10—l/100，則由此引起的相應

20、距離誤差約為2.93-0.29m，僅為C/A碼的1/10。所以P碼可用于較精密的導航和定位，故通常也稱之為精碼 P碼特點 根據(jù)美國國際部規(guī)定，P碼是專為軍用的。目前只有極少數(shù)高檔次測地型接收機才能接收P碼，且價格昂貴。即使如此，美國國防部又宣布實施AS政策，即在P碼上增加一個極度保密的W碼，形成新的Y碼，絕對禁止非特許用戶應用 10 GPS現(xiàn)代化： 在L2上調制L2C碼 、 增設頻率L5 、 在L1和L2增加軍用碼M碼 、 阻止、干擾敵對方使用全球定位系統(tǒng) 11 接收機的用途分類可分為： a) 測地型接收機： 測地型接

21、收機主要用于精密大地測量和精密工程測量。這種儀器主要采用載波相位觀測值進行相對定位，定位精度高。儀器結構復雜，價格較貴。 l 授時型接收機： 這類接收機主要利用GPS衛(wèi)星提供的高精度時間標準進行授時，常用于天文臺及無線電通訊中時間同步。 l 按接收機的載波頻率分類 l 單頻接收機 單頻接收機只能接收L1載波信號，測定載波相位觀測值進行定位。由于不能有效消除電離層延遲影響，單頻接收機只適用于短基線（<15km）的精密定位。 l 雙頻接收機 雙頻接收機可以同時接收Ｌ１，Ｌ２載波信號。利用雙頻對電離層延遲的不一樣，可以消除電離層對電磁波信號延遲的影響，因此雙

22、頻接收機可用于長達幾千公里的精密定位。 第五章 GPS衛(wèi)星定位基本原理 1 GPS定位的實質，即確定一個點在地球上的絕對位置或相對位置。 A 單點定位（絕對定位）：絕對定位是以地球質心為參考點，測定接收機天線在協(xié)議地球坐標系中的絕對位置。 B 相對定位：確定測站與某一地面參考點之間的相對位置。 C 差分定位：用兩臺GPS接收機，將一臺接收機安設在基準站固定不動，另一臺接收機安置在運動的載體上，兩臺接收機同步觀測相同的衛(wèi)星，通過在觀測值之間求差，以消除具有相關性的誤差，提高定位精度。而運動點位置是通過確定該點相對基準站的相對位置實現(xiàn)的。 D 靜態(tài)定位：在

23、定位過程中，接收機天線處于靜止狀態(tài)，或者說，待定點在協(xié)議地球坐標系中的位置，被認為是固定不動的，那么確定這些待定點位置的定位測量就稱為靜態(tài)定位。 E 動態(tài)定位：如果在定位過程中，接收機天線處在運動狀態(tài)，這是待定點位置將隨時間變化。確定這些運動著的待定點的位置，稱為動態(tài)定位。 2 A 偽據(jù)測量：利用C/A碼偽距或P碼偽距作為觀測量進行定位測量。 B 載波相位測量：利用L1載波或L2載波測得的載波相位偽距作為觀測量進行定位測量。 C 雙程測距：用于電磁波測距儀 D 單程測距：用于GPS 偽距： 由衛(wèi)星發(fā)射的測距碼到達GPS接收機的傳播時間乘以光速所得出的

24、量測距離。 在同一觀測歷元，只需同時觀測4顆衛(wèi)星，即可獲得4個觀測方程式，解求出這4個未知數(shù)。 當超過4顆衛(wèi)星時，存在多余觀測，則需用最小二乘法求得改正數(shù)和精確值。 重建載波：將非連續(xù)的載波信號恢復成連續(xù)的載波信號。 3 碼相關法 方法 :將所接收到的調制信號（衛(wèi)星信號）與接收機產(chǎn)生的復制碼相乘。（再進行一次二進制調相） 將測距碼去掉，僅留下載波和導航電文。 特點 (1) 限制：需要了解碼的結構。 (2)優(yōu)點：可獲得導航電文，可獲得全波長的載波，信號質量好（信噪比高）（能恢復L1載波） 4 平方法 方法:(1) 將所接收到的調制信號（衛(wèi)星信號）自乘。（載波的二次

25、諧波） (2)去掉了導航電文和測距碼 特點 (1) 優(yōu)點：無需了解碼的結構 (2)缺點：無法獲得導航電文，所獲載波波長為原來波長的一半，信號質量較差（信噪比低，降低了30dB） 5 整數(shù)解 ： 基本方法 1)求初始解確定基線向量的實數(shù)解和整周未知數(shù)的實數(shù)解 2)將整周模糊度一一固定為整數(shù)（非常有把握） 3) 求固定解：作為已知值代回法方程，重新求解基線向量，從而獲得固定解 6 實數(shù)解 ： 基線較長，誤差相關性減弱，初始解的誤差將隨之增大，從而使模糊度參數(shù)很難固定，整數(shù)化的意義不大。 7 周跳產(chǎn)生的原因 a) 建筑物或樹木等障礙物的遮

26、擋 b) 電離層電子活動劇烈 c) 多路徑效應的影響 d) 衛(wèi)星信噪比(SNR)太低 e) 接收機的高動態(tài) f) 接收機內(nèi)置軟件的設計不周全 8 單差（站間單差）： A 消除了與衛(wèi)星有關的誤差：如衛(wèi)星鐘差 B 站間距不大時可消除大部分大氣誤差 C 多測站時注意選取基站 9 雙差（星際二次差） 在一次差的基礎進一步消除了與接收機有關的載波相位及其鐘差項 注意選取基星 GPS基線向量處理時常用的模型 10 差 （歷元間差分）:在雙差的基礎上進一步消除了初始整周模糊度 11 差分模型的優(yōu)缺點 a) 優(yōu)點：（1）消除或減弱一些具有系統(tǒng)性誤差的影響

27、 （2）減少平差計算中未知數(shù)的個數(shù) b) 缺點：（1）原始獨立觀測量通過求差將引起差分量之間的相關性 （2）平差計算中，差分法將使觀測方程數(shù)明顯減少 （3）基站和基星選取情況隨接收機的數(shù)量增多情況越來越復雜 12 差分GPS的基本原理 利用基準站（設在坐標精確已知的點上）測定具有空間相關性的誤差或其對測量定位結果的影響，供流動站改正其觀測值或定位結果 13 分改正數(shù)的類型 a) 距離改正數(shù)：利用基準站坐標和衛(wèi)星星歷可計算出站星間的計算距離，計算距離減去觀測距離即為距離改正數(shù)。 b) 位置（坐標改正數(shù)）改正數(shù)：基準站上的接收機對GPS衛(wèi)星進行觀測，確定出測站的觀測坐標，測

28、站的已知坐標與觀測坐標之差即為位置的改正數(shù)。 14 單站GPS差分（SRDGPS） a) 根據(jù)差分GPS基準站發(fā)送的信息方式可將單站GPS差分定位分為:位置差分、偽距差分、載波相位差分。 b) 位置差分原理 基站 計算坐標值 已知坐標值 坐標偏差 坐標改正 流動站 l 偽距差分原理 基站 計算偽距值 偽距觀測值 偽距偏差 偽距改正 l 載波相位差分原理 l 載波相位差分技術又稱RTK (Real Time Kinematic)技術。其方法有修正法和差分法。差分法是將基準站采集的載波相位發(fā)送給用戶，進行求差結算坐標。 基站 流動站 相位觀測值

29、 流動站的坐標 相位觀測值 差分計算 15 GPS 網(wǎng)技術設計的依據(jù) 1、目前主要的GPS測量規(guī)范（規(guī)程） l 2009年國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局和國家標準化管理委員會發(fā)布的《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》GB/T18314-2009 l 2005年國家測繪局發(fā)布的行業(yè)標準《全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運行參考站網(wǎng)建設規(guī)范》CH/T2008-2005 l 1992年國家測繪局發(fā)布的測繪行業(yè)標準《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》CH2001-92 l 1997年建設部發(fā)布的行業(yè)標準《全球定位系統(tǒng)城市測量技術規(guī)程》CJJ73-97 l 各行業(yè)部門的其他GPS測量規(guī)程或細則

30、 2、測量任務書 測量任務書或合同是測量施工單位上級主管部門或合同甲方下達的技術要求文件。它規(guī)定了測量任務的范圍、目的、精度和密度要求，提交成果資料的項目和時間，完成任務的經(jīng)濟指標等。 GPS測量的精度標準 GPS測量的精度標準通常用網(wǎng)中相鄰點之間弦長中誤差表示，其形式為： 式中：σ—基線向量的弦長中誤差（ mm ）； ɑ——固定誤差（ mm ）； b——比例誤差系數(shù)（ppm）； d——相鄰點之間的距離（km）。 實際生產(chǎn)中，應根據(jù)測區(qū)大小、GPS網(wǎng)的用途，來設計網(wǎng)的等級和精度標準。 第七章 GPS測量的誤差來源及其

31、影響 1 GPS測量誤差的來源 （1）與衛(wèi)星有關的誤差：衛(wèi)星軌道誤差（星歷誤差）、衛(wèi)星鐘差、相對論效應 （2）與傳播途徑有關的誤差：電離層延遲、對流層延遲、多路徑效應 （3）與接收設備有關的誤差：接收機天線相位中心的偏移和變化、接收機鐘差、接收機內(nèi)部噪聲 2總電子含量 TEC ：即為沿衛(wèi)星信號傳播路徑 s 對電子密度 Ne 進行積分所獲得的結果,也即底面積為一個單位面積沿信號傳播路徑貫穿整個電離層的一個柱體中所含的電子數(shù)。通常以電子數(shù)/m2或電子數(shù)/ cm2為單位。 3 多路徑誤差與多路徑效應 多路徑（Multipath）誤差 ： 在GPS測量中，被測站附近的物體所反

32、射的衛(wèi)星信號（反射波）被接收機天線所接收，與直接來自衛(wèi)星的信號（直接波）產(chǎn)生干涉，從而使觀測值偏離真值產(chǎn)生所謂的“多路徑誤差”。 多路徑效應： 由于多路徑的信號傳播所引起的干涉時延效應稱為多路徑效應。 4 減弱多路徑誤差的方法 （1）觀測上 ： 選擇合適的測站，避開易產(chǎn)生多路徑的環(huán)境 （2）硬件上 ： 采用抗多路徑誤差的儀器設備 A 抗多路徑的天線：帶抑徑板或抑徑圈的天線，極化天線 B 抗多路徑的接收機：窄相關技術MEDLL(Multipath Estimating Delay Lock Loop)等。 （3） 數(shù)據(jù)處理上 : 加權 、參數(shù)法 、濾波法 、信號分析法

33、 第八章 GPS測量的設計與實施 1 GPS 網(wǎng)技術設計的依據(jù) 目前主要的GPS測量規(guī)范（規(guī)程） （1）2009年國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局和國家標準化管理委員會發(fā)布的《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》GB/T18314-2009 （2）2005年國家測繪局發(fā)布的行業(yè)標準《全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運行參考站網(wǎng)建設規(guī)范》CH/T2008-2005 （3）1992年國家測繪局發(fā)布的測繪行業(yè)標準《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》CH2001-92 （4）1997年建設部發(fā)布的行業(yè)標準《全球定位系統(tǒng)城市測量技術規(guī)程》CJJ73-97 （5）各行業(yè)部門的其他GPS測量規(guī)程或細則 2

34、GPS測量的精度標準 GPS測量的精度標準通常用網(wǎng)中相鄰點之間弦長中誤差表示，其形式為： 式中：σ—基線向量的弦長中誤差（ mm ）； ɑ——固定誤差（ mm ）； b——比例誤差系數(shù)（ppm）；d——相鄰點之間的距離（km）。 實際生產(chǎn)中，應根據(jù)測區(qū)大小、GPS網(wǎng)的用途，來設計網(wǎng)的等級和精度標準。 3 GPS網(wǎng)的基準設計 基準設計的定義：在GPS網(wǎng)的技術設計中，必須明確GPS網(wǎng)的成果所采用的坐標系統(tǒng)和起算數(shù)據(jù)的工作，稱為GPS網(wǎng)的基準設計。GPS網(wǎng)的基準包括位置基準、方位基準和尺度基準。 GPS網(wǎng)的基準的確定： （1）位置基準：GP

35、S 網(wǎng)的位置基準取決于網(wǎng)中 “起算點” 的坐標和平差方法。確定網(wǎng)的位置基準一般可采用下列方法: A 選取網(wǎng)中一個點的坐標并加以固定或給以適當?shù)臋啵簩W(wǎng)的定向和尺度都沒有影響,由于在網(wǎng)平差中沒有給出多余的約束條件, 將其稱為獨立網(wǎng)。 B 在網(wǎng)中選取若干個點的坐標并加以固定或給以適當?shù)臋啵涸诖_定網(wǎng)的位置基準的同時也會對網(wǎng)的方向和尺度產(chǎn)生影響。由于給出的起算數(shù)據(jù)多于必要的起算數(shù)據(jù)數(shù), 故稱其為附合網(wǎng)。 (2)尺度基準：由 GPS網(wǎng)中的基線來提供的, 這些基線可以是地面電磁波測距邊或已知點間的固定邊, 也可以是 GPS 網(wǎng)中的基線向量。 (3)方位基準：一般是由網(wǎng)中的起始方位角來提供的

36、, 也可由 GPS 網(wǎng)中的各基線向量共同來提供。利用舊網(wǎng)中的若干控制點作為 GPS網(wǎng)中的已知點進行附合網(wǎng)平差時, 方位基準將由這些已知點間的方位角提供。 4 GPS網(wǎng)圖形構成的幾個基本概念 A 觀測時斷：測站上開始接收衛(wèi)星信號到觀測停止，連續(xù)工作的時間段，簡稱時段。其持續(xù)的時間稱為時段長度。 B 同步觀測：兩臺或兩臺以上接收機同時對同一組衛(wèi)星進行的觀測。同步觀測是進行相對定位時必須遵循的一條原則。(只有同步觀測才有可能通過在接收機間求差的方式來消除或大幅度消弱衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘誤差、電離層延遲、對流層延遲等誤差。) C 基線向量 利用進行同步觀測的GPS接收機所采集的

37、觀測數(shù)據(jù)計算出的接收機間的三維坐標差即為基線向量，簡稱基線；(與計算時所采用的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)同屬一個坐標參照系；地心坐標的坐標差(△X, △ Y, △ Z),大地坐標的坐標差(△ B, △ L, △ H)) D 同步觀測環(huán)：三臺或三臺以上接收機同步觀測獲得的基線向量所構成的閉合環(huán)，簡稱同步環(huán)。同步環(huán)閉合差從理論上講應等于零。 E 閉合環(huán)及環(huán)閉合差 (1)閉合環(huán)：由多條極限向量首尾相連所構成的閉合圖形。 (2)環(huán)閉合差：組成閉合環(huán)的基線向量按同一方向（順時針或逆時針）的矢量和。環(huán)閉合差又分為：分量閉合差和全長閉合差。 分量閉合差：組成閉合環(huán)的基線向量按同一方向（順時針或逆時針）

38、矢量的各個分量的和。 全長閉合差：分量閉合差的平方和開方。 F 同步環(huán)閉合差:從理論上講應等于零。同步環(huán)閉合差實際上并不為零。同步環(huán)閉合差可以從某一側面反映 GPS 測量的質量, 故有些規(guī)范中規(guī)定要進行同步環(huán)閉合差的檢驗。但是由于許多誤差( 如對中誤差、 量取天線高時出現(xiàn)的粗差等) 無法在同步環(huán)閉合差中得以反映, 因此,即使同步環(huán)閉合差很小也并不意味著 GPS 測量的質量一定很好 G 獨立觀測環(huán)：由獨立觀測（非同步觀測）所獲得的基線向量構成的閉合環(huán)，簡稱獨立環(huán)。(獨立環(huán)檢驗，更能充分暴露出基線向量中存在的問題，更客觀地反映GPS測量的質量) H 異步觀測環(huán)：在

39、構成多邊形環(huán)路的所有基線向量中，只要有非同步觀測基線向量，則該多邊形環(huán)路叫異步觀測環(huán)，簡稱異步環(huán)。 I 復測基線（重復基線）及其長度較差：在某兩個測站間，由多個時段的同步觀測數(shù)據(jù)所獲得的多個基線。 J 復測基線的長度較差：兩條復測基線的分量較差的平方和開方 ( 異步環(huán)閉合條件和重復基線坐標閉合條件是衡量精度、檢驗粗差和系統(tǒng)誤差的重要指標) K 同步觀測基線向量：利用同一時段的多個同步觀測站所采集的觀測數(shù)據(jù)所計算出的若干基線向量； 若在某時段共有N臺接收機進行了同步觀測，則共可得到 N(N-1)/2條同步觀測基線。 L 獨立基線向量：若一組基線向量中的任何一條基線

40、向量都無法用該組中其它基線向量的線性組合來表示，則該組基線向量就是一組獨立的基線向量。 滿足下面條件之一的為獨立基線向量 (1)未構成閉合環(huán)的一組基線向量（例如：一條基線向量，未構成閉合環(huán)的一組同步觀測基線） .(2) 雖構成了閉合環(huán)，但并非所有基線都來自同一觀測時段 (3) 完全由同步觀測基線所構成的閉合環(huán)之間是線性相關的，是一組非獨立基線向量。在同步觀測環(huán)中，有(N-1)條獨立基線向量（N為接收機數(shù)量） 5 GPS網(wǎng)特征條件的計算 觀測時斷數(shù) ： 式中：n為網(wǎng)點數(shù)，m為每點設站次數(shù)，N為接收機數(shù)。 總基線數(shù)：

41、 必要基線數(shù)： 獨立基線數(shù)： 多余基線數(shù)： 6 接收機的檢驗 接收機全面檢驗的內(nèi)容，包括一般性檢視、通電檢驗和試測檢驗。 l 一般檢驗：主要檢查接收機設備各部件及其附件是否齊全、完好，緊固部分是否松動與脫落，使用手冊及資料是否齊全等。 l 通電檢驗：接收機通電后有關信號燈、按鍵、顯示系統(tǒng)和儀表的工作情況，以及自測試系統(tǒng)的工作情況，當自測正常后，按操作步驟檢驗儀器的工作情況。 7 接收機內(nèi)部噪聲水平的測試 零基線法：在進行零基線檢驗時, 同一天線輸出的信號通過 “GPS 功率分配器” ( 簡稱功分器) 分為功率和相位都相同的兩路或多路信號送往兩臺或多臺 GPS

42、接收機, 然后依據(jù)各接收機所接收的信號組成雙差觀測值來解算基線向量。顯然, 這些基線向量的理論值均應為零 零基線法 : 在高度角 10° 以上無障礙物的開闊地帶安置天線, 連接天線、 功分器和 GPS接收機。對 4 顆或 4 顆以上的 GPS 衛(wèi)星進行 1 ～1. 5h 的同步觀測。應用廠方提供的隨機軟件對基線向量進行解算, 所求得的坐標分量均應小于1mm。 采用零基線法檢驗接收機的噪聲水平時, 其結果不受衛(wèi)星星歷誤差, 天線的平均相位中心偏差, 電離層延遲和對流層延遲, 多路徑誤差,以及天線的對中、 整平、 定向和量高誤差等因素的影響,故精度較高。