GPS衛(wèi)星定位技術(shù)與應(yīng)用

GPS衛(wèi)星定位技術(shù)與應(yīng)用第一章緒論一、根本概念衛(wèi)星導(dǎo)航定位及根本作用1〕衛(wèi)星定位：通過衛(wèi)星的瞬時(shí)位置利用空間距離前方交會的方法確定點(diǎn)位置。優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)、快速、精度均勻，不受天氣和時(shí)間限制，可以全天候作業(yè)原理：1.GPS系統(tǒng)的根底接收機(jī)通過測定信號傳播時(shí)間來測定衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離為了測定信號的傳播時(shí)間，GPS需要有高精度的鐘要進(jìn)展定位，用戶除了要知道衛(wèi)星的距離外，還需要知道衛(wèi)星的位置GPS信號穿過地球的電離層和對流層時(shí)，會產(chǎn)生信號延遲衛(wèi)星導(dǎo)航：通常指運(yùn)載工具的實(shí)時(shí)動態(tài)定位，即三維位置、速度和包括航向偏轉(zhuǎn)、縱向搖擺、橫向搖擺三個角度的姿勢確實(shí)定。根本作用：向各類用戶和運(yùn)動平臺實(shí)時(shí)供給準(zhǔn)確、連續(xù)的位置、速度和時(shí)間信息。目前的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)：GPS，GLONASS，GALILEO，BDS4W時(shí)空信息when、where、whatobject、whatchange4A效勞目標(biāo)anyone、anything、anytime、anywhere衛(wèi)星三角測量：由地面上的測站拍攝衛(wèi)星的瞬時(shí)位置測定地面點(diǎn)的坐標(biāo)衛(wèi)星定位的根本觀測量：距離、距離差距離差定位方式：雙曲面定位系統(tǒng)〔NNSS、TSICADA〕距離定位方式：球面定位系統(tǒng)〔GPS、GLONASS、Galileo、BDS〕GPS進(jìn)展趨勢：GIS/GPS/RS3S集成系統(tǒng)GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS/全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)二、全球定位系統(tǒng)〔GPS〕功能特點(diǎn)：導(dǎo)航、定位、授時(shí)承受距離定位方式，進(jìn)展測距空間交會定點(diǎn)供給周密的全天候的位置、速度和時(shí)間信息能夠進(jìn)展連續(xù)的、實(shí)時(shí)的三維定位衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用：在測量學(xué)中的主要應(yīng)用：大地測量、地球動力學(xué)爭論、測量把握網(wǎng)聯(lián)測、航空遙感測量、地形測量、地籍測量、土地資源調(diào)查測量、海洋測量、周密工程測量、工程變形監(jiān)測等。在導(dǎo)航學(xué)中的主要應(yīng)用：車輛、船只和飛機(jī)的周密導(dǎo)航、測速以及運(yùn)動目標(biāo)的監(jiān)控與治理等。在其它相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域中的主要應(yīng)用：運(yùn)動載體姿勢測量，彈道的制導(dǎo)，近地衛(wèi)星的定軌，周密測時(shí)以及氣象學(xué)和大氣物理學(xué)的爭論等。在海陸空的應(yīng)用：1、衛(wèi)星導(dǎo)航定位陸地應(yīng)用：國家、區(qū)域、工程等大地測量把握網(wǎng)測設(shè)；工程建設(shè)的施工放樣測量；土建工程的實(shí)時(shí)監(jiān)控；大型建筑和油氣田的沉降監(jiān)測；地球板塊運(yùn)動狀態(tài)和地殼形變測量；陸地、海洋大地測量基準(zhǔn)的測定；精細(xì)農(nóng)業(yè)監(jiān)測2、衛(wèi)星導(dǎo)航定位海洋應(yīng)用：海底大地測量把握網(wǎng)的布測；海底地形的精細(xì)測量；浮標(biāo)拋設(shè)和暗礁爆破等海洋工程的準(zhǔn)確定位；水文測量，驗(yàn)潮網(wǎng)的測設(shè)；海洋油氣平臺的就位和復(fù)位測定；海底沉船位置的準(zhǔn)確探測，海底管道敷設(shè)測量；遠(yuǎn)洋船舶最正確航線測定，在途航行實(shí)時(shí)調(diào)度和監(jiān)測；內(nèi)河船只的實(shí)時(shí)調(diào)度和自主導(dǎo)航測量3、衛(wèi)星導(dǎo)航定位航空、航天應(yīng)用：航空應(yīng)用：民航飛機(jī)的在途自主導(dǎo)航；飛機(jī)周密著陸；攝影和遙感飛機(jī)的七維狀態(tài)參數(shù)和三維姿勢參數(shù)測量；飛機(jī)空中加油把握；機(jī)群編隊(duì)飛行的安全保護(hù)；航空援救的探尋和定點(diǎn)測量；機(jī)載地球物理勘探；飛機(jī)探測災(zāi)區(qū)大小和標(biāo)定測量航天應(yīng)用：低軌通訊衛(wèi)星群的實(shí)時(shí)軌道測量；衛(wèi)星入軌GPS的遮掩天體大小和大氣參數(shù)測量；對地觀測衛(wèi)星的七維狀態(tài)參數(shù)和三維姿勢參數(shù)測量。GPS組成：1.空間星座局部——GPS衛(wèi)星網(wǎng)〔21+3顆衛(wèi)星〕地面監(jiān)控局部——地面監(jiān)控系統(tǒng)〔主控站：1 注入站：3 監(jiān)控站：5〕用戶設(shè)備局部.——GPS信號接收機(jī)GNSS常規(guī)的、主要的應(yīng)用技術(shù)：DGPS技術(shù)——靜態(tài)相對定位技術(shù)RTK技術(shù)——實(shí)時(shí)動態(tài)差分技術(shù)PPP技術(shù)——GPS周密單點(diǎn)定位測量技術(shù)FKP/VRS/MAC技術(shù)〔多基站〕——RTK定位技術(shù)ITS技術(shù)——智能交通技術(shù)STGPS技術(shù)——超站式集成測繪系統(tǒng)GNSS技術(shù)的“四多”特性：多領(lǐng)域、多模式、多用途、多機(jī)型GPS技術(shù)進(jìn)展中國衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用：GNSS進(jìn)展時(shí)間同步測控電力、有線電視、城市地下管道承受GNSS布設(shè)線路GNSSITS系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)公安、銀行、醫(yī)療、消防等用GNSS營建緊急救援或報(bào)警系統(tǒng)GNSS導(dǎo)航定位GISGNSS采集地理信息相關(guān)數(shù)據(jù)，并供給位置信息相關(guān)效勞〔LBS〕GNSS與羅盤制造衛(wèi)星電視定向接收天線電子商務(wù)領(lǐng)域，GNNSCRM客戶治理和物流配送體系數(shù)字城市、才智城市廣泛承受GNSS系統(tǒng)我國衛(wèi)星定位產(chǎn)業(yè)四個重點(diǎn)進(jìn)展方向：單一GPS接收機(jī)將向多星座兼容接收機(jī)進(jìn)展，高精度定位向綜合效勞技術(shù)快速進(jìn)展衛(wèi)星導(dǎo)航在智能交通的應(yīng)用快速進(jìn)展，以車載導(dǎo)航為核心的移動目標(biāo)監(jiān)控、治理與效勞市場以差分定位技術(shù)為核心的差分網(wǎng)建設(shè)，網(wǎng)絡(luò)差分技術(shù)快速進(jìn)展以共性化移動信息終端為核心的移動導(dǎo)航產(chǎn)品市場，個人位置效勞將成為衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域其次章衛(wèi)星大地測量根底一、衛(wèi)星大地測量及技術(shù)衛(wèi)星大地測量學(xué)：爭論利用人造地球衛(wèi)星解決大地測量學(xué)問題，利用空間技術(shù)手段進(jìn)展區(qū)域或全球大地測量的學(xué)科。衛(wèi)星大地測量學(xué)的技術(shù)衛(wèi)星地面跟蹤觀測技術(shù)衛(wèi)星對地觀測技術(shù)衛(wèi)星對衛(wèi)星觀測技術(shù)幾種現(xiàn)代衛(wèi)量測量技術(shù)VLBI：甚長基線干推測量GPS：全球定位系統(tǒng)SLR：衛(wèi)星激光測距SA：衛(wèi)星雷達(dá)測高二、坐標(biāo)系統(tǒng)天球坐標(biāo)系：與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)，用于描述衛(wèi)星的位置和狀態(tài)的坐標(biāo)系。章動、歲差緣由:日、月、地球與其他星體的相對運(yùn)動，地球內(nèi)部質(zhì)量分布的不均勻。歲差：地球差異旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的回歸年與恒星年的時(shí)間差日月歲差：由于日月引力作用而引起的地球自轉(zhuǎn)軸繞黃道的垂直軸旋轉(zhuǎn)的一50.371″/25800年。行星歲差：由于行星引力對地球繞日運(yùn)動軌道的攝動而引起的變化。0.134″/100萬年?？倸q差：赤道與黃道由于日月歲差和行星歲差引起的緩慢運(yùn)動。章動：地球在公轉(zhuǎn)軌道上左右搖擺的周期運(yùn)動。三種天球坐標(biāo)系：瞬時(shí)真天球坐標(biāo)系:球坐標(biāo)系。瞬時(shí)平天球坐標(biāo)系:球坐標(biāo)系。協(xié)議天球坐標(biāo)系:相應(yīng)于某一確定時(shí)刻為標(biāo)準(zhǔn)歷元的一種特定的天球坐標(biāo)系。地球坐標(biāo)系：隨地球自轉(zhuǎn)，用于表示地球觀測站的空間位置的坐標(biāo)系。極移:由于地球體內(nèi)簡潔的運(yùn)動而引起自轉(zhuǎn)軸相對于外表不斷變動的現(xiàn)象。兩種地球坐標(biāo)系：瞬時(shí)地球坐標(biāo)系：準(zhǔn)地固坐標(biāo)系。固聯(lián)在地球上，以地球質(zhì)心為原點(diǎn)，Z軸指向瞬時(shí)地北極，X軸指向瞬時(shí)真赤道與格林威治平子午線交點(diǎn)方向，構(gòu)成右手坐標(biāo)系，以確定Y軸方向。協(xié)議地球坐標(biāo)系：地固坐標(biāo)系。固聯(lián)在地球上，以地球質(zhì)心為原點(diǎn)，Z軸指向國際協(xié)議原點(diǎn)X子午線交點(diǎn)方向，構(gòu)成右手坐標(biāo)系，以確定Y軸方向。協(xié)議地球坐標(biāo)系：CTS-84的。WGS-84Z軸指向BIH系統(tǒng)所定義的協(xié)議地極〔CTP〕的方向，XBIH1984.0的零度子午面與CTP赤道的交點(diǎn)方向，構(gòu)成右手坐標(biāo)系，以確定Y軸方向?！矔砤6378137mGM3.9860051014m3/s22,0c 4.84166851042,07.292115105rad/s橢球幾何參數(shù)：三、衛(wèi)星大地測量中的時(shí)間系統(tǒng)世界時(shí)：以平半夜為零時(shí)起算的平太陽時(shí)，以地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動來計(jì)量。原子時(shí)：以穩(wěn)定度很高的原子能級躍遷的頻率作為標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間。協(xié)調(diào)世界時(shí)〔：是一種介于原子時(shí)和世界時(shí)之間的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的效勞方法，力學(xué)時(shí)秒制，與原子時(shí)的尺度相全都。S時(shí)間S時(shí)屬于原子時(shí)系統(tǒng)，由S什么時(shí)候開頭，〔UTC〕1980160從何處四、衛(wèi)星運(yùn)動〔了解〕

19874S。衛(wèi)星運(yùn)動狀態(tài)：受地球、太陽、月球?qū)πl(wèi)星的引力，太陽光壓、地球潮汐力等影響。衛(wèi)星受到的作用力：1.地球質(zhì)心引力〔中心力〕 無攝運(yùn)動、無攝軌道2.攝動力〔非中心力〕 有攝運(yùn)動、有攝軌道第三章GPSGPS衛(wèi)星信號承受組合碼調(diào)制技術(shù)〔偽隨機(jī)碼擴(kuò)頻技術(shù)〕組合碼調(diào)制技術(shù)：將衛(wèi)星導(dǎo)航電文〔基帶信號〕經(jīng)偽隨機(jī)碼擴(kuò)頻技術(shù)成為組合碼LBPSK調(diào)制〔正交調(diào)制。作用：提高系統(tǒng)導(dǎo)航定位精度，使系統(tǒng)具有很高的抗電子干擾力氣和極強(qiáng)的保密力氣。GPS衛(wèi)星之間的距離。碼：表達(dá)信息的二進(jìn)制數(shù)及其組合。序列“模二和”算法，調(diào)制結(jié)果是把數(shù)據(jù)碼(導(dǎo)航電文)50Hz1.023MHz(C/A碼)CDMA制到載波上，實(shí)現(xiàn)了其次次擴(kuò)頻，把測距碼〔C/A〕從z擴(kuò)展到〔CDMAC/A碼的信噪比一、偽隨機(jī)碼：由二進(jìn)制碼組成的偽隨機(jī)序列，由“多級反響移位存放器”產(chǎn)生。偽隨機(jī)序列：具有非隨機(jī)序列自相關(guān)特性的有周期性的二進(jìn)制序列。A碼〔粗碼的明碼。P碼〔精碼：用于分址、通過A供給特許用戶使用的受控密碼。3.GPS衛(wèi)星信號構(gòu)成：載波信號，測距信號，導(dǎo)航信號GPSC/A碼和P二、導(dǎo)航電文〔D碼〕導(dǎo)航電文：1〕組成：衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星工作狀態(tài)、時(shí)間系統(tǒng)、衛(wèi)星鐘偏差校正參數(shù)、軌道攝動改正參數(shù)、大氣折射改正參數(shù)、遙測碼、交換信息等。2〕格式：組成數(shù)據(jù)幀，按幀向外播發(fā)。2512.5min50bit/s。1幀→5子幀1子幀→10字1字→30bit 1bit需0.02s25*1500bit/幀=25*5*300bit/子幀〔〕遙測碼:用于指導(dǎo)用戶是否可選用衛(wèi)星轉(zhuǎn)換碼：用于關(guān)心用戶轉(zhuǎn)換A碼至P碼第一數(shù)據(jù)塊；其次數(shù)據(jù)塊；衛(wèi)星星歷：用于確定衛(wèi)星瞬間位置的信息，可以分為三類：衛(wèi)星歷書(Almanackm)播送星歷(BroadcastEphemeris，精度：1m)：也叫預(yù)報(bào)星歷，是指相對參考?xì)v元的外推星歷。周密星歷(PreciseEphemeris，精度：5~20cm)：周密星歷是不含外推誤差的實(shí)測后處理星歷。衛(wèi)星軌道參數(shù)——六個開普勒元素三、GPS接收機(jī)1.GPS接收機(jī)分類1〕按通道工作原理分2〕按用途分3〕按載波頻率分4〕按通道數(shù)分2.根本構(gòu)造：1〕天線2〕主機(jī)3〕電源四五六七為重點(diǎn)四五六七為重點(diǎn)第四章GPS定位的根本觀測量及誤差分析一、GPS定位根本原理：ρc·Δt二、GPS定位根本觀測量1〕時(shí)同本機(jī)復(fù)制碼進(jìn)展相關(guān)處理，得到衛(wèi)星信號延遲傳播時(shí)間Δt，從而獲得偽距：ρ=c·Δt。測量原理：ρ=c·Δt利用測距碼測距的必要條件：必需了解測距碼的構(gòu)造利用測距碼進(jìn)展測距的優(yōu)點(diǎn)：承受的是CDMA〔碼分多址〕技術(shù)易于捕獲微弱的衛(wèi)星信號可提高測距精度便于對系統(tǒng)進(jìn)展把握和治理〔如AS〕載波相位測量：作為傳輸工具，把搭載于其上的測距碼和導(dǎo)航電文從衛(wèi)星傳播到地面，對于測量型接收機(jī)，載波又同時(shí)用作為測量信號，接收機(jī)對接收到的載波進(jìn)展相位測量，獲得高精度的載波相位觀測值，從而實(shí)現(xiàn)厘米乃至毫米級的高精度基線測量。整周模糊度：載波相位觀測值小數(shù)局部準(zhǔn)確可知，整周〔整數(shù)〕不知周跳：在跟蹤衛(wèi)星過程中，由于信號被障礙物擋住而臨時(shí)中斷或受無線電信號干擾測量原理：ρ=λ·整周模糊度：載波相位觀測值小數(shù)局部準(zhǔn)確可知，整周〔整數(shù)〕不知周跳：在跟蹤衛(wèi)星過程中，由于信號被障礙物擋住而臨時(shí)中斷或受無線電信號干擾而造成信號失鎖，發(fā)生周跳現(xiàn)象。要解決的問題：1.載波重建技術(shù)〔重建載波：將非連續(xù)的載波信號恢復(fù)成連續(xù)的載波信號周跳推斷、修復(fù)三、GPS數(shù)據(jù)觀測值格式S觀測值形式：1A碼偽距〕 多普勒頻移：由于衛(wèi)星和接收機(jī)之間的相對運(yùn)動，2P碼偽距、〕 接收到的載波頻率發(fā)生變化。反映了衛(wèi)星和接收3載波相位、〕 機(jī)的相對運(yùn)動速度，衛(wèi)星速度，利用多普勒4多普勒頻移〕 頻移觀測值可以求得接收機(jī)的瞬時(shí)運(yùn)動速度。GPS數(shù)據(jù)觀測值格式：1〕本機(jī)格式：接收機(jī)存儲數(shù)據(jù)的格式RINEX格式：統(tǒng)一格式，與接收機(jī)無關(guān)的數(shù)據(jù)交換格式SP3格式：周密星歷格式，IGS周密星歷承受此格式四、GPS誤差來源與衛(wèi)星有關(guān)的誤差：衛(wèi)星鐘差：衛(wèi)星時(shí)鐘不穩(wěn)定偏差、漂移和漂移速率：總量可達(dá)1ms1ms300kmsaa(tt)a(tt

)2 a，a，a

GPS主控站測定t 0 1 0 2

0 1 2-衛(wèi)星鐘差 at

-衛(wèi)星鐘在參考?xì)v元t0

的鐘差a-衛(wèi)星鐘的鐘速 a1

-衛(wèi)星鐘的鐘速變化率衛(wèi)星鐘殘差局部通過觀測值差分技術(shù)來消退通過鐘差改正后可到達(dá)：偏差≤20ns——等效距離為6m衛(wèi)星鐘殘差局部通過觀測值差分技術(shù)來消退〔衛(wèi)星位置誤差〕：由衛(wèi)星星歷給出的衛(wèi)星軌道與實(shí)際的衛(wèi)星軌道誤差播送星歷：短基線相對定位周密星歷：長基線、高精度定位3〕地球自轉(zhuǎn)影響：承受WGS-84協(xié)議地球坐標(biāo)系地球自轉(zhuǎn)引起時(shí)間延遲，進(jìn)而引起為行為之變化4〕相對論效應(yīng)影響：衛(wèi)星鐘比地面鐘快信號傳播誤差：電離層折射影響：電離層含有較高密度的電子，當(dāng)GPS信號通過電離層時(shí)，信號的路徑會發(fā)生彎曲，傳播速度也會發(fā)生變化。延遲影響因素：與傳播路徑上的電子總量有關(guān)、與傳播到GPS天線的方位有關(guān)。常用的電離層改正模型：本特〔Bent〕模型、國際參考電離層〔IRI〕模型、克羅布歇〔Klobuchar〕模型降低，GPS信號通過對流層時(shí)，使傳播的路徑發(fā)生彎曲，從而使測量距離產(chǎn)生偏差。電磁波在對流層中的傳播速度與頻率無關(guān)干重量與大氣溫度和壓力有關(guān)，濕重量與大氣溫度和濕度有關(guān)常用的對流層改正模型：霍普菲爾德〔Hopfield〕模型、薩斯塔莫寧〔Sastamoinen〕模型、勃蘭克〔Black〕模型定位誤差?！步饘俨牧?、水面等反射較強(qiáng)〕GPS定位的影響可以到達(dá)分米級減小多路徑效應(yīng)的方法：1.天線安置盡量避開強(qiáng)反射物2.選用防多路徑效應(yīng)的天線3.觀測誤差和接收設(shè)備誤差：觀測誤差：1.與觀測區(qū)分率有關(guān)2.與天線安置精度有關(guān)接收機(jī)鐘差：承受石英晶體振蕩器解決方法：1.單點(diǎn)定位：鐘差作為未知數(shù)在觀測方程中求解載波相位定位：對觀測值求差有效地消退接收機(jī)鐘差高精度定位：使用外接頻標(biāo)，為接收機(jī)供給高精度時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)天線相位中心偏差：天線相位中心的瞬時(shí)位置與幾何中心的偏差第五章GPS定位的根本原理和方法GPS測量定位分類：按定位狀態(tài)：靜態(tài)定位、動態(tài)定位按時(shí)效：實(shí)時(shí)定位、事后定位按定位模式：確定定位〔單點(diǎn)定位〕、相對定位、差分定位按定位承受的觀測值：偽距測量〔偽距法定位〕、載波相位測量確定定位：承受單臺GPS接收機(jī)獨(dú)立作業(yè)進(jìn)展定位，也稱單點(diǎn)定位；直接確定信息、大事和目標(biāo)相對于參考坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)位置測量。相對定位：承受兩臺或兩臺以上GPS接收機(jī)聯(lián)合作業(yè)確定相對位置的定位；確定信息、大事和目標(biāo)相對于坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)另一或相關(guān)的信息/信標(biāo)臺/空基增加系統(tǒng)(SBAS)衛(wèi)星播發(fā)差分改正信號的定位方式。GPS根本觀測量：1〕碼偽距定位：主要用于單點(diǎn)定位、偽距差分定位2〕載波相位定位：主要進(jìn)展相對定位、載波差分定位一、測距碼偽距單點(diǎn)定位(x xj(x xj)2(y yj)2(z zj)2k偽距觀測值： k0iontropkctT)k 0iontrop衛(wèi)星鐘差及接收機(jī)鐘差：定位要求：接收機(jī)鐘和衛(wèi)星鐘要嚴(yán)格同步，且保持頻標(biāo)穩(wěn)定。而實(shí)際上無法滿足以上要求，存在鐘差。鐘差：某時(shí)刻〔i〕GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)〔GPST〕之差。接收機(jī)鐘差：titiTi 衛(wèi)星鐘差：ti

tiTik k衛(wèi)星鐘差改正：tia

kit

a

j j j(Tit)2j 0 1 j 0 2 j 00(k,j,i)c(TiTi)cTic(titic(ti

ti)

k j kj k j

k j

trop(k,j,i)c(titi)0(k,j,ic(ti

ti)

k j經(jīng)過導(dǎo)航電文改正后觀測值：

k j

trop(k,j,i)(k,j,i)ctij

ion

trop

0(k,j,i)ctikDm2Q

q

q q 0

11

13 14Qqij

q q21 q q

q q23 24q q 31 32 33 34q q41 42

q q43 44精度因子DOP：PDOP〔與空間幾何構(gòu)造有關(guān)〕、VDOP、HDOP、TDOP〔與鐘差測定精度有關(guān)〕、GDOPPDOP：表示空間位置精度因子TDOP：表示鐘差精度因子GDOP: 表示空間位置誤差和時(shí)間誤差綜合影響q qq q11 22q33HDOP2VDOP2PDOP2q q11 22q33平面位置精度因子HDOPq q11 22q33q44TDOPq44q qq q11 22q q33 44GDOP2PDOP2TDOP2二、載波相位測量號的相位之差。初始?xì)v元整周模糊度：從歷元〔1〕到任一歷元〔i〕，由接收機(jī)獲得的相位觀測值中的整周數(shù)均與其正確值相差同一個整數(shù)，該值稱作初始?xì)v元整周模糊度〔初始?xì)v元整周待定值〕：

k,j,1〕L1L2載波來說：1〕1nn個整周模糊度j j2〕nk

nj

顆衛(wèi)星，則有nk

n個整周模糊度j載波信號等價(jià)的傳播時(shí)間：放射時(shí)刻〔衛(wèi)星〕：tij

&Tij

接收時(shí)刻〔接收機(jī)〕：tik

&Tiktikj

Tik

Tij

tik

tik

Tij

Titij

tij實(shí)際時(shí)間觀測值：ti ti ti

ti載波相位定位：

kj

ion trop優(yōu)點(diǎn)：抗干擾性能好，定位精度高，用于周密定位要解決的問題：載波重建技術(shù)、整周模糊度解算、周跳探測與修復(fù)三、GPS相對定位相對定位方式：GPS相對定位?GPS定位GPS接收機(jī)，分別安置在假設(shè)干基線的兩端，通過同步觀測GPS衛(wèi)星，以確定多條基線端點(diǎn)的相對位置或基線向量。目的：消退和減弱：1〕衛(wèi)星軌道誤差2〕衛(wèi)星鐘差3〕接收機(jī)鐘差4〕電離層誤差 5〕對流層誤差〔折射誤差〕載波相對定位常用方法：GPSGPS波信號，利用載波相位差分觀測值，消退多種誤差的影響，獲GPS基線向量。GPSGPS接收機(jī)，利用起始基線向量確定初始整周GPS接收機(jī)在四周的觀測站流淌，并且在每一觀測站上靜態(tài)進(jìn)展觀測〔停留數(shù)分鐘〕，以確定流淌站與基準(zhǔn)站之間的相對位置。GPSGPS接收機(jī)安置在基準(zhǔn)站上固定不動，另一臺接收機(jī)安設(shè)在運(yùn)動載體上，同步觀測衛(wèi)星載波信號，利用載波相位差分觀測值，消退多種誤差的影響，以確定運(yùn)動點(diǎn)相對于基準(zhǔn)點(diǎn)的GPS定位

實(shí)時(shí)位置。GPS產(chǎn)生的誘因：確定定位精度不能滿足要求影響確定定位精度的主要誤差：1〕衛(wèi)星軌道誤差 2〕衛(wèi)星鐘差大氣延遲〔對流層延遲、對流層延遲〕多路徑效應(yīng)GPS〔基準(zhǔn)站GPSGPS測量定位誤差，GPS接收機(jī)〔流淌站〕測量定位精度的方法。GPS的根本原理結(jié)果也有確定的空間相關(guān)性。差分GPS供流淌站改正其觀測值或定位結(jié)果差分改正模式：距離改正數(shù)：利用基準(zhǔn)站坐標(biāo)和衛(wèi)星星歷可計(jì)算出站星間的計(jì)算距離，計(jì)算距離減去觀測距離即為距離改正數(shù)。〔坐標(biāo)改正數(shù)GPS與坐標(biāo)之差即為位置的改正數(shù)。GPS分類：1.依據(jù)時(shí)效性：實(shí)時(shí)差分、事后差分依據(jù)觀測值類型：碼偽距差分、載波相位差分依據(jù)差分改正數(shù)：位置差分〔坐標(biāo)差分〕、距離差分依據(jù)工作原理和差分模型：單基準(zhǔn)站差分、多基準(zhǔn)站差分、局域差分、廣域差分差分模式：1.位置差分特點(diǎn)：差分改正計(jì)算的數(shù)學(xué)模型簡潔差分?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量少基準(zhǔn)站與流淌站要求觀測完全一樣的一組衛(wèi)星距離差分特點(diǎn)：差分改正計(jì)算的數(shù)學(xué)模型較簡潔差分?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量較多基準(zhǔn)站與流淌站不要求觀測完全一樣的一組衛(wèi)星單基準(zhǔn)站局域差分：構(gòu)造：一個基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶數(shù)學(xué)模型〔差分改正數(shù)的計(jì)算方法〕：供給距離改正和距離改正的變率優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造、模型簡潔缺點(diǎn)：差分范圍小，精度隨距基準(zhǔn)站距離的增加而下降，牢靠性低多基準(zhǔn)站局域差分：構(gòu)造：多個基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶數(shù)學(xué)模型〔差分改正數(shù)的計(jì)算方法〕:加權(quán)平均、偏導(dǎo)數(shù)法、最小方差法優(yōu)點(diǎn)：差分精度高、牢靠性高，差分范圍增大缺點(diǎn)：差分范圍照舊有限，模型不完善廣域差分：構(gòu)造：多個基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶數(shù)學(xué)模型〔差分改正數(shù)的計(jì)算方法〕：1〕對各項(xiàng)誤差加以分別，建立各自的改正模型2的位置，對觀測值進(jìn)展改正優(yōu)點(diǎn)：差分精度高、差分精度與距離無關(guān)、差分范圍大缺點(diǎn)：系統(tǒng)構(gòu)造簡潔、建設(shè)費(fèi)用高五、GPS觀測值的線性組合觀測值類型：碼偽距、載波相位同類型同頻率觀測值的線性組合主要目的：消退衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差和整周模糊度等未知數(shù)GPS觀測三要素：測站、衛(wèi)星、觀測歷元相位差分的不同只取決于求差的要素和求差次數(shù)，但與求差挨次無關(guān)。SD：(k,j12

,i)由測站、在歷元、對不同衛(wèi)星〔j〕的相位差觀測值求差。n測站、歷元N顆衛(wèi)星〔jn

，有1個不相關(guān)的一次差分觀測值。特點(diǎn)：可以消退或減弱接收機(jī)鐘差可以抵消局部大氣折射影響〔電離層、對流層〕，但不能完全消退不能減弱衛(wèi)星鐘差的影響(k,j,i)12在測站〔k〕、對某一衛(wèi)星〔j〕的兩相鄰歷元〔in

〕的相位差觀測值求差。特點(diǎn)：可以消退初始?xì)v元整周待定值〔初始?xì)v元整周模糊度〕可以抵消大局部大氣折射影響〔電離層、對流層〕，但不能完全消退可以消退共同的鐘差偏差〔衛(wèi)星鐘、接收機(jī)鐘〕且鐘速變化影響較小(k12

,j,i)由不同測站〔k〕、在同一歷元〔i〕、對同一衛(wèi)星〔j〕的相位差觀測值求差------n單差觀測值。歷元〔i〕、衛(wèi)星〔j〕S測站〔k〕，S1個不相關(guān)的一次差分觀測值。k n k特點(diǎn)：可以消退和減弱短基線大氣折射影響〔電離層、對流層〕可以消退和減弱衛(wèi)星鐘差、但接收機(jī)鐘差不能有效減弱可以減弱衛(wèi)星軌道誤差的影響DD：站際、星際二次差分觀測值：(k12

,j,i)12由同一歷元，不同衛(wèi)星的站際一次差分觀測值求差 雙差觀測值。特點(diǎn)：可以削減初始整周模糊度個數(shù)根本上消退接收機(jī)鐘差影響，可以轉(zhuǎn)化成二次模型表示可以消退或減弱大氣折射影響〔電離層、對流層〕GPS相對定位(k,j,i)12 12特點(diǎn)：可以消退初始?xì)v元整周模糊度根本上消退衛(wèi)星、接收機(jī)鐘差影響大大減弱大氣折射影響〔電離層、對流層〕，但不能完全消退可以對測站進(jìn)展周密單點(diǎn)定位(k12

,j,i )12由同一衛(wèi)星，不同歷元的站際一次差分觀測值求差。特點(diǎn)：可以消退初始整周模糊度可以抵消短基線大局部大氣折射影響〔電離層、對流層〕可以消退共同的鐘差偏差〔衛(wèi)星鐘、接收機(jī)鐘〕TD：(k12

,j ,i )12 12由不同歷元，不同衛(wèi)星、不同測站間二次差分觀測值求差特點(diǎn)：可以消退整周待定值根本上消退接收機(jī)鐘差影響可以消退或減弱大氣折射影響〔電離層、對流層〕相關(guān)性增加，解的穩(wěn)定性差，精度不高數(shù)據(jù)利用率降低，觀測值大量喪失同類型不同頻率觀測值的線性組合主要目的：消退電離層延遲，便于確定整周模糊度n,m

nL1

mL2頻率：f

n,m

nfL1

mfL2波長：

c c 12n12

fn,m

nf1

mf2

mn1 2整周模糊度：N

n,m

nNL1

mNL2電離層延遲〔相位延遲&時(shí)間延遲〕：?n,m的特性：( ?

n(

m(

nf mfA L2 L1ion

n,m

ionL1)

ionA

L2

f fL1 L2(t

ion

) n,m

ionfn,m

n,m

f fL1 L2

nfL2L1

mfL1LL1相位觀測值的誤差特性〔相位誤差&距離誤差〕：n2m2n2m2 n,m

n,m

n,m

n,m特別的雙頻載波相位觀測值線性組合：寬巷組合觀測值〔,：有利于求解模糊度，但測量噪聲大特點(diǎn)：模糊度保持整數(shù)特性；波長較長，模糊度簡潔確定；測距精度略低應(yīng)用：在動態(tài)定位時(shí)通常用此觀測值；關(guān)心確定Iono-free組合觀測值的模糊度LN〔n=1,m=1〕特點(diǎn)：模糊度保持整數(shù)特性；波長短，模糊度較難確定Iono-free組合觀測值的模糊度f 2 f f消電離層組合觀測值LC〔n L1

m L1 L2 〕f 2f 2L1 L2

f 2f 2L1 L2特點(diǎn)：模糊度不具有整數(shù)特性；電離層折射延遲為0應(yīng)用：長基線解算；電離層活潑期或活潑地區(qū)基線的解算載波雙差觀測值及其觀測方程有效消退或減弱GPS測量的系統(tǒng)誤差方法：對瞬時(shí)相位觀測值進(jìn)展線性組合雙差觀測方程：1.觀測值數(shù)量和獵取點(diǎn)坐標(biāo)方法單基線雙差觀測值：i雙差觀測值數(shù)：ni

(n1) C2

1n(n

1)ji1

nk 2 k k點(diǎn)坐標(biāo)獵取〔基星、基站：供給法：一點(diǎn)確實(shí)定坐標(biāo)〔WGS-84坐標(biāo)〕觀測法：單點(diǎn)定位解算〔靜態(tài)觀測假設(shè)干小時(shí)〕基星的選擇：高度角高；信號質(zhì)量好；待機(jī)時(shí)間長待定參數(shù)及系數(shù)〔單基線雙差：k2的三維直角坐標(biāo)〔X、Y、Z〕兩接收機(jī)鐘差參數(shù)〔δt1、δt2〕雙差整周模糊度N〔初始整周模糊度線性組合〕VASLI1 It t1 I1t312(n1ajt=3*未知點(diǎn)數(shù)+鐘差數(shù)量+整周模糊度數(shù)量+衛(wèi)星失鎖等增加整周模糊度數(shù)量i雙差觀測值個數(shù)：In (niji1

1)載波相位差分觀測值隨機(jī)模型：假定瞬時(shí)相位是獨(dú)立的、不相關(guān)的等精度觀測值12

,j,i*

單差數(shù)量：n nijii1基線單差觀測值協(xié)方差陣：D

2E

2是原始觀測值的方差對于兩顆衛(wèi)星，基線單差觀測值：對于兩顆衛(wèi)星，基線單差觀測值：(k,j,i)(k ,j,i)

1 1 12 1

11 0 0 (k2,j,i) (k ,j,i) 12 2

0 011

1(k,j,i)1 2

F基線單差觀測值協(xié)方差陣：

(k,j,i)2 22 0 2D

FDFT

2

E2 E

0 2 2 是單差觀測值的方差多顆衛(wèi)星基線單差觀測值協(xié)方差陣i時(shí)刻：Di

2 E不同衛(wèi)星，按單基線求解的單差觀測值是相互獨(dú)立且等精度的。多測站、多顆星單差觀測值：k,j,i* * *

基線單差個數(shù)：nii1i

n(nj

1)以兩條基線兩顆衛(wèi)星為例：以兩條基線兩顆衛(wèi)星為例： (k

,j,i)kkk

,j,i

11 0 (1

1,j,i) 12

1

2 1

k ,j,i

1 0 1

,j,i)F 13 1

3 1 k

,j,i22

11 0

(k,j,i)12 12

1 2

k ,j,i

(k,j,i)(k13 2

1 0

2 ,j,i)3 22 1 1 0.5 1 2 0.51 D FDFT

2 1

1 0.5 1 2

0.51 同一歷元、同一衛(wèi)星的兩個基線單差觀測值之間是相關(guān)的同一歷元、不同衛(wèi)星的兩個基線單差觀測值之間是不相關(guān)的多測站、多顆星單差觀測值協(xié)方差陣同上基線雙差觀測值協(xié)方差陣：

,j,i

雙差個數(shù)：

n1i12 * *i

ji14顆衛(wèi)星，基線雙差觀測值:11 0 0(k ,

j,i)

311(k

,j ,i)

12 1 12 12

(k

,j,i)

1 (k ,j ,i)1 0 1 0

12

F Pi

1 3112 13

(k ,j

,i)

2 (k

,j ,i)

1 0 0 1

12 3 12 14

(k

,j,i)

11 3 12 4 雙差觀測值的方差2 11

1 0.5 0.5 Di FD

FT 2

0.5 1 0.5

11 2 n2 j

1 1多顆星基線雙差觀測值權(quán)陣：Pi

n nj

1 j 1 nj

1同一歷元的〔nj-1〕單基線雙差觀測值是相關(guān)的。某時(shí)段多顆星基線雙差觀測值權(quán)陣：同一歷元的〔n1〕單基線雙差觀測值是相關(guān)j的，不同歷元的單基線雙差觀測值是互為獨(dú)立的多測站、多顆星、多基線雙差觀測值權(quán)陣：ii

,j,i

雙差個數(shù)：

1六、GPS基線向量解算GPS基線解算的內(nèi)涵

* *

j ki1GPS同步觀測數(shù)據(jù)，確定這些測站之間坐標(biāo)差XYZ的過程觀測值：GPS載波相位觀測值〔原始觀測值、差分觀測值、不同頻率的組合觀測值〕GPS偽距觀測值結(jié)果：基線向量、精度〔中誤差〕及誤差相關(guān)性信息〔協(xié)因數(shù)陣〕GPS基線向量的表達(dá)方式地心地固坐標(biāo)：笛卡兒坐標(biāo)系－X,Y,Z 標(biāo)系－B,L,H站心地平坐標(biāo)系：直角坐標(biāo)系－N,E,U N：北方向；E：東方向；U：垂直方向極坐標(biāo)系－S,A,H S：距離；A：方位角；H：高度角基線向量平差解算方法1〕全部的線性獨(dú)立雙差觀測值進(jìn)展平差解算。

,j,i

單基線雙差個數(shù)：

n1i12 * *i

ji1C2

1n(n

1)nk 2 k k合理做法：應(yīng)用〔nk1〕條獨(dú)立基線參與平差，以保證參與平差的觀測值之間線性獨(dú)立。2〕聯(lián)合解算：取同一測段內(nèi)全部非基星相對于基星的雙差觀測值解算全部基線，平差解算工作量較大。k,j,i* * *n1k基線向量質(zhì)量評定：

雙差個數(shù)：inji1

k

1)雙差觀測值單位權(quán)中誤差：σΔΔ，一般看作內(nèi)符合精度的一項(xiàng)指標(biāo)?；€長度中誤差：短基線要求，一般看作基線可信性的一項(xiàng)指標(biāo)。雙差觀測值整周模糊度的整數(shù)性Ratio:{>85%：較好、80~85%：一般、<70%---較差}同步觀測環(huán)閉合差：同步環(huán)閉合差超限，可能是由于同步環(huán)上各測站沒有完全同步，或是各測站周跳修復(fù)不同，也可能是軟件本身的缺陷所至。異步觀測環(huán)閉合差：異步環(huán)閉合差超限，可能因各種觀測條件較差〔如多路徑誤差影響、強(qiáng)輻射、電離層、對流層的影響。重復(fù)基線閉合差雙差固定解、雙差浮點(diǎn)解七、GPS動態(tài)定位實(shí)時(shí)動態(tài)載波差分GPS：RTK〔RealTimeKinematics〕1〕RTKGPS原理：修正法、差分法修正法：在坐標(biāo)的基準(zhǔn)點(diǎn)上設(shè)置GPS基準(zhǔn)站，對可觀測的衛(wèi)星進(jìn)展測量，GPS〔位置差分〔距離差分。差分法：在坐標(biāo)的基準(zhǔn)點(diǎn)上設(shè)置GPS基準(zhǔn)站，對可觀測的衛(wèi)星進(jìn)展測量，觀測到載波相位觀測值。2〕實(shí)時(shí)動態(tài)〔RTK〕測量系統(tǒng)：GPS測量技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合而構(gòu)成的組合系統(tǒng)。RTK測量系統(tǒng)的構(gòu)成：GPS接收機(jī)〔基準(zhǔn)站、流淌站〕數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)〔數(shù)據(jù)鏈，基準(zhǔn)站放射臺、流淌站接收臺〕軟件系統(tǒng)RTK測量作業(yè)模式：快速靜態(tài)測量、準(zhǔn)動態(tài)測量、動態(tài)測量第六章GPS測量的周跳、模糊度與高程測量一、GPS測量的周跳周跳：由于衛(wèi)星信號失鎖或干擾而使載波相位觀測值中的整周計(jì)數(shù)所發(fā)生的突變現(xiàn)象。第一類周跳信號失鎖>數(shù)分鐘 處理方法利用單差觀測值通過高階拉格朗日多項(xiàng)式進(jìn)展擬合修復(fù)其次類周跳：信號失鎖<兩歷元間隔處理方法：利用單差觀測值擬合或雙差觀測值擬合周跳產(chǎn)生緣由：由于頂空障礙物阻擋，造成衛(wèi)星信號臨時(shí)中斷；由于電離層條件差、多路徑效應(yīng)和衛(wèi)星高度過低等緣由，造成衛(wèi)星信號信噪比過低，導(dǎo)致整周計(jì)數(shù)錯誤；接收機(jī)軟件發(fā)生故障，導(dǎo)致錯誤的信號處理；接收機(jī)在高速動態(tài)的環(huán)境下進(jìn)展觀測，導(dǎo)致接收機(jī)無法正確跟蹤衛(wèi)星信號；衛(wèi)星發(fā)生瞬時(shí)故障，無法產(chǎn)生信號。周跳的探測、修復(fù)方法：首先需要進(jìn)展周跳定位，并確定周跳大小周跳探測：通過構(gòu)造一個檢驗(yàn)量來推斷周跳修復(fù)：通過對周跳發(fā)生后的全部相位觀測量改正一個固定值來完成屏幕掃描法：人工在屏幕上觀看觀測值曲線的變化是否連續(xù)高次差法：接收機(jī)鐘差影響此方法的有效性，通過星際、歷元間求差消退鐘差、大氣延遲的影響三差觀測值探測法：通過載波觀測值差分〔單差、雙差、三差但觀測值數(shù)量明顯削減。nn階多項(xiàng)式，據(jù)此多項(xiàng)式來預(yù)估下一個觀測值并與實(shí)測值比較，從而來覺察周跳并修正整周計(jì)數(shù)。雙頻P碼偽距觀測值法：利用寬巷組合殘差法：依據(jù)平差后的殘差，進(jìn)展周跳的探測與修復(fù)二、整周模糊度確定方法根本解算方法：經(jīng)典靜態(tài)相對定位法：雙差固定解、雙差浮點(diǎn)解實(shí)時(shí)解算模糊度方法：AROTF技術(shù)：1〕確定搜尋區(qū)域：坐標(biāo)搜尋法、模糊度搜尋法2〕可承受的方法：模糊度函數(shù)法、最小二乘模糊度搜尋法FARA法、快速模糊度搜尋濾波法、LAMBDA法三、GPS高程測量GPS高程測量主要包括：精化大地水準(zhǔn)面：綜合利用水準(zhǔn)測量和重力測量、數(shù)字地面模型資料，確定擬合大地水準(zhǔn)面：綜合利用幾何水準(zhǔn)測量資料，擬合地面點(diǎn)的高程常用的高程系統(tǒng)：大地高系統(tǒng)H：以參考橢球面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)GPS定位技術(shù)，可以直接測定地面點(diǎn)在WGS-84坐標(biāo)中的大地高正高系統(tǒng)Hg：以大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)正常高系統(tǒng)Hr：以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)HHr

H Ng確定大地水準(zhǔn)面的傳統(tǒng)方法：天文大地水準(zhǔn)法：應(yīng)用天文大地測量資料來確定似大地水準(zhǔn)面高程的方法天文重力水準(zhǔn)法：綜合應(yīng)用天文大地測量資料和重力測量資料來確定似大地水準(zhǔn)面高程的方法我國承受天文重力測量方法建立了全國范圍內(nèi)的高程特別值重力場模型法：綜合利用衛(wèi)星觀測資料和重力測量資料，以球諧級數(shù)建立地球重力場模型和高程特別模型的方法。司托克斯重力大地水準(zhǔn)面模型法：利用地面重力測量資料來推算大地水準(zhǔn)面高程的有用方法。GPS高程擬合方法：二次曲面擬合法：利用二次曲面靠近小區(qū)域的〔似〕大地水準(zhǔn)面進(jìn)展擬合。多重二次曲面擬合法：利用多重二次曲面靠近任何光滑的數(shù)學(xué)曲面或非數(shù)學(xué)定義的任意曲面進(jìn)展擬合。薄板小撓度變形模型擬合法：參照力學(xué)中數(shù)值計(jì)算的加權(quán)殘差法，利用自組織原理選取薄板受離散負(fù)載時(shí)的小撓度變形模型進(jìn)展擬合。GPS高程擬合方法二次曲面擬合6：二次多項(xiàng)式：aaxayax2ay2a

xy0 1 2 3 4 5平面擬合：一次多項(xiàng)式：

y0 1 2平移擬合3：零次多項(xiàng)式：a0

〔用于平坦地區(qū)、小區(qū)域范圍〕1.GPSGPS衛(wèi)星定位技術(shù)建立的把握網(wǎng)第七章GPS1.GPSGPS衛(wèi)星定位技術(shù)建立的把握網(wǎng)2.依據(jù)用途劃分：框架基準(zhǔn)網(wǎng)、大地把握網(wǎng)、工程把握網(wǎng)、測圖把握網(wǎng)、連續(xù)運(yùn)行的參考站網(wǎng)二、GPS把握網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)GPS網(wǎng)設(shè)計(jì)的目的：1〕質(zhì)量的要求：保證成果質(zhì)量、便與質(zhì)量把握2〕應(yīng)用的要求：利于成果的應(yīng)用3〕觀測的要求：保證觀測質(zhì)量、保證觀測效率、便于觀測施工2.GPS把握網(wǎng)設(shè)計(jì)一般原則：GPS把握網(wǎng)的應(yīng)用范圍承受分級布網(wǎng)的建設(shè)方案GPS測量精度標(biāo)準(zhǔn)GPS網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)：