【技術(shù)】GPS復(fù)習(xí)大綱

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目前各國常采用的是高斯投影和UTM投影，這兩種投影具有下列特點：

（1）橢球面上任意一個角度，投影到平面上都保持不變,長度投影后會發(fā)生變形，但變形比為一個常數(shù)。

（2）中央子午線投影為縱軸，并且是投影點的對稱軸，中央子午線投影后無變形，但其它長度均產(chǎn)生變形，且越離中央子午線越遠，變形愈大。（3）高斯平面直角坐標系的坐標軸與笛卡兒直角坐標系坐標軸相反，一般將y值加上500公里，在y值前冠以帶號。

（4）帶號與中央子午線經(jīng)度的關(guān)系為3種高程（大地高、正高、正常高）在測量中有三種高程，分別是大地高，正高，正常高，我國高程系統(tǒng)日常測量中采用的是正常高，GPS測量得到的是大地高H。大地水準面是假想海洋處于完全靜止的平衡狀態(tài)時的海水面，并延伸到大陸地面以下所形成的緊閉曲面。正高Hg是指M點源該點的鉛垂線至大地水準面的距離。坐標系統(tǒng)間轉(zhuǎn)換本章主要了解坐標系統(tǒng) 第三章了解衛(wèi)星運動基本概念攝動力的作用下的衛(wèi)星運動稱為受攝運動，相應(yīng)的衛(wèi)星軌道稱為受攝軌道衛(wèi)星在上述地球引力場中的無攝運動，也稱開普勒運動衛(wèi)星的受力情況及運動規(guī)律在各種作用力對衛(wèi)星運行軌道的影響中，地球引力場的影響為主，其它作用力的影響相對要小的多。通常把作用于衛(wèi)星上的各種力按其影響的大小分為兩類：一類是無攝運動，假設(shè)地球為均質(zhì)球體的引力（質(zhì)量集中于球體的中心），稱為中心力，決定著衛(wèi)星運動的基本規(guī)律和特征，由此決定的衛(wèi)星軌道，可視為理想軌道，是分析衛(wèi)星實際軌道的基礎(chǔ)。另一類是攝動力或非中心力，包括地球非球形對稱的作用力、日月引力、大氣阻力、光輻射壓力以及地球潮汐力等。攝動力使衛(wèi)星的運動產(chǎn)生一些小的附加變化而偏離理想軌道，同時偏離量的大小也隨時間而改變。在攝動力的作用下的衛(wèi)星運動稱為受攝運動，相應(yīng)的衛(wèi)星軌道稱為受攝軌道。星歷衛(wèi)星星歷是描述衛(wèi)星運動軌道的信息，是一組對應(yīng)某一時刻的軌道根數(shù)及其變率。根據(jù)衛(wèi)星星歷可以計算出任一時刻的衛(wèi)星位置及其速度，GPS衛(wèi)星星歷分為預(yù)報星歷（亦稱廣播星歷）和后處理星歷（或稱精密星歷）。本章計算不考第四章GPS衛(wèi)星測量原理，如何測量速度，折射情況假設(shè)電磁波在真空中的傳播速度為cvac，則有cvac=vacf=vac/T=/kvac。在衛(wèi)星大地測量中，國際上當(dāng)前采用的真空光速為c=2.′108(m/s)。實際的電磁波傳播是在大氣介質(zhì)中，在到達地面接收機前要穿過性質(zhì)、狀態(tài)各異且不穩(wěn)定的若干大氣層，這些因素可能改變電磁波傳播的方向、速度和強度，這種現(xiàn)象稱為大氣折射大氣層結(jié)構(gòu)按不同標準有不同的分層方法，根據(jù)對電磁波傳播的不同影響，一般分為對流層和電離層。主信號組成GPS衛(wèi)星所發(fā)射的信號包括載波信號、P碼（或Y碼）、C/A碼和數(shù)據(jù)碼（或D碼）等多種信號分量，其中P碼和C/A碼統(tǒng)稱為測距碼。碼的概念（相關(guān)關(guān)系數(shù)計算）在現(xiàn)代數(shù)字通信中，廣泛使用二進制數(shù)（0和1）及其組合，來表示各種信息。表達不同信息的二進制數(shù)及其組合，稱為碼。一位二進制數(shù)叫一個碼元或一比特。比特為碼和信息量的度量單位。如果將各種信息例如聲音、圖象和文字等通過量化，并按某種預(yù)定規(guī)則，表示成二進制數(shù)的組合形式，則這一過程稱為編碼。在二進制數(shù)字化信息的傳輸中，每秒傳輸?shù)谋忍財?shù)稱為數(shù)碼率，表示數(shù)字化信息的傳輸速度，單位為bit/s。GPS測距碼有哪些，特點GPS衛(wèi)星所發(fā)射的信號包括載波信號、P碼（或Y碼）、C/A碼和數(shù)據(jù)碼（或D碼）等多種信號分量，其中P碼和C/A碼統(tǒng)稱為測距碼。GPS衛(wèi)星所采用的兩種測距碼，即C/A碼和P碼（或Y碼），均屬于偽隨機碼。（1）C/A碼：是由兩個10級反饋移位寄存器組合而產(chǎn)生。碼長Nu=210-1=1023比特，碼元寬為tu=1/f1=0.97752s,（f1為基準頻率f0的10分之1，1.023MHz）,相應(yīng)的距離為293.1m。周期為Tu=Nutu=1ms，數(shù)碼率為1.023Mbit/s。C/A碼的碼長短，共1023個碼元，若以每秒50碼元的速度搜索，只需20.5s，易于捕獲，稱捕獲碼。碼元寬度大，假設(shè)兩序列的碼元對齊誤差為為碼元寬度的100分之1，則相應(yīng)的測距誤差為2.9m。由于精度低，又稱粗碼。（2）P碼P碼產(chǎn)生的原理與C/A碼相似，但更復(fù)雜。發(fā)生電路采用的是兩組各由12級反饋移位寄存器構(gòu)成。碼長Nu2.35′1014比特，碼元寬為tu=1/f0=0.097752s，相應(yīng)的距離為29.3m。周期為Tu=Nutu267d，數(shù)碼率為10.23Mbit/s。P碼的周期長，267天重復(fù)一次，實際應(yīng)用時P碼的周期被分成38部分，（每一部分為7天，碼長約6.19′1012比特），其中1部分閑置，5部分給地面監(jiān)控站使用，32部分分配給不同衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星使用P碼的不同部分，都具有相同的碼長和周期，但結(jié)構(gòu)不同。P碼的捕獲一般是先捕獲C/A碼，再根據(jù)導(dǎo)航電文信息，捕獲P碼。由于P碼的碼元寬度為C/A碼的1/10，若取碼元對齊精度仍為碼元寬度的1/100，則相應(yīng)的距離誤差為0.29m，故P碼稱為精碼。模二相加必考！第五章誤差分類，來源GPS定位中，影響觀測量精度的主要誤差來源分為三類：?與衛(wèi)星有關(guān)的誤差。

?與信號傳播有關(guān)的誤差。

?與接收設(shè)備有關(guān)的誤差。

為了便于理解，通常均把各種誤差的影響投影到站星距離上，以相應(yīng)的距離誤差表示，稱為等效距離誤差。GPS工作接收機原理，組成GPS接收機的主要結(jié)構(gòu)組成：?天線（帶前置放大器）

?信號處理器：用于信號識別與處理

?微處理器：用于接收機的控制、數(shù)據(jù)采集和導(dǎo)航計算

?用戶信息傳輸：包括操作板、顯示板等

?精密震蕩器：產(chǎn)生標準頻率

?電源絕對、相對定位基本原理絕對定位的基本原理：以GPS衛(wèi)星和用戶接收機天線之間的距離（或距離差）觀測量為基礎(chǔ)，根據(jù)已知的衛(wèi)星瞬時坐標，來確定接收機天線所對應(yīng)的點位，即觀測站的位置。GPS絕對定位方法的實質(zhì)是測量學(xué)中的空間距離后方交會。原則上觀測站位于以3顆衛(wèi)星為球心，相應(yīng)距離為半徑的球與觀測站所在平面交線的交點上。用兩臺接接收機分別安置在基線的兩個端點，其位置靜止不動，同步觀測相同的4顆以上衛(wèi)星，確定兩個端點在協(xié)議地球坐標系中的相對位置，這就叫做靜態(tài)相對定位。靜態(tài)相對定位一般均采用載波相位觀測值（或測相偽距）為基本觀測量，對中等長度的基線（100-500km），相對定位精度可達10-6-10-7甚至更好，靜態(tài)相對定位是目前GPS精度最高的定位方式。第六章GPS網(wǎng)型特征計算（時段，特征計算）GPS網(wǎng)特征條件的計算對于由N臺GPS接收機構(gòu)成的同步圖形中一個時段包含的基線（或簡稱GPS邊）數(shù)為：J＝N*(N－1)/2；但其中僅有N－1條是獨立邊，其余為非獨立邊。當(dāng)同步觀測的GPS接收機數(shù)N＞3時，同步閉合環(huán)T的最少個數(shù)應(yīng)為T＝J－(N－1)＝(N－1)(N－2)／2觀測時段數(shù)計算公式：C＝n·m/N式中．C為觀測時段數(shù)；n為網(wǎng)點數(shù)；m為每點平均設(shè)站次數(shù)；N為接收機數(shù)。故在GPS網(wǎng)中總基線數(shù)：J總＝C·N·（N一1）/2必要基線數(shù)：J必＝n－1獨立基線數(shù)：J獨＝C·(N－1）多余基線數(shù)：J多＝C·（N－1）－（n—1）依據(jù)以上公式，就可以確定出一個具體GPS網(wǎng)圖形結(jié)構(gòu)的主要特征。點連式，邊連式點連式：相鄰?fù)綀D形之間只有一個公共點連接。這種布網(wǎng)方式幾何強度較弱，抗粗差能力較差，一般可以加測幾個時段以增強網(wǎng)的異步圖形閉合條件的個數(shù)。邊連式：相鄰?fù)綀D形由一條公共基線連接。這種布網(wǎng)方式幾何強度較高，抗粗差能力較強，有較多的復(fù)測邊和非同步圖形閉合條件，在相同的儀器個數(shù)的條件下，觀測時段將比點連接方式大大增加。GPS網(wǎng)技術(shù)設(shè)計，原則GPS網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計應(yīng)著眼于控制網(wǎng)的精度、可靠性以及經(jīng)費等要求。也應(yīng)遵循以下原則1：在GPS網(wǎng)中不應(yīng)存在自由基線。2：GPS網(wǎng)的閉合環(huán)的基線個數(shù)不應(yīng)過多。3：GPS網(wǎng)至少應(yīng)與地面網(wǎng)有3－5個分布均勻的重合點，同時也應(yīng)有相當(dāng)數(shù)量的地面水準點與GPS網(wǎng)重合。4：GPS點應(yīng)選在交通便利。視野開闊的地方，同時應(yīng)考慮點與點之間的通視問題，以便使用經(jīng)典方法擴展。設(shè)計書編寫一、明確任務(wù)二、測區(qū)踏勘及收集資料三、技術(shù)設(shè)計（1）GPS控制網(wǎng)的精度和密度的設(shè)計（2）控制網(wǎng)的基準設(shè)計（3）控制網(wǎng)的圖形設(shè)計（4）控制網(wǎng)的精度預(yù)計四、器材準備及人員組織五、選點及埋標（1）點位應(yīng)選易于安置接收設(shè)備、視野開闊的位置。視場周國15度以上不應(yīng)有障礙物，以避兔GPS信號被吸收或遮擋。（2）點位應(yīng)遠離大功率無線電發(fā)射源如電視臺、微波站等）．其距離不小于200m遠離高壓輸電線，其距離不得小于50m，以避免電磁場對GPP信號的干擾。（3）點位附近不應(yīng)有大面積水域或強烈干擾衛(wèi)星信號接收的物體．以減弱多路徑效應(yīng)的影響。（4）點位應(yīng)選交通方便，有利于其他觀測手段擴晨與聯(lián)測的地方。（5）點位應(yīng)選在地面基礎(chǔ)穩(wěn)定．易于點保存的地點。（6）選點入員應(yīng)按技術(shù)設(shè)計進行踏勘，在實地按要求選定點位。（7）網(wǎng)形應(yīng)有利于同步觀測及邊、點聯(lián)結(jié)。（8）當(dāng)所選點位需要進行水準聯(lián)測時．選點人員應(yīng)實地踏勘水準路線，提出有關(guān)建議。標志埋設(shè)點的標石必須堅固、穩(wěn)定以利長久保存和使用。也可直接在基巖上嵌入金屬標志。埋設(shè)完成后，應(yīng)提交以下資料：點的記錄GPS網(wǎng)的選點網(wǎng)圖土地占用的批準文件與測量標志委托保管書選點與埋石技術(shù)總結(jié)六、外業(yè)觀測計劃的擬定七、外業(yè)觀測八、數(shù)據(jù)預(yù)處理九、觀測成果的外業(yè)檢核第七章數(shù)據(jù)與處理，基線向量計算GPS控制網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理就是將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)測量平差后規(guī)化到參考橢球面上并投影到所采用的平面上，得到點的準確位置。其過程大致可以分為觀測數(shù)據(jù)的預(yù)處理、基線向量計算、基線向量網(wǎng)平差以及GPS網(wǎng)與地面網(wǎng)聯(lián)合平差、評定精度等幾個階段。一、觀測數(shù)據(jù)的預(yù)處理觀測數(shù)據(jù)的預(yù)處理過程包括以下幾個兩個階段：1.預(yù)處理的準備工作2.數(shù)據(jù)預(yù)處理的內(nèi)容二、基線向量的解算GPS相對定位的結(jié)果確定測站點間的相對位置關(guān)系，這種相對位置關(guān)系通常用空間直角坐標系或大地坐標差表示。為了通過平差計算求解觀測站之間的基線向量，一般取相位觀測值的線性組合即差分模型。三、基線向量的解算結(jié)果分析基線解算后，可以通過RATIO、RDOP、RMS和數(shù)據(jù)刪除率這幾個質(zhì)量指標來衡量基線解算的質(zhì)量。通常認為，若RMS偏大，則說明觀測值質(zhì)量較差。若RDOP值較大則說明觀測條件較差。需要說明的是，它們只具有某種相對意義，即它們數(shù)值的高低不能絕對的說明基線質(zhì)量的高低。四、影響GPS基線解算結(jié)果因素的判別對于影響GPS基線解算結(jié)果的因素，有些是較容易判別的，如衛(wèi)星觀測時間太短、周跳太多、多路徑效應(yīng)嚴重、對流層或電離層折射影響過大等，但對于另外一些因素卻不好判斷了，如起點坐標不準確等。1、基線起點坐標不準確的判別對于由起點坐標不準確對基線解算質(zhì)量造成的影響，目前還沒有較容易的方法來加以判別。因此在實際工作中只有盡量提高起點坐標的準確度，以避免這種情況的發(fā)生。2、衛(wèi)星觀測時間短的判別關(guān)于衛(wèi)星觀測時間太短這類問題的判斷比較簡單，只要查看觀測數(shù)據(jù)的記錄文件中有關(guān)對與每個衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)的數(shù)量就可以了。有些GPS后處理軟件還輸出了衛(wèi)星的可見性圖，這就更直觀了。3、周跳太多的判別對于衛(wèi)星觀測值中周跳太多的情況，可以從基線解算后所獲得的觀測值殘差上來分析。目前大部分的基線處理軟件一般采用的是雙差觀測值，當(dāng)在某測站對某顆衛(wèi)星的觀測值中含有未修復(fù)的周跳時的，所有與此相關(guān)的雙差觀測值的殘差都會出現(xiàn)顯著的整數(shù)倍的增大。4、多路徑效應(yīng)嚴重、對流層或電離層折射影響過大的判別對于多路徑效應(yīng)、對流層或電離層折射影響的判別，我們也是通過觀測值殘差來進行的。不過與整周跳變不同的是，當(dāng)多路徑效應(yīng)嚴重、對流層或電離層折射影響過大時，觀測值殘差不是象周跳未修復(fù)那樣出現(xiàn)整數(shù)倍的增大，而只是出現(xiàn)非整數(shù)倍的增大。一般不超過1周，但卻又明顯地大于正常觀測值的殘差。五、GPS網(wǎng)平差GPS控制網(wǎng)是由相對定位所求得的基線向量而構(gòu)成的空間基線向量網(wǎng)。在GPS控制網(wǎng)的平差中，是以基線向量及協(xié)方差為基本觀測量的。通常采用三維無約束平差、三維約束平差及三維聯(lián)合平差三種平差模型。第八章GPS在測量、科研等方面應(yīng)用GPS定位技術(shù)在測量領(lǐng)域主要應(yīng)用于：大地測量、地球動力學(xué)的研究、精密工程測量、工程變形監(jiān)測、地籍測量、海洋測量等。在導(dǎo)航學(xué)中的應(yīng)用主要包括：車輛、船只和飛機的精密導(dǎo)航、測速、運動目標的監(jiān)控與管理。除此之外，在導(dǎo)彈制導(dǎo)、衛(wèi)星定軌、氣象學(xué)、大氣物理學(xué)的研究領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。RTK技術(shù)的控測地籍及房地產(chǎn)測量的控制測量和其他測量控制網(wǎng)相類似，測圖控制點需要比較密，精度相對一般測圖要求比較高。一般采用GPS靜態(tài)、快速靜態(tài)相對定位，測量時無需點間通