GPS靜態(tài)數(shù)據(jù)處理說明書2復(fù)習(xí)進(jìn)程

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。GPS靜態(tài)數(shù)據(jù)處理說明書2-GPS測量基礎(chǔ)2.1GPS測量使用的數(shù)據(jù)2.1.1GPS信號(hào)GPS衛(wèi)星發(fā)射兩種頻率的載波信號(hào)即頻率為1575.42MHz的L1載波和頻率為1227.60HMz的L2載波。它們的頻率分別是基本頻率10.23MHz的154倍和120倍。它們的波長分別為19.03cm和24.42cm。在L1和L2上又分別調(diào)制著多種信號(hào)，這些信號(hào)主要有：C/A碼C/A碼又被稱為粗捕獲碼，它被調(diào)制在L1載波上，是1MHz的偽隨機(jī)噪聲碼(PRN碼)，其碼長為1023位，周期為1ms。由于每顆衛(wèi)星的C/A

2、碼都不一樣，因此我們經(jīng)常用它們的PRN號(hào)來區(qū)分它們。C/A碼是普通用戶用以測定測站到衛(wèi)星間的距離的一種主要的信號(hào)。P碼（Y碼）P碼又被稱為精碼。它被調(diào)制在L1和L2載波上，是10.23MHz的偽隨機(jī)噪聲碼，在實(shí)際應(yīng)用中，P碼采用7天的周期，即截取一段周期為7天的P碼，并規(guī)定每星期六午夜零點(diǎn)使P碼置全“1”狀態(tài)作為起始點(diǎn)。在實(shí)施AS時(shí)P碼與W碼進(jìn)行模二相加生成保密的Y碼，此時(shí)一般用戶無法利用P碼來進(jìn)行導(dǎo)航定位。導(dǎo)航信息（或稱D碼）導(dǎo)航信息被調(diào)制在L1載波上，其信號(hào)頻率為50Hz，包含有GPS衛(wèi)星的軌道參數(shù)、衛(wèi)星鐘改正數(shù)和其它一些系統(tǒng)參數(shù)。用戶一般需要利用此導(dǎo)航信息來計(jì)算某一時(shí)刻GPS衛(wèi)星在地球軌

3、道上的位置。導(dǎo)航信息也被稱為廣播星歷。綜上所述，GPS衛(wèi)星所發(fā)播的信號(hào)，包括調(diào)制在L載波上的C/A碼、P碼（或Y碼）和導(dǎo)航信息（或稱D碼）等多種信號(hào)分量。而其中的P碼和C/A碼，統(tǒng)稱為測距碼。載波具有L1(1575.42MHz)、L2(1227.60MHz)兩個(gè)頻段，調(diào)制方式為900調(diào)相。GPS系統(tǒng)還將增加L5頻段以及L2頻段上的C/A碼，這里就不作介紹。目前的GPS信號(hào)結(jié)構(gòu)大致如圖2-1所示：圖2-1GPS衛(wèi)星發(fā)送的信號(hào)上述這些信號(hào)能被用戶接收機(jī)全部接收或部分接收，并將其輸出，供GPS后處理軟件進(jìn)一步處理。2.1.2SPS和PPSGPS系統(tǒng)針對(duì)不同用戶提供兩種不同類型的服務(wù)，一種是標(biāo)準(zhǔn)定位服

4、務(wù)(SPSStandardPositioningService)，另一種是精密定位服務(wù)(PPSPrecisionPositioningService)。這兩種不同類型的服務(wù)分別由兩種不同的子系統(tǒng)提供，標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)由標(biāo)準(zhǔn)定位子系統(tǒng)(SPSStandardPositioningSystem)提供，精密定位服務(wù)則由精密定位子系統(tǒng)(PPSPrecisionPositioningSystem)提供。因此，SPS主要面向全世界的民用用戶，而PPS則主要面向美國及其盟國的軍事部門以及民用的特許用戶。2.1.3GPS定位的常用觀測值在GPS定位中經(jīng)常采用下列觀測值中的一種或幾種進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以確定出待定點(diǎn)的坐

5、標(biāo)或待定點(diǎn)之間的基線向量：L1載波相位觀測值L2載波相位觀測值（半波或全波）；調(diào)制在L1上的C/A碼偽距；調(diào)制在L1上的P碼偽距；調(diào)制在L2上的P碼偽距。實(shí)際上，在進(jìn)行GPS定位時(shí)除了大量地使用上面的觀測值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以外，還經(jīng)常使用由上面的觀測值通過某些組合而形成的一些特殊觀測值，如寬巷觀測值（Wide-Lane）、窄巷觀測值（Narrow-Lane）、消除電離層延遲的觀測值（Ion-Free）、消除幾何因數(shù)的觀測值（Geometry-Free）等來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。2.1.4GPS定位的星歷數(shù)據(jù)和歷書數(shù)據(jù)衛(wèi)星星歷是描述有關(guān)衛(wèi)星運(yùn)行軌道的信息，并且只包括當(dāng)前衛(wèi)星的精確位置，可用來定位。利用GPS

6、進(jìn)行導(dǎo)航和定位，就是根據(jù)已知的衛(wèi)星軌道信息和用戶觀測資料，通過數(shù)據(jù)處理來確定接收機(jī)的位置及其載體的航行速度。所以，精確的軌道信息是精密導(dǎo)航和定位的基礎(chǔ)。衛(wèi)星星歷的提供方式一般有兩種：預(yù)報(bào)星歷（廣播星歷）和后處理星歷（精密星歷）。目前，一般的GPS接收機(jī)都能對(duì)廣播星歷解碼，并將其存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。而精密星歷通?？梢詮腎nternet網(wǎng)上下載，在本課題中編寫的軟件能處理SP3精密星歷格式，SP3精密星歷可以從IGS(InternationalGPSService)的網(wǎng)址上下載。衛(wèi)星的歷書同樣描述有關(guān)衛(wèi)星運(yùn)行軌道的信息，只是其精度較低，并包括全部衛(wèi)星的信息，可用于衛(wèi)

7、星預(yù)報(bào)。接收機(jī)需收集完12.5分鐘的導(dǎo)航電文才能獲得一組完整的歷書。同樣，用戶也可從網(wǎng)上下載歷書數(shù)據(jù)進(jìn)行衛(wèi)星預(yù)報(bào)。2.2GPS的時(shí)間系統(tǒng)2.2.1時(shí)間系統(tǒng)在GPS衛(wèi)星定位中，時(shí)間系統(tǒng)有著重要的意義。作為觀測目標(biāo)的GPS衛(wèi)星以每秒幾公里的速度運(yùn)動(dòng)。對(duì)觀測者而言衛(wèi)星的位置（方向、距離、高度）和速度都在不斷地迅速變化。因此，在衛(wèi)星測量中，例如在由跟蹤站對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行定軌時(shí)，每給出衛(wèi)星位置的同時(shí)，必須給出對(duì)應(yīng)的瞬間時(shí)刻。當(dāng)要求GPS衛(wèi)星位置的誤差小于cm時(shí)，相應(yīng)的時(shí)刻誤差應(yīng)小于2.6s。以如在衛(wèi)星定位測量中，GPS接收機(jī)接收并處理GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，測定接收機(jī)至衛(wèi)星之間的信號(hào)傳播時(shí)間，再乘以光速換算距離

8、，進(jìn)而確定測站的位置。因此，要準(zhǔn)確的測定觀測站至衛(wèi)星的距離，必須精確的測定誤差應(yīng)小于0.03ns。所以，任何一個(gè)觀測量都有必須給定取得該觀測量的時(shí)刻。為了保證觀測量的精度，對(duì)觀測時(shí)刻要有一定的精度要求。時(shí)間系統(tǒng)與坐標(biāo)系統(tǒng)一樣，應(yīng)有其尺度（時(shí)間單位）與原點(diǎn)（歷元）。只有把尺度與原點(diǎn)結(jié)合起來，才能給出時(shí)刻的概念。理論上，任何一個(gè)周期運(yùn)動(dòng)，只要它的運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的，其周期是恒定的，并且是可觀測和用實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn)的，都可以作為時(shí)間尺度（單位）。實(shí)際上，我們所能得到的（或?qū)嵱玫模r(shí)間尺度能在一定的精度上滿足這一理論要求。隨著觀測技術(shù)的發(fā)展和更加穩(wěn)定的周期運(yùn)動(dòng)的發(fā)現(xiàn)而不斷接近這一理論要求。實(shí)踐中，由于所選用的周期運(yùn)

9、動(dòng)現(xiàn)象不同，便產(chǎn)生了不同的時(shí)間系統(tǒng)，比如恒星時(shí)（ST）、平太陽時(shí)（MT）、世界時(shí)（UT）、原子時(shí)（ATI）、協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）等。2.2.2GPS的時(shí)間系統(tǒng)GPS系統(tǒng)是測時(shí)測距系統(tǒng)。時(shí)間在GPS測量中是一個(gè)基本的觀測量。衛(wèi)星的信號(hào)，衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)，衛(wèi)星的坐標(biāo)都與時(shí)間密切相關(guān)。對(duì)時(shí)間的要求既要穩(wěn)定又要連續(xù)。為此，GPS系統(tǒng)中衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘均采用穩(wěn)定而連續(xù)的GPS時(shí)間系統(tǒng)。該系統(tǒng)由GPS主控站的原子鐘控制。GPS時(shí)間系統(tǒng)采用原子時(shí)ATI秒長作為時(shí)間基準(zhǔn)，但時(shí)間起算的原點(diǎn)定義在1980年1月6日UTC0時(shí)。啟動(dòng)后不跳秒，保持時(shí)間的連續(xù)。以后隨著時(shí)間的積累，GPS時(shí)與UTC時(shí)的整秒差以及秒以下的差異通

10、過時(shí)間服務(wù)部門定期公布（至1995年相差達(dá)10秒）。衛(wèi)星播發(fā)的衛(wèi)星鐘差也是相對(duì)GPS時(shí)間系統(tǒng)的鐘差，在利用GPS直接進(jìn)行時(shí)間校對(duì)時(shí)應(yīng)注意到這一問題。GPS時(shí)與ATI時(shí)在任一瞬間均有一常量偏差：TATITGPS=19（秒）GPS時(shí)間系統(tǒng)與各種時(shí)間系統(tǒng)的關(guān)系圖2-2所示。圖2-2時(shí)間系統(tǒng)2.2.3GPS時(shí)的表達(dá)在GPS系統(tǒng)中，GPS時(shí)以星期數(shù)和星期秒數(shù)相結(jié)合來表示，星期數(shù)為自1980年1月6日起開始計(jì)算的星期的序數(shù)，秒數(shù)是指相對(duì)于每周星期天零時(shí)的時(shí)間，即式中至1980年1月6日起的累計(jì)秒數(shù)；GPS的星期數(shù)；GPS秒。但應(yīng)注意的是在GPS衛(wèi)星中，星期數(shù)是以10位二進(jìn)制來表示的，故其表達(dá)范圍為0102

11、3，秒的表達(dá)范圍為0604800（不包括604800）。由于星期數(shù)表達(dá)位數(shù)的有限，使得星期計(jì)數(shù)在1999年8月22日又回到了0，從而軟件很容易將這一天理解成1980年1月6日，這就是所謂的WeekRollover問題，比如一組GPS數(shù)據(jù)以GPS星期和GPS秒的方式表示GPS時(shí)間，其GPS星期為80，這時(shí)，數(shù)據(jù)處理軟件可能將其理解為1981年，也可將其理解為2001年，這樣，如果軟件得不到別的輔助數(shù)據(jù)，則將可能判斷錯(cuò)誤。綜上所述，如果簡單地認(rèn)為北京時(shí)間比GPS時(shí)間提前8個(gè)小時(shí)，是極其不嚴(yán)格的。2.3GPS的坐標(biāo)系統(tǒng)一個(gè)完整的坐標(biāo)系統(tǒng)是由坐標(biāo)系和基準(zhǔn)兩方面要素所構(gòu)成的。坐標(biāo)系指的是描述空間位置的表

12、達(dá)形式，而基準(zhǔn)指的是為描述空間位置而定義的一系列點(diǎn)、線、面。在大地測量中的基準(zhǔn)，一般是指為確定點(diǎn)在空間中的位置，而采用的地球橢球或參考橢球的幾何參數(shù)和物理參數(shù)，及其在空間的定位，定向方式以及在描述空間位置時(shí)所采用的單位長度的定義。2.3.1坐標(biāo)系的分類正如前面所提及的,所謂坐標(biāo)系指的是描述空間位置的表達(dá)形式,即采用什么方法來表示空間位置。人們?yōu)榱嗣枋隹臻g位置，采用了多種方法，從而也產(chǎn)生了不同的坐標(biāo)系，如直角坐標(biāo)系、極坐標(biāo)系等。在測量中常用的坐標(biāo)系有以下幾種：一、空間直角坐標(biāo)系空間直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)系原點(diǎn)位于參考橢球的中心，Z軸指向參考橢球的北極，X軸指向起始子午面與赤道的交點(diǎn)，Y軸位于赤道面上且

13、按右手系與X軸呈90夾角。某點(diǎn)在空間中的坐標(biāo)可用該點(diǎn)在此坐標(biāo)系的各個(gè)坐標(biāo)軸上的投影來表示。空間直角坐標(biāo)系可用圖2-3來表示：圖2-3空間直角坐標(biāo)系二、空間大地坐標(biāo)系空間大地坐標(biāo)系是采用大地經(jīng)、緯度和大地高來描述空間位置的。緯度是空間的點(diǎn)與參考橢球面的法線與赤道面的夾角；經(jīng)度是空間中的點(diǎn)與參考橢球的自轉(zhuǎn)軸所在的面與參考橢球的起始子午面的夾角；大地高是空間點(diǎn)沿參考橢球的法線方向到參考橢球面的距離?？臻g大地坐標(biāo)系可用圖2-4來表示：圖2-4空間大地坐標(biāo)系三、平面直角坐標(biāo)系平面直角坐標(biāo)系是利用投影變換，將空間坐標(biāo)空間直角坐標(biāo)或空間大地坐標(biāo)通過某種數(shù)學(xué)變換映射到平面上，這種變換又稱為投影變換。投影變換的

14、方法有很多，如橫軸墨卡托投影、UTM投影、蘭勃特投影等。在我國采用的是高斯-克呂格投影也稱為高斯投影。UTM投影和高斯投影都是橫軸墨卡托投影的特例，只是投影的個(gè)別參數(shù)不同而已。高斯投影是一種橫軸、橢圓柱面、等角投影。從幾何意義上講，是一種橫軸橢圓柱正切投影。如圖左側(cè)所示，設(shè)想有一個(gè)橢圓柱面橫套在橢球外面，并與某一子午線相切（此子午線稱為中央子午線或軸子午線），橢球軸的中心軸CC通過橢球中心而與地軸垂直。高斯投影滿足以下兩個(gè)條件：它是正形投影；中央子午線投影后應(yīng)為x軸，且長度保持不變。將中央子午線東西各一定經(jīng)差（一般為6度或3度）范圍內(nèi)的地區(qū)投影到橢圓柱面上，再將此柱面沿某一棱線展開，便構(gòu)成了高

15、斯平面直角坐標(biāo)系，如下圖右側(cè)所示。圖2-5高斯投影x方向指北，y方向指東。可見，高斯投影存在長度變形，為使其在測圖和用圖時(shí)影響很小，應(yīng)相隔一定的地區(qū)，另立中央子午線，采取分帶投影的辦法。我國國家測量規(guī)定采用六度帶和三度帶兩種分帶方法。六度帶和三度帶與中央子午線存在如下關(guān)系：；其中，N、n分別為6度帶和3度帶的帶號(hào)。另外，為了避免y出現(xiàn)負(fù)號(hào)，規(guī)定y值認(rèn)為地加上500000m；又為了區(qū)別不同投影帶，前面還要冠以帶號(hào)，如第20號(hào)六度帶中，y=-200.25m，則成果表中寫為y假定20499799.75m。x值在北半球總顯正值，就無需改變其觀測值了。四、地心大地坐標(biāo)系與地球參心坐標(biāo)系應(yīng)當(dāng)說明的是，GP

16、S定位使用的是地心大地坐標(biāo)系，而經(jīng)典的大地定位采用的是地球參心坐標(biāo)系。地心大地坐標(biāo)系與地球參心坐標(biāo)系的主要區(qū)別在于：地心大地坐標(biāo)系的橢球中心與地球質(zhì)心重合，橢球的短軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合，大地緯度B為過地面點(diǎn)的橢球法線與橢球赤道面的夾角，大地經(jīng)度L為過地面點(diǎn)的橢球子午面與格林尼治平大地子午面之間的夾角，大地高H為地面點(diǎn)沿橢球法線至橢球面的距離。而對(duì)于地球參心坐標(biāo)系，在經(jīng)典大地測量中，為了處理觀測成果和傳算地面控制網(wǎng)的坐標(biāo)，通常需選取一參考橢球面為基準(zhǔn)參考面，選一參考點(diǎn)為大地測量的起算點(diǎn)（或稱為大地原點(diǎn)），并且利用大地原點(diǎn)的天文觀測量，來確定參考橢球在地球內(nèi)部的位置和方向。不過由此所選定的參考橢球的

17、位置，其中心一般不會(huì)與地球質(zhì)心相重合。2.3.2基準(zhǔn)所謂基準(zhǔn)是指為描述空間位置而定義的點(diǎn)、線、面。在大地測量中基準(zhǔn)是指用以描述地球形狀的參考橢球的參數(shù)，如參考橢球的長短半軸，以及參考橢球在空間中的定位及定向，還有在描述這些位置時(shí)所采用的單位長度的定義。2.3.3坐標(biāo)系變換與基準(zhǔn)變換在GPS測量中經(jīng)常要進(jìn)行坐標(biāo)系變換與基準(zhǔn)變換。所謂坐標(biāo)系變換就是在不同的坐標(biāo)表示形式間進(jìn)行變換。基準(zhǔn)變換是指在不同的參考基準(zhǔn)間進(jìn)行變換。一、坐標(biāo)系的變換方法1、空間直角坐標(biāo)系與空間大地坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換圖表示了空間直角坐標(biāo)系與空間大地坐標(biāo)系之間的關(guān)系。圖2-6地球空間直角坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系在相同的基準(zhǔn)下空間大地坐標(biāo)系向空

18、間直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換公式為：(2-1)式中，為橢球的長半軸，為橢球的卯酉圈曲率半徑，為橢球的第一偏心率，為橢球的短半軸在相同的基準(zhǔn)下空間大地坐標(biāo)系向空間直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換公式為(2-2)式中2、空間坐標(biāo)系與平面直角坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換空間坐標(biāo)系與平面直角坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換采用的是投影變換的方法。在我國一般采用的是高斯投影。因?yàn)楦咚雇队昂蚒TM投影都是橫軸墨卡托的特例，因此，高斯投影和UTM投影都可以套用橫軸墨卡托投影的投影公式。橫軸墨卡托投影的投影的正反算公式可參見有關(guān)資料，它們的區(qū)別在于軸子午線投影到平面上后，其長度的系數(shù)，對(duì)于高斯投影，系數(shù)為1，對(duì)于UTM投影，其系數(shù)為0.9996。3、變動(dòng)高程歸化面的

19、影響用戶在建立地方獨(dú)立坐標(biāo)系時(shí)，有時(shí)變動(dòng)高程歸化面，這將產(chǎn)生一個(gè)新橢球，這就必須計(jì)算新常數(shù)，新橢球常數(shù)按下列方法和步驟進(jìn)行：新橢球是在國家坐標(biāo)系的參考橢球上擴(kuò)大形成的，它的扁率應(yīng)與國家坐標(biāo)系參考橢球的扁率相等，即。計(jì)算該坐標(biāo)系中央地區(qū)的新橢球平均曲率半徑和新橢球長半軸。新橢球平均曲率半徑為：(2.10)式中該地區(qū)平均大地高；該地區(qū)的平均緯度。新橢球的長半軸按下式計(jì)算：(2.11)將新的橢球參數(shù)代入，就可以進(jìn)行投影的正反計(jì)算了。二、坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換方法不同坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換本質(zhì)上是不同基準(zhǔn)間的轉(zhuǎn)換，不同基準(zhǔn)間的轉(zhuǎn)換方法有很多，其中最為常用的有布爾沙模型，又稱為七參數(shù)轉(zhuǎn)換法。七參數(shù)轉(zhuǎn)換法是：設(shè)兩空間直角

20、坐標(biāo)系間有七個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)：3個(gè)平移參數(shù)、3個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)和1個(gè)尺度參數(shù)。比如，由空間直角坐標(biāo)系A(chǔ)轉(zhuǎn)換到空間直角坐標(biāo)系B可采用下面的公式：2.3.4GPS測量中常用的坐標(biāo)系統(tǒng)一、世界大地坐標(biāo)系WGS-84WGS-84坐標(biāo)系是目前GPS所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)，GPS所發(fā)布的星歷參數(shù)和歷書參數(shù)等都是基于此坐標(biāo)系統(tǒng)的。WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)的全稱是WorldGeodicalSystem-84(世界大地坐標(biāo)系-84),它是一個(gè)地心地固坐標(biāo)系統(tǒng)。WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)由美國國防部制圖局建立，于1987年取代了當(dāng)時(shí)GPS所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)WGS-72坐標(biāo)系統(tǒng)而成為現(xiàn)在GPS所使用的坐標(biāo)系統(tǒng)。WGS-84坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)位于地

21、球的質(zhì)心，Z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議地球極方向，X軸指向BIH1984.0的啟始子午面和赤道的交點(diǎn)，Y軸與X軸和Z軸構(gòu)成右手系。WGS-84系所采用橢球參數(shù)為見表2.1。二、1954年北京坐標(biāo)系1954年北京坐標(biāo)系是我國目前廣泛采用的大地測量坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系源自于原蘇聯(lián)采用過的1942年普爾科夫坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系采用的參考橢球是克拉索夫斯基橢球。該橢球的參數(shù)見表2.1。遺憾的是該橢球并未依據(jù)當(dāng)時(shí)我國的天文觀測資料進(jìn)行重新定位，而是由前蘇聯(lián)西伯利亞地區(qū)的一等鎖經(jīng)我國的東北地區(qū)傳算過來的，該坐標(biāo)系的高程異常是以前蘇聯(lián)1955年大地水準(zhǔn)面重新平差的結(jié)果為起算值，按我國天文水準(zhǔn)路線推算出來的，

22、而高程又是以1956年青島驗(yàn)潮站的黃海平均海水面為基準(zhǔn)。由于當(dāng)時(shí)條件的限制1954年北京坐標(biāo)系存在著很多缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1.克拉索夫斯基橢球參數(shù)同現(xiàn)代精確的橢球參數(shù)的差異較大，并且不包含表示地球物理特性的參數(shù)，因而給理論和實(shí)際工作帶來了許多不便。2.橢球定向不十分明確，橢球的短半軸既不指向國際通用的CIO極，也不指向目前我國使用的JYD極。參考橢球面與我國大地水準(zhǔn)面呈西高東低的系統(tǒng)性傾斜，東部高程異常達(dá)60余米，最大達(dá)67米。3.該坐標(biāo)系統(tǒng)的大地點(diǎn)坐標(biāo)是經(jīng)過局部分區(qū)平差得到的。因此全國的天文大地控制點(diǎn)實(shí)際上不能形成一個(gè)整體，區(qū)與區(qū)之間有較大的隙距，如在有的接合部中同一點(diǎn)在不同區(qū)的坐

23、標(biāo)值相差1-2米，不同分區(qū)的尺度差異也很大，而且坐標(biāo)傳遞是從東北到西北和西南，后一區(qū)是以前一區(qū)的最弱部作為坐標(biāo)起算點(diǎn)，因而一等鎖具有明顯的坐標(biāo)積累誤差。三、1980年西安大地坐標(biāo)系1978年我國決定重新對(duì)全國天文大地網(wǎng)施行整體平差，并且建立新的國家大地坐標(biāo)系統(tǒng)。整體平差在新大地坐標(biāo)系統(tǒng)中進(jìn)行，這個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)就是1980年西安大地坐標(biāo)系統(tǒng)。1980年西安大地坐標(biāo)系統(tǒng)所采用的地球橢球參數(shù)的四個(gè)幾何和物理參數(shù)采用了IAG1975年的推薦值，見表2.1中的西安80。橢球的短軸平行于地球的自轉(zhuǎn)軸（由地球質(zhì)心指向1968.0JYD地極原點(diǎn)方向），起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面，橢球面同似大地水準(zhǔn)面在

24、我國境內(nèi)符合最好，高程系統(tǒng)以1956年黃海平均海水面為高程起算基準(zhǔn)。四、幾種常用的坐標(biāo)系統(tǒng)的幾何和物理參數(shù)下表列出了幾種常用的坐標(biāo)系統(tǒng)的幾何和物理參數(shù)，用戶需要時(shí)可以查閱：表2.1GPS測量中常用的坐標(biāo)系統(tǒng)的幾何和物理參數(shù)坐標(biāo)系WGS-84北京54西安80(m)637813763782456378140(或)-484.1668510-6(或1/298.257223563)-(或1/298.3)-(或1/298.257)J2-1.0826310-3(rads-1)7.29211510-5-7.29211510-5GM(m3s-2)3.9860051014-3.98600510142.4GPS高程

25、系統(tǒng)在測量中常用的高程系統(tǒng)有大地高系統(tǒng)、正高系統(tǒng)和正常高系統(tǒng)。2.4.1大地高系統(tǒng)大地高系統(tǒng)是以參考橢球面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)，某點(diǎn)的大地高是該點(diǎn)到通過該點(diǎn)的參考橢球的法線與參考橢球面的交點(diǎn)間的距離。大地高也稱為橢球高。大地高一般用符號(hào)H表示。大地高是一個(gè)純幾何量，不具有物理意義，同一個(gè)點(diǎn)在不同的基準(zhǔn)下具有不同的大地高。通常，GPS接收機(jī)單點(diǎn)定位得到的高程為WGS-84下的大地高。2.4.2正高系統(tǒng)正高系統(tǒng)是以大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)，某點(diǎn)的正高是該點(diǎn)到通過該點(diǎn)的鉛垂線與大地水準(zhǔn)面的交點(diǎn)之間的距離。正高用符號(hào)Hg表示。2.4.3正常高正常高系統(tǒng)是以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的高程系統(tǒng)，某點(diǎn)的正常高是

26、該點(diǎn)到通過該點(diǎn)的鉛垂線與似大地水準(zhǔn)面的交點(diǎn)之間的距離，正常高用H表示。2.4.4高程系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系大地水準(zhǔn)面到參考橢球面的距離稱為大地水準(zhǔn)面差距，記為hg，大地高與正高之間的關(guān)系可以表示為：正高：似大地水準(zhǔn)面到參考橢球面的距離，稱為高程異常，記為。大地高與正常高之間的關(guān)系可以表示為：正常高：高程之間的相互關(guān)系可以用下圖2-7來表示：圖2-7高程系統(tǒng)間的相互關(guān)系2.5GPS的測量方法2.5.1單點(diǎn)定位GPS的單點(diǎn)定位原理，簡單地說來，是利用我們熟知的幾何與物理上一些基本原理。首先我們可以得到GPS衛(wèi)星的位置；其次，我們又能準(zhǔn)確測定我們所在地點(diǎn)A至衛(wèi)星之間的距離，那么A點(diǎn)一定是位于以衛(wèi)星為中心

27、、所測得距離為半徑的圓球上。進(jìn)一步，我們又測得點(diǎn)A至另一衛(wèi)星的距離，則A點(diǎn)一定處在前后兩個(gè)圓球相交的圓環(huán)上。我們還可測得與第三個(gè)衛(wèi)星的距離，就可以確定A點(diǎn)只能是在三個(gè)圓球相交的兩個(gè)點(diǎn)上。根據(jù)一些地理知識(shí)，可以很容易排除其中一個(gè)不合理的位置。當(dāng)然也可以再測量A點(diǎn)至另一個(gè)衛(wèi)星的距離，也能精確進(jìn)行定位。這就是GPS單點(diǎn)定位的簡單原理。GPS衛(wèi)星的位置是根據(jù)GPS的衛(wèi)星星歷得到的。而觀測點(diǎn)到GPS衛(wèi)星的偽距是由衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號(hào)到達(dá)GPS接收機(jī)的傳播時(shí)間乘以光速所得到的量測距離。圖2-8GPS導(dǎo)航示意圖GPS系統(tǒng)在每顆衛(wèi)星上裝置有十分精密的原子鐘，并由監(jiān)測站經(jīng)常進(jìn)行校準(zhǔn)。衛(wèi)星發(fā)送導(dǎo)航信息，同時(shí)也發(fā)送

28、精確時(shí)間信息。GPS接收機(jī)接收此信息，使之與自身的時(shí)鐘同步，就可獲得準(zhǔn)確的時(shí)間。所以，GPS接收機(jī)除了能準(zhǔn)確定位之外，還可產(chǎn)生精確的時(shí)間信息。當(dāng)然，上面說的都還是十分理想的情況。實(shí)際情況比上面說的要復(fù)雜得多，所以我們還要采取一些對(duì)策。例如：電波傳播的速度，并不總是一個(gè)常數(shù)。在通過電離層中電離子和對(duì)流層中水氣的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生一定的延遲。一般我們這可以根據(jù)監(jiān)測站收集的氣象數(shù)據(jù)，再利用典型的電離層和對(duì)流層模型來進(jìn)行修正。還有，在電波傳送到接收機(jī)天線之前，還會(huì)產(chǎn)生由于各種障礙物與地面折射和反射產(chǎn)生的多路徑效應(yīng)。這在設(shè)計(jì)GPS接收機(jī)時(shí)，要采取相應(yīng)措施。當(dāng)然，這要以提高GPS接收機(jī)的成本為代價(jià)。原子鐘雖然十

29、分精確，但也不是一點(diǎn)誤差也沒有。GPS接收機(jī)中的時(shí)鐘，不可能象在衛(wèi)星上那樣，設(shè)置昂貴的原子鐘，所以就利用測定第四顆衛(wèi)星，來校準(zhǔn)GPS接收機(jī)的時(shí)鐘。我們前面提到，每測量三顆衛(wèi)星可以定位一個(gè)點(diǎn)。利用第四顆衛(wèi)星和前面三顆衛(wèi)星的組合，可以測得另一些點(diǎn)。理想情況下，所有測得的點(diǎn)，都應(yīng)該重合。但實(shí)際上，并不完全重合。利用這一點(diǎn)，反過來可以校準(zhǔn)GPS接收機(jī)的時(shí)鐘。測定距離時(shí)選用衛(wèi)星的相互幾何位置，對(duì)測定的誤差也不同。為了精確的定位，可以多測一些衛(wèi)星，選取幾何位置相距較遠(yuǎn)的衛(wèi)星組合，測得誤差要小。在GPS定位過程中，存在三部分誤差。一部分是對(duì)每一個(gè)用戶接收機(jī)所共有的，例如：衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差、對(duì)

30、流層誤差等；第二部分為不能由用戶測量或由校正模型來計(jì)算的傳播延遲誤差；第三部分為各用戶接收機(jī)所固有的誤差，例如內(nèi)部噪聲、通道延遲、多徑效應(yīng)等。利用差分技術(shù)第一部分誤差可完全消除，第二部分誤差大部分可以消除，這和基準(zhǔn)接收機(jī)至用戶接收機(jī)的距離有關(guān)。第三部分誤差則無法消除，只能靠提高GPS接收機(jī)本身的技術(shù)指標(biāo)。2.5.2相對(duì)定位差分定位是在一個(gè)已知點(diǎn)上設(shè)立基站，跟蹤觀測GPS衛(wèi)星，測定并記錄特定時(shí)段的各個(gè)衛(wèi)星的觀測值，通過差分算法計(jì)算出每個(gè)衛(wèi)星偽距和載波相位的修正值。野外流動(dòng)站觀測該時(shí)段GPS衛(wèi)星并記錄觀測值，通過基站接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行差分修正后，進(jìn)行定位解算。采用差分GPS技術(shù)(DGPS)，可消除上一

31、節(jié)所提到的大部分誤差，從而提高衛(wèi)星導(dǎo)航定位的總體精度，使系統(tǒng)誤差達(dá)到5到10米之內(nèi)。假如在距離用戶500公里之內(nèi)，設(shè)置一部基準(zhǔn)接收機(jī)。它和用戶接收機(jī)同時(shí)接收某一衛(wèi)星的信號(hào)，那么我們可以認(rèn)為信號(hào)傳至兩部接收機(jī)所途經(jīng)電離層和對(duì)流層的情況基本是相同，故所產(chǎn)生的延遲也相同。由于接收同一顆衛(wèi)星，所以星歷誤差、衛(wèi)星時(shí)鐘誤差也相同。若我們通過其它方法確知所處的三維坐標(biāo)（也可以用精度很高的GPS接收機(jī)來實(shí)現(xiàn)，其價(jià)格比一般GPS接收機(jī)高得多），那就可從測得的偽距中，推算其中的誤差。將此誤差數(shù)據(jù)傳送給用戶，用戶就可從測量所得的偽距中扣除誤差，就能達(dá)到更精確的定位。2.6影響GPS測量的誤差因素前面已經(jīng)提到，多種因

32、素影響GPS測量，并且差分定位能大大抵消這些因素的影響。在這里，我們針對(duì)這些因素對(duì)差分定位的影響再作進(jìn)一步的論述。2.6.1大氣層的影響由于GPS信號(hào)是以無線電波的方式不間斷地向地面輻射的，因此GPS信號(hào)會(huì)與其它L波段的電磁波一樣，收到大氣折射的影響。在相對(duì)定位時(shí)，大氣折射的影響對(duì)兩臺(tái)接收機(jī)之間相對(duì)定位精度的影響大大地降低了，但對(duì)于精密相對(duì)定位而言，大氣層的影響仍是不可忽略的。通常，根據(jù)對(duì)電磁波傳播的不同影響，一般可將大氣層分為對(duì)流層和電離層。對(duì)流層指從地面向上約40km范圍內(nèi)的大氣底層，其影響與電磁波的頻率無關(guān)；電離層分布于地球大氣層的頂部，約在地面向上70km以上的范圍，其影響與電磁波的頻

33、率有關(guān)，且比較復(fù)雜。對(duì)于這兩方面，已建立了各種模型，各有其優(yōu)缺點(diǎn)，在這里不一一羅列。2.6.2多路徑效應(yīng)在GPS測量中，如果測站周圍的反射物所反射的衛(wèi)星信號(hào)（反射波）進(jìn)入接收機(jī)天線，這就將和直接來自衛(wèi)星的信號(hào)（直接波）產(chǎn)生干涉，從而使測量值偏離真值產(chǎn)生所謂的多路徑誤差。這種由于多路徑的信號(hào)傳播所引起的干涉時(shí)延效應(yīng)被稱作多路徑效應(yīng)。如下圖所示：圖2-9多路徑效應(yīng)示意圖多路徑效應(yīng)對(duì)載波相位觀測影響較小，而對(duì)偽距觀測影響非常大，所以，在進(jìn)行后差分動(dòng)態(tài)測量時(shí)，要注意多路徑效應(yīng)的影響。在測量中，可通過給儀器安置多路徑抑制板的方式減輕其影響。圖2-10多路徑抑制板的作用遺憾的是，由于同步觀測的接收機(jī)的多路

34、徑影響往往不同，因此，差分方法很難消除多路徑的影響。2.6.3其他影響因素進(jìn)行高精度GPS定位需要對(duì)各項(xiàng)誤差的來源、影響及影響的尺度進(jìn)行仔細(xì)的分析，在這些誤差中，有電磁波傳播所帶來的誤差，如電離層、對(duì)流層折射的影響；有GPS系統(tǒng)帶來的誤差，如GPS衛(wèi)星定軌的精度、GPS衛(wèi)星的時(shí)鐘精度、地球潮汐、相對(duì)論、甚至人為地降低GPS定位的精度，如SA政策等等；也有與接收機(jī)有關(guān)的誤差，如接收機(jī)的時(shí)鐘精度、內(nèi)部噪聲、天線相位中心等等；還有與觀測有關(guān)的誤差，如起算點(diǎn)的誤差、對(duì)中誤差、天線高的測量、聯(lián)合平差的已知數(shù)據(jù)等等。在兩個(gè)觀測站或多個(gè)觀測站的情況下，衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差以及電離層和對(duì)流層的

35、折射誤差等已得到了有效的消除和減弱，但對(duì)于高精度GPS定位而言，仍需建立有效的模型對(duì)其影響進(jìn)行進(jìn)一步的減弱，因此模型的精確與否具有很重要的關(guān)系。下表所列是GPS靜態(tài)測量的主要誤差的類別、產(chǎn)生的原因、影響的大小、解決的方法、最后殘差造成的影響等。應(yīng)當(dāng)說，這只是粗略的分析結(jié)論。而對(duì)于較低精度的動(dòng)態(tài)測量，其影響與靜態(tài)測量類似。表2.2影響高精度GPS定位的各種因素誤差分類影響程度及解決方法改正后的影響衛(wèi)星的軌道誤差用戶通過導(dǎo)航電文所得到的衛(wèi)星軌道信息，其相應(yīng)的位置誤差約為2050m，經(jīng)過單差后，這種誤差要大大縮小。如需要更高的精度，可以使用精密星歷進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。采用導(dǎo)航電文的基線誤差：0.5ppm。衛(wèi)星鐘