《GPS原理及其應(yīng)用》教學(xué)課件

1、GPS原理及其應(yīng)用1第1頁，共114頁。第一章 GPS衛(wèi)星定位原理一、衛(wèi)星定位技術(shù)發(fā)展的回顧二、GPS定位系統(tǒng)的組成三、GPS定位的觀測方程四、GPS衛(wèi)星測量的誤差來源五、差分法載波相位測量和觀測的線性組合2第2頁，共114頁。一、衛(wèi)星定位技術(shù)發(fā)展的回顧衛(wèi)星定位技術(shù)是利用人造地球衛(wèi)星進行定位測量。五十年代美國國家大地測量局開始利用衛(wèi)星幾何光學(xué)觀測法和衛(wèi)星軌道跟蹤法建立全球衛(wèi)星網(wǎng)和全球地心坐標(biāo)系，建立了一個由45個點組成的全球三角網(wǎng)。前蘇聯(lián)和若干歐洲國家也作了類似的工作。六十年代美國還完成了多普勒衛(wèi)星定位系統(tǒng)-海軍子午導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（NNSS）的布設(shè)，并于1968年向民用開放。前蘇聯(lián)也建立了一個由

2、12顆宇宙衛(wèi)星組成的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，自此揭開了衛(wèi)星定位的新篇章。接著美國在七十年代又開始研制第二代衛(wèi)星定位系統(tǒng)-全球定位系統(tǒng)（GPS）。第3頁，共114頁。一、衛(wèi)星定位技術(shù)發(fā)展的回顧1978年2月22日，第1顆GPS試驗衛(wèi)星發(fā)射成功，1985年10月9日最后一顆GPS試驗衛(wèi)星入軌運行； 1989年2月14日，第1顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功，宣告了GPS系統(tǒng)進入了生產(chǎn)作業(yè)階段；1994年全部完成24顆工作衛(wèi)星（含3顆備用衛(wèi)星）的發(fā)射工作。GPS系統(tǒng)的出現(xiàn)，使衛(wèi)星定位技術(shù)發(fā)展到了一個輝煌的歷史階段。第4頁，共114頁。二、GPS定位系統(tǒng)的組成 GPS定位技術(shù)是利用高空中的GPS衛(wèi)星，向地面發(fā)射L波段的

3、載頻無線電測距信號，由地面上用戶接收機實時地連續(xù)接收，并計算出接收機天線所在的位置。GPS定位系統(tǒng)由以下三個部分組成：（1）GPS衛(wèi)星星座（空間部分）（2）地面監(jiān)控系統(tǒng)（地面控制部分）（3）GPS信號接收機（用戶設(shè)備部分）。 這三部分有各自獨立的功能和作用，對于整個全球定位系統(tǒng)來說，它們都是不可缺少的。第5頁，共114頁。第6頁，共114頁。GPS衛(wèi)星第7頁，共114頁。目前覆蓋全球的“GPS星座”（24顆），使得在地球上任何地方可以同時觀測到4-12顆高度角15以上的衛(wèi)星。24顆GPS衛(wèi)星分布在6個近圓形軌道面，高度在地面以上約20200km，軌道面相對于地球赤道面傾斜55角，衛(wèi)星運轉(zhuǎn)周期約

4、11小時58分（半個恒星日）。這樣在各地每天出現(xiàn)的衛(wèi)星情況提前4分鐘與上一次的相同。在GPS定位系統(tǒng)中，GPS衛(wèi)星的作用是：（1）向廣大用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導(dǎo)航定位信號，用導(dǎo)航電文報告自己的現(xiàn)勢位置，以及其它在軌衛(wèi)星的概略位置。（2）在飛越注入站上空時，接受由地面注入站發(fā)送來的導(dǎo)航電文和其它有關(guān)信息，供實時轉(zhuǎn)發(fā)給地面上廣大用戶。（3）接收地面主控站通過注入站發(fā)送到衛(wèi)星的調(diào)度命令。（一）GPS衛(wèi)星和星座第8頁，共114頁。GPS衛(wèi)星分布圖第9頁，共114頁。（二）地面監(jiān)控系統(tǒng)地面監(jiān)控系統(tǒng)由一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站組成。主控站的作用：收集各個監(jiān)測站所測得的偽距和積分多普勒觀測值、環(huán)境要素等

5、數(shù)據(jù)，計算每顆GPS衛(wèi)星的星歷（軌道參數(shù)）、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(dǎo)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(diào)度GPS衛(wèi)星。第10頁，共114頁。（二）地面監(jiān)控系統(tǒng)注入站的作用：將主控站傳來的導(dǎo)航電文，用10cm（S）波段的微波作載波，分別注入到相應(yīng)的GPS衛(wèi)星中，通過衛(wèi)星將導(dǎo)航電文傳遞給地面上的廣大用戶。由于導(dǎo)航電文是GPS用戶所需要的一項重要信息，通過導(dǎo)航電文才能確定出GPS衛(wèi)星在各時刻的具體位置，因此注入站的作用是很重要的。監(jiān)測站的任務(wù)：為主控站編算導(dǎo)航電文提供原始觀測數(shù)據(jù)。每個監(jiān)測站上都有GPS信號接收機對所見衛(wèi)星作偽距

6、測量和積分多普勒觀測，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。第11頁，共114頁。(三) 用戶設(shè)備部分GPS的空間部分和地面監(jiān)控部分，為用戶利用該系統(tǒng)進行導(dǎo)航和定位提供了基礎(chǔ)。而用戶要實現(xiàn)利用GPS進行導(dǎo)航和定位的目的，還需要具備GPS信號接收機，即用戶設(shè)備部分。其作用：接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，獲得必要的導(dǎo)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天線相位中心的位置坐標(biāo)。 用戶設(shè)備部分：由GPS接收機和數(shù)據(jù)處理軟件組成。GPS接收機有多種分類，對于大地測量應(yīng)用來說，一般都是采用單頻接收機或雙頻接收機，后者可作雙頻載波相位精密測量，定位精度高。第12頁，共114頁。第13頁，共

7、114頁。 第14頁，共114頁。（四）GPS的主要特點 全球地面覆蓋。 功能多，精度高。 實時定位。 應(yīng)用廣泛。 觀測站之間無需通視。 傳統(tǒng)的測量技術(shù)既要保持良好的通視條件，又要保障測量控制網(wǎng)的良好結(jié)構(gòu)，這一直是在實踐方面的困難問題之一。GPS測量不要求觀測站之間相互通視，因而不再需要建造覘標(biāo)，這一優(yōu)點既可大大減少測量工作的經(jīng)費和時間，同時也使點位的選擇變得甚為靈活。 不過為了使接收GPS衛(wèi)星的信號不受干擾，必須保持觀測站上空的開闊（凈空）。相對于傳統(tǒng)的測量技術(shù)，GPS的主要特點有： 第15頁，共114頁。定位精度高?，F(xiàn)已完成的大量實驗表明，目前在小于50km的基線上，其相對定位精度可達(dá)12

8、10-6，而在100km500km的基線上可達(dá)10-6 10-7。隨著觀測技術(shù)與數(shù)據(jù)處理方法的改善，可望在大于1000km的距離上，相對定位精度可達(dá)到或優(yōu)于10-8。觀測時間短。目前，利用經(jīng)典的靜態(tài)定位方法，完成一條基線的相對定位所需要的觀測時間，根據(jù)要求的精度不同，一般約為13小時。為了進一步縮短觀測時間，提高作業(yè)速度，近年來發(fā)展的短基線（例如不超過20km）快速相對定位法，其觀測時間僅需數(shù)分鐘。第16頁，共114頁。提供三維坐標(biāo)。GPS測量，在精確測定觀測站平面位置的同時，可以精確測定觀測站的大地高程。GPS測量的這一特點，不僅為研究大地水準(zhǔn)面的形狀和確定地面點的高程開辟了新途徑，同時也為

9、其在航空物探，航空攝影測量及精度導(dǎo)航中的應(yīng)用，提供了重要的高程數(shù)據(jù)。操作簡便。GPS測量的自動化程度很高，在觀測中測量員的主要任務(wù)只是安置并開關(guān)儀器，量取儀器高，監(jiān)視儀器的工作狀態(tài)和采集環(huán)境的氣象數(shù)據(jù)，而其它觀測工作，如衛(wèi)星的捕獲，跟蹤觀測和記錄等均由儀器自動完成。另外，GPS用戶接收機一般重量較輕，體積較小，因此攜帶和搬運都很方便。 第17頁，共114頁。全天侯作業(yè)。GPS觀測工作，可以在任何地點，任何時間連續(xù)地進行，一般也不受天氣狀況的影響。第18頁，共114頁。三、GPS定位的觀測方程（一） 偽距法 GPS全球定位系統(tǒng)的基本定位方法，是通過測量信號從衛(wèi)星到接收機的傳播時間，得到衛(wèi)星與接收

10、機之間的距離，然后根據(jù)多個這樣的距離來解算接收機天線所在的位置坐標(biāo)。假定衛(wèi)星和接收機的時鐘都是與GPS系統(tǒng)的時間（或UTC時間世界協(xié)調(diào)時）保持完全同步，即不存在衛(wèi)星鐘差與接收機鐘差，并且為簡化起見，也不考慮大氣層折射延遲（包括電離層和對流層）等的影響，則此時衛(wèi)星至地面接收機的距離，與信號傳播時間之間有如下簡單關(guān)系： 式中c為光速。第19頁，共114頁。式中tR 為接收機時鐘與GPS系統(tǒng)時間的同步差；tS 為衛(wèi)星鐘與GPS系統(tǒng)時間的同步差；ta 為大氣層折射延遲影響（包括電離層和對流層的折射延遲）； ， XS、XR 分別為GPS衛(wèi)星和接收機在協(xié)議地球坐標(biāo)系（WGS-84系）中的地心矢量。 實際上

11、衛(wèi)星鐘與接收機鐘一般并沒有與GPS系統(tǒng)時間完全同步，再考慮到大氣層折射延遲的影響，因此測量得到的并非真正的衛(wèi)星至接收機的幾何直線距離，而是所謂的偽距PR：第20頁，共114頁。 在上式中，tS 可以由衛(wèi)星廣播電文查出，并在觀測方程中作相應(yīng)的改正；tR 是直接作為未知數(shù)，與測站坐標(biāo)等其它未知數(shù)一并求解；ta 為大氣層折射所致的多余時間延遲，其中電離層折射影響可以通過雙頻觀測技術(shù)予以消除，對單頻接收機則可通過有關(guān)模型予以粗略改正；對流層折射效應(yīng)可以通過選擇適當(dāng)延遲模型予以估算。 由于存在測站三維位置坐標(biāo)和接收機時鐘改正量四個未知數(shù)，故至少需同時對四個衛(wèi)星進行觀測才能對方程 求解，求出四個未知數(shù)。第

12、21頁，共114頁。無SA時 C/A碼單點定位精度 15-30m有SA時 C/A碼單點定位精度 100 m 軍用P碼單點定位精度 3 m精度:GPS衛(wèi)星GPS單機實時定位原理第22頁，共114頁。第23頁，共114頁。(二) 載波相位測量方法由于載波的波長遠(yuǎn)小于測距碼的波長，所以在分辨率相同的情況下，載波相位的觀測精度遠(yuǎn)較碼相位的觀測精度高。載波相位觀測值的定義為式中：S(tS)為接收機于tR時刻收到的衛(wèi)星信號的相位；R(tR)為接收機同時刻產(chǎn)生的參考信號的相位；tS、tR 是GPS系統(tǒng)時間或UTC時間。對于連續(xù)波，載波相位測量的觀測方程可表示為：第24頁，共114頁。式中，為信號發(fā)射時刻（t

13、S）的衛(wèi)星至接收機距離，=c/fS為信號波長，fS為衛(wèi)星信號頻率，N為初始觀測時刻傳播路徑上整波長數(shù)目（整周未知數(shù)），t包括衛(wèi)星鐘與接收機鐘誤差和大氣層折射延遲等影響。從上式中可以看到，用精密的載波相位測量值解算時，除了同樣要考慮衛(wèi)星鐘與接收機鐘的時間同步差，以及大氣層折射延遲影響外，還有整周未知數(shù)的問題。只有這些問題都解決了，才能得出高精度的衛(wèi)星測量定位結(jié)果。第25頁，共114頁?；鶞?zhǔn)站（坐標(biāo)已知）GPS衛(wèi)星待定站（坐標(biāo)未知）差分定位精度偽距： 5 m相位： 厘米級 到毫米級 差分GPS定位原理第26頁，共114頁。四、GPS衛(wèi)星測量的誤差來源 GPS衛(wèi)星在距離地面約20200公里的高空，向

14、地面上的廣大用戶發(fā)送測距信號和導(dǎo)航電文等信息。GPS定位的觀測量不可避免地會受到多種誤差源影響。按照這些誤差源的來源，可分為三種情況：（1）與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差、（2）與信號傳播有關(guān)的誤差、（3）與接收設(shè)備有關(guān)的誤差。以下作簡要的分析：(一) 與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差1衛(wèi)星星歷誤差: 它是指廣播星歷或其它軌道信息給出的衛(wèi)星理論位置與實際位置之間的差值。前面已經(jīng)提到過，GPS衛(wèi)星星歷是由布設(shè)在地面上監(jiān)測站連續(xù)跟蹤觀測GPS衛(wèi)星，再由主控站對衛(wèi)星作精密定軌計算得到的。而廣播星歷又是由定軌結(jié)果外推得出，因此廣播星歷的精度是有限的。第27頁，共114頁。2衛(wèi)星鐘誤差：與衛(wèi)星位置是時間的函數(shù)，所以GPS

15、的觀測量均以精密測時為前提。雖然GPS衛(wèi)星均配有高精度的原子鐘，但它們與理想的GPS時之間仍會有偏差或漂移，難以避免。由此引起的等效距離誤差在0.5m左右。第28頁，共114頁。(二) 與信號傳播有關(guān)的誤差GPS信號傳播的誤差：是大氣折射誤差和多路徑效應(yīng)引起的。而大氣折射誤差又分為電離層折射影響和對流層折射影響。多路徑效應(yīng)：是指接收機天線除直接收到來自GPS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會引起測量參考點（相位中心）的變化，而且這種變化隨天線周圍反射面的性質(zhì)而異，難以控制。多路徑效應(yīng)具有周期性誤差，其變化幅度可達(dá)數(shù)厘米。消除或減弱多路徑效應(yīng)，除了采用載波

16、相位測量方法外，一般是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。第29頁，共114頁。(三) 與接收設(shè)備有關(guān)的誤差主要有：觀測誤差、接收機鐘差、相位中心誤差和載波相位觀測的整周不定性誤差等。1觀測誤差：分觀測的分辨誤差、接收機天線的安置誤差。2接收機的鐘差：可在數(shù)據(jù)處理中作為未知數(shù)來解出。在作差分法相對定位時，也可通過在不同衛(wèi)星之間求差來消除。3天線的相位中心誤差：GPS接收機天線的幾何中心與相位中心不一致產(chǎn)生的誤差，GPS測量的觀測值都是以天線的相位中心為準(zhǔn)的，而我們一般只能觀察到天線的幾何中心。該項誤差是天線設(shè)計誤差。整周不定

17、性誤差：是指觀測中整周未知數(shù)的跳變現(xiàn)象（周跳）。第30頁，共114頁。五、差分法載波相位測量和觀測量的線性組合設(shè)在某基線兩端安設(shè)GPS接收機Ti（i=1，2），對衛(wèi)星sk和sj與歷元t1和t2進行同步觀測，則對任一頻率Li（i=1，2），有獨立的載波相位觀測量j1(t1)、j1(t2)、k1(t1)、k1(t2)、j2(t1)、j2(t2)、k2(t1)、k2(t2) 。而相應(yīng)的基本觀測方程為 式中t1(t)為歷元t時測站1的接收機鐘差，tj(t)為歷元t時衛(wèi)星j的時鐘誤差，j1,IP(t)為電離層折射延遲量，j1,T(t)為對流層折射延遲量。為了克服大氣折射延遲改正不夠準(zhǔn)確，以及減少未知數(shù)等

18、原因，常對以上觀測量作差分處理。一般有單差、雙差、和三差法。第31頁，共114頁。(一) 單差法單差觀測量通常是指不同觀測站同步觀測相同衛(wèi)星所得觀測量之差，其表達(dá)形式為 相應(yīng)的觀測方程為可見式中已經(jīng)消去了兩站共視衛(wèi)星sj的時鐘誤差tj(t)，另外對流層折射與電離層折射部分也都有所消弱。第32頁，共114頁。圖2-4 測站間同步觀測量的單差 T2 T1 S1 第33頁，共114頁。(二) 雙差法雙差觀測量是在單差法基礎(chǔ)上，對不同測站同步觀測一組衛(wèi)星所得單差之差，即 相應(yīng)的觀測方程為這樣進一步消除了兩站的接收機時鐘誤差項。為了簡便起見，式中忽略了有關(guān)大氣折射延遲的雙差項。第34頁，共114頁。圖2

19、-5 GPS同步觀測量之雙差 T1 T2S1 S2第35頁，共114頁。(三) 三差法三差法是在雙差法基礎(chǔ)上，進一步對不同歷元之間，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，即 相應(yīng)的觀測方程為這樣一來，就進一步消去了雙差觀測方程中含有整周未知數(shù)的項。第36頁，共114頁。圖2-6 GPS相對定位的觀測量 T1T2第37頁，共114頁。第二章 GPS測量的實施前面介紹了有關(guān)GPS定位的基本概念和原理，本章將介紹目前GPS測量實施的主要過程，作業(yè)的基本方法和原則。由于GPS測量工作的實施方法與用戶的要求，和所用接收系統(tǒng)硬件與軟件的相關(guān)，所以，GPS測量工作的作業(yè)細(xì)節(jié)，還須按國家有關(guān)部門頒

20、發(fā)的GPS測量規(guī)范，以及所用GPS接收系統(tǒng)的操作說明書執(zhí)行。 第38頁，共114頁。第1節(jié) 概 述 GPS測量工作可分為外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩大部分。其中，外業(yè)工作主要包括，選點（即觀測站址的選擇）、建立測站標(biāo)志、野外觀測作業(yè)以及成果質(zhì)量檢核等工作；內(nèi)業(yè)工作主要包括，GPS測量的技術(shù)設(shè)計、測后數(shù)據(jù)處理以及技術(shù)總結(jié)等。如果按照GPS測量實施的工作程序，則大體可分為這樣幾個階段：網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計；選點與建立標(biāo)志；外業(yè)觀測；成果檢核與處理。GPS測量，是一項技術(shù)復(fù)雜、要求嚴(yán)格、耗費較大的工作，實施這項工作的原則是，在滿足用戶對測量精度和可靠性等要求的情況下，盡可能地減少經(jīng)費、時間和人力的消耗。因此，對其各階段的工

21、作，都要精心設(shè)計，精心組織和實施。第39頁，共114頁。GPS相對定位的精度指標(biāo) 表1測量分級常量誤差a0(mm)比例誤差b0(10-6)相鄰點距離(km)ABCDE581010100.1151020100200015250540215110精度指標(biāo)，是GPS網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的一個重要量，它的大小將直接影響GPS網(wǎng)的布設(shè)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(shè)計工作中，要根據(jù)用戶的實際需要和可能，慎重確定。第40頁，共114頁。2.2 網(wǎng)的圖形設(shè)計網(wǎng)的圖形設(shè)計，雖然主要決定于用戶的要求，但是有關(guān)經(jīng)費、時間和人力的消耗以及所需接收設(shè)備的類型、數(shù)量和后勤保障條件等，也都與網(wǎng)

22、的圖形設(shè)計有關(guān)。對此應(yīng)當(dāng)充分加以顧及，以期在滿足用戶要求的條件下，盡量減少消耗。第41頁，共114頁。（1）基本圖形的選擇 根據(jù)GPS測量的不同用途，GPS網(wǎng)的獨立觀測邊，應(yīng)構(gòu)成一定的幾何圖形。圖形的基本形式如下。 圖-1三角形 圖-2環(huán)形網(wǎng)第42頁，共114頁。星形網(wǎng) 星形網(wǎng)的幾何圖形如圖-3所示。 星形網(wǎng)的幾何圖形簡單，但其直接觀測邊之間，一般不構(gòu)成閉合圖形，所以其檢驗與發(fā)現(xiàn)粗差的能力差。 這種網(wǎng)形的主要優(yōu)點，是觀測中通常只需要兩臺GPS接收機，作業(yè)簡單。因此在快速靜態(tài)定位和準(zhǔn)動態(tài)定位等快速作業(yè)模式中，大都采用這種網(wǎng)形，它被廣泛地應(yīng)用于工程放樣、邊界測量、地籍測量和碎部測量等。 圖-3星形

23、網(wǎng) 第43頁，共114頁。第3節(jié) 選點與建立標(biāo)志 3.1 選點工作 選點，即觀測站址的選擇。由于GPS測量觀測站之間不要相互通視，而且網(wǎng)的圖形選擇也比較靈活，所以選點工作，遠(yuǎn)較經(jīng)典控制測量的選點工作簡便。但由于點位的選擇，對于保證觀測工作的順利進行和可靠地保持測量結(jié)果，具有重要意義，所以，在選點工作開始之前，應(yīng)充分收集和了解有關(guān)測區(qū)的地理情況，以及原有測量標(biāo)志點的分布及保存情況，以便確定適宜的觀測站位置。選點工作通常應(yīng)遵守的原則是（1）觀測站應(yīng)遠(yuǎn)離大功率的無線電發(fā)射臺和高壓輸電線，以避免其周圍磁場對GPS衛(wèi)星信號的干擾。接收機天線與其距離，一般不得小于200m；第44頁，共114頁。（2）觀測

24、站附近不應(yīng)有大面積的水域，或?qū)﹄姶挪ǚ瓷洌ɑ蛭眨娏业奈矬w，以減弱多路徑效應(yīng)的影響；（3）觀測站應(yīng)設(shè)在易于安置接收設(shè)備的地方，且視場開闊。在視場內(nèi)周圍障礙物的高度角，根據(jù)情況一般應(yīng)小于1015；（4）觀測站應(yīng)選在交通方便的地方，并且便于用其它測量手段聯(lián)測和擴展；（5）對于基線較長的GPS網(wǎng)，還應(yīng)考慮觀測站附近，應(yīng)具有良好的通信設(shè)施（電話與電報、郵電）和電力供應(yīng)，以供觀測站之間的聯(lián)絡(luò)和設(shè)備用電；（6）點位選定后（包括方位點），均應(yīng)按規(guī)定繪制點之記，其主要內(nèi)容包括，點位及點位略圖，點位的交通情況以及選點情況等。第45頁，共114頁。3.2 建立點位標(biāo)志為了保持點位，以便長期利用GPS測量進行重復(fù)

25、觀測，GPS網(wǎng)點，一般應(yīng)設(shè)置具有中心標(biāo)志的標(biāo)石，以精確標(biāo)志點位。點的標(biāo)石和標(biāo)志必須穩(wěn)定、堅固，以利長久保存和利用。尤其對于研究地球動力學(xué)現(xiàn)象和工程變形。而建立的各種監(jiān)測網(wǎng)，以及大范圍的高精度GPS網(wǎng)，其網(wǎng)點的位置，必須可靠地加以標(biāo)志。對于城市、礦山和工程測量的區(qū)域性GPS網(wǎng)，其點位一般也須妥善地加以標(biāo)志。但是，隨著GPS定位技術(shù)的發(fā)展和普及，重測一個點，將可能比建造和長久保持一個點更經(jīng)濟，那時，除上述以研究動力學(xué)現(xiàn)象為目的的監(jiān)測網(wǎng)、衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)和作為坐標(biāo)系統(tǒng)維持和傳遞國家GPS控制網(wǎng)之外，建造長久保護的標(biāo)志點，可能將不再是必要的了。第46頁，共114頁。目前，GPS網(wǎng)點的標(biāo)石類型及其適用范圍，如

26、表4所列。關(guān)于各種標(biāo)石的構(gòu)造可參見附錄七。類 別形 式適 用 級 別基巖標(biāo)石基巖天線墩基巖標(biāo)石A基本標(biāo)石一般基本標(biāo)石土層天線墩巖層天線墩凍土基本標(biāo)石沙丘基本標(biāo)石A或B普通標(biāo)石一般標(biāo)石巖層標(biāo)石建筑物上標(biāo)石BE標(biāo) 石 類 型 表4第47頁，共114頁。第4節(jié) GPS測量的觀測工作 觀測工作的內(nèi)容主要包括：觀測計劃的擬定、儀器的選擇與檢驗和觀測工作的實施等。其中， 有關(guān)儀器的檢驗，將在5節(jié)另行介紹。第48頁，共114頁。4.1 觀測計劃的擬定 觀測工作，或數(shù)據(jù)采集，是GPS測量的主要外業(yè)工作，所以，當(dāng)觀測工作開始之前，仔細(xì)地擬定觀測計劃，對于順利地完成觀測任務(wù)，保障測量成果的精度，提高效益是極為重要

27、的。 擬定觀測計劃的依據(jù)是：GPS網(wǎng)的布設(shè)方案，規(guī)模大小，精度要求，GPS衛(wèi)星星座，參加作業(yè)的GPS接收機數(shù)量以及后勤保障條件（運輸、通信）等。觀測計劃的主要內(nèi)容應(yīng)包括：GPS衛(wèi)星的可見性圖及最佳觀測時間的選擇，采用的接收機類型和數(shù)量，觀測區(qū)的劃分和觀測工作的進程以及接收機的高度計劃等。第49頁，共114頁。1. 觀測工作量的設(shè)計與計算 外業(yè)觀測的工作量，與用戶的要求精度和采用的接收機類型和數(shù)量，以及作業(yè)模式等因素有關(guān)。GPS網(wǎng)觀測工作量的設(shè)計，除要考慮觀測工作的效率外，還必須保證網(wǎng)的精度和可靠性。 前已指出，當(dāng)參加作業(yè)的接收機數(shù)為ki，則每一時段可得觀測基線向量數(shù)為 ki (ki-1)/2

28、其中包括獨立觀測向量數(shù)(ki-1)和多余觀測向量數(shù)（ki-1）(ki-2)/2。 因為增加多余觀測量，會提高網(wǎng)的可靠性，所以，作業(yè)中適當(dāng)增加接收機的數(shù)量，不僅會提高工作效率，同時也將明顯地增加多余觀測量。 另外，為了有助于外業(yè)觀測數(shù)據(jù)的檢核，增加可靠性，通常根據(jù)不同的精度要求，基線測量中，同步觀測的時段數(shù)以及時段的長度，應(yīng)滿足表5規(guī)定。第50頁，共114頁。GPS測量的基本技術(shù)規(guī)定 表 5 級別項目 ABCDE衛(wèi)星高度角（1）1015151515觀測時段數(shù)86222時段長度(min)180120906060數(shù)據(jù)采樣間隔(s)15161560156015601560衛(wèi)星觀測值象限分布(255)%

29、(2510)%(2520)%(2520)%25%(2520)%25%第51頁，共114頁。3. 關(guān)于衛(wèi)星的可見性預(yù)報及觀測時段的選擇 因為觀測衛(wèi)星的幾何分布，對GPS定位的精度具有重要影響，所以，為了選擇最佳的觀測時段，擬定觀測計劃，應(yīng)首先編制如GPS衛(wèi)星數(shù)和PDOP變化圖。編制可見性圖所用的測站概略坐標(biāo)，可取該圖適用范圍（300km）內(nèi)，各點概略坐標(biāo)的平均值，而編制可見性圖所用的概略星歷，其齡期也不能過長，一般不應(yīng)超過30天，超過時應(yīng)重新觀測一組新的概略星歷。第52頁，共114頁。第53頁，共114頁。在GPS測量中，所測衛(wèi)星與觀測站所組成的幾何圖形，其強度可取空間位置精度度因子（PDOP）

30、來表示。無論是絕對定位或相對定位?；稻粦?yīng)超過一定的要求。相應(yīng)表1所列的精度級別，PDOP值應(yīng)不超過表6所列限制。 圖6可見衛(wèi)星數(shù)和PDOP變化PDOP的限制 表6級 別ABCDEPDOP4681010第54頁，共114頁。4.2 GPS測量儀器設(shè)備的配置GPS接收機是實施測量工作的關(guān)鍵設(shè)備，其性能要求所需的接收機數(shù)量與GPS網(wǎng)的布設(shè)方案和要求的精度有關(guān)，工作中可根據(jù)情況按表7規(guī)定選擇。PDOP的限制 表6級 別ABCD、E單頻/雙頻雙頻雙頻雙頻或單頻單頻或雙頻標(biāo)稱精度優(yōu)于5mm+0.5ppm優(yōu)于5mm+1ppm優(yōu)于5mm+2ppm優(yōu)于5mm+3ppm第55頁，共114頁。級 別ABCD、E

31、觀測量載波相位載波相位載波相位載波相位同步觀測接收機數(shù)4322GPS接收機的配置 續(xù)表第56頁，共114頁。 4.3 觀測工作 觀測工作主要包括：天線安置，觀測作業(yè)，觀測記錄和觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量判定等。1. 天線安置 天線的妥善安置，是實現(xiàn)精密定位的重要條件之一。其安置工作一般應(yīng)滿足以下要求： 靜態(tài)相對定位時，天線安置應(yīng)盡可能利用三腳架，并安置在標(biāo)志中心的上方直接對中觀測。在特殊情況下，方可進行偏心觀測，但歸心元素應(yīng)精密測定。 當(dāng)天線需安置在三角點覘標(biāo)的基板上時，應(yīng)先將覘標(biāo)頂部拆除，以防止對信號的干擾。這時可將標(biāo)志中心投影到基板上，作為安置天線的依據(jù)。 天線底板上的圓水準(zhǔn)器氣泡必須居中。第57頁，

32、共114頁。 天線的定向標(biāo)志線，應(yīng)指向正北，并顧及當(dāng)?shù)卮牌怯绊?，以減弱相位中心偏差的影響。定向誤差依定位的精度不同而異，一般應(yīng)不超過35。 雷雨天氣安置天線時，應(yīng)注意將其底盤接地，防止雷擊。 天線安置后，應(yīng)在各觀測時段的前后，各量測天線高一次，測量的方法按儀器的操作說明執(zhí)行。兩次量測結(jié)果之差不應(yīng)超過3mm，并取其平均值采用。 所謂天線高，系指天線的相位中心，至觀測點標(biāo)志中心頂端的垂直距離。一般分為上、下兩段，上段是從相位中心至天線底面的距離，這一段的數(shù)值由廠家給出，并作為常數(shù)；下段是從天線底面，至觀測點標(biāo)志中心頂端的距離，這一段由用戶臨時測定。天線高的量測值應(yīng)為上下兩段距離之和。第58頁，共

33、114頁。2. 觀測作業(yè) 在開機實施觀測工作之前，接收機一般需按規(guī)定經(jīng)過預(yù)熱和靜置。觀測作業(yè)的主要任務(wù)是捕獲GPS衛(wèi)星信號，并對其進行跟蹤、處理和量測，以獲取所需要的定位信息和觀測數(shù)據(jù)。 利用GPS接收機作業(yè)的具體操作步驟和方法，隨接收機的類型和作業(yè)模式不同而異。而且，隨著接收機設(shè)備軟件和硬件的不斷發(fā)展，接收機設(shè)備的操作方法也將有所變化，自動化的水平將不斷提高。用戶可按隨機操作手冊執(zhí)行。 一般來說，在外業(yè)觀測工作中，操作人員應(yīng)注意以下事項： 當(dāng)確認(rèn)外接電源電纜及天線等各項聯(lián)結(jié)完全無誤后，方可接通電源，啟動接收機； 開機后，接收機的有關(guān)指和儀表數(shù)據(jù)顯示正常時，方能進行自測試和輸入有關(guān)測站和時段控

34、制信息；第59頁，共114頁。 接收機在開始記錄數(shù)據(jù)后，用戶應(yīng)注意查看有關(guān)觀測衛(wèi)星數(shù)量、衛(wèi)星號、相位測量殘差，實時定位結(jié)果及其變化、存儲介質(zhì)記錄等情況； 在觀測過程中，接收機不得關(guān)閉并重新啟動；不準(zhǔn)改變衛(wèi)星高度角的限值；不準(zhǔn)改變天線高； 每一觀測時段中，氣象資料一般應(yīng)在時段始末及中間各觀測記錄一次，當(dāng)時段較長時（如超過60分），應(yīng)適當(dāng)增加觀測次數(shù)； 觀測站的全部預(yù)定作業(yè)項目，經(jīng)檢查均已按規(guī)定完成，且記錄與資料均完整無誤后，方可遷站。 第60頁，共114頁。3. 觀測記錄 在外業(yè)觀測過程中，所有的觀測數(shù)據(jù)和資料，均須妥善記錄。記錄的形式主要有以下兩種：（1）觀測記錄 觀測記錄，由接收設(shè)備自動形成

35、，均記錄在存儲介質(zhì)（如磁帶、磁卡或記憶卡等）上，其內(nèi)容包括， 載波相位觀測值及相應(yīng)的觀測歷元； 同一歷元的測碼偽距觀測值； GPS衛(wèi)星星歷及衛(wèi)星鐘差參數(shù)； 實時絕對定位結(jié)果； 測站控制信息及接收機工作狀態(tài)信息。第61頁，共114頁。第6節(jié) GPS測量的作業(yè)模式 所謂GPS測量的作業(yè)模式，亦即利用GPS定位技術(shù)，確定觀測站之間相對位置所采用的作業(yè)方式。它與GPS接收設(shè)備的軟件和硬件密切相關(guān)。同時，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(yīng)用范圍。 近年來，特別由于GPS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。目前，在GPS接收系統(tǒng)硬件和軟件

36、的支持下，較為普遍采用的作業(yè)模式，主要有靜態(tài)相對定位、快速靜態(tài)相對定位、準(zhǔn)動態(tài)相對定位和動態(tài)相對定位等?，F(xiàn)將這些不同作業(yè)模式的特點及其適用范圍，簡單地介紹如下。 第62頁，共114頁。第63頁，共114頁。6.1經(jīng)典靜態(tài)相對定位模式作業(yè)方法：采用兩套（或兩套以上）接收設(shè)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，按表5的規(guī)定同步觀測4顆以上衛(wèi)星數(shù)時段，每一時段長13小時。定位精度：基線測量的精度可達(dá)5mm+1ppmD，D為基線長度，以公里計。特點：這種作業(yè)模式所觀測的獨立基線邊，應(yīng)構(gòu)成某種閉合圖形（如圖8），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

37、線長度可由數(shù)公里至上千公里。第64頁，共114頁。適應(yīng)范圍： 建立地殼運動或工程變形監(jiān)測網(wǎng)； 建立全球性或國家級大地控制網(wǎng)；建立長距離檢校基線；進行島嶼與大陸聯(lián)測；建立精密工程測量控制網(wǎng)。第65頁，共114頁。圖8 經(jīng)典靜態(tài)相對定位第66頁，共114頁。6.2快速靜態(tài)相對定位模式作業(yè)方法：在測區(qū)的中部選擇一個基準(zhǔn)站(或參考站)，并安置一臺接收機，連續(xù)跟蹤所有可見衛(wèi)星；另一臺接收機，依次到各點流動設(shè)站，并且在每個流動站上，靜止觀測數(shù)分鐘，以便按快速解算整周未知數(shù)的方法解算整周未知數(shù)。如圖10-9所示。該作業(yè)模式要求，在觀測中必須至少跟蹤4顆衛(wèi)星，同時流動站與基準(zhǔn)站相距，不超過15km。 第67頁

38、，共114頁。圖9 快速靜態(tài)相對定位模式 基準(zhǔn)站 觀測基線 遷站路線 流動站 第68頁，共114頁。 定位精度： 流動站相對基準(zhǔn)站的基線中誤差，可達(dá)(510)mm+1ppmD 特點: 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(guān)閉電源以降低能耗。該模式作業(yè)速度快，精度高。缺點是，在采用兩臺接收機作業(yè)的情況下，直接觀測邊不構(gòu)成閉合圖形，可靠性較差。 適用范圍： 小范圍的控制測量及其加密； 工程測量、邊界測量； 地籍測量及碎部測量等。 第69頁，共114頁。 6.3 準(zhǔn)動態(tài)相對定位模式作業(yè)方法： -在測區(qū)選擇一基準(zhǔn)站，并在其上安置一臺接收機，連續(xù)跟蹤所有可見衛(wèi)星； -置另一臺流

39、動的接收機于起始點(例如圖10中1號點)觀測數(shù)分鐘，以便快速確定整周未知數(shù)； 在保持對所測衛(wèi)星連續(xù)跟蹤的情況下，流動的接收機依次遷到2，3號流動點各觀測數(shù)分鐘。 該作業(yè)模式要求，作業(yè)時必須至少有4顆以上分布良好的衛(wèi)星可供觀測；在觀測過程中，流動接收機對所測衛(wèi)星信號不能失鎖；一旦發(fā)生失鎖現(xiàn)象，應(yīng)在失鎖后的流動點上，將觀測時間延長至數(shù)分鐘；流動點與基準(zhǔn)站相距，目前一般應(yīng)不超過15km。第70頁，共114頁。 定位精度： 基準(zhǔn)測量的中誤差可達(dá)(1020)mm+1ppmD。 特點： 該作業(yè)模式效率甚高。在作業(yè)過程中，即使偶然發(fā)生失鎖，只要在失鎖的流動點上，延長觀測數(shù)分鐘，仍可繼續(xù)按該模式作業(yè)。 應(yīng)用范

40、圍： 開闊地區(qū)的加密測量； 工程定位及碎部測量； 剖面測量和路線測量； 地籍測量等。圖10 準(zhǔn)動態(tài)相對定位模式 基準(zhǔn)站 1 234567891012131 1第71頁，共114頁。 6.4 動態(tài)相對定位模式 作業(yè)方法： 建立一個基準(zhǔn)站，并在其上安置一臺接收機，連續(xù)跟蹤所有可見衛(wèi)星； 另一臺接收機，安置在運動的載體上(見圖11)，在出發(fā)點按快速靜態(tài)相對定位法，靜止觀測數(shù)分鐘，以進行初始化； 運動的接收機從出發(fā)點開始，在運動過程中，按預(yù)定的采樣間隔自動觀測。 該作業(yè)模式要求，至少同步觀測4顆以上分布良好的衛(wèi)星，并在運動過程中保持連續(xù)跟蹤；同時，運動點與基準(zhǔn)站的距離，目前應(yīng)不超過15km。第72頁，

41、共114頁。 定位精度：運動點相對基準(zhǔn)之基線測量精度，可達(dá)(1-2)cm+1ppmD.特點:速度快，精度高，可實現(xiàn)載體的連續(xù)實時定位。應(yīng)用范圍： 精密測定載體的運動軌跡； 道路中心測量； 航道測量； 開闊地區(qū)的剖面測量和水文測量等。圖11 動態(tài)相對定位模式基準(zhǔn)站 912341178651012 第73頁，共114頁。第7節(jié) 實時動態(tài)測量系統(tǒng)及其應(yīng)用 7.1 GPS 實時動態(tài)定位方法概述實時動態(tài)(Real Time KinematicRTK)測量系統(tǒng)，是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)。它是GPS測量技術(shù)發(fā)展中的一個新的突破。第74頁，共114頁。RTK測量技術(shù)，是以載波相位

42、觀測為根據(jù)的實時差分GPS (RTD GPS)測量技術(shù)。大家知道，GPS測量工作的模式已有多種，如靜態(tài)、快速靜態(tài)、準(zhǔn)動態(tài)和動態(tài)相對定位等。但是，利用這些測量模式，如果不與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)相結(jié)合，其定位結(jié)果均需通過觀測數(shù)據(jù)的測后處理而獲得。由于觀測數(shù)據(jù)需在測后處理，所以上述各種測量模式，不僅無法實時地給出觀測站的定位結(jié)果，而且也無法對基準(zhǔn)站和用戶站觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，進行實時的檢核，因而難以避免在數(shù)據(jù)后處理中發(fā)現(xiàn)不合格的測量成果，需要進行返工重測的情況。過去解決這一問題的措施，主要是延長觀測時間，以獲得大量的多余觀測，來保障測量結(jié)果的可靠性。但是，這樣一來，便顯著地降低了GPS測量工作的效率。第75頁，

43、共114頁。實時動態(tài)測量的基本思想是，在基準(zhǔn)站上安置一臺GPS接收機，對所有可見GPS衛(wèi)星進行連續(xù)地觀測，并將其觀測數(shù)據(jù)，通過無線電傳輸設(shè)備，實時地發(fā)送給用戶觀測站。在用戶站上，GPS接收機在接收GPS衛(wèi)星信號的同時，通過無線電接收設(shè)備，接收基準(zhǔn)站傳輸?shù)挠^測數(shù)據(jù)，然后根據(jù)相對定位的原理，實時地計算并顯示用戶站的三維坐標(biāo)及其精度。這樣，通過實時計算的定位結(jié)果，便可監(jiān)測基站與用戶站觀測成果的質(zhì)量和解算結(jié)果的收斂情況，從而可實時地判別解算結(jié)果是否成功，以減少冗余觀測，縮短觀測時間。 RTK測量系統(tǒng)的開發(fā)成功，為GPS測量工作的可靠性和高效率提供了保障，這對GPS測量技術(shù)的發(fā)展和普及，具有重要的現(xiàn)實意

44、義。不過，這一測量系統(tǒng)的應(yīng)用，也明顯地增加了用戶的設(shè)備投資。 第76頁，共114頁。 7.2 實時動態(tài)（RTK）測量系統(tǒng)的設(shè)備配置RTK測量系統(tǒng)的構(gòu)成， 主要包括三部分： - GPS接收設(shè)備； - 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)； - 軟件系統(tǒng)。 第77頁，共114頁。第78頁，共114頁。 1.GPS接收設(shè)備 RTK測量系統(tǒng)中，至少包含二臺接收機，分別安置在基準(zhǔn)站和用戶站上?；鶞?zhǔn)站應(yīng)設(shè)在測區(qū)內(nèi)地勢較高，視野開闊，且坐標(biāo)已知的點上。在城區(qū)可考慮設(shè)在樓頂平臺上。作業(yè)期間，基準(zhǔn)站的接收機應(yīng)連續(xù)跟蹤全部可見GPS衛(wèi)星，并將觀測數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，實時地發(fā)送給用戶站。 圖12實時相對定位(RTK或RTDGPS)示意T

45、1T2基準(zhǔn)站 當(dāng)基準(zhǔn)站為多用戶服務(wù)時，應(yīng)采用雙頻GPS接收機，且其采樣率應(yīng)與用戶站接收機采樣率最高的相一致。第79頁，共114頁。圖12實時相對定位(RTK或RTDGPS)示意 T2T1第80頁，共114頁。2. 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng) 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（或簡稱數(shù)據(jù)鏈），由基準(zhǔn)站的發(fā)射臺與用戶站的接收臺組成，它是實現(xiàn)實時動態(tài)測量的關(guān)鍵設(shè)備。 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，要充分保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，其頻率和功率的選擇主要決定于用戶站與基準(zhǔn)站間的距離，環(huán)境質(zhì)量，數(shù)據(jù)的傳輸速度。有關(guān)數(shù)據(jù)鏈的詳細(xì)情況，讀者可參閱有關(guān)文獻。第81頁，共114頁。3. 支持實時動態(tài)測量的軟件系統(tǒng)在此，軟件系統(tǒng)的質(zhì)量與功能，對于保障實時動態(tài)測量的可行

46、性，測量結(jié)果的精確性與可靠性，具有決定性的意義。以測相偽距為觀測量的實時動態(tài)測量，其主要問題仍在于，載波相位初始整周未知數(shù)的精密確定，流動觀測中對衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤，以及失鎖后的重新初始化問題。目前，由于快速解算和動態(tài)解算整周未知數(shù)的發(fā)展，為實時動態(tài)測量的實施奠定了基礎(chǔ)。實時動態(tài)測量的軟件系統(tǒng)，應(yīng)具有基本功能是第82頁，共114頁。a. 快速解算，或動態(tài)快速解算整周未知數(shù)；b. 根據(jù)相對定位原理，采用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理方法（例如序貫平差法），實時解算用戶站在WGS84中的三維坐標(biāo)；c. 根據(jù)已知轉(zhuǎn)換參數(shù)，進行坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換；d. 解算結(jié)果質(zhì)量的分析與評價；e. 作業(yè)模式（例如，靜態(tài)，快速靜態(tài)，準(zhǔn)動態(tài)和

47、動態(tài)等工作模式）的選擇與轉(zhuǎn)換；f. 測量結(jié)果的顯示與繪圖。第83頁，共114頁。7.3 實時動態(tài)（RTK）測量的作業(yè)模式與應(yīng)用根據(jù)用戶的要求，目前實時動態(tài)測量采用的作業(yè)模式，主要有：快速靜態(tài)測量采用這種測量模式，要求GPS接收機在每一用戶站上，靜止地進行觀測。在觀測過程中，連同接收到的基準(zhǔn)站的同步觀測數(shù)據(jù)，實時地解算整周未知數(shù)和用戶站的三維坐標(biāo)。如果解算結(jié)果的變化趨于穩(wěn)定，且其精度已滿足設(shè)計的要求，便可適時的結(jié)束觀測工作。采用這種模式作業(yè)時，用戶站的接收機在流動過程中，可以不必保持對GPS衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤，其定位精度可達(dá)1cm2cm。這種方法可應(yīng)用于城市、礦山等區(qū)域性的控制測量，工程測量和地籍測

48、量等。第84頁，共114頁。第85頁，共114頁。 準(zhǔn)動態(tài)測量同一般的準(zhǔn)動態(tài)測量一樣，這種測量模式，通常要求流動的接收機。在觀測工作開始之前，首先在某一起始點上靜止地進行觀測，以便采用快速解算整周未知數(shù)的方法實時地進行初始化工作。初始化后，流動的接收機在每一觀測站上，只需靜止觀測數(shù)歷元，并連同基準(zhǔn)站的同步觀測數(shù)據(jù)，實時地解算流動站的三維坐標(biāo)。目前，其定位的精度可達(dá)厘米級。這種方法，要求接收機在觀測過程中，保持對所測衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤。一旦發(fā)生失鎖，便需重新進行初始化的工作。準(zhǔn)動態(tài)實時測量模式，通常主要應(yīng)用于地籍測量、碎部測量、路線測量和工程放樣等。第86頁，共114頁。第87頁，共114頁。 動態(tài)

49、測量動態(tài)測量模式，一般需首先在某一起始點上，靜止地觀測數(shù)分鐘，以便進行初始化工作。之后，運動的接收機按預(yù)定的采樣時間間隔自動地進行觀測，并連同基準(zhǔn)站的同步觀測數(shù)據(jù)，實時地確定采樣點的空間位置。目前，其定位的精度可達(dá)厘米級。這種測量模式，仍要求在觀測過程中，保持對觀測衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤。一旦發(fā)生失鎖，則需重新進行初始化。這時，對陸上的運動目標(biāo)來說，可以在衛(wèi)星失鎖的觀測點上，靜止地觀測數(shù)分鐘，以便重新初始化，或者利用動態(tài)初始化（AROF）技術(shù)，重新初始化，而對海上和空中的運動目標(biāo)來說，則只有應(yīng)用AROF技術(shù)，重新完成初始化的工作。第88頁，共114頁。第89頁，共114頁。實時動態(tài)測量模式，主要應(yīng)用于

50、航空攝影測量和航空物探中采樣點的實時定位，航道測量，道路中線測量，以及運動目標(biāo)的精密導(dǎo)航等。目前，實時動態(tài)測量系統(tǒng)，已在約20km的范圍內(nèi)，得到了成功的應(yīng)用。相信，隨著數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備性能和可靠性的不斷完善和提高，數(shù)據(jù)處理軟件功能的增強，它的應(yīng)用范圍將會不斷地擴大。第90頁，共114頁。智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transport Systems，簡稱ITS）就是將先進的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)、電子控制技術(shù)以及計算機處理技術(shù)等有效地綜合運用于整個交通系統(tǒng)，而建立起來的一種在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的實時、準(zhǔn)確、高效的運輸綜合管理系統(tǒng)。城市公共交通智能化調(diào)度系統(tǒng)是運用先進的GPS技術(shù)

51、、GIS技術(shù)、無線通信技術(shù)以及計算機管理技術(shù)，在每個公交車輛和調(diào)度中心都配置雙向語音和數(shù)據(jù)通信功能的電臺，建立車輛動態(tài)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)全天候、大范圍、多車輛的實時動態(tài)定位、調(diào)度、監(jiān)控，改進車輛運行管理，增強突發(fā)事件的反應(yīng)能力，提高車輛運行率和行車安全度，并針對公交車輛的實際運行情況，通過電子站牌提供實時乘客服務(wù)信息。 第91頁，共114頁。第92頁，共114頁。4. 同步環(huán)閉合差的檢驗當(dāng)環(huán)中各邊為多臺接收機同步觀測的結(jié)果時（例如，3臺接收機同步觀測結(jié)果所構(gòu)成的三角形邊），由于各邊是不獨立的，所以在理論上其閉合差應(yīng)恒為零。但是，由于數(shù)據(jù)處理軟件模型的不完善，或計算各同步邊時數(shù)據(jù)取舍的差異，使得這種

52、同步環(huán)的閉合差，實際上一般仍不為零。這種閉合差的數(shù)值雖然一般較小，但實際觀測中也可把它作為成果質(zhì)量的一種檢核標(biāo)準(zhǔn)。如果假設(shè)，WX，WY，Wz分別為上述同步環(huán)坐標(biāo)分量的閉合差，則按規(guī)定應(yīng)滿足 （8）其中，W限為同步環(huán)閉合差的限值。第93頁，共114頁。第94頁，共114頁。9.2平差計算根據(jù)上述處理所獲得的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)文件，便可進行觀測數(shù)據(jù)的平差計算工作。平差計算的主要內(nèi)容包括：-同步觀測的基線向量平差。即同一基線邊，多歷元同步觀測值的平差計算。在同一測區(qū)中，同類精度的數(shù)據(jù)處理，應(yīng)采用相同的方法和相同的模型。由此所得到的平差結(jié)果，為基線向量（坐標(biāo)差）及其相應(yīng)的方差與協(xié)方差。-GPS網(wǎng)平差。利用上述

53、基線向量的平差結(jié)果，作為相關(guān)觀測量，進行網(wǎng)的整體平差。整體平差應(yīng)在WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)中進行，平差的結(jié)果，一般是網(wǎng)點的空間直角坐標(biāo)，大地坐標(biāo)和高斯平面坐標(biāo)，以及相應(yīng)的方差與協(xié)方差。第95頁，共114頁。-坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，或與地面網(wǎng)的聯(lián)合平差。在城市、礦山等區(qū)域性的測量工作中，往往需要將GPS測量結(jié)果，化算到用戶所采用的區(qū)域性坐標(biāo)系統(tǒng)。因此，上述GPS網(wǎng)，在WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)中的平差結(jié)果，尚需按用戶的要求，進行坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，或者為了改善已有的經(jīng)典地面控制網(wǎng)，確定GPS網(wǎng)與經(jīng)典地面網(wǎng)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，需要進行兩網(wǎng)的聯(lián)合平差。GPS網(wǎng)與經(jīng)典地面網(wǎng)的聯(lián)合平差與坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，是GPS測量數(shù)據(jù)后處理的

54、重要內(nèi)容之一，而有關(guān)兩網(wǎng)聯(lián)合平差的方法與模型，可參見本書第九章的介紹。觀測數(shù)據(jù)經(jīng)上述處理后，需要輸出打印的資料主要有：第96頁，共114頁。-測區(qū)和各觀測站的基本情況；-參加平差計算的觀測值數(shù)量、質(zhì)量、觀測時段的起止時刻和延續(xù)時間；-平差計算采用的坐標(biāo)系統(tǒng)，基本常數(shù)和起算數(shù)據(jù)；-平差計算的方法及所采取的先驗方差與協(xié)方差；-GPS網(wǎng)整體平差結(jié)果，包括空間直角坐標(biāo)、大地坐標(biāo)和高斯平面坐標(biāo)，以及在上述不同坐標(biāo)系統(tǒng)中，相鄰點之間的距離和方位角；-GPS網(wǎng)與已有經(jīng)典地面網(wǎng)的聯(lián)合平差結(jié)果，主要包括地面網(wǎng)的坐標(biāo)，等級、重合點數(shù)及其坐標(biāo)值；聯(lián)合平差采用的坐標(biāo)系統(tǒng)、平差方法，平差后的坐標(biāo)值及兩網(wǎng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)；-平

55、差值的精度信息，包括觀測值的殘差分析資料，平差值的方差與協(xié)方差陣及相關(guān)系數(shù)陣等。第97頁，共114頁。第 三 章 GLONASS衛(wèi)星定位 技術(shù)簡介1、引言 GPS導(dǎo)航與定位技術(shù)在今天已經(jīng)被導(dǎo)航界和測繪界廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域, 然而GPS由于人為因素和技術(shù)本身的弱點, 在定位的精確性、可靠性與安全性方面都不盡如人意。正當(dāng)人們在探討解決GPS技術(shù)存在的這些問題的時候，當(dāng)今世界上的另一導(dǎo)航定位系統(tǒng)俄羅斯的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（the Global Navigation Satellite System，簡記為GLONASS）的建立引起了世人的極大關(guān)注。第98頁，共114頁。世界上的主要衛(wèi)星定位技術(shù)公司（

56、如美國的ASHTECH、3S NAVIGATION 、JAVAD公司，法國的DASSAULT SERCEL公司等紛紛開展對GLONASS系統(tǒng)的研究，并逐步推出了能兼容接收受兩種（GPS和GLONASS）衛(wèi)星信號的接收機和定位設(shè)備。這些新型衛(wèi)星定位雙星接收系統(tǒng)必將打破單星系統(tǒng)的壟斷地位，成為未來衛(wèi)星定位技術(shù)的主流產(chǎn)品。本文則是在這種背景下，介紹GLONASS 及其信號的一些重要特征，以供讀者進一步了解這一領(lǐng)域發(fā)展情況的參考。第99頁，共114頁。2、GLONASS的產(chǎn)生背景本世紀(jì)70年代，作為對美國宣布建立和發(fā)展GPS的反應(yīng)，前蘇聯(lián)國防部構(gòu)想了GLONASS。1993年，俄羅斯政府正式將GLON

57、ASS交由俄空軍（VKS）負(fù)責(zé)。VKS負(fù)責(zé)GLONASS的航天器部署及在軌維護，并通過科學(xué)信息中心將GLONASS的信息傳播給公眾。在80年代，GLONASS的信息鮮為人知，除了衛(wèi)星軌道的一般特征和傳送導(dǎo)航信息的頻率之外，前蘇聯(lián)國防部未披露任何其它信息。然而，Leeds大學(xué)的Peter Daly教授和它的研究生們經(jīng)過努力，偵察出了GLONASS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)的一些細(xì)節(jié)。隨著前蘇聯(lián)的解體，俄羅斯解密了界面控制文件（the Interface Control Document：ICD）。ICD描述了系統(tǒng)及其組成，信號結(jié)構(gòu)以及供民用的導(dǎo)航信息。1995年11月4日在加拿大蒙特利爾國際民用航空組織第二次

58、會議上，俄羅斯將其最新版本的ICD交給大會的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)討論組。自此，有關(guān)GLONASS的信息越來越明朗。第100頁，共114頁。 意大利天文學(xué)家伽利略利用天文望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)銀河系由無數(shù)顆恒星組成，月亮表面凹凸不平，木星有4顆衛(wèi)星，有時太陽會出現(xiàn)黑子等許多觀測成果，證明了哥白尼的日心說，也使他成為利用望遠(yuǎn)鏡觀察天體取得豐碩成果的第一人。為了紀(jì)念這位卓越的天文學(xué)家，1999年歐盟決定實施具有自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)計劃時，將這一計劃命名為“伽利略”衛(wèi)星導(dǎo)航計劃。 我們知道，目前世界上已有的兩大衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在運行：一是美國的全球定位系統(tǒng)（GPS），二是俄羅斯的“格魯納斯”（GLONASS）。但是

59、這兩個系統(tǒng)受到美、俄兩國軍方的嚴(yán)密控制，其信號的可靠性無法得到保證。長期以來歐洲只能在美、俄的授權(quán)下從事接收機制造、導(dǎo)航服務(wù)等從屬性的工作。科索沃戰(zhàn)爭時，歐洲完全依賴美國的全球定位系統(tǒng)。當(dāng)這個系統(tǒng)出于軍事目的而停止運作時，一些歐洲企業(yè)的許多事務(wù)被迫中斷。為了能在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域中占有一席之地，歐洲認(rèn)識到建立擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要性。同時在歐洲一體化的進程中，建立歐洲自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將會全面加強歐盟諸成員國間的聯(lián)系和合作。在這種背景下，歐盟決定啟動一個軍民兩用的與現(xiàn)有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相兼容的全球衛(wèi)星導(dǎo)航計劃“伽利略”（GALILEO）計劃。 歐盟在1999年2月首次提出“伽利略”計劃。

60、計劃分成四個階段：論證階段，時間為2000年；系統(tǒng)研制和在軌確認(rèn)階段，包括研制衛(wèi)星及地面設(shè)施，系統(tǒng)在軌確認(rèn)，時間為2001年至2005年；星座布設(shè)階段，包括制造和發(fā)射衛(wèi)星，地面設(shè)施建設(shè)并投入使用，時間為2006年至2007年；運營階段，從2008年開始。2000年度的論證工作為“伽利略”計劃勾畫出一個輪廓。論證報告指出，計劃投入32.5億歐元的資金，服務(wù)范圍覆蓋全球，可以提供導(dǎo)航、定位、時間、通信等項服務(wù)。其服務(wù)方式包括開放服務(wù)、商業(yè)服務(wù)與官方服務(wù)三個方面?！百だ浴毙l(wèi)星導(dǎo)航計劃第101頁，共114頁。 開放服務(wù)包括定位、導(dǎo)航和時間信號服務(wù)，但不包括系統(tǒng)集成信息。對用戶而言，系統(tǒng)集成信息是指用