《GPS（全球定位系統(tǒng)）開(kāi)發(fā)與應(yīng)用【一份非常好的專業(yè)資料有很好的參考價(jià)值】》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《GPS（全球定位系統(tǒng)）開(kāi)發(fā)與應(yīng)用【一份非常好的專業(yè)資料有很好的參考價(jià)值】（101頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、目 錄 1 GPS（全球定位系統(tǒng)） 開(kāi)發(fā)與應(yīng)用 目 錄 2 前 言 全球定位系統(tǒng)（Global Positioning SystemGPS ）是美國(guó)國(guó)防部主要為滿足軍事部 門對(duì)海上、陸地和空中設(shè)施進(jìn)行高精度導(dǎo)航和定位的要求而建立的。GPS 作為新一代導(dǎo) 航與定位系統(tǒng)，不僅具有全球性、全天候、連續(xù)的精密三維導(dǎo)航與定位能力，而且具有 良好的看抗干擾性和保密性。因此，發(fā)展全球定位系統(tǒng)（GPS）已成為美國(guó)導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn) 代化的重要標(biāo)志，并且被視為本世紀(jì)美國(guó)繼阿波羅登月計(jì)劃和航天飛機(jī)計(jì)劃之后又一重 大科技成就。 目前，GPS 精密定位及時(shí)已經(jīng)滲透到了經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)技術(shù)的許多領(lǐng)域，尤其對(duì)經(jīng) 典測(cè)量學(xué)的各個(gè)方面

2、產(chǎn)生了極其深刻的影響。它在大地測(cè)量學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域，如地球動(dòng) 力學(xué)、海洋大地測(cè)量學(xué)、天文學(xué)、地球物理勘探、資源看勘查、航空與衛(wèi)星遙感、工程 變形監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的測(cè)速以及精密時(shí)間傳遞等方面的廣泛應(yīng)用，充分顯示了這一衛(wèi)星 定位技術(shù)的高精度和高效益。 近年來(lái)，高精度定位技術(shù)在我國(guó)已得到蓬勃發(fā)展。在我國(guó)大地測(cè)量、精密工程測(cè)量。 地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、資源勘察和城市控制網(wǎng)的改善等方面的應(yīng)用及其所取的成功經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一 步展示了 GPS 精密定位技術(shù)的顯著優(yōu)越性和巨大潛力。 隨著由南方公司牽頭的國(guó)產(chǎn)測(cè)量型 GPS 的產(chǎn)生和發(fā)展，靜態(tài)測(cè)量型 GPS 已經(jīng)在國(guó) 內(nèi)全面普及。隨著急速的的發(fā)展 RTK 動(dòng)態(tài)測(cè)量型 GPS 也將

3、更廣泛的應(yīng)用于國(guó)內(nèi)測(cè)量的 各個(gè)領(lǐng)域，從而將為國(guó)家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)的發(fā)展做出新的奉獻(xiàn)。 本書的編寫目的，主要在于適應(yīng) GPS 衛(wèi)星測(cè)量發(fā)展的需要，向廣大 GPS 測(cè)量用戶 比較全面地介紹 GPS 衛(wèi)星測(cè)量的原理、基礎(chǔ)知識(shí)和主流測(cè)量型 GPS 系統(tǒng)的操作，以利 于這一新技術(shù)在測(cè)量行業(yè)的應(yīng)用和普及，為測(cè)量技術(shù)手段的提高而服務(wù)。 全文共分六章，其中第一章為緒論，簡(jiǎn)要的介紹了衛(wèi)星導(dǎo)航與定位技術(shù)的特點(diǎn)和構(gòu) 成概況，以便于讀者對(duì) GPS 有了概括性的了解。第二章介紹介紹了 GPS 定位的相關(guān)基 礎(chǔ)知識(shí)，包括 GPS 的坐標(biāo)系統(tǒng)、時(shí)間系統(tǒng)，GPS 信號(hào)的構(gòu)測(cè)和傳播方式，GPS 信號(hào)的 觀測(cè)量和誤差分析。了

4、解這些 GPS 定位的基礎(chǔ)知識(shí)對(duì)于掌握 GPS 測(cè)量的基本原理和理 解 GPS 測(cè)量施工的方法來(lái)說(shuō)是必要的。第三章主要介紹 GPS 的定位原理中最基礎(chǔ)的絕 對(duì)定位原理以及測(cè)量中最普遍利用的相對(duì)定位原理。第四章闡述了 GPS 測(cè)量和經(jīng)典相互 聯(lián)系的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換和投影的內(nèi)容。第五章重點(diǎn)介紹 GPS 測(cè)量實(shí)施的主要過(guò)程，作業(yè)的 基本方法和原則。第六章通過(guò)具體的接收機(jī)操作介紹 GPS 在測(cè)量領(lǐng)域的主要應(yīng)用。 GPS 衛(wèi)星測(cè)量學(xué)是由多學(xué)科相互滲透而形成的一門新興科學(xué)，其理論和實(shí)踐工作在 不斷完善，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷拓寬，發(fā)展迅速，日新月異。由于作者水平有限，說(shuō)中錯(cuò)誤 與不當(dāng)之處在所難免，誠(chéng)懇歡迎讀者批評(píng)。

5、南方 GPS 產(chǎn)品部 目 錄 3 目 錄 第一章 緒 論 .1 1.1 GPS 系統(tǒng)的特點(diǎn) .1 1.2 GPS 系統(tǒng)的構(gòu)成 .3 第二章 GPS 系統(tǒng)定位的基礎(chǔ)知識(shí) .5 2.1 GPS 定位的坐標(biāo)系統(tǒng) .5 2.2 GPS 定位的時(shí)間系統(tǒng) .6 2.3 GPS 衛(wèi)星星歷 .7 2.4 電磁波的傳播與 GPS 衛(wèi)星信號(hào) .9 2.4.1 電磁波的介紹 .9 2.4.2 大氣層對(duì) GPS 信號(hào)傳播的影響 .10 2.4.3 GPS 衛(wèi)星的測(cè)距碼信號(hào) .11 2.4.5 GPS 衛(wèi)星的導(dǎo)航電文（數(shù)據(jù)碼） .12 2.5 GPS 定位的觀測(cè)量及誤差分析 .13 2.5.1 GPS 定位的方法與觀測(cè)

6、量 .14 2.5.2 觀測(cè)量的誤差來(lái)源及其影響 .15 第三章 GPS 系統(tǒng)的定位原理 .19 3.1 絕對(duì)定位原理 .19 3.1.1 絕對(duì)定位方法概述 .19 3.1.2 動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位原理 .21 3.1.3 靜態(tài)絕對(duì)定位原理 .23 3.1.4 觀測(cè)衛(wèi)星的幾何分布及其對(duì)絕對(duì)定位精度的影響 .24 3.2 相對(duì)定位原理 .25 3.2.1 相對(duì)定位方法的概述 .25 3.2.2 靜態(tài)相對(duì)定位方程 .27 3.2.3 準(zhǔn)動(dòng)態(tài)相對(duì)定位模型 .31 3.2.4 動(dòng)態(tài)相對(duì)定位的觀測(cè)方程 .33 3.2.5 整周未知數(shù)的確定方法 .35 3.2.6 周跳分析的基本思路 .35 3.3 GPS 的高

7、程系統(tǒng) .36 第四章 坐標(biāo)系統(tǒng)與投影 .39 4.1 坐標(biāo)系統(tǒng)與投影 .39 4.2 GPS 術(shù)語(yǔ) .44 目 錄 4 第五章 GPS 測(cè)量的實(shí)施 .46 5.1 接收機(jī)類型 .46 5.2 GPS 測(cè)量實(shí)施 .48 5.2.1 GPS 網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計(jì) .48 5.2.2 選點(diǎn)與埋石 .51 5.2.3 GPS 測(cè)量的觀測(cè)工作 .52 第六章 GPS 定位技術(shù)在測(cè)量中的應(yīng)用 .56 6.1 GPS 定位技術(shù)在平面控制測(cè)量方面的應(yīng)用 .56 6.1.1 靜態(tài)相對(duì)定位模式 .56 6.1.2 南方 9600 靜態(tài) GPS 的應(yīng)用 .56 6.2 后差分動(dòng)態(tài)相對(duì)定位模式 .69 6.3 動(dòng)態(tài)測(cè)量 .

8、70 南方 GPS 培訓(xùn)教材 1 第一章 緒 論 GPS（Global Positioning System）即全球定位系統(tǒng)，是由美國(guó)建立的一個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航 定位系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)，用戶可以在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)全天候、連續(xù)、實(shí)時(shí)的三維導(dǎo)航定 位和測(cè)速；另外，利用該系統(tǒng)，用戶還能夠進(jìn)行高精度的時(shí)間傳遞和高精度的精密定位。 隨著 GPS 定位技術(shù)的發(fā)展，其廣泛的應(yīng)用于民用領(lǐng)域，在測(cè)量工作方面 GPS 定位技術(shù) 在大地測(cè)量，工程測(cè)量，工程與地殼變形監(jiān)測(cè)、地籍測(cè)量，航空攝影測(cè)量和海洋測(cè)量等 各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用已甚為普及。正因?yàn)?GPS 系統(tǒng)在軍事和民用領(lǐng)域定位技術(shù)上發(fā)揮的巨大 作用被視為 20 世紀(jì)最重大的科技成就

9、之一。 1.1 GPS 系統(tǒng)的特點(diǎn) 1GPS 相對(duì)于其他導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn) 從 1978 年發(fā)射第一顆 GPS 試驗(yàn)衛(wèi)星以來(lái)，利用該系統(tǒng)進(jìn)行定位的研究、開(kāi)發(fā)和實(shí) 驗(yàn)工作，發(fā)展異常迅速。理論與實(shí)踐表明，GPS 同其他導(dǎo)航系統(tǒng)相比，其主要優(yōu)點(diǎn)如下： 全球地面連續(xù)覆蓋。由于 GPS 衛(wèi)星的數(shù)目較多，且分布合理，所以地球上任何地點(diǎn)， 均可連續(xù)地同步觀測(cè)到至少 4 顆衛(wèi)星。從而保障了全球、全天候、連續(xù)地三維定位。 功能多，精度高。GPS 可為各類用戶連續(xù)地提供動(dòng)態(tài)目標(biāo)的三維位置、三維速度和 時(shí)間信息。隨著 GPS 定位技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，其定位、測(cè)速和測(cè)時(shí)的精度將進(jìn) 一步提高。 實(shí)時(shí)定位。利用全球定位

10、系統(tǒng)導(dǎo)航，可以實(shí)時(shí)地確定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的三維位置和速度， 由此即可保障運(yùn)動(dòng)載體沿預(yù)定航線的運(yùn)行，也可以實(shí)時(shí)地監(jiān)視和修正航行路線，以及選 擇最佳的航線。 應(yīng)用廣泛。隨著 GPS 定位技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用的領(lǐng)域在不斷拓寬。目前，在導(dǎo)航方 面，它不僅已廣泛地用于海上、空中和陸地運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的導(dǎo)航，而且，在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的監(jiān)控 與管理，以及運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的報(bào)警與救援等方面，也已獲得了成功地應(yīng)用；在測(cè)量工作方面， 這一定位技術(shù)在大地測(cè)量，工程測(cè)量，工程與地殼變形監(jiān)測(cè)、地籍測(cè)量，航空攝影測(cè)量 和海洋測(cè)繪等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，已甚為普遍。 考慮到 GPS 主要是為滿足軍事部門高精度導(dǎo)航的需要而建立的，所以上述優(yōu)點(diǎn)，對(duì) 軍事上的動(dòng)態(tài)目標(biāo)

11、的導(dǎo)航，具有十分重要的意義。正因?yàn)槿绱?，美?guó)政府把發(fā)展 GPS 技 術(shù)作為導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，并把這一技術(shù)，視為 20 世紀(jì)最重要的科技成就之 一。 2GPS 定位技術(shù)相對(duì)于經(jīng)典測(cè)量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) GPS 定位技術(shù)的高度自動(dòng)化和所達(dá)到的定位精度及其潛力（如下圖） ，使廣大測(cè)量 南方 GPS 培訓(xùn)教材 2 工作者產(chǎn)生了極大的興趣。尤其從 1982 年第一代測(cè)量型無(wú)碼 GPS 接收機(jī) Macrometer V- 1000 投入市場(chǎng)以來(lái)，在應(yīng)用基礎(chǔ)的研究、應(yīng)用領(lǐng)域的開(kāi)拓、硬件和軟件的開(kāi)發(fā)等方面， 都得到蓬勃發(fā)展。廣泛的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)為 GPS 精密定位技術(shù)在測(cè)量工作中的應(yīng)用，展現(xiàn)了廣 闊的前景。 相對(duì)于

12、經(jīng)典的測(cè)量技術(shù)來(lái)說(shuō)，這一新技術(shù)的主要特點(diǎn)如下： （1）觀測(cè)站之間無(wú)需通視。既要保持良好的通視條件，又要保障測(cè)量控制網(wǎng)的良 好結(jié)構(gòu)，這一直是經(jīng)典測(cè)量技術(shù)在實(shí)踐方面的困難問(wèn)題之一。GPS 測(cè)量不要求觀測(cè)站之 間相互通視，因而不再需要建造覘標(biāo)。這一優(yōu)點(diǎn)即可大大減少測(cè)量工作的經(jīng)費(fèi)和時(shí)間 （一般造標(biāo)費(fèi)用約占總經(jīng)費(fèi)的 30%50%） ，同時(shí)也使點(diǎn)位的選擇變得甚為靈活。 不過(guò)也應(yīng)指出，GPS 測(cè)量雖不要求觀測(cè)站之間相互通視，但必須保持觀測(cè)站的上空 開(kāi)闊（凈空） ，以使接收 GPS 衛(wèi)星的信號(hào)不受干擾。 （2）定位精度高?，F(xiàn)已完成的大量實(shí)驗(yàn)表明，目前在小于 50KM 的基線上，其相 對(duì)定位精度可達(dá)到 12*1

13、0-6，而在 100KM500KM 的基線上可達(dá)到 10-610-7。隨著光測(cè) 技術(shù)與數(shù)據(jù)處理方法的改善，可望在 1000km 的距離上，相對(duì)定位精度達(dá)到或優(yōu)于 10- 8。 （3）觀測(cè)時(shí)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(duì)定位所需 要的觀測(cè)時(shí)間，根據(jù)要求的精度不同，一般約為 13 小時(shí)。為了進(jìn)一步縮短觀測(cè)時(shí)間， 提高作業(yè)速度，近年來(lái)發(fā)展的短基線（例如不超過(guò) 20km）快速相對(duì)定位法，其觀測(cè)時(shí) 間僅需數(shù)分鐘。 （4）提供三維坐標(biāo)。GPS 測(cè)量在精確測(cè)定觀測(cè)站平面位置的同時(shí)，可以精確測(cè)定 觀測(cè)站的大地高程。GPS 測(cè)量的這一特點(diǎn)，不僅為研究大地水準(zhǔn)面的形狀和確定地面點(diǎn) 的高程開(kāi)辟

14、了新途徑，同時(shí)也為其在航空物探、航空攝影測(cè)量及精密導(dǎo)航中的應(yīng)用，提 供了重要的高程數(shù)據(jù)。 （5）操作簡(jiǎn)便。GPS 測(cè)量的自動(dòng)化程度很高，在觀測(cè)中的測(cè)量員的主要任務(wù)只是 安裝并開(kāi)關(guān)儀器、量取儀器高、監(jiān)控儀器的工作狀態(tài)和采集環(huán)境的氣象數(shù)據(jù)，而其他觀 南方 GPS 培訓(xùn)教材 3 測(cè)工作，如衛(wèi)星的捕獲、跟蹤觀測(cè)和記錄等均有儀器自動(dòng)完成。另外，GPS 用戶接收機(jī) 一般重量較輕、體積較小，例如南方的 S-80 雙頻 GPS 接收機(jī)，重量約為 1.25kg，體積 為 3500 ，因?yàn)閿y帶和搬運(yùn)都很方便。3cm （6）全天候作業(yè)。GPS 觀測(cè)工作，可以在任何地點(diǎn)，任何時(shí)間連續(xù)地進(jìn)行，一般 也不受天氣狀況的影響

15、。所以，GPS 定位技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于經(jīng)典的測(cè)量技術(shù)是一次重大 的突破。一方面，它使經(jīng)典的測(cè)量理論與方法產(chǎn)生了深刻的變革，另一方面，也進(jìn)一步 加強(qiáng)了測(cè)量學(xué)與其他學(xué)科之間的相互滲透，從而促進(jìn)科測(cè)繪科學(xué)技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展。 1.2 GPS 系統(tǒng)的構(gòu)成 全球定位系統(tǒng)（GPS）的整個(gè)系統(tǒng)由三大部分組成，即空間部分、地面控制部分和 用戶部分所組成： 圖 12 全球定位系統(tǒng)（GPS）構(gòu)成示意圖 1 空間部分 GPS 的空間部分是由 24 顆 GPS 工作衛(wèi)星所組成，這些 GPS 工作衛(wèi)星共同組成了 GPS 衛(wèi)星星座，其中 21 顆為可用于導(dǎo)航的衛(wèi)星，3 顆為活動(dòng)的備用衛(wèi)星 1。這 24 顆衛(wèi) 星分布在 6 個(gè)

16、傾角為 55的軌道上繞地球運(yùn)行。衛(wèi)星的運(yùn)行周期約為 12 恒星時(shí)。每顆 GPS 工作衛(wèi)星都發(fā)出用于導(dǎo)航定位的信號(hào)。GPS 用戶正是利用這些信號(hào)來(lái)進(jìn)行工作的。 2 控制部分 GPS 的控制部分由分布在全球的由若干個(gè)跟蹤站所組成的監(jiān)控系統(tǒng)所構(gòu)成，根據(jù)其 1 實(shí)際上這 3 顆備用衛(wèi)星同樣可用于導(dǎo)航定位。 南方 GPS 培訓(xùn)教材 4 作用的不同，這些跟蹤站又被分為主控站、監(jiān)控站和注入站。主控站有一個(gè)，位于美國(guó) 克羅拉多（Colorado）的法爾孔（Falcon）空軍基地，它的作用是根據(jù)各監(jiān)控站對(duì) GPS 的觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算出衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)通過(guò)注入站注入 到衛(wèi)星中去；同時(shí)，它

17、還對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行控制，向衛(wèi)星發(fā)布指令，當(dāng)工作衛(wèi)星出現(xiàn)故障時(shí)， 調(diào)度備用衛(wèi)星，替代失效的工作衛(wèi)星工作；另外，主控站也具有監(jiān)控站的功能。監(jiān)控站 有五個(gè)，除了主控站外，其它四個(gè)分別位于夏威夷（Hawaii ）、阿松森群島 （Ascencion）、迭哥伽西亞（Diego Garcia）、卡瓦加蘭（ Kwajalein），監(jiān)控站的作用 是接收衛(wèi)星信號(hào)，監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的工作狀態(tài)；注入站有三個(gè)，它們分別位于阿松森群島 （Ascencion）、迭哥伽西亞（Diego Garcia）、卡瓦加蘭（ Kwajalein），注入站的作用 是將主控站計(jì)算出的衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘的改正數(shù)等注入到衛(wèi)星中去。 3 用戶部分 GPS 的用戶

18、部分由 GPS 接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件及相應(yīng)的用戶設(shè)備如計(jì)算機(jī)氣象儀 器等所組成。它的作用是接收 GPS 衛(wèi)星所發(fā)出的信號(hào)，利用這些信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位等工 作。 目前，國(guó)際、國(guó)內(nèi)適用于測(cè)量的 GPS 接收機(jī)產(chǎn)品眾多，更新更快，許多測(cè)量單位也 擁有了一些不同型號(hào)的 GPS 接收機(jī)，在本書的最后一章，以南方公司的 GPS 接收機(jī)為 例介紹 GPS 接收設(shè)備。 南方 GPS 培訓(xùn)教材 5 南方 GPS 培訓(xùn)教材 6 第二章 GPS 系統(tǒng)定位的基礎(chǔ)知識(shí) GPS 系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)包括幾方面的內(nèi)容：GPS 定位的坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)，GPS 衛(wèi) 星的星歷情況，GPS 衛(wèi)星信號(hào)的相關(guān)知識(shí)。了解這些 GPS 的基礎(chǔ)知

19、識(shí)對(duì)于掌握 GPS 測(cè) 量的基本原理來(lái)說(shuō)是必要的。 掌握 GPS 系統(tǒng)定位原理涉及的 GPS 定位的基本方法、單點(diǎn)定位和相對(duì)定位等概念， 能有助于使用者在進(jìn)行 GPS 測(cè)量工作中更主動(dòng)的掌握 GPS 的施測(cè)方法與要求，更有效 的利用 GPS 接收機(jī)硬件與軟件進(jìn)行測(cè)量工作。 2.1 GPS 定位的坐標(biāo)系統(tǒng) 坐標(biāo)系統(tǒng)與時(shí)間系統(tǒng)是描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)，處理觀測(cè)數(shù)據(jù)和衛(wèi)星觀測(cè)位置的數(shù)學(xué)與 物理基礎(chǔ)，了解常用坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)，有助于理解 GPS 定位的原理。 在 GPS 定位中，通常使用和接觸到的是兩種大地測(cè)量基準(zhǔn)及其轉(zhuǎn)換。 1 經(jīng)典大地測(cè)量基準(zhǔn) 從幾何意義上說(shuō)，大地測(cè)量基準(zhǔn)是由一組確定測(cè)量參考系在地球內(nèi)部的

20、位置和方向 以及描述參考面的形狀和大小的參數(shù)來(lái)表達(dá)的。在經(jīng)典大地測(cè)量學(xué)中，為了便于觀測(cè)成 果的處理和坐標(biāo)計(jì)算，一般都選擇一個(gè)橢球面作為計(jì)算的參考面，并確定其在地球內(nèi)部 的位置和方向，這樣建立大地坐標(biāo)系與確立大地測(cè)量基準(zhǔn)問(wèn)題是一致的。 由于參考橢球的幾何特征，對(duì)于測(cè)量計(jì)算工作具有特別重要的意義，所以長(zhǎng)期以來(lái)， 在大地測(cè)量學(xué)中對(duì)地球橢球的描述，一般只是強(qiáng)調(diào)了表征橢球幾何特性的兩個(gè)參數(shù)，即 橢球的長(zhǎng)半軸 a 及其扁率 f（或橢球的短半軸 b）。例如，我國(guó) 1954 年的北京大地坐 標(biāo)系，采用了克拉索夫斯基橢球，其參數(shù)為 a6378245 （m） f1/298.3 參考橢球的形狀和大小一經(jīng)確定后，建立

21、大地坐標(biāo)系（或者確定大地測(cè)量基準(zhǔn)）的任務(wù) 便歸結(jié)為橢球體在地球內(nèi)部的定位和方向。為此，通常均首先選擇一參考點(diǎn)作為大地基 準(zhǔn)點(diǎn)（或大地原地），并且利用該點(diǎn)的天文與水準(zhǔn)觀測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)橢球體內(nèi)部的定位和方 向。關(guān)于參考橢球定位與定向參數(shù)的選擇，一般來(lái)說(shuō)，具有相當(dāng)?shù)娜我庑浴５紤]到地 區(qū)性測(cè)量計(jì)算工作的方便，通常要求滿足以下條件： 參考橢球面與地區(qū)大地水準(zhǔn)面最佳配合； 參考橢球的短軸與地球的某一平自轉(zhuǎn)軸相平行； 起始大地子午面與起始格林尼治平子午面相平行。 南方 GPS 培訓(xùn)教材 7 可見(jiàn)利用經(jīng)典的大地測(cè)量技術(shù)，建立全球統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)是極為困難，同時(shí)也是為了方 便本地區(qū)的大地測(cè)量工作，所以，各國(guó)都建立和

22、保持了各自獨(dú)立的地區(qū)性大地坐標(biāo)系統(tǒng)。 這些地區(qū)性大地坐標(biāo)系統(tǒng)，在地球內(nèi)部既具有不同的位置和方向，一般又具有不同的橢 球參數(shù)，也就是說(shuō)，具有不同的大地測(cè)量基準(zhǔn)。 不同坐標(biāo)系統(tǒng)之間大地測(cè)量基準(zhǔn)的差異，只有通過(guò)大地聯(lián)測(cè)，根據(jù)公共點(diǎn)的坐標(biāo)之 差來(lái)確定。但是，由于觀測(cè)誤差的影響，由此所確定的大地基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換參數(shù)，也不可避免 地含有一定的誤差，誤差的大小主要取決于，坐標(biāo)系中公共點(diǎn)的數(shù)量和分布、坐標(biāo)的精 度和數(shù)據(jù)處理方法。 2 衛(wèi)星大地測(cè)量基準(zhǔn) 在全球定位系統(tǒng)中，衛(wèi)星主要被視為位置已知的高空觀測(cè)目標(biāo)。所以，為了確定用 戶接收機(jī)的位置，GPS 衛(wèi)星的瞬時(shí)位置，通常也應(yīng)化算到統(tǒng)一的地球坐標(biāo)系統(tǒng)。 目前 GPS 衛(wèi)星

23、瞬時(shí)位置的計(jì)算采用了大地坐標(biāo)系統(tǒng) WGS84，WGS 84 是迄今采 用的最為精確的全球大地系統(tǒng)，定義 GPS 的大地測(cè)量基準(zhǔn)，要比在經(jīng)典大地測(cè)量中，定 義參考地球坐標(biāo)系的大地基準(zhǔn)復(fù)雜得多。這是將涉及到地球重力場(chǎng)模型、地極運(yùn)動(dòng)模型、 地球引力常數(shù)、地球自轉(zhuǎn)速度和光速等基本常數(shù)。同時(shí)還涉及到衛(wèi)星跟蹤站數(shù)量、分布， 及其在協(xié)議地球坐標(biāo)系中得坐標(biāo)等因素。盡管如此，GPS 大地測(cè)量基準(zhǔn)，仍可表達(dá)為一 組確定 GPS 坐標(biāo)系在地球內(nèi)部位置和方向的參數(shù)為： a6378137 （m） f1/298.25 確定地區(qū)性坐標(biāo)系統(tǒng)與全球坐標(biāo)系的大地測(cè)量基準(zhǔn)差，并進(jìn)行兩坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn) 換，是 GPS 測(cè)量應(yīng)用中經(jīng)常

24、遇到的一個(gè)重要問(wèn)題。這兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)間的大地基準(zhǔn)之差， 通常應(yīng)通過(guò)聯(lián)合處理公共點(diǎn)的坐標(biāo)來(lái)確定。這時(shí)，所求大地基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換參數(shù)的精度，既與 聯(lián)合平差中所取的轉(zhuǎn)化模型有關(guān)，又與公共點(diǎn)坐標(biāo)的精度、數(shù)量和分布有關(guān)。有關(guān)的細(xì) 節(jié)操作，請(qǐng)參閱第四章第一節(jié)。 2.2 GPS 定位的時(shí)間系統(tǒng) 在 GPS 衛(wèi)星定位中，時(shí)間系統(tǒng)的重要意義主要表現(xiàn)： 1GPS 衛(wèi)星作為一個(gè)高空觀測(cè)目標(biāo)，其位置是不斷變化的。因此在給出衛(wèi)星運(yùn)行 位置的同時(shí)，必須給出相應(yīng)的瞬間時(shí)刻。例如，當(dāng)要求 GPS 衛(wèi)星的位置誤差小于 1cm 時(shí)，則相應(yīng)的時(shí)刻誤差應(yīng)小于 2.610-6 秒。 （1）GPS 定位是通過(guò)接收和處理 GPS 衛(wèi)星發(fā)射的無(wú)線電信

25、號(hào)，來(lái)確定用戶接收機(jī) （即觀測(cè)站）至衛(wèi)星間的距離（或距離差） ，進(jìn)而確定觀測(cè)站的位置。因此，準(zhǔn)確地測(cè) 定觀測(cè)站至衛(wèi)星的距離，必須精密地測(cè)定信號(hào)的傳播時(shí)間。如果要求上述距離誤差小于 1cm，則信號(hào)傳布產(chǎn)生測(cè)定誤差，應(yīng)不超過(guò) 310-11 秒。 （2）由于地球的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，在天球坐標(biāo)系中，地球上點(diǎn)的位置是不斷變化的。若 南方 GPS 培訓(xùn)教材 8 要求赤道上一點(diǎn)的位置誤差不超過(guò) 1cm，則時(shí)間的測(cè)定誤差需小于 210-5 秒。 顯然，利用 GPS 進(jìn)行精密的導(dǎo)航與測(cè)量，盡可能獲得高精度的時(shí)間信息，其意義至 關(guān)重要。因此，了解一下有關(guān)時(shí)間系統(tǒng)的基本概念，對(duì)于 GPS 的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，是甚為必要 的。 時(shí)間

26、包含有“時(shí)刻”和“時(shí)間間隔”兩個(gè)概念。所謂時(shí)刻，即發(fā)生某一現(xiàn)象的瞬間。 在天文學(xué)和衛(wèi)星定位中，與所獲數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻也稱為歷元。而時(shí)間間隔，系指發(fā)生某 一現(xiàn)象所經(jīng)歷的過(guò)程，是這一過(guò)程始末的時(shí)刻之差。所以，時(shí)間間隔測(cè)量，也稱為相對(duì) 時(shí)間測(cè)量，而時(shí)刻測(cè)量相應(yīng)的稱為絕對(duì)時(shí)間測(cè)量。 測(cè)量時(shí)間，同樣必須建立一個(gè)測(cè)量的基準(zhǔn)，即時(shí)間的單位（尺度）和原點(diǎn)（起始?xì)v 元） 。其中時(shí)間的尺度是關(guān)鍵，而原點(diǎn)可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用加以選定。一般來(lái)說(shuō)，任何一 個(gè)可觀察的周期運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，只要符合一下要求，都可以用作確定時(shí)間的基準(zhǔn)。 （1）運(yùn)動(dòng)應(yīng)是連續(xù)的，周期性的； （2）運(yùn)動(dòng)的周期應(yīng)具有充分的穩(wěn)定性； （3）運(yùn)動(dòng)的周期必須具有復(fù)現(xiàn)行

27、，即要求在任何地方和時(shí)間，都可以通過(guò)觀測(cè)和 實(shí)驗(yàn)，復(fù)現(xiàn)這種周期性運(yùn)動(dòng)。 在實(shí)踐中，由于我們所選的上述周期運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象不同，便產(chǎn)生了不同的時(shí)間系統(tǒng)。 常用建立時(shí)間基準(zhǔn)的基礎(chǔ) （1）地球自轉(zhuǎn)：世界時(shí)時(shí)間基準(zhǔn)的基礎(chǔ)，穩(wěn)定度 10-8S； AS （2）行星繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)：力學(xué)時(shí)間基準(zhǔn)的基礎(chǔ)； （3）電子、原子的諧波振蕩：原子時(shí)時(shí)間基準(zhǔn)的基礎(chǔ)，穩(wěn)定度 10-13。 以上時(shí)間單位為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位秒；派生出的單位 毫秒（10 -3 秒） 、微秒 （10 -6 秒） 、納秒（10 -9 秒） 在 GPS 定位中，具有重要意義的時(shí)間系統(tǒng)主要有三種，恒星時(shí)、力學(xué)時(shí)和原子時(shí)。 為了精密的導(dǎo)航和測(cè)量的需要，GPS 系統(tǒng)建立了

28、專用的時(shí)間系統(tǒng)。該系統(tǒng)可簡(jiǎn)寫位 GPST，由 GPS 主控站的原子鐘控制。 GPS 時(shí)屬于原子時(shí)系統(tǒng)，其秒長(zhǎng)與原子時(shí)相同，與國(guó)際原子時(shí)具有不同的原點(diǎn)。所 以 GPS 時(shí)間系統(tǒng)的穩(wěn)定度達(dá)到 10-13S。 2.3 GPS 衛(wèi)星星歷 衛(wèi)星在空間進(jìn)行的軌跡稱為軌道，而描述衛(wèi)星軌道位置和狀態(tài)的參數(shù)，稱為軌道參 數(shù)。由于在利用 GPS 進(jìn)行導(dǎo)航和測(cè)量時(shí)，GPS 衛(wèi)星是作為位置已知的高空觀測(cè)目標(biāo)， 所以在進(jìn)行絕對(duì)定位時(shí)，衛(wèi)星軌道誤差，將會(huì)直接影響所求用戶接收機(jī)位置的精度，而 在相對(duì)定位時(shí)，盡管衛(wèi)星軌道誤差的影響將會(huì)減弱，但當(dāng)基線較長(zhǎng)且精度要求較高時(shí)， 這種影響也不可忽視。如果假設(shè) 觀測(cè)站至所測(cè)衛(wèi)星的距離；

29、 南方 GPS 培訓(xùn)教材 9 衛(wèi)星軌道的誤差； D兩觀測(cè)站間的基線長(zhǎng)度； D 引起的基線長(zhǎng)度誤差， 則根據(jù)經(jīng)驗(yàn)其間關(guān)系可近似地表示為 D 為了滿足精密定位的要求，衛(wèi)星的軌道必須具有足夠的精度。 另外，為了制訂 GPS 測(cè)量的觀測(cè)計(jì)劃和便于捕獲衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，也需要知道衛(wèi)星 的軌道參數(shù)，只是其要求的精度較低。對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，理解和運(yùn)用 GPS 衛(wèi)星的軌道信息是 非常必要的，而衛(wèi)星的軌道信息都包含在 GPS 衛(wèi)星的星歷中。 GPS 衛(wèi)星的星歷，是描述有關(guān)衛(wèi)星運(yùn)行軌道的信息。利用 GPS 進(jìn)行定位，就是根 據(jù)已知的衛(wèi)星軌道信息和用戶的觀測(cè)資料，通過(guò)數(shù)據(jù)處理來(lái)確定接收機(jī)的位置，及其載 體的航行速度，所以，

30、精確的軌道信息是精密定位的基礎(chǔ)。GPS 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） 。 1 . 預(yù)報(bào)星歷 預(yù)報(bào)星歷，是通過(guò)衛(wèi)星發(fā)射的含有軌道信息的導(dǎo)航電文，傳遞給用戶的，用戶接收 機(jī)接收到這些信號(hào)，經(jīng)過(guò)解碼便可獲得所需要的衛(wèi)星星歷，所以這種星歷也叫做廣播星 歷。衛(wèi)星的預(yù)報(bào)星歷，通常包括相對(duì)某一參考?xì)v元的開(kāi)普勒軌道參數(shù)，和必要的軌道攝 動(dòng)改正項(xiàng)參數(shù)。 相應(yīng)參考?xì)v元的衛(wèi)星開(kāi)普勒軌道參數(shù)，也叫參考星歷，它是根據(jù) GPS 監(jiān)測(cè)站約一周 的觀測(cè)資料推算的。 參考星歷，只代表衛(wèi)星在參考?xì)v元的瞬時(shí)軌道參數(shù)（也稱為密切軌道參數(shù)） ，但是 在攝動(dòng)力的影響下，衛(wèi)星的實(shí)際軌道，隨

31、后將偏離其參考軌道，偏離的程度主要決定于 觀測(cè)歷元與所選參考?xì)v元間的時(shí)間差。一般來(lái)說(shuō)，如果我們用軌道參數(shù)的攝動(dòng)項(xiàng)來(lái)對(duì)已 知的衛(wèi)星參考星歷加以改正，就可以外推出任意觀測(cè)歷元的衛(wèi)星星歷。 由此不難理解，如果觀測(cè)歷元與所選參考?xì)v元的時(shí)間差很大，為了保障外推的軌道 參數(shù)具有必要的精度，就必須采用更嚴(yán)密的攝動(dòng)力模型和考慮更多的攝動(dòng)因素。這樣一 來(lái)將會(huì)遇到建立更嚴(yán)格的攝動(dòng)力模型的困難，因而可能降低預(yù)報(bào)軌道參數(shù)的精度。 實(shí)際上，為了保持衛(wèi)星預(yù)報(bào)星歷的必要精度，一般采用限制預(yù)報(bào)星歷外推時(shí)間間隔 的方法。為此，GPS 跟蹤站每天都利用其觀測(cè)資料，更新用以確定衛(wèi)星參考星歷的數(shù)據(jù)， 以及計(jì)算每天衛(wèi)星軌道參數(shù)的更新值

32、，并且，每天按時(shí)將其注入相應(yīng)的衛(wèi)星加以存儲(chǔ)以 資更新衛(wèi)星的參考軌道之用。據(jù)此，GPS 衛(wèi)星發(fā)射的廣播星歷，每小時(shí)更新一次，以供 用戶使用。 這樣，如果將上述計(jì)算參考星歷的參考?xì)v元 toe，選在兩次更新星歷的中央時(shí)刻， 則外推的時(shí)間間隔，最大將不會(huì)超過(guò) 0.5 小時(shí)。從而可以在采用同樣攝動(dòng)力模型的情況 南方 GPS 培訓(xùn)教材 10 下，有效的保持外推軌道參數(shù)的精度。預(yù)報(bào)星歷的精度，目前一般估計(jì)約為 20m-40m。 由于預(yù)報(bào)星歷每小時(shí)更新一次，因此，在數(shù)據(jù)更新前后，各表達(dá)式之間將會(huì)產(chǎn)生小 的跳躍，其值可達(dá)數(shù)分米。對(duì)此，一般可利用適當(dāng)?shù)臄M合技術(shù)（例如切比雪夫多項(xiàng)式） 予以平滑。 2. 后處理星歷

33、衛(wèi)星的預(yù)報(bào)星歷，是用跟蹤站以往時(shí)間的觀測(cè)資料推求的參考軌道參數(shù)為基礎(chǔ)，并 加入軌道攝動(dòng)改正而外推的星歷。預(yù)報(bào)星歷，用戶在觀測(cè)時(shí)可以通過(guò)導(dǎo)航電文實(shí)時(shí)地得 到，這對(duì)導(dǎo)航或?qū)崟r(shí)定位，顯然是非常重要的?？墒牵瑢?duì)于某些進(jìn)行精密定位工作的用 戶來(lái)說(shuō)，其精度難以滿足要求，尤其當(dāng) GPS 衛(wèi)星的預(yù)報(bào)星歷，受到人為干預(yù)而降低精度 時(shí)，就更難于保障精密定位工作的要求。 后處理星歷，是一些國(guó)家的某些部門，根據(jù)各自建立的跟蹤站所獲得的精密觀測(cè)資 料，應(yīng)用與確定預(yù)報(bào)星歷相似的方法，計(jì)算的衛(wèi)星星歷。它可以向用戶提供在用戶觀測(cè) 時(shí)間的衛(wèi)星星歷，避免了預(yù)報(bào)星歷外推的誤差。 目前，美國(guó)和其它許多國(guó)家的一些單位，正在完善或著手建

34、立全球性或區(qū)域性的 GPS 衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)，以便為大地測(cè)量學(xué)和地球動(dòng)力學(xué)研究的精密定位工作，提供所需要 的星歷。 由于這種星歷通常是在事后項(xiàng)用戶提供的，在其觀測(cè)時(shí)間的衛(wèi)星精密軌道信息，因 此稱為后處理星歷或精密星歷。該星歷的精度，目前可達(dá)分米級(jí)。 后處理星歷，一般不是通過(guò)衛(wèi)星的無(wú)線電信號(hào)向用戶傳遞的，而是網(wǎng)絡(luò)或通過(guò)電傳 通信等方式，有償?shù)貫樗枰挠脩舴?wù)。但是，建立和維持一個(gè)獨(dú)立的跟蹤系統(tǒng)，來(lái) 精密測(cè)定 GPS 衛(wèi)星的軌道，其技術(shù)比較復(fù)雜，投資也較大。目前國(guó)內(nèi)此類接收機(jī)應(yīng)用還 比較少。 2.4 電磁波的傳播與 GPS 衛(wèi)星信號(hào) 2.4.1 電磁波的介紹 GPS 定位的基本觀測(cè)量，是觀測(cè)站（用戶

35、接收天線）至 GPS 衛(wèi)星（信號(hào)發(fā)射天線） 的距離（或稱信號(hào)傳播路徑） ，它是通過(guò)測(cè)定衛(wèi)星信號(hào)在該路徑上的傳播時(shí)間（時(shí)間延 遲） ，或測(cè)定衛(wèi)星載波相位在該路徑上變化的周數(shù)（相位延遲）來(lái)導(dǎo)出的，這跟通常的 電磁波測(cè)距原理相似，只要已知衛(wèi)星信號(hào)的傳播時(shí)間t 和傳播速度 ，就可得到衛(wèi)星 至觀測(cè)站的距離 ，即有 = t 為便于理解 GPS 定位原理，這里首先介紹電磁波的基本知識(shí)，然后進(jìn)一步說(shuō)明有 關(guān) GPS 衛(wèi)星信號(hào)的問(wèn)題。 根據(jù)物理學(xué)中的概念，電磁波是一種隨時(shí)間 t 變化的正弦（或余弦）波。如果設(shè)電 南方 GPS 培訓(xùn)教材 11 磁波的初相角為 ，角頻率為 ，振幅為 ，則有電磁波 y 的數(shù)學(xué)表達(dá)式0

36、eA y = sin（ t+ ）0 0 t0 t1 y=Aesin(t+ 0) Ae t+0 利用電磁波測(cè)距，除了必須精確地測(cè)定電磁波的傳播時(shí)間（或相位的變化）之外， 還應(yīng)準(zhǔn)確地測(cè)定電磁波的傳播速度 。 2.4.2 大氣層對(duì) GPS 信號(hào)傳播的影響 對(duì) GPS 而言，衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)傳播到接收機(jī)天線的時(shí)間約 0.1 秒，當(dāng)光速值的最后一 位含有一個(gè)單位的誤差，將會(huì)引起 0.1m 的距離誤差。表明準(zhǔn)確確定電磁波傳播速度的 重要意義。實(shí)際的電磁波傳播是在大氣介質(zhì)中，在到達(dá)地面接收機(jī)前要穿過(guò)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(qiáng)度，這種 現(xiàn)象稱為大氣折射。 大氣

37、折射對(duì) GPS 觀測(cè)結(jié)果的影響，往往超過(guò)了 GPS 精密定位所容許的精度范圍。 如何在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中通過(guò)模型加以改正，或在觀測(cè)中通過(guò)適當(dāng)?shù)姆椒▉?lái)減弱，以提高 定位精度，已經(jīng)成為廣大用戶普遍關(guān)注的重要問(wèn)題。 根據(jù)對(duì)電池波傳播的不同影響，一般可將大氣層分為對(duì)流層和電離層。 1在對(duì)流層中，折射率略大于 1，隨著高度的增加逐漸減小，當(dāng)接近對(duì)流層頂部時(shí)， 其值接近于 1。對(duì)流層的折射影響，在天頂方向（高度角 900）可產(chǎn)生 2.3m 的電磁波傳 播路徑誤差，當(dāng)高度角為 100 時(shí)，傳播路徑誤差可達(dá) 20m。在精密定位中，對(duì)流層的影 響必須顧及。 目前采用的各種對(duì)流層模型，即使應(yīng)用實(shí)時(shí)測(cè)量的氣象資料，電磁

38、波的傳播路徑， 經(jīng)過(guò)對(duì)流層折射改正后的殘差，仍保持在對(duì)流層影響的 5%左右。 減弱對(duì)流層折射改正項(xiàng)殘差影響主要措施： （1）盡可能充分地掌握觀測(cè)站周圍地區(qū)的實(shí)時(shí)氣象資料。 （2）利用水汽輻射計(jì)，準(zhǔn)確地測(cè)定電磁波傳播路徑上的水汽積累量，以便精確的 南方 GPS 培訓(xùn)教材 12 計(jì)算大氣濕分量的改正項(xiàng)。但設(shè)備龐大價(jià)格昂貴，一般難以普遍采用。 （3）當(dāng)基線較短時(shí)（20km） ，在穩(wěn)定的大氣條件下，利用相對(duì)定位的差分法來(lái)減 弱大氣折射的影響。 （4）完善對(duì)流層大氣折射的改正模型。 2由于影響電離層電子密度的因素復(fù)雜（時(shí)間、高度、太陽(yáng)輻射及黑子活動(dòng)、季 節(jié)和地區(qū)等） ，難以可靠地確定觀測(cè)時(shí)刻沿電磁波傳播

39、路線的電子總量。對(duì) GPS 單頻接 收用戶，一般均利用電離層模型來(lái)近似計(jì)算改正量，但目前有效性不會(huì)優(yōu)于 75%。即當(dāng) 電離層的延遲為 50m，經(jīng)過(guò)模型改正后，仍含有約 12.5m 的殘差。 為減弱電離層的影響，比較有效的措施為： （1）利用兩種不同的頻率進(jìn)行觀測(cè) （2) 兩觀測(cè)站同步觀測(cè)量求差 用兩臺(tái)接收機(jī)在基線的兩端進(jìn)行同步觀測(cè)，取其觀測(cè)量之差。因?yàn)楫?dāng)兩觀測(cè)站相距 不太遠(yuǎn)時(shí)，衛(wèi)星至兩觀測(cè)站電磁波傳播路徑上的大氣狀況相似，大氣狀況的系統(tǒng)影響可 通過(guò)同步觀測(cè)量的差分而減弱。 該方法對(duì)小于 20km 的短基線效果尤為明顯，經(jīng)過(guò)電離層折射改正后，基線長(zhǎng)度的 相對(duì)殘差約為 10-6。故在短基線相對(duì)定位

40、中，即使使用單頻接收機(jī)也能達(dá)到相當(dāng)高精度。 但隨著基線長(zhǎng)度的增加，精度將明顯降低。 2.4.3 GPS 衛(wèi)星的測(cè)距碼信號(hào) 1關(guān)于 GPS 衛(wèi)星信號(hào) GPS 衛(wèi)星所發(fā)射的信號(hào)包括載波信號(hào)、P 碼（或 Y 碼） 、C/A 碼和數(shù)據(jù)碼（或 D 碼） 等多種信號(hào)分量，其中 P 碼和 C/A 碼統(tǒng)稱為測(cè)距碼。 GPS 衛(wèi)星信號(hào)的產(chǎn)生與構(gòu)成主要考慮了如下因素； （1）適應(yīng)多用戶系統(tǒng)要求。 （2）滿足實(shí)時(shí)定位要求。 （3）滿足高精度定位需要。 （4）滿足軍事保密要求。 2.碼與碼的產(chǎn)生 （1）碼的概念 在現(xiàn)代數(shù)字通信中，廣泛使用二進(jìn)制數(shù)（0 和 1）及其組合，來(lái)表示各種信息。表 達(dá)不同信息的二進(jìn)制數(shù)及其組合

41、，稱為碼。一位二進(jìn)制數(shù)叫一個(gè)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、圖像和文字等通過(guò)量化，并按某種預(yù)定規(guī)則，表示成二 進(jìn)制數(shù)的組合形式，則這一過(guò)程稱為編碼。 在二進(jìn)制數(shù)字化信息的傳輸中，每秒傳輸?shù)谋忍財(cái)?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。 （2）隨機(jī)噪聲碼 南方 GPS 培訓(xùn)教材 13 既然碼是用以表達(dá)各種信息的二進(jìn)制數(shù)的組合，是一組二進(jìn)制的數(shù)碼序列，則這一 序列就可以表達(dá)成以 0 和 1 為幅度的時(shí)間函數(shù)。假設(shè)一組碼序列 u(t)，對(duì)某一時(shí)刻來(lái)說(shuō)， 碼元是 0 或 1 完全是隨機(jī)的，但出現(xiàn)的概率均為 1/2。這種碼元幅度的取值完全無(wú)規(guī)律

42、的碼序列，稱為隨機(jī)碼序列（或隨機(jī)噪聲碼序列） 。它是一種非周期性序列，無(wú)法復(fù)制， 但其自相關(guān)性好。而相關(guān)性的好壞，對(duì)提高利用 GPS 衛(wèi)星碼信號(hào)測(cè)距精度，極其重要。 3.GPS 的測(cè)距碼 GPS 衛(wèi)星所采用的兩種測(cè)距碼，即 C/A 碼和 P 碼（或 Y 碼） ，均屬于偽隨機(jī)碼。 （1）C/A 碼：是由兩個(gè) 10 級(jí)反饋移位寄存器組合而產(chǎn)生。碼長(zhǎng) Nu=210-1=1023 比 特，碼元寬為 Tu=1/f1=0.97752s,（ f1 為基準(zhǔn)頻率 f0 的 10 分之 1，1.023 MHz）,相應(yīng) 的距離為 293.1m。周期為 Tu= Nutu=1ms，數(shù)碼率為 1.023Mbit/s。 C

43、/A 碼的碼長(zhǎng)短，共 1023 個(gè)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(duì)齊誤差為碼元寬度的 100 分之 1，則相應(yīng)的測(cè)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(jí)反饋 移位寄存器構(gòu)成。碼長(zhǎng) Nu2.351014 比特，碼元寬為 tu=1/f0=0.097752s，相應(yīng)的距離 為 29.3m。周期為 Tu= Nutu 267d，數(shù)碼率為 10.23Mbit/s。 P 碼的周期長(zhǎng)，267 天重復(fù)一次，實(shí)際應(yīng)用時(shí) P 碼的周期被分成

44、 38 部分， （每一部 分為 7 天，碼長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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。 2.4.5 GPS 衛(wèi)星的導(dǎo)航電文（數(shù)據(jù)碼） 所謂導(dǎo)航電文，就是包含有關(guān)衛(wèi)星的星歷，衛(wèi)星工作狀態(tài)、時(shí)間系統(tǒng)、衛(wèi)星鐘運(yùn)行 狀態(tài)、導(dǎo)航攝動(dòng)改正、大氣折射改正和

45、 C/A 碼捕獲 P 碼等導(dǎo)航信息的數(shù)據(jù)碼（或 D 碼） 。 導(dǎo)航電文是利用 GPS 進(jìn)行定位的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 導(dǎo)航電文也是二進(jìn)制碼，依規(guī)定格式組成，按幀向外播送。每幀電文含有 1500 比 特，播送速度 50bit/s，每幀播送時(shí)間 30s。 1衛(wèi)星的載波信號(hào)與調(diào)制 GPS 衛(wèi)星信號(hào)包含三種信號(hào)分量：載波、測(cè)距碼和數(shù)據(jù)碼。信號(hào)分量的產(chǎn)生都是在 同一個(gè)基本頻率 f0=10.23MHz 的控制下產(chǎn)生，GPS 衛(wèi)星信號(hào)示意圖如下 南方 GPS 培訓(xùn)教材 14 從上圖中可見(jiàn)，GPS 衛(wèi)星取 L 波段的兩種不同電磁波頻率為載波，L 1 載波頻率為 1575.42MHz，波長(zhǎng)為 19.03cm； L2 載波

46、頻率為 1227.60MHz，波長(zhǎng)為 24.42cm。在 L1 載 波上，調(diào)制有 C/A 碼、P 碼（或 Y 碼）和數(shù)據(jù)碼； L2 載波上，只調(diào)制有 P 碼（或 Y 碼） 和數(shù)據(jù)碼。 在無(wú)線電通信中，為有效地傳播信息，一般將頻率較低的信號(hào)加載到頻率較高的載 波上，此時(shí)頻率較低的信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)。 GPS 衛(wèi)星的測(cè)距碼和數(shù)據(jù)碼是采用調(diào)相技術(shù)調(diào)制到載波上，且調(diào)制碼的幅值只取 0 或 1。如果碼值取 0，則對(duì)應(yīng)的碼狀態(tài)取+1；而碼值取 1 時(shí)，對(duì)應(yīng)碼狀態(tài)為-1，載波和 相應(yīng)的碼狀態(tài)相乘后，即實(shí)現(xiàn)了載波的調(diào)制。 2.衛(wèi)星信號(hào)的解調(diào) 為進(jìn)行載波相位測(cè)量，當(dāng)用戶接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)后，可通過(guò)以下兩種解調(diào)技

47、術(shù) 來(lái)恢復(fù)載波相位。 （1）復(fù)制碼與衛(wèi)星信號(hào)相乘：由于調(diào)制碼的碼值是用1 的碼狀態(tài)來(lái)表示的，當(dāng)把 接收的衛(wèi)星碼信號(hào)與用戶接收機(jī)產(chǎn)生的復(fù)制碼（結(jié)構(gòu)與衛(wèi)星測(cè)距碼信號(hào)完全相同的測(cè)距 碼） ，在兩碼同步的條件下相乘，即可去掉衛(wèi)星信號(hào)中的測(cè)距碼而恢復(fù)原來(lái)的載波。但 此時(shí)恢復(fù)的載波尚含有數(shù)據(jù)碼即導(dǎo)航電文。這種解調(diào)技術(shù)的條件是必須掌握測(cè)距碼的結(jié) 構(gòu)，以便產(chǎn)生復(fù)制碼。 （2）平方解調(diào)技術(shù)：將接收到的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行平方，由于處于+1 狀態(tài)的調(diào)制碼經(jīng) 過(guò)平方后均為+1 ，而+1 對(duì)載波相位不產(chǎn)生影響。故衛(wèi)星信號(hào)平方后，可達(dá)到解調(diào)目的。 采用這種方法，可不必知道調(diào)制碼的結(jié)構(gòu)，但平方解調(diào)后，不僅去掉了衛(wèi)星信號(hào)中的測(cè) 距

48、碼，而且也同時(shí)去掉了導(dǎo)航電文。 2.5 GPS 定位的觀測(cè)量及誤差分析 GPS 的觀測(cè)量，是用戶利用 GPS 進(jìn)行定位的重要依據(jù)之一。在這里我們?cè)谝陨舷?關(guān)預(yù)備知識(shí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步介紹利用 GPS 進(jìn)行定位的基本方法和觀測(cè)量的類型并詳細(xì) 基本頻率 10.23MHz L1載波 1575.42MHz L2載波 1227.60MHz C/A碼 1.023MHz P碼 10.23MHz P碼 10.23MHz 數(shù)據(jù)碼 50BPS 數(shù)據(jù)碼 50BPS 154 120 10 204600 南方 GPS 培訓(xùn)教材 15 地說(shuō)明 GPS 觀測(cè)量地誤差來(lái)源，以及減弱其影響的措施。 2.5.1 GPS 定位的方法

49、與觀測(cè)量 1.定位方法分類 按參考點(diǎn)的不同位置劃分為： （1）絕對(duì)定位（單點(diǎn)定位）：在地球協(xié)議坐標(biāo)系中，確定觀測(cè)站相對(duì)地球質(zhì)心的 位置。 （2）相對(duì)定位：在地球協(xié)議坐標(biāo)系中，確定觀測(cè)站與地面某一參考點(diǎn)之間的相對(duì) 位置。 按用戶接收機(jī)作業(yè)時(shí)所處的狀態(tài)劃分： （1）靜態(tài)定位：在定位過(guò)程中，接收機(jī)位置靜止不動(dòng)，是固定的。靜止?fàn)顟B(tài)只是 相對(duì)的，在衛(wèi)星大地測(cè)量中的靜止?fàn)顟B(tài)通常是指待定點(diǎn)的位置相對(duì)其周圍點(diǎn)位沒(méi)有發(fā)生 變化，或變化極其緩慢，以致在觀測(cè)期內(nèi)可以忽略。 （2）動(dòng)態(tài)定位：在定位過(guò)程中，接收機(jī)天線處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 在絕對(duì)定位和相對(duì)定位中，又都包含靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種形式。 2.觀測(cè)量的基本概念 無(wú)論采取何種

50、 GPS 定位方法，都是通過(guò)觀測(cè) GPS 衛(wèi)星而獲得某種觀測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 GPS 衛(wèi)星信號(hào)含有多種定位信息，根據(jù)不同的要求，可以從中獲得不同的觀測(cè)量，主要 包括： 根據(jù)碼相位觀測(cè)得出的偽距。 根據(jù)載波相位觀測(cè)得出的偽距。 由積分多普勒計(jì)數(shù)得出的偽距。 由干涉法測(cè)量得出的時(shí)間延遲。 采用積分多普勒計(jì)數(shù)法進(jìn)行定位時(shí)，所需觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，一般數(shù)小時(shí)，同時(shí)觀測(cè)過(guò) 程中，要求接收機(jī)的震蕩器保持高度穩(wěn)定。 干涉法測(cè)量時(shí)，所需設(shè)備較昂貴，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。 這兩種方法在 GPS 定位中，尚難以獲得廣泛應(yīng)用。 目前廣泛應(yīng)用的基本觀測(cè)量主要有碼相位觀測(cè)量和載波相位觀測(cè)量。 所謂碼相位觀測(cè)是測(cè)量 GPS 衛(wèi)星發(fā)射的測(cè)距

51、碼信號(hào)（C/A 碼或 P 碼）到達(dá)用戶接 收機(jī)天線（觀測(cè)站）的傳播時(shí)間。也稱時(shí)間延遲測(cè)量。 載波相位觀測(cè)是測(cè)量接收機(jī)接收到的具有多普勒頻移的載波信號(hào)，與接收機(jī)產(chǎn)生的 參考載波信號(hào)之間的相位差。 由于載波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于碼長(zhǎng)，C/A 碼碼元寬度 293m，P 碼碼元寬度 29.3m，而 L1 載波波長(zhǎng)為 19.03cm， L2 載波波長(zhǎng)為 24.42cm，在分辨率相同的情況下， L1 載波的觀 測(cè)誤差約為 2.0mm， L2 載波的觀測(cè)誤差約為 2.5mm。而 C/A 碼觀測(cè)精度為 2.9m，P 碼 為 0.29m。載波相位觀測(cè)是目前最精確的觀測(cè)方法。 載波相位觀測(cè)的主要問(wèn)題：無(wú)法直接測(cè)定衛(wèi)星載波信

52、號(hào)在傳播路徑上相位變化的整 南方 GPS 培訓(xùn)教材 16 周數(shù)，存在整周不確定性問(wèn)題。此外，在接收機(jī)跟蹤 GPS 衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)過(guò)程中，常常由 于接收機(jī)天線被遮擋、外界噪聲信號(hào)干擾等原因，還可能產(chǎn)生整周跳變現(xiàn)象。有關(guān)整周 不確定性問(wèn)題，通常可通過(guò)適當(dāng)數(shù)據(jù)處理而解決，但將使數(shù)據(jù)處理復(fù)雜化。 上述通過(guò)碼相位觀測(cè)或載波相位觀測(cè)所確定的衛(wèi)星距離都不可避免地含有衛(wèi)星鐘與 接收機(jī)鐘非同步誤差的影響，含鐘差影響的距離通常稱為偽距。由碼相位觀測(cè)所確定的 偽距簡(jiǎn)稱測(cè)碼偽距，由載波相位觀測(cè)所確定的偽距簡(jiǎn)稱為測(cè)相偽距。 2.5.2 觀測(cè)量的誤差來(lái)源及其影響 GPS 定位中，影響觀測(cè)量精度的主要誤差來(lái)源分為三類： 與衛(wèi)

53、星有關(guān)的誤差。 與信號(hào)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。 測(cè)碼偽距的等效距離誤差(單位：米 ) 誤差來(lái)源 誤差來(lái)源分解 P 碼 C/A 碼 衛(wèi)星 星歷與模型誤差 鐘差與穩(wěn)定度 衛(wèi)星攝動(dòng) 相位不確定性 其它 合計(jì) 4.2 3.0 1.0 0.5 0.9 5.4 4.2 3.0 1.0 0.5 0.9 5.4 信號(hào)傳播 電離層折射 對(duì)流層折射 多路徑效應(yīng) 其它 合計(jì) 2.3 2.0 1.2 0.5 3.3 5.0-10.0 2.0 1.2 0.5 5.5-10.3 接收機(jī) 接收機(jī)噪聲 其它 合計(jì)

54、 1.0 0.5 1.1 7.5 0.5 7.5 總計(jì) 6.4 10.8-13.6 根據(jù)誤差的性質(zhì)可分為： （1）系統(tǒng)誤差：主要包括衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差、以及大氣折 射的誤差等。為了減弱和修正系統(tǒng)誤差對(duì)觀測(cè)量的影響，一般根據(jù)系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因 而采取不同的措施，包括： 引入相應(yīng)的未知參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中聯(lián)同其它未知參數(shù)一并求解。 南方 GPS 培訓(xùn)教材 17 建立系統(tǒng)誤差模型，對(duì)觀測(cè)量加以修正。 將不同觀測(cè)站，對(duì)相同衛(wèi)星的同步觀測(cè)值求差，以減弱和消除系統(tǒng)誤差的影響。 簡(jiǎn)單地忽略某些系統(tǒng)誤差的影響。 （2）偶然誤差：包括多路徑效應(yīng)誤差和觀測(cè)誤差等。 1.與衛(wèi)星有關(guān)的誤差 （1）衛(wèi)星

55、鐘差 GPS 觀測(cè)量均以精密測(cè)時(shí)為依據(jù)。GPS 定位中，無(wú)論碼相位觀測(cè)還是載波相位觀測(cè)， 都要求衛(wèi)星鐘與接收機(jī)鐘保持嚴(yán)格同步。實(shí)際上，盡管衛(wèi)星上設(shè)有高精度的原子鐘，仍 不可避免地存在鐘差和漂移，偏差總量約在 1 ms 內(nèi)，引起的等效距離誤差可達(dá) 300km。 衛(wèi)星鐘的偏差一般可通過(guò)對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測(cè)精確地確定，并用二階多項(xiàng)式 表示：tj=a 0+a1(t-t0e)+a2(t-t0e)2。式中的參數(shù)由主控站測(cè)定，通過(guò)衛(wèi)星的導(dǎo)航電文提供給 用戶。 經(jīng)鐘差模型改正后，各衛(wèi)星鐘之間的同步差保持在 20ns 以內(nèi)，引起的等效距離偏 差不超過(guò) 6m。衛(wèi)星鐘經(jīng)過(guò)改正的殘差，在相對(duì)定位中，可通過(guò)觀測(cè)量求

56、差（差分）方 法消除。 （2）衛(wèi)星軌道偏差： 由于衛(wèi)星在運(yùn)動(dòng)中受多種攝動(dòng)力的復(fù)雜影響，而通過(guò)地面監(jiān)測(cè)站又難以可靠地測(cè)定 這些作用力并掌握其作用規(guī)律，因此，衛(wèi)星軌道誤差的估計(jì)和處理一般較困難。目前， 通過(guò)導(dǎo)航電文所得的衛(wèi)星軌道信息，相應(yīng)的位置誤差約 20-40m。隨著攝動(dòng)力模型和定 軌技術(shù)的不斷完善，衛(wèi)星的位置精度將可提高到 5-10m。衛(wèi)星的軌道誤差是當(dāng)前 GPS 定 位的重要誤差來(lái)源之一。 GPS 衛(wèi)星到地面觀測(cè)站的最大距離約為 25000km，如果基線測(cè)量的允許誤差為 1cm，則當(dāng)基線長(zhǎng)度不同時(shí)，允許的軌道誤差大致如下表所示。從表中可見(jiàn)，在相對(duì)定 位中，隨著基線長(zhǎng)度的增加，衛(wèi)星軌道誤差將成

57、為影響定位精度的主要因素。 GPS 衛(wèi)星到地面觀測(cè)站的最大距離約為 25000km，如果基線測(cè)量的允許誤差為 1cm，則當(dāng)基線長(zhǎng)度不同時(shí)，允許的軌道誤差大致如下表所示。從表中可見(jiàn)，在相對(duì)定 位中，隨著基線長(zhǎng)度的增加，衛(wèi)星軌道誤差將成為影響定位精度的主要因素。 基線長(zhǎng)度 基線相對(duì)誤差 容許軌道誤差 1.0km 1010-6 250.0m 10.km 110-6 25.0m 100.0km 0.110-6 2.5m 1000.0km 0.0110-6 0.25m 在 GPS 定位中，根據(jù)不同要求，處理軌道誤差的方法原則上有三種； 忽略軌道誤差：廣泛用于實(shí)時(shí)單點(diǎn)定位。 南方 GPS 培訓(xùn)教材 18

58、采用軌道改進(jìn)法處理觀測(cè)數(shù)據(jù)：衛(wèi)星軌道的偏差主要由各種攝動(dòng)力綜合作用而產(chǎn) 生，攝動(dòng)力對(duì)衛(wèi)星 6 個(gè)軌道參數(shù)的影響不相同，而且在對(duì)衛(wèi)星軌道攝動(dòng)進(jìn)行修正時(shí)，所 采用的各攝動(dòng)力模型精度也不一樣。因此在用軌道改進(jìn)法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，根據(jù)引入軌 道偏差改正數(shù)的不同，分為短弧法和半短弧法。 短弧法：引入全部 6 個(gè)軌道偏差改正，作為待估參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中與其它待估參 數(shù)一并求解?？擅黠@減弱軌道偏差影響，但計(jì)算工作量大。 半短弧法：根據(jù)攝動(dòng)力對(duì)軌道參數(shù)的不同影響，只對(duì)其中影響較大的參數(shù)，引入相 應(yīng)的改正數(shù)作為待估參數(shù)。據(jù)分析，目前該法修正的軌道偏差不超過(guò) 10m，而計(jì)算量明 顯減小。 同步觀測(cè)值求差：由于同一衛(wèi)

59、星的位置誤差對(duì)不同觀測(cè)站同步觀測(cè)量的影響具有 系統(tǒng)性。利用兩個(gè)或多個(gè)觀測(cè)站上對(duì)同一衛(wèi)星的同步觀測(cè)值求差，可減弱軌道誤差影響。 當(dāng)基線較短時(shí)，有效性尤其明顯，而對(duì)精密相對(duì)定位，也有極其重要意義。 2.衛(wèi)星信號(hào)傳播誤差 （1）電離層折射影響：主要取決于信號(hào)頻率和傳播路徑上的電子總量。通常采取 的措施： 利用雙頻觀測(cè)：電離層影響是信號(hào)頻率的函數(shù)，利用不同頻率電磁波信號(hào)進(jìn)行觀 測(cè)，可確定其影響大小，并對(duì)觀測(cè)量加以修正。其有效性不低于 95%. 利用電離層模型加以修正：對(duì)單頻接收機(jī)，一般采用由導(dǎo)航電文提供的或其它適 宜電離層模型對(duì)觀測(cè)量進(jìn)行改正。目前模型改正的有效性約為 75%，至今仍在完善中。 利用同

60、步觀測(cè)值求差：當(dāng)觀測(cè)站間的距離較近（小于 20km）時(shí)，衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)不 同觀測(cè)站的路徑相近，通過(guò)同步求差，殘差不超過(guò) 10-6。 （2）對(duì)流層的影響 對(duì)流層折射對(duì)觀測(cè)量的影響可分為干分量和濕分量?jī)刹糠?。干分量主要與大氣溫度 和壓力有關(guān)，而濕分量主要與信號(hào)傳播路徑上的大氣濕度和高度有關(guān)。目前濕分量的影 響尚無(wú)法準(zhǔn)確確定。對(duì)流層影響的處理方法： 定位精度要求不高時(shí)，忽略不計(jì)。 采用對(duì)流層模型加以改正。 引入描述對(duì)流層的附加待估參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中求解。 觀測(cè)量求差。 （3）多路徑效應(yīng)：也稱多路徑誤差，即接收機(jī)天線除直接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)外， 還可能收到經(jīng)天線周圍地物一次或多次反射的衛(wèi)星信號(hào)。兩種信號(hào)

61、迭加，將引起測(cè)量參 考點(diǎn)位置變化，使觀測(cè)量產(chǎn)生誤差。在一般反射環(huán)境下，對(duì)測(cè)碼偽距的影響達(dá)米級(jí)，對(duì) 測(cè)相偽距影響達(dá)厘米級(jí)。在高反射環(huán)境中，影響顯著增大，且常常導(dǎo)致衛(wèi)星失鎖和產(chǎn)生 周跳。改善措施： 安置接收機(jī)天線的環(huán)境應(yīng)避開(kāi)較強(qiáng)發(fā)射面，如水面、平坦光滑的地面和建筑表面。 選擇造型適宜且屏蔽良好的天線如扼流圈天線。 適當(dāng)延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間，削弱周期性影響。 南方 GPS 培訓(xùn)教材 19 改善接收機(jī)的電路設(shè)計(jì)。 3.接收設(shè)備有關(guān)的誤差 主要包括觀測(cè)誤差、接收機(jī)鐘差、天線相位中心誤差和載波相位觀測(cè)的整周不確定 性影響。 （1）觀測(cè)誤差：除分辨誤差外，還包括接收天線相對(duì)測(cè)站點(diǎn)的安置誤差。分辨誤 差一般認(rèn)為約為信

62、號(hào)波長(zhǎng)的 1%。安置誤差主要有天線的置平與對(duì)中誤差和量取天線相 位中心高度（天線高）誤差。例如當(dāng)天線高 1.6m ,置平誤差 0.10，則對(duì)中誤差為 2.8mm。 （2）接收機(jī)鐘差 GPS 接收機(jī)一般設(shè)有高精度的石英鐘，日頻率穩(wěn)定度約為 10-11。如果接收機(jī)鐘與 衛(wèi)星鐘之間的同步差為 1s，則引起的等效距離誤差為 300m。處理接收機(jī)鐘差的方法： 作為未知數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中求解。 利用觀測(cè)值求差方法，減弱接收機(jī)鐘差影響。 定位精度要求較高時(shí)，可采用外接頻標(biāo)，如銣、銫原子鐘，提高接收機(jī)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn) 精度。 （3）載波相位觀測(cè)的整周未知數(shù) 無(wú)法直接確定載波相位相應(yīng)起始?xì)v元在傳播路徑上變化的整周數(shù)。同時(shí)

63、存在因衛(wèi)星 信號(hào)被阻擋和受到干擾，而產(chǎn)生信號(hào)跟蹤中斷和整周變跳。 （4）天線相位中心位置偏差 GPS 定位中，觀測(cè)值都是以接收機(jī)天線的相位中心位置為準(zhǔn)，在理論上，天線相位 中心與儀器的幾何中心應(yīng)保持一致。實(shí)際上，隨著信號(hào)輸入的強(qiáng)度和方向不同而有所變 化，同時(shí)與天線的質(zhì)量有關(guān)，可達(dá)數(shù)毫米至數(shù)厘米。如何減小相位中心的偏移，是天線 設(shè)計(jì)的一個(gè)迫切問(wèn)題。 5. 其它誤差來(lái)源 （1）地球自轉(zhuǎn)影響 在 GPS 定位中，除了上述各種誤差外，衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘震蕩器的隨機(jī)誤差、大 氣折射模型和衛(wèi)星軌道攝動(dòng)模型誤差、地球潮汐以及信號(hào)傳播的相對(duì)論效應(yīng)等都會(huì)對(duì)觀 測(cè)量產(chǎn)生影響。 為提高長(zhǎng)距離相對(duì)定位的精度，滿足地球動(dòng)

64、力學(xué)研究要求，研究這些誤差來(lái)源，并 確定它們的影響規(guī)律和改正方法，有重要意義。 南方 GPS 培訓(xùn)教材 20 第三章 GPS 系統(tǒng)的定位原理 GPS 的定位原理：衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時(shí)間信息，用戶接收到這些 信息后，經(jīng)過(guò)計(jì)算求出接收機(jī)的三維位置，三維方向以及運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間信息。它廣泛 的應(yīng)用于導(dǎo)航和測(cè)量定位工作中。本章將主要介紹絕對(duì)定位和相對(duì)定位的方法及原理， 考慮到絕對(duì)定位的精度，與被觀測(cè)衛(wèi)星的幾何分布密切相關(guān)，所以在這里還將介紹衛(wèi)星 的幾何分布對(duì)定位精度的影響。 3.1 絕對(duì)定位原理 3.1.1 絕對(duì)定位方法概述 絕對(duì)定位也叫單點(diǎn)定位，通常是指在協(xié)議地球坐標(biāo)系（例如 WGS-8

65、4 坐標(biāo)系）中， 直接確定觀測(cè)站，相對(duì)于坐標(biāo)系原點(diǎn)絕對(duì)坐標(biāo)的一種定位方法。 “絕對(duì)”一詞，主要是 為了區(qū)別以后將要介紹的相對(duì)定位方法。絕對(duì)定位和相對(duì)定位，在觀測(cè)方式、數(shù)據(jù)處理、 定位精度以及應(yīng)用范圍等方面均有原則上的區(qū)別。 利用 GPS 進(jìn)行絕對(duì)定位的基本原理，是以 GPS 衛(wèi)星和用戶接收機(jī)天線之間的距離 （或距離差）觀測(cè)量為基礎(chǔ)，并根據(jù)已知的衛(wèi)星瞬時(shí)坐標(biāo)，來(lái)確定用戶接收機(jī)的點(diǎn)位， 即觀測(cè)站的位置。 GPS 絕對(duì)定位方法的實(shí)質(zhì)，即是測(cè)量學(xué)中的空間距離后方交會(huì)。如圖 31 所示： 圖 31 單點(diǎn)定位原理示意圖 在個(gè)觀測(cè)站上，有 4 個(gè)獨(dú)立的衛(wèi)星距離觀測(cè)量。假設(shè) t 時(shí)刻在地面待測(cè)點(diǎn)上安置 GPS

66、 接收機(jī)，可以測(cè)定 GPS 信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間t ，再加上接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星 南方 GPS 培訓(xùn)教材 21 星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定以下四個(gè)方程式： 上述四個(gè)方程式中 x、y、z 為待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)，Vto 為接收機(jī)的鐘差為未知參數(shù)，其中 di=ct i，(i=1、2、3、4)，di 分別為衛(wèi)星到接收機(jī)之間的距離，t i 分別為衛(wèi)星的 信號(hào)到達(dá)接收機(jī)所經(jīng)歷的時(shí)間，x i 、y i 、z i 為衛(wèi)星在 t 時(shí)刻的空間直角坐標(biāo)，Vt i 為衛(wèi) 星鐘的鐘差，c 為光速。 由以上四個(gè)方程即可解算出待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo) x、y、z 和接收機(jī)的鐘差 Vto。 這時(shí)候就有人說(shuō)了，干嘛要四顆衛(wèi)星呢三顆不就夠了嗎？想想還蠻有道理的，三個(gè) 球面，交匯于一點(diǎn)，不就可以定出接收機(jī)所在的位置了嗎？但是實(shí)際上，GPS 接收器在 僅接收到三顆衛(wèi)星的有效信號(hào)的情況下只能確定二維坐標(biāo)即經(jīng)度和緯度，只有收到四顆 或四顆以上的有效 GPS 衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，才能完成包含高度的 3D 定位。這是為什么呢？ 問(wèn)題出在時(shí)間上。先來(lái)看一顆衛(wèi)星，它在一個(gè)規(guī)定的時(shí)間發(fā)送一組信號(hào)到地面，比 如說(shuō)每天 8：00 整開(kāi)始發(fā)送一組信號(hào)，如果地面接收機(jī)就在 8