GPS（全球定位系統(tǒng)）開發(fā)與應(yīng)用【一份非常好的專業(yè)資料有很好的參考價值】

目 錄 1 GPS（全球定位系統(tǒng)） 開發(fā)與應(yīng)用 目 錄 2 前 言 全球定位系統(tǒng)（Global Positioning SystemGPS ）是美國國防部主要為滿足軍事部 門對海上、陸地和空中設(shè)施進行高精度導航和定位的要求而建立的。GPS 作為新一代導 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）已成為美國導航技術(shù)現(xiàn) 代化的重要標志，并且被視為本世紀美國繼阿波羅登月計劃和航天飛機計劃之后又一重 大科技成就。 目前，GPS 精密定位及時已經(jīng)滲透到了經(jīng)濟建設(shè)和科學技術(shù)的許多領(lǐng)域，尤其對經(jīng) 典測量學的各個方面產(chǎn)生了極其深刻的影響。它在大地測量學及其相關(guān)領(lǐng)域，如地球動 力學、海洋大地測量學、天文學、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、運動目標的測速以及精密時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，高精度定位技術(shù)在我國已得到蓬勃發(fā)展。在我國大地測量、精密工程測量。 地殼運動監(jiān)測、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，進一 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產(chǎn)測量型 GPS 的產(chǎn)生和發(fā)展，靜態(tài)測量型 GPS 已經(jīng)在國 內(nèi)全面普及。隨著急速的的發(fā)展 RTK 動態(tài)測量型 GPS 也將更廣泛的應(yīng)用于國內(nèi)測量的 各個領(lǐng)域，從而將為國家的經(jīng)濟建設(shè)、國防建設(shè)的發(fā)展做出新的奉獻。 本書的編寫目的，主要在于適應(yīng) GPS 衛(wèi)星測量發(fā)展的需要，向廣大 GPS 測量用戶 比較全面地介紹 GPS 衛(wèi)星測量的原理、基礎(chǔ)知識和主流測量型 GPS 系統(tǒng)的操作，以利 于這一新技術(shù)在測量行業(yè)的應(yīng)用和普及，為測量技術(shù)手段的提高而服務(wù)。 全文共分六章，其中第一章為緒論，簡要的介紹了衛(wèi)星導航與定位技術(shù)的特點和構(gòu) 成概況，以便于讀者對 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，包括 GPS 的坐標系統(tǒng)、時間系統(tǒng)，GPS 信號的構(gòu)測和傳播方式，GPS 信號的 觀測量和誤差分析。了解這些 GPS 定位的基礎(chǔ)知識對于掌握 GPS 測量的基本原理和理 解 GPS 測量施工的方法來說是必要的。第三章主要介紹 GPS 的定位原理中最基礎(chǔ)的絕 對定位原理以及測量中最普遍利用的相對定位原理。第四章闡述了 GPS 測量和經(jīng)典相互 聯(lián)系的坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換和投影的內(nèi)容。第五章重點介紹 GPS 測量實施的主要過程，作業(yè)的 基本方法和原則。第六章通過具體的接收機操作介紹 GPS 在測量領(lǐng)域的主要應(yīng)用。 GPS 衛(wèi)星測量學是由多學科相互滲透而形成的一門新興科學，其理論和實踐工作在 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，說中錯誤 與不當之處在所難免，誠懇歡迎讀者批評。 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 .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 .5 2.1 GPS 定位的坐標系統(tǒng) .5 2.2 GPS 定位的時間系統(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 .9 2.4.1 電磁波的介紹 .9 2.4.2 大氣層對 GPS 信號傳播的影響 .10 2.4.3 GPS 衛(wèi)星的測距碼信號 .11 2.4.5 GPS 衛(wèi)星的導航電文（數(shù)據(jù)碼） .12 2.5 GPS 定位的觀測量及誤差分析 .13 2.5.1 GPS 定位的方法與觀測量 .14 2.5.2 觀測量的誤差來源及其影響 .15 第三章 GPS 系統(tǒng)的定位原理 .19 3.1 絕對定位原理 .19 3.1.1 絕對定位方法概述 .19 3.1.2 動態(tài)絕對定位原理 .21 3.1.3 靜態(tài)絕對定位原理 .23 3.1.4 觀測衛(wèi)星的幾何分布及其對絕對定位精度的影響 .24 3.2 相對定位原理 .25 3.2.1 相對定位方法的概述 .25 3.2.2 靜態(tài)相對定位方程 .27 3.2.3 準動態(tài)相對定位模型 .31 3.2.4 動態(tài)相對定位的觀測方程 .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 的高程系統(tǒng) .36 第四章 坐標系統(tǒng)與投影 .39 4.1 坐標系統(tǒng)與投影 .39 4.2 GPS 術(shù)語 .44 目 錄 4 第五章 GPS 測量的實施 .46 5.1 接收機類型 .46 5.2 GPS 測量實施 .48 5.2.1 GPS 網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計 .48 5.2.2 選點與埋石 .51 5.2.3 GPS 測量的觀測工作 .52 第六章 GPS 定位技術(shù)在測量中的應(yīng)用 .56 6.1 GPS 定位技術(shù)在平面控制測量方面的應(yīng)用 .56 6.1.1 靜態(tài)相對定位模式 .56 6.1.2 南方 9600 靜態(tài) GPS 的應(yīng)用 .56 6.2 后差分動態(tài)相對定位模式 .69 6.3 動態(tài)測量 .70 南方 GPS 培訓教材 1 第一章 緒 論 GPS（Global Positioning System）即全球定位系統(tǒng)，是由美國建立的一個衛(wèi)星導航 定位系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)，用戶可以在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)全天候、連續(xù)、實時的三維導航定 位和測速；另外，利用該系統(tǒng)，用戶還能夠進行高精度的時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，在測量工作方面 GPS 定位技術(shù) 在大地測量，工程測量，工程與地殼變形監(jiān)測、地籍測量，航空攝影測量和海洋測量等 各個領(lǐng)域的應(yīng)用已甚為普及。正因為 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 世紀最重大的科技成就之一。 1.1 GPS 系統(tǒng)的特點 1GPS 相對于其他導航系統(tǒng)的特點 從 1978 年發(fā)射第一顆 GPS 試驗衛(wèi)星以來，利用該系統(tǒng)進行定位的研究、開發(fā)和實 驗工作，發(fā)展異常迅速。理論與實踐表明，GPS 同其他導航系統(tǒng)相比，其主要優(yōu)點如下： 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， 均可連續(xù)地同步觀測到至少 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)地提供動態(tài)目標的三維位置、三維速度和 時間信息。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、測速和測時的精度將進 一步提高。 實時定位。利用全球定位系統(tǒng)導航，可以實時地確定運動目標的三維位置和速度， 由此即可保障運動載體沿預(yù)定航線的運行，也可以實時地監(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，在導航方 面，它不僅已廣泛地用于海上、空中和陸地運動目標的導航，而且，在運動目標的監(jiān)控 與管理，以及運動目標的報警與救援等方面，也已獲得了成功地應(yīng)用；在測量工作方面， 這一定位技術(shù)在大地測量，工程測量，工程與地殼變形監(jiān)測、地籍測量，航空攝影測量 和海洋測繪等各個領(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航的需要而建立的，所以上述優(yōu)點，對 軍事上的動態(tài)目標的導航，具有十分重要的意義。正因為如此，美國政府把發(fā)展 GPS 技 術(shù)作為導航技術(shù)現(xiàn)代化的重要標志，并把這一技術(shù)，視為 20 世紀最重要的科技成就之 一。 2GPS 定位技術(shù)相對于經(jīng)典測量技術(shù)的優(yōu)點 GPS 定位技術(shù)的高度自動化和所達到的定位精度及其潛力（如下圖） ，使廣大測量 南方 GPS 培訓教材 2 工作者產(chǎn)生了極大的興趣。尤其從 1982 年第一代測量型無碼 GPS 接收機 Macrometer V- 1000 投入市場以來，在應(yīng)用基礎(chǔ)的研究、應(yīng)用領(lǐng)域的開拓、硬件和軟件的開發(fā)等方面， 都得到蓬勃發(fā)展。廣泛的實驗活動為 GPS 精密定位技術(shù)在測量工作中的應(yīng)用，展現(xiàn)了廣 闊的前景。 相對于經(jīng)典的測量技術(shù)來說，這一新技術(shù)的主要特點如下： （1）觀測站之間無需通視。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)，這一直是經(jīng)典測量技術(shù)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。這一優(yōu)點即可大大減少測量工作的經(jīng)費和時間 （一般造標費用約占總經(jīng)費的 30%50%） ，同時也使點位的選擇變得甚為靈活。 不過也應(yīng)指出，GPS 測量雖不要求觀測站之間相互通視，但必須保持觀測站的上空 開闊（凈空） ，以使接收 GPS 衛(wèi)星的信號不受干擾。 （2）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 對定位精度可達到 12*10-6，而在 100KM500KM 的基線上可達到 10-610-7。隨著光測 技術(shù)與數(shù)據(jù)處理方法的改善，可望在 1000km 的距離上，相對定位精度達到或優(yōu)于 10- 8。 （3）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。 （4）提供三維坐標。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面的形狀和確定地面點 的高程開辟了新途徑，同時也為其在航空物探、航空攝影測量及精密導航中的應(yīng)用，提 供了重要的高程數(shù)據(jù)。 （5）操作簡便。GPS 測量的自動化程度很高，在觀測中的測量員的主要任務(wù)只是 安裝并開關(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 培訓教材 3 測工作，如衛(wèi)星的捕獲、跟蹤觀測和記錄等均有儀器自動完成。另外，GPS 用戶接收機 一般重量較輕、體積較小，例如南方的 S-80 雙頻 GPS 接收機，重量約為 1.25kg，體積 為 3500 ，因為攜帶和搬運都很方便。3cm （6）全天候作業(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。所以，GPS 定位技術(shù)的發(fā)展，對于經(jīng)典的測量技術(shù)是一次重大 的突破。一方面，它使經(jīng)典的測量理論與方法產(chǎn)生了深刻的變革，另一方面，也進一步 加強了測量學與其他學科之間的相互滲透，從而促進科測繪科學技術(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 顆為可用于導航的衛(wèi)星，3 顆為活動的備用衛(wèi)星 1。這 24 顆衛(wèi) 星分布在 6 個傾角為 55的軌道上繞地球運行。衛(wèi)星的運行周期約為 12 恒星時。每顆 GPS 工作衛(wèi)星都發(fā)出用于導航定位的信號。GPS 用戶正是利用這些信號來進行工作的。 2 控制部分 GPS 的控制部分由分布在全球的由若干個跟蹤站所組成的監(jiān)控系統(tǒng)所構(gòu)成，根據(jù)其 1 實際上這 3 顆備用衛(wèi)星同樣可用于導航定位。 南方 GPS 培訓教材 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，位于美國 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 GPS 的觀測數(shù)據(jù)，計算出衛(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)通過注入站注入 到衛(wèi)星中去；同時，它還對衛(wèi)星進行控制，向衛(wèi)星發(fā)布指令，當工作衛(wèi)星出現(xiàn)故障時， 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，除了主控站外，其它四個分別位于夏威夷（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，監(jiān)測衛(wèi)星的工作狀態(tài)；注入站有三個，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 的用戶部分由 GPS 接收機、數(shù)據(jù)處理軟件及相應(yīng)的用戶設(shè)備如計算機氣象儀 器等所組成。它的作用是接收 GPS 衛(wèi)星所發(fā)出的信號，利用這些信號進行導航定位等工 作。 目前，國際、國內(nèi)適用于測量的 GPS 接收機產(chǎn)品眾多，更新更快，許多測量單位也 擁有了一些不同型號的 GPS 接收機，在本書的最后一章，以南方公司的 GPS 接收機為 例介紹 GPS 接收設(shè)備。 南方 GPS 培訓教材 5 南方 GPS 培訓教材 6 第二章 GPS 系統(tǒng)定位的基礎(chǔ)知識 GPS 系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識包括幾方面的內(nèi)容：GPS 定位的坐標系統(tǒng)和時間系統(tǒng)，GPS 衛(wèi) 星的星歷情況，GPS 衛(wèi)星信號的相關(guān)知識。了解這些 GPS 的基礎(chǔ)知識對于掌握 GPS 測 量的基本原理來說是必要的。 掌握 GPS 系統(tǒng)定位原理涉及的 GPS 定位的基本方法、單點定位和相對定位等概念， 能有助于使用者在進行 GPS 測量工作中更主動的掌握 GPS 的施測方法與要求，更有效 的利用 GPS 接收機硬件與軟件進行測量工作。 2.1 GPS 定位的坐標系統(tǒng) 坐標系統(tǒng)與時間系統(tǒng)是描述衛(wèi)星運動，處理觀測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星觀測位置的數(shù)學與 物理基礎(chǔ)，了解常用坐標系統(tǒng)和時間系統(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量基準及其轉(zhuǎn)換。 1 經(jīng)典大地測量基準 從幾何意義上說，大地測量基準是由一組確定測量參考系在地球內(nèi)部的位置和方向 以及描述參考面的形狀和大小的參數(shù)來表達的。在經(jīng)典大地測量學中，為了便于觀測成 果的處理和坐標計算，一般都選擇一個橢球面作為計算的參考面，并確定其在地球內(nèi)部 的位置和方向，這樣建立大地坐標系與確立大地測量基準問題是一致的。 由于參考橢球的幾何特征，對于測量計算工作具有特別重要的意義，所以長期以來， 在大地測量學中對地球橢球的描述，一般只是強調(diào)了表征橢球幾何特性的兩個參數(shù)，即 橢球的長半軸 a 及其扁率 f（或橢球的短半軸 b）。例如，我國 1954 年的北京大地坐 標系，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，建立大地坐標系（或者確定大地測量基準）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作為大地基 準點（或大地原地），并且利用該點的天文與水準觀測量來實現(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，一般來說，具有相當?shù)娜我庑?。但考慮到地 區(qū)性測量計算工作的方便，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 培訓教材 7 可見利用經(jīng)典的大地測量技術(shù)，建立全球統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)是極為困難，同時也是為了方 便本地區(qū)的大地測量工作，所以，各國都建立和保持了各自獨立的地區(qū)性大地坐標系統(tǒng)。 這些地區(qū)性大地坐標系統(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，具有不同的大地測量基準。 不同坐標系統(tǒng)之間大地測量基準的差異，只有通過大地聯(lián)測，根據(jù)公共點的坐標之 差來確定。但是，由于觀測誤差的影響，由此所確定的大地基準轉(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，坐標系中公共點的數(shù)量和分布、坐標的精 度和數(shù)據(jù)處理方法。 2 衛(wèi)星大地測量基準 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目標。所以，為了確定用 戶接收機的位置，GPS 衛(wèi)星的瞬時位置，通常也應(yīng)化算到統(tǒng)一的地球坐標系統(tǒng)。 目前 GPS 衛(wèi)星瞬時位置的計算采用了大地坐標系統(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 的大地測量基準，要比在經(jīng)典大地測量中，定 義參考地球坐標系的大地基準復(fù)雜得多。這是將涉及到地球重力場模型、地極運動模型、 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)議地球坐標系中得坐標等因素。盡管如此，GPS 大地測量基準，仍可表達為一 組確定 GPS 坐標系在地球內(nèi)部位置和方向的參數(shù)為： a6378137 （m） f1/298.25 確定地區(qū)性坐標系統(tǒng)與全球坐標系的大地測量基準差，并進行兩坐標系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn) 換，是 GPS 測量應(yīng)用中經(jīng)常遇到的一個重要問題。這兩個坐標系統(tǒng)間的大地基準之差， 通常應(yīng)通過聯(lián)合處理公共點的坐標來確定。這時，所求大地基準轉(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)，又與公共點坐標的精度、數(shù)量和分布有關(guān)。有關(guān)的細 節(jié)操作，請參閱第四章第一節(jié)。 2.2 GPS 定位的時間系統(tǒng) 在 GPS 衛(wèi)星定位中，時間系統(tǒng)的重要意義主要表現(xiàn)： 1GPS 衛(wèi)星作為一個高空觀測目標，其位置是不斷變化的。因此在給出衛(wèi)星運行 位置的同時，必須給出相應(yīng)的瞬間時刻。例如，當要求 GPS 衛(wèi)星的位置誤差小于 1cm 時，則相應(yīng)的時刻誤差應(yīng)小于 2.610-6 秒。 （1）GPS 定位是通過接收和處理 GPS 衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號，來確定用戶接收機 （即觀測站）至衛(wèi)星間的距離（或距離差） ，進而確定觀測站的位置。因此，準確地測 定觀測站至衛(wèi)星的距離，必須精密地測定信號的傳播時間。如果要求上述距離誤差小于 1cm，則信號傳布產(chǎn)生測定誤差，應(yīng)不超過 310-11 秒。 （2）由于地球的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，在天球坐標系中，地球上點的位置是不斷變化的。若 南方 GPS 培訓教材 8 要求赤道上一點的位置誤差不超過 1cm，則時間的測定誤差需小于 210-5 秒。 顯然，利用 GPS 進行精密的導航與測量，盡可能獲得高精度的時間信息，其意義至 關(guān)重要。因此，了解一下有關(guān)時間系統(tǒng)的基本概念，對于 GPS 的應(yīng)用來說，是甚為必要 的。 時間包含有“時刻”和“時間間隔”兩個概念。所謂時刻，即發(fā)生某一現(xiàn)象的瞬間。 在天文學和衛(wèi)星定位中，與所獲數(shù)據(jù)對應(yīng)的時刻也稱為歷元。而時間間隔，系指發(fā)生某 一現(xiàn)象所經(jīng)歷的過程，是這一過程始末的時刻之差。所以，時間間隔測量，也稱為相對 時間測量，而時刻測量相應(yīng)的稱為絕對時間測量。 測量時間，同樣必須建立一個測量的基準，即時間的單位（尺度）和原點（起始歷 元） 。其中時間的尺度是關(guān)鍵，而原點可以根據(jù)實際應(yīng)用加以選定。一般來說，任何一 個可觀察的周期運動現(xiàn)象，只要符合一下要求，都可以用作確定時間的基準。 （1）運動應(yīng)是連續(xù)的，周期性的； （2）運動的周期應(yīng)具有充分的穩(wěn)定性； （3）運動的周期必須具有復(fù)現(xiàn)行，即要求在任何地方和時間，都可以通過觀測和 實驗，復(fù)現(xiàn)這種周期性運動。 在實踐中，由于我們所選的上述周期運動現(xiàn)象不同，便產(chǎn)生了不同的時間系統(tǒng)。 常用建立時間基準的基礎(chǔ) （1）地球自轉(zhuǎn)：世界時時間基準的基礎(chǔ)，穩(wěn)定度 10-8S； AS （2）行星繞太陽的公轉(zhuǎn)：力學時間基準的基礎(chǔ)； （3）電子、原子的諧波振蕩：原子時時間基準的基礎(chǔ)，穩(wěn)定度 10-13。 以上時間單位為國際標準單位秒；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，具有重要意義的時間系統(tǒng)主要有三種，恒星時、力學時和原子時。 為了精密的導航和測量的需要，GPS 系統(tǒng)建立了專用的時間系統(tǒng)。該系統(tǒng)可簡寫位 GPST，由 GPS 主控站的原子鐘控制。 GPS 時屬于原子時系統(tǒng)，其秒長與原子時相同，與國際原子時具有不同的原點。所 以 GPS 時間系統(tǒng)的穩(wěn)定度達到 10-13S。 2.3 GPS 衛(wèi)星星歷 衛(wèi)星在空間進行的軌跡稱為軌道，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 進行導航和測量時，GPS 衛(wèi)星是作為位置已知的高空觀測目標， 所以在進行絕對定位時，衛(wèi)星軌道誤差，將會直接影響所求用戶接收機位置的精度，而 在相對定位時，盡管衛(wèi)星軌道誤差的影響將會減弱，但當基線較長且精度要求較高時， 這種影響也不可忽視。如果假設(shè) 觀測站至所測衛(wèi)星的距離； 南方 GPS 培訓教材 9 衛(wèi)星軌道的誤差； D兩觀測站間的基線長度； D 引起的基線長度誤差， 則根據(jù)經(jīng)驗其間關(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 測量的觀測計劃和便于捕獲衛(wèi)星發(fā)射的信號，也需要知道衛(wèi)星 的軌道參數(shù)，只是其要求的精度較低。對用戶來說，理解和運用 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)星運行軌道的信息。利用 GPS 進行定位，就是根 據(jù)已知的衛(wèi)星軌道信息和用戶的觀測資料，通過數(shù)據(jù)處理來確定接收機的位置，及其載 體的航行速度，所以，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)報星歷（廣播星歷）和后處理星歷（精密星歷） 。 1 . 預(yù)報星歷 預(yù)報星歷，是通過衛(wèi)星發(fā)射的含有軌道信息的導航電文，傳遞給用戶的，用戶接收 機接收到這些信號，經(jīng)過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)報星歷，通常包括相對某一參考歷元的開普勒軌道參數(shù)，和必要的軌道攝 動改正項參數(shù)。 相應(yīng)參考歷元的衛(wèi)星開普勒軌道參數(shù)，也叫參考星歷，它是根據(jù) GPS 監(jiān)測站約一周 的觀測資料推算的。 參考星歷，只代表衛(wèi)星在參考歷元的瞬時軌道參數(shù)（也稱為密切軌道參數(shù)） ，但是 在攝動力的影響下，衛(wèi)星的實際軌道，隨后將偏離其參考軌道，偏離的程度主要決定于 觀測歷元與所選參考歷元間的時間差。一般來說，如果我們用軌道參數(shù)的攝動項來對已 知的衛(wèi)星參考星歷加以改正，就可以外推出任意觀測歷元的衛(wèi)星星歷。 由此不難理解，如果觀測歷元與所選參考歷元的時間差很大，為了保障外推的軌道 參數(shù)具有必要的精度，就必須采用更嚴密的攝動力模型和考慮更多的攝動因素。這樣一 來將會遇到建立更嚴格的攝動力模型的困難，因而可能降低預(yù)報軌道參數(shù)的精度。 實際上，為了保持衛(wèi)星預(yù)報星歷的必要精度，一般采用限制預(yù)報星歷外推時間間隔 的方法。為此，GPS 跟蹤站每天都利用其觀測資料，更新用以確定衛(wèi)星參考星歷的數(shù)據(jù)， 以及計算每天衛(wèi)星軌道參數(shù)的更新值，并且，每天按時將其注入相應(yīng)的衛(wèi)星加以存儲以 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，每小時更新一次，以供 用戶使用。 這樣，如果將上述計算參考星歷的參考歷元 toe，選在兩次更新星歷的中央時刻， 則外推的時間間隔，最大將不會超過 0.5 小時。從而可以在采用同樣攝動力模型的情況 南方 GPS 培訓教材 10 下，有效的保持外推軌道參數(shù)的精度。預(yù)報星歷的精度，目前一般估計約為 20m-40m。 由于預(yù)報星歷每小時更新一次，因此，在數(shù)據(jù)更新前后，各表達式之間將會產(chǎn)生小 的跳躍，其值可達數(shù)分米。對此，一般可利用適當?shù)臄M合技術(shù)（例如切比雪夫多項式） 予以平滑。 2. 后處理星歷 衛(wèi)星的預(yù)報星歷，是用跟蹤站以往時間的觀測資料推求的參考軌道參數(shù)為基礎(chǔ)，并 加入軌道攝動改正而外推的星歷。預(yù)報星歷，用戶在觀測時可以通過導航電文實時地得 到，這對導航或?qū)崟r定位，顯然是非常重要的。可是，對于某些進行精密定位工作的用 戶來說，其精度難以滿足要求，尤其當 GPS 衛(wèi)星的預(yù)報星歷，受到人為干預(yù)而降低精度 時，就更難于保障精密定位工作的要求。 后處理星歷，是一些國家的某些部門，根據(jù)各自建立的跟蹤站所獲得的精密觀測資 料，應(yīng)用與確定預(yù)報星歷相似的方法，計算的衛(wèi)星星歷。它可以向用戶提供在用戶觀測 時間的衛(wèi)星星歷，避免了預(yù)報星歷外推的誤差。 目前，美國和其它許多國家的一些單位，正在完善或著手建立全球性或區(qū)域性的 GPS 衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)，以便為大地測量學和地球動力學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用戶提供的，在其觀測時間的衛(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，目前可達分米級。 后處理星歷，一般不是通過衛(wèi)星的無線電信號向用戶傳遞的，而是網(wǎng)絡(luò)或通過電傳 通信等方式，有償?shù)貫樗枰挠脩舴?wù)。但是，建立和維持一個獨立的跟蹤系統(tǒng)，來 精密測定 GPS 衛(wèi)星的軌道，其技術(shù)比較復(fù)雜，投資也較大。目前國內(nèi)此類接收機應(yīng)用還 比較少。 2.4 電磁波的傳播與 GPS 衛(wèi)星信號 2.4.1 電磁波的介紹 GPS 定位的基本觀測量，是觀測站（用戶接收天線）至 GPS 衛(wèi)星（信號發(fā)射天線） 的距離（或稱信號傳播路徑） ，它是通過測定衛(wèi)星信號在該路徑上的傳播時間（時間延 遲） ，或測定衛(wèi)星載波相位在該路徑上變化的周數(shù)（相位延遲）來導出的，這跟通常的 電磁波測距原理相似，只要已知衛(wèi)星信號的傳播時間t 和傳播速度 ，就可得到衛(wèi)星 至觀測站的距離 ，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，然后進一步說明有 關(guān) GPS 衛(wèi)星信號的問題。 根據(jù)物理學中的概念，電磁波是一種隨時間 t 變化的正弦（或余弦）波。如果設(shè)電 南方 GPS 培訓教材 11 磁波的初相角為 ，角頻率為 ，振幅為 ，則有電磁波 y 的數(shù)學表達式0eA y = sin（ t+ ）0 0 t0 t1 y=Aesin(t+ 0) Ae t+0 利用電磁波測距，除了必須精確地測定電磁波的傳播時間（或相位的變化）之外， 還應(yīng)準確地測定電磁波的傳播速度 。 2.4.2 大氣層對 GPS 信號傳播的影響 對 GPS 而言，衛(wèi)星發(fā)射信號傳播到接收機天線的時間約 0.1 秒，當光速值的最后一 位含有一個單位的誤差，將會引起 0.1m 的距離誤差。表明準確確定電磁波傳播速度的 重要意義。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。 大氣折射對 GPS 觀測結(jié)果的影響，往往超過了 GPS 精密定位所容許的精度范圍。 如何在數(shù)據(jù)處理過程中通過模型加以改正，或在觀測中通過適當?shù)姆椒▉頊p弱，以提高 定位精度，已經(jīng)成為廣大用戶普遍關(guān)注的重要問題。 根據(jù)對電池波傳播的不同影響，一般可將大氣層分為對流層和電離層。 1在對流層中，折射率略大于 1，隨著高度的增加逐漸減小，當接近對流層頂部時， 其值接近于 1。對流層的折射影響，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，當高度角為 100 時，傳播路徑誤差可達 20m。在精密定位中，對流層的影 響必須顧及。 目前采用的各種對流層模型，即使應(yīng)用實時測量的氣象資料，電磁波的傳播路徑， 經(jīng)過對流層折射改正后的殘差，仍保持在對流層影響的 5%左右。 減弱對流層折射改正項殘差影響主要措施： （1）盡可能充分地掌握觀測站周圍地區(qū)的實時氣象資料。 （2）利用水汽輻射計，準確地測定電磁波傳播路徑上的水汽積累量，以便精確的 南方 GPS 培訓教材 12 計算大氣濕分量的改正項。但設(shè)備龐大價格昂貴，一般難以普遍采用。 （3）當基線較短時（20km） ，在穩(wěn)定的大氣條件下，利用相對定位的差分法來減 弱大氣折射的影響。 （4）完善對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（時間、高度、太陽輻射及黑子活動、季 節(jié)和地區(qū)等） ，難以可靠地確定觀測時刻沿電磁波傳播路線的電子總量。對 GPS 單頻接 收用戶，一般均利用電離層模型來近似計算改正量，但目前有效性不會優(yōu)于 75%。即當 電離層的延遲為 50m，經(jīng)過模型改正后，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行觀測 （2) 兩觀測站同步觀測量求差 用兩臺接收機在基線的兩端進行同步觀測，取其觀測量之差。因為當兩觀測站相距 不太遠時，衛(wèi)星至兩觀測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 通過同步觀測量的差分而減弱。 該方法對小于 20km 的短基線效果尤為明顯，經(jīng)過電離層折射改正后，基線長度的 相對殘差約為 10-6。故在短基線相對定位中，即使使用單頻接收機也能達到相當高精度。 但隨著基線長度的增加，精度將明顯降低。 2.4.3 GPS 衛(wèi)星的測距碼信號 1關(guān)于 GPS 衛(wèi)星信號 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)星信號的產(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）滿足實時定位要求。 （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、圖像和文字等通過量化，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。 （2）隨機噪聲碼 南方 GPS 培訓教材 13 既然碼是用以表達各種信息的二進制數(shù)的組合，是一組二進制的數(shù)碼序列，則這一 序列就可以表達成以 0 和 1 為幅度的時間函數(shù)。假設(shè)一組碼序列 u(t)，對某一時刻來說， 碼元是 0 或 1 完全是隨機的，但出現(xiàn)的概率均為 1/2。這種碼元幅度的取值完全無規(guī)律 的碼序列，稱為隨機碼序列（或隨機噪聲碼序列） 。它是一種非周期性序列，無法復(fù)制， 但其自相關(guān)性好。而相關(guān)性的好壞，對提高利用 GPS 衛(wèi)星碼信號測距精度，極其重要。 3.GPS 的測距碼 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 1，1.023 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/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 Nu2.351014 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，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。 2.4.5 GPS 衛(wèi)星的導航電文（數(shù)據(jù)碼） 所謂導航電文，就是包含有關(guān)衛(wèi)星的星歷，衛(wèi)星工作狀態(tài)、時間系統(tǒng)、衛(wèi)星鐘運行 狀態(tài)、導航攝動改正、大氣折射改正和 C/A 碼捕獲 P 碼等導航信息的數(shù)據(jù)碼（或 D 碼） 。 導航電文是利用 GPS 進行定位的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 導航電文也是二進制碼，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，每幀播送時間 30s。 1衛(wèi)星的載波信號與調(diào)制 GPS 衛(wèi)星信號包含三種信號分量：載波、測距碼和數(shù)據(jù)碼。信號分量的產(chǎn)生都是在 同一個基本頻率 f0=10.23MHz 的控制下產(chǎn)生，GPS 衛(wèi)星信號示意圖如下 南方 GPS 培訓教材 14 從上圖中可見，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，波長為 19.03cm； L2 載波頻率為 1227.60MHz，波長為 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。 在無線電通信中，為有效地傳播信息，一般將頻率較低的信號加載到頻率較高的載 波上，此時頻率較低的信號稱為調(diào)制信號。 GPS 衛(wèi)星的測距碼和數(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，則對應(yīng)的碼狀態(tài)取+1；而碼值取 1 時，對應(yīng)碼狀態(tài)為-1，載波和 相應(yīng)的碼狀態(tài)相乘后，即實現(xiàn)了載波的調(diào)制。 2.衛(wèi)星信號的解調(diào) 為進行載波相位測量，當用戶接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號后，可通過以下兩種解調(diào)技術(shù) 來恢復(fù)載波相位。 （1）復(fù)制碼與衛(wèi)星信號相乘：由于調(diào)制碼的碼值是用1 的碼狀態(tài)來表示的，當把 接收的衛(wèi)星碼信號與用戶接收機產(chǎn)生的復(fù)制碼（結(jié)構(gòu)與衛(wèi)星測距碼信號完全相同的測距 碼） ，在兩碼同步的條件下相乘，即可去掉衛(wèi)星信號中的測距碼而恢復(fù)原來的載波。但 此時恢復(fù)的載波尚含有數(shù)據(jù)碼即導航電文。這種解調(diào)技術(shù)的條件是必須掌握測距碼的結(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)星信號進行平方，由于處于+1 狀態(tài)的調(diào)制碼經(jīng) 過平方后均為+1 ，而+1 對載波相位不產(chǎn)生影響。故衛(wèi)星信號平方后，可達到解調(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)星信號中的測 距碼，而且也同時去掉了導航電文。 2.5 GPS 定位的觀測量及誤差分析 GPS 的觀測量，是用戶利用 GPS 進行定位的重要依據(jù)之一。在這里我們在以上相 關(guān)預(yù)備知識的基礎(chǔ)上，進一步介紹利用 GPS 進行定位的基本方法和觀測量的類型并詳細 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 培訓教材 15 地說明 GPS 觀測量地誤差來源，以及減弱其影響的措施。 2.5.1 GPS 定位的方法與觀測量 1.定位方法分類 按參考點的不同位置劃分為： （1）絕對定位（單點定位）：在地球協(xié)議坐標系中，確定觀測站相對地球質(zhì)心的 位置。 （2）相對定位：在地球協(xié)議坐標系中，確定觀測站與地面某一參考點之間的相對 位置。 按用戶接收機作業(yè)時所處的狀態(tài)劃分： （1）靜態(tài)定位：在定位過程中，接收機位置靜止不動，是固定的。靜止狀態(tài)只是 相對的，在衛(wèi)星大地測量中的靜止狀態(tài)通常是指待定點的位置相對其周圍點位沒有發(fā)生 變化，或變化極其緩慢，以致在觀測期內(nèi)可以忽略。 （2）動態(tài)定位：在定位過程中，接收機天線處于運動狀態(tài)。 在絕對定位和相對定位中，又都包含靜態(tài)和動態(tài)兩種形式。 2.觀測量的基本概念 無論采取何種 GPS 定位方法，都是通過觀測 GPS 衛(wèi)星而獲得某種觀測量來實現(xiàn)的。 GPS 衛(wèi)星信號含有多種定位信息，根據(jù)不同的要求，可以從中獲得不同的觀測量，主要 包括： 根據(jù)碼相位觀測得出的偽距。 根據(jù)載波相位觀測得出的偽距。 由積分多普勒計數(shù)得出的偽距。 由干涉法測量得出的時間延遲。 采用積分多普勒計數(shù)法進行定位時，所需觀測時間較長，一般數(shù)小時，同時觀測過 程中，要求接收機的震蕩器保持高度穩(wěn)定。 干涉法測量時，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)用的基本觀測量主要有碼相位觀測量和載波相位觀測量。 所謂碼相位觀測是測量 GPS 衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號（C/A 碼或 P 碼）到達用戶接 收機天線（觀測站）的傳播時間。也稱時間延遲測量。 載波相位觀測是測量接收機接收到的具有多普勒頻移的載波信號，與接收機產(chǎn)生的 參考載波信號之間的相位差。 由于載波的波長遠小于碼長，C/A 碼碼元寬度 293m，P 碼碼元寬度 29.3m，而 L1 載波波長為 19.03cm， L2 載波波長為 24.42cm，在分辨率相同的情況下， L1 載波的觀 測誤差約為 2.0mm， L2 載波的觀測誤差約為 2.5mm。而 C/A 碼觀測精度為 2.9m，P 碼 為 0.29m。載波相位觀測是目前最精確的觀測方法。 載波相位觀測的主要問題：無法直接測定衛(wèi)星載波信號在傳播路徑上相位變化的整 南方 GPS 培訓教材 16 周數(shù)，存在整周不確定性問題。此外，在接收機跟蹤 GPS 衛(wèi)星進行觀測過程中，常常由 于接收機天線被遮擋、外界噪聲信號干擾等原因，還可能產(chǎn)生整周跳變現(xiàn)象。有關(guān)整周 不確定性問題，通常可通過適當數(shù)據(jù)處理而解決，但將使數(shù)據(jù)處理復(fù)雜化。 上述通過碼相位觀測或載波相位觀測所確定的衛(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。由碼相位觀測所確定的 偽距簡稱測碼偽距，由載波相位觀測所確定的偽距簡稱為測相偽距。 2.5.2 觀測量的誤差來源及其影響 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。 測碼偽距的等效距離誤差(單位：米 ) 誤差來源 誤差來源分解 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 相位不確定性 其它 合計 4.2 3.0 1.0 0.5 0.9 5.4 4.2 3.0 1.0 0.5 0.9 5.4 信號傳播 電離層折射 對流層折射 多路徑效應(yīng) 其它 合計 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 接收機噪聲 其它 合計 1.0 0.5 1.1 7.5 0.5 7.5 總計 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)誤差對觀測量的影響，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 培訓教材 17 建立系統(tǒng)誤差模型，對觀測量加以修正。 將不同觀測站，對相同衛(wèi)星的同步觀測值求差，以減弱和消除系統(tǒng)誤差的影響。 簡單地忽略某些系統(tǒng)誤差的影響。 （2）偶然誤差：包括多路徑效應(yīng)誤差和觀測誤差等。 1.與衛(wèi)星有關(guān)的誤差 （1）衛(wèi)星鐘差 GPS 觀測量均以精密測時為依據(jù)。GPS 定位中，無論碼相位觀測還是載波相位觀測， 都要求衛(wèi)星鐘與接收機鐘保持嚴格同步。實際上，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 300km。 衛(wèi)星鐘的偏差一般可通過對衛(wèi)星運行狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測精確地確定，并用二階多項式 表示：tj=a 0+a1(t-t0e)+a2(t-t0e)2。式中的參數(shù)由主控站測定，通過衛(wèi)星的導航電文提供給 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 6m。衛(wèi)星鐘經(jīng)過改正的殘差，在相對定位中，可通過觀測量求差（差分）方 法消除。 （2）衛(wèi)星軌道偏差： 由于衛(wèi)星在運動中受多種攝動力的復(fù)雜影響，而通過地面監(jiān)測站又難以可靠地測定 這些作用力并掌握其作用規(guī)律，因此，衛(wèi)星軌道誤差的估計和處理一般較困難。目前， 通過導航電文所得的衛(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)星的軌道誤差是當前 GPS 定 位的重要誤差來源之一。 GPS 衛(wèi)星到地面觀測站的最大距離約為 25000km，如果基線測量的允許誤差為 1cm，則當基線長度不同時，允許的軌道誤差大致如下表所示。從表中可見，在相對定 位中，隨著基線長度的增加，衛(wèi)星軌道誤差將成為影響定位精度的主要因素。 GPS 衛(wèi)星到地面觀測站的最大距離約為 25000km，如果基線測量的允許誤差為 1cm，則當基線長度不同時，允許的軌道誤差大致如下表所示。從表中可見，在相對定 位中，隨著基線長度的增加，衛(wèi)星軌道誤差將成為影響定位精度的主要因素。 基線長度 基線相對誤差 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：廣泛用于實時單點定位。 南方 GPS 培訓教材 18 采用軌道改進法處理觀測數(shù)據(jù)：衛(wèi)星軌道的偏差主要由各種攝動力綜合作用而產(chǎn) 生，攝動力對衛(wèi)星 6 個軌道參數(shù)的影響不相同，而且在對衛(wèi)星軌道攝動進行修正時，所 采用的各攝動力模型精度也不一樣。因此在用軌道改進法進行數(shù)據(jù)處理時，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，但計算工作量大。 半短弧法：根據(jù)攝動力對軌道參數(shù)的不同影響，只對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 10m，而計算量明 顯減小。 同步觀測值求差：由于同一衛(wèi)星的位置誤差對不同觀測站同步觀測量的影響具有 系統(tǒng)性。利用兩個或多個觀測站上對同一衛(wèi)星的同步觀測值求差，可減弱軌道誤差影響。 當基線較短時，有效性尤其明顯，而對精密相對定位，也有極其重要意義。 2.衛(wèi)星信號傳播誤差 （1）電離層折射影響：主要取決于信號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：電離層影響是信號頻率的函數(shù)，利用不同頻率電磁波信號進行觀 測，可確定其影響大小，并對觀測量加以修正。其有效性不低于 95%. 利用電離層模型加以修正：對單頻接收機，一般采用由導航電文提供的或其它適 宜電離層模型對觀測量進行改正。目前模型改正的有效性約為 75%，至今仍在完善中。 利用同步觀測值求差：當觀測站間的距離較近（小于 20km）時，衛(wèi)星信號到達不 同觀測站的路徑相近，通過同步求差，殘差不超過 10-6。 （2）對流層的影響 對流層折射對觀測量的影響可分為干分量和濕分量兩部分。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 響尚無法準確確定。對流層影響的處理方法： 定位精度要求不高時，忽略不計。 采用對流層模型加以改正。 引入描述對流層的附加待估參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中求解。 觀測量求差。 （3）多路徑效應(yīng)：也稱多路徑誤差，即接收機天線除直接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號外， 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。兩種信號迭加，將引起測量參 考點位置變化，使觀測量產(chǎn)生誤差。在一般反射環(huán)境下，對測碼偽距的影響達米級，對 測相偽距影響達厘米級。在高反射環(huán)境中，影響顯著增大，且常常導致衛(wèi)星失鎖和產(chǎn)生 周跳。改善措施： 安置接收機天線的環(huán)境應(yīng)避開較強發(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。 適當延長觀測時間，削弱周期性影響。 南方 GPS 培訓教材 19 改善接收機的電路設(shè)計。 3.接收設(shè)備有關(guān)的誤差 主要包括觀測誤差、接收機鐘差、天線相位中心誤差和載波相位觀測的整周不確定 性影響。 （1）觀測誤差：除分辨誤差外，還包括接收天線相對測站點的安置誤差。分辨誤 差一般認為約為信號波長的 1%。安置誤差主要有天線的置平與對中誤差和量取天線相 位中心高度（天線高）誤差。例如當天線高 1.6m ,置平誤差 0.10，則對中誤差為 2.8mm。 （2）接收機鐘差 GPS 接收機一般設(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。 利用觀測值求差方法，減弱接收機鐘差影響。 定位精度要求較高時，可采用外接頻標，如銣、銫原子鐘，提高接收機時間標準 精度。 （3）載波相位觀測的整周未知數(shù) 無法直接確定載波相位相應(yīng)起始歷元在傳播路徑上變化的整周數(shù)。同時存在因衛(wèi)星 信號被阻擋和受到干擾，而產(chǎn)生信號跟蹤中斷和整周變跳。 （4）天線相位中心位置偏差 GPS 定位中，觀測值都是以接收機天線的相位中心位置為準，在理論上，天線相位 中心與儀器的幾何中心應(yīng)保持一致。實際上，隨著信號輸入的強度和方向不同而有所變 化，同時與天線的質(zhì)量有關(guān)，可達數(shù)毫米至數(shù)厘米。如何減小相位中心的偏移，是天線 設(shè)計的一個迫切問題。 5. 其它誤差來源 （1）地球自轉(zhuǎn)影響 在 GPS 定位中，除了上述各種誤差外，衛(wèi)星鐘和接收機鐘震蕩器的隨機誤差、大 氣折射模型和衛(wèi)星軌道攝動模型誤差、地球潮汐以及信號傳播的相對論效應(yīng)等都會對觀 測量產(chǎn)生影響。 為提高長距離相對定位的精度，滿足地球動力學研究要求，研究這些誤差來源，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)和時間信息，用戶接收到這些 信息后，經(jīng)過計算求出接收機的三維位置，三維方向以及運動速度和時間信息。它廣泛 的應(yīng)用于導航和測量定位工作中。本章將主要介紹絕對定位和相對定位的方法及原理， 考慮到絕對定位的精度，與被觀測衛(wèi)星的幾何分布密切相關(guān)，所以在這里還將介紹衛(wèi)星 的幾何分布對定位精度的影響。 3.1 絕對定位原理 3.1.1 絕對定位方法概述 絕對定位也叫單點定位，通常是指在協(xié)議地球坐標系（例如 WGS-84 坐標系）中， 直接確定觀測站，相對于坐標系原點絕對坐標的一種定位方法。 “絕對”一詞，主要是 為了區(qū)別以后將要介紹的相對定位方法。絕對定位和相對定位，在觀測方式、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 進行絕對定位的基本原理，是以 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)，并根據(jù)已知的衛(wèi)星瞬時坐標，來確定用戶接收機的點位， 即觀測站的位置。 GPS 絕對定位方法的實質(zhì)，即是測量學中的空間距離后方交會。如圖 31 所示： 圖 31 單點定位原理示意圖 在個觀測站上，有 4 個獨立的衛(wèi)星距離觀測量。假設(shè) t 時刻在地面待測點上安置 GPS 接收機，可以測定 GPS 信號到達接收機的時間t ，再加上接收機所接收到的衛(wèi)星 南方 GPS 培訓教材 21 星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定以下四個方程式： 上述四個方程式中 x、y、z 為待測點坐標，Vto 為接收機的鐘差為未知參數(shù)，其中 di=ct i，(i=1、2、3、4)，di 分別為衛(wèi)星到接收機之間的距離，t i 分別為衛(wèi)星的 信號到達接收機所經(jīng)歷的時間，x i 、y i 、z i 為衛(wèi)星在 t 時刻的空間直角坐標，Vt i 為衛(wèi) 星鐘的鐘差，c 為光速。 由以上四個方程即可解算出待測點的坐標 x、y、z 和接收機的鐘差 Vto。 這時候就有人說了，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 球面，交匯于一點，不就可以定出接收機所在的位置了嗎？但是實際上，GPS 接收器在 僅接收到三顆衛(wèi)星的有效信號的情況下只能確定二維坐標即經(jīng)度和緯度，只有收到四顆 或四顆以上的有效 GPS 衛(wèi)星信號時，才能完成包含高度的 3D 定位。這是為什么呢？ 問題出在時間上。先來看一顆衛(wèi)星，它在一個規(guī)定的時間發(fā)送一組信號到地面，比 如說每天 8：00 整開始發(fā)送一組信號，如果地面接收機就在 8