【正文】 利的地方 。 ● GPS網(wǎng)作為測(cè)量控制網(wǎng) ， 其相鄰點(diǎn)間基線向量的精度 ， 應(yīng)分布均勻 。 所以 ， 在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中 ， 要根據(jù)用戶的實(shí)際需要和可能 ， 慎重確定 。 根據(jù)我國(guó) 1992年頒布的 GPS測(cè)量規(guī)范的要求 ， GPS相對(duì)定位的精度 ， 劃分為如表 1所列的標(biāo)準(zhǔn) 。這項(xiàng)工作的主要內(nèi)容包括，精度指標(biāo)的合理確定，網(wǎng)的圖形設(shè)計(jì)和網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計(jì) 。 雖然一些國(guó)家為了實(shí)際工作的需要 ， 已制定了一些適用于不同任務(wù)的作業(yè)規(guī)范或細(xì)則 ， 但一般只能對(duì) GPS測(cè)量工作的實(shí)施 ，提出一些原則性的規(guī)定與要求 。 GPS測(cè)量 ， 是一項(xiàng)技術(shù)復(fù)雜 、 要求嚴(yán)格 、 耗費(fèi)較大的工作 ， 實(shí)施這項(xiàng)工作的原則是 ， 在滿足用戶對(duì)測(cè)量精度和可靠性等要求的情況下 ， 盡可能地減少經(jīng)費(fèi) 、 時(shí)間和人力的消耗 。由于 GPS測(cè)量工作的實(shí)施方法與用戶的要求，和所用接收系統(tǒng)硬件與軟件的發(fā)展水平密切相關(guān)，所以，關(guān)于 GPS測(cè)量工作的作業(yè)細(xì)節(jié)，用戶還須按國(guó)家有關(guān)部門頒發(fā)的 GPS測(cè)量規(guī)范，以及所用 GPS接收系統(tǒng)的操作說明書執(zhí)行。 )]()([)]()([)()()( 12121,21,2,1,2 ttttttt jjkkjkjk ??????? ??????)]()()()([)()()()()( 010202221212,1,2 tNtNtNtNttttt jjkkjjkkjk ???????? ???????44 圖 25 GPS同步觀測(cè)量之雙差 T1 T2 S1 S2 )(1 tj?)(2 tk?)(2 tj? )(1 tk?45 (三 ) 三差法 三差法是在雙差法基礎(chǔ)上 ， 進(jìn)一步對(duì)不同歷元之間 ， 不同測(cè)站同步觀測(cè)的同一組衛(wèi)星所得雙差觀測(cè)量作差分 ， 即 () 相應(yīng)的觀測(cè)方程為 () 這樣一來 ， 就進(jìn)一步消去了雙差觀測(cè)方程中含有整周未知數(shù)的項(xiàng) 。 一般用到的有單差 、 雙差 、和三差法 。這里涉及到太多的專業(yè)內(nèi)容，限于篇幅本文中不作詳細(xì)介紹。 另外 ， 若采用同種型號(hào)的接收機(jī)天線 ， 可以近似認(rèn)為相位中心與幾何中心的偏離情況是一樣的 ， 因此用觀測(cè)值的求差和相對(duì)定位能削弱這種影響 ， 但這時(shí)要求統(tǒng)一按天線的方向標(biāo)定向 ， 使各天線的指北極都指向正北方向 。 只要在觀測(cè)中認(rèn)真操作 ，可以盡量減少這些誤差的影響 。 1． 觀測(cè)誤差 分觀測(cè)的分辨誤差與接收機(jī)天線相對(duì)測(cè)站點(diǎn)的安置誤差 。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(hào)被接收。 所謂 多路徑效應(yīng) ， 是指接收機(jī)天線除直接收到來自 GPS衛(wèi)星的信號(hào)外 ， 還可能收到天線周圍地物反射來的信號(hào) 。 而對(duì)于 IGS精密星歷 ， 在解算出各歷元時(shí)刻 GPS衛(wèi)星的軌道位置時(shí) ， 一般也提供了關(guān)于此衛(wèi)星的時(shí)鐘偏差量 ， 準(zhǔn)確度在 ～ ， 由此引起的等效距離誤差在 。 2． 衛(wèi)星鐘誤差 由于衛(wèi)星位置是時(shí)間的函數(shù) ， 所以 GPS的觀測(cè)量均以精密測(cè)時(shí)為前提 。 前面已經(jīng)提到過 ， GPS衛(wèi)星星歷是由布設(shè)在地面上 、 具有一定數(shù)量與空間分布的監(jiān)測(cè)站連續(xù)跟蹤觀測(cè) GPS衛(wèi)星 ， 36 并結(jié)合環(huán)境要素等其它信息 ， 再由主控站對(duì)衛(wèi)星作精密定軌計(jì)算得到的 。 返 回 )(/)(/)( jijiji ttccPRPR ???????? ????)]()([2 jijijiji ttcNN ?????????????? ?????)](2[ ji NNc ????? ????34 基準(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(jí) 到毫米級(jí) 差分 GPS定位原理 35 四、 GPS衛(wèi)星測(cè)量的誤差來源 GPS衛(wèi)星在距離地面約 20200公里的高空 ， 向地面上的廣大用戶發(fā)送測(cè)距信號(hào)和導(dǎo)航電文等信息 。 )()( RRSS tt ?????])([2 tcNt S ????? ????33 四、干涉測(cè)量方法 GPS干涉測(cè)量方法是由射電天文學(xué)中 VLBI（ 甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量 ） 技術(shù)發(fā)展而來的 ， 其基本觀測(cè)量是衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)兩個(gè)測(cè)站的時(shí)間差 （ 干涉時(shí)延 ）??或基線相位差 ??。 載波相位觀測(cè)值的定義為 () 式中 ， ?S(tS)為接收機(jī)于 tR時(shí)刻收到的衛(wèi)星信號(hào)的相位 ， ?R(tR)為接收機(jī)同時(shí)刻產(chǎn)生的參考信號(hào)的相位 ， tS、 tR 是 GPS系統(tǒng)時(shí)間或 UTC時(shí)間 。 實(shí)際觀測(cè)量并非是 fd， 而是所謂的積分多普勒計(jì)數(shù)： () 式中 ， f0為 P點(diǎn)處接收機(jī)參考頻率 ， t t2為積分區(qū)間的端點(diǎn) 。 若觀測(cè)值協(xié)方差矩陣用 ?L表示 ， 觀測(cè)值權(quán)矩陣 ， 則法方程及其解可以表示為： () 當(dāng) P=I（單位矩陣）時(shí)， 可以表示如下： () LAXV ??11)()(0????????PAAPLAPAAXPLAP A XATXTTTT1)( ??? PAA TX????????????????22222222222222221)(tttztytxztzzzyzxytyzyyyxxtxzxyxxT PAA????????????????120 ??? LP ?28 該系數(shù)陣是在空間直角坐標(biāo)系中給出的 ， 而實(shí)際上為了便于估算觀測(cè)站的位置精度 ， 常采用其在大地坐標(biāo)系統(tǒng)中的表達(dá)形式 。 在式 ()中 ， ?tS 可以由衛(wèi)星廣播電文查出 ， 并在觀測(cè)方程中作相應(yīng)的改正； ?tR 一般是直接作為未知數(shù) ， 與測(cè)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(shí)間延遲 ， 其中電離層折射影響可以通過雙頻觀測(cè)技術(shù)予以消除 ， 對(duì)單頻接收機(jī)則可通過有關(guān)模型予以粗略改正；對(duì)流層折射效應(yīng)可以通過選擇適當(dāng)延遲模型予以估算 ， 例如 Hopfield模型或 Saastamoinen模型等 。 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 。 22 ● 操作簡(jiǎn)便 。 為了進(jìn)一步縮短觀測(cè)時(shí)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(duì)定位法 ，其觀測(cè)時(shí)間僅需數(shù)分鐘 。 現(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)1~2 106， 而在 100km~500km的基線上可達(dá) 106 ~ 107。 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)踐方面的困難問題之一 。 ● 功能多 ， 精度高 。從具體應(yīng)用與成本價(jià)格出發(fā)，也可選用稍為便宜的單頻接收機(jī)。而用戶要實(shí)現(xiàn)利用 GPS進(jìn)行導(dǎo)航和定位的目的，還需要具備 GPS信號(hào)接收機(jī)，即用戶設(shè)備部分。由于軍方為了限制民間用戶通過 GPS所達(dá)到的實(shí)時(shí)定位精度，而對(duì) GPS衛(wèi)星軌道精度和時(shí)鐘穩(wěn)定性作了有意降低（ SA政策 ），這不利于廣大民間用戶。 由于導(dǎo)航電文是 GPS用戶所需要的一項(xiàng)重要信息 ， 通過導(dǎo)航電文才能確定出 GPS衛(wèi)星在各時(shí)刻的具體位置 ， 因此注入站的作用是很重要的 。 （ 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 。 GPS衛(wèi)星分布在 6個(gè)近圓形軌道面 ， 高度在地面以上約 20200km， 軌道面相對(duì)于地球赤道面傾斜 55?角 ， 衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)周期約 11小時(shí) 58分 （ 半個(gè)恒星日 ） 。 后來為了完善 GPS定位系統(tǒng)的功能 ， 又研制并陸續(xù)發(fā)射了 Block II和Block IIA型 GPS工作衛(wèi)星 。 返 回 6 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波段的載頻無線電測(cè)距信號(hào)，由地面上用戶接收機(jī)實(shí)時(shí)地連續(xù)接收，并計(jì)算出接收機(jī)天線所在的位置。其中 GAIT為地面增強(qiáng)和完好式監(jiān)視系統(tǒng) ,RAIM為機(jī)載獨(dú)立完善監(jiān)控系統(tǒng) . 混合系統(tǒng)建成之后 ,ICAO將允許在某特定空域內(nèi) ,將 GNSS作為單一的導(dǎo)航手段運(yùn)行 .2022年以后， ICAO將組建純民用 GNSS系統(tǒng) ,建成后 ,GNSS將擁有 30顆衛(wèi)星作為其第一代全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) ,這一系統(tǒng)不僅能提供與 GPS和 GLONASS系統(tǒng)類似的導(dǎo)航定位功能。日本也在積極籌劃建立日本的多功能衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng) (MSAS)。 GLONASS系統(tǒng)定位原理與 GPS系統(tǒng)相類似。接著美國(guó)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）。 開始利用衛(wèi)星幾何光學(xué)觀測(cè)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(gè)由 45個(gè)點(diǎn)組成的全球三角網(wǎng)。GPS原理及其應(yīng)用 西南交通大學(xué) 測(cè)量工程系 2022年 11月 6日 2 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(cè)方程 四、 GPS衛(wèi)星測(cè)量的誤差來源 五、差分法載波相位測(cè)量和觀測(cè)的線性組合 3 一、衛(wèi)星定位技術(shù)發(fā)展的回顧 人類從直立并漫游世界時(shí)就開始尋找一種簡(jiǎn)單方式確定他所在位置和方向。五十年代美國(guó)國(guó)家大地測(cè)量局。前蘇聯(lián)也建立了一個(gè)由 12顆所謂宇宙衛(wèi)星組成的叫做CICADA系統(tǒng)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，自此揭開了衛(wèi)星定位的新篇章。俄羅斯、法國(guó)和德國(guó)也相繼研制了 GLONASS、 DORIS和 PRARE系統(tǒng)。 進(jìn)入九十年代 ,空間定位技術(shù)群更是得到了空前的發(fā)展 ,GLONASS系統(tǒng)正式投入運(yùn)行，西歐歐洲空間局 (ESA)開始籌建NAVSAT,NAVSAT是由 6顆地球同步衛(wèi)星 (GEO)和 12顆高橢圓軌道衛(wèi)星(HEO)組成的混合衛(wèi)星星座 .可實(shí)現(xiàn)全天候、實(shí)時(shí)導(dǎo)航和定位。國(guó)際民航組織（ ICAO）為了打破一兩個(gè)國(guó)家獨(dú)霸衛(wèi)星定位的被動(dòng)局面 ,計(jì)劃組建民用的GNSS系統(tǒng) ,在 2022年以前 ,建成與完善由GPS+GLONASS+INMARSAT+GAIT+RAIM組成的混合系統(tǒng)。這將從根本上改變對(duì)單一系統(tǒng)的依賴，使衛(wèi)星定位技術(shù)的所有權(quán)、控制權(quán)和運(yùn)營(yíng)權(quán)實(shí)行國(guó)際化，到那時(shí)衛(wèi)星定位技術(shù)才能成為能夠使人們完全放心使用的空間定位系統(tǒng)。 7 8 （一） GPS衛(wèi)星和星座 自 1978年 2月 22日第一顆 GPS試驗(yàn)衛(wèi)星 （ PRN4） 入軌運(yùn)行之后 ，到 1985年 10月 9日最后一顆 GPS試驗(yàn)衛(wèi)星入軌運(yùn)行為止 ， 總共發(fā)射了 11顆 GPS試驗(yàn)衛(wèi)星 （ Block I） ， 其中由于發(fā)射故障以及衛(wèi)星入軌后出現(xiàn)的故障 ， 實(shí)際上只有部分 GPS試驗(yàn)衛(wèi)星能夠正常工作 。 9 10 目前覆蓋全球的 “ GPS全星座 ” ， 使得在地球上任何地方可以同時(shí)觀測(cè)到 412顆高度角 15?以上的衛(wèi)星 。 （ 2） 在飛越注入站上空時(shí) ， 接受由地面注入站用 S波段發(fā)送來的導(dǎo)航電文和其它有關(guān)信息 ， 供實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)給地面上廣大用戶 。 注入站的作用 是將主控站傳來的導(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 。 以上地面監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際上都是由美國(guó)軍方所控制。 14 (三 ) 用戶設(shè)備部分 GPS的空間部分和地面監(jiān)控部分，為用戶廣泛利用該系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航和定位提供了基礎(chǔ)。關(guān)于 GPS接收機(jī)有多種分類方法，但對(duì)于大地測(cè)量應(yīng)用來說，一般都是采用較精密的雙頻接收機(jī)，可作雙頻載波相位測(cè)量。 15 16 返 回 17 （四）、相對(duì)于經(jīng)典的測(cè)量技術(shù)來說，這一新技術(shù)的主要特點(diǎn)如下： ● 全球地面覆蓋。 18 ● 觀測(cè)站之間無需通視 。 19 ● 定位精度高 。 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 1~3小時(shí) 。 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)的高程開辟了新途徑 ， 同時(shí)也為其在航空物探 ， 航空攝影測(cè)量及精度導(dǎo)航中的應(yīng)用 ，