【文章內(nèi)容簡介】 地面點(diǎn)搬到衛(wèi)星上，組成一顆衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，應(yīng)用無線點(diǎn)測距交會的原理，便可由三個(gè)以上地面已知點(diǎn)（控制點(diǎn)）交會出衛(wèi)星的位置，反之利用三顆以上衛(wèi)星的已知空間位置又可交會出地面未知點(diǎn)（用戶接收機(jī)）的位置。這便是GPS衛(wèi)星定位的基本原理。GPS衛(wèi)星發(fā)射測距信號和導(dǎo)航電文，導(dǎo)航電文中含有衛(wèi)星的位置信息。用戶用GPS接收機(jī)在某一時(shí)刻同時(shí)接收三顆以上的衛(wèi)星信號，測量出測站點(diǎn)（接收機(jī)天線中心）P至三顆以上衛(wèi)星的距離并解算出該時(shí)刻GPS衛(wèi)星的空間坐標(biāo)，據(jù)此利用距離交會法解算出測站P的位置。如下圖27，在需要的位置P點(diǎn)架設(shè)GPS接收機(jī)，在某一時(shí)刻同時(shí)接收了3顆（A，B，C）以上的GPS衛(wèi)星所發(fā)出的導(dǎo)航電文，通過一系列數(shù)據(jù)處理和計(jì)算可求得該時(shí)刻GPS接收機(jī)至GPS衛(wèi)星的距離SAP，SBP，SCP，同樣通過接收衛(wèi)星星歷可獲得該時(shí)刻這些衛(wèi)星在空間的位置（三維坐標(biāo)），從而用距離交會的方法求得Ｐ點(diǎn)的三維坐標(biāo)（Xｐ，Yｐ，Zｐ），其數(shù)學(xué)式為： 圖27 GPS衛(wèi)星定位示意圖式中：（，），（，），（，）分別為衛(wèi)星A，B，C在時(shí)刻的空間直角坐標(biāo)。在GPS測量中通常采用兩類坐標(biāo)系統(tǒng)，一類是在空間固定的坐標(biāo)系統(tǒng)，另一類是與地球體相固聯(lián)的坐標(biāo)系統(tǒng)，稱地固坐標(biāo)系統(tǒng)，我們在公路工程控制測量中常用地固坐標(biāo)系統(tǒng)（如：WGS－84世界大地坐標(biāo)系和1980年西安大地坐標(biāo)系）。在實(shí)際使用中需要根據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)的變換，來求出所使用的坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)。這樣更有利于表達(dá)地面控制點(diǎn)的位置和處理GPS觀測成果，因此在測量中被得到了廣泛的應(yīng)用。在GPS定位中，GPS衛(wèi)星是高速運(yùn)動的衛(wèi)星，其坐標(biāo)值隨時(shí)間在快速變化著。需要實(shí)時(shí)地由GPS衛(wèi)星信號測量出測站至衛(wèi)星之間的距離，實(shí)時(shí)地由衛(wèi)星的導(dǎo)航電文解算出衛(wèi)星的坐標(biāo)值，并進(jìn)行測站點(diǎn)的定位。依據(jù)測距的原理，其定位原理與計(jì)算方法主要有偽距法定位，載波相位測量定位以及差分GPS定位等。對于待定點(diǎn)來說，根據(jù)運(yùn)動狀態(tài)可以將GPS定位分為靜態(tài)定位和動態(tài)定位。靜態(tài)定位指的是對于固定不動的待定點(diǎn)，將GPS接收機(jī)置于其上，觀測數(shù)分鐘乃至更長的時(shí)間，以確定該點(diǎn)的三維坐標(biāo)，又叫絕對定位。若以兩臺GPS接收機(jī)分別置于兩個(gè)固定不變的待定點(diǎn)上，則通過一定時(shí)間的觀測，可以確定兩個(gè)待定點(diǎn)間的相對位置，又叫相對定位。而動態(tài)定位則至少有一臺接收機(jī)處于運(yùn)動狀態(tài)，測定的是各觀測時(shí)刻（觀測歷元）運(yùn)動中的接收機(jī)的點(diǎn)位（絕對點(diǎn)位或相對點(diǎn)位）。利用接收到的衛(wèi)星信號（測距碼）或載波相位，均可進(jìn)行靜態(tài)定位。實(shí)際應(yīng)用中，為了減弱衛(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流層的折射誤差的影響，常采用載波相位觀測值的各種線形組合（即差分值）作為觀測值，獲得兩點(diǎn)之間高精度的GPS基線向量（即坐標(biāo)差）。二、 GPS幾種定位方式偽距測量定位偽距法定位是由GPS接收機(jī)在某一時(shí)刻測出得到四顆以上GPS衛(wèi)星的偽距以及已知的衛(wèi)星位置，采用距離交會的方法求定接收機(jī)天線所在點(diǎn)的三維坐標(biāo)。所測偽距就是由衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號到達(dá)GPS接收機(jī)的傳播時(shí)間乘以光速得到的量測距離。由于衛(wèi)星鐘、接收機(jī)鐘的誤差以及無線電信號經(jīng)過電離層和對流層中的延遲，實(shí)際測出的距離ρ/與衛(wèi)星到接收機(jī)的幾何距離ρ有一定的差值，因此一般稱量出的距離為偽距。用C/A碼進(jìn)行測量的偽距為C/A碼偽距。用P碼測出的偽距為P碼偽距。偽距法定位雖然一次定位精度不高（P碼定位誤差約為10m，C/A碼定位誤差為20~30m），但因其具有定位速度快，且無多值性問題等優(yōu)點(diǎn)，仍然是GPS定位系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航的最基本方法。同時(shí)，所測偽距又可作為載波相位測量中解決整周數(shù)不確定問題（模糊度）的輔助資料。 載波相位測量定位利用測距碼進(jìn)行偽距測量是GPS定位系統(tǒng)的基本測距方法。然而由于測距碼的碼元長度較大，對于一些高精度應(yīng)用來講其測距精度還顯的過低無法滿足需要。如果觀測精度均取至測距碼波長的百分之一，則偽距測量對P碼而言量測精度為30cm，對C/A碼而言為3m左右。而如果把載波作為量測信號，由于載波的波長短19cm；24cm，所以就可達(dá)到很高的精度。目前的大地型接收機(jī)的載波相位測量精度一般為1～2mm，有的精度更高。但載波信號是一種周期性的正弦信號，而相位測量又只能測定其不足一個(gè)波長的部分，因而存在著整周數(shù)不確定性的問題，使解算過程變地十分復(fù)雜。在GPS信號中由于已用相位調(diào)整的方法在調(diào)制了測距碼和導(dǎo)航電文，因而接收到的載波的相位已不再連續(xù)，所以在進(jìn)行載波相位測量以前，首先要進(jìn)行解調(diào)工作，設(shè)法將調(diào)制在載波上的測距碼和衛(wèi)星電文去掉，重新獲取載波，這一工作稱為重建載波。重建載波一般可采用兩種方法，一種是碼相關(guān)法，另一種是平方法。采用前者，用戶可同時(shí)提取測距信號和衛(wèi)星電文，但用戶必須知道測距碼的結(jié)構(gòu)；采用后者，用戶無須掌握測距碼的結(jié)構(gòu)，但只能獲取載波信號而無法獲得測距碼和衛(wèi)星電文差分GPS定位差分技術(shù)很早就被人們所應(yīng)用。比如相對定位中，在一個(gè)測站上對兩個(gè)觀測目標(biāo)進(jìn)行觀測，將觀測值求差；或在兩個(gè)測站上對一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行觀測，將觀測值求差；或在一個(gè)測站上對一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行兩次觀測求差。其目的是消除公共誤差，提高定位精度。利用求差后的觀測值解算兩觀測站之間的基線向量，這種差分技術(shù)已經(jīng)用于靜態(tài)相對定位。該部分所講述的差分GPS定位技術(shù)是將一臺接收機(jī)安置在基準(zhǔn)站上進(jìn)行觀測。根據(jù)基準(zhǔn)站已知精密坐標(biāo)，計(jì)算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，并由基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)地將這一改正數(shù)發(fā)送出去。用戶接收機(jī)在進(jìn)行GPS觀測的同時(shí)，也接收到基準(zhǔn)站的改正數(shù)，并對其定位結(jié)果進(jìn)行改正，從而提高定位精度。GPS定位中，存在著三部分誤差：一是多臺接收機(jī)公有的誤差，如：衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差；二是傳播延遲誤差，如：電離層誤差、對流層誤差；三是接收機(jī)固有的誤差，如：內(nèi)部噪聲、通道延遲、多路徑效應(yīng)。采用差分定位，可完全消除第一部分誤差，可大部分消除第二部分誤差（視基準(zhǔn)站至用戶的距離）。差分可分為單基準(zhǔn)站差分、具有多個(gè)基準(zhǔn)站的局部區(qū)域差分和廣域差分三種。第四節(jié) GPS導(dǎo)航定位誤差一、 與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差 與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差主要包括衛(wèi)星的軌道誤差和衛(wèi)星鐘的誤差。 衛(wèi)星鐘差 由于衛(wèi)星的位置是時(shí)間的函數(shù)，因此，GPS的觀測量均發(fā)精密測時(shí)為依據(jù)，而與衛(wèi)星位置相對應(yīng)的信息，是通過衛(wèi)星信號的編碼信息傳送給接收機(jī)的。在GPS定位中，無論是碼相位觀測或是載波相位觀測，均要求衛(wèi)星鐘與接收機(jī)時(shí)鐘保持嚴(yán)格的同步。實(shí)際上，盡管GPS衛(wèi)星均設(shè)有高精度的原子鐘（銣鐘和銫鐘），但是它們與理想的GPS時(shí)之間，仍存在著難以避免的偏差和漂移。這種偏差的總量約在1ms以內(nèi)。對于衛(wèi)星鐘的這種偏差，一般可由衛(wèi)星的主控站，通過對衛(wèi)星鐘運(yùn)行狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測確定，并通過衛(wèi)星的導(dǎo)航電文提供給接收機(jī)。經(jīng)鐘差改正后，各衛(wèi)星之間的同步差，即可保持在20ns以內(nèi)。在相對定位中，衛(wèi)星鐘差可通過觀測量求差（或差分）的方法消除。衛(wèi)星軌道偏差估計(jì)與處理衛(wèi)星的軌道偏差較為困難，其主要原因是，衛(wèi)星在運(yùn)行中要受到多種攝動力的復(fù)雜影響，而通過地面監(jiān)測站，以難以充分可靠的測定這作用力，并掌握它們的作用規(guī)律，目前，衛(wèi)星軌道信息是通過導(dǎo)航電文等到的。 應(yīng)該說，衛(wèi)星軌道誤差是當(dāng)前GPS測量的主要誤差來源之一。測量的基線長度越長，此項(xiàng)誤差的影響就越大。在GPS定位測量中，處理衛(wèi)星軌道誤差有以下幾種方法:這種方法以從導(dǎo)航電文中所獲得的衛(wèi)星軌道信息為準(zhǔn)，不再考慮衛(wèi)星軌道實(shí)際存在的誤差，所以廣泛的用于精度較低的實(shí)時(shí)單點(diǎn)定位工作中。這種方法是在數(shù)據(jù)處理中，引入表征衛(wèi)星軌道偏差的改正參數(shù)，并假設(shè)在短時(shí)間內(nèi)這些參數(shù)為常量，將其與其它求知數(shù)一并求解。這一方法是利用在兩個(gè)或多個(gè)觀測站一同，對同一衛(wèi)星的同步觀測值求差。以減弱衛(wèi)星軌道誤差的影響。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)誤差性質(zhì)，所以通過上述求差的方法，可以明顯的減弱衛(wèi)星軌道誤差的影響，尤其當(dāng)基線較短時(shí)，其效用更不明顯。這種方法對于精度相對定位，具有極其重要的意義。二、 與衛(wèi)星信號傳播有關(guān)的誤差與衛(wèi)星信號有關(guān)的誤差主要包括大氣折射誤差和多路徑效應(yīng)。電離層折射的影響GPS衛(wèi)星信號的其它電磁波信號一樣，當(dāng)其通過電離層時(shí)，將受到這一介質(zhì)彌散特性的影響，便其信號的傳播路徑發(fā)生變化。當(dāng)GPS衛(wèi)星處于天頂方向時(shí)，電離層折射對信號傳播路徑的影響最小，而當(dāng)衛(wèi)星接近地平線時(shí)，則影響最大。 為了減弱電離層的影響，在GPS定位中通常采用下面措施：由于電離層的影響是信號頻率的函數(shù)，所以利用不同頻率的電磁波信號進(jìn)行觀測。便能多確定其影響，而對觀測量加以修正。因此，具有雙頻的GPS接收機(jī)，在精密定位中測量中得到廣泛的應(yīng)用。不過應(yīng)當(dāng)明確指出，在太陽輻射的正午或在太陽黑子活動的異常期，應(yīng)盡量避免觀測。在尤其是精密定位測量。 對于單頻GPS接收機(jī)，為了減弱電離層的影響，一般是采用導(dǎo)航電文提供的電離層模型，或其它適合的電離層模型對觀測量加以修正，但是這種模型至今仍在完善之中，目前模型改正的有效率約為75％。這一方法是利用兩臺或多臺接收機(jī)，對同一衛(wèi)星的同步觀測的求差，以減弱電離層折射的影響，尤其當(dāng)觀測站間的距離較近時(shí)（20km)，由于衛(wèi)星信號到達(dá)各觀測站的路徑相近，所經(jīng)過的介質(zhì)狀況相似，因此通過各觀測站對相同衛(wèi)星信號的同步觀測值求差，便可顯著的減弱電離層折射影響。對于單頻GPS接收機(jī)而言，這種方法的重要意義尤為明顯。對流層折射的影響對流層折射對觀測值的影響，可分為干分量與濕分量。干分量主要與大氣的濕度與壓力有關(guān)，而濕分量主要與信號傳播路徑上的大氣濕度有關(guān)。對于干分量的影響，可通過地面的大氣資料計(jì)算；濕分量目前尚無法準(zhǔn)確測定。對于輸送短的基線(50km)，濕分量的影響較小關(guān)于對流層折射的影響，一般有以下幾種處理方法：，可不考慮其影響。；。與電離層的影響相類似，當(dāng)觀測站間相距不遠(yuǎn) (20km)時(shí)，由于信號通過對流層的路徑相近，對流層的物理特性相近，所以對同 一衛(wèi)星的同步觀測值求差，可以明顯的減弱對流層折射的影響。多路徑效應(yīng)影響多路徑效應(yīng)亦稱多路徑誤差，是指接收機(jī)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，信號疊加將會引起測量參考點(diǎn)（相位中心點(diǎn))位置的變化，從而便觀測量產(chǎn)生誤差，而且這種誤差隨天線周圍反射面的性質(zhì)而異，難以控制。根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料表明，在一般反射環(huán)境下，多路徑效應(yīng)對測碼偽距的影響可達(dá)到米級，對測相偽距的影響可達(dá)到厘米級。而在高反射環(huán)境下，不僅其影響將顯著增大，而且常常導(dǎo)致接收的衛(wèi)星信號失鎖和使載波相位觀測量產(chǎn)生周跳。因此，在精密GPS導(dǎo)航和測量中，多路徑效應(yīng)的影響是不可忽視的。目前減弱多路徑效應(yīng)影響的措施有： 安置接收機(jī)天線的環(huán)境，應(yīng)避開較強(qiáng)的反射面，如水面、平坦光滑的地面以及平整的建筑物表面等。，削弱多路徑效應(yīng)的周期性影響。 改善GPS接收機(jī)的電路設(shè)計(jì)，為減弱多路徑效應(yīng)的影三、 接收設(shè)備有關(guān)的誤差與GPS接收機(jī)設(shè)備有關(guān)的誤差主要包括觀測誤差，接收機(jī)鐘差，天線相位中心誤差和載波相位觀測的整周不定性影響。觀測誤差觀測誤差包括觀測的分辨誤差及接收機(jī)天線相對于測站點(diǎn)的安置誤差等。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般認(rèn)為觀測的分辨誤差約為信號波長的1%。故知道載波相位的分辨誤差比碼相位不小，由于此項(xiàng)誤差屬于偶然誤差，可適當(dāng)?shù)卦黾佑^測量，將會明顯地減弱其影響。接收機(jī)天線相對于觀測站中心的安置誤差，主要是天線的置不與對中誤差以及量取天線高的誤差，在精密定位工作中，必須認(rèn)真，仔細(xì)操作，以盡量減小這種誤差的影響。接收機(jī)的鐘差 盡管GPS接收機(jī)中有高精度的石英鐘，其日頻率穩(wěn)定度可以達(dá)到10的11方，但對載波相位觀測的影響仍是不可忽視的。處理接收機(jī)鐘差較為有效的方法是將各觀測時(shí)刻的接收機(jī)鐘差之間看成是相關(guān)的，由此建立一個(gè)鐘差模型，并表示為一個(gè)時(shí)間多項(xiàng)式的形式，然后在觀測量的平差計(jì)算中統(tǒng)一求解，得到多項(xiàng)式的系數(shù)，因而也得到接收機(jī)的鐘差改正。載波相位觀測的整周未知數(shù) 載波相位觀測是當(dāng)前普遍采用的最精密的觀測方法，由于接收機(jī)只能測定載波相位非整周的小數(shù)部分，而無法直接測定開波相位整周數(shù)，因而存在整周不定性問題。 此外，在觀測過程中，由于衛(wèi)星信號失鎖而發(fā)生的周跳現(xiàn)象。從衛(wèi)星信號失鎖到信號重新鎖定，對載波相位非整周的小數(shù)部分并無影響，仍和失鎖前保持一致，但整周數(shù)卻發(fā)生中斷而不再連續(xù)，所以周跳對觀測的影響與整周未知數(shù)的影響相似，在精密定位的數(shù)據(jù)處理中，整周未知數(shù)和周跳都是關(guān)鍵性的問題。天線的相位中心位置偏差在GPS定位中，觀測值是以接收機(jī)天線相位中心位置為準(zhǔn)的，因而天線的相位中心與其幾何中心理論上保持一致?？墒?，實(shí)際上天線的相位中心位置隨著信號輸入的強(qiáng)度和方向不同而有所變化，即觀測時(shí)相位中心的瞬時(shí)位置（稱為視相位中心）與理論上的本單位中心位置將有所不同，天線相位中心的偏差對相對定位結(jié)果的影響，根據(jù)天線性能的優(yōu)劣，可達(dá)數(shù)毫米至數(shù)厘米。所以對于精密相對定位，這種影響是不容忽視的。在實(shí)際工作中，如果使用同一類型的天線，在相距不遠(yuǎn)的兩個(gè)或多個(gè)觀測站上，同步觀測同一組衛(wèi)星，那么便可通過觀測值求差，以削弱相位中心偏移的影響。需要提及的是，安置各觀測站的天線時(shí)，均亦按天線附有的方位標(biāo)進(jìn)行定向，使之根據(jù)羅盤指向磁北極。第三章 GPS外業(yè)測量第一節(jié) 影響GPS測量技術(shù)設(shè)計(jì)的因素GPS外業(yè)涉及面很廣，因而外業(yè)階段的技術(shù)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)管理問題，經(jīng)綜合大致有以下一些因素應(yīng)加以考慮： (1)同測站有關(guān)的因素：網(wǎng)點(diǎn)密度；布網(wǎng)方案；時(shí)段分配、重復(fù)設(shè)站和重合點(diǎn)的設(shè)計(jì)； (2)同觀測衛(wèi)星有關(guān)的因素：觀測衛(wèi)星數(shù)；衛(wèi)星信號質(zhì)量；圖