【文章內(nèi)容簡介】 觀測。根據(jù)基準站已知精密坐標，計算出基準站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，并由基準站實時地將這一改正數(shù)發(fā)送出去。用戶接收機在進行GPS觀測的同時，也接收到基準站的改正數(shù)，并對其定位結(jié)果進行改正，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；三是接收機固有的誤差，如：內(nèi)部噪聲、通道延遲、多路徑效應。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（視基準站至用戶的距離）。差分可分為單基準站差分、具有多個基準站的局部區(qū)域差分和廣域差分三種。第四節(jié) GPS導航定位誤差一、 與GPS衛(wèi)星有關的誤差 與GPS衛(wèi)星有關的誤差主要包括衛(wèi)星的軌道誤差和衛(wèi)星鐘的誤差。 衛(wèi)星鐘差 由于衛(wèi)星的位置是時間的函數(shù)，因此，GPS的觀測量均發(fā)精密測時為依據(jù)，而與衛(wèi)星位置相對應的信息，是通過衛(wèi)星信號的編碼信息傳送給接收機的。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)星鐘與接收機時鐘保持嚴格的同步。實際上，盡管GPS衛(wèi)星均設有高精度的原子鐘（銣鐘和銫鐘），但是它們與理想的GPS時之間，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)星鐘運行狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測確定，并通過衛(wèi)星的導航電文提供給接收機。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)星在運行中要受到多種攝動力的復雜影響，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航電文等到的。 應該說，衛(wèi)星軌道誤差是當前GPS測量的主要誤差來源之一。測量的基線長度越長，此項誤差的影響就越大。在GPS定位測量中，處理衛(wèi)星軌道誤差有以下幾種方法:這種方法以從導航電文中所獲得的衛(wèi)星軌道信息為準，不再考慮衛(wèi)星軌道實際存在的誤差，所以廣泛的用于精度較低的實時單點定位工作中。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)，并假設在短時間內(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或多個觀測站一同，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，尤其當基線較短時，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)星信號傳播有關的誤差與衛(wèi)星信號有關的誤差主要包括大氣折射誤差和多路徑效應。電離層折射的影響GPS衛(wèi)星信號的其它電磁波信號一樣，當其通過電離層時，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GPS衛(wèi)星處于天頂方向時，電離層折射對信號傳播路徑的影響最小，而當衛(wèi)星接近地平線時，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，在精密定位中測量中得到廣泛的應用。不過應當明確指出，在太陽輻射的正午或在太陽黑子活動的異常期，應盡量避免觀測。在尤其是精密定位測量。 對于單頻GPS接收機，為了減弱電離層的影響，一般是采用導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，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，尤其當觀測站間的距離較近時（20km)，由于衛(wèi)星信號到達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，而濕分量主要與信號傳播路徑上的大氣濕度有關。對于干分量的影響，可通過地面的大氣資料計算；濕分量目前尚無法準確測定。對于輸送短的基線(50km)，濕分量的影響較小關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，當觀測站間相距不遠 (20km)時，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。多路徑效應影響多路徑效應亦稱多路徑誤差，是指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，信號疊加將會引起測量參考點（相位中心點)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)實驗資料表明，在一般反射環(huán)境下，多路徑效應對測碼偽距的影響可達到米級，對測相偽距的影響可達到厘米級。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導航和測量中，多路徑效應的影響是不可忽視的。目前減弱多路徑效應影響的措施有： 安置接收機天線的環(huán)境，應避開較強的反射面，如水面、平坦光滑的地面以及平整的建筑物表面等。，削弱多路徑效應的周期性影響。 改善GPS接收機的電路設計，為減弱多路徑效應的影三、 接收設備有關的誤差與GPS接收機設備有關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天線相對于測站點的安置誤差等。根據(jù)經(jīng)驗，一般認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，由于此項誤差屬于偶然誤差，可適當?shù)卦黾佑^測量，將會明顯地減弱其影響。接收機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，必須認真，仔細操作，以盡量減小這種誤差的影響。接收機的鐘差 盡管GPS接收機中有高精度的石英鐘，其日頻率穩(wěn)定度可以達到10的11方，但對載波相位觀測的影響仍是不可忽視的。處理接收機鐘差較為有效的方法是將各觀測時刻的接收機鐘差之間看成是相關的，由此建立一個鐘差模型，并表示為一個時間多項式的形式，然后在觀測量的平差計算中統(tǒng)一求解，得到多項式的系數(shù)，因而也得到接收機的鐘差改正。載波相位觀測的整周未知數(shù) 載波相位觀測是當前普遍采用的最精密的觀測方法，由于接收機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，觀測值是以接收機天線相位中心位置為準的，因而天線的相位中心與其幾何中心理論上保持一致?？墒牵瑢嶋H上天線的相位中心位置隨著信號輸入的強度和方向不同而有所變化，即觀測時相位中心的瞬時位置（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。在實際工作中，如果使用同一類型的天線，在相距不遠的兩個或多個觀測站上，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，均亦按天線附有的方位標進行定向，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測量技術設計的因素GPS外業(yè)涉及面很廣，因而外業(yè)階段的技術設計是一個復雜的技術管理問題，經(jīng)綜合大致有以下一些因素應加以考慮： (1)同測站有關的因素：網(wǎng)點密度；布網(wǎng)方案；時段分配、重復設站和重合點的設計； (2)同觀測衛(wèi)星有關的因素：觀測衛(wèi)星數(shù)；衛(wèi)星信號質(zhì)量；圖形強度因子；衛(wèi)星高度角；星歷來源。 (3)同儀器有關的因素：接收機，用于精密相對定位時至少為兩臺；天線，若天線設計質(zhì)量和穩(wěn)定性欠佳，會帶來一系列的誤差；記錄設備，可以是盒式數(shù)據(jù)磁帶或軟磁盤。 (4)后勤面的因素：動用接收機臺數(shù)及其來源和使用期間；測區(qū)內(nèi)各時段，機組的調(diào)度；其他外業(yè)裝備，主要是效能工具和通訊設備。 精度分級固定誤差a（mm）比例誤差b（ppmm）ABCDE5810101055101020表31各級ＧＰＳ網(wǎng)水平分量的中誤差第二節(jié) GPS網(wǎng)的布設一、 步網(wǎng)（1）所選點位要便于低等級常規(guī)測量的使用，每一個GPS點應與兩個或兩個以上的控制點通視，困難情況下也至少保持與相鄰一個控制點通視，否則，需埋設方位樁，且用GPS聯(lián)測。（2）GPS點間距離應按規(guī)范要求設計，可考慮靈活變動，以便于低等級控制點加密，小間中距相鄰點位應進行直接聯(lián)測。（3）GPS網(wǎng)點中各同步邊應盡可能構(gòu)成若干個閉合環(huán)，在完成各邊的平差后，可檢驗閉合差是否滿足相應等級要求。一等以上GPS網(wǎng)中至少包含三個閉合環(huán)且彼此線性無關；二、三、四等也應有兩個以上的閉合環(huán)；五等網(wǎng)也至少有一個閉合環(huán)。 （4）考慮將測區(qū)內(nèi)原有的國家或地方測設的三角點進行聯(lián)測，有利于兩系統(tǒng)成果的變換，聯(lián)測點應盡量均勻分布在整個測區(qū)的里面和外圍。為精確求定轉(zhuǎn)換參數(shù)，GPS網(wǎng)要盡可能多地聯(lián)測高等級的大地控制點，聯(lián)測點和重合點的個數(shù)不得少于3個，特殊情況下也不得少于2個。第三節(jié) GPS的坐標系統(tǒng)和時間系統(tǒng)一、 WGS84大地坐標系WGS84大地坐標系的幾何定義是：原點位于地球質(zhì)心，Z軸指向BIH （CTP）方向，X軸指向的零子午面和CTP赤道的交點，Y軸與Z、X軸構(gòu)成右手坐標系。對應于WGS84大地坐標系有一WGS84橢球。WGS84橢球及有關常數(shù)采用國際大地測量（IAG）和地球物理聯(lián)合會（IUGG）第17屆大會大地測量常數(shù)的推薦值，四個基本參數(shù)為：長半軸a=6378137177。2m。大地水準面高等于由定位測定的點的大地高減去該點的正高。WGS—84于1985年開始使用，1986年生產(chǎn)出第一批相對于地心坐標系的地圖、航測圖和大地成果。由于GPS導航定位全面采用了WGS—84，用戶可以獲得更高精度的地心坐標，也可以通過轉(zhuǎn)換，獲得較高精度的參心大地坐標系坐標。如圖31圖31 WGS—84坐標系二、 1954年北京坐標系20世紀50年代，我國采用了克拉索夫斯基橢球參數(shù)，并與前蘇聯(lián)1942年坐標系進行聯(lián)測，通過計算建立了我國大地坐標系，定名為1954年北京坐標系。其中高程異常是以前蘇聯(lián)1955年大地水準面差距重新平差結(jié)果為依據(jù)，按我國的天文水準路線傳算過來的。因此1954年北京坐標系可以認為是前蘇聯(lián)1942年坐標系的延伸。它的原點不在北京，而在前蘇聯(lián)的普爾科沃，相應的橢球為克拉索夫斯基橢球。三、 1980年國家大地坐標系1980年國家大地坐標系的建立原則是：（1） 全國天文大地網(wǎng)整體平差要在新的坐標系的參考橢球面上進行。為此，首先建立一個新的大地坐標系；（2） 1980年國家大地坐標系的大地原點設在我國中部－陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)；（3） 采用國際大地測量和地球物理聯(lián)合會1975年推薦的四個地球橢球基本參數(shù)，并根據(jù)這四個參數(shù)求解橢球扁率和其它參數(shù)；（4） 1980年國家大地坐標系的橢球短軸平行于地球質(zhì)心指向我國地極 ，大地起始子午面平行于格林尼治天文臺的子午面；（5） 橢球定位參數(shù)以我國范圍內(nèi)高程異常值平方和等于最小為條件解。四、 新1954年北京坐標系盡管1980年國家大地坐標系具有先進性和嚴密性 ，但1954年原北京坐標系畢竟在我國測繪工作中潛移默化，影響深遠。40年來，數(shù)十萬個國家控制點都是在這個系統(tǒng)內(nèi)完成計算的，一切測量工程和測繪成果均無例外地采用著這個系統(tǒng)。為了既體現(xiàn)1980年國家大地坐標系的嚴密性，又照顧到1954年原北京坐標系的實用性，有的部門和單位想出一種兩全其美的辦法，于是就產(chǎn)生了1954年新北京坐標系。1954年新北京坐標系的成果，就是將1980年國家大地坐標系的空間直角坐標經(jīng)三個平移參數(shù)平移變換至克拉索夫斯基橢球中心，就成了新北京坐標系的成果。所以說，新北京坐標系的成果實際上就是從1980年大地坐標系整體平差成果轉(zhuǎn)換而來的。五、 GPS時間系統(tǒng)GPS系統(tǒng)是測時測距系統(tǒng)。時間在GPS測量中是一個基本觀測量。衛(wèi)星的信號，衛(wèi)星的運動，衛(wèi)星的坐標都與時間密切相關。對時間的要求既要穩(wěn)定又要連續(xù)。為此，GPS系統(tǒng)中衛(wèi)星鐘和接收機鐘均采用穩(wěn)定而連續(xù)的GPS時間系統(tǒng)。GPS時間系統(tǒng)采用原子時ATI秒長作為時間基準，但同時起算的原點定義在1980年1月6日UTC 0時。啟動后不跳秒，保持時間的連續(xù)。以后隨著時間的積累，GPS時與UTC時的整秒差以及秒以下的差異通過時間服務部門定期公布。衛(wèi)星播發(fā)的衛(wèi)星鐘差也是相對GPS時間系統(tǒng)的鐘差，在利用GPS直接進行時間校對時應注意到這一問題。第四章 工作流程第一節(jié) GPS控制網(wǎng)的內(nèi)業(yè)設計一、 GPS控制網(wǎng)設計 GPS