【正文】 它的原點(diǎn)不在北京，而在前蘇聯(lián)的普爾科沃，相應(yīng)的橢球?yàn)榭死鞣蛩够鶛E球。其中高程異常是以前蘇聯(lián) 1955 年大地水準(zhǔn)面差距重新平差結(jié)果為依據(jù)，按我國的天文水準(zhǔn)路線傳算過來的。由于 GPS導(dǎo)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(biāo)，也可以通過轉(zhuǎn)換，獲得較高精度的參心大地坐標(biāo)系坐標(biāo)。 ? ? ? ?? ?8 3 2692 . 01 1 1 1 13 9 8 6 0 0 5 0 .6 1 04 8 4 .1 6 6 8 5 1 0 1 .3 0 1 07 2 9 2 1 1 5 1 0 0 .1 5 0 0 1 0MG m sCra d s????? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ?地 心 引 力 常 數(shù) （ 含 大 氣 層 ）正 常 化 二 階 帶 諧 系 數(shù)地 球 自 轉(zhuǎn) 角 速 度 大地水準(zhǔn)面高等于由定位測定的點(diǎn)的大地高減去該點(diǎn)的正高。 WGS84 橢球及有關(guān)常數(shù)采用國際大地測量（ IAG）和地球物理聯(lián)合會(huì)（ IUGG）第 17 屆大會(huì)大地測量常數(shù)的推薦值，四個(gè)基本參數(shù)為： 長半軸 a=6378137177。 第三節(jié) GPS 的坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng) 一、 WGS84 大地坐標(biāo)系 WGS84 大地坐標(biāo)系的幾何定義是：原點(diǎn)位于地球質(zhì)心， Z軸指向 BIH 定義的協(xié)議地球極（ CTP）方向， X軸指向的零子午面和 CTP 赤道的交點(diǎn)， Y軸與 Z、X軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。 （ 4）考慮將測區(qū)內(nèi)原有的國家或地方測設(shè)的三角點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測，有利于兩系統(tǒng)成果的變換，聯(lián)測點(diǎn)應(yīng)盡量均勻分布在整個(gè)測區(qū)的里面和外圍。 （ 3） GPS 網(wǎng)點(diǎn)中各同步邊應(yīng)盡可能構(gòu)成若干個(gè)閉合環(huán)，在完成各邊的平差后，可檢驗(yàn)閉合差是否滿足相應(yīng)等級(jí)要求。 表 31 各級(jí)ＧＰＳ網(wǎng)水平分量的中誤差 第二節(jié) GPS 網(wǎng)的布設(shè) 精度分級(jí) 固定誤差 a（ mm） 比例誤差 b（ ppmm） A B C D E ? 5 ? 8 ? 10 ? 10 ? 10 ? 5 ? 5 ? 10 ? 10 ? 20 太原理工 大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 24 一、 步網(wǎng) （ 1）所選點(diǎn)位要便于低等級(jí)常規(guī)測量的使用，每一個(gè) GPS 點(diǎn)應(yīng)與兩個(gè)或兩個(gè)以上的控制點(diǎn)通視，困難情況下也至少保持與相鄰一個(gè)控制點(diǎn)通視， 否則，需埋設(shè)方位樁，且用 GPS 聯(lián)測 。 (3)同儀器有關(guān)的因素：接收機(jī)，用于精密相對(duì)定位時(shí)至少為兩臺(tái)；天線，若天線設(shè)計(jì)質(zhì)量和穩(wěn)定性欠佳，會(huì)帶來一系列的誤差；記錄設(shè)備，可以是盒式數(shù)據(jù)磁帶或軟磁盤。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。所以對(duì)于精密相對(duì)定位，這種影響是不容忽視的。 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。 此外，在觀測過程中，由于衛(wèi)星信號(hào)失鎖而發(fā)生的周跳現(xiàn)象。 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。 接收機(jī)天線相對(duì)于觀測站中心的安置誤差，主要是天線的置不與對(duì)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。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般認(rèn)為觀測的分辨誤差約為信號(hào)波長的 1%。 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 太原理工 大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 21 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。 。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。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(duì)測碼偽距的影響可達(dá)到米級(jí)，對(duì)測相偽距的影響可達(dá)到厘米級(jí)。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(hào)通過對(duì)流層的路徑相近，對(duì)流層的物理特性相近，所以對(duì)同 一衛(wèi)星的同步觀測值求差，可以明顯的減弱對(duì)流層折射的影響。對(duì)于輸送短的基線 (50km)，濕分量的影響較小 關(guān)于對(duì)流層折射的影響，一般有以下幾種處理方法： 定位精度要求不高時(shí)，可不考慮其影響。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(hào)傳播路徑上的大氣濕度有關(guān)。對(duì)于單頻 GPS 接收機(jī)而言，這種方法的重要意義尤為明顯。 利用電離層模型加以修正 對(duì)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(duì)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％。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(dòng)的異常期，應(yīng)盡量避免觀測。便能多確定其影響 ，而對(duì)觀測量加以修正。當(dāng) GPS 衛(wèi)星處于天頂方向時(shí)，電離層折射對(duì)信號(hào)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。 二、 與衛(wèi)星信號(hào)傳播有關(guān)的誤差 與衛(wèi)星信號(hào)有關(guān)的誤差主要包括大氣折射誤差和多路徑效應(yīng) 。由于同一衛(wèi)星的位置誤差對(duì)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。 同步觀測值求差 這一方法是利用在兩個(gè)或多個(gè)觀測站一同，對(duì)同一衛(wèi)星的同步觀測值求差。 在 GPS 定位測量中，處理衛(wèi)星軌道誤差有以下幾種方法 : 忽略軌道誤差 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。 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。在相對(duì)定位中，衛(wèi)星 鐘差可通過觀測量求差（或差分）的方法消除。 對(duì)于衛(wèi)星鐘的這種偏差，一般可由衛(wèi)星的主控站，通過對(duì)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)。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。 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(duì)應(yīng)的信息，是通過衛(wèi)星信號(hào)的編碼信息傳送給接收機(jī)的。 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。 GPS 定位中，存在著三部分誤差：一是多臺(tái)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(duì)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)。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。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(duì)定位。比如相對(duì)定位中，在一個(gè)測站上對(duì)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(duì)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(duì)一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行兩次觀測求差。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。但載波信號(hào)是一種周期性的正弦信號(hào)，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。而如果把載波作為量測信號(hào)，由于載波的波長短19cm； 24cm，所以就可達(dá)到很高的精度。然而由于測距碼的碼元長度較大，對(duì)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。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。用 P碼測出的偽距為 P碼偽距。由于衛(wèi)星鐘、接收機(jī)鐘的誤差以及無線電信號(hào)經(jīng)過電離層和對(duì)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。 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(huì)的方法求定接收機(jī)天線所在點(diǎn)的三維坐標(biāo)。 利用接收到的衛(wèi)星信號(hào)（測距碼）或載波相位，均可進(jìn)行靜態(tài)定位。若以兩臺(tái) 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(duì)位置，又叫相對(duì)定位。對(duì)于待 太原理工 大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 16 定點(diǎn)來說，根據(jù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以將 GPS 定位分為靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位。需要實(shí)時(shí)地由 GPS 衛(wèi)星信號(hào)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。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 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?cè)诠饭こ炭刂?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）。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(hào)，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 太原理工 大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 15 離交會(huì)法解算出測站 P的位置。這便是 GPS 衛(wèi)星定位的基本原理。如果在第四個(gè)地面點(diǎn)上（坐標(biāo)未知）也有一臺(tái)衛(wèi)星激光測距儀同時(shí)參與測定了該點(diǎn)至第三顆衛(wèi)星點(diǎn)的空間距離，則利用所測定的三個(gè)空間距離可以交會(huì)出該地面點(diǎn)的位置。雖然用于激光測距的衛(wèi)星（表面上安裝有激光反射棱鏡）是在不停的運(yùn)動(dòng)中，但總可以利用固定于地面上三個(gè)已知點(diǎn)上的衛(wèi)星激光測距儀同時(shí) 測定某一時(shí)刻至衛(wèi)星的空間距離， d1,d2,d3，應(yīng)用測距交會(huì)的原理變可確定該時(shí)刻衛(wèi)星的空間位置。這種無線電導(dǎo)航定位是迄今為止仍在使用的飛機(jī)、輪船的一種導(dǎo)航定位方法。只需以三個(gè)發(fā)射臺(tái)為球心，以 d1,d2,d3為半徑作三個(gè)定位球面，即可交會(huì)出用戶接收機(jī)的空間位置。與其相似，無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)、衛(wèi)星激光測距定位系統(tǒng)，其定位原理也是利用測距交會(huì)的原理確定點(diǎn)位。當(dāng)用交流電時(shí)，要經(jīng)過穩(wěn)壓電源或?qū)Ｓ秒娫唇粨Q器。 電源 GPS 接收機(jī)電源有兩種，一種為內(nèi)電源，一般采用鋰電池，主要用于 RAM 存儲(chǔ)器供電，以防止數(shù)據(jù)丟失。用戶可通過鍵盤控制接收機(jī)工作。 顯示器 GPS接收機(jī)都有液晶顯示屏以提供 GPS接收機(jī)工作信息。 根據(jù)預(yù)先設(shè)置的航路點(diǎn)坐標(biāo)和單點(diǎn)定位測站位置計(jì)算導(dǎo)航的參數(shù)、航偏距、航偏角、航行速度等。當(dāng)同時(shí)鎖定 4顆衛(wèi)星時(shí)，將 C/A碼偽距觀測值連同星歷一起計(jì)算測站的三維坐標(biāo)，并按預(yù)置位置更新率計(jì)算新的位置。 接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行搜索，捕捉衛(wèi)星。 微處理器 微處理器是 GPS 接收機(jī)工作的靈魂， GPS 接收機(jī)工作都是在微機(jī)指令統(tǒng)一協(xié)同下進(jìn)行的。目前， GPS 接收機(jī)都裝有半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，接收機(jī)內(nèi)存數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)口傳到微機(jī)上，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)保存。 GPS 信號(hào) 太原理工 大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 13 通道的作用有三：一是搜索衛(wèi)星，牽引并跟蹤衛(wèi)星；二是對(duì)廣播電文數(shù)據(jù)信號(hào)實(shí)行解擴(kuò)，解調(diào)出廣播電文；三是進(jìn)行偽距測量、載波相位測量及多普勒頻移測量。 下圖 25是 GPS 接收機(jī)原理圖： 太原理工 大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 12 圖 25 GPS 接收機(jī)原理圖 GPS 接收機(jī)的天線類型如下圖 26： 圖 26 GPS 接收機(jī)的天線類型 接收機(jī)主機(jī) （ 1） 變頻器及中頻放大器 經(jīng)過 GPS 前置放大器的信號(hào)仍然很微弱，為了使接收機(jī)通道得到穩(wěn)定的高增益，并且使 L頻段的射頻信號(hào)變成低頻信號(hào)，必須采用變頻器。它的作用是，將到達(dá) GPS 信號(hào)接收天線的功率約為 160dBW 的 GPS電磁波變換成微波電信號(hào)，并將如此微弱的 GPS電信號(hào)予以放大。它是用戶利用 GPS 進(jìn)行導(dǎo)航定位時(shí)一組不可少的數(shù)據(jù)。由于 P碼的碼元寬度僅為 C/A 碼的 1/10，而且該測距碼又同時(shí)調(diào)制在 L1 和 L2 兩個(gè)載波上，可較完善地消除電離層延遲，故用它來測距可獲得較精確的 結(jié)果。目前， /A 碼只調(diào)制在 L1載波上，故無法精確地消除電離層延遲。根據(jù)性質(zhì)和用途的不同，測距碼可分為粗碼（ C/A 碼）和精碼（ P碼或 Y 碼）兩類，各衛(wèi)星所用的測距碼互不相同且相互正交。因此，載波相位測量在高精度定位中得到廣泛的應(yīng)用。在全球定位系統(tǒng)中，載波除了能更好地傳送測距碼和導(dǎo)航電文這些有用意信 太原理工 大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 11 息外，在載波相位測量中它又被當(dāng)做一種測距信號(hào)來使用。其中 L1 載波是由衛(wèi)星上的原子鐘所產(chǎn)生的基準(zhǔn)頻率 f0倍頻 154 倍后形成的， L2 載波是由基準(zhǔn)頻率 f0 倍頻120 倍后形成的。 載波 可運(yùn)載調(diào)制信號(hào)的高頻振蕩波稱為載波。 下圖 24是 GPS 系統(tǒng)