【正文】 一定時(shí)間的觀 測(cè)，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。而動(dòng)態(tài)定位則至少有一臺(tái)接收機(jī)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，測(cè)定的是各觀測(cè)時(shí)刻（觀測(cè)歷元）運(yùn)動(dòng)中的接收機(jī)的點(diǎn)位（絕對(duì)點(diǎn)位或相對(duì)點(diǎn)位）。 利用接收到的衛(wèi)星信號(hào)（測(cè)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(duì)流層的折射誤差的影響，常采用載波相位觀測(cè)值的各種線(xiàn)形組合（即差分值）作為觀測(cè)值，獲得兩點(diǎn)之 太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院 畢業(yè)論文 14 間高精度的 GPS 基線(xiàn)向量（即坐標(biāo)差）。 二、 GPS 幾種定位方式 偽距測(cè)量定位 偽距法定位是由 GPS接收機(jī)在某一時(shí)刻測(cè)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(xiàn)所在點(diǎn)的三維坐標(biāo)。所測(cè)偽距就是由衛(wèi)星發(fā)射的測(cè)距碼信號(hào)到達(dá) GPS 接收機(jī)的傳播時(shí)間乘以光速得到的量測(cè)距離。由于衛(wèi)星鐘、接收機(jī)鐘的誤差以及無(wú)線(xiàn)電信號(hào)經(jīng)過(guò)電離層和對(duì)流層中的延遲，實(shí)際測(cè)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(chēng)量出的距離為偽距。用 C/A 碼進(jìn)行測(cè)量的偽距為 C/A 碼偽距。用 P 碼測(cè)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(wú)多值性問(wèn)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(cè)偽距又可作為載波相位測(cè)量中解決整周數(shù)不確定問(wèn)題（模糊度）的輔助資料。 載波相位測(cè)量定位 利用測(cè)距碼進(jìn)行偽距測(cè)量是 GPS 定位系統(tǒng)的基本測(cè)距方法。然而由于測(cè)距碼的碼元長(zhǎng)度較大，對(duì)于一些高精度應(yīng)用來(lái)講其測(cè)距精度還顯的過(guò)低無(wú)法滿(mǎn)足需要。如果觀測(cè)精度均取至測(cè)距碼波長(zhǎng)的百分之一，則偽距測(cè)量對(duì) P 碼而言量測(cè)精度為 30cm，對(duì)C/A 碼而言為 3m 左右。而如果把載波作為量測(cè)信號(hào)，由于載波的波長(zhǎng)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(cè)量精度一般為 1～ 2mm，有的精度更高。但載波信號(hào)是一種周期性的正弦信號(hào)，而相位測(cè)量又只能測(cè)定其不足一個(gè)波長(zhǎng)的部分，因而存在著整周數(shù)不確定性的問(wèn)題，使解算過(guò)程變地十分復(fù)雜。 在 GPS 信號(hào)中由于已用相位調(diào)整的方法在調(diào)制了測(cè)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(cè)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(cè)距碼和衛(wèi)星電文去掉，重新獲取載波，這一工作稱(chēng)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(hù)可同時(shí)提取測(cè)距信號(hào)和衛(wèi) 星電文，但用戶(hù)必須知道測(cè)距碼的結(jié)構(gòu)；采用后者，用戶(hù)無(wú)須掌握測(cè)距碼的結(jié)構(gòu)，但只能獲取載波信號(hào)而無(wú)法獲得測(cè)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(duì)定位中，在一個(gè)測(cè)站上對(duì)兩個(gè)觀測(cè)目標(biāo) 太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院 畢業(yè)論文 15 進(jìn)行觀測(cè)，將觀測(cè)值求差；或在兩個(gè)測(cè)站上對(duì)一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，將觀測(cè)值求差；或在一個(gè)測(cè)站上對(duì)一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行兩次觀測(cè)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(cè)值解算兩觀測(cè)站之間的基線(xiàn)向量，這種差分技術(shù)已經(jīng)用于靜態(tài)相對(duì)定位。 該部分所講述的差分 GPS 定位技術(shù)是將一臺(tái)接收機(jī)安置在基準(zhǔn)站上進(jìn)行觀測(cè)。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(hù)接收機(jī)在進(jìn)行 GPS觀測(cè)的同時(shí)，也接收到基準(zhǔn)站的改正數(shù)，并對(duì)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(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)。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(hù)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(cè)量均發(fā)精密測(cè)時(shí)為依據(jù)，而與衛(wèi)星位置相對(duì)應(yīng)的信息，是通過(guò)衛(wèi)星信號(hào) 的編碼信息傳送給接收機(jī)的。在 GPS 定位中，無(wú)論是碼相位觀測(cè)或是載波相位觀測(cè)，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?xún)?nèi)。 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(guò)對(duì)衛(wèi)星鐘運(yùn)行狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測(cè)確定，并通過(guò)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?xún)?nèi)。在相對(duì)定位中，衛(wèi)星鐘差可通過(guò)觀測(cè)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 太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院 畢業(yè)論文 16 攝動(dòng)力的復(fù)雜影響，而通過(guò)地面監(jiān)測(cè)站，以難以充分可靠的測(cè)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(guò)導(dǎo)航電文等到的。 應(yīng)該說(shuō)，衛(wèi)星軌道誤差是當(dāng)前 GPS 測(cè)量的主要誤差來(lái)源之一。測(cè)量的基線(xiàn)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，此項(xiàng)誤差的影響就越大。 在 GPS 定位測(cè)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。 采用軌道改進(jìn)法處理觀測(cè)數(shù)據(jù) 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。 同步觀測(cè)值求差 這一方法是利用在兩個(gè)或多個(gè)觀測(cè)站一同，對(duì)同一衛(wèi)星的同步觀測(cè)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(duì)不同觀測(cè)站同步觀測(cè)量的影響，具有系統(tǒng)誤差性質(zhì)，所以通過(guò)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(xiàn)較短時(shí)，其效用更不明顯。 這種方法對(duì)于精度相對(duì)定位，具有極其重要的意義。 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) 。 電離層折射的影響 GPS 衛(wèi)星信號(hào)的其它電磁波信號(hào)一樣，當(dāng)其通過(guò)電離層時(shí)，將受到這一介質(zhì)彌散特性的影響，便其信號(hào)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(duì)信號(hào)傳播路徑的影響最小，而當(dāng)衛(wèi)星接近地平線(xiàn)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 ： 利用雙頻觀測(cè) 由于電離層的影響是信號(hào)頻率的函數(shù)，所以利用不同頻率的電磁波信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)。便能多確定其影響，而對(duì)觀測(cè)量加以修正。因此，具有雙頻的 GPS 接收機(jī)，在精密定 位中測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用。不過(guò)應(yīng)當(dāng)明確指出，在太陽(yáng)輻射的正午或在太陽(yáng)黑子活動(dòng)的異常期，應(yīng)盡量避免觀測(cè)。在尤其是精密定位測(cè)量。 利用電離層模型加以修正 太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院 畢業(yè)論文 17 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(cè)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％。 利用同步觀測(cè)值求差 這一方法是利用兩臺(tái)或多臺(tái)接收機(jī)，對(duì)同一衛(wèi)星的同步觀測(cè)的求差，以減弱電離層折射的影響，尤其當(dāng)觀測(cè)站間的距離較近時(shí)（ 20km)，由于衛(wèi)星信號(hào) 到達(dá)各觀測(cè)站的路徑相近，所經(jīng)過(guò)的介質(zhì)狀況相似，因此通過(guò)各觀測(cè)站對(duì)相同衛(wèi)星信號(hào)的同步觀測(cè)值求差，便可顯著的減弱電離層折射影響，其殘差將不會(huì)超過(guò) 。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。 對(duì)流層折射的影響 對(duì)流層折射對(duì)觀測(cè)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(hào)傳播路徑上的大氣濕度有關(guān)。對(duì)于干分量的影響，可通過(guò)地面的大氣資料計(jì)算；濕分量目前尚無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)定。對(duì)于輸送短的基線(xiàn)(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。 采 用對(duì)流層模型進(jìn)行改正； 采用觀測(cè)量求差的方法。與電離層的影響相類(lèi)似，當(dāng)觀測(cè)站間相距不遠(yuǎn) (20km)時(shí)，由于信號(hào)通過(guò)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(cè)值求差，可以明顯的減弱對(duì)流層折射的影響。 多路徑效應(yīng)影響 多路徑效應(yīng)亦稱(chēng)多路徑誤差，是指接收機(jī)天線(xiàn)除直接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)外，還可能收到經(jīng)天線(xiàn)周?chē)匚镆淮位蚨啻畏瓷涞男l(wèi)星信號(hào)，信號(hào)疊加將會(huì)引起測(cè)量參考點(diǎn)（相位中心點(diǎn) )位置的變化，從而便觀測(cè)量產(chǎn)生誤 差，而且這種誤差隨天線(xiàn)周?chē)瓷涿娴男再|(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(duì)測(cè)碼偽距的影響可達(dá)到米級(jí)，對(duì)測(cè)相偽距的影響可達(dá)到厘米級(jí)。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(hào)失鎖和使載波相位觀測(cè)量產(chǎn)生周跳。因此，在精密 GPS 導(dǎo)航和測(cè)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(xiàn)的環(huán)境，應(yīng)避開(kāi)較強(qiáng)的反射面，如水面 、 平坦光滑的地 面 以 太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院 畢業(yè)論文 18 及平整的建筑物表面等。 選擇造型適宜且屏蔽良好的天線(xiàn)等。 適當(dāng)延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí) 間，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(cè)誤差，接收機(jī)鐘差，天線(xiàn)相位中心誤差和載波相位觀測(cè)的整周不定性影響。 觀測(cè)誤差 觀測(cè)誤差包括觀測(cè)的分辨誤差及接收機(jī)天線(xiàn)相對(duì)于測(cè)站點(diǎn)的安置誤差等。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般認(rèn)為觀測(cè)的分辨誤差約為信號(hào)波長(zhǎng)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(cè)量，將會(huì)明顯地減弱其影響。 接收機(jī)天線(xiàn)相對(duì)于觀測(cè)站中心的安置誤差，主要是天線(xiàn) 的置不與對(duì)中誤差以及量取天線(xiàn)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(duì)載波相位觀測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)的整周未知數(shù) 載波相位觀測(cè) 是 當(dāng)前 普遍采用的最精密的觀測(cè)方法，由于接收機(jī)只能測(cè)定載波相位非整周的小數(shù)部 分 ，而無(wú)法直接測(cè)定開(kāi)波相位整周數(shù)，因而存在整周不定性問(wèn)題。 此外，在觀測(cè)過(guò)程中，由于衛(wèi)星信號(hào)失鎖而發(fā)生的周跳現(xiàn)象。從衛(wèi)星信號(hào)失鎖到信號(hào)重新鎖定，對(duì)載波相位非整周的小數(shù)部分并無(wú)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(duì)觀測(cè)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(wèn)題。 天線(xiàn)的相位中心位置偏差 在 GPS 定位中，觀測(cè)值是以接收機(jī)天線(xiàn)相位中心位置為準(zhǔn)的，因而天線(xiàn)的相位中 太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院 畢業(yè)論文 19 心與其幾 何中心理論上保持一致?？墒?，實(shí)際上天線(xiàn)的相位中心位置隨著信號(hào)輸入的強(qiáng)度和方向不同而有所變化，即觀測(cè)時(shí)相位中心的瞬時(shí)位置（稱(chēng)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(xiàn)相位中心的偏差對(duì)相對(duì)定位結(jié)果的影響，根據(jù)天線(xiàn)性能的優(yōu)劣，可達(dá)數(shù)毫米至數(shù)厘米。所以對(duì)于精密相對(duì)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(lèi)型的天線(xiàn)，在相距不遠(yuǎn)的兩個(gè)或多個(gè)觀測(cè)站上，同步觀測(cè)同一組衛(wèi)星，那么便可通過(guò)觀測(cè)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(cè)站的天線(xiàn)時(shí)，均 亦 按天線(xiàn)附有的方位標(biāo)進(jìn)行定向，使之根 據(jù)羅盤(pán)指向磁北極。 第三章 工作流程 第一節(jié) GPS 控制網(wǎng)的內(nèi)業(yè)設(shè)計(jì) 一、 GPS 控制網(wǎng)設(shè)計(jì) GPS 控制網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計(jì)是進(jìn)行 GPS測(cè)量的基礎(chǔ)。它應(yīng)根據(jù)用戶(hù)提交的任務(wù)書(shū)或測(cè)量合同所規(guī)定的測(cè)量任務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。其內(nèi)容包括測(cè)區(qū)范圍、測(cè)量精度、提交成果方式、完成時(shí)間等。設(shè)計(jì)的技術(shù)依據(jù)是國(guó)家測(cè)繪局頒發(fā)的《全球定位系統(tǒng) (GPS)測(cè)量規(guī)范》及建設(shè)部頒發(fā)的《全球定位系統(tǒng)城市測(cè)量技術(shù)規(guī)程》。 （一） GPS 網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)的一般原則 充分考慮 GPS 控制網(wǎng)的應(yīng)用范圍 對(duì)于工程建設(shè)的 GPS 網(wǎng)，應(yīng)當(dāng)既考慮勘測(cè)設(shè)計(jì)階段的需要，又要考 慮到施工放樣等階段的需要。對(duì)于城市 GPS 控制網(wǎng)，既要考慮近期建設(shè)和規(guī)劃的需要，又要考慮遠(yuǎn)期發(fā)展的需要，還可以根據(jù)具體情況擴(kuò)展 GPS 控制網(wǎng)的功能，例如，因?yàn)?GPS測(cè)量具有高精度和不要求通視的優(yōu)點(diǎn)，有的城市已經(jīng)考慮將城市