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1、1,一、全球定位系统的产生、发展及前景,2,什么是GPS？,GPS的英文全称是Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System简称GPS，有时也被称作NAVSTAR GPS。,其意为“导航星测时与测距全球定位系统”，或简称全球定位系统。,3,建立国家美国目的在全球范围内，提供实时、连续、全天候的导航定位及授时服务开始筹建时间1973年完全建成时间1995年,4,系统构成空间部分、地面控制部分、用户部分服务方式通过由多颗卫星所组成的卫星星座提供导航定位服务定位原理距离交会测距原理被动式电磁波测距特点全球覆盖、全天候、不间
2、断、精度高,5,近、现代的常规定位方法采用的仪器设备尺：铟钢尺光学仪器：经纬仪，水准仪电磁波或激光仪器：测距仪综合多种技术的仪器：全站仪观测值角度或方向观测距离观测天文观测方法,6,常规定位方法的局限性,需要事先布设大量的地面控制点/地面站无法同时精确确定点的三维坐标观测受气候、环境条件限制观测点之间需要保证通视需要修建觇标/架设高大的天线边长受到限制观测难度大效率低：无用的中间过渡点受系统误差影响大，如地球旁折光难以确定地心坐标,7,子午卫星系统及其局限性,系统简介NNSS Navy Navigation Satellite System（海军导航卫星系统），由于其卫星轨道为极地轨道，故也称
3、为Transit（子午卫星系统）采用利用多普勒效应进行导航定位，也被称为多普勒定位系统美国研制、建立1964年1月建成1967年7月解密供民用,8,子午卫星系统及其局限性,系统组成空间部分卫星：发送导航定位信号（信号：4.9996MHz 30=149.988MHz；4.9996MHz 80=399.968MHz；星历）卫星星座 由6颗卫星构成，6轨道面，轨道高度1075km地面控制部分包括：跟踪站、计算中心、注入站、控制中心和海军天文台用户部分多普勒接收机,9,子午卫星系统及其局限性,应用领域海上船舶的定位大地测量精度单点定位：15次合格卫星通过（两次通过之间的时间间隔为0.8h 1.6h），
4、精度约为10m联测定位：各站共同观测17次合格卫星通过，精度约为0.5m,10,子午卫星系统及其局限性,系统缺陷卫星少，观测时间和间隔时间长，无法提供实时导航定位服务导航定位精度低卫星信号频率低，不利于补偿电离层折射效应的影响卫星轨道低，难以进行精密定轨,11,GPS的发展简史方案论证阶段,1973年12月，美国国防部批准研制GPS。1978年2月22日，第1颗GPS试验卫星发射成功。从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。,12,GPS的发展简史全面研制和试验阶段,从1979年到1987年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，G
5、PS定位精度远远超过设计标准。,13,GPS的发展简史实用组网阶段,1989年2月14日，第1颗GPS工作卫星发射成功。1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战。1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。1995年7月17日，GPS达到FOC 完全运行能力（Full Operational Capability）。,14,1.2 GPS在各个领域中的应用,15,GPS在军事中的应用,16,GPS在交通运输业中的应用,航运、航空搜索陆路交通（车辆导航、监控）船舶远洋导航和进港引水,17,GPS在测量中的应用,建立和维持全球性的参考框架,1
6、8,GPS在测量中的应用,板块运动和监测,19,GPS在测量中的应用,建立各级国家平面控制网,20,GPS在测量中的应用,布设城市控制网、工程测量控制网，进行各种工程测量,21,GPS在测量中的应用,在航空摄影测量、地籍测量、海洋测量中的应用,22,GPS在其他领域中的应用,精细农业遥感卫星定轨资源勘探个人旅游及野外探险电力、广播、电视、通讯等网络的时间同步、时间传递.,绪论 GPS在各个领域中的应用,23,二、全球定位系统的组成,24,GPS的系统组成,GPS系统由三部分组成空间部分地面控制部分用户设备部分,25,GPS的空间部分,GPS的空间部分的组成GPS卫星星座,6个轨道面平均轨道高度
7、20200km轨道倾角55 周期11h 58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次）,26,GPS的空间部分,GPS卫星星座设计星座：21+321颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星保证在每天24小时的任何时刻，在高度角15以上，能够同时观测到4颗以上卫星当前星座：28颗,27,GPS的空间部分,28,GPS的空间部分,GPS卫星的地面轨迹,29,GPS的空间部分,GPS卫星 作用：接收、存储导航电文生成用于导航定位的信号（测距码、载波）发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文）接受地面指令，进行相应操作其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。
8、主要设备太阳能电池板原子钟（2台铯钟、2台铷钟）信号生成与发射装置,30,GPS卫星（续）类型试验卫星：Block 工作卫星：Block Block：存储星历能力为14天，具有SA和AS地能力Block A（Advanced）：卫星间可相互通讯，存储星历能力为180天，SV35和SV36带有激光反射棱镜Block R（Replacement/Replenishment）：卫星间可相互跟踪相互通讯Block F（Follow On）：新一代的GPS卫星,增设第三民用频率,GPS的空间部分,31,GPS的空间部分,32,GPS的空间部分,当前的卫星状态,SUBJ:GPS STATUS 26 MAR
9、 20041.SATELLITES,PLANES,AND CLOCKS(CS=CESIUM RB=RUBIDIUM):A.BLOCK I:NONE B.BLOCK II:PRNS 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,13,14,15 PLANE:SLOT F4,B5,C2,D4,B4,C1,C4,A3,A1,E3,D2,F3,F1,D5 CLOCK:CS,CS,CS,RB,CS,RB,RB,RB,CS,CS,RB,RB,RB,CS BLOCK II:PRNS 16,17,18,20,21,22,24,25,26,27,28,29,30,31 PLANE:SLOT B1,D6,E4,
10、E1,D3,E2,D1,A2,F2,A4,B3,F5,B2,C3 CLOCK:RB,RB,RB,RB,RB,RB,CS,CS,RB,RB,RB,RB,RB,RB,33,GPS的地面监控部分,地面监控部分（Ground Segment）组成主控站：1个监测站：5个注入站：3个通讯与辅助系统,34,GPS的地面监控部分,地面监控部分（Ground Segment）（续）分布,35,GPS的地面监控部分,监测站（5个）作用：接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站。地点：夏威夷、主控站及三个注入站。,36,GPS的地面监控部分,主控站（1个）作用：管理、协调地面监控系统各部分的工作
11、，收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站将卫星星历注入卫星，监控卫星状态，向卫星发送控制指令；卫星维护与异常情况的处理。地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地。,37,GPS的地面监控部分,注入站（3个）作用：将导航电文注入GPS卫星。地点：阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）,38,GPS的用户部分,组成用户接收设备接收设备GPS信号接收机其它仪器设备,39,GPS的用户部分,GPS信号接收机组成天线单元带前置放大器接收天线接收单元信号通道存储器微处理器输入输出设备电源,天线单元,接收单元,40,GPS的用户部分,天线单元类型单极天线微带天线锥形（螺旋）天线 四丝
12、螺旋天线空间螺旋天线背腔平面盘旋天线,GPS天线,41,GPS的用户部分,天线单元（续）特点单极天线单频或双频（双极结构）、需要较大的底板、相位中心稳定、结构简单微带天线结构简单、单频或双频、侧视角低（适合于机载应用）、低增益、应用最为广泛锥形（螺旋）天线 四丝螺旋天线 单频、难以调整相位和极化方式、非方位对称、增益特性好、不需要底板空间螺旋天线 双频、增益特性好、侧视角高、非方位对称背腔平面盘旋天线,42,GPS的用户部分,天线单元天线特性相位中心、增益方式、带宽、极化相位中心平均相位中心与几何中心相位中心的偏移相位中心偏移的消除：归心改正、消去法天线高 标志至平均相位中心所在平面的垂直距离
13、,43,GPS的用户部分,接收单元接收（信号）通道定义：接收机中用来跟踪、处理、量测卫星信号的部件，由无线电元器件、数字电路等硬件和专用软件所组成。类型：根据信号跟踪方式：序惯通道、多路复用通道和多通道；根据工作原理：码相关通道、平方通道等存储器微处理器作用：数据处理、控制输入输出设备电源,44,GPS的用户部分,45,三、GPS卫星的信号结构,46,概述,GPS卫星信号的组成部分载波（Carrier）L1L2测距码（Ranging Code）C/A码（目前只被调制在L1上）P(Y)码（被分别调制在L1和L2上）卫星（导航）电文（Message）GPS卫星信号的生成关键设备 原子钟,47,GP
14、S卫星的基准频率 f0,由卫星上的原子钟直接产生频率为10.23MHz卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频,48,载波,特点所选择的频率有利于测定多普勒频移所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟（电离层折射延迟于信号的频率有关）,49,测距码,作用测距性质为伪随机噪声码（PRN Pseudo Random Noise）不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为0或1/n（n为码元数）对齐的同一组码间的相关系数为1,50,测距码,类型目前C/A码（Coarse/Acquisition Code）粗码/捕获码；码率：1.023MHz
15、；周期：1ms；1周期含码元数：1023；码元宽度：293.05m；仅被调制在L1上P（Y）码（Precise Code）精码；码率：10.23MHz；周期：7天；1周期含码元数：6187104000000；码元宽度：29.30m；被调制在L1和L2上现代化后在L2上调制C/A码在L1和L2增加调制M码,51,卫星（导航）电文,作用：向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参数、卫星状态信息及其它信息基本结构,52,卫星（导航）电文,基本内容,53,卫星（导航）电文,遥测字（TLM Telemetry Word）每一子帧的第1个字用作捕获导航电文的前导交接字（HOW Hand Over Word）每一子
16、帧的第2个字主要内容：Z计数,54,卫星（导航）电文,第一数据块第1子帧的第310个字内容：WN GPS周L2所调制测距码标识符“10”表示C/A码，“01”表示P(Y)码传输参数N URATGD 信号在卫星内部的时延星钟数据龄期AODC星钟改正参数a0（钟偏），a1（钟速），a2（钟漂）,55,卫星（导航）电文,第二数据块第2、3子帧的第310个字内容该发送信号卫星的星历 广播星历星历参数,56,卫星（导航）电文,第三数据块第4、5子帧的第310个字内容：所有卫星历书（概略星历）第三数据块的内容每12.5分钟重复一次,57,星历参数详解,58,星历参数详解,59,星历参数详解,60,星历参数
17、详解,61,卫星信号的调制,模二和运算规则二进制信号：“1”表示二进制“0”，“-1”表示二进制“1”，则,62,卫星信号的调制,二进制信号的相位调制,调频FM,调幅AM,调相PM,注：其它调制方式,63,GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置,计算思路首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标然后将上述坐标分别绕X轴旋转-i角、绕Z轴旋转-k角，求出卫星在地固系下的坐标,轨道平面坐标系,轨道参数,64,65,GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置,计算过程计算卫星运行的平均角速度计算t时刻卫星的平近点角计算偏近点角,66,GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置,计算过程（续
18、）计算真近点角计算升交距角（未经改正的）计算卫星向径,67,GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置,计算过程（续）计算摄动改正项进行摄动改正计算卫星在轨道平面坐标系中的位置,68,GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置,计算过程（续）计算升交点经度计算卫星在地固坐标系下的坐标,69,GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置,计算过程（续）计算升交点经度计算卫星在地固坐标系下的坐标,70,精密星历按一定时间间隔给出卫星在地固坐标系下的三维位置、三维速度和钟差*2004 1 15 0 0 0.00000000P 1 5945.509635 15759.608404 20698
19、.949374 324.533285P 2 1141.101111 22665.359989 14690.489309-257.156064P 3-10344.447068 24021.826531-3968.233325 77.825932P 4 22798.349665-6520.820872 12310.795279-43.522805P 5-12628.924903-23445.674881-1192.036791 13.422888P 6-13958.380086-7542.103497 21489.237683-2.952584P 7 18939.291158-12511.0280
20、58-13257.166627 635.667094P 8 26246.825668-918.226411-5165.342142 383.670428,GPS卫星位置的计算-根据精密星历计算卫星位置,71,任意时刻t卫星位置的计算原理：插值法方法：拉格朗日插值法等,GPS卫星位置的计算-根据精密星历计算卫星位置,72,GPS的定位实质：把卫星视为“动态”的控制点，在已知其瞬时坐标的条件下，进行空间距离后方交会，确定用户接收机天线所处的位置。依据测距的原理，其定位方法有伪距法定位、载波相位测量定位以及差分GPS定位等。,73,定位方式：按接收机天线所处的状态不同（1）静态定位（2）动态定位 按
21、参考点位置的不同（1）单点定位（2）多点定位。动态定位：在定位过程中，接收机位于运动着的载体，天线也处于运动状态的定位。按照接收机载体的运动速度：（1）低动态（几十米/秒）（2）中等动态（几百米/秒）（3）高动态（几千米/秒）,74,静态定位与动态定位的不同点:,静态定位：可靠性强，定位精度高，在大地测量、工程测量 中得到了广泛的应用，是精密定位中的基本模式。动态定位：可测定一个动点的实时位置、运动载体的状态参数。如速度、时间和方位等。静态定位指把GPS安置于固定不动的待定点上，进行数分钟甚至更长时间的观测，以确定该点的三维坐标，所以又称为绝对定位。若以两台及以上的接收机安置在不同的测站上，通
22、过一定时间的观测，可以确定出这些待定点的相对位置（坐标差），故称为相对定位。,75,四、GPS技术设计,76,GPS控制网的设计,项目来源 项目的来源、性质。即项目由何单位、部门下达、发包，属于何种性质的项目等。测区概况 测区的地理位置、气候、人文、经济发展状况、交通条件、通讯条件等。工程概况 工程的目的、作用、要求、GPS网等级（精度）、完成时间、有无特殊要求等在进行技术设计、实际作业和数据处理中所必须要了解的信息。技术依据 工程所依据的测量规范、工程规范、行业标准及相关的技术要求等。,1 完整的技术设计内容,77,现有测绘成果 测区内及与测区相关地区的现有测绘成果的情况。施测方案 测量采用
23、的仪器设备的种类、采取的布网方法等。作业要求 选点埋石要求、外业观测时的具体操作规程、技术要求等，包括仪器参数的设置（如采样率、截止高度角等）、对中精度、整平精度、天线高的量测方法及精度要求等。观测质量控制 外业观测的质量要求，包括质量控制方法及各项限差要求等。如数据删除率、RMS值、RATIO值、同步环闭合差、异步环闭合差、相邻点相对中误差、点位中误差等。,78,数据处理方案 详细的数据处理方案，包括基线解算和网平差处理所采用的软件和处理方法等内容。对于基线解算的数据处理方案，应包含如下内容：基线解算软件、参与解算的观测值、解算时所使用的卫星星历类型等。对于网平差的数据处理方案，应包含如下内
24、容：网平差处理软件、网平差类型、网平差时的坐标系、基准及投影、起算数据的选取等。提交成果要求 规定提交成果的类型及形式；若国家技术质量监督总局或行业发布新的技术设计规定，应据之编写。,79,2 GPS基线向量网的等级,（1）等级：根据我国1992年所颁布的全球定位系统测量规范，GPS基线向量网被分成了A、B、C、D、E五个等级。（2）等级GPS网的精度指标：以网中相邻点之间的距离误差来表示，其具体形式为：其中，：网中相邻点间的距离中误差(mm)；：固定误差(mm)；：比例误差(ppm)；：相邻点间的距离(km)。,80,A级网：一般为区域或国家框架网、区域动力学网；B级网：为国家大地控制网或地
25、方框架网；C级网：为地方控制网和工程控制网；D级网：为工程控制网；E级网：为测图网。,等级GPS网的精度指标,81,（1）常用的布网形式：跟踪站式会战式多基准站式（枢纽点式）同步图形扩展式 单基准站式（a）跟踪站式布网形式：若干台接收机长期固定安放在测站上，进行常年、不间断的观测，即一年观测365天，一天观测24小时，这种观测方式很象是跟踪站，因此，这种布网形式被称为跟踪站式。特点：接收机在各个测站上进行了不间断的连续观测，观测时间长、数据量大；一般采用精密星历；具有很高的精度和框架基准特性；需要建立专门的永久性跟踪站，用以安置仪器设备，观测成本很高。一般用于建立GPS跟踪站（AA级网），对于
26、普通用途的GPS网，由于此种布网形式观测时间长、成本高，故一般不被采用。,3 GPS基线向量网的布网形式,82,布网形式：在布设GPS网时，一次组织多台GPS接收机，集中在一段不太长的时间内，共同作业。在作业时，所有接收机在若干天的时间里分别在同一批点上进行多天、长时段的同步观测，在完成一批点的测量后，所有接收机又都迁移到另外一批点上进行相同方式的观测，直至所有的点观测完毕。特点：各基线均进行过较长时间、多时段的观测，因而具有特高的尺度精度。此种布网方式一般用于布设A、B级网。,（b、）会战式,83,布网形式：若干台接收机在一段时间里长期固定在某几个点上进行长时间的观测，这些测站称为基准站，在
27、基准站进行观测的同时，另外一些接收机则在这些基准站周围相互之间进行同步观测。特点：基准站之间进行了长时间的观测，可以获得较高精度的定位结果，这些高精度的基线向量可以作为整个GPS网的骨架，具较强的图形结构。,（c）、多基准站式,84,布网形式：多台接收机在不同测站上进行同步观测，在完成一个时段的同步观测后，又迁移到其它的测站上进行同步观测，每次同步观测都可以形成一个同步图形，在测量过程中，不同的同步图形间一般有若干个公共点相连，整个GPS网由这些同步图形构成。特点：具有扩展速度快，图形强度较高，且作业方法简单的优点。同步图形扩展式是布设GPS网时最常用的一种布网形式。常见的有点连式、边连式、网
28、连式和混连式。,（d）同步图形扩展式,85,（1）点连式 观测作业方式 在观测作业时，相邻的同步图形间只通过一个公共点相连。特点 作业效率高，图形扩展迅速；它的缺点是图形强度低，如果连接点发生问题，将影响到后面的同步图形。,86,（2）边连式 观测作业方式 在观测作业时，相邻的同步图形间有一条边（即两个公共点）相连。特点 具有较好的图形强度和较高的作业效率。,87,（3）网连式观测作业方式 在作业时，相邻的同步图形间有3个（含3个）以上的公共点相连。特点 所测设的GPS网具有很强的图形强度，但网连式观测作业方式的作业效率很低。,88,（4）混连式观测作业方式 在实际的GPS作业中，一般并不是单
29、独采用上面所介绍的某一种观测作业模式，而是根据具体情况，有选择地灵活采用这几种方式作业。特点 实际作业中最常用的作业方式，它实际上是点连式、边连式和网连式的一个结合体。,89,要求同步，这样，流动的接收机每观测一个时段，就与基准站间测得一条同步观测基线，所有这样测得的同步基线就形成了一个以基准站为中心的星形。流动的接收机有时也称为流动站。特点：单基准站式的布网方式的效率很高，但是由于各流动站一般只与基准站之间有同步观测基线，故图形强度很弱，为提高图形强度，一般需要每个测站至少进行两次观测。,布网形式：又称作星形网方式，它是以一台接收机作为基准站，在某个测站上连续开机观测，其余的接收机在此基准站
30、观测期间，在其周围流动，每到一点就进行观测，流动的接收机之间一般不,（e）单基准站式,90,5 GPS网的设计准则,为保证对卫星的连续跟踪观测和卫星信号的质量，要求测站上空应尽可能的开阔，在10 15 高度角以上不能有成片的障碍物。为减少各种电磁波对GPS卫星信号的干扰，在测站周围约200m的范围内不能有强电磁波干扰源，如大功率无线电发射设施、高压输电线等。为避免或减少多路径效应的发生，测站应远离对电磁波信号反射强烈的地形、地物，如高层建筑、成片水域等。为便于观测作业和今后的应用，测站应选在交通便利，上点方便的地方。测站应选择在易于保存的地方。,（1）选点原则,91,增加观测期数（增加独立基线
31、数）。保证一定的重复设站次数。保证每个测站至少与三条以上的独立基线相连，这样可以使得测站具有较高的可靠性。在布网时要使网中所有最小异步环的边数不大于6条。,（2）、提高GPS网可靠性的方法,92,为保证GPS网中各相邻点具有较高的相对精度，对网中距离较近的点一定要进行同步观测，以获得它们间的直接观测基线。为提高整个GPS网的精度，可以在全面网之上布设框架网，以框架网作为整个GPS网的骨架。在布网时要使网中所有最小异步环的边数不大于6条。在布设GPS网时，引入高精度激光测距边，作为观测值与GPS观测值（基线向量）一同进行联合平差，或将它们作为起算边长。若要采用高程拟合的方法，测定网中各点的正常高
32、/正高，则需在布网时，选定一定数量的水准点，水准点的数量应尽可能的多，且应在网中均匀分布，还要保证有部分点分布在网中的四周，将整个网包含在其中。为提高GPS网的尺度精度，可采用如下方法：增设长时间、多时段的基线向量。,（3）、提高GPS网精度的方法,93,若要求所布设的GPS网的成果与旧成果吻合最好，则起算点数量越多越好；若不要求所布设的GPS网的成果完全与旧成果吻合，则一般可选35个起算点，这样既可以保证新老坐标成果的一致性，也可以保持GPS网的原有精度；为保证整网的点位精度均匀，起算点一般应均匀地分布在GPS网的周围。,（a)布设GPS网时起算点的选取与分布,（b)布设GPS网时起算边长的
33、选取与分布,（c)布设GPS网时起算方位的选取与分布,可以采用高精度激光测距边作为起算边长，激光测距边的数量可在3-5条左右，可设置在GPS网中的任意位置。但激光测距边两端点的高差不应过分悬殊。,在布设GPS网时，可以引入起算方位，但起算方位不宜太多，起算方位可布设在GPS网中的任意位置。,（4）、GPS基准设计,94,外业GPS调度与观测记录,（1）调度计划 为保证GPS外业观测作业的顺利进行，保障精度，提高效率，在进行GPS外业观测之前，就编制好调度计划。GPS卫星可见性预报图表 在GPS可见性预报图表中可以了解卫星的分布状况。预报图表：可见的卫星星号，卫星高度角，方位角及空间位置精度因子
34、PDOP和几何精度因子GDOP等。,95,星历预报图,预报星历分析图,96,（2）外业调度 对需测GPS点分布的情况，交通路线等因素加以综合考虑，顾及星历预报，制定合理的外业调度计划。（3）观测作业各测站的观测员应按计划规定的时间作业，确保同步观测。确保接收机存储器（目前常用CF卡）有足够存储空间。开始观测后，正确输入高度角，天线高及天线高量取方式。观测过程中应注意查看测站信息、接收到的卫星数量、卫星号、各通道信噪比、相位测量残差、实时定位的结果及其变化和存储介质记录等情况。一般来讲，主要注意DOP值的变化，如DOP值偏高（GDOP一般不应高于6），应及时与其他测站观测员取得联系，适当延长观测
35、时间。,97,同一观测时段中，接收机不得关闭或重启；将每测段信息如实记录在GPS测量手簿上。进行长距离高等级GPS测量时，要将气象元素，空气湿度等如实记录，每隔一小时或两小时记录一次。,98,GPS数据处理,1 基线解算（1）观测值的处理 GPS基线向量表示测站与测站间的坐标增量。GPS基线向量具有长度、水平方位和垂直方位等三项属性。若在某一历元中，对k颗卫星数进行了同步观测，则可以得到k-1个双差观测值；若在整个同步观测时段内同步观测卫星的总数为l则整周未知数的数量为l-1。基线解算时一般只有两类参数，一类是测站的坐标参数，数量为3；另一类是整周未知数参数（m为同步观测的卫星数），数量为。,
36、99,（2）基线解算 初始平差 根据双差观测值的观测方程，组成误差方程后，然后组成法方程后，求解待定的未知参数其精度信息，其结果为：待定参数：待定参数的协因数阵：单位权中误差：,100,通过初始平差，所解算出的整周未知数参数 本应为整数。由于观测值误差、随机模型和函数模型不完善等原因，使得其结果为实数，此时与实数的整周未知数参数对应的基线解被称作基线向量的实数解或浮动解。为了获得较好的基线解算结果，必须准确地确定出整周未知数的整数值。整周未知数的确定 确定基线向量的固定解 当确定了整周未知数的整数值后，与之相对应的基线向量就是基线向量的整数解。,101,2 基线解算的分类,（1）单基线解算 定
37、义 用台GPS接收机进行了一个时段的同步观测，每两台接收机之间就可以形成一条基线向量，共有 条同步观测基线，其中可以选出相互独立的 条同步观测基线。选择独立基线时，要保证所选的 条独立基线不构成闭合环就可以了。单基线解算：在基线解算时不顾及同步观测基线间的误差相关性，对每条基线单独进行解算。特点单基线解算的算法简单；由于其解算结果无法反映同步基线间的误差相关的特性，不利于后面的网平差处理；一般只用在较低级别GPS网的测量中。,102,（2）多基线解算 定义 多基线解算顾及了同步观测基线间的误差相关性，在基线解算时对所有同步观测的独立基线一并解算。特点 多基线解算在理论上是严密的。,103,3
38、基线解算的质量控制,（1）质量控制指标 单位权方差因子其中：为观测值的残差；为观测值的权；为观测值的总数。实质单位权方差因子又称为参考因子。,104,（2）数据删除率 定义 在基线解算时，如果观测值的改正数大于某一个阈值时，则认为该观测值含有粗差，则需要将其删除。被删除观测值的数量与观测值的总数的比值，就是所谓的数据删除率。实质 数据删除率从某一方面反映出了GPS原始观测值的质量。数据删除率越高，说明观测值的质量越差。,105,（3）RATIO值 定义 实质 反映了所确定出的整周未知数参数的可靠性，这一指标取决于多种因素，既与观测值的质量有关，也与观测条件的好坏有关。,106,（4）RDOP
39、定义 RDOP值指的是在基线解算时待定参数的协因数阵的迹（）的平方根，即 RDOP值的大小与基线位置和卫星在空间中的几何分布及运行轨迹（即观测条件）有关，当基线位置确定后，RDOP值就只与观测条件有关了，而观测条件又是时间的函数，因此，实际上对与某条基线向量来讲，其RDOP值的大小与观测时间段有关。实质 RDOP表明了GPS卫星的状态对相对定位的影响，即取决于观测条件的好坏，它不受观测值质量好坏的影响。,107,（5）RMS 定义 即均方根误差（Root Mean Square），即：其中：为观测值的残差；为观测值的权；为观测值的总数。实质 表明了观测值的质量，观测值质量越好，越小，反之，观测
40、值质量越差，则 越大，它不受观测条件（观测期间卫星分布图形）的好坏的影响。依照数理统计的理论观测值误差落在1.96倍RMS的范围内的概率是95%。,108,（6）同步环闭合差 同步环闭合差是由同步观测基线所组成的闭合环的闭合差。如果同步环闭合差超限，则说明组成同步环的基线中至少存在一条基线向量是错误的；如果同步环闭合差没有超限，还不能说明组成同步环的所有基线在质量上均合格。（7）异步环闭合差 不是完全由同步观测基线所组成的闭合环称为异步环，异步环的闭合差称为异步环闭合差。当异步环闭合差满足限差要求时，则表明组成异步环的基线向量的质量是合格的；当异步环闭合差不满足限差要求时，则表明组成异步环的基
41、线向量中至少有一条基线向量的质量不合格，要确定出哪些基线向量的质量不合格，可以通过多个相邻的异步环或重复基线来进行。,109,（8）重复基线较差 不同观测时段，对同一条基线的观测结果，就是所谓重复基线。这些观测结果之间的差异，就是重复基线较差。,110,GPS基线向量网平差,（1）网平差的分类根据平差所进行的坐标空间：三维平差和二维平差根据平差时所采用的观测值和起算数据的数量和类型，可将平差分为无约束平差、约束平差和联合平差等。三维平差与二维平差三维平差：平差在三维空间坐标系中进行，观测值为三维空间中的观测值，解算出的结果为点的三维空间坐标。二维平差：平差在二维平面坐标系下进行，观测值为二维观
42、测值，解算出的结果为点的二维平面坐标。二维平差一般适合于小范围GPS网的平差。,111,无约束平差、约束平差和联合平差无约束平差：在平差时不引入会造成GPS网产生由非观测量所引起的变形的外部起算数据。常见的GPS网的无约束平差，一般是在平差时没有起算数据或没有多余的起算数据。约束平差：平差时所采用的观测值完全是GPS观测值（即GPS基线向量），而且，在平差时引入了使得GPS网产生由非观测量所引起的变形的外部起算数据。联合平差：平差时所采用的观测值除了GPS观测值以外，还采用了地面常规观测值，这些地面常规观测值包括边长、方向、角度等观测值等。,112,（2）平差过程 取基线向量，构建GPS基线向
43、量网提取基线向量时需要遵循以下几项原则：必须选取相互独立的基线，若选取了不相互独立的基线，则平差结果会与真实的情况不相符合；所选取的基线应构成闭合的几何图形；选取质量好的基线向量，基线质量的好坏，可以依据、同步环闭和差、异步环闭和差和重复基线较差来判定；选取能构成边数较少的异步环的基线向量；选取边长较短的基线向量。,113,三维无约束平差在构成了GPS基线向量网后，需要进行GPS网的三维无约束平差，通过无约束平差主要达到以下几个目的：根据无约束平差的结果，判别在所构成的GPS网中是否有粗差基线，如发现含有粗差的基线，需要进行相应的处理，必须使得最后用于构网的所有基线向量均满足质量要求。调整各基
44、线向量观测值的权，使得它们相互匹配。,约束平差/联合平差约束平差的具体步骤是：指定进行平差的基准和坐标系统。指定起算数据。检验约束条件的质量。进行平差解算。,114,（3）质量分析与控制根据基线向量的改正数的大小，可以判断出基线向量中是否含有粗差。发现构成GPS网的基线中含有粗差，则需要采用删除含有粗差的基线、重新对含有粗差的基线进行解算或重测含有粗差的基线等方法加以解决；发现个别起算数据有质量问题，则应该放弃有质量问题的起算数据。,115,GPS数据处理过程,（1）原始观测数据的读入（2）外业输入数据的检查与修改在读入了GPS观测值数据后，就需要对观测数据进行必要的检查，检查的项目包括：测站名、点号、测站坐标、天线高等。对这些项目进行检查的目的，是为了避免外业操作时的误操作。（3）基线解算的控制参数（4）基线解算（5）基线质量的检验基线的质量检验需要通过、同步环闭和差、异步环闭和差和重复基线较差来进行。（6）平差 进行精度评定，得到各测站平差后坐标。（7）成果转化根据实际生产需要，转化为当地坐标。,116,117,118,119,120,121,122,123,124,125,126,127,128,
