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1、GPS（全球定位系统）开发与应用前 言全球定位系统（Global Positioning SystemGPS）是美国国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的要求而建立的。GPS作为新一代导航与定位系统，不仅具有全球性、全天候、连续的精密三维导航与定位能力，而且具有良好的看抗干扰性和保密性。因此，发展全球定位系统（GPS）已成为美国导航技术现代化的重要标志，并且被视为本世纪美国继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后又一重大科技成就。目前，GPS精密定位及时已经渗透到了经济建设和科学技术的许多领域，尤其对经典测量学的各个方面产生了极其深刻的影响。它在大地测量学及其相关领域，
2、如地球动力学、海洋大地测量学、天文学、地球物理勘探、资源看勘查、航空与卫星遥感、工程变形监测、运动目标的测速以及精密时间传递等方面的广泛应用，充分显示了这一卫星定位技术的高精度和高效益。近年来，高精度定位技术在我国已得到蓬勃发展。在我国大地测量、精密工程测量。地壳运动监测、资源勘察和城市控制网的改善等方面的应用及其所取的成功经验，进一步展示了GPS精密定位技术的显著优越性和巨大潜力。随着由南方公司牵头的国产测量型GPS的产生和发展，静态测量型GPS已经在国内全面普及。随着急速的的发展RTK动态测量型GPS也将更广泛的应用于国内测量的各个领域，从而将为国家的经济建设、国防建设的发展做出新的奉献。
3、本书的编写目的，主要在于适应GPS卫星测量发展的需要，向广大GPS测量用户比较全面地介绍GPS卫星测量的原理、基础知识和主流测量型GPS系统的操作，以利于这一新技术在测量行业的应用和普及，为测量技术手段的提高而服务。全文共分六章，其中第一章为绪论，简要的介绍了卫星导航与定位技术的特点和构成概况，以便于读者对GPS有了概括性的了解。第二章介绍介绍了GPS定位的相关基础知识，包括GPS的坐标系统、时间系统，GPS信号的构测和传播方式，GPS信号的观测量和误差分析。了解这些GPS定位的基础知识对于掌握GPS测量的基本原理和理解GPS测量施工的方法来说是必要的。第三章主要介绍GPS的定位原理中最基础的
4、绝对定位原理以及测量中最普遍利用的相对定位原理。第四章阐述了GPS测量和经典相互联系的坐标系统转换和投影的内容。第五章重点介绍GPS测量实施的主要过程，作业的基本方法和原则。第六章通过具体的接收机操作介绍GPS在测量领域的主要应用。GPS卫星测量学是由多学科相互渗透而形成的一门新兴科学，其理论和实践工作在不断完善，应用领域也不断拓宽，发展迅速，日新月异。由于作者水平有限，说中错误与不当之处在所难免，诚恳欢迎读者批评。 南方GPS产品部目 录第一章 绪 论11.1 GPS系统的特点11.2 GPS系统的构成3第二章 GPS系统定位的基础知识52.1 GPS定位的坐标系统52.2 GPS定位的时间
5、系统62.3 GPS卫星星历72.4电磁波的传播与GPS卫星信号92.4.1电磁波的介绍92.4.2大气层对GPS信号传播的影响102.4.3 GPS卫星的测距码信号112.4.5 GPS卫星的导航电文（数据码）122.5 GPS定位的观测量及误差分析132.5.1 GPS定位的方法与观测量142.5.2 观测量的误差来源及其影响15第三章 GPS系统的定位原理193.1绝对定位原理193.1.1 绝对定位方法概述193.1.2 动态绝对定位原理213.1.3 静态绝对定位原理233.1.4 观测卫星的几何分布及其对绝对定位精度的影响243.2相对定位原理253.2.1相对定位方法的概述253
6、.2.2 静态相对定位方程273.2.3准动态相对定位模型313.2.4动态相对定位的观测方程333.2.5整周未知数的确定方法353.2.6周跳分析的基本思路353.3 GPS的高程系统36第四章 坐标系统与投影394.1 坐标系统与投影394.2 GPS 术语44第五章GPS测量的实施465.1接收机类型465.2 GPS测量实施485.2.1 GPS网的技术设计485.2.2 选点与埋石515.2.3 GPS测量的观测工作52第六章 GPS定位技术在测量中的应用566.1 GPS定位技术在平面控制测量方面的应用566.1.1 静态相对定位模式566.1.2 南方9600静态GPS的应用5
7、66.2后差分动态相对定位模式696.3动态测量70第一章 绪 论GPS（Global Positioning System）即全球定位系统，是由美国建立的一个卫星导航定位系统，利用该系统，用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速；另外，利用该系统，用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。随着GPS定位技术的发展，其广泛的应用于民用领域，在测量工作方面GPS定位技术在大地测量，工程测量，工程与地壳变形监测、地籍测量，航空摄影测量和海洋测量等各个领域的应用已甚为普及。正因为GPS系统在军事和民用领域定位技术上发挥的巨大作用被视为20世纪最重大的科技成就之一。1.1
8、 GPS系统的特点1GPS相对于其他导航系统的特点从1978年发射第一颗GPS试验卫星以来，利用该系统进行定位的研究、开发和实验工作，发展异常迅速。理论与实践表明，GPS同其他导航系统相比，其主要优点如下：全球地面连续覆盖。由于GPS卫星的数目较多，且分布合理，所以地球上任何地点，均可连续地同步观测到至少4颗卫星。从而保障了全球、全天候、连续地三维定位。功能多，精度高。GPS可为各类用户连续地提供动态目标的三维位置、三维速度和时间信息。随着GPS定位技术和数据处理技术的发展，其定位、测速和测时的精度将进一步提高。实时定位。利用全球定位系统导航，可以实时地确定运动目标的三维位置和速度，由此即可保
9、障运动载体沿预定航线的运行，也可以实时地监视和修正航行路线，以及选择最佳的航线。应用广泛。随着GPS定位技术的发展，其应用的领域在不断拓宽。目前，在导航方面，它不仅已广泛地用于海上、空中和陆地运动目标的导航，而且，在运动目标的监控与管理，以及运动目标的报警与救援等方面，也已获得了成功地应用；在测量工作方面，这一定位技术在大地测量，工程测量，工程与地壳变形监测、地籍测量，航空摄影测量和海洋测绘等各个领域的应用，已甚为普遍。考虑到GPS主要是为满足军事部门高精度导航的需要而建立的，所以上述优点，对军事上的动态目标的导航，具有十分重要的意义。正因为如此，美国政府把发展GPS技术作为导航技术现代化的重
10、要标志，并把这一技术，视为20世纪最重要的科技成就之一。2GPS定位技术相对于经典测量技术的优点GPS定位技术的高度自动化和所达到的定位精度及其潜力（如下图），使广大测量工作者产生了极大的兴趣。尤其从1982年第一代测量型无码GPS接收机Macrometer V-1000投入市场以来，在应用基础的研究、应用领域的开拓、硬件和软件的开发等方面，都得到蓬勃发展。广泛的实验活动为GPS精密定位技术在测量工作中的应用，展现了广阔的前景。相对于经典的测量技术来说，这一新技术的主要特点如下：（1）观测站之间无需通视。既要保持良好的通视条件，又要保障测量控制网的良好结构，这一直是经典测量技术在实践方面的困难
11、问题之一。GPS测量不要求观测站之间相互通视，因而不再需要建造觇标。这一优点即可大大减少测量工作的经费和时间（一般造标费用约占总经费的30%50%），同时也使点位的选择变得甚为灵活。不过也应指出，GPS测量虽不要求观测站之间相互通视，但必须保持观测站的上空开阔（净空），以使接收GPS卫星的信号不受干扰。（2）定位精度高。现已完成的大量实验表明，目前在小于50KM的基线上，其相对定位精度可达到12*10-6，而在100KM500KM的基线上可达到10-610-7。随着光测技术与数据处理方法的改善，可望在1000km的距离上，相对定位精度达到或优于10-8。（3）观测时间短。目前，利用经典的静态定
12、位方法完成一条基线的相对定位所需要的观测时间，根据要求的精度不同，一般约为13小时。为了进一步缩短观测时间，提高作业速度，近年来发展的短基线（例如不超过20km）快速相对定位法，其观测时间仅需数分钟。（4）提供三维坐标。GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。GPS测量的这一特点，不仅为研究大地水准面的形状和确定地面点的高程开辟了新途径，同时也为其在航空物探、航空摄影测量及精密导航中的应用，提供了重要的高程数据。（5）操作简便。GPS测量的自动化程度很高，在观测中的测量员的主要任务只是安装并开关仪器、量取仪器高、监控仪器的工作状态和采集环境的气象数据，而其他观测
13、工作，如卫星的捕获、跟踪观测和记录等均有仪器自动完成。另外，GPS用户接收机一般重量较轻、体积较小，例如南方的S-80双频GPS接收机，重量约为1.25kg，体积为3500，因为携带和搬运都很方便。（6）全天候作业。GPS观测工作，可以在任何地点，任何时间连续地进行，一般也不受天气状况的影响。所以，GPS定位技术的发展，对于经典的测量技术是一次重大的突破。一方面，它使经典的测量理论与方法产生了深刻的变革，另一方面，也进一步加强了测量学与其他学科之间的相互渗透，从而促进科测绘科学技术的现代化发展。1.2 GPS系统的构成全球定位系统（GPS）的整个系统由三大部分组成，即空间部分、地面控制部分和用
14、户部分所组成：图12 全球定位系统（GPS）构成示意图1 空间部分GPS的空间部分是由24颗GPS工作卫星所组成，这些GPS工作卫星共同组成了GPS卫星星座，其中21颗为可用于导航的卫星，3颗为活动的备用卫星 实际上这3颗备用卫星同样可用于导航定位。这24颗卫星分布在6个倾角为55的轨道上绕地球运行。卫星的运行周期约为12恒星时。每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号。GPS用户正是利用这些信号来进行工作的。2 控制部分GPS的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构成，根据其作用的不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。主控站有一个，位于美国克罗拉多（Colora
15、do）的法尔孔（Falcon）空军基地，它的作用是根据各监控站对GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时，它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作；另外，主控站也具有监控站的功能。监控站有五个，除了主控站外，其它四个分别位于夏威夷（Hawaii）、阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（Diego Garcia）、卡瓦加兰（Kwajalein），监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星的工作状态；注入站有三个，它们分别位于阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（Diego G
16、arcia）、卡瓦加兰（Kwajalein），注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。3 用户部分GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机气象仪器等所组成。它的作用是接收GPS卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。目前，国际、国内适用于测量的GPS接收机产品众多，更新更快，许多测量单位也拥有了一些不同型号的GPS接收机，在本书的最后一章，以南方公司的GPS接收机为例介绍GPS接收设备。第二章 GPS系统定位的基础知识GPS系统的基础知识包括几方面的内容：GPS定位的坐标系统和时间系统，GPS卫星的星历情况，GPS卫星信号的
17、相关知识。了解这些GPS的基础知识对于掌握GPS测量的基本原理来说是必要的。掌握GPS系统定位原理涉及的GPS定位的基本方法、单点定位和相对定位等概念，能有助于使用者在进行GPS测量工作中更主动的掌握GPS的施测方法与要求，更有效的利用GPS接收机硬件与软件进行测量工作。2.1 GPS定位的坐标系统坐标系统与时间系统是描述卫星运动，处理观测数据和卫星观测位置的数学与物理基础，了解常用坐标系统和时间系统，有助于理解GPS定位的原理。在GPS定位中，通常使用和接触到的是两种大地测量基准及其转换。1 经典大地测量基准从几何意义上说，大地测量基准是由一组确定测量参考系在地球内部的位置和方向以及描述参考
18、面的形状和大小的参数来表达的。在经典大地测量学中，为了便于观测成果的处理和坐标计算，一般都选择一个椭球面作为计算的参考面，并确定其在地球内部的位置和方向，这样建立大地坐标系与确立大地测量基准问题是一致的。由于参考椭球的几何特征，对于测量计算工作具有特别重要的意义，所以长期以来，在大地测量学中对地球椭球的描述，一般只是强调了表征椭球几何特性的两个参数，即椭球的长半轴a及其扁率f（或椭球的短半轴b）。例如，我国1954年的北京大地坐标系，采用了克拉索夫斯基椭球，其参数为a6378245（m）f1/298.3参考椭球的形状和大小一经确定后，建立大地坐标系（或者确定大地测量基准）的任务便归结为椭球体在
19、地球内部的定位和方向。为此，通常均首先选择一参考点作为大地基准点（或大地原地），并且利用该点的天文与水准观测量来实现椭球体内部的定位和方向。关于参考椭球定位与定向参数的选择，一般来说，具有相当的任意性。但考虑到地区性测量计算工作的方便，通常要求满足以下条件： 参考椭球面与地区大地水准面最佳配合； 参考椭球的短轴与地球的某一平自转轴相平行； 起始大地子午面与起始格林尼治平子午面相平行。 可见利用经典的大地测量技术，建立全球统一的坐标系统是极为困难，同时也是为了方便本地区的大地测量工作，所以，各国都建立和保持了各自独立的地区性大地坐标系统。这些地区性大地坐标系统，在地球内部既具有不同的位置和方向，
20、一般又具有不同的椭球参数，也就是说，具有不同的大地测量基准。不同坐标系统之间大地测量基准的差异，只有通过大地联测，根据公共点的坐标之差来确定。但是，由于观测误差的影响，由此所确定的大地基准转换参数，也不可避免地含有一定的误差，误差的大小主要取决于，坐标系中公共点的数量和分布、坐标的精度和数据处理方法。2 卫星大地测量基准在全球定位系统中，卫星主要被视为位置已知的高空观测目标。所以，为了确定用户接收机的位置，GPS卫星的瞬时位置，通常也应化算到统一的地球坐标系统。目前GPS卫星瞬时位置的计算采用了大地坐标系统WGS84，WGS84是迄今采用的最为精确的全球大地系统，定义GPS的大地测量基准，要比
21、在经典大地测量中，定义参考地球坐标系的大地基准复杂得多。这是将涉及到地球重力场模型、地极运动模型、地球引力常数、地球自转速度和光速等基本常数。同时还涉及到卫星跟踪站数量、分布，及其在协议地球坐标系中得坐标等因素。尽管如此，GPS大地测量基准，仍可表达为一组确定GPS坐标系在地球内部位置和方向的参数为：a6378137（m）f1/298.25确定地区性坐标系统与全球坐标系的大地测量基准差，并进行两坐标系统之间的转换，是GPS测量应用中经常遇到的一个重要问题。这两个坐标系统间的大地基准之差，通常应通过联合处理公共点的坐标来确定。这时，所求大地基准转换参数的精度，既与联合平差中所取的转化模型有关，又
22、与公共点坐标的精度、数量和分布有关。有关的细节操作，请参阅第四章第一节。2.2 GPS定位的时间系统在GPS卫星定位中，时间系统的重要意义主要表现：1GPS卫星作为一个高空观测目标，其位置是不断变化的。因此在给出卫星运行位置的同时，必须给出相应的瞬间时刻。例如，当要求GPS卫星的位置误差小于1cm时，则相应的时刻误差应小于2.610-6秒。（1）GPS定位是通过接收和处理GPS卫星发射的无线电信号，来确定用户接收机（即观测站）至卫星间的距离（或距离差），进而确定观测站的位置。因此，准确地测定观测站至卫星的距离，必须精密地测定信号的传播时间。如果要求上述距离误差小于1cm，则信号传布产生测定误差
23、，应不超过310-11秒。（2）由于地球的自转现象，在天球坐标系中，地球上点的位置是不断变化的。若要求赤道上一点的位置误差不超过1cm，则时间的测定误差需小于210-5秒。显然，利用GPS进行精密的导航与测量，尽可能获得高精度的时间信息，其意义至关重要。因此，了解一下有关时间系统的基本概念，对于GPS的应用来说，是甚为必要的。时间包含有“时刻”和“时间间隔”两个概念。所谓时刻，即发生某一现象的瞬间。在天文学和卫星定位中，与所获数据对应的时刻也称为历元。而时间间隔，系指发生某一现象所经历的过程，是这一过程始末的时刻之差。所以，时间间隔测量，也称为相对时间测量，而时刻测量相应的称为绝对时间测量。测
24、量时间，同样必须建立一个测量的基准，即时间的单位（尺度）和原点（起始历元）。其中时间的尺度是关键，而原点可以根据实际应用加以选定。一般来说，任何一个可观察的周期运动现象，只要符合一下要求，都可以用作确定时间的基准。（1）运动应是连续的，周期性的；（2）运动的周期应具有充分的稳定性；（3）运动的周期必须具有复现行，即要求在任何地方和时间，都可以通过观测和实验，复现这种周期性运动。在实践中，由于我们所选的上述周期运动现象不同，便产生了不同的时间系统。常用建立时间基准的基础（1）地球自转：世界时时间基准的基础，稳定度10-8S；AS（2）行星绕太阳的公转：力学时间基准的基础；（3）电子、原子的谐波振
25、荡：原子时时间基准的基础，稳定度10-13。以上时间单位为国际标准单位秒；派生出的单位 毫秒（10-3秒）、微秒（10-6秒）、纳秒（10-9秒）在GPS定位中，具有重要意义的时间系统主要有三种，恒星时、力学时和原子时。为了精密的导航和测量的需要，GPS系统建立了专用的时间系统。该系统可简写位GPST，由GPS主控站的原子钟控制。GPS时属于原子时系统，其秒长与原子时相同，与国际原子时具有不同的原点。所以GPS时间系统的稳定度达到10-13S。2.3 GPS卫星星历卫星在空间进行的轨迹称为轨道，而描述卫星轨道位置和状态的参数，称为轨道参数。由于在利用GPS进行导航和测量时，GPS卫星是作为位置
26、已知的高空观测目标，所以在进行绝对定位时，卫星轨道误差，将会直接影响所求用户接收机位置的精度，而在相对定位时，尽管卫星轨道误差的影响将会减弱，但当基线较长且精度要求较高时，这种影响也不可忽视。如果假设观测站至所测卫星的距离；卫星轨道的误差；D两观测站间的基线长度；D引起的基线长度误差，则根据经验其间关系可近似地表示为为了满足精密定位的要求，卫星的轨道必须具有足够的精度。另外，为了制订GPS测量的观测计划和便于捕获卫星发射的信号，也需要知道卫星的轨道参数，只是其要求的精度较低。对用户来说，理解和运用GPS卫星的轨道信息是非常必要的，而卫星的轨道信息都包含在GPS卫星的星历中。GPS卫星的星历，是
27、描述有关卫星运行轨道的信息。利用GPS进行定位，就是根据已知的卫星轨道信息和用户的观测资料，通过数据处理来确定接收机的位置，及其载体的航行速度，所以，精确的轨道信息是精密定位的基础。GPS卫星星历的提供方式，一般有两种：预报星历（广播星历）和后处理星历（精密星历）。1 . 预报星历预报星历，是通过卫星发射的含有轨道信息的导航电文，传递给用户的，用户接收机接收到这些信号，经过解码便可获得所需要的卫星星历，所以这种星历也叫做广播星历。卫星的预报星历，通常包括相对某一参考历元的开普勒轨道参数，和必要的轨道摄动改正项参数。相应参考历元的卫星开普勒轨道参数，也叫参考星历，它是根据GPS监测站约一周的观测
28、资料推算的。参考星历，只代表卫星在参考历元的瞬时轨道参数（也称为密切轨道参数），但是在摄动力的影响下，卫星的实际轨道，随后将偏离其参考轨道，偏离的程度主要决定于观测历元与所选参考历元间的时间差。一般来说，如果我们用轨道参数的摄动项来对已知的卫星参考星历加以改正，就可以外推出任意观测历元的卫星星历。由此不难理解，如果观测历元与所选参考历元的时间差很大，为了保障外推的轨道参数具有必要的精度，就必须采用更严密的摄动力模型和考虑更多的摄动因素。这样一来将会遇到建立更严格的摄动力模型的困难，因而可能降低预报轨道参数的精度。实际上，为了保持卫星预报星历的必要精度，一般采用限制预报星历外推时间间隔的方法。为
29、此，GPS跟踪站每天都利用其观测资料，更新用以确定卫星参考星历的数据，以及计算每天卫星轨道参数的更新值，并且，每天按时将其注入相应的卫星加以存储以资更新卫星的参考轨道之用。据此，GPS卫星发射的广播星历，每小时更新一次，以供用户使用。这样，如果将上述计算参考星历的参考历元toe，选在两次更新星历的中央时刻，则外推的时间间隔，最大将不会超过0.5小时。从而可以在采用同样摄动力模型的情况下，有效的保持外推轨道参数的精度。预报星历的精度，目前一般估计约为20m-40m。由于预报星历每小时更新一次，因此，在数据更新前后，各表达式之间将会产生小的跳跃，其值可达数分米。对此，一般可利用适当的拟合技术（例如
30、切比雪夫多项式）予以平滑。2. 后处理星历卫星的预报星历，是用跟踪站以往时间的观测资料推求的参考轨道参数为基础，并加入轨道摄动改正而外推的星历。预报星历，用户在观测时可以通过导航电文实时地得到，这对导航或实时定位，显然是非常重要的。可是，对于某些进行精密定位工作的用户来说，其精度难以满足要求，尤其当GPS卫星的预报星历，受到人为干预而降低精度时，就更难于保障精密定位工作的要求。后处理星历，是一些国家的某些部门，根据各自建立的跟踪站所获得的精密观测资料，应用与确定预报星历相似的方法，计算的卫星星历。它可以向用户提供在用户观测时间的卫星星历，避免了预报星历外推的误差。目前，美国和其它许多国家的一些
31、单位，正在完善或着手建立全球性或区域性的GPS卫星跟踪系统，以便为大地测量学和地球动力学研究的精密定位工作，提供所需要的星历。由于这种星历通常是在事后项用户提供的，在其观测时间的卫星精密轨道信息，因此称为后处理星历或精密星历。该星历的精度，目前可达分米级。后处理星历，一般不是通过卫星的无线电信号向用户传递的，而是网络或通过电传通信等方式，有偿地为所需要的用户服务。但是，建立和维持一个独立的跟踪系统，来精密测定GPS卫星的轨道，其技术比较复杂，投资也较大。目前国内此类接收机应用还比较少。2.4电磁波的传播与GPS卫星信号2.4.1电磁波的介绍GPS定位的基本观测量，是观测站（用户接收天线）至GP
32、S卫星（信号发射天线）的距离（或称信号传播路径），它是通过测定卫星信号在该路径上的传播时间（时间延迟），或测定卫星载波相位在该路径上变化的周数（相位延迟）来导出的，这跟通常的电磁波测距原理相似，只要已知卫星信号的传播时间t和传播速度，就可得到卫星至观测站的距离，即有=t为便于理解GPS定位原理，这里首先介绍电磁波的基本知识，然后进一步说明有关GPS卫星信号的问题。根据物理学中的概念，电磁波是一种随时间t变化的正弦（或余弦）波。如果设电磁波的初相角为 ，角频率为 ，振幅为 ，则有电磁波y的数学表达式y = sin（t+）j0t0t1y=Aesin(wt+ j0)Ae wt+j0利用电磁波测距，除
33、了必须精确地测定电磁波的传播时间（或相位的变化）之外，还应准确地测定电磁波的传播速度。2.4.2大气层对GPS信号传播的影响对GPS而言，卫星发射信号传播到接收机天线的时间约0.1秒，当光速值的最后一位含有一个单位的误差，将会引起0.1m的距离误差。表明准确确定电磁波传播速度的重要意义。实际的电磁波传播是在大气介质中，在到达地面接收机前要穿过性质、状态各异且不稳定的若干大气层，这些因素可能改变电磁波传播的方向、速度和强度，这种现象称为大气折射。大气折射对GPS观测结果的影响，往往超过了GPS精密定位所容许的精度范围。如何在数据处理过程中通过模型加以改正，或在观测中通过适当的方法来减弱，以提高定
34、位精度，已经成为广大用户普遍关注的重要问题。根据对电池波传播的不同影响，一般可将大气层分为对流层和电离层。1在对流层中，折射率略大于1，随着高度的增加逐渐减小，当接近对流层顶部时，其值接近于1。对流层的折射影响，在天顶方向（高度角900）可产生2.3m的电磁波传播路径误差，当高度角为100时，传播路径误差可达20m。在精密定位中，对流层的影响必须顾及。目前采用的各种对流层模型，即使应用实时测量的气象资料，电磁波的传播路径，经过对流层折射改正后的残差，仍保持在对流层影响的5%左右。减弱对流层折射改正项残差影响主要措施：（1）尽可能充分地掌握观测站周围地区的实时气象资料。（2）利用水汽辐射计，准确
35、地测定电磁波传播路径上的水汽积累量，以便精确的计算大气湿分量的改正项。但设备庞大价格昂贵，一般难以普遍采用。（3）当基线较短时（20km），在稳定的大气条件下，利用相对定位的差分法来减弱大气折射的影响。（4）完善对流层大气折射的改正模型。2由于影响电离层电子密度的因素复杂（时间、高度、太阳辐射及黑子活动、季节和地区等），难以可靠地确定观测时刻沿电磁波传播路线的电子总量。对GPS单频接收用户，一般均利用电离层模型来近似计算改正量，但目前有效性不会优于75%。即当电离层的延迟为50m，经过模型改正后，仍含有约12.5m的残差。为减弱电离层的影响，比较有效的措施为：（1）利用两种不同的频率进行观测（
36、2) 两观测站同步观测量求差用两台接收机在基线的两端进行同步观测，取其观测量之差。因为当两观测站相距不太远时，卫星至两观测站电磁波传播路径上的大气状况相似，大气状况的系统影响可通过同步观测量的差分而减弱。该方法对小于20km的短基线效果尤为明显，经过电离层折射改正后，基线长度的相对残差约为10-6。故在短基线相对定位中，即使使用单频接收机也能达到相当高精度。但随着基线长度的增加，精度将明显降低。2.4.3 GPS卫星的测距码信号1关于GPS卫星信号GPS卫星所发射的信号包括载波信号、P码（或Y码）、C/A码和数据码（或D码）等多种信号分量，其中P码和C/A码统称为测距码。 GPS卫星信号的产生
37、与构成主要考虑了如下因素；（1）适应多用户系统要求。（2）满足实时定位要求。（3）满足高精度定位需要。（4）满足军事保密要求。2.码与码的产生（1）码的概念在现代数字通信中，广泛使用二进制数（0和1）及其组合，来表示各种信息。表达不同信息的二进制数及其组合，称为码。一位二进制数叫一个码元或一比特。比特为码和信息量的度量单位。如果将各种信息例如声音、图像和文字等通过量化，并按某种预定规则，表示成二进制数的组合形式，则这一过程称为编码。在二进制数字化信息的传输中，每秒传输的比特数称为数码率，表示数字化信息的传输速度，单位为bit/s。（2）随机噪声码既然码是用以表达各种信息的二进制数的组合，是一组
38、二进制的数码序列，则这一序列就可以表达成以0和1为幅度的时间函数。假设一组码序列u(t)，对某一时刻来说，码元是0或1完全是随机的，但出现的概率均为1/2。这种码元幅度的取值完全无规律的码序列，称为随机码序列（或随机噪声码序列）。它是一种非周期性序列，无法复制，但其自相关性好。而相关性的好坏，对提高利用GPS卫星码信号测距精度，极其重要。3.GPS的测距码GPS卫星所采用的两种测距码，即C/A码和P码（或Y码），均属于伪随机码。（1）C/A码：是由两个10级反馈移位寄存器组合而产生。码长Nu=210-1=1023比特，码元宽为Tu=1/f1=0.97752ms,（ f1为基准频率f0的10分之
39、1，1.023 MHz）,相应的距离为293.1m。周期为Tu= Nutu=1ms，数码率为1.023Mbit/s。C/A码的码长短，共1023个码元，若以每秒50码元的速度搜索，只需20.5s，易于捕获，称捕获码。码元宽度大，假设两序列的码元对齐误差为码元宽度的100分之1，则相应的测距误差为2.9m。由于精度低，又称粗码。（2）P码P码产生的原理与C/A码相似，但更复杂。发生电路采用的是两组各由12级反馈移位寄存器构成。码长Nu2.351014比特，码元宽为tu=1/f0=0.097752ms，相应的距离为29.3m。周期为Tu= Nutu 267d，数码率为10.23Mbit/s。P码的
40、周期长，267天重复一次，实际应用时P码的周期被分成38部分，（每一部分为7天，码长约6.19 1012比特），其中1部分闲置，5部分给地面监控站使用，32部分分配给不同卫星，每颗卫星使用P码的不同部分，都具有相同的码长和周期，但结构不同。P码的捕获一般是先捕获C/A码，再根据导航电文信息，捕获P码。由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，若取码元对齐精度仍为码元宽度的1/100，则相应的距离误差为0.29m，故P码称为精码。2.4.5 GPS卫星的导航电文（数据码）所谓导航电文，就是包含有关卫星的星历，卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、导航摄动改正、大气折射改正和C/A码捕获P码等导航
41、信息的数据码（或D码）。导航电文是利用GPS进行定位的数据基础。导航电文也是二进制码，依规定格式组成，按帧向外播送。每帧电文含有1500比特，播送速度50bit/s，每帧播送时间30s。1卫星的载波信号与调制GPS卫星信号包含三种信号分量：载波、测距码和数据码。信号分量的产生都是在同一个基本频率f0=10.23MHz的控制下产生，GPS卫星信号示意图如下204600 基本频率10.23MHzP码10.23MHzC/A码1.023MHzL1载波1575.42MHz数据码50BPSP码10.23MHzL2载波1227.60MHz10154数据码50BPS120从上图中可见，GPS卫星取L波段的两种
42、不同电磁波频率为载波，L1载波频率为1575.42MHz，波长为19.03cm； L2载波频率为1227.60MHz，波长为24.42cm。在L1载波上，调制有C/A码、P码（或Y码）和数据码； L2载波上，只调制有P码（或Y码）和数据码。在无线电通信中，为有效地传播信息，一般将频率较低的信号加载到频率较高的载波上，此时频率较低的信号称为调制信号。GPS卫星的测距码和数据码是采用调相技术调制到载波上，且调制码的幅值只取0或1。如果码值取0，则对应的码状态取+1；而码值取1时，对应码状态为-1，载波和相应的码状态相乘后，即实现了载波的调制。2.卫星信号的解调为进行载波相位测量，当用户接收到卫星发
43、射的信号后，可通过以下两种解调技术来恢复载波相位。（1）复制码与卫星信号相乘：由于调制码的码值是用1的码状态来表示的，当把接收的卫星码信号与用户接收机产生的复制码（结构与卫星测距码信号完全相同的测距码），在两码同步的条件下相乘，即可去掉卫星信号中的测距码而恢复原来的载波。但此时恢复的载波尚含有数据码即导航电文。这种解调技术的条件是必须掌握测距码的结构，以便产生复制码。（2）平方解调技术：将接收到的卫星信号进行平方，由于处于+1状态的调制码经过平方后均为+1，而+1对载波相位不产生影响。故卫星信号平方后，可达到解调目的。采用这种方法，可不必知道调制码的结构，但平方解调后，不仅去掉了卫星信号中的测
44、距码，而且也同时去掉了导航电文。2.5 GPS定位的观测量及误差分析GPS的观测量，是用户利用GPS进行定位的重要依据之一。在这里我们在以上相关预备知识的基础上，进一步介绍利用GPS进行定位的基本方法和观测量的类型并详细地说明GPS观测量地误差来源，以及减弱其影响的措施。2.5.1 GPS定位的方法与观测量1.定位方法分类按参考点的不同位置划分为：（1）绝对定位（单点定位）：在地球协议坐标系中，确定观测站相对地球质心的位置。（2）相对定位：在地球协议坐标系中，确定观测站与地面某一参考点之间的相对位置。按用户接收机作业时所处的状态划分：（1）静态定位：在定位过程中，接收机位置静止不动，是固定的。
45、静止状态只是相对的，在卫星大地测量中的静止状态通常是指待定点的位置相对其周围点位没有发生变化，或变化极其缓慢，以致在观测期内可以忽略。（2）动态定位：在定位过程中，接收机天线处于运动状态。在绝对定位和相对定位中，又都包含静态和动态两种形式。2.观测量的基本概念无论采取何种GPS定位方法，都是通过观测GPS卫星而获得某种观测量来实现的。GPS卫星信号含有多种定位信息，根据不同的要求，可以从中获得不同的观测量，主要包括：根据码相位观测得出的伪距。根据载波相位观测得出的伪距。由积分多普勒计数得出的伪距。由干涉法测量得出的时间延迟。采用积分多普勒计数法进行定位时，所需观测时间较长，一般数小时，同时观测
46、过程中，要求接收机的震荡器保持高度稳定。干涉法测量时，所需设备较昂贵，数据处理复杂。这两种方法在GPS定位中，尚难以获得广泛应用。目前广泛应用的基本观测量主要有码相位观测量和载波相位观测量。所谓码相位观测是测量GPS卫星发射的测距码信号（C/A码或P码）到达用户接收机天线（观测站）的传播时间。也称时间延迟测量。 载波相位观测是测量接收机接收到的具有多普勒频移的载波信号，与接收机产生的参考载波信号之间的相位差。由于载波的波长远小于码长，C/A码码元宽度293m，P 码码元宽度29.3m，而L1载波波长为19.03cm， L2载波波长为24.42cm，在分辨率相同的情况下， L1载波的观测误差约为2.0mm， L2载波的观测误差约为2.5mm。而C/A码观测精度为2.9m，P码为0.29m。载波相位观测是目前最精确的观测方法。载波相位观测的主要问题：无法直接测定卫星载波信号在传播路径上相位变化的整周数，存在整周不确定性问题。此外，在接收机跟踪GPS卫星进行观测过程中，常常由于接收机天线被遮挡、外界噪声信号干扰等原因，还可能产生整周跳变现象。有关整周不确定性问题，通常可通过适当数据处理而解决，但将使数据处理复杂化。上述通过码相位观测或载波相位观测所确定的卫星距离
