GPS靜態(tài)數(shù)據(jù)處理說明書2復習進程

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。GPS靜態(tài)數(shù)據(jù)處理說明書2-GPS測量基礎(chǔ)2.1GPS測量使用的數(shù)據(jù)2.1.1GPS信號GPS衛(wèi)星發(fā)射兩種頻率的載波信號即頻率為1575.42MHz的L1載波和頻率為1227.60HMz的L2載波。它們的頻率分別是基本頻率10.23MHz的154倍和120倍。它們的波長分別為19.03cm和24.42cm。在L1和L2上又分別調(diào)制著多種信號，這些信號主要有：C/A碼C/A碼又被稱為粗捕獲碼，它被調(diào)制在L1載波上，是1MHz的偽隨機噪聲碼(PRN碼)，其碼長為1023位，周期為1ms。由于每顆衛(wèi)星的C/A

2、碼都不一樣，因此我們經(jīng)常用它們的PRN號來區(qū)分它們。C/A碼是普通用戶用以測定測站到衛(wèi)星間的距離的一種主要的信號。P碼（Y碼）P碼又被稱為精碼。它被調(diào)制在L1和L2載波上，是10.23MHz的偽隨機噪聲碼，在實際應用中，P碼采用7天的周期，即截取一段周期為7天的P碼，并規(guī)定每星期六午夜零點使P碼置全“1”狀態(tài)作為起始點。在實施AS時P碼與W碼進行模二相加生成保密的Y碼，此時一般用戶無法利用P碼來進行導航定位。導航信息（或稱D碼）導航信息被調(diào)制在L1載波上，其信號頻率為50Hz，包含有GPS衛(wèi)星的軌道參數(shù)、衛(wèi)星鐘改正數(shù)和其它一些系統(tǒng)參數(shù)。用戶一般需要利用此導航信息來計算某一時刻GPS衛(wèi)星在地球軌

3、道上的位置。導航信息也被稱為廣播星歷。綜上所述，GPS衛(wèi)星所發(fā)播的信號，包括調(diào)制在L載波上的C/A碼、P碼（或Y碼）和導航信息（或稱D碼）等多種信號分量。而其中的P碼和C/A碼，統(tǒng)稱為測距碼。載波具有L1(1575.42MHz)、L2(1227.60MHz)兩個頻段，調(diào)制方式為900調(diào)相。GPS系統(tǒng)還將增加L5頻段以及L2頻段上的C/A碼，這里就不作介紹。目前的GPS信號結(jié)構(gòu)大致如圖2-1所示：圖2-1GPS衛(wèi)星發(fā)送的信號上述這些信號能被用戶接收機全部接收或部分接收，并將其輸出，供GPS后處理軟件進一步處理。2.1.2SPS和PPSGPS系統(tǒng)針對不同用戶提供兩種不同類型的服務，一種是標準定位服

4、務(SPSStandardPositioningService)，另一種是精密定位服務(PPSPrecisionPositioningService)。這兩種不同類型的服務分別由兩種不同的子系統(tǒng)提供，標準定位服務由標準定位子系統(tǒng)(SPSStandardPositioningSystem)提供，精密定位服務則由精密定位子系統(tǒng)(PPSPrecisionPositioningSystem)提供。因此，SPS主要面向全世界的民用用戶，而PPS則主要面向美國及其盟國的軍事部門以及民用的特許用戶。2.1.3GPS定位的常用觀測值在GPS定位中經(jīng)常采用下列觀測值中的一種或幾種進行數(shù)據(jù)處理，以確定出待定點的坐

5、標或待定點之間的基線向量：L1載波相位觀測值L2載波相位觀測值（半波或全波）；調(diào)制在L1上的C/A碼偽距；調(diào)制在L1上的P碼偽距；調(diào)制在L2上的P碼偽距。實際上，在進行GPS定位時除了大量地使用上面的觀測值進行數(shù)據(jù)處理以外，還經(jīng)常使用由上面的觀測值通過某些組合而形成的一些特殊觀測值，如寬巷觀測值（Wide-Lane）、窄巷觀測值（Narrow-Lane）、消除電離層延遲的觀測值（Ion-Free）、消除幾何因數(shù)的觀測值（Geometry-Free）等來進行數(shù)據(jù)處理。2.1.4GPS定位的星歷數(shù)據(jù)和歷書數(shù)據(jù)衛(wèi)星星歷是描述有關(guān)衛(wèi)星運行軌道的信息，并且只包括當前衛(wèi)星的精確位置，可用來定位。利用GPS

6、進行導航和定位，就是根據(jù)已知的衛(wèi)星軌道信息和用戶觀測資料，通過數(shù)據(jù)處理來確定接收機的位置及其載體的航行速度。所以，精確的軌道信息是精密導航和定位的基礎(chǔ)。衛(wèi)星星歷的提供方式一般有兩種：預報星歷（廣播星歷）和后處理星歷（精密星歷）。目前，一般的GPS接收機都能對廣播星歷解碼，并將其存儲在存儲器中。而精密星歷通?？梢詮腎nternet網(wǎng)上下載，在本課題中編寫的軟件能處理SP3精密星歷格式，SP3精密星歷可以從IGS(InternationalGPSService)的網(wǎng)址上下載。衛(wèi)星的歷書同樣描述有關(guān)衛(wèi)星運行軌道的信息，只是其精度較低，并包括全部衛(wèi)星的信息，可用于衛(wèi)

7、星預報。接收機需收集完12.5分鐘的導航電文才能獲得一組完整的歷書。同樣，用戶也可從網(wǎng)上下載歷書數(shù)據(jù)進行衛(wèi)星預報。2.2GPS的時間系統(tǒng)2.2.1時間系統(tǒng)在GPS衛(wèi)星定位中，時間系統(tǒng)有著重要的意義。作為觀測目標的GPS衛(wèi)星以每秒幾公里的速度運動。對觀測者而言衛(wèi)星的位置（方向、距離、高度）和速度都在不斷地迅速變化。因此，在衛(wèi)星測量中，例如在由跟蹤站對衛(wèi)星進行定軌時，每給出衛(wèi)星位置的同時，必須給出對應的瞬間時刻。當要求GPS衛(wèi)星位置的誤差小于cm時，相應的時刻誤差應小于2.6s。以如在衛(wèi)星定位測量中，GPS接收機接收并處理GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，測定接收機至衛(wèi)星之間的信號傳播時間，再乘以光速換算距離

8、，進而確定測站的位置。因此，要準確的測定觀測站至衛(wèi)星的距離，必須精確的測定誤差應小于0.03ns。所以，任何一個觀測量都有必須給定取得該觀測量的時刻。為了保證觀測量的精度，對觀測時刻要有一定的精度要求。時間系統(tǒng)與坐標系統(tǒng)一樣，應有其尺度（時間單位）與原點（歷元）。只有把尺度與原點結(jié)合起來，才能給出時刻的概念。理論上，任何一個周期運動，只要它的運動是連續(xù)的，其周期是恒定的，并且是可觀測和用實驗復現(xiàn)的，都可以作為時間尺度（單位）。實際上，我們所能得到的（或?qū)嵱玫模r間尺度能在一定的精度上滿足這一理論要求。隨著觀測技術(shù)的發(fā)展和更加穩(wěn)定的周期運動的發(fā)現(xiàn)而不斷接近這一理論要求。實踐中，由于所選用的周期運

9、動現(xiàn)象不同，便產(chǎn)生了不同的時間系統(tǒng)，比如恒星時（ST）、平太陽時（MT）、世界時（UT）、原子時（ATI）、協(xié)調(diào)世界時（UTC）等。2.2.2GPS的時間系統(tǒng)GPS系統(tǒng)是測時測距系統(tǒng)。時間在GPS測量中是一個基本的觀測量。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(guān)。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)。該系統(tǒng)由GPS主控站的原子鐘控制。GPS時間系統(tǒng)采用原子時ATI秒長作為時間基準，但時間起算的原點定義在1980年1月6日UTC0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

10、過時間服務部門定期公布（至1995年相差達10秒）。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。GPS時與ATI時在任一瞬間均有一常量偏差：TATITGPS=19（秒）GPS時間系統(tǒng)與各種時間系統(tǒng)的關(guān)系圖2-2所示。圖2-2時間系統(tǒng)2.2.3GPS時的表達在GPS系統(tǒng)中，GPS時以星期數(shù)和星期秒數(shù)相結(jié)合來表示，星期數(shù)為自1980年1月6日起開始計算的星期的序數(shù)，秒數(shù)是指相對于每周星期天零時的時間，即式中至1980年1月6日起的累計秒數(shù)；GPS的星期數(shù)；GPS秒。但應注意的是在GPS衛(wèi)星中，星期數(shù)是以10位二進制來表示的，故其表達范圍為0102

11、3，秒的表達范圍為0604800（不包括604800）。由于星期數(shù)表達位數(shù)的有限，使得星期計數(shù)在1999年8月22日又回到了0，從而軟件很容易將這一天理解成1980年1月6日，這就是所謂的WeekRollover問題，比如一組GPS數(shù)據(jù)以GPS星期和GPS秒的方式表示GPS時間，其GPS星期為80，這時，數(shù)據(jù)處理軟件可能將其理解為1981年，也可將其理解為2001年，這樣，如果軟件得不到別的輔助數(shù)據(jù)，則將可能判斷錯誤。綜上所述，如果簡單地認為北京時間比GPS時間提前8個小時，是極其不嚴格的。2.3GPS的坐標系統(tǒng)一個完整的坐標系統(tǒng)是由坐標系和基準兩方面要素所構(gòu)成的。坐標系指的是描述空間位置的表

12、達形式，而基準指的是為描述空間位置而定義的一系列點、線、面。在大地測量中的基準，一般是指為確定點在空間中的位置，而采用的地球橢球或參考橢球的幾何參數(shù)和物理參數(shù)，及其在空間的定位，定向方式以及在描述空間位置時所采用的單位長度的定義。2.3.1坐標系的分類正如前面所提及的,所謂坐標系指的是描述空間位置的表達形式,即采用什么方法來表示空間位置。人們?yōu)榱嗣枋隹臻g位置，采用了多種方法，從而也產(chǎn)生了不同的坐標系，如直角坐標系、極坐標系等。在測量中常用的坐標系有以下幾種：一、空間直角坐標系空間直角坐標系的坐標系原點位于參考橢球的中心，Z軸指向參考橢球的北極，X軸指向起始子午面與赤道的交點，Y軸位于赤道面上且

13、按右手系與X軸呈90夾角。某點在空間中的坐標可用該點在此坐標系的各個坐標軸上的投影來表示?？臻g直角坐標系可用圖2-3來表示：圖2-3空間直角坐標系二、空間大地坐標系空間大地坐標系是采用大地經(jīng)、緯度和大地高來描述空間位置的。緯度是空間的點與參考橢球面的法線與赤道面的夾角；經(jīng)度是空間中的點與參考橢球的自轉(zhuǎn)軸所在的面與參考橢球的起始子午面的夾角；大地高是空間點沿參考橢球的法線方向到參考橢球面的距離。空間大地坐標系可用圖2-4來表示：圖2-4空間大地坐標系三、平面直角坐標系平面直角坐標系是利用投影變換，將空間坐標空間直角坐標或空間大地坐標通過某種數(shù)學變換映射到平面上，這種變換又稱為投影變換。投影變換的

14、方法有很多，如橫軸墨卡托投影、UTM投影、蘭勃特投影等。在我國采用的是高斯-克呂格投影也稱為高斯投影。UTM投影和高斯投影都是橫軸墨卡托投影的特例，只是投影的個別參數(shù)不同而已。高斯投影是一種橫軸、橢圓柱面、等角投影。從幾何意義上講，是一種橫軸橢圓柱正切投影。如圖左側(cè)所示，設(shè)想有一個橢圓柱面橫套在橢球外面，并與某一子午線相切（此子午線稱為中央子午線或軸子午線），橢球軸的中心軸CC通過橢球中心而與地軸垂直。高斯投影滿足以下兩個條件：它是正形投影；中央子午線投影后應為x軸，且長度保持不變。將中央子午線東西各一定經(jīng)差（一般為6度或3度）范圍內(nèi)的地區(qū)投影到橢圓柱面上，再將此柱面沿某一棱線展開，便構(gòu)成了高

15、斯平面直角坐標系，如下圖右側(cè)所示。圖2-5高斯投影x方向指北，y方向指東。可見，高斯投影存在長度變形，為使其在測圖和用圖時影響很小，應相隔一定的地區(qū)，另立中央子午線，采取分帶投影的辦法。我國國家測量規(guī)定采用六度帶和三度帶兩種分帶方法。六度帶和三度帶與中央子午線存在如下關(guān)系：；其中，N、n分別為6度帶和3度帶的帶號。另外，為了避免y出現(xiàn)負號，規(guī)定y值認為地加上500000m；又為了區(qū)別不同投影帶，前面還要冠以帶號，如第20號六度帶中，y=-200.25m，則成果表中寫為y假定20499799.75m。x值在北半球總顯正值，就無需改變其觀測值了。四、地心大地坐標系與地球參心坐標系應當說明的是，GP

16、S定位使用的是地心大地坐標系，而經(jīng)典的大地定位采用的是地球參心坐標系。地心大地坐標系與地球參心坐標系的主要區(qū)別在于：地心大地坐標系的橢球中心與地球質(zhì)心重合，橢球的短軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合，大地緯度B為過地面點的橢球法線與橢球赤道面的夾角，大地經(jīng)度L為過地面點的橢球子午面與格林尼治平大地子午面之間的夾角，大地高H為地面點沿橢球法線至橢球面的距離。而對于地球參心坐標系，在經(jīng)典大地測量中，為了處理觀測成果和傳算地面控制網(wǎng)的坐標，通常需選取一參考橢球面為基準參考面，選一參考點為大地測量的起算點（或稱為大地原點），并且利用大地原點的天文觀測量，來確定參考橢球在地球內(nèi)部的位置和方向。不過由此所選定的參考橢球的

17、位置，其中心一般不會與地球質(zhì)心相重合。2.3.2基準所謂基準是指為描述空間位置而定義的點、線、面。在大地測量中基準是指用以描述地球形狀的參考橢球的參數(shù)，如參考橢球的長短半軸，以及參考橢球在空間中的定位及定向，還有在描述這些位置時所采用的單位長度的定義。2.3.3坐標系變換與基準變換在GPS測量中經(jīng)常要進行坐標系變換與基準變換。所謂坐標系變換就是在不同的坐標表示形式間進行變換?；鶞首儞Q是指在不同的參考基準間進行變換。一、坐標系的變換方法1、空間直角坐標系與空間大地坐標系間的轉(zhuǎn)換圖表示了空間直角坐標系與空間大地坐標系之間的關(guān)系。圖2-6地球空間直角坐標系與大地坐標系在相同的基準下空間大地坐標系向空

18、間直角坐標系的轉(zhuǎn)換公式為：(2-1)式中，為橢球的長半軸，為橢球的卯酉圈曲率半徑，為橢球的第一偏心率，為橢球的短半軸在相同的基準下空間大地坐標系向空間直角坐標系的轉(zhuǎn)換公式為(2-2)式中2、空間坐標系與平面直角坐標系間的轉(zhuǎn)換空間坐標系與平面直角坐標系間的轉(zhuǎn)換采用的是投影變換的方法。在我國一般采用的是高斯投影。因為高斯投影和UTM投影都是橫軸墨卡托的特例，因此，高斯投影和UTM投影都可以套用橫軸墨卡托投影的投影公式。橫軸墨卡托投影的投影的正反算公式可參見有關(guān)資料，它們的區(qū)別在于軸子午線投影到平面上后，其長度的系數(shù)，對于高斯投影，系數(shù)為1，對于UTM投影，其系數(shù)為0.9996。3、變動高程歸化面的

19、影響用戶在建立地方獨立坐標系時，有時變動高程歸化面，這將產(chǎn)生一個新橢球，這就必須計算新常數(shù)，新橢球常數(shù)按下列方法和步驟進行：新橢球是在國家坐標系的參考橢球上擴大形成的，它的扁率應與國家坐標系參考橢球的扁率相等，即。計算該坐標系中央地區(qū)的新橢球平均曲率半徑和新橢球長半軸。新橢球平均曲率半徑為：(2.10)式中該地區(qū)平均大地高；該地區(qū)的平均緯度。新橢球的長半軸按下式計算：(2.11)將新的橢球參數(shù)代入，就可以進行投影的正反計算了。二、坐標系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換方法不同坐標系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換本質(zhì)上是不同基準間的轉(zhuǎn)換，不同基準間的轉(zhuǎn)換方法有很多，其中最為常用的有布爾沙模型，又稱為七參數(shù)轉(zhuǎn)換法。七參數(shù)轉(zhuǎn)換法是：設(shè)兩空間直角

20、坐標系間有七個轉(zhuǎn)換參數(shù)：3個平移參數(shù)、3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)和1個尺度參數(shù)。比如，由空間直角坐標系A(chǔ)轉(zhuǎn)換到空間直角坐標系B可采用下面的公式：2.3.4GPS測量中常用的坐標系統(tǒng)一、世界大地坐標系WGS-84WGS-84坐標系是目前GPS所采用的坐標系統(tǒng)，GPS所發(fā)布的星歷參數(shù)和歷書參數(shù)等都是基于此坐標系統(tǒng)的。WGS-84坐標系統(tǒng)的全稱是WorldGeodicalSystem-84(世界大地坐標系-84),它是一個地心地固坐標系統(tǒng)。WGS-84坐標系統(tǒng)由美國國防部制圖局建立，于1987年取代了當時GPS所采用的坐標系統(tǒng)WGS-72坐標系統(tǒng)而成為現(xiàn)在GPS所使用的坐標系統(tǒng)。WGS-84坐標系的坐標原點位于地

21、球的質(zhì)心，Z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議地球極方向，X軸指向BIH1984.0的啟始子午面和赤道的交點，Y軸與X軸和Z軸構(gòu)成右手系。WGS-84系所采用橢球參數(shù)為見表2.1。二、1954年北京坐標系1954年北京坐標系是我國目前廣泛采用的大地測量坐標系。該坐標系源自于原蘇聯(lián)采用過的1942年普爾科夫坐標系。該坐標系采用的參考橢球是克拉索夫斯基橢球。該橢球的參數(shù)見表2.1。遺憾的是該橢球并未依據(jù)當時我國的天文觀測資料進行重新定位，而是由前蘇聯(lián)西伯利亞地區(qū)的一等鎖經(jīng)我國的東北地區(qū)傳算過來的，該坐標系的高程異常是以前蘇聯(lián)1955年大地水準面重新平差的結(jié)果為起算值，按我國天文水準路線推算出來的，

22、而高程又是以1956年青島驗潮站的黃海平均海水面為基準。由于當時條件的限制1954年北京坐標系存在著很多缺點主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1.克拉索夫斯基橢球參數(shù)同現(xiàn)代精確的橢球參數(shù)的差異較大，并且不包含表示地球物理特性的參數(shù)，因而給理論和實際工作帶來了許多不便。2.橢球定向不十分明確，橢球的短半軸既不指向國際通用的CIO極，也不指向目前我國使用的JYD極。參考橢球面與我國大地水準面呈西高東低的系統(tǒng)性傾斜，東部高程異常達60余米，最大達67米。3.該坐標系統(tǒng)的大地點坐標是經(jīng)過局部分區(qū)平差得到的。因此全國的天文大地控制點實際上不能形成一個整體，區(qū)與區(qū)之間有較大的隙距，如在有的接合部中同一點在不同區(qū)的坐

23、標值相差1-2米，不同分區(qū)的尺度差異也很大，而且坐標傳遞是從東北到西北和西南，后一區(qū)是以前一區(qū)的最弱部作為坐標起算點，因而一等鎖具有明顯的坐標積累誤差。三、1980年西安大地坐標系1978年我國決定重新對全國天文大地網(wǎng)施行整體平差，并且建立新的國家大地坐標系統(tǒng)。整體平差在新大地坐標系統(tǒng)中進行，這個坐標系統(tǒng)就是1980年西安大地坐標系統(tǒng)。1980年西安大地坐標系統(tǒng)所采用的地球橢球參數(shù)的四個幾何和物理參數(shù)采用了IAG1975年的推薦值，見表2.1中的西安80。橢球的短軸平行于地球的自轉(zhuǎn)軸（由地球質(zhì)心指向1968.0JYD地極原點方向），起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面，橢球面同似大地水準面在

24、我國境內(nèi)符合最好，高程系統(tǒng)以1956年黃海平均海水面為高程起算基準。四、幾種常用的坐標系統(tǒng)的幾何和物理參數(shù)下表列出了幾種常用的坐標系統(tǒng)的幾何和物理參數(shù)，用戶需要時可以查閱：表2.1GPS測量中常用的坐標系統(tǒng)的幾何和物理參數(shù)坐標系WGS-84北京54西安80(m)637813763782456378140(或)-484.1668510-6(或1/298.257223563)-(或1/298.3)-(或1/298.257)J2-1.0826310-3(rads-1)7.29211510-5-7.29211510-5GM(m3s-2)3.9860051014-3.98600510142.4GPS高程

25、系統(tǒng)在測量中常用的高程系統(tǒng)有大地高系統(tǒng)、正高系統(tǒng)和正常高系統(tǒng)。2.4.1大地高系統(tǒng)大地高系統(tǒng)是以參考橢球面為基準面的高程系統(tǒng)，某點的大地高是該點到通過該點的參考橢球的法線與參考橢球面的交點間的距離。大地高也稱為橢球高。大地高一般用符號H表示。大地高是一個純幾何量，不具有物理意義，同一個點在不同的基準下具有不同的大地高。通常，GPS接收機單點定位得到的高程為WGS-84下的大地高。2.4.2正高系統(tǒng)正高系統(tǒng)是以大地水準面為基準面的高程系統(tǒng)，某點的正高是該點到通過該點的鉛垂線與大地水準面的交點之間的距離。正高用符號Hg表示。2.4.3正常高正常高系統(tǒng)是以似大地水準面為基準的高程系統(tǒng)，某點的正常高是

26、該點到通過該點的鉛垂線與似大地水準面的交點之間的距離，正常高用H表示。2.4.4高程系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系大地水準面到參考橢球面的距離稱為大地水準面差距，記為hg，大地高與正高之間的關(guān)系可以表示為：正高：似大地水準面到參考橢球面的距離，稱為高程異常，記為。大地高與正常高之間的關(guān)系可以表示為：正常高：高程之間的相互關(guān)系可以用下圖2-7來表示：圖2-7高程系統(tǒng)間的相互關(guān)系2.5GPS的測量方法2.5.1單點定位GPS的單點定位原理，簡單地說來，是利用我們熟知的幾何與物理上一些基本原理。首先我們可以得到GPS衛(wèi)星的位置；其次，我們又能準確測定我們所在地點A至衛(wèi)星之間的距離，那么A點一定是位于以衛(wèi)星為中心

27、、所測得距離為半徑的圓球上。進一步，我們又測得點A至另一衛(wèi)星的距離，則A點一定處在前后兩個圓球相交的圓環(huán)上。我們還可測得與第三個衛(wèi)星的距離，就可以確定A點只能是在三個圓球相交的兩個點上。根據(jù)一些地理知識，可以很容易排除其中一個不合理的位置。當然也可以再測量A點至另一個衛(wèi)星的距離，也能精確進行定位。這就是GPS單點定位的簡單原理。GPS衛(wèi)星的位置是根據(jù)GPS的衛(wèi)星星歷得到的。而觀測點到GPS衛(wèi)星的偽距是由衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號到達GPS接收機的傳播時間乘以光速所得到的量測距離。圖2-8GPS導航示意圖GPS系統(tǒng)在每顆衛(wèi)星上裝置有十分精密的原子鐘，并由監(jiān)測站經(jīng)常進行校準。衛(wèi)星發(fā)送導航信息，同時也發(fā)送

28、精確時間信息。GPS接收機接收此信息，使之與自身的時鐘同步，就可獲得準確的時間。所以，GPS接收機除了能準確定位之外，還可產(chǎn)生精確的時間信息。當然，上面說的都還是十分理想的情況。實際情況比上面說的要復雜得多，所以我們還要采取一些對策。例如：電波傳播的速度，并不總是一個常數(shù)。在通過電離層中電離子和對流層中水氣的時候，會產(chǎn)生一定的延遲。一般我們這可以根據(jù)監(jiān)測站收集的氣象數(shù)據(jù)，再利用典型的電離層和對流層模型來進行修正。還有，在電波傳送到接收機天線之前，還會產(chǎn)生由于各種障礙物與地面折射和反射產(chǎn)生的多路徑效應。這在設(shè)計GPS接收機時，要采取相應措施。當然，這要以提高GPS接收機的成本為代價。原子鐘雖然十

29、分精確，但也不是一點誤差也沒有。GPS接收機中的時鐘，不可能象在衛(wèi)星上那樣，設(shè)置昂貴的原子鐘，所以就利用測定第四顆衛(wèi)星，來校準GPS接收機的時鐘。我們前面提到，每測量三顆衛(wèi)星可以定位一個點。利用第四顆衛(wèi)星和前面三顆衛(wèi)星的組合，可以測得另一些點。理想情況下，所有測得的點，都應該重合。但實際上，并不完全重合。利用這一點，反過來可以校準GPS接收機的時鐘。測定距離時選用衛(wèi)星的相互幾何位置，對測定的誤差也不同。為了精確的定位，可以多測一些衛(wèi)星，選取幾何位置相距較遠的衛(wèi)星組合，測得誤差要小。在GPS定位過程中，存在三部分誤差。一部分是對每一個用戶接收機所共有的，例如：衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差、對

30、流層誤差等；第二部分為不能由用戶測量或由校正模型來計算的傳播延遲誤差；第三部分為各用戶接收機所固有的誤差，例如內(nèi)部噪聲、通道延遲、多徑效應等。利用差分技術(shù)第一部分誤差可完全消除，第二部分誤差大部分可以消除，這和基準接收機至用戶接收機的距離有關(guān)。第三部分誤差則無法消除，只能靠提高GPS接收機本身的技術(shù)指標。2.5.2相對定位差分定位是在一個已知點上設(shè)立基站，跟蹤觀測GPS衛(wèi)星，測定并記錄特定時段的各個衛(wèi)星的觀測值，通過差分算法計算出每個衛(wèi)星偽距和載波相位的修正值。野外流動站觀測該時段GPS衛(wèi)星并記錄觀測值，通過基站接收的數(shù)據(jù)進行差分修正后，進行定位解算。采用差分GPS技術(shù)(DGPS)，可消除上一

31、節(jié)所提到的大部分誤差，從而提高衛(wèi)星導航定位的總體精度，使系統(tǒng)誤差達到5到10米之內(nèi)。假如在距離用戶500公里之內(nèi)，設(shè)置一部基準接收機。它和用戶接收機同時接收某一衛(wèi)星的信號，那么我們可以認為信號傳至兩部接收機所途經(jīng)電離層和對流層的情況基本是相同，故所產(chǎn)生的延遲也相同。由于接收同一顆衛(wèi)星，所以星歷誤差、衛(wèi)星時鐘誤差也相同。若我們通過其它方法確知所處的三維坐標（也可以用精度很高的GPS接收機來實現(xiàn)，其價格比一般GPS接收機高得多），那就可從測得的偽距中，推算其中的誤差。將此誤差數(shù)據(jù)傳送給用戶，用戶就可從測量所得的偽距中扣除誤差，就能達到更精確的定位。2.6影響GPS測量的誤差因素前面已經(jīng)提到，多種因

32、素影響GPS測量，并且差分定位能大大抵消這些因素的影響。在這里，我們針對這些因素對差分定位的影響再作進一步的論述。2.6.1大氣層的影響由于GPS信號是以無線電波的方式不間斷地向地面輻射的，因此GPS信號會與其它L波段的電磁波一樣，收到大氣折射的影響。在相對定位時，大氣折射的影響對兩臺接收機之間相對定位精度的影響大大地降低了，但對于精密相對定位而言，大氣層的影響仍是不可忽略的。通常，根據(jù)對電磁波傳播的不同影響，一般可將大氣層分為對流層和電離層。對流層指從地面向上約40km范圍內(nèi)的大氣底層，其影響與電磁波的頻率無關(guān)；電離層分布于地球大氣層的頂部，約在地面向上70km以上的范圍，其影響與電磁波的頻

33、率有關(guān)，且比較復雜。對于這兩方面，已建立了各種模型，各有其優(yōu)缺點，在這里不一一羅列。2.6.2多路徑效應在GPS測量中，如果測站周圍的反射物所反射的衛(wèi)星信號（反射波）進入接收機天線，這就將和直接來自衛(wèi)星的信號（直接波）產(chǎn)生干涉，從而使測量值偏離真值產(chǎn)生所謂的多路徑誤差。這種由于多路徑的信號傳播所引起的干涉時延效應被稱作多路徑效應。如下圖所示：圖2-9多路徑效應示意圖多路徑效應對載波相位觀測影響較小，而對偽距觀測影響非常大，所以，在進行后差分動態(tài)測量時，要注意多路徑效應的影響。在測量中，可通過給儀器安置多路徑抑制板的方式減輕其影響。圖2-10多路徑抑制板的作用遺憾的是，由于同步觀測的接收機的多路

34、徑影響往往不同，因此，差分方法很難消除多路徑的影響。2.6.3其他影響因素進行高精度GPS定位需要對各項誤差的來源、影響及影響的尺度進行仔細的分析，在這些誤差中，有電磁波傳播所帶來的誤差，如電離層、對流層折射的影響；有GPS系統(tǒng)帶來的誤差，如GPS衛(wèi)星定軌的精度、GPS衛(wèi)星的時鐘精度、地球潮汐、相對論、甚至人為地降低GPS定位的精度，如SA政策等等；也有與接收機有關(guān)的誤差，如接收機的時鐘精度、內(nèi)部噪聲、天線相位中心等等；還有與觀測有關(guān)的誤差，如起算點的誤差、對中誤差、天線高的測量、聯(lián)合平差的已知數(shù)據(jù)等等。在兩個觀測站或多個觀測站的情況下，衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差以及電離層和對流層的

35、折射誤差等已得到了有效的消除和減弱，但對于高精度GPS定位而言，仍需建立有效的模型對其影響進行進一步的減弱，因此模型的精確與否具有很重要的關(guān)系。下表所列是GPS靜態(tài)測量的主要誤差的類別、產(chǎn)生的原因、影響的大小、解決的方法、最后殘差造成的影響等。應當說，這只是粗略的分析結(jié)論。而對于較低精度的動態(tài)測量，其影響與靜態(tài)測量類似。表2.2影響高精度GPS定位的各種因素誤差分類影響程度及解決方法改正后的影響衛(wèi)星的軌道誤差用戶通過導航電文所得到的衛(wèi)星軌道信息，其相應的位置誤差約為2050m，經(jīng)過單差后，這種誤差要大大縮小。如需要更高的精度，可以使用精密星歷進行數(shù)據(jù)處理。采用導航電文的基線誤差：0.5ppm。衛(wèi)星鐘