GPS卫星导航定位技术与方法知识点总结

测绘工程

第一章全球定位系统概论

全球导航卫星系统GNSS目前包括全球定位系统GPS、俄罗斯的格罗纳斯系统GLONASS。中国的北斗卫星定位系统COMPASS以及欧洲联盟正在建设的伽利略系统GALILEO GPS利用卫星发射无线电信号进行导航定位，具有全球、全天候、高精度、快速实时的三维导航、定位、测速和授时功能。GPS主要由GPS（GPS卫星星座）空间部分、地面监控部分、用户接受处理部分组成，GPS地面监控部分有分布在全球的若干个跟踪站组成的监控系统组成，跟踪站被分为主控站、监控站和注入站。GPS用户部分有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）组成。

GPS实施计划共分三个阶段：

第一阶段为方案论证和初步设计阶段。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。

第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984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，GPS定位精度远远超过设计标准。

第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日，第一颗GPS工作卫星发射成功，宣告了GPS系统进入了工程建设阶段，这种工作卫星称为Block Ⅱ和BlockⅡA型卫星。这两组卫星差别是：Block Ⅱ只能存储14天用的导航电文（每天更新三次）；而BlockⅡA卫星能存储180天用的导航电文，确保在特殊情况下使用GPS卫星。实用的GPS网即(21颗工作卫星+3颗备用卫星)GPS星座已建立，今后将根据计划更换失效的卫星。

GPS的特点：定位精度高、观测时间短、测站无需通视、可提供三维坐标、操作简便、全天候作业。功能多，应用广

GPS卫星信号包括测距码信号(即P码和C/A码信号)、导航电文(或称D码，即数据码信号)和载波信号。

GPS卫星的导航电文主要包括：卫星星历、时钟改正参数、电离层时延改正参数、遥测码，以及由C/A码确定P码信号时的交接码等参数。电文以二进制码的形式发送，因此又叫数据码，或称D码。

GPS 根据不同的用户提供两种不同的服务。一种是标准定位服务SPS、另一种是精密定位服务PPS。SPS主要面向全世界民用用户，PPS主要面向美国及其盟国的军事部门以及民用特许用户。

SA选择可用性AS反电子欺骗

第二章坐标与时间系统

在GPS定位中通常采用的两类坐标系统：

天球坐标系是在空间固定的坐标系，该坐标系与地球自转无关，对描述卫星的运行位置和状态极其方便。

地球坐标系是与地球体相固联的坐标系统，该系统对表达地面观测站的位置和处理GPS观测数据尤为方便。

坐标系统是由坐标原点位置、坐标轴指向和尺度所定义的。在GPS定位中，坐标系原点一般取地球质心，而坐标轴的指向具有一定的选择性，为了使用上的方便，国际上都通过协议来确定某些全球性坐标系统的坐标轴指向，这种共同确认的坐标系称为协议坐标系天球坐标系：原点位于地球质心，z轴指向瞬时地球自转方向，x轴指向瞬时春分点，y

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轴按构成右手坐标系取向。

地球坐标系：原点位于地球质心，z轴指向瞬时地球自转方向，x轴指向瞬时赤道面和包含瞬时地球自转轴与平均天文台赤道参考面的子午面的交点，y轴按构成右手坐标系取向。

天球：指以地球质心为中心，半径r为任意长度的一个假想球体。为建立球面坐标系统，必须确定球面上的一些参考点、线、面和圈。

天轴与天极：地球自转轴的延伸直线为天轴，天轴与天球的交点Pn(北天极)Ps(南天极)称为天极。

天球赤道面与天球赤道：通过地球质心与天轴垂直的平面为天球赤道面，该面与天球相交的大圆为天球赤道。

天球子午面与天球子午圈：包含天轴并经过地球上任一点的平面为天球子午面，该面与天球相交的大圆为天球子午圈。

时圈：通过天轴的平面与天球相交的半个大圆。

黄道：地球公转的轨道面与天球相交的大圆，即当地球绕太阳公转时，地球上的观测者所见到的太阳在天球上的运动轨迹。黄道面与赤道面的夹角称为黄赤交角，约23.50。

黄极：通过天球中心，垂直于黄道面的直线与天球的交点。靠近北天极的交点∏n称北黄极，靠近南天极的交点∏s称南黄极。

春分点：当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时，黄道与天球赤道的交点γ。

实际上地球接近于一个赤道隆起的椭球体，在日月和其它天体引力对地球隆起部分的作用下，地球在绕太阳运行时，自转轴方向不再保持不变，从而使春分点在黄道上产生缓慢西移，此现象在天文学上称为岁差。

在日月引力等因素的影响下，瞬时北天极将绕瞬时平北天极产生旋转，轨迹大致为椭圆。这种现象称为章动。

大地坐标系的定义：B为过坐标点椭球面的法线与赤道面交角、L为过坐标点的子午线与起始子午线的夹角，H为点沿法线到椭球面的距离。

站心坐标系以地面上某基点（观测站）为原点的一种坐标系，常用的有站心平面极坐标系和站心平面直角坐标系。

地球自转轴相对于地球体的位置不是固定的，地极点在地球表面上的位置随时间而变化的现象简称地球移动，简称极移。

国际协议原点CIO 协议地极CTP 协议地球坐标系CTS

UTM投影——墨卡托投影

地球坐标系包括空间直角坐标系和大地坐标系，空间大地坐标系是通过采用大地经纬度和大地高来描述空间位置的。

WGS84即world geodetic system of 1984的简称

WGS-84大地坐标系的几何定义是：原点位于地球质心，Z轴指向国际时间局（BIH）1984年0时定义的BIH1984.0协议地球极（CTP）方向，X轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点，Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。对应于WGS-84坐标系有WGS-84椭球。

国家大地坐标系包括1954年北京坐标系、1980年西安大地坐标系、2000国家大地坐标系ITRF是指国际地球参考框架。它是由空间大地测量观测站的坐标和运动速度来定义的，是国际地球自转服务IERS的地面参考框架。

ITRF实质上也是一种地固坐标系，其原点在地球体系的质心，以WGS-84椭球为参考椭球。

恒星时(Sidereal Time—ST)定义：以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所确定的

时间称为恒星时。

利用太阳的视运动来确定时间基准，得到的时间称为太阳时MTS

平太阳时（Mean Solar Time——MT）定义：以平太阳作为参考点，由它的周日视运动所确定的时间称为平太阳时。

世界时（Universal Time——UT）以平子夜（在平太阳日系统中,一般采用夜半时刻作为平太阳日的起算点,也叫平子夜）为零时起算的格林尼治平太阳时称为世界时。

UTC协调世界时

20世纪50年代建立了精度和稳定性更高的以物质内部原子运动为特征的基础原子时(AT)系统（物质内部的原子跃迁所辐射和吸收的电磁波频率，具有很高的稳定度，由此建立的原子时成为最理想的时间系统。）国际制秒SI 国际原子时ATI 力学时（Dynamic Time——DT）

第三章卫星轨道运动及卫星坐标计算

为了研究工作和实际应用的方便，通常把作用于卫星上的各种力按其影响的大小分为两类：一类是假设地球为均质球体的引力（质量集中于球体的中心），称为中心引力，决定着卫星运动的基本规律和特征，从而决定卫星的轨道，可视为理想轨道，是分析卫星实际轨道的基础；

另一类是摄动力或非中心力，包括地球非球形对称的作用力、日月引力、大气阻力、光辐射压力以及地球潮汐力等。摄动力使卫星的运动产生一些小的附加变化而偏离理想轨道，同时偏离量的大小也随时间而改变。

在摄动力作用下的卫星运动成为受摄运动，相应的卫星轨道称为受摄轨道。

理想椭圆轨道六参数：

1、轨道椭圆的长半轴a

2、轨道椭圆的偏心率e

3、轨道倾角i：卫星轨道平面和地球赤道面之间的夹角

4、升交点赤经Ω：即地球赤道面上，升交点与春分点之间的地心夹角

5、近地点角距ω：即在轨道平面上，升交点与近地点之间的地心夹角，表达了开普勒椭圆

在轨道平面上的定向

6、真近地点角：即轨道平面上的卫星与近地点之间的地心角距

GPS卫星星历分为广播星历和精密星历

广播星历包括开普勒轨道参数和必要的摄动参数。当前卫星轨道参数是根据前一段时间求出的轨道参数外推得到的，所以卫星星历也称广播星历也称预报星历。

精密星历是一些国家活国际组织根据各自建立的卫星跟踪站对GPS卫星的精密观测后经处理计算出的，所以也叫后处理星历。最著名的是国际GPS动力学服务组织IGS发布的精密星历。

卫星坐标计算步骤

1、平均角速度

2、规划时刻

3、平近交点

4、偏近角点

5、真近角点

6、升交角距

7、

摄动改正8、改正后升交角距9、卫星在升交点轨道直角坐标系的坐标10、升交点精度GPS卫星可见性预报

?用户接收机在取得导航电文的轨道参数后就可以计算卫星的位置(WGS84) 。

?根据概略星历(YUMA)进行卫星可见性预报。

第四章GPS基本观测量及其误差分析

GPS基本观测量包括码伪距观测量、载波相位观测量和积分多普勒观测量（还有由干涉法测量得出的时间延迟）。

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GPS定位方法分类：（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。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。

所测伪距就是由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得出的量测距离。由于卫星时钟、接收机时钟的误差以及无线电信号经过电离层和对流层中的延迟，实际测出的距离与卫星到接收机的几何距离有一定差值，因此一般称量测出的距离为伪距。用C/A码进行测量的伪距为C/A码伪距，用P码测量的伪距为P码伪距。

伪距法定位虽然一次定位精度不高(P码定位误差约为10m，C/A码定位误差为20-30m)，但因其具有定位速度快，且无多值性问题等优点，仍然是GPS定位系统进行导航的最基本方法。同时，所测伪距又可作为载波相位测量中解决整波数不确定问题（整周模糊度）的辅助资料。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。

GPS测量误差来源

1、与卫星有关的误差。（卫星钟差、卫星轨道误差、卫星天线相位偏差）

2、与信号传播有关的误差：电离层延迟

3、与接收设备有关的误差。（接收机钟差、接收机天线相位钟差、周跳及整周模糊度）

4、相对论的影响（对卫星钟的影响、对接收机钟的影响）

5、多路径的影响（单反射信号多路径的影响、多个反射信号路径的影响、墙面和地面反射信号路径的延迟）

6、其他误差的影响（地球自转改正、潮汐的影响）

多路径效应：也称多路径误差，即接收机天线除直接收到卫星发射的信号外，还可能收到经天线周围地物一次或多次反射的卫星信号。两种信号迭加，将引起测量参考点位置变化，使观测量产生误差。在一般反射环境下，对测码伪距的影响达米级，对测相伪距影响达厘米级。在高反射环境中，影响显著增大，且常常导致卫星失锁和产生周跳。措施：

?安置接收机天线的环境应避开较强发射面，如水面、平坦光滑的地面和建筑表面。

?选择造型适宜且屏蔽良好的天线如扼流圈天线。

?适当延长观测时间，削弱周期性影响。

?改善接收机的电路设计。

第五章GPS绝对（单点）定位

1、定位方法分类

1）动态定位与静态定位：

动态定位——认为接收机相对于地面是运动的。

静态定位——认为接收机相对于地面静止不动。

2）绝对定位与相对定位：

绝对定位——求测站点相对于地心的坐标；

相对定位——求测站点相对于某已知点的坐标增量；

3）差分定位：在基准点上观测求得大气折射等改正，并及时发送给流动站，流动站用收到的改正数对观测数据进行改正，得精确点位。

2、观测量

几何距离——星站间的真实距离。

伪距——由接收机观测的带有钟差的星站距离。

码相位观测，得测码伪距（简称伪距）；

载波相位观测，得测相伪距（简称相位）。

观测量：伪距。

单位权中误差——伪距观测中误差，不完全合理。

绝对定位也称单点定位，是指在协议地球坐标系中，直接确定观测站相对于坐标原点（地球质心）绝对坐标的一种方法

绝对定位的基本原理：以GPS卫星和用户接收机天线之间的距离（或距离差）观测量为基础，根据已知的卫星瞬时坐标，来确定接收机天线所对应的点位，即观测站的位置。GPS 绝对定位方法的实质是测量学中的空间距离后方交会。原则上观测站位于以3颗卫星为球心，相应距离为半径的球与观测站所在平面交线的交点上。

由于GPS采用单程测距原理，实际观测的站星距离均含有卫星钟和接收机钟同步差的影响（伪距），卫星钟差可根据导航电文中给出的有关钟差参数加以修正，而接收机的钟差一般难以预料。通常将其作为一个未知参数，在数据处理中与观测站坐标一并求解。

绝对定位可根据天线所处的状态分为动态绝对定位和静态绝对定位。无论动态还是静态，所依据的观测量都是所测的站星伪距。根据观测量的性质，伪距有测码伪距和测相伪距，绝对定位相应分为测码伪距绝对定位和测相伪距绝对定位。

测码伪距观测方程及其线性化ρ′=ρ+c·δt

ρ——卫星到测站的几何距离；ρ′——卫星到测站间含有接收机钟差的伪距；δt ——接收机钟的钟差；

第六章GPS相对（差分）定位

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。

实质是观测值间求差的办法实现的，也称差分定位。

用两台接接收机分别安置在基线的两个端点，其位置静止不动，同步观测相同的4颗以上卫星，确定两个端点在协议地球坐标系中的相对位置，这就叫做静态相对定位。

普遍采用的差分组合形式有三种：单差（Single-Difference——SD）双差（Double-Difference——DD）三差（Triple-Difference—TD）

卫星钟差的影响已经消除，这是单差模型的优点。

必要的历元数只与所测的卫星数有关，与观测站的数量无关。

双差模型的优点是消除了接收机钟差的影响。

双差观测的必要历元数只与同步观测的卫星数有关，与观测站的数量无关。

双差观测方程的缺点是可能组成的双差观测方程数将进一步减少。

三差模型的优点是消除了整周未知数的影响，但使观测方程的数量进一步减少。

由于三差模型使观测方程数目明显减少，严重削弱了观测信息，对未知参数的解算可能产生不利影响。一般认为，实际定位工作中，采用双差模型较为适宜。

动态相对定位定义：用一台接收机安置在基准站上固定不动，另一台接收机安置在运

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动载体上，两台接收机同步观测相同卫星，以确定运动点相对基准站的实时位置。

分类：动态相对定位根据采用的观测量不同，分为以测码伪距为观测量的动态相对定位和以测相伪距为观测量的动态相对定位。

测码伪距动态相对定位，目前实时定位精度为米级。以相对定位原理为基础的实时差分GPS 可有效减弱卫星轨道误差、钟差、大气折射误差以及SA政策影响，定位精度远远高于测码伪距动态绝对定位。

动态相对定位中，根据数据处理方式不同，可分为实时处理和后处理。

差分(相对)定位基本原理：由用户接受基准站发送的改正数，并对观测站的测量成果进行改正以获得精密定位的结果。

动态差分GPS根据其系统构成的基准站个数可分为单基准差分、多基准的局部区域差分和广域差分。而根据信息的发送内容又可分为伪距差分、相位差分及位置差分等。

伪距差分的基本原理：它是通过在基准站上利用基准站的已知坐标求出测站至卫星的距离，并将其与与含有误差的伪距观测值比较，然后利用一个滤波器将此差值滤波并求出其偏差，并将所有卫星的测距误差传输给用户，用户利用此测距误差改正伪距观测值，并利用改正后的伪距值求出自身的坐标。

载波相位差分原理

②求差法

所谓求差法就是将基准站观测的载波相位观测值实时地发送给用户观测站，在用户站对载波相位观测值求差，获得诸如静态相对定位的单差、双差和三差解算模型。定位程序为：（1）用户站在保持不动的情况下，静态观测若干历元，并将基准站上的观测数据通过数据链传送给用户站，按静态相对定位法求出整周未知数，这一过程称为初始化阶段。（2）将求出的整周未知数代入双差模型，此时双差只包括三个坐标增量，只要3颗以上卫星的一个历元的观测值，就可实时地求解出三个位置分量。

（3）将求出的坐标增量加入已知的基准站坐标即可得到用户站的空间位置。

单基准站差分

单基准站差分GPS是根据一个基准站所提供的差分改正信息对用户站进行改正的差分GPS系统，该系统由基准站、无线电数据通信链和用户站三部分组成。

(1)基准站：在已知点上配备能同步跟踪视场内所有GPS卫星信号接收机一台，并具有计算差分改正和编码功能的软件。

(2)无线电数据通信链：该设备用于将差分改正信息传给用户站，包括信号解调器、无线电发射机和发射天线。

(3)用户站：包括GPS接收机以及接受差分改正信息的无线电接收机、信号解调器、计算机软件等。

优点：结构和算法相对简单。

缺点：可靠性差、精度较差。

局部区域差分

在一个较大的区域布设多个基准站，以构成基准站网，其中常包含一个或数个监控站，位于该区域中的用户根据多个基准站所提供的改正信息经平差计算后求得用户站定位改正数。

优点：精度和可靠性有所提高。

缺点：所需的基准站个数多，且有些地方不能布设基准站。

广域差分

在一个相当大的区域中用相对较少的基准站组成差分GPS网，各基准站将求得的距离改正数发送给数据处理中心，由数据处理中心统一处理，将各种GPS观测误差源加以

区分，然后再传给用户。

优点：精度高且分布均匀基准站个数较少

缺点：技术复杂，花费大

第七章GPS基线数据处理模型

整周未知数（整周模糊度）解算效率和可靠性与两个因素有关。(1)同步观测卫星的个数及其几何分布有关。(2)观测时间的长短。总体来说，同步观测卫星的个数越多，卫星的几何分布越分散解算效率高。观测时间越长，整周未知数解算可靠性高。但是两者有一定的相差性。多路径效应也能影响整周未知数解算。多路径效应与接收机与周围环境有关。解决办法是使用抑制多路径效应的天线和增加观测时间。

确定整周未知数N0是载波相位测量的一项重要工作，常用的方法有下列几种：

1、伪距法

2、经典方法－将整周未知数作为待定参数求解

3、多普勒法（三差法）

4、快速确定整周未知数法

如果在跟踪卫星过程中，由于某种原因，如卫星信号被障碍物挡住而暂时中断，受无线电信号干扰造成失锁，这样计数器无法连续计数，因此，当信号重新被跟踪后，整周计数就不正确，但是不到一个整周的相位观测值仍是正确的，这种现象称为周跳。

在实际工作中，卫星信号被暂时阻挡或外界因素干扰等原因，经常引起周跳。接收机恢复卫星跟踪后，所测相位的小数部分不受中断影响，仍是连续的，但是整周计数后不连续，就出现整周跳变。

在GPS定位中，同一观测时间越长周跳可能性越大。在静态相对定位中，周跳对成果的影响很是显著。

周跳具有继承性，即从周跳发生历元开始，以后的所有历元的相位观测量均受此周跳影响。周跳的出现和处理是载波相位测量中的重要问题，整周跳变的探测与修复常用的方法有下列几种方法：

1、屏幕扫描法（也就是手工编辑）

2、多项式拟合法

3、卫星间求差法

4、根据平差后的残差发现和修复整周跳变

第八章卫星网与地面网的联合处理与变换

GPS基线向量网平差的目的：

目的一：检查GPS基线向量有没有粗差或明显的系统误差，并考察GPS网内符合精度和基线向量的观测精度。

目的二：GPS网精度的评定与质量控制。

目的三：确定GPS点在指定参照系下的坐标以及其它所需要参数的估值。

GPS

固定网中某一点的坐标，平差的主要目的是检验网本身的内部符合精度以及基线向量之间有无明显的系统误差和粗差，同时为用GPS大地高与公共点正高(或正常高)联合确定GPS Array

网点的正高(或正常高)

平差时以国家大地坐标系或地方坐标系的某些点的坐标，边长和方位角为约束条件，顾及

GPS网与地面网联合平差），即除了GPS基线向量观测值和约束数据以

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外，还有地面常规测量值如边长、方向和高差等，将这些数据一并进行平差。非自由网平差与联合平差一般是在国家坐标系或地方坐标系内进行，平差完成后网点坐标已属于国家坐标系或地方坐标系，因而这两种平差方法是解决GPS 成果转换的有效手段。

高程系统简介

正高(HG)—地面点沿通过该点的铅垂线到达大地水准面的距离；基准面—大地水准面 正常高(Hr)—地面点沿通过该点的铅垂线到似大地水准面的距离；基准面—似大地水准面 大地高(HD)—地面点沿通过该点椭球面法线到椭球面的距离；基准面—参考椭球面

大地高(HD) 与正常高(Hr)的关系： 即：大地高=正常高+高程异常 我国似大地水准面主要是采用天文重力方法测定的，其精度为1m 左右，因此很难直接由GPS 大地高求得正常高。目前在小区域范围内，常采用GPS 水准的方法较为精确地计算GPS 点的正常高。国内外GPS 水准主要是采用纯几何的曲面拟合法，即根据区域内若干公共点上的高程异常值，构造某种曲面逼近似大地水准面，随着所构造的曲面不同，计算方法也不一样。其中，主要的方法有：平面拟合法、曲面拟合法、多面函数拟合法、样条函数法等。

提高GPS 水准精度的措施

1．提高大地高(差)测定的精度

2．提高联测几何水准的精度

3．提高转换参数的精度

4．提高拟合计算的精度 第九章 GPS 控制网建网与数据处理实践

η

γ

γ+=H H D

应用GPS建立测量控制网，与以往的控制网建立方式相比，有着诸多技术优势（如选点不收通视条件的限制。全天候测量。不再需要从高到底实施逐级控制等）。随着GPS技术的发展，其精度和易用性得到了显著的改善，传统的控制网（如区域性大地控制网、精密工程控制网。变形监测控制网和线路测量控制网等）已基本被GPS控制网取代。和常规的测量过程类似，GPS控制测量同样包括技术设计，外业测量和内业数据处理三个主要的工作阶段.

GPS接收机采集记录的数据内容：伪距、载波相位和卫星星历等数据。

GPS数据预处理的目的是：对数据进行平滑滤波检验，剔除粗差；统一数据文件格式，并将各类数据文件加工成标准化文件(如GPS卫星轨道方程的标准化，卫星时钟钟差标准化，观值文件标准--------记录格式和记录项目标准化,及采样密度标准化和数据单位标准化，数据处理软件及选择，基线解算(数据预处理)等)，找出整周跳变点并修复观测值；对观测值进行各种模型改正。

观测成果的外业检核

对野外观测资料首先要进行复查，内容包括：成果是否符合调度命令和规范的要求；进行的观测数据质量分析是否符合实际。然后进行下列项目的检核：

1．每个时段同步观测数据的检核2．重复观测边的检核3．同步观测环检核4．异步观测环检核

GPS定位成果的坐标转换一般有以下几种转换方法：

①利用已知重合点的三维直角坐标进行坐标转换；

②利用已知重合点的三维大地坐标进行坐标转换；

③利用已知重合点的二维高斯平面坐标进行坐标转换；

④利用已知重合点的二维大地坐标进行坐标转换。

GPS网图形构成的几个基本概念

①观测时段：测站上开始接收卫星信号到观测停止，连续工作的时间段，筒称时段。

②同步观测：两台或两台以上接收机同时对同一组卫星进行的观测。

③同步观测环：三台或三台以上接收机同步观测获得的基线向量所构成的闭合环，简称同步环。

④独立观测环：由独立观测所获得的基线向量构成的闭合环，简称独立环。

⑤异步观测环：在构成多边形环路的所有基线向量中，只要有非同步观测基线向量，则该多边形环路叫异步观测环，简称异步环。

⑥独立基线：对于N台GPS接收机构成的同步观测环，有J条同步观测基线，其中独立基线数为N-l。

⑦非独立基线：除独立基线外的其他基线叫非独立基线，总基线数与独立基线数之差即为非独立基线数。

⑧数据剔除率：即在同一时段内，剔除的观测值个数与获取的观测值总数的比值。

⑨天线高：即观测时段接收机天线的相位中心至观测站中心标志面的高度

⑩参考站：即在一定的观测时间内，一台或者几台接收机分别固定在一个或者几个观测站上，一直保持跟踪观测卫星，其余接收机都在这些测站的一定范围内流动设站作业，这些固定站就成为参考站。

流动站：即在参考站的一定范围内流动作业的接收机所设立的测站。

GPS网形设计原则

1、GPS一般应采用独立观测便构成的闭合图形（如三角形、多边形或复合线路），以保证

具有一定的检核条件，提高网的可靠性。

2、GPS网应按“每个观测站至少应独立设站观测两次”的原则进行布网。这样有不同的接

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收机所获取的观测量构成网的精度和可靠性指标比较接近。

3、GPS网中，相邻点间的基线向量精度应分布均匀。同一闭合条件中基线数不宜过多，以

免导致各边的粗差在求闭合差时相互抵销，从而不利于发现粗差。因此，网中各点最好有三条以上基线分支，以确保检核条件，提高网的可靠性。

4、为实现GPS网同原有的地面控制网之间的坐标转换，GPS网至少应与地面网有三个及

以上的重合点。实践表明，为了使GPS成果能较好的转换到地面网中，一般应有3~5个精度高切分布均匀的地面点与GPS点重合。同时也应有相当数量的地面水准点与GPS点重合，以便提供大地水准面的研究资料，从而实现GPS大地高程向正常高程的转换。

5、为便于检测，减少多路径影响，GPS点应选在交通便利。视野开阔的地方。

用n台GPS接收机进行同步观测时，则每一观测时段可获得n(n-1)/2条基线向量，但其中只有(n-1)条基线向量是独立基线向量，其余均为非独立基线向量。

GPS控制网的图形设计

GPS网的图形布设通常有点连式、边连式、网连式及边点混合连接、三角锁连接、导线网连接、星形连接等几种基本方式。

1、点连式

点连式是指相邻同步图形之间仅有一个公共点的连接。以这种方式布点所构成的图形几何强度很弱，没有或极少有非同步图形闭合条件，一般不单独使用。

2．边连式

边连式是指同步图形之间由一条公共基线连接。这种布网方案，网的几何强度较高有较多的复测边和非同步图形闭合条件。在相同的仪器台数条件下，观测时段数将比点连式大大增加。

3．网连式

网连式是指相邻同步图形之间有两个以上的公共点相连接，这种方法需要4台以上的接收机。显然，这种密集的布图方法，它的几何强度和可靠性指标是相当高的，但花费的经费和时间较多，一般仅适于较高精度的控制测量。

4．边点混合连接式

边点混合连接式是指把点连式与边连式有机地结合起来，组成GPS网，既能保证网的几何强度，提高网的可靠指标，又能减少外业工作量，降低成本，是一种较为理想的布网方法。

5．三角锁(或多边形)连接

6．导线网形连接(环形图)

7．星形布设

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1、三角形网：以三角形作为基本图形所能构成的GPS网成为三角形网。三角形网的优点是网的几何强度好，具有良好的自检能力，抗粗差能力强，可靠性高。其主要缺点是工作量大，尤其是在接收机数量较少的情况下，需要好肥大量时间。因此，该组网方式只有在精度及其可靠性要求较高时采用。

2、多边形网：一多边形（边数N≥4）作为基本图形所构成的GPS网成为多边形网。多边形网的有点在于观测工作量小，具有良好的自检性和可靠性，而其缺点主要在于非直接观测基线边（或间接边）精度较直接观测边低，相邻点间的基线精度分布不均匀。

3、附和导线网：以附和导线作为基本图形所构成的GPS网称为附和导线网。附和导线网的几何强度一般不如三角形网和多边形网，但只要附和导线网的边数和强度加以限制，仍能保证一定的几何强度。

4、星形网：从一个已知点上分别与各待定点进行相对定位（待定点间一般无任何联系）所组成的图形。其检查和发现粗差的能力差。优势在于观测时只需两台接收机，作业简单，在快速静态和准确动态定位中常采用该模式。

GPS接收机检验：

1．一般性检视2．通电检验3．试测检验4．随机数据处理软件的检验

技术设计书的编写

1、任务来源及工作量包括GPS项目的来源、下达任务的项目、用途及意义；GPS测量

点的数量；GPS点的精度指标及坐标、高程系统。

2、测区概况测区隶属的行政管辖；测区范围的地理坐标，控制面积；测区的交通状况

和人文地理；测区的地形及气候状况；测区控制点的分布及对控制点的分析、利用和评价。

3、布网方案GPS网点的图形结构及基本连接方法；GPS网结构特征测算；点位图绘

制

4、选点与埋石GPS点位基本要求；点位标志的选用及埋设方法；GPS点的编号等问

题

5、观测对观测工作的基本要求；观测计划的制定；对数据采集提出应注意的问题。

6、数据处理数据处理的基本方法及使用的软件，起算坐标的来源，闭合差检验及点位

精度评定指标

7、完成任务的措施列出具体的可操作措施，要求措施具体，方法可靠，能在实际工

作中贯彻执行。

第十章综合卫星定位服务网络系统

综合卫星定位服务网络系统是通过综合处理地面上离散分布的参考站网络的卫星实时观测数据，以向用户提供精确定位、卫星精确定轨、气象监测、地壳运动监测等衍生服务系统。该系统由连续运行参考站网络（CORS）、数据处理中心和用户三部分组成，能够长期不断的运行，全面取代常规大地测量控制网，全天候的支持各种类型的GPS导航定位应用.

实时动态(RTK)定位技术

实时动态(Real Time Kinematic，简称RTK)测量技术，是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS(RTD GPS)测量技术，它是GPS测量技术发展中的一个新突破。

实时动态测量的基本思想是，在基准站上安置一台GPS接收机，对所有可见GPS卫星进行连续地观测，并将其观测数据，通过无线电传输设备，实时地发送给用户观测站。在用户站上，GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时，通过无线电接收设备，接收基准站传输的观测数据，然后根据相对定位的原理，实时地计算并显示用户站的三维坐标及其精度。这样，通过实时计算的定位结果，便可监测基准站与用户站观测成果的质量和解算结果的收敛情况，从而可实时地判定解算结果是否成功，以减少冗余观测，缩短观测时间。

RTK作业模式与应用

(1)快速静态测量

采用这种测量模式，要求GPS接收机在每一用户站上，静止地进行观测。在观测过程中，连同接收到的基准站的同步观测数据，实时地解算整周末知数和用户站的三维坐标。如果解算结果的变化趋于稳定，且其精度已满足设计要求，便可适时的结束观测。

采用这种模式作业时，用户站的接收机在流动过程中，可以不必保持对GPS卫星的连续跟踪，其定位精度可达1—2cm。这种方法可应用于城市、矿山等区域性的控制测量、工程测

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量和地籍测量等。

(2)准动态测量

这种测量模式，要求流动的接收机在观测工作开始之前，首先在某一起始点上静止地进行观测，以便采用快速解算整周未知数的方法实时地进行初始化工作。之后，流动的接收机在每一观测站上，只需静止观测历元，并连同基准站的同步观测数据，实时地解算流动站的三维坐标。目前，其定位的精度可达厘米级。

该方法要求接收机在观测过程中，保持对所测卫星的连续跟踪。一旦发生失锁，便需重新

进行初始化的工作。

准动态实时测量模式，通常主要应用于地籍测量、碎部测量、路线测量和工程放样等。

(3)动态测量

动态测量模式，一般需首先在某一起始点上，静止地观测数分钟，以便进行初始化工作。之后，运动的接收机按预定的采样时间间隔自动地进行观测，并连同基准站的同步观测数据，实时地确定采样点的空间位置。目前，其定位的精度可达厘米级。

这种测量模式，仍要求在观测过程中，保持对观测卫星的连续跟踪。一旦发生失锁，则需重新进行初始化。这时，对陆上的运动目标来说，可以在卫星失锁的观测点上，静止地观测数分钟，以便重新初始化，或者利用动态初始化(AROF)技术，重新初始化，而对海上和空中的运动目标来说，则只有应用AROF技术，重新完成初始化的工作。

站）上，基准站和流动站同时接收同一时间相同GPS卫星发射的信号，基准站所获得的观测值与已知位置信息进行比较，得到GPS差分改正值。然后将这个改正值及时地通过无线电数据链电台传递给共视卫星的流动站以精化其GPS观测值，得到经差分改正后流动站较准确的实时位置。

精密GPS定位都采用相对技术。无论是在几点间进行同步观测的后处理(RTK)，还是从基准站将改正值及时地传输给流动站(DGPS)都称为相对技术。以采用值的类型为依据可分为4类：1、实时差分GPS，精度为1-3m 2、广域实时差分GPS，精度为1-2m 3、精密差分GPS，精度为1-5米4、实时精密差分GPS，精度为1-3m

差分的数据类型有伪距差分、坐标差分和相位差分三类，前两类定位误差的相关性会随基准站与流动站的空间距离的增加其定位精度迅速降低。故RTK采用第三种方法。

因轨道误差、钟差、电离层折射及对流层折射影响难于精确模型化，所以实际的数据处理中常用双差观测值方程来解算，在定位前需先确定整周未知数，这一过程称为动态定位的“初始化”（On The Fly即OTF）。实现OTF的方法有很多种，美国天宝导航有限公司的做法是：采用伪距和相位相结合的方法。首先用伪距求出整周未知数的搜索范围，再用L1和L2相位组合和后继观测历元解算和精化。利用伪距估计初始位置和搜索空间，快速定出精确的初始位置。

为了保证流动站的测量精度和可靠性，应在整个测区选择高精度的控制点进行检测校对，选择的控制点应有代表性，均匀地分布在整个测区。

1.基准站可以安置在已知点上，也可以不安置在已知点上。若安置在已知点上，则输入已知点的坐标，进行坐标的转换（WGS—84转换成BJ54或其它坐标系）。

2.基准站若安置在未知点上（在城市测量中，有时为了控制更远和更大的范围，根据RTK的特点，可将基准站架设在没有控制点的高楼顶上），在启动基准站时，则需输入该点的WGS—84坐标，进行坐标的转换（WGS—84转换成BJ54或其它坐标系）。求得WGS —84坐标的方法是：开机后，在TSC1控制器上经过初始化操作后，显示一软键here （译成汉语为“这里”），直接按该键即可求得该点的WGS—84坐标。

3.虽然RTK定位测量的基准站可以不放在已知点上，但测区内还必须有已知控制点，

而且定位测量的精度和已知控制点的等级和个数有关，在安置好基准站并启动流动站后，必须用流动站分别到已知点上进行定位测量，以求得该点坐标，然后与该点的原有坐标相比，求出其差值，若差值很小（根据工程性质定），则不需改正，否则，必须将该点的原有坐标输入到TSC1控制器中进行改正。

①测区内仅有一个已知控制点的情况。定位测量时，仅已知点上的精度最高,以本点为圆心，离此点越远，精度越低，理论上讲，在半径为10km的范围内，可达到2～5cm左右精度。其坐标转换的方法是WGS—84和BJ54的坐标相减而得ΔX、ΔY、ΔZ。

②测区附近有二个已知控制点的情况（必须为整体平差结果）。定位测量时，仅两已知控制点和两点的连线上的精度最高，远离此直线则精度越低。

③测区附近有三个已知控制点的情况（必须为整体平差结果）。如下图所示，定位测量时，仅三已知控制点和三角形内部的精度最高，远离此三角形则精度越低。

④测区附近有四个已知点的情况（必须为整体平差结果）。如右图所示，定位测量时，若四个已知点均匀分布在测区四周，仅四个已知控制点和四边形内部的精度最高,远离四边形则精度越低。

⑤当然还有多于四个已知控制点的情况,可根据以上内容进行分析。

RTK技术的优点

GPS参考站系统在控制测量中应用，除了常规的后处理方式来进行控制测量外，其更主要应用的就是利用GPS参考站系统RTK技术进行控制测量。：

①作业效率高

②位精度高，数据安全可靠，没有误差积累。只要满足RTK的基本工作条件，在参考站系统覆盖范围内，RTK的平面精度和高程精度都能达到厘米级。

③降低了作业条件要求。

和传统测量相比，网络RTK技术受通视条件、能见度、气候、季节等因素的影响和限制较小，在传统测量看来由于地形复杂、地物障碍而造成的难通视地区，只要满足网络RTK 的基本工作条件，它也能轻松地进行快速的高精度定位作业。

④RTK作业自动化、集成化程度高，测绘功能强大。

RTK可胜任各种测绘内、外业。流动站利用内装式软件控制系统，无需人工干预便可自动实现多种测绘功能，使辅助测量工作极大减少，减少人为误差，保证了作业精度。

⑤操作简便，容易使用，数据处理能力强。

只要在设站时进行简单的设置，就可以边走边获得测量结果坐标或进行坐标放样。数据输入、存储、处理、转换和输出能力强，能方便快捷地与计算机、其它测量仪器通信。

RTK定位测量外业准备的过程如下：

1.外业踏勘；

2.收集资料；

3.制定观测计划；

4.星历预报；

5.器材准备：经检定合格的GPS接收机（基准站+流动站（含TSC1））一套，12V60A 电源（含充电器），数据链电台一套，手机或对讲机（每台GPS接收机上配一个），每台GPS接收机配观测记录手簿一本；

6. 运输工具：自备汽车或租车。

传统RTK：RTK(RealTime Kinematic) 实时载波相位差分动态定位。

传统RTK面临的问题

1、作业距离有限：半径约10公里）

2、作业过程中，不断移动基准站，架设中继站；

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所以通讯影响了传统RTK的工作效率。

3、RTK定位精度：

mh=1cm+D×2ppm

mv=2cm+D×2ppm

精度与站间距离成反比。

4、没有数据完整性的监控，可靠性不够，粗差的出现。

5、电源供给不便（基准站总在移动，只能用充电电池）

RTK技术的发展方向：RTK流动站能够：1、高效率大范围、连续工作。

2、精度高：各点精度高，而且均匀。

3、用高精度实时动态RTK覆盖一个县、一个省、甚至一个国家。

采用技术：

1、基准参考站网络：

以距离最远（70公里）的间隔来布设一系列基准参考站。

2、增加控制站：

综合数据处理、监控工作状况和数据质量。

3、控制站和流动站之间通讯手段：UHF电台、GSM移动通讯网络。

网络RTK的组成：1、参考站2、控制站3、流动站

1、各参考站的工作

1）观测

（1）GPS观测数据:

载波相位、伪距等。

（2）误差改正参数：

电离层折射

对流层折射

卫星轨道误差等

2）数据传送：

由地下电缆或无线电将以上数据和各参考站坐标传送给控制站。

2、控制站的工作：

综合各站的观测值，误差修正值，推算出总的误差改正模型。

模型的系统误差包括：

1）电离层

2）对流层

3）卫星轨道误差等

3、流动站RTK和控制站交互工作原理：

往：流动站对中央控制中心拨入他们的大概坐标。

返：中央控制中心将误差改正模型推算出以这个大概坐标为基准的各种误差改正值，并用无线电发送出去。

以这个大概坐标为基准的点叫虚拟参考站。

4 流动站工作：流动站会收到中央控制中心发射来的虚拟基准站的误差改正参数等。再进行RTK测量数据处理，进行测量、导航、放样等。

GPS网络RTK技术-虚拟参考站法(VRS)

GPS实时差分定位RTK技术是目前广泛使用的测量技术之一，但它的应用受到电离层延迟和对流层延迟的影响，使原始数据产生了系统误差并导致以下缺点：

（1）用户需要架设本地参考站；

（2）误差随距离的增加而增长；

（3）误差增长使流动站和参考站的距离受到限制，一般小于15公里；

（4）精度为1cm+1ppm，可靠性随距离增大而降低。

GPS网络RTK技术的出现，弥补了GPS实时差分定位RTK技术的缺点，它代表了未来GPS发展的方向，由此可带来巨大的社会效益和经济效益。目前应用于GPS网络RTK数据处理的方法有：虚拟参考站法（Virtual Reference Station——VRS）、偏导数法、线性内插法和条件平差法，其中虚拟参考站法VRS技术最为成熟。

虚拟参考站法VRS的实施将使一个地区的测绘工作成为一个有机的整体，改变了以往GPS 作业单打独斗的局面，同时它使GPS技术的应用更为广泛，精度和可靠性得到进一步的提高，使许多从前难以完成的任务成为可能，最重要的是建立GPS网络的成本反而降低了很多。由于VRS技术的种种先进性，一经问世就受到世界各国的广泛关注，并得到积极的实施，德国、瑞士等一些国家的VRS网络已经建成或正在建成。我国的深圳市第一个建成了VRS技术卫星定位服务系统，为深圳市的经济发展、城市信息化和数字化发挥了重要的作用。

VRS系统集GPS、Internet、无线通讯和计算机网络管理技术于一身。整个系统是由若干个（三个以上）连续运行的GPS基准站和一个GPS网络控制中心构成。

1. VRS的系统构成

VRS的系统构成由GPS固定基准站系统、数据传输系统、GPS网络控制中心系统、数据发播系统和用户系统等五部分组成。

2. VRS的工作原理

一个VRS网络由三个以上的固定基准站组成，站与站之间的距离可达70km，固定基准站负责实时采集GPS卫星观测数据并传送给GPS网络控制中心，由于这些固定基准站有长时间的观测数据，故点位坐标精度很高。（传统高精度GPS网络，站间距离不超过10-20公里）。固定基准站与控制中心之间可通过光缆、ISDN或普通电话线相连，将数据实时的传送到控制中心。

控制中心是整个系统的核心。它既是通讯控制中心，也是数据处理中心。它通过通讯线（光缆，ISDN，电话线）与所有的固定参考站通讯，接收固定参考站发来的所有数据，也接收从流动站发来的概略坐标，然后根据用户位置，自动选择最佳的一组固定站数据，整体改正GPS轨道误差、电离层、对流层和大气折射引起的误差，将经过改正后的高精度的RTCM 差分信号通过无线网络（GSM，CDMA，GPRS等）发送给用户，与移动用户通讯。这个差分信号的效果相当于在移动站旁边，生成一个虚拟的参考基站，从而解决了RTK作业距离上的限制问题，并保证了用户的精度。

VRS的系统构成及工作原理

用户部分就是用户的GPS接收机，加上无线通讯的调制解调器。根据自己的不同需求，放置在不同的载体上。接收机通过无线网络将自己初始位置发给控制中心，并接收中心的差分信号，生成厘米级的位置信息。

所以控制中心的软件GPS—NET即是数据处理软件，也是系统管理软件。由计算机实时系统控制整个系统的正常运行，它执行下列任务：

⑴导入并检查原始数据的质量；

⑵存储并压缩RINEX数据；

⑶改正天线的相位中心；

⑷区域系统误差模型化及估算；

⑸为流动站接收机创建虚拟参考站位置；

⑹产生流动站所在位置上的RTK改正数据流；

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⑺RTK数据以RTCM或Trimble CMR格式传播。

VRS的系统构成及工作原理

GPS流动站先向控制中心发送标准的NMEA位置信息，告之其概略位置，控制中心收到信息后重新计算所有GPS数据，内插到与流动站相匹配的位置，再向流动站发送改正过的RTCM信息，流动站可位于VRS网络中的任何位置，这样RTK的系统误差就被消减。可以看出，VRS系统实际上是一种多基站技术。它在处理上利用了多个参考站的联合数据。与传统的RTK相比，VRS系统的优势有以下几点：

1.VRS系统的覆盖范围大VRS网络可以有多个站，但最少需要3个。若按边长70km计算，一个三角形可覆盖面积为2200km2。

实际上，VRS系统可提供两种不同精度的差分信号，分别为厘米级和亚米级。我们所论述的是1-2个厘米的高精度，而若是用低精度，则站与站之间的距离可以拓展到几百公里。

2.相对传统RTK，提高了精度传统的RTK随着测量距离的增加，误差会随之增大，而在VRS系统的网络控制范围内，精度始终可以保持在1～2个厘米。

3.可靠性也随之提高采用了多个参考站的联合数据，大大提高可靠性。

4.更广的应用范围可适用于城市规划，市政建设，交通管理，机械控制，气象，环保，农业以及所有在室外进行的勘测工作。

VRS技术的出现，标志着高精度GPS的发展进入了一个新的阶段。这种网络RTK 技术，集最新兴的计算机网络管理技术、INTERNET技术、无线通讯技术和TRIMBLE优秀的GPS定位技术于一身，应用了最先进的多基站RTK算法，是GPS技术的突破。它将使GPS的应用领域极大的扩展，代表着GPS发展的方向。

RTK技术的优点

GPS参考站系统在控制测量中应用，除了常规的后处理方式来进行控制测量外，其更主要应用的就是利用GPS参考站系统RTK技术进行控制测量。：

①作业效率高

②位精度高，数据安全可靠，没有误差积累。只要满足RTK的基本工作条件，在参考站系统覆盖范围内，RTK的平面精度和高程精度都能达到厘米级。

③降低了作业条件要求。

和传统测量相比，网络RTK技术受通视条件、能见度、气候、季节等因素的影响和限制较小，在传统测量看来由于地形复杂、地物障碍而造成的难通视地区，只要满足网络RTK 的基本工作条件，它也能轻松地进行快速的高精度定位作业。

④RTK作业自动化、集成化程度高，测绘功能强大。

RTK可胜任各种测绘内、外业。流动站利用内装式软件控制系统，无需人工干预便可自动实现多种测绘功能，使辅助测量工作极大减少，减少人为误差，保证了作业精度。

⑤操作简便，容易使用，数据处理能力强。

只要在设站时进行简单的设置，就可以边走边获得测量结果坐标或进行坐标放样。数据输入、存储、处理、转换和输出能力强，能方便快捷地与计算机、其它测量仪器通信。

第十一章GPS卫星导航定位技术的应用

GPS定位技术在测绘学中的主要应用范围包括：大地测量、地球动力学研究，区域性测量控制网的联测；海洋测量，精密工程测量、工程变形监测和地籍测量等；在导航中的应用包括车辆、船只和飞机的精密导航、测速，以及运动目标的监控与管理等。除此之外，GPS 定位技术在运动载体的姿态测量、弹道导弹的制导，近地卫星的定轨，精密授时，以及气

象学和大气物理学的研究等领域，也显示出广阔的应用前景。

ITRF国际地球参考框架ITRS国际地球参考系统VLBI甚长基线干涉测量SLR卫星激光测距LLR激光测月DORIS卫星多普勒定位

GPS参考站系统在控制测量中的应用：

（1）建立并维护一个高质量地心坐标基准。

（2）取代常规测量控制网。

（3）实现城乡GIS系统的实时更新。

（4）满足地球物理与环境监测的需求。

（5）服务于公共安全。

（6）GPS气象学

（7）地面施工机械的自动引导。

（8）提供实时RTK测量作业服务。

（9）提供各种后处理技术服务。

（10）满足节水、精密农业的需要。

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