GPS测量数据处理

GPS测量数据处理第一章GPS基本原理GPS基本原理第一节概述GPS基本原理>概述什么是GPS全球定位系统GPS的英文全称是NAVigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositioningSystem（导航星测时与测距全球定位系统），简称GPS，有时也被称作NAVSTARGPS。根据Wooden1985年所给出的定义：NAVSTAR全球定位系统（GPS）是一个空基全天侯导航系统，它由美国国防部开发，用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速度和时间信息的要求。GPS基本原理>概述>什么是GPSGPS的内涵①建立国家美国建立的目的在全球范围内，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GPS基本原理>概述>GPS的内涵GPS的内涵②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测距原理被动式电磁波测距定位原理距离交会特点导航、定位、测时精度高GPS基本原理>概述>GPS的内涵距离交会第二节GPS的系统组成GPS基本原理>GPS系统的系统组成GPS的系统组成GPS基本原理>GPS的系统组成>GPS的系统组成空间部分控制部分用户部分GPS空间部分控制部分用户部分GPS的空间部分①GPS基本原理>GPS的系统组成>GPS的空间部分组成GPS卫星星座（由卫星构成）GPS卫星星座设计星座：21+3（21颗正式工作卫星+3颗活动的备用卫星）轨道：6个轨道面，平均高度20200km，倾角55，周期11h58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次）特点：保证在24小时，在高度角15°以上，能够同时观测到4至8颗卫星当前星座：28颗作用发射供导航定位用的信号接收地面注入的信息和指令GPS卫星星座GPS的空间部分②GPS基本原理>GPS的系统组成>GPS的空间部分GPS卫星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。类型BlockI（试验卫星）BlockII（工作卫星）-BlockIIA、BlockIIR、BlockIIFBlockIIRBlockIIRBlockIIRBlockIIABlockIIF不同类型的GPS卫星GPS的控制部分GPS基本原理>GPS的系统组成>GPS的控制部分组成主控站：1个监测站：5个注入站：3个作用跟踪监控卫星编制导航电文地面控制部分GPS的用户部分①GPS基本原理>GPS的系统组成>GPS的用户部分组成GPS信号接收机及辅助设备作用跟踪、捕获卫星信号进行信号处理测定位置、速度和时间GPS信号接收机的构成天线单元接收单元天线单元接收单元GPS信号接收机的组成GPS的用户部分②GPS基本原理>GPS的系统组成>GPS的用户部分GPS接收机的类型依用途大地型（测地型）导航型授（守）时型依能否接收测距码（伪距码）有码无码依接收伪距码的种类C/A码P码依接收不同频率载波的数量单频双频GPS的用户部分③GPS基本原理>GPS的系统组成>GPS的用户部分GPS接收机天线天线特性相位中心增益方式带宽极化单极天线微带天线空间螺旋天线四丝螺旋天线背腔平面盘旋天线GPS天线GPS的用户部分④GPS基本原理>GPS的系统组成>GPS的用户部分GPS接收机天线（续）相位中心天线相位中心的变化：天线相位中心将随信号的方位角、高度角的变化而变化天线的平均相位中心与几何中心天线平均相位中心的偏差天线平均相位中心偏差的消除：归心改正、消去法厂商和研究机构提供不同型号天线的相位中心偏差机变化模型同种型号的天线具有相同的相位中心特性天线高标志至平均相位中心所在平面的垂直距离L2的平均相位中心12L1的平均相位中心r1r2H’HHH’hR第三节GPS卫星信号GPS基本原理>GPS卫星信号GPS卫星信号的组成成分GPS基本原理>GPS卫星信号>GPS卫星信号的组成成分载波（Carrier）-余弦波L1L2测距码（RangingCode）-二进制波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（D码）-二进制波GPS卫星信号的组成成分L2P2D

L1C/AP1D导航电文的内容GPS基本原理>GPS卫星信号>导航电文的内容卫星星历卫星轨道根数及摄动改正卫星时钟改正电离层折射改正模型参数电离层折射改正的Klobuchar模型参数工作状态信息快速捕获P码的信息载波GPS基本原理>GPS卫星信号>载波作用搭载其它调制信号测距测多普勒频移类型目前L1–频率：154f0=1575.43MHz；波长：19.03cmL2–频率：120f0=1227.60MHz；波长：24.42cm现代化后增加L5–频率：115f0=1176.45MHz；波长：25.48cm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）GPS的载波测距码GPS基本原理>GPS卫星信号>测距码作用测距性质为伪随机噪声码（PRN－PseudoRandomNoise）类型目前C/A码（Coarse/AcquisitionCode）–粗码/捕获码；码率：1.023MHz；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（PreciseCode）–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码第四节GPS测量定位的观测值GPS基本原理>GPS测量定位的观测值观测值的类型伪距载波相位多普勒频移GPS基本原理>GPS测量定位的观测值>观测值的类型伪距测量方法通过测距码测定优点可直接测定卫星到接收机之间的距离不存在模糊度的问题抗干扰能力强缺点精度低应用领域导航、低精度测量等GPS基本原理>GPS测量定位的观测值>伪距C/A码（测距时有模糊度）P码载波相位测量方法通过载波测定优点精度高缺点存在模糊度问题，无法直接测定卫星到接收机之间的距离抗干扰能力弱应用领域测绘GPS基本原理>GPS测量定位的观测值>载波相位整周模糊度整周计数不足一周的部分载波相位观测值多普勒频移测量方法通过载波测定应用领域测速GPS基本原理>GPS测量定位的观测值>多普勒频移波源的运动速度向量与波源至观测者连线的夹角波源的运动速率波速波发送时的频率接收到的波的频率多普勒效应第五节GPS定位基本原理GPS基本原理>GPS定位基本原理基本原理X通过卫星进行距离交会是GPS系统的基础1接收机通过测定信号传播时间来测定卫星与接收机之间的距离2GPS信号穿过地球的电离层和对流层时，会产生信号延迟53为了测定信号的传播时间，GPS需要有高精度的钟4要进行定位，用户除了要知道到卫星的距离外，还需要知道卫星的位置GPS基本原理>GPS定位基本原理>基本原理GPS测量定位的主要误差源GPS基本原理>GPS定位基本原理>GPS测量定位的主要误差源与卫星有关的误差卫星轨道误差卫星钟差相对论效应与传播途径有关的误差电离层延迟对流层延迟多路径效应与接收设备有关的误差接收机天线相位中心的偏差和变化接收机钟差接收机内部噪声GPS测量定位的主要误差源卫星星历误差GPS基本原理>GPS定位基本原理>卫星星历误差定义由星历所给出的卫星在空间中的位置与其实际位置之差。特点直接造成定位结果发生偏差应对方法建立卫星跟踪网进行精密定轨轨道松弛法（在计算待定点位置时，将卫星位置作为参数）采用相对定位或差分定位卫星钟差GPS基本原理>GPS定位基本原理>卫星钟差定义卫星钟读数与真实的GPS时间之差。特点造成距离测定发生偏差应对方法采用广播星历中的钟差改正参数进行改正使用IGS提供的精密卫星钟差改正数采用相对定位或差分定位相对论效应GPS基本原理>GPS定位基本原理>相对论效应定义相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的状态（运动速度和重力位）不同而引起卫星钟与接收机钟之间产生相对钟误差的现象。相对论效应包括以下两部分的影响：与运动速度有关的狭义相对论效应；与重力位有关的广义相对论效应两部分。特点狭义相对论效应造成卫星钟变慢，广义相对论效应造成卫星钟变快，综合影响是卫星钟变快。应对方法分两步进行：第一步：系统设计时将卫星钟的频率降低；第二步：采用公式进行改正。大气结构电离层折射①GPS基本原理>GPS定位基本原理>电离层折射定义当GPS信号通过电离层时，信号的路径会发生弯曲，传播速度也会发生变化，所以用信号的传播时间乘上真空中光速而得到的距离就会不等于卫星至接收机间的几何距离，这种偏差叫电离层折射误差。电离层折射②GPS基本原理>GPS定位基本原理>电离层折射电子总含量特点与信号频率有关（时间延迟与频率平方成反比）与电子总含量有关（与电子总含量成正比）对载波的延迟（相延迟）与对伪距的延迟（群延迟）大小相等，符号相反应对方法模型改正Klobuchar模型（广播星历中含有此模型的系数）自行建立电离层模型双频改正采用相对定位或差分定位电离层折射③电子总含量GPS基本原理>GPS定位基本原理>电离层折射定义当GPS信号通过对流层时，信号的路径会发生弯曲，传播速度也会发生变化，所以用信号的传播时间乘上真空中光速而得到的距离就会不等于卫星至接收机间的几何距离，这种偏差叫对流层折射误差。特点与信号的频率无关与大气的物理参数（气压、温度、湿度）有关应对方法模型改正，如霍普菲尔德模型等引入参数采用相对定位或差分定位对流层折射GPS基本原理>GPS定位基本原理>对流层折射定义在GPS测量中，被测站附近的物体所反射的卫星信号（反射波）被接收机天线所接收，与直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏离真值产生所谓的“多路径误差”。特点与测站环境有关与反射体性质有关与接收机结构、性能有关多路径误差①GPS基本原理>GPS定位基本原理>对流层折射应对方法避开易发生多路径的环境采用抗多路径的天线和接收机多路径误差②GPS基本原理>GPS定位基本原理>多路径误差易发生多路径的环境抗多路径效应的天线定义卫星钟读数与真实的GPS时间之差。特点造成距离测定发生偏差应对方法引入钟差参数星间差分接收机钟误差GPS基本原理>GPS定位基本原理>接收机钟误差定义特点与对中、整平、量高有关应对方法按规范仔细操作接收机的位置误差GPS基本原理>GPS定位基本原理>接收机的位置误差对中误差量取天线高定义天线相位中心与天线几何中心之间的差异。特点与天线型号有关与信号的高度角、方位角有关应对方法天线定向模型改正天线相位中心的偏差与变化GPS基本原理>GPS定位基本原理>天线相位中心的偏差与变化L2的平均相位中心12L1的平均相位中心r1r2H’HHH’hR地球自转地球潮汐其它误差GPS基本原理>GPS定位基本原理>其它误差第六节美国的GPS政策GPS基本原理>美国的GPS政策美国的GPS政策原则：鼓励民用，限制军用限制SA和AS鼓励GPS现代化概述GPS基本原理>美国的GPS政策>概述SPS标准定位服务（StandardPositioningService）用户范围民用用户系统精度（实施SA时，95%）平面100m，三维156m，速度0.3m/s，时间337nsPPS精密定位服务（PrecisionPositioningService）用户范围特许用户系统精度（95%）三维37m，速度0.1m/s，时间100nsSPS与PPSGPS基本原理>美国的GPS政策>SPS与PPS含义SA–SelectiveAvailability（选择可用性）技术方法技术－在广播星历中加入长周期的干扰技术－在卫星的基准频率中加入快速的抖动结果降低民用用户定位的精度SA技术GPS基本原理>美国的GPS政策>SA技术含义AS–Anti-Spoofing（反电子欺骗）技术方法技术方法P码+W码(保密)Y码(保密)结果防止P码被干扰民用用户无法直接利用P码测距AS技术GPS基本原理>美国的GPS政策>AS技术背景国际局势的变化，世界进入后冷战时代GPS产业为美国带来大量的经济利益克服美国限制措施的技术日益完善成熟其它卫星导航定位系统的竞争内容取消SA（2000年5月1日）L2上增加C/A码增加第三民用频率L5增加军队专用码M1，M2提高PPS信号质量局部SAGPS现代化GPS基本原理>美国的GPS政策>GPS现代化针对SA的对策多星（GPS+GLONASS）定位采用相对定位或差分定位方法建立独立的GPS卫星测轨系统建立独立的卫星导航定位系统针对AS的对策采用特殊的信号处理手段，如交叉相关、Z跟踪等。针对SA和AS的对策GPS基本原理>美国的GPS政策>针对SA和AS的对策第七节GPS在测绘领域的应用GPS基本原理>GPS在测绘领域的应用GPS在测绘工程中的应用测图与GIS数据采集。建立控制网。施工放样，海洋测绘，资源勘探，...航空摄影测量及遥感。GPS基本原理>GPS在测绘领域的应用>GPS在测绘工程中的应用用于测图与GIS数据采集的GPS接收机广泛用于工程放样和资源勘探的GPSRTK系统海洋测绘GPS在科学研究中的应用大地测量，如：建立地球参考框架，确定包括确定地球自转参数、地球重力场等在内的地球几何及物理参数等。地球环境，如：海洋环境研究、冰川研究等。地球物理，如：地球动力学等。空间对地观测，如航天器轨道、姿态的确定等。IGS的GPS卫星跟踪网络CHAMP卫星上的GPS接收天线GPS基本原理>GPS在测绘领域的应用>GPS在测绘工程中的应用第八节GPS测量定位的类型GPS基本原理>GPS测量定位的类型根据所采用的观测值分类伪距测量观测值：伪距特点：数据处理简单，定位精度低，只有米级。应用领域：一般用于导航、GIS数据采集等，如RTD。载波相位测量观测值：载波相位特点：数据处理复杂，定位精度高，可达厘米–亚毫米级。应用领域：广泛地用于测绘等，如静态测量、RTK等。GPS基本原理>GPS测量定位的类型>根据所采用的观测值分类根据定位模式分类绝对定位/单点定位定位模式：单机定位，确定绝对坐标。特点：定位作业简单，定位精度低，只有米级到数十米应用领域：用于低精度导航。相对定位定位模式：多机同步观测，确定各机之间的相对位置（基线向量）。特点：定位作业复杂，定位精度高，可达厘米–亚毫米级。应用领域：用于高精度导航、测绘等。通过相对定位得到的基线向量及其所构成的基线向量网GPS基本原理>GPS测量定位的类型>根据定位模式分类根据获取定位结果的时间分类实时定位获取结果的时间：实时。特点：相对定位时需要专门的数据链，作业范围有一定限制，定位结果的可靠性略低。应用领域：用于导航、工程放样、资源勘探等，如RTK、RTD等。后处理定位获取结果的时间：事后。特点：定位结果可靠性高。应用领域：用于测绘等，如静态定位、快速静态定位。用于实时动态测量的RTK系统（基准站）GPS基本原理>GPS测量定位的类型>根据获取定位结果的时间分类根据定位时接收机的运动状态分类动态定位接收机的运动状态：相对于地固系运动。特点：作业效率高，定位结果的可靠性略低。应用领域：主要用于工程施工放样、资源勘探、海洋测绘、航空摄影遥感、GIS数据采集、测图等。静态定位接收机的运动状态：相对于地固系静止。特点：定位精度和可靠性高。应用领域：主要用于建立控制网、形变及变形监测等。静态测量动态测量GPS基本原理>GPS测量定位的类型>根据定位时接收机的运动状态分类第二章GPS网的建立GPS网的建立第一节建立GPS网的过程GPS网的建立>建立GPS网的过程建立GPS网的三个阶段测前设计、准备阶段测中外业作业阶段测后数据处理、分析，成果整理、验收阶段GPS网的建立>建立GPS网的过程>建立GPS网的三个阶段测前项目规划施工技术设计测绘资料收集整理仪器检验、检定实地踏勘、选点、埋石GPS网的建立>建立GPS网的过程>测前施工设计书检定证书各类埋石标准测中实地了解测区情况作业队进驻卫星状态预报确定观测作业方案外业观测数据传输、转储、备份基线处理与质量控制GPS网的建立>建立GPS网的过程>测中DOP值随时间的变化图天球图作业调度表外业观测测后结果分析（网平差与质量控制）整理成果、技术总结项目验收GPS网的建立>建立GPS网的过程>测后成果资料第二节GPS网的等级GPS网的建立>GPS网的等级GPS网的类型按用途分，GPS网可分为以下几种类型全球坐标基准框架网地球动力学网（地壳形变监测网）大地控制网城市控制网工程控制网工程变形监测网地籍测量控制网地形测量控制网GPS网的建立>GPS网的等级>GPS网的类型相邻点间距离mm比例误差固定误差mm标准差mmGPS网的精度衡量指标GPS网的精度衡量指标–相邻点基线长度精度GPS网的建立>GPS网的等级>GPS网的精度衡量指标GPS网的等级①全球定位系统（GPS）测量规范（GB/T18314–2001）GPS网的建立>GPS网的等级>GPS网的等级GPS网的等级②全球定位系统（GPS）测量规范（GB/T18314–2001）（续）GPS网的建立>GPS网的等级>GPS网的等级级别固定误差a，mm比例误差系数AA30.01A50.1B81C105D1010E1020精度分级GPS网的等级③全球定位系统（GPS）测量规范（GB/T18314–2001）（续）GPS网的建立>GPS网的等级>GPS网的等级级别点位地心坐标精度，m基线长度年变化率精度，mm/年AA0.052A0.13点位精度和基线长度年变化率精度规定第二节GPS网的布网形式GPS网的建立>GPS网的布网形式跟踪站式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（实际上就是跟踪站）。数据处理通常采用精密星历。优点精度极高，具有框架基准特性。缺点需建立专门的永久性建筑即跟踪站，观测成本很高。适用范围一般用于建立GPS跟踪站（AA级网），永久性的的监测网（如用于监测地壳形变、大气物理参数等的永久性监测网络）。GPS网的建立>GPS网的布网形式>跟踪站式会战式形式在布设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，观测分阶段进行，在同一阶段中，所有的接收机，在若干天的时间里分别各自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采用相同方式，进行另一阶段的观测，直至所有点观测完毕。优点可以较好地消除SA等因素的影响，因而具有特高的尺度精度。适用范围A、B级网。GPS网的建立>GPS网的布网形式>会战式多基准站式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。优点各基准站间基线向量精度高，可以作为整个GPS网的骨架。其余同步观测图形与各个基准站之间也存在有同步观测基线，图形结构强。适用范围C，D级网。GPS网的建立>GPS网的布网形式>多基准站式多基准站式的布网形式基准站基准站基准站同步图形同步图形扩展式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。优点扩展速度快，图形强度较高，且作业方法简单。适用范围C，D级网。GPS网的建立>GPS网的布网形式>同步图形扩展式同步图形的扩展单基准站（星形网）式形式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得星形。优点效率高。缺点图形强度弱，可靠性低。适用范围D，E级网。GPS网的建立>GPS网的布网形式>单基准站（星形网）式单基准站式的布网GPS网的建立>同步图形扩展的方式第三节同步图形扩展的方式形式相邻的同步图形间只通过一个公共点相连。优点作业效率高，图形扩展迅速。缺点图形强度低，如果连接点发生问题，将影响到后面的同步图形。点连式GPS网的建立>同步图形扩展的方式>点连式点连式形式相邻的同步图形间有一条边（即两个公共点）相连。优点作业效率较高，图形强度较强。GPS网的建立>同步图形扩展的方式>边连式边连式边连式形式相邻的同步图形间有3个（含3个）以上的公共点相连。优点图形强度最强。缺点作业效率低。GPS网的建立>同步图形扩展的方式>网连式网连式网连式GPS网作业进度图从已完成观测的同步图形中选取独立基线，在GPS网展点图上将被测点用直线连接起来，用以显示作业进度。进度图的绘制应选取独立基线；用不同的颜色表示不同时段的同步观测基线。作用进行网形设计；掌握作业进度。GPS网的布设>GPS网的等级>GPS网的作业方式>GPS网作业进度图GPS网作业进度图同步图形的扩展第四节GPS网的设计指标GPS网的建立>GPS网的设计指标GPS网设计的内容基准设计起算条件、数量及分布起算点起算边起算方位网形设计同步观测图形的设置观测设计仪器要求观测要求–观测时间及时段长度、观测参数设置等GPS网的建立>GPS网的设计指标>GPS网设计的内容GPS网设计的内容什么是GPS网的设计指标？GPS网的设计指标是指导GPS网设计量化因子，是评价GPS网设计优劣的数值标准。如何评价GPS网设计的优劣？质量精度可靠性效率费用GPS网的建立>GPS网的设计指标>GPS网的设计指标网设计的优劣质量效率费用可靠性精度GPS网的设计指标重复设站次数在同一测站上所进行的观测时段数。规范中规定了不同等级的网，每个测站的最少平均重复设站次数。GPS网的建立>GPS网的设计指标>GPS网设计的效率指标GPS网设计的效率指标①最少观测期数定义：根据规范要求，布设一GPS网，需要观测的最少时段数。特性：最少观测期数与网的等级、点的数量和用于观测的接收机的数量有关。计算公式：指导作用用于估算工程进度最少观测期数/单天观测期数+机动天数用于估算外业观测作业成本观测天数单天成本GPS网的建立>GPS网的设计指标>GPS网设计的效率指标最少观测期数网的点数参与观测的接收机数最少平均重复设站次数GPS网设计的效率指标②GPS网设计的效率指标③效率指标定义：效率指标是理论最少观测期数与设计最少观测期数的比值。计算公式：特性e1；e越接近1，效率越高。GPS网的建立>GPS网的设计指标>GPS网设计的效率指标最少观测期数理论最少观测期数设计观测期数GPS网设计的可靠性指标①GPS网的必要独立基线数定义：测定网中所有点的坐标所需要的独立基线的最少数量。计算公式：对于一个只以已知点作为起算数据的网，其必要独立基线数可采用下式计算GPS网的建立>GPS网的设计指标>GPS网设计的可靠性指标必要独立基线数网的总点数已知点的数量网的可靠性指标定义：多余独立基线数与总独立基线数的比值。计算公式GPS网的建立>GPS网的设计指标>GPS网设计的可靠性指标网的可靠性指标多余的独立基线数总独立基线数GPS网设计的可靠性指标②算例问：某网由100个点构成，计划用4台接收机进行观测，如果要求平均重复设站次数不得低于2.0，问至少需要观测多少个时段，可测得多少独立基线，可靠性指标是多少？答：GPS网的建立>GPS网的设计指标>GPS网设计的可靠性指标GPS网设计的可靠性指标③点的可靠性GPS网中点的可靠性与与点相连的独立基线的数量有关，若假定所有独立基线的质量相同，则点的可靠性与点所在的位置无关。例右图中如果所有基线均只观测了一个时段，则所有点的可靠性相同。GPS网的建立>GPS网的设计指标>GPS网中点的可靠性GPS网中点的可靠性GPS网的建立>GPS网的设计指标>GPS网设计的精度指标协因数阵设计矩阵（与网形有关）权阵（与基线精度有关）GPS网设计的精度指标GPS网的建立>GPS网的设计准则第五节GPS网的设计准则GPS网的建立>GPS网的设计准则>GPS网设计的出发点保证质量为前提提高效率降低成本GPS网设计的出发点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。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。根据应用要求，保证部分点间的通视。GPS网的建立>GPS网的设计准则>选点原则选点原则增加观测期数（增加独立基线数）。保证一定的重复设站次数。保证每点与三条以上的独立基线相连。确保可以确定出粗差基线。最小异步环边数不大于6。保证网的结构强度保证质量控制指标的效力GPS网的建立>GPS网的设计准则>提高GPS网可靠性的方法提高GPS网可靠性的方法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。建立框架网。最小异步环边数不大于6。适当引入高精度激光测距边。若要进行高程拟合，水准点密度要高，分布要均匀，且要将拟合区域包围起来。适当延长观测时间，增加观测时段。选取适当数量的已知点，已知点分布均匀。GPS网的建立>GPS网的设计准则>提高GPS网可靠性的方法提高GPS网精度的方法第三章GPS基线解算GPS基线解算GPS基线解算>概述第一节概述相对定位定义在GPS定位中，确定进行同步观测的接收机之间相对位置的定位方法，称为相对定位。定位结果与所用星历同属一坐标系的基线向量（坐标差）及其精度信息采用广播星历时属WGS-84采用IGS–InternationalGPSService精密星历时为ITRF–InternationalTerrestrialReferenceFrame基线向量所含的基准信息2个方位基准（一个水平方法，一个垂直方位）1个尺度基准不含有位置基准GPS相对定位①GPS基线解算>概述>GPS相对定位相对定位特点优点定位精度高各类误差对定位结果的影响被消除或减弱缺点：多台接收共同作业，作业复杂数据处理复杂不能直接获取绝对坐标应用高精度测量定位及导航GPS相对定位②GPS基线解算>概述>GPS相对定位定义利用多个测站的GPS同步观测数据，确定测站之间的坐标差的过程。内涵观测值GPS载波相位观测值（主要）原始观测值差分观测值不同频率的组合观测值GPS伪距观测值（辅助）结果基线向量精度（中误差）及误差相关性信息（协因数阵）GPS基线解算的定义与内涵GPS基线解算>概述>GPS基线向量解算的定义与内涵定义将相同频率的GPS载波相位观测值依据某种方式求差所获得的新的组合观测值（虚拟观测值）特点可以消去某些不重要的参数，或将某些对确定待定参数有较大负面影响的因素消去或消弱其影响求差方式站间求差卫星间求差历元间求差差分观测值①GPS基线解算>概述>差分观测值站间差分求差方式同步观测值在接收机间求差数学形式特点消除了卫星钟差影响削弱了电离层折射影响削弱了对流层折射影响削弱了卫星轨道误差的影响差分观测值②GPS基线解算>概述>差分观测值站间差分星间差分求差方式同步观测值在卫星间求差数学形式特点消除了接收机钟差的影响差分观测值③GPS基线解算>概述>差分观测值星间差分历元间差分差分方式观测值在间历元求差数学形式特点消去了整周未知数参数差分观测值④GPS基线解算>概述>差分观测值历元间差分单差站间一次差分双差站间、星间各求一次差（共两次差）三差站间、星间和历元间各求一次差（三次差）单差、双差和三差GPS基线解算>概述>差分观测值单差双差三差组合观测值的一般形式特殊的组合观测值宽巷组合观测值（wide-lane）窄巷组合观测值（narrow-lane）无电离层影响组合观测值（iono-free）不同频率的组合观测值①GPS基线解算>概述>差分观测值宽巷组合观测值（wide-lane）形式特点波长长，整周未知数容易确定测距精度略低不同频率的组合观测值②GPS基线解算>概述>差分观测值窄巷组合观测值（narrow-lane）形式特点波长短，整周未知数难确定测距精度高不同频率的组合观测值③GPS基线解算>概述>差分观测值无电离层影响组合观测值（iono-free）形式特点电离层折射延迟为0不同频率的组合观测值④GPS基线解算>概述>差分观测值根据数学模型单基线解（SingleBaseline/BaselineMode）模型简单不顾及同一时段基线间的相关特性多基线解（MultipleBaseline/SessionMode）模型较为复杂顾及同一时段基线间的相关特性整体解（多站网解）（CampaignMode）模型最为严密顾及同一时段基线间的相关特性基线之间相互约束，结构强基线解算的类型GPS基线解算>概述>基线解算的类型根据差分的类型单差解采用单差观测值双差解采用双差观测值三差解采用三差观测值根据整周未知数确定的情况固定解（整数解）(Fixed)浮动解（实数解）(Float)基线解算结果的类型GPS基线解算>基线解算的类型GPS基线解算>基线解算的过程第二节基线解算的过程基线解算的外部处理过程GPS基线解算>基线解算的外部处理过程基线解算的外部处理过程框图数据准备（GPS观测数据、卫星星历、人工观测数据、先验数据等）处理控制参数设置（星历类型、截止高度角、周跳修复方法…）软件处理基线结果质量检验结束合格不合格基线解算的内部处理过程（软件实现）GPS基线解算>基线解算的内部处理过程数据导入（观测值、星历、气象元素、测站信息等）数据预处理（周跳探测与修复、形成差分观测值）组成观测方程（待定参数包括基线向量、整周模糊度等）平差解算（待定参数包括基线向量、整周模糊度等）是否存在劣值观测值或小周跳剔除或修复是否能否确定整周模糊度参数否是确定基线向量的固定解确定基线向量的浮动解基线解算的内部处理过程框图第三节基线解算时常用的数据格式GPS基线解算>基线解算时常用的数据格式本机格式GPS基线解算>基线解算时常用的数据格式>本机格式定义接收机存储数据的格式存储方式二进制内容观测值、广播星历、电离层信息、气象元素特点不同厂家的接收机具有不同的本机格式与接收机配套的数据处理软件（随机软件/商用软件）一般可以直接读取自身本机格式的数据，而不能读取其它厂家的本机格式的数据不利于多种型号的接收机联合作业RINEX格式①GPS基线解算>基线解算时常用的数据格式>RINEX格式定义与接收机无关的数据交换格式存储方式ASCII内容观测值、星历（导航信息）、气象数据特点通用性强，已成为事实上的标准利于多种型号的接收机联合作业大多数软件能够处理RINEX格式②RINEX文件的命名规则命名规则：8+3文件名例：wh022931.02o，wh022293.02nssssdddf.yyt4字符测站名年积日一天内的文件序号（时段号）。若为0，则表示文件包含当天的所有观测数据两位年号。98：199800：200011：2011文件类型。O：观测值N：星历M：气象数据G：GLONASS星历H：同步卫星GPS载荷的导航电文GPS基线解算>基线解算时常用的数据格式>RINEX格式RINEX格式③RINEX观测值文件的内容2.10OBSERVATIONDATAM(MIXED)RINEXVERSION/TYPEBLANKORG=GPS,R=GLONASS,T=TRANSIT,M=MIXEDCOMMENTXXRINEXOV9.9AIUB24-MAR-0114:43PGM/RUNBY/DATEEXAMPLEOFAMIXEDRINEXFILECOMMENTA9080MARKERNAME9080.1.34MARKERNUMBERBILLSMITHABCINSTITUTEOBSERVER/AGENCYX1234A123XXZZZREC#/TYPE/VERS234YYANT#/TYPE4375274.587466.4589095.APPROXPOSITIONXYZ.9030.0000.0000ANTENNA:DELTAH/E/N11WAVELENGTHFACTL1/2126G14G15G16G17G18G19WAVELENGTHFACTL1/20RCVCLOCKOFFSAPPL4P1L1L2P2#/TYPESOFOBSERV18.000INTERVAL2001324131036.0000000TIMEOFFIRSTOBSENDOFHEADER01324131036.000000003G12G9G6-.12345678923629347.915.3008-.35323629364648-.1209-.35820891541.29220607600.189-.4309.39420607605.84801324131050.000000044122G9G12WAVELENGTHFACTL1/2***WAVELENGTHFACTORCHANGEDFOR2SATELLITES***COMMENTNOW8SATELLITESHAVEWLFACT1AND2!COMMENTCOMMENT01324131054.000000005G12G9G6R21R22-.12345678923619095.450-53875.6328-41981.37523619112.00820886075.667-28688.0279-22354.53520886082.10120611072.68918247.789914219.77020611078.41021345678.57612345.567522123456.78923456.7895文件头文件体GPS基线解算>基线解算时常用的数据格式>RINEX格式RINEX格式④RINEX星历文件的内容GPS基线解算>基线解算时常用的数据格式>RINEX格式2.10N:GPSNAVDATARINEXVERSION/TYPEXXRINEXNV2.10AIUB3-SEP-9915:22PGM/RUNBY/DATEEXAMPLEOFVERSION2.10FORMATCOMMENT.1676D-07.2235D-07-.1192D-06-.1192D-06IONALPHA.1208D+06.1310D+06-.1310D+06-.1966D+06IONBETA.133179128170D-06.107469588780D-125529601025DELTA-UTC:A0,A1,T,W13LEAPSECONDSENDOFHEADER69992175144.0-.839701388031D-03-.165982783074D-10.000000000000D+00.910000000000D+02.934062500000D+02.116040547840D-08.162092304801D+00.484101474285D-05.626740418375D-02.652112066746D-05.515365489006D+04.409904000000D+06-.242143869400D-07.329237003460D+00-.596046447754D-07.111541663136D+01.326593750000D+03.206958726335D+01-.638312302555D-08.307155651409D-09.000000000000D+00.102500000000D+04.000000000000D+00.000000000000D+00.000000000000D+00.000000000000D+00.910000000000D+02.406800000000D+06.000000000000D+001399921900.0.490025617182D-03.204636307899D-11.000000000000D+00.133000000000D+03-.963125000000D+02.146970407622D-08.292961152146D+01-.498816370964D-05.200239347760D-02.928156077862D-05.515328476143D+04.414000000000D+06-.279396772385D-07.243031939942D+01-.558793544769D-07.110192796930D+01.271187500000D+03-.232757915425D+01-.619632953057D-08-.785747015231D-11.000000000000D+00.102500000000D+04.000000000000D+00.000000000000D+00.000000000000D+00.000000000000D+00.389000000000D+03.410400000000D+06.000000000000D+00文件头文件体RINEX格式⑤RINEX气象数据文件的内容2.10METEOROLOGICALDATARINEXVERSION/TYPEXXRINEXMV9.9AIUB3-APR-9600:10PGM/RUNBY/DATEEXAMPLEOFAMETDATAFILECOMMENTA9080MARKERNAME3PRTDHR#/TYPESOFOBSERVPAROSCIENTIFIC740-16B0.2PRSENSORMOD/TYPE/ACCHAENNI0.1TDSENSORMOD/TYPE/ACCROTRONICI-240W5.0HRSENSORMOD/TYPE/ACC0.00.00.01234.5678PRSENSORPOSXYZ/HENDOFHEADER96410015987.110.689.596410030987.210.990.096410045987.111.689.0文件头文件体GPS基线解算>基线解算时常用的数据格式>RINEX格式SP3格式①GPS基线解算>基线解算时常用的数据格式>SP3格式定义一种精密星历格式，IGS精密星历采用此格式存储方式ASCII内容精密星历（每隔15分钟给出1个卫星的位置，有时还给出卫星的速度）特点提供精密星历SP3格式②GPS基线解算>基线解算时常用的数据格式>SP3格式命名规则命名规则：8+3文件名例：igs11065.sp3(.Z)，igr11065.sp3(.Z)tttwwwwd.sp3精密星历的类型GPS周星期0：星期日1~6：星期一~星期六总为sp3SP3格式③GPS基线解算>基线解算时常用的数据格式>SP3格式内容#aP2001318000.0000000096ORBITIGS97HLMIGS##11060.00000000900.00000000519860.0000000000000+281234567891011131417181920+2122232425262728293031000000+00000000000000000+00000000000000000+00000000000000000++45554554545555554++55544447544000000++00000000000000000++00000000000000000++00000000000000000%ccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccc%ccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccc%f0.00000000.0000000000.000000000000.000000000000000%f0.00000000.0000000000.000000000000.000000000000000%i000000000%i000000000/*RAPIDORBITCOMBINATIONFROMWEIGHTEDAVERAGEOF:/*codemresagfzigujplngssiousn/*REFERENCEDTOGPSCLOCKANDTOWEIGHTEDMEANPOLE:/*CLKANTZ-OFFSET(M):II/IIA1.023;IIR0.000*2001318000.00000000P11137.66233324450.41993510434.025839168.957503P222554.1648466701.404774-12156.548088-354.131603P3-12835.80324919823.52606012033.73827912.655252P426036.203647-5147.508988-2778.935922693.981565P5-8981.105708-20915.047563-13823.748269291.406843P6-7243.996679-19828.27519416147.726225-0.315725P715634.362803-542.356344-21103.968489578.771698文件头文件体第四节天线高和天线的相位中心GPS基线解算>天线高和天线的相位中心天线高定义标志至平均相位中心所在平面的垂直距离量取方法斜高或到某一平面的直高天线高的改化手工改化（见右图）自动改化需提供天线类型及量高方法GPS基线解算>天线高和天线的相位中心>天线高H’HHH’hR天线的相位中心①问题天线相位中心的偏差天线相位中心的变化（PhaseCenterVariations-PCV）解决天线相位中心偏差和变化的方法天线定向模型改正天线相位中心偏差和变化的测定GPS基线解算>天线高和天线的相位中心>天线的相位中心天线的相位中心②相位中心偏差及变化的模型改正IGS_01.PCVGPS基线解算>天线高和天线的相位中心>天线的相位中心1234567891123456789212345678931234567894123456789512345678961234567897123456789800000000VENDORMODEL#DESCRIPTION(AVE)YR/MO/DY|AVE=#inaverage[north][east][up]|L1Offset(mm)[90][85][80][75][70][65][60][55][50][45]|L1Phaseat[40][35][30][25][20][15][10][5][0]|Elevation(mm)[north][east][up]|L2Offset(mm)[90][85][80][75][70][65][60][55][50][45]|L2Phaseat[40][35][30][25][20][15][10][5][0]|Elevation(mm)TRIMBLETRM41249.00ZephyrGeodeticwithGPNGS(4)01/04/11.3.53.11.3-.9.0.0-.-.5-.6-.5-.1.0.6.2-.2-.6-.8.0.0ASHTECH700228(3)96/06/300.50.379.90.02.43.03.33.00.00.0-1.20.879.20.0-1.80.00.0文件头文件体第五节基线向量解算的输出结果GPS基线解算>基线向量解算的输出结果结果的内容①解的类型（三差解，双差解，固定解，浮动解等）不同系统下的输入、输出坐标接收机的相关信息（如序列号等）坐标分量估值的标准偏差所有坐标参数（包括整周未知数参数等），的相关矩阵或方差-协方差阵卫星几何形状的信息（如RDOP值等）信号跟踪记录（数据记录时间、卫星、通道、信号质量等）GPS基线解算>基线向量解算的输出结果>结果的内容基线向量解算输出结果的内容②数据删除率，采样率，数据剔除准则星历内容综述，健康标志信息进行的数据预处理措施（如对流层模型）观测值改正数（残差Residual）结果统计检验结果整周未知数的确定结果解的质量综述GPS基线解算>基线向量解算的输出结果>结果的内容结果的作用是后续数据处理（GPS基线向量网平差）的观测值）。为进行基线向量解算结果质量控制提供素材。GPS基线解算>基线向量解算的输出结果>结果的作用第六节基线解算阶段的质量控制GPS基线解算>基线解算阶段的质量控制概述①基线解算阶段质量控制的目的为后续的数据处理分析提供合格的基线向量结果。基线解算阶段质量控制的内容质量评定通过一系列的指标，对基线向量结果的质量进行评估，发现质量差（不合格的基线）。质量改善通过数据处理手段，提高基线向量结果的质量。GPS基线解算>基线解算阶段的质量控制>概述衡量基线向量结果质量的方法原则全面性：多角度、多方面：精度、可靠性科学性：具有严格的理论根据可操作性：易于使用指导性：对工作具有指导作用评定指标相对指标–无法确切判定质量合格与否半相对半绝对指标–可确切判定质量是否不合格，却无法确切判定质量是否合格绝对指标–可确切判定质量合格与否GPS基线解算>基线解算阶段的质量控制>概述概述②单位权方差因子定义实质又称为参考因子一定程度地反映了观测值质量的优劣GPS基线解算>基线解算阶段的质量控制>相对质量指标相对质量指标①单位权方差因子观测值的残差观测值的权自由度观测值的RMS定义：观测值的均方根误差（RootMeanSquare）实质一定程度地反映了观测值质量的优劣一般认为，RMS越小越好GPS基线解算>基线解算阶段的质量控制>相对质量指标相对质量指标②观测值的均方根误差观测值的残差观测值的数量数据删除率定义：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。GPS基线解算>基线解算阶段的质量控制>相对质量指标相对质量指标③在GPS测量中的观测条件指的是卫星星座的几何图形的分布和变化。通常，卫星数量越多、卫星分布越均匀、观测时间越长，观测条件越好。RATIO定义实质反映了所确定出的整周未知数参数的可靠性，该值总大于等于1，值越大，可靠性越高。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。GPS基线解算>基线解算阶段的质量控制>相对质量指标相对质量指标④RDOP定义：所谓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。GPS基线解算>基线解算阶段的质量控制>相对质量指标相对质量指标⑤同步环闭合差定义：由同步观测基线所组成的闭合环的闭合差。特点：理论上：由于同步观测基线间具有一定的内在联系，同步环闭合差在理论上应总是为0。实践中：只要数学模型正确、数据处理无误，即使观测值质量不好，同步环闭合差将非常小。实质：若同步环闭合差超限，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若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。GPS基线解算>基线解算阶段的质量控制>半相对半绝对质量指标半相对半绝对质量指标异步环闭合差定义由相互独立的基线所组成的闭合环的闭合差。实质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判定。GPS基线解算>基线解算阶段的质量控制>绝对质量指标绝对质量指标①复测基线较差（重复基线互差）定义不同观测时段，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，就是复测基线较差。实质复测基线较差满足限差要求时，则表明基线向量的质量是合格的。复测基线较差不满足限差要求时，则表明复测基线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，可以通过多条复测基线来判定。GPS基线解算>基线解算阶段的质量控制>绝对质量指标绝对质量指标②GPS基线解算>基线解算阶段的质量控制>规范要求规范要求①全球定位系统（GPS）测量规范GB/T18314–2001GPS基线解算>基线解算阶段的质量控制>规范要求规范要求②全球定位系统（GPS）测量规范GB/T18314–2001GPS基线解算>基线解算阶段的质量控制>影响GPS基线解算结果的几个因素影响GPS基线解算结果的几个因素基线解算时所设定的起点坐标不准确起点坐标不准确，会导致基线出现尺度和方向上的偏差。少数卫星的观测时间太短会导致与该颗卫星有关的整周未知数无法准确确定，而对于基线解算来讲，对于参与计算的卫星，如果与其相关的整周未知数没有准确确定的话，就将影响整个基线解算结果在整个观测时段里，有个别时间段里周跳太多，致使周跳修复不完善在观测时段内，多路径效应比较严重，观测值的改正数普遍较大对流层或电离层折射影响过大GPS基线解算>基线解算阶段的质量控制>影响GPS基线解算结果因素的判别影响GPS基线解算结果因素的判别①基线起点坐标不准确的判别无明确的方法卫星观测时间短的判别通过卫星可见性图周跳通过残差图（残差跳跃）卫星可见性图上面3幅双