GPS原理及应用课件

GPS坐标系统和时间系统2.1.1天球主要点、线、圈2.1天球及天球坐标系定义：以空间某一点为中心、半径为无穷大的一个圆球。作用：天文学中通常把参考坐标建立在天球上分类：站心天球、地心天球、日心天球天球上的主要点、线、圈天顶（Z）和天底（Z’）天轴（PP’）和天极（南、北天极）天球赤道面和天球赤道天球子午面和天球子午圈上子午圈和下子午圈上赤道点Q和下赤道点Q’

子午线和东西南北点（E、W、S、N）时圈

春分点和秋分点

春分点和秋分点坐标系统建立的三要素坐标原点

z

y

x

A(X,Y,Z)

Z

Y

X

O

起始子午面

赤道

坐标轴指向表示坐标的参数2.1.2天球坐标系天球坐标系的定义

天球坐标系是以天球及天球上的点线圈为基础所建立的坐标系天球坐标系的分类

依天球中心的不同来划分日心坐标系、地心坐标系、站心坐标系依所依据的天球上的点线圈的不同来划分时角赤道坐标系以天球赤道、子午面和上赤道点为依据用赤纬

和时角t表示赤经赤道坐标系以天球赤道、过春分点的时圈和春分点为依据用赤经和赤纬表示黄道坐标系以天球黄道、过春分点的黄经圈和春分点为依据用黄经l和黄维

表示地心、站心与日心天球坐标系的关系视差由于观测者所处位置不同，而使观测同一天体的方向发生变化，这种变化称为视差。视差又有周年视差（恒星视差）、周日视差等之分。视差地心、站心与日心天球坐标系的关系不同天体坐标表示方法的不同

恒星：采用赤经

和赤纬

表示人造地球卫星：采用赤经

、赤纬和距离r表示天球赤道坐标系和天球直角坐标系

天球赤道坐标系(

,,

r)

和天球直角坐标系(x,y,z)

转换关系岁差章动对天球坐标的影响岁差和章动瞬时平天极、瞬时天球平赤道和瞬时平春分点（仅考虑岁差）岁差、章动导致春分点位置发生变化瞬时真天极、瞬时天球真赤道和瞬时真春分点（考虑岁差和章动的综合影响）岁差章动对天球坐标的影响协议天球坐标系（CIS）(1)协议天球坐标系协议天球坐标系经协商指定的某一特定时刻的平天球坐标系当前，国际上所采用的天球坐标系国际大地测量协会和国际天文协议联合会确定从1984年1月1日起采用为2000年1月15日12h（J2000.0）的平天球坐标系Z轴指向J2000.0的平北天极X轴指向J2000.0的平春分点Z轴指向J2000.0的平北天极X轴指向J2000.0的平春分点当前，国际上所采用的天球坐标系国际大地测量协会和国际天文协议联合会确定从1984年1月1日起采用为2000年1月15日12h（J2000.0）的平天球坐标系Z轴指向J2000.0的平北天极X轴指向J2000.0的平春分点协议天球坐标系（CIS）(2)协议天球坐标系与真天球坐标系间的关系进行岁差和章动改正特定时刻的真天球坐标章动改正特定时刻的平天球坐标J2000.0的平天球坐标（协议天球坐标）岁差改正2.2协议地球坐标系1.地球直角坐标系的定义

原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向地球赤道面与格林尼治子午圈的交点，Y轴在赤道平面里与XOZ构成右手坐标系。图2-2直角坐标系和大地坐标系2.地球大地坐标系的定义地球椭球的中心与地球质心重合椭球的短轴与地球自转轴重合。空间点位置在该坐标系中表述为（L，B，H）。地球直角坐标系和地球大地坐标系可用图2-2表示：3.直角坐标系与大地坐标系参数间的转换

对同一空间点，直角坐标系与大地坐标系参数间有如下转换关系：地心坐标系与参心坐标系地心坐标系坐标原点位于地球质心参心坐标系坐标原点不位于地球质心地心坐标系和参心坐标系的特点地心坐标系适合于全球用途的应用参心坐标系适合于局部用途的应用有利于使局部大地水准面与参考椭球面符合更好保持国家坐标系的稳定有利于地心坐标的保密极移定义：由于地球内部和外部的种种动力学因素，使得地球体对于自转轴产生相对运动，因而引起了地极的移动，这种现象称为极移。

极移包括

Chandlar分量（周期1.2年）和周年分量极移的测定测定极移–

通过测定纬度的变化ILS（后来的IPMS）和BIH国际协用原点CIO（1900-1905平均地极）极原点（JYD）（中国）岁差、章动和极移岁差、章动造成天球坐标的变化极移造成地球坐标的变化平地球坐标系和瞬时（真）地球坐标系瞬时（真）地球坐标系Z轴与瞬时地球自转轴重合或平行的地球坐标系平地球坐标系

Z轴指向空间中某一固定点（平极）的地球坐标系平地球坐标(X,Y,Z)和瞬时（真）地球坐标(x,y,z)的转换关系瞬时（真）地球坐标系与瞬时天球坐标系的关系经度零点的问题早期的经度零点1884，美，华盛顿国际经度会议定义：通过英国Greenwich天文台Airy仪中心的子午线为全球统一的起始子午线。起始子午线与赤道的交点称为天文经度零点。受板块运动、局部地壳运动和极移的影响格林尼治平均子午线由多个天文台共同维持可减少板块运动、局部地壳运动和观测误差的影响CIO-BIH经度零点通过CIO和天文经度零点的子午线称为起始子午线，其与CIO赤道的交点称为赤道参考点或CIO-BIH经度零点几种常用坐标系之间的关系观测瞬间的真天球□坐标系岁差、章动改正旋转SG角观测瞬间的真地球坐标系平地球坐标系极移改正某一历元的平天球坐标系2.3GPS坐标系WGS-84坐标系国际地球参考框架(ITRF)北京54旧坐标系北京54新坐标系WGS-84坐标系

WGS-84椭球及其有关常数：WGS-84采用的椭球是国际大地测量与地球物理联合会第17届大会大地测量常数推荐值，其四个基本参数

WGS-84的定义：WGS-84是修正NSWC9Z-2参考系的原点和尺度变化，并旋转其参考子午面与BIH定义的零度子午面一致而得到的一个新参考系，WGS-84坐标系的原点在地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协定地球极（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。它是一个地固坐标系。长半径：

a=6378137±2（m）；地球引力常数：

GM=3986005×108m3s-2±0.6×108m3s-2；正常化二阶带谐系数：

C20=-484.16685×10-6±1.3×10-9；

J2=108263×10-8

地球自转角速度：

ω=7292115×10-11rads-1±0.150×10-11rads-1国际地球参考架（ITRF）国际地球参考架(ITRF)是IERS(InternationalEarthRotationService)制定，由全球数百个SLR、VLBI和GPS站所构成–IGS精密星历

–Z轴指向CIO，利用SLR、VLBI和GPS等技术维持.

–提供站坐标及速度场信息WGS-84与ITRF的关系

WGS84与ITRF的关系WGS84地面站坐标精度为1m到2m的精度，ITRF则为厘米级精度引力常数不同WGS84与ITRF的转换关系1954年北京坐标系（1）椭球参数有较大误差。1.1954年北京坐标系（BJ54旧）坐标原点：前苏联的普尔科沃。参考椭球：克拉索夫斯基椭球。平差方法：分区分期局部平差。存在的问题：（2）参考椭球面与我国大地水准面存在着自西

向东明显的系统性倾斜。（4）定向不明确。（3）几何大地测量和物理大地测量应用的参考

面不统一。1980年国家大地坐标系（GDZ80）坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。参考椭球：1975年国际椭球。平差方法：天文大地网整体平差。特点：（1）采用1975年国际椭球。（2）参心大地坐标系是在1954年北京坐标系基础上建立起来的。（3）椭球面同似大地水准面在我国境内最为密合，是多点定位。（4）定向明确。（5）大地原点地处我国中部。（6）大地高程基准采用1956年黄海高程。新1954年北京坐标系（BJ54新）

新1954年北京坐标系（BJ54新）是由1980国家大地坐标（GDZ80）转换得来的。

坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。

参考椭球：克拉索夫斯基椭球。

平差方法：天文大地网整体平差。BJ54新的特点：（1）采用克拉索夫斯基椭球。（2）是综合GDZ80和BJ54旧建立起来的参心坐标系。（3）采用多点定位。但椭球面与大地水准面在我国境内不是最佳拟合。（4）定向明确。（5）大地原点与GDZ80相同，但大地起算数据不同。（6）大地高程基准采用1956年黄海高程。（7）与BJ54旧相比，所采用的椭球参数相同，其定位相近，但定向不同。（8）BJ54旧与BJ54新无全国统一的转换参数，只能进行局部转换。2.4时间系统沙瓶-Sandglass时间系统的分类世界时力学时原子时GPS时恒星时参考点：春分点定义：春分点两次经过地方上子午圈的时间间隔为一恒星日。并由此派生出“时”、“分”、“秒”等单位；属于地方时。

数值上等于春分点相对于本地子午圈的时角。有真恒星时与平恒星时之分

格林尼治恒星时－格林尼治真恒星时（GAST-GreenwichApparentSiderealTime）与格林尼治平恒星时（GMST-GreenwichMeanSiderealTime）太阳时参考点：太阳定义：太阳中心连续两次经过地方上子午圈的时间间隔为一太阳日。并由此派生出“时”、“分”、“秒”等单位；属于地方时。数值上等于太阳中心相对于本地子午圈的时角。正午（0h）与子夜（12h）

有真太阳时（t

）与平太阳时（m），真太阳日与平太阳日平太阳–

周年视运动的轨迹在赤道面上；运动角速度恒定，且等于真太阳的平均角速度。真太阳时与平太阳时之间的关系世界时定义：格林尼治零子午线处的民用时称为世界时。UT0、UT1与UT2问题的引出：极移和地球自转的不均匀（长期趋势变缓，且存在短周期变化和季节性变化）UT0：未经改正的世界时UT1：引入极移改正（

）的世界时UT2：引入极移改正（

）和地球自转速度的季节改正（

Ts）的世界时2.4.2力学时定义：根据行星在太阳系中的运动所得到的时间，称为力学时。历事（书）时历书时是以太阳系内的天体公转运动为基础的时间系统，其规定1900年1月1日12h的回归年长度的1/31556925.9747为1历书秒。在该瞬间，历书时与世界时在数值上相同，其后关系如下

地球动力学时太阳系质心力学时TDB与TDT的差别是有相对论效应所引起的2.4.3原子时定义1967年10月，第十三届国际度量衡大会通过：位于海平面上的铯133（Cs133）原子基态两个超精细能级间在零磁场中跃迁辐射振荡9192631770周所持续的时间为1原子时秒。（原子时秒长的定义）原本规定AT与UT2在1958年1月1日0h时相同，但实际相差0.0039秒，即：(AT-UT2)1958.0=-0.0039秒。（原子时时刻的定义）协调世界时（UniversalTimeCoordinated–UTC）与AT秒长相同通过跳（闰）秒（LeapSeconds），与UT的差值保持在0.9秒内（通常在6月30日24h或12月31日24h进行跳秒）正闰秒（增加1秒）与负闰秒（去掉1秒）国际原子时（InternationalAtomicTime–IAT）1977年建立通过100台原子钟比对求得国际原子时（IAT）与历事（书）时（ET）2.4.4GPS时GPS时（GPSTime–GPST）原子时，1986年1月6日0h与UTC重合。IAT–GPST=19s从1986年1月6日0h到目前（2002.9.17），UTC又跳（闰）了13秒

人卫轨道理论初步主要内容3.1引言3.2开普勒行星运动三定律3.3二体问题的运动方程3.4轨道根数3.5人卫轨道摄动因素简介３.１引言3.1.1人卫轨道理论概述

内容：研究人造地球卫星的运动规律

特点:

需要考虑地球引力的高阶项的影响（即不能把地球当作质点，也不能把地球当作均质圆球）需要同时考虑保守力和非保守力（耗散力）的作用需要采用不同于研究自然天体的新理论、新方法（天体力学中的原有公式由于收敛性和精度的原因而不适用于人卫轨道的研究）研究内容除定轨外，还包括轨道设计、卫星回收等问题作用在卫星上的外力

地球引力地球引力(1)－地球的球形引力或称地球中心力地球引力(2)－地球的非球形引力或称地球形状摄动力

日、月及其它天体的引力

大气阻力

其它作用力（如：地磁、地球潮汐摄动等）

太阳光压二体问题与人卫正常轨道

二体问题研究二个质点在万有引力作用下的运动规律问题

摄动力除地球引力(1)外，其它作用在卫星上的力

人卫正常轨道满足如下假定条件下的卫星轨道，称为人卫正常轨道:

地球为正球除地球正球引力外，卫星不受其它摄动力的作用

人卫正常轨道的特点:

运动轨道为一椭圆,可以精确地计算出椭圆大小形状及其在空间中的定向以及卫星在轨道上的位置轨道摄动

人卫真实轨道除了地球引力(1)外，卫星还受到地球引力(2)

以及其它摄动力的作用。卫星在所有这些力的作用下的轨道，称为人卫真实轨道。轨道摄动卫星的真实轨道与正常轨道之间的差异，称为轨道摄动。轨道理论的分类

人卫正常轨道理论确定人造卫星正常轨道的形状、大小与空间定向以及卫星在轨道上的位置的一整套方法及相关理论，称为人卫正常轨道理论。人卫摄动轨道理论解决人造卫星轨道摄动问题的一整套方法和相应的理论，称为人卫摄动轨道理论。人卫正常轨道与人卫真实轨道之间的关系综述3.2开普勒行星运动三定律开普勒（JohannesKepler）国籍:

德国生卒日期:

1571.12.27－1630.11.15主要成就:

发现了行星运动三定律开普勒行星运动三定律

行星运行的轨道是一个椭圆，而该椭圆的一个焦点与太阳的质心重合。行星与太阳之间的向径，在相同的时间内所扫过的面积相等。行星运行周期的平方，与轨道椭圆长半径的立方之比为一常量。３.３二体问题的运动方程

在图3-1中所示的二体问题中，依据万有引力定律可知，地球O作用于卫星S上的引力F为：式中：G——万有引力常数，G=(6672±4.1)×10-14N·m2/kg2；Ｍ，m——地球和卫星的质量；r——卫星的在轨位置矢量。由牛顿第二定律可知，卫星与地球的运动方程：二体问题的运动方程设为卫星S相对于O的加速度，则:由于M远大于m，通常不考虑m的影响，则有：

取地球引力常数µ=GM=1，此时（3-4）式可写成为：二体问题的运动方程

设以O为原点的直角坐标系为O-XYZ，S点的坐标为（X，Y，Z），则卫星S的地心向径r=（X，Y，Z），加速度，代入（3-4）得二体问题的运动方程：左边(3-6)方程解的一般形式为：二体问题微分方程的解

卫星运动的轨道平面方程直接由微分方程（3-6）求积分，可得卫星运动的轨道平面方程：式中，X,Y,Z是卫星在地心天球坐标系中的坐标

卫星运动的轨道方程卫星运动的轨道方程为：由于，所以（3-10）式可以真近点角V表示：

另外由二体运动的微分方程可求出常用的表示卫星运动速度U的活力积分：

用偏近点角E代替真近点角V从表示偏近点角E与真近点角V的关系的图3-2，不难证明:另外还可导出V和E的关系：

开普勒方程设卫星的运动周期为T，则卫星平均角速度为：

由此得到开普勒第三定律的数学表达式：

建立轨道坐标系：坐标原点O在地心，X轴指向椭圆轨道近地点P，Y轴为轨道椭圆的短轴，Z轴为轨道椭圆的法向。在此坐标系下可以得出著名的开普勒轨道方程：3.4轨道根数什么是轨道根数

所谓轨道根数即轨道参数，是在人卫轨道理论中用来描述卫星椭圆轨道的形状、大小及其在空间的指向，及确定任一时刻t0卫星在轨道上的位置的一组参数。通常采用的是所谓的6个开普勒轨道根数。即：升交点赤经Ω

轨道倾角i

长半径a

偏心率e

近地点角距ω

卫星过近地点的时刻t0轨道平面上的特殊点近地点与远地点升交点与降交点通常，卫星轨道与赤道平面有2个交点。当卫星从赤道平面以下（南半球）穿过赤道平面进入北半球的交点，称为升交点。反之，则称为降交点。开普勒轨道根数(1)升交点赤经Ω定义：升交点的赤经轨道倾角i定义：在升交点处轨道正方向（卫星运动方向）与赤道正方向（赤经增加方向）之间的夹角。长半径a定义：轨道长轴的一半，也称作长半轴或半长轴偏心率e定义：近地点角距ω定义：从升交点的地心矢径起算，逆时针方向（从正方向看）旋转至近地点的地心矢径所经过的角度。卫星过近地点的时刻t0开普勒轨道根数(2)决定轨道形状的参数长半径a偏心率e决定轨道方向的参数升交点赤经Ω轨道倾角i近地点角距ω决定卫星位置的参数卫星过近地点的时刻t03.5人卫轨道摄动因素简介J2为地球引力场系数的二阶带谐系数，也称动力扁率。主要摄动因素地球形状摄动日、月引力大气阻力摄动光压摄动潮汐摄动坐标附加摄动...摄动的量级设地球正球引力为1，则其它摄动的量级约为110-3，其中以

J2

的影响最大。

GPS系统组成及信号本章内容

4.1GPS的系统组成4.2GPS的信号结构4.3美国政府GPS政策4.1系统组成GPS的空间部分GPS的系统组成

用户设备部分4.1.1GPS的系统组成GPS系统由空间部分、地面控制部分和用户设备部分等三部分组成4.1.2GPS的空间部分GPS卫星星座6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55

，周期11h58min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颗类型试验卫星：BlockⅠ

工作卫星：BlockⅡBlockⅡBlockⅡABlockⅡRBlockⅡF（新一代的GPS卫星）GPS卫星作用：发送用于导航定位的信号其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。主要设备：原子钟（2台铯钟、2台铷钟）、信号生成与发射装置

第一代卫星现已停止工作。

第二代卫星用于组成GPS工作卫星星座，通常称为GPS工作卫星。BlockⅡA的功能比BlockⅡ大大增强，表现在军事功能和数据存储容量。BlockⅡ只能存储供45天用的导航电文，而BlockⅡA则能够存储供180天用的导航电文，以确保在特殊情况下使用GPS卫星。

第三代卫星尚在设计中，以取代第二代卫星，改善全球定位系统。其特点是：可对自己进行自主导航；每颗卫星将使用星载处理器，计算导航参数的修正值，改善导航精度，增强自主能力和生存能力。椐报道，该卫星在没有与地面联系的情况下可以工作6个月，而其精度可与有地面控制时的精度相当。BlockⅠ卫星BlockⅡ卫星BlockⅡR卫星GPS卫星星座（

=35，=90）4.1.3地面监控部分GPS的地面控制部分（地面监测系统）组成：主控站（1个）、跟踪站（5个）和注入站（3个）作用：监测和控制卫星运行，编算卫星星历（导航电文），保持系统时间。主控站监控站监控站注入站/监控站注入站/监控站注入站/监控站地面监控系统工作流程主控站（1个）作用：收集各检测站的数据，编制导航电文，监控卫星状态；通过注入站将卫星星历注入卫星，向卫星发送控制指令；卫星维护与异常情况的处理。地点：美国克罗拉多州法尔孔空军基地。跟踪站（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。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）。4.1.3用户设备部分用户设备部分-GPS信号接收机及相关设备接收、跟踪、变换和测量GPS信号的设备多数采用石英钟GPS接收机:能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的卫星信号接收设备(1)导航型接收机此类型接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。单点实时定位精度较低，一般为±25m,有SA影响时为±100m。根据应用领域的不同，此类接收机可以进一步分为：1.按接收机的用途分类可分为：

车载型——用于车辆导航定位；航海型——用于船舶导航定位；航空型——用于飞机导航定位。由于飞机运行速度快，因此，在航空用的接收机要求能适应高速运动。星载型——用于卫星的导航定位。由于卫星的运动速度高达7公里/秒以上，因此对接收机的要求更高。

(2)测地型接收机

测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精度高。仪器结构复杂，价格较贵。(3)授时型接收机

这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通讯中时间同步。2.按接收机的载波频率分类(1)单频接收机单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线（<15km）的精密定位。(2)双频接收机双频接收机可以同时接收Ｌ１，Ｌ２载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样，可以消除电离层对电磁波信号延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。3.按接收机通道数分类

GPS接收机能同时接收多颗GPS卫星的信号，为了分离接收到的不同卫星的信号，以实现对卫星信号的跟踪、处理和量测，具有这样功能的器件称为天线信号通道。根据接收机所具有的通道种类可分为：

多通道接收机

序贯通道接收机(3)多路多用通道接收机4.按接收机工作原理分类(1)码相关型接收机码相关型接收机是利用码相关技术得到伪距观测值。(2)平方型接收机平方型接收机是利用载波信号的平方技术去掉调制信号，来恢复完整的载波信号，通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差，测定伪距观测值。(3)混合型接收机这种仪器是综合上述两种接收机的优点，既可以得到码相位伪距，也可以得到载波相位观测值。(4)干涉型接收机这种接收机是将GPS卫星作为射电源，采用干涉测量方法，测定两个测站间距离。天线单元存储器计算与显控电源接收单元（频率维持通常采用石英钟）接收单元（频率维持通常采用石英钟）信号通道类型：多路复用，序惯，多通道；码相关通道，平方通道GPS信号接收机组成天线单元带前置放大器接收天线天线单元接收单元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类型单极天线微带天线锥形（螺旋）天线四丝螺旋天线空间螺旋天线背腔平面盘旋天线GPS天线特点单极天线单频获双频（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、应用最为广泛背腔平面盘旋天线锥形（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、非方位对称相位中心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、消去法天线高–

标志至平均相位中心所在平面的垂直距离H’H

HH’hR天线特性相位中心、增益方式、带宽、极化接收（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基本结构天线前置放大器信号处理器微处理器振荡器控制、显示及存储设备电源GPS接收机的天线——作用接收来自卫星的信号放大经（频率变换）用于（跟踪、处理、量测）天线的几何中心与相位中心几何中心相位中心相位中心偏差——天线的相位中心天线相位中心的变化与信号的高度角有关与信号的方位角有关相同类型的天线具有相同的相位中心特性重要的物理与几何特性

天线相位中心

接收钟差

接收机信号通道间的延迟4.2GPS的信号结构

载波

测距码

导航电文4.2.1码的基本概念用于导航定位的GPS信号由三部分组成：载波（L1和L2）导航电文测距码（C/A码和P(Y)码）GPS卫星信号的产生与构成是比较复杂的，考虑了以下几方面的要求:适应多用户系统的要求满足实时定位的要求满足高精度定位的需求满足军事保密的要求4.2.2载波载波作用：搭载其它信号，也可用于测量（测距）类型目前L1：频率：1575.43MHz，波长：19cmL2：频率：1227.60MHz，波长：24cm现代化后增加L5：1176.45MHz，波长：26cm4.2.3导航电文

方波码速：50bps

导航电文是用户用来定位和导航的数据基础。它包含该卫星的星历、工作状况、时钟改正、电离层时延改正、大气折射改正以及由C/A码捕获P码等导航信息，也是由卫星信号中解调出来的数据码D(t)。这些信息以50bit/s的数据流调制在载频上，数据采用不归零制（NRZ）的二进制码。GPS卫星的导航电文（简称卫星电文又叫数据码）：所谓导航电文，就是包含了有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获码等导航信息的数据码(或D码)。它分为预报星历、和精密星历。是用户用来定位和导航的数据基础。

它的基本单位是长1500bit的一个主帧（如图4-1所示），传输速率是50bit/s,30秒钟传送完毕一个主帧。一个主帧包括5个子帧，第1、2、3子帧每30秒钟重复一次，内容每小时更新一次。第4、5子帧的全部信息则需要750秒钟才能够传送完。即第4、5子帧是12.5分钟播完一次，然后再重复之，其内容仅在卫星注入新的导航数据后才得以更新。

遥测字(TLM—TelemetryWord)，位于各子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。其中所含的同步信号为各子帧提供了—个同步的起点，使用户便于解释电文数据。

交接字(HOW—HandOverWord），紧接着各子帧开头的遥测字，主要是向用户提供用于捕获P码的Z计数。所谓Z计数是从每星期六／星期日子夜零时起算的时间计数．它表示下一子帧开始瞬间的GPS时。但为了实用方便，Z计数一般表示为从每星期六／星期日子夜零时开始发播的子帧数。因为每一子帧播送延续的时间为6秒，所以，下一子帧开始的瞬时即为6xZ。通过交接字可以实时地了解观测瞬时在P码周期中所处的准确位置，以便迅速地捕获P码。1．时延差改正Tgd

第7字码的第17—24比特表示载波L1、L2的电离层时延差改正Tgd。当使用单频接收机时，用Tgd改正所观测的结果，以减小电离层效应影响提高定位精度；当采用双频接收机时，就不必要采用这个时延差改正。

第一数据块，含有关于卫星钟改正参数及其数据龄期、星期的周数编号以及电离层改正参数和卫星工作状态等信息。现对其中的主要内容介绍于下：AODC＝toc-tl式中:toc为第一数据块的参考时刻，tl是计算时钟参数所作测量的最后观测时间。2．数据龄期AODC

第3字码的第23、和第24比特,以及第8字码的第1—8比特，均表示卫星时钟的数据龄期AODC。GPS试验卫星的AODC只占8个比特，而GPS工作卫星却扩展到了10个比特。A0DC是时钟改正数的外推时间间隔，它向用户指明对卫星时钟改正数的置信度，且知3.星期序号WN。表示从1980年1月6日协调时零点起算的GPS时星期数。4.卫星钟改正参数：a0、a1、a2，分别表示该卫星的钟差、钟速及钟速的变化率。当巳知这些参数后，便可按下式计算任意时刻t的钟改正数△t△t＝a0十a1(t—toc)十a2(t—toc)2第二数据块包含第2和第3子帧，其内容表示GPS卫星的星历，这些数据为用户提供了有关计算卫星坐标位置的信息。描述卫星的运行及其轨道的参数包括下列三类。4.2.4测距码方波伪随机噪声码–PRN码两种测距码：C/A码-粗码码速：1.023MHz码元长度：300mP(Y)码-精码码速：10.23MHz码元长度：30mC/A码C/A码是由两个10级反馈移位寄存器相组合而产生的.码长Nu=210-1=1023比特码元宽tu=1/f1≈0.977752μs(相应距离为293.1m)周期Tu=Nutu=1ms数码率=1.023Mbit/sC/A码的码长易于捕获，且通过C/A码提供的信息，又可方便的捕获P码。C/A码的码元宽度较大。假设两个序列的码元对齐误差，为码元宽度的1/100，则相应的测距误差达2.9m，以因此也称粗码。P码P码产生的基本原理与C/A码相似，但其发生电路，是采用两种各由两个12级反馈移位寄存器构成的，情况更为复杂。线路设计细节均是保密的。

码长Nu≈2.35*1014比特码元宽度tu≈0.0977752μs(相应距离为29.3m)周期Tu=Nutu≈267数码率=10.23Mbit/sP码周期被分为38部分（7天/每一部分周期，码长约为6.19*1012比特），其中1部分闲置，5部分给地面监控站使用，32部分分配给不同的卫星。这样，每颗卫星所使用的P码不同部分，便都具有相同的码长和周期，但结构不同。P码的码长较长，无法采用C/A码逐个进行搜索。一般都是先捕获C/A码，然后根据导航电文中给出的有关信息，捕获P码。

由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，若取码元的对齐精度仍为码元宽度的1/100，则由此引起的相应距离误差为0.29m，仅为C/A码的1/10。所以P码定位精度高，故也称为精码。

测距码的调制（双相调制）4.2.5GPS信号的生成二进制信号：“1”表示二进制“0”，“-1”表示二进制“1”，则模二和运算规则二进制信号的相位调制GPS卫星信号的调制框图卫星信号的调制原理4.2.6GPS卫星星历预报星历(广播星历)用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；广播星历可用于GPS实时定位计算，预报星历则可用于在较长的时间周期内对GPS卫星的位置进行预报。后处理星历(精密星历)

卫星星历是描述卫星运动轨道的信息,或者说是一组对应于某一时刻的卫星轨道根数及其变率。

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计算t时刻卫星的平近点角计算过程计算卫星运行的平均角速度计算偏近点角计算真近点角计算过程（续）计算升交距角（未经改正的）计算卫星向径计算摄动改正项计算卫星在轨道平面坐标系中的位置进行摄动改正计算过程（续）计算升交点经度计算卫星在地固坐标系下的坐标精密星历–后处理星历精密星历的特点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4.3美国政府的GPS政策两种限制导航定位精度的措施两种GPS服务——SPS与PPSGPS现代化4.3.1两种GPS服务——SPS与PPSSPSSPS–

标准定位服务，使用C/A码，民用，精度约为100m

PPSPPS–

精密定位服务，可使用P码，军用和得到特许的民间用户使用，精度达到10m

4.3.2两种限制导航定位精度的措施SASelectiveAvailability–

选择可用性：人为降低普通用户的测量精度。采用SA政策，规定水平定位精度为100m，垂直测量精度为157m原则：保障国家利益不受损害AS–Anti-Spoofing反电子欺骗–P码加密，P+W->Y方法ε技术：轨道加绕（长周期，慢变化）δ技术：星钟加绕（高频抖动，短周期，快变化）已于2000年5月1日取消4.3.3GPS现代化提高信号质量在L2上增加C/A码增加第三民用频率L5增加2个军用码：M1，M2局部关闭思考题1、GPS由哪几部分组成，各部分的功能是什么？2、GPS信号包括哪些成分？3、什么是伪随机噪声码，它有什么特性？4、采用测距码测距，有哪些优点？5、什么是伪距？6、GPS的导航电文中包括哪些内容？7、什么是GPS接收机，它由哪几部分构成？8、什么是信号通道？9、什么是SA，什么是AS？

概述主要内容１.１什么是ＧＰＳ１.４ＧＰＳ的应用１.３其他卫星导航系统１.２定位系统发展历程1.1什么是ＧＰＳ GPS的英文全称是NAVigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositionSystem（导航星测时与测距全球定位系统），简称GPS,也称作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。1.1.1GPS定义1.1.2GPS特点观测站之间不需要通视定位精度高观测时间短提供三维坐标操作简便全天候24小时作业1.2定位系统发展历程

无线电导航系统

天文导航系统

惯性导航系统１.2.1先前定位系统

无线电导航始于二十年代。无线电导航定位系统根据使用的工作频率、定位方式可建立不同的实际系统。最早的系统只简单地以一个装有环形天线的无线电接收机来确定无线电信号传来的方向和发报机的相对方位。后来，一些系统开始利用地面发报机来发送显示发送方向的调制信号，另一些系统则可以确定方向和/或从导航设备到发射机的距离。如:罗兰-C,Omega（奥米加）。无线电导航定位系统的主要缺点在于：覆盖的工作区域小；电波传播受大气影响；定位精度不够。无线电导航系统天文导航系统

天文导航系统是以天空中的星体作为导航台，星光作为导航信号的测角定位系统。由于星体距离飞行器非常遥远，使得该系统很小的测角误差就会带来非常大的定位误差。为保证一定的定位精度，对设备的要求非常苛刻。但由于其覆盖的工作区域非常广阔，天文导航在宇宙飞行器定位方面具有较大的优越性。 天文导航系统虽然覆盖的工作区域很大，但定位精度不高，且可见光的传播受气象影响。惯性导航系统惯性导航系统（INS）是通过测量飞行器的加速度，进行二次积分来推算出飞行器的位置。INS可以引导导弹的飞行，它包括一个加速计和陀螺仪，来测量位置和高度的变化。它具有隐蔽性好，抗干扰性强，数据更新率高的特点，其中最重要的优点是不受敌方干扰的影响。但由于INS基本上是航位推算型系统，其定位精度随时间加长而降低，因此需要不断地修正。什么是定位

确定点在某一坐标系中的位置相关的英语单词

PositioningLocationOrientationNavigationGuidanceTracking1.2.2常规（地面）定位方法原始的定位方法

利用天体进行定向：日、月、特别的星体利用自然现象：植物的生长态势（如苔藓）采用人造的器械：司南，指南针利用人工建筑：烽火台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，水准仪激光和红外仪器：测距仪综合多种技术的仪器：全站仪无线电、微波仪器：Loran-C，雷达观测方法角度或方向观测距离观测距离差观测常规（地面）定位方法的局限性

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、环境条件限制受系统误差影响大，如地球旁折光难以确定地心坐标1.2.3GPS的发展概况1957年10月4日第一颗人造卫星SputnikI

发射成功。1958年12月开始设计NNSS–TRANSIT，即子午卫星系统。1964年1月该系统正式运行。1967

年7月系统解密以供民用。存在问题：

卫星少，无法实现实时定位；

轨道低，难以精密定轨；

频率低，难以消除电离层影响。子午导航系统特征：卫星：6颗(1.5h间隔)

极地轨道轨道高度：1100km

信号频率：400MHz150MHz

绝对定位精度：3-5m

相对定位精度：1m

定位原理：多普勒定位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。

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。1992年，IGS成立。（InternationalGPSService，国际GPS服务机构）

1995年7月17日，GPS达到FOC–

完全运行能力（FullOperationalCapability）。

1999年1月25日，美国副总统戈尔宣布，将斥资40亿美圆，进行GPS现代化。2000年5月1日，美国总统克林顿宣布，GPS停止实施SA。1999年8月21/22日子夜，GPS发生GPS周结束翻转问题。2000年1月1日，解决Y2K问题。1.3其它卫星导航系统GLONASS（俄）

Galileo（欧）北斗导航系统（中）1.3.1GLONASS简介全球轨道导航卫星系统是前苏联研制建立的，1978年开始研制，1982年10月开始发射导航卫星。自1982年至1987年，共发射了27颗GLONASS试验卫星。它由24颗卫星组成卫星星（21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星），均匀地分布在3个轨道平面内。卫星高度为19100km，轨道倾角64.8

，卫星的运行周期为11时15分。GLONASS卫星的这种空间配置，保证地球上任何地点、任何时刻均至少可以同时观测5颗卫星。1.3.2Galileo--ENSS简介（欧盟）

欧盟的欧洲导航卫星系统（ENSS）即伽利略计划。该计划总的战略意图是：建立一个高效经济的民用导航及定位系统；使之具备欧洲运输业可以信赖的高度安全性，且确保任何未来系统完全置于欧洲人的控制之下；该系统的实施将为欧洲工业进军正在兴起的卫星导航市场的各个方面提供一个良好机会，使他们能够站在一个合理的基础上公平竞争。实现的主要目标：时间安排：将在2005-2015年的时间段内使用（EGNOS的下一代）；成本核算：低于1.3-1.7BECU（十亿欧币），大约相当于安装和运行现有欧洲民用导航系统10年时间的费区域系统：服务区域是欧洲民航会议（ECAC）涉及区域；

国际控制：该系统完全自主，致力于民用，由国际组织控制；高性能：优于现有的全球导航卫星系统；多种用途：铁路、公路、航空、航海以及行人用户等，正如欧洲无线导航计划所提供的服务对象。1.3.3北斗导航系统（中国）

“北斗导航系统”是全天候、全天时提供卫星导航信息的区域导航系统，此系统由二颗卫星、控制站和接收机组成，卫星编号分别为“北斗一号”和“北斗二号”，分别于2000年10月31日凌晨0时02分和2000年12月21日0时20分在西昌卫星发射中心发射升空，并准确进入预定轨道。

今年5月25日，我国第三颗“北斗一号”卫星发射成功，6月1日，我国自主研发的“北斗运营服务平台”正式开通，这标志着我国已经拥有了完全自主的卫星导航系统，北斗导航定位系统的大规模应用进入了实质性阶段。

导航通信卫星是2颗地球同步卫星，距离地面36000km，位于赤经80E和140E，还有1颗备用卫星，将位于赤经110.5E，2颗卫星的升交点赤经相差60。2颗卫星于2000年10月31日和12月21日发射成功。覆盖范围东经约70°一140°，北纬5°一55°。

双星定位原理由陈芳允院士提出。双星定位系统实际上综合了卫星导航和卫星通信两种技术，因而兼容了两者的功能。由三部分组成：两颗相隔一定距离的静止轨道卫星、用户终端和地面控制中心有两副天线，分别对准两颗静止卫星。北斗系统由2颗地球静止卫星（GEO）对用户双向测距，由1个配有电子高程图库的地面中心站进行位置解算。定位由用户终端向中心站发出请求，中心站对其进行位置解算后将定位信息发送给该用户。

它的定位基于三球交会原理，即以2颗卫星的已知坐标为圆心，各以测定的本星至用户机距离为半径，形成2个球面，用户机必然位于这2个球面交线的圆弧上。中心站电子高程地图库提供的是一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。求解圆弧线与地球表面交点，并已知目标在赤道平面北侧，即可获得用户的二维位置。北斗卫星导航系统三大功能

快速定位：北斗导航系统可为服务区域内用户提供全天候、高精度、快速实时定位服务。水平定位精度100m，差分定位精度小于20m。定位响应时间：

1类用户5s；2类用户2s；3类用户1s。员短定位更新时间小于1s。一次性定位成功率95％。

简短通信：北斗系统用户终端具有双向数字报文通信能力，可以一次传送超过100个汉字的信息。

精密授时：北斗导航系统具有单向和双向两种授时功能。根据不同的精度要求,利用授时终端,完成与北斗导航系统之间的时间和频率同步,可提供数十纳秒级的时间同步精度。北斗应用五大优势

同时具备定位与通讯功能，无需其他通讯系统支持

覆盖中国及周边国家和地区，24小时全天候服务，无通讯盲区

特别适合集团用户大范围监控与管理和数据采集用户数据传输应用

融合北斗导航定位系统和卫星增强系统两大资源，提供更丰富的增值服务

自主系统、高强度加密设计，安全、可靠、稳定，适合关键部门应用1.4GPS的应用

从GPS的提出到1993年建成，经历了20年，实践证实，GPS对人类活动影响极大，应用价值极高，所以得到美国政府和军队的高度重视，不惜投资300亿美元来建立这一工程，成为继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的第三项庞大空间计划。它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，可以满足各种不同用户的需要。交通搜索救援气象观测遥感测量国防军事卫星定轨电力支持GPS系统的V740手机内置了GPS卫星定位系统国家高精度GPS网布测方案

提出了一套实用、科学、严谨，适合我国国情的GPS作业技术方案，研究发展了GPS快速定位理论、方法，解决了高精度GPS网数据处理中一系列理论、方案与算法的关键技术，并研制出一系列国产化高精度GPS定位的科研和商品化软件，在理论模型、技术方案、软件开发、实际应用四个层面上取得了一系列进展，完成了新中国五十年来测绘技术的一次大飞跃，同时极大地推动了相关领域的技术进步。深圳市连续运行卫星定位服务系统（SZCORS）

由若干连续运行的GPS卫星定位基准站、监控分析中心及数据通信网络等部分组成的，是现代网络大地测量具体架构模式与实用技术的具体实践。它是获取和采集各类空间信息位置、时间和与此相关的动态变化的一种基础设施。通过数据通信网络，如因特网和广播网等，向各类测量和导航用户提供按照国际通用格式编排的基准站坐标和GPS测量数据，以满足不同行业、用户对精密定位，快速和实时定位、导航的要求，及时地满足城市规划、国土测绘、地籍管理、城乡建设、环境监测、防灾减灾、船舶、车辆导航、交通监控、物流管理等多种现代信息化管理的社会需求。隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统

充分发挥GPS固有的独立、精确、快速、全天候观测等优点，实现大坝外观形变GPS数据连续实时解算短基线达到亚毫米级精度。系统从监测数据到变形分析的时间小于10分钟，2小时连续测量水平精度优于0.5mm，垂直精度优于1mm。当大坝形变量超过限值时，即自动报警。1998年长江流域特大洪水期间，为避免实施灾难性的荆江大堤分洪，在安全可靠的超量拦洪蓄水的科学决策中起到关键性的作用，受到中央领导的表彰。江泽民同志说：没有隔河岩水电站这样一批大型水电工程，就不可能取得抗洪抢险的胜利。思考题1.什么是GPS?该系统的特点有哪些？4.谈谈GPS的应用前景?2.简述GPS的发展概况?3.简述GLONASS、Galileo（欧）和北斗导航系统的特点?

GPS测量数据处理主要内容8.1基线解算及质量评定8.2网平差8.3GPS高程8.1基线解算及质量评定8.1.1基线解算的类型单基线解定义：当有台GPS接收机进行了一个时段的同步观测后，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，其中最多可以选出相互独立的条同步观测基线，至于这条独立基线如何选取，只要保证所选的条独立基线不构成闭和环就可以了。这也是说，凡是构成了闭和环的同步基线是函数相关的，同步观测所获得的独立基线虽然不具有函数相关的特性，但它们却是误差相关的，实际上所有的同步观测基线间都是误差相关的。所谓单基线解算，就是在基线解算时不顾及同步观测基线间误差相关性，对每条基线单独进行解算。

特点：单基线解算的算法简单，但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，一般只用在普通等级GPS网的测设中。多基线解定义：与单基线解算不同的是，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：多基线解由于在基线解算时顾及了同步观测基线间的误差相关特性，因此，在理论上是严密的。8.1.2基线解算结果的质量评定指标实质：反映观测值的质量，又称为参考方差因子。越小越好。单位权方差因子定义：RMS-均方根误差定义：

实质：表明了观测值的质量，观测值质量越好，越小，反之，观测值质量越差，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。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。RATIO

定义：RATIO值为在采用搜索算法确定整周未知数参数的整数值时，产生次最小的单位权方差与最小的单位权方差的比值。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。RDOP

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：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。同步环闭合差定义：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。实质：由于同步观测基线间具有一定的内在联系，从而使得同步环闭合差在理论上应总是为0的，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，但反过来，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。限值：异步环闭合差定义：由独立基线所组成的闭合环称为异步闭合环，简称异步环异步环的闭合差称为异步环闭合差。实质：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。限值：重复基线较（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，就是重复基线较（互）差。实质：当重复基线较（互）差满足限差要求时，则表明这些基线向量的质量是合格的；否则，则表明这些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，可以通过多重条件进行。限值：8.1.3影响基线解算结果的主要因素及应对方法

基线解算时所设定的起点坐标不准确（设定较准确的起点坐标，采用同一点或同一点的衍生点起算）

少数卫星的观测时间太短，导致这些卫星的整周未知数无法准确确定（剔除观测时间太短的卫星）

在整个观测时段里，有个别时间段或个别卫星周跳太多，致使周跳无法完全修复 （剔除周跳多的卫星，截去周跳多的时间段）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 （剔除受多路径影响严重的观测值）对流层折射或电离层折射影响太大 （模型改正、采用Iono-Free观测值）判别及应对方法：判别:通过卫星的可见性图和残差图来判别。应对方法：提供较准确的起点坐标、删卫星和截取时间段。基线解算时常需修改的参数：参与数据处理的特定时间段的观测值截止高度角观测值类型星历类型Ratio值限值观测值编辑因子电离层折射改正对流层折射改正8.1.4几种典型的残差图SV12存在周跳的残差图SV25受不明影响的残差图8.2网平差8.2.1网平差的类型无约束平差定义：GPS网的无约束平差指的是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。约束平差定义：GPS网的约束平差指的是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。

联合平差定义：GPS网的联合平差指的是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。

无约束平差的作用评定GPS网的内部符合精度，发现和剔除GPS观测值中可能存在的粗差,得到GPS网中各个点在WGS-84系下经过了平差处理的三维空间直角坐标,为将来可能进行的高程拟合，提供经过了平差处理的大地高数据平差结果的质量评定指标：相邻点距离中误差

1. 单位权方差的检验

2. 基线改正数的检验

3. 已知坐标的检验8.3GPS高程8.3.1高程系统

大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统。某点的大地高是该点到通过该点的参考椭球的法线与参考椭球面的交点间的距离。大地高也称为椭球高，大地高一般用符号H表示。大地高是一个纯几何量，不具有物理意义，同一个点，在不同的基准下，具有不同的大地高。大地高系统正高系统

正高系统是以大地水准面为基准面的高程系统。某点的正高是该点到通过该点的铅垂线与大地水准面的交点之间的距离，正高用符号Hg表示。正常高系统

正常高系统是以似大地水准面为基准的高程系统。某点的正常高是该点到通过该点的铅垂线与似大地水准面的交点之间的距离，正常高用H

表示。高程系统之间的转换关系

方法等值线图法大地水准面模型法拟合法8.3.2GPS测高方法

从高程异常图或大地水准面差距图分别查出各点的高程异常或大地水准面差距，然后分别采用下面两式可计算出正常高和正高。

采用等值线图法确定点的正常高和正高时要注意以下几个问题：

注意等值线图所适用的坐标系统，在求解正常高或正高时，要采用相应坐标系统的大地高数据。

采用等值线图法确定正常高或正高，其结果的精度在很大程度上取决于等值线图的精度。

地球模型法本质上是一种数字化的等值线图，目前国际上较常采用的地球模型有OSU91A等。不过可惜的是这些模型均不适合于我国。拟合法—基本原理

所谓高程拟合法就是利用在范围不大的区域中，高程异常具有一定的几何相关性这一原理，采用数学方法，求解正高、正常高或高程异常

拟合法—注意事项

上面介绍的高程拟合的方法，是一种纯几何的方法，因此，一般仅适用于高程异常变化较为平缓的地区（如平原地区），其拟合的准确度可达到一个分米以内。对于高程异常变化剧烈的地区（如山区），这种方法的准确度有限，这主要是因为在这些地区，高程异常的已知点很难将高程异常的特征表示出来。

适用范围

所谓高程异常的已知点的高程异常值一般是通过水准测量测定正常高、通过GPS测量测定大地高后获得的。在实际工作中，一般采用在水准点上布设GPS点或对GPS点进行水准联测的方法来实现，为了获得好的拟合结果要求采用数量尽量多的已知点，它们应均匀分布，并且最好能够将整个GPS网包围起来。

选择合适的高程异常已知点

若要用零次多项式进行高程拟合时，要确定1个参数，因此，需要1个以上的已知点；若要采用一次多项式进行高程拟合，要确定3个参数，需要3个以上的已知点；若要采用二次多项式进行高程拟合，要确定6个参数，则需要6个以上的已知点。

高程异常已知点的数量

若拟合区域较大，可采用分区拟合的方法，即将整个GPS网划分为若干区域，利用位于各个区域中的已知点分别拟合出该区域中的各点的高程异常值，从而确定出它们的正常高。下图是一个分区拟合的示意图，拟合分两个区域进行，以虚线为界，位于虚线上的已知点两个区域都采用。

分区拟合法

GPS测量定位误差主要内容6.1误差的分类6.2与卫星有关的误差6.3与传播途径有关的误差6.4与接收设备有关的误差6.5其他误差(因素)6.1误差的分类6.1.1按性质分类

系统误差

偶然误差

其它误差系统误差（影响）系统误差（偏差-Bias）内容具有某种系统性特征的误差特点具有某种系统性特征量级大–

最大可达数百米偶然误差（影响）偶然误差内容卫星信号发生部分的随机噪声接收机信号接收处理部分的随机噪声其它外部某些具有随机特征的影响

特点随机量级小–

毫米级偶然误差（观测噪声）-Noise一般优于波长/码元长度的1/100。C/A码伪距：0.3m~3mP(Y)码伪距：3cm~0.3m载波相位：0.2mm~2mmGPS定位中出现的各种误差，按误差性质可分为系统误差（偏差）和偶然误差两大类。其中系统误差无论从误差的大小还是对定位结果的危害性讲都比偶然误差要大得多，而且有规律可循，可以采取一定措施来加以消除，因而是本章的主要内容其它误差

其它软件–

模型误差GPS控制系统6.1.2按来源分类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

与卫星有关的误差卫星轨道误差卫星钟差相对论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各类误差对导航定位的影响单位：米6.1.3消除减弱上述系统误差的措施和方法建立误差改正模型求差法参数法回避法

上述各项误差对测距的影响可达数十米，有时甚至可超过百米，比观测噪声大几个数量级。因此必须加以消除和削弱。消除或削弱这些误差所造成的影响的方法主要有：

建立误差改正模型原理：采用模型对观测值进行修正适用情况：对误差的特性、机制及产生原因有较深刻了解，能建立理论或经验公式。如电离层延迟和对流层延迟改正模型等

误差改正模型既可以是通过对误差特性、机制以及产生的原因进行研究分析、推导而建立起来的理论公式（如利用电离层折射的大小与信号频率有关这一特性（即所谓的“电离层色散效应”）而建立起来的双频电离层折射改正模型基本上属于理论公式）。

也可以是通过大量观测数据的分析、拟合而建立起来的