磁波相位
广播星历
单历元
相对定位
藪波相位
广播星历
数小时
短边：
5
精密星历
数小时J数十小时
中边：
5mm±10'\O
氏边；3nim±10'、・D
3mm±109■Z>
5.GPS系统的组成（以美国的全球定位系统（GPS）为例）
全球定位系统（GlobalPositioningSystemGPS）是美国从本世纪70年代
开始研制，历时20年，耗资300亿美元，于1994年全面建成。
它是一种定时和测距的空间交会定点的导航系统，可以向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置、三维速度和时间信息，为海、陆、空三军提供精密导航，向特殊用户进行授时，还可以用于情报收集、核爆监测、应急通讯和卫星定位等一些军事目的。
？
系统组成
GPS系统包括三大部分：
地面控制部分；空间部分；用户部分。
下图显示了
GPS定位系统的三个组成部分及其相互关系:
1地面控制部分
GPS的地面控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站组成的监控系统所构
成。
根据其作用的不同，跟踪站分为主控站、监控站和注入
站。
主控站有一个，位于美国科罗拉多（Colorado）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
卫星的星历和卫星时钟的改正参数等，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，主控站还具有监控站的功能。
监控站有5
个，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3个，注入站
的作用是将主控站计算的卫星星历和卫星时钟的改正参数等注入到卫星中去。
地面监控系统提供每颗GPS卫星所播发的星历。
并对每颗卫星工作情况进行
监测和控制。
地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准-GPS
时间系统（GPST
o
n**
S1O^2地面控申」那分
2空间部分
GPS工作卫星及其星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，记作
（21+3）GPS星座。
24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间夹角为60度，即轨道的升交点赤经各相差60度。
每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角相差90度。
每颗卫星的正常运行周期为11h58min，若考虑地球自转等因素，将提前4min进入下一周期。
GPS卫星信号：
载波：
L波段双频L11575.42MHz，L21227.60MHz
卫星识别：
码分多址（CDMA）
测距码：
C/A码（民用），P码（美国军方及特殊授权用户）
导航数据：
卫星轨道坐标、卫星钟差方程式参数、电离层延迟修正③用户部
主要指GPS接收机，此外还包括气象仪器、计算机、钢尺等仪器设备组成。
GPS
接收机主要由天线单元，信号处理部分，记录装置和电源组成
天线单元由天线和前置放大器组成，灵敏度高，抗干扰性强。
接收天线把卫星发射的十分微弱的信号通过放大器放大后进入接收机。
GPS天线分为单极天线、微带天线、锥型天线等。
信号处理部分是GPS接收机的核心部分，进行滤波和信号处理，由跟踪环路重建载波，解码得到导航电文，获得伪距定位结果。
记录装置主要有接收机的内存硬盘或记录卡（CF卡）。
电源分为外接和内接电池（12V），机内还有一锂电池
GPS接收机的基本类型主要分为大地型、导航型和授时型三种。
（见图10-4其
中，大地型接收机按接收载波信号的差异分为单频（L1）型和双频（L1,L2）型。
RTK系统导航型接收机大地型接收机？
GPS系统的特点
GPS系统的特点：
高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛
等。
①定位精度高
应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50km以内可达10-6，100-500km可达10-7，1000km可达10-9。
在300-1500m工程精密定位中，1小时以上观测的解其平面其平面位置误差小于1mm，与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较，其边长较差最大为0.5mm,校差中误差为0.3mm。
②观测时间短
随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20KM以内快速静态相对定位，仅需15-20分钟；RTK测量时，当每个流动站与参考站相距在15KM以内时，流动站观测时间只需1-2分钟。
3测站间无须通视
GPS测量不要求测站之间互相通视，只需测站上空开阔即可，因此可节省大量的造标费用。
由于无需点间通视，点位位置可根据需要，可稀可密，使选点工作
甚为灵活，也可省去经典大地网中的传算点、过渡点的测量工作。
④可提供三维
坐标
经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测。
GPS可同时精确测定测站点的三维坐标（平面+大地高。
目前通过局部大地水准面精化，GPS水准可满足四等水准测量的精度。
⑤操作简便
随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达傻瓜化”的程度，接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。
⑥全天候作业
GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行,不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。
⑦功能多、应用广：
定位：
如汽车防盗、地面车辆跟踪和紧急救生。
导航：
如船舶远洋导航和进港引水、飞机航路引导和进场降落、智能交通、汽车自主导航及导弹制导。
测量：
主要用于测量时间、速度、及大地测绘，如水下地形测量、地壳形变测量，大坝和大型建筑物变形监测等。
授时。
7.GPS测量中的几个基本概念
1观测时段
从测站上开始接收卫星信号起至停止接收卫星信号间的连续工作的时间段，是GPS测量的基本单位
2时段长度
观测时段所持续的时间（即开机至关机期间③同步观测
两台或两台以上的GPS接收机对同一组卫星信号进行的观测；④基线向量
a利用进行同步观测的接收机所采集的观测数据计算出的接收机间的三维坐标
b与计算时所采用的卫星轨道数据同属一个系统⑤GPS基线向量网
采用GPS技术布设的测量控制网，由GPS点和基线向量所构成⑥同步观测基线
利用同一时段的多个同步观测站所采集的观测数据所计算出的若干基线向量
⑦在一个时段中，同步观测基线的数量
若在某时段共有n台接收机进行了同步观测，则共可得到n（n-1/2条同步观测
基线
⑧同步观测环
由三台或三台以上接收机进行同步观测所获得的基线向量所构成的闭合环⑨异步观测环
由非同步观测获得的基线向量构成的闭合环
（同步环）（非同步环）
理论上采用严密算法所得到的同步环，无论观测值中是否含有误差，其环闭合差必为零。
（构成同步环的基线向量之间是线性相关的）
实践中如果算法不严密（目前大多数的商用软件均属于此种情况），其环闭合差通常不为零，但通常很小
注意：
同步环闭合差很小，还不能说明基线解算结果一定能够满足精度要求
⑩单基线解
在多台GPS接收机同步观测值中，每次选择2台接收机的观测数据解算相应的基线向量。
（11）多基线解
从m（m>3台GPS接收机同步观测值中，由m-1条独立基线构成观测方程，统一解算全部（m-1条基线向量
注意：
完全由同步观测基线所构成的闭合环之间是线性相关的，是一组非独立基线向量，GPS控制网应由相互独立的基线向量构成
8.同步观测基线向量的最大线性无关组及选取方式
特性：
与同步环闭合差不同，即使采用严密算法，并且计算过程中未发生错误，独立观测环的闭合差通常也不为零，也不一定是个微小量。
因此，独立观测环闭合差的大小，可作为评定基线解算结果质量的有力指标
10.GPS网的连接方式
连接方式
特点
优点
缺点
点连式
楣邻的同步图形间只通过-个公共点ftl连
作业效率高•图形
扩展迅速
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
边连式
相邻的同步图形间有
-条边｛即两介公共点〉相连
作业效率较高”图形强度较辦
工作星大,作业效率适
中较高
网连式
相邻的同步图形间有
3个（含孑个）以上的
公共点相连
国形强度最强
大，柞业效率低
点连式边连式GPS控制网的基本图形
多边形网
1
2
1
2
坯本閨形
宦义
忧点
缺点
提髙国形强度的方法
三角形网
以三切形柞为施本图形
儿何强度髙、抗粗畫能力强、可靠性高
工作量大
加测对角线
多边形网
以零边形（边数孑4）作为毘本图形
效率髙‘匸作星较小，
图形强度不如三角形网
对多边形边数加以限制
附和汗线网
附和导线（或称附和Ki线）作为基本图形
效率髙.工作応较小
图形强度不如2
角形网和多边形
网
星形网
从•个已知点上分别勺各待定点进行相对定位
效率髙，工作吐较小
抗粗&能力极邕应用于界址点、碎部点和低等级控制点（IM根点）
从两个已知点f臺准站〉上对同待尢点（流动站啦行观测；适当复测
GPS控制网的基本图形的特点
11.GPS定位中的误差源1.卫星有关的误差
（1）卫星星历误差
由卫星星历所给出的卫星位置与卫星的实际位置之差称为卫星星历误差。
星历误差的大小主要取决于卫星定轨系统的质量，如定轨站的数量及其地理分布，观测
值的数量及精度，定轨时所有的数学力学模型和定轨软件的完善程度等。
此外与星历的外推时间间隔（实测星历的外推时间间隔可视为零）也有直接关系。
（2）卫
星钟的钟误差
卫星上虽然使用了高精度的原子钟，但它们也不可避免地存在误差，这种误差既包含着系统性的误差（如钟差、钟速、频漂等偏差），也包含着随机误差。
系统误差远较随机误差的值大，而且可以通过检验和比对来确定并通过模型来加以改正；而随机误差只能通过钟的稳定度来描述其统计特性，无法确定其符号和大小。
2.与信号传播有关的误差
与GPS信号传播有关的误差主要是大气折射误差和多路径效应。
（1）电离
层延迟
电离层（含平流层）是高度在先60〜1000km间的大气层。
在太阳紫外线X射线、射线和高能粒子的作用下，该区域内的气体分子和原子将产生电离，形成自由电子和正离子。
带电粒子的存在将影响无线电信号的传播，使传播速度发生变化，传播路径产生弯曲，从而使信号传播时间t与真空中光速c的乘积
不等于卫星至接收机的几
何距离，产生所谓的电离层延迟。
电离层延迟取决于信号传播路径上的总电子含量TEC和信号的频率f。
而TEC又与时间、地点、太阳黑子数等多种因素有关。
测距码伪距观测值和载波相位观测值所受到的电离层延迟大小相同，但符号相反。
（2）对流层延迟
对流层是高度在50km以下的大气层。
整个大气中的绝大部分质量集中在对流层中。
GPS卫星信号在对流层中的传播速度V=c/n。
以为真空中的光速，n为大气折射率，其值取决于气温、气压和相对湿度等因子。
此外，信号的传播路径也会产生弯曲。
由于上述原因使距离测量值产生的系统性偏差称为对流层延迟。
对流层对测距码伪距和载波相位观测值的影响是相同的。
（3）多路径误差
多路径误差：
经某些物体表面反射后到达接收机的信号如果与直接来自卫星的
信号叠加干扰后进入接收机，就将使测量值产生系统误差。
多路径误差对测距码
伪距观测值的影响要比对载波相位观测值的影响大得多。
多路径误差取决于测站周
围的环境、接收机的性能以及观测时间的长短。
3.与接收机有关的误差
（1）接收机的钟误差
与卫星钟一样，接收机钟也有误差。
而且由于接收机中大多采用的是石英钟，
因而其钟误差较卫星钟更为显著。
该项误差主要取决于钟的质量，与使用时的环境也有一定关系。
它对测距码伪距观测值和载波相位观测值的影响是相同的。
（2）接收机的位置误差
在进行授时和定轨时，接收机的位置是已知的，其误差将使授时和定轨的结果产生系统误差。
该项误差对测码伪距观测值的影响是相同的。
进行GPS基线解算
时，需已知其中一个端点在WGS-84坐标系中的坐标，已知坐标的误差过大也会对解算结果产生影响。
（3）接收机的测量噪声
这是指用接收机进行GPS测量时，由于仪器设备及外界环境影响而引起的随机测量误差，其值取决于仪器性能及作业环境的优劣。
一般而言，测量噪声的值均小于上述的各种偏差值。
观测足够长的时间后，测量噪声的影响通常可以忽略不计。
4.相对论效应5.其它因素
GPS控制部分人为或计算机造成的影响；
由于GPS控制部分的问题或用户在进行数据处理时引入的误差等；数据处理
软件的算法不完善对定位结果的影响。
第二部分GPS控制测量
常用的坐标系统
星标系统
椭球名称
年代
长半轴
ihjr-
1954北京坐标系
克拉索夫斯基
1940
6378245
2983
1980西安坐标系
1980大地坐标系
1979
6378140
298.257
WGS-84坐标泵
WGS-84
1984
6378137
298.257223563
CGCS2000人地钢标系
2000
6378137
298.257222101
、GPS网的建立
GPS网是采用GPS定位技术建立的测量控制网，由GPS点和基线向量
1980四安坐标系
1980人地*标系
1979
6378140
WGS-84坐标系
WGS-34
1984
6378137
CGCS2000A地坐标系
2000
6378137
其中：
□起算点d待求点一基线向量
目前，所有的GPS控制测量解算均是在WGS—84坐标系下进行的，其成果无论是大地坐标还是空间直角坐标都是WGS—84坐标系成果。
由于所采用椭球不同，不同坐标系之间须进行转换计算。
采用GPS定位技术建立的测量控制网，理论上不一定要布设控制网，而可以直接以已知点为起点，按照单基线方式测量，但是处理基线向量中存在的误差或粗差等进行有效处理，结果的可靠性差。
通过布网的形式，利用点与点、基线向量之间、点与基线向量之间的各种几何关系，通过平差计算来消除由观测值和起算数据
中存在的误差所导致的控制网在几何上的不一致，（如环闭合差不为0,复测基线不相等、符合线路坐标差不为0等），从而获得精确的测量成果。
二、建立GPS
控制网的过程一般为技术设计、测量实施、数据处理、
框架全面
成果整理几个步骤。
1.技术设计：
确定地理位置和控制范围，确定控制网的精度及等级，点位分布及数量，成果形式及内容，工期和经费等。
2.测量实施：
根据布网方案选点、埋石，根据卫星星历预报确定观测方案，外业观测，数据传输和备份，基线解算及质量控制（对于不合格数据及时返工）。
基线解算完成后，下一步的GPS控制网平差过程基本与常规地面控制网平差是一样的。
3.数据处理：
控制网平差及其质量控制（包括观测基线向量的质量检核，采用
合格的独立基线向量组成GPS网进行三维平差计算，解算出GPS点的三维空间坐标成果，再转换为相应的二维平面坐标系成果。
必要时还可利用GPS成果确定网
中各点的正高或正常高（利用GPS水准进行拟合运算）。
4.成果整理：
GPS控制成果包括技术设计书、技术总结、观测数据、基线解
算和平差计算手簿，控制点成果表等。
三、GPS网的质量控制
质量控制是用来确保测量成果达到规定质量水平所采取的作业技术和管理措施。
是通过对成果的测量过程进行监控，采用各种必要地作业技术和管理措施消除生产过程中引起成果质量不合格的各种因素，使其达到质量要求。
对于GPS网而
言，质量控制包括质量检验和质量改善两个层面的内容，质量检验是对GPS网的
中间产品及最终成果的质量进行评估，即通过一系列量化指标来加以判定，质量改善是通过采取适当措施提高GPS网的中间产品及最终成果的质量。
影响GPS网质量的因素主要因素有：
1.基线向量的质量
2.起算数
升级会员 