武汉大学GPS课件第8讲 GPS数据采集与处理

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GPS测量数据处理ppt课件

地球形状的认识
公元前6世纪毕达哥拉斯提
公元前4世纪亚里士多德用物理方法验证了地圆说
18世纪证实的扁球说。
长半轴 a=6378140米短半轴 b=6356755米 a-b=21385米
扁度=
a 1 a b 298.257
？远
古
方
圆球
扁球现代椭球
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GPS测量数据处理>第二章>第一节坐标系
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GPS测量数据处理>第一章 GPS定位原理概述
第一节 GPS的系统组成
GPS系统由三部分组成
空间部分（Space Segment）
地面部分（Ground Segment）
用户部分（User Segment）
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GPS测量数据处理>第一章>第一节 GPS的系统组成
GPS的系统组成——空间部分
GPS测量数据处理>第一章>第二节 GPS信号
GPS卫星信号结构——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：19cm L2：频率：1227.60MHz，波长：24cm
现代化后增加
L5：频率： 1176.45MHz，波长：26cm
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GPS测量数据处理>第二章>第一节坐标系
二、参考系
点的位置是由以相对于一个预先定义的数学表面的坐标值所确定的。在大地测量中，该数学表面被称为基准，而相对于该基准的点位置由其坐标来确定。所以基准就是用作确定点位置的参考的坐标面。这样的参考系可以建立在大地水准面、参考椭球面或一个平面上。

武大《GPS测量与数据处理》课件(黄劲松版)CH04

• 优点
• 原则
– 类型：尽可能采用双频全相位接收机（利于周跳探测，可消除电离层折射影响，观测值质量高）。 – 数量：接收机数越多，网的结构就越好，推进速度也就越快。但作业调度的复杂度也将增大。为了既保证效率，又降低作业调度复杂度，接收机数量最好为偶数，4或6台。
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接收机参数设置
• 规范要求
项目 B 卫星截止高度角（° ）同时观测有效卫星数有效观测卫星总数观测时段数时段长度采样间隔(s) 10 ≥4 ≥20 ≥3 ≥23 h 30 C 15 ≥4 ≥6 ≥2 ≥4 h 10~30 级别 D 15 ≥4 ≥4 ≥1.6 ≥60 min 10~30 E 15 ≥4 ≥4 ≥1.6 ≥40 min 10~30
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上交资料
• • • • 点之记土地占用批准文件和测量标志委托保管书标石建造拍摄的照片埋石工作总结
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2.接收机的维护保养
19 ©2005~2012. 黄劲松武汉大学测绘学院
接收机的维护和保养
• 主机及天线
– 主机及天线：防撞、防压、防摔、防水、防潮、防尘、防雷击 – 接口：使用正确的接口；插拔应注意方向 – 存储卡插槽：插卡应注意方向，以免针脚损坏
GPS测量与数据处理
黄劲松武汉大学测绘学院
©2005~2012. 黄劲松武汉大学 1 测绘学院
第四章 GPS测量的外业
©2005~2012. 黄劲松武汉大学 2 • • • • 选点与埋石接收机的选用及维护保养接收机的检验观测方案设计作业调度观测作业成果验收和上交资料外业进度估算及项目成本预算
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提交资料
• 点之记和环视图 • GPS网选点图
– 绘于测区地形图上

(完整版)(武汉大学)GPS原理及其应用

GPS原理及其应用
绪论 > 美国政府的GPS政策
美国政府的GPS政策
• SA技术（1990.3.25~2000.5.1）
– Selective Availability – 选择可用性 – 人为降低普通用户的测量精度。方法:
• ε技术：降低星历精度（加入随机变化） • δ技术：卫星钟加高频抖动
（短周期，快变化）
– 由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间经济状况欠佳，无法及时补充新卫星，故该系统不能维持正常工作。
– 到目前为止（2006年3月20日）,GLONASS系统共有17颗卫星在轨。其中有11颗卫星处于工作状态，2颗备用，4颗已过期而停止使用。俄罗斯计划到2007年使GLONASS系统的工作卫星数量至少达到18颗，开始发挥导航定位功能。
NAVSTAR GPS 21＋3 6 55° 20180km 12h CDMA 1575MHz
1228MHz
GPS原理及其应用
绪论 > 其它卫星导航定位系统 > GLONASS
其它卫星导航定位系统——GLONASS
• 卫星运行状况
– 从1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星起，至1995年12月14日共发射了73颗卫星。
• 系统构成
– 卫星星座 – 地面控制部分 – 用户设备
GPS原理及其应用
P24
绪论 > 其它卫星导航定位系统 > GLONASS
其它卫星导航定位系统——GLONASS
GLONASS satellite
GLONASS constellation
GPS原理及其应用
绪论 > 其它卫星导航定位系统 > GLONASS
GPS原理及其应用

武汉大学GPS原理与数据处理GPS定位中的误差源实用PPT

从而使观测值偏离真值产生所谓的“多路径误差”。
卫星位置
作为未知数、相对定位或差分定位
缺点：不能同时将所有误差均作为参数来估计
§3.4 卫星星历误差
1、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。
2、星历类型
➢广播星历
由GPS的地面控制部分所确定和提供的，经GPS卫星向全球所有用户公开播发的一种预报星历。
VS2 μ μ 2 r 2a
r (1 e 2 )a 1 e cos f s
cos
fs
cos E e 1 e cos E
μ1 3
2 f aμ
f
f1
f2
c2
( R
) 2a
f
c2
e sinE
4、解决相对论效应对卫星钟影响的方法
分两步：首先假定卫星轨道为圆轨道的情况；然后考虑卫星轨道为椭圆轨道的情况。
第一步：假设卫星轨道为圆轨道的情况，则e=0 取m＝398600.5km3/s2,c=299792.458km/s,R=6378km,a=26560km
则可得到:
μ1 3
2 f aμ
f
f1
f2
c2
( R
) 2a
f
c2
e sinE
4.451010 f
解决方法: 在地面上将要搭载到卫星上去的钟的频率调低，调低后的频率为：
广播星历和IGS精密星历给出的卫星位置之差(m)
测距码以群速度在电离层中传播。
在地面上将要搭载到卫星上去的钟的频率调低，调低后的频率为：卫星星历误差、卫星钟差、相对论效应
卫星速度
1、GPS测量误差的分类
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，

gps学习绪论 ppt课件

教材及参考文献
❖ GPS测量原理及应用－徐绍铨，张华海、杨志强、王泽民
武汉大学出版社 2006
❖ 全球定位系统原理及其应用－刘基余、李征航、
王跃虎、桑吉章编著，测绘出版社 1993
❖ GPS测量与数据处理 —李征航、黄劲松编著，
❖
武汉大学出版社，2005
❖ GPS测量操作与数据处理 —魏二虎黄劲松编著，
注入站、一个监测站以及其它地方的四个监测站组成。（2）工作阶段：主控站：美国科罗拉多-斯平士的联合空间指挥中心。（一个）注入站：大西洋、太平洋、印度洋上各一个。（三个）监测站：主控站、注入站同时作为监测站，另外在夏威夷群
岛还设有监测站。（五个）
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
原计划的24颗卫星布置图
修改后的18颗卫星布置图
GPS工作卫星星座（21颗工作卫星）
GPS工作卫星星座（21颗工作卫星）
2、主控站的作用（1）收集数据：收集监控站测得的伪距和伪距差数据、卫星时钟及状态数据、气象数据等。（2）数据处理：编算导航电文（GPS卫星的星历、时态改正、状态数据、信号的大气传播改正等），同时将导航电文传送到注入站。（3）诊断状态：判断地面监控系统各部分是否工作正常。（4）调度卫星：将离轨卫星拉回来，用备用卫星代替失效卫星。
❖ 观测时间比较短—由于不需要通视,节约了很多时间,也使得观测时间变短了很多
❖ 操作简单—接收机自动化程度越来越高,体积越来越小,减轻了工作紧张程度和劳动强度
❖ 功能多，应用广—用于导航，测量，测时，测速，领域在不断扩大
四、GPS的发展概况
一. 第一代卫星导航系统的产生与发展

武汉大学GPS导航应用课件

• GLONASS与GPS的比较
参数系统中的卫星数轨道平面数轨道倾角轨道高度轨道周期（恒星时）卫星信号的区分
GLONASS 21＋3 3 64.8 ° 19100km 11h15min FDMA
L1频率 L2频率
1602~1615MHz 频道间隔0.5625MHz
1246~1256MHz 频道间隔0.4375MHz
武汉大学GPS导航应用课件
• 李征航，黄劲松，(2010). GPS测量与数据处理（第二版），武汉：武汉大学出版社. • Hofmann-Wellenhof, B., H. Lichtenegger, and J. Collins. (2001). GPS Theory and Practice. 5th
武汉大学GPS导航应用课件
武汉大学GPS导航应用课件
武汉大学GPS导航应用课件
• 何时？何地？是最常被提及的问题
？？ • 时间、位置与运动状态是物体的基本外在属性
武汉大学GPS导航应用课件 • 确定时间、位置与运动状态的技术方法就是测时、定位与测速
用于测时的原子钟
用于导航定位GPS导航仪
武汉大学GPS导航应用课件
武汉大学GPS导航应用课件
• 建立国家：美国 • 名称：NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System – NAVSTAR GPS • 卫星星座（设计方案）：24颗GPS卫星 • 载波信号频率两个：L1，L2 • 信号调制：载波信号上调制有测距码（L1上为C/A码和P码，L2上为P码）和导航电文 • 系统基本功能：定位(P)、测速(V)、授时(T)
• 卫星导航 – 利用星载无线电信标进行导航，即星基无线电导航

GPS测量与数据处理武汉大学

GPS基线向量表示了各测站间的一种位置关系，
GPS 测量与数据处理
武汉大学测绘学院卫星应用研究所
朱智勤
GPS测量数据处理>第七章>第一节 GPS基线解算的基本原理
一、观测值

主要观测值：
载波相位观测值（原始观测值（非差观测值））
差分观测值（单差、双差或三差））

辅助观测值：
伪距观测值，多普勒观测值
GPS 测量与数据处理
武汉大学测绘学院卫星应用研究所
朱智勤
GPS测量数据处理
第七章
第一节
第二节第三节第四节第五节第六节
GPS基线解算
GPS基线解算的基本原理 GPS基线解算的分类 GPS基线解算的过程及结果基线解算阶段的质量控制我国GPS测量规范对基线质量的要求影响GPS基线解算结果的几个因素及其应对方法
朱智勤
GPS测量数据处理>第七章>第一节 GPS基线解算的基本原理
相位观测值的线性组合 ——差分观测值

差分方式
站间差分 – 同步观测值在接收机间求差。可消除卫星钟差，削弱卫星星历误差、电离层、对流层折射影响。
j j A (i) A (i)

星间差分 – 同步观测值在卫星间求差。可消除接收机钟差。
测站之间的单差相位定义为同一历元 i两台接收机A，B对同一卫星 j 的相位观测之差: ~ j i ~ j i SD( A, B; j; i ) A B j j j j A B f 0 ( A i B i ) / C f 0 (t r i t r i ) ( trop A i trop B i ) j j j j j j ( ion A i ion B i ) ( mult A i mult B i ) ( N 0 A N 0 B )

武汉大学GPS课件第8讲GPS数据采集与处理-精选文档

实施方案是否符合规范和技术要求。
补测、重测和数据剔除是否合理。
数据处理软件是否符合要求。
各项技术指标是否符合要求
第七章 GPS数据处理
GPS定位解算
常用GPS处理软件
§8.1 GPS定位解算
1、解算流程
读取星历文件解算卫星位置读取观测文件定位结算结果输出
2、读取星历文件
一般性检视通电检验试测检验
1、一般性检视
GPS主机及天线的外观是否完好各种零部件及附件、配件是否齐全完好，是否与主机匹配需紧固的部件是否有松动和脱落现象设备的文档及软件是否齐全
2、通电检验
有关指示等工作是否正常按键及显示系统工作是否正常仪器自测试的结果是否正常
Z
5) 计算升交距角（未经改正的）
u 'ω f
x
春分点 M
z Y
y

i
升交点
6) 计算卫星向径（未经改正的）
r ' a ( 1 e cos E )
X
7)计算摄动改正项
δ C cos 2 u ( ') C s in( 2 u ') u uc us δ C cos 2 u ( ') C s in( 2 u ') r rc rs δ C cos 2 u ( ') C s in( 2 u ') i ic is
适用级别 AA、A AA、A B B～E AA、A B～E B B B～E B～E
中心标志
基岩和基本标石的中心标志采用铜或不锈钢制作普通标石的中心标志可采用铁或坚硬的复合材料制作中心用十字丝或直径小于0.5mm的中心点表示
埋石作业埋石结束后上交资料

《GPS原理及应用》武大黄劲松版

不同类型的GPS卫星
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GPS
GPS
的组成 > GPS的地面监控部分①
原理及应用
GPS
GPS
GPS
•
–
地面监控部分（Ground Segment）
组成
• • •
的地面监控部分 ①
主控站：1个监测站：5个注入站：3个 • 通讯与辅助系统
监测站
的组成 > GPS的地面监控部分②
原理及应用
GPS
•
–
主控站监测站
– – –
的组成 > GPS的用户部分 ①
原理及应用
GPS
•
– –
– – – –
•
管理、协调地面监控系统各部分的工作编算广播星历－轨道参数、卫星钟改正数等调整卫星状态调度卫星
• •
对卫星进行跟踪观测记录气象数据将数据传送到主控站注入站 – 向卫星注入导航电文和指令等通讯与辅助系统 – 负责各部分间的通讯及数据传送
信号通道观测值
的组成 > GPS的用户部分 ⑦
GPS
的用户部分⑦
信号通道存储器微处理器电源输入输出
接收（信号）通道
存储器天线微处理器 • 作用：数据处理、控制前置放大器 – 输入输出设备 – 电源
– –
GPS
GPS
卫星信号结构
原理及应用
GPS
GPS
2. GPS
卫星信号结构
概述
– –
卫星信号结构 > 概述
GPS
课程内容
• • • • • • •
原理及应用
课程内容
GPS原理及应用
第1讲 GPS概况第2讲 GPS测量定位误差源第3讲 GPS测量定位原理第4讲 GPS网的布设第5讲 GPS数据处理第6讲 GPS测高第7讲 GPS应用

《GPS测量数据处理》PPT课件

2021/4/23
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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：
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。
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❖ 选择合适的高程异常已知点
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。
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。
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8.1.2 基线解算结果的质量评定指标
单位权方差因子定义：
ˆ0
V T PV f
实质：反映观测值的质量，又称为参考方差因子。越小越好。
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RMS - 均方根误差定义：
第八章 GPS测量数据处理
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主要内容

全球定位系统GPS数据采集与处理

全球定位系统GPS数据采集与处理第一节GPS的原理概述一, 全球定位系统GPSGPS(Navigation Satellite Timing and Ranging /Global Position System ),授时与测距导航系统/全球定位系统,简称GPS全球定位系统,是随着现代科学技术的迅速发展而建立起来的新一代卫星导航和精密定位系统.GPS全球定位系统是由美国国防部于1973年开始组织三军共同研制,并于1993年基本完成.该系统由空间星座,地面控制和用户接收机三部分组成.(一)全球定位系统组成1. 空间星座部分GPS 空间星座部分由2 颗工作卫星和3颗备用卫星组成.工作卫星分布在6个轨道面内.每个轨道面内分布有3～4颗卫星,卫星轨道相对于地球赤道面的倾角为55,轨道平均高度为20200公里.卫星运行周期为11小时58分钟.因此,在同一测站每天出现的卫星布局大致相同,只是每天提前4分钟.每颗卫星每天约有5个小时在地平线以上,同时位于地平线以上的卫星数目随时间和地点而异,最少4颗,最多11颗.这样布局可以保证地球上任何时间,任何地点至少可以同时观测到四颗以上的卫星.加之卫星信号的传播和接收不受天气的影响,因此GPS是一个全球性,全天候的连续实时的导航和定位系统.全球定位系统建成后,其工作卫星在空间的分布如图7-4-1所示. GPS卫星上安装有轻便的原子钟,微处理器,电文存储和信号发射设备,由太阳能电池提供电源,卫星上备有少量燃料,用来调节卫星轨道和姿态,并可在地面监控站的指令下,启动备用卫星.2. 地面监控系统GPS 地面监控系统由分布在全球的五个地面站组成.其中1个主控站,3个注入站.五个监控站均为数据自动采集中心,配有双频GPS接收机,高精度原子钟,环境数据传感器和计算设备,并为主控站提供各种观测数据.主控站(位于美国科罗拉多)为系统管理和数据处理中心,其主要内容是利用本站和其它监控站的观测数据推算各卫星的星历,卫星钟差和大气延迟修正参数,提供全球定位系统的时间基准,并将这些参数传入注入站,调整偏离轨道的卫星至预定轨道,启用备用卫星代替失效卫星等.注入站将主控站推算和编制的卫星星历,卫星钟差,导航电文和其它控制指令等注入相应卫星的存储系统,并监测注入信息的正确性.除了主控站外,整个GPS地面监控系统无人值守,各项工作高度自动化和标准化.3. 用户设备部分用户设备包括GPS接收机主机,天线,电源和数据处理软件所组成.主机的核心为微电脑,石英振荡器,还有相应的输入,输出接口和设备.在专用软件控制下,主机进行作业卫星选择,数据采集,处理和存储,对整个设备的系统状态进行检查,报警和部分非致命故障的排除,承担整个接收系统的自动管理.天线通常采用全方位型的,以便采集来自各个方位的,任意非负高度角的卫星信号.由于卫星信号微弱,在天线基座中有一个前置放大器,将信号放大后,再用同轴电缆输入主机.电源部分为主机和天线供电,可使用经过整流,稳压后的市电,也可以使用蓄电池.(二)GPS全球定位系统信号GPS卫星发射的是一对相干波,波长和频率分别为作为载波载有两种调制信号,一类为导航信号,另一类为电文信号.导航信号又分为码率为,频率为的粗码(C/A码)和码率为,频率为的精码(P码).粗码(C/A码)信号编码每重复一次,可以快速捕捉信号,按设计用于粗略定位;精码(P码)码信号编码每七天重复一次,且各颗卫星不同,结构十分复杂,不易捕捉,但可以用于精确定位.电文信号同时以的速率调制在载波上,内容包括卫星星历表,各项改正数和卫星工作状态.通过电文信号,接收机可以选择图形最佳的一组信号进行观测,以利于定位数据处理.第二节GPS定位方法一, GPS定位方法分类(一), 静态定位和动态定位按GPS定位方式可分为静态定位和动态定位.1, 静态定位如果待定点相对于周围的固定点没有可以察觉的运动,或者运动十分缓慢以至于需要几个月或几年才能反映出来,即认为待定点相对于地球坐标系中是固定不动的,这种待定点的坐标确定方法称为静态定位.在静态定位的数学模型中,待定点的位置是作常数来处理的.由于GPS的"快速解算整周期未知数"技术的出现,静态作业的时间已缩短至几分钟,因此,除了原先的大地测量及地球动力监测方面的应用外,快速的静态定位已广泛地应用到普通测量和工程测量中.2, 动态定位车,船,飞机和航天器运动中,人们往往需要知道它们的实时位置.在这些运动载体上安装GPS接收机,实时测得GPS接收信号天线所在的位置,称为GPS动态定位.如果不仅测得运动载体的实时位置,还测定其运动速度,时间和方位等状态参数,从而引导该物体向预定方位运动,称为导航.GPS导航实质上也是动态定位. (二), 静态定位和动态定位根据确定GPS接收机在地球坐标系位置的不同,可分为单机的绝对定位和多机的相对定位,如图9-1-2. 1, 绝对定位绝对定位是确定独立待定点在地球坐标系中的位置.由于单点绝对定位受接收卫星信号时误差的影响,精度较低.主要用于低精度的动态定位,如船舶,飞机的导航,地质矿产资源的调查研究,海洋捕捞等及确定相对定位时的初始值.2, 相对定位相对定位是确定同步跟踪相同GPS信号的若干台接收机之间的相对位置的一种方法.由于采用同步观测,各同步站获得信号的许多误差是相同的或大致相同的(如卫星时钟误差,星历误差,信号的大气传播误差等),可以消除或减弱这些误差,获得很高的相对位置.相对定位中,信号观测与数据处理比绝对定位复杂,相对定位获得的是各同步站间的基线向量(三维坐标差),因而至少需要一个观测点为已知点才能求出其余各点的坐标.静态定位和动态定位都可采用相对定位,例如地球变形测量,无地面控制航空摄影测量等.在动态定位中,常采用"差分"的方法,将一台GPS接收机置于已知坐标的基准点上,其余接收机安置在运动载体上,所有的接收机同步观测,根据已知控制点的定位结果,将位置改正数实时传给流动站,以提高定位精度.这是一种基于单点定位和相对定位的定位模式.(三), 伪距法和载波相位法GPS卫星定位,根据处理信号的不同,又可以分为伪距法和载波相位法.1, 伪距法其定位原理简单.定位时,接收机本机振荡产生与卫星发射信号相同的一组测距码(P码或C/A码),通过延迟器与接收机收到的信号进行比较,当两组信号彼此完全重合(相关)时,测出本机信号延迟量即为卫星信号的传输时间,加上一系列的改正后乘以光速,得出卫星与天线相位中心的斜距.如果同时观测了四颗(或以上)卫星,即可以按距离交会法算出测站的位置和时钟误差四个未知数.由于测距码的波长,.以百分之一的码元长度估算测距分辩率,只能分别达到0.3米(P码)和3米(C/A码)的测距精度.因此,伪距法的精度是比较低的. 2, 载波相位法是把载波作为量测信号,对载波进行量测,确定卫星信号和接收机参考信号的相位差,推算出相位观测值.然后采用和伪距法原理相同,求出测站的位置和时钟误差等.载波的波长,,比码元波长要短得多,以百分之一的码元长度估算测距分辩率,分别达到1.9厘米(P码)和2.4L厘米(C/A码)的测距精度.在大地测量和精密空中三角测量中,为保证高精度,往往采用载波相位相对定位方法,以消除系统误差.载波相位法测量完整的相位观测值由几个部分组成:(9-2-1)式中:为卫星首次观测S处的相位,为接收机观测R处的位置相位;为实际相位观测值;为整周期数,也称整周期未知数;为t时刻实际观测值的整数部分,对于首次观测时值为零,其余各次观测中由时刻开始,通过计数器连续计数后累计,称为整周期计数;为实际观测值中的不足整数部分,以很高的精度测定.二, 整周期未知数和整周跳变对于载波相位测量来说,其不足整数部分的精度是极高的,但必须正确无误地确定整周期未知数和整周期计数时才有实际意义.连续跟踪的所有载波相位测量值中都包含相同的整周期未知数.确定整周期未知数的方法有伪距法,"Go and Stop"法,两次设站法,快速解求整周期未知数FARA法和将作为整体平差中的待定参数等多种方法.许多型号的GPS 接收机采用FARA法确定,它可以观测1分钟便能确定整周期未知数,这在工程测量中获得了极好的应用.对于摄影测量中确定外方位元素时,通常将整周期未知数作为待定参数纳入平差的数学模型中.是记录时刻除以外的整周期数,它是由GPS 接收机中的记数器逐个累计而得到的.如果在期间的累计工作发生中断,如卫星信号被障碍物暂时阻断,GPS接收机线路故障和外界条件影响等等,那么恢复后的会出现错误,但是仍然是正确的,这就称为整周跳变.我们需要探测何时发生了整周跳变.并将其恢复到正确计数,使这一部分观测数据仍然可用,这就称为整周跳变探测与修复.处理含有整周跳变的观测数据,必须将跳变前后的数据分为两组,各设一个整周期未知数分别处理.由于相位观测值的高次差会因为周跳而产生异常,对于大的跳变可用相位观测值的高次差(如四次差)或多项式进行拟合.对于小的周跳可以采用平差后的残差和卫星间求差来修复.三, GPS 定位作业方式GPS 定位主要包括GPS 实时(导航)定位,事后处理的动态定位和用于测量的静态(或准动态)相对定位等几种.1. GPS动态定位GPS 实时(导航)定位是要求观测和处理数据在定位的瞬间完成,其主要目的是导航.如前所述,绝对定位(单点定位)受到美国政府实施的"SA"(选择可用性)和"AS"(反电子欺骗)技术的影响,采用民用标准定位服务的GPS定位水平位置精度为100米左右.因而多数用户采用差分GPS系统(CDGPS和WADGPS)来提高定位精度.伪距法CDGPS的主站和用户站的作用距离在100公里以内,精度为5～10米.载波相位法CDGPS(也称RTK)的主站和用户站的作用距离在30公里以内,精度为厘米级.而WADGPS则是大范围内建立多个已知坐标的主站和副站,主站通过数据链从副站接收各类误差源,计算三项改正后通讯传给用户站,伪距法WADGPS的定位精度约为1～3米,优于CDGPS.并且主站与副站的距离可达1000公里以上. 2. 事后处理的动态定位这是一种载波相位的动态定位技术.通常一台接收机安置在地面已知点上,而另一台(或多台)接收机置于高速运动的物体上,各站同步观测,事后根据两者间的载波相位差确定运动物体相对于已知点的位置.其特点是主站与用户站之间无须进行实时数据的传输,两者间的距离也少受限制.但是在高速运动的物体上如何确定整周未知数及整周跳变的问题是其技术难点.近年来出现的GPS动态初始化技术OTF (On the Fly)大大提高了事后处理的动态定位的实用性.它的定位精度可达厘米级.主要适用与低轨道卫星的厘米级的精密星载GPS 定位,航空摄影测量,航空重力测量,磁力测量中的确定测量瞬间的空中三维坐标的厘米级的机载GPS 定位技术.3. 用于地面测量的静态(或准动态)相对定位这是一种载波相位的相对定位技术.一般有三种定位模式:静态相对定位利用两套(及以上)的GPS接收机,分别安置在每条基线的端点上,同步观测四颗以上的卫星0.5～1小时,基线的长度在20公里以内.各基线构成网状的封闭图形,事后经过整体平差处理,其精度可达.适用于精度要求较高的国家级大地控制测量,地球形变监测等等.快速静态相对定位在测区中部选一个基准站,用GPS接收机连续跟踪所有可见卫星,另一台接收机依次到各流动站对5颗以上的卫星同步观测1～2分钟,各流动站到基准站的基线的长度在15公里以内,构成以基准站为中心的放射图形.事后处理后其精度可达,但是可靠性较差.适用于小范围的控制测量,工程测量和地籍测量等等.准动态相对定位在测区内选一个基准站,用GPS接收机连续跟踪所有可见卫星,另一台接收机首先在起始站点对5颗以上的卫星同步观测1～2分钟,然后保持对所有卫星的连续跟踪的情况下,流动到各观测站观测数秒钟,各流动站到基准站的基线长度在15公里以内.其特点是各流动站必须保持相位锁定.万一出现失锁现象,必须在失锁后站点延长观测时间1～2分钟,以重新确定整周期未知数和整周期计数.准动态相对定位基线中误差可达1～2厘米,适合于工程测量,线路测量和地形测量等等.第三节GPS定位技术的应用大家知道,航摄像片的定向一直是摄影测量的基本问题之一.长期以来,像片的外方位元素主要依赖于空中三角测量和地面控制点来间接解求.50年代开始各种辅助数据的利用,成为航空摄影测量中空中三角测量研究的热点之一.随着人造卫星技术,微电子技术,和计算机技术的发展,出现的全球定位系统GPS,具有高精度和精密三维动态定位的能力,可用于在航空摄影的同时确定像片的外方位元素(或用于测定地面控制点),从而使得摄影测量的工作量大为减少,甚至可以完全免除地面控制点来进行空中三角测量.GPS 在摄影测量中主要用于航空摄影时的导航,区域网平差中的地面控制和空中控制,在遥感图像处理中,可用于几何精纠正时的控制点测定.GPS将给摄影测量和遥感技术带来一场小的技术革命.一, 航摄飞机的导航航空摄影时采用GPS进行飞机导航已经十分普遍.而在过去导航总是利用罗盘配合现有的地图,像片等资料来进行目视导航.应用目视导航时要求地面标志明显,一旦地面上地物发生较大的变化,地图就显得过于陈旧,因而会造成导航错误.在地物稀少的森林,沙漠和大规模的农业区,由于明显地物的缺少,可见范围内的地物都很相似,也使得目视导航极为困难.对于导航目的而言,手持式单机GPS即可以满足空中定位的要求.飞行人员可把现有地图上的飞行航线的数据输入GPS接收机,来辅助导航.目前已有较为先进的导航系统应用于航摄飞机的导航.它使用计算机来提供连续更新的图形显示以表明飞行航线及飞机当前的位置,飞行人员能很清晰生动地观察到飞机自身的位置和飞行的航线及航迹.理论上可以是全自动导航.一些航摄飞机的导航系统可以将预先设计的摄影位置输入计算机,当飞机进入该区域时系统自动启动快门摄取航空像片.GPS导航大大提高航空摄影的效率,并使其自动化程度大为提高.二, GPS用于测定控制测量地面控制点是指测定航测区域网平差时的大地定向点,立体像对的绝对定向点,单张像片纠正时的纠正点或遥感图像精纠正时的纠正点.实际上它是一种比较简单的GPS定位方法,其实质是用GPS测量取代常规的大地测量.如前所述,可以采用静态相对定位,快速静态相对定位和准动态相对定位的方式,这是GPS的实际应用之一.GPS地面控制测量与常规大地测量相比,具有定位精度高,观测时间短,速度快,操作简便,提供三维坐标和全天候作业的优点,已成为测定地面控制点的主要方法之一.由于GPS采用的是世界大地坐标WGS-84系统,与我国的1954年北京坐标系和1980年国家大地坐标系相比,彼此之间不仅采用的椭球,而且定位和定向均不同.因此,GPS测量获得的坐标是不同于我们常用的大地坐标的.为获得大地坐标,必须在两坐标系之间进行转换.为解决两坐标系间的转换,可采用类似区域网平差中绝对定向的方法,即在该需要转换区域内选择3个以上均匀分布的控制点,已知它们在两个坐标系中的坐标,通过空间相似变换求得七个待定系数(3个平移参数,3个旋转参数和1个缩放参数).但在我国的大部分地区,转换精度较低.常用的方法是首先对GPS网在WGS-84坐标中单独平差处理,然后再以两个以上的地面控制点作为起始点,在大地坐标系(1954年北京坐标系或1980年国家大地坐标系)中进行一次平差处理,可以获得较高的控制测量精度.GPS测定的高程是WGS-84坐标系中的大地高,与我国采用的1985年黄海国家高程基准正常高之间也需要进行转换.GPS大地高与国家高程基准正常高的关系如图9-3-1.设该点的似大地水准面与WGS-84椭球面的似大地水准面差距为(也称为高程异常),大地高与正常高之间的转换需要知道该点处的垂线偏差,由下式计算:(9-3-1)当无重力观测值而未知垂线偏差时,可视,故有(9-3-2 )似大地水准面与GPS参考椭球面的差距在不同地区有不同的数据,可以采用大地测量的方式测定,对于小范围内可视为常数.似大地水准面差距一般可达几十米.由于我国境内尚未建立高精度的似大地水准面差距分布数据.的精度较差,约为3～6米,部分地区在1米以内,难以满足GPS高程转换的要求.通常用下面介绍的曲面拟合法解决.在小区域的GPS网内,将似大地水准面当作曲面,似大地水准面差距表示为平面坐标的函数.通过GPS网中的公共点(即经过水准测量的GPS点)已知的大地水准面差距确定测区的似大地水准面形状,一般采用二次多项式为拟合函数:(9-3-3)式中:为点位坐标;为待定参数;v为拟合误差.假定6个及6个以上的公共点,即可以列出一组误差方程式.应用最小二乘法的原理求得六个待定参数.求得以曲面形式表示的大地水准面形状后,待定点的大地水准面差距:(9-3-4)最后求得正常高: (9-3-5)三, GPS用于航测空中三角测量GPS用于空中三角测量是全球定位系统在航测中应用的重点.由于GPS全球定位系统可用于动态定位,因此我们可以利用置于地面固定点上和飞机上的多台GPS接收机同时快速连续地记录GPS信号,通过采集动态载波相位GPS相对定位技术的离线数据,经过处理后,获得航摄飞行时摄影机曝光时刻,摄站相对于地面已知点在WGS-84坐标系中的三维坐标;然后将其视为辅助观测数据,引入摄影测量区域网平差中,获取最终的大地坐标.GPS在空中三角测量中的应用,可以大大节省,甚至可以完全免除航测外业控制点的测量工作.1, GPS数据采集GPS辅助空中三角测量的数据采集与常规的GPS测量和摄影测量都不完全一样,涉及到一些新的问题.置于地面基准站的GPS接收机应具有精确的三维已知坐标(一般应有世界大地坐标WGS-84和国家大地坐标系的两组坐标坐标和高程),而且应位于地势开阔和地面植被良好的地方,便于使基准点和动态接收机共同观测到卫星和接收GPS信号,并且应预先根据选择最佳的卫星组合图形,确定数据采集时间.进行航空摄影测量动态定位,必须采用具有载波相位功能的码接收机.在起飞和着陆时,机载的GPS接收机应在短基线上相对于基准点上的接收机进行5～15分钟的静态数据采集,称为机载的GPS接收机的初始化,获取整周期未知数.此后基准点和机载GPS接收机不间断同步采集GPS数据,实施各航带的GPS测量. 2, GPS空中三角测量观测方程在GPS空中三角测量中,由于机载的GPS接收机的天线相位中心,不能与航空摄影机物镜后节点重合,产生一个偏心矢量.如果摄影机和GPS接收机固定安装在飞机上,那么该偏心矢量为一个常数,且可以把它在飞机坐标系(像方空间坐标系)中的三个分量测定出来.图9-3-2表示GPS空中控制示意图.由在地面点M和在飞机上的天线中心A的GPS观测值可得到A点以M点为原点的大地坐标.由于偏心矢量是事先测定的.所以摄站点S在以M点为原点的同一坐标系的坐标也可得知.这时需要利用像片角元素,因为偏心矢量是在像方坐标系中测定的.由条件式:(9-3-6)可以列出天线中心A点由GPS数据求得的大地坐标的线性化观测值方程式:(9-3-7)其中:为分别对微分的系数矩阵,为旋转矩阵,是用各待定参数的近似值代入(9-4-6)式求得的近似坐标.而偏心矢量也作为带权观测值处理.(9-4-7)式作为附加的条件,参与GPS辅助区域网空中三角测量数学模型中.3, 摄影瞬间天线相位中心的推算对于航空摄影来说,GPS动态定位时刻和摄影机曝光时间是不同步的.GPS动态定位解算后,获得一定时间间隔的连续的坐标序列.为了精确测得摄站位置,除了应测定偏心矢量外,必须从GPS有规律的坐标序列中内插出摄影机摄影瞬间天线相位中心的位置(或摄影机摄站位置).摄影瞬间天线相位中心的推算,不仅与GPS采样间隔的大小有关,而且必须顾及摄影机曝光瞬间时间内插的精度,高精度的GPS测量一般采用曝光时间内插器(CET)内插曝光时间.航空飞行作业时,航空摄影机会在摄影瞬间发出一个脉冲,它和由GPS 接收机R232接口输出的秒脉冲,通过计算机处理,将曝光时间归化为GPS时间,以便计算机计算该时刻摄影站的位置.实验证明,GPS采样间隔的减小,如0.5秒(或0.25秒),时间内插精度的提高(如厘米级的GPS 测量,需要十微秒级的内插精度),会提高天线相位中心的内插精度.4, GPS在摄影测量中的应用美国,德国等西方国家在20世纪80年代中后期就开始了GPS在航空遥感中解求摄影站位置和外方位元素的试验与研究工作并获得了可喜的成果.如美国国家海洋局1985年在Texas试验区用Cessna172型飞机,Wild RC10摄影机和TI-4100 GPS接收机进行的三条航带的动态定位试验,荷兰Delff大学和德国Stuttgart大学也进行了类似的实验.平面精度平均达3厘米～7厘米,高程在0.30米左右,天线相位中心位置偶然误差在5～6厘米.我国武汉测绘科技大学李德仁院士领导的课题组1990～1994年也进行GPS 空中三角测量的研究,获得了令人满意的结果.GPS 摄站坐标只要达到中等精度就可满足测图的要求,如表9-3-1.航空摄影测量对GPS 定位的精度要求表9-3-1比例尺等高距空中三角测量的精度要求GPS精度要求测图比例尺摄影比例尺(m)1100000110000020543016150000170000102.5215812500015000051.21.25。

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〔3〕高程异常点的数量：假设要用零次多项式进展高程拟合时，要确定1个参数，因此，需要1个以上的点；假设要采用一次多项式进展高程拟合，要确定3个参数，需要3个以上的点；假设要采用二次多项式进展高程拟合，要确定6个参数，那么需要6个以上的点。〔4〕分区拟合法：假设拟合区域较大，可采用分区拟合的方法，即将整个GPS网划分为假设干区域，利用位于各个区域中的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。以下图是一个分区拟合的示意图，拟合分两个区域进展，以虚线为界，位于虚线上的点两个区域都采用。
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四、移动曲面法对待插点建立权函数：权的引入是为了在移动时根据待插点到点的距离给出各点
的不同的影响程度，两点越近影响越大、它并不像测量平差中的权是由误差定义的。目前在DEM中广泛使用的权函数有：
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一般对某一待插点
，假设点满足
可利用用这些点参加内插，那么称以待插点为圆心，半径为R 的圆形移动窗口曲面内插。
设移动到第J个内插点时，欲利用落入该点移动窗口内的m个数据点的高程异常〔 i＝ 1,2,…m〕，以以下多项式计算第j个待插点的高程异常值。
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在m个点上建立误差方程式中，令：
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应用最小二乘原理可得法方程据此求出各个系数，进地球重力场模型是根据卫星跟踪数据。地面重力数据、卫星测高数据等重力场信息、由地球扰动位的球谐函数级数展开式求高程异常。
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GPS 测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤

GPS 测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所
朱智勤
GPS测量数据处理>第八章>第二节 GPS网平差原理
3. 数学模型
两个空间直角坐标系 A 与 B 之间的相互转换七参数模型为：
X B X 0
XA
YB
Y0
(1
m)R(Z
)R(Y
)R(X
)
YA
ZB Z0
Z A
X 0
一般 X 、Y 和 Z 均为小角度，
则可取： cos 1 sin 则有：
1
R() R( Z ) R(Y ) R( X ) Z Y
则转换公式可写为：
其中
Z
1
X
Y
X
1
XB YB ZB
XA YA ZA
X 0
Y0
Z0
K
X Y Z
0 Z A YA
Y
j
K jT
Z j A Z j B
GPS 测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所
朱智勤
GPS测量数据处理>第八章>第二节 GPS网平差原理
则有基本观测方程
XYiijj Zij
❖ 二维平差所谓二维平差是指平差在二维平面坐标系下进行，观测值为二维观测值，解算出的结果为点的二维平面坐标。二维平差一般适合于小范围GPS网的平差。
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朱智勤
GPS测量数据处理>第八章>第一节 GPS网平差的类型
二、无约束平差、约束平差和联合平差
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朱智勤
GPS测量数据处理>第八章 GPS基线向量网平差