gps 基本原理及基线解算
gps 基本原理及基线解算
城市GPS控制网施测质量控制措施探讨【摘要】本文作者在深入研究全球定位系统（GPS）静态定位原理的基础上，结合多年生产实践经验，就城市GPS控制网的布网原则、等级划分、作业方法及成果整理要求进行了探讨。
通过全面质量控制以确保城市GPS控制网测量成果符合现行测量规范的要求。
【关键词】GPS 基线向量约束平差全球定位系统（Global Positioning System，缩写GPS）是美国第二代卫星导航定位系统。
该系统以其全能性（陆地、海洋、航空和航天）、全球性、全天候、连续性和实时性的导航定位功能，已被广泛地应用于各种等级精度的城市控制测量中。
如何对城市GPS控制网施测进行有效的质量监控，将会直接影响到成果的测量精度。
为此，笔者结合多年的生产实践经验，就如何有效保证城市GPS控制网测量精度制定了一套质量控制措施，以供城市测量GPS用户参考。
一、技术标准※中华人民共和国国家标准《全球定位系统（GPS）测量规范》GB/T 18314-2001※中华人民共和国行业标准《全球定位系统城市测量技术规范》CJJ 73-97※中华人民共和国测绘行业标准《全球定位系统（GPS）测量型接收机检定规程》CH 8016-95※中华人民共和国测绘行业标准《测绘产品检查验收规定》CH 1002-95二、专业技术设计（一）等级划分根据《全球定位系统（GPS）测量规范》和《全球定位系统城市测量技术规程》中规定的城市各级GPS 控制网相邻点间平均距离，要求在城市GPS控制网布设时，其相邻点间平均距离应符合表1要求。
同时，允许相邻点的最小距离可为平均距离的1/3~1/2，最大距离可为平均距离的2~3倍。
考虑到南方地区丘陵、山地地形复杂，因此，在南方地区布设C级GPS控制网时，其平均边长限制可根据实际情况适当放宽到20~25公里，同时规定边长超过25公里的同步环应增测一个时段，以确保GPS测量数据的质量。
城市各级GPS控制网平均边长表1（单位：km）（二）精度设计根据GPS控制网相邻点间基线长度精度计算公式：式中：σ为标准差，单位mm；d为相邻点间距离，单位mm。
GPS静态数据解算(自己整理版详细流程)
汇 报 人： 日 期：2019.6.29
1 PART
GPS静态测量及基线解算
2 PART
曲线要素输入
3 PART
坐标转换
GPS静态观测及基பைடு நூலகம்解算
1、静态GPS原理
静态相对定位是在ＷＧＳ－８４坐标系中，利用载波相位确定 观测站与某一地面参考点之间的相对位置，或两测站之间的相对位置。 也就是我们通常所说的静态测量。测量时必须使用两台或两台以上的 接收机分别摆在不同的测站上，两两测站之间至少要有4颗共同卫星， 同步做一定时间的静止观测。其精度经静态后处理软件处理后可达到 仪器标识的精度（一般在GPS接收机机头上有说明）
一2、、网网形形设设计计
（1） 选点与埋设 在选点时应遵循以下原则： 1）点位周围应便于安置接收设备，视野开阔视场内障碍物的高度角不宜超过15°。 2）点位应远离大功率无线电发射源（如电视台、电台微波站等）及电压输电线和微波无线电信号 传送通道，以避免周围磁场对GPS信号的干扰； 3）点位周围不应有强烈反射卫星信号的物体（如大型建筑物等）； 4）点位应选在交通方便，并有利于用其他测量手段扩展和联测，以提高作业效率； 5）点位应选在地面基础稳固的地方，以利于点位的保存； 6）点位的埋设宜用混凝土现场浇筑的形式埋设为不锈钢标志，埋深应在当地永久冻土层以下0.3 米，桩面注记字体应朝向正北。
（4）设计网形 布设GPS控制网的观测作业方式主要以下几种：点连式、边连式、网连式和混连 式：
3、外业施侧
（1）、观测计划 GPS卫星的可见性图及最佳观测时间的选择 采用的接收机类型和数量 观测区的划分 运输 通信等
（2）野外观测 在外业观测中，仪器操作人员应注意以下事项： 1、 当确认外接电源电缆及天线等各项连接完全无误后，方可接通电源，启动接收机。 2、 一个时段观测过程中，不允许进行以下操作：关闭又重新启动; 改变卫星高度角设置；改变天线位 置；改变数据采样间隔。 3、在观测过程中要特别注意供电情况。 4、仪器高一定要按规定始、末各量测一次，并及时输入仪器及记入测量手簿之中。 5、接收机在观测过程中不要靠近接收机使用对讲机、玩手机。 6、观测过程中要随时查看仪器内存或硬盘容量，每日观测结束后，应及时将数据转存至计算机硬、软 盘上，确保观测数据不丢失。
浅谈影响GPS基线解算结果的因素及处理办法
浅谈影响GPS基线解算结果的因素及处理办法摘要:在大地测量、工程测量、地籍测量、物探测量及各种类型的变形监测等,经常利用GPS布设各种类型和等级的控制网,而基线解算则是GPS控制网观测数据处理过程的重要环节,基线解算质量的好坏直接关系到各条基线的观测精度,从而影响整个控制网的精度。
关键词:基线解算残差周跳1 GPS基线理论知识1.1 基线基本理论GPS基线向量表示了各测站间的位置关系。
GPS基线向量具有长度、水平方位和垂直方位等三项属性。
GPS基线向量是GPS同步观测的直接结果,也是进行GPS网平差,获取最终点位的观测值。
Trimble Geomatics office1.6(简称TGO)软件可利用由静态、快速静态或动态数据采集程序获得的GPS野外观测值基线解。
这里以双差观测值作为平差解算时的观测量,以测站间的基线向量坐标为主要未知量,建立误差方程式、法方程求解基线向量。
1.2 基线解算的类型2 基线解算结果的质量评定指标(1)单位权方差因子:反映观测值的质量,它的数值越小越好。
(2)RMS-均方根误差: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。
(3)数据删除率:数据删除率从某一方面反映出了GPS原始观测值的质量。
(4)RATIO:RATIO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。
(5)RDOP:在基线解算时待定参数的协因数阵的迹的平方根,RDOP值的大小与观测时间段有关。
(6)同步环闭合差:由同步观测基线所组成的闭合环的闭合差。
同步环闭合差超限,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,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。
(7)异步环闭合差: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,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。
GPS导航定位原理以及定位解算算法
GPS导航定位原理以及定位解算算法GPS（全球定位系统）是一种基于卫星信号的导航系统，用于确定地球上任意点的位置和时间。
GPS导航定位的原理基于三个基本原则：距离测量、导航电文和定位解算。
首先，定位解算的基本原理是通过测量卫星与接收器之间的距离差异来确定接收器的位置。
GPS接收器接收卫星发射的信号，并测量信号从卫星到接收器的时间延迟。
通过已知卫星位置和测量时间延迟，可以计算出接收器与卫星之间的距离。
至少需要接收到4个卫星信号才能进行定位解算，因为每个卫星提供三个未知数（x、y、z三个坐标）和一个时间未知数。
其次，GPS导航系统通过导航电文提供的卫星轨道参数来计算卫星的精确位置。
每个卫星通过导航电文向接收器传递关于卫星识别码、卫星轨道和钟差等数据。
接收器使用这些参数来计算卫星的准确位置。
最后，通过定位解算算法，将接收器收到的卫星信号和导航电文中的轨道参数进行计算，可以确定接收器的位置。
定位解算算法主要有两种：三角测量法和最小二乘法。
三角测量法基于三角学原理，通过测量多个卫星与接收器之间的距离差异，然后根据这些距离差异以及卫星的位置信息来计算接收器的位置。
这种算法的优势是计算简单，但受到测量误差的影响较大。
最小二乘法是一种数学优化方法，通过最小化接收器位置与测量距离之间的误差平方和来求解接收器的位置。
该方法考虑到了测量误差的影响，并通过对多个卫星信号进行加权以提高解算的准确性。
除了上述的定位解算算法，GPS导航系统还使用了差分GPS和惯性导航等技术来提高定位精度和可靠性。
差分GPS通过接收器与参考站之间的信号比对，消除了大部分的误差，提高了定位精度。
惯性导航通过测量加速度和角速度来估计接收器的位移，可以在信号丢失或弱化的情况下提供连续的导航定位。
综上所述，GPS导航定位通过距离测量、导航电文和定位解算算法来确定接收器的位置。
通过接收到的卫星信号和导航电文中的轨道参数，定位解算算法能够计算出接收器的位置，并提供准确的导航信息。
GPS导航定位原理以及定位解算算法
GPS导航定位原理以及定位解算算法全球定位系统（GPS）是一种基于卫星导航的定位技术。
其基本原理是通过接收来自卫星系统的信号，并利用这些信号的时间差来计算接收器与卫星之间的距离，进而确定接收器的位置。
GPS定位原理：1.卫星信号发射：GPS系统由一组运行在地球轨道上的卫星组成。
这些卫星通过周期性地广播信号来与地面上的GPS接收器进行通信。
2.接收器接收信号：GPS接收器接收来自卫星的信号，一般至少需要接收到4颗卫星的信号才能进行定位。
3.信号延迟计算：GPS接收器通过测量信号从卫星发射到接收器接收的时间来计算信号的传播延迟，然后将延迟转换为距离。
4.距离计算：GPS接收器通过比较接收的信号与预先知道的卫星发射信号之间的时间差，进而计算出接收器与卫星之间的距离。
5.定位解算：通过同时计算接收器与多颗卫星之间的距离，可以确定接收器所在的位置。
这一过程通常使用三角测量或者多路径等算法来完成。
GPS定位解算算法：1.平面三角测量：这是一种常用的定位解算算法。
通过测量接收器与至少三颗卫星之间的距离，可以得到三个方程，从而确定接收器的位置。
2.弧长法：这一算法通过测量接收器与至少四颗卫星之间的距离，将每个卫星看作是一个弧线，然后通过计算不同卫星间弧线的交点来确定接收器的位置。
3.最小二乘法：这种算法将测量误差最小化，通过最小二乘法来计算接收器与卫星之间的距离和接收器的位置。
4.系统解算：该算法利用多个时间点上的观测数据，通过组合计算来减小误差，精确确定接收器的位置。
GPS定位解算算法根据具体的应用场景和精度要求有所不同，不同的算法有着各自的优缺点。
在实际应用中，通常结合多种算法进行定位，以提高精度。
同时，还可以通过使用差分GPS（DGPS）来消除大气延迟和接收器误差，进一步提高定位精度。
总结：GPS导航定位原理基于卫星信号的接收和测量，通过计算信号传播的时间差来确定接收器与卫星之间的距离，并通过不同的算法进行定位解算。
GPS差分定位原理与解算方法介绍
GPS差分定位原理与解算方法介绍导语：全球定位系统（Global Positioning System，简称GPS）已经成为现代社会中不可或缺的一部分。
它的差分定位原理和解算方法是GPS定位精度提高的重要手段。
本文将从基本原理、差分定位方法和解算流程三个方面进行介绍，希望能带给读者更深入的了解。
一、GPS差分定位的基本原理GPS差分定位技术主要通过消除卫星信号传输过程中的时间延迟和误差，提高定位的精度。
其基本原理如下：1.1 卫星信号传输的时间延迟在GPS定位过程中，卫星信号需要经过大气层的传输。
然而，大气层中存在电离层和对流层等不均匀介质，会导致信号的传输速度和路径发生变化，从而引起时间延迟。
这种时间延迟是影响GPS定位精度的主要因素之一。
1.2 接收机和卫星钟差接收机和卫星钟差也会对GPS定位的精度产生影响。
接收机钟差是指接收机内部时钟的不准确性，而卫星钟差是指卫星内部时钟的不准确性。
误差累积后，会使GPS定位出现较大的误差。
二、GPS差分定位的方法GPS差分定位的方法有静态差分定位和动态差分定位两种。
2.1 静态差分定位静态差分定位主要适用于定位场景相对固定的情况，如建筑物测量和基础设施监测等。
它的工作原理是通过一个称为参考站（Reference Station）的固定GPS接收机对已知位置进行定位，并计算多普勒、钟差和大气层延迟等误差参数。
然后，通过无线通信将这些参数传输给移动接收机，移动接收机利用这些参数进行定位。
2.2 动态差分定位相对于静态差分定位，动态差分定位更适用于移动环境中的定位，如汽车导航和船舶定位等。
动态差分定位的关键是实时计算接收机位置的误差参数，并将其发送给移动接收机进行定位。
通常，这种方法需要两个或更多的接收机组成一个虚拟基线，并使用这些接收机之间的数据进行定位。
三、GPS差分定位的解算流程GPS差分定位的解算流程包括差分基准站的建立、测量数据的采集和处理。
3.1 差分基准站的建立差分基准站是差分定位的核心组成部分，它记录了精确的位置和时间信息，并对卫星信号进行实时观测和处理。
GPS测量基线解算
第六章 GPS 基线解算第1节 GPS 基线解算的基本原理一较为常用的差分观测值为双差观测值双差观测值可以表示为下面的形式(...)dd 为双差分算子ｊ和卫星mf v 为频率f 的双差载波相位观测值的残差ion ρ为电离层延迟f λ为频率f 的载波相位的波长若在某一历元中则可以得到k -1个双差观测值在进行基线解算时而是通过某些方法将它们消除1»ùÏß½âËãʱһ°ãÖ»ÓÐÁ½Àà²ÎÊý数量为32m 为同步观测的卫星数数量为1−m 基线解算基线解算的过程实际上主要是一个平差的过程在基线解算时第一阶段进行初始平差浮动解在第二阶段在第三阶段仅将待定的测站坐标作为未知参数解求出基线向量的最终解-整数解2在基线解算时将基线的一个端点的坐标作为已知值固定固定的点称为起点3此时所解求出的整周未知数为实数1. 初始平差根据双差观测值的观测方程然后组成法方程后其结果为=N C X X X )))待定参数的协因数阵单位权中误差通过初始平差但由于观测值误差使得其结果为实数此时与实数的整周未知数参数对应的基线解被称作基线向量的实数解或浮动解必须准确地确定出整周未知数的整数值目前所采用的方法基本上是以下面将要介绍的搜索法为基础的1. 根据初始平差的结果N X )和NNX XD ))1ÒÔÓëËüÃÇÖÐÎó²îµÄÈô¸É±¶2为搜索半径2. 从上面所确定出的每一个整周未知数的备选整数值中一次选取一个并分别以它们作为已知值确定出相应的基线解[]iCiC X Xi Q Q ))=⋅ ∈♠⋅√∏∝⊗®⊄©〈≠≈∫≥∅≠⊂∂♦ ®[]iC i X X ))=i 0ˆσ不过当出现以下情况时而无法求出该基线向量的整数解其自由度为f 和f2可根据一定的置信水平来加以确定其中i 0ˆσ也被称为RMS3. 确定基线向量的固定解当确定了整周未知数的整数值后第2节 GPS 基线解算的分类一每两台接收机之间就可以形成基线向量其中最多可以选出相互独立的1−m 条同步观测基线只要保证所选的1−m 条独立基线不构成闭和环就可以了凡是构成了闭和环的同步基线是函数相关的但它们却是误差相关的所谓单基线解算对每条基线单独进行解算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一般只用在普通等级GPS 网的测设中多基线解1. 定义与单基线解算不同的是在基线解算时对所有同步观测的独立基线一并解算2. 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在理论上是严密的质量控制指标及其应用1. 质量控制指标n 单位权方差因子0ˆσn 定义fPVV T =0ˆσ其中P 为观测值的权n 实质单位权方差因子又称为参考因子如果观测值的改正数大于某一个阈值时则需要将其删除就是所谓的数据删除率数据删除率越高n RATIOn 定义RATIO RMS RMS =次最小最小显然这一指标取决于多种因素测值的质量有关n RDOPn 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观测条件当基线位置确定后而观测条件又是时间的函数实际上对与某条基线向量来讲n 实质RDOP 表明了GPS 卫星的状态对相对定位的影响它不受观测值质量好坏的影响Root Mean Square 即V 为观测值的残差n 为观测值的总数观测值质量越好反之则RMS 越大观测期间卫星分布图形依照数理统计的理论观测值误差落在1.96倍RMS 的范围内的概率是95%n 特点及作用由于同步观测基线间具有一定的内在联系如果同步环闭合差超限但反过来还不能说明组成同步环的所有基线在质量上均合格2所谓环的闭和差有以下几类∑∆=∆XX ε∑∆=∆ZZ ε∆∆∆++=Sz y x 1222)(εεεε∑S 为环长n 异步环闭合差n 定义不是完全由同步观测基线所组成的闭合环称为异步环n 特点及作用当异步环闭合差满足限差要求时当异步环闭合差不满足限差要求时要确定出哪些基线向量的质量不合格n 重复基线较差n 定义不同观测时段就是所谓重复基线就是重复基线较差应用RATIOËüÃÇÊýÖµµÄ¸ßµÍ²»Äܾø¶ÔµÄ˵Ã÷»ùÏßÖÊÁ¿µÄ¸ßµÍÔò˵Ã÷¹Û²âÖµÖÊÁ¿½Ï²î1Ôò˵Ã÷¹Û²âÌõ¼þ½Ï²î影响GPS 基线解算结果的几个因素影响基线解算结果的因素主要有以下几条会导致基线出现尺度和方向上的偏差导致这些卫星的整周未知数无法准确确定当卫星的观测时间太短时而对与基线解算来讲如果与其相关的整周未知数没有准确确定的话有个别时间段里周跳太多多路径效应比较严重周跳修复是否完全以及多路径效应是否严重等因素二有些是较容易判别的周跳太多对流层或电离层折射影响过大等如起点坐标不准确目前还没有较容易的方法来加生别在实际工作中以避免这种情况的发只要查看观测数据的记录文件中有与每个卫星的观测数据的数量就可以了这就更直观了示例可以从基线解算后所获得的观测值残差上来大部分的基线处理软件一般采用的双差观测值与此相关的所有双差观测值的残差都会出现显著的整数倍的n 多路径效应严重对流层或电离层折射影响的判别不过与整周跳变不同的是对流层或电离层折射影响过大时而只是出现非整数倍的增大但却又明显地大于正常观测值的残差可以在进行基线解算时较为准确的起点坐标可以通过进行较长时间的单点定位或通过与WGS-84坐标较准确的点联测得到所有基线起点的坐标均由一个点坐标衍生而来然后引入系统参数的方法加以解决则可以删除该卫星的观测数据这样可以保证基线解算结果的质量则可采用删除周跳严重的时间段的方法若只是个别卫星经常发生周跳来尝试改善基线解算结果的质量因此另外n 对流层或电离层折射影响过大的应对方法对于对流层或电离层折射影响过大的问题1. 提高截止高度角但这种方法因为不一定受对流层或电离层的影响就大3. 如果观测值是双频观测值3. 基线精化处理的有力工具-残差图在基线解算时经常要判断影响基线解算结果质量的因素残差图对于完成这些工作非常有用0.000.100.10图9 残差图上图是一种常见双差分观测值残差图的形式纵轴表示观测值的残差SV12-SV15Õý³£µÄ²Ð²îͼһ°ãΪ²Ð²îÈÆ×ÅÁãÖáÉÏÏ°ڶ¯下面三个图表明SV12号卫星的观测值中含有周跳周1图11 SV12含有周跳的残差图 0.100.10图12 SV12含有周跳的残差图下面三个残差图表明SV25在21~T T 时间段内受不名因素对流层折射影响严重1.000.001.00图13 SV25受不明因素影响的残差图 残差1.000.001.00图14 SV25受不明因素影响的残差图 0.100.000.10图15 SV25受不明因素影响的残差图 第5节GPS基线解算的过程每一个厂商所生产的接收机都会配备相应的数据处理软件但是它们在使用步骤上却是大体相同的1. 原始观测数据的读入在进行基线解算时一般说来而由第三方所开发的数据处理软件则不一定能对各接收机的原始观测数据进行处理首先需要进行格式转换最常用的格式是RINEX格式大部分的数据处理软件都能直接处理就需要对观测数据进行必要的检查测站名测站坐标对这些项目进行检查的目的3. 设定基线解算的控制参数基线解算的控制参数用以确定数据处理软件采用何种处理方法来进行基线解算通过控制参数的设定4. 基线解算基线解算的过程一般是自动进行的5. 基线质量的检验基线解算完毕后还必须对基线的质量进行检验如果不合格基线的质量检验需要通过RATIO RMSÒì²½»·±ÕºÍ²îºÍÖظ´»ùÏ߽ϲîÀ´½øÐÐ。
GPS基线解算ppt课件
GPS
测 量 数 据 处 理 的 流 程
5
2. 基线解算模式
6
基线向量解
• 基线边长与基线向量
基线边长
基线向量
基线边长（左）与基线向量（右）
7
基线向量解
• 基线向量的表达方式
– 空间直角坐标的坐标差 bi Xi Yi
Z i T
– 大地坐标的坐标差 bi Bi
Li
H i T
– 站心地平坐标的坐标差 bi Ni Ei U i T
• 基线解算控制参数设置
– 星历类型，截止高度角、解的类型、对流层折 射的处理方法、电离层折射的处理方法、周跳 处理方法等
• 基线向量估值及其统计信息
– 基线分量、基线长度、基线分量的方差-协方差 阵/协因数阵、观测值残差RMS、整周模糊度解 方差的比值（RATIO值）、单位权方差因子 （参考方差）
– 所有基线从一点或由该点衍生出的点起算 衍生点 衍生点
基本起算点
衍生点
衍生点
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基线的精化处理方法②
• 卫星的观测时间太短的应对方法
– 删除该卫星的观测数据，不让其参与基线解算
• 周跳的应对方法
– 在发生周跳处增加新的模糊度参数 – 删除周跳严重的时间段的方法
• 多路径误差的应对方法
– 缩小编辑因子的方法来剔除残差较大的观测值 – 删除多路径误差严重的时间段或卫星的数据
WY 3 WZ 3
n n
来进行。
WS 3 3n
– 要求 25
质量的控制指标 ⑤
• 复测基线长度较差
– 定义
• 不同观测时段，对同一条基线的观测结
果，就是所谓复测基线。这些观测结果 之间的差异，就是复测基线较差。
GPS操作流程及基线解算
6）点位的埋设宜用混凝土现场浇筑的形式埋设为不锈钢标 志，埋深应在当地永久冻土层以下0.3米，桩面注记字体应 朝向正北。
（2）GPS网构成的概念
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，简称时段。
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。
2）数据分流。从原始记录中，通过解码将各项数据分类整理， 剔除无效观测值和冗余信息，形成各种数据文件，如星历文件、 观测文件和测站信息文件等。 （以上为数据的粗加工，称为预 处理的准备工作。） 3）观测数据的平滑、滤波。剔除粗差并进一步剔除无效观测 值。 4）统一数据文件格式。将不同类型接收机的数据记录格式、 项目和采样间隔，统一为标准化的文件格式，以便统一处 理。 5）卫星轨道的标准化。为了统一不同来源卫星轨道信息的表 达方式，和平滑GPS卫星每小时更新一次的轨道参数，一般采用 多项式拟合法，使观测时段的卫星轨道标准化，以简化计算工 作，提高定位精度。 6）探测周跳、修复载波相位观测值。
（2）野外观测
在外业观测中，仪器操作人员应注意以下事项：
① 当确认外接电源电缆及天线等各项连接完全无误后，方可接 通电源，启动接收机。
② 开机后接收机有关指示显示正常并通过自检后，方能输入有 关测站和时段控制信息。
③ 接收机在开始记录数据后，应注意查看有关观测卫星数量、 卫星号、相位测量残差、实时定位结果及其变化、存储介质记录 等情况。
根据网的用途及工程控制的精度要求确定GPS
网测量的相应精度等级，精度等级的划分应参 照相应行业的GPS测量规范。 CP I和CP II控制网采用GPS测量时，分别按照二
等和三等测量。
GPS导航定位原理以及定位解算算法
GPS【1】导航定位原理以及定位解算算法全球定位系统(GPS)是英文Global Positioning System的字头缩写词的简称。
它的含义是利用导航卫星进行测时和测距，以构成全球定位系统。
它是由美国国防部主导开发的一套具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航定位系统。
GPS用户部分的核心是GPS接收机。
其主要由基带信号处理和导航解算两部分组成。
其中基带信号处理部分主要包括对GPS卫星信号的二维搜索、捕获、跟踪、伪距计算、导航数据解码等工作。
导航解算部分主要包括根据导航数据中的星历参数实时进行各可视卫星位置计算；根据导航数据中各误差参数进行星钟误差、相对论效应误差、地球自转影响、信号传输误差(主要包括电离层实时传输误差及对流层实时传输误差)等各种实时误差的计算，并将其从伪距中消除；根据上述结果进行接收机PVT（位置、速度、时间）的解算；对各精度因子(DOP)进行实时计算和监测以确定定位解的精度。
本文中重点讨论GPS接收机的导航解算部分，基带信号处理部分可参看有关资料。
本文讨论的假设前提是GPS接收机已经对GPS卫星信号进行了有效捕获和跟踪，对伪距进行了计算，并对导航数据进行了解码工作。
1 地球坐标系简述要描述一个物体的位置必须要有相关联的坐标系，地球表面的GPS接收机的位置是相对于地球而言的。
因此，要描述GPS接收机的位置，需要采用固联于地球上随同地球转动的坐标系、即地球坐标系作为参照系。
地球坐标系有两种几何表达形式，即地球直角坐标系和地球大地坐标系。
地球直角坐标系的定义是：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威治子午圈的交点(即0经度方向)，Y轴在赤道平面里与XOZ构成右手坐标系(即指向东经90度方向)。
地球大地坐标系的定义是：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。
地球表面任意一点的大地纬度为过该点之椭球法线与椭球赤道面的夹角φ，经度为该点所在之椭球子午面与格林威治大地子午面之间的夹角λ ，该点的高度h为该点沿椭球法线至椭球面的距离。
GPS基线计算及质量控制
GPS 基线解算基本理论与质量控制引言近年来，随着全球导航卫星系统（global navigation satellite system ，简称GNSS ）技术的发展，GPS 技术飞速发展，从米级的导航定位到厘米的工程测量应用，再到更高等级的全球地壳形变监测，GPS 定位技术精度越来越高；此外，GPS 作业全天候，无通视要求，施测便利，GPS 技术已逐渐替代传统测量方法。
利用GPS 静态观测数据，采用事后处理GPS 软件，获取精确的定位信息。
在获取高精度的测量数据的同时，人们对于GPS 事后处理软件中基线解算质量控制越来越关注。
本文主要从基线解算的基本原理出发，讨论了基线解算分类、质量控制等内容，并使用HGO 软件解算基线并平差实例来阐述获取高精度基线向量以及基线质量控制的过程。
1 基线解算的基本原理GPS 基线向量是利用由两台或两台以上GPS 接收机所采集的同步观测数据形成的差分观测值，通过参数估计的方法计算出得两两接收机间三维坐标差。
基线向量是既具有长度特性，又具有方向特性的矢量。
基线解算就是利用多个测站的GPS 同步观测数据，确定这些测站之间坐标差的过程。
平差时所采用的观测值主要是双差值。
基线解算分为三个步骤：第一，以双差值观测方程进行初始平差，解算出整周期未知参数和基线向量的实数解；第二，将整周期未知参数固定成整数；第三，将确定的整周期数作为已知数，仅将待定的测站坐标作为未知参数，再次进行平差，解算出基线向量的最终解——整数解（固定解）。
双差观测值可以用以下公式表示：dd （f ϕ）+f v = dd （ρ）+dd （ion ρ）+ dd （trop ρ）+nm ff N ,⨯λ式中：dd （* *）为双差分因子（在i ，j 测站和卫星m,n 间求差）； dd （f ϕ）为频率为f 的载波相位观测值的双差值，f v 为该双差观测值得改正数；ρ为历元t 时刻的伪距，ion ρ为电离层延迟，trop ρ为对流层延迟；f λ为频率为f 的载波相位波长；2 基线解算分类目前，基线解算可以模式可以分为单基线解模式、多基线解（时段）模式和整体解（战役）模式三钟。
GPS静态基线解算原理
GPS静态基线解算原理编写人：**学号： *************所在院系：测绘学院2011年5月目录1 RINEX文件命名与类型............................... - 1 - 1.1 观测文件格式.................................... - 1 -1.2 导航电文文件格式................................ - 4 -2 GPS卫星位置的计算................................. - 7 - 2.1 计算归化时间tk.................................. - 7 - 2.2 对平均运动角速度进行改正........................ - 8 - 2.3 观测时刻卫星平近点角Mk的计算................... - 8 - 2.4 计算偏近点角Ek.................................. - 8 - 2.5 真近点角Vk的计算............................... - 8 - 2.6 升交距角Φk的计算.............................. - 8 - 2.7 摄动改正项δu，δr，δi的计算.................. -8 - 2.8 计算经过摄动改正的升交距角uk、卫星矢径rk和轨道倾角ik ..................................................... -9 - 2.9 计算卫星在轨道平面坐标系的坐标.................. - 9 - 2.10 观测时刻升交点经度Ωk的计算.................... - 9 -2.11 计算卫星在地心固定坐标系中的直角坐标............ - 9 -3 GPS静态基线解算 .................................. - 9 - 3.1 载波相位测量原理................................ - 9 - 3.2 载波相位测量的观测方程......................... - 10 - 3.3 观测值的组合................................... - 11 - 3.4 在接收机和卫星间二次差......................... - 11 - 3.5 观测方程的线性化............................... - 12 -1 RINEX 文件命名与类型1.1 观测文件格式(1)观测文件的文件头如下图列出了头文件中程序里所需要的信息图1-1 rienx o 文件 表1-1 rienx o 文件头文件说明 标签描述RINEX VERSION / TYPE版本格式（2.10） 文件类型 导航系统：空格或’G’为GPS ，‘R’为GLONASS ，‘S’‘T’：‘M’为混合 APPROX POSITION XYZ 标记点概略位置（WGS84） ANTENNA: DELTA H/E/N- 天线高度：天线底部相交于标记点的高度- 天线中心相对标记点东向和北向距离（单位米）文件头观测值WA VELENGTH FACT L1/2 - L1和L2载波的缺省系数1: 整周2: 半周0 (L2载波): 单频接收机-0或空格*WAVELENGTH FACT L1/2 - L1和L2载波的缺省系数1: 整周2: 半周0 (L2载波): 单频接收机- 系数适用的卫星数据- 系数适用的卫星列表# / TYPES OF OBSERV - 文件中观测类型数量- 观测类型如果超过9种观测类型，下行继续观测类型：L1，L2: L1、L2载波相位测量C1: L1载波C/A码伪距测量P1，P2: L1，L2载波P码伪距测量D1，D2: L1、L2载波多普勒频率测量*INTERV AL 以秒为单位的观测间隔TIME OF FIRST OBS-初次观测时间（四字节年，月、日、时、分、秒）-时间系统：GPS（GPS时间系统）GLO（UTC时间系统）*TIME OF LAST OBS -最后观测时间（四字节年，月、日、时、分、秒）-时间系统：GPS（GPS时间系统）GLO（UTC时间系统）*# OF SATELLITES观测到的卫星数量*PRN / # OF OBS 不同的观测类型中，观测到的卫星数量，如果超过9种类型下行继续END OF HEADER 文件头部分的最后一行(2)、观测文件数据记录表1-2 rienx o文件观测值说明观测记录描述观测值的第一行-星历:年(2字节需要时补0) ;月，日，时，分，秒; -星历标志0:表示正常1:表示从前一历元到当前历元观测失败2: 开始移动天线3: 新地点4: 接下来是头信息5: 其它事件-当前历元的卫星数量-当前观测到的卫星列表-接收机钟差（秒，可选）-如果超过12颗卫星，下行继续事件标志:OBSERV ATIONS - 观测值- LLI- 信号强度信号强度设为 1-9级:1: 最小信号强度5: 信噪比S/N9: 最大信号强度0: 或空: 不确定1.2 导航电文文件格式图1-2 （1）、头文件格式表1-3 rinex n 文件头文件说明头文件标签 说明RINEX VERSION/TYPE -RINEX 格式的版本号-文件类型PGN/RUN BY/DA TE -创建本数据文件所采用的名称文件头文件体-创建本数据文件单位名称-创建本数据文件的日期COMMENT 注释行LON ALPHA 历书中的电离层参数A0~A3 ION BETA 历书中的电离层参数B0~B3DELTA-UTC:A0，A1，T，W 用于计算UTC时间的历书参数-A0，A1:多项式系数-T:UTC数据参考时刻-W:UTC参考周数，为连续计数，不是1024余数LEAP SECONDS 由于周跳造成的时间差END OF HEADER 文件头的最后一个记录（2）、数据记录格式表1-4 rinex n 文件头观测值说明观测值记录说明PRN号/历元/卫星钟- 卫星的PRN号- 历元：TOC（卫星钟参考时刻）年，月，日，时，分，秒- 卫星钟的偏差（s）- 卫星钟的漂移（s/s）- 卫星钟的漂移速度（s/s^2）广播轨道—1 - IDOC（数据星历发布时间）-)(mCrs-)/(sradn∆-)(radM广播轨道—2 -)(radCuc- e轨道偏心率-)(radians Cus-))((2/1mAsqrt广播轨道—3 - TOE星历的参考时刻（GPS周内的秒数）-)(radCic-))((OMEGAradΩ-)(radCis ik广播轨道—4 -)(radi-)(mCrc-)(radω-))(/(OMEGADOTsradΩ广播轨道—5 -))(/(IDOTsradi- 2L上的码- GPS周数(与TOE一同表示时间)。
GPS操作流程及基线解算
第八章 GPS操作流程和基线解算第一节 GPS系统组成一、设备GPS系统由空间卫星部分、地面监控部分和用户接收部分三部分组成，如图6.1所示。
1、空间卫星部分（1）GPS卫星星座。
设计星座：21—3，即21颗正式的工作卫星加3颗活动的备用卫星。
6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55°，周期11h58min（顾及地球自转，地球与卫星的几何关系每天提前4min重复一次）。
保证在24h，在高度角15°以上，能够同时观测到4～8颗卫星。
（2）GPS卫星。
GPS卫星的作用是发送用于导航定位的信号等。
主要设备是原子钟（2台铯钟、2台铷钟）、信号生成与发射装置。
类型有试验卫星B1oCk I和工作卫星BloCkⅡ。
（3）GPS卫星由洛克韦尔国际公司空间部研制。
卫星重774kg（包括310kg燃料），采用铝蜂巢结构，主体呈柱形，直径为l。
5m。
星体两侧装有两块双叶对日定向太阳能电池帆板，全长5.33m，接受日光面积7.2㎡。
对日定向系统控制两翼帆板旋转，使板面始终对准太阳，为卫星不断提供电力，并给三组15AH镉镍蓄电池充电，以保证卫星在地影区能正常工作。
在星体底部装有多波束定向天线，这是一种由12个单元构成的成形波束螺旋天线阵，能发射L，和L。
波段的信号，其波束方向图能覆盖约半个地球。
在星体两端面上装有全向遥测遥控天线，用于与地面监控网通信。
此外，卫星上还装有姿态控制系统和轨道控制系统。
工作卫星的设计寿命为7年。
从试验卫星的工作情况看，一般都能超过或远远超过设计寿命。
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。
GPS基线解算
第六章GPS 基线解算第1节GPS 基线解算的基本原理GPS 基线向量表示了各测站间的一种位置关系，即测站与测站间的坐标增量。
GPS 基线向量与常规测量中的基线是有区别的，常规测量中的基线只有长度属性，而GPS 基线向量则具有长度、水平方位和垂直方位等三项属性。
GPS 基线向量是GPS 同步观测的直接结果，也是进行GPS 网平差，获取最终点位的观测值。
一、观测值基线解算一般采用差分观测值，较为常用的差分观测值为双差观测值，即由两个测站的原始观测值分别在测站和卫星间求差后所得到的观测值。
双差观测值可以表示为下面的形式：n mff trop ion f f N dd dd dd v dd ,)()()()(⋅+++=+λρρρφ其中：为双差分算子（在测站i ，j 和卫星m ，n 间求差）；(...)dd 为频率f 的双差载波相位观测值；)(f dd φ为频率f 的双差载波相位观测值的残差（改正数）；f v 为观测历元t 时的站星距离；ρ为电离层延迟；ion ρ为对流层延迟；trop ρ为频率f 的载波相位的波长；f λ为整周未知数。
n m fN ,若在某一历元中，对k 颗卫星数进行了同步观测，则可以得到k -1个双差观测值；若在整个同步观测时段内同步观测卫星的总数为l 则整周未知数的数量为l -1。
在进行基线解算时，和一般并不作为未知参数，而是通过某些方法将它们消ion ρtrop ρ除1。
因此，基线解算时一般只有两类参数，一类是测站的坐标参数，数量为32；另1,3C X 1如用模型改正或双频改正。
2 在基线解算时将基线的一个端点的坐标作为已知值固定，解求另一个点。
固定的点称为起点，待求的点一类是整周未知数参数（m 为同步观测的卫星数），数量为。
1,1-m N X 1-m 二、基线解算（平差）基线解算的过程实际上主要是一个平差的过程，平差所采用的观测值主要是双差观测值。
在基线解算时，平差要分三个阶段进行，第一阶段进行初始平差，解算出整周未知数参数3的和基线向量的实数解（浮动解）；在第二阶段，将整周未知数固定成整数；在第三阶段，将确定了的整周未知数作为已知值，仅将待定的测站坐标作为未知参数，再次进行平差解算，解求出基线向量的最终解-整数解（固定解）。
GPS实验三GPS基线解算
数据格式转换
02
将原始数据格式转换为基线解算软件可识别的格式。
数据筛选与预处理
03
剔除异常数据，进行必要的坐标转换和时间对齐等预处理操作。
基线解算设置与执行
1 2
参数设置
设置基线解算所需的参数，如卫星轨道、地球模 型、时间系统等。
执行基线解算
利用基线解算软件进行数据处理，求解基线向量。
3
输出结果
将基线解算结果输出为所需的格式，如RINEX格 式。
实验结论与讨论
结论
通过本次GPS基线解算实验，我们成功得到了基线的长度和坐标差值，测量精度较高， 验证了GPS技术在测量领域的应用价值。
讨论
为了进一步提高测量精度，可以考虑采用更高精度的GPS接收器，优化数据处理算法， 以及加强信号传播过程中的干扰抑制措施。此外，还可以通过多次测量取平均值的方法
减小误差。
GpsDataPro软件应用实例
某城市高精度地形测量项目
利用GpsDataPro软件对大量GPS观测数据进行处理，得到高精度的地形图。
某桥梁施工监测项目
在桥梁施工过程中，利用GpsDataPro软件对桥梁进行实时监测，确保施工安全。
04
GPS基线解算实验步骤
数据准备与预处理
数据收集
01
收集相关GPS数据，包括卫星观测数据、接收机位置数据等。
高精度数据处理
随着数据获取技术的不断发展，未来需要更加高 效和高精度的数据处理方法，以满足更高精度的 测量和定位需求。
人工智能与机器学习应用
人工智能和机器学习技术在数据处理和分析中具 有巨大的潜力，未来将进一步探索其在GPS基线 解算中的应用，提高数据处理效率和精度。
THANKS
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城市GPS控制网施测质量控制措施探讨
【摘要】本文作者在深入研究全球定位系统（GPS）静态定位原理的基础上，结合多年生产实践经验，就城市GPS控制网的布网原则、等级划分、作业方法及成果整理要求进行了探讨。
通过全面质量控制以确保城市GPS控制网测量成果符合现行测量规范的要求。
【关键词】GPS 基线向量约束平差
全球定位系统（Global Positioning System，缩写GPS）是美国第二代卫星导航定位系统。
该系统以其全能性（陆地、海洋、航空和航天）、全球性、全天候、连续性和实时性的导航定位功能，已被广泛地应用于各种等级精度的城市控制测量中。
如何对城市GPS控制网施测进行有效的质量监控，将会直接影响到成果的测量精度。
为此，笔者结合多年的生产实践经验，就如何有效保证城市GPS控制网测量精度制定了一套质量控制措施，以供城市测量GPS用户参考。
一、技术标准
※中华人民共和国国家标准《全球定位系统（GPS）测量规范》GB/T 18314-2001
※中华人民共和国行业标准《全球定位系统城市测量技术规范》CJJ 73-97
※中华人民共和国测绘行业标准《全球定位系统（GPS）测量型接收机检定规程》CH 8016-95
※中华人民共和国测绘行业标准《测绘产品检查验收规定》CH 1002-95
二、专业技术设计
（一）等级划分
根据《全球定位系统（GPS）测量规范》和《全球定位系统城市测量技术规程》中规定的城市各级GPS 控制网相邻点间平均距离，要求在城市GPS控制网布设时，其相邻点间平均距离应符合表1要求。
同时，允许相邻点的最小距离可为平均距离的1/3~1/2，最大距离可为平均距离的2~3倍。
考虑到南方地区丘陵、山地地形复杂，因此，在南方地区布设C级GPS控制网时，其平均边长限制可根据实际情况适当放宽到20~25公里，同时规定边长超过25公里的同步环应增测一个时段，以确保GPS测量数据的质量。
城市各级GPS控制网平均边长表1（单位：km）
（二）精度设计
根据GPS控制网相邻点间基线长度精度计算公式：
式中：σ为标准差，单位mm；
d为相邻点间距离，单位mm。
计算得到各级GPS控制网最弱边相对中误差限差，同时规定了观测相应等级GPS控制网时所选GPS 接收机标称精度不应低于表2的要求。
布设一级、二级GPS控制网时，由于边长通常都较短，如用最弱边相对中误差来评定控制网精度则很难达到要求，因此，《全球定位系统城市测量技术规程》中规定了当边长小于200米时，则以其边长中误差应小于20毫米为限差要求。
城市各级GPS控制网最弱边相对中误差表2
（三）编写技术设计书
根据测量任务需要，收集测区范围既有的测量资料、有关地形图、交通图、测区总体建设规划和近期发展方面资料，进行资料分析研究，必要时进行实地勘察，按照最优化原则进行室内图上设计。
同时，根据控制网的精度设计要求编写技术设计书，技术设计书应包含如下内容：
※项目来源：介绍项目的来源、性质。
※测区概况：介绍测区的地理位置、气候、人文、经济发展状况、交通条件、通讯条件等。
※工程概况：介绍工程目的、作用、要求、等级（精度）、完成时间等。
※技术依据：介绍作业所依据的测量规范、工程规范、行业标准等。
※施测方案：介绍测量所采用的仪器、采取的布网方法等。
※作业要求：介绍外业观测时的具体操作规程、技术要求等，包括仪器参数的设置（如采样率、截止高度角等）、对中精度、整平精度、天线高的量测方法及精度要求等。
※观测质量控制：介绍外业观测的质量要求，包括质量控制方法及各项限差要求等。
※数据处理方案：说明详细的数据处理方案，包括基线解算方法、网平差处理方法等。
技术设计书经过总工程师审批后即生效，后续所有工作都必须按照技术设计书设计的要求进行生产实施。
三、外业施测
（一）选点埋石
GPS控制网点位选择应符合技术设计的要求，点位基础坚实稳定、易于长期保存、方便观测，视野开阔、交通方便，并应远离大功率无线电发射源。
利用旧点时，应检查旧点的稳定性、可靠性和完好性，符合技术设计要求的方可使用。
城市各级GPS控制网可参照下图所示选用相应的标石类型。
如C级、D级、E级选用Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类，一级、二级选用Ⅳ类。
埋石时，各层标志中心严格在同一铅垂线上，其偏差不得大于2毫米。
强制对中装置的对中精度不得大于1毫米。
选点、埋石结束后应绘制GPS点之记和GPS控制网选点图。
如点位周围有高于10°障碍物时应绘制该点的点位环视图。
（二）GPS外业观测
GPS控制网外业观测时，作业人员应参照表3静态观测基本作业技术要求来执行。
天线对中误差不应大于3毫米，基座圆水准气泡必须居中，观测前后在天线互为120°方向上量取天线斜高，互差应小于5毫米。
开机后把测站相关信息输入GPS接收机并做外业观测记录。
四、内业数据处理
（一）GPS基线向量解算
各级GPS控制网基线解算可采用随机配备的商用软件或经有关部门试验鉴定过的基线解算软件进行GPS基线向量解算。
基线解算后应按以下指标进行质量检核。
1、重复基线长度较差ds应满足下式要求：
2、同步环坐标分量及环线全长闭合差应满足下式要求：
3、异步环坐标闭合差应满足下式要求：
式中：n：闭合环边数；
б：相应级别规定的精度（按实际平均边长计算）。
（二）GPS控制网平差计算
1、三维无约束平差
各级GPS网整体平差计算可采用随机配备的商用软件或经有关部门试验鉴定的商用平差软件进行平差计算。
在基线向量检核符合要求后，以三维基线向量及其相应方差——协方差阵作为观测信息，以一个点的WGS-84系下三维坐标作为起算依据，进行GPS控制网三维无约束平差。
三维无约束平差报表须提供各点在WGS-84系下的三维坐标、各基线向量及其改正数和其精度信息。
基线分量的改正数绝对值应满足下式：
否则，认为该基线或其附近的基线存在粗差，应在平差中采用软件提供的自动方法或人工方法剔除，或者重新解算不合格的基线，直至上式满足为止。
2、二维约束平差
利用三维无约束平差后可靠的观测量，根据实际要求选择在WGS-84坐标系、国家坐标系或地方独立坐标系下进行三维约束平差或二维约束平差。
在约束平差计算中，可以对已知点坐标、已知距离和已知方位进行强制约束或加权约束。
约束平差成果报表中应输出约束平差计算后的坐标、基线向量改正数、基线边长、方位、转换参数及其相应的精度信息。
在约束平差计算中，基线分量的改正数与经过粗差剔除后无约束平差结果的同一基线其相应改正数的绝对差值应满足下式：
否则，认为作为约束的已知坐标、已知距离、已知方位中可能存在一些误差较大的值，因此，需要采用自动或人工的方法剔除这些误差较大的约束值，直至上式满足为止。
3、GPS高程拟合
在三维无约束平差计算后，根据软件的功能和联测已知水准数据的数量选择适当的高程拟合模型进行高程拟合计算。
（三）成果整理及检查验收
GPS内业数据处理完成后应按技术设计书的要求进行项目成果整理。
成果整理包括对平差计算手簿、成果表、GPS构网图、点之记、技术总结等相关资料进行打印装订，刻录数据光盘并标注内容。
成果整理完成后应送质量监督检查部门进行产品检查验收，经质量监督检查部门检查验收评定合格且经过作业中队按照验收意见进行彻底修改完善后，方可将测量成果上交用户使用。