毕业论文 本文简介：
长江工程职业技术学院毕业论文???长江工程职业技术学院毕业论文??GPS在控制测量中的应用?????学生姓名罗清白系（部）勘测系专???业工程测量技术指导教师崔建彪老师???二0一二年?五月?一日??目录??论点…………………………………………………………………………2摘要…………………………………
毕业论文 本文内容：
长江工程职业技术学院毕业论文
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长江工程职业技术学院
毕业论文
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GPS在控制测量中的应用
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学生姓名
罗清白
系（部）
勘测系
专???
业
工程测量技术
指导教师崔建彪老师
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二0一二
年?
五
月?
一
日
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目录
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论点…………………………………………………………………………2
摘要…………………………………………………………………………2
第一章
GPS概述……………………………………………………………3
第一节
GPS系统的组成………………………………………………3
论据：第二节
GPS的应用……………………………………………6
论证…………………………………………………………………………7
第二章
GPS定位原理………………………………………………………7
第一节
GPS定位中的误差源…………………………………………7
第二节
GPS基本定位原理……………………………………………11
第三章
GPS控制网的设计…………………………………………………15
第1节总述……………………………………………………………15
第2节GPS基线向量网的等级………………………………………16
第3节GPS基线向量网的布网形式…………………………………17
第4节布设GPS基线向量网时的设计指标…………………………19
第5节
GPS网的设计准则……………………………………………20
第4章GPS外业观测………………………………………………………22
第1节GPS外业观测的作业方式……………………………………22
第2节外业GPS调度与观测记录……………………………………23
第3节GPS数据处理…………………………………………………24
致谢…………………………………………………………………………25
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本文论点
GPS是怎么被提出并建立和运用的，是由什么组成的，它的原理是什么，为什么需要运用这项技术，它在国民经济中有什么作用？
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摘?
要
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GPS是全球定位系统，是随着现代科学技术的迅速发展而建立起来的新一代精密卫星导航定位系统GPS定位技术。由于GPS在具有定位精度高、观测时间短、观测站间无需通视、能提供全球统一的地心坐标等特点，被广泛应用于大地控制测量中。本论文主要讲述GPS定位系统的组成、GPS定位原理、GPS控制网的技术设计及外业运用等内容。
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第一章
GPS概述
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全球定位系统（Global
Positioning
System---GPS）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1991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，向特殊用户惊醒授时，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。
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第1节
系统组成
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GPS系统包括三大部分：地面控制部分；空间部分；用户部分。
1.地面控制部分
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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测站
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，向卫星分布指令；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，除了主控站外，其他4个分别位于夏威夷（Hawaii）、阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（Diego
Garcia）、卡瓦加兰（Kwajalein）。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，它们分别位于阿松森群岛、迭哥伽西亚、和卡瓦加兰。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）。
?
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GPS卫星星座，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。
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GPS卫星信号：
载波：L波段双频L1
1575.42MHZ,?
L2
1227.60MHz
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：卫星轨迹坐标、卫星钟差方程式参数、电离层延迟修正。
3.?
用户部分
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。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。
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
测站间无需通视
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
目前GPS观测可在一天24小时内任何时间进行，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
GPS系统不仅可用于测量、导航、精密工程的变形监测，还可以用于测速、测时、测速的精度可达0.1m/s，测时的精度优于0.2ns，其应用领域在不断扩大。当初，设计GPS系统的主要目的是用于导航，收集情报等军事目的。但是，后来的应用开发表明，GPS系统不仅能够达到上述目的，而且用GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位，米级至亚米级精度的动态定位，亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量。因此，GPS系统展现了极其广阔的应用前景。
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本文论据：第二节
GPS的应用
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1.
GPS应用于导航
主要是为船舶、汽车、飞机等运动物体进行定位导航。例如：船舶远洋导航和进港引水；飞机航路引导和进场降落；汽车自主导航；地面车辆跟踪和城市智能交通管理；紧急救生；个人旅游及野外探险；个人通讯终端（与手机、PDA、电子地图等集成一体）。
2.
GPS应用于授时校频
每个GPS卫星上都装有铯原子钟作星载钟；GPS全部卫星与地面监控站构成一个闭合环的自动修正系统；采用协调世界时UTC（USNO/MC）为参考基准。为了得到精密的GPS时间，一般使它的精确度达到<100ns「相对于UTC」，对特殊用途可以提供授时服务。
当前精密的GPS时间同步技术可以实用10-10—10-11s的同步精度。这一精度可以用于国际上各重要时间和相关物理实验室的原子钟之间的时间传递。利用它可以再地球上不同区域或相当远的距离（数千公里）的实验室上利用各种精密仪器设备对太空扥天体、运动目标，如脉冲星、行星际飞行探测器等进行同步观测，以确定它们的太空位置、物理现象和状态的某种变化。
3.
GPS应用于高精度测量
各种等级的大地测量，控制测量；道路和各种线路放样；水下地形测量；地壳形变测量，大坝和大型监建筑物变形测；GPS数据动态更新；工程机械（轮胎吊，推土机等）控制；精细农业。
经过30余年的证明，GPS系统是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。GPS技术已经发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的高科技术国际性产业。目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。
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本文论证：第二章GPS定位原理
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第一节
GPS定位中的误差源
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GPS定位中出现的各种误差从误差源来讲大体可分为下列三类：
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。
在影响GPS测量精度的众多误差源中，轨道误差是主要误差源。轨道误差对基线测量的影响可用下式表示：
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db=Ddr/ρ=D(km)dr/25000(km)
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式中，dr为轨道误差；D为基线长；ρ为卫星至地球表面距离，大约25000km；db为基线误差。
下表给出了轨道误差对不同长度的基线影响。
轨道误差
基线长度
基线误差
基线误差2.5m?
2.5m?
2.5m?
2.5m?
1km?
10km?
100km?
1000km?
0.1ppm
0.1ppm
0.1ppm
0.1ppm
0.1mm?
1mm?
10mm?
100mm?
0.5m?
0.5m?
0.5m?
0.5m?
1km?
10km?
100km?
1000km?
0.002ppm
0.002ppm
0.002ppm
0.002ppm
0.002mm?
0.02mm?
0.2mm?
2mm?
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（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（钟差、钟速、频源等偏差），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、γ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ρ=t*c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数有关。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、气压和相对温度等因子。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微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的关系。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
相对论效应分为广义相对论和狭义相对论
（1）狭义相对论
由于卫星钟被安置在高速运动的卫星中，按照狭义相对论的观点会产生时间膨胀的现象，对GPS卫星锅钟的影响；若卫星在地心惯性坐标中的运动速度为Vλ，则在地面频率为f的钟安置到卫星上，其频率fλ将变为：
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fλ=f[1-(Vs/c)2]??=f(1-Vs2/(2c2))
?
两者的频率差为：
?
△fλ=
fλ-f=-(Vλ2?fa)/(2c2)
?
考虑到GPS卫星的平均运动速度Vλ=3874m/s和真空中的光速c=299792458m/s，则
?
△fλ=-0.835×10-10
fa
?
因此，卫星上钟的频率将变慢。
（2）广义相对论
原理：由广义相对论可知，若卫星所处的重力位Wλ，地面测站处的重力位WΥ，那么同一台钟放在卫星上和放在地面上时钟频率将相差：
?
△?2=[(Wλ-WT)fa]/c2=[μfa
(1/R-1/r)]/c2
?
其中，μ=3.986005×1014m3/s2
若地面的地心距R近似取6378km，卫星的地心距近似取26560km，则
Δ?2=5.284×10-10?a
由此可以看出，对GPS卫星而言，广义相对论效应的影响比狭义相对论效应的影响要大得多，且符号相反。总的相对论效应影响则为：
Δ?=Δ?1+Δ?2=4.449×10-10?a
既然总的相对论效应会使一台钟放在卫星上去后比在地面时增加4.449×10-10
?a，那么解决相对论效应的最简单的办法就是在制造卫星钟时预先把频率降低4.449×10-10?a。卫星钟的标准频率为10.23×106Hz，所以厂家在生产时应把频率降为
10.23×106×（1-4.449×1010）=10.22999999545×106
Hz
当这些卫星进入轨道受到相对论效应的影响后，频率正好变为标准频率10.23×106Hz。
在该问题的讨论中，取ｒ=26560km，也就是说，在将GPS卫星轨道视作圆轨道进行讨论的。此时，狭义相对论效应和广义相对论效应均为常数，用降低卫星钟频率加以消除。实际上，GPS卫星轨道是一个椭圆，卫星地心的距离及卫星的运动速度V，都将随时间的变化而变化。所以，严格来讲，狭义相对论效应和广义相对论效应都是时间的函数，每颗卫星的改正并不相同。
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。
第二节
GPS基本定位原理
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利用GPS进行定位的基本原理，是以GPS卫星和用户接收机天线之间距离（或距离差）的观测量为基础，并根据已知的卫星瞬时坐标来确定用户接收机所对应的点位，即待定点的三维坐标（x，y，z）。GPS定位的关键是测定用户接收机天线至GPS卫星之间的距离。
1.
伪距的概念及伪距测量
GPS卫星能够按照星载时钟发射结构为伪随机噪声码的信号，称为测距码信号（即粗码C/A码或精码P码）。该信号从卫星发射经时间t后，到达接收机天线；卫星至接收机的空间几何距离p=Ct。
实际上，由于传播时间t中包含有卫星时钟与接收机时钟不同步的误差，测距码在大气中传播的延迟误差等等，因此求得的距离值并非真正的站星几何距离，习惯上称之为“伪距”，用ρ
表示，与之相对应的定位方法称为伪距法定位。
为了测定上述测距码的时间延迟，即GPS卫星信号的传播时间，需要在用户接收机内复制测距码信号，并通过接收机内的可调延时器进行相移，使得复制的码信号与接收到的相应码信号达到最大相关，即使之相应的码元对齐。为此，所谓整的相移量便是卫星发射的测距码信号到达接收机天线的传播时间，即时间延迟。
假设在某一标准时刻Ta卫星发出一个信号，该瞬时卫星钟的时刻为ta，该信号在标准时刻Tb到达接收机，此时相应接收机时钟的读数位tb；于是伪距测量测得的时间延迟，即为tb与ta之差。
由于卫星钟和接收机时钟与标准时间存在着误差，设信号发射和接收时刻的卫星和接收机钟差改正数分别为V和Vb,(Tb-Ta)+(Vb-Va)即为测距码从卫星到接收机的实际传播时间ΔT中已对钟差进行了改正；但由ΔTC所计算出的距离中，仍包含有测距码在大气中传播的延迟误差，必须加以改正数为δρI，对流层折射改正数为δρr,则所求GPS卫星至接收机的真正空间几何距离ρ应为
ρ=C*T-δρI-δρr
伪距测量的精度与测量信号（测距码）的波长及其与接收机复制码的对齐精度有关。目前，接收机的复制码精度一般取1/100，而公开的C/A码波长为293m，故上述伪距测量的精度最高仅能达到3m（2931/100≈3m），难以满足高精度测量定位工作的要求，而用C/A码测距时，通常采用窄相关技术，测距精度可达波长1/1000左右，由于美国于1994年1月31日实施了AS技术，将P码和保密的W码进行模二相加以形成保密的Y码，使得民用用户只能用精度较低的C/A码进行测距，利用Z跟踪技术可对精度较高的P码进行相关处理，与C/A码相结合，可在一定程度上提高测距精度。
实际上，在伪距测量观测方程中，由于卫星上配有高精度的原子钟，且信号发射瞬间的卫星钟差改正数Va可由导航电文中给出的相关时间信息求得。但用户接收机中仅配备一般的石英钟，在接收信号的瞬间，接收机的钟差改正数不可能预先精确求得。因此，在伪距法定位中，把接收机钟差Vb作为未知数，与待定点坐标在数据处理时一并求解。由此可见，在实际单点定位工作中，在一个观测站上为了实时求解四个未知数x、y、z和Vb，便至少需要四个同步伪距观测值ρi。也就是说，至少必须同时观测四颗卫星。伪距法的数学模型为：ρi-cVb=[(Xｎ-X)2+(Yｒ-Y)2+(Zｓ-Z)2]＾?
2．载波相位测量
（1）原理
利用GPS卫星发射的载波为测距信号。由于载波的波长（L1=19.03cm，L2=24.42cm）比测距码波长要短得多，因此对载波进行相位测量，就可能得到较高的测量定位精度。
假设卫星S在t0时刻发出一载波信号，其相位为φ（S）；此时若接收机产生一个频率和初相位与卫星载波信号完全一致的基准信号，在t0瞬间的相位为φ（R）。假设这两个相位之间相差N个整周信号和不足一周的相位Fr(φ)，则相位差：
φ（R）-φ（S）=Fr（φ）+N0
载波信号是一个单纯的余弦波。在载波相位测量中，接收机无法判定所量测信号的整周数，但可精确测定其零数Fr(φ)，并且当接收机对空中飞行的卫星作连续观测时，接收机借助于内含多普勒频移计数器，可累计得到载波信号的整周变化数Int(φ).因此，
φ=Int(φ)+Fr(φ)才是载波相位测量的真正观测值。而N0称为整周模糊度，它是一个未知数，但只要观测是连续的，则各次观测的完整测量值中应含有相同的，也就是说，完整的载波相位观测值应为：
φ′=φ+N0=Int(φ)+Fr(φ)+N0
在t0时刻首次观测值中Int(φ)=0,不足整周的零数为Fr(φ),N0是未知数；在ts时刻N0值不变，接收机实际观测值φ由信号整周变化数Int(φ)和其零数为Fr(φ)组成。
与伪距测量一样，考虑到卫星和接收机的钟差改正数Va，Vb以及电离层折射改正和对流层折射改正δρI，δρr的影响，可得到载波相位测量的基本观测方程为：ρ=φ′?λ，λ为载波波长，代入伪距方程中，得
φ=[(Xｎ-X)2+(Yｒ-Y)2+(Zｓ-Z)2]＾?-δρI-δρr+c?Vb
两式比较可看出，载波相位测量观测方程中，除增加了整周未知数N0外，与伪距测量的观测方程在形式上完全相同。
（3）周跳与整周未知数
1）周跳
如果由于某种原因在两个观测历元之间的某一段时间工作计数器中止了正常的累积工作，从而使整周计数较应有值少了n周，那么当计数器恢复正常工作后，所有的载波相位观测中的整周计数Int(φ)使都会含有同一偏差值——较正常值少n周。这种整周计数Int(φ)出现系统偏差而不足一周的部分Fr(φ)仍然保持正确的现象称为整周跳变，简称周跳。
2）周跳的探测与修复
卫星在空间的运行轨迹是一条平滑的曲线，因而卫星至接收机的载波相位观测值的变化也应是平缓而有规律的，周跳破坏这种规律性，使观测值产生一种系统性的误差。周跳的探测及修复从本质上讲就是如何从载波相位观测值的时间序列中寻找可能存在的这种系统性的粗差并加以改正。探测、修复周跳的方法很多，较为常用的有高次差法、多项式拟合法、利用双频P码伪距观测值等方法。
高次差法：在相邻观测值之间依次求差，一般取三次差，若无周跳，所得结果应在同一量级，否则，会有较大差异。该法虽较为直观，易于理解但不太适合在计算机上运算。
多项式拟合法：从本质上讲与高次差是一致的，其算法适合于计算机运算，被广泛采用。其做法是将n个无周跳的载波相位观测值φ′代入下式，进行拟合：
φ′i=a0+a1(ti-t0)1+a2(ti-t0)2+……+an(ti-t0)nφ′i
用最小二乘法求得式中的系数a0,a1,a2,……an，并根据拟合后的残差Vi计算出中误差
σ={[ViVi]/[m-(n+1)]}＾?
。用求得的多项式系数外推下一历元的载波相位观测值并与实际观测值进行比较，当两者之差小于3σ时，认为无周跳。但不足整周部分要保持不变。
用双频P码伪距观测值来探测、修复周跳；根据任一历元的双频P码伪距观测值P1，P2及载波相位观测值φ1φ2，即可求得宽巷观测值的整周未知数N，若相邻两历元所得整数周未知数之差小于4σ，则认为不存在周跳。
采用该方法时无需提供卫星轨迹、测站坐标等信息，也不需要在测站和卫星间求差，适用于任意长度的基线，与此同时，还可完成粗差的探测和剔除工作，是一种较为理想的方法。该方法在自动化数据编辑中得到了广泛应用。
3）整周未知数
整周未知数的确定是载波相位测量中特有的问题，也是进一步提高GPS定位精度、提高作业速度的关键所在。目前，确定整周未知数的方法主要有三种：伪距法、N0作为未知数参与平差法和三差法。伪距法就是在进行载波相位测量的同时，再进行伪距测量；由两种方法的观测方程可知，将未经过大气改正和钟差改正的伪距观测值减去载波相位实际观测值与波长的乘积，便可求出整周未知数N0
，N0作为未知数参与平差，就是将N0作为未知数，在测后数据处理和平差时与测站坐标一并求解；根据对N0的处理方式不同，可分为“整数解”和“实数解”。三差法就是从观测方程中消去N0的方法，又称为多普勒法，因为对于同一颗卫星来说，每个连续跟踪的观测中，均含有相同的整周求知数，因而将不同观测历元的观测方程相减，即可消去整周未知数N0，从而直接解算出坐标参数。
3.相对定位
相对定位是目前GPS测量中精度最高的一种定位方法，它广泛用于高精度测量工作中。由于GPS测量结果中不可避免地存在着种种误差；但这些误差对观测量的影响具有一定的相关性，所以利用这些观测量的不同线性组合进行相对定位，便可能有效地消除或减弱上述误差的影响，提高GPS定位的精度，同时消除了相关的多余参数，也大大方便了GPS的整体平差工作。如果用平均误差量与两点间的长度相比的相对精度来衡量，GPS相位相对定位的方法的相对定位精度一般可达10-6（lppm），最高可接近10-9（lppb）。
静态相对定位的最基本情况是用两台GPS接收机分别安置在基线的两端，固定不动；同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点在WGS—84坐标系中的相对位置或基线向量，由于在测量过程中，通过重复观测取得了充分的多余观测数据，从而改善了GPS定位的精度。
4.单点定位
SPP（Single
point
positioning）,其优点是只需用一台接收机即可独立确定待求点的绝对坐标；且观测方便，速度快，数据处理也较简单。主要缺点是精度较低，一般来说，只能达到米级的定位精度，目前的手持GPS接收机大多采用的该技术。
5.精密单点定位
PPP（Precise
Point
Positioning）,利用载波相位观测值以及由IGS等组织提供的高精度的卫星钟差来进行高精度单点定位的方法。目前，根据一天的观测值所求得的点位平面位置精度可达2—3cm，高程精度可达3—4cm，实时定位的精度可达分米级。但该定位方式所需顾及方面较多，如精密星历、天线相位中心偏差改正、地球固体潮改正、海潮负荷改正、引力延迟改正、天体轨道摄动改正等，所以精密单点定位目前还处于研究、发展阶段，有些问题还有待深入研究解决。由于该定位方式只需一台GPS接收机，作业方式简便自由，所以PPP已成为当前GPS领域一个研究热点。
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第三章
GPS控制网的设计
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第一节
总述
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一个完整的技术设计，主要应包含如下内容：
1.项目来源
介绍项目的来源、性质、即项目由何单位、部门下达、发包，属于何种性质的项目等。
2.
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。这可为今后工程施测工作的展开提供必要的信息。如在施测时作业时间、交通工具的安排，电力设备使用，通讯设备的使用等。
3.
工程概况
介绍工程的目的、作业、要求、GPS网等级（精度）、完成时间、有无特殊要求等在进行技术设计、实际作业和数据处理中所必须哟了解的信息。
4.
技术依据
介绍工程所依据的测量规范、工程规范、行业标准及相关的技术要求等。
5.
现有测绘成果
介绍测区内及与测区相关地区的现有测绘成果的情况。如已知点、测区地形图等。
6.
施测方案
介绍测量采用的仪器设备的种类、采取的布网方法等。
7.
作业要求
规定选点埋石要求、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、天线稿的测量方法及精度要求等。
8.
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。如数据删除率、RMS值、RATIO值、同步环闭合差、异步环闭合差、相邻点相对中误差、点位中误差等。
9.
数据处理方案
详细的数据处理方案，包括基线解算和网平差处理所采用的软件和处理方法等内容。对于基线解算的数据处理方案，应包含如下内容：基线解算软件、参与解算的观测值、解算时所使用的卫星星历类型等。
对于网平差的数据处理方案，应包含如下内容：网平差处理软件、网平差类型、网平差时的坐标系、基线及投影、起算数据的选取等。
10.
提交成果要求
规定提交成果的类型及形式；若国家技术质量监督总局或行业发布新的技术设计规定，应据之编写。
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第二节
GPS基线向量网的等级
根据我国1992年所颁布的全球定位系统测量规范，GPS基线向量网被分成了A、B、C、D、E五个等级。下面是我国全球定位系统测量规范中有关GPS网等级的有关内容。GPS网的精度指标，通常是以网中相邻点之间的距离误差来表示的其具体形式为：
σ=[a2+(b+D)2]??
其中，
σ：网中相邻点间的距离中误差（mm）；
a：固定误差（mm）;
b：比例误差（ppm）;
D：相邻点间的距离（km）。
对于不同等级的GPS网，有下列的精度要求：
侧量分类
固定误差a(mm)
比例误差b(ppm)
相邻点距离（km）
A
≤5
≤0.1
≤100-2000
B
≤8
≤1
≤15-250
C
≤10
≤5
≤5-40
D
≤10
≤10
≤2-15
E
≤10
≤20
≤1-10
A级网一般为区域或国家框架网、区域动力学网；B级网为国家大地控制网或地方框架网；C级网为地方控制网和工程控制网；D级网为工程控制网；E级网为测图网。
美国联邦大地测量分管委员会在1988年公布的GPS相对定位精度标准中有一个AA级的等级，此等级的网一般为全球性的坐标框架。
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第三节
GPS基线向量网的布网形式
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GPS网常用的布网形式有以下几种：
（1）跟踪站式
（2）会战式
（3）多基线站式（枢纽点式）
（4）同步图形扩展式
（5）单基线站式
1.跟踪站式
（1）布网形式
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，这种观测方式是很像是跟踪站，因此，这种布网形式被称为跟踪站式。
（2）特点
接收机在各个测站上进行了不间断的连续观测，观测时间长、数据量大，而且在处理采用这种方式所采集的数据时，一般采用精密星历，因此，采用此种形式布设的GPS网具有很高的精度和框架基线特性。
每个跟踪站为保证连续观测，一般需要建立专门的永久性建筑即跟踪站，用以安置仪器设备，这使得这种布网形式的观测成本很高。
此种布网形式一般用于建立GPS跟踪站（AA级网），对于普通用途的GPS网，由于此种布网形式观测时间长、成本高，故一般不被采用。
2.会战式
（1）布网形式
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，所有接收机在若干天的时间里分别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，所有接收机有迁移到另外一批点上进行相同方式的观测，直至所有的点观测完毕，这就是所谓的会战式的布网。
（2）特点
所布设的GPS网，因为各基线均进行过较长时间、多时段的观测，因而具有特高的尺度精度。此种布网方式一般用于布设A、B级网。
3.多基线站式
（1）布网形式
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。
（2）特点
所布设的GPS网，由于在各个基准站之间进行了长时间的观测，因此，可以获得较高精度的定位结果，这些高精度的基线向量可以作为整个GPS网的骨架，具较强的网形结构。
4.同步图形扩展式
（1）布网形式
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。
（2）特点
具有扩展速度快，图形强度较高，且作业方法简单的优点。同步图形扩展式是布设GPS网时最常用的一种布网形式。
5.单基线站式
（1）布网形式
又称作星形方式，它是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的星形。流动的接收机有时也称为流动站。
（2）特点
单基准站式的布网方式的效率很高，但是由于各流动站一般只与基准站之间有同步观测基线，故图形强度很弱，为提高图形强度，一般需要每个测站至少进行两次观测。
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第四节
布设GPS基线向量网时的设计指标
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在布设GPS网时，我们除了遵循一定的设计原则外，还需要一些定量的指标来指导我们的工作，在我们进行GPS网的设计时经常需要采用效率指标、可靠性指标和精度指标等。
1.效率指标
在进行GPS网的设计时，我们经常采用效率指标来衡量某种网设计方案的效率，以及在采用某种布设网方案作业时所需要的作业时间、消耗等。
在布设一个GPS网时，在点数、接收机数和平均重复设站次数确定后，则完成该网测设所需的理论最少观测期数（同步观测的时间段数）就可以确定。但是，当按照某个具体的布网方式和观测作业方式进行作业时，要按要求完成整网的测设，所需的观测期数与理论上的最少观测期数会有所差异，理论最少观测期数与设计的观测期数的比值，称之为效率指标（е）,即
е=(Smin)/(sd)
其中：Smin为理论最少观测期数；理论最少观测期数Smin=INT[（R?n）/m]
R为平均重复设站次数；m为接收机数；n为GPS网的点数；
INT（）为凑整函数，INT（x）≥x。
Sd为设计观测期数。
该指标可用来衡量GPS网设计的效率。
2.可靠性指标
GPS网可靠性，可分为内可靠性和外可靠性。所谓GPS网的内可靠性就是指所布设的GPS网发现粗差的能力，即可发现的最小粗差的大小；所谓GPS网的外可靠性就是指GPS网抵御粗差的能力，即未剔除的粗差对GPS网所造成的不良影响的大小。由于内、外可靠性指标在计算上过于
繁琐，因此，在实际的GPS网的设计中采用一个计算较为简单的反映GPS网可靠性的数量指标，该指标就是整网的多余独立基线数与总的独立基线数的比值，称为整网的平均可靠性指标（η），即：η=lr/lt
其中：lr为多余的独立基线数；lr=lt-ln,ln为必要的独立基线数，ln=n-1
Lt为总的独立基线数，lt=s(m-1)，s为观测期数，m为同步观测接收机的台数。
3.精度指标
当GPS网布网方式和观测作业方式确定后，GPS网的网形就确定了，根据已确定的GPS网的网形，可以得到GPS网的设计矩阵B，从而可以得到GPS网的协因数阵Q=（BTPB），在GPS网的设计阶段可以采用tr(Q)作为衡量GPS网精度的指标。
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第五节
GPS网的设计准则
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GPS网设计的出发点是在保证质量的前提下，尽可能地提高效率，努力降低成本。因此，在进行GPS的设计和测量时，既不能脱离实际的应用需求，盲目地追求不必要的高精度和高可靠性；也不能为追求高效率和低成本，而放弃对质量的要求。
1.选点
（1）为保证对卫星的连续跟踪观测和卫星信号的质量，要求测站上空应尽可能地开阔，在10°～15°高度角以上不能有成片的障碍物。
（2）为减少各种电磁波对GPS卫星信号的干扰，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。
（3）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。
（4）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。
（5）测站应选择在易于保存的地方。
2.提高GPS网可靠性的方法
（1）增加观测期数（增加独立基线数）
在布设GPS网时，适当增加观测期数（时段数）对于提高GPS网的可靠性非常有效。因为，随着观测期数的增加，所测得的独立基线数就会增加，而独立基线数的增加，对网的可靠性的提高是非常有益的。
（2）保证一定的重复设站次数
保证一定的重复设站次数，可确保GPS网的可靠性。一方面，通过在同时一测站上的多次观测，可有效地发现设站、对中整平、量测天线高等人为错误；另一方面，重复设站次数的增加，也意味着观测期数的增加。不过，需要注意的是，当同一台接收机在同一测站上连续进行多个时段的观测时，各个时段间必须重新安置仪器，以更好地消除各种人为操作误差和错误。
（3）保证每个测站至少与三条以上的独立基线相连，这样可以使得测站具有较高的可靠性。在布设GPS网时，各个点的可靠性与点位无直接关系，而与该点上所连接的基线数有关，点上所连接的基线数越多，点的可靠性则越高。
（4）在布网时要使网中所有最小异步环的边数不大于6条
在布设GPS网时，检查GPS观测值（基线向量）质量的最佳方法时异步环闭合差，而随着组成异步环的基线向量数的增加，其检验质量的能力将逐渐下降。
3.提高GPS网精度的方法
（1）为保证GPS网中各相邻点具有较高的相对精度，对网中距离较近的点一定要进行同步观测。以获得它们之间的直接观测基线。
（2）为提高整个GPS网的精度，可以在全面网之上布设框架网，以框架网作为整个GPS网的骨架。
（3）在布网时要使网中所有最小异步环的边数不大于6条。
（4）在布设GPS网时，引入高精度激光测距边，作为观测值与GPS观测值（基线向量）一同进行联合平差，或将它们作为起算边长。
（5）若要采用高程拟合的方法，测定网中各点的正常高/正高，则需在布网时，选定一定数量的水准点，水准点的数量应尽可能的多，且应在网中均匀分布，还要保证有部分点分布在网中的四周，将整个网包含在其中。
（6）为提高GPS网的尺度精度，可采用如下方法：增设长时间、多时段的基线向量。
4.布设GPS网时起算点的选取与分布
若要求所布设的GPS网的成果与旧成果吻合最好，则起算点数量越多越好，若不要求所布设的GPS网的成果完全与旧成果吻合，则一般可选3—5个起算点，这样既可以保证新老坐标成果的一致性，也可以保持GPS网的原有精度。
为保证整网的点位精度均匀，起算点一般应均匀地分布在GPS网的周围。要避免所有的起算点分布在网中一侧的情况。
5.布设GPS网时起算边长的选取与分布
在布设GPS网时，可以采用高精度激光测距边作为起算边长，激光测距边的数量可在3—5条左右，可设置在GPS网中的任意位置。但激光测距边两端点的高差不应过分悬殊。
6.布设GPS网时起算方位的选取与分布
在布设GPS网时，可以引入起算方位，但起算方位不宜太多，起算方位可布设在GPS网中的任意位置。
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第四章
GPS外业观测
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第一节
GPS外业观测的作业方式
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同步图形扩展式的作业方式具有作业效率高，图形强度好的特点，是目前在GPS测量中普遍采用的一种布网形式，在此主要介绍该布网方式的作业方式。采用同步图形扩展式布设GPS基线向量网时观测作业方式主要以下几种式：点连式，边连式，网连式，混连式。
1.点连式
（1）观测作业方式
在观测作业时，相邻的同步图形间只通过一个公共点相连。这样，当有m台仪器共同作业时，每观测一个时段，就可以测得m-1个新点，当这些仪器观测了s个时段后，就可以测得1+s(m-1)个点。
（2）特点
作业效率高，图形扩展迅速；它的缺点是图形强度低，如果连接点发生问题，将影响到后面的同步图形。
2.边连式
(1)观测作业方式
在观测作业时，相邻的同步图形间有一条边（即两个公共点）相连。这样，当有m台仪器共同作业时，每观测一个时段，就可以测得m-2个新点，当这些仪器观测了s个时段后，就可以测得2+s(m-2)个点。
（2）特点
具有较好的图形强度和较高的作业效率。
3.网连式
（1）观测作业方式
在作业时，相邻的同步图形间有3个（含3个）以上的公共点相连，这样，当有m台仪器共同作业时，每观测一个时段，就可以测得m-k个新点，当这些仪器观测了s个时段后，就可以测得k+s(m-k)个点。
（2）特点
所测设的GPS网具有很强的图形强度，但网连式观测作业方式的作业效率很低。
4.混连式
（1）观测作业方式
在实际的GPS作业中，一般并不是单独采用上面所介绍的某一种观测作业模式，而使根据具体情况，有选择地灵活采用这几种方式作业，这样一种观测作业方式就是所谓的混连式。
（2）特点
实际作业中最常用的作业方式，它实际上是点连式、边连式和网连式的一个结合体。
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第二节
外业GPS调度与观测记录
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1.调度计划
为保证GPS外业观测作业的顺利进行，保障精度，提高效率，在进行GPS外业观测之前，就编制好调度计划。
（1）GPS卫星可见性预报图表
GPS定位的精度与卫星的几何分布密切相关。从GPS可见性预报图表中可以了解卫星的分布状况。通常利用厂家提供的商用软件，根据由软件得出的计划外业日期的预报星历和测区的概略坐标得到；对于特殊的工程可从IGS网站中获取预报星历。预报图表主要内容包括可见的卫星星历，卫星高度角，方位角及空间位置精度因子PDOP和几何精度因子GDOP等。
2.外业调度
按照技术设计与实地踏勘所得结果，对需测GPS点分布的情况，交通路线等因素加以综合考虑，顾及星历预报，制定合理的外业调度计划。根据测量规范，确定观测段数及每时段观测时间，在保证结果精度的基础上，尽量提高作业效率。
3.观测作业
目前接收机的自动化程度较高，操作人员只需作好以下工作即可：
1）各测站的观测员应按计划规定的时间作业，确保同步观测。
2）确保接收机存储器有足够存储空间。
3）开始观测后，正确输入高度角，天线高及天线高量取方式。
4）观测过程中应注意查看测站信息、接收到的卫星数量、卫星号、各通道信噪比、相位测量残差、实时定位的结果及其变化和存储介质记录等情况。一般来讲，主要注意DOP值的变化，如DOP值偏高（GDOP一般不应高于6），应及时与其他测站观测员取得联系，适当延长观测时间。
5）同一观测时段中，接收机不得关闭或重启；将每测段信息如实记录在GPS测量手簿上。
6）进行长距离高等级GPS测量时，要将气象元素、空气湿度等如实记录，每隔一小时或两小时记录一次。
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第三节
GPS数据处理
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工作内容主要是：
1基线解算：（1）．观测值的处理?
（2）.基线解算
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2?
基线解算的分类：（1）．单基线解算?
（2）．多基线解算
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3
基线解算的质量控制：主要控制（1）．质量控制指标、
（2）．数据删除率、
（3）．RATIO值、（4）．RDOP、（5）．RMS、
（6）.同步环闭合差、（7）．异步环闭合差、
（8）．重复基线较差
4?
GPS基线向量网平差：（1）.网平差的分类、（2）.平差过程
5?
GPS数据处理过程：（1）．原始观测数据的读入、
（2）．外业输入数据的检查与修改、
（3）．基线解算的控制参数、（4）．基线解算、
（5）．基线质量的检验
（6）．平差、（7）．成果转化、（8）．结束
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致???
谢
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在校的这三年时间里很感谢老师们对我的谆谆教诲，是你们教会了我们勤奋学习，诚实做人，踏实做事，以宽容之心面对生活。指引着我们沿着正确方向前进。在点滴汇聚中使我逐渐形成正确、成熟的人生观、价值观。
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非常感谢我的家人，我永远的支持者，正是在你们殷切目光的注视下，我才一步步的完成了求学生涯。没有你们，就不会有今天的我！我一直很感谢你们，让我拥有一个如此温馨的家庭，让我所有的一切都可以在你们这里得到理解和支持，得到谅解和分担。你们的支持和鼓励是我前进的动力。
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非常感谢同学们和朋友对我的关心和照顾，感谢你们给予我帮助与支持。25
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