卫星信号与坐标系统

时间：2023-10-18 百科知识版权反馈

【摘要】：在实际测量定位工作中，虽然GPS卫星的信号依据WGS－84坐标系，但求解的结果则是测站之间的基线向量或三维坐标差。

卫星信号与坐标系统_测量学

13　GPS全球定位系统

13．1　概述

全球导航卫星系统（Global　Navigation　Satellite　System，简称GNSS）是目前世界上已有的全球卫星定位系统的统称，包括了各自独立发展的美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo、中国的Compass（北斗）等多个全球性的导航卫星系统。接收机也已有能同时接收多种导航卫星系统信息的兼容接收机。兼容接收机提高了卫星定位的可靠性和定位精度。由于美国的全球导航卫星系统建成时间早，应用广泛，技术成熟，下面主要介绍美国的全球导航卫星系统。

GPS（Global　Positioning　System）即全球定位系统，是由美国于1993年建成的卫星导航定位系统。该系统是伴随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和定位系统，不仅具有全球性、全天候、连续的三维测速、导航、定位与授时功能，而且具有良好的抗干扰性和保密性。

GPS除用于军事目的外，目前已广泛渗透到了经济建设和科学技术的许多领域，尤其是在大地测量学及其相关学科领域，如在地球动力学、海洋大地测量学、天文学、地球物理和资源勘探、航空与卫星遥感精密工程测量、变形监测、城市控制测量等方面的广泛应用，充分显示了这一卫星定位技术的高精度和高效益。测绘行业正进行着一场意义深远的变革，而测绘科学与技术也由此步入了一个崭新的时代。

与传统测绘相比，GPS测量的优点是：

（1）功能多、用途广。不仅可以测量、导航，还可测速、测时。

（2）测量精度高。GPS观测的精度要明显高于一般的常规测量手段，特别是长基线的观测精度。

（3）全球覆盖和全天候。在任何时间、任何地点、任何气候条件下，均可以进行GPS观测，大大方便了测量作业。

（4）快速、省时、高效率。采用快速静态定位方法，可以在数分钟内获得观测结果。观测精度要求不高时，可以进行实时GPS定位，观测时间更短。

（5）观测、处理自动化。GPS的观测过程和数据处理过程均是高度自动化的。

13．1．1　GPS的组成

GPS主要由空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分三大部分组成。

1）空间星座部分

GPS的空间星座部分由24颗卫星组成，其中包括21颗工作卫星和3颗可随时启用的备用卫星。工作卫星分布在6个近圆形轨道面内，每个轨道面上有4颗卫星。卫星轨道面相对地球赤道面的倾角为55°，各轨道平面升交点的赤经相差60°。同一轨道上两卫星之间的升交角距相差90°，轨道平均高度为20　200　km，卫星运行周期为11小时58分。同时在地平线以上的卫星数目随时间和地点而异，最少为4颗，最多时达11颗，如图13－1所示。

图13－1　GPS卫星星座

上述GPS卫星的空间分布，保障了在地球上任何地点、任何时刻均至少可同时观测到4颗卫星，加之卫星信号的传播和接收不受天气的影响，因此GPS是一种全球性、全天候的连续实时定位系统。

GPS卫星的主要功能是：接收、存储和处理地面监控系统发射来的导航电文及其他有关信息；向用户连续不断地发送导航与定位信息，并提供时间标准、卫星本身的空间实时位置及其他在轨卫星的概略位置；接收并执行地面监控系统发送的控制指令，如调整卫星姿态和启用备用时钟、备用卫星等。

2）地面监控部分

地面监控部分按其功能分为主控站、注入站和监测站。主控站负责协调和管理所有地面监控系统的工作，具体任务有：根据所有地面监测站的观测资料推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层修正参数等，并把这些数据及导航电文传送到注入站；提供全球定位系统的时间基准；调整卫星状态和启用备用卫星等。

注入站的主要任务是通过一台直径为3．6　m的天线，将来自主控站的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令注入相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。

监测站的主要任务是连续观测和接收所有GPS卫星发出的信号并监测卫星的工作状况，将采集到的数据连同当地气象观测资料和时间信息经初步处理后传送到主控站。

3）用户设备部分

用户设备部分包括GPS接收机硬件、数据处理软件和微处理机及终端设备等。

GPS信号接收机是用户设备部分的核心，一般由主机、天线和电源3部分组成。其主要功能是跟踪接收GPS卫星发射的信号并进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。GPS接收机根据其用途可分为导航型、大地型和授时型；根据接收的卫星信号频率，又可分为单频（L1）接收机和双频（L1、L2）接收机等。

在精密定位测量工作中，一般均采用大地型双频接收机或单频接收机。单频接收机适用于10　km左右或更短距离的精密定位工作，其相对定位的精度能达5　mm＋1　ppm·D（D为基线长度，以km计）。而双频接收机由于能同时接收到卫星发射的两种频率的载波信号，故可进行长距离的精密定位工作，其相对定位的精度可优于5　mm＋1　ppm·D，但其结构复杂，价格昂贵。用于精密定位测量工作的GPS接收机，其观测数据必须进行后期处理，因此必须配有功能完善的后处理软件，才能求得所需测站点的三维坐标。

13．1．2　GPS卫星信号与坐标系统

1）GPS卫星信号

GPS卫星发射两种频率的载波信号，即频率为1　575．42　MHz的L1载波和频率为1　227．60　MHz的L2载波，它们的频率分别是基本频率10．23　MHz的154倍和120倍，它们的波长分别为19．03　cm和24．42　cm。在L1和L2上又分别调制着多种信号，这些信号主要有：

（1）C／A码

C／A码又称为粗捕获码，它被调制在L1载波上，其码长为1　023位。由于每颗卫星的C／A码都不一样，因此，我们经常用它们的PRN码来区分它们。C／A码是普通用户用以测定测站到卫星间距离的一种主要信号。

（2）P码

P码又被称为精码，它被调制在L1和L2载波上，其码长为2．35×1014位，周期为七天。

（3）导航信息

导航信息被调制在L1载波上，包含有GPS卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其他一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置，导航信息也被称为卫星广播星历。

2）GPS坐标系统

GPS是全球性的定位导航系统，其坐标系统也必须是全球性的。为了使用方便，它是通过国际协议确定的，通常称为协议地球坐标系。目前，GPS测量中所使用的协议地球坐标系统称为WGS－84世界大地坐标系（World　Geodetic　System）。

WGS－84世界大地坐标系的几何定义是：原点是地球质心，Z轴指向BIH1984．0定义的协议地球极（CTP）方向，X轴指向BIH1984．0的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z轴、X轴构成右手坐标系。

在实际测量定位工作中，虽然GPS卫星的信号依据WGS－84坐标系，但求解的结果则是测站之间的基线向量或三维坐标差。在数据处理时，根据上述结果，并以现有已知点（三点以上）的坐标值作为约束条件，进行整体平差计算，得到各GPS测站点在当地现有坐标系中的实用坐标，从而完成GPS测量结果向国家大地坐标系或当地独立坐标系的转换。

13．2　GPS定位的基本原理

GPS进行定位的方法，根据用户接收机天线在测量中所处的状态来分，可分为静态定位和动态定位；若按定位的结果进行分类，则可分为绝对定位和相对定位。

所谓静态定位，即在定位过程中，接收机天线（待定点）的位置相对于周围地面点而言，处于静止状态。而动态定位正好与之相反，即在定位过程中，接收机天线处于运动状态，也就是说定位结果是连续变化的，如用于飞机、轮船导航定位的方法就属动态定位。

所谓绝对定位，是在WGS－84坐标系中，独立确定观测站相对地球质心绝对位置的方法。GPS绝对定位又称单点定位，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，目前仅能达到米级的定位精度。相对定位同样是在WGS－84坐标系中，确定的则是观测站与某一地面参考点之间的相对位置，或两观测站之间相对位置的方法。

各种定位方法还可有不同的组合，如静态绝对定位、静态相对定位、动态绝对定位、动态相对定位等。现就测绘领域中，最常用的静态定位方法的原理做一简单介绍。

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间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）。由此可见，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。

13．2．1　伪距测量

GPS卫星能够按照卫星时钟发射测距码信号（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；用上述信号传播时间t乘以电磁波在真空中的速度c，就是卫星至接收机的空间几何距离ρ。

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，由此求得的距离值并非真正的星站几何距离，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。

设信号发射和接收时刻的卫星和接收机时钟差改正数分别为Va和Vb，大气中电离层折射改正数为δρI，对流层折射改正数为δρT，则所求GPS卫星至接收机的真正空间几何距离ρ应为

在伪距测量的观测方程中，若卫星时钟和接收机时钟改正数Va和Vb已知，且电离层折射改正和对流层折射改正均可精确求得，那么测定伪距ρ′就等于测定了星站之间的真正几何距离，而卫星坐标（xs，ys，zs）和接收机天线相位中心坐标（x，y，z）之间有如下关系：

卫星的瞬时坐标（xs，ys，zs）可根据接收到的卫星导航电文求得，故式中仅有3个未知数，即待求点三维坐标（x，y，z）。如果接收机同时对3颗卫星进行伪距测量，从理论上说，就可解算出接收机天线相位中心的位置。因此GPS单点定位的实质，就是空间距离后方交会。

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时钟差改正数Va可由导航电文中给出的有关时间信息求得。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，把接收机时钟差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4个未知数x、y、z和Vb，便至少需要4个同步伪距观测值ρi（i＝1，2，3，4）。也就是说，至少必须同时观测4颗卫星。伪距法绝对定位原理的数学模型为：

13．2．2　载波相位测量

载波相位测量顾名思义，是利用GPS卫星发射的载波为测距信号。由于载波的波长（λL1＝19　cm，λL2＝24　cm）比测距码波长要短得多，因此对载波进行相位测量，可以得到较高的定位精度。

载波相位测量是测定卫星的载波信号在传播路程上的相位变化，解得卫星至接收机天线的距离。利用电磁波的相位法测距，通常只能测定不足一整周的相位差，无法确定整周数N0。如果观测是连续的，则初始时刻整周数N0是一个未知数，各次观测的完整测量值中应含有相同的N0，称N0为整周模糊度。

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δρI和对流层折射改正δρT的影响，可得到载波相位测量的基本观测方程为

与（13－2）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。

13．2．3　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，如图13－2所示。在介绍绝对定位方法时已叙及，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。实践表明，以载波相位测量为基础，在中等长度的基线上对卫星连续观测1～3小时，其静态相对定位的精度可达10－6～10－7。

图13－2　GPS相对定位

静态相对定位的基本方法是用两台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。

考虑到GPS定位时的误差来源，当前普遍采用的观测量线性组合方法称之为差分法，其具体形式有3种，即所谓的单差法、双差法和三差法，现分述如下。

1）单差法

所谓单差，即不同观测站同步观测同一颗卫星所得到的观测量之差，也就是在两台接收机之间求一次差，它是GPS相对定位中观测量组合的最基本形式。

单差法并不能提高GPS绝对定位的精度，但由于基线长度与卫星高度相比，是一个微小量，因而两测站的大气折光影响和卫星星历误差的影响，具有良好的相关性。因此，当求一次差时，必然削弱了这些误差的影响；同时消除了卫星钟的误差（因两台接收机在同一时刻接收同一颗卫星的信号，则卫星钟差改正数相等）。由此可见，单差法能有效地提高相对定位的精度，其求算结果应为两测站点间的坐标差，或称基线向量。

2）双差法

双差就是在不同测站上同步观测一组卫星所得到的单差之差，即在接收机和卫星间求二次差。

在单差模型中仍包含有接收机时钟误差，其钟差改正数仍是一个未知量。但是由于进行连续的相关观测，求二次差后，便可有效地消除两测站接收机的相对钟差改正数，这是双差模型的主要优点，同时也大大地减小了其他误差的影响。因此在GPS相对定位中，广泛采用双差法进行平差计算和数据处理。

3）三差法

三差法就是在不同历元，同步观测同一组卫星所得观测量的双差之差，即在接收机、卫星和历元间求三次差。

引入三差法的目的，就在于消除了模型中的整周未知数，这是三差法的主要优点。但由于三差模型中未知参数的数目较少，则独立的观测量方程的数目也明显减少，这对未知数的解算将会产生不良的影响，使精度降低。正是由于这个原因，通常将消除了整周未知数的三差法结果，仅用作前两种方法的初次解（近似值），而在实际工作中采用双差法更加适宜。

13．3　GPS测量的设计与实施

GPS测量的设计与实施的技术依据主要是GPS测量规范和测量任务书。

GPS测量的外业工作主要包括选点、建立观测标志、野外观测以及成果质量检核等；内业工作主要包括GPS测量的技术设计、测后数据处理以及技术总结等。如果按照GPS测量实施的工作程序，则可分为技术设计、选点与建立标志、外业观测、成果检核与处理等阶段。

现将GPS测量中最常用的精密定位方法——静态相对定位方法的工作程序作一简单介绍。

13．3．1　GPS网的技术设计

GPS网的技术设计是一项基础性工作。这项工作应根据网的用途和用户的要求来进行，其主要内容包括精度指标的确定和网的图形设计等。

1）GPS测量的精度指标

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，其具体形式为

式中：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）。

精度指标的确定取决于网的用途，设计时应根据用户的实际需要和可以实现的设备条件，恰当地确定GPS网的精度等级。现将我国不同类级GPS网的精度指标列于表13－1，以供参阅（1997年发布）。

表13－1　GPS测量的精度指标

2）网形设计

GPS网的图形设计就是根据用户要求，确定具体的布网观测方案，其核心是如何高质量低成本地完成既定的测量任务。通常在进行GPS网设计时，必须顾及测站选址、卫星选择、仪器设备装置与后勤交通保障等因素。当网点位置、接收机数量确定以后，网的设计就主要体现在观测时间的确定、网形构造及各点设站观测的次数等方面。

一般GPS网应根据同一时间段内观测的基线边，即同步观测边构成闭合图形（称同步环）。如图13－3所示，闭合图形可以是三角形（需三台接收机，同步观测三条边，其中两条是独立边）、四边形（需四台接收机）或多边形等，以增加检核条件，提高网的可靠性；然后，可按点连式、边连式和网连式这3种基本构网方法，将各种独立的同步环有机地连接成一个整体。由不同的构网方式，又可额外地增加若干条复测基线闭合条件（即对某一基线多次观测之差）和非同步图形（异步环）闭合条件（即用不同时段观测的独立基线联合推算异步环中的某一基线，将推算结果与直接解算的该基线结果进行比较，所得到的坐标差闭合条件），从而进一步提高了GPS网的几何强度及其可靠性。关于各点观测次数的确定，通常应遵循“网中每点必须至少独立设站观测两次”的基本原则。应当指出，布网方案不是唯一的，工作中可根据实际情况灵活布网。

图13－3　同步图形

13．3．2　选点与建立标志

由于GPS测量观测站之间不要求通视，而且网形结构灵活，故选点工作远较常规大地测量简便，并且省去了建立高觇标的费用，降低了成本。但GPS测量又有其自身的特点，因此选点时，应满足以下要求：点位应选在交通方便、易于安置接收设备的地方，且视野开阔，以便于同常规地面控制网的联测；GPS点应避开对电磁波接收有强烈吸收、反射等干扰影响的金属和其他障碍物体，如高压线、电台、电视台、高层建筑、大范围水面等。

点位选定后，应按要求埋置标石，以便保存。最后，应绘制点之记、测站环视图和GPS网选点图，作为提交的选点技术资料。

13．3．3　外业观测

外业观测是指利用GPS接收机采集来自GPS卫星的电磁波信号，其作业过程大致可分为天线安置、接收机操作和观测记录。外业观测应严格按照技术设计时所拟定的观测计划实施，只有这样，才能协调好外业观测的进程，提高工作效率，保证测量成果的精度。为了顺利地完成观测任务，在外业观测之前，还必须对所选定的接收设备进行严格的检验。

天线的妥善安置是实现精密定位的重要条件之一，其具体内容包括：对中、整平、定向并量取天线高。

接收机操作的具体方法步骤，详见仪器使用说明书。实际上，目前GPS接收机的自动化程度相当高，一般仅需按动若干功能键，就能顺利地自动完成测量工作；并且每做一步工作，显示屏上均有提示，大大简化了外业操作工作，降低了劳动强度。

观测记录的形式一般有两种：一种由接收机自动形成，并保存在机载存储器中，供随时调用和处理，这部分内容主要包括接收到的卫星信号、实时定位结果及接收机本身的有关信息。另一种是测量手簿，由操作员随时填写，其中包括观测时的气象元素等其他有关信息。观测记录是GPS定位的原始数据，也是进行后续数据处理的唯一依据，必须妥善保管。

13．3．4　GPS作业模式

随着GPS技术的进步和接收机的迅速发展，GPS在测量定位领域已得到了广泛应用。针对不同的领域和用户的不同要求，需要采用的具体测量方法是不一样的。下面对测绘行业中应用最广的GPS静态测量和实时动态测量的作业模式分别介绍如下。

1）GPS静态定位

目前，GPS静态定位在测量中被广泛用于大地测量、工程测量、地籍测量、物探测量及各种类型的变形监测等，在以上这些应用中，主要还是用于建立各种级别、不同用途的控制网。在这些方面，GPS技术已基本上取代了常规的测量方法，成为了主要的测量手段。

作业方法：采用两台（或两台以上）GPS接收机，分别安置在一条或数条基线的两端，同步观测4颗以上卫星，每时段长45分钟至2小时或更多。基线的定位精度可达5　mm＋1 ppm·D，D为基线长度（km）。

适用范围：建立全球性或国家级大地控制网，建立地壳运动监测网、建立长距离检校基线、进行岛屿与大陆联测、钻井定位及建立精密工程控制网等。

注意事项：所有已观测基线应组成一系列的封闭图形，如图13－4所示，以利于外业检核，提高成果可靠度，并且可以通过平差，有助于进一步提高定位精度。

图13－4　静态相对定位

2）实时动态（RTK）测量

实时动态（Real　Time　Kinematic，简称RTK）测量技术，是GPS测量技术与数据传输技术相结合而构成的组合系统，是一种以载波相位观测量为根据的实时差分测量技术，它是GPS测量技术发展中的一个新突破。其基本思想是：在基准站上安置一台GPS接收机，对所有可见GPS卫星进行连续观测，并将其观测数据，通过无线电传输设备，实时地发送给用户观测站。在用户观测站上，GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时，通过无线电接收设备，接收基准站传输的观测数据，然后根据相对定位的原理，实时地计算并显示用户站的三维坐标及其精度，定位精度可达厘米级。用户观测站可处于暂时静止状态，也可处于运动状态。

GPS　RTK测量系统主要由GPS接收机、数据传输系统、软件系统三部分组成，如图13－5所示。

（1）GPS接收机

GPS　RTK测量系统中至少应包含两台GPS接收机，其中一台安置于基准站上，另一台或若干台分别置于不同的用户流动站上。基准站应设在测区内较高位置，且观测条件良好的已知点上。在作业中，基准站的接收机应连续跟踪全部可见GPS卫星，并利用数据传输系统实时地将观测数据发送给用户站。GPS接收机可以是单频或双频。当系统中包含多个用户接收机时，基准站上的接收机多采用双频接收机，其采样时间间隔应与流动站采样时间间隔相同。

图13－5　GPS　RTK测量系统

（2）数据传输系统

基准站同用户流动站之间的联系是靠数据传输系统（简称数据链）来实现的。数据传输设备是完成实时动态测量的关键设备之一，由调制解调器和无线电台组成。在基准站上，利用调制解调器将有关数据进行编码调制，然后由无线电发射台发射出去。在用户站上利用无线电接收机将其接收下来，再由解调器将数据还原，并送给用户流动站上的GPS接收机。

（3）RTK测量软件系统

软件系统的功能和质量，对于保障实时动态测量的可行性、测量结果的可靠性及精度具有决定性的意义。实时动态测量软件系统应具备的基本功能为：

①整周未知数的快速解算；

②根据相对定位原理，实时解算用户站在WGS－84坐标系中的三维坐标；

③求解坐标系之间的转换参数，并进行坐标系统的转换；

④解算结果的质量分析；

⑤作业模式的选择与转换；

⑥测量结果的显示与绘图。

3）连续运行参考站系统（CORS）

RTK技术是建立在流动站与基准站误差强相关这一假设的基础上的。当流动站离基准站较近（例如不超过10～15　km）时，上述假设一般均能较好地成立，此时利用一个或数个历元的观测资料即可获得厘米级精度的定位结果。然而随着流动站和基准站间间距的增加，这种误差相关性将变得越来越差，定位精度就越来越低，数据通信也受到因作用距离拉长而干扰因素增多的影响。当流动站和基准站间的距离大于15　km时，常规RTK的单历元解一般只能达到分米级的精度。在这种情况下，为了获得高精度的定位结果就必须采取一些特殊的方法和措施，于是连续运行参考站系统便应运而生。

连续运行参考站系统（Continuous　Operational　Reference　System，简称CORS）由基准站网、数据处理中心、数据通信链路和用户部分（流动站）组成。一个基准站网可以包括若干个基准站，每个基准站上配备有双频全波长GNSS接收机、数据通信设备和气象仪器等。基准站的精确坐标一般可采用长时间GNSS静态相对定位等方法确定。基准站GNSS接收机进行连续观测，通过数据通信链实时将观测数据传送给数据处理中心，数据处理中心首先对各个站的数据进行预处理和质量分析，然后对整个基准站网数据进行统一解算，实时估计出网内的各种系统误差的改正项（电离层、对流层和轨道误差），建立误差模型。用户在观测时会实时发送概略坐标（GGA数据）给数据处理中心，然后数据处理中心会根据用户送来的初始观测信息求出流动站上的系统误差改正数播发给用户，用来修正流动站上的观测结果，以获得流动站的精确坐标。基准站与数据处理中心间的数据通信可采用数字数据网DDN或无线通信等方式进行。流动站和数据处理中心间的双向数据通信则可通过移动电话的GSM、GPRS等方式进行。

13．3．5　成果检核与数据处理

观测成果的外业检核是确保外业观测质量，实现预期定位精度的重要环节。所以，当观测任务结束后，必须在测区及时对外业观测数据进行严格的检核，并根据情况采取淘汰或必要的重测、补测措施。只有按照GPS测量规范的要求，对各项检核内容严格检查，确保准确无误，才能进行后续的平差计算和数据处理。前已叙及，GPS测量采用连续同步观测的方法，其数据之多、信息量之大是常规测量方法无法相比的。如按每15秒记录一组数据计算，1小时的连续观测将有240组数据产生；同时，采用的数学模型、算法等形式多样，数据处理的过程相当复杂。在实际工作中，借助于电子计算机，使得数据处理工作的自动化达到了相当高的程度，这也是GPS能够被广泛使用的重要原因。

GPS测量数据处理的基本步骤可划分如下：数据采集和实时定位；数据的粗加工；数据的预处理；基线向量解算；平差计算以及GPS成果或与地面网成果的联合处理。限于篇幅，数据处理和整体平差的方法不作详细介绍。GPS测量数据处理的基本流程，如图13－6所示，可供参考。

图13－6　GPS测量数据处理的基本流程图

本章小结

全球定位系统（GPS）由空间星座、地面监控和用户设备三部分组成。GPS卫星发射L1载波和L2载波，在L1和L2上又分别调制着C／A码和P码信号及导航信息。前者作为GPS定位的基本观测量，后者用来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置。GPS测量使用WGS－84世界大地坐标系。

伪距测量是通过求得站星距离来定位的方法，而对载波进行相位测量，可以得到更高的定位精度。为消除和减弱GPS定位的各种误差，常采用差分法对GPS观测值进行数据处理，在实际计算中常采用双差法。

GPS定位是以GPS卫星和接收机天线之间距离观测量为基础，根据已知的卫星瞬间坐标来确定用户接收机的三维坐标（x，y，z）。GPS定位可分为静态和动态定位；按定位结果又可分为绝对定位和相对定位。观测模式有多种，常采用GPS静态相对定位和RTK技术。

习题与思考题

1．名词解释：GPS坐标系，静态定位，动态定位，绝对定位，相对定位，单差，双差，三差，同步观测环，异步观测环，RTK技术，CORS。

2．与传统测量相比，GPS测量的优点是什么？

3．简要说明GPS定位系统的构成及各部分的作用。

4．GPS卫星有哪两种不同的载波？

5．简述GPS定位的基本原理。