1、山东科技大学泰山科技学院本科学生毕业设计（论文）1摘要GPS 测量具有精度高、速度快等优越性,为了进一步得到可靠的观测成果，需要进行网形结构的优化设计,并制定相应的施测方案。本文从 GPS 控制网流程中实用性出发,与 GPS 控制网在南水北调中线工程第六标段中的应用实例相结合，对流程中的关键环节进行了分析研究，主要探讨和研究内容如下:(1)分析利用 GPS 进行定位的基本方法和观测量的类型，总结 GPS观测量的误差来源和相应的改正措施。(2)在分析 GPS 网可靠性研究和粗差分析具有观测量之间存在着较强的相关性、粗差含量大、多种类型的粗差同时存在等主要特点的基础上，对 GPS 控制网观测数据进
2、行优化研究。(3)研究不同基线数或不同基线边对控制网质量的影响。并用实例论证基于网形的控制网优化设计的可行性和有效性。(4)论述残差理论，分析粗差对残差的影响和 GPS 网可靠性决定因子，推导总结出了 GPS 网可靠性指标，包括 GPS 基线向量的多余观测分量、内部可靠性和外部可靠性指标，总结基于相关分析的 GPS 网可靠性理论。(5)总结提高 GPS 控制网可靠性的措施和基于多余观测的优化设计思路。并通过对 GPS 控制网在南水北调中线工程第六标段中的应用实例的分析得到论证。山东科技大学泰山科技学院本科学生毕业设计（论文）2AbstractGPS measurement of high pr
3、ecision, speed and other advantagesinorder to further secure the observation results, the need or net-shaped structure of the optimal design, and formulate corresponding to test this program. This process from the GPS control network practicability, and GPS control network in the North Water Transfe
4、r Project in the Sixth Application Lot combination of the process was the key to analysis and researh to investigate and research are as follows :Of the basic use of GPS positioning methods and the types of observations, summarize sources of GPS error of the measurements and the corresponding correc
5、tive measures. The reliability of the analysis of GPS network and the gross errors of observables exists between a strong correlation, gross error content of alarge variety of types of gross errors exist based on the major featuresonthe GPS control Optimization of network observation data. The numbe
6、r of different baselines or different baseline edge control network quality. Demonstrated with examples based on shape and control network design of the feasibility and effectiveness. Discusses the residual theory, the impact of outliers on the residuals and theGPS network reliability, determinants,
7、 derived summed up the GPS network reliability, including redundant observations GPS baseline vector components, the internal reliability and external reliability indicators that summarize the GPS network based on correlation analysisof the reliability theory. The GPS control network to improve the
8、reliability of the measuresand the optimization of redundant observations based on design ideas. And through the GPS control network in the North Water Transfer Project of the sixth instance of lot analysis been proved. 山东科技大学泰山科技学院本科学生毕业设计（论文）3目录1 概述 41.1 全球定位技术的概况 41.2 GPS 系统的特点 51.3 国外研究与应用动态 71.
9、4 GPS 在我国工程测量中的应用前景 81.5 本文的主要研究内容 92 GPS 定位的基本原理及误差分析 112.1 GPS 定位技术的原理 112.2 观测量的误差来源及其改正措施 123 控制网的优化设计 .233.1 GPS 控制网优化设计概述 233.2 GPS 控制网的设计原则 233.3 GPS 控制网优化指标 .253.4 GPS 控制网优化设计的方法 .274 南水北调中线工程辉县第六标段 GPS 控制网方案设计 .304.1 工程概况及已有资料分析 .304.2 基准设计及技术要求 .314.3 南水北调中线六标干渠控制网的方案设计 .334.4 选点与埋点 .384.5
10、 外业观测及数据处理 .395 总结 .44山东科技大学泰山科技学院本科学生毕业设计（论文）4致谢辞 .45参考文献 .46附录 中英文翻译 47山东科技大学泰山科技学院本科学生毕业设计（论文）51 概述1.1 全球定位技术的概况全球定位系统（Global Positioning System - GPS）是美国从本世纪 70 年代开始研制，历时 20 年，耗资 200 亿美元，于 1994 年全面建成，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与定位系统。经近 10 年我国测绘等部门的使用表明，GPS 以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖
11、，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。全球定位系统(Global Positioning System，缩写 GPS)是美国第二代卫星导航系统。是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。和子午仪系统一样，全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。按目前的方案，全球定位系统的空间部分使用 24 颗高度约 2.02 万千米的卫星组成卫星星座。21+3 颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为 11 小时 58 分，分布在六个轨
12、道面上（每轨道面四颗），轨道倾角为55 度。卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形（DOP）。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。 山东科技大学泰山科技学院本科学生毕业设计（论文）6地面监控部分包括四个监控间、一个上行注入站和一个主控站。监控站设有 GPS 用户接收机、原子钟、收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机。监控站的主要任务是取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站。主控站主要任务是收集各监控站对 GPS 卫星的全部观测数据，利用这些数据计算每颗 GPS 卫星的轨道和卫星钟改正值。上行注入站也设在范登堡空军基地
13、。它的任务主要是在每颗卫星运行至上空时把这类导航数据及主控站的指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS 卫星每天进行一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。 全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统。随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓， 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。1.2 GPS 系统的特点GPS 导航定位以其高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等特点著称。1定位精度高 【1】目前，GPS 测量基线的精度己经由过去的 10-6-10-7 提高到 10-8-10-9，而 GPS
14、静态相对定位的精度也提高到了毫米级甚至亚毫米级，尤其是高程精度也达到了毫米级。GPS 实时动态定位精度也有显著性的突破，可以达到厘米级的定位精度，可以满足各种工程测量的要求。大型建筑物、构筑物变形监测，在采用特殊的观测措施、精密星历和适当的数据处理模型和软件后，平面精度可达亚毫米级，高程精度可稳定在 山东科技大学泰山科技学院本科学生毕业设计（论文）71 mm 左右。2观测时间短随着 GPS 系统的不断完善，软件水平的不断提高，观测时间已由以前的几小时缩短至现在的几十分钟，甚至几分钟，目前采用静态相对定位模式，观测 20km 以内的基线所需观测时间，对于双频接收机仅需15-20min;采用快速静
15、态相对定位模式，当每个流动站与基准站相距在15km 以内时，流动站观测时间只需 1-2min;采取实时动态定位模式，流动站出发时观测 1-2min 进行动态初始化，然后可随时定位，每站观测仅需几秒钟。因而用 GPS 技术建立控制网，可以大大提高作业效率。3测站间无需通视经典测量技术均有严格的通视要求，必须建造大量的规标，这给经典测量的实施带来了相当的困难。GPS 测量只要求测站上空开阔，与卫星间保持通视即可，不要求测站之间互相通视，因而不再需要建造规标。这一优点既可大大减少测量工作的经费和时间(一般造标费用约占总经费的 30%-50%)，同时也使选点工作变得非常灵活，完全可以根据工作的需要来确
16、定点位位置，也可省去经典测量中的传算点、过渡点的测量工作。4仪器操作简便随着 GPS 接收机的不断改进，GPS 测量的自动化程度越来越高，有的己趋 J 几“傻瓜化” 。在观测中测量员的主要任务只是安置仪器，边接电缆线，量取天线高和气象数据，监视仪器的工作状态，而其它观测工作，如卫星的捕获，跟踪观测和记录等均由仪器自动完成。结束测量时，仅需关闭电源，收好接收机，便完成了野外数据采集任务。5全球全天候定位GPS 卫星的数目较多，且分布均匀，保证了全球地面被连续覆盖，山东科技大学泰山科技学院本科学生毕业设计（论文）8使得地球上任何地方的用户在任何时间至少可以同时观测到 4 颗 GPS 卫星，可以随时
17、进行全球全天候的各项观测工作，一般除打雷闪电不宜观测外，其它天气(如阴雨下雪、起风下雾等)均不受影响，这是经典测量手段望尘莫及的。这一特点，保证了 GPS 测量的连续性和自动化。6可提供全球统一的三维地心坐标经典大地测量将平面与高程采用不同方法分阶段别施测，而 GPS 测量可同时精确测定观测站平面位置和大地高程。目前 GPS 可满足四等水准测量的精度。GPS 测量的这一特点，不仅为研究大地水准面的形状和确定地面点的高程开辟了新途径，同时也为其在航空物探、航空摄影测量及精密导航中的应用，提供了重要的高程数据。另外，GPS 定位是在全球统一的 WGS-84 坐标系统中计算的，因此全球不同地点的测量
18、成果是相互关联的。7应用广泛随着 GPS 定位技术的发展，其应用的领域在不断拓宽，GPS 技术可应用于国民经济的各个领域。目前，在导航方面，它不仅广泛地用于海上、空中和陆地运动目标的导航，而且在运动目标的监控与管理，以及运动目标的报警与救援等方面，也已获得成功地应用;对于测绘行业而言，GPS 定位系统已应用于:大地测量、地籍测量、航空摄影测量、海洋测绘、地壳板块运动监测，建立各种工程控制网和进行各种工程测量等。1.3 国外研究与应用动态自八十年代末，随着全球定位系统(GPS)的广泛应用，世界各发达国家和地区都相继建立了区域性的、高精度 GPS 网。美国自 80 年代起先后建立了国家大地测量(N
19、GS)的跟踪网、美国海岸防护队(USCG)的差分网、联邦航空管理(FAA)的 WAAS 网以及美国工程兵(USACE)的跟踪网山东科技大学泰山科技学院本科学生毕业设计（论文）9等局部网，这些网由美国大地测量局统一负责，称为“连续运行参考站”系统，它由 137 个基准站组成，该系统计划发展到 250 个基准站，平均站距为 100-200 公里，覆盖全美，构成新一代动态国家参考系统。该系统的数据和信息包括每个观测站接收到的卫星伪距、相位信息、站坐标、站移动矢量、GPS 星历、站四周的气象数据等，用户可以很方便地通过信息网络得到。它的主要目的是:使全美领域内的用户更方便地利用该系统实现厘米级的水平定
20、位和导航;促进用户利用空间参考系统来发展GIS;监测地壳形变:支持遥感的应用;求定大气中的水汽分布;监测电离层中自由电子浓度和分布;通过与水准测量结合，实时确定点位的正常高。英国于 1992 年建立了由 700 个站组成的国家 GPS 网，并建立了近30 个 GPS 连续观测站;加拿大大地测量局在本土立了由十几个永久站组成的 GPS 跟踪网;德国也在全国范围内建立了由 100 个永久 GPs 跟踪站组成的卫星定位网，平均站距为 40 公里:日本在全国建成了由近 1200个 GPS 站组成的综合服务系统，该系统的永久跟踪站平均距离 30 公里，构成了一个格网式的 GPS 永久站排列，是日本国家的
21、重要基础设施。上述国家的 GPS 网应用于许多方面，如地震的监测和预报、控制测量、工程控制和监测、测图和地理信息系统的更新、气象监测和预报、研究地球动力等等，为军事、工农业各方面提供服务。目前，利用高精度、连续运行的 GPS 网站建立和维持全球统一的地心测量坐标系，己成为各种测量发展的新趋势。1.4 GPS 在我国工程测量中的应用前景GPS 技术在工程测量中的应用有着广泛的前景，特别是自动变形监测系统、工程施工的自动控制系统是未来应用研究的重要方向之一。GPS 技术的发展为大地测量提供了一种新的高精度的测量手段。由于山东科技大学泰山科技学院本科学生毕业设计（论文）10GPS 测量不需要两点间通
22、视、不受天气影响、能直接获得三维坐标等优点，GPS 技术已成为大地测量的主要手段。建国以来，我国大地测量工作者经过三十多年的努力，在全国范围布设了总长度近 8000 公里的一等锁，构成 120 多个锁环，近 400 个锁段，在一等锁的控制下，全面布设了二等三角网和十字交叉的二等三角锁。全国一、二等三角点 5 万多个，它们构成了全国平面控制的基本网。以后，随着国民经济的发展和测图工作的需要，在一、二等三角锁的控制下，建立了三、四等三角网。在高程控制方面，全国建立了一等水准网，总长度约 9.9 万公里，接着又建立了二、三、四等水准网，以供国民经济和军事保障的需要。经过 30 多年的变化，大地控制网
23、和高程控制网出现了不少的问题:l、许多测量点位遭到破坏，钢标、木标被毁，标石被挖或被建筑物覆盖，致使许多测量标志无法找到，影响了用户的使用。2、控制网精度不高，变形较大，我国的东部和西部的坐标难以统一。3、作业周期长，当全部工程完成时，又有大量点位已发生位移或遭破坏。4、所建立的平面控制和高程控制是各自独立进行的，没有形成统一的坐标系统。5、高精度平面控制点大都选在交通不便的山上，给用户使用造成困难。使用 GPS 布设国家基础网，具有速度快、周期短、精度高、不需建标等优点。近十几年来我国 GPS 应用的发展非常快，从 90 年起到现在，总参测绘局在全国布设了 GPS 一、二级网，国家测绘局布设
24、了国家 A、B 级网，还布设了城市控制网、地区控制网，在道路、铁路、桥梁等施工中山东科技大学泰山科技学院本科学生毕业设计（论文）11GPS 也得到了广泛的应用。我军的部分基地控制网也应用 GPS 进行了改造，GPS 在测量方面的应用越来越广泛，因此研究 GPS 在工程测量方面的应用有着重要的意义。1.5 本文的主要研究内容GPS 测量具有精度高、速度快等优越性，为了进一步得到可靠的观测成果，需要进行网形结构的优化设计，并制定相应的施测方案。本文从 GPS 控制网流程中实用性出发，与 GPS 控制网在南水北调中线工程第六标段中的应用实例相结合，对流程中的关键环节进行了分析研究，主要探讨和研究内容
25、如下:(1)分析利用 GPS 进行定位的基本方法和观测量的类型，总结 GPS观测量的误差来源和相应的改正措施。(2)在分析 GPS 网可靠性研究和粗差分析具有观测量之间存在着较强的相关性、粗差含量大、多种类型的粗差同时存在等主要特点的基础上，对 GPS 控制网观测数据进行优化研究。(3)研究不同基线数或不同基线边对控制网质量的影响。并用实例论证基于网形的控制网优化设计的可行性和有效性。(4)论述残差理论，分析粗差对残差的影响和 GPS 网可靠性决定因子，推导总结出了 GPS 网可靠性指标，包括 GPS 基线向量的多余观测分量、内部可靠性和外部可靠性指标，总结基于相关分析的 GPS 网可靠性理论
26、。(5)总结提高 GPS 控制网可靠性的措施和基于多余观测的优化设计思路。并通过对 GPS 控制网在南水北调中线工程第六标段中的应用实例的分析得到论证。山东科技大学泰山科技学院本科学生毕业设计（论文）12山东科技大学泰山科技学院本科学生毕业设计（论文）132 GPS 定位的基本原理及误差分析利用 GPS 进行定位的方式有多种，根据观测量性质的不同，GPS观测量可分为伪距测量和载波相位测量，由这些基本观测量可以衍生出许多组合观测量，如载波相位测量的各种线性组合。若按参考点位置的不同，可分为绝对定位和相对定位;若按用户接收机在作业中所处的状态，则可分为静态定位和动态定位。目前，高精度 GPS 静态
27、定位大多采用相对定位方法，观测量采用的是载波相位，通常取它们的基本组合形式:单差、双差和三差。采用差分形式的观测量其主要优点是 :可消除或减弱一些具有系统性误差的影响，如卫星轨道误差、钟差及大气折射误差等，同时还可减少平差计算中未知数的数量。本章主要讨论以载波相位为观测量的相对静态定位2.1 GPS 定位技术的原理GPS 定位技术原理概述GPS 卫星发射两种频率的载波信号，即频率为 1575.42MHz 的载波Ll 和频率为 1227.60MHz 的载波 LZ。它们的波长分别约为 19.03cm 和24.42cm。载波 Ll 上调制有 C/A 码和 P 码，载波 LZ 上只有 P 码，其中C/
28、A 码码元波长为 293m，P 码的码元波长为 29.3m。此外，在载波上还调制了每秒 50(bit)的数据导航电文，内容包括卫星星历、电离层模型系数、星钟偏差及漂移信息等。对应于两种测距码伊码和 C/A 码)，GPS提供的定位服务也分为精密定位服务(PPS)和民用的标定位服务(SPS)。其中 P 码只供美国军方和受权用户使用。利用接收机接收到的距码或载山东科技大学泰山科技学院本科学生毕业设计（论文）14波相位均可进行静态定位。受到观测噪声的影响，GPS 接收机对码相位及载波相位的观测精度约在码元长度的 1%以下。对于 C/A 码及载波 Ll而言，码元长度的 1%引起的距离误差分别为 2.93
29、m 和 1.903mm。由此可见，利用载波相位测量的精度远远高于伪距测量精度，伪距测量不能提供高精度的测量结果。载波相位观测量是目前 GPS 测量中精度最高的观测量，而且它不受精码的保密限制。载波相位观测量就其原始意义来说，就是卫星的载波与接收机参考信号之间的相位差。在实用上，为了减弱卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及电离层和对流层折射的影响，常采用原始观测相位值的各种线性组合。2.2 观测量的误差来源及其改正措施2.2.1 误差的分类在 GPS 定位中，影响观测精度的主要误差来源，可分为三类:与GPS 卫星有关的误差，与信号传播有关的误差，与接收设备有关的误差为了便于理解，通常均把各种
30、误差的影响，投影到测站至卫星的距离上，以相应的距离误差表示，并称为等效距离误差。这些误差的细节及其影响参见表 2-1。表 2-1GPS 观测误差来源及其大小其中:S 为基线长，以 km 计。2.2.2 与卫星有关的误差与 GPS 卫星有关的误差，主要包括卫星的轨道误差和卫星钟的误差。(l)卫星误差由于卫星的位置是时间的函数，所以 GPS 的观测量均以精密测时为依据。而与卫星位置相应的时间信息，是通过卫星信号的编码传送给用户的。在 GPS 定位中，无论是码相位观测还是载波相位观测，均要求卫山东科技大学泰山科技学院本科学生毕业设计（论文）15星钟与接收机钟保持严格同步。实际上，尽管 GPS 卫星具
31、有高精度的原子钟，但它们与理想的 GPS 时之间，仍存在着难以避免的偏差或漂移。这种偏差的总量在 1ms 以内，由此引起的等效误差，约可达 300km。对于卫星钟的这种偏差，一般可以通过对卫星钟运行状态的连续监测而精确地确定，并表示为以下二阶多项式的形式:eeji tata02010（2-2） 其中: -为参考历元;et0-为卫星钟的钟差:a-为卫星钟的钟速;1-为卫星钟的钟速变率。2这些数值，由卫星的主控站测定，并通过卫星的导航电文提供给用户。(2)卫星轨道偏差估计与处理卫星的轨道误差一般比较困难，其主要原因是:卫星在运行中要受到多种摄动力的复杂影响，而通过地面监测站又难以充分可靠地测定这些
32、作用力，并掌握它们的作用规律。目前，用户通过导航电文所得到的卫星轨道信息，其相应的位置误差约为 20m-40m。但随着摄动力模型和定轨技术的不断完善,上述卫星的位置精度，可提高到5m-10m。卫星的轨道误差，是当前利用 GPS 定位的重要误差来源之一。GPS卫星距地面观测站的最大距离约为 25000km，如果基线测量的允许误差为 lm，则当基线长度不同时，允许的误差轨道误差大致如表 2-2 所示。山东科技大学泰山科技学院本科学生毕业设计（论文）16可见，在相对定位中，随着基线长度的增加，卫星轨道误差，将成为影响定位精度的主要因素。表 2-2 基线长度与容许轨道误差基线长度（km） 基线相对误差
33、（10-6） 容许轨道误差（m）1.0 10 250.010.0 1.0 25.0100.0 0.1 2.51000.0 0.01 0.25在 GPS 定位中，根据不同的要求，处理卫星轨道误差的方法原则上有三种:忽略轨通误差这时简单地认为，由导航电文所获知的卫星轨道信息，是不含有误差的很明显，这时卫星轨道实际存在的误差，将成为影响定位精度的主要因素之一。这一方法，广泛地应用于实时单点定位工作。采用轨道改进法处理观测数据即在数据处理中，引入表征卫星轨道偏差的改正参数，并假定在短时间里这些参数为常量，将其作为待估量与其它未知参数一并求解。卫星的轨道偏差，主要是由各种摄动力的综合作用而产生的。由于摄
34、动力对卫星轨道 6 个参数的影响并不相同，而且在对卫星轨道摄动进行修正时，所采用的各摄动力模型精度也不一样，所以，在用轨道改进法进行数据处理时，根据引入轨道偏差改正数的不同，又分为短弧法和半短弧法。短弧法：引入全部 6 个轨道偏差改正数，作为待估参数，在数据处理中与其它待估参数一并求解。这种方法，可明显地减弱轨道偏差的影响，从而提高定位的精度，但其计算工作量较大。山东科技大学泰山科技学院本科学生毕业设计（论文）17半短弧法:摄动力对轨道参数的不同影响，只对其中影响较大的参数，引入相应的改正数作为待估参数。半短弧法计算工作量较短弧法明显减少，但同样可以有效地减弱轨道偏差的影响。根据分析，目前经半
35、短弧法修正的卫星轨道偏差，将不会超过 10m。同步观测值求差。利用在两个或多个观测站上，对同一卫星的同步观测值求差，以减弱卫星轨道误差的影响。由于同一卫星的位置偏差，对不同测站同步观测的影响，具有系统性质，所以通过上述求差的方法，可以明显地减弱卫星轨道误差的影响，尤其当基线较短时，其有效性甚为明显。这种方法，对于精密相对定位，具有极其重要的意义。2.2.3 卫星信号的传播误差与卫星信号传播有关的误差，主要包括大气折射误差和多路径效应。(l)电离层折射误差GPS 卫星信号和其它电磁波信号一样，当其通过电离层时，将受到这一介质弥散特性的影响，使信号的传播路径发生变化。电离层对信号传播路径影响的大小
36、，主要取决于电子总量 Nc 和信号的频率 f。对于 GPS 卫星信号来说，在夜间当卫星处于天顶方向时，电离层折射对信号传播路径的影响小于 5m;而在日间正午前后，当卫星接近地平线时，电离层折射对信号传播路径的影响可能大于 150m。为了减弱电离层的影响，在 GPS 定位中通常采取以下措施:利用双频观测由于电离层的影响是信号频率的函数，所以，利用不同频率的电磁波信号进行观测，便可确定其影响的大小，以便对观测量加以修正。实践表明，利用双频观测进行修正、消除电离层影响的有效性将不低于95%。因此，具有双频的 GPS 机，在精度定位工作中得到了广泛的应用。山东科技大学泰山科技学院本科学生毕业设计（论文
37、）18不过应当指出，在太阳辐射强烈的正午，或在太阳黑子活动的异常期，由于修正模型的不完善而引起的残差，仍可能是明显的 【3】利用电离层模型加以修正对于单频 GPS 接收机的用户，为了减弱电离层的影响，一般是采用由导航电文所提供的电离层模型，或其它适宜的电离层模型对观测量加以改正。但是，这种模型至今仍在完善中。目前模型改正的有效性约为75%。利用同步观测值求差即利用两台或多台接收机，对同一组卫星的同步观测值求差，以减弱电离层折射的影响。尤其当观测站的距离较近时(例如小于 20km)，由于卫星信号到达不同观测站的路径相近，所经过的介质状况相似，所以，通过不同观测站对相同的卫星的同步观测值求差，便可
38、显著地减弱电离层折射影响，其残差将不会超过 110-6。对单频 GPS 接收机的用户，这一方法的重要意义尤为明显。(2)对流层折射误差对流层延迟一般泛指非电离大气对电磁波的折射。非电离大气包括对流层和平流层，大约是大气层从地面向上 50km 部分，由于折射的 80%发生在对流层，所以通常叫做对流层折射。对流折射对观测值的影响，可分干分量和湿分量两部分，干分量主要与大气的温度与压力有关，而湿分量主要与信号传播路径上的大气湿度与高度有关。当卫星处于天顶方向时，对流层干分量对距离观测值的影响，约占对流层影响的 90%，且这种影响可应用地面大气资料计算。若地面平均大气压为 1O13mbar，则在天顶方
39、向，干分量对所测距离的影响约为2.3m，而当高度角为 10 度时，其影响约为 20m。由于大气中的水汽分布在时间和空间上变化很大，湿分量尚无法准确地测定。因此，当要求山东科技大学泰山科技学院本科学生毕业设计（论文）19定位精度较高，或基线较长时(例如大于 50km)，它将成为误差的主要来源之一。对流层折射的影响，一般有以下几种处理方法:定位精度要求不高时，可以简单地忽略。采用对流层模型加以改正。引入描述对流层影响的附加待估参数，在数据处理中一并求解。观测量求差。与电离层的影响相类似，当两观测站相距不太远时(例如小于 20km)，由于信号通过对流层的路径相似，对流层的物理特性相似，所以，对同一星
40、的同步观测值求差，可以明显地减弱对流层折射的影响。因此，这一方法在精密相对定位中，应用甚为广泛。不过，随着同步观测站之间距离的增大，地区天气状况的相关性很快减弱，这一方法的有效性也将随之降低。(3)多路径误差多路径效应，通常也叫多路径误差，即接收机天线除直接接收到卫星发射的信号外，尚可能收到经天线周围地物一次或多次反射的卫星信号。两种信号一叠加，将会引起测量参考点(相位中心)位置的变化，从而使观测值产生误差。而且这种误差随着天线周围反射面的性质而异，难以控制。根据实验资料表明，在一般反射环境下，多路径效应对测码伪距的影响可达米级，对测相伪距的影响可达厘米级;而在高反射环境下，不仅其影响将显著增
41、大，而且常常导致接收的卫星信号失锁和使载波相位观测量产生周跳。因此，在精密 GPS 导航和测量中，多路径效应的影响足不可忽视的。多路径效应的影响，一般包括常数部分和周期性部分，其中常数部分，在同一地点将会日复一日的重复出现。目前，减弱多路径效应影响的措施，主要有:安置接收机天线的环境，应避开较强的反射面，如水面，平坦光滑的地面和平整的建筑物表面等;山东科技大学泰山科技学院本科学生毕业设计（论文）20选择造型适宜且屏蔽良好的天线，例如，采用扼流圈天线等;适当延长观测时间，削弱多路径效应的周期性影响;改善 GPS 接收机的电路设计，以减弱多路径效应的影响。2.2.4 与接收机设备有关的误差与用户接
42、收设备有关的误差，主要包括观测误差、接收机钟差、天线相位中心误差和载波相位观测整周不定性的影响。(l)观测误差这类误差，除观测的分辨误差之外，尚包括接收机天线相对测站点的安置误差。根据经验，一般认为观测的分辨误差约为信号波长的1%。GPS 码信号和载波信号的观测精度见表 2 一 3。观测误差属偶然性质的误差，适当地增加观测量，将会明显地减弱其影响。表 2-3 码相位与载波相位的分辨误差 【4】信号 波长 观测误差P 码 29.3m 0.3mC/A 码 293m 2.9m载波 L1 19.05cm 2.0m载波 L2 24.45cm 2.5m接收机天线相对观测站中心的安置误差，主要有天线的置平与
43、对中误差和量取天线相位中心高度(天线高)的误差。例如，当天线高为1.6m 时，如果天线置平误差为 0.1，则由此引起的光学对中器的对中误差，约为 3mm。因此，在精密定位工作中，必须仔细操作，以尽量减小这种误差的影响。(2)接收机的钟差GPS 接收机一般设有高精度的石英钟，其稳定度约为 109。如果接收机与卫星钟之间的同步差为 1us，则由此引起的等效距离误差约为山东科技大学泰山科技学院本科学生毕业设计（论文）21300m。处理接收机钟差比较有效的办法，是在每个观测站上，引入钟参数作为未知数，在数据处理中与观测站的位置参数一并求解。这一方法广泛应用于实时动态绝对定位。在定位精度要求较高时，可以
44、采用高精度的外接频标(即时间标准)如铷原子钟和铯原子钟，以提高接收机时间标准的精度。在精密相对定位中，还可以利用观测值求差的方法，有效的减弱接收机钟差的影响。(3)载波相位观测的整周未知数载波相位观测法，是当前普遍采用的最精密的观测方法，能精确地测定卫星至观测站的距离。但是，由于接收机只能测定载波相位非整周的小数部分和从某一起始历元至观测历元间载波相位变化的整周数，而无法测定载波相位相应该起始历元在传播路径上变化的整周数。因而，在测量伪距观测值中，存在整周未知数的影响。这是载波相位观测法的主要缺点。另外，载波相位观测，除了上述整周未知数之外，在观测过程中，还可能发生整周跳变的问题。当用户接收机
45、收到卫星信号并进行实时跟踪(锁定)后，载波信号的整周数，便可由接收机自动地计数。但是在中途，如果卫星的信号被阻挡或受到干扰，则接收机的跟踪便可能中断(失锁)。而当卫星信号被重新锁定后，被测载波相位的小数部分，将仍和未发生中断一样，是连续的，可这时整周数却不再是连续的。这种情况称为整周变跳或周跳。周跳现象，在载波相位测量中是经常发生的，它对距离观测的影响和整周未知数的影响相似，在精密定位的数据处理中，都是一个非常重要的问题。(4)天线的相位中心位置误差山东科技大学泰山科技学院本科学生毕业设计（论文）22在 GPS 定位中，无论是测码伪距或是测相伪距，观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准的，而
46、天线的相位中心与其几何中心，在理论上应保持一致。可是，实际上天线的相位中心位置，随着信号输入的强度和方向不同而有所变化，即观测时相位中心的瞬时位置(一般称视相位中心)，与理论上的相位中心位置将有所不同。天线相位中心的偏差对相位定位结果的影响，根据天线性能的好坏，可达数毫至数厘米。所以对于精密相对定位来说，这种影响也是不容忽视的。而如何减小相位中心的偏移，是天线设计中的一个迫切问题。在实际工作中，如果使用同一类型的天线，在相距不远的两个或多个观测站上，同步观测了同一组卫星，便可以通过观测值求差，来削弱相位中心偏移的影响。不过，这时各观测站的天线，均应按天线附有的方位进行定向，使之根据罗盘指向磁北
47、极。根据不同的精度要求，定向偏差应保持在 3-5 之间。2.2.5 其他误差来源(1)地球自转的影响 【5】在协议地球坐标系中，如果卫星的瞬时位置是根据信号发播的瞬时计算的，那么还应考虑地球自转的改正。因为当卫星信号传播到观测站时，与地球相关联的协议地球坐标系，相对卫星的上述瞬时位置，已产生了旋转(绕 z 轴)。若为地球自转速度，则旋转的角度为:ji（2-3）其中: 为卫星信号传播到观测站的时间延迟。由此引起卫星在上述ji坐标系中的坐标变化(X，Y:，Z)为:山东科技大学泰山科技学院本科学生毕业设计（论文）23(2-jj00sini4)其中， （ ）为卫星的瞬时坐标。由于旋转角 l.5，所以，
48、jj, 当取至一次微小项时，上式可化简为:jjX0（2-5）(2)相对论效应的影响根据狭义相对论的观点，一个频率为 的震荡器安装在飞行的载体上，由于载体的运动，对地面的观测者来说将产生频率偏移。因此，在地面上具有频率为 f0的时钟，安设在以速度 Vs 运行的卫星上后，钟频将发生变化，其改变量为:【6】 （2-21cVfs6）这说明，在狭义相对论的影响下，时钟安设在卫星上之后将变慢。若应用已知关系式:smsRagV2（2-7）则式（2-6）便为：山东科技大学泰山科技学院本科学生毕业设计（论文）24021fRacgfsm(2-8)其中:g-地面重力加速度;c-光速;a -地球平均半径;mRs-卫星轨道平均半径。另外，根据广义相对论，处于不同等位面的震荡器，其频率 f0将由于引力位不同而产生变化。这种现象常称为引力频移，其大小可按下式估算:(2-02fcWf9)式中，W 为不同等位面的位差，为:(2-smRag110) 由此，卫星钟的引力频移可写为:(2-021fRacgfsm11) 在狭义与广义相对论的综合影响下，卫星钟频率的变化应为 (2-02131fRacgff sm12)山东科技大学泰山科技学院本科学生毕业设计（论文）25因为 GPS 卫星钟的标准频率 f0=10.23MHZ，所以可得
