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第一篇 GPS定位原理、方法与数学模型3

第1章 绪论3

1.1 全球定位系统的产生与发展3

1.1.1 子午卫星系统及其局限性3

1.1.2 全球定位系统的产生和发展6

1.2 美国政府的GPS政策7

1.2.1 早期的GPS政策7

1.2.2 GPS政策的变化8

1.3 其他卫星导航定位系统概况9

1.3.1 全球导航卫星系统（GNSS）9

1.3.2 区域性卫星导航定位系统13

第2章 GPS测量中所涉及的时间系统和坐标系统17

2.1 有关时间系统的一些基本概念17

2.2 恒星时与太阳时20

2.3 原子时、协调世界时与GPS时22

2.4 建立在相对论框架下的时间系统25

2.5 GPS中涉及的一些长时间计时方法27

2.6 天球坐标系30

2.6.1 岁差31

2.6.2 章动34

2.6.3 天球坐标系35

2.7 地球坐标系36

2.7.1 极移36

2.7.2 瞬时（真）地球坐标系37

2.7.3 协议地球坐标系37

2.8 ITRS与GCRS之间的坐标转换40

第3章 全球定位系统的组成及信号结构42

3.1 全球定位系统的组成42

3.1.1 空间部分42

3.1.2 地面监控部分45

3.1.3 用户部分47

3.2 载波与测距码49

3.2.1 载波50

3.2.2 测距码50

3.3 导航电文58

3.3.1 导航电文的总体结构58

3.3.2 第1子帧（第一数据块）59

3.3.3 第2、3子帧（第二数据块）66

3.3.4 第4、5子帧（第三数据块）69

3.4 卫星信号调制73

3.5 GPS卫星位置的计算75

3.5.1 用广播星历计算卫星位置75

3.5.2 用精密星历计算卫星位置78

第4章 GPS定位中的误差源79

4.1 概述79

4.1.1 误差分类79

4.1.2 消除或削弱上述误差影响的方法和措施81

4.2 相对论效应82

4.2.1 近似公式82

4.2.2 严格公式84

4.2.3 需要说明的几个问题84

4.3 钟误差85

4.3.1 卫星钟误差85

4.3.2 由于信号在卫星内的群延差而引起的卫星钟改正86

4.3.3 接收机钟误差89

4.3.4 在GPS测量中处理钟差的几种方法89

4.4 卫星星历误差90

4.4.1 GPS卫星的广播星历和精密星历91

4.4.2 国际GNSS服务92

4.4.3 IGS的产品及其精度94

4.4.4 星历误差对定位的影响96

4.4.5 消除和削弱星历误差影响的方法和措施98

4.5 电离层延迟99

4.5.1 电离层的概况99

4.5.2 电离层模型和经验改正公式104

4.5.3 双频改正模型106

4.5.4 利用GNSS双频观测资料建立VTEC模型111

4.5.5 利用三频观测值进行电离层延迟改正114

4.6 对流层延迟116

4.6.1 基本原理116

4.6.2 普通GPS测量中常用的几种对流层延迟模型117

4.6.3 高精度GPS测量时所用的对流层延迟改正方法122

4.6.4 投影函数122

4.7 多路径误差125

4.8 其他误差改正129

4.8.1 地球自转改正129

4.8.2 天线相位缠绕130

4.8.3 天线相位中心的误差131

第5章 距离测量与定位方法136

5.1 利用测距码测定卫地距136

5.2 载波相位测量141

5.2.1 概论141

5.2.2 载波相位测量原理143

5.2.3 载波相位测量的实际观测值144

5.2.4 载波相位测量的观测方程145

5.3 单差、双差、三差观测值146

5.4 其他一些常用的线性组合观测值151

5.4.1 同类型不同频率观测值的线性组合151

5.4.2 不同类型观测值的线性组合152

5.5 周跳的探测及修复154

5.5.1 产生整周跳变的原因154

5.5.2 周跳的探测及修复155

5.6 整周模糊度的确定161

5.6.1 模糊度问题的重要性及解决方法161

5.6.2 用伪距观测值来确定整周模糊度162

5.6.3 依据较为精确的先验站坐标及卫星星历来确定整周模糊度164

5.6.4 将模糊度作为待定参数通过平差计算来进行估计167

5.6.5 其他方法184

5.7 单点定位186

5.7.1 坐标系187

5.7.2 标准单点定位187

5.7.3 精密单点定位190

5.7.4 广域实时精密定位技术194

5.8 相对定位195

5.8.1 GPS定位中的几个基本术语195

5.8.2 静态相对定位196

5.8.3 动态相对定位199

5.8.4 RTK200

5.9 网络RTK及连续运行参考系统CORS201

5.9.1 网络RTK201

5.9.2 连续运行参考系统203

5.10 差分GPS205

5.10.1 概况205

5.10.2 差分GPS原理206

5.10.3 差分GPS的分类208

5.10.4 差分GPS的新进展212

第6章 全球定位系统的应用214

6.1 GPS在测量领域中的应用214

6.1.1 GPS在大地测量与地球动力学中的应用214

6.1.2 GPS在工程测量中的应用215

6.1.3 GPS在航测和遥感中的应用216

6.1.4 GPS在地籍测量及地形测量中的应用217

6.2 GPS在军事中的应用217

6.3 GPS在交通运输业中的应用218

6.4 GPS在大气科学中的应用219

6.5 GPS在其他领域中的应用221

第二篇 GPS测量与数据处理225

第7章 GPS网及其建立225

7.1 GPS网225

7.1.1 GPS静态测量的特点225

7.1.2 GPS网226

7.2 GPS网的建立过程227

7.2.1 设计准备228

7.2.2 测量实施228

7.2.3 数据处理229

7.3 GPS测量中的几个基本概念230

7.3.1 观测时段230

7.3.2 同步观测230

7.3.3 基线向量230

7.3.4 复测基线及其长度较差230

7.3.5 闭合环及环闭合差230

7.3.6 同步观测环和同步环检验231

7.3.7 独立基线向量231

7.3.8 独立观测环和独立环检验233

7.4 GPS网的质量及质量控制233

7.4.1 GPS网的质量233

7.4.2 GPS网的质量控制233

7.4.3 GPS网质量的影响因素233

第8章 GPS测量的技术设计235

8.1 概述235

8.1.1 技术设计及其作用235

8.1.2 技术设计的依据235

8.2 GPS网的精度和密度设计236

8.2.1 GPS测量的等级及其用途236

8.2.2 GPS测量的精度及密度指标237

8.2.3 GPS网的精度和密度设计238

8.3 GPS网的基准设计238

8.3.1 GPS网的基准设计238

8.3.2 起算数据的选取与分布239

8.4 GPS网的布网形式240

8.4.1 跟踪站式240

8.4.2 会战式240

8.4.3 多基准站式241

8.4.4 同步图形扩展式242

8.4.5 单基准站式242

8.5 GPS网的图形设计243

8.5.1 GPS网图形与质量的关系243

8.5.2 提高GPS网质量的图形设计方法244

8.6 GPS网的设计指标245

8.6.1 GPS网的特征值245

8.6.2 效率指标246

8.6.3 可靠性指标247

8.6.4 精度指标247

8.7 技术设计书的编写247

第9章 GPS测量的外业249

9.1 选点与埋石249

9.1.1 选点准备249

9.1.2 选点249

9.1.3 埋石250

9.2 接收机的维护和保养252

9.3 接收机的检验253

9.3.1 一般性检视253

9.3.2 通电检验253

9.3.3 附件检验253

9.3.4 试测检验254

9.3.5 接收机的检验要求256

9.3.6 野外检定场256

9.4 观测方案设计256

9.4.1 基本技术要求256

9.4.2 观测方案内容257

9.5 作业调度259

9.5.1 作业调度的内容259

9.5.2 同步图形的连接方式260

9.5.3 迁站方案262

9.6 观测作业264

9.6.1 准备工作264

9.6.2 观测作业264

9.6.3 记录265

9.6.4 外业观测成果的质量检核267

9.6.5 补测和重测267

9.7 成果验收和上交资料268

9.7.1 成果验收268

9.7.2 上交资料268

9.8 外业进度估算及项目成本预算269

9.8.1 外业进度估算269

9.8.2 项目成本预算269

第10章 GPS测量中的数据格式270

10.1 RINEX格式270

10.1.1 概述270

10.1.2 文件类型及命名规则270

10.1.3 文件结构及特点272

10.1.4 RINEX 2.1 0格式说明272

10.1.5 RINEX格式文件实例286

10.2 SP3精密星历数据格式292

10.2.1 概述292

10.2.2 SP3格式文件实例293

10.2.3 SP3格式定义及说明293

第11章 GPS基线解算306

11.1 概述306

11.2 基线的解算模式307

11.2.1 基线向量解307

11.2.2 单基线解模式309

11.2.3 多基线解模式310

11.2.4 整体解／战役模式311

11.3 基线解算的过程及结果312

11.3.1 GPS基线解算的过程312

11.3.2 基线解的输出结果313

11.4 基线解算的质量控制313

11.4.1 质量的控制指标313

11.4.2 质量的参考指标316

11.4.3 基线的精化处理317

第12章 GPS网平差321

12.1 网平差的类型及作用321

12.1.1 网平差的目的321

12.1.2 网平差的类型321

12.2 网平差的流程323

12.2.1 网平差的整体流程323

12.2.2 无约束平差的流程324

12.2.3 约束平差的流程325

12.2.4 联合平差的流程325

12.3 网平差原理及质量控制327

12.3.1 基本数学模型327

12.3.2 三维无约束平差336

12.3.3 三维约束平差339

12.3.4 三维联合平差343

12.4 采用GPS技术建立独立坐标系345

12.4.1 独立坐标系345

12.4.2 建立独立坐标系基本方法346

12.4.3 投影面的转换346

12.4.4 坐标的相似变换349

12.5 GPS高程测量349

12.5.1 高程系统及其相互关系349

12.5.2 GPS水准353

附录1 调制在L2C码上的导航电文CNAV359

附录2 北斗卫星导航系统382

附2.1 系统简介382

附2.1.1 北斗系统的发展历程382

附2.1.2 北斗系统采用的坐标系统及时间系统385

附2.2 北斗卫星导航系统的组成387

附2.2.1 空间部分387

附2.2.2 地面控制系统393

附2.2.3 用户终端394

附2.3 BDS所用的载波与测距码394

附2.3.1 载波394

附2.3.2 测距码396

附2.3.3 信号调制399

附2.4 导航电文400

附2.4.1 D1导航电文400

附2.4.2 D2导航电文410

附2.5 利用导航电文提供的信息进行相关计算427

附2.5.1 电离层延迟改正427

附2.5.2 计算卫星钟差432

附2.5.3 计算卫星位置432

附录3 引用的缩写词437

参考文献439