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1、-基于手持GPS的GIS数据采集系统的设计研究-第 59 页摘 要地理信息系统（GIS Geographic Information System）是一种利用计算机数据来描述整个或部分地球表面与空间地理分布数据的空间信息系统，它具有采集、存储、管理、分析等功能。今年来GIS发展非常快，覆盖的领域也非常广泛，地理信息系统在测量，交通，农林业，国土规划等领域起到相当重要的作用。在我国国土调查中，由于我国国土面积广，要对我国整个国土或者部分国土做一次统计，利用传统的手工方式进行统计，不但工作量，效率低，而且误差也相当大。本文从国土调查角度出发，针对传统手工测量的缺点，提出利用全球定位系统(GPS,
2、Global Positioning System)，结合手持机轻巧灵活的优点，设计出一套便于野外数据采集工作人员方便携带和采集的手持机GIS数据采集系统。与传统的国土调查数据采集方式相比，利用GPS和手持机无缝结合GIS数据采集系统，不但效率高，精度也比较高，而且野外工作人员的工作量可以大大减轻。本文首先介绍了GPS原理和GPS定位，然后介绍GIS的一些相关知识和发展方向、GPS在GIS数据采集中一些常见的作业模式，并且介绍如何利用GPS差分解算来了获得GIS数据采集中的坐标数据。本文接着介绍了嵌入式系统软硬件相关技术，并详细介绍了在Windows CE嵌入式环境开发应用软件的流程和利用Em
3、bedded Visual C+开发Windows CE程序所需要用到的多线程，串口通信，内存管理等技术。本文接着介绍GIS数据采集工作原理和流程，重点介绍在Workabout pro手持机(Windows CE 嵌入式设备)中开发GIS数据采集系统开发的过程（如需求分析，模块划分，模块之间的调用，数据处理等等）中开发思路，实现方法和所应用的技术。最后本文对GIS数据采集系统进行了集成测试，测试表明前期的设计研究工作取得了预期的效果。关键词 手持机，GIS，数据采集，GPS，Windows CE AbstractGeographic Information System (GIS) is a
4、kind of system that uses computer data to describe earth surface and spatial information. Generally, GIS include some function like collection, storing, management, and analysis information and so on. Recently, GIS develop at very fast speed, and it is also applied widely at Mapping, Traffic, Agricu
5、lture& Forest，Territorial Planning and other fields, playing important roles.At national land survey field, because of wide area of our country, it is a difficulty job to carry out comprehensive survey use traditional handwork method. This thesis based on national land survey, and aiming at changing
6、 low- efficiency，and release heavy-workload traditional handwork method. This thesis put forward using Global Positioning System (GPS) and hand device to design a system to enhance efficiency and reduce workload of GIS data collection.This thesis first introduces GPS/GIS theory and position method,
7、and then it also introduces how to use GPS in handset GIS Data Collection System.Second, the thesis introduces theory and development of embedded system software and hardware. And then it explains how to use Embedded Visual C+ to design application software in Windows CE environment.Third, the thesi
8、s narrates the realization of process of GIS Data Collection System in Windows CE environment. It details the principle and technology, like requirement analyzes, module partition, calling between modules; data communicate and process and so on.In the end, the thesis tests the capability of the syst
9、em. The result makes clear that the system is precise and effective.Keyword Handset; GIS; Data Collection; GPS; Windows CE目 录摘要IABSTRACTII第1章 绪论11.1论文背景11.2 国内外研究现状与趋势21.3研究内容31.4论文结构31.5本章小结4第2章GPS原理52.1 GPS概述52.1.1 空间部分52.1.2 地面监控部分52.1.3 用户设备部分62.2 GPS信号62.2.1 载波62.2.2 测距码62.2.3 GPS卫星的导航电文（数据码）72
10、.3 GPS定位72.3.1 伪距定位82.3.2 载波相位测量82.3.3 多点相对定位92.3.4 差分定位102.3.5 RTK技术112.4本章小结12第3章 嵌入式系统与WINDOWS CE开发平台的搭建133.1嵌入式系统概述133.2嵌入式系统处理器133.2.1 ARM处理器133.2.2 ARM处理器体系结构143.3嵌入式操作系统143.4 Windows CE操作系统的定制153.5 开发环境的搭建163.6 Windows CE开发常用的技术173.6.1 Win CE多线程编程173.6.2 Win CE串口通信183.6.3 创建自己的内存管理193.7本章小结20
11、第4章 GPS技术在GIS数据采集系统中的应用214.1 地理信息系统(GIS)概述214.2 地理信息系统的功能214.2.1空间数据输入214.2.2空间数据存储和查询分析224.2.3数据输出234.3 地理信息系统的发展234.3.1 WebGIS234.3.2 GIS组件技术234.3.3 嵌入式GIS234.4 在GIS数据采集中的GPS作业模式244.4.1静态定位模式244.4.2快速静态定位244.4.3准动态定位244.4.4动态定位244.4.5单机定位254.4.6后差分定位254.4.7实时动态定位254.5 GPS定位的坐标系统264.5.1空间直角坐标系264.5
12、.2空间大地坐标系264.5.3平面直角坐标系274.5.4 WGS-84 坐标系274.5.5 北京-54坐标系274.5.6西安-80大地坐标系274.6 GIS数据采集中GPS差分解算284.6.1 GPS差分解算284.6.2 基线解算284.7 GIS数据采集中的误差来源及其影响304.7.1与卫星有关的误差304.7.1.1卫星钟差304.7.1.2 星历误差（卫星轨道偏差）304.7.2 卫星信号传播误差314.7.2.1电离层折射影响314.7.2.2 对流层的影响314.7.2.3 多路径效应314.7.3 接收设备有关的误差314.8本章小结32第5章 GIS数据采集系统设
13、计335.1 引言335.2 GIS数据采集的内容与流程345.2.1采集内容345.2.2采集流程345.3 GIS数据采集系统的设计过程355.3.1 需求分析355.3.2 系统模块划分365.3.3 手持机的选择375.4各个模块的设计375.4.1 数据字典375.4.2 数据通讯模块385.4.3 GIS数据采集模块425.4.4 GIS数据采集文件495.4.5 查看卫星信息模块505.4.6 坐标转换505.5 单元测试535.6 集成测试5335.7 本章小结54总结与展望55参考文献57攻读硕士学位期间发表的学术论文61致 谢63CONTENTSABSTRACT(CHINE
14、SE)IABSTRACT(ENGLISH)IICHAPTER I INTRODUCTION11.1 The Background of the Thesis11.2 Present Situation and Develop tendency21.3 Major Contents of the Thesis31.4 Organization of the Thesis31.5 Summary4CHAPTER II THEORY OF GPS52.1GPS Outline52.1.1 Space Part52.1.2 Surface Controll Part52.1.3 User Device
15、 Part62.2 GPS Signal62.2.1 Carrier Wave62.2.2 Ranging Code62.2.3 GPS Satellite Navigtion Code（Data Code）72.3 GPS Position72.3.1 Position using pseudo range82.3.2 Carrier Phase Measurement82.3.3 Multi-Point Relative Position92.3.4 Differential Position102.3.5 RTK technology112.4 Summary12CHAPTER III
16、EMBEDDED SYSTEMS AND BUILDING OF WINDOWS CE DEVELOP PLATFORM133.1 Embedded Systems Outline133.2 Embedded Systems Processor133.2.1 ARM Processor133.2.2 ARM Processor Architecture143.3 Embedded OS143.4 Building ofWindows CE Develop Platform153.5 Develop Evirnment Building163.6 Windows CE technologys i
17、n Development173.6.1 Win CE Muilt-thread173.6.2 Win CE Serial Port183.6.3 Memory Management193.7 Summary20CHAPTER IV GPS TECHNOLOGYS USED IN GIS DATA COLLECTION SYSTEM214.1 GIS Outline 214.2 Fuction of GIS 214.2.1 Input of Space Data214.2.2 Query and Analyse of Space Data224.2.3 Data Output234.3 Dev
18、elopment of GIS234.3.1WebGIS234.3.2 GIS Component Technology234.3.3 Embedded GIS234.4 Work Styles of GPS in GIS Data Collection System 244.4.1 Static Position Style244.4.2 Fast Static Position Style244.4.3 Quasi Dynamic Position Style244.4.4 Dynamic Position Style244.4.5 Single Machine Position Styl
19、e254.4.6 Backward Differential Position Style 254.4.7 Real Time Position Style254.5 GPS Position coordinate system264.5.1 Space rectangular coordinate system264.5.2 Geodetic Coordinate System264.5.3 Plane right angle Coordinate System274.5.4 WGS-84 Coordinate System274.5.5 Beijing-54 Coordinate Syst
20、em274.5.6 Xian-80 Coordinate System274.6 GPS Differential Solution in GIS Data Collection284.6.1 GPS Differential Solution284.6.2 Baseline Solution284.7 Errors in GIS Data Collection304.7.1 Errors Related to Satellite 304.7.1.1 Satellite Clock Errors 304.7.1.2 Ephemeris Errors304.7.2 Satellite Signa
21、l propagated error314.7.2.1 Ionosphere Refraction Effect314.7.2.2 Troposphere Effect314.7.2.3 Multipath Effect314.7.3 Errors Related to Receiver 314.8 Summary32CHAPTER V DESIGN OF GIS DATA COLLECTION SYSTEM335.1 Introduction335.2 Items and flow of GIS Data Collection System345.2.1 Items of Collectio
22、n345.2.2 Flow of Collection345.3 Design Process of GIS Data Collection System 355.3.1 Requirement Analysis355.3.2 Module Partition365.3.3 Selection handset375.4 Design of Modules375.4.1 Data Dictionary375.4.2 Communication Module 385.4.3 GIS Data Collection System Module425.4.4 GIS Data Collection S
23、ystem File495.4.5 Module of Satellite Status505.4.6 Coordinate system Conversion505.5 Unit Test535.6 Integration Test535.7 Summary54SUMMARY AND PROSPECT55REFERENCES57PUBLISHED ACADEMIC PAPERS DURING THE MASTER DEGREE61ACKNOWLEDGEMENT63第1章 绪论1.1论文背景数据采集是获得数据的重要手段，我们的祖先从远古时代就已开始不断尝试和探索这一项活动。随着时代和科技的不断
24、进步，人们用于数据采集的手段也在不断地进步。特别上个世纪计算机的出现，数据采集的手段已经趋向于数字化，以计算机技术为核心的数据采集正经历着一代又一代革新。全球定位系统(GPS, Global Positioning System)是上个世纪70年代美国开始耗费巨资研制全球定位系统，到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。简单地说，这是一个由覆盖全球的24颗卫星组成的卫星系统。这个系统可以保证在任意时刻，地球上任意一点都可以同时观测到4颗卫星，以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度，以便实现导航、定位、授时等功能。全球定位系统技术已在
25、许多方面得到了应用，用全球定位系统来配合GIS数据采集主要是获得该测量点的坐标位置信息，可以大大减少GIS数据采集费用16。本文利用手持机装置GPS接收机，用全球定位系统来配合采集GIS数据。GIS地理信息系统是六十年代中期发展起来的，集空间科学、信息科学、计算机科学、管理科学于一体的空间信息系统。它是在计算机软件和硬件支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供对规划、管理、决策和研究所需要信息的空间信息系统。GIS是当今世界上最热门的高新技术之一，它和GPS、RS组成一个3S系统，使传统的地理信息进入了数字化时代。其中GPS和RS技术主要依靠国外技
26、术支持，而GIS则是一项专业化的实施项目，离不开国内的技术和人力资源。因此，GIS不仅技术含量高，而且有赖本土技术方可实现2。地理空间数据是GIS的基础。整个GIS都是围绕空间数据的采集、加工、存储、分析和表现展开的。空间数据源、空间数据的采集手段、生产工艺、数据的质量都直接影响到GIS应用的潜力、成本和效率。GIS数据采集是建立GIS系统的一项最基础性的工作，而且工作量大。一般而论，地理信息系统数据库的建设占整个系统建设投资的70%以上，并且这种比例在近期内不会有明显的改变。手持设备是一种方便携带的计算机设备，它是嵌入式技术一个重要的发展方向，它是以计算机技术为基础，以嵌入式应用为中心，并且
27、软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。PDA( Personal Digital Assistant)是手持设备的一种，随着信息技术的日益发展，PDA的体积越来越小巧，集成的功能越来越强大。它不仅能够用来管理个人信息，甚至可以向手机那样进行通讯。PDA正朝着计算、通讯、网络、存储、娱乐、电子商务等多功能的融合的趋势发展。Windows CE PDA是PDA中的一种。它安装Windows CE 嵌入式操作系统，Wind
28、ows CE操作系统是微软公司开发的嵌入式系统。该系统的功能，用户界面与Windows 9x系列非常相似，这对于熟悉Windows 系统的用户来说，使用Windows CE PDA是非常容易的。Windows CE PDA只是系统平台，在这个平台上可以装置一些其他设备，如扫描器，摄影头，GPS接收器等，然后再根据各种各样的用途开发一些相应的软件。1.2 国内外研究现状与趋势当前，卫星导航定位在各个领域得到广泛的应用，日益显示了其优越性。80年代初，我国一些院校和科研单位已开始研究GPS技术。十多年来，我国的测绘工作者在GPS定位基础理论研究和应用开发方面作了大量工作。80年代中期，我国引进GP
29、S接收机，并应用于各个领域。同时着手研究建立我国自己的卫星导航系统-“北斗”。我国的GPS应用发展势头迅猛，短短几年，GPS在我国的应用已从少数科研单位和军用部门迅速扩展到各个民用领域。目前，GPS己经广泛渗透到了经济建设和科学技术的许多领域，在地球动力学、大地测量学、天文学、大气科学、海洋科学、地球物理勘探、航空与卫星遥感、工程变形监测以及精密时间传递等方面的广泛应用，充分显示了这一卫星定位技术的高精度与高效益。其在测量学方面，GPS以其全天候、高精度和高度灵活性的优点，对经典测量学的各个方面产生了极其深刻的影响。与传统的测量技术相比，它有着无严格的控制测量等级之分、不必考虑测点间通视、不需
30、造标、不存在误差积累、可同时进行三维定位等优点，在野外测量、误差来源和数据处理方面是对传统测量观念的革命性转变37。随着新技术的不断发展，GPS也从静态测量向实时动态差分GPS测量发展。近年来，GPS定位技术的应用迅速渗透到工程测量领域，尤其实时动态差分RTK(Real Time Kinematics)中载波相位整周模糊度解算已经应用的非常广泛。实时动态差分GPS具有观测时间短，精度高(2-3cm)，实时能给出坐标等优点。使用GPS进行定位、放样，较之常规方法放样简单、方便、可靠和快速6。目前过内外很多院校，科研机构从事GPS/GIS相关领域的研究。较好的“3S”技术集成动态制图系统是美国俄亥
31、俄州立大学制图中心和加拿大卡尔加里大学地理信息工程系研制的移动式测绘系统 (Mobile Mapping system)。也有不少公司开发了GIS数据采集设备与相关软件，国外像天宝(Trimble)，莱卡（leica），泰雷兹（Thales）等公司在GIS数据采集，GPS测量方面都是具有很强实力的公司，国内东南大学3S实验室的“调查之星”，在国内占的市场比例也非常大。武汉大学测绘学院地球空间环境与大地测实验室在GIS数据采集方面做的也非常有影响力。1.3研究内容本文主要研究内容：1. 分析并探讨GPS原理与组成部分，GPS信号的基本原理，定位技术与原理； 2. 分析介绍了GIS系统的目前状况与
32、主要发展趋势。探讨了嵌入式系统的软硬件一些特性和优点以及其应用领域；3. 介绍了GPS在GIS数据采集系统中的几种模式，GPS差分解算，GPS坐标系统，以及GIS数据采集误差分析；4. 介绍了在GIS数据采集过程中GPS差分解算原理与过程；5. 介绍了Windows CE嵌入式系统的定制过程，Embedded Visual C+程序开发，Win32程序设计，多线程和串口通信开发技术以及在Windows CE下进行开发所要注意的一些方面。6. 介绍GIS数据采集系统的野外工作流程，程序部署探讨了在Workabout Pro实现GIS数据采集系统过中的需求分析，概要设计，模块划分，模块之间的调用，
33、主要模块的实现过程和其中用到相关技术以及集成测试。1.4论文结构本文共六章，每章的内容如下：第一章绪论介绍了本文研究的背景，国内外研究的趋势，研究方法与内容，论文结构。第二章 主要介绍GPS组成部分与GPS信号，GPS定位原理。第三章 本文叙述了几种常用的嵌入式系统及其应用，重点介绍了本文所使用的Windows CE 嵌入式系统的定制，开发工具以及开发流程。第四章 本文介绍了GIS理论，GPS技术如何在GIS数据采集系统中的应用和GIS数据采集的几种常用的作业模式，数据解算过程与GIS数据采集误差分析。第五章 本文重点阐述了手持GIS数据采集系统的设计，开发实现环节。详细介绍里开发过程中使用的
34、处理方法和技术。第六章 对全文做出总结，以及对后续的发展做出展望，提出一些后续研究开发的建议和思路。1.5本章小结本章主要介绍了论文的背景，本课题国内外研究发展趋势，论文的研究内容主要研究方法，以及论文的组织结构。第2章GPS原理2.1 GPS概述1973年12月，美国国防部正式批准陆海空三军共同研制导航全球定位系统（GPS）。全球定位系统的研制最初主要用于军事目的。如为陆海空三军提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测、应急通讯和爆破定位等方面，其作用己在1991年海湾战争中得到了证实。以美国为首的多国部队所持有的17000台GPS接收机被认为是作战武器的效率倍增器，是赢
35、得海湾战争胜利的重要技术条件之一。随着GPS系统步入试验和实用阶段，其定位技术的高度自动化及所达到的高精度和巨大的潜力，引起了各国政府的普遍关注，同时引起了广大测量工作者的极大兴趣1。特别是近几年来，GPS定位技术在应用基础的研究、新应用领域的开拓、软硬件的开发等方面都取得了迅速发展。目前，GPS精密定位技术已经广泛地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。这预示测绘界将面临着一场意义深远的变
36、革，从而使测绘领域步入一个崭新的时代2。整套GPS定位系统由三个部分组成的，即由GPS卫星组成的空中部分、由若干地面站组成的地面监控系统、以接收机为主体的用户设备。三者有各自独立的功能和作用，但又是有机地配合而缺一不可的整体系统。2.1.1空间部分全球定位系统的空间部分，由24颗卫星组成，此外还包括4颗可随时启用的备用卫星。24颗卫星分布在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，各轨道平面升交点的赤经相差。同一轨道上两卫星之间的升交角距相差，轨道平均高度为202000km，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
37、，最多时达11颗。2.1.2 地面监控部分GPS地面监控系统主要由分布在全球的五个地面站组成，按其功能分为主控站、注入站和监测站三种。主控站1个，主控站负责协调和管理所有地面监控系统的工作，其具体任务有: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3个，其主要任务是通过一台直径为3.6m的天线，将来自主控站的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。监测站共有5个，监测站的主要任务是连续观测和接收所有GPS卫星发出的
38、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。GPS地面监控系统除主控站外均由计算机自动控制，勿需人工操作。各地面站间由现代化通讯系统联系，实现了高度的自动化和标准化。2.1.3 用户设备部分GPS用户部分由GPS接收机（移动站、基准站等）、数据处理软件及相应用户设备,如计算机气象仪器等所组成。它的作用是接收GPS卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。2.2 GPS信号GPS卫星信号包括三种信号分量：载波，测距码，数据码34，如图2.1所示。基本频率10.23MHzL1载波1575.42MHzL2载波1227.60MHzC/A码1.
39、023MHzP码10.23MHzP码10.23MHz数据码50BPS数据码50BPS图2.1 GPS信号构成示意图Fig.2.1 Structure of GPS signal2.2.1载波信号分量的产生都是在同一个基本频率的控制下产生。在下GPS卫星产生两种频率的载波信号，即频率为1575.42MHz的L1载波和频率为1227.60MHz的L2载波，它们的频率分别是基本频率10.23MHz的154倍和120倍，它们的波长分别为19.03cm和24.42cm。2.2.2 测距码GPS卫星采用两种测距码，即C/A码和P码，均属于伪随机码。在L1和L2上又分别调制着多种信号，这些信号主要有:C/A
40、码，又称为粗捕获码，它被调制在L1载波上，是1MHz的伪随机噪声码(PRN码)，其码长为1023位(周期为1ms)。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号来区分它们。C/A码是普通用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号。P码，又称为精码，它被调制在L1和L2载波上，是10MHz的伪随机噪声码，其周期为七天。在实施AS(Anti-Spoofing)“反电子欺骗”措施时，P码与W码进行模二相加生成保密的Y码，此时，一般用户无法利用P码来进行导航定位。2.2.3 GPS卫星的导航电文（数据码）导航信息，被调制在L1载波上叫导航电文。导航电文传输速率为50bit/s，包
41、含有GPS卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导航电文来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置。导航电文也被称为广播星历。2.3 GPS定位利用GPS进行定位的基本原理，如图2.2所示。它是以GPS卫星和用户接收机天线之间距离的观测值为基础，并根据己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)。图2.2伪距定位原理图Fig.2.2 Pseudo range PositionGPS定位方法的实质，即测量学中的空间后方交会法。GPS卫星发射测距信号和导航电文，导航电文中含有卫星的位置信息。用户用GPS接收机在某一时刻同时接收三颗以上
42、的GPS卫星信号，测量出测站点（接收机天线中心）P至三颗以上GPS卫星的距离，并解算出该时刻GPS卫星的空间坐标，据此利用距离交会法解算出测站P的位置。设在时刻在测站点P用GPS接收机同时测得P点至三颗GPS卫星S1, S2，S3的距离，通过GPS电文解译出该时刻三颗GPS卫星的三维坐标分别为，。用距离交会的方法求解P点的三维坐标的方程为(2.1)。 (2.1)在GPS定位中，GPS卫星是高速运动的卫星，其坐标值随时间在快速变化着。需要实时地由GPS卫星信号测量出测站（接收机）至卫星之间的距离，并实时地由卫星的导航电文解算出卫星的坐标值，进行测站点的定位。实际测量中时，把接收机钟差也作为未知量
43、，通过至少观测四个卫星建立的方程求解测站点的坐标34。2.3.1 伪距定位假设在卫星钟和接收机钟均无误差，而且都能与标准GPS时间保持严格的同步。在某一时刻t卫星在卫星钟的控制下发出某一结构的测距码，经过时间的传播到达接收机，那么卫星到测量点P的距离可以通过光速c乘延迟时间来获得。如方程（2.2）所示。 （2.2）由于卫星钟与接收机实际均不可避免存在误差，此外，卫星信号还需穿过电离层和对流层后才能到达地面测量点，在电离层和对流层中信号的传播速度,所以（2.2）求得的距离并不等于卫星到地面测量点的实际距离，这种方式测得距离称之为伪距12。2.3.2 载波相位测量载波相位测量是通过测定GPS载波信
44、号在传播路程上相对位置的变化，以确定信号传播的距离。如图2.3所示。载波相位测量的观测量是GPS接收机所接收的卫星载波信号与接收机本振参考信号的相位差，载波相位观测量是接收机和卫星位置的函数。以表示k接收机在接收机钟面时刻时所接收到的j卫星载波信号的相位值，表示k接收机在钟面时刻时所产生的本地参考信号的相位值，则k接收机在接收机钟面时刻时观测j卫星所取得的相位观测量可写为(2.3)。 (2.3)图2.3 载波相位测量示意图Fig.2.3 Schematic diagram of Carrier Phase Measurement通常的相位或相位差测量只是测出一周以内的相位值，实际测量中，如果对
45、整周进行计数，则自某一初始取样时刻以后就可以取得连续的相位测量值。如图2.3，在初始时刻，测得小于一周的相位差为，若其整周数为，此时包含整周数的相位观测值应为(2.4)。 (2.4)接收机不断测定小于一周的相位差，并利用整波计数器记录从到时间内的整周数变化量，只要卫星从到之间卫星信号没有中断，则初始时刻整周数就为一常数，这样，任意时刻卫星到接收机k的相位差为(2.5)。 (2.5)设在GPS标准时间T时刻卫星发播的载波相位为，经过传播延迟后为接收机k所接收。也就是说，k接收机在钟面时刻时所接收到的卫星j的载波相位就是卫星在GPS时T时刻的载波相位。再考虑接收机钟面时与GPS标准对的钟差。载波相
46、位测量的基本观测方程为(2.6)。 (2.6)其中为载波相位观测量，为卫星的载波相位（包含卫星钟差），为接收机钟差，为接收机参考信号相位，和为大气电离层与对流层的影响5。2.3.3 多点相对定位多点相对定位是指采用多台GPS接收机同时进行观测，并将这些GPS接收机输出的原始观测数据一并送入后台计算机进行差分数学运算，得出接收机间相对的位置坐标。此测量方法的精度比单点定位提高了1-2个数量级，其定位精度可达到厘米级（单频短基线）。图2.4 多点相对定位图Fig.2.4 Multi-Point Relative Position两台GPS在地面同时观测，它们之间的连线称为观测基线。采用GPS相对定位是用两台接收机分别安置在基线的两端，同步观测一组相同的GPS卫星，以确定基线端点的相对位置或基线向量。同样，多台接收机安置在若干条基线的端