第三、四章GPS定位基本原理和GPS定位误差分析
基于GPS车辆定位导航系统设计与实现
基于GPS车辆定位导航系统设计与实现第一章：绪论随着国民经济的快速发展，汽车已经成为我们生活中必不可少的一部分，而车辆定位导航系统也随之成为了现代车辆上必备的功能之一。
车辆定位导航系统不仅可以帮助司机快速准确地确定自己的位置，还可以提供路线规划、疲劳驾驶提示、实时交通信息等功能，大大提高了驾驶安全性和行驶效率。
本论文将基于GPS车辆定位导航系统的设计与实现进行研究，旨在探索一套高可靠性、高精度、高实用性的车辆定位导航系统解决方案。
第二章：GPS车辆定位技术本章将主要探讨GPS车辆定位技术的原理和技术特点。
首先介绍GPS的基本组成和工作原理，然后详细阐述GPS定位算法及其实现方式，包括单点定位和差分定位两种方法。
最后介绍GPS的精度和误差来源，并分析当前GPS定位技术面临的挑战和发展方向。
第三章：车辆定位导航系统需求分析基于GPS车辆定位技术，本章将分析车辆定位导航系统的功能需求和性能指标。
首先，对车辆定位导航系统的功能进行分解，并列出具体的功能点和对应的实现方式。
然后，根据车辆定位导航系统的使用场景和操作特点，按照易用性、可靠性、精度、响应速度等性能指标进行评估，并提出设计和实现的具体要求。
第四章：GPS车辆定位导航系统设计与实现本章将介绍基于GPS车辆定位技术的导航系统的设计和实现方案。
首先，介绍系统的总体设计思路和流程图；然后，对系统的各个模块进行详细描述，包括GPS数据采集模块、数据处理与分析模块、路径规划和导航模块、地图显示和信息推送模块等。
最后，对系统的运行效果进行测试和评估，验证系统的可靠性和实用性。
第五章：总结与展望本章将对本论文的研究结果进行总结，并展望GPS车辆定位导航系统在未来的发展前景。
首先，总结研究成果和贡献，并指出存在的问题和不足之处；其次，探讨GPS车辆定位导航技术的发展趋势和挑战，分析未来的发展前景和应用领域；最后，提出一些改进和完善的建议，为下一阶段的研究提供参考和借鉴。
第三章-GPS定位的基本原理
位置差分 伪距差分 载波相位差分
多基准站 GPS差分
局部区域差分 广域差分 多基准站RTK
测相伪距修正法 载波相位求差法
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3.3.1 绝对定位原理
1、测码伪距静态绝对定位 设
代入测码伪距方程
可得
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20
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21
静态测量时,可以观测多颗卫星不同历元的观测值,故
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（5）几何精度衰减因子GDOP,包含空间位置误差和时间误差
假设测站与4颗观测卫星所构成的六面体体积为V,GDOP与V的倒数成正比。V
越大GDOP越小,精度越好。
但卫星高度角月底,电离层、对流层误差越大。
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3.3.3 相对定位原理
相对定位:采用两台以上的接收机同步观测相同的GPS卫星,以确定接收机天线间 的相互位置关系的一种方法。分为静态相对定位和动态相对定位。
周跳有两种类型: （1）中断数分钟以上,在数个历元中没有载波相位观测值; （2）周跳发生在两个观测历元之间。
周跳探测与修复方法: （1）高次差法;无周跳的高次差值具有随机特性。 （2）多项式拟合法:利用前面正确的相位观测值利用多项式外推下一
个观测值,并与实际的观测值比较,从而发现周跳。 （3）其他方法:星际差分法、残差法等。
对定位;
2）按接收机在作业中的运动状态
分类:静态定位、动态定位;
动态绝对定位、动态相对定位、
静态绝对定位、静态相对定位。
3）依照测距的观测量分类:测码伪
距法定位、测相伪距法定位。
C为光速,δt为接收机钟差
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3
3.2 GPS定位的基本观测量
GPS的基本知识-文档资料
e) 全天候作业：GPS接收机可以在任何地点(卫星信号不被遮 挡的情况下)，任何时间连续地进行，一般也不受天气状况 的影响。
2021/4/21
测站间同步观测量的单差示意图
T1
T2
测站间同步观测量的双差示意图
三差法是在双差法基础上，不同测站同步观测的 同一组卫星所得双差观测量作差分。
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T1
T2
测站间同步观测量的三差示意图
• 差分法载波相位测量虽然可以消去一系列 多余参数项(即指不含有测站坐标的项)，但 是在组成差分观测方程的同时，减少了观测 方程的个数，另外也增加了观测量之间的相 关性，这些都不利于提高最后解的精度。 • 一般是采用双差法求解最终结果。 • 三差法则只是用于整周跳变的探测和估计 或求得测站坐标的近似解。
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4 GPS测量的实施
• GPS测量：与常规测量一样,可分为外业和内业两大部分。 • GPS测量实施阶段：网的优化设计；选点与建立标志；外 业观测；内业数据处理。
一、GPS网的优化设计
• GPS网的优化设计，是实施GPS测量工作的第一步，是一项 基础性的工作，也是在网的精确性、可靠性和经济性方面， 实现用户要求的重要环节。
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(4)GPS接收机记录的数据有： • GPS卫星星历和卫星钟差参数； • 观测历元的时刻和伪距观测值及载波相位观测值； • GPS绝对定位结果； • 测站信息。
3、观测数据下载及数据预处理 • 外业观测数据在测区要及时严格检查，对外业预处理成果，按 规范要求严格检查、分析，根据情况进行必要的重测和补测。 确保外业成果无误后方可离开测区。
GPS定位基本原理
GPS定位基本原理GPS（全球定位系统）是一种利用地球上的卫星网络进行定位的技术。
它能够提供高精度的位置信息，并广泛应用于导航、地图、车辆追踪等领域。
本文将介绍GPS定位的基本原理。
一、GPS系统概述GPS系统由一组卫星、地面控制站和接收设备组成。
现代化的GPS 系统通常由24颗工作卫星和3颗备用卫星组成，这些卫星分布在地球低轨道上。
地面控制站负责维护卫星轨道和时间同步，并向卫星发送指令。
二、GPS定位原理GPS定位的基本原理是通过测量卫星与接收设备之间的信号传播时间来计算准确的位置。
GPS接收设备内置有多个接收天线，用于接收来自卫星的导航信号。
1. 三角测量原理GPS定位利用了三角测量原理。
当接收设备接收到至少4颗以上的卫星信号后，就可以通过测量信号传输时间来计算卫星与接收设备之间的距离。
接收设备根据这些距离信息，利用三角测量原理计算出自身的准确位置。
2. 卫星钟同步GPS定位还需要考虑卫星和接收设备之间的时间同步问题。
卫星内置高精度的原子钟用于发送导航信号，并提供时间信息。
接收设备通过测量信号传播的时间差，校正卫星和自身设备之间的时间差，以确保定位的准确性。
3. 误差校正GPS定位还需要考虑各种误差对定位结果的影响，并进行相应的校正。
常见的误差包括大气延迟、钟差误差和多径效应等。
大气延迟是由于卫星信号穿过大气层而引起的延迟；钟差误差是卫星和接收设备内部时钟不完全同步所导致的误差；多径效应则是由于信号在传播过程中被建筑物、地形等物体反射而引起的误差。
通过采用差分定位、精密码和半载波技术等手段，可以对这些误差进行校正，提高定位的准确性。
4. 差分定位技术差分定位是一种通过参考站和接收站之间的距离差异进行差分计算来提高定位精度的技术。
参考站会测量准确的位置，并将数据通过无线电信号传输给接收设备进行差分计算。
差分定位可以有效降低多种误差的影响，提高定位的准确性。
三、GPS定位的应用GPS定位技术已广泛应用于各个领域。
GPS定位基本原理
Each satellite carries around four atomic clocks
Uses the oscillation of cesium and rubidium atoms to measure time
精确定位必须解决两个问题：确定卫星准确位置；准 确测定卫星到地面测点的距离。
1．测距方法
伪距测量（伪码测距）：测量GPS卫星发射的测距码 信号到达用户接收机的传播时间。
载波相位测量：测量具有载波多普勒频移的GPS卫星 载波信号与接收机产生的参考信号之间的相位差。
多普勒测量：由积分多普勒计数得出的伪距。
GPS系统的定位过程可简述为如下步骤： 跟踪、选择卫星、接收选定卫星的信号。 解读、解算出卫星。 测量得到卫星和用户之间的相对位置。 解算得到用户的最可信赖位置。
“交会法” 定位
已知一颗卫星的位置和接收器到它的距离，就可以确定接收器在一个球面上。 已知两颗卫星的位置和接收器到它们的距离，就可以确定接收器在一个环上。 如果知道三颗卫星的位置和接收器到它们的距离，通常可以确定接收器一定
Time Difference
Satellite PRN
Receiver PRN
Distance Measuring
The whole system பைடு நூலகம்evolves around
time!!!
Distance = Rate x Time
Rate = 186,000 miles per second (Speed of Light)
T
T+3
卫星导航系统中的定位误差分析与纠正方法
卫星导航系统中的定位误差分析与纠正方法卫星导航系统是一种基于卫星和接收机的无线电导航系统，可为用户提供位置信息和时间信息。
目前世界上最著名的卫星导航系统是GPS系统。
卫星导航系统广泛应用于航空、航海、汽车等领域，但定位误差一直是制约卫星导航系统精度的主要因素之一。
因此，有效的定位误差分析和纠正方法对于提高卫星导航系统的精度具有重要意义。
一、定位误差的来源在实际应用中，定位误差的来源主要包括以下几个方面：1.多径效应：在卫星导航中，信号从卫星到接收机会经过大气层、地面及建筑物等障碍物的反射，形成多条路径，导致信号到达接收机时时间不同，从而影响信号的接收强度和相位，引起定位误差。
2.大气延迟：卫星信号在传播至地面接收机过程中，会和大气层中的水汽、离子层等物质发生作用，形成信号的延迟和衍射，造成定位误差。
3.时钟误差：由于卫星时钟和接收机时钟存在差异，导致信号的到达时间和时间标准存在误差，引起定位误差。
4.卫星轨道误差：卫星的轨道参数可能存在变化，导致卫星位置计算的误差，进而影响到距离计算和定位精度。
二、定位误差分析方法为了解决卫星导航系统中的定位误差问题，需要对误差源进行定位误差分析。
常用的定位误差分析方法包括以下几种：1.测量方法：通过测量不同地点的接收机接收到相同卫星的时间和位置，验证不同地点的定位误差，并对误差进行分析。
2.数据处理方法：用多条卫星信号计算一个接收机的位置，在数据处理时通过加权、差分、平均等方法消除干扰信号，提高数据质量，减小定位误差。
3.数学模型方法：通过数学建模描述误差的产生过程，并用模型对误差进行分析和预测。
三、定位误差纠正方法为了改善卫星导航系统的定位精度，需要对定位误差进行纠正，常用的纠正方法包括以下几种：1.差分方法：通过使用同时接收同一组卫星数据的两个接收机进行差分计算，除去通用误差项，提高单个接收机的定位精度。
2.观测矩阵法：利用卫星信号和接收机位置观测数据，建立观测矩阵，最小二乘法求解参数，实现对定位误差的纠正。
GPS定位方法分类和基本原理介绍
在绝对定位和相对定位中，又都包含静态和动 态两种形式。
GPS观测量的基本概念
无论采取何种GPS定位方法，都是通过 观测GPS卫星而获得某种观测量来实现 的。GPS卫星信号含有多种定位信息， 根据不同的要求，可以从中获得不同的 观测量，主要包括： •根据码相位观测得出的伪距。 •根据载波相位观测得出的伪距。 •由积分多普勒计数得出的伪距。 •由干涉法测量得出的时间延迟。
用C/A码进行测量的伪距为C/A码伪距， 用P码测量的伪距为P码伪距。
伪距法定位特点
伪距法定位虽然一次定位精度不高，P码 定位误差约为10m，C/A码定位误差为 20-30m，但因其具有定位速度快，且无 多值性问题等优点，仍然是GPS定位系统 进行导航的最基本方法。同时，所测伪距 又可作为载波相位测量中解决整波数不确 定问题（整周模糊度）的辅助资料。
k jtkk jtkktk
载波相位测量观测方程
通常的相位测量或 相位差测量只是测 Sj(t0)
出一周以内的相位 0 值，实际测量中，
如果对整周进行计
取得连续
的相位观测值。
k
Sj(ti)
i
Int(φ)
N0
载波相位测量观测方程
t0 时刻和tk 时刻的相位观测值可以写成：
载波相位测量观测方程
载波相位观测的的观测量是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。以 kj tk 表示k接收机在接收机钟 面时刻tk时所接受到的j卫星载波信号的相位 值，k tk 表示k接收机在钟面时刻tk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tk时观测j卫星所取得的相位 观测量可写为：
GPS测量原理及应用GPS卫星定位基本原理
一、伪距测量
• 1.如何进行伪距测量？ • 测距码 • 复制码 • 时间延迟 • 自相关系数 • 伪距
（1）为什么要用码相关法测定伪距？
• 测距码看起来是杂乱无章的，其实是按照某一规 律编排的，每个码都对应着某一特定的时间。
• 为什么不用测距码的某一个标志来进行伪距测量 呢？
• 每个码在产生的过程中都带有误差，信号经过长 距离传送后也会产生变形，因而根据某一标志来 进行量测会带来较大误差。
§3 载波相位测量
载波相位测量>概述
一、概述
• 为了满足高精度定位的需要 – 测距码伪距测量是全球定位系统的基本测距方 法。 – 测距精度：C/A码：2.93 m Ｐ 码：0.293 m – 载波：λL1=19cm， λL2=24cm – 测距精度：1-2mm
载波相位测量>概述
一、概述
发自卫星 的电磁波 信号：
• （4）测距码为周期性序列，因而自相关系数也具 有相同的周期。理论上仍会有多值问题。
2、用测距码测定伪距的原因
1、易于将微弱的卫星信号提取出来 2、可提高测距精度 3、便于用码分多址技术对卫星信号进行识别和处理 4、便于对系统进行控制和管理
3.伪距测量的观测方程
• 观测值 • 几何距离 • 观测值与几何距离间的关系
度特别好的原子钟才有可能实现。 • 接收机钟改正数的解决方法
• 2计算方法 线性化 列出误差方程 最小二乘原理求解
三特殊情况下的定位
• 加权约束解：不减少观测值的数量，而在求解时 给“已知参数”以适当的权。允许该参数在“已知值” 附近作微小变动，则能加强解的强度，获得较精 确的结果。
• 高程约束解 • 时间约束解
GPS定位的方法与观测量>概述
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GPS测量的误差
GPS测量的误差
GPS测量的误差
• • • • • • 其它模型 – 萨斯塔莫宁模型（Saastamoinen） – 勃兰克模型（Black） • 气象元素的测定 – 气象元素：气压、干温、湿温、相对湿度
GPS测量的误差
GPS测量的误差
• • • • • • 电子密度 – 与高度有关 – 与地方时有关 – 与太阳活动有关 – 与季节有关 – 与位置有关
整周未知数（整周模糊度）的确定
• （１）整数解(固定解) • 整周未知数从理论上讲应该是一个整数，但是， 由于各种误差的影响，平差求得的整周未知数往 往不是一个整数，而是一个实数。 • 对于短基线，当进行1 h以上的静态相对定位，由 于测站间星历误差、大气折射等误差具有强相关 性，相对定位可以使这些误差大大消弱；同时也 由于在较长的观测时间，观测卫星的几何分布会 产生较大的变化，因此能以较高的精度来求定整 周未知数。此时，平差求出的整周未知数一般为 较接近于邻近整数的实数，且如果整周未知数估 值的中误差甚小，则可直接取相邻近的整数为整 周未知数；或者从统计检验的角度，取整周未知 数估值加上3倍的中误差(即)为整周未知数的整数 取值范围，该范围内包含的所有整数均作为整周 未知数的候选值。
整周未知数（整周模糊度）的确定
• • • • • 六、整周未知数（整周模糊度）的确定 ������ 整周未知数的平差待定参数法 ������ 三差法 ������ 伪距双频法 ������ 交换天线法
整周未知数（整周模糊度）的确定
• 1 整周未知数的平差待定参数法 • 把整周未知数作为基线向量平差计算中的待定 参数，在平差过程中与其他参数一起求解确定。 静态相对定位中常采用这种方法，即可采用如下 的数学模型，根据最小二乘原理，通过平差求解 相应的整周未知数，而整周未知数的取值有两种 取值方法。
载波相位观测量的线性组合
• • • • 两个不同频率的载波(L1,L2)相位观测值间的 线性组合（7） ������ 几类特殊的线性组合观测值 ������ 无电离层折射的组合（iono-free）
周跳的探测与修复
• • • • • • • • • • 五、周跳的探测与修复 ������ 周跳产生的原因 ������ 信号被遮挡 ������ 干扰 ������ 接收机运动速度过快 ������ 接收机暂时的故障 ������ 高次差法/多项式拟合法 ������ 简单的高次差 ������ 星间差分的高次差 ������ 残差法
GPS定位方法分类
• 根据定位时效： • ������ • 实时定位：在用户站接收到GPS卫星信号 的同时计算出定位结果。 • ������ • 事后定位：在测后进行有关的数据处理， 求得用户站的定位结果。
GPS定位方法分类
• 根据观测值类型： • ������ • 伪距测量：利用C/A码伪距或P码伪距作为 观测量进行定位测量。 • ������ • 载波相位测量：利用L1载波或L2载波测得 的载波相位伪距作为观测量进行定位测量。
GPS测量的误差
• • • • 3、与传播途径有关的误差 • 对流层延迟 • 电离层延迟 • 多路径效应
Hale Waihona Puke GPS测量的误差GPS测量的误差
GPS测量的误差
• • • • • • • • • 2）大气层的结构 • 对流层 – 0km~40km – 各种气体元素、水蒸气和尘埃等 – 非色（弥）散型介质 • 电离层 – （50）70km以上 – 带电粒子 – 色（弥）散型介质
载波相位观测量的线性组合
• 两个不同频率的载波(L1,L2)相位观测值间的 • 线性组合（3） • ������ 两个不同频率的载波(L1,L2)相位观测值间线 性组合的 • 一般形式（续）
载波相位观测量的线性组合
• 两个不同频率的载波(L1,L2)相位观测值间的 • 线性组合（4） • ������ 两个不同频率的载波(L1,L2)相位观测值间线性组合 的 • 一般形式（续） • ������ ϕn,m（续）
第三章GPS静态定位原理
教材五、六、七章
GPS定位方法分类
• 根据定位模式： • ������ 单点定位（绝对定位）：绝对定位是以地球质心 为参考点，测定接收机天线在协议地球坐标系中的绝 对位置。 • ������ • 相对定位：确定测站与某一地面参考点之间的相 对位置。 • ������ • 差分定位：用两台GPS接收机，将一台接收机安 设在基准站上固定不动，另一台接收机安置在运动的 载体上，两台接收机同步观测相同的卫星，通过在观 测值之间求差，以消除具有相关性的误差，提高定位 精度。而运动点位置是通过确定该点相对基准站的相 对位置实现的。
静态绝对定位原理（测码伪距定位）
静态绝对定位原理（测码伪距定位）
• 伪距法单点定位（四） • ������ DOP值– Dilusion Of Precision（几 何精度因子） • ������ PDOP（三维位置精度因子） • ������ HDOP（水平分量精度因子） • ������ VDOP（垂直分量精度因子） • ������ GDOP（反映卫星空间几何分布对接 收机钟差和位置综合影响的精度因子） • ������ TDOP（钟差精度因子）
载波相位测量
载波相位测量
载波相位测量
载波相位测量
载波相位测量
• • • • • • • • • • • • • • • •
GPS测量的误差
1、概述 • 系统误差（影响） – 与卫星有关的误差 • 星历误差 • 卫星钟差 • 相对论效应 – 与传播途径有关的误差 • 对流层折射 • 电离层折射 • 多路径效应 – 与接收机有关的误差 • 接收机钟差 • 天线相位中心的偏差及变化 • 各通道间的信号延迟误差 – 其它 • 偶然误差
载波相位观测量的线性组合
• 两个不同频率的载波(L1,L2)相位观测值间 的线性组合（1） • ������ 两个不同频率的载波(L1,L2)相位观测 值间线性组合的一般形式������ • 一般形式 • ������ 特性 • ������ L1的特性
载波相位观测量的线性组合
• 两个不同频率的载波(L1,L2)相位观测值间 的线性组合（2） • ������ 两个不同频率的载波(L1,L2)相位观测 值间线性组合的一般形式（续） • ������ L2的特性
GPS测量的误差
GPS测量的误差
GPS测量的误差
• 多路径效应与以下一些因素有关 • – 卫星、接收机、信号反射体三者间的相对 位置关系 • – 反射信号的强度（信号反射体的反射率） • – 接收机处理信号的方法
GPS测量的误差
• 应对方法 • – 选择测站 • • 避开易发生多路径的环境，如建构筑物、山坡、 成片水域等 • – 长时间观测 • – 改进接收设备硬件 • • 接收机天线– 抑径板，扼流圈（Choke Ring） • • 信号处理方法– 窄相关技术 • – 其它数据处理的方法 • • 模型法 • • 滤波
GPS测量的误差
• • • • • • 5、其它误差（因素） • 地球潮汐 – 固体潮 – 负荷潮 • 海洋负荷潮 • 大气负荷潮
载波相位观测量的线性组合
• • • • • 四、载波相位观测量的线性组合 1、单差 2、双差 3、三差 4、其它线性组合：L1和L2间的线性组合
载波相位观测量的线性组合
载波相位观测量的线性组合
载波相位观测量的线性组合
载波相位观测量的线性组合
载波相位观测量的线性组合
载波相位观测量的线性组合
• • • • • • • • • • 差分观测值（6） ������ 非差法 ������ 求差法与非差法的比较 ������ 求差法数据利用率低 ������ 求差法引入了基线向（矢）量的概 念 ������ 差分观测值之间具有了相关性 ������ 求差法无法确定出一些多余参数 ������ 著名的非差软件 ������ 美JPL研制的GIPSY
静态相对定位原理（测相伪距定位）
• 静态相对定位原理（测相伪距定位） • 静态绝对定位，由于受到卫星轨道误差、接收机 钟不同步误差，以及信号传播误差等多种因素的 干扰，其定位精度较低，2～3h C/A码伪距绝对定 位精度约为±20m，远不能满足大地测量精密定 位的要求。而静态相对定位，由于采用载波相位 观测量以及相位观测量的线性组合技术，极大地 削弱了上述各类定位误差的影响，其定位相对精 度高达10-6～10-7，是目前GPS定位测量中精度最 高的一种方法，广泛应用于大地测量、精密工程 测量以及地球动力学研究。
GPS定位方法分类
• 依确定整周模糊度的方法及观测时段的长短
• ������ • 常规静态定位 • 快速静态定位
静态绝对定位原理（测码伪距定位）
• • 静态绝对定位是在接收机天线处于静止状 态下，确定测站的三维地心坐标。 • • • 定位所依据的观测量，是根据码相关测距 原理测定的卫星至测站间的伪距。 • • • 由于定位仅需使用一台接收机，速度快， 灵活方便，且无多值性问题等优点，广泛 用于低精度测量和导航。
GPS测量的误差
• 2）卫星钟差 • • 什么是卫星钟差： • 指卫星时钟的时间读数与GPS标准时 间之间的偏差。 • • 物理同步误差与数学同步误差
GPS测量的误差
• 3）相对论效应 • • 什么是相对论效应： • 指由于卫星上的时钟和地球上的时钟所处 的状态（主要指运动速度和重力位）不同 而引起的卫星时钟与地球上的时钟产生相 对钟误差的现象。 • • 广义相对论效应与狭义相对论效应 • • 相对论效应对卫星钟的影响 • • 处理方法
载波相位观测量的线性组合
• • • • 两个不同频率的载波(L1,L2)相位观测值间的 线性组合（5） ������ 几类特殊的线性组合观测值 ������ 宽巷组合（wide-lane）(n=1, m=-1)