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GPS整理资料
重点
名词解释:
1.轨道摄动
卫星的真实轨道与正常轨道之间的差异,称为轨道摄动。
2.伪距
是由GPS观测而得的GPS观测站到卫星的距离,由于尚未对因“卫星时钟与接收机时钟同步误差”的影响加以改正,在所测距离中包含着时钟误差因素在内,故称“伪距”
3.SPS
标准定位服务,使用C/A码,民用,精度约为100m
4.轨道根数
所谓轨道根数即轨道参数,是在人卫轨道理论中用来描述卫星椭圆轨道的形状、大小及其在空间的指向,及确定任一时刻t0卫星在轨道上的位置的一组参数。
通常采用的是所谓的6个开普勒轨道根数。
5.WGS84
WGS-84是修正NSWC9Z-2参考系的原点和尺度变化,并旋转其参考子午面与BIH定义的零度子午面一致而得到的一个新参考系,WGS-84坐标系的原点在地球质心,Z轴指向BIH1984.0定义的协定地球极(CTP)方向,X轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点,Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。
它是一个地固坐标系。
填空
1.GPS接收机,依不同频率载波数量分为_单频接收机__、双频接收机__
2.用于导航定位的GPS信号由三部分___载波、导航电文测距码___、
3.GPS卫星星历作用_描述卫星运动轨道的信息_,有___预报星历(广播星历)
__和后处理星历(精密星历)两种
4.GPS定位类型依观测值类型分为__伪距测量(伪距法定位)、载波相位测量_
5.在进行载波测量相位解算前,首先进行___解调___工作,即_载波重建
6.星间差分观测值作用_可消除接收机钟差
7.GPS定位误差按来源分_与卫星有关的误差_、与传播途径有关的误差、与卫星有关的误差___
8.VDOP是__垂直坐标误差____其值越_小(?
)表示越好
9.技术设计内容主要包括__项目来源、测区概况、工程概况、技术依据、现有测绘成果、施测方案、作业要求、观测质量控制、数据处理方案、提交成果要求_
10.采用GPS观测所得到的高程属于______大地高___
简答
1.日常规测量系统普通GPS有何特点
答:
测站之间不需要通规提供三维坐标定位精度高操作简便观测时间短全天候24小时作业
2.写出伪距测量的观测方程并解释其参数,理解利用伪距进行单点定位至少需要同时观测几颗卫星及其原因
伪距测量的观测方程:
为卫星至观测站之间的距离;
为伪距;
为电离层延迟改正;
为对流层延迟改正;
为卫星钟差;
为接收机钟差
至少需要同时观测4颗卫星,因为用伪距进行单点定位观测一个历元的误差方程中有4个未知数,需要4个方程解,所以需要同时观测4颗卫星。
3.什么是周跳产生的原因,周跳有何特点,并介绍探测方法
(1)产生周跳的原因:
信号被遮挡,导致卫星信号无法被跟踪
仪器故障,导致差频信号无法产生
卫星信号信噪比过低,导致整周计数错误
接收机在高速动态的环境下进行观测,导致接收机无法正确跟踪卫星信号
卫星瞬时故障,无法产生信号
(2)周跳特点:
只影响整周计数-周跳为波长的整数倍
将影响从周跳发生时刻(历元)之后的所有观测值
(3)解决周跳问题的方法:
①探测与修复:
设法找出周跳发生的时间和大小1.屏幕扫描法
②高次差法3.多项式拟合法4.MW观测值法5.三差法
③参数法:
将周跳标记出来,引入周跳参数,进行解算
4.什么是多路径误差?
如何减弱多路径误差,应对方法主要有哪些?
在GPS测量中,被测站附近的物体所反射的卫星信号(反射波)被接收机天线所接收,与直接来自卫星的信号(直接波)产生干涉,从而使观测值偏离真值产生所谓的“多路径误差”。
应对多路径误差的方法主要有3种:
(1)观测上:
选择合适的测站:
避开易发生多路径的环境,如建构筑物、山坡、成片水域等。
(2)硬件上:
采用抗多路径误差的仪器设备1.抗多路径的天线:
带抑径板或抑径圈的天线,极化天线;2.抗多路径的接收机:
窄相关技术等
(3)数据处理上:
采用加权、参数法、滤波法、信号分析法等
5.论述GPS基线向量网的设计原则
答:
选点的原则
为保证对卫星的连续跟踪观测和卫星信号的质量,要求测站上空应尽可能的开阔,在10°~15°高度角以上不能有成片的障碍物。
为减少各种电磁波对GPS卫星信号的干扰,在测站周围约200m的范围内不能有强电磁波干扰源,如大功率无线电发射设施、高压输电线等。
为避免或减少多路径效应的发生,测站应远离对电磁波信号反射强烈的地形、地物,如高层建筑、成片水域等。
为便于观测作业和今后的应用,测站应选在交通便利,上点方便的地方。
测站应选择在易于保存的地方。
提高可靠性的原则
增加观测期数(增加独立基线数)。
保证一定的重复设站次数。
保证每点与三条以上的独立基线相连。
最小异步环边数不大于6。
提高精度的原则
网中距离较近的点一定要进行同步观测,以获得它们间的直接观测基线。
建立框架网。
最小异步环边数不大于6。
适当引入高精度测距边。
若要进行高程拟合,水准点密度要高,分布要均匀,且要将拟合区域包围起来。
适当延长观测时间,增加观测时段。
选取适当数量的已知点,已知点分布均匀。
1.GPS:
NAVigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositionSystem—导航星测时与测距全球定位系统,简称GPS也称作NAVSTARGPS,是空基全天候导航系统,由美国防部开发,用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速度和时间信息的要求。
2.GPS特点:
○1观测站之间不需要通视;○2提供三维坐标;○3定位精度高;○4操作简便;○5观测时间短;○6全天候24小时作业。
3.(了解)先前定位系统:
无线电导航系统;天文导航系统;惯性导航系统。
4.GPS参数:
○1轨道数:
6,间隔60°;○2卫星:
4颗,不均匀分布;○3轨道倾角:
55°;○4轨道半径:
26560km;○5轨道周期:
1/2恒星日(11时58分);○6地面重复跟踪:
每个恒星日;○7编码:
每颗卫星不同,码分制;○8调制码(码率):
C/A码1.023MHz),P码(10.23MHz);○9星历数据表示方式:
开普勒轨道公式;○10坐标系:
WGS-84;○11时钟数据:
时钟偏差、频率偏移、频率速率;○12轨道数据:
每小时修正开普勒轨道参数。
5.(了解)其他卫星导航系统:
○1Galileo--ENSS:
欧盟的欧洲导航卫星系统(ENSS),即伽利略计划。
○2GLONASS(俄):
由24颗卫星(21颗工作3颗备用)均匀分布在3个轨道平面内。
卫星高度为19100km,轨道倾角64.8°,卫星的运行周期为11时15分。
GLONASS卫星的这种空间配置,保证地球上任何地点、任何时刻均至少可以同时观测5颗卫星。
○2北斗导航系统(中国):
全天候、全天时提供卫星导航信息的区域导航系统。
覆盖范围东经约70º—140º,北纬5º—55º。
由2颗相隔一定距离的静止轨道卫星、控制站和接收机组成。
定位基于三球交会原理。
系统三大功能:
快速定位、简短通信、精密授时。
6.卫星定位技术发展概况:
无线电导航系统,根据使用的工作频率、定位方式可建立不同的实际系统。
主要缺点:
覆盖‘的区域小;电波传播受大气影响;定位精度不够。
天文导航系统,以天空中的星体作为导航平台,星光作为导航定位的测角定位系统。
天文导航系统虽然覆盖的工作区域很大,但是定位精度不高,且可见光的传播受气象影响。
惯性导航系统,通过测量飞行器的加速度,进行二次积分来推算出飞行器的位置。
其最大的优点是追踪导弹时不受敌方干扰,可是定位精度随时间加长而降低,因此需要不断修正。
7.GPS的应用:
国防军事,搜索救援,气象观测,卫星定规,交通测量,遥感电力。
8.(了解)天球坐标系:
是以天球及天球上的点线圈为基础所建立的坐标系。
协议天球坐标系:
经协商指定的某一特定时刻的平天球坐标系。
极移:
地球瞬时自转轴在地球上随时间而变,称为地极移动,简称极移。
岁差:
地球的形体接近于一个赤道隆起的椭球体,在日月引力和其他天体引力对地球隆起部分的作用下,地球自转轴方向不再保持不变,出现的春分在黄道上产生的缓慢西移的现象。
章动:
在月引力等因素的影响下,瞬时北天极将绕瞬时平北天极产生的旋转,大致成椭圆轨道的现象。
9.GPS坐标系:
WGS-84坐标系,国际地球参考框架(ITRF),北京54旧坐标系,北京54新坐标系,中国2000坐标系。
各坐标系相关参数:
○1WGS-84坐标系:
长半径a=6378137±2(m);扁率f=1/298.257223563。
○2北京54旧坐标系:
长半径a=6378245m;扁率f=1/298.3;参考椭球:
克拉索夫斯基椭球。
○3北京54新坐标系:
长半径a=6378140m;扁率f=1/298.257;参考椭球:
克拉索夫斯基椭球。
○4中国2000坐标系:
○5西安80:
长半径a=6378140m;扁率f=1/298.257。
10.WGS-84坐标系:
WGS-84是修正NSWC9Z-2参考系的原点和尺度变化,并旋转其参考子午面与BIH定义的零度子午面一致而得到的一个新参考系。
原点在地球质心,Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极(CTP)方向,X轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点,Y轴和Z、X轴构成右手坐标系,是一个地固坐标系。
(精度为1m到2m)
11.ITRF-国际地球参考框架:
是InternationalEarthRotationService制定,由全球数百个SLR、VLBI和GPS站构成的。
(可达厘米级精度)
12.时间系统分类:
世界时,力学时,原子时,GPS时。
13.GPS接收机:
石英钟;卫星:
原子钟。
14.人卫轨道理论内容:
研究人造地球卫星的运动规律。
15.轨道摄动:
卫星的真实轨道与正常轨道之间的差异。
16.轨道根数:
即轨道参数,是在人卫轨道理论中用来描述卫星椭圆轨道的形状、大小及其在空间的指向,以及确定任一时刻t0卫星在轨道上的位置的一组参数。
常用6个开普勒轨道根数。
即:
升交点赤经Ω,轨道倾角i,长半径a,偏心率e,近地点角距ω,卫星过近地点的时刻t0。
17.GPS系统组成:
空间部分、地面控制部分、用户设备部分。
GPS空间部分:
设计21颗正式工作卫星+3颗活动备用卫星,保证在24小时,在高度角15°以上能够同时观测到4到8颗卫星。
GPS地面控制部分:
组成:
1个主控站,5个跟踪站,3个注入站。
作用:
监测和控制卫星运行,编算卫星星历,保持系统时间。
GPS用户设备部分:
GPS信号接收机及相关设备。
空间部分:
GPS卫星星座,21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星;6个轨道面(A、B、C、D、E、F、G),保证在24小时,在高度角15°以上,能够同时观测到4至8颗卫星
GPS卫星,作用:
发送用于导航定位的信号;其他特殊用途,如通讯、监测核暴等。
地面控制部分:
组成:
主控站(1个)、跟踪站(5个)和注入站(3个)
作用:
监测和控制卫星运行,编算卫星星历(导航电文),保持系统时间
主控站作用:
收集各检测站的数据,编制导航电文,监控卫星状态;通过注入站将卫星星历注入卫星,向卫星发送控制指令;卫星维护与异常情况的处理。
跟踪站作用:
接收卫星数据,采集气象信息,并将所收集到的数据传送给主控站。
它是数据自动采集中心。
注入站作用:
将导航电文注入GPS卫星。
用户设备部分:
GPS信号接收机及相关设备;接收、跟踪、变换和测量GPS信号的设备;多数采用石英钟。
GPS接收机:
能够跟踪、接收、变换和测量GPS信号的卫星信号接收设备。
18.GPS接收机:
能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的卫星信号接收设备。
分类:
○1按用途分:
导航型接收机,测地型接收机,授时型接收机。
○2按载波频率分:
单频接收机,双频接收机。
○3按通道数分:
多通道接收机,序贯通道接收机,多路多用通道接收机。
○4按工作原理分:
码相关型接收机,平方接收机,混合型接收机,干涉型接收机。
19.接收机组成:
天线单元(带前置放大器、接收天线);接收单元(信号通道、存储器、微处理器、输入输出设备、电源)。
20.天线相位高求法:
(如图)
天线高:
标志至平均相位中心所在
平面的垂直距离H。
∆H:
相位高改正数。
R:
仪器半径。
h:
斜高,直接量取。
21.接收(信号)通道:
接收集中用来跟踪、处理、量测卫星信号的部件,由无线电元器件、数字电路等硬件和专用软件组成。
22.GPS信号结构:
载波(L1和L2),导航电文,测距码(C/A码和P(Y)码)。
载波作用:
搭载其他信号,也可用于测量。
23.导航电文:
用户用来定位和导航的数据基础。
是包含了该卫星的星历、工作状况、时钟改正、电离层时延改正、大气折射改正以及由C/A码捕获P码等导航信息的数据码。
测距码:
方波,伪随机噪声码—PRN码(可复制)。
测距码:
方波
C/A码,粗码,码速:
1.023MHZ,码元长度:
300米
C/A码是由两个10级反馈移位寄存器相组合而产生的.
特点:
码长较短,易于捕获,通过捕获C/A码所得到的信息,又可以方便捕获P码;C/A码码元宽度较大,又称之为粗捕获码。
P码,精码,码速:
10.23MHZ,码元长度:
30米
P码产生的基本原理与C/A码相似,但其发生电路,是采用两种各由两个12级反馈移位寄存器构成的,情况更为复杂。
线路设计细节均是保密的。
24.卫星星历:
是描述卫星运动轨道的信息,或者说是一组对应于某一时间的卫星轨道根数及其变率。
包括:
预报星历(广播星历),后处理星历(精密星历)。
25.实测星历:
是根据实测资料进行拟合处理而直接得出的星历。
它需要在一些已知精确位置的点上跟踪卫星来计算观测瞬间的卫星真实位置,从而获得准确可靠的精密星历。
26.两种GPS服务:
○1SPS—标准定位服务。
使用C/A码,民用,精度为100m。
○2PPS—精密定位服务。
可使用P码,军用和得到特许的民用,精度达10m。
27.两种限制导航定位的精密措施:
SA:
选择可用性,人为降低普通用户的测量精度。
水平100米,垂直157米;
方法,ε技术:
轨道加绕(长周期,慢变化);
δ技术:
星钟加绕(高频抖动,短周期,快变化)。
AS:
反电子欺骗,P码加密,P+W->Y
28.SA(SelectiveAvailability)技术:
其主要内容是○1在广播星历中有意地加入误差,使定位中的已知点(卫星)的位置精度大为降低;○2有意地在卫星钟的钟频信号中加入误差,使钟的频率产生快慢变化。
(区别AS(Anti-Spoofing):
反电子欺骗,P码加密,P+W->Y)
29.GPS定位类型:
○1依定位时接收机天线运动状态:
静态定位,动态定位;○2依定位模式:
绝对(单点)定位,相对定位,差分定位;○3依观测值类型:
伪距法定位,载波相位测量定位;○4依定位时效:
实时定位,事后定位;○5依整周模糊度方法及观测时段:
常规静态定位,快速静态定位。
30.静态定位:
在定位时,接收机的天线在跟踪GPS卫星过程中,位置处于固定不动的静止状态的定位方法。
(动态定位:
是定位过程中接收机天线处于运动状态。
精度稍差)
31.绝对定位(单点定位):
仅单独利用一台接收机确定待定点在地固坐标系中的绝对位置的方法。
相对定位(消除或减弱卫星钟、卫星星历、卫星信号传播等误差):
确定同步跟踪相同的GPS信号的若干台接收机之间的相对位置的定位方法。
可消除许多相同或相近的误差。
优点:
精度高。
缺点:
多台接收共同作业,作业复杂;数据处理复杂;不能直接获取绝对坐标。
非差观测方程:
不同接收机对同一颗卫星,按历元不同差分;
单差观测方程:
站间差,星钟差减没了;
双差观测方程:
星间差,接收机钟差减没了。
差分定位:
是在一个测站对两个目标的观测量、两个测站对一个目标的两次观测量之间进行求差。
(差分GPS:
利用设置在坐标已知的点上测定GPS测量定位误差,用以提高在一定范围内其它GPS接收机测量定位精度方法。
)
单基站局域差分:
基准站(一个)数据通讯链和用户。
模型简单;差分范围小、精度低。
多基站差分:
基准站(多个)数据通讯链和用户。
精度高、可靠性高、差分范围大;范围有限、模型不完善。
广域差分:
系统构建复杂、建设费用高。
差分方式:
站间差分:
同步观测值在接收机间求差。
可消除卫星钟差,削弱电离层、对流层折射影响。
星间差分:
同步观测值在卫星间求差。
可消除接收机钟差。
历元间差分:
观测值在间历元求差。
可消去整周未知数参数。
**单差:
站间一次差分;双差:
站间、星间二次差;三差:
站间、星间和历元间三次差。
32.伪距法测量:
利用测距码进行测距的原理:
基本思路:
r=t•c=Dt•c
33.伪距:
GPS定位采用的是被动式单程测距,它的信号发射时刻是卫星钟确定的,收到时刻是接收机钟确定的,这就在测定卫星至接收机的距离中,不可避免地包含着两台钟不同步的误差影响,所以称其为伪距。
34.测距码伪距观测方程:
35.载波相位伪距观测方程:
其中:
Φ:
载波相位观测值;λ:
载波波长;ρsr:
站星距;δtr:
接收机钟差;δts:
卫星钟差;δρtrop:
对流层折射;δρion:
电离层折射;ρorbit:
卫星星历误差;N:
整周模糊度;t:
历元时刻;ε:
残差。
(了解)伪距测量观测精度低,效率高;载波相位测量精度高,存在……。
伪距测量和码相位测量是以测距码为量测信号的。
量测精度是一个码元长度的百分之一。
由于测距码的码元长度较长,因此量测精度较低(C/A码为3m,P码为30cm)。
载波的波长要短得多(λL1=19cm,λL2=24cm),对载波进行相位测量,可以达到很高的精度。
误差按来源分类:
与卫星有关的误差,卫星轨道误差、卫星钟差、相对论效应;
与传播途径有关的误差,电离层延迟、对流层延迟、多路径效应;(周跳)
与接收设备有关的误差,接收机相位中心的偏差和变化、接收机钟差、接收机内部噪声。
消除系统误差的措施和方法:
建立误差改正模型:
适用情况,对误差的特性、机制及产生原因有较深刻了解,能建立理论或经验公式。
如电离层延迟和对流层延迟改正模型等;
求差法:
原理,通过观测值间一定方式的相互求差,消去或消弱求差观测值中所包含的相同或相似的误差影响;适用情况,误差具有较强的空间、时间或其它类型的相关性。
如对流层延迟、对流层延迟、卫星轨道误差(星历误差、卫星钟误差)。
参数法:
原理,采用参数估计的方法,将系统性偏差求定出来;适用情况,几乎适用于任何的情况。
回避法:
原理,选合适的地点,避开易产生误差的环境,采用特殊的观测方法、硬件设备消除或减弱误差影响;适用情况,电磁波干扰、多路径效应等。
36.重建载波方法、作用:
在GPS信号中由于已用相位调整的方法在载波上调制了测距码和导航电文,因而接收到的载波的相位已不再连续,所以在进行载波相位测量之前,首先要进行解调工作,设法将调制在载波上的测距码和导航电文去掉,重新获取载波。
载波重建一般方法:
○1码相关法○2平方法。
采用前者,用户可同时提取测距信号和卫星电文,但必须知道测距码的结构;采用后者,用户无需掌握测距码结构,但只能获得载波信号而无法获得测距码和卫星电文。
37.整周跳变(周跳):
卫星信号失锁,使接收机的整周计数不正确,但不到一整周的相位观测值仍是正确的。
38.周跳原因:
○1信号被遮挡;○2仪器故障;○3信号被干扰;○4接收机在高速动态的环境下进行观测;○5卫星瞬时故障,无法产生信号。
39.周跳特点:
○1周跳只因其载波相位观测量的整周书发生跳跃,小数部分是正确的;○2周跳有继承性,即从发生周跳的历元开始,以后所有历元的相位观测值都受该周跳的影响。
40.周跳探测与修复方法:
屏幕扫描法;高次差法;多项式拟合法;MW观测值法;残差法。
41.整周未知数确定方法:
伪距法;多普勒法(消去法);走走停停法;参数法(搜索法)。
42.差分观测值:
将相同频率的GPS载波相位观测值依据某种方式求差所获得的新组合的观测值(虚拟观测值)。
43.差分方式:
○1站间差分:
同步观测值在接收机间求差。
特点:
消除了卫星钟差影响;消弱了电离层折射影响;消弱了对流层折射影响;消弱了卫星轨道误差影响。
○2星间差分:
同步观测值在卫星间求差。
特点:
消除了接收机钟差影响。
○3历元间差分:
消去了整周未知数参数。
44.差分按差分次数分:
单差(站间一次差分);双差(站间、星间各求一次差);三差(站间、星间、历元间各求一次差)。
45.采用差分观测值缺陷:
数据利用率低;引入基线矢量取代了位置矢量;差分观测值间具有了相关性,使处理问题矢量化;某些参数无法求出。
46.DOP:
DilutionOfPrecision,图形精度因子,反映观测精度的值。
性质:
①DOP值与单点定位时所观测卫星数量和分布有关,它所表示的是定位的几何条件;②DOP值越小,卫星定位的几何条件越好。
47.PDOP:
空间位置图形强度因子;VDOP:
垂直分量精度因子;HDOP:
水平分量精度因子;TDOP:
时间分量精度因子;GDOP:
几何分量精度因子。
48.(了解)误差分类:
系统误差,偶然误差,其他误差。
系统误差:
具有某种系统性特征的误差,量级大。
偶然误差:
随机,量级小,包括卫星信号发生部分的随机噪声、接收机信号处理部分的随机噪声、其他外部某些有随机特征的影响。
49.GPS定位中误差:
按性质分:
系统误差(偏差),偶然误差;按来源分:
与卫星有关误差,与传播途径有关误差;与接收机设备有关误差。
削弱或消除误差方法:
建立误差改正模型;求差法;参数法;回避法。
50.相对论效应:
GPS在高20200km的轨道上运行,卫星钟收狭义相对论效应和广义相对论效应的影响,其频率与地面静止钟相比,将发生频率偏移,这是精密定位中必须顾及的一种误差影响因素。
51.卫星星历(轨道)误差:
由广播星历或其他轨道信息给出的卫星位置与卫星实际位置之差。
在一个观测时段(1h~3h)主要呈现系统误差特性。
星历误差大小主要取决于卫星跟踪系统的质量,还与星历的预报间隔也有关。
应对方法:
精密定轨,轨道松弛,相对定位。
52.多路径误差:
在GPS测量中,被测站附近的物体所反射的卫星信号被接收机天线所接收,与直接来自卫星的信号产生干涉,从而使观测值偏离真值产生的误差。
53.多路径效应:
由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应。
54.应对多路径误差方法:
○1观测上:
选择合适的测站,避开易发生多路径的环境;○2硬件上:
采用抗多路径误差的仪器设备;○3数据处理上:
加权,参数法,滤波法,信号分析法。
具体:
多路径误差不仅与反射系数有关,还和反射物;离测站距离和卫星信号方向有关,无法建立准确的改正模型,只能恰当选择站址,避开信号反射物。
例如:
选设点位时应远离平静的水面,地面有草丛等植被时能较好吸收微波信号能量,反射较弱,是较好站址。
测站不宜选在山坡、山谷、盆地。
测站附近不应有高层建筑,观测时也不要再测站附近停放汽车。
55.GPS技术设计中考虑因素:
测站因素,卫星因素,仪器因素,后勤因素。
56.GPS测量工作步骤:
①测前工作:
工程项目的提出,测区位置及其范围,提交成果的内容,用途和精度等级,定位分布及点的数量,时限要求,经费投资,技术设计,测绘资料的搜集与整理,仪器的检验,踏勘、选点埋石;②测量实施:
实地了解测区情况,卫星状况预报,确定作业方案,外业观测,数据传输与转储,基线处理与质量评估,重复后四步直至完成所有GPS观测工作;③测后工作:
结果分析(网平差处理与质量评估),技术总结,成果验收。
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