GPS測(cè)量原理及測(cè)量方法

1、GPS測(cè)量原理及測(cè)量方法一、GPS的定義及歷史 1、定義 全球定位系統(tǒng) GPS （ Global Position System ） , 是一種可以授時(shí)和測(cè)距的空間交會(huì)定點(diǎn)的導(dǎo)航系統(tǒng) , 可向全球用戶提供連續(xù)、實(shí)時(shí)、高精度的三維位置，三維速度和時(shí)間信息。 2、GPS 的產(chǎn)生與發(fā)展由 TRANSIT 到 GPS （1）1957 年 10 月第一顆人造地球衛(wèi)星上天，天基電子導(dǎo)航應(yīng)運(yùn)而生。 （2）美國(guó) 1964 年建成子午衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) (TRANSIT) 。 （3）美國(guó)從 1973 年開始籌建全球定位系統(tǒng)， 1994 年全部建成，投入使用。 GPS 的研制最初主要用于軍事目的。如為陸海空三軍提供

2、實(shí)時(shí)、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報(bào)收集、核爆監(jiān)測(cè)、應(yīng)急通訊和爆破定位等方面。隨著 GPS 系統(tǒng)步入試驗(yàn)和實(shí)用階段，其定位技術(shù)的高度自動(dòng)化及所達(dá)到的高精度和巨大的潛力，引起了各國(guó)政府的普遍關(guān)注，同時(shí)引起了廣大測(cè)量工作者的極大興趣。特別是近幾年來， GPS 定位技術(shù)在應(yīng)用基礎(chǔ)的研究、新應(yīng)用領(lǐng)域的開拓、軟硬件的開發(fā)等方面都取得了迅速發(fā)展。二、GPS 系統(tǒng)的組成 1、空間衛(wèi)星部分。由 21 顆工作衛(wèi)星和 3 顆備用衛(wèi)星。 2、地面控制部分。其由 1 個(gè)主控站， 5 個(gè)監(jiān)控站和 3 個(gè)注入站組成。 3、用戶接收機(jī)部分。 GPS 接收機(jī)的基本類型分導(dǎo)航型和大地型。大地型接收機(jī)又分單頻型（ L1 ）

3、和雙頻型（ L1 ， L2 ）。 GPS 系統(tǒng)組成 GPS 空間衛(wèi)星部分 GPS 地面控制部分 導(dǎo)航型 GPS 接收機(jī) 大地型 GPS 接收機(jī) 三、GPS 定位方法分類 GPS 的定位方法，若按用戶接收機(jī)天線在測(cè)量中所處的狀態(tài)來分，可分為靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位；若按定位的結(jié)果來分，可分為絕對(duì)定位和相對(duì)定位。 靜態(tài)定位，即在定位過程中，接收機(jī)天線（觀測(cè)站）的位置相對(duì)于周圍地面點(diǎn)而言，處于靜止?fàn)顟B(tài)；而動(dòng)態(tài)定位則正好相反，即在定位過程中，接收機(jī)天線處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，定位結(jié)果是連續(xù)變化的。 絕對(duì)定位亦稱單點(diǎn)定位，是利用 GPS 獨(dú)立確定用戶接收機(jī)天線（觀測(cè)站）在 WGS-84 坐標(biāo)系中的絕對(duì)位置。相對(duì)定位則是

4、在 WGS-84 坐標(biāo)系中確定收機(jī)天線（觀測(cè)站）與某一地面參考點(diǎn)之間的相對(duì)位置，或兩觀測(cè)站之間相對(duì)位置的方法。 各種定位方法還可有不同的組合，如靜態(tài)絕對(duì)定位、靜態(tài)相對(duì)定位、動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位、動(dòng)態(tài)相對(duì)定位等。目前工程、測(cè)繪領(lǐng)域，應(yīng)用最廣泛的是靜態(tài)相對(duì)定位和動(dòng)態(tài)相對(duì)定位。 按相對(duì)定位的數(shù)據(jù)解算，是否具有實(shí)時(shí)性，又可將其分為后處理定位和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位（ RTK ），其中，后處理定位又可分為靜態(tài)（相對(duì)）定位和動(dòng)態(tài)（相對(duì)）定位。 四、GPS 定位原理 1、絕對(duì)定位原理 利用 GPS 進(jìn)行絕對(duì)定位的基本原理為：以 GPS 衛(wèi)星與用戶接收機(jī)天線之間的幾何距離觀測(cè)量 為基礎(chǔ)，并根據(jù)衛(wèi)星的瞬時(shí)坐標(biāo)（ XS ,YS ,

5、ZS ），以確定用戶接收機(jī)天線所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)位，即觀測(cè)站的位置。 設(shè)接收機(jī)天線的相位中心坐標(biāo)為（ X,Y,Z ），則有： 衛(wèi)星的瞬時(shí)坐標(biāo)（ XS ,YS ,ZS ）可根據(jù)導(dǎo)航電文獲得，所以式中只有 X 、 Y 、 Z 三個(gè)未知量，只要同時(shí)接收 3 顆 GPS 衛(wèi)星，就能解出測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)（ X,Y,Z ）。可以看出， GPS 單點(diǎn)定位的實(shí)質(zhì)就是空間距離的后方交會(huì)。 GPS 絕對(duì)定位圖 2、相對(duì)定位原理 GPS 相對(duì)定位，亦稱差分 GPS 定位，是目前 GPS 定位中精度最高的一種定位方法。其基本定位原理為：如圖 7-22 所示，用兩臺(tái) GPS 用戶接收機(jī)分別安置在基線的兩端，并同步觀測(cè)相同的 GPS

6、衛(wèi)星，以確定基線端點(diǎn)（測(cè)站點(diǎn)）在 WGS-84 坐標(biāo)系中的相對(duì)位置或稱基線向量。 GPS 相對(duì)定位圖 五、GPS 的后處理定位方法 目前在工程中，廣泛應(yīng)用的是相對(duì)定位模式。其后處理定位方法有：靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位。 1、靜態(tài)相對(duì)定位 （1）方法將幾臺(tái) GPS 接收機(jī)安置在基線端點(diǎn)上，保持固定不動(dòng)，同步觀測(cè) 4 顆以上衛(wèi)星。可觀測(cè)數(shù)個(gè)時(shí)段，每時(shí)段觀測(cè)十幾分鐘至1小時(shí)左右。最后將觀測(cè)數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)軟件解算得各點(diǎn)坐標(biāo)。 （2）用途是精度最高的作業(yè)模式。主要用于大地測(cè)量、控制測(cè)量、 變形測(cè)量、工程測(cè)量。 （3）精度可達(dá)到（ 2-5mm +1ppm ） 2、動(dòng)態(tài)相對(duì)定位 （1）方法先建立一個(gè)基準(zhǔn)站，并在其上安置接收機(jī)連續(xù)觀測(cè)可見衛(wèi)星，另一臺(tái)接收機(jī)在第 1 點(diǎn)靜止觀測(cè)數(shù)分鐘后，在其他點(diǎn)依次觀測(cè)數(shù)秒。最后將觀測(cè)數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)軟件解算得各點(diǎn)坐標(biāo)。動(dòng)態(tài)相對(duì)定位的作業(yè)范圍一般不能超過 15km 。 （2）用途適用于精度要求不高的碎部測(cè)量。 （3）精度可達(dá)到（ 10-20mm +1ppm ） 圖一：靜態(tài)相對(duì)定位模式 圖二：動(dòng)態(tài)相對(duì)定位模式 六、GPS 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位（ RTK ）方法 1、RTK 工作原理及方法 與動(dòng)態(tài)相對(duì)定位方法相比，定位模式相同，僅要在基準(zhǔn)站和流動(dòng)站間增加