第16章 GPS原理及其應(yīng)用

第十六章

GPS的基本知識概述

GPS定位系統(tǒng)的組成

GPS衛(wèi)星定位的基本原理

GPS測量的實施

GPS測量的作業(yè)模式11概述全球定位系統(tǒng)（GPS）:“授時、測距導(dǎo)航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)（NavigationSystemTimingandRanging/GlobalPositioningSystem）”的簡稱。該系統(tǒng)是由美國從上世紀70年代開始研制，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進行全方位實時三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星無線電導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。特點：具有全天候、高精度、自動化、高效益等，即：（1）全球覆蓋；（2）自動化，精度高；（3）實時三維動態(tài)定位、測速和定時；（4）高效率，無用戶數(shù)量限制，應(yīng)用廣泛。應(yīng)用：大地測量、工程測量、航空攝影測量、運載工具導(dǎo)航和管制、地殼運動監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、資源勘察、地球動力學(xué)等領(lǐng)域。應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷地拓展，遍及國民經(jīng)濟各種部門，并逐步深入人們的日常生活,從而給測繪學(xué)科帶來了一場深刻的技術(shù)革命。2GPS衛(wèi)星3相對于經(jīng)典的測量技術(shù)來說，這一新技術(shù)的主要特點

如下：測站之間無需通視。因而不再需要建造覘標，可減少測量工作經(jīng)費和時間，同時也使點位的選擇變得甚為靈活。b)

高精度三維定位。GPS可以精密測定測站的平面位置和大地高。c)

觀測時間短。近年來發(fā)展的快速相對定位法，觀測時間僅需數(shù)分鐘；實時動態(tài)定位技術(shù)（RTK）在一定范圍內(nèi)可提供厘米級的實時三維定位結(jié)果。d)

操作簡便。GPS測量自動化程度很高，操作員的主要任務(wù)只是安置并開關(guān)儀器，量取儀器高，監(jiān)視儀器的工作狀態(tài)等。接收機自動完成觀測工作，如衛(wèi)星捕獲，跟蹤觀測和記錄等。GPS接收機重量輕，體積小，攜帶方便。e)

全天侯作業(yè)。GPS接收機可以在任何地點（衛(wèi)星信號不被遮擋的情況下），任何時間連續(xù)地進行，一般也不受天氣狀況的影響。4全球定位系統(tǒng)（GPS）構(gòu)成示意圖

2GPS定位系統(tǒng)的組成GPS定位技術(shù)：空中GPS衛(wèi)星向地面發(fā)射信號，地面用戶接收機實時地連續(xù)接收，并計算出接收機位置。GPS三個部分組成：（1）GPS衛(wèi)星星座（空間部分）、（2）地面監(jiān)控系統(tǒng)（地面控制部分）、（3）GPS用戶接收機（信號接收處理部分）。5GPS星座示意圖

共有24顆GPS工作衛(wèi)星，構(gòu)成GPS工作衛(wèi)星星座。地球上任何地方可以同時觀測到4-12顆高度角15以上的衛(wèi)星,分布在6個近圓形軌道面，高度在地面上約20200km，軌道面相對于地球赤道面傾斜55角。空間部分（GPS衛(wèi)星星座）6GPS衛(wèi)星基本功能：--接收和儲存由地面監(jiān)控站發(fā)來的跟蹤監(jiān)測信息；--在地面監(jiān)控站的指令下，調(diào)整衛(wèi)星姿勢和啟用備用衛(wèi)星；--進行必要的數(shù)據(jù)處理工作；--通過星載的高精度銫鐘和銣鐘提供精密的時間標準；--向用戶廣播GPS信號。

GPS衛(wèi)星廣播的GPS信號是定位基礎(chǔ)，它由基準頻率(fo=10.23Mz)經(jīng)倍頻和分頻產(chǎn)生。154和120倍頻后，分別形成L波段的兩個載波頻率信號（L1=1575.42Mz,L2=12227.60Mz）,波長分別為19.03cm和24.42cm。調(diào)制在L載波上的信號包括C/A碼、P碼和D碼。C/A碼（粗碼）：頻率為1.023MHz的偽隨機碼。P碼（精碼）：載波頻率為10.23MHz的偽隨機碼。測距碼：粗碼和精碼；D碼（導(dǎo)航電文）：衛(wèi)星向用戶提供為計算衛(wèi)星坐標的衛(wèi)星星歷、系統(tǒng)時間、衛(wèi)星鐘性能及電離層改正參數(shù)等信息。7圖3：GPS信號的結(jié)構(gòu)

8地面監(jiān)控部分地面監(jiān)控系統(tǒng)：由一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站組成。主控站作用：

收集各個監(jiān)測站所測觀測值、環(huán)境要素等數(shù)據(jù)，計算每顆GPS衛(wèi)星的星歷、時鐘改正量、狀態(tài)數(shù)據(jù)、以及信號的大氣層傳播改正，并按一定的形式編制成導(dǎo)航電文，傳送到主控站：此外還控制和監(jiān)視其余站的工作情況并管理調(diào)度GPS衛(wèi)星。注入站作用：

將主控站傳來的導(dǎo)航電文，分別注入到相應(yīng)的GPS衛(wèi)星中，通過衛(wèi)星將導(dǎo)航電文傳遞給地面上的廣大用戶。導(dǎo)航電文作用：GPS用戶所需要的一項重要信息，通過導(dǎo)航電文能確定GPS衛(wèi)星在各時刻的具體位置。監(jiān)測站主要任務(wù)：

為主控站編算導(dǎo)航電文提供原始觀測數(shù)據(jù)。每個監(jiān)測站上都有GPS接收機對所見衛(wèi)星觀測，采集環(huán)境要素等數(shù)據(jù)，經(jīng)初步處理后發(fā)往主控站。9用戶設(shè)備部分用戶要實現(xiàn)利用GPS進行導(dǎo)航和定位的目的，還需要GPS接收機，即用戶設(shè)備部分。用戶設(shè)備部分作用：接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，獲得必要的導(dǎo)航和定位信息及觀測量，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后獲得觀測時刻接收機的位置坐標。用戶設(shè)備部分主要由GPS接收機硬件和數(shù)據(jù)處理軟件組成。GPS接收機分類方法：較精密的雙頻接收機，稍為便宜的單頻接收機。所有GPS接收機生產(chǎn)廠家一般都隨機提供數(shù)據(jù)處理軟件包，但其作用是有限的。國際上有一些科研機構(gòu)為了克服商用數(shù)據(jù)處理軟件的不足，已經(jīng)開發(fā)研制了多種精密的GPS數(shù)據(jù)后處理軟件包。

103GPS衛(wèi)星定位的基本原理原理：測量學(xué)中的空間距離交會方法。S1S3S4GPS接收機TiS211GPS定位方法：按觀測值不同分為：偽距觀測定位

、載波相位測量定位；按使用同步觀測的接收機數(shù)和定位解算方法來分：單點定位（絕對定位）、差分定位（相對定位）；

根據(jù)接收機的運動狀態(tài)可分為靜態(tài)定位

、動態(tài)定位。

單點定位：確定接收機在世界坐標系（WGS-84）中三維坐標。

相對定位：確定接收機相對地面上另一參考點的空間基線向量。

靜態(tài)定位：接收機是靜止不動的。

動態(tài)定位：確定安置接收機的運動平臺的三維坐標和速度。絕對定位和相對定位中，均包含靜態(tài)和動態(tài)兩種方式。比較有代表性的定位模式，即為偽距單點定位

、載波相位相對定位，其他的定位模式均為依此衍生而來。12一、偽距單點定位偽距：衛(wèi)星到接收機的距離觀測量，即由衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號到達ＧＰＳ接收機的傳播時間乘以光速所得的距離。由于偽距觀測量所確定的衛(wèi)星到測站的距離，都不可避免地會含有大氣傳播延遲、衛(wèi)星鐘和接收機同步誤差等的影響。為了與衛(wèi)星和接收機之間的真實幾何距離相區(qū)別，這種含有誤差影響項的距離觀測，通常稱為“偽距

”，并把它視為GPS定位的基本觀測量。偽距法單點定位：利用ＧＰＳ接收機在某一時刻，同步測定的至４顆以上ＧＰＳ衛(wèi)星的偽距，以及從衛(wèi)星導(dǎo)航電文中獲得的衛(wèi)星位置，采用距離交會法求得接收機的三維坐標。13GPS衛(wèi)星偽距單點定位示意圖14二、載波相位相對定位為了克服關(guān)于大氣折射延遲改正不夠準確，以及減少未知數(shù)等原因，常對以上觀測量作差分處理。一般用到的有單差、雙差、三差法。單差觀測量：不同觀測站同步觀測相同衛(wèi)星所得觀測量之差。雙差觀測量：在單差法基礎(chǔ)上，對不同測站同步觀測一組衛(wèi)星所得單差之差。測站間同步觀測量的單差示意圖

測站間同步觀測量的雙差示意圖

T1T215

三差法：在雙差法基礎(chǔ)上，不同測站同步觀測的同一組衛(wèi)星所得雙差觀測量作差分。測站間同步觀測量的三差示意圖T1T216差分法載波相位測量雖然可以消去一系列多余參數(shù)項（即指不含有測站坐標的項），但在組成差分觀測方程時，減少了觀測方程的個數(shù)，另外，也增加了觀測量之間的相關(guān)性，這些都不利于提高最后解的精度。一般是采用雙差法求解最終結(jié)果。三差法只是用于整周跳變的探測和估計，或求得測站坐標的近似解。174GPS測量的實施GPS測量：與常規(guī)測量一樣，分為外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩部分。GPS測量實施階段：網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計；選點與建立標志；外業(yè)觀測；內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。一、GPS網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計GPS網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計，實施GPS測量的第一步，也是在網(wǎng)的精確性、可靠性和經(jīng)濟性方面，實現(xiàn)用戶要求的重要環(huán)節(jié)。主要內(nèi)容：精度指標的合理確定網(wǎng)的圖形設(shè)計網(wǎng)的基準設(shè)計。18精度指標的合理確定對GPS網(wǎng)的精度要求，主要取決于網(wǎng)的用途。精度指標，以網(wǎng)中相鄰點之間的距離誤差來表示（GPS測量規(guī)范）。精度指標影響GPS網(wǎng)的布設(shè)方案、觀測計劃、觀測數(shù)據(jù)的處理方法，以及作業(yè)的時間和經(jīng)費。所以，在實際設(shè)計工作中，要根據(jù)實際需要確定。網(wǎng)的圖形設(shè)計網(wǎng)的圖形設(shè)計，應(yīng)在滿足用戶要求的條件下，盡量減少消耗。GPS網(wǎng)應(yīng)采用獨立觀測邊構(gòu)成閉合圖形，如：三角形、多邊形或附合線路。網(wǎng)的基準設(shè)計網(wǎng)的基準：包括網(wǎng)的位置基準、方向基準和尺度基準。而確定網(wǎng)的基準，是通過網(wǎng)的整體平差來實現(xiàn)的。網(wǎng)的基準設(shè)計，主要是指確定網(wǎng)的位置基準問題。確定網(wǎng)的位置基準，通?？筛鶕?jù)情況，選取以下方法：（1）選取網(wǎng)中一點的坐標值并加以固定，或給以適當(dāng)?shù)臋?quán)；（2）網(wǎng)中的點均不固定，通過自由網(wǎng)偽逆平差或擬穩(wěn)平差，確定網(wǎng)的位置基準；（3）在網(wǎng)中選若干點的坐標值并加以固定；（4）選網(wǎng)中若干點（直至全部點）的坐標值并給以適當(dāng)?shù)臋?quán)。19二、外業(yè)觀測方法１、外業(yè)觀測計劃設(shè)計（１）編制ＧＰＳ衛(wèi)星可見性預(yù)報圖：利用衛(wèi)星預(yù)報軟件，輸入測區(qū)中心點概略坐標、作業(yè)時間、衛(wèi)星截止高度角≥１５°等，利用不超過２０天的星歷文件即可編制衛(wèi)星預(yù)報圖。（２）編制作業(yè)調(diào)度表：應(yīng)根據(jù)儀器數(shù)量、交通工具狀況、測區(qū)交通環(huán)境及衛(wèi)星預(yù)報狀況制定作業(yè)調(diào)度表。作業(yè)表應(yīng)包括：觀測時段（測站上開始接收衛(wèi)星信號到停止觀測，連續(xù)工作的時間段），注明開、關(guān)機時間；測站號、測站名；接收機號、作業(yè)員；車輛調(diào)度表。２、野外觀測野外觀測應(yīng)嚴格按照技術(shù)設(shè)計要求進行。（１）

安置天線：安置天線是ＧＰＳ精密測量的重要保證。要仔細對中、整平，量取儀器高。儀器高要求鋼尺在互為１２０°方向量三次，互差小于３

mm，取平均值后記錄或輸入ＧＰＳ接收機。20（２）安置ＧＰＳ接收機：ＧＰＳ接收機應(yīng)安置在距天線不遠的安全處，連接天線及電源電纜，并確保無誤。（３）開機觀測：打開ＧＰＳ接收機，輸入或記錄測站名。詳情可參見不同儀器的操作手冊。ＧＰＳ接收機自動化程度很高，儀器一旦跟蹤衛(wèi)星進行定位，接收機自動將接收的衛(wèi)星星歷、觀測值文件以及輸入信息存入接收機內(nèi)記憶體。作業(yè)員只需要定期查看接收機工作狀況。一個時段的測量結(jié)束后，要查看儀器高和測站名是否輸入，確保無誤后再關(guān)機、關(guān)電源，遷站。（４）ＧＰＳ接收機記錄的數(shù)據(jù)有：ＧＰＳ衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘差參數(shù)；觀測歷元的時刻和偽距觀測值及載波相位觀測值；ＧＰＳ絕對定位結(jié)果；測站信息。３、觀測數(shù)據(jù)下載及數(shù)據(jù)預(yù)處理外業(yè)觀測數(shù)據(jù)在測區(qū)要及時嚴格檢查，對外業(yè)預(yù)處理成果，按規(guī)范要求嚴格檢查、分析，根據(jù)情況進行必要的重測和補測。確保外業(yè)成果無誤后方可離開測區(qū)。21三、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理根據(jù)上述處理所獲得的標準化數(shù)據(jù)文件，便可進行觀測數(shù)據(jù)的平差計算工作。平差計算的主要內(nèi)容包括：同步觀測基線向量的解算。同一基線邊，多歷元同步觀測值的平差計算。在同一測區(qū)中，同類精度數(shù)據(jù)處理，應(yīng)采用相同方法、相同模型。由此所得到的平差結(jié)果為：基線向量（坐標差）及其相應(yīng)的方差與協(xié)方差。觀測成果檢核與網(wǎng)平差。基線解算完畢后，需要對基線向量按網(wǎng)形構(gòu)成，檢核同步環(huán)、異步環(huán)以及重復(fù)觀測邊的閉合差。具體要求參見GPS測量規(guī)范。檢查合格后，就可以利用上述基線向量的平差結(jié)果，作為相關(guān)觀測量，進行網(wǎng)的整體平差，消除不符值。整體平差應(yīng)在WGS-84坐標系統(tǒng)中進行，平差的結(jié)果，一般是網(wǎng)點的空間直角坐標，大地坐標和高斯平面坐標，以及相應(yīng)的方差與協(xié)方差。坐標系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，或與地面網(wǎng)的聯(lián)合平差。在城市、礦山等區(qū)域性的測量工作中，往往需要將GPS測量結(jié)果，化算到用戶所采用的區(qū)域性坐標系統(tǒng)。因此，上述GPS網(wǎng)，在WGS-84坐標系統(tǒng)中的平差結(jié)果，尚需按用戶的要求，進行坐標系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，或者為了改善已有的經(jīng)典地面控制網(wǎng)，確定GPS網(wǎng)與經(jīng)典地面網(wǎng)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，需要進行兩網(wǎng)的聯(lián)合平差。22四、GPS測量誤差GPS衛(wèi)星在距離地面約20200公里的高空，向地面上的廣大用戶發(fā)送測距信號和導(dǎo)航電文等信息。GPS定位的觀測量不可避免地會受到多種誤差源影響。按照這些誤差源的來源，一般可分為三種情況：（一）與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差（二）與信號傳播有關(guān)的誤差（三）與接收設(shè)備有關(guān)的誤差23(一)與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差衛(wèi)星星歷誤差：廣播星歷或其它軌道信息給出的衛(wèi)星位置與衛(wèi)星真實位置之間的差值。GPS衛(wèi)星星歷：由布設(shè)在地面上、具有一定數(shù)量與空間分布的監(jiān)測站連續(xù)跟蹤觀測GPS衛(wèi)星，并結(jié)合環(huán)境要素等信息，再由主控站對衛(wèi)星作精密定軌計算得到的。廣播星歷：由定軌結(jié)果外推得出，因此廣播星歷的精度是有限的。衛(wèi)星鐘誤差：由于衛(wèi)星位置是時間的函數(shù)，所以GPS的觀測量均以精密測時為前提。雖然GPS衛(wèi)星均配有高精度的原子鐘，但它們與理想的GPS時之間仍會有偏差或漂移，難以避免。24(二)與信號傳播有關(guān)的誤差

大氣折射誤差：根據(jù)其性質(zhì)，分為電離層折射影響、對流層折射影響。對流層折射影響包括來自平流層與中間層的折射，因此，也可合稱為中性大氣折射影響，簡稱對流層折射。

多路徑效應(yīng)：接收機天線除直接收到來自GPS衛(wèi)星的信號外，還可能收到天線周圍地物反射來的信號。這兩種信號疊加在一起將引起測量參考點（相位中心）的變化，而且這種變化隨天線周圍反射面的性質(zhì)而異，難以控制。多路徑效應(yīng)具有周期性誤差，其變化幅度可達數(shù)厘米。

消除或減弱多路徑效應(yīng)方法：除了采用載波相位測量方法；采用造型適宜且屏蔽良好的天線。這種天線一般裝備有抑徑板或抑徑圈，可以阻擋來自水平面以下的多路徑信號被接收。有些多路徑信號來自豎立的高大建筑物表面，經(jīng)過這種表面反射的多路徑信號，往往也具有較大的高度角值，可以從水平面以上進入接收機天線。因此，在進行GPS測量選址工作時，還應(yīng)當(dāng)考慮多路徑信號產(chǎn)生的可能性，盡量避開這種高大建筑物。25(三)與接收設(shè)備有關(guān)的誤差

觀測誤差：觀測分辨誤差、接收機天線相對測站點的安置誤差。一般認為觀測分辨誤差約為信號波長的1%。由于載波的波長遠小于GPS偽隨機測距碼的波長，則采用載波相位觀測量可達到更高精度。天線的安置誤差主要有天線的置平與對中誤差和量取天線高的誤差。只要在觀測中認真操作，可以盡量減少這些誤差的影響。

接收機的鐘差：一般是在數(shù)據(jù)處理中作為未知數(shù)解出。另外在作差分法相對定位時，也可以通過在不同衛(wèi)星之間求差來消除其影響。

天線的相位中心誤差：GPS測量的觀測值都是以天線的相位中心為準，而我們一般只能觀察到天線的幾何中心，因此，要求天線的幾何中心與相位中心一致，這應(yīng)在天線的生產(chǎn)和設(shè)計上達到。另外，若采用同種型號的接收機天線，可以近似認為相位中心與幾何中心的偏離情況是一樣的，因此，用觀測值的求差和相對定位能削弱這種影響，但這時要求統(tǒng)一按天線的方向標定向，使各天線的指北極都指向正北方向。

載波相位測量的整周不定性誤差：主要是指觀測中整周未知數(shù)的跳變現(xiàn)象（周跳）。另外，也有在數(shù)據(jù)處理時求解整周未知數(shù)時的失敗，不能將整周未知數(shù)固定為某一整數(shù)，而只能取實數(shù)解情況。周跳的發(fā)生與多種因素有關(guān)的，如信號受阻擋失鎖、接收機內(nèi)部熱噪聲影響、電離層活動出現(xiàn)異常變化等。265GPS測量的作業(yè)模式GPS測量的作業(yè)模式：利用GPS定位技術(shù)，確定觀測站之間相對位置所采用的作業(yè)方式。不同的作業(yè)模式，因作業(yè)方法和觀測時間的不同，而具有不同的應(yīng)用范圍。由于GPS測量數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)的發(fā)展，為確定兩點之間的相對位置，已有多種作業(yè)模式可供選擇。目前，較為普遍采用的作業(yè)模式主要有：靜態(tài)相對定位快速靜態(tài)相對定位準動態(tài)相對定位動態(tài)相對定位。275.1靜態(tài)相對定位模式作業(yè)方法：采用兩套（或兩套以上）接收設(shè)備，分別安置在一條（或數(shù)條）基線的端點，根據(jù)基線長度和要求的精度，同步觀測4顆以上衛(wèi)星數(shù)時段，每一時段長1～3小時。定位精度：基線測量的精度可達5mm+1ppm×D，D為基線長度，以公里計。特點：所觀測的獨立基線邊，應(yīng)構(gòu)成某種閉合圖形（如圖），以利于觀測成果的檢核，增強網(wǎng)的強度，提高成果的可靠性和精確性，基線長度可由數(shù)公里至上千公里。適應(yīng)范圍：建立地殼運動或工程變形監(jiān)測網(wǎng)；建立全球性或國家級大地控制網(wǎng)；建立長距離檢校基線；進行島嶼與大陸聯(lián)測；建立精密工程測量控制網(wǎng)。靜態(tài)相對定位模式示意圖285.2快速靜態(tài)相對定位模式作業(yè)方法在測區(qū)的中部選擇一個基準站(或參考站)，并安置一臺接收機，連續(xù)跟蹤所有可見衛(wèi)星；另一臺接收機，依次到各點流動設(shè)站，靜止觀測數(shù)分鐘，如圖所示。在觀測中至少跟蹤4顆衛(wèi)星，同時流動站與基準站相距不超過15km。定位精度流動站相對基準站的基線中誤差，可達（5～10）mm+1ppm×D特點接收機在流動站之間移動時，不必保持對所測衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤，因而可關(guān)閉電源以降低能耗。該模式作業(yè)速度快，精度高。缺點是，在采用兩臺接收機作業(yè)時，直接觀測邊不構(gòu)成閉合圖