第一模塊 全球衛(wèi)星定位測量

第三模塊全球衛(wèi)星定位測量3.1

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的組成3.2GPS衛(wèi)星定位的基本原理3.3GPS小區(qū)域控制測量一

概述

（

一）定義所謂全球衛(wèi)星定位測量，就是指利用空間飛行的衛(wèi)星來實現(xiàn)地面點位的測定。目前正在運行的全球衛(wèi)星定位位系統(tǒng)有美國的GPS和俄羅斯的GLONASS、歐盟GALILEO以及我國的北斗系統(tǒng)。全球衛(wèi)星定定位系統(tǒng)，一般指美國的GPS。

GPS具有全球性、全天候、連續(xù)的三維定位、導航、測速和授時能力，廣泛應用于航空航天、海陸空三軍導航、地球物理、大地測量、交通管理以及城鎮(zhèn)建設等各個領(lǐng)域，并已滲透到人們的日常工作、學習和生活之中。

1957年10月世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功，使空間科學技術(shù)的發(fā)展，迅速跨入一個嶄新的時代。人造地球衛(wèi)星的出現(xiàn)，首先引起各國軍事部門的高度重視。

1958年底，美國海軍武器實驗室著手建立為美國軍艦導航服務的衛(wèi)星系統(tǒng)，即海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)（NavyNavigationSatelliteSystem－NNSS），NNSS系統(tǒng)中，衛(wèi)星軌道都通過地極，故也稱“子午（Transit）衛(wèi)星系統(tǒng)”，1964年該系統(tǒng)建成。但是系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)目較少（5～6顆），運行高度較低（平均約1000km），因此無法提提供連續(xù)地實時三維導航。

為了滿足軍事部門和民用部門，對連續(xù)實時三維導航的迫切要求，1973年美國防部組織海陸空三軍，共同研究建立新代衛(wèi)星導航系統(tǒng)，即目前所稱的“授時與測距導航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)”（NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem－NAVSTAR/GPS），通常簡稱為全球定位系統(tǒng)（GPS）。

GPS具有高精度連續(xù)實時三維導航能力，并有良好的抗干攏性，因此GPS大大超過NNSS。

（二）GPS的主要特點是：

1、全球全天候?qū)崟r定位。GPS衛(wèi)星數(shù)目多，分布合理，所以地球上任何地點都可以連續(xù)同步觀測到至少4顆衛(wèi)星，從而保證了全球、全天候、實時三維定位定位。

2、自動化程度高。用GPS接收機測量時，只要將天線精確安置在測站上，主機可安放在測站不遠處，也可放在室內(nèi)，通過專用的通訊線和天線連接，接通電源，啟動接收機，儀器就自動開始工作。結(jié)束測量時，僅需關(guān)閉電源，取下接收機，便完成野外數(shù)據(jù)采集任務。

3、觀測速度快，精度高。

目前，20km以內(nèi)相對靜態(tài)定位僅需15～20分鐘。

GPS相對定位精度可達10-6，100～500km可達10-7。在300～1500m工程精密定位中，觀測1小時以上，解算平面位置誤差小于1mm。

4、應用領(lǐng)域非常廣泛。

由于GPS提供精確的位置、速度和時間信息，對現(xiàn)代戰(zhàn)爭成敗至關(guān)重要，極大改變了未來戰(zhàn)爭的作戰(zhàn)方式。在導航方面，GPS不僅供用于海上、空中和陸地運動目標的導航，而且可對運動目標實施監(jiān)控、管理和救援。實時監(jiān)視和修正航行路，可以保障運動物體沿預定航線運行，并可選擇最佳航線。在地球物理方面，精確測定地球板塊的位移和運動速速率，預測地震災害提供重要數(shù)據(jù)。在測繪方面，目前GPS己成大地測量測定控點的主要方法，在工程測量以及城市測繪己廣泛采用GPS先進的定位技術(shù)。在交通運輸方面，實施運輸監(jiān)控、調(diào)度管理、事故處理和緊急救援都起到非常重要作用。隨著GPS定位技術(shù)的發(fā)展，應用領(lǐng)域還會不斷拓寬?？臻g星座部分（空間部分）

地面支撐系統(tǒng)（地面監(jiān)控部分）GPS接收機（用戶部分）空間部分由24顆GPS衛(wèi)星組成地面監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)測站、主控站、注入站組成用戶部分由GPS接收機組成監(jiān)測站注入站主控站二、GPS衛(wèi)星系統(tǒng)的組成1、GPS衛(wèi)星星座地球上任何地方至少同時可看到四顆衛(wèi)星。其發(fā)射信號能覆蓋地面面積38%。

衛(wèi)星在軌道的任何位置，對地面的距離和波束覆蓋面積基本不變。在波束覆蓋區(qū)域內(nèi)，用戶接收到的衛(wèi)星信號強度近似相等。這對提高定位精度十分有利。在全球任何地方、任何惡劣的氣候條件下，為用戶提供二十四小時不間斷的免費服務。衛(wèi)星高度：20200公里運行周期：11小時58分衛(wèi)星分布在六條升交點相隔60o的軌道面上，軌道傾角為55o每條軌道上分布四顆衛(wèi)星，相臨兩軌道上的衛(wèi)星相隔40o（一）空間星座部分2、在GPS系統(tǒng)中衛(wèi)星的作用

①用L波段的兩個無線載波(19cm和24cm波)向廣大用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導航定位信號。

②在衛(wèi)星飛越注入站上空時，接收由地面注入站不斷發(fā)送到衛(wèi)星的導航電文和其它有關(guān)信息，并通過GPS信號電路，適時地和發(fā)送給廣大用戶。

③接收地面主控站通過注入站發(fā)送到衛(wèi)星的調(diào)度命令，適時地改正運行偏差或啟用備用時鐘等。（二）GPS地面監(jiān)控部分1個主控站3個注入站5個監(jiān)測站斯平士阿松森島狄哥·伽西亞卡瓦迦蘭夏威夷島太平洋印度洋大西洋

地點：位于科羅拉多的斯平士(ColoradoSprings)的聯(lián)合空間執(zhí)行中心(CSOC)1.主控站

設備：主控站擁有大型電子計算機，用作數(shù)據(jù)采集、計算、傳輸、診斷、編輯等。

作用：（一）采集數(shù)據(jù)（二）編輯電文（三）診斷功能（四）調(diào)整衛(wèi)星2.注入站地點：三個站分別設大西洋的阿松森(Ascension)島、印度洋的狄哥·伽西亞(DiegoGarcia)和太平洋的卡瓦迦蘭(Kwajalein)的三個美國軍事基地上。設備：一臺直徑3.6m的天線，一臺S波段發(fā)射機和一臺計算機。作用：主控站將編輯的衛(wèi)星電文傳送到位于三大洋的三個注入站，定時將這些信息注入各個衛(wèi)星，然后由GPS衛(wèi)星發(fā)送給廣大用戶，這就是所用的廣播星歷。此外，注入站能主動向主控站發(fā)射信號，每分鐘報告一次自己的工作狀態(tài)。3.監(jiān)測站

作用：對每顆衛(wèi)星進行觀測，精確測定衛(wèi)星在空間的位置，并向主控站提供觀測數(shù)據(jù)。

設備：監(jiān)控站有雙頻GPS接收機，對每顆衛(wèi)星長年連續(xù)不斷地進行觀測，每6秒進行一次偽距測量和積分多普勒觀測，采集氣象要素等數(shù)據(jù)

監(jiān)測站是一種無人值守的數(shù)據(jù)采集中心，受主控站的控制，定時將觀測數(shù)據(jù)送往主控站。五個監(jiān)測站分布在美國本土和三大洋的美軍基地上，保證了全球GPS定軌的精度要求。由這五個監(jiān)測站提供的觀測數(shù)據(jù)形成了GPS衛(wèi)星實時發(fā)布的廣播星歷。

地點：五個監(jiān)測站：除一個主控站、三個注入站兼作外，還有一個在夏威夷島

=

用戶部分觀測和記錄由若干衛(wèi)星發(fā)送的數(shù)據(jù),并運用數(shù)學方法求得三維空間位置以及時間和速度（三）GPS用戶部分

用戶部分包括用戶組織系統(tǒng)和根據(jù)要求安裝相應的設備，但其中心設備是GPS接收機。它是一種特制的無線電接收機，用來接收導航衛(wèi)星發(fā)射的信號，并以此計算出定位數(shù)據(jù)。GPS用戶設備GPS接收機硬件機內(nèi)軟件GPS數(shù)據(jù)的后期處理軟件天線單元接收單元前置放大器接收天線TOPCON產(chǎn)品LeicaGPS接收機南方儀器廠GPS系統(tǒng)的特點1、全球，全天候工作

2、功能多，應用廣

3、測站之間無需通視

4、定位精度高，隱蔽性好5、觀測時間短

6、提供三維坐標

7、操作簡便8、免費、容易（一）GPS衛(wèi)星信號的組成三GPS衛(wèi)星定位的基本原理衛(wèi)星信號載波信號(L1，L2)測距碼(P碼,C/A碼)數(shù)據(jù)碼(導航電文或D碼)

1.載波信號

L1載波，波長λ=19.03cm，頻率f1=1575.42MHZL2載波，波長λ=24.42cm，頻率f2=1227.6OMHZ。2.測距碼

C/A碼（粗碼/捕獲碼）：調(diào)制在L1載波上。結(jié)構(gòu)公開，不同的衛(wèi)星有不同的C/A碼。

P碼（精碼）：調(diào)制在L1和L2載波上。3.數(shù)據(jù)碼（D碼）（導航電文）提供有關(guān)衛(wèi)星位置，衛(wèi)星鐘的性能、發(fā)射機的狀態(tài)等數(shù)據(jù)和信息。用戶利用觀測值以及這些信息和數(shù)據(jù)就能進行導航和定位。（二）GPS的常用坐標系WGS--84世界大地坐標系：

原點是地球的質(zhì)心

Z軸指向國際時間局BIH1984.0定義的協(xié)議地球北極（CTP）方向

X軸指向BIH1984.0的零子午面和CTP相對應的赤道的交點

Y軸垂直于ZOX平面且與Z、X軸構(gòu)成右手坐標系（三）GPS定位原理(X,Y，Z)ρ1ρ2ρ3(x1,y1，z1)(x2,y2，z2)(x3,y3，z3)

利用三個以上衛(wèi)星的已知空間位置，交會出地面未知點（用戶接收機）的位置。測距的方法碼相位(偽距法)測距測量載波相位差測距ρ12=(X-X1)2+(Y-Y1)2+(Z-Z1)2ρ22=(X–X2)2+(Y–Y2)2+(Z–Z2)2ρ32=(X–X3)2+(Y–Y3)2+(Z–Z3)2

通過導航電文解譯出三顆衛(wèi)星的坐標，通過測量求出三顆衛(wèi)星到測站的距離ρ，用距離交會即可求出測站點的坐標（X,Y）。（四）

偽距測量與載波相位測量

1.偽距測量

1）偽距法定位：在某一時刻，由GPS接收機測出其到四顆以上GPS衛(wèi)星的偽距，根據(jù)已知的衛(wèi)星位置，采用距離交會的方法求接收機天線所在點的三維坐標。

2）偽距：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出的量測距離。由于衛(wèi)星鐘、接收機鐘的誤差以及無線電通過電離層和對流層中的延遲，實際測出的距離

與衛(wèi)星到接收機的幾何距離

有一定的差值，因此一般稱量測出的距離為偽距。用C/A碼進行測量的偽距為C/A碼偽距；用P碼進行測量的偽距為P碼偽距。

GPS采用的單程測距原理，它不同于電磁波測距儀中的雙程測距。這就要求衛(wèi)星時鐘與接收機時鐘要嚴格同步。但實際上，兩者難于嚴格同步，因此存在不同步誤差，另外，測距碼在大氣中傳播還受到大氣電離層折射及大氣對流層的影響，產(chǎn)生延遲誤差。因此，測距碼所求得距離值并非真正的站星幾何距離，習慣上稱其為“偽距”。由于衛(wèi)星鐘差、電離層折射和大氣對流的影響，可以通過導航電文中所給的有關(guān)參數(shù)加以修正，而接收機的鐘差卻難以預先準確地確定，所以把接收機的鐘差當作一個未知數(shù)，與測站坐標一起解算。這樣，在一個觀測站上要解出4個未知參數(shù)，即3個點位坐標分量和1個鐘差參數(shù)，所以至少同時觀測4顆衛(wèi)星。2、偽距法定位的優(yōu)缺點

(1)定位速度快。

(2)無多值性問題。

(3)可作為載波相位測量中整波數(shù)不確定問題（模糊度）的輔助資料。

(4)一次定位精度不高，（P碼定位誤差約為10m，C/A碼定位誤差約為20～30m）。3.載波相位測量

波長：L1信號的波長為19.03cm。

L2信號的波長為24.42cm。載波相位測量屬于非碼信號測量系統(tǒng)優(yōu)點：把載波作為量測信號，對載波進行相位測量可以達到很高的精度，目前可達到1～2mm。缺點：載波信號是一種周期性的正弦信號，相位測量只能測定不足一個波長的小數(shù)部分，無法測定其整波長個數(shù)。因而存在著整周數(shù)的不確定性問題，使解算過程比較復雜。1、靜態(tài)定位：待定點的位置在觀測過程中固定不變。2、動態(tài)定位：待定點在運動載體上，觀測過程中是變化的。3、實時定位：一邊接收衛(wèi)星信號一邊進行計算，獲得目前所處的位置、速度及時間等信息。4、后處理定位：把衛(wèi)星信號記錄在一定的介質(zhì)上，回到室內(nèi)統(tǒng)一進行數(shù)據(jù)處理。

一般來說，靜態(tài)定位用戶多采用后處理，動態(tài)定位用戶采用實時處理或后處理。（五）GPS定位方法5、GPS絕對定位(單點定位)：利用一臺接收機觀測衛(wèi)星，獨立地確定出自身在WGS－84地心坐標系的絕對位置。這一位置在WGS－84坐標系中是唯一的，所以稱為絕對定位。因為利用一臺接收機能完成定位工作，又稱為單點定位。絕對定位的優(yōu)點是只需一臺接收機即可獨立定位，外業(yè)觀測的組織和實施比較方便，數(shù)據(jù)處理比較簡單；缺點是定位精度低，受各種誤差的影響比較大，只能達到米級。

6、GPS相對定位：它是利用不同地點的接收機同步跟蹤相同的GPS衛(wèi)星信號，確定若干臺接收機之間的相對位置。它的測量是相對于某一已知點的位置，而不是在WGS－84坐標系中的絕對位置。它精確測定出兩點之間的坐標分量和邊長。至少要應用兩臺精密測地型GPS接收機。7、實時動態(tài)定位測量

1）定義：實時動態(tài)定位測量。即GPSRTK測量技術(shù)（其中RTK為實時動態(tài)的意思，英文是RealTimeKinematic）。

2）GPSRTK測量技術(shù)原理：在兩臺GPS接收機之間增加一套無線通信系統(tǒng)（又稱數(shù)據(jù)鏈），將兩臺或多臺相對獨立的GPS接收機聯(lián)成有機的整體。

3）工作流程：

基準站（安置在己知點上的GPS接收機）通過電臺將觀測信息、測站數(shù)據(jù)傳輸給流動站（運動中的的GPS接收機）流動站將基準站傳來的載波觀測信號與流動站本身觀測的載波觀測信號進行差分處理，從而解算出兩站間的基線向量。若事先輸入相應的坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)和投影參數(shù)，即可實時得到流動站偽三維坐標及其精度。基準站流動站四GPS小區(qū)域控制測量

（一）GPS控制網(wǎng)的技術(shù)設計

1.充分考慮建立控制網(wǎng)的應用范圍根據(jù)工程的近期、中長期的需求確定控制網(wǎng)的范圍。

2.采用的布網(wǎng)方案及網(wǎng)形設計適當?shù)胤旨壊荚OGPS網(wǎng)顧及測站選址、儀器設備裝置與后勤交通保障等因素設計各觀測時段的時間及接收機的搬站順序

GPS網(wǎng)一般由一個或若干個獨立觀測環(huán)組成，也可采用路線形式。3.GPS測量的精度標準國家測繪局1992年制訂的我國第一部“GPS測量規(guī)范”將GPS的測量精度分為A～E五級，以適應于不同范圍、不同用途要求的GPS工程。4.坐標系統(tǒng)與起算數(shù)據(jù)在GPS網(wǎng)的技術(shù)設計中，必須說明GPS網(wǎng)的成果所采用的坐標系統(tǒng)和起算數(shù)據(jù)?？臻g相似變換求得七個待定系數(shù)：3個平移參數(shù)、3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)和1個縮放參數(shù)。5.GPS點的高程

GPS測定的高程是WGS-84坐標系中的大地高，與我國采用的1985年黃海國家高程基準正常高之間也需要進行轉(zhuǎn)換。為了得到GPS點的正常高，應使一定數(shù)量的GPS點與水準點重合，或者對部分GPS點聯(lián)測水準。若需要進行水準聯(lián)測，則在進行GPS布點時應對此加以考慮。（二）

選點與建立點位標志選定GPS點點位時，應遵守以下的幾點原則：

1.周圍應便于安置接收設備，便于操作，視野開闊，視場內(nèi)周圍障礙物的高度角一般應小于15°；

2.遠離大功率無線電發(fā)射源（如電視臺、微波站等），其距離不小于400m；遠離高壓輸電線，其距離不小于200m；

3.點位附近不應有強烈干擾衛(wèi)星信號接收的物體，并盡量避開大面積水域；

4.交通方便，有利于其它測量手段擴展和聯(lián)測；

5.地面基礎(chǔ)穩(wěn)定，易于點的保存為了較長期地保存點位，GPS控制點一般應設置具有中心標志的標石，精確地標志點位，點的標石和標志必須穩(wěn)定、堅固。最后，應繪制點之記、測站環(huán)視圖和GPS網(wǎng)圖、作為提交的選點技術(shù)資料。（三）GPS外業(yè)觀測

1.GPS觀測準備工作

(1)GPS接收儀的一般性檢視主要檢查接收機給部件是否齊全、完好，緊固部件是否松動與脫落，設備的使用手冊及資料是否齊全等。

(2)通電檢驗檢驗的主要項目包括：設備通電后有關(guān)信號燈、按鍵、顯示系統(tǒng)和儀表工作情況，以及自測試系統(tǒng)工作情況。當自測試正常后，按操作步驟進行衛(wèi)星捕獲與跟蹤，以檢驗其工作情況。

(3)試測檢驗主要是檢驗接收機精度及其穩(wěn)定性。兩臺GPS接收機所測的基線長與標準值比較，以確定接收機的精度和穩(wěn)定性。(4)編制GPS衛(wèi)星可見性預報及觀測時段的選擇

GPS定位精度與觀測衛(wèi)星的幾何圖形有密切關(guān)系。衛(wèi)星幾何圖形的強度越好，定位精度越高。從測觀測站觀測衛(wèi)星的高度角越小，衛(wèi)星分布范圍越大，則幾何精度因子GDOP值越小，定位精度越高，一般要求GDOP值小于6。因此，觀測前要編制衛(wèi)星可見性預報，選擇最佳觀測時段，擬定觀測計劃。

一般GPS接收機的商用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)都帶有衛(wèi)星可見預報軟件。使用軟件時，需在當前子目錄下存有前期觀測衛(wèi)星星歷文件；調(diào)入預報軟件后，輸入預計觀測站的概略坐標、預計觀測日期和觀測衛(wèi)星的高度的截止角（例如10°或15°）。軟件首先讀取前期衛(wèi)星星歷文件的衛(wèi)星日程表（即含有所有GPS衛(wèi)星的概略星歷），軟件按預計觀測日期計算衛(wèi)星位置，再利用測站坐標計算衛(wèi)星高度角，選取高度角大于高度的截止角的所有衛(wèi)星進行預報，按時間順序列出所有可見衛(wèi)星信息。根據(jù)衛(wèi)星的幾何精度GDOP的變化情況，可以選擇最佳時間段。進一步安排觀測衛(wèi)作的進程表及接收機的調(diào)度計劃。2.觀測工作觀測工作包括：天線安置，GPS接收儀安置與操作，氣象參數(shù)測定，測站記錄等。

（1）天線安置天線的精確安置是實現(xiàn)精密定位的前提條件之一。一般情況下，天線應