1、第20章 全球衛星定位測量20.1 全球衛星定位系統的組成20.2 GPS衛星定位的基本原理20.3 GPS小區域控制測量20.1 概述 所謂全球衛星定位測量，就是指利用空間飛行的衛星來實現地面點位的測定。目前正在運行的全球衛星定位位系統有美國的GPS和俄羅斯的GLONASS。正在建設中的歐盟GALILEO，還未投入使用。全球衛星定定位系統，一般指美國的GPS。GPS具有全球性、全天候、連續的三維定位、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、交通管理以及城鎮建設等各個領域，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星

2、發射成功，使空間科學技術的發展，迅速跨入一個嶄新的時代。人造地球衛星的出現，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星系統，即海軍導航衛星系統（Navy Navigation Satellite SystemNNSS），NNSS系統中，衛星軌道都通過地極，故也稱“子午（Transit）衛星系統”，1964年該系統建成。但是系統衛星數目較少（56顆），運行高度較低（平均約1000km），因此無法提提供連續地實時三維導航。 為了滿足軍事部門和民用部門，對連續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星導航系統，

3、即目前所稱的“授時與測距導航系統/全球定位系統”（Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning SystemNAVSTAR/GPS），通常簡稱為全球定位系統（GPS）。GPS具有高精度連續實時三維導航能力，并有良好的抗干攏性，因此GPS大大超過NNSS。GPS的主要特點是： (1)全球全天候實時定位。GPS衛星數目多，分布合理，所以地球上任何地點都可以連續同步觀測到至少4顆衛星，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

4、室內，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。結束測量時，僅需關閉電源，取下接收機，便完成野外數據采集任務。 (3)觀測速度快，精度高。目前，20km以內相對靜態定位僅需1520分鐘。GPS相對定位精度可達10-6，100500km可達10-7。在3001500m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)應用領域非常廣泛。由于GPS提供精確的位置、速度和時間信息，對現代戰爭成敗至關重要，極大改變了未來戰爭的作戰方式。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控、管理和救援。實時監視和修正航行路，可以

5、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據。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。在交通運輸方面，實施運輸監控、調度管理、事故處理和緊急救援都起到非常重要作用。隨著GPS定位技術的發展，應用領域還會不斷拓寬。空間星座部分（空間部分） 地面支撐系統 （地面監控部分）GPS接收機 （用戶部分）空間部分由24顆GPS衛星組成地面監控系統由監測站、主控站、注入站組成用戶部分由GPS接收機組成監測站注入站主控站GPS衛星系統的組成20. 2（1）GPS衛星

6、星座 地球上任何地方至少同時可看到四顆衛星。其發射信號能覆蓋地面面積38%。 衛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。在波束覆蓋區域內，用戶接收到的衛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。 衛星高度：20200公里運行周期：11小時58分衛星分布在六條升交點相隔60的軌道面上，軌道傾角為55每條軌道上分布四顆衛星，相臨兩軌道上的衛星相隔40空間星座部分（2）在GPS系統中衛星的作用 用L波段的兩個無線載波(19cm和24cm波)向廣大用戶連續不斷地發送導航定位信號。 在衛星飛越注入站上空時，接

7、收由地面注入站不斷發送到衛星的導航電文和其它有關信息，并通過GPS信號電路，適時地和發送給廣大用戶。 接收地面主控站通過注入站發送到衛星的調度命令，適時地改正運行偏差或啟用備用時鐘等。GPS地面監控部分 1個主控站 3個注入站 5個監測站 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(Colorado Springs)的聯合空 間執行中心(CSOC) 1.主控站 設備：主控站擁有大型電子計算機，用作數據采集、計算、 傳輸、診斷、編輯等。 作用：（一）采集數據（二）編輯電文（三）診斷功能（四）調整衛星2.注入站地點：三個站分別設大西洋的阿松森(Asc

8、ension)島、印 度洋的狄哥伽西亞(Diego Garcia)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波段發射機和一臺計 算機。 作用：主控站將編輯的衛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星，然后 由GPS衛星發送給廣大用戶，這就是所用的廣播 星歷。此外，注入站能主動向主控站發射信號， 每分鐘報告一次自己的工作狀態。3監測站 作用：對每顆衛星進行觀測，精確測定衛星在空間的位置，并向 主控站提供觀測數據。 設備：監控站有雙頻GPS接收機，對每顆衛星長年連續不斷地進行 觀測，每6秒進行一次偽距測量和積分多普

9、勒觀測，采集氣象要素等數據 監測站是一種無人值守的數據采集中心，受主控站的控制，定時將觀測數據送往主控站。五個監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。由這五個監測站提供的觀測數據形成了GPS衛星實時發布的廣播星歷。地點：五個監測站：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星發送的數據,并運用數學方法求得三維空間位置以及時間和速度GPS用戶部分 用戶部分包括用戶組織系統和根據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，用來接收導航衛星發射的信號，并以此計算出定位數據。GPS用戶設備GPS接收機

10、硬件機內軟件GPS數據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產品Leica GPS接收機南方儀器廠GPS系統的特點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 20.3.1 GPS衛星信號的組成20.3 GPS衛星定位的基本原理衛星信號 載波信號(L1，L2)測距碼(P碼,C/A碼)數據碼(導航電文或D碼) 1.載波信號 L1載波，波長=19.03cm，頻率f1=1575.42MHZ L2載波，波長=24.42cm，頻率f2=1227.6OMHZ。2.測距碼 C

11、/A碼（粗碼/捕獲碼）：調制在L1載波上。結構公開，不同的衛星有不同的C/A碼。 P碼（精碼）：調制在L1和L2載波上。3.數據碼（D碼）（導航電文） 提供有關衛星位置，衛星鐘的性能、發射機的狀態等數據和信息。用戶利用觀測值以及這些信息和數據就能進行導航和定位。20.3.2 GPS的常用坐標系WGS-84世界大地坐標系： 原點是地球的質心 Z軸指向國際時間局BIH1984.0定義的協議地球北極（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軸構成右手坐標系 20.3.3 GPS定位原理 (X ,Y，Z)123(x1 ,y1，z1)(

12、x2 ,y2，z2)(x3 ,y3，z3) 利用三個以上衛星的已知空間位置，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 12 = (X - X1)2 + (Y - Y1)2 + (Z - Z1)222 = (X X2)2 + (Y Y2)2 + (Z Z2)232 = (X X3)2 + (Y Y3)2 + (Z Z3)2 通過導航電文解譯出三顆衛星的坐標，通過測量求出三顆衛星到測站的距離，用距離交會即可求出測站點的坐標（X , Y）。20.3.4 偽距測量與載波相位測量1.偽距測量 偽距法定位在某一時刻，由GPS接收機測出其到四顆以上GPS衛星的偽

13、距，根據已知的衛星位置，采用距離交會的方法求接收機天線所在點的三維坐標。 偽距由衛星發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，產生延遲誤差。

14、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參數加以修正，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，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，即3個點位坐標分量和1個鐘差參數，所以至少同時觀測4顆衛星。偽距法定位的優缺點 (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10 m，C/A碼定位誤差約為 2030 m）。2.載波相位測量 波長：L1 信號的

15、波長為19.03 cm。 L2 信號的波長為24.42 cm。載波相位測量屬于非碼信號測量系統優點：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12mm。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部分，無法 測定其整波長個數。因而存在著整周數的不 確定性問題，使解算過程比較復雜。1、靜態定位：待定點的位置在觀測過程中固定不變。 2、動態定位：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：把衛星信號記錄在一定的介質上，回到室 內統一進行數據處理

16、。 一般來說，靜態定位用戶多采用后處理，動態定位用戶采用實時處理或后處理。20.3.5 GPS定位方法 GPS絕對定位(單點定位)：它是利用一臺接收機觀測衛星，獨立地確定出自身在WGS84地心坐標系的絕對位置。 這一位置在WGS84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。 絕對定位的優點是只需一臺接收機即可獨立定位，外業觀測的組織和實施比較方便，數據處理比較簡單；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。 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

17、的位置，而不是在WGS84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。5、實時動態定位測量 實時動態定位測量，即GPS RTK測量技術（其中RTK為實時動態的意思，英文是Real Time Kinematic）。 GPS RTK測量技術原理： 在兩臺GPS接收機之間增加一套無線通信系統（又稱數據鏈），將兩臺或多臺相對獨立的GPS接收機聯成有機的整體。 基準站（安置在己知點上的GPS接收機）通過電臺將觀測信息、測站數據傳輸給流動站（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

18、站間的基線向量。若事先輸入相應的坐標轉換參數和投影參數，即可實時得到流動站偽三維坐標及其精度。基準站流動站20.4 GPS小區域控制測量20.4.1 GPS控制網的技術設計 1.充分考慮建立控制網的應用范圍 根據工程的近期、中長期的需求確定控制網的范圍。 2.采用的布網方案及網形設計 適當地分級布設GPS網 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網一般由一個或若干個獨立觀測環組成，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測量規范”將GPS的測量精度分為AE五級，以適應于不同范圍、不同用途要求

19、的GPS工程。 4.坐標系統與起算數據 在GPS網的技術設計中，必須說明GPS網的成果所采用的坐標系統和起算數據。 空間相似變換求得七個待定系數：3個平移參數、3個旋轉參數和1個縮放參數。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換。為了得到GPS點的正常高，應使一定數量的GPS點與水準點重合，或者對部分GPS點聯測水準。若需要進行水準聯測，則在進行GPS布點時應對此加以考慮。20.4.2 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，視場內周

20、圍障礙物的高度角一般應小于15； 2.遠離大功率無線電發射源（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測； 5.地面基礎穩定，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定、堅固。最后，應繪制點之記、測站環視圖和GPS 網圖、作為提交的選點技術資料。20.4.3 GPS外業觀測 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

21、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：設備通電后有關信號燈、按鍵、顯示系統和儀表工作情況，以及自測試系統工作情況。當自測試正常后，按操作步驟進行衛星捕獲與跟蹤，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定性。(4)編制GPS衛星可見性預報及觀測時段的選擇 GPS定位精度與觀測衛星的幾何圖形有密切關系。衛星幾何圖形的強度越好，定位精度越高。從測觀測站觀測衛星的高度角越小，衛星分布范圍越大，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。

22、因此，觀測前要編制衛星可見性預報，選擇最佳觀測時段，擬定觀測計劃。 一般GPS接收機的商用數據處理系統都帶有衛星可見預報軟件。使用軟件時，需在當前子目錄下存有前期觀測衛星星歷文件；調入預報軟件后，輸入預計觀測站的概略坐標、預計觀測日期和觀測衛星的高度的截止角（例如10或15）。軟件首先讀取前期衛星星歷文件的衛星日程表（即含有所有GPS衛星的概略星歷），軟件按預計觀測日期計算衛星位置，再利用測站坐標計算衛星高度角，選取高度角大于高度的截止角的所有衛星進行預報，按時間順序列出所有可見衛星信息。 根據衛星的幾何精度GDOP的變化情況，可以選擇最佳時間段。進一步安排觀測衛作的進程表及接收機的調度計劃。 2.觀測工作 觀測工作包括：天線安置， GPS接收儀安置與操作，氣象參數測定，測站記錄等。 （1）天線安置 天線的精確安置是實現精密定位的前提條件之一。一般情況下，天線應盡量利用三腳架安置在標志中心的垂線方向上，直接對中；天線的圓水準泡