GPS測地應用1、系統由來2、系統組成

3、特點及用途一、

GPS定位系統的由來及組成

1、系統由來全球定位系統GPS（GlobalPositionSystem）是美國陸海空三軍聯合研制的衛星導航系統，是在子午衛星系統基礎上發展起來的新一代導航定位系統。他的發展經歷了以下三個階段。

第一階段（1973--1979）：方案論證

初步試驗、發射四顆試驗衛星、試驗樣機研制、建立地面跟蹤站網

第二階段（1979--1987...）：試驗階段

發射7顆試驗衛星、地面跟蹤站網完善、接收機研制、試驗觀測（導航、授時和測量應用）。

第三階段（1994--…）正式投入運行

1989年2月4日第一顆工作衛星發射，1993年底24顆工作衛星全部升空，完成組網1994年投入全面運行。目前有在軌工作衛星32顆（8顆系統升級備用衛星）

2、系統組成

空間部分--衛星星座星座：32顆GPS衛星分布：

6軌道。軌道傾角:55°軌道高度：20,183公里運行周期：11小時58分主要功能：播發GPS信號（C/A,P

)、衛星星歷參數、電離層和對流層改正參數及其他（監測核試驗L3和軍事用途L4）

L1載波（1575.42MHz）——C/A碼、P1碼、D碼

L2載波（1227.60MHz）——P2碼、D碼

地面部分—地面跟蹤網監測跟蹤站（5個）：

24小時連續對每一顆衛星進行連續跟蹤觀測，采集數據，送往主控站主控站（科羅拉多斯普林斯）：對監測跟蹤站傳送來的數據進行處理，計算每一顆衛星的星歷和鐘差等參數，將星歷和鐘差等參數及控制指令傳送到注入站。注入站（3個）：將星歷和鐘差等參數及控制指令注入給每顆衛星。每天注入3次。…..監控站監控站主控站注入站

用戶接受機部分接收機功能：收GPS衛星信號并測定衛星至地面站的距離接收衛星發送的導航電接文，獲得衛星星歷、鐘差改正等參數計算觀測瞬間的衛星位置、求解接收機位置接收機構成：天線和前置放大器跟蹤和接收單元（鎖相環）處理和計算單元存儲單元控制和顯示單元電源單元

3、特點及用途全天候，不受天氣條件的限制定位精度高：單點定位（或導航）5-10米，靜態相對測量（大地測量）10-6~10-7操作簡便、重量輕、體積小、耗電省自動化程度高功能多、應用范圍廣、經濟效益高

GPS用途可以分為三大方面：導航、授時、高精度的工程測量按用途分：測量型、導航型（高中低動態，民用軍用）、授時型、姿態測量型按使用的GPS信號種類分：C/A-碼、P-碼、載波相位、或(單頻、雙頻)等整機（分體機和一體機）和OEM板（供二次開發用）二、

GPS測地定位原理1、測量技術的發展歷程2、GPS的測距信號3、GPS的原子時系統4、精確測時精確測距5、空間距離后方交會6、GPS載波相位測量原理7、生產基線向量的工藝8、靜態相對定位基線解算步驟9、GPS測量的誤差源1、測量技術的發展歷程（1）、常規測量之一（光、機式）

長度——距離丈量——鋼尺（機械比長）

角度——水平角測量——經緯儀（光學）

高差——水準測量——水準儀（光學）

記錄——手工方式——記錄手簿（2）、常規測量之二（光、機、電式）——電子全站儀

長度——紅外光電測距（光電）

角度——編碼度盤（光電）

高差——測距三角高程（光電）

記錄——電磁方式（3）、GPS測量（電子式）

接收——GPS信號——基線向量（弦長、方位角、大地高差）

記錄——自動

GPS技術使測地工作發生重大變革2、GPS的測距信號

GPS導航定位系統屬于無線電導航定位系統，用戶只需要通過接受設備接受衛星播發的信號，就能測定衛星信號的傳播時間或相位延遲，計算接收機到GPS衛星間的距離（稱為偽距），確定接收機位置及時間該正數。

GPS衛星發射的信號是將導航電文經過偽隨機碼擴頻成為組合碼（P碼、C/A碼）

。然后把組合碼分別調制在兩個載波上由GPS衛星向地面發射。導航電文是用來定位和導航的數據基礎。它包含衛星星歷、工作狀態、時鐘改正、電離層時延改正、大氣折射改正以及由C/A捕獲P碼等導航信息。P碼

——軍用精密導航定位測距碼（保密）C/A碼

——

捕獲P碼的工具，用于民用導航定位D碼

——數據碼L1載波

——

頻率1575MHz，運載工具（C/A碼、P碼）。L2載波

——

頻率1227MHz，運載工具，電離層延遲探測工具（P碼、D碼）

3、GPS的原子時系統GPS是基于精密測時的定位系統。精密的時間系統是GPS的基礎。時間系統包含時間尺度、時間原點與計時方式。GPS采用原子時為尺度、以1980年1月6日0時為原點、以周與周秒的方式計時。時刻是時間坐標點。UTC是協調世界時，其時間尺度為原子時、其時間原點（格林威治）、計時方式（年月日、時分秒）與世界時一致。世界時與UTC時是GPS的實用參考。4、GPS以精確測時實現精確測距

---------偽距定位C/A碼是偽隨機二進制碼，也是衛星的標識符。在接收機上可同步復制與衛星同結構的C/A碼，比對測時。復制來自衛星t

復制碼與接收來自衛星的C/A碼比對基于時間同步。

碼相位測距類似于脈沖式光電測距。

只能用于單點定位。t——

信號傳播時間（偽距觀測量）

=c

t——站星距離

５、空間距離后方交會

——

GPS單點定位原理

空間距離方程

1=—[(X1-X)2+(Y1-Y)2+(Z1-Z)2]

2

=—[(X2-X)2+(Y2-Y)2+(Z2-Z)2]

3=—[(X3-X)2+(Y3-Y)2+(Z3-Z)2]

……X、Y、Z

——測點點位坐標Xi、Yi、Zi——衛星星歷（坐標）

1、

1、

1——觀測所得偽距

=電波傳播時間x光速四個方程解四個未知數：觀測四顆以上衛星才能求出三維坐標

1

2

3

4S1S3S4S2

（X、Y、Z）６、GPS載波相位測量原理

載波相位測量是測定GPS載波信號在傳播路程上的相位變化值，以確定信號傳播的距離。主要用于相對定位，在工程領域有廣泛的用途。

(t0)={(t0)/(2)+N}

(t1)=

{(t1)/(2)+I(t1)+N}

——波長

N——整周模糊度

在數據處理上載波相位測量相對定位可分為單差觀測值、雙差觀測值、三差觀測值的相對定位。通過多個衛星，多個歷元的觀測，即可解算兩個觀測站之間的三維坐標差及初始整周模糊度。整周模糊度和整周跳變是載波相位測量需要解決的兩個主要問題。S(t0)S(t1)N

N

(t0)(t1)I(t1)(整周模糊度)７、同步觀測是生產基線向量的工藝相對定位至少需要使用兩臺（多則不限）接收機同步觀測，觀測處理后的成果是基線向量。觀測中要求各接收機的采樣率一致，也是時間同步的體現。BA

８、靜態相對定位基線解算

具有同步觀測時間段是獲得基線解的先決條件。基線向量一般由廠商提供的專用軟件解算。基線向量解是GPS相對定位幾何三要素。

GPS測地型接收機是定位三要素數據采集器。靜態模式基線向量以求差法解算。基線固定解可靠性高，可大膽取用。基線浮動解約有1/3可靠。同步環閉合差檢核是判定基線可靠性的參考，閉合差超限的同步環中可能有合格的基線。異步環閉合差檢核是判定基線向量的有效手段

９、

GPS測量的誤差源衛星鐘差——某時刻原子鐘與GPS時之差

星歷誤差——衛星軌道誤差

接收機鐘差——某時刻石英鐘與GPS時之差操作誤差——對中、整平、量天線高電離層、對流層延遲——群折射路徑延長多路徑效應影響——多路反射波三、GPS測地作業模式１、靜態與快速靜態模式２、準動態與動態模式３、實時動態（RTK）模式１、靜態與快速靜態模式

同步圖形

兩臺接收機

n=2

三臺

n=3五臺

n=5

全組合基線數四臺N={n

(n-1)}/2n=4

靜態與快速靜態模式的特點靜態模式整周模糊度作為未知數的經典算法用于各等級控制測量，高精度測量快速靜態整周模糊度快速逼近技術（FARA）適宜于短基線，一般控制測量

２、準動態與動態模式

作業模式基準站已知點1

23流動站

已知基線反求整周模糊度

準動態與動態模式的特點準動態與動態利用已知基線反求整周模糊度流動站對環境條件要求較高準動態屬走走停停式，用于碎部測量動態屬連續運動式，用于路線連續采點43、實時動態（、實時動態（RTKRTK））模式模式RTKRTK原理圖示原理圖示基準站基準站流動站流動站電子手簿電子手簿主機主機電臺電臺

主機主機

RTK的定位原理基準站位置已知，對衛星進行載波相位觀測

基準站電臺將觀測的每一顆衛星的載波相位觀測量調制到電臺的載波上發射傳送流動站對衛星進行載波相位觀測流動站接收基準站電臺傳送的載波相位觀測量流動站利用OTF技術（初始化技術）將電臺接收到基準站的載波相位觀測量和本機的載波相位觀測量進行處理計算，求出觀測時刻的位置特點：需要數據鏈進行實時傳送載波相位觀測量實時定位數據可達厘米級精度四、坐標、高程轉換1、實用定位坐標系統2、同系統下的變換3、坐標系之間的轉換4、求解坐標轉換參數5、大地高轉換為正常高1、實用定位坐標系

世界大地坐標系WGS-84坐標系原點在地球質心，Z軸指向BIH1984定義的協議地球極方向。X軸指向BIH194零度子午面與CTP赤道的交點；Y軸與Z、X構成右手坐標系。

WGS-84系：

橢球幾何參數長半徑a=6378137m

短半徑b=6356752.310m

扁率

=1/298.257223563ba

GPS所采用的定位坐標系

1954北京坐標系

1954北京坐標標系克拉索夫斯基橢球幾何參數長半徑a=6378245m短半徑b=6356863.0188m扁率

=1/298.3ba我國當前的實用坐標系

1980西安坐標系

1980西安坐標系

IAG-75橢球的幾何參數長半徑a=6378140m短半徑b=6356755.2882m扁率

=1/298.257ba我國自建的坐標系

工程坐標坐標系

—用戶自定義坐標系測區高程面參考橢球面OAoaRH

參考橢球及其定位、定向與標準BJ54

系或西安80系一致。

自定義投影參數：

中央子午線、原點緯度

投影高程面(或中央子午線尺度比)

坐標原點西移、北（南）移值

取一個坐標參考點，其坐標與標準

BJ54一致.

No=NO；Eo=EO

自定義坐標與標準BJ54坐標的關系：

Na=kNA；Ea=kEA

K=（R+H）/R

高斯直角坐標系

大地坐標系

Ni、Ei

Li、Bi

高斯正形投影

正形（等角）投影變換。

中央子午線投影為縱坐標軸。

中央子午線投影尺度比為1。

中央子午線外存在長度變形，距中央子午線越遠變形越大。

長度變形尺度比：

m=1+E2/（2

R2）

分帶（帶區）投影

6度帶：0

~6

，6

~12

...

3度帶：0

~3

，3

~6

...２、坐標系之間轉換的數學模型

布爾沙模型(7參數)XXoXY=Yo+(1+m)R()YZ

54Zo

54Z84

WGS84

BJ54

（或XA80）

Z54

Z84

PO84X84Y84

Y54O54

X5454坐標尺度因子84坐標平移量旋轉矩陣

求解空間直角坐標轉換參數的考慮

GPS的定位測量結果是基于WGS-84系下某參考點的坐標。欲將所測點的WGS-84坐標直接轉換為地方坐標，必須提供坐標轉換參數。采用大地聯測的方法，根據公共點（至少三個）的坐標差反求轉換參數。轉換參數的質量取決于：聯測點數量已知點精度聯測精度聯測點分布解算方法３、大地高轉換為正常高

高程異常大地水準面地面

大地高——地面點沿法線方向到參考橢球面的間距（h）

正高——地面點重力方向到大地水準面的間距（H）

正常高——地面點重力方向到似大地水準面的間距（H）

高程異常——似大地水準面到參考橢球面的間距（N）

大地高、正常高、高程異

常關系式

H=h-N參考橢球

高程與高程系統

大地水準面與似大地水準面

——高程投影基準

大地水準面

不規則幾何體

平均海水面

重力等位面

正高起算面

似大地水準面

與大地水準面接近

正常高起算面

我國采用正常高系

1956黃海高程系統

1985國家高程基準大地水準面地球自然體

GPS水準法——高程擬合

似大地水準面擬合面參考橢球面

平面擬合示例(3個<聯測點<6個)

聯測已知高程點建立回歸方程：

1=a

x1+by1+c

2=ax2+by2+c

3=a

x3+by3+c…...

解算方程反求系數a、

b、c

建立擬合面方程

=a

x

+by

+c

內插GPS點的高程異常值

i

i=a

xi+byi

+c

計算GPS點的正常高

Hi=hi+

i五、GPS測量網施測1、控制測量網2、布網原則3、連網方式4、已知點配置5、外業觀測6、施測調度

1、常規控制網與GPS測量網

常規控制網

導線網——測量全部轉角和導線邊長三角網——測量全部三角形內角和部分起算邊長三邊網——測量全部三角形邊長邊角網——測量全部或部分內角和邊長混合網——三角、導線組合

GPS靜態測量網

組網構件是基線向量邊、角，高差全部實測的網

GPS（準）動態、RTK測量網

由若干輻射基線組成的支導線網

純導線型網純點連式網輻射支導線網1混連式網2、靜態網布網原則

等級與精度：A、B、C、D、E

構網自由：網邊無固定連法、圖形強度與網形無關

形成閉合環路：整網由若干閉合環組成、無支導線

同步圖形連網方式：點連式、邊連式、網連式

有一定量的多余基線且分布均衡

選點要求：點位牢固便于操作便于保存、對空通視、回避強電干擾、回避多路徑反射源、交通便利

已知點配置合理

顧及到常規儀器要求通視的問題

顧及便于設置RTK基準站問題（若有RTK設備）3、連網方式GPS同步觀測是生產基線向量的工藝同步圖形為一個工藝單元點連式、邊連式、網連式，混合使用點連式邊連式網連式4、已知點配置

——控制點配置情況WGS-84系

地方系的坐標轉換“一點”約束：只有平移變換；能保持原GPS網精度“一點+一方向”約束：有平移、旋轉變換；基本保持原GPS網精度。“兩點”約束：有平移、旋轉變換、縮放變換；尺度上發生了均勻變異。“多點”約束：存在多余約束條件，由最小二乘法處理后，使原GPS網在位置、形狀、大小發生了不均勻性畸變。

已知點配置要素已知點配置要素：數量、精度及匹配度、分布。已知點數量：不一定越多越好，聯測工作量、用途、匹配度、分布、檢核。精度及匹配度：精度等級、精度一致性。分布：均衡、測區外圍、長定向邊。分布不佳分布頗好5、外業觀測

觀測參數——各接收機觀測參數一致性

采樣率：10s15s20s

截止高度角：101520

最小衛星數：4顆

PDOP限值：4——7

時段長：20——60min

觀測記錄——機號、點號、天線高對應

量天線高——重視天線高量測的正確性6、施測調度

作業流程方式

（1）三機點連推進式

（2）

三機邊連推進式ABCAB

（3）三機交替推進式

ABCABC

（4）三（雙）機點連推磨式123遷移中1遷移中

（5）三機旋軸式

ABCABC（6）雙機點連追魚式（7）雙機點連蛙跳式12211212,21,12

作業條件交通條件：道路、水路狀況——道路等級、路面、通航狀況交通工具與數量——汽車、摩托車、自行車…...

轉站里程與時間——選點時注意測定記錄

通信條件：對講機——通話覆蓋域5—10km+車載臺——中繼站，可加大覆蓋域手機——開通地區效果較好約定時間——留出富余時間，只約定關機時間

優化調度原則

作業流程方式與網圖圖形分布的適應性

作業流程方式對作業條件的適應性

投入機子(GPS) 一般四臺可達到投資、生產效率、作業調度有效性的較佳匹配

投入機子越多，外業組織調度越復雜

自由網平差結果是GPS觀測質量的真實寫照測量網存在環路閉合差矛盾，具有

幾何多義性自由網平差消除了閉合差矛盾，具有

幾何唯一性自由網平差結果反映了網內部精度，表征了

GPS觀測成果的質量

約束平差成果質量取決于已知點的配置GPS網經自由網平差，具有幾何唯一性約束平差的目的：

消除外部約束產生的新矛盾

將測點的

WGS-84坐標轉換為地方坐標點位坐標是工程實用坐標

成果質量取決于已知點的配置六、GPS技術的應用及前景

1、革命性的技術變革2、在公路行業中的應用3、GPS系統發展前景4、其他衛星定位系統5、永久參考站導航--精度大大提高、實時性和全天候、車輛實時管理調度授時校頻--穩定度相當于銫鐘測量應用三維定位一次完成全球統一的坐標系統作業效率提高、勞動強度大大減輕可完成常規方法不能完成的任務全天候、實時、高精度、高動態軍事應用-沙漠風暴取得成功最重要的技術、彈道測定、炮兵定位、姿態測定……1、革命性的技術變革2、GPS技術在公路測量中的應用

（1）GPS靜態測量GPS靜態測量在公路工程中的應用主要在勘測階段建立首級控制網，精度為GPS三級網，根據參與作業的接收機數量，按邊連式布設成三邊形和大地四邊形。每天的數據要及時處理，發現不合的基線要重測。公路抵償坐標系建立《公路全球定位系統（GPS）測量規范》有關條款規定，當測區距離邊形值大于2.5cm/Km時，需建立公路抵償坐標系，建立公路抵償坐標的方法有兩種：（１）平移中央子午線至測區中央；（２）提高投影面高程。一般做法是以測區平均子午線經度作為中央子午線經度，在測區兩端取有代表意義的點位進行變形值驗算，如果變形值還是大于規范值，則可利用綜合殘余變形值計算抵償面高程。建立公路抵償坐標系是一項比較重要而且復雜的工作，其質量的好壞直接影響加密點的精度，在建立時一定要整體考慮，反復驗算，直到找出坐標系最合理的參數為止。

（2）實時動態（RTK）定位技術

實時動態定位的測量原理是選取點位精度較高的首級控制點作為基準點，安置一臺接收機作為參考站，對衛星進行連續觀測，流動站上的接收機在接收衛星信號的同時，通過無線電傳輸設備接收基準站上的觀測數據，隨機計算機根據相對定位的原理實時計算顯示出流動站的三維坐標和測量精度。

應用實時動態（RTK）定位有快速靜態定位和動態定位兩種測量模式，兩種定位模式相結合，在公路工程中的應用可以覆蓋公路勘測、施工放樣、監理和GIS（地理信息系統）前端數據采集。（1）快速靜態定位模式：在觀測中流動站在流動過程不必保持對衛星的連續觀測。一般應用在精度比較高的測量中，如控制網加密，若采用常規測量方法，受客觀因素影響較大，在自然條件比較惡劣的地區實施比較困難，而采用RTK快速靜態測量，則比靜態測量和常規測量起到事半功倍的效果。單點定位只需要5-10分鐘，不及靜態測量所需時間的五分之一。（2）動態定位：測量前需要在一控制點上靜止觀測數分鐘，進行初始化工作，之后流動站就可以按預定的采樣間隔自動進行觀測，這種定位模式在流動過程中，需要對衛星連續觀測，一但失鎖則必須進行初始化。動態定位模式在公路勘測階段可以完成地形圖測繪、中樁測量、橫斷面測量、縱斷面地面線測量等工作。測量1~2秒鐘，精度就可以達到1~3cm，且整個測量過程不需通視，有著常規測量儀器（如全站儀）不可比擬的優點。實時動態（RTK）應用

3、GPS系統發展前景在L2上增加C/A碼--2003年