第一模块 全球卫星定位测量

第三模块全球卫星定位测量3.1

全球卫星定位系统的组成3.2GPS卫星定位的基本原理3.3GPS小区域控制测量一

概述

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一）定义所谓全球卫星定位测量，就是指利用空间飞行的卫星来实现地面点位的测定。目前正在运行的全球卫星定位位系统有美国的GPS和俄罗斯的GLONASS、欧盟GALILEO以及我国的北斗系统。全球卫星定定位系统，一般指美国的GPS。

GPS具有全球性、全天候、连续的三维定位、导航、测速和授时能力，广泛应用于航空航天、海陆空三军导航、地球物理、大地测量、交通管理以及城镇建设等各个领域，并已渗透到人们的日常工作、学习和生活之中。

1957年10月世界上第一颗人造地球卫星发射成功，使空间科学技术的发展，迅速跨入一个崭新的时代。人造地球卫星的出现，首先引起各国军事部门的高度重视。

1958年底，美国海军武器实验室着手建立为美国军舰导航服务的卫星系统，即海军导航卫星系统（NavyNavigationSatelliteSystem－NNSS），NNSS系统中，卫星轨道都通过地极，故也称“子午（Transit）卫星系统”，1964年该系统建成。但是系统卫星数目较少（5～6颗），运行高度较低（平均约1000km），因此无法提提供连续地实时三维导航。

为了满足军事部门和民用部门，对连续实时三维导航的迫切要求，1973年美国防部组织海陆空三军，共同研究建立新代卫星导航系统，即目前所称的“授时与测距导航系统/全球定位系统”（NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem－NAVSTAR/GPS），通常简称为全球定位系统（GPS）。

GPS具有高精度连续实时三维导航能力，并有良好的抗干拢性，因此GPS大大超过NNSS。

（二）GPS的主要特点是：

1、全球全天候实时定位。GPS卫星数目多，分布合理，所以地球上任何地点都可以连续同步观测到至少4颗卫星，从而保证了全球、全天候、实时三维定位定位。

2、自动化程度高。用GPS接收机测量时，只要将天线精确安置在测站上，主机可安放在测站不远处，也可放在室内，通过专用的通讯线和天线连接，接通电源，启动接收机，仪器就自动开始工作。结束测量时，仅需关闭电源，取下接收机，便完成野外数据采集任务。

3、观测速度快，精度高。

目前，20km以内相对静态定位仅需15～20分钟。

GPS相对定位精度可达10-6，100～500km可达10-7。在300～1500m工程精密定位中，观测1小时以上，解算平面位置误差小于1mm。

4、应用领域非常广泛。

由于GPS提供精确的位置、速度和时间信息，对现代战争成败至关重要，极大改变了未来战争的作战方式。在导航方面，GPS不仅供用于海上、空中和陆地运动目标的导航，而且可对运动目标实施监控、管理和救援。实时监视和修正航行路，可以保障运动物体沿预定航线运行，并可选择最佳航线。在地球物理方面，精确测定地球板块的位移和运动速速率，预测地震灾害提供重要数据。在测绘方面，目前GPS己成大地测量测定控点的主要方法，在工程测量以及城市测绘己广泛采用GPS先进的定位技术。在交通运输方面，实施运输监控、调度管理、事故处理和紧急救援都起到非常重要作用。随着GPS定位技术的发展，应用领域还会不断拓宽。空间星座部分（空间部分）

地面支撑系统（地面监控部分）GPS接收机（用户部分）空间部分由24颗GPS卫星组成地面监控系统由监测站、主控站、注入站组成用户部分由GPS接收机组成监测站注入站主控站二、GPS卫星系统的组成1、GPS卫星星座地球上任何地方至少同时可看到四颗卫星。其发射信号能覆盖地面面积38%。

卫星在轨道的任何位置，对地面的距离和波束覆盖面积基本不变。在波束覆盖区域内，用户接收到的卫星信号强度近似相等。这对提高定位精度十分有利。在全球任何地方、任何恶劣的气候条件下，为用户提供二十四小时不间断的免费服务。卫星高度：20200公里运行周期：11小时58分卫星分布在六条升交点相隔60º的轨道面上，轨道倾角为55º每条轨道上分布四颗卫星，相临两轨道上的卫星相隔40º（一）空间星座部分2、在GPS系统中卫星的作用

①用L波段的两个无线载波(19cm和24cm波)向广大用户连续不断地发送导航定位信号。

②在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站不断发送到卫星的导航电文和其它有关信息，并通过GPS信号电路，适时地和发送给广大用户。

③接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，适时地改正运行偏差或启用备用时钟等。（二）GPS地面监控部分1个主控站3个注入站5个监测站斯平士阿松森岛狄哥·伽西亚卡瓦迦兰夏威夷岛太平洋印度洋大西洋

地点：位于科罗拉多的斯平士(ColoradoSprings)的联合空间执行中心(CSOC)1.主控站

设备：主控站拥有大型电子计算机，用作数据采集、计算、传输、诊断、编辑等。

作用：（一）采集数据（二）编辑电文（三）诊断功能（四）调整卫星2.注入站地点：三个站分别设大西洋的阿松森(Ascension)岛、印度洋的狄哥·伽西亚(DiegoGarcia)和太平洋的卡瓦迦兰(Kwajalein)的三个美国军事基地上。设备：一台直径3.6m的天线，一台S波段发射机和一台计算机。作用：主控站将编辑的卫星电文传送到位于三大洋的三个注入站，定时将这些信息注入各个卫星，然后由GPS卫星发送给广大用户，这就是所用的广播星历。此外，注入站能主动向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态。3.监测站

作用：对每颗卫星进行观测，精确测定卫星在空间的位置，并向主控站提供观测数据。

设备：监控站有双频GPS接收机，对每颗卫星长年连续不断地进行观测，每6秒进行一次伪距测量和积分多普勒观测，采集气象要素等数据

监测站是一种无人值守的数据采集中心，受主控站的控制，定时将观测数据送往主控站。五个监测站分布在美国本土和三大洋的美军基地上，保证了全球GPS定轨的精度要求。由这五个监测站提供的观测数据形成了GPS卫星实时发布的广播星历。

地点：五个监测站：除一个主控站、三个注入站兼作外，还有一个在夏威夷岛

=

用户部分观测和记录由若干卫星发送的数据,并运用数学方法求得三维空间位置以及时间和速度（三）GPS用户部分

用户部分包括用户组织系统和根据要求安装相应的设备，但其中心设备是GPS接收机。它是一种特制的无线电接收机，用来接收导航卫星发射的信号，并以此计算出定位数据。GPS用户设备GPS接收机硬件机内软件GPS数据的后期处理软件天线单元接收单元前置放大器接收天线TOPCON产品LeicaGPS接收机南方仪器厂GPS系统的特点1、全球，全天候工作

2、功能多，应用广

3、测站之间无需通视

4、定位精度高，隐蔽性好5、观测时间短

6、提供三维坐标

7、操作简便8、免费、容易（一）GPS卫星信号的组成三GPS卫星定位的基本原理卫星信号载波信号(L1，L2)测距码(P码,C/A码)数据码(导航电文或D码)

1.载波信号

L1载波，波长λ=19.03cm，频率f1=1575.42MHZL2载波，波长λ=24.42cm，频率f2=1227.6OMHZ。2.测距码

C/A码（粗码/捕获码）：调制在L1载波上。结构公开，不同的卫星有不同的C/A码。

P码（精码）：调制在L1和L2载波上。3.数据码（D码）（导航电文）提供有关卫星位置，卫星钟的性能、发射机的状态等数据和信息。用户利用观测值以及这些信息和数据就能进行导航和定位。（二）GPS的常用坐标系WGS--84世界大地坐标系：

原点是地球的质心

Z轴指向国际时间局BIH1984.0定义的协议地球北极（CTP）方向

X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP相对应的赤道的交点

Y轴垂直于ZOX平面且与Z、X轴构成右手坐标系（三）GPS定位原理(X,Y，Z)ρ1ρ2ρ3(x1,y1，z1)(x2,y2，z2)(x3,y3，z3)

利用三个以上卫星的已知空间位置，交会出地面未知点（用户接收机）的位置。测距的方法码相位(伪距法)测距测量载波相位差测距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

通过导航电文解译出三颗卫星的坐标，通过测量求出三颗卫星到测站的距离ρ，用距离交会即可求出测站点的坐标（X,Y）。（四）

伪距测量与载波相位测量

1.伪距测量

1）伪距法定位：在某一时刻，由GPS接收机测出其到四颗以上GPS卫星的伪距，根据已知的卫星位置，采用距离交会的方法求接收机天线所在点的三维坐标。

2）伪距：由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得出的量测距离。由于卫星钟、接收机钟的误差以及无线电通过电离层和对流层中的延迟，实际测出的距离

与卫星到接收机的几何距离

有一定的差值，因此一般称量测出的距离为伪距。用C/A码进行测量的伪距为C/A码伪距；用P码进行测量的伪距为P码伪距。

GPS采用的单程测距原理，它不同于电磁波测距仪中的双程测距。这就要求卫星时钟与接收机时钟要严格同步。但实际上，两者难于严格同步，因此存在不同步误差，另外，测距码在大气中传播还受到大气电离层折射及大气对流层的影响，产生延迟误差。因此，测距码所求得距离值并非真正的站星几何距离，习惯上称其为“伪距”。由于卫星钟差、电离层折射和大气对流的影响，可以通过导航电文中所给的有关参数加以修正，而接收机的钟差却难以预先准确地确定，所以把接收机的钟差当作一个未知数，与测站坐标一起解算。这样，在一个观测站上要解出4个未知参数，即3个点位坐标分量和1个钟差参数，所以至少同时观测4颗卫星。2、伪距法定位的优缺点

(1)定位速度快。

(2)无多值性问题。

(3)可作为载波相位测量中整波数不确定问题（模糊度）的辅助资料。

(4)一次定位精度不高，（P码定位误差约为10m，C/A码定位误差约为20～30m）。3.载波相位测量

波长：L1信号的波长为19.03cm。

L2信号的波长为24.42cm。载波相位测量属于非码信号测量系统优点：把载波作为量测信号，对载波进行相位测量可以达到很高的精度，目前可达到1～2mm。缺点：载波信号是一种周期性的正弦信号，相位测量只能测定不足一个波长的小数部分，无法测定其整波长个数。因而存在着整周数的不确定性问题，使解算过程比较复杂。1、静态定位：待定点的位置在观测过程中固定不变。2、动态定位：待定点在运动载体上，观测过程中是变化的。3、实时定位：一边接收卫星信号一边进行计算，获得目前所处的位置、速度及时间等信息。4、后处理定位：把卫星信号记录在一定的介质上，回到室内统一进行数据处理。

一般来说，静态定位用户多采用后处理，动态定位用户采用实时处理或后处理。（五）GPS定位方法5、GPS绝对定位(单点定位)：利用一台接收机观测卫星，独立地确定出自身在WGS－84地心坐标系的绝对位置。这一位置在WGS－84坐标系中是唯一的，所以称为绝对定位。因为利用一台接收机能完成定位工作，又称为单点定位。绝对定位的优点是只需一台接收机即可独立定位，外业观测的组织和实施比较方便，数据处理比较简单；缺点是定位精度低，受各种误差的影响比较大，只能达到米级。

6、GPS相对定位：它是利用不同地点的接收机同步跟踪相同的GPS卫星信号，确定若干台接收机之间的相对位置。它的测量是相对于某一已知点的位置，而不是在WGS－84坐标系中的绝对位置。它精确测定出两点之间的坐标分量和边长。至少要应用两台精密测地型GPS接收机。7、实时动态定位测量

1）定义：实时动态定位测量。即GPSRTK测量技术（其中RTK为实时动态的意思，英文是RealTimeKinematic）。

2）GPSRTK测量技术原理：在两台GPS接收机之间增加一套无线通信系统（又称数据链），将两台或多台相对独立的GPS接收机联成有机的整体。

3）工作流程：

基准站（安置在己知点上的GPS接收机）通过电台将观测信息、测站数据传输给流动站（运动中的的GPS接收机）流动站将基准站传来的载波观测信号与流动站本身观测的载波观测信号进行差分处理，从而解算出两站间的基线向量。若事先输入相应的坐标转换参数和投影参数，即可实时得到流动站伪三维坐标及其精度。基准站流动站四GPS小区域控制测量

（一）GPS控制网的技术设计

1.充分考虑建立控制网的应用范围根据工程的近期、中长期的需求确定控制网的范围。

2.采用的布网方案及网形设计适当地分级布设GPS网顾及测站选址、仪器设备装置与后勤交通保障等因素设计各观测时段的时间及接收机的搬站顺序

GPS网一般由一个或若干个独立观测环组成，也可采用路线形式。3.GPS测量的精度标准国家测绘局1992年制订的我国第一部“GPS测量规范”将GPS的测量精度分为A～E五级，以适应于不同范围、不同用途要求的GPS工程。4.坐标系统与起算数据在GPS网的技术设计中，必须说明GPS网的成果所采用的坐标系统和起算数据。空间相似变换求得七个待定系数：3个平移参数、3个旋转参数和1个缩放参数。5.GPS点的高程

GPS测定的高程是WGS-84坐标系中的大地高，与我国采用的1985年黄海国家高程基准正常高之间也需要进行转换。为了得到GPS点的正常高，应使一定数量的GPS点与水准点重合，或者对部分GPS点联测水准。若需要进行水准联测，则在进行GPS布点时应对此加以考虑。（二）

选点与建立点位标志选定GPS点点位时，应遵守以下的几点原则：

1.周围应便于安置接收设备，便于操作，视野开阔，视场内周围障碍物的高度角一般应小于15°；

2.远离大功率无线电发射源（如电视台、微波站等），其距离不小于400m；远离高压输电线，其距离不小于200m；

3.点位附近不应有强烈干扰卫星信号接收的物体，并尽量避开大面积水域；

4.交通方便，有利于其它测量手段扩展和联测；

5.地面基础稳定，易于点的保存为了较长期地保存点位，GPS控制点一般应设置具有中心标志的标石，精确地标志点位，点的标石和标志必须稳定、坚固。最后，应绘制点之记、测站环视图和GPS网图、作为提交的选点技术资料。（三）GPS外业观测

1.GPS观测准备工作

(1)GPS接收仪的一般性检视主要检查接收机给部件是否齐全、完好，紧固部件是否松动与脱落，设备的使用手册及资料是否齐全等。

(2)通电检验检验的主要项目包括：设备通电后有关信号灯、按键、显示系统和仪表工作情况，以及自测试系统工作情况。当自测试正常后，按操作步骤进行卫星捕获与跟踪，以检验其工作情况。

(3)试测检验主要是检验接收机精度及其稳定性。两台GPS接收机所测的基线长与标准值比较，以确定接收机的精度和稳定性。(4)编制GPS卫星可见性预报及观测时段的选择

GPS定位精度与观测卫星的几何图形有密切关系。卫星几何图形的强度越好，定位精度越高。从测观测站观测卫星的高度角越小，卫星分布范围越大，则几何精度因子GDOP值越小，定位精度越高，一般要求GDOP值小于6。因此，观测前要编制卫星可见性预报，选择最佳观测时段，拟定观测计划。

一般GPS接收机的商用数据处理系统都带有卫星可见预报软件。使用软件时，需在当前子目录下存有前期观测卫星星历文件；调入预报软件后，输入预计观测站的概略坐标、预计观测日期和观测卫星的高度的截止角（例如10°或15°）。软件首先读取前期卫星星历文件的卫星日程表（即含有所有GPS卫星的概略星历），软件按预计观测日期计算卫星位置，再利用测站坐标计算卫星高度角，选取高度角大于高度的截止角的所有卫星进行预报，按时间顺序列出所有可见卫星信息。根据卫星的几何精度GDOP的变化情况，可以选择最佳时间段。进一步安排观测卫作的进程表及接收机的调度计划。2.观测工作观测工作包括：天线安置，GPS接收仪安置与操作，气象参数测定，测站记录等。

（1）天线安置天线的精确安置是实现精密定位的前提条件之一。一般情况下，天线应