GPS测量技术综述

GPS技术测量

GPS：是全球定位系统(globalpositioningsystem)的英文缩写，是伴随现代科学技术发

展起来而建立的新一代精密卫星导航定位系统。GPS卫星定位测量是运用GPS系统处理大

地测量问题日勺•项空间技术。

天球：天球是指以地球质心为中心，半径为无穷大H勺理想球体。天球赤道面与天球赤道：通

过地球质心M且垂直于大轴发日勺平面称为天球赤道面，与地球赤道面重直。大球赤道面与

天球面的交线称为天球赤道。

天球子午面与天球子午圈：包括天轴的平面称为天球子午面，与地球子午面重杳。天球子午

面与天球的交线为一大圆，称为天球子午圈。天球子午圈被天轴截成的两个半圆称为时圈。

WGS-84世界大地坐标系：原点是地球质心M,Z轴指向BIH1984.0时元定义H勺协议地极，X

轴指向BIH1984.0时元定义的I零子午面与CTP对应H勺赤道交点，Y轴垂直于XMZ平面，且

与Z、X轴构成右手系，采用日勺是地球椭球

码：表达信息H勺二进制数及其结合

码元(比特)：每一位二进制数成为一种码元或者一种比特，比特的意思就是二进制数，它

是码的度量单位，也是信息量口勺度量单位

信号调制：将低频信号家在到高频的载波上日勺过程。这时原低频信号称为调制，加载信号后

的载波叫己调波。。实现码信号与载波信号的调制是通过码状态与载波相乘实现时。

信号解调：从接受到的已调波中分离出测距码信号，导航电文以及纯净"勺教波信号。措施有

码有关解调技术和平方解调技术。

SA技术：为了限制SPA顾客的定期定位精度，美国政府对GPS工作卫星信号的技术，包

括：对信号基准频率於JS技术，对导航电文，对P码译码技术

卫星星历：是一系列描述卫星运动及其轨道的参数。

GPS动态定位:GPS动态测量是运用GPS卫星定位系统实时测量物体B勺持续运动状态参数。

假如所求日勺状态参数仅仅是三位坐标参数，就称为GPS动态定位

导航：假如所求状态参数不仅包括三维坐标参数，还包括物体口勺三维速度，以及时间和方位

等参数，这样动态测量称为导航

差分动态定位（动态相对定位）：用两台GPS接受机，将一台接受机安设在基准站上固定不

动，另一台接受机安顿在运动的载体上，两台接受机同步观测相似的卫星，通过在观测值之

间求差，以消除具有有关性日勺误差，提高定位精度。而运动点位置是通过确定该点相对基准

站的相对位置实现的。

LADGPS：在一种较大区域布设多种基准站以及构成基准站网，其中常包括一种或数个监控

站，位于该区域中的顾客根据多种基准站所提供的改正信息，经平差计算后球的顾客站定位

改正数，这种差分GPS定位系统称为具有多种基准站的局部区域差分GPS系统

WADGPS：在一种相称大的区域中相对较少的基准站构成差分GPS网，各基准站将求得距

离改正数发送给数据处理中心，由数据处理中心统一处理，将多种GPS观测误差源加以辨

别，然后再传递给顾客，这样一种系统称为广域差分GPS系统

同步观测：两台以及两台以上日勺GPS接受机在相似的时间段内同步持续跟踪相似日勺卫星组。

反复基线坐标闭合差：当某条基线被两个或多种时段观测时，就构成了所谓反复基线坐标闭

合差条件。（异步图形闭合条件和反复基线坐标闭合条件是衡量精度、检查粗差和系统差的

重要指标）

天轴与天极：地球自转的延伸直线为天轴，天轴与天球面的交点称为天极，交点Pn为北天

极，位于北极星附近，Ps为南天极。位于地球北半球的观测者，因地球遮挡不能看到南天

极。

大地水准面：如前所述，水准面有无穷多种，其中通过平沟海水面的水准面称为大地水准面。

由于大地水准面所包围的形体称为大地体。由于大地水准面是水准面之一，故大地水准面具

有水准面H勺所有特性。

单差：可在不一样卫星间、不一样历元间求差或者不一样观测站求取观测量之差，所得求差

成果当作虚拟观测值。

双差：对单差观测值继续求差，所得求差成果仍可以当作虚拟观测值。

三差：对双差观测值继续求差

网络RTK：多基准站RTK技术也称网络RTK技术，是一般RTK措施的改善。

坐标正反算公式

1、坐标正算

依据由已知点坐标、已知边长和坐标方位角计算未知点的坐标.

设A为已知点,B为未知点，当A点的坐标3.咒，边长S.和坐标方位角右，均为己知

时,则可求得B点的坐标以

XB=X/+△肛6

yB="+“/B

^XAB=SAB-COSaAB

^AB=SABsina”

/=X/+S/8.cosa/B

h=y/+S”sina/s

2,坐标反算

依据两个已知点的坐标反弹坐标方位角和边长.

设A.B为已知点，其坐标为x.4,和x8•y?则，

2坐标系统日勺转突

一般状况下，我们使用日勺是1954年北京坐标系或1980年西安坐标系，而

GPS测定日勺坐标是WGS-84坐标系坐标，需要进行坐标系转换。对于非测量专业

的工作人员来说，虽然GPS定位操作非常轻易，但坐标转换则难以掌握，EXCEL

是比较普及日勺电子表格软件，可以处理较复杂的数学运第，用它的公式编辑功能,

进行GPS坐标转换，会非常轻松自如。要进行坐标系转换，离不开高斯投影换算,

下面分别简介用EXCEL进行换算日勺措施和GPS坐标转换措施。

2.1用EXCEL进行高斯投影换算

从经纬度BL换算到高斯平面直角坐标XY（高斯投影正算），或从XY换算成

BL（高斯投影反算），一般需要专用计算机软件完毕，在目前流行日勺换算软件中，

大都需要一种点一种点地进行，不能成批量地完毕，给实际工作中带来了许多不

便。不过，通过试验发现，用EXCEL可以很直观、以便地完毕坐标换算工作，只

需要在EXCEL的对应单元格中输入对应的公式即可。下面以54坐标系为例，简

介详细H勺计算措施。

完毕经纬度BL到平面直角坐标XY的J换算。在EXCEL中，选择输入公式的起

始单元格，例如：第2行第1列(A2格)为起始单元格，各单元格区I格式如下：、

单元格；单元格内容；阐明

A2；输入中央子午线，以度.分秒形式输入，如115度30分则输入115.30；

起算数据L0

B2；

=INT(A2)+(INT(A2*100)-INT(A2)*100)/60+(A2*10000-INT(A2*100)*100)/3600

；把L0化成度

C2；以度小数形式输入纬度值，如38c14'20"则输入38.1420；起算数据

B

D2；以度小数形式输入经度值；起算数据L

E2；

=INT(C2)+(INT(C2*100)-INT(C2)*100)/60+(C2*10000-INT(C2*100)*100)/3600

;把B化成度

F2；

=INT(D2)+(INT(D2*100)-INT(D2)*100)/60+(D2*1OOOO-INT(D2*100)*100)/3600

;把L化成度

G2；=F2-B2；L-LO

112；=G2/57.3；化作弧度

12；=TAN(RADIANS(E2))；Tan(B)

J2；=COS(RADIANS(E2));COS(B)

K2；=0.*J2*J2

L2；=12*12

M2；=1+K2

N2；=6399698.9018/SQRT(M2)

02；=H2粗I2*J2*J2

P2；=I2*J2

Q2；=P2*P2

R2；=(32023.78006+Q2*(133.92133+Q2*0.7031))

S2；=6367558.49686*E2/57.-P2*J2*R2+(((；L2-58)*L2+61)*

02/30+(4*K2+5)*M2-L2)*02/12+1)*N2*12*02/2

计算成果X

T2；

=((((L2-18)*L2-(58*L2-14)*K2+5)*02/20+M2-L2)*02/6+1)*N2*(H2*J2)

计算成果Y

按上面表格中的公式输入到对应单元格后，就可以便地由经纬度求得平面直

角坐标。当输入完所有的经纬度后，用鼠标下拉即可得到所有的计算成果。表中

的许多单元格公式为中间过程，可以用EXCELH勺列隐藏功能把这些没有必要显示

时列隐藏起来，表面上形成原则的计算报表，使整个计算表简朴明了。从理论上

讲，可计算的数据量是无限的，当第一次输入公式后，相称于自己完毕了一软件

的编制，可另存起来供此后反复使用。

2.2GPS坐标转换措施

GPS所采用的坐标系是美国国防部1984世界坐标系，简称WGS-84,它是一

种协议地球参照系，坐标系原点在地球质心。GPSH勺测量成果与我国的54系或

80系坐标相差几十米至一百多米，随区域不一样，差异也不一样。由此可见，

必须将WGS-84坐标进行坐标系转换才能供标图使用。坐标系之间日勺转换一般采

用七参数法或三参数法，其中七参数为X平移、Y平移、Z平移、X旋转、Y旋转、

Z旋转以及尺度比参数，若忽视旋转参数和尺度比参数则为三参数措施，三参数

法为七参数法的特例。这里的X、Y、Z是空间大地直角坐标系坐标，原理是：不

把GPS所测定的WGS-84坐标当作WGS-84坐标，而是当作具有一定系统性误差欧I

54系坐标值，然后通过国家己知点纠正，消除该系统误差。下面以WGS-84坐标

转换成54系坐标为例，简介数据处理措施：

首先，在测区附近选择一国家已知点,在该已知点上用GPS测定WGPS-84

坐标系经纬度B和L,把此坐标视为有误差的54系坐标，运用54系EXCEL将经

纬度BL转换成平面直角坐标X'Y',然后与已知坐标比较则可计算出偏移量：

△X=X-X'

△△¥=¥-¥*

△式中的X、Y为国家控制点时已知坐标，X'、Y'为测定坐标，4X

和为偏移量。

△求得偏移量后，就可以用此偏移量红正测区内的其他测量点了，把

其他GPS测量点的经纬度测量值，转换成平面坐标X'Y',在此XY坐标

值上直接加上偏移值就得到了转换后的54系坐标：

△X=X'+AX

△Y=Y'+AY

△在上述EXCEL计算表口勺最终两列，附加上求得的改正数并分别与计

算出来MJXY相加后，即得到转换成果。就1：1万比例尺成图而言，在一

般的县行政区范围内（如40KmX40Kni）,用此简朴的坐标改正法进行转换

与较复杂的七参数法没有多大差异。能否满足1：1万比例尺变更调查的

规定，重要取决于GPS接受机自身的精度，与转换措施的选择关系不大。

当面积较大时，使用该措施也许会使误差增大，这时可考虑分区域转换。

△西安80坐标系与北京54坐标系其实是一种椭球参数H勺转换作为这

种转换在同一种椭球里的转换都是严密的，而在不一样的椭球之间的转换

是不严密，因此不存在一套转换参数可以全国通用的，在每个地方会不一

样样，由于它们是两个不一样日勺椭球基准。

△那么，两个椭球间的坐标转换，一般而言比较严密日勺是用七参数布

尔莎模型，即X平移，Y平移，Z平移，X旋转（WX）,Y旋

转（WY）,Z旋转（WZ）,尺度变化（DM）o规定得七参数就需要在一

种地区需要3个以上日勺已知点。假如区域范围不大，最远点间H勺距离

不不小于30K口（经验值），这可以用三参数，即X平移，Y平

移，Z平移，而将X旋转，Y旋转，Z旋转，尺度变化面

DM视为0。

△措施如下（MAPGIS平台中）:

△第一步：向地方测绘局（或其他地方）找本区域三个公共点坐标对

（即54坐标x,y,z和80坐标x,y,z）；

△第二步：将三个点的坐标对所有转换以弧度为单位。（菜单：投影转

换/输入单点投影转换，计算出这三个点的弧度值并记录下来）

△第三步：求公共点求操作系数（菜单：投影转换/坐标系转换），假

如求出转换系数后，记录下来。

第四步：编辑坐标转换系数。（菜单：投影转换/编辑坐标转换系数。）最

终进行投影变换，“目前投影”输入80坐标系参数，“目的投影”输入54

坐标系参数。进行转换时系统会自动调用曾编辑过的坐标转换系数。

△3结论

△在使用GPS测量中，外业日勺观测简本、、快捷，内业数据的计算可以

通过对应日勺软件直接得到WGS-84的坐标。为了将其转换为常用时BJ-54

或XA-80坐标，常常使测量人员比较棘手。本文论述了用EXCEL进行坐标

转换日勺措施，在小测区面积范围内可以直接使用，在大测区面积范围内分

区使用，给测量日勺计算带来了很大的以便。

3、GPS星座的基本参数

24颗卫星分布在六个等间隔日勺轨道上，轨道面相对赤道面的倾角为55度，每个轨道面上有

4颗卫星，卫星轨道为圆形，运行周期为11小时58分，

6、GPS系统包括三大部分：

空间部分一一GPS卫星星座；

地面控制部分一一地面监控系统：

顾客设备部分一一GPS信号接受机。

7、工作卫星的地面监控系统包括：

1个主控站、3个注入站和5个监测站。

9、岁差、章动

地球靠近于一种赤道隆起的椭球体，在日月和其他天体引力对地球隆起部分的作用卜，地球

在绕太阳运行时，自转轴方向不再保持不变，25823年绕黄极一周，从而使春分点在黄道上

产生缓慢西移，此现象在天文学上称为岁差。

在日月引力等原因的J影响下，瞬时北天极将绕瞬时平北天极产生旋转，轨迹大体为椭圆。

10、GPS常用坐标系

WGS-84大地坐标系、国家大地坐标系、地方独立坐标系、ITRF坐标框架

14、二体问题、卫星时受摄运动、瞬时轨道参数

忽视所有的摄动力，仅考虑地球质心引力研究卫星相对于地球的运动，在天体力学中，称之

为二体问题。

对于卫星精密定位来说，必须考虑地球引力场摄动力、F月摄动力、大气阻力、光压摄动力、

潮汐摄动力对卫星运动状态的影响。考虑了摄动力作用II勺卫星运动称为卫星的受摄运动。

受摄运动的轨道参数不再保持为常数，而是随时间变化II勺轨道参数。

瞬时轨道参数：

卫星在地球质心引力和多种摄动力总日勺影响卜两轨道参数称为瞬时轨道参数；卫星运动的真

实轨道称为卫星日勺摄动轨道或瞬时轨道。

瞬时轨道不是椭圆，轨道平面在空间日勺方向也不是固定不变的。

在人造地球卫星所受时摄动力中，地球引力场摄动力最大，约为1。-3量级，其他摄动力大

多不不小于或靠近于是10-6量级。这些摄动力引起卫星位置的变化，引起轨道参数的变化。

15、预报星历、星历、参照星历：

又叫广播星星历包括相对某一参照历元日勺开普勒轨道参数和必要H勺轨道摄动改正项参数。

卫星星历：是•组对应杲-时刻H勺轨道参数及具变率。

参照星历：对应参照历元的卫星开普勒轨道参数，是根据GPS监测站约1周的监测资料推

算的。

16、GPS顾客通过卫星广播星历时参数

共16个包括1个参照时刻6个对应参照时刻的开普勒轨道参数和9个反应摄动力影响口勺参

数。

17、后处理星历:是某些国家的某些部门根据各自建立的跟踪站所获得的精密观测资料，应

用与确定预报星历相似的措施，计算的卫星星历。

18、导航电文

导航电文：是包具有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动

改正、大气折射改正和由C/A码捕捉P码等导航信息H勺数据码（或D码）。

23、接受机的构成

接受机天线单元、接受机主机单元、电源

26、根据测距的原理，其定位原理与措施重要有：

伪距法定位

载波相位测量定位

差分技术

27、伪距测量

伪距法定位：由GPS接受机在某一时刻测出得到四颗以上GPS卫星日勺伪距以及已知的卫星

位置，采用距离交会的措施求定接受机天线所在点日勺三维坐标。

伪距：就是由卫星发射日勺测距码信号抵达GPS接受机的传播时间乘以光速所得出日勺量测距

离。由于卫星钟、接受机钟的误差以及无线电信号逋过电离层和对流层中汁勺延迟，实际测出

的距

30、整周未知数确实定：

1.伪距法2.将整周未知数当做平差中II勺待定参数一经典措施3.多普勒法（三差法）4.迅速确定

整周未知数法

31、周跳：

周跳:假如在跟踪卫星过程中，由于某种原因，如卫星信号被障碍物挡住而临时中断，或受

无线电信号干扰导致失锁，这样，计数器无法持续计数。因此，当信号重新被跟踪后，整周

计数就不对II勺，不过不到一种整周的相位观测值仍是对时的。周跳U勺出现和处理是载波相位

测量中的重要问题。

32、GPS绝对定位、相对定位

33、一次差：

将观测值直接相减的过程叫做求一次差。

34、二次差：

对■载波相位观测值H勺一次差分观测值继续求差，所得成果仍可以被当作虚拟观测值，叫

做载波相位观测值口勺二次差或双差。

35、三次差：

对二次差继续求差称为求三次差.所得成果叫作载波相位观测值的三次差或三差.

36、GPS定位中，存在着三部分误差：

40、RTK技术

载波相位差分技术又称RTK(RealTimeKinematic)技术，是实时处理两个测站载波相位观测

量的差分措施。

46、GPS动态定位重要措施

单点动态定位

它是用安设在一种运动载体上II勺GPS信号接受机，自主地测得该运动载体的实时位置，从

而描绘出该运动载体的运动轨迹。因此单点动态定位又叫绝对动态定位。例如，行驶的汽车

和火车，常用单点动态定位。

实时差分动态定位

它是用安设在一种运动载体上的GPS信号接受机，及安设在一种基准站上11勺另一台GPS接

受机，联合测得该运动载体11勺实时位置，从而描绘出该运动载体的运行轨迹，故差分动态定

位又称为相对动态定位。

飞机着陆和船舰进港

后处理差分动态定位

在运动载体和基准站之间，不必像实时差分动态定位那样建立实时数据传播，而是在定位观

测后来，对两台GPS接受机所采集的定位数据进行测后的联合处理，从而计算出接受机所

在运动载体在对应时间上的坐标位置。

51、多途径误差

在GPS测量中，假如测站周围的反射物所反射得卫星信号（反射波）进入接受机天线，

这就将和直接来自卫星B勺信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏离真值产生所谓的

“多途径效应

52、

53、与卫星有关的误差

卫星星历差、I1星钟误差、相对论效应

54、广播星历、实测星历：

是卫星电文中携带口勺重要信息。

实测星历：它是根据实测资料进行拟合处理而直接得出的星历。

55、处理星历误差的措施：

I）建立自己的卫星跟踪网独立定轨；

2）轨道松驰法；

3）同步观测值法.

56、卫星钟钟误差模型改正

1.卫星钟时钟差包括由钟差、频偏、频漂等产生的误差，也包括钟的随机误差。

2.经改正后，各卫星钟之间日勺同步差可保持在20ns以内，由此引起的等效距离偏差不

会超过6m,卫星钟差和经改正后口勺残存误差，则需采用在接受机间求一次差等措施

来深入消除它。

57、与接受机有关的误差

接受机钟误差、接受机位置误差、天线对•应中心位置误差、几何图形强度误差

58、接受机的位置误差与天线相位中心误差

接受机天线相位中心相对观测标石中心位置的误差，叫接受机位置误差。

观测时相位中心H勺瞬时位置（一般称相位中心）与理论上口勺相位中心将有所不一样，这种差

异叫天线相位中心的位置偏移。

59、GPS网技术设计的根据：

GPS测量规范（规程）和测量任务书

6（）、GPS网图形构成的几种基本概念

①观测时段：测站上开