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1、第六章 GPS测量简介,第一节 概述 第二节 GPS系统的组成 第三节 GPS轨道的大地参考坐标系 第四节 GPS定位的原理及主要特点 第五节 GPS-RTK测量 第六节 GPS测量的作业模式 第七节 GPS误差源及其对定位精度的影响,第一节 概述,一、GPS系统的发展 全球定位系统（Global Positioning System，GPS），是美国国防部于1973 年 12 月正式批准陆、海、空三军共同研制的第二代卫星导航定位系统。该系统可提供一天22小时全球定位服务，能为用户提供高精度的信息。全球定位系统（GPS）的建成是导航与定位史上的一项重大成就。它是美国继“阿波罗”登月飞船、航天飞
2、机后的第三大航天工程。 起初的 GPS 方案是由 22 颗卫星组成，这些卫星分布在互成 120的 3 个轨道平面上，每个轨道平面分布 8 颗。这样的卫星布局可保证在地球任何位置都能同时观测到 6 9 颗卫星。为识别不同的卫星信号并提高系统的抗干扰能力和保密能力，采用了直接序列扩频技术，整个系统相当于一个码分多址系统（CDMA）。,下一页,返回,第一节 概述,为了补偿电离层效应的影响，采用了双频调制。1978 年，由于美国政府压缩国防预算，减少了对 GPS 研发的拨款。GPS 联合办公室就将初始方案修改为第二方案，即卫星数由 22 颗减少到 18 颗，18 颗卫星分布在互成 60的 6 个轨道平
3、面上，每个轨道平面分布 3 颗卫星，这样的配置基本能够保证在地球上任何位置均能同时观测到至少生颗卫星。但随后的实验发现这样的卫星配置其可靠性不高。另外，由于在海湾战争中，GPS 在美国军方发挥了巨大的作用，因此，在 1990 年对第二方案重新进行了修改，最终方案由 21 颗工作卫星和 3 颗备用卫星组成整个系统，6 个轨道平面的每个平面上分布生颗卫星，这样的配置使同时出现在地平线以上的卫星数目随时间和地点而异，最少为 2 颗，最多可达 11 颗。,上一页,下一页,返回,第一节 概述,GPS 计划的实施分为三个阶段：第一阶段为方案论证和初步设计阶段（1973 1978年），发射了 2 颗卫星，建
4、立了地面跟踪网并研制了地面接收机；第二阶段为全面研制和实验阶段（1979 1982年），发射了 7 颗 Blockll 实验卫星，研制了各种用途的接收机，包括导航型和测地型接收机;第三阶段为实用组网阶段（1985 1992年），发射了 Blockll 和 BlockllA 工作卫星 BlockllA 卫星增强了军事应用功能.并扩大了数据存储容量。到 1992 年 3 月 9 日整个 GPS 星座配备完成.历时20年.耗资近 300 亿美元，最终建成了由 22 颗卫星组成的GPS 系统。 GPS 系统自产生以来得到了迅速发展，并以其优越性能特点，引起了各国军事部门和民用部门的普遍关注。近十多年来
5、，GPS 技术的高度自动化及其所能达到的精度，使其在大地测量、工程测量和车辆、船舶及飞机的导航等方面，得到了广泛的应用。,上一页,下一页,返回,第一节 概述,二、GPS种类和功用 1.种类 GPS 卫星接收机种类很多，根据型号分为测地型、全站型、定时型、手持型、集成型；根据用途分为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式。 2.全球定位系统的主要用途 （1）陆地应用。主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制等。,上一页,下一页,返回,第一节 概述,（2）海洋应用。包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、
6、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等。 （3）航空航天应用。包括飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。 三、GPS 在道路工程中的应用 GPS 在道路工程中的应用，目前主要是用于建立各种道路工程控制网及测定航测外控点等。随着高等级公路的迅速发展，对勘测技术提出了更高的要求，由于线路长，已知点少，因此，用常规测量手段不仅布网困难，而且难以满足高精度的要求。,上一页,下一页,返回,第一节 概述,目前，国内已逐步采用 GPS 技术建立线路首级高精度控制网.然后用常规方法布设导线加密。实践证明，在几十公里范围内的点位误差只有 2 厘米左右，达到了
7、常规方法难以实现的精度，同时也大大提前了工期。同时，GPS 技术也同样应用于特大桥梁的控制测量中。由于无需通视，可构成较强的网形，提高点位精度，同时对检测常规测量的支点也非常有效。此外，GPS 技术在隧道测量中也具有广泛的应用前景，GPS 测量无需通视，减少了常规方法的中间环节，因此，速度快、精度高，具有明显的经济和社会效益。 四、GPS 技术在公路测量中的应用前景 随着我国国民经济的快速增长和西部大开发的实施，我国的高等级公路建设迎来前所未有的发展机遇，这就对勘测设计提出更高的要求。,上一页,下一页,返回,第一节 概述,随着公路设计行业软件技术和硬件设备的发展，公路设计已实现CAD 化，有些
8、软件本身还要求提供地面数字化测绘产品的支持；建立勘测、设计、施工、后期管理一体化的数据链，减少数据转抄、输入等中间环节，是公路勘测设计“内外业一体化”的要求，也是影响高等级公路设计技术发展的“瓶颈”所在。目前公路勘测中虽已采用电子全站仪等先进仪器设备，但常规测量方法受横向通视和作业条件的限制，作业强度大，且效率低，大大延长了设计周期。勘测技术的进步在于设备引进和技术改造，在目前的技术条件下引入GPS 技术应是首选。 五、其他卫星定位系统 1.欧盟“伽利略”（GALILEO） 1999年，欧洲提出计划，准备发射 30 颗卫星，组成“伽利略”卫星定位系统。2009 年该计划正式启动。,上一页,下一
9、页,返回,第一节 概述,2.俄罗斯“格洛纳斯”（GLONASS） 尚未部署完毕，始于20世纪70年代，需要至少18颗卫星才能确保覆盖俄罗斯全境；如要提供全球定位服务，则需要22颗卫星。 3.中国“北斗”卫星导航系统 BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System, CLASS 中国“北斗”卫星导航系统是我国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统。北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成.空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星;地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站;用户端由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯GLONAS
10、S、欧洲GALILEO等其他卫星导航系统兼容的终端组成。我国正在实施北斗卫星导航系统建设.已成功发射四颗北斗导航卫星。,上一页,下一页,返回,第一节 概述,根据系统建设总体规划，2012年左右，系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力；2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。,上一页,返回,第二节 GPS系统的组成,GPS 系统主要包括有三大组成部分，即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分，如图6-1所示。三者有各自独立的功能和作用，但又是有机的配合而缺一不可的整体系统。 一、空间星座部分 如图6-2所示，空间星座部分由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成
11、，记作（21 + 3）GPS 星座。每颗卫星重 772 kg（包括 310 kg 燃料），直径 1.5 m，设计寿命为 7.5 年，卫星内安装有生台高精度原子钟（2 台铆钟和 2 台艳钟）、微电脑、电子存储器的信号接收/发送设备、两侧设有两块 7 m2 的双叶太阳能翼板（能自动对日定向，以保证卫星正常工作用电）以及其他设备。,下一页,返回,第二节 GPS系统的组成,这些卫星采用先进的扩频技术（Spread spectrum），将 GPS 卫星信号 22 小时不停地发射给用户，覆盖全球表面。 GPS 卫星信号是 GPS 卫星向用户发送的用于导航定位的调制波，它是由载波、测距码和导航电文三部分组成
12、。 1.载波 可运载调制信号的高频振荡波称为载波。GPS 卫星所用的载波有两个，由于它们均位于微波的 L 波段，故分别称为 L1 载波和 L2 载波。其中 L1 载波是由卫星上的原子钟所产生的基准频率 f0（f0 = 10.23 MHz）倍频 154 倍后形成的，即 f1 = 154 f0 = 1575. 42 MHz，其波长 1 为 19.03 cm，L2 载波是由基准频率 f2 倍频 120 倍后形成的，即 f2 = 120 f0 = 1227. 60 MHz，其波长 2 为 24. 42 cm。,上一页,下一页,返回,第二节 GPS系统的组成,采用两个不同频率载波的主要目的是为了较完善地
13、消除电离层延迟。采用高频率载波的目的是为了更精确地测定多普勒频移和载波相位（对应的距离值），从而提高测速和定位精度，减少信号的电离层延迟，因为电离层延迟与信号频率的平方成反比。 在无线电通信中，为了更好地传送信息，往往将这些信息调制在高频的载波上，然后再将这些调制波播发出去，而不是直接发射这些信息。在一般通信中，当调制波到达用户接收机解调出有用信息后，载波的作用便告完成。但在 GPS 系统中情况有所不同，载波除了能更好地传送测距码和导航电文这些信息外，在载波相位测量中，它又被当作一种测距信号来使用。其测距精度比伪距测量的精度高 2 3 个数量级。因此，载波相位测量在高精度定位中得到了广泛的应用
14、。,上一页,下一页,返回,第二节 GPS系统的组成,2.测距码 测距码是用于测定从卫星至地面接收机间距离的二进制码。GPS 卫星所用的测距码从性质上讲属于伪随机噪声码。它们看似一组杂乱无章的随机噪声码，其实是按一定规律编排起来的、可以复制的周期性的二进制序列，且具有类似于随机噪声码的自相关性。根据性质和用途的不同，测距码分为粗码（C/A 码）和精码（P 码或 Y 码）两类，各卫星所用的测距码互不相同且相互正交。 3.导航电文格式 导航电文是由 GPS 卫星向用户播发的一组反映卫星在空间的位置、工作状态卫星钟的修正参数、电离层延迟修正参数等重要数据的二进制代码，也称数据码（D 码）。,上一页,下
15、一页,返回,第二节 GPS系统的组成,24 颗卫星均匀分布在 6 个轨道平面内.轨道平面相对于赤道平面的倾角为 55，各个轨道平面之间交角为 60。每个轨道平面内的各卫星之间的交角为 90，任一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前 30。在 20183 km 高空的 GPS 卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行两周，即绕地球一周的时间为 12 个恒星时。这样，对于地面观测者来说.每天将提前生分钟见到同一颗 GPS 卫星。每颗卫星每天约有 5 个小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数量随着时间和地点的不同而不同，最少可见到 2 颗，最多可见到 11 颗。在用 GP
16、S 信号导航定位时，为了计算观测站的三维坐标，必须观测生颗 GPS 卫星，称为定位星座。这生颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。,上一页,下一页,返回,第二节 GPS系统的组成,对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标.这种时间段叫做“间隙段”。但这种时间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时的导航定位测量。 空间卫星的主要功能有: （1）接收和存储由地面监控站发来的导航信号，接收并执行监控站的控制指令； （2）卫星上设有微处理机，可进行必要的数据处理； （3）通过星载的高精度原子钟产生基准信号，提供精确的时间标准； （4）向用户连续不断地发送导航定位信号； （5）接收地面主控站通过注人站送给卫星的调度指令。,上一页,下一页,返回,第二节 GPS系统的组成,二、地面监控部分 GPS 工作卫星的地面监控系统目前主要由分布在全球的 1 个主控站、3 个信息注入站和 5 个监测站组成，是整个系统的中枢，由美国国防部管理。主控站设在美国的科罗拉多斯平士（Colorude Spings）的联合空
