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1、第二章 GPS测量基础第二章 GPS测量基础2.1 GPS测量使用的数据2.1.1 GPS信号GPS 卫星发射两种频率的载波信号即频率为1575.42MHz 的L1 载波和频率为1227.60HMz的L2 载波。它们的频率分别是基本频率10.23MHz 的154 倍和120 倍。它们的波长分别为19.03cm 和24.42cm。在L1 和L2 上又分别调制着多种信号，这些信号主要有：1 C/A 码C/A 码又被称为粗捕获码，它被调制在L1 载波上，是1MHz 的伪随机噪声码(PRN码)，其码长为1023 位，周期为1ms。 由于每颗卫星的C/A 码都不一样，因此我们经常用它们的PRN 号来区分
2、它们。C/A 码是普通用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号。2 P 码（Y 码）P 码又被称为精码。它被调制在L1 和L2 载波上，是10.23MHz 的伪随机噪声码，在实际应用中，P码采用7天的周期，即截取一段周期为7天的P码，并规定每星期六午夜零点使P码置全“1”状态作为起始点。在实施AS 时P 码与W 码进行模二相加生成保密的Y 码，此时一般用户无法利用P 码来进行导航定位。3 导航信息（或称D码）导航信息被调制在L1 载波上，其信号频率为50Hz，包含有GPS 卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻GPS 卫星在地球轨道上的位
3、置。导航信息也被称为广播星历。综上所述，GPS卫星所发播的信号，包括调制在L载波上的C/A码、P码（或Y码）和导航信息（或称D码）等多种信号分量。而其中的P码和C/A码，统称为测距码。载波具有L1(1575.42MHz)、L2(1227.60MHz)两个频段，调制方式为900调相。GPS系统还将增加L5频段以及L2频段上的C/A码，这里就不作介绍。目前的GPS信号结构大致如图2-1所示：图2-1 GPS卫星发送的信号上述这些信号能被用户接收机全部接收或部分接收，并将其输出，供GPS后处理软件进一步处理。2.1.2 SPS 和PPSGPS 系统针对不同用户提供两种不同类型的服务，一种是标准定位服
4、务(SPSStandard Positioning Service)，另一种是精密定位服务(PPSPrecision Positioning Service)。这两种不同类型的服务分别由两种不同的子系统提供，标准定位服务由标准定位子系统(SPSStandard Positioning System)提供，精密定位服务则由精密定位子系统(PPSPrecision Positioning System)提供。因此，SPS 主要面向全世界的民用用户，而PPS 则主要面向美国及其盟国的军事部门以及民用的特许用户。2.1.3 GPS定位的常用观测值在GPS 定位中经常采用下列观测值中的一种或几种进行数据
5、处理，以确定出待定点的坐标或待定点之间的基线向量：1) L1 载波相位观测值2) L2 载波相位观测值（半波或全波）；3) 调制在L1 上的C/A 码伪距；4) 调制在L1 上的P 码伪距；5) 调制在L2 上的P 码伪距。实际上，在进行GPS 定位时除了大量地使用上面的观测值进行数据处理以外，还经常使用由上面的观测值通过某些组合而形成的一些特殊观测值，如宽巷观测值（Wide-Lane）、窄巷观测值（Narrow-Lane）、消除电离层延迟的观测值（Ion-Free）、消除几何因数的观测值（Geometry-Free）等来进行数据处理。2.1.4 GPS定位的星历数据和历书数据卫星星历是描述有
6、关卫星运行轨道的信息，并且只包括当前卫星的精确位置，可用来定位。利用GPS进行导航和定位，就是根据已知的卫星轨道信息和用户观测资料，通过数据处理来确定接收机的位置及其载体的航行速度。所以，精确的轨道信息是精密导航和定位的基础。卫星星历的提供方式一般有两种：预报星历（广播星历）和后处理星历（精密星历）。目前，一般的GPS接收机都能对广播星历解码，并将其存储在存储器中。而精密星历通常可以从Internet网上下载，在本课题中编写的软件能处理SP3精密星历格式，SP3精密星历可以从IGS(International GPS Service)的网址igscb.jpl.nasa.gov上下载。卫星的历书
7、同样描述有关卫星运行轨道的信息，只是其精度较低，并包括全部卫星的信息，可用于卫星预报。接收机需收集完12.5分钟的导航电文才能获得一组完整的历书。同样，用户也可从网上下载历书数据进行卫星预报。2.2 GPS的时间系统2.2.1时间系统在GPS卫星定位中，时间系统有着重要的意义。作为观测目标的GPS卫星以每秒几公里的速度运动。对观测者而言卫星的位置（方向、距离、高度）和速度都在不断地迅速变化。因此，在卫星测量中，例如在由跟踪站对卫星进行定轨时，每给出卫星位置的同时，必须给出对应的瞬间时刻。当要求GPS卫星位置的误差小于cm时，相应的时刻误差应小于2.6s。以如在卫星定位测量中，GPS接收机接收并
8、处理GPS卫星发射的信号，测定接收机至卫星之间的信号传播时间，再乘以光速换算距离，进而确定测站的位置。因此，要准确的测定观测站至卫星的距离，必须精确的测定误差应小于0.03ns。所以，任何一个观测量都有必须给定取得该观测量的时刻。为了保证观测量的精度，对观测时刻要有一定的精度要求。时间系统与坐标系统一样，应有其尺度（时间单位）与原点（历元）。只有把尺度与原点结合起来，才能给出时刻的概念。理论上，任何一个周期运动，只要它的运动是连续的，其周期是恒定的，并且是可观测和用实验复现的，都可以作为时间尺度（单位）。实际上，我们所能得到的（或实用的）时间尺度能在一定的精度上满足这一理论要求。随着观测技术的
9、发展和更加稳定的周期运动的发现而不断接近这一理论要求。实践中，由于所选用的周期运动现象不同，便产生了不同的时间系统，比如恒星时（ST）、平太阳时（MT）、世界时（UT）、原子时（ATI）、协调世界时（UTC）等。2.2.2 GPS的时间系统GPS系统是测时测距系统。时间在GPS测量中是一个基本的观测量。卫星的信号，卫星的运动，卫星的坐标都与时间密切相关。对时间的要求既要稳定又要连续。为此，GPS系统中卫星钟和接收机钟均采用稳定而连续的GPS时间系统。该系统由GPS主控站的原子钟控制。GPS时间系统采用原子时ATI秒长作为时间基准，但时间起算的原点定义在1980年1月6日UTC 0时。启动后不跳
10、秒，保持时间的连续。以后随着时间的积累，GPS时与UTC时的整秒差以及秒以下的差异通过时间服务部门定期公布（至1995年相差达10秒）。卫星播发的卫星钟差也是相对GPS时间系统的钟差，在利用GPS直接进行时间校对时应注意到这一问题。GPS时与ATI时在任一瞬间均有一常量偏差：TATI TGPS = 19（秒）GPS时间系统与各种时间系统的关系图2-2所示。图2-2 时间系统2.2.3 GPS时的表达在GPS系统中，GPS时以星期数和星期秒数相结合来表示，星期数为自1980年1月6日起开始计算的星期的序数，秒数是指相对于每周星期天零时的时间，即式中 至1980年1月6日起的累计秒数； GPS的星
11、期数； GPS秒。但应注意的是在GPS卫星中，星期数是以10位二进制来表示的，故其表达范围为01023，秒的表达范围为0604800（不包括604800）。由于星期数表达位数的有限，使得星期计数在1999年8月22日又回到了0，从而软件很容易将这一天理解成1980年1月6日，这就是所谓的Week Rollover问题，比如一组GPS数据以GPS星期和GPS秒的方式表示GPS时间，其GPS星期为80，这时，数据处理软件可能将其理解为1981年，也可将其理解为2001年，这样，如果软件得不到别的辅助数据，则将可能判断错误。综上所述，如果简单地认为北京时间比GPS时间提前8个小时，是极其不严格的。2
12、.3 GPS的坐标系统一个完整的坐标系统是由坐标系和基准两方面要素所构成的。坐标系指的是描述空间位置的表达形式，而基准指的是为描述空间位置而定义的一系列点、线、面。在大地测量中的基准，一般是指为确定点在空间中的位置，而采用的地球椭球或参考椭球的几何参数和物理参数，及其在空间的定位，定向方式以及在描述空间位置时所采用的单位长度的定义。2.3.1 坐标系的分类正如前面所提及的,所谓坐标系指的是描述空间位置的表达形式,即采用什么方法来表示空间位置。人们为了描述空间位置，采用了多种方法，从而也产生了不同的坐标系，如直角坐标系、极坐标系等。在测量中常用的坐标系有以下几种：一、空间直角坐标系空间直角坐标系
13、的坐标系原点位于参考椭球的中心，Z 轴指向参考椭球的北极，X 轴指向起始子午面与赤道的交点，Y 轴位于赤道面上且按右手系与X 轴呈90夹角。某点在空间中的坐标可用该点在此坐标系的各个坐标轴上的投影来表示。空间直角坐标系可用图2-3来表示：图2-3 空间直角坐标系二、空间大地坐标系空间大地坐标系是采用大地经、纬度和大地高来描述空间位置的。纬度是空间的点与参考椭球面的法线与赤道面的夹角；经度是空间中的点与参考椭球的自转轴所在的面与参考椭球的起始子午面的夹角；大地高是空间点沿参考椭球的法线方向到参考椭球面的距离。空间大地坐标系可用图2-4来表示：图2-4空间大地坐标系三、平面直角坐标系平面直角坐标系
14、是利用投影变换，将空间坐标空间直角坐标或空间大地坐标通过某种数学变换映射到平面上，这种变换又称为投影变换。投影变换的方法有很多，如横轴墨卡托投影、UTM 投影、兰勃特投影等。在我国采用的是高斯-克吕格投影也称为高斯投影。UTM投影和高斯投影都是横轴墨卡托投影的特例，只是投影的个别参数不同而已。高斯投影是一种横轴、椭圆柱面、等角投影。从几何意义上讲，是一种横轴椭圆柱正切投影。如图左侧所示，设想有一个椭圆柱面横套在椭球外面，并与某一子午线相切（此子午线称为中央子午线或轴子午线），椭球轴的中心轴CC通过椭球中心而与地轴垂直。高斯投影满足以下两个条件：1、 它是正形投影；2、 中央子午线投影后应为x轴
15、，且长度保持不变。将中央子午线东西各一定经差（一般为6度或3度）范围内的地区投影到椭圆柱面上，再将此柱面沿某一棱线展开，便构成了高斯平面直角坐标系，如下图右侧所示。图2-5 高斯投影x方向指北，y方向指东。可见，高斯投影存在长度变形，为使其在测图和用图时影响很小，应相隔一定的地区，另立中央子午线，采取分带投影的办法。我国国家测量规定采用六度带和三度带两种分带方法。六度带和三度带与中央子午线存在如下关系：； 其中，N、n分别为6度带和3度带的带号。另外，为了避免y出现负号，规定y值认为地加上500000m；又为了区别不同投影带，前面还要冠以带号，如第20号六度带中，y=-200.25m，则成果表中写为y假定20499799.75m。x值在北半球总显正值，就无需改变其观测值了。四、地心大地坐标系与地球参心坐标系应当说明的是，GPS定位使用的是地心大地坐标系，而经典的大地定位采用的是地球参心坐标系。地心大地坐标系与地球参心坐标系的主要区别在于：地心大地坐标系的椭球中心与地球质心重合，椭球的短轴与地球自转轴重合，大地纬度B为过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角，大地经度L为过地面点的椭球子午面与格林尼治平大地子午面之间的夹角，大地高H为地面点沿椭球法线至椭球面的距离。而对于地球参心坐标系，在经典大地测量中，为了处理观测成果和传算地面控制网的坐标，通常需选取一参考椭球面为基准参考
