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1、第二讲第二讲 GPS 测量技术应用和特点本单元教学重点和难点本单元教学重点和难点GPS 定位系统的优点和在经济建设中的作用。教学目标教学目标了解 GPS 定位系统的优点和在经济建设中的作用，激发学生学习本门课程的主动性和自觉性。一、一、GPS 测量技术应用GPS 性能优异，应用范围极广。可以说，在需要导航和定位的部门都可利用GPS。GPS 系统的建成和应用是导航定位技术的一场革命。1.GPS 测量技术的应用GPS 系统最初设计的主要目的是用于导航、收集情报等军事目的。但后来的应用开发表明，GPS 不仅可以达到上述目的，而且用 GPS 卫星信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对位置，米级至亚
2、米级精度的动态定位，亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微妙级精度的时间测量。具体地说，GPS 系统有以下方面的主要应用：1.1导航由于 GPS 系统能以较好精度实时定出接收机所在位置的三维坐标，实现实时导航，因而 GPS 系统可用于海船、舰艇、飞机、导弹、车辆等各种交通工具及运动载体的导航。在海湾战争中，美国等多国部队利用 GPS 接收机进行飞机、舰艇导航、弹道导弹制导以及各类军事服务（收集情报、绘制地图） 。因此，美国军方使用后的结论是：GPS 是作战武器效率倍增器，GPS 是赢得海湾战争胜利的重要技术条件之一。目前 GPS 导航型接收机的应用也非常普遍，可以为使用者实时提供三维位置、航向、航
3、迹、速度、里程、距离等导航信息，广泛地用于旅游、探险等行业。GPS 导航定位的新发展主要体现在以下三方面：GPS 手机的出现、基于 GPS 技术的车辆监控管理系统、基于 GPS 技术的智能车辆导航仪。手机功能的新趋势是将 GPS 纳入其中。一部“导航手机”在 GSM 9001800 的双频网络的覆盖下，借助可跨国接收的强力天线的感应以及 12 个渠道的接收信号，就可实时点出你的所在地，并显示出附近地势、地形、街道索引的道路蓝图，其稳定接收度直逼卫星电话。同时，因为 GPS 手机收讯人除了听到对方“救命”之声外，更可确切地显示待救者所在的位置，为那些爱征服恶劣环境的人多提供了一种崭新安全设备。特
4、大屏幕设计，除了方便察看地图，还可以方便浏览有关图表和详细列出的平均时速，所行路程的距离、时间、方位、路线及风速等数据资料。基于 GPS 技术的车辆监控管理系统。该系统将任何装有 GPS 接收机的移动目标的动态位置（经度、纬度、高度） 、时间、状态等信息，实时地通过无线通讯网链传至监控中心，在具有强大的地理信息处理、查询功能的电子地图上显示移动目标的运动轨迹，其准确位置、速度、运动方向、车辆状态等用户感兴趣的参数进行监控和查询，以确保车辆的安全，方便调度管理，提高运营效率。它还能及时地将车辆上人为产生的状态，如报警信息等送到监控中心，迅速给予帮助。基于 GPS 技术的智能车辆导航仪。它以电子地
5、图为监控平台，通过 GPS 接收机实时获得车辆的位置信息，并在电子地图上显示出车辆的运动轨迹。当接近路口、立交桥、隧道等特殊路段时可以进行语音提示。作为辅助导航仪，可按照规定的行进路线使司机无论在熟悉或不熟悉的地域都可迅速到达目的地，该装置还设有最佳行进路线选择及线路偏离报警等多项辅助功能。1.2授时随着社会的发展、生活节奏的加快，人类对时间的认识越来越深刻。准确、可靠的时间对社会和我们每个人都是十分重要的。目前各国都竟相研制各种授时和校时手段。授时方法有长、短波授时、GPS 时间信号、卫星授时、电话授时和计算机网络授时等。利用 GPS 可进行高精度的授时。因此，GPS 成为最为方便、最为精确
6、的授时方法之一。利用 GPS 技术可提供自动化中需要的精确同步时间，可做出精确的授时钟， GPS 授时钟综合精度可优于 0.5 s。电网调度自动化要求主站端与远方终端（RTU）的时间同步。目前，微机故障录波器均有机内标准时间环节。由于时间元件自身误差和不同型号的录波器时间元件差异，往往造成各故障录波器在发生故障时记录时间差异较大，给分析系统事故带来不便。GPS 技术可以获得高可靠性及高精度的秒脉冲（IPPS） ，通过串口输出时间能不断修正原来录波器时间元件，可使全系统故障录波器时间同步。1.3高精度、高效率的地面测量GPS 的出现给测绘领域带来了根本性的变革，具体表现：在大地测量方面，GPS
7、定位技术以其精度高、速度快、费用省、操作简便等优良特性被广泛应用于大地控制测量中。时至今日，可以说 GPS 定位技术已完全取代了用常规测角、测距手段建立的大地控制网。一般将应用 GPS 卫星定位技术建立的控制网叫 GPS 网。归纳起来大致可以将 GPS 网分为两大类：一类是全球或全国性的高精度 GPS 网，这类 GPS 网中相邻点的距离在数百公里至上万公里，其主要任务是作为全球高精度坐标框架或全国高精度坐标框架，为全球性地球动力学和空间科学方面的科学研究工作服务，或用以研究地区性的板块运动或地壳形变规律等问题。另一类是区域性的 GPS 网，包括 GPS 城市网、矿区网和工程网等，这类网中的相邻
8、点间的距离为几公里至几十公里，其主要任务是直接为国民经济建设服务。在工程测量领域，GPS 定位技术正在日益发挥其巨大作用。如，利用 GPS 可进行各级工程控制网的测量、GPS 用于精密工程测量和工程变形监测、利用 GPS 进行机载航空摄影测量、利用 RTK 技术进行点位的测设等。在灾害监测领域，GPS 可用于地震活跃区的地震监测、大坝监测、油田下沉、地表移动和沉降监测等，此外还可用来测定极移和地球板块的运动。1.4GPS 连续运行站网和综合服务系统的应用在全球地基 GPS 连续运行站的基础上组成的 IGS（International GPS Service） ，是GPS 连续运行站网和综合服务
9、系统的范例。它无偿向全球用户提供 GPS 各种信息，如 GPS精密星历、快速星历、预报星历、IGS 站坐标及其运动速率、IGS 站所接收的信号的相位和伪距数据、地球自转速率等。在大地测量和地球动力学方面支持了电离层、气象、参考框架、精密时间传递、高分辨率的推算地球自转速率及其变化、地壳运动等科学项目。日本己建成近 1200 个 GPS 连续运行站网的综合服务系统，在以监测地壳运动和预报地震为主要功能的基础上，目前结合气象和大气部门开展 GPS 大气学的服务。1.5GPS 在卫星测高、地球重力场中的应用重力探测技术的重要进展是开创了卫星重力探测时代，GPS 为卫星跟踪卫星和卫星重力梯度测量提供了
10、精确的卫星轨道信息和时间信息。包括观测卫星轨道摄动以确定低阶重力场模型，利用卫星海洋测高，直接确定海洋大地水准面以及 GPS 结合水准测量直接测定大陆大地水准面，可获得厘米级的大地水准面。这一重力探测技术的突破，提供了一种可全球覆盖重复采集重力场信息的高效率技术手段。 INSGPS 组合系统、 INS重力精化大地水准面是局部重力场逼近的长期目标，也是大地测量应用本身（特别是 GPS 技术的广泛应用）及研究活动构造带地壳运动和时变重力场效应的需要。目前，以 EGM 96（包括其他较好的地球重力场模型）作为参考模型，同时利用高精度、高分辨率 DTM、GPS 水准、卫星测高数据、地面重力数据及航空重
11、力数据，在数据覆盖较好的国家或地区以 106的相对精度和几千米的分辨率确定局部或区域大地水准面己成为现实。空基和星基 GPS 技术进入实用化阶段。 1.6GPS 在大气监测中的应用GPS 气象学（GPS/MET）的研究己成为热点之一。根据 GPS 接收机的位置，GPS 遥感大气水汽含量可分为地基和空基两种技术。地基 GPS 遥感技术能以较高的平面分辨率测定大气中可降水份，目前其精度可达到 l2mm。GPS 在遥感对流层方面，探测数据具有覆盖范围广（全球） 、高垂直分辨率、高精度和高长期稳定性的特点，可测定大气中的水汽含量，提高数值大气预报的准确性和可靠性。通过测定电离层对 GPS 信号的延迟来
12、确定单位体积内总自由电于含量（TE） ，以建立全球的电离层数字模型，即所谓提供“空间大气预报”。目前正在研究将这些星载的气象和电子浓度截面数值，结合地面 GPS 站数据，做成层析图像提供使用。它将在大气预报、空间大气预报、气象监测方面作出巨大贡献。空基 GPS用掩星法可提供电离层离子浓度和大气中可降水份的连续水平截面信息，结合地基 GPS 的垂直截面信息，可生成三维层析成像资料。2.GPS 系统的应用前景及在我国的应用概况利用 GPS 信号可以进行海、陆、空、地的导航，导弹制导，大地测量和工程测量的精密定位，时间传递和速度测量等。在测绘领域，GPS 定位技术已用于建立高精度的大地测量控制网，测
13、定地球动态参数；建立陆地及海洋大地测量基准，进行高精度海陆联测及海洋测绘；监控地球板块运动状态和地壳变形；在工程测量方面，已成为建立城市与工程控制网的主要手段；在精密工程的变形检测方面，它也发挥着极其重要的作用；同时 GPS 定位技术也用于测定航空航天摄影瞬间相机的位置，可在无地面控制或仅有少量地面控制点的情况下进行航测快速成图，引起了地理信息系统及全球环境遥感监测的技术革命。在日常生活方面是一个难以用数字预测的广阔领域，手表式的 GPS 接收机，将成为旅游者的忠实导游。GPS 将像移动电话、传真机、计算机互联网对我们生活的影响一样，人们的日常生活将离不开它。GPS、RS（Remote Sys
14、tem） 、GIS（Geographic Information System ）技术的集成，是 GPS 的一个重点应用方向。新中国成立后，我国的航天科技事业在自力更生、艰苦创业的征途上，逐步建立和发展，跻身于世界先进水平的行列。2005 年 10 月，成功地发射了“神舟六号”航天飞船，这表明我国已成为世界空间强国之一。从 1970 年 4 月把第一颗人造卫星送入轨道以来，我国已成功的发射了 30 多颗不同类型的人造卫星，为空间大地测量工作的开展创造了有利的条件。20 世纪 70 年代后期，有关单位在从事多年理论研究的同时，引进并研制成功了各种人造卫星观测仪器。其中有人卫摄影仪、卫星激光测距仪
15、和多普勒接收机。根据多年的观测实践，完成了全国天文大地网的整体平差，建立了 1980 年国家大地坐标系统。20 世纪 80 年代初，我国一些院校和科研单位已开始研究 GPS 技术。20 多年来，我国的测绘工作者在 GPS 定位基础理论研究和应用开发方面作了大量的工作。80 年代中期，我国引进 GPS 接收机，并用于各个领域，同时着手研究建立我国自己的卫星导航系统。在大地测量方面，利用 GPS 技术开展国际联测，建立全球性大地控制网，提供高精度的地心坐标，测定和精化大地水准面，组织多个部门（10 多个单位，30 多台 GPS 双频接收机）参加 1992 年全国 GPS 定位大会战。经过数据处理，
16、GPS 网点地心坐标优于 0.2m，点间位置精度优于 10-8。在我国建立了平均边长约 100km 的 GPS A 级网，提供了亚米级精度地心坐标基准。并在 A 级网的基础上，我国又布设了边长为 30100km、全国约 2500 个点的 B 级网。A、B 级 GPS 网点都联测了几何水准。A、B 两级 GPS 控制网为我国各部门的测绘工作和建立各级测量控制网，提供了高精度的平面和高程三维基准。1990 年 3、4月间，我国完成了南海群岛 5 个岛礁 8 个点位和陆地上 4 个大地测量控制点之间的 GPS 联测，初步建立陆地南海大地测量基准，使海岛与全国大地网联成一个整体。在工程测量方面，应用 GPS 静态相对定位技术，布设精密工程控制网，用于城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、隧道贯通测量等精密工程。加密测图控制点，应用 GPS 实时动态定位技术（简称 RTK）测绘各种比例尺地形图和施工放样。2005 年“珠峰高度”测量中，利用 GPS 技术参与测量，为精确测定珠峰高度提供了科技保障。我国的一些城市正在建立“GPS 台站网” ，这将
