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1、第 五 篇!#全 球 定 位 系 统 技 术在 测 绘 中 的 应 用第 一 章 概 述第 一 节!#全 球 定 位 系 统 概 述二 十 世 纪 五 十 年 代 末 ， 原 苏 联 发 射 了 人 类 的 第 一 颗 人 造 地 球 卫 星 ， 美 国 科 学 家 在 对其 的 跟 踪 研 究 中 ， 发 现 了 多 普 勒 频 移 现 象 ， 并 利 用 该 原 理 促 成 了 多 普 勒 卫 星 导 航 定 位 系统 $%&()$ 的 建 成 ， 在 军 事 和 民 用 方 面 取 得 了 极 大 的 成 功 ， 是 导 航 定 位 史 上 的 一 次 飞跃 ， 我 国 也 曾 引 进
2、了 多 台 多 普 勒 接 收 机 ， 应 用 于 海 岛 联 测 、 地 球 勘 探 等 领 域 。 但 由 于 多普 勒 卫 星 轨 道 高 度 低 、 信 号 载 波 频 率 低 ， 轨 道 精 度 难 以 提 高 ， 使 得 定 位 精 度 较 低 ， 难 以满 足 大 地 测 量 或 工 程 测 量 的 要 求 ， 更 不 可 能 用 于 天 文 地 球 动 力 学 研 究 。 为 了 提 高 卫 星 定位 的 精 度 ， 美 国 从 *+,- 年 开 始 筹 建 全 球 定 位 系 统 !#（ !./01. /(232/4245 #6(378） 。 在 进过 了 方 案 论 证 、
3、 系 统 试 验 阶 段 后 ， 于 *+9+ 年 开 始 发 射 正 式 工 作 卫 星 ， 并 于 *+: 年 全 部建 成 并 投 入 使 用 。 !# 系 统 的 空 间 部 分 由 ;* 颗 卫 星 组 成 ， 均 匀 分 布 在 度 ， 扁 心 率 约 为 =， 周 期 约 为 *; 小 时 ， 卫 星向 地 面 发 射 两 个 波 段 的 载 波 信 号 ， 载 波 信 号 频 率 分 别 为 *,?:; 兆 赫 兹 （ * 波 段 ） 和*;,? 个 监 控 站 组 成 ， 这 些 站 不 间 断 地 对 !# 卫星 进 行 观 测 ， 并 将 计 算 和 预 报 的 信 息
4、由 注 入 站 对 卫 星 信 息 更 新 。!# 系 统 的 用 户 是 非 常 隐 蔽 的 ， 它 是 一 种 单 程 系 统 ， 用 户 只 接 收 而 不 必 发 射 信 号 ，因 此 用 户 的 数 量 也 是 不 受 限 制 的 。 虽 然 !# 系 统 一 开 始 是 为 军 事 目 的 而 建 立 的 ， 但 很快 在 民 用 方 面 得 到 了 极 大 的 发 展 ， 各 类 !# 接 收 机 和 处 理 软 件 纷 纷 涌 现 出 来 。 目 前 在中 国 市 场 上 出 现 的 接 收 机 主 要 有 %C!&#F$%)、 )E)A&、 #、 $C% 。 能 对 两 个
5、频 率 进 行 观 测 的 接 收 机 称 为 双 频 接 收 机 ， 只 能 对 一 个 频 率 进 行 观 测 的接 收 机 成 为 卑 频 接 收 机 ， 他 们 在 精 度 和 价 格 上 均 有 较 大 区 别 。对 于 测 绘 界 的 用 户 而 言 ， !# 已 在 测 绘 领 域 引 起 了 革 命 性 的 变 化 ， 目 前 ， 范 围 上 数公 里 至 几 千 公 里 的 控 制 网 或 形 变 监 测 网 ， 精 度 上 从 百 米 至 毫 米 级 的 定 位 ， 一 般 都 将 !#作 为 首 选 手 段 ， 随 着 %$I 技 术 的 日 趋 成 熟 ， !# 已 开
6、 始 向 分 米 乃 至 厘 米 级 的 放 样 、 高+?D *E &GB? 0B?（ /01*&0%） (? *G（ ()*） ” 。 由 此可 见 ， /01*&0% 是 五 个 英 文 单 词 的 缩 写 ， 直 译 为 “ 用 卫 星 定 时 和 测 距 进 行 导 航 ” ， 而 不 宜 如 某 些 中 文 书 刊 那 样 译 作“ 导 航 星 ” 。 为 了 简 便 ， 我 们 采 用 的 全 称 为 “ ()* 卫 星 全 球 定 位 系 统 ” 。表 ! # $ %& 卫 星 星 座 和 子 午 卫 星 星 座 的 基 本 参 数名 称内 容()*+,( %&卫 星 数 （
7、颗 ） - $# . /轨 道 数 （ 个 ） - 高 度 （ 公 里 ） #00 $0$000运 行 周 期 （ 分 钟 ） #01 1$0载 波 频 率 （ 兆 赫 ） 200， #!0 #!1!， #$1图 ! # # 第 三 代 %& 卫 星图 ! # $ 子 午 卫 星 （ (345678） 星 座 （ 拟 于 #99- 年 #$ 月 停 止 使 用 ）$1!第 五 篇 %& 全 球 定 位 系 统 技 术 在 测 绘 中 的 应 用图 ! # $ %& 工 作 卫 星 星 座 （ 拟 于 #() 年 建 成 ）在 %& 系 统 设 计 之 初 ， 美 国 国 防 部 的 主 要 目
8、 的 是 使 %& 系 统 能 够 在 陆 海 空 三 个 领域 内 提 供 实 时 、 全 天 候 和 全 球 性 的 导 航 服 务 ， 并 用 于 情 报 收 集 、 核 爆 监 测 和 应 急 通 讯 等一 些 军 事 目 的 。 但 是 ， 对 %& 试 验 卫 星 的 应 用 开 发 表 明 ， 不 仅 %& 系 统 能 够 达 到 上 述目 的 ， 而 且 用 %& 卫 星 发 送 的 导 航 定 位 信 号 （ 简 称 为 %& 信 号 ） 能 够 进 行 厘 米 级 甚 至毫 米 级 精 度 的 静 态 定 位 ， 米 级 甚 至 亚 米 级 精 度 的 动 态 定 位 ，
9、亚 米 级 甚 至 厘 米 级 精 度 的 速度 测 量 和 毫 微 秒 级 精 度 的 时 间 测 量 。 因 此 ， %& 系 统 展 现 了 极 其 广 泛 的 应 用 前 景 。%& 系 统 的 广 泛 应 用 ， 不 仅 吸 引 着 一 些 不 同 行 业 科 学 家 们 的 热 心 研 究 和 开 发 ， 而 且激 起 了 %& 信 号 接 收 机 制 造 厂 商 们 的 激 烈 竞 争 。 对 于 世 界 各 国 的 广 大 用 户 而 言 ， 使 用%& 信 号 的 关 键 设 备 是 能 够 接 收 、 跟 踪 、 变 换 和 测 量 %& 信 号 的 接 收 机 ， 称 之
10、 为 %& 信号 接 收 机 。 它 已 成 为 一 些 电 子 仪 器 厂 家 竞 相 生 产 的 高 技 术 电 子 产 品 。 目 前 国 际 上 约 有!) 个 厂 家 生 产 着 #*$ 种 用 途 广 泛 的 %& 信 号 接 收 机 ， 我 国 机 械 电 子 工 业 部 第 $+ 研 究 所和 深 圳 华 达 电 子 有 限 公 司 也 研 制 成 功 了 几 种 型 号 的 导 航 接 收 机 ， 步 入 了 %& 信 号 接 收机 的 制 造 行 列 。 据 报 导 ， 在 #(# 年 初 春 的 海 湾 战 争 中 ， 以 美 国 为 首 的 多 国 部 队 购 买 了#
11、*+ 台 %& 信 号 接 收 机 用 于 陆 海 空 三 军 ： 其 中 !+ 台 手 持 式 ,-. 码 商 品 接 收 机 ， /+台 轻 小 型 接 收 机 （ 亦 叫 助 击 器 ） ， 0+ 台 军 用 接 收 机 。 他 们 使 用 后 的 结 论 是 ： %& 是 作战 武 器 的 效 率 倍 增 器 ， %& 是 赢 得 海 湾 战 争 胜 利 的 重 要 技 术 条 件 之 一 。 至 于 %& 信 号 接收 机 在 民 间 的 应 用 ， 则 是 一 个 难 以 用 数 字 预 测 的 广 阔 天 地 。 有 人 预 言 ， 手 表 式 的 %&信 号 接 收 机 ， 将
12、 成 为 旅 游 者 行 进 的 忠 实 导 游 。 由 此 可 想 而 知 ， %& 信 号 接 收 机 将 会 何 等广 泛 地 应 用 于 众 多 的 行 业 。早 在 #(/) 年 ) 月 ， 在 美 国 测 绘 学 会 第 0) 届 年 会 上 ， 加 拿 大 的 3456789:; 和?9 等 几 位 学 者 便 指 出 ， %& 系 统 的 问 世 ， 将 导 致 测 绘 行 业 一 场 深 刻 的 技 术 革 命 。此 后 ， 又 有 几 位 学 者 提 出 了 与 之 相 似 的 见 解 。 其 根 由 何 在 ？ 我 们 认 为 ， 可 概 括 为 下 述 几个 方 面 。
13、)*!第 一 章 概 述一 、 用 途 广 泛近 年 来 ， 对 !# 卫 星 的 应 用 开 发 表 明 ， 用 !# 信 号 可 以 进 行 海 空 导 航 、 车 辆 引 行 、导 弹 制 导 、 精 密 定 位 、 工 程 测 量 、 动 态 观 测 、 设 备 安 装 、 时 间 传 递 、 速 度 测 量 等 。 对 于测 绘 行 业 而 言 ， !# 卫 星 定 位 技 术 已 用 于 ：!测 量 全 球 性 的 地 球 动 态 参 数 和 全 国 性 的 大地 测 量 控 制 网 。 例 如 ， $%$ 年 $ 月 & 日 至 & 月 $ 日 开 展 的 “ 地 球 自 转 和
14、 地 球 动 力 学 国际 首 次 !# 试 验 ” ， 分 布 在 世 界 各 地 的 $&( 测 站 参 加 了 这 次 盛 况 空 前 的 全 球 性 地 球 动 态参 数 测 量 试 验 ， 取 得 了 令 人 兴 奋 的 试 验 成 果 。建 立 陆 地 海 洋 大 地 测 量 基 准 。 例 如 ，$%) 年 、 ( 月 间 ， 我 国 完 成 了 南 海 * 个 岛 礁 + 个 点 位 和 陆 地 上 ( 个 大 地 测 量 控 制 点 之间 的 !# 联 测 ， 初 步 建 立 了 陆 地 南 海 大 地 测 量 基 准 。 这 次 !# 测 量 的 站 间 距 离 远 达+)
15、+,+-.*$%/， 这 对 于 常 规 大 地 测 量 技 术 是 无 法 实 现 的 ， 只 有 依 靠 !# 卫 星 定 位 技 术才 能 进 行 远 达 千 余 公 里 的 海 岛 陆 地 联 测 定 位 ， 实 现 海 洋 国 土 的 精 确 划 界 。#监 测 现 代 板块 运 动 状 态 ， 捕 获 地 震 信 息 。$测 定 航 空 航 天 摄 影 瞬 间 的 相 机 位 置 ， 甚 至 航 片 、 卫 片 的姿 态 参 数 。 例 如 ， 我 国 用 012/345 067# 接 收 机 的 飞 行 试 验 表 明 ， 单 点 动 态 定 位 所 测 得 的摄 站 坐 标 优
16、 于 $)/。 !# 动 态 测 量 技 术 的 进 一 步 发 展 ， 将 会 导 致 无 需 地 面 大 地 测 量 控 制点 的 大 中 小 比 例 尺 航 测 快 速 成 图 技 术 的 兴 起 ， 将 会 导 致 地 理 信 息 系 统 、 全 球 环 境 遥 感 监测 和 自 然 灾 害 遥 感 实 时 监 测 的 技 术 革 命 。%进 行 工 程 建 筑 的 设 计 、 施 工 、 验 收 和 监 测 。例 如 ， 在 斯 坦 福 直 线 加 速 器 的 扩 建 工 程 中 ， 采 用 89:1;/5 $) !# 信 号 接 收 机 测量 了 % 个 工 程 控 制 点 ， 经 过 联 合 平 差 的 点 位
