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1、1建筑工程测量建筑工程测量 第第1515章章 GPSGPS测量原理与应用测量原理与应用第第15章章GPS测量原理与应用测量原理与应用学习目标学习目标:通过本章节的学习，了解通过本章节的学习，了解GPS定位技术的发展定位技术的发展概况和概况和GPS系统以外的一些其他定位系统；理解系统以外的一些其他定位系统；理解GPS测量与传统测量方法的区别、特点；测量与传统测量方法的区别、特点；GPS定位定位的误差来源、影响及相应的措施；的误差来源、影响及相应的措施；GPS控制网的布控制网的布设与技术设计。掌握设与技术设计。掌握GPS测量技术基本理论、定位测量技术基本理论、定位原理、定位方法；具备外业实施的相关
2、知识，熟练的原理、定位方法；具备外业实施的相关知识，熟练的运用运用RTK进行点位的测量与测设，具备进行点位的测量与测设，具备GPS外业工外业工作和内业数据处理的能力。作和内业数据处理的能力。2建筑工程测量建筑工程测量 第第1515章章 GPSGPS测量原理与应用测量原理与应用本章教学内容：本章教学内容：1.概述概述2.卫星运动及卫星信号卫星运动及卫星信号3.GPS的坐标系统及时间系统的坐标系统及时间系统4.GPS定位原理定位原理5.GPS测量的误差来源及其影响测量的误差来源及其影响6.GPS控制测量控制测量7.华测华测x系列系列GNSS接收机接收机RTK操作说明操作说明3建筑工程测量建筑工程测
3、量 第第1515章章 GPSGPS测量原理与应用测量原理与应用GPS全球定位系统（全球定位系统（GlobalPositionSystem），），它是继阿波罗登月计划、航天飞机后的美国第三大航它是继阿波罗登月计划、航天飞机后的美国第三大航天工程。该系统可向人类提供高精度的导航、定位、天工程。该系统可向人类提供高精度的导航、定位、授时服务。经过十几年我国测绘等部门的使用，授时服务。经过十几年我国测绘等部门的使用，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点赢得以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点赢得广大测绘工作者的信赖并成功地应用于大地测量、工广大测绘工作者的信赖并成功地应用于大地测量、
4、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。继美国继美国GPS后，先后有俄罗斯、欧州和我国也有后，先后有俄罗斯、欧州和我国也有GPS系统，下面对系统，下面对GPS系统及使用等作个介绍。系统及使用等作个介绍。15.1 概述概述1.早早期的定位技术期的定位技术2.卫卫星多普勒定位系统星多普勒定位系统3.全全球卫星定位系统球卫星定位系统内容建筑工程测量建筑工程测量
5、第第1515章章 GPSGPS测量原理与应用测量原理与应用5建筑工程测量建筑工程测量 第第1515章章 GPSGPS测量原理与应用测量原理与应用15.1概述概述1957年年10月苏联将世界上第一颗人造地球卫星成功发射，月苏联将世界上第一颗人造地球卫星成功发射，是人类致力于现代科学技术发展的结晶，它使空间科学技术的是人类致力于现代科学技术发展的结晶，它使空间科学技术的发展迅速跨入了一个崭新的时代。世界各国争相利用人造地球发展迅速跨入了一个崭新的时代。世界各国争相利用人造地球卫星为军事、经济和科学文化服务。卫星为军事、经济和科学文化服务。15.1.1早期的定位技术早期的定位技术卫星定位技术是指人类
6、利用人造地球卫星确定测站点位置卫星定位技术是指人类利用人造地球卫星确定测站点位置的技术。早期，人造地球卫星仅仅作为一种空间观测目标，由的技术。早期，人造地球卫星仅仅作为一种空间观测目标，由地面上的观测站对卫星的瞬间位置进行摄影测量，测定测站点地面上的观测站对卫星的瞬间位置进行摄影测量，测定测站点至卫星的方向，建立卫星三角网。同时也可以利用激光技术测至卫星的方向，建立卫星三角网。同时也可以利用激光技术测定观测站至卫星的距离，建立卫星测距三角网。这两种方法均定观测站至卫星的距离，建立卫星测距三角网。这两种方法均可实现地面点的定位。由于卫星三角测量受天气和可见条件影可实现地面点的定位。由于卫星三角测
7、量受天气和可见条件影响，观测和成果换算需要大量的时间，精度也不太理想，并且响，观测和成果换算需要大量的时间，精度也不太理想，并且得不到点位的地心坐标。因此，卫星三角测量技术很快被多普得不到点位的地心坐标。因此，卫星三角测量技术很快被多普勒技术取代。勒技术取代。6建筑工程测量建筑工程测量 第第1515章章 GPSGPS测量原理与应用测量原理与应用15.1.2卫星多普勒定位系统卫星多普勒定位系统1958年底，美国海军武器实验室就着手实施建立为美国军年底，美国海军武器实验室就着手实施建立为美国军用舰艇导航服务的卫星系统，即用舰艇导航服务的卫星系统，即“海军导航卫星系统海军导航卫星系统”，简称，简称N
8、NSS系统。该系统中卫星的轨道都通过地极，即卫星轨道面系统。该系统中卫星的轨道都通过地极，即卫星轨道面倾角为倾角为90。故也称。故也称“子午卫星系统子午卫星系统”。1964年该系统建成，年该系统建成，并开始在美国军方启用，并开始在美国军方启用，1967年美国政府批准该系统解密，并年美国政府批准该系统解密，并提供民用。提供民用。20世纪世纪70年代中期，我国开始引进卫星多普勒接收年代中期，我国开始引进卫星多普勒接收机进行西沙群岛的联测。但由于子午仪卫星高度较低，地面覆机进行西沙群岛的联测。但由于子午仪卫星高度较低，地面覆盖面积较小，卫星数目不够多，故平均间隔约盖面积较小，卫星数目不够多，故平均间
9、隔约15小时才能进小时才能进行一次定位，并且只能断续地提供二维导航，其导航精度对有行一次定位，并且只能断续地提供二维导航，其导航精度对有些用户而言还不够高。为满足军事及民用部门对连续实时三维些用户而言还不够高。为满足军事及民用部门对连续实时三维导航和定位的需要，第二代卫星导航系统导航和定位的需要，第二代卫星导航系统GPS应运而生。子应运而生。子午卫星导航系统也于午卫星导航系统也于1996年年12月月31日停止发射信号。日停止发射信号。7建筑工程测量建筑工程测量 第第1515章章 GPSGPS测量原理与应用测量原理与应用15.1.3全球卫星定位系统全球卫星定位系统全球定位系统是美国从上世纪全球定
10、位系统是美国从上世纪70年代开始研制，历时年代开始研制，历时20年，年，耗资近耗资近300亿美元，于亿美元，于1994年全面建成的利用导航卫星进行测年全面建成的利用导航卫星进行测时和测距，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位时和测距，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统能力的新一代卫星导航与定位系统(NavigationSatelliteTimingAndRanging/GlobalPositioningSystem)简称简称GPS系统。系统。GPS实施计划共经历了三个阶段：实施计划共经历了三个阶段：第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从第一阶段为方
11、案论证和初步设计阶段。从1973年到年到1979年，共发射了年，共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。第二阶段为全面研制和试验阶段。从第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到年到1984年，又陆续发射了年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过定位精度远远超过设计标准。设计标准。第三阶段为实用组网阶段。第三阶段为实用组网阶段。1989年年2月月4日第一颗日第一颗GPS工作卫星发射成工作卫星发射成功，表明功，表明GPS系统进入工程建设阶段。系统
12、进入工程建设阶段。1993年底实用的年底实用的GPS网即网即（21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。到目前为星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。到目前为止卫星数量超过止卫星数量超过32颗。颗。8建筑工程测量建筑工程测量 第第1515章章 GPSGPS测量原理与应用测量原理与应用15.1.3.1GPS系统的组成系统的组成GPS由三大子系统构成：空间卫星系统、地面监控系统、由三大子系统构成：空间卫星系统、地面监控系统、用户接收系统。用户接收系统。1空间卫星系统空间卫星系统9建筑工程测量建筑工程测量 第第1515章章 GPSGPS测量原理与应用测量原理与应用如图如图15
13、.1.1所示为所示为GPS卫星主体，图卫星主体，图15.1.2所示所示为为GPS卫星星座，空间卫星系统由均匀分布在卫星星座，空间卫星系统由均匀分布在6个轨个轨道平面上的道平面上的24颗高轨道工作卫星（颗高轨道工作卫星（21颗工作卫星颗工作卫星+3颗备用卫星）构成颗备用卫星）构成，各轨道平面相对于赤道平面的倾，各轨道平面相对于赤道平面的倾角为角为55，轨道平面间距，轨道平面间距60。在每一椭圆轨道平面内，。在每一椭圆轨道平面内，各卫星升交角距差各卫星升交角距差90，任一轨道上的卫星比西边相，任一轨道上的卫星比西边相邻轨道上的相应卫星超前邻轨道上的相应卫星超前30。卫星距离地球表面平均高度为卫星距
14、离地球表面平均高度为20200km,运行速度为运行速度为3800m/s，运行周期为，运行周期为11h58min,每颗卫星覆盖地球表面约每颗卫星覆盖地球表面约38%的面积，卫星的分布保证在地球任何地方、任何时刻同时的面积，卫星的分布保证在地球任何地方、任何时刻同时能观测到能观测到4颗卫星颗卫星。目前，全世界的民用客户均可不受限制地免。目前，全世界的民用客户均可不受限制地免费使用。费使用。10建筑工程测量建筑工程测量 第第1515章章 GPSGPS测量原理与应用测量原理与应用2地面监控系统地面监控系统地面监控系统由均匀分布在美国本土和三大洋的美军基地地面监控系统由均匀分布在美国本土和三大洋的美军基
15、地上的五个监测站、一个主控站和三个注入站构成，如上的五个监测站、一个主控站和三个注入站构成，如15.1.3所示所示GPS地面监控系统分布。该系统的功能是：对空间卫星系统进地面监控系统分布。该系统的功能是：对空间卫星系统进行监测、控制，并向每颗卫星注入更新的导航电文。行监测、控制，并向每颗卫星注入更新的导航电文。（1）监测站）监测站用用GPS接收系统测量每颗卫星的伪距和距离差，采集气象数据，接收系统测量每颗卫星的伪距和距离差，采集气象数据，并将观测数据传送给主控点。五个监控站均为无人守值的数据并将观测数据传送给主控点。五个监控站均为无人守值的数据采集中心。采集中心。（2）主控站）主控站主控站接收
16、各监测站的主控站接收各监测站的GPS卫星观测数据、卫星工作状态数卫星观测数据、卫星工作状态数据、各监测站和注入站自身的工作状态数据。根据上述各类数据、各监测站和注入站自身的工作状态数据。根据上述各类数据，完成以下几项工作：据，完成以下几项工作：1）及时编算每颗卫星的导航电文并传送给注入站。）及时编算每颗卫星的导航电文并传送给注入站。11建筑工程测量建筑工程测量 第第1515章章 GPSGPS测量原理与应用测量原理与应用2）控制和协调监测站间、注入站间的工作，检验注入卫星的导航电文是否）控制和协调监测站间、注入站间的工作，检验注入卫星的导航电文是否正确以及卫星是否将导航电文发给了正确以及卫星是否将导航电文发给了GPS用户系统。用户系统。3）诊断卫星状态，改变偏离轨道的卫星位置及姿态，调整备用卫星取代失）诊断卫星状态，改变偏离轨道的卫星位置及姿态，调整备用卫星取代失效卫星。效卫星。（3）注入站）注入站接受主控站送达的各卫星导航电文并将其注入飞越其上空的每颗卫星。接受主控站送达的各卫星导航电文并将其注入飞越其上空的每颗卫星。12建筑工程测量建筑工程测量 第第1515章章 GPSGPS测量原理
