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1、现代测绘技术目 录1 GPS31.1 什么是GPS？31.2 GPS系统包含哪些组成部分？41.3 在GPS之前还有哪些卫星导航定位系统？61.4 目前世界上除了GPS之外还有哪些导航定位系统？我国有自主研发的卫星导航定位系统吗？61.5 GPS定位的基本原理71.6 影响GPS定位精度的因素有哪些？81.7 GPS现代化是什么？91.8 GPS定位方法有哪些？101.9 什么是RTK？101.10 什么是CORS？101.11 GPS有哪些应用？111、GPS在军事中的应用112、GPS在交通运输业中的应用133、GPS在测量领域中的应用144、GPS在地球动力学中的应用145、GPS在精细
2、农业和林业中的应用156、GPS在移动通信中的应用167、GPS气象学172 摄影测量与遥感技术182.1 摄影测量技术的起源182.2 什么是摄影测量192.3 摄影测量的发展222.4 摄影测量学242.5 摄影测量与遥感技术的结合253 地理信息系统303.1 什么是GIS？303.2 GIS的发展历程303.3 GIS与其它学科的关系313.4 什么是“3S”技术及其相互关系323.5 GIS的组成333.6 GIS主要功能343.7 空间分析举例36一、缓冲区分析36二、叠加分析39三、网络分析393.8 GIS的新技术42一、网络GIS(Web GIS)43二、组件式GIS(COM
3、-GIS)44三、虚拟现实GIS(VR GIS)45四、时态GIS45五、互操作GIS45六、数字地球463.9 GIS技术与中学地理教学473.10 主要的GIS公司和软件503.11 主要的GIS论坛和网站521 GPS1.1 什么是GPS？GPS是全球导航定位系统（Global Positioning System）的英文缩写，其全称是“卫星测时测距导航/全球定位系统”（NAVigation System with Timing And Ranging/Global Positioning System, NAVSTAR/GPS）。它是美国的中高轨道导航卫星系统，包含卫星网、地面控制站网
4、和用户设备三个部分。GPS是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性（陆地、海洋、航空和航天）、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能。能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。它的特点是：（1）精度高、速度快；（2）被动接收，隐蔽性好；（3）用户的数量不受限制；（4）具有统一的坐标和时间标准；（5）提供全天候、全球范围的定位和授时服务。由于具有这么多优点，因此GPS具有非常广泛的用途，我们将在后面详细介绍GPS在各个领域的用途，不过这些用途归根结底就是利用GPS提供“位置、速度和时间”。GPS被认为是人类二十世纪在空间技术领域最伟大的发明之一。1.2 GPS系统包含哪些
5、组成部分？图： GPS系统组成部分示意图一个完整的GPS系统包括三个组成部分：空间部分、地面控制部分和用户部分。空间部分（Space Segment）GPS的空间部分是由GPS工作卫星所组成，这些GPS工作卫星共同组成了GPS卫星星座。每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号（星历）。GPS用户正是利用这些信号来进行工作的。最初设计的GPS卫星星座共包括24颗卫星，其中21颗为可用于导航的卫星，3颗为活动的备用卫星。这24颗卫星分布在6个倾角为55、高度约为20200公里的轨道上绕地球运行。通常，在地球上任何一个地方如果没有遮挡都能够同时接收到6颗以上卫星的信号。为了提高GPS定位的精度，在
6、GPS卫星星座建成后美国又相继发射了一些卫星，截止到2008年3月，GPS卫星星座一共有31颗卫星。图：GPS卫星星座动画控制部分（Control Segment）GPS的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构成，根据其作用的不同，这些跟踪站又分为主控站、监控站和注入站。主控站有一个，位于美国克罗拉多（Colorado）的法尔孔（Falcon）空军基地，它的作用是根据各监控站对GPS的观测数据计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作；另外，主控
7、站也具有监控站的功能。监控站有五个，除了主控站外，其它四个分别位于夏威夷（Hawaii）、阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（Diego Garcia）、卡瓦加兰（Kwajalein）。监控站的作用是接收卫星信号、监测卫星的工作状态。注入站有三个，它们分别位于阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（Diego Garcia）、卡瓦加兰（Kwajalein），注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。图：GPS地面控制部分示意图用户部分（User Segment）GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机气象仪器等所组成。它
8、的作用是接收GPS卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。图：GPS用户部分示意图1.3 在GPS之前还有哪些卫星导航定位系统？在GPS之前的一个卫星导航定位系统是子午卫星系统，它是第一代卫星导航定位系统，由美国的海军研制、开发、管理，又称为海军导航卫星系统（NNSS-Navy Navigation Satellite System），由于该系统采用多普勒方法进行导航和定位，所以又称为多普勒卫星定位系统。子午卫星导航系统于1964年1月正式建成并投入军方使用，直至1967年7月该系统才由军方解密供民间使用。子午卫星系统的星座一般由6颗卫星组成。这个系统的缺点主要是：（1）一次定位所需
9、时间过长，无法满足高速用户的需要；（2）卫星出现时间间隔过长，无法满足连续导航的需要；（3）子午卫星导航系统的定位精度偏低，这是该系统的致命缺陷。由于上述种种原因，纵使子午卫星导航系统刚服役不久，就迫使美国国防部不得不着手研究第二代卫星导航系统全球定位系统（GPS）。1.4 目前世界上除了GPS之外还有哪些导航定位系统？我国有自主研发的卫星导航定位系统吗？目前世界上除了GPS外，还有俄罗斯的“全球导航卫星系统”、欧洲的“伽利略卫星导航定位系统”，我国现在也具有自行研制的北斗卫星导航定位系统。全球导航卫星系统（GLObal NAvigation Satellite System，GLONASS）
10、是前苏联研制、组建的第二代卫星导航定位系统，现在由俄罗斯负责管理和维持。该系统和GPS的工作原理基本相似，可以为用户提高连续的、精确的三维坐标、三维速度和时间信息。前苏联从1976年开始研制GLONASS，1982年10月12日发射了第一颗GLONASS卫星，至1995年12月14日止，先后共发射了73颗GLONASS卫星，最终建成了由24颗工作卫星组成的卫星星座。这24颗卫星均匀分布在三个轨道面上。GLONASS虽然已于1996年初组网成功并正式投入使用，但是由于卫星的平均寿命过短，一般仅有23年，加上俄罗斯经济状况欠佳，没有足够的资金来及时补发新卫星，一度只有7颗在轨卫星能正常工作。目前，
11、GLONASS系统的境况有所改善，截止到2008年三月，在轨能正常工作的GLONASS卫星共有16颗，不过仍然无法提供全球全天候的服务。伽利略定位系统（Galileo Positioning System），是欧盟正在建造中的一个卫星定位系统，是继GPS和GLONASS系统外，第三个可供民用的定位系统，也是世界上第一个基于民用的全球卫星导航定位系统。伽利略系统的整个卫星星座将由30颗卫星组成（27颗工作卫星和3颗在轨备用卫星），均匀的分布在三个卫星轨道面上。中国也参与了伽利略系统的部分研制工作。北斗卫星导航定位系统（又称Compass Navigation System）是中国独立开发的卫星导
12、航定位系统。目前的北斗一代系统包括四颗卫星，属于试验系统，是一种区域性的有源导航定位系统，只覆盖中国部分地区。与GPS、GLONASS、Galileo不同，北斗一代系统靠双星定位，只能确定用户的平面位置，海拔高程则依靠中心站内的地面高程模型来确定，因此，用户自己并不能独立求得自己的三维坐标，计算工作必须在地面中心站完成。目前，我国正在开发北斗二代系统。这个系统包括35颗卫星，将是一个真正的全球卫星导航定位系统。1.5 GPS定位的基本原理为了测定某一点P（称为测站）的位置（X,Y,Z），GPS需要获得某一时刻P点所能观测到的GPS卫星的位置，以及卫星到点P的距离（如下图所示）。通常对于用户来讲
13、，卫星位置（称为星历）是已知的，这样，如果获取了三颗以上卫星到P点的距离就可以计算出P点的位置参数（X,Y,Z）。不过，由于测站P采用的GPS接收机的时钟一般具有较大的误差，我们也把测站GPS接收机的时钟误差（简称钟差）作为一个参数来计算，因此要测定一个点的位置通常至少需要观测四颗卫星到测站的距离。这就是GPS单点定位的基本思想。图：GPS定位示意图1.6 影响GPS定位精度的因素有哪些？影响GPS定位精度的因素可以分为三类：与卫星有关的误差、与信号传播有关的误差、与接收机有关的误差。图：GPS误差源示意图与卫星有关的误差（1）卫星星历误差卫星星历误差是指卫星星历给出的卫星空间位置与卫星实际位
14、置间的偏差。由于卫星空间位置是由地面监控系统根据卫星测轨结果计算求得的,所以又称为卫星轨道误差。（2）卫星钟差卫星钟差是指GPS卫星的时钟与GPS标准时间的差别。虽然GPS卫星均采用高精度的原子钟，但它们与GPS标准时之间仍不可避免的存在误差。（3）相对论效应的影响相对论效应是指由于卫星钟和接收机所处的状态(运动速度和重力位) 不同引起的两台钟之间产生相对钟误差的现象。与传播途径有关的误差（1） 电离层延迟在电离层中,气体分子受到太阳等天体各种射线辐射产生强烈电离,形成大量的自由电子和正离子。当GPS信号通过电离层时,与其他电磁波一样,信号的路径要发生弯曲,传播速度也会发生变化,从而使测量的距
15、离发生偏差,这种误差称为电离层延迟误差。（2） 对流层延迟对流层是高度在50km 以下的大气层,其大气密度比电离层更大,大气状态也更复杂。对流层与地面接触并从地面得到辐射热能,其温度随高度的增加而降低。GPS 信号通过对流层时,也使传播的路径发生弯曲,从而使测量距离产生偏差,这种误差称为对流层延迟误差。（3）多路径误差经某些物体表面反射后到达接收机的信号如果和直接来自卫星的信号叠加干扰后进入接收机，就将使测量值产生系统误差，这就是所谓的多路径误差。多路径误差取决于测站周围的环境、接收机的性能以及观测时间的长短。与接收机有关的误差（1）接收机钟差与卫星钟一样，接收机钟也有误差，而且由于接收机钟大多采用石英钟，因而其误差相对于卫星钟更为显著。前面已经介绍了，我们通常将GPS接收机的钟差作为一个未知参数来计算。（2）接收机天线的相位中心位置误差在GPS定位中，观测值都是以接收机的相位中心位置（可
