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1、第七章 GPS技术及应用7-1 概述概述7-2 GPS系统组成系统组成7-3 GPS定位原理定位原理7-4 GPS定位误差定位误差7-5 GPS测量的实施测量的实施7-1 概述概述 GPS是“授时与测距导航系统/全球定位系统”（NAVSTAR/GPSNavigation System Timing and Ranging/Global Positioning System）的英文简称。 1994年GPS系统基本建成，成为全球共享的空间信息资源，是空间信息系统的一个重要组成部分。从1973年至今，美国政府还在不断的研究和更新GPS的软硬件设备，累计耗资超过200亿美元。GPS的基本特点的基本特点
2、全球范围内连续覆盖全球范围内连续覆盖全球范围内连续覆盖全球范围内连续覆盖。由于。由于GPSGPS卫星的数目较多，其空间分布和运卫星的数目较多，其空间分布和运行周期经精心设计，可使地球上（包括水面和空中）任何地点行周期经精心设计，可使地球上（包括水面和空中）任何地点在任何时候都能观测到至少在任何时候都能观测到至少4 4颗卫星（这是颗卫星（这是GPSGPS定位系统获得定位系统获得解的必要条件）。从而可以保证全球范围的全天候连续三维定解的必要条件）。从而可以保证全球范围的全天候连续三维定位。位。实现实时定位实现实时定位实现实时定位实现实时定位。GPSGPS定位系统可以实时确定运动载体的三维坐标和定位
3、系统可以实时确定运动载体的三维坐标和速度矢量。从而可以实时地监视和修正载体的运动方向，避开速度矢量。从而可以实时地监视和修正载体的运动方向，避开各种不利环境选择最佳航线。这是许多导航定位技术难以企及各种不利环境选择最佳航线。这是许多导航定位技术难以企及的。的。定位精度高定位精度高定位精度高定位精度高。利用利用GPSGPS系统可以获得动态目标的高精度的坐标、速系统可以获得动态目标的高精度的坐标、速度和时间信息，在较大空间尺度上对静态目标可以获得度和时间信息，在较大空间尺度上对静态目标可以获得1010-6-61010-7-7的相对定位精度。随着技术水平的提高，定位精度还将进的相对定位精度。随着技术
4、水平的提高，定位精度还将进一步提高。一步提高。静态定位观测效率高静态定位观测效率高静态定位观测效率高静态定位观测效率高。根据精度要求不同，根据精度要求不同，GPSGPS静态观测时间从数静态观测时间从数分钟到数十天不等，从数据采集到数据处理基本上都是自动完分钟到数十天不等，从数据采集到数据处理基本上都是自动完成。而使用传统的测绘技术达到相同的精度则比较困难，而且成。而使用传统的测绘技术达到相同的精度则比较困难，而且往往需要几倍乃至十几倍的观测时间并耗费大量人力物力。往往需要几倍乃至十几倍的观测时间并耗费大量人力物力。GPS的应用的应用 GPS以其全天候、高精度、 自动化、高效益等显著特点成功地应
5、用于测绘领域、资源勘察、环境保护、农林牧渔、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、地球动力学等多种学科。 现在的几种现在的几种GPS系统系统1、美国的GPS系统2、俄罗斯的GLONASS系统3、欧盟的Galileo卫星导航系统4、中国的北斗导航定位系统7-2 GPS系统组成系统组成 GPS系统由空间系统、地面监控系统和用户系统三个部分组成。 一、空间系统GPS系统的星座部分主要由24颗（213）卫星构成，其中21颗为工作卫星，另外3颗为备用卫星。这24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，每个轨道面包含4颗卫星。轨道面相对赤道面倾角为55度，轨道的升交点赤经各相差60度。 卫星轨道为椭圆形
6、，平均高度约20200km，运行周期大约11小时58分。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而有所不同，最少可见到4颗， 最多时可见到11颗。GPS卫星的主要功能是：n n接收并存储发自地面监控站的导航信息。n n利用星载高精度原子钟提供精密时间标准。n n通过卫星上的微处理机进行某些必要的数据处理。向用户播发定位数据信息。n n在地面监控站的指令下调整飞行姿态或启用备用卫星。 二、地面监控系统二、地面监控系统GPS的地面监控部分主要由分布全球的6个地面站构成，其中包括卫星监测站、主控站、备用主控站和信息注入站。分别位于科罗拉多（Colorado）、盖茨堡（Gaithersburg）、
7、夏威夷（Hawaii）、南大西洋的阿森松群岛（Ascencion）、印度洋的迭哥伽西亚（Diego Garcia）和南太平洋的卡瓦加兰（Kwajalein）。 1 1、 主控站主控站主控站主控站 它是整个GPS系统的“中枢神经” ，其主要作用包括：n n根据本站和其他监测站的所有观测数据，推算各卫星的星历、卫星钟差、大气改正等参数，并把这些数据传送到注入站。n n提供全球定位系统的时间基准。校准各监测站和GPS卫星的原子钟，所得误差编入导航电文再送到注入站。n n甄别偏离轨道的GPS卫星，发出指令使其沿预定轨道运行。n n判断卫星工作状态，启用备用卫星代替失效的卫星。 2、监控站 是主控站控制
8、下的数据自动采集中心。其主要作用是对GPS卫星数据和当地的环境数据进行采集、存储并传送给主控站。站内配备有GPS双频接收机、高精度原子钟、计算机和若干环境参数传感器。接收机用来采集GPS卫星数据、监测卫星工作状况。原子钟提供时间标准。环境参数传感器则收集当地有关的气象数据。所有数据经计算机初步处理后存储并传送给主控站，再由主控站做进一步的数据处理 。3、注入站 注入站的主要设备包括一个大型天线、一台C波段发射机和计算机。它的主要作用就是将主控站推算的卫星星历、导航电文、钟差和其它控制指令，以一定的格式注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的准确性。三、用户系统三、用户系统用户系统包括GPS接
9、收机和数据处理软件。 GPS接收机，它是一种特制的无线电接收机。其主要作用是接收导航卫星发出的信号，对卫星信号进行处理后依据所得数据确定接收机所在的地理位置。根据不同性质的用户和所需的功能，需要配置不同种类的GPS接收机。其性能结构、形状尺寸、和价格也大相径庭。例如：航海和航空用的导航型接收机，要具有与存储卡或其它媒介相互通讯的功能，因为其中存有电子导航图等资料；测地用的接收机就要求具有很高的精度，并能快速采集和存储数据；军用的接收机，要附加解码模块，如果用于地面部队则要求较高的机动性。GPS接收机种类虽然很多，但它的硬件结构基本一致。分为天线单元和接收单元两部分。图图中表示一个简化的接收机结
10、构示意图。 天线单元由接收天线和前置放大器组成，其主要作用是接收卫星信号。接收单元包括有：信号通道、存储、计算与显示控制及电源等部件。其主要功能是接收来自天线的信号，经过变频、放大、滤波等一系列处理，实现对GPS信号的跟踪、锁定、解调，分离出导航信息。根据收到的卫星星历、伪距观测数据以及载波观测量，计算出三维坐标和时间。接收单元的显示控制等部件可以完成人机对话、输入各种指令、控制屏幕显示等操作。 7-3 GPS定位原理定位原理 GPS的定位方式： 如果按照接收机运动状态的不同来分类，可分为动态定位和静态定位。前者是指在定位过程中，接收机处于运动状态；后者在定位过程中，接收机处于静止状态。接收机
11、的静止状态往往是相对的，通常只要接收机相对于周围点位不发生位移，或者在观测过程中位移速度小到可以忽略，就被认为是处于静止状态。 如果按照参考点的不同可以分为绝对定位和相对定位。前者又称为单点定位，即直接确定测站在协议地球坐标系中的位置，可以认为是以地心为参考点；后者不直接确定测站在CTS中的位置，而是确定测站与某一地面参考点的相对位置。7-4 GPS定位误差定位误差GPS测量的误差来源有：一、轨道误差n n轨道误差一般是指根据广播星历或者后处理星历求得的轨道误差一般是指根据广播星历或者后处理星历求得的卫星轨道与真实轨道之间的不符值。使用卫星轨道与真实轨道之间的不符值。使用GPSGPS广播星历广
12、播星历推算卫星轨道，其相应位置的误差约推算卫星轨道，其相应位置的误差约202030m30m。如果。如果采用采用IGSIGS提供的精密星历（后处理星历），其相应位置提供的精密星历（后处理星历），其相应位置的误差将优于的误差将优于1m1m。但精密星历一般说来难以实时获得，。但精密星历一般说来难以实时获得，也就是说不能进行实时动态定位。实时地精确确定卫星也就是说不能进行实时动态定位。实时地精确确定卫星轨道参数，目前还比较困难。这主要是因为，地面测站轨道参数，目前还比较困难。这主要是因为，地面测站难以充分可靠地测定卫星所受到的各种摄动力，并掌握难以充分可靠地测定卫星所受到的各种摄动力，并掌握它们的规律
13、。而广播星历中的轨道参数，一般是依据它们的规律。而广播星历中的轨道参数，一般是依据GPSGPS监测站采集的伪距观测数据外推得到。随着摄动力监测站采集的伪距观测数据外推得到。随着摄动力模型和定轨技术的优化完善，卫星的实时位置精度可望模型和定轨技术的优化完善，卫星的实时位置精度可望达到达到5 510m10m。n n在进行单点实时定位时，由于多余观测较少，一般简单在进行单点实时定位时，由于多余观测较少，一般简单忽略轨道误差；在进行相对定位或静态定位时，多余观忽略轨道误差；在进行相对定位或静态定位时，多余观测较多，可采用轨道改进法或同步观测值求差等方法削测较多，可采用轨道改进法或同步观测值求差等方法削
14、弱轨道误差。弱轨道误差。二、卫星钟差 GPS的定位精度很大程度上要取决于测时的精度，无论是GPS伪距定位还是载波相位测量，均要求卫星钟与接收机钟严格同步。尽管卫星上使用高精度的原子钟，但它与理想的GPS时间依然存在偏差，称为卫星钟差。 三、接收机钟差n n与卫星钟不同，接收机使用石英晶体振荡器作为频标，其频率稳定性远不及原子振荡器，如果实施类似（545）的模型改正，则精度难以保证，或者不具有普适性。所以一般都把每个观测瞬间的接收机钟差作为独立未知数，列入观测方程中与测站坐标向量一并求解。如果定位精度要求较高，可外接高精度频标（如某些IGS卫星跟踪站的接收机就使用外接原子钟作为时间标准）。四、电
15、离层误差 GPSGPS卫星信号的其它电磁波信号一样，当其通过电离卫星信号的其它电磁波信号一样，当其通过电离层时，将受到这一介质弥散特性的影响，便其信号的传层时，将受到这一介质弥散特性的影响，便其信号的传播路径发生变化。当播路径发生变化。当GPSGPS卫星处于天顶方向时，电离层卫星处于天顶方向时，电离层折射对信号传播路径的影响最小，而当卫星接近地平线折射对信号传播路径的影响最小，而当卫星接近地平线时，则影响最大。时，则影响最大。为了减弱电离层的影响，在为了减弱电离层的影响，在GPSGPS定位中通常采用下面措定位中通常采用下面措施施(1)(1)利用双频观测利用双频观测由于电离层的影响是信号频率的函
16、数，所以利用不由于电离层的影响是信号频率的函数，所以利用不同频率的电磁波信号进行观测。便能多确定其影响，而同频率的电磁波信号进行观测。便能多确定其影响，而对观测量加以修正。因此，具有双频的对观测量加以修正。因此，具有双频的GPSGPS接收机，在接收机，在精密定位中测量中得到广泛的应用。不过应当明确指出，精密定位中测量中得到广泛的应用。不过应当明确指出，在太阳辐射的正午或在太阳黑子活动的异常期，应尽量在太阳辐射的正午或在太阳黑子活动的异常期，应尽量避免观测。在尤其是精密定位测量。避免观测。在尤其是精密定位测量。四、电离层误差(2)(2)利用电离层模型加以修正利用电离层模型加以修正对于单频对于单频
17、GPSGPS接收机，为了减弱电记屋的影响，一接收机，为了减弱电记屋的影响，一般是采用导航电文提供的电离层模型，或其它适合的电般是采用导航电文提供的电离层模型，或其它适合的电离层模型对观测量加以修正，但是这种模型至今仍在完离层模型对观测量加以修正，但是这种模型至今仍在完善之中，目前模型改正的有效率约为善之中，目前模型改正的有效率约为7575。(3)(3)利用同步观测值求差利用同步观测值求差这一方法是利用两台或多台接收机，对同一卫星的这一方法是利用两台或多台接收机，对同一卫星的同步观测的求差，以减弱电离层折射的影响，尤其当观同步观测的求差，以减弱电离层折射的影响，尤其当观测站间的距离较近时（测站间
18、的距离较近时（20km)20km)，由于卫星信号到达各，由于卫星信号到达各观测站的路径相近，所经过的介质状况相似，因此通过观测站的路径相近，所经过的介质状况相似，因此通过各观测站对相同卫星信号的同步观测值求差，便可显著各观测站对相同卫星信号的同步观测值求差，便可显著的减弱电离层折射影响，其残差将不会超过的减弱电离层折射影响，其残差将不会超过0.0000010.000001。对于单频对于单频GPSGPS接收机而言，这种方法的重要意义尤为明接收机而言，这种方法的重要意义尤为明显。显。五、对流层效应对流层折射对观测值的影响主要表现在其折射作用造成信号传播的时延。关于对流层折射的影响，一般有以下几种处
19、理方法：(1)定位精度要求不高时，可不考虑其影响。(2)采用对流层模型进行改正；(3)采用观测量求差的方法。与电离层的影响相类似，当观测站间相距不远(20km)时，由于信号通过对流层的路径相近，对流层的物理特性相近，所以对同一卫星的同步观测值求差，可以明显的减弱对流层折射的影响。 六、多路径误差 多路径效应亦称多路径误差，是指接收机天线除直接收到卫星发射的信号外，还可能收到经天线周围地物一次或多次反射的卫星信号，信号叠加将会引起测量参考点（相位中心点)位置的变化，从而便观测量产生误差，而且这种误差随天线周围反射面的性质而异，难以控制。根据实验资料表明，在一般反射环境下，多路径效应对测码伪距的影
20、响可达到米级，对测相伪距的影响可达到厘米级。而在高反射环境下，不仅其影响将显著增大，而且常常导致接收的卫星信号失锁和使载波相位观测量产生周跳。因此，在精密GPS导航和测量中，多路径效应的影响是不可忽视的。六、多路径误差目前减弱多路径效应影响的措施有：(1)安置接收机天线的环境，应避开较强的反射面，如水面=平坦光滑的地面以及平整的建筑物表面等。（2）选择造型适宜且屏蔽良好的天线等。（3）适当延长观测时间，削弱多路径效应的周期性影响。(4)改善GPS接收机的电路设计，减弱多路径效应的影响。 七、周跳 在观测过程中，由于卫星信号失锁而发生的周跳现象。从卫星信号失锁到信号重新锁定，对载波相位非整周的小
21、数部分并无影响，仍和失锁前保持一致，但整周数却发生中断而不再连续，所以周跳对观测的影响与整周未知数的影响相似，在精密定位的数据处理中，整周未知数和周跳都是关键性的问题。 八、天线的相位中心位置偏差在在GPSGPS定位中，观测值是以接收机天线相位中心位定位中，观测值是以接收机天线相位中心位置为准的，因而天线的相位中心与其几何中心理论上保置为准的，因而天线的相位中心与其几何中心理论上保持一致。可是，实际上天线的相位中心位置随着信号输持一致。可是，实际上天线的相位中心位置随着信号输入的强度和方向不同而有所变化，即观测时相位中心的入的强度和方向不同而有所变化，即观测时相位中心的瞬时位置（称为视相位中心
22、）与理论上的本单位中心位瞬时位置（称为视相位中心）与理论上的本单位中心位置将有所不同，天线相位中心的偏差对相对定位结果的置将有所不同，天线相位中心的偏差对相对定位结果的影响，根据天线性能的优劣，可达数毫米至数厘米。所影响，根据天线性能的优劣，可达数毫米至数厘米。所以对于精密相对定位，这种影响是不容忽视的。以对于精密相对定位，这种影响是不容忽视的。在实际工作中，如果使用同一类型的天线，在相距在实际工作中，如果使用同一类型的天线，在相距不远的两个或多个观测站上，同步观测同一组卫星，那不远的两个或多个观测站上，同步观测同一组卫星，那么便可通过观测值求差，以削弱相位中心偏移的影响。么便可通过观测值求差
23、，以削弱相位中心偏移的影响。需要提及的是，安置各观测站的天线时，均应按天线附需要提及的是，安置各观测站的天线时，均应按天线附有的方位标进行定向，使之根据罗盘指向磁北极。有的方位标进行定向，使之根据罗盘指向磁北极。九、起算点坐标的误差该项误差将直接传播给GPS网各点。7-5 GPS测量的实施测量的实施 GPS测量分为外业数据采集和内业数据处理两大部分。一、GPS控制网的技术设计1、GPS测量精度指标2、网形设计1)点连式：点连式是指只通过一个公共点将相邻的同步点连式是指只通过一个公共点将相邻的同步图形连接在一起。点连式的布网方案的优点是：作业效图形连接在一起。点连式的布网方案的优点是：作业效率高
24、，图形扩展迅速，但由于不能组成一定的几何图形，率高，图形扩展迅速，但由于不能组成一定的几何图形，形成一定的检核条件，图形强度低，而且一个连接点或形成一定的检核条件，图形强度低，而且一个连接点或一个同步环发生问题，影响到后面所有的同步图形。因一个同步环发生问题，影响到后面所有的同步图形。因此这种布网形式一般不能单独使用。此这种布网形式一般不能单独使用。2、边连式：边连式就是通过一条边将相邻的同步图形连接在一起。与点连式相比可见，边连式观测作业方式可以形成较多的重复基线与独立环，具有较好的图形强度与较高的作业效率。3、网连式 网连式就是相邻的同步图形间有3个以上的公共点，相邻图形间有一定的重叠。显
25、然这种布网方式需要有4台以上的接收机。采用这种形式所测设的肥网具有很强的图形强度，但作业效率很低，一般仅适用于精度要求较高的控制网。4、混连式 在实际作业中，由于以上几种布网方案存在这样或那在实际作业中，由于以上几种布网方案存在这样或那样的缺点，一般不单独采用一种形式，而是根据具体情样的缺点，一般不单独采用一种形式，而是根据具体情况，灵活地采用以上几种布网方式，称为混连式。混连况，灵活地采用以上几种布网方式，称为混连式。混连式是我们实际作业中最常用的作业方式。如图为大地测式是我们实际作业中最常用的作业方式。如图为大地测量与精密工程测量中常用的三角形网、环形网，这种网量与精密工程测量中常用的三角
26、形网、环形网，这种网尽管在图形上以边连接，在作业时其实采用混连式，其尽管在图形上以边连接，在作业时其实采用混连式，其优点是自检性与可靠性较好，能有效地发现粗差。优点是自检性与可靠性较好，能有效地发现粗差。二、选点与建立标志对于一个对于一个GPSGPS点，其点位的基本要求是：点，其点位的基本要求是：1)1)周围便于安置接收设备和操作，视野开阔，视场内障碍周围便于安置接收设备和操作，视野开阔，视场内障碍物的高度角不宜超过物的高度角不宜超过1515；2)2)远离大功率无线电发射源远离大功率无线电发射源( (如电视台、电台、微波站等如电视台、电台、微波站等) )，其距离应大于，其距离应大于200m20
27、0m；远离高压输电线和微波无线电；远离高压输电线和微波无线电传送通道，其距离应大于传送通道，其距离应大于50m50m；3)3)附近不应有强烈反射卫星信号的物件附近不应有强烈反射卫星信号的物件( (加大型建筑物等加大型建筑物等) )4)4)交通方便，并有利于其它测量手段扩展和联测：交通方便，并有利于其它测量手段扩展和联测：5)5)地面基础稳定，易于点的保存；地面基础稳定，易于点的保存；6)6)充分利用符合要求的旧控制点，当利用旧点时，应对旧充分利用符合要求的旧控制点，当利用旧点时，应对旧点的稳定性、完好性、以及觇标是否安全可用性作一检点的稳定性、完好性、以及觇标是否安全可用性作一检查，符合要求方
28、可利用。查，符合要求方可利用。三、外业观测GPS外业观测包括天线安置、观测作业、观测记录过程。1、天线安置包括对中、整平、定向和量天线高。 为消除相位中心偏差对测量结果的影响，安置天线时用罗盘定向使天线指北线严格指向北方，定向误差根据定位的精度不同而异，一般不超过35。 天线架设好后，在圆盘天线间隔120方向上分别量取的天线高，三次量取结果互差须小于3mm，取其平均值记入测量手簿，并在各时段前后分别量取一次。2 2、观测作业、观测作业 通过观测作业，采集通过观测作业，采集GPSGPS卫星信号以获取定位所卫星信号以获取定位所需的数据。作业时应满足以下作业要求：需的数据。作业时应满足以下作业要求：
29、 观测组必须严格遵守调度命令，按规定的时间进行观测组必须严格遵守调度命令，按规定的时间进行作业。作业。 检查接收机电源电缆和天线等各项连接无误后，方检查接收机电源电缆和天线等各项连接无误后，方可开机。可开机。 定期查看接收机的工作状况并做好记录。定期查看接收机的工作状况并做好记录。 观测员要细心操作，观测期间防止接收设备震动，观测员要细心操作，观测期间防止接收设备震动，更不得移动，要防止人员和其它物体碰动天线或阻挡信更不得移动，要防止人员和其它物体碰动天线或阻挡信号。号。 观测期间，不得在天线附近观测期间，不得在天线附近50n50n以内使用电台，不以内使用电台，不得在天线附近得在天线附近10m
30、10m以内使用对讲机。以内使用对讲机。 天气太冷时，接收机应适当保暖；天气太热，接收天气太冷时，接收机应适当保暖；天气太热，接收机应避免阳光直接照晒，确保接收机正常工作。机应避免阳光直接照晒，确保接收机正常工作。3、观测记录 GPS测量的观测记录包括两部分：由接收机完成的观测记录与由人工完成的记录手簿。 观测记录主要由接收机自动完成，即将GPS卫星信号与外业设置的测站控制信息以及接收机工作状态等记录在存储介质上。 记录手簿由观测人员填写，内容包括天线高、气象数据测量结果、观测人员、仪器及时间等。主要在接收机启动前与作业过程中，应随时逐项填写测量手簿中的记录项目。四、成果检核与数据处理 按照GPS测量规范的要求对外业测量成果进行检核，剔除粗差，对不合格的成果进行重测。 用随机软件对外业数据进行处理，得到GPS成果。
