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1、实用工程测量第第2020章章 全球卫星定位测量全球卫星定位测量20.1全球卫星定位系统的组成全球卫星定位系统的组成20.2GPS卫星定位的基本原理卫星定位的基本原理20.3GPS小区域控制测量小区域控制测量实用工程测量20.1概述概述所谓全球卫星定位测量，就是指利用空间飞行的卫星来实现地所谓全球卫星定位测量，就是指利用空间飞行的卫星来实现地面点位的测定。目前正在运行的全球卫星定位位系统有美国的面点位的测定。目前正在运行的全球卫星定位位系统有美国的GPS和俄罗斯的和俄罗斯的GLONASS。正在建设中的欧盟。正在建设中的欧盟GALILEO，还未投入，还未投入使用。全球卫星定定位系统，一般指美国的使
2、用。全球卫星定定位系统，一般指美国的GPS。GPS具有全球性、具有全球性、全天候、连续的三维定位、导航、测速和授时能力，广泛应用于航全天候、连续的三维定位、导航、测速和授时能力，广泛应用于航空航天、海陆空三军导航、地球物理、大地测量、交通管理以及城空航天、海陆空三军导航、地球物理、大地测量、交通管理以及城镇建设等各个领域，并已渗透到人们的日常工作、学习和生活之中。镇建设等各个领域，并已渗透到人们的日常工作、学习和生活之中。1957年年10月世界上第一颗人造地球卫星发射成功，使空间科学月世界上第一颗人造地球卫星发射成功，使空间科学技术的发展，迅速跨入一个崭新的时代。人造地球卫星的出现，首技术的发
3、展，迅速跨入一个崭新的时代。人造地球卫星的出现，首先引起各国军事部门的高度重视。先引起各国军事部门的高度重视。1958年底，美国海军武器实验室年底，美国海军武器实验室着手建立为美国军舰导航服务的卫星系统，即海军导航卫星系统着手建立为美国军舰导航服务的卫星系统，即海军导航卫星系统（NavyNavigationSatelliteSystemNNSS），），NNSS系统中，卫星系统中，卫星轨道都通过地极，故也称轨道都通过地极，故也称“子午（子午（Transit）卫星系统）卫星系统”，1964年该年该系统建成。但是系统卫星数目较少（系统建成。但是系统卫星数目较少（56颗），运行高度较低（平颗），运行高
4、度较低（平均约均约1000km），因此无法提提供连续地实时三维导航。），因此无法提提供连续地实时三维导航。实用工程测量为了满足军事部门和民用部门，对连续实时三维导航的迫切要为了满足军事部门和民用部门，对连续实时三维导航的迫切要求，求，1973年美国防部组织海陆空三军，共同研究建立新代卫星导年美国防部组织海陆空三军，共同研究建立新代卫星导航系统，即目前所称的航系统，即目前所称的“授时与测距导航系统授时与测距导航系统/全球定位系统全球定位系统”（NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystemNAVSTAR/GPS），通常简称为
5、全球定位系统（），通常简称为全球定位系统（GPS）。）。GPS具有高精度连续实时三维导航能力，并有良好的抗干拢性，具有高精度连续实时三维导航能力，并有良好的抗干拢性，因此因此GPS大大超过大大超过NNSS。GPS的主要特点是：的主要特点是：(1)全球全天候实时定位。全球全天候实时定位。GPS卫星数目多，分布合理，所以卫星数目多，分布合理，所以地球上任何地点都可以连续同步观测到至少地球上任何地点都可以连续同步观测到至少4颗卫星，从而保证了颗卫星，从而保证了全球、全天候、实时三维定位定位。全球、全天候、实时三维定位定位。(2)自动化程度高。自动化程度高。用用GPS接收机测量时，只要将天线精确安接收
6、机测量时，只要将天线精确安置在测站上，主机可安放在测站不远处，也可放在室内，通过专置在测站上，主机可安放在测站不远处，也可放在室内，通过专用的通讯线和天线连接，接通电源，启动接收机，仪器就自动开用的通讯线和天线连接，接通电源，启动接收机，仪器就自动开始工作。结束测量时，仅需关闭电源，取下接收机，便完成野外始工作。结束测量时，仅需关闭电源，取下接收机，便完成野外数据采集任务。数据采集任务。实用工程测量(3)观测速度快，精度高。观测速度快，精度高。目前，目前，20km以内相对静态定位仅需以内相对静态定位仅需1520分钟。分钟。GPS相对定位精度可达相对定位精度可达10-6，100500km可达可达
7、10-7。在。在3001500m工程精密定位中，观测工程精密定位中，观测1小时以上，解算平面位小时以上，解算平面位置误差小于置误差小于1mm。(4)应用领域非常广泛。应用领域非常广泛。由于由于GPS提供精确的位置、速度和时提供精确的位置、速度和时间信息，对现代战争成败至关重要，极大改变了未来战争的作战间信息，对现代战争成败至关重要，极大改变了未来战争的作战方式。在导航方面，方式。在导航方面，GPS不仅供用于海上、空中和陆地运动目标不仅供用于海上、空中和陆地运动目标的导航，而且可对运动目标实施监控、管理和救援。实时监视和的导航，而且可对运动目标实施监控、管理和救援。实时监视和修正航行路，可以保障
8、运动物体沿预定航线运行，并可选择最佳修正航行路，可以保障运动物体沿预定航线运行，并可选择最佳航线。在地球物理方面，精确测定地球板块的位移和运动速速率，航线。在地球物理方面，精确测定地球板块的位移和运动速速率，预测地震灾害提供重要数据。在测绘方面，目前预测地震灾害提供重要数据。在测绘方面，目前GPS己成大地测己成大地测量测定控点的主要方法，在工程测量以及城市测绘己广泛采用量测定控点的主要方法，在工程测量以及城市测绘己广泛采用GPS先进的定位技术。在交通运输方面，实施运输监控、调度管先进的定位技术。在交通运输方面，实施运输监控、调度管理、事故处理和紧急救援都起到非常重要作用。随着理、事故处理和紧急
9、救援都起到非常重要作用。随着GPS定位技定位技术的发展，应用领域还会不断拓宽。术的发展，应用领域还会不断拓宽。实用工程测量空间星座部分空间星座部分空间星座部分空间星座部分（空间部分）（空间部分）（空间部分）（空间部分） 地面支撑系统地面支撑系统地面支撑系统地面支撑系统 （地面监控部分）（地面监控部分）（地面监控部分）（地面监控部分）GPSGPSGPSGPS接收机接收机接收机接收机 （用户部分）（用户部分）（用户部分）（用户部分）空间部分由24颗GPS卫星组成地面监控系统由监测站、主控站、注入站组成用户部分由GPS接收机组成监测站注入站主控站GPSGPS卫星系统的组成卫星系统的组成20.2实用工
10、程测量（1 1 1 1）GPSGPSGPSGPS卫星星座卫星星座卫星星座卫星星座 地地球球上上任任何何地地方方至至少少同同时时可可看看到到四四颗颗卫卫星星。其其发发射射信信号号能能覆覆盖盖地地面面面面积积38%38%。 卫卫星星在在轨轨道道的的任任何何位位置置，对对地地面面的的距距离离和和波波束束覆覆盖盖面面积积基基本本不不变变。在在波波束束覆覆盖盖区区域域内内，用用户户接接收收到到的的卫卫星星信信号号强强度度近近似似相相等等。这这对对提提高高定定位位精精度度十十分分有有利利。在在全全球球任任何何地地方方、任任何何恶恶劣劣的的气气候候条条件件下下，为为用用户户提提供供二二十十四四小小时时不间断
11、的免费服务。不间断的免费服务。 卫星高度：卫星高度：2020020200公里公里运行周期：运行周期：1111小时小时5858分分卫星分布在六条升交点相隔卫星分布在六条升交点相隔6060的轨道面上，轨道倾角为的轨道面上，轨道倾角为5555每条轨道上分布四颗卫星，相临两轨道上的卫星相隔每条轨道上分布四颗卫星，相临两轨道上的卫星相隔4040空间星座部分空间星座部分空间星座部分空间星座部分实用工程测量（2 2）在）在GPSGPS系统中卫星的作用系统中卫星的作用 用用用用L L波段的两个无线载波波段的两个无线载波波段的两个无线载波波段的两个无线载波(19cm(19cm和和和和24cm24cm波波波波)
12、)向广大用向广大用向广大用向广大用户连续不断地发送导航定位信号。户连续不断地发送导航定位信号。户连续不断地发送导航定位信号。户连续不断地发送导航定位信号。在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站不断在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站不断在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站不断在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站不断发送到卫星的导航电文和其它有关信息，并通过发送到卫星的导航电文和其它有关信息，并通过发送到卫星的导航电文和其它有关信息，并通过发送到卫星的导航电文和其它有关信息，并通过GPSGPS信号信号信号信号电路，适时地和发送给广大用户。电路，适时地和发送给广大用户。电路，适时地和
13、发送给广大用户。电路，适时地和发送给广大用户。接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，适时地改正运行偏差或启用备用时钟等。适时地改正运行偏差或启用备用时钟等。适时地改正运行偏差或启用备用时钟等。适时地改正运行偏差或启用备用时钟等。实用工程测量GPSGPSGPSGPS地面监控部分地面监控部分地面监控部分地面监控部分 1个主控站个主控站3个注入站个注入站5个监测站个监测站斯斯斯斯平平平平士士士士 阿阿阿阿松松松松森森森森岛岛岛岛 狄狄狄狄哥哥哥哥伽伽伽伽西
14、西西西亚亚亚亚卡卡卡卡瓦瓦瓦瓦迦迦迦迦兰兰兰兰夏夏夏夏威威威威夷夷夷夷岛岛岛岛 太平洋太平洋印度洋印度洋大西洋大西洋实用工程测量地点：位于科罗拉多的斯平士地点：位于科罗拉多的斯平士地点：位于科罗拉多的斯平士地点：位于科罗拉多的斯平士(ColoradoSprings)(ColoradoSprings)的联合空的联合空的联合空的联合空间执行中心间执行中心间执行中心间执行中心(CSOC)(CSOC)1. 1.主控站主控站主控站主控站 设备：主控站拥有大型电子计算机，用作数据采集、计算、设备：主控站拥有大型电子计算机，用作数据采集、计算、设备：主控站拥有大型电子计算机，用作数据采集、计算、设备：主控站
15、拥有大型电子计算机，用作数据采集、计算、传输、诊断、编辑等。传输、诊断、编辑等。传输、诊断、编辑等。传输、诊断、编辑等。 作用：作用：作用：作用：（一）采集数据（一）采集数据（一）采集数据（一）采集数据（二）编辑电文（二）编辑电文（二）编辑电文（二）编辑电文（三）诊断功能（三）诊断功能（三）诊断功能（三）诊断功能（四）调整卫星（四）调整卫星（四）调整卫星（四）调整卫星实用工程测量2.2.2.2.注入站注入站注入站注入站地点：三个站分别设大西洋的阿松森地点：三个站分别设大西洋的阿松森地点：三个站分别设大西洋的阿松森地点：三个站分别设大西洋的阿松森(Ascension)(Ascension)(As
16、cension)(Ascension)岛、印岛、印岛、印岛、印 度洋的狄哥度洋的狄哥度洋的狄哥度洋的狄哥伽西亚伽西亚伽西亚伽西亚(Diego Garcia)(Diego Garcia)(Diego Garcia)(Diego Garcia)和太平洋的卡和太平洋的卡和太平洋的卡和太平洋的卡 瓦迦兰瓦迦兰瓦迦兰瓦迦兰(Kwajalein) (Kwajalein) (Kwajalein) (Kwajalein) 的三个美国军事基地上。的三个美国军事基地上。的三个美国军事基地上。的三个美国军事基地上。设备：一台直径设备：一台直径设备：一台直径设备：一台直径3.6m3.6m3.6m3.6m的天线，一台的
17、天线，一台的天线，一台的天线，一台S S S S波段发射机和一台计波段发射机和一台计波段发射机和一台计波段发射机和一台计 算机。算机。算机。算机。 作用：主控站将编辑的卫星电文传送到位于三大洋的三作用：主控站将编辑的卫星电文传送到位于三大洋的三作用：主控站将编辑的卫星电文传送到位于三大洋的三作用：主控站将编辑的卫星电文传送到位于三大洋的三 个注入站，定时将这些信息注入各个卫星，然后个注入站，定时将这些信息注入各个卫星，然后个注入站，定时将这些信息注入各个卫星，然后个注入站，定时将这些信息注入各个卫星，然后 由由由由GPSGPSGPSGPS卫星发送给广大用户，这就是所用的广播卫星发送给广大用户，
18、这就是所用的广播卫星发送给广大用户，这就是所用的广播卫星发送给广大用户，这就是所用的广播 星历。此外，注入站能主动向主控站发射信号，星历。此外，注入站能主动向主控站发射信号，星历。此外，注入站能主动向主控站发射信号，星历。此外，注入站能主动向主控站发射信号， 每分钟报告一次自己的工作状态。每分钟报告一次自己的工作状态。每分钟报告一次自己的工作状态。每分钟报告一次自己的工作状态。实用工程测量3 3 3 3监测站监测站监测站监测站 作用：对每颗卫星进行观测，精确测定卫星在空间的位置，并向作用：对每颗卫星进行观测，精确测定卫星在空间的位置，并向作用：对每颗卫星进行观测，精确测定卫星在空间的位置，并向
19、作用：对每颗卫星进行观测，精确测定卫星在空间的位置，并向 主控站提供观测数据。主控站提供观测数据。主控站提供观测数据。主控站提供观测数据。 设设设设备备备备：监监监监控控控控站站站站有有有有双双双双频频频频GPSGPSGPSGPS接接接接收收收收机机机机，对对对对每每每每颗颗颗颗卫卫卫卫星星星星长长长长年年年年连连连连续续续续不不不不断断断断地地地地进进进进行行行行 观观观观测测测测，每每每每6 6 6 6秒秒秒秒进进进进行行行行一一一一次次次次伪伪伪伪距距距距测测测测量量量量和和和和积积积积分分分分多多多多普普普普勒勒勒勒观观观观测测测测，采采采采集集集集气气气气象要素等数据象要素等数据象要
20、素等数据象要素等数据 监监监监测测测测站站站站是是是是一一一一种种种种无无无无人人人人值值值值守守守守的的的的数数数数据据据据采采采采集集集集中中中中心心心心，受受受受主主主主控控控控站站站站的的的的控控控控制制制制，定定定定时时时时将将将将观观观观测测测测数数数数据据据据送送送送往往往往主主主主控控控控站站站站。五五五五个个个个监监监监测测测测站站站站分分分分布布布布在在在在美美美美国国国国本本本本土土土土和和和和三三三三大大大大洋洋洋洋的的的的美美美美军军军军基基基基地地地地上上上上，保保保保证证证证了了了了全全全全球球球球GPSGPSGPSGPS定定定定轨轨轨轨的的的的精精精精度度度度要
21、要要要求求求求。由由由由这这这这五五五五个个个个监监监监测站提供的观测数据形成了测站提供的观测数据形成了测站提供的观测数据形成了测站提供的观测数据形成了GPSGPSGPSGPS卫星实时发布的广播星历。卫星实时发布的广播星历。卫星实时发布的广播星历。卫星实时发布的广播星历。地地地地点点点点：五五五五个个个个监监监监测测测测站站站站：除除除除一一一一个个个个主主主主控控控控站站站站、三三三三个个个个注注注注入入入入站站站站兼兼兼兼作作作作外外外外，还还还还有有有有一一一一个个个个在夏威夷岛在夏威夷岛在夏威夷岛在夏威夷岛实用工程测量=用户部分观测和记录由若干卫星发送的数据用户部分观测和记录由若干卫星
22、发送的数据,并运并运用数学方法求得三维空间位置以及时间和速度用数学方法求得三维空间位置以及时间和速度GPSGPSGPSGPS用户部分用户部分用户部分用户部分 实用工程测量 用用用用户户户户部部部部分分分分包包包包括括括括用用用用户户户户组组组组织织织织系系系系统统统统和和和和根根根根据据据据要要要要求求求求安安安安装装装装相相相相应应应应的的的的设设设设备备备备，但但但但其其其其中中中中心心心心设设设设备备备备是是是是GPSGPSGPSGPS接接接接收收收收机机机机。它它它它是是是是一一一一种种种种特特特特制制制制的的的的无无无无线线线线电电电电接接接接收收收收机机机机，用来接收导航卫星发射的
23、信号，并以此计算出定位数据。用来接收导航卫星发射的信号，并以此计算出定位数据。用来接收导航卫星发射的信号，并以此计算出定位数据。用来接收导航卫星发射的信号，并以此计算出定位数据。G G G GP P P PS S S S用用用用户户户户设设设设备备备备GPSGPSGPSGPS接收机硬件接收机硬件接收机硬件接收机硬件机内软件机内软件机内软件机内软件GPSGPSGPSGPS数据的后期处理软件数据的后期处理软件数据的后期处理软件数据的后期处理软件天线单元天线单元天线单元天线单元接收单元接收单元接收单元接收单元前置放大器前置放大器前置放大器前置放大器接收天线接收天线接收天线接收天线实用工程测量TOPC
24、ONTOPCON产品产品实用工程测量实用工程测量Leica GPS接收机接收机实用工程测量南方仪器厂南方仪器厂实用工程测量实用工程测量GPSGPS系统的特点系统的特点1 1 1 1、 全球，全天候工作全球，全天候工作全球，全天候工作全球，全天候工作 2 2 2 2、 功能多，应用广功能多，应用广功能多，应用广功能多，应用广 3 3 3 3、测站之间无需通视、测站之间无需通视、测站之间无需通视、测站之间无需通视 4 4 4 4、定位精度高、定位精度高、定位精度高、定位精度高 ，隐蔽性好，隐蔽性好，隐蔽性好，隐蔽性好5 5 5 5、观测时间短、观测时间短、观测时间短、观测时间短 6 6 6 6、提
25、供三维坐标、提供三维坐标、提供三维坐标、提供三维坐标 7 7 7 7、操作简便、操作简便、操作简便、操作简便 8 8 8 8、免费、容易、免费、容易、免费、容易、免费、容易 实用工程测量20.3.1 GPS20.3.1 GPS卫星信号的组成卫星信号的组成20.3 GPS20.3 GPS卫星定位的基本原理卫星定位的基本原理卫星信号卫星信号卫星信号卫星信号 载波信号载波信号载波信号载波信号(L(L(L(L1 1 1 1，L L L L2 2 2 2) ) ) )测距码测距码测距码测距码(P(P(P(P码码码码,C/A,C/A,C/A,C/A码码码码) ) ) )数据码数据码数据码数据码( ( (
26、(导航电文或导航电文或导航电文或导航电文或D D D D码码码码) ) ) ) 1.1.载波信号载波信号 L L1 1载波，波长载波，波长=19.03cm=19.03cm，频率，频率f f1 1=1575.42MHZ=1575.42MHZ L L2 2载波，波长载波，波长=24.42cm=24.42cm，频率，频率f f2 2=1227.6OMHZ=1227.6OMHZ。2.2.测距码测距码 C/A C/A码（粗码码（粗码/ /捕获码）：调制在捕获码）：调制在L L1 1载波上。结构公开，不载波上。结构公开，不同的卫星有不同的同的卫星有不同的C/AC/A码。码。 P P码码（精码）：调制在精码
27、）：调制在L L1 1和和L L2 2载波上。载波上。3.3.数据码（数据码（D D码）（导航电文）码）（导航电文） 提供有关卫星位置，卫星钟的性能、发射机的状态等数提供有关卫星位置，卫星钟的性能、发射机的状态等数据和信息。用户利用观测值以及这些信息和数据就能进行导据和信息。用户利用观测值以及这些信息和数据就能进行导航和定位。航和定位。实用工程测量20.3.2 GPS20.3.2 GPS的常用坐标系的常用坐标系WGS-84WGS-84世界大地坐标系世界大地坐标系： 原点原点是地球的质心是地球的质心 Z Z轴轴指向国际时间局指向国际时间局BIH1984.0BIH1984.0定义的协议地球北定义的
28、协议地球北极（极（CTPCTP）方向）方向 X X轴轴指向指向BIH1984.0BIH1984.0的零子的零子午面和午面和CTPCTP相对应的赤道的交相对应的赤道的交点点 Y Y轴轴垂直于垂直于ZOXZOX平面且与平面且与Z Z、X X轴构成右手坐标系轴构成右手坐标系 实用工程测量20.3.3 GPS20.3.3 GPS定位原理定位原理 (X ,Y(X ,Y(X ,Y(X ,Y，Z)Z)Z)Z)1 12 23 3(x(x(x(x1 1 1 1 ,y ,y ,y ,y1 1 1 1，z z z z1 1 1 1) ) ) )(x(x(x(x2 2 2 2 ,y ,y ,y ,y2 2 2 2，z
29、 z z z2 2 2 2) ) ) )(x(x(x(x3 3 3 3 ,y ,y ,y ,y3 3 3 3，z z z z3 3 3 3) ) ) )利用三个以上卫星的已知空间位置，交会出地面未知点利用三个以上卫星的已知空间位置，交会出地面未知点利用三个以上卫星的已知空间位置，交会出地面未知点利用三个以上卫星的已知空间位置，交会出地面未知点（用户接收机）的位置。（用户接收机）的位置。（用户接收机）的位置。（用户接收机）的位置。实用工程测量测距的方法测距的方法测距的方法测距的方法码相位码相位码相位码相位( ( ( (伪距法伪距法伪距法伪距法) ) ) )测距测距测距测距测量载波相位差测距测量载
30、波相位差测距测量载波相位差测距测量载波相位差测距 1 1 1 12 2 2 2 = (X - X= (X - X= (X - X= (X - X1 1 1 1) ) ) )2 2 2 2 + (Y - Y+ (Y - Y+ (Y - Y+ (Y - Y1 1 1 1) ) ) )2 2 2 2 + (Z - Z+ (Z - Z+ (Z - Z+ (Z - Z1 1 1 1) ) ) )2 2 2 22 2 2 22 2 2 2 = (X X= (X X= (X X= (X X2 2 2 2) ) ) )2 2 2 2 + (Y Y+ (Y Y+ (Y Y+ (Y Y2 2 2 2) ) ) )
31、2 2 2 2 + (Z Z+ (Z Z+ (Z Z+ (Z Z2 2 2 2) ) ) )2 2 2 23 3 3 32 2 2 2 = (X X= (X X= (X X= (X X3 3 3 3) ) ) )2 2 2 2 + (Y Y+ (Y Y+ (Y Y+ (Y Y3 3 3 3) ) ) )2 2 2 2 + (Z Z+ (Z Z+ (Z Z+ (Z Z3 3 3 3) ) ) )2 2 2 2 通通通通过过过过导导导导航航航航电电电电文文文文解解解解译译译译出出出出三三三三颗颗颗颗卫卫卫卫星星星星的的的的坐坐坐坐标标标标，通通通通过过过过测测测测量量量量求求求求出出出出三三三三颗
32、颗颗颗卫卫卫卫星星星星到测站的距离到测站的距离到测站的距离到测站的距离，用距离交会即可求出测站点的坐标（，用距离交会即可求出测站点的坐标（，用距离交会即可求出测站点的坐标（，用距离交会即可求出测站点的坐标（X , YX , YX , YX , Y）。）。）。）。实用工程测量20.3.4 20.3.4 伪距测量与载波相位测量伪距测量与载波相位测量1.1.伪距测量伪距测量 伪距法定位伪距法定位伪距法定位伪距法定位在某一时刻，由在某一时刻，由在某一时刻，由在某一时刻，由GPSGPSGPSGPS接收机测出其到四颗接收机测出其到四颗接收机测出其到四颗接收机测出其到四颗以上以上以上以上GPSGPSGPSG
33、PS卫星的伪距，根据已知的卫星位置，采用距离交会的卫星的伪距，根据已知的卫星位置，采用距离交会的卫星的伪距，根据已知的卫星位置，采用距离交会的卫星的伪距，根据已知的卫星位置，采用距离交会的方法求接收机天线所在点的三维坐标。方法求接收机天线所在点的三维坐标。方法求接收机天线所在点的三维坐标。方法求接收机天线所在点的三维坐标。 伪距伪距伪距伪距由卫星发射的测距码信号到达由卫星发射的测距码信号到达由卫星发射的测距码信号到达由卫星发射的测距码信号到达GPSGPSGPSGPS接收机的传播接收机的传播接收机的传播接收机的传播时间乘以光速所得出的量测距离。由于卫星钟、接收机钟的误时间乘以光速所得出的量测距离
34、。由于卫星钟、接收机钟的误时间乘以光速所得出的量测距离。由于卫星钟、接收机钟的误时间乘以光速所得出的量测距离。由于卫星钟、接收机钟的误差以及无线电通过电离层和对流层中的延迟，实际测出的距离差以及无线电通过电离层和对流层中的延迟，实际测出的距离差以及无线电通过电离层和对流层中的延迟，实际测出的距离差以及无线电通过电离层和对流层中的延迟，实际测出的距离 与卫星到接收机的几何距离与卫星到接收机的几何距离与卫星到接收机的几何距离与卫星到接收机的几何距离 有一定的差值，因此一般称量有一定的差值，因此一般称量有一定的差值，因此一般称量有一定的差值，因此一般称量测出的距离为测出的距离为测出的距离为测出的距离
35、为伪距伪距伪距伪距。 用用用用C/AC/AC/AC/A码进行测量的伪距为码进行测量的伪距为码进行测量的伪距为码进行测量的伪距为C/AC/AC/AC/A码伪距；用码伪距；用码伪距；用码伪距；用P P P P码进行测量的码进行测量的码进行测量的码进行测量的伪距为伪距为伪距为伪距为P P P P码伪距。码伪距。码伪距。码伪距。 实用工程测量GPS采用的单程测距原理，它不同于电磁波测距仪中的采用的单程测距原理，它不同于电磁波测距仪中的双程测距。这就要求卫星时钟与接收机时钟要严格同步。但双程测距。这就要求卫星时钟与接收机时钟要严格同步。但实际上，两者难于严格同步，因此存在不同步误差，另外，实际上，两者难
36、于严格同步，因此存在不同步误差，另外，测距码在大气中传播还受到大气电离层折射及大气对流层的测距码在大气中传播还受到大气电离层折射及大气对流层的影响，产生延迟误差。因此，测距码所求得距离值并非真正影响，产生延迟误差。因此，测距码所求得距离值并非真正的站星几何距离，习惯上称其为的站星几何距离，习惯上称其为“伪距伪距”。由于卫星钟差、电离层折射和大气对流的影响，可以通由于卫星钟差、电离层折射和大气对流的影响，可以通过导航电文中所给的有关参数加以修正，而接收机的钟差却过导航电文中所给的有关参数加以修正，而接收机的钟差却难以预先准确地确定，所以把接收机的钟差当作一个未知数，难以预先准确地确定，所以把接收
37、机的钟差当作一个未知数，与测站坐标一起解算。这样，在一个观测站上要解出与测站坐标一起解算。这样，在一个观测站上要解出4个未个未知参数，即知参数，即3个点位坐标分量和个点位坐标分量和1个钟差参数，所以至少同时个钟差参数，所以至少同时观测观测4颗卫星。颗卫星。实用工程测量伪距法定位的优缺点伪距法定位的优缺点 (1)(1)定位速度快。定位速度快。定位速度快。定位速度快。(2)(2)无多值性问题。无多值性问题。无多值性问题。无多值性问题。 (3)(3)可可可可作作作作为为为为载载载载波波波波相相相相位位位位测测测测量量量量中中中中整整整整波波波波数数数数不不不不确确确确定定定定问问问问题题题题（模模模
38、模糊糊糊糊度度度度）的的的的辅助资料。辅助资料。辅助资料。辅助资料。 (4)(4)一一一一次次次次定定定定位位位位精精精精度度度度不不不不高高高高，（P P码码码码定定定定位位位位误误误误差差差差约约约约为为为为1010mm，C/AC/A码码码码定定定定位误差约为位误差约为位误差约为位误差约为202030m30m）。）。）。）。实用工程测量2.2.载波相位测量载波相位测量 波长：波长：波长：波长：L L L L1 1 1 1 信号的波长为信号的波长为信号的波长为信号的波长为19.03 cm19.03 cm19.03 cm19.03 cm。 L L L L2 2 2 2 信号的波长为信号的波长为
39、信号的波长为信号的波长为24.42 cm24.42 cm24.42 cm24.42 cm。载波相位测量属于非码信号测量系统载波相位测量属于非码信号测量系统载波相位测量属于非码信号测量系统载波相位测量属于非码信号测量系统优点：把载波作为量测信号，对载波进行相位测量优点：把载波作为量测信号，对载波进行相位测量优点：把载波作为量测信号，对载波进行相位测量优点：把载波作为量测信号，对载波进行相位测量 可以达到很高的精度，目前可达到可以达到很高的精度，目前可达到可以达到很高的精度，目前可达到可以达到很高的精度，目前可达到1 1 1 12mm2mm2mm2mm。缺点：载波信号是一种周期性的正弦信号，相位测
40、缺点：载波信号是一种周期性的正弦信号，相位测缺点：载波信号是一种周期性的正弦信号，相位测缺点：载波信号是一种周期性的正弦信号，相位测 量只能测定不足一个波长的小数部分，无法量只能测定不足一个波长的小数部分，无法量只能测定不足一个波长的小数部分，无法量只能测定不足一个波长的小数部分，无法 测定其整波长个数。因而存在着整周数的不测定其整波长个数。因而存在着整周数的不测定其整波长个数。因而存在着整周数的不测定其整波长个数。因而存在着整周数的不 确定性问题，使解算过程比较复杂。确定性问题，使解算过程比较复杂。确定性问题，使解算过程比较复杂。确定性问题，使解算过程比较复杂。实用工程测量1 1 1 1、静
41、态定位：待定点的位置在观测过程中固定不变。、静态定位：待定点的位置在观测过程中固定不变。、静态定位：待定点的位置在观测过程中固定不变。、静态定位：待定点的位置在观测过程中固定不变。 2 2 2 2、动态定位：待定点在运动载体上，观测过程中是变化的。、动态定位：待定点在运动载体上，观测过程中是变化的。、动态定位：待定点在运动载体上，观测过程中是变化的。、动态定位：待定点在运动载体上，观测过程中是变化的。3 3 3 3、实时定位：一边接收卫星信号一边进行计算，获得目前、实时定位：一边接收卫星信号一边进行计算，获得目前、实时定位：一边接收卫星信号一边进行计算，获得目前、实时定位：一边接收卫星信号一边
42、进行计算，获得目前 所处的位置、速度及时间等信息。所处的位置、速度及时间等信息。所处的位置、速度及时间等信息。所处的位置、速度及时间等信息。 4 4 4 4、后处理定位：把卫星信号记录在一定的介质上，回到室、后处理定位：把卫星信号记录在一定的介质上，回到室、后处理定位：把卫星信号记录在一定的介质上，回到室、后处理定位：把卫星信号记录在一定的介质上，回到室 内统一进行数据处理。内统一进行数据处理。内统一进行数据处理。内统一进行数据处理。 一一一一般般般般来来来来说说说说，静静静静态态态态定定定定位位位位用用用用户户户户多多多多采采采采用用用用后后后后处处处处理理理理，动动动动态态态态定定定定位位
43、位位用用用用户采用实时处理或后处理。户采用实时处理或后处理。户采用实时处理或后处理。户采用实时处理或后处理。20.3.5 GPS20.3.5 GPS定位方法定位方法实用工程测量 GPSGPSGPSGPS绝绝绝绝对对对对定定定定位位位位( ( ( (单单单单点点点点定定定定位位位位) ) ) )：它它它它是是是是利利利利用用用用一一一一台台台台接接接接收收收收机机机机观观观观测测测测卫卫卫卫星星星星，独独独独立立立立地地地地确确确确定定定定出出出出自自自自身身身身在在在在WGSWGSWGSWGS84848484地地地地心心心心坐坐坐坐标标标标系系系系的绝对位置。的绝对位置。的绝对位置。的绝对位置
44、。 这这这这一一一一位位位位置置置置在在在在WGSWGSWGSWGS84848484坐坐坐坐标标标标系系系系中中中中是是是是唯唯唯唯一一一一的的的的，所所所所以以以以称称称称为为为为绝绝绝绝对对对对定定定定位位位位。因因因因为为为为利利利利用用用用一一一一台台台台接接接接收收收收机机机机能能能能完完完完成成成成定定定定位位位位工工工工作作作作，又称为单点定位。又称为单点定位。又称为单点定位。又称为单点定位。 绝绝绝绝对对对对定定定定位位位位的的的的优优优优点点点点是是是是只只只只需需需需一一一一台台台台接接接接收收收收机机机机即即即即可可可可独独独独立立立立定定定定位位位位，外外外外业业业业观
45、观观观测测测测的的的的组组组组织织织织和和和和实实实实施施施施比比比比较较较较方方方方便便便便，数数数数据据据据处处处处理理理理比比比比较较较较简简简简单单单单；缺缺缺缺点点点点是是是是定定定定位位位位精精精精度度度度低低低低，受受受受各各各各种种种种误误误误差差差差的的的的影影影影响响响响比比比比较较较较大大大大，只只只只能能能能达到米级。达到米级。达到米级。达到米级。 实用工程测量GPSGPS相对定位相对定位相对定位相对定位：它是利用不同地点的接收机同步跟踪：它是利用不同地点的接收机同步跟踪：它是利用不同地点的接收机同步跟踪：它是利用不同地点的接收机同步跟踪相同的相同的相同的相同的GPSG
46、PS卫星信号，确定若干台接收机之间的相对位置。卫星信号，确定若干台接收机之间的相对位置。卫星信号，确定若干台接收机之间的相对位置。卫星信号，确定若干台接收机之间的相对位置。它的测量是相对于某一已知点的位置，而不是在它的测量是相对于某一已知点的位置，而不是在它的测量是相对于某一已知点的位置，而不是在它的测量是相对于某一已知点的位置，而不是在WGSWGS8484坐标系中的绝对位置。它精确测定出两点之间的坐标分量坐标系中的绝对位置。它精确测定出两点之间的坐标分量坐标系中的绝对位置。它精确测定出两点之间的坐标分量坐标系中的绝对位置。它精确测定出两点之间的坐标分量和边长。至少要应用两台精密测地型和边长。
47、至少要应用两台精密测地型和边长。至少要应用两台精密测地型和边长。至少要应用两台精密测地型GPSGPS接收机。接收机。接收机。接收机。实用工程测量5 5、实时动态定位测量、实时动态定位测量 实时动态定位测量，即实时动态定位测量，即GPS RTKGPS RTK测量技术（其中测量技术（其中RTKRTK为为实时动态的意思，英文是实时动态的意思，英文是Real Time KinematicReal Time Kinematic）。）。 GPS RTK GPS RTK测量技术原理：测量技术原理： 在两台在两台GPSGPS接收机之间增加一套无线通信系统（又称接收机之间增加一套无线通信系统（又称数据链），将两
48、台或多台相对独立的数据链），将两台或多台相对独立的GPSGPS接收机联成有机接收机联成有机的整体。的整体。 基准站基准站（安置在己知点上的（安置在己知点上的GPSGPS接收机）通过电台将观接收机）通过电台将观测信息、测站数据传输给测信息、测站数据传输给流动站流动站（运动中的的（运动中的的GPSGPS接收机）接收机），流动站将基准站传来的载波观测信号与流动站本身观测，流动站将基准站传来的载波观测信号与流动站本身观测的载波观测信号进行差分处理，从而解算出两站间的基线的载波观测信号进行差分处理，从而解算出两站间的基线向量。若事先输入相应的坐标转换参数和投影参数，即可向量。若事先输入相应的坐标转换参数
49、和投影参数，即可实时得到流动站伪三维坐标及其精度。实时得到流动站伪三维坐标及其精度。实用工程测量基准站基准站流动站流动站实用工程测量20.4 GPS20.4 GPS小区域控制测量小区域控制测量20.4.1GPS控制网的技术设计控制网的技术设计1.充分考虑建立控制网的应用范围充分考虑建立控制网的应用范围根据工程的近期、中长期的需求确定控制网的范围。根据工程的近期、中长期的需求确定控制网的范围。2.采用的布网方案及网形设计采用的布网方案及网形设计适当地分级布设适当地分级布设GPS网网顾及测站选址、仪器设备装置与后勤交通保障等因素顾及测站选址、仪器设备装置与后勤交通保障等因素设计各观测时段的时间及接
50、收机的搬站顺序设计各观测时段的时间及接收机的搬站顺序GPS网一般由一个或若干个独立观测环组成，也可采用网一般由一个或若干个独立观测环组成，也可采用路线形式。路线形式。实用工程测量3.GPS测量的精度标准测量的精度标准国家测绘局国家测绘局1992年制订的我国第一部年制订的我国第一部“GPS测量规范测量规范”将将GPS的测量精度分为的测量精度分为AE五级，以适应于不同范围、不同用五级，以适应于不同范围、不同用途要求的途要求的GPS工程。工程。4.坐标系统与起算数据坐标系统与起算数据在在GPS网的技术设计中，必须说明网的技术设计中，必须说明GPS网的成果所采用的坐网的成果所采用的坐标系统和起算数据。
51、标系统和起算数据。空间相似变换求得七个待定系数：空间相似变换求得七个待定系数：3个平移参数、个平移参数、3个旋转参个旋转参数和数和1个缩放参数。个缩放参数。5.GPS点的高程点的高程GPS测定的高程是测定的高程是WGS-84坐标系中的大地高，与我国采用的坐标系中的大地高，与我国采用的1985年黄海国家高程基准正常高之间也需要进行转换。为了得到年黄海国家高程基准正常高之间也需要进行转换。为了得到GPS点的正常高，应使一定数量的点的正常高，应使一定数量的GPS点与水准点重合，或者对点与水准点重合，或者对部分部分GPS点联测水准。若需要进行水准联测，则在进行点联测水准。若需要进行水准联测，则在进行G
52、PS布点布点时应对此加以考虑。时应对此加以考虑。实用工程测量20.4.2选点与建立点位标志选点与建立点位标志选定选定GPS点点位时，应遵守以下的几点原则：点点位时，应遵守以下的几点原则：1.周围应便于安置接收设备，便于操作，视野开阔，视场周围应便于安置接收设备，便于操作，视野开阔，视场内周围障碍物的高度角一般应小于内周围障碍物的高度角一般应小于15；2.远离大功率无线电发射源（如电视台、微波站等），其远离大功率无线电发射源（如电视台、微波站等），其距离不小于距离不小于400m；远离高压输电线，其距离不小于；远离高压输电线，其距离不小于200m；3.点位附近不应有强烈干扰卫星信号接收的物体，并尽
53、量点位附近不应有强烈干扰卫星信号接收的物体，并尽量避开大面积水域；避开大面积水域；4.交通方便，有利于其它测量手段扩展和联测；交通方便，有利于其它测量手段扩展和联测；5.地面基础稳定，易于点的保存地面基础稳定，易于点的保存为了较长期地保存点位，为了较长期地保存点位，GPS控制点一般应设置具有中心标控制点一般应设置具有中心标志的标石，精确地标志点位，点的标石和标志必须稳定、坚固。志的标石，精确地标志点位，点的标石和标志必须稳定、坚固。最后，应绘制点之记、测站环视图和最后，应绘制点之记、测站环视图和GPS网图、作为提交的选网图、作为提交的选点技术资料。点技术资料。实用工程测量20.4.3GPS外业
54、观测外业观测1.GPS观测准备工作观测准备工作(1)GPS接收仪的一般性检视接收仪的一般性检视主要检查接收机给部件是否齐全、完好，紧固部件是否松动与脱落，设备的使用主要检查接收机给部件是否齐全、完好，紧固部件是否松动与脱落，设备的使用手册及资料是否齐全等。手册及资料是否齐全等。 (2)通电检验通电检验检验的主要项目包括：设备通电后有关信号灯、按键、显示系统和仪表工作检验的主要项目包括：设备通电后有关信号灯、按键、显示系统和仪表工作情况，以及自测试系统工作情况。当自测试正常后，按操作步骤进行卫星捕获与情况，以及自测试系统工作情况。当自测试正常后，按操作步骤进行卫星捕获与跟踪，以检验其工作情况。跟
55、踪，以检验其工作情况。(3)试测检验试测检验主要是检验接收机精度及其稳定性。两台主要是检验接收机精度及其稳定性。两台GPS接收机所测的基线长与标准值接收机所测的基线长与标准值比较，以确定接收机的精度和稳定性。比较，以确定接收机的精度和稳定性。实用工程测量(4)编制编制GPS卫星可见性预报及观测时段的选择卫星可见性预报及观测时段的选择GPS定位精度与观测卫星的几何图形有密切关系。卫星几何定位精度与观测卫星的几何图形有密切关系。卫星几何图形的强度越好，定位精度越高。从测观测站观测卫星的高度角图形的强度越好，定位精度越高。从测观测站观测卫星的高度角越小，卫星分布范围越大，则几何精度因子越小，卫星分布
56、范围越大，则几何精度因子GDOP值越小，定位值越小，定位精度越高，一般要求精度越高，一般要求GDOP值小于值小于6。因此，观测前要编制卫星可。因此，观测前要编制卫星可见性预报，选择最佳观测时段，拟定观测计划。见性预报，选择最佳观测时段，拟定观测计划。一般一般GPS接收机的商用数据处理系统都带有卫星可见预报软接收机的商用数据处理系统都带有卫星可见预报软件。使用软件时，需在当前子目录下存有前期观测卫星星历文件；件。使用软件时，需在当前子目录下存有前期观测卫星星历文件；调入预报软件后，输入预计观测站的概略坐标、预计观测日期和调入预报软件后，输入预计观测站的概略坐标、预计观测日期和观测卫星的高度的截止
57、角（例如观测卫星的高度的截止角（例如10或或15）。软件首先读取前期卫）。软件首先读取前期卫星星历文件的卫星日程表（即含有所有星星历文件的卫星日程表（即含有所有GPS卫星的概略星历），卫星的概略星历），软件按预计观测日期计算卫星位置，再利用测站坐标计算卫星高软件按预计观测日期计算卫星位置，再利用测站坐标计算卫星高度角，选取高度角大于高度的截止角的所有卫星进行预报，按时度角，选取高度角大于高度的截止角的所有卫星进行预报，按时间顺序列出所有可见卫星信息。间顺序列出所有可见卫星信息。根据卫星的几何精度根据卫星的几何精度GDOP的变化情况，可以选择最佳时间段。的变化情况，可以选择最佳时间段。进一步安排
58、观测卫作的进程表及接收机的调度计划。进一步安排观测卫作的进程表及接收机的调度计划。实用工程测量2.观测工作观测工作观测工作包括：天线安置，观测工作包括：天线安置，GPS接收仪安置与操作，气接收仪安置与操作，气象参数测定，测站记录等。象参数测定，测站记录等。（1）天线安置）天线安置天线的精确安置是实现精密定位的前提条件之一。一般情天线的精确安置是实现精密定位的前提条件之一。一般情况下，天线应尽量利用三脚架安置在标志中心的垂线方向上，况下，天线应尽量利用三脚架安置在标志中心的垂线方向上，直接对中；天线的圆水准泡必须居中；天线定向标志线应指直接对中；天线的圆水准泡必须居中；天线定向标志线应指向正北。
59、向正北。天线安置后，应在各观测时段的前后各量取天线高一次。天线安置后，应在各观测时段的前后各量取天线高一次。两次量高取平均值作为最后天线高。两次量高取平均值作为最后天线高。(2)安置安置GPS接收仪接收仪在离天线的适当位置的地面上安放接收仪，用电缆把接在离天线的适当位置的地面上安放接收仪，用电缆把接收仪与电源、天线及控制器连接好，确认无无误后，打开电收仪与电源、天线及控制器连接好，确认无无误后，打开电源开关，进行预热和静置。源开关，进行预热和静置。实用工程测量(3)开机观测开机观测 观测的主要任务，是捕获观测的主要任务，是捕获GPS卫星信号并对其进行跟踪、接收和处理卫星信号并对其进行跟踪、接收
60、和处理信号，以获取所需的定位观测数据。其主要步骤如下：信号，以获取所需的定位观测数据。其主要步骤如下：(a)开机后检查各指示灯与仪表显示是否正常，若正常开始自测试。开机后检查各指示灯与仪表显示是否正常，若正常开始自测试。(b)按测量功能键，接收机开始搜索卫星，输入测站参数，等待开测按测量功能键，接收机开始搜索卫星，输入测站参数，等待开测命令。命令。(c)按测量键开始同步观测，并注意有关信息。按测量键开始同步观测，并注意有关信息。按测量键显示测站的地理坐标、累计数据采集时间、按测量键显示测站的地理坐标、累计数据采集时间、PDOP值、可视值、可视卫星和锁定卫星的数量。观测过程中，通过显示屏随时了解
61、作业进程。卫星和锁定卫星的数量。观测过程中，通过显示屏随时了解作业进程。(4)观测记录与测量手簿观测记录与测量手簿观测记录由观测记录由GPS接收机自动形成，自动记录在存储介质（如接收机自动形成，自动记录在存储介质（如PCMCIA卡等）上，其内容有卡等）上，其内容有GPS卫星星历及卫星钟差参数、伪距观测值等。至卫星星历及卫星钟差参数、伪距观测值等。至于测站的信息，包括测站点点号、时段号、天线高等，通常是由观测人于测站的信息，包括测站点点号、时段号、天线高等，通常是由观测人员手工输入接收机。员手工输入接收机。测量手簿在观测过程中由观测人员填写，不得测后补记。手簿的内容测量手簿在观测过程中由观测人员
62、填写，不得测后补记。手簿的内容还包括天气状况、气象元素、观测人员等内容还包括天气状况、气象元素、观测人员等内容。实用工程测量20.4.4成果检核与数据处理成果检核与数据处理 1.1.将观测数据下载到计算机中，并计算将观测数据下载到计算机中，并计算GPSGPS基线向量，基基线向量，基线向量的解算软件一般采用仪器厂家提供的软件。线向量的解算软件一般采用仪器厂家提供的软件。 2. 2.对解算成果进行检核，常见的有同步环和异步环的检测。对解算成果进行检核，常见的有同步环和异步环的检测。根据规范要求的精度，剔除误差大的数据，必要时还需要进行根据规范要求的精度，剔除误差大的数据，必要时还需要进行重测。重测。 3. 3.将基线向量组网进行平差了。平差软件可以采用仪器厂将基线向量组网进行平差了。平差软件可以采用仪器厂家提供的软件，也可以采用通用数据格式的第三方软件或自编家提供的软件，也可以采用通用数据格式的第三方软件或自编软件。软件。 4. 4.通过平差计算，最终得到各观测点在指定坐标系中的坐通过平差计算，最终得到各观测点在指定坐标系中的坐标，并对坐标值的精度进行评定。标，并对坐标值的精度进行评定。
