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1、第8章 全球卫星定位测量,8.1 全球卫星定位系统的组成8.2 GPS卫星定位的基本原理与方法8.3 GPS小区域控制测量,8.1 全球卫星定位系统的组成,全球卫星定位系统（GPS）是Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System的字母缩写词NAVSTAR/GPS的简称，其含义为“授时、测距导航系统/全球定位系统”。,全球卫星定位系统共由三部分组成，即空间部分（由GPS卫星组成）、地面监控部分（由若干地面站组成）和用户部分（以接收机为主体）。三部分有着各自独立的功能和作用，但又缺一不可，全球定位系统是一个有机配
2、合的整体系统。,（1）GPS卫星星座,空间星座部分,（2）GPS卫星,GPS卫星是由洛克韦尔国际公司空间部研制的。,1.卫星重843.68kg（包括310kg燃料）,2.卫星主体采用铝蜂巢结构，直径为1.5m。,3.两块双叶对日定向太阳能电池帆板，长5.33m，接受日光面积7.2m2。在为卫星提供电力的同时给三组15AH的镉镍蓄电池充电。,4.星体底部装有由12个单元构成多波束定向天线，波束方向图能覆盖约半个地球。,5.星体两端面上装有全向遥测遥控天线，用与地面监控网通信。,6.卫星上装有姿态控制系统和轨道控制系统。卫星的设计寿命为7.5年。,（3）在GPS系统中卫星的作用,1.在L波段的两个
3、无线载波(19cm和24cm波)向广大用户连续不断地发送导航定位信号。2.在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站用 S 波段（10cm波段）不断发送到卫星的导航电文和其他有关信息。3.接收地面注入站发送到卫星的调度命令（其命令由主控站传来的），适时地改正运行偏差或启用备用时钟等。,GPS地面监控部分,1个主控站,3个注入站,5个监测站,斯平士,阿松森岛,狄哥伽西亚,卡瓦迦兰,夏威夷岛,地点：位于科罗拉多的斯平士(Colorado Springs)的联合空间执行中心(CSOC),（一）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、传输、诊断、编辑等。,（二）注入站,地点：三个站分
4、别设大西洋的阿松森(Ascension)岛、印度洋的狄哥伽西亚(Diego Garcia)和太平洋的卡瓦迦兰(Kwajalein)的三个美国军事基地上。,设备：一台直径3.6m的天线，一台S波段发射机和一台计算机。,作用：将主控站传送的卫星导航电文注入各个卫星，并监测注入信息正确性，每天注入3次，每次注入14天的导航电文。,（三）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 主控站提供观测数据。,设备：监测站有双频GPS接收机，对每颗卫星长年连续不断地进行观测，每6秒进行一次伪距测量和积分多普勒观测，采集气象要素等数据,监测站是一种无人值守的数据采集中心，受主控站的控制，定
5、时将观测数据送往主控站。5个监测站分布在美国本土和三大洋的美军基地上，保证了全球GPS定轨的精度要求。由这5个监测站提供的观测数据形成了GPS卫星实时发布的广播星历。,地点：5个监测站：除一个主控站、三个注入站兼作外，还有一个在夏威夷岛,=,用户部分观测和记录由若干卫星发送的数据,并运用数学方法求得三维空间位置以及时间和速度,GPS用户部分,用户部分包括用户组织系统和根据要求安装相应的设备，但其中心设备是GPS接收机。它是一种特制的无线电接收机，用来接收导航卫星发射的信号，并以此计算出定位数据。,TOPCON产品,南方仪器厂,8.2 GPS卫星定位的基本原理,8.2.1 GPS卫星信号的组成,
6、1.载波信号 L1载波，波长=19.03cm，频率f1=1575.42MHZ L2载波，波长=24.42cm，频率f2=1227.6OMHZ。2.测距码 C/A码（粗码/捕获码）：调制在L1载波上。结构公开，不同的卫星有不同的C/A码。P码（精码）：调制在L1和L2载波上。3.数据码（D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。,GPS所有的信号都是在同一基本频率控制下产生的,基本频率10.23MHz,L11575.42MHz,C/A码1.023MHz,P码10.23MHz,数据码（D码）50BPS,L2122
7、7.60MHz,P码10.23MHz,204600,1,10,154,120,数据码（D码）50BPS,8.2.2 GPS的常用坐标系,原点：是地球的质心Z 轴：指向国际时间局BIH1984.0定义的协议地球北极（CTP）方向,Y轴：垂直于ZOX平面且与Z、X轴构成右手坐标系,WGS-84世界大地坐标系：,X 轴：指向BIH1984.0的零 子午面 和CTP相对应的赤道的交点,8.2.3 GPS定位原理,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。,通过导航电文解译出三颗卫星的坐标，通过测量求出三颗卫星到测站的距离i，用距离交会即可求出测站点的坐标（X，Y，Z）。,式
8、中：X1、Y1、Z1，X2、Y2、Z2表示第1、2、3颗卫星的坐标。,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，与测站坐标一起解算。这样，在一个观测站上要解出4个未知参数，即3个点位坐标分量和1个钟差参数，就至少同时观测4颗卫星。一般来说，利用C/A码进行实时绝对定位，各坐标分量精度在510m。,8.2.4 伪距测量与载波相位测量,1.伪距测量 伪距法定位在某一时刻，由GPS接收机测出其到4颗以上GPS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。伪
9、距由卫星发射的测距码信号到达GPS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有一定的差值，因此一般称量测出的距离为伪距。用C/A码进行测量的伪距为C/A码伪距；用P码进行测量的伪距为P码伪距。,2.载波相位测量,波长：L1 信号的波长为19.03 cm。L2 信号的波长为24.42 cm。,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 可以达到很高的精度，目前可达到12mm。,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
10、 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。,8.2.5 GPS定位方法,GPS定位的方法有多种，根据接收机的运动状态可分为静态定位和动态定位，根据定位的模式又可分为绝对（单点）定位和相对定位（差分定位），按数据的处理方式可分为实时定位和后处理定位。,1.绝对定位：它是利用一台接收机观测卫星，独立地确定出自身在WGS84地心坐标系的绝对位置。这一位置在WGS84坐标系中是唯一的，所以称为绝对定位。因为利用一台接收机能完成定位工作，又称为单点定位。,绝对定位的优点是只需一台接收机即可独立定位，外业观测的组织和实施比较方便，数据处理比较简单；缺点是定位精度低，受各种误
11、差的影响比较大，只能达到米级。,2.相对定位：它是利用不同地点的接收机同步跟踪相同的GPS卫星信号，确定若干台接收机之间的相对位置。,相对定位测量是相对于某一已知点的位置，而不是在WGS84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GPS接收机。,由于同步观测相同的卫星，卫星的轨道误差，卫星的钟差，接收机的钟差以及电离层、对流层的折射误差等对观测量具有一定的相关性，因此利用这些观测量不同组合，进行相对定位，可以有效的消除削弱上述误差的影响，从而提高定位精度。,3.实时定位和后处理定位 对GPS信号的处理，从时间上可划分为实时处理及后处理。实时处理就是一边
12、接收卫星信号，一边进行计算。后处理是指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以进行定位的方法。4.静态定位和动态定位 所谓静态定位，就是待定点的位置在观测过程中固定不变。所谓动态定位，就是待定点在运动载体上，在观测过程中是变化的。动态定位的特点是可以测定一个动态点的实时位置，多余观测量少，定位精度较低。静态相对定位的精度一般在几毫米到几厘米范围内，动态相对定位的精度一般在几厘米到几米范围内。,随着快速静态测量、准动态测量、动态测量，尤其是实时动态定位测量工作方式的出现，GPS在测绘领域中的应用开始深入到各种测量工作之中。实时动态定位测量，即GPS RTK测量技术（其中RTK为实
13、时动态的意思，英文是Real Time Kinematic）。GPS RTK测量技术原理：在两台GPS接收机之间增加一套无线通信系统（又称数据链），将两台或多台相对独立的GPS接收机联成有机的整体。基准站（安置在己知点上的GPS接收机）通过电台将观测信息、测站数据传输给流动站（运动中的的GPS接收机），如下图,5.实时动态定位测量,GPS RTK测量技术,1.定位精度高 实践证明：伪距观测单点实时定位精度，P码为10m左右，C/A码为40m左右，若事后处理精度可达35m。载波相位测量，相对定位精度可达10-610-7。在3001500m工程精密定位中，1小时以上的观测，解其平面位置误差小于1m
14、m。2.观测时间短 目前，20km以内的相对静态定位，仅需1520分钟，实时动态定位时，每个流动站与基准站相距在15km以内时，流动站观测只需12分钟。3.全天候全球覆盖 由于GPS有24颗卫星，且分布合理，轨道高达20200km，所以地球上任何地方在任何时间至少都可以同时观测到4颗GPS卫星，因而可以提供全天侯的导航定位服务。由于用户只需接收GPS信号，无需发射任何信号，因此，隐蔽性能好，可同时容纳无限量用户使用的特点。,8.2.6 GPS系统定位的特点,4.测站间无需通视 GPS定位测站间无需通视，只需测站上空较为开阔即可，因而节省了大量造标费用，并且选点灵活，可稀可密，。5.操作简便 随
15、着GPS接收机的不断改进，自动化程度越来越高，接收机体积越来越小，重量越来越轻，操作十分简便，使野外工作变得轻松愉快。6.功能多，应用广 GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1m/s，测时的精度可达几十毫微秒。应用领域从军事、公安到民用各个部门，交通、邮电、石油、煤矿、建筑、气象、地质、测绘、农业、林业、水利、土地管理等都有十分广泛的应用。,8.3 GPS小区域控制测量,8.3.1 GPS控制网的技术设计 1.充分考虑建立控制网的应用范围 2.采用的布网方案及网形设计 适当地分级布设GPS网 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
16、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，也可采用路线形式。,3.GPS测量的精度标准 国家测绘局1992年制订的我国第一部“GPS测量规范”将GPS的测量精度分为AE五级，以适应于不同范围、不同用途要求的GPS工程。,4.坐标系统与起算数据 在GPS网的技术设计中，必须说明GPS网的成果所采用的坐标系统和起算数据。空间相似变换求得7个待定系数：3个平移参数、3个旋转参数和1个缩放参数。5.GPS点的高程 GPS测定的高程是WGS-84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GPS点的正常高，应使一定数量的GPS点与水准点重
17、合，或者对部分GPS点联测水准。若需要进行水准联测，则在进行GPS布点时应对此加以考虑。,8.3.2 选点与建立点位标志 选定GPS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），其距离不小于400m；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，并尽量避开大面积水域；4.交通方便，有利于其他测量手段扩展和联测；5.地面基础稳定，易于点的保存 为长期保存点位，GPS控制点应设置标石，应绘制点之记、测站环视图和GPS 网图、作为提交的选点
18、技术资料。,8.3.3 GPS外业观测1.准备工作,(1)检查 GPS接收仪的检查可分为一般性检视、通电检验和试测检验。主要判断仪器能否正常稳定工作。(2)编制GPS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GDOP值（Geomatic Dilution Of Precision）越小，定位精度越高，一般要求GDOP值小于6。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。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件。,(2)量
19、取GPS接收机的仪器高度 在观测前后各量取仪器高h一次，量至毫米，较差不应大于3mm，直接输入仪器高h，仪器内处理软件可自动计算天线高H。,（1）GPS接收仪的安置 打开仪器箱，取出基座及对中器，将其安放在脚架上，在测站标志点上对中、整平基座。从仪器箱中取出接收机，将其安放在对中器上，并将其锁紧。,2.观测工作 观测工作包括：GPS接收仪安置，气象参数测定，测站记录等。下面以我国南方NGS-9600为例略加说明。,(3)开机观测 任务：捕获GPS卫星信号并对其进行跟踪、接收和处理，以获取所需的定位观测数据。南方NGS-9600有三种观测模式：智能模式、手动模式和节电模式。在“智能”模式下，软件
20、自动判断卫星定位状态和PDOP值。(4)观测记录与测量手簿 观测记录由GPS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GPS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。手簿的内容还包括天气状况、气象元素、观测人员等内容。,其智能模式的观测步骤如下：(a)按下电源开关“开关”键，进入初始界面。,(b)按下“智能”键按钮，选择“智能”模式进入主界面。,锁定的卫星变为黑色显示，只捕捉而未锁定的可视卫星为白色显示，卫星几何精度因子PDOP值显示在该界面
21、下。界面右侧显示标准北京时间，已记录采集GPS星历数据的时间(单位为分钟、秒)，内存剩余空间，采用的电源及电量。,主界面,(c)按下F3“测量”键，进入“测量”功能子界面，可看到接收机状态，测站的经纬度坐标、定位模式、精度因子等。,主界面,测量子界面,(d)在测量功能子界面中，按下“点名”键，进入“点名输入”功能子界面。,输入点名：给将要记录的数据命名文件名 输入时段长度：（对于四等、一级、二级要求 45min，三等60min，一90min）输入测站仪器高：最后按“确定”键。在此界面上，按下“”键，可选择09中的某一字符，按“”键，可移动光标。按“AZ”键，可选择A至Z中的某一字符。,测量子界
22、面,点名子界面,(e)点名子界面输入完成后，按 F4“确定”键，返回测量功能子界面，接收机就开始采集数据，当数据采集时间满足要求后，在测量功能子界面中按“返回”键，退回主界面，按“开关”键关机。,测量子界面,点名子界面,观测记录由GPS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：GPS卫星星历及卫星钟差参数；伪距观测值、载波相位观测值、相应的GPS时间。,测量手簿在观测过程中由观测人员填写，不得测后补记。手簿的内容还包括天气状况、气象元素、观测人员等内容。,8.3.4 成果检核与数据处理 1.将观测数据下载到计算机中，并计算GPS基线向量，基线向量的解算软件一般可用仪器厂家提供的软件。2.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，必要时还需要进行重测。3.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软件。4.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。,
