1、GPSGPS测量基本知识测量基本知识工程测量 第7章第7章 GPSGPS测量基本知识测量基本知识7.1 概述7.2 GPS测量基本原理 7.3 GPS测量外业组织及实施传统测量手段传统测量手段传统测绘技术与现代测绘技术传统测绘技术与现代测绘技术 英文全称是 NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Position System（导航星测时与测距全球定位系统），简称 GPS 有时也被称作NAVSTAR GPS。 美国国防部负责开发 空基全天侯导航定位系统 用以满足军方在地面或近地空间内获取目标或载体的位置、速度和时间信息的要求 也可为民间用户
2、提供类似但受限的免费服务 7.1 7.1 概述概述一、系统组成一、系统组成 空间部分 地面监控部分 用户部分用户部分用户部分主控站主控站USCG空间部分空间部分地面天线地面天线一一 GPSGPS系统介绍系统介绍 24-27颗卫星 轨高：21000km 6个轨道平面（一）空间部分（一）空间部分 主控站(1)+监控站(5)+注入站(3)（二）地面监控部分（二）地面监控部分 主控站：主控站：处理各监控站对GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正数等；对卫星进行控制，向卫星发布指令，主控站也具有监控站的功能。 监控站：监控站：接收卫星信号，监测卫星的工作状态。 注入站：注入站：将主控站计算出的
3、卫星星历和卫星钟改正数等注入到卫星中地面监控部分的功能地面监控部分的功能 配有配有GPSGPS信号接收装置并利用信号接收装置并利用GPSGPS观测值来定位，观测值来定位，导航，定时的用户（民用导航，定时的用户（民用+ +军用）军用）（三）用户部分（三）用户部分（1 1）按工作原理分：）按工作原理分： 码相关型接收机 平方型接收机 混合型接收机（2 2）按信号通道类型分：）按信号通道类型分： 多通道接收机 序贯通道接收机 多路复用通道接收机（3 3）根据接收信号的频率分：）根据接收信号的频率分：n单频接收机（L1）n双频接收机（L1+L2）（4 4）根据接收机的用途分：）根据接收机的用途分：n导
4、航型n测量型n授时型接收机的分类接收机的分类常用的接收机品牌常用的接收机品牌 高精度测量型 Trimble Leica Ashtech Topcon 导航型 Garmin Magellan 作业范围作业范围：全球地面覆盖，无须通视 作业时间：作业时间：实时，全天候 成果精度成果精度：精度高 劳动强度劳动强度：自动化程度高 三维坐标三维坐标：真三维坐标GPSGPS的特点的特点GPSGPS测量的时间系统和坐标系统测量的时间系统和坐标系统SIATGPST19时间系统：坐标系统: WGS-847.2 GPS7.2 GPS测量基本原理测量基本原理一、一、GPSGPS信号信号 GPS卫星发射两种频率的载波
5、信号： L1：10.23MHZ*154；波长19cm L2：10.23MHZ*120；波长24.42cm在L1和L2上又分别调制了:测距码（C/A码，P码）+ 数据码 C/A码（米）：一个码元宽度对应距离293米，测距误差（1/100）2.93米 P码（米）；一个码元宽度对应距离29.3米，测距误差（1/100）0.293米 L1载波相位 L2载波相位 导航电文（星历）（实时广播星历）+（事后精密星历）二二 、GPS定位的常用观测值L1L1载波相位观测值载波相位观测值L2L2载波相位观测值载波相位观测值调制在调制在L1L1上的上的C/AC/A码伪距码伪距调制在调制在L1L1上的上的P P码伪距
6、码伪距调制在调制在L2L2上的上的P P码伪距码伪距L1L1上的多普勒频移上的多普勒频移L2L2上的多普勒频移上的多普勒频移 实际上，在进行GPS定位时，除了大量地使用上面的观测值进行数据处理以外，还经常使用由上面的若干种观测值通过某些组合而形成的一些特殊观测值，如宽巷观测值（Wide-Lane）、窄巷观测值（Narrow-Lane）、消除电离层延迟的观测值（Ion-Free）来进行数据处理。三三 GPSGPS定位模式定位模式 定位模式定位模式 绝对定位(静态与动态) 相对定位(静态与动态) 差分定位四、伪距测量与载波相位测量四、伪距测量与载波相位测量)()()(0IntNttjikijkjk
7、tbtatropioncvcv 五、绝对定位五、绝对定位222222222222)()()()()()()()()(CCCCBBBBAAAAzzyyxxzzyyxxzzyyxx需要线性化需要线性化该观测方程该观测方程六、相对定位六、相对定位)()()(12tttjjj)()()()()()()(1212tttttttjjkkjkk)()()()()()()()()()()(111211122122212212tttttttttttjjkkjjkkkkk单差：（一）与卫星有关的误差（一）与卫星有关的误差 卫星轨道误差卫星轨道误差 卫星钟差卫星钟差七、七、 GPSGPS测量的误差来源测量的误差来源
8、（二）与传播途径有关的误差（二）与传播途径有关的误差 电离层折射电离层折射 对流层折射对流层折射 多路径效应多路径效应（三）与接收设备有关的误差（三）与接收设备有关的误差 接收机钟差接收机钟差 接收机软件和硬件产生的误差接收机软件和硬件产生的误差 接收机天线相位中心的偏差及变化接收机天线相位中心的偏差及变化相对的天线相位中心的偏差及变化相对的天线相位中心的偏差及变化绝对的天线相位中心的偏差及变化绝对的天线相位中心的偏差及变化（四）其它影响（四）其它影响 地球潮汐 固体潮 负荷潮（海潮，大气负荷） 数据处理软件的影响 数据处理软件的算法不完善 一、 GPS控制网分类 一类是：国家或区域性的高精度
9、的GPS控制网，相邻点的距离通常是从数千公里至数百公里，其主要任务是作为高精度三维国家大地测量控制网，以获得国家大地坐标系与世界大地坐标系的转换参数，为地学和空间科学等方面的科学研究工作服务；或者是对GPS网进行重复观测，用以研究地区性的板块运动或地壳形变规律等问题。 另一类是：局部性的GPS控制网，包括城市或矿区GPS控制网，或其它工程控制网。相邻点间的距离为几公里至几十公里，其主要任务是直接为城市建设或工程建设服务。7.3 GPS7.3 GPS测量外业组织及实施测量外业组织及实施7.3.1 GPS7.3.1 GPS网的技术设计网的技术设计二、二、GPSGPS控制网布设原则控制网布设原则 1
10、. GPS网一般应通过独立观测边构成闭合图形,以增加检核条件，提高网的可靠性。2. GPS网点应尽量与原有地面控制点相重合。重合点一般不应少于3个，且在网中应分布均匀，以便可靠地确定GPS网与地面网之间的转换参数。3. GPS网点应考虑与部分水准点相重合，以便为大地水准面的研究提供资料。4. 为了便于观测和水准联测，GPS网点一般应设在视野开阔和容易到达的地方。5. 为了便于用经典方法联测或扩展，可在网点附近布设一通视良好的方位点，以建立联测方向。方位点与观测站的距离一般要大于300m。 级别项目二等三等四等一级二级固定误差a/mm1010101015比例误差系数b/ppm25101020相邻
11、点平均距离/km95211闭合环或附合路线的边数/条68101010全球定位系统城市测量技术规程全球定位系统城市测量技术规程 三、三、GPSGPS测量精度分级测量精度分级 四、四、GPSGPS网形设计网形设计五、选点和埋石五、选点和埋石 视等级要求进行埋石六、坐标系统和起算数据六、坐标系统和起算数据 GPS测量结果：WGS-84坐标 控制网成果：国家坐标或地方独立坐标7.3.2 7.3.2 外业组织外业组织1选择作业模式。2GPS卫星预报和观测调度计划。3天线安置。4观测作业。5观测记录与测量手簿。7.3.3 7.3.3 数据处理及成果检核数据处理及成果检核1GPS基线向量的计算及检核2GPS
12、网平差（无约束平差和约束平差）3. 提交成果n技术设计说明书n卫星可见性预报表和观测计划nGPS网示意图nGPS观测数据nGPS基线解算结果nGPS基点的WGS-84坐标nGPS基点的国家坐标中的坐标或地方坐标系中的坐标 GPSGPS应用（简介）应用（简介）一、军事方面的应用一、军事方面的应用1. 1. 导弹制导导弹制导2.2.炮兵定向炮兵定向3.3.单兵导航单兵导航二、交通运输中的应用二、交通运输中的应用1. 1.车载导航系统车载导航系统GPS+无线数据通讯技术GPS+便携电话GPS+卫星通讯电话GPS+无线电台银行车、救护车、救火车、公共汽车、出租车、保险业。电台电台监视屏监视屏计算机计算机2.2.动态目标监控动态目标监控3.3.车辆跟踪系统车辆跟踪系统4.4.飞机导航飞机导航5.5.水路交通水路交通三、测绘领域中的应用三、测绘领域中的应用IGS的GPS卫星跟踪网络1. 1.地球动力学板块运动监测地球动力学板块运动监测2.2.形变监测形变监测四、四、GPSGPS与精准农业与精准农业五、五、GPSGPS精密定轨精密定轨A地基GPS大气探测GPS掩星（空基GPS探测）六、大气科学六、大气科学
