第01章 GPS测量原理与应用

第一章绪论第一节GPS卫星定位技术的发展第二节GPS系统组成第三节GPS在国民经济建设中的应用第一节GPS卫星定位技术的发展1.人类最初的导航，只能通过石头，树，山脉等作为参照物，渐渐发展到天文观测法，即通过天上的太阳，月亮和星星来判断位置。而中国四大发明之一的指南针是人类导航领域的一个里程碑。2.20世纪20年代，第一个无线电导航系统-无线电信标的问世，开创了海洋船舶和航空飞行器导航的新篇章；3.1957年10月4日，原苏联成功发射了世界上第一颗人造地球卫星，开创了空间技术造福人类的新时代。东方红一号卫星第一颗人造卫星斯普特尼克1957年10月4日由P-7捆绑式洲际导弹送入轨道，正常工作了3个月第一节GPS卫星定位技术的发展在卫星定位系统出现之前，远程导航与定位主要用无线导航系统。一、无线电导航系统

1.罗兰--C：工作在100KHZ，由三个地面导航台组成，导航工作区域2000km，一般精度200-300M。2.Omega（奥米茄）：工作在十几千赫，由八个地面导航台组成，可覆盖全球，精度几英里。

3.多卜勒系统：利用多卜勒频移原理，通过测量其频移得到运动物参数（地速和偏流角），推算出飞行器位置，属自备式航位推算系统，误差随航程增加而累加。缺点：覆盖的工作区域小；电波传播受大气影响；定位精度不高。

第一节GPS卫星定位技术的发展二、早期的卫星定位技术早期的卫星定位技术主要有两种方法：

（１）卫星三角网：在地面上布设一系列连续三角形，采取测角方式测定各三角形顶点水平位置的方法。它是几何大地测量学中建立国家大地网和工程测量控制网的基本方法之一，由荷兰的斯涅耳(W.snell)于1617年首创。（２）卫星测距网：用安置在地面的测距仪向卫星发射无线电脉冲，并接收由卫星反射回来的脉冲，测量脉冲往返所经过的时间，从而计算测站至卫星的距离。第一节GPS卫星定位技术的发展三、子午卫星导航系统的应用及其缺陷第一代卫星电子导航系统的代表是美国海军武器实验室委托霍普金斯大学应用物理实验室研制的海军导航卫星系统（NavyNavigationSatelliteSystem—NNSS）。在该系统中卫星的轨道都通过地极，故也称“子午仪（Transit）卫星系统”。1964年该系统建成后即被美国军方使用，1967年将星历解密而提供民用服务。实践表明子午仪卫星系统具有精度均匀、不受时间和天气限制等优点，只要系统的卫星在视界内，就可在地球表面任何地方进行单点定位或联测定位，从而获得观测点的三维地心坐标。

第一节GPS卫星定位技术的发展子午仪卫星导航系统的缺陷

尽管子午仪卫星系统具有以往导航系统所无法比拟的优越性，但也存在一些严重的缺陷，这主要是由于该系统卫星数目较少（5～6颗），运行高度较低（平均约为1000Km），从地面观测到卫星的时间间隔较长（平均1.5小时），因而无法连续地提供实时三维定位信息，难以充分满足军事用户和某些民事用户的定位要求。第一节GPS卫星定位技术的发展四、GPS全球定位系统的建立

GPS实施计划共分三个阶段：

第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。

第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。

第一节GPS卫星定位技术的发展第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日，第一颗GPS工作卫星发射成功，宣告了GPS系统进入了工程建设阶段，这种工作卫星称为BlockⅡ和BlockⅡA型卫星。这两组卫星差别是：BlockⅡ只能存储14天用的导航电文（每天更新三次）；而BlockⅡA卫星能存储180天用的导航电文，确保在特殊情况下使用GPS卫星。实用的GPS网即(21+3)GPS星座已建立，今后将根据计划更换失效的卫星。

第一节GPS卫星定位技术的发展五、GLONASS（theGlobalNavigationSatelliteSystem）全球导航卫星系统

本世纪70年代，作为对美国宣布建立和发展GPS的反应，前苏联国防部构想了GLONASS。该系统是82年底由前苏联开始承建，期间因苏联解体，几经周折最后由俄罗斯于96年建成全球导航定位系统。在1993年，俄罗斯政府正式将GLONASS交由俄空军（VKS）负责。VKS负责GLONASS的航天器部署及在轨维护，并通过科学信息中心将GLONASS的信息传播给公众。第一节GPS卫星定位技术的发展在80年代，GLONASS的信息鲜为人知，除了卫星轨道的一般特征和传送导航信息的频率之外，前苏联国防部未披露任何其它信息。然而，Leeds大学的PeterDaly教授和它的研究生们经过努力，侦察出了GLONASS卫星信号结构的一些细节。随着前苏联的解体，俄罗斯解密了界面控制文件（theInterfaceControlDocument：ICD）。ICD描述了系统及其组成，信号结构以及供民用的导航信息。1995年11月4日在加拿大蒙特利尔国际民用航空组织第二次会议上，俄罗斯将其最新版本的ICD交给大会的导航卫星系统讨论组。自此，有关GLONASS的信息越来越明朗。第一节GPS卫星定位技术的发展GLONASS卫星系统的组成：

与GPS一样，GLONASS也由三部分组成：空间部分；控制部分；用户部分。第一节GPS卫星定位技术的发展1、GLONASS卫星星座（空间部分）由分布在三个独立椭圆轨道的24颗GLONASS卫星组成（另加1颗备用卫星），平均每个轨道上分布8颗卫星，各轨道升交点的赤经相差120°；轨道偏心率e=0.01；卫星轨道倾角i=64.8°；卫星运行周期T=11h15m（恒星时11.28小时）；卫星高度H=19100km；卫星设计的使用寿命为4.5年，直至1995年卫星星座布成，经过数据加载、调整和检验，已于1996年1月18日整个系统正式运转。GLONASS卫星星座第一节GPS卫星定位技术的发展2.地面系统：

地面控制站组（GCS）设有1个系统控制中心（在莫斯科区的Golitsyno-2），1个指令跟踪站（CTS），整个跟踪网络分布于俄罗斯境内；CTS跟踪遥测着所有GLONASS可视卫星，对其进行测距数据的采集和处理，并向各卫星发送控制指令和导航信息。第一节GPS卫星定位技术的发展3.用户设备

接收GLONASS卫星信号并测量其伪距和速度，同时从卫星信号中选出并处理导航电文。接收机中计算机对所有输入数据处理并量算出位置坐标的三个分量、速度矢量的三个分量和时间。

项目：GPS系统GLONASS系统

星座卫星数：2424

轨道面个数：63

轨道高度：20183公里19100公里

运行周期：11小时58分11小时15分

轨道倾角：55度65度

载波频率：L1:1575.42MHzL1:1602.56-1615.50MHz

L2:1227.60MHzL2:1246.44-1256.50MHz

传输方式：码分多址频分多址

调制码：C/A-码和P-码S码和P码

时间系统：UTCUTC

坐标系统：WGS-84SGS-E90

SA：有（2000年5月1日取消）无

AS：有无第一节GPS卫星定位技术的发展GPS+GLONASS系统：

1.可见卫星数增加一倍：GLONASS卫星星座组网完成后，可用于导航定位的卫星总数将增加一倍。在地平线以上的可见卫星数纯GPS系统时，一般为7-11颗；GPS+GLONASS系统则可达到14-20颗。

2.提高观测结果的可靠性：用卫星系统进行测量定位的观测结果的可靠性主要决定于用于定位计算的卫星颗数。第一节GPS卫星定位技术的发展

3.提高生产效率：观测时间越长或可观测到的卫星数越多，则用于求解载波相位整周模糊度的数据也就越多，求解结果的可靠性越好。

4.提高观测结果的精度：观测卫星相对于测站的几何分布(DOP值)直接影响观测结果的精度。第一节GPS卫星定位技术的发展六、伽利略（Galileo）GNSS系统

欧盟在1999年2月首次提出“伽利略”计划。计划分成四个阶段：论证阶段，时间为2000年；系统研制和在轨确认阶段，包括研制卫星及地面设施，系统在轨确认，时间为2001年至2005年；

第一节GPS卫星定位技术的发展

星座布设阶段，包括制造和发射卫星，地面设施建设并投入使用，时间为2006年至2007年；运营阶段，从2008年开始。

2000年度的论证工作为“伽利略”计划勾画出一个轮廓。论证报告指出，计划投入32.5亿欧元的资金，服务范围覆盖全球，可以提供导航、定位、时间、通信等项服务。其服务方式包括开放服务、商业服务与官方服务三个方面。第一节GPS卫星定位技术的发展

系统组成：卫星星座：由3个独立的圆形轨道，30颗GNSS卫星组成（27颗工作卫星，3颗备用卫星）。卫星的轨道倾角i=56°；卫星的公转周期T=14h23m14S恒星时；轨道高度H=23616km。地面系统：在欧洲建立2个控制中心；在全球构建监控网。定位原理：与GPS相同。定位精度：导航定位精度比目前任何系统都高。第一节GPS卫星定位技术的发展

提供服务

ㆍ免费信号使用服务：OSA(开放服务)

ㆍ收费信号使用服务：CAS(管制服务)

-CAS1:商业性服务

-CAS2-SAS:高精密服务

CAS2-GAS:用于非民用领域的政府服务(使用密码的信号)第一节GPS卫星定位技术的发展

七、双星导航定位系统（北斗一号）

1982年7月，美国L.A.Lvarez和C.Trophy及F.Rose三位科学家提出主动式卫星导航通信系统，并于1982年12月完成了总体设计，定名为GEOSTAR。该系统是一个局域实时导航定位系统，据1991年9月的报导，由于GEOSTAR系统缺乏竞争能力，拟投资的用户日渐减少，最后不得不中断该系统的建设。第一节GPS卫星定位技术的发展

我国类似GEOSTAR系统的双星导航定位系统（北斗一号），已于2000年底发射了两颗同步静止定位卫星，并完成了大量的测试工作。该系统的第三颗同步静止定位卫星，在2003年5月25日发射，于6月3日5时顺利定点，系统大功告成。第一节GPS卫星定位技术的发展1.双星导航定位系统的组成:

（1）卫星星座：由3颗同步静止卫星组成（其中1颗在轨备用）。轨道倾角i=0°；公转周期T=24h恒星时；轨道高度H=36000km。（2）地面系统：一个中心站：负责系统测控、定位信号的发射与接收、用户坐标的解算与发布、双向授时等。第一节GPS卫星定位技术的发展2.双星导航定位系统的技术特点：（1）服务区域：70°-145°E；5°-55°N

（2）用户设备：定位收发机的瞬间发射功率较大。（3）定位精度：平面精度±20m；垂直精度±10m第一节GPS卫星定位技术的发展3.双星导航定位系统的定位原理

地面中心站通过2颗同步静止定位卫星传送测距问询信号，如果用户需要定位则马上回复应答信号。地面中心站可根据用户的应答信号的时差计算出户星距离，这样以两颗定位卫星为中心以两个户星距离为半径可作出两个定位球。而两个定位球又和地面交出两个定位圆，用户必定位于两个定位圆相交的两个点上（这两个交点一定是以赤道为对称轴南北对称的）。地面中心站求出用户坐标后，再根据坐标在地面数字高程模型读出用户高程——进而让卫星转告用户。

卫星1☆星下点1星下点2☆

定位圆1定位圆2地面中心站卫星2北斗一号定位原理第一节GPS卫星定位技术的发展

双星导航定位系统的最大优点是系统简单投资少，而最大缺点是他只能实施局域定位，接收发射机功率大且笨重还会暴露用户目标，在战时这是兵家最忌讳的事情。第二节GPS系统组成GPS系统包括三大部分：

1.空间部分—GPS卫星星座；

2.地面控制部分—地面监控系统；

3.用户设备部分—GPS信号接收机。第二节GPS系统组成

一、GPS卫星星座

1.工作卫星

GPS工作卫星及其星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间相距60度，即轨道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度，一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度。ＧＰＳ卫星星座GPSBLOCKIIR卫星第二节GPS系统组成2.定位星座与间隙段

定位星座：在用GPS信号导航定位时，为了结算测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座。间隙段：这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做“间隙段”。

第二节GPS系统组成

3.GPS卫星的作用

（1）用L波段的两个无线载波（19cm和24cm）向用户连续不断地导航定位信号；（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）发送到卫星的导航电文和其他有关信息，并通过GPS信号电路，适时地发送给广大用户；（3）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起用备用时钟等。第二节GPS系统组成

二、地面监控系统

对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历—描述卫星运动及其轨道的的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。第二节GPS系统组成

地面监控系统的作用（1）监控卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行；（2）保持各颗卫星处于同一时间标准（GPS时间系统）。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。第二节GPS系统组成GPS地面监控系统组成：

GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。

1.主控站：设在科罗拉多的法尔孔（Falcon）空军基地。主控站除协调和管理地面监控系统外，其主要任务是：（1）根据本站和其他监测站的所有资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数等，并把这些数据送到注入站；第二节GPS系统组成

（2）提供全球定位系统的时间基准。各测站和GPS卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，或测出其间的钟差，并把这些钟差信息编入导航电文，送到注入站；（3）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行；（4）启用备用卫星，以代替失效的工作卫星。第二节GPS系统组成2.监测站监测站是在主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双频GPS接收机、高精度原子钟、计算机各一台和若干台环境数据传感器。接收机对GPS卫星进行连续观测，以采集数据和监测卫星的工作状况。原子钟提供时间标准，而环境传感器收集有关当地的气象数据。所有观测资料有计算机进行初步处理，并存储和传送到主控站，用以确定卫星的轨道。GPS监测站分布图

GPS地面监控系统的分布监控站主控站注入站夏威夷科罗拉多阿松森迭哥加西亚卡瓦加兰第二节GPS系统组成3.注入站共有三个，分别设在印度洋的迭哥加西亚（DiegoGarcia）、南大西洋的阿松森岛（Ascension）和南太平洋的卡瓦加兰（Kwajalein）。设备：包括一台直径3.6m的天线，一台C波段发射机和一台计算机。任务：在主控站控制下将主控站推算的编制的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并检测注入星系的正确性。地面监控系统只有主控站有人值守。第二节GPS系统组成

三、用户部分

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。以上这三个部分共同组成了一个完整的GPS系统。

第二节GPS系统组成GPS接收机的基本类型分导航型和大地型。大地型接收机又分单频型和双频型。导航型GPS机手持型GPS机车载型GPS机单频机双频机第三节GPS在国民经济建设中的应用

一、GPS系统的特点

GPS系统的特点：高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等。

1.定位精度高在300-1500M工程精密定位中，1小时以上观测的解其平面其平面位置误差小于1mm，

第三节GPS在国民经济建设中的应用

2.观测时间短

当每个流动站与基准站相距在15KM以内时，流动站观测时间只需1-2分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。

3.观测时间短可节省大量的造标费用和经典大地网中的传算点、过渡点的测量工作。

4.可提供三维坐标

GPS可同时精确测定测站点的三维坐标。第三节GPS在国民经济建设中的应用5、操作简便

6、全天候作业目前GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行，不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。

7、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。第三节GPS在国民经济建设中的应用

二、GPS的应用前景

1、GPS的最初用途

GPS最初就是为军方提供精确定位而建立的，至今它仍然由美国军方控制。军用GPS产品主要用来确定并跟踪在野外行进中的士兵和装备的坐标，给海中的军舰导航，为军用飞机提供位置和导航信息等。第三节GPS在国民经济建设中的应用2、GPS系统用途广泛可以应用GPS信号可以进行海、空和陆地的导航，导弹的制导，大地测量和工程测量的精密定位，时间的传递和速度的测量等。对于测绘领域，该技术已经用于建立高精度的全国性的大地测量控制网，测定全球性的地球动态参数；用于建立陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘；用于监测地球板块运动状态和地壳形变；用于工程测量，成为建立城市与工程控制网的主要手段；用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置，实现仅有少量地面控制或无地面控制的航测快速成图。第三节GPS在国民经济建设中的应用

典型应用:Ⅰ、测量

GPS技术给测绘界带来了一场革命。利用载波相位差分技术（RTK），在实时处理两个观测站的载波相位的基础上，可以达到厘米级的精度。与传统的手工测量手段相比，GPS技术有着巨大的优势：a测量精度高。b操作简便，仪器体积小，便于携带。c全天候操作。d观测点之间无须通视。e测量结果统一在WGS84坐标下，信息自动接收、存储，减少繁琐的中间处理环节。当前，GPS技术已广泛应用于大地测量、资源勘查、地壳运动、地籍测量等领域。

第三节GPS在国民经济建设中的应用Ⅱ、交通

出租车、租车服务、物流配送等行业利用GPS技术对车辆进行跟踪、调度管理，合理分布车辆，以最快的速度响应用户的乘车或送请求，降低能源消耗，节省运行成本。GPS在车辆导航方面发挥了重要的角色，在城市中建立数字化交通电台，实时发播城市交通信息，车载设备通过GPS进行精确定位，结合电子地图以及实时的交通状况，自动匹配最优路径，并实行车辆的自主导航。民航运输通过GPS接收设备，使驾驶员着陆时能准确对准跑道，同时还能使飞机紧凑排列，提高机场利用率，引导飞机安全进离场。

第三节GPS在国民经济建设中的应用Ⅲ、救援

利用GPS定位技术，可对火警、救护、警察进行应急调遣，提高紧急事件处理部门对火灾、犯罪现场、交通事故、交通堵塞等紧急事件的响应效率。特种车辆（如运钞车）等，可对突发事件进行报警、定位，将损失降到最低。有了GPS的帮助，救援人员就可在人迹罕至、条件恶劣的大海、山野、沙漠，对失踪人员实施有效的搜索、拯救。装有GPS装置的渔船，在发生险情时，可及时定位、报警，使之能更快更即使地获得救援。

第三节GPS在国民经济建设中的应用Ⅳ、农业

当前，发达国家已开始把GPS技术引入农业生产，即所谓的"精准农业耕作"。该方法利用GPS进行农田信息定位获取，包括产量监测、土样采集等，计算机系统通过对数据的分析处理，决策出农田地块的管理措施，把产量和土壤状态信息装入带有GPS设备的喷施器中，从而精确地给农田地块施肥、喷药。通过实施精准耕作，可在尽量不减产的情况下，降低农业生产成本，有效避免资源浪费，降低因施肥除虫对环境造成的污染。

第三节GPS在国民经济建设中的应用Ⅴ、娱乐

随着GPS接收机的小型化以及价格的降低，GPS逐渐走进了人们的日常生活，成为人们旅游、探险的好帮手。通过GPS，人们可以在陌生的城市里迅速地找到目的地，并且可以最优的路径行驶；野营者带者GPS接收机，可快捷地找到合适的野营地点，不必担心迷路；甚至一些高档的电子游戏，也使用了GPS仿真技术。第三节GPS在国民经济建设中的应用3、多元化空间资源环境的出现

GPS，GLONASS，INMARSAT等系统都具备了导航定位功能，形成了多元化的空间资源环境。待到2010年前后，GNSS纯民间系统建成，全球将形成GPS/GLONASS/GNSS三足鼎立之势，才能从根本上摆脱对单一系统的依赖，形成国际共有、国际共享的安全资源环境。总之，由于多元化空间资源环境的确立，给GPS的发展应用创造了一个前所未有的良好的国际环境。第三节GPS在国民经济建设中的应用4、发展GPS产业

今后GPS将像目前汽车、无线电通信等一样形成产业化。美国已将广域增强系统WAAS计划发展成国际标准。我国目前也有一些单位生产车载GPS系统。为发展我国的GPS产业，武汉已经成立中国GPS工程中心。第三节GPS在国民经济建设中的应用5、GPS的应用将进入人们的日常生活近几年，越来越多普通消费者买得起的GPS接收器出现了，价格逐年下跌。消费类GPS手持机的价格从几百元到几千元不等，它们基本上都有12个并行通道和数据功能。有些甚至能与便携电脑相连，可以上传/下载GPS信息，并且使用精确到街道级的地图软件，可以在PC的屏幕上实时跟踪你的位置或自动导航。第三节GPS在国民经济建设中的应用

尽管目前大多数人还不知道什麽是GPS，但有人预言，GPS将改变我们的生活方式。今后，所有运载器，都将依赖于GPS。GPS就象移动电话、传真机、计算机互联网对我们生活的影响一样，人们日常生活将离不开它。第三节GPS在国民经济建设中的应用

三、我国GPS定位技术应用和发展情况从1970年4月把第一颗人造卫星送入轨道以来，我国已成功地发射了近百颗不同类型的人造卫星，为空间大地测量工作的开展创造了有利条件。我国第一颗人造地球卫星——东方红一号，1970年4月24日成功发射。第三节GPS在国民经济建设中的应用

70年代后期，引进并试制成功了各种人造卫星观测仪器；完成了全国天文大地网的整体平差，建立了1980年国家大地坐标系，进行了南海群岛的联测。第三节GPS在国民经济建设中的应用80年代初期，我国一些院校和科研单位已开始研究GPS技术。

80年代中期，我国引进GPS接收机，并应用于各个领域。同时着手研究建立我国自