西南交大工程测量第16章GPS原理及其应用

第十六章

GPS的基本知识概述

GPS定位系统的组成

GPS卫星定位的基本原理

GPS测量的实施

GPS测量的作业模式11概述全球定位系统（GPS）:GlobalPositioningSystem的简称。该系统是由美国从上世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星无线电导航与定位系统。特点：（1）全球覆盖；（2）不要求点间通视；（3）全天候实时观测；（4）高精度相对定位。应用广泛。应用：大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等领域。应用领域还在不断地拓展，遍及国民经济各种部门，并逐步深入人们的日常生活,从而给测绘学科带来了一场深刻的技术革命。2GPS卫星3相对于经典的测量技术来说，这一新技术的主要特点

如下：测站之间无需通视。因而不再需要建造觇标，可减少测量工作经费和时间，同时也使点位的选择变得甚为灵活。b)

高精度三维定位。GPS可以精密测定测站的平面位置和大地高。c)

观测时间短。近年来发展的快速相对定位法，观测时间仅需数分钟；实时动态定位技术（RTK）在一定范围内可提供厘米级的实时三维定位结果。d)

操作简便。GPS测量自动化程度很高，操作员的主要任务只是安置并开关仪器，量取仪器高，监视仪器的工作状态等。接收机自动完成观测工作，如卫星捕获，跟踪观测和记录等。GPS接收机重量轻，体积小，携带方便。e)

全天侯作业。GPS接收机可以在任何地点（卫星信号不被遮挡的情况下），任何时间连续地进行，一般也不受天气状况的影响。4全球定位系统（GPS）构成示意图

2GPS定位系统的组成GPS定位技术：空中GPS卫星向地面发射信号，地面用户接收机实时地连续接收，并计算出接收机位置。GPS三个部分组成：（1）GPS卫星星座（空间部分）、（2）地面监控系统（地面控制部分）、（3）GPS用户接收机（用户部分）。5GPS星座示意图共有24颗GPS工作卫星，构成GPS工作卫星星座。地球上任何地方可以同时观测到4-12颗、高度角15以上的卫星,分布在6个近圆形轨道面，高度在地面上约20200km，轨道面相对于地球赤道面倾斜55角。2.1空间部分（GPS卫星星座）6GPS卫星基本功能：--接收和储存由地面监控站发来的跟踪监测信息；--在地面监控站的指令下，调整卫星姿势和启用备用卫星；--进行必要的数据处理工作；--通过星载的高精度铯钟和铷钟提供精密的时间标准；--向用户广播GPS信号。

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GPS卫星广播的GPS信号是定位基础，它由基准频率(f0=10.23MHz)经倍频和分频产生。154和120倍频后，分别形成L波段的两个载波频率信号（L1=1575.42MHz,L2=12227.60MHz）,波长分别为19.03cm和24.42cm。调制在L载波上的信号包括C/A码、P码和D码。C/A码（粗码）：频率为1.023MHz的伪随机码。

P码（精码）：载波频率为10.23MHz的伪随机码。测距码：粗码和精码；D码（导航电文）：卫星向用户提供为计算卫星坐标的卫星星历、系统时间、卫星钟性能及电离层改正参数等信息。8图3：GPS信号的结构

92.2地面监控部分地面监控系统：由一个主控站、三个注入站

和五个监测站

组成。主控站作用：

收集各个监测站所测观测值、环境要素等数据，计算每颗GPS卫星的星历、时钟改正量、状态数据、以及信号的大气层传播改正，并按一定的形式编制成导航电文，传送到主控站：此外还控制和监视其余站的工作情况并管理调度GPS卫星。102.2地面监控部分地面监控系统：由一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。注入站作用：

将主控站传来的导航电文，分别注入到相应的GPS卫星中，通过卫星将导航电文传递给地面上的广大用户。导航电文作用：GPS用户所需要的一项重要信息，通过导航电文能确定GPS卫星在各时刻的具体位置。监测站主要任务：

为主控站编算导航电文提供原始观测数据。每个监测站上都有GPS接收机对所见卫星观测，采集环境要素等数据，经初步处理后发往主控站。112.2地面监控部分地面监控系统：由一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。监测站主要任务：

为主控站编算导航电文提供原始观测数据。每个监测站上都有GPS接收机对所见卫星观测，采集环境要素等数据，经初步处理后发往主控站。122.3用户设备部分用户要实现利用GPS进行导航和定位的目的，还需要GPS接收机，即用户设备部分。用户设备部分作用：接收GPS卫星发射的信号，获得必要的导航和定位信息及观测量，经数据处理后获得观测时刻接收机的位置坐标。用户设备部分主要由GPS接收机硬件和数据处理软件组成。

132.3用户设备部分用户要实现利用GPS进行导航和定位的目的，还需要GPS接收机，即用户设备部分。GPS接收机分类方法：较精密的双频接收机，稍为便宜的单频接收机。所有GPS接收机生产厂家一般都随机提供数据处理软件包，但其作用是有限的。国际上有一些科研机构为了克服商用数据处理软件的不足，已经开发研制了多种精密的GPS数据后处理软件包。

143GPS卫星定位的基本原理原理：测量学中的空间距离交会方法。S1S3S4GPS接收机TiS215GPS定位方法：按观测值不同分为：伪距观测定位

、载波相位测量定位；按使用同步观测的接收机数和定位解算方法来分：单点定位（绝对定位）、差分定位（相对定位）；

根据接收机的运动状态可分为静态定位

、动态定位。

单点定位：确定接收机在世界坐标系（WGS-84）中三维坐标。

相对定位：确定接收机相对地面上另一参考点的空间基线向量。

静态定位：接收机是静止不动的。

动态定位：确定安置接收机的运动平台的三维坐标和速度。绝对定位和相对定位中，均包含静态和动态两种方式。比较有代表性的定位模式，即为伪距单点定位

、载波相位相对定位，其他的定位模式均为依此衍生而来。163.1、伪距单点定位伪距：卫星到接收机的距离观测量，即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的距离。由于伪距观测量所确定的卫星到测站的距离，都不可避免地会含有大气传播延迟、卫星钟和接收机同步误差等的影响。为了与卫星和接收机之间的真实几何距离相区别，这种含有误差影响项的距离观测，通常称为“伪距

”，并把它视为GPS定位的基本观测量。伪距法单点定位：利用ＧＰＳ接收机在某一时刻，同步测定至少４颗以上ＧＰＳ卫星的伪距，以及从卫星导航电文中获得的卫星位置，采用距离交会法求得接收机的三维坐标。17GPS卫星伪距单点定位示意图183.2、载波相位相对定位

为了克服关于大气折射延迟改正不够准确，以及减少未知数等原因，常对以上观测量作差分处理。一般用到的有单差、双差、三差法。单差观测量：不同观测站同步观测相同卫星所得观测量之差。双差观测量：在单差法基础上，对不同测站同步观测一组卫星所得单差之差。测站间同步观测量的单差示意图

测站间同步观测量的双差示意图

T1T219

三差法：在双差法基础上，不同测站同步观测的同一组卫星所得双差观测量作差分。测站间同步观测量的三差示意图T1T220差分法载波相位测量虽然可以消去一系列多余参数项（即指不含有测站坐标的项），但在组成差分观测方程时，减少了观测方程的个数，另外，也增加了观测量之间的相关性，这些都不利于提高最后解的精度。一般是采用双差法求解最终结果。三差法只是用于整周跳变的探测和估计，或求得测站坐标的近似解。214GPS测量的实施GPS测量：与常规测量一样，分为外业和内业两部分。GPS测量实施阶段：网的优化设计；选点与建立标志；外业观测；内业数据处理。224.1、GPS网的优化设计GPS网的优化设计，实施GPS测量的第一步，也是在网的精确性、可靠性和经济性方面，实现用户要求的重要环节。主要内容：精度指标的合理确定网的图形设计网的基准设计。23精度指标的合理确定对GPS网的精度要求，主要取决于网的用途。精度指标，以网中相邻点之间的距离误差来表示（GPS测量规范）。精度指标影响GPS网的布设方案、观测计划、观测数据的处理方法，以及作业的时间和经费。所以，在实际设计工作中，要根据实际需要确定。

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网的图形设计网的图形设计，应在满足用户要求的条件下，尽量减少消耗。GPS网应采用独立观测边构成闭合图形，如：三角形、多边形或附合线路。25网的基准设计网的基准：包括网的位置基准、方向基准和尺度基准。而确定网的基准，是通过网的整体平差来实现的。网的基准设计，主要是指确定网的位置基准问题。确定网的位置基准，通常可根据情况，选取以下方法：（1）选取网中一点的坐标值并加以固定，或给以适当的权；（2）网中的点均不固定，通过自由网伪逆平差或拟稳平差，确定网的位置基准；（3）在网中选若干点的坐标值并加以固定；（4）选网中若干点（直至全部点）的坐标值并给以适当的权。264.2、外业观测方法１、外业观测计划设计（１）编制ＧＰＳ卫星可见性预报图：利用卫星预报软件，输入测区中心点概略坐标、作业时间、卫星截止高度角≥１５°等，利用不超过２０天的星历文件即可编制卫星预报图。（２）编制作业调度表：应根据仪器数量、交通工具状况、测区交通环境及卫星预报状况制定作业调度表。作业表应包括：观测时段（测站上开始接收卫星信号到停止观测，连续工作的时间段），注明开、关机时间；测站号、测站名；接收机号、作业员；车辆调度表。274.2、外业观测方法２、野外观测野外观测应严格按照技术设计要求进行。（１）

安置天线：安置天线是ＧＰＳ精密测量的重要保证。要仔细对中、整平，量取仪器高。仪器高要求钢尺在互为１２０°方向量三次，互差小于３

mm，取平均值后记录或输入ＧＰＳ接收机。（２）安置ＧＰＳ接收机：ＧＰＳ接收机应安置在距天线不远的安全处，连接天线及电源电缆，并确保无误。（３）开机观测：打开ＧＰＳ接收机，输入或记录测站名。详情可参见不同仪器的操作手册。ＧＰＳ接收机自动化程度很高，仪器一旦跟踪卫星进行定位，接收机自动将接收的卫星星历、观测值文件以及输入信息存入接收机内记忆体。作业员只需要定期查看接收机工作状况。一个时段的测量结束后，要查看仪器高和测站名是否输入，确保无误后再关机、关电源，迁站。28（４）ＧＰＳ接收机记录的数据有：ＧＰＳ卫星星历和卫星钟差参数；观测历元的时刻和伪距观测值及载波相位观测值；ＧＰＳ绝对定位结果；测站信息。３、观测数据下载及数据预处理外业观测数据在测区要及时严格检查，对外业预处理成果，按规范要求严格检查、分析，根据情况进行必要的重测和补测。确保外业成果无误后方可离开测区。294.3、内业数据处理根据上述处理所获得的标准化数据文件，便可进行观测数据的平差计算工作。平差计算的主要内容包括：同步观测基线向量的解算。同一基线边，多历元同步观测值的平差计算。在同一测区中，同类精度数据处理，应采用相同方法、相同模型。由此所得到的平差结果为：基线向量（坐标差）及其相应的方差与协方差。观测成果检核与网平差。基线解算完毕后，需要对基线向量按网形构成，检核同步环、异步环以及重复观测边的闭合差。具体要求参见GPS测量规范。检查合格后，就可以利用上述基线向量的平差结果，作为相关观测量，进行网的整体平差，消除不符值。整体平差应在WGS-84坐标系统中进行，平差的结果，一般是网点的空间直角坐标，大地坐标和高斯平面坐标，以及相应的方差与协方差。坐标系统的转换，或与地面网的联合平差。在城市、矿山等区域性的测量工作中，往往需要将GPS测量结果，化算到用户所采用的区域性坐标系统。因此，上述GPS网，在WGS-84坐标系统中的平差结果，尚需按用户的要求，进行坐标系统的转换，或者为了改善已有的经典地面控制网，确定GPS网与经典地面网之间的转换参数，需要进行两网的联合平差。304.4、GPS测量误差GPS卫星在距离地面约20200公里的高空，向地面上的广大用户发送测距信号和导航电文等信息。GPS定位的观测量不可避免地会受到多种误差源影响。按照这些误差源的来源，一般可分为三种情况：（一）与GPS卫星有关的误差（二）与信号传播有关的误差（三）与接收设备有关的误差31(一)与GPS卫星有关的误差卫星星历误差：广播星历或其它轨道信息给出的卫星位置与卫星真实位置之间的差值。GPS卫星星历：由布设在地面上、具有一定数量与空间分布的监测站连续跟踪观测GPS卫星，并结合环境要素等信息，再由主控站对卫星作精密定轨计算得到的。广播星历：由定轨结果外推得出，因此广播星历的精度是有限的。卫星钟误差：由于卫星位置是时间的函数，所以GPS的观测量均以精密测时为前提。虽然GPS卫星均配有高精度的原子钟，但它们与理想的GPS时之间仍会有偏差或漂移，难以避免。32(二)与信号传播有关的误差

大气折射误差：根据其性质，分为电离层折射影响、对流层折射影响。对流层折射影响包括来自平流层与中间层的折射，因此，也可合称为中性大气折射影响，简称对流层折射。

多路径效应：接收机天线除直接收到来自GPS卫星的信号外，还可能收到天线周围地物反射来的信号。这两种信号叠加在一起将引起测量参考点（相位中心）的变化，而且这种变化随天线周围反射面的性质而异，难以控制。多路径效应具有周期性误差，其变化幅度可达数厘米。

消除或减弱多路径效应方法：除了采用载波相位测量方法；采用造型适宜且屏蔽良好的天线。这种天线一般装备有抑径板或抑径圈，可以阻挡来自水平面以下的多路径信号被接收。有些多路径信号来自竖立的高大建筑物表面，经过这种表面反射的多路径信号，往往也具有较大的高度角值，可以从水平面以上进入接收机天线。因此，在进行GPS测量选址工作时，还应当考虑多路径信号产生的可能性，尽量避开这种高大建筑物。33(三)与接收设备有关的误差

观测误差：观测分辨误差、接收机天线相对测站点的安置误差。一般认为观测分辨误差约为信号波长的1%。由于载波的波长远小于GPS伪随机测距码的波长，则采用载波相位观测量可达到更高精度。天线的安置误差主要有天线的置平与对中误差和量取天线高的误差。只要在观测中认真操作，可以尽量减少这些误差的影响。

接收机的钟差：一般是在数据处理中作为未知数解出。另外在作差分法相对定位时，也可以通过在不同卫星之间求差来消除其影响。

天线的相位中心误差：GPS测量的观测值都是以天线的相位中心为准，而我们一般只能观察到天线的几何中心，因此，要求天线的几何中心与相位中心一致，这应在天线的生产和设计上达到。另外，若采用同种型号的接收机天线，可以近似认为相位中心与几何中心的偏离情况是一样的，因此，用观测值的求差和相对定位能削弱这种影响，但这时要求统一按天线的方向标定向，使各天线的指北极都指向正北方向。

载波相位测量的整周不定性误差：主要是指观测中整周未知数的跳变现象（周跳）。另外，也有在数据处理时求解整周未知数时的失败，不能将整周未知数固定为某一整数，而只能取实数解情况。周跳的发生与多种因素有关的，如信号受阻挡失锁、接收机内部热噪声影响、电离层活动出现异常变化等。345GPS测量的作业模式GPS测量的作业模式：利用GPS定位技术，确定观测站之间相对位置所采用的作业方式。不同的作业模式，因作业方法和观测时间的不同，而具有不同的应用范围。由于GPS测量数据处理软件系统的发展，为确定两点之间的相对位置，已有多种作业模式可供选择。355GPS测量的作业模式目前，较为普遍采用的相对定位作业模式主要有：静态相对定位快速静态相对定位准动态相对定位动态相对定位。365.1静态相对定位模式作业方法：最基本最早采用两套（或两套以上）接收设备，分别安置在一条（或数条）基线的端点，根据基线长度和要求的精度，同步观测4颗以上卫星数时段，每一时段长1～3小时，解算出三维坐标差。定位精度：基线测量的精度可达5mm+1ppm×D，D为基线长度，以公里计。特点：所观测的独立基线边，应构成某种闭合图形（如图），以利于观测成果的检核，增强网的强度，提高成果的可靠性和精确性，基线长度可由几米至几百公里。适应范围：精度要求较高的测量工作建立地壳运动或工程变形监测网；建立全球性或国家级大地控制网；建立精密工程测量控制网。静态相对定位模式示意图375.2快速静态相对定位模式作业方法在测区的中部选择一个基准站(或参考站)，并安置一台接收机，连续跟踪所有可见卫星；另一台接收机，依次到各点流动设站，静止观测数5-40min。至少跟踪4颗卫星，同时流动站与基准站相距不超过15km。定位精度流动站相对基准站的基线中误差，可达（5～10）mm+1ppm×D特点接收机在流动站之间移动时，不必保持对所测卫星的连续跟踪，因而可关闭电源以降低能耗。该模式作业速度快，精度高。缺点是，在采用