测量教案章GPS测量

第7章全球定位系统（GPS）测量

§7.1GPS概述1

历史和背景----了解1973年12月，美国国防部组织，开始研制新一代军用卫星导航系统——GPS；（1964年第一代卫星导航定位系统，美国海军研制）89年2月14日发射第一颗GPS卫星，94年3月28日发射完第24颗卫星，全面建成；目前空间卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，记为（21+3），均匀分布在6个与赤道倾角为55°的近似圆形轨道上，每个轨道4颗卫星运行，距地表平均高度20200km，速度为3800m/s，运行周期为11h58min；每颗卫星覆盖全球38％的面积，保证在地球上任何地点、任何时刻、高度15°以上天空，能同时观测到4颗以上卫星，最多可观测11颗。

历史和背景GPS是美国军方研制的第二代卫星导航系统

（1）非常时期除外，全球通用，以承诺精度提供连续的导航定位服务；（2）24小时可以导航、定位、测速和授时；（3）用户设备成本低廉；（4）确保美国军事安全，服务于全球战略；（5）导航精度可达10-20m；

（6）取代现存各种导航系统；可以用来武装战车，舰船和飞机，提高其作战能力，并可广泛用于地面部队。在海湾等战争中已得到相当充分的显示。2GPS卫星分布3

GPS测量的优势----熟悉GPS测量与经典测量方法的对比：测站之间无需相互通视，仅要求测站上空开阔即可（造标费用低、布网灵活）；全天候作业，观测作业不受天气条件的影响；网的质量与点位的分布情况无关，图形强度要求低；精度高，厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位精度水平（50km的基线，相对精度达10-6）；多功能，定位测量、导航、测速和测时，提供测站点的三维坐标（平面位置、高程）GPS测量速度快，比传统方法有极为显著的提高效益显著，无论大面积控制和局部测量都是理想的工具4

GPS系统的组成全球定位系统（GPS）由三个主要部分组成空间部分：提供星历和时间信息发射伪距和载波信号提供其它辅助信息地面控制部分：

中心控制系统实现时间同步跟踪卫星进行定轨用户部分：接收并测卫星信号记录处理数据提供导航定位信息地面控制站---了解一个主控站：科罗拉多•斯必灵司三个注入站：阿松森（Ascencion)

迭哥•伽西亚(DiegoGarcia)

卡瓦加兰(kwajalein)五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷（Hawaii)55HawaiiAscencionDiegoGarciakwajaleinColoradosprings主控站：

除协调和管理地面监控系统外，主要任务：1）根据本站和其它监测站的观测资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气修正参数，并将数据传送到注入站。2）提供全球定位系统的时间基准。各监测站和GPS卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，测出其间的钟差，将钟差信息编入导航电文，送入注入站。3）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。4）启用备用卫星代替失效工作卫星管理、协调地面监控系统各部分的工作编算广播星历－轨道参数、卫星钟改正数等调整卫星状态调度卫星监测站：是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1台和若干台环境数据传感器。观测资料由计算机进行初步处理，存储并传输到主控站，以确定卫星轨道。对卫星进行跟踪观测记录气象数据将数据传送到主控站注入站主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。整个GPS系统的地面监控部分，除主控站外均无人值守。各站间用现代化通讯网络联系，在原子钟和计算机的驱动和控制下，实现高度的自动化标准化。5用户设备---接收机

通用接收机（定位型）导航型接收机一般情况下无数据输出的记录存储设备天线前置放大器电源部分射电部分微处理器数据存器显示控制器供电信号信息命令数据供电，控制供电数据控制GPS接收机、相应的数据处理软件。GPS接收机----接收天线、主机、电源。捕获卫星信号，跟踪并锁定卫星信号，对接收到的信号进行处理，测量出测距信号从卫星传播到接收机天线的时间间隔，译出卫星广播的导航电文，实时计算接收机天线的三维坐标、速度和时间。用途——导航型、测地型和授时型；载波频率——单频接收机(用1个载波频率)双频接收机(用2个载波频率)。GPS接收机任务

对卫星进行测距5

GPS定位原理－1接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距地心SiPijPj

riRjRj

=ri

+Pij有关各观测量及已知数据如下：r—为已知的卫地矢量P—为观测量（伪距）R—为未知的测站点位矢量距离测定原理XllVl

Xl

lllXllVlXllllllllVVVllVlllXlX距离测定原理XllVlXllllVll距离测定原理XllVlXllllllllVVVllVlllXlX距离

=传播时间

x光速距离测定原理我们必定在以

R1为半径的球面的某个点上R1

点位测定原理

2个球面相交成一个圆弧点位被限制在一曲线上R1R2

点位测定原理

3个球面相交成一个点3个距离段可以确定纬度，经度，和高程点的空间位置被确定R1R2R3

点位测定原理

GPS定位原理－2－－单点定位结果的获取单点定位解可以理解为一个后方交会问题卫星充当轨道上运动的控制点，观测值为测站至卫星的伪距（由时间延迟值推算得到）由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差所以要同步观测4颗卫星，解算四个未知参数：纬度

,经度

,高程h,钟差t南方测绘NGS9600测地型单频静态GPS接收机

§8.3GPS定位的基本原理

根据测距原理，GPS定位方式分为伪距定位、载波相位测量定位、GPS差分定位。根据待定点位的运动状态分为：静态定位和动态定位。§8.3.1卫星信号载波、测距码(C/A码和P码)、数据码(导航电文或称D码)，在同一个原子钟频率f0=10.23MHz下产生。(1)载波信号载波信号频率用无线电波段的两种不同频率电磁波。L1载波：f1=154×f0=1575.42MHz，λ1=19.03cmL2载波：f2=120×f0=1227.60MHz，λ2=24.42cm载波L1上调制有C/A码、P码和数据码，载波L2上只调制有P码和数据码。测距码由0，1组成的二进制编码。一位二进制数——比特(bit)，每秒钟传输比特数称为数码率。卫星的两种测距码C/A码和P码属于伪随机码，具有良好的自相关特性和周期性，容易复制。测距码测距原理卫星时钟控制发射某一结构测距码，经Δt时间传播后到达GPS接收机；GPS接收机产生结构相同的测距码——复制码复制码延迟时间τ后与接收的卫星测距码比较，调整延迟时间τ使两个测距码完全对齐复制码延迟时间τ=Δt。C/A码码元宽度对应的距离值293.1m，卫星与接收机测距码对齐精度1/100，测距精度2.9m；P码码元宽度对应距离29.3m，卫星与接收机测距码对齐精度1/100，测距精度0.29m。P码测距精度高于C/A码10倍，C/A码为粗码，P码为精码。P码受美国军方控制，一般用户只能用C/A码测距。(2)数据码导航电文，也称为D码，包含了卫星星历、卫星工作状态、时间系统、卫星时钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正由C/A码捕获P码的信息。导航电文是二进制码，依规定的格式按帧发射，每帧电文的长度为1500bit，播送速率为50bit/s。§8.3.2伪距定位单点定位和多点定位。单点定位——GPS接收机安置在测点上锁定4颗以上的卫星，将接收到的卫星测距码与接收机产生的复制码对齐测量与锁定卫星测距码到接收机的传播时间Δti求出卫星至接收机的伪距，从锁定卫星广播星历获取卫星的空间坐标，用距离交会原理解算出天线所在点的三维坐标。伪距观测方程有4个未知数，锁定4颗卫星时方程有唯一解伪距观测方程没有考虑大气电离层和对流层折射误差、星历误差影响，单点定位精度不高。C/A码定位的精度为25m，P码定位的精度为10m。多点定位——多台GPS接收机(2~3台)安置在不同测点上，同时锁定相同卫星进行伪距测量，大气电离层和对流层折射误差、星历误差的影响基本相同，计算各测点间的坐标差(Δx,Δy,Δz)时，可消除上述误差影响，使测点之间的点位相对精度大大提高。

§8.3.3载波相位定位载波L1，L2的频率比测距码(C/A码和P码)频率高，波长比测距码短很多,λ1=19.03cm,λ2=24.42cm。使用载波L1或L2作测距信号，将卫星传播到接收机天线的余弦载波信号与接收机基准信号比相求出相位延迟计算伪距，可获得很高的测距精度。如果测量L1载波相位移误差为1/100，伪距测量精度可达19.03cm/100=1.9mm。(2)载波相位相对定位用两台GPS接收机，分别安置在两测点，两测点的连线——基线。同步接收卫星信号，用相同卫星相位观测值的线性组合解算基线向量在WGS-84坐标系中的坐标增量(Δx,Δy,Δz)，确定它们的相对位置。若一个测点坐标已知，就可推算出另一个测点坐标。根据相位观测的线性组合形式，载波相位相对定位——单差法、双差法和三差法。介绍前两种。§8.3.4实时差分定位在已知坐标点上安置一台GPS接收机——基准站用已知坐标和卫星星历算出观测值的校正值，通过无线电通讯设备——数据链，将校正值发送给运动中的GPS接收机——移动站移动站用接收到的校正值对自身GPS观测值进行改正，消除卫星钟差、接收机钟差、大气电离层和对流层折射误差。应用带实时差分功能的GPS接收机才能够进行。南方测绘灵锐S82双频蓝牙通讯RTKGPS接收机§8.4GPS测量的实施方案设计、外业观测和内业数据处理。《全球定位系统城市测量技术规程》(1)精度指标使用载波相位静态相对定位法，用两台或两台以上GPS接收机同时对一组卫星进行同步观测。控制网精度指标是以网中基线观测误差定义。mD=a+b×10-6Da——固定误差，b——比例误差，D——基线长。(2)观测要求同步观测时，测站从开始接收卫星信号到停止数据记录——观测时段，卫星与接收机天线连线与水平面的夹角——卫星高度角，点位图形强度因子PDOP——一组卫星与测站构成的几何图形形状与定位精度关系数PDOP与观测卫星高度角及观测卫星空间分布有关。观测卫星高度角越小，分布范围越大，PDOP值越小。当卫星高度角设置为≥15°时，点位PDOP值不宜大于6。GPS接收机锁定一组卫星后，将自动计算出PDOP值并显示在屏幕上。

(3)网形要求GPS接收机观测，不要求各站点间相互通视。网形设计，根据控制网用途、现有GPS接收机台数分两台接收机同步观测、多台接收机同步观测、多台接收机异步观测三种方案。介绍两台接收机同步观测方案。1)静态定位两台接收机轮流安置在每条基线端点同步观测4颗卫星1h左右，或同步观测5颗卫星20min左右。用于精度要求较高的控制网，如桥梁控制网或隧道控制网。2)快速静态定位测区中部选一测点为基准站安置一台接收机，连续跟踪观测5颗以上卫星；另一台接收机依次到其余各点流动设站观测，不必保持对所测卫星连续跟踪，每点观测1~2min。用于控制网加密和一般工程测量控制点选在——天空视野开阔、交通便利、远离高压线、变电所及微波辐射干扰源的地点WGS-84坐标系与测区坐标系的坐标转换至少有2个及以上的GPS控制网点与测区坐标系的已知控制网点重合。坐标转换计算由GPS附带数据软件自动完成。§8.5南方测绘灵锐S82双频GPSRTK操作简介灵锐S82GPSRTK——南方测绘2005年10月产品，标准配置——一个基准站+一个移动站，可根据需要购买任意个移动站。基准站由主机、数传电台、发射天线与电瓶组成；每个移动站的设备——一个主机与一个JETT手簿，移动站电台模块放置在主机内，通过主机顶部的数据链天线接发数据，手簿与接收机间通过内置的蓝牙卡进行数据通讯。技术参数独立24通道，L1/L2双频跟踪信号，静态测量模式的平面精度5mm+1ppm，高程精度为10mm+2ppm，静态作用距离≤80公里，静态内存32M；RTK测量模式平面精度——2cm+1ppm，高程精度为5cm+1ppm，数传电台的发射功率为25W/15W(H/L)。(3)基本操作静态与动态两种工作模式等级控制测量选择静态模式，碎部点坐标采集与工程放样选择动态模式。静态模式仪器采集的卫星数据自动存储在主机内的32MB闪存中，数据采集间隔设为1s时，连续采集时间可达40h。外业数据采集完后，数据线连接主机USB口与PC机USB口，操作Gpsadj软件下载数据，在Gpsadj中完成基线向量解算与网平差，获得测点坐标。动态模式在JETT手簿上操作南方测绘工程之星软件完成。3)使用工程之星2.0进行动态数据采集操作简介基准站安置在已知点，也可安置在测区范围地势较高的任意点连接好电缆，打开基准站主机与数传电台电源，打开移动站主机与JETT电源，量取基准站和移动站的仪器高。双击“工程之星2.0”桌面图标，打开工程之星，执行下拉菜单“工具/其它/查看卫星图”命令，观看当前接收到的卫星状态。

仪器开机后，数传电台频道设置、移动站与手簿间蓝牙通讯及卫星搜索与锁定均由工程之星自动完成，无须用户干预。当有4颗及以上数量的卫星信号时，能很快进入“固定解”状态，显示三维坐标为移动站在前次测量时所设坐标系。

固定解数据链信号①新建工程执行“工程/新建工程”命令，按提示输入新建工程名、选择椭球参数与高斯投影参数，在“\SystemCF\Jobs\”路径下建立“051124”文件夹，用以保存本次新建工程051124的全部数据。②校正GPS所测坐标是WGS-84坐标，要将其变换为用户坐标系的坐标，坐标测量前应先求坐标变换参数。执行“工具/校正向导”命令，按屏幕提示即可完成校正操作，有1点、2点和3点校正法，最好选择3点校正法，为提高校正的精度，3个已知坐标点应均匀分布在测区外围。③

野外数据采集移动站安置在需要采集的碎部点上，状态为“固定解”，HRMS与VRMS的值较小时按键，输入点名、移动站天线高与点编码，点击“确定”按钮将图示坐标存入“\SystemCF\Jobs\051124\data\051124.RTK”文件④野外采集数据的坐标变换与输出采集的碎部点坐标数据以经纬度数据格式保存在051124.RTK文件中，应执行下拉菜单“工具/数据后处理”命令，将其输出为.dat文件格式，将转换后的坐标保存在qh-506.dat文件中，qh-506.dat不能用于CASS的展点操作。

执行“工程/文件输出”命令，在数据格式下拉列表框中选择数据格式“点名,编码,y,x,H”，点击“源文件”按钮，在弹出对话框中选择qh-506.dat文件；点击“目标文件”按钮，在弹出对话框键入文件名qh-506x.dat作为保存输出数据的文件，点击“转换”按钮，完成数据文件输出。⑤坐标数据文件复制到PC机用串口线连接好JETT手簿COM口与PC机COM口，在PC机上双击同步软件MicrosoftActiveSync桌面图标在JETT手簿上双击“连接PC机”桌面图标连接MicrosoftActiveSync，致力测绘数字化第7章全球定位系统（GPS）定位原理简介

GPS作业原理－－GPS定位的误差源8GPS定位原理与GPS卫星有关的因素SA技术人为的降低广播星历精度（ε技术）卫星星历误差卫星钟差卫星信号发射天线相位中心偏差与传播途径有关的因素电离层延迟对流层延迟多路径效应与接收机有关的因素接收机钟差接收机天线相位中心误差接收机软件和硬件造成的误差－－距离观测值的计算8GPS定位原理接收机至卫星的距离借助于卫星发射的码信号量测并计算得到的接收机本身按同一公式复制码信号比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟的时间t传播延迟时间乘以光速就是距离观测值=C•t卫星钟调制的码信号接收机时钟复制的码信号tt9GPS测量－－采用载波相位观测值发自卫星的电磁波信号：信号量测精度优于波长的1/100载波波长（L1=19cm,L2=24cm)比C/A码波长(C/A=293m)短得多所以，GPS测量采用载波相位观测值可以获得比伪距（C/A码或P码）定位高得多的成果精度L1载波L2载波C/A码P-码

p=29.3

m

L2=24

cm

L1=19c

m

C/A=293

m

9GPS测量可以消去卫星钟的系统偏差可以消去接收机时钟的误差PikPljPijPjPlkPkSlSi可以消去轨道（星历）误差的影响可以削弱大气折射对观测值的影响

－－组成星际站际两次差分观测值伪距差分这是应用最广的一种差分。在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较，得出伪距改正数，将其传输至用户接收机，提高定位精度。这种差分，能得到米级定位精度，如沿海广泛使用的“信标差分”载波相位差分载波相位差分技术又称RTK（RealTimeKinematic）技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。即是将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。载波相位差分可使定位精度达到厘米级。大量应用于动态需要高精度位置的领域。GPS相对定位原理

利用GPS进行绝对定位时，定位精度受卫星轨道误差、钟差及信号传播误差等因素影响，尽管其中的一些系统误差，可以通过模型加以消除，但残差仍不可忽视。实践表明，目前静态绝对定位精度为米级，动态绝对定位精度仅为10-40m。

GPS相对定位也叫差分GPS定位，是目前GPS定位中精度最高的一种，广泛用于大地测量、精密工程测量、地球动力学研究和精密导航。

定义：确定进行同步观测的接收机之间相对位置的定位方法，称为相对定位。优点：精度高缺点：多台接收共同作业，作业相对复杂应用：高精度测量定位动态相对定位用一台接收机安置在基准站上固定不动，另一台接收机安置在运动载体上，两台接收机同步观测相同卫星，以确定运动点相对基准站的实时位置。动态相对定位根据采用的观测量不同，分为以测码伪距为观测量的动态相对定位和以测相伪距为观测量的动态相对定位。测码伪距动态相对定位，目前实时定位精度为米级。以相对定位原理为基础的实时差分GPS可有效减弱卫星轨道误差、钟差、大气折射误差以及SA政策影响，定位精度远远高于测码伪距动态绝对定位。

常规GPS的测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分(Real-timekinematic)方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据(伪距观测值，相位观测值)及已知数据传输给流动站接收机。

什么是RTK技术发射电台GPS主机基准站移动站GPS主机RTK测量原理图采集器接收电台RTK(RealTimekinematic)概念

RTK流动站基准站基准站电台

两个关键因素一.整周模糊度的解算，即OEM板的工作性能问题。二.数据的传输技术即通讯方式的可靠性问题。数据的通讯方式决定了RTK系统的作用距离和工作稳定性，现有的通讯方式有:1.数传电台

2.网络通讯数传电台数据质量高，但有距离限制。电台的能力强弱可以直接影响到RTK的测量效果。GSM电台

借助GSM通讯网络，实时数据传输，相当于移动电话。优点：实时性非常好数据链传输距离没有限制由于采用数字通信，抗干扰能力特强。缺点:费用高只能一对一,不能多台同时作业GPRS/CDMA数据链GPRS/CDMA是一种新型的分组数据传输业务，是GSM网络数据业务的延伸和升级采用IP数据网络协议，可在移动状态下进行高速数据传输，最高速率可达到170Kb/sGPRS/CDMA电台替代了传统模式的电台，作用距离无限延长，任何地点均可享受对等的RTK基站数据服务。GPRS系统的第一种模式RTK基准站电脑（宽带或ADSL）移动站移动站移动站移动站GPRS系统的第二种模式GPRSRTK基准站GPRS服务器移动站移动站移动站移动站网络RTK技术--CORS什么是CORS连续运行参考站系统可以定义为一个或若干个固定的、连续运行的GPS参考站，利用现代计算机、数据通信和互联网(LAN／WAN)技术组成的网络，实时地向不同类型、不同需求、不同层次的用户自动地提供经过检验的不同类型的GPS观测值(载波相位，伪距)，各种改正数、状态信息，以及其他有关GPS服务项目的系统。

由于传统的RTK技术需要有测区附的控制点的点位数据.针对当前项目需要架设基准站.以及考虑到初使化时间,改正模型等各方面的因素,基于网络RTK技术建立的CORS系统对于大中城市的基础测绘来说是实用且经济的.CORS分类

单基站系统:就是只有一个连续运行站。类似于普通的RTK,只不过基准站由一个连续运行的基准站代替，基准站上有一个控制软件实时监控卫星的状态，存储和发送相关数据。多基站系统：分布在一定区域内的多台连续观测站，每一个观测站都是一个单基站，同时每一个单基站还有一个中央控制计算机控制。目前国产品牌中只有南方拥有这套软件。多参考站技术最初的网络RTK是利用分布较为均匀的连续运行参考站(CORS)进行单站控制，用户站从一个参考站的有效精度范围进入另一个参考站的精度范围，严格意义上讲是多参考站常规RTK，如果要使基线精度优于3厘米，需要在一个区域内密集的布设参考站，站间距离应小于30km。精度随着基线的增长而衰减，且分布不均匀，如果要求按一定精度覆盖整个区域，需要架设较多的参考站。多参考站技术多参考站常规RTK模式虽然在一个较大范围内满足了精度要求，但需要的投资也是巨大的，我们完全可以在一个较大的范围内均匀稀松的布设参考站，利用参考站网络的实时观测数据对覆盖区域进行系统误差建模，然后对区域内流动用户站观测数据的系统误差进行估计，尽可能消除系统误差影响，获得厘米级实时定位结果，网络RTK技术的精度覆盖范围大大增大，且精度分布均匀。多参考站技术应用多个参考站的观测数据连续监测多参考站的联合数据系统误差改正模型:电离层对流层卫星轨道误差多路径在每一个用户的指定地点建立唯一的虚拟参考站向用户发送RTCM或CMR+格式差分数据虚拟参考站方式图解GPS测量中常用的几个坐标系统1)WGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统，GPS所发布的星历参数就是基于此坐标系统的。2)1954年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系。该坐标系源自于原苏联采用过的1942年普尔科夫坐标系。3）1980年西安大地坐标系1.WGS-84

WGS-84坐标是GPS所采用的坐标系统，GPS发布的星历参数是基于此坐标系的WGS-84的椭球参数：

长半轴:a=6378137m

扁率:1/f=298.2572235632.北京-54

北京-54坐标是目前我国使用比较广泛的大地测量坐标系，参考椭球是克拉索夫斯基椭球。其高程是以1956年黄海平均海水面为基准。北京-54的椭