搜索
幻灯片1GPS测量定位技术第一章绪论学习目标第一节卫星大地测量及其发展第二节导航定位卫星及其星座第三节GPS在国民经济建设中的应用本章小结思考题与习题幻灯片2GPS测量定位技术第一章绪论学习目标了解GPS系统的构成，卫星的个数及寿命，卫星的运行周期及发射功率，原子钟的精度，定位信号频率。GPS的地面控制系统和用户设备。理解GPS系统的应用和发展前景，其相对于其它定位系统的特点和GPS应用于测量工作的特点。美国的GPS政策。掌握GPS定位的基本原理，差分GPS的基本原理，GPS定位技术的发展及在测量中的应用。幻灯片3GPS测量定位技术第一节卫星大地测量及其发展一、大地测量的发展概况大地测量的发展，大体上可分为古代大地测量、经典大地测量和现代大地测量三个阶段。1.古代大地测量阶段古代大地测量要追溯到两千多年前，从人们确认地球是个圆球并测量它的大小算起，到18世纪中叶以前为止。幻灯片4GPS测量定位技术2.经典大地测量阶段从18世纪中叶牛顿、克莱劳建立了地球为扁球的理论并用几何和物理的方法测定其形状和大小，到20世纪中叶莫洛琴斯基在斯托克斯理论的基础上建立现代地球形状理论基础为止的这200年时间为经典大地测量阶段。在这一阶段中，其主要任务是为测量地形图服务。为了提高点位测量的精度和速度，人们在测量方法、测量仪器、椭球计算和数据处理等方面作了大量的研究工作，并取得了丰硕的成果。这些成果现在仍被广泛应用，如三角测量、最小二乘法、重力测量等。幻灯片5GPS测量定位技术3.现代大地测量阶段现代大地测量阶段从20世纪中期开始，是在电子技术和空间技术迅猛发展的推动下形成的。电磁波测距、全站仪、电子计算机改变了经典测量中全靠测角的低精度状况，将测量成果精度提高到10-6量级以上；并缩短了作业周期，且使过去无法实现的严密理论计算得以实行；特别是人造卫星和空间技术的发展，突破了经典大地测量在点位、时间、应用、精度等方面的局限性，使测量产生了划时代的飞跃和质的变革。现代大地测量的主要任务是研究和解决地面点的几何定位、地球重力场的测定、点位和重力场的变化等问题，具体包括：（1）建立与维护国家、地区及全球的大地网，并研究其变化；（2）测量并研究地极移动、地壳运动、潮汐等地球动力现象；（3）测定地球重力场及其变化。幻灯片6GPS测量定位技术二、卫星大地测量的起源卫星大地测量是大地测量的新分支。就是利用卫星信息实现大地测量的目的，其作用分为如下几方面：（1）精确测定地面点地心（质心）坐标系内的坐标，从而能够将全球大地网连成整体，建成全球统一的大地测量坐标系统。（2）精确测量地球的大小和形状、地球外部引力场、地极运动、大陆板块间的相对运动以及大地水准面的形状，为大地测量和其他科学技术服务。（3）广泛地应用于空中和海上导航，地质矿产勘探及军事等方面。幻灯片7GPS测量定位技术二、卫星大地测量的起源卫星大地测量初期（1962-1965），美国斯密森天体物理天文台（SAO）。曾用光学摄影法进行了全球性的卫星测量，对北美NAD、欧洲EUA、澳大利亚AND、日本JAD、阿根廷ARG、夏威夷HAW等大地系统进行了联测，利用39个站的观测资料计算并发布了“标准地球Ⅱ”。1966-1971年间又用更多的观测站进行了观测，当时的方向观测精度为±0.3″-1.5″，点位中误差为±6.7m，地心坐标中误差为±17-32m。可见其精度是有限的，且观测条件受限制，底片处理也很复杂，所以以后就较少应用。与此同时，激光测距法伴随出现，即在地面测站上用激光测距仪对卫星进行测距，以达到定轨定位的目的，测距精度可达到厘米级，但用这种定位要有四个站组成较好的图形，实行同步观测，这对大面积布网来说是很困难的，因此未能普及。由于前述两种方法的精度和使用条件受到限制，人们便采用无线电技术，即利用卫星发射的无线电波进行距离测量，这种方法具有全天候等优点，因而发展很快，卫星多普勒定位就是在这一时期发展起来的。幻灯片8GPS测量定位技术二、卫星大地测量的起源美国海军导航卫星系统（NNSS）是美国第一代卫星导航系统，由于该系统卫星轨道都通过地球极点，故也称“子午（Transit）卫星系统”，该系统于1964年建成，1967年7月该系统解密，提供民用。该系统由三部分（即空间部分、地面监控部分和用户部分）组成。由于该系统不受气象条件的影响，自动化程度较高，且具有良好的定位精度，所以它的出现也立即引起大地测量学者的极大关注，尤其在该系统提供民用之后，在大地测量方面，进行了大量的应用研究和实践。如在美洲大陆及其附近测设了大约500个多普勒点；西欧各国在1976年5月和1977年4月分别进行了两次多普勒会战（EDOC—1，2）,在16个国家测设了30多个多普勒点，后者参加了欧洲三角网的重新平差；法国地理院不仅在本国建立了多普勒网，而且还为阿尔及利亚、利比亚、圭亚那和加蓬等国家测设了116个多普勒点；印度尼西亚，测设了200多个多普勒控制点；70年代中期，我国有关测绘和勘察单位开始引进多普勒接收机。幻灯片9GPS测量定位技术二、卫星大地测量的起源卫星多普勒定位虽然有很多优点，但因子午卫星的轨道平面与地球赤道的倾角约为90°,所以子午卫星几乎是在地球子午面内运行，经度与接收机高程相关，只有高程已知时才能解出经度和纬度。可见NNSS系统只能提供二维导航解，且是单星多普勒法，须卫星运行一个时间段后才能获得一次导航解，精度也只优于40m。又由于卫星较低，覆盖面积小，星数又少，须相隔0.8-1.6h（小时）左右才能进行一次定位。可见子午卫星导航系统虽显示了导航的优越性，但又存在着精度低，不能实时导航和只能供二维导航解等缺陷。这些缺陷是由子午卫星导航系统的“单星、低轨、测速”体制决定了的。从大地测量学方面来看，由于它定位速度慢（一个测站一般平均观测1-2天），精度也较低（单点定位精度3-5m，相对定位精度约为0.5-1m），所以，该系统在大地测量和地球动力学研究方面的应用，也受到了很大的限制。为了实现全天候、全球性和高精度的连续导航与定位，第二代的卫星导航系统——GPS卫星全球定位系统便应运而生。卫星定位技术发展到了一个辉煌的历史阶段，使测量定位技术产生了质的改变。幻灯片10GPS测量定位技术三、GPS定位的基本概念20世纪60年代以后，随着空间技术的发展和人造卫星的相继升空，人们设想，如果在绕地球运行的人造卫星上装置有无线电信号发射机，则在接收机钟的控制下，可以测定信号到达接收机的时间，进而求出卫星和接收机之间的距离：scti（1-1）式中——信号传播的速度；c——各项改正数。i幻灯片11GPS测量定位技术三、GPS定位的基本概念但是，卫星上的原子钟和地面上接收机的钟不会严格同步，假如卫星的钟差，接收机的钟差为，则由于卫星上的原子钟和地面上接收机的钟不同步对距离的影响为：()tTscvv（1-2）幻灯片12GPS测量定位技术三、GPS定位的基本概念现在欲确定待定点P的位置，可以在该处安置一台GPS接收机。如果在某一时刻同时测得了4颗GPS卫星的距离、、、，则可列出4个观测方程为：APSBPSCPSDPS12222122221222212222()()()()()()()()()()()()()()()()APPAPAPAtATBPPBPBPBtBTCPPCPCPCtCTDPPDPDPDtDTSxxyyzzcvvSxxyyzzcvvSxxyyzzcvvSxxyyzzcvv（1-3）式中，，，分别为卫星在时刻的空间直角坐标；分别为时刻4颗卫星的钟差，它们均由卫星所广播的卫星星历来提供。求解上列方程，即得待定点的空间直角坐标。(,,)AAAxyz(,,)BBBxyz(,,)CCCxyz(,,)DDDxyz(,,,)ABCD,,,tAtBtCtDvvvvitit,,PPPxyz幻灯片13GPS测量定位技术三、GPS定位的基本概念由此可见，GPS定位的实质就是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采取空间距离后方交会的方法，确定待定点的空间位置。GPS系统的空间部分由21颗工作卫星及3颗备用卫星组成，它们均匀分布在6个相对与赤道的倾角为55°的近似圆形轨道上，每个轨道上有4颗卫星运行，它们距地面的平均高度为20200Km，运行周期为12恒星时。GPS卫星星座均匀覆盖着地球，可以保证地球上所有地点在任何时刻都能看到至少四颗GPS卫星。幻灯片14GPS测量定位技术三、GPS定位的基本概念GPS定位技术自从应用于测量工程，就以其特有的自动化、全天候、高精度的显著优势令经典大地测量刮目相看，具体表现为：（1）选点灵活：GPS定位既不要求点位之间通视，又对点位图形结构没有过苛要求，大大便利了点位的应用。（2）精度提高：实践已经证明，在1000Km的距离上，相对定位精度可以达到10-8；在100-500Km的距离上，相对定位精度可以达到10-6-10-7；在小于50Km的距离上，相对定位精度可以达到10-6。而另一方面，又无须建造测量觇标。幻灯片15GPS测量定位技术三、GPS定位的基本概念（3）操作简便：GPS定位的自动化程度很高，作业人员只限于安置和开关仪器、量取仪器高和监视工作状态，其它均由仪器自动完成，加之仪器本身重量轻、体积小，携带又方便，大大降低了作业难度，提高了工效。其次，GPS定位的结果，可以直接提供点的三维坐标，不仅可以精确确定点的平面位置，也为研究大地水准面的形状和确定地面点高程开辟了新途径。（4）全天候作业：GPS定位不受天气条件制约，加之观测时间缩短、速度加快，便利了人们对测量工程的统筹安排，使工程计划具有较大的可行性，为准确快速提供测绘成果提供了可能。幻灯片16GPS测量定位技术四、我国GPS卫星跟踪网（一）美国政府的GPS政策美国国防部在研制GPS总体方案时，就已经制定了“主要为军用，同时也兼顾民用的双用途政策”。此后，陆续出台了一系列的“双用途”政策，例如：1.1975年规定，GPS卫星发射的无线电信号，含有两种不同的测距码：C/A码（也称粗码）和P码（也称精码）。相应于两种测距码，GPS将提供两种定位服务，即供民用的标准定位服务（SPS）和专供军用的精密定位服务（PPS）。前者进行单点实时定位的精度约为20m-30m，后者利用P码进行单点实时定位的精度可优于10m。幻灯片17GPS测量定位技术（一）美国政府的GPS政策2.美国国防部从1990年3月17日起实施选择可用性SA（SelectiveAvailability）技术，其主要内容是：（1）在广播星历中对GPS卫星的基准频率采用技术（其变化为无规律的随机变化），降低星历精度，使定位中的已知点（卫星）的位置精度大为降低；（2）有意地在卫星钟的钟频信号中采用技术（高频抖动），使钟的频率产生快慢变化，导致测距精度大为降低。实施SA技术后，C/A码实时定位精度，平面位置降低至100m，高程位置降低至150m，严重影响了导航定位。2000年5月，美国政府取消了限制民用精度的“SA”政策，仅在局部或个别卫星上实施SA技术。幻灯片18GPS测量定位技术（一）美国政府的GPS政策3.P码是不公开的保密码，广大民间用户难以应用。近年来，P码的结构逐渐被人们解译，所以美国政府又采用新的反电子欺骗AS（Anti-Spoofing）技术，它是由P码和保密的W码相加而形成的Y码，用于代替P吗，其结构更为严格保密。一般用户无法解译。该技术仅在特殊情况下使用。4.选择可用性SA技术是否实施的判断：用户可从导航电文中的URA（测距精度）值中判别。如Trimble4000测地型GPS接收机，当URA值为20以内时，说明未实施SA政策，当URA值为30-64时，说明实施SA政策。幻灯片19GPS测量定位技术（二）摆脱GPS限制政策的途径美国政府的GPS限制政策严重损害了一般用户的实时定位精度，限制了GPS系统在许多高精度领域中