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《实用工程测量》第20章全球卫星定位测量20.1全球卫星定位系统的组成20.2GPS卫星定位的基本原理20.3GPS小区域控制测量《实用工程测量》20.1概述所谓全球卫星定位测量，就是指利用空间飞行的卫星来实现地面点位的测定。目前正在运行的全球卫星定位位系统有美国的GPS和俄罗斯的GLONASS。正在建设中的欧盟GALILEO，还未投入使用。全球卫星定定位系统，一般指美国的GPS。GPS具有全球性、全天候、连续的三维定位、导航、测速和授时能力，广泛应用于航空航天、海陆空三军导航、地球物理、大地测量、交通管理以及城镇建设等各个领域，并已渗透到人们的日常工作、学习和生活之中。1957年10月世界上第一颗人造地球卫星发射成功，使空间科学技术的发展，迅速跨入一个崭新的时代。人造地球卫星的出现，首先引起各国军事部门的高度重视。1958年底，美国海军武器实验室着手建立为美国军舰导航服务的卫星系统，即海军导航卫星系统（NavyNavigationSatelliteSystem－NNSS），NNSS系统中，卫星轨道都通过地极，故也称“子午（Transit）卫星系统”，1964年该系统建成。但是系统卫星数目较少（5～6颗），运行高度较低（平均约1000km），因此无法提提供连续地实时三维导航。《实用工程测量》为了满足军事部门和民用部门，对连续实时三维导航的迫切要求，1973年美国防部组织海陆空三军，共同研究建立新代卫星导航系统，即目前所称的“授时与测距导航系统/全球定位系统”（NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem－NAVSTAR/GPS），通常简称为全球定位系统（GPS）。GPS具有高精度连续实时三维导航能力，并有良好的抗干拢性，因此GPS大大超过NNSS。GPS的主要特点是：(1)全球全天候实时定位。GPS卫星数目多，分布合理，所以地球上任何地点都可以连续同步观测到至少4颗卫星，从而保证了全球、全天候、实时三维定位定位。(2)自动化程度高。用GPS接收机测量时，只要将天线精确安置在测站上，主机可安放在测站不远处，也可放在室内，通过专用的通讯线和天线连接，接通电源，启动接收机，仪器就自动开始工作。结束测量时，仅需关闭电源，取下接收机，便完成野外数据采集任务。《实用工程测量》(3)观测速度快，精度高。目前，20km以内相对静态定位仅需15～20分钟。GPS相对定位精度可达10-6，100～500km可达10-7。在300～1500m工程精密定位中，观测1小时以上，解算平面位置误差小于1mm。(4)应用领域非常广泛。由于GPS提供精确的位置、速度和时间信息，对现代战争成败至关重要，极大改变了未来战争的作战方式。在导航方面，GPS不仅供用于海上、空中和陆地运动目标的导航，而且可对运动目标实施监控、管理和救援。实时监视和修正航行路，可以保障运动物体沿预定航线运行，并可选择最佳航线。在地球物理方面，精确测定地球板块的位移和运动速速率，预测地震灾害提供重要数据。在测绘方面，目前GPS己成大地测量测定控点的主要方法，在工程测量以及城市测绘己广泛采用GPS先进的定位技术。在交通运输方面，实施运输监控、调度管理、事故处理和紧急救援都起到非常重要作用。随着GPS定位技术的发展，应用领域还会不断拓宽。《实用工程测量》空间星座部分（空间部分）地面支撑系统（地面监控部分）GPS接收机（用户部分）空间部分由24颗GPS卫星组成地面监控系统由监测站、主控站、注入站组成用户部分由GPS接收机组成监测站注入站主控站GPS卫星系统的组成20.2《实用工程测量》（1）GPS卫星星座地球上任何地方至少同时可看到四颗卫星。其发射信号能覆盖地面面积38%。卫星在轨道的任何位置，对地面的距离和波束覆盖面积基本不变。在波束覆盖区域内，用户接收到的卫星信号强度近似相等。这对提高定位精度十分有利。在全球任何地方、任何恶劣的气候条件下，为用户提供二十四小时不间断的免费服务。卫星高度：20200公里运行周期：11小时58分卫星分布在六条升交点相隔60º的轨道面上，轨道倾角为55º每条轨道上分布四颗卫星，相临两轨道上的卫星相隔40º空间星座部分《实用工程测量》（2）在GPS系统中卫星的作用①用L波段的两个无线载波(19cm和24cm波)向广大用户连续不断地发送导航定位信号。②在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站不断发送到卫星的导航电文和其它有关信息，并通过GPS信号电路，适时地和发送给广大用户。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启用备用时钟等。《实用工程测量》GPS地面监控部分1个主控站3个注入站5个监测站斯平士阿松森岛狄哥·伽西亚卡瓦迦兰夏威夷岛太平洋印度洋大西洋《实用工程测量》地点：位于科罗拉多的斯平士(ColoradoSprings)的联合空间执行中心(CSOC)1.主控站设备：主控站拥有大型电子计算机，用作数据采集、计算、传输、诊断、编辑等。作用：（一）采集数据（二）编辑电文（三）诊断功能（四）调整卫星《实用工程测量》2.注入站地点：三个站分别设大西洋的阿松森(Ascension)岛、印度洋的狄哥·伽西亚(DiegoGarcia)和太平洋的卡瓦迦兰(Kwajalein)的三个美国军事基地上。设备：一台直径3.6m的天线，一台S波段发射机和一台计算机。作用：主控站将编辑的卫星电文传送到位于三大洋的三个注入站，定时将这些信息注入各个卫星，然后由GPS卫星发送给广大用户，这就是所用的广播星历。此外，注入站能主动向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态。《实用工程测量》3监测站作用：对每颗卫星进行观测，精确测定卫星在空间的位置，并向主控站提供观测数据。设备：监控站有双频GPS接收机，对每颗卫星长年连续不断地进行观测，每6秒进行一次伪距测量和积分多普勒观测，采集气象要素等数据监测站是一种无人值守的数据采集中心，受主控站的控制，定时将观测数据送往主控站。五个监测站分布在美国本土和三大洋的美军基地上，保证了全球GPS定轨的精度要求。由这五个监测站提供的观测数据形成了GPS卫星实时发布的广播星历。地点：五个监测站：除一个主控站、三个注入站兼作外，还有一个在夏威夷岛《实用工程测量》=用户部分观测和记录由若干卫星发送的数据,并运用数学方法求得三维空间位置以及时间和速度GPS用户部分《实用工程测量》用户部分包括用户组织系统和根据要求安装相应的设备，但其中心设备是GPS接收机。它是一种特制的无线电接收机，用来接收导航卫星发射的信号，并以此计算出定位数据。GPS用户设备GPS接收机硬件机内软件GPS数据的后期处理软件天线单元接收单元前置放大器接收天线《实用工程测量》TOPCON产品《实用工程测量》《实用工程测量》LeicaGPS接收机《实用工程测量》南方仪器厂《实用工程测量》《实用工程测量》GPS系统的特点1、全球，全天候工作2、功能多，应用广3、测站之间无需通视4、定位精度高，隐蔽性好5、观测时间短6、提供三维坐标7、操作简便8、免费、容易《实用工程测量》20.3.1GPS卫星信号的组成20.3GPS卫星定位的基本原理卫星信号载波信号(L1，L2)测距码(P码,C/A码)数据码(导航电文或D码)1.载波信号L1载波，波长λ=19.03cm，频率f1=1575.42MHZL2载波，波长λ=24.42cm，频率f2=1227.6OMHZ。2.测距码C/A码（粗码/捕获码）：调制在L1载波上。结构公开，不同的卫星有不同的C/A码。P码（精码）：调制在L1和L2载波上。3.数据码（D码）（导航电文）提供有关卫星位置，卫星钟的性能、发射机的状态等数据和信息。用户利用观测值以及这些信息和数据就能进行导航和定位。《实用工程测量》20.3.2GPS的常用坐标系WGS--84世界大地坐标系：原点是地球的质心Z轴指向国际时间局BIH1984.0定义的协议地球北极（CTP）方向X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP相对应的赤道的交点Y轴垂直于ZOX平面且与Z、X轴构成右手坐标系协议地球北极CTPZWGS-84YWGS-84XWGS-84国际时间局(BIH)定义的零子午圈O地球质心协议地赤道球《实用工程测量》20.3.3GPS定位原理(X,Y，Z)ρ1ρ2ρ3(x1,y1，z1)(x2,y2，z2)(x3,y3，z3)利用三个以上卫星的已知空间位置，交会出地面未知点（用户接收机）的位置。《实用工程测量》测距的方法码相位(伪距法)测距测量载波相位差测距ρ12=(X-X1)2+(Y-Y1)2+(Z-Z1)2ρ22=(X–X2)2+(Y–Y2)2+(Z–Z2)2ρ32=(X–X3)2+(Y–Y3)2+(Z–Z3)2通过导航电文解译出三颗卫星的坐标，通过测量求出三颗卫星到测站的距离ρ，用距离交会即可求出测站点的坐标（X,Y）。《实用工程测量》20.3.4伪距测量与载波相位测量1.伪距测量伪距法定位——在某一时刻，由GPS接收机测出其到四颗以上GPS卫星的伪距，根据已知的卫星位置，采用距离交会的方法求接收机天线所在点的三维坐标。伪距——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出的量测距离。由于卫星钟、接收机钟的误差以及无线电通过电离层和对流层中的延迟，实际测出的距离与卫星到接收机的几何距离有一定的差值，因此一般称量测出的距离为伪距。用C/A码进行测量的伪距为C/A码伪距；用P码进行测量的伪距为P码伪距。《实用工程测量》GPS采用的单程测距原理，它不同于电磁波测距仪中的双程测距。这就要求卫星时钟与接收机时钟要严格同步。但实际上，两者难于严格同步，因此存在不同步误差，另外，测距码在大气中传播还受到大气电离层折射及大气对流层的影响，产生延迟误差。因此，测距码所求得距离值并非真正的站星几何距离，习惯上称其为“伪距”。由于卫星钟差、电离层折射和大气对流的影响，可以通过导航电文中所给的有关参数加以修正，而接收机的钟差却难以预先准确地确定，所以把接收机的钟差当作一个未知数，与测站坐标一起解算。这样，在一个观测站上要解出4个未知参数，即3个点位坐标分量和1个钟差参数，所以至少同时观测4颗卫星。《实用工程测量》伪距法定位的优缺点(1)定位速度快。(2)无多值性问题。(3)可作为载波相位测量中整波数不确定问题（模糊度）的辅助资料。(4)一次定位精度不高，（P码定位误差约为10m，C/A码定位误差约为20～30m）。《实用工程测量》2.载波相位测量波长：L1信号的波长为19.03cm。L2信号的波长为24.42cm。载波相位测量属于非码信号测量系统优点：把载波作为量测信号，对载波进行相位测量可以达到很高的精度，目前可达到1～2mm。缺点：载波信号是一种周期性的正弦信号，相位测量只能测定不足一个波长的小数部分，无法测定其整波长个数。因而存在着整周数的不确定性问题，使解算过程比较复杂。《实用工程测量》1、静态定位：待定点的位置在观测过程中固定不变。2、动态定位：待定点在运动载体上，观测过程中是变化的。3、实时定位：一边接收卫星信号一边进行计算，获得目前所处的位置、速度及时间等信息。4、后处理定位：把卫星信号记录在一定的介质上，回到室内统一进行数据处理。一般来说，静态定位用户多采用后处理，动态定位用户采用实时处理或后处理。20.3.5GPS定位方法《实用工程测量》GPS绝对定位(单点定位)：它是利用一台接收机观测卫星，独立地确定出自身在WGS－84地心坐标系的绝对位置。这一位置在WGS－84坐标系中是唯一的，所以称为绝对定位。因为利用一台接收机能完成定位工作，又称为单点定位。绝对定位的优点是只需一台接收机即可独立定位，外业观测的组织和实施比较方便，数据处理比较简单；缺点是定位精度低，受各种误差的影响比较大，只能达到米级。《实用工程测量》GPS相对定位：它是利用不同地点的接收机同步跟踪相同的GPS卫星信号，确定若干台接收机之间的相对位置。它的测量是相对于某一已知点的位置，而不是在WGS－84坐标系