目錄1GPS（全球定位系統(tǒng)）開發(fā)與應(yīng)用目錄2前言全球定位系統(tǒng)（GlobalPositioningSystemGPS）是美國國防部主要為滿足軍事部門對海上、陸地和空中設(shè)施進(jìn)行高精度導(dǎo)航和定位的要求而建立的。GPS作為新一代導(dǎo)航與定位系統(tǒng)，不僅具有全球性、全天候、連續(xù)的精密三維導(dǎo)航與定位能力，而且具有良好的看抗干擾性和保密性。因此，發(fā)展全球定位系統(tǒng)（GPS）已成為美國導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，并且被視為本世紀(jì)美國繼阿波羅登月計(jì)劃和航天飛機(jī)計(jì)劃之后又一重大科技成就。目前，GPS精密定位及時(shí)已經(jīng)滲透到了經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)技術(shù)的許多領(lǐng)域，尤其對經(jīng)典測量學(xué)的各個(gè)方面產(chǎn)生了極其深刻的影響。它在大地測量學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域，如地球動(dòng)力學(xué)、海洋大地測量學(xué)、天文學(xué)、地球物理勘探、資源看勘查、航空與衛(wèi)星遙感、工程變形監(jiān)測、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的測速以及精密時(shí)間傳遞等方面的廣泛應(yīng)用，充分顯示了這一衛(wèi)星定位技術(shù)的高精度和高效益。近年來，高精度定位技術(shù)在我國已得到蓬勃發(fā)展。在我國大地測量、精密工程測量。地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測、資源勘察和城市控制網(wǎng)的改善等方面的應(yīng)用及其所取的成功經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步展示了GPS精密定位技術(shù)的顯著優(yōu)越性和巨大潛力。隨著由南方公司牽頭的國產(chǎn)測量型GPS的產(chǎn)生和發(fā)展，靜態(tài)測量型GPS已經(jīng)在國內(nèi)全面普及。隨著急速的的發(fā)展RTK動(dòng)態(tài)測量型GPS也將更廣泛的應(yīng)用于國內(nèi)測量的各個(gè)領(lǐng)域，從而將為國家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防建設(shè)的發(fā)展做出新的奉獻(xiàn)。本書的編寫目的，主要在于適應(yīng)GPS衛(wèi)星測量發(fā)展的需要，向廣大GPS測量用戶比較全面地介紹GPS衛(wèi)星測量的原理、基礎(chǔ)知識和主流測量型GPS系統(tǒng)的操作，以利于這一新技術(shù)在測量行業(yè)的應(yīng)用和普及，為測量技術(shù)手段的提高而服務(wù)。全文共分六章，其中第一章為緒論，簡要的介紹了衛(wèi)星導(dǎo)航與定位技術(shù)的特點(diǎn)和構(gòu)成概況，以便于讀者對GPS有了概括性的了解。第二章介紹介紹了GPS定位的相關(guān)基礎(chǔ)知識，包括GPS的坐標(biāo)系統(tǒng)、時(shí)間系統(tǒng)，GPS信號的構(gòu)測和傳播方式，GPS信號的觀測量和誤差分析。了解這些GPS定位的基礎(chǔ)知識對于掌握GPS測量的基本原理和理解GPS測量施工的方法來說是必要的。第三章主要介紹GPS的定位原理中最基礎(chǔ)的絕對定位原理以及測量中最普遍利用的相對定位原理。第四章闡述了GPS測量和經(jīng)典相互聯(lián)系的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換和投影的內(nèi)容。第五章重點(diǎn)介紹GPS測量實(shí)施的主要過程，作業(yè)的基本方法和原則。第六章通過具體的接收機(jī)操作介紹GPS在測量領(lǐng)域的主要應(yīng)用。GPS衛(wèi)星測量學(xué)是由多學(xué)科相互滲透而形成的一門新興科學(xué)，其理論和實(shí)踐工作在不斷完善，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷拓寬，發(fā)展迅速，日新月異。由于作者水平有限，說中錯(cuò)誤與不當(dāng)之處在所難免，誠懇歡迎讀者批評。南方GPS產(chǎn)品部目錄3目錄第一章緒論.11.1GPS系統(tǒng)的特點(diǎn).11.2GPS系統(tǒng)的構(gòu)成.3第二章GPS系統(tǒng)定位的基礎(chǔ)知識.52.1GPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng).52.2GPS定位的時(shí)間系統(tǒng).62.3GPS衛(wèi)星星歷.72.4電磁波的傳播與GPS衛(wèi)星信號.92.4.1電磁波的介紹.92.4.2大氣層對GPS信號傳播的影響.102.4.3GPS衛(wèi)星的測距碼信號.112.4.5GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文（數(shù)據(jù)碼）.122.5GPS定位的觀測量及誤差分析.132.5.1GPS定位的方法與觀測量.142.5.2觀測量的誤差來源及其影響.15第三章GPS系統(tǒng)的定位原理.193.1絕對定位原理.193.1.1絕對定位方法概述.193.1.2動(dòng)態(tài)絕對定位原理.213.1.3靜態(tài)絕對定位原理.233.1.4觀測衛(wèi)星的幾何分布及其對絕對定位精度的影響.243.2相對定位原理.253.2.1相對定位方法的概述.253.2.2靜態(tài)相對定位方程.273.2.3準(zhǔn)動(dòng)態(tài)相對定位模型.313.2.4動(dòng)態(tài)相對定位的觀測方程.333.2.5整周未知數(shù)的確定方法.353.2.6周跳分析的基本思路.353.3GPS的高程系統(tǒng).36第四章坐標(biāo)系統(tǒng)與投影.394.1坐標(biāo)系統(tǒng)與投影.394.2GPS術(shù)語.44目錄4第五章GPS測量的實(shí)施.465.1接收機(jī)類型.465.2GPS測量實(shí)施.485.2.1GPS網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計(jì).485.2.2選點(diǎn)與埋石.515.2.3GPS測量的觀測工作.52第六章GPS定位技術(shù)在測量中的應(yīng)用.566.1GPS定位技術(shù)在平面控制測量方面的應(yīng)用.566.1.1靜態(tài)相對定位模式.566.1.2南方9600靜態(tài)GPS的應(yīng)用.566.2后差分動(dòng)態(tài)相對定位模式.696.3動(dòng)態(tài)測量.70南方GPS培訓(xùn)教材1第一章緒論GPS（GlobalPositioningSystem）即全球定位系統(tǒng)，是由美國建立的一個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)，用戶可以在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)全天候、連續(xù)、實(shí)時(shí)的三維導(dǎo)航定位和測速；另外，利用該系統(tǒng)，用戶還能夠進(jìn)行高精度的時(shí)間傳遞和高精度的精密定位。隨著GPS定位技術(shù)的發(fā)展，其廣泛的應(yīng)用于民用領(lǐng)域，在測量工作方面GPS定位技術(shù)在大地測量，工程測量，工程與地殼變形監(jiān)測、地籍測量，航空攝影測量和海洋測量等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用已甚為普及。正因?yàn)镚PS系統(tǒng)在軍事和民用領(lǐng)域定位技術(shù)上發(fā)揮的巨大作用被視為20世紀(jì)最重大的科技成就之一。1.1GPS系統(tǒng)的特點(diǎn)1GPS相對于其他導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn)從1978年發(fā)射第一顆GPS試驗(yàn)衛(wèi)星以來，利用該系統(tǒng)進(jìn)行定位的研究、開發(fā)和實(shí)驗(yàn)工作，發(fā)展異常迅速。理論與實(shí)踐表明，GPS同其他導(dǎo)航系統(tǒng)相比，其主要優(yōu)點(diǎn)如下：全球地面連續(xù)覆蓋。由于GPS衛(wèi)星的數(shù)目較多，且分布合理，所以地球上任何地點(diǎn)，均可連續(xù)地同步觀測到至少4顆衛(wèi)星。從而保障了全球、全天候、連續(xù)地三維定位。功能多，精度高。GPS可為各類用戶連續(xù)地提供動(dòng)態(tài)目標(biāo)的三維位置、三維速度和時(shí)間信息。隨著GPS定位技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，其定位、測速和測時(shí)的精度將進(jìn)一步提高。實(shí)時(shí)定位。利用全球定位系統(tǒng)導(dǎo)航，可以實(shí)時(shí)地確定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的三維位置和速度，由此即可保障運(yùn)動(dòng)載體沿預(yù)定航線的運(yùn)行，也可以實(shí)時(shí)地監(jiān)視和修正航行路線，以及選擇最佳的航線。應(yīng)用廣泛。隨著GPS定位技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用的領(lǐng)域在不斷拓寬。目前，在導(dǎo)航方面，它不僅已廣泛地用于海上、空中和陸地運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的導(dǎo)航，而且，在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的監(jiān)控與管理，以及運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的報(bào)警與救援等方面，也已獲得了成功地應(yīng)用；在測量工作方面，這一定位技術(shù)在大地測量，工程測量，工程與地殼變形監(jiān)測、地籍測量，航空攝影測量和海洋測繪等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，已甚為普遍。考慮到GPS主要是為滿足軍事部門高精度導(dǎo)航的需要而建立的，所以上述優(yōu)點(diǎn)，對軍事上的動(dòng)態(tài)目標(biāo)的導(dǎo)航，具有十分重要的意義。正因?yàn)槿绱?，美國政府把發(fā)展GPS技術(shù)作為導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，并把這一技術(shù)，視為20世紀(jì)最重要的科技成就之一。2GPS定位技術(shù)相對于經(jīng)典測量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)GPS定位技術(shù)的高度自動(dòng)化和所達(dá)到的定位精度及其潛力（如下圖），使廣大測量工作者產(chǎn)生了極大的興趣。尤其從1982年第一代測量型無碼GPS接收機(jī)MacrometerV-1000投入市場以來，在應(yīng)用基礎(chǔ)的研究、應(yīng)用領(lǐng)域的開拓、硬件和軟件的開發(fā)等方面，南方GPS培訓(xùn)教材2都得到蓬勃發(fā)展。廣泛的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)為GPS精密定位技術(shù)在測量工作中的應(yīng)用，展現(xiàn)了廣闊的前景。相對于經(jīng)典的測量技術(shù)來說，這一新技術(shù)的主要特點(diǎn)如下：（1）觀測站之間無需通視。既要保持良好的通視條件，又要保障測量控制網(wǎng)的良好結(jié)構(gòu)，這一直是經(jīng)典測量技術(shù)在實(shí)踐方面的困難問題之一。GPS測量不要求觀測站之間相互通視，因而不再需要建造覘標(biāo)。這一優(yōu)點(diǎn)即可大大減少測量工作的經(jīng)費(fèi)和時(shí)間（一般造標(biāo)費(fèi)用約占總經(jīng)費(fèi)的30%50%），同時(shí)也使點(diǎn)位的選擇變得甚為靈活。不過也應(yīng)指出，GPS測量雖不要求觀測站之間相互通視，但必須保持觀測站的上空開闊（凈空），以使接收GPS衛(wèi)星的信號不受干擾。（2）定位精度高?，F(xiàn)已完成的大量實(shí)驗(yàn)表明，目前在小于50KM的基線上，其相對定位精度可達(dá)到12*10-6，而在100KM500KM的基線上可達(dá)到10-610-7。隨著光測技術(shù)與數(shù)據(jù)處理方法的改善，可望在1000km的距離上，相對定位精度達(dá)到或優(yōu)于10-8。（3）觀測時(shí)間短。目前，利用經(jīng)典的靜態(tài)定位方法完成一條基線的相對定位所需要的觀測時(shí)間，根據(jù)要求的精度不同，一般約為13小時(shí)。為了進(jìn)一步縮短觀測時(shí)間，提高作業(yè)速度，近年來發(fā)展的短基線（例如不超過20km）快速相對定位法，其觀測時(shí)間僅需數(shù)分鐘。（4）提供三維坐標(biāo)。GPS測量在精確測定觀測站平面位置的同時(shí)，可以精確測定觀測站的大地高程。GPS測量的這一特點(diǎn)，不僅為研究大地水準(zhǔn)面的形狀和確定地面點(diǎn)的高程開辟了新途徑，同時(shí)也為其在航空物探、航空攝影測量及精密導(dǎo)航中的應(yīng)用，提供了重要的高程數(shù)據(jù)。（5）操作簡便。GPS測量的自動(dòng)化程度很高，在觀測中的測量員的主要任務(wù)只是安裝并開關(guān)儀器、量取儀器高、監(jiān)控儀器的工作狀態(tài)和采集環(huán)境的氣象數(shù)據(jù)，而其他觀測工作，如衛(wèi)星的捕獲、跟蹤觀測和記錄等均有儀器自動(dòng)完成。另外，GPS用戶接收機(jī)一般重量較輕、體積較小，例如南方的S-80雙頻GPS接收機(jī)，重量約為1.25kg，體積南方GPS培訓(xùn)教材3為35003cm，因?yàn)閿y帶和搬運(yùn)都很方便。（6）全天候作業(yè)。GPS觀測工作，可以在任何地點(diǎn)，任何時(shí)間連續(xù)地進(jìn)行，一般也不受天氣狀況的影響。所以，GPS定位技術(shù)的發(fā)展，對于經(jīng)典的測量技術(shù)是一次重大的突破。一方面，它使經(jīng)典的測量理論與方法產(chǎn)生了深刻的變革，另一方面，也進(jìn)一步加強(qiáng)了測量學(xué)與其他學(xué)科之間的相互滲透，從而促進(jìn)科測繪科學(xué)技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展。1.2GPS系統(tǒng)的構(gòu)成全球定位系統(tǒng)（GPS）的整個(gè)系統(tǒng)由三大部分組成，即空間部分、地面控制部分和用戶部分所組成：圖12全球定位系統(tǒng)（GPS）構(gòu)成示意圖1空間部分GPS的空間部分是由24顆GPS工作衛(wèi)星所組成，這些GPS工作衛(wèi)星共同組成了GPS衛(wèi)星星座，其中21顆為可用于導(dǎo)航的衛(wèi)星，3顆為活動(dòng)的備用衛(wèi)星1。這24顆衛(wèi)星分布在6個(gè)傾角為55的