第七章

GPS的基本知識

概述

GPS定位系統(tǒng)的組成

GPS衛(wèi)星定位的基本原理

GPS測量的實施

GPS測量的作業(yè)模式*121概述全球定位系統(tǒng)（GPS）:

“授時、測距導(dǎo)航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)（NavigationSystemTimingandRanging/GlobalPositioningSystem）”的簡稱。該系統(tǒng)是由美國從上世紀(jì)70年代開始研制，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進行全方位實時三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星無線電導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。特點：具有全天候、高精度、自動化、高效率等，即：（1）全球覆蓋；（2）自動化，精度高；（3）實時三維動態(tài)定位、測速和定時；（4）高效率，無用戶數(shù)量限制，應(yīng)用廣泛。應(yīng)用：工程測量、大地測量、航空攝影測量、運載工具導(dǎo)航和管制、地殼運動監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、資源勘察、地球動力學(xué)等領(lǐng)域。應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷地拓展，遍及國民經(jīng)濟各種部門，并逐步深入人們的日常生活,從而給測繪學(xué)科帶來了一場深刻的技術(shù)革命。*3GPS衛(wèi)星*4相對于經(jīng)典的測量技術(shù)（全站儀）來說，GPS的特點

如下：測站之間無需通視。因而不再需要建造覘標(biāo)，可減少測量工作經(jīng)費和時間，同時也使點位的選擇變得非常靈活。b)

高精度三維定位。GPS可以精密測定平面位置和大地高。c)

觀測時間短。近年來發(fā)展的快速相對定位法，觀測時間僅需數(shù)分鐘；實時動態(tài)定位技術(shù)（RTK）可提供厘米級的實時三維定位結(jié)果。d)

操作簡便。GPS測量自動化程度很高，操作員的主要任務(wù)只是安置并開關(guān)儀器，量取儀器高，監(jiān)視儀器的工作狀態(tài)等。接收機自動完成觀測工作，如衛(wèi)星捕獲，跟蹤觀測和記錄等。GPS接收機重量輕，體積小，攜帶方便。e)

全天侯作業(yè)。GPS接收機可以在任何地點（衛(wèi)星信號不被遮擋的情況下），任何時間連續(xù)地進行，一般也不受天氣狀況的影響。*5全球定位系統(tǒng)（GPS）構(gòu)成示意圖

2GPS定位系統(tǒng)的組成GPS定位技術(shù)：空中GPS衛(wèi)星向地面發(fā)射信號，地面用戶接收機實時地連續(xù)接收，并計算出接收機位置。GPS三個部分組成：（1）GPS衛(wèi)星星座（空間部分）、（2）地面監(jiān)控系統(tǒng)（地面控制部分）、（3）GPS用戶接收機（用戶部分）。*6

共有24顆GPS工作衛(wèi)星，構(gòu)成GPS工作衛(wèi)星星座，分布在6個近圓形軌道面，高度在地面上約20200km，軌道面相對于地球赤道面傾斜55角,周期11小時58分。地球上任何地方可以同時觀測到4-12顆、高度角15

以上的衛(wèi)星。2.1空間部分（GPS衛(wèi)星星座）近地點升交點*7空間段的基本功能：--接收和儲存由地面監(jiān)控站發(fā)來的跟蹤監(jiān)測信息；--在地面監(jiān)控站的指令下，調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)或啟用備用衛(wèi)星；--進行必要的數(shù)據(jù)處理工作；--通過星載的高精度銫鐘和銣鐘提供精密的時間標(biāo)準(zhǔn)；--向用戶廣播GPS信號。

GPS衛(wèi)星廣播的GPS信號是定位基礎(chǔ)，它由基準(zhǔn)頻率(f0=10.23Mz)經(jīng)倍頻產(chǎn)生。154倍120倍倍頻后，分別形成兩個載波（L1=154×f0=1575.42Mz,L2=120×f0=1227.60Mz）,波長分別為19.03cm和24.42cm。調(diào)制在L載波上的信號包括C/A碼、P碼和D碼。C/A碼（粗碼）：頻率為1.023MHz的偽隨機碼。

P碼（精碼）：載波頻率為10.23MHz的偽隨機碼。測距碼：粗碼和精碼；D碼（導(dǎo)航電文）：衛(wèi)星向用戶提供為計算衛(wèi)星坐標(biāo)的衛(wèi)星星歷、系統(tǒng)時間、衛(wèi)星鐘性能及電離層改正參數(shù)等信息。*8圖3：GPS信號的結(jié)構(gòu)

基本頻率10.23MHzL1載波1575.42MHzC/A碼1.023MHzP碼10.23MHz數(shù)據(jù)碼50BPS

154

120

10

204600L2載波1227.60MHzP碼10.23MHz數(shù)據(jù)碼50BPS*92.2地面監(jiān)控部分地面監(jiān)控系統(tǒng)：由一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站組成。主控站：

收集各個監(jiān)測站所測觀測值、環(huán)境要素等數(shù)據(jù)，計算每顆GPS衛(wèi)星的星歷、時鐘改正量、狀態(tài)數(shù)據(jù)、以及信號的大氣層傳播改正，并按一定的形式編制成導(dǎo)航電文，傳送到主控站：此外還控制和監(jiān)視其余站的工作情況并管理調(diào)度GPS衛(wèi)星。注入站：

將主控站傳來的導(dǎo)航電文，分別注入到相應(yīng)的GPS衛(wèi)星中，通過衛(wèi)星將導(dǎo)航電文傳遞給地面上的廣大用戶。監(jiān)測站：

為主控站編算導(dǎo)航電文提供原始觀測數(shù)據(jù)。每個監(jiān)測站上都有GPS接收機對所見衛(wèi)星觀測，采集環(huán)境要素等數(shù)據(jù)，經(jīng)初步處理后發(fā)往主控站。導(dǎo)航電文：GPS用戶所需要的一項重要信息，通過導(dǎo)航電文能確定GPS衛(wèi)星在各時刻的具體位置。*102.3用戶設(shè)備部分用戶要實現(xiàn)利用GPS進行導(dǎo)航和定位的目的，還需要GPS接收機，即用戶設(shè)備部分。用戶設(shè)備部分作用：接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，獲得必要的導(dǎo)航和定位信息及觀測量，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后獲得觀測時刻接收機的位置坐標(biāo)。用戶設(shè)備部分主要由GPS接收機硬件和數(shù)據(jù)處理軟件組成。GPS接收機分類方法：較精密的雙頻接收機，稍為便宜的單頻接收機。所有GPS接收機生產(chǎn)廠家一般都隨機提供數(shù)據(jù)處理軟件包，通常只用于較小區(qū)域（100km）數(shù)據(jù)處理，其作用是有限的。國際上有一些科研機構(gòu)為了克服商用數(shù)據(jù)處理軟件的不足，已經(jīng)開發(fā)研制了多種精密的GPS數(shù)據(jù)后處理軟件包。

*11GPS衛(wèi)星定位的基本原理原理：測量學(xué)中的空間（距離）后方交會方法。Sat2Sat1Sat3Sat4User

必要條件：（觀測衛(wèi)星數(shù)>=4)時間星歷距離（觀測值）*12GPS定位方法：按觀測值不同分為：碼偽距觀測定位

、載波相位測量定位；按使用同步觀測的接收機數(shù)和定位解算方法來分：單點定位（絕對定位）、差分定位（相對定位）；

根據(jù)接收機的運動狀態(tài)可分為靜態(tài)定位

、動態(tài)定位。

單點定位：確定接收機在世界坐標(biāo)系（WGS-84）中三維坐標(biāo)。

相對定位：確定接收機相對地面上另一參考點的空間基線向量。

靜態(tài)定位：接收機是靜止不動的。

動態(tài)定位：確定接收機載體的三維坐標(biāo)和速度。絕對定位和相對定位中，均包含靜態(tài)和動態(tài)兩種方式。比較有代表性的定位模式，即為偽距單點定位

、載波相位相對定位，其他的定位模式均為依此衍生而來。*13

*14GPS衛(wèi)星

偽距單點定位示意圖*153.2、載波相位相對定位載波相位：載波是指被調(diào)制以傳輸信號的波形，一般為正弦波。

*163.2、載波相位相對定位

為了克服關(guān)于大氣折射延遲改正不夠準(zhǔn)確，以及減少未知數(shù)等原因，常對以上觀測量作差分處理，所以叫相對定位。

一般要兩臺接收機同步觀測相同的衛(wèi)星。

一般用到的有單差、雙差、三差法。單差觀測量：不同觀測站同步觀測相同衛(wèi)星所得觀測量之差。雙差觀測量：在單差法基礎(chǔ)上，對不同測站同步觀測一組衛(wèi)星所得單差之差。測站間同步觀測量的單差示意圖

測站間同步觀測量的雙差示意圖

S1S2*17

三差法：在雙差法基礎(chǔ)上，不同測站同步觀測的同一組衛(wèi)星所得雙差觀測量作差分。