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GPS原理

目录

前言4

第一章GPS卫星定位测量基础5

1.1GPS系统简介5

1.1.1GPS定位系统的发展5

1.1.2GPS相对于其它导航系统的特点5

1.1.3GPS定位技术相对于经典测量技术的优点6

1.1.4GPS系统的构成6

1.2GPS定位的坐标系统和时间系统8

1.2.1GPS定位的坐标系统8

1.2.2GPS定位的时间系统8

1.3GPS卫星信号9

1.3.1GPS卫星的测距码信号9

1.3.2GPS卫星的导航电文9

1.3.3GPS卫星星历9

1.4GPS信号接收机10

1.4.1GPS信号接收机的基本工作原理10

1.4.2GPS信号接收机分类11

第二章GPS定位原理及误差来源13

2.1GPS定位方法分类13

2.2.1静态定位和动态定位13

2.2.2绝对定位和相对定位13

2.2GPS静态定位原理14

2.2.1静态绝对定位原理16

2.2.2静态相对定位原理16

2.3GPS动态定位原理17

2.3.1GPS动态绝对定位原理17

2.3.2GPS动态相对定位原理17

2.3.3差分GPS定位原理18

2.4GPS定位的误差来源及对策18

2.4.1与GPS卫星有关的误差18

2.4.2卫星信号传播误差19

2.4.3与接收设备有关的误差20

2.4.4.其它误差来源21

2.4.5卫星的几何分布及其对绝对定位精度的影响22

第三章GPS控制网的设计与外业工作24

3.1GPS网的技术设计24

3.1.1GPS网的构网特点及方式24

3.1.1GPS网的精度设计26

3.1.2GPS控制网网形设计26

3.1.3GPS网基准的设计27

3.2选点与埋设标志28

3.3GPS测量的观测工作28

3.4GPS观测成果检验与技术总结30

3.4.1GPS观测成果检验30

3.4.2GPS测量的技术总结与上交资料31

第四章GPS测量数据处理33

4.1GPS测量数据处理概述33

4.2GPS的坐标系统及坐标转换33

4.2.1旋转椭球与参心坐标系33

4.2.2北京54和西安80国家坐标系35

4.2.3地方独立坐标系36

4.2.4高斯平面直角坐标系和UTM坐标系37

4.3GPS定位测量中的坐标转换39

4.3.1空间直角坐标系与椭球大地坐标系的关系40

4.3.2GPS网的三维平差40

4.3.3GPS基线向量网的二维平差41

4.4GPS网平差约束基准兼容性检验41

4.5GPS的高程系统41

4.5.1高程系统简介42

4.5.2GPS水准43

4.5.3GPS重力高程43

4.5.4GPS高程精度44

第五章GPS定位测量技术应用45

5.1GPS在大地测量中的应用45

5.1.1现代大地测量参考基准45

5.1.2国家高精度GPS网46

5.1.3地区性的GPS大地控制网47

5.2GPS在灾害监测与预报中的应用47

5.2.1GPS在滑坡、矿山地面沉陷等灾害地质监测中的应用47

5.2.2GPS在大城市地面沉降监测中的应用48

5.2.3GPS在大坝、桥梁、海上钻井平台等工程形变监测中的应用49

5.3GPS在工程测量以及摄影测量与遥感技术中的应用50

5.3.1GPS在桥梁与隧道控制测量中的应用51

5.3.2GPS在各种线路工程测量中的应用52

5.4GPS定位技术的其他应用52

5.4.1GPS在海洋测绘中的应用52

5.4.2GPS在农业、林业与野外考查中的应用54

5.4.3GPS在导航、航天及天气预报中的应用55

第六章全球卫星导航定位系统发展56

6.1俄罗斯卫星导航系统—GLONASS卫星系统56

6.2欧洲卫星导航系统—Galileo系统57

6.3北斗卫星导航系统57

6.4GPS现代化58

6.4.1现有GPS系统存在的问题59

6.4.2GPS现代化的构架59

前言

全球定位系统（GlobalPositioningSystem-GPS）是美国国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的要求而建立的。

GPS作为新一代导航与定位系统，不仅具有全球性、全天候、连续的精密三维导航与定位能力，而且具有良好的抗干扰性和保密性。

因此，发展全球定位系统（GPS）已成为美国导航技术现代化的重要标志，并且被视为本世纪美国继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后又一重大科技成就。

目前，GPS精密定位技术已经渗透到了经济建设和科学技术的许多领域，尤其对经典测量学的各个方面产生了极其深刻的影响。

它在大地测量学及其相关领域，如地球动力学、海洋大地测量学、天文学、地球物理勘探、资源勘查、航空与卫星遥感、工程变形监测、运动目标的测速以及精密时间传递等方面的广泛应用，充分显示了这一卫星定位技术的高精度和高效益。

近年来，GPS精密定位技术在我国已得到蓬勃发展，如大地测量、精密工程测量、地壳运动监测、资源勘察和城市控制网的改善等方面的应用及其所取的成功经验，进一步展示了GPS的显著优越性和巨大潜力。

随着急速的的发展，GPS也将更广泛的应用于国内测量的各个领域，从而将为国家的经济建设、国防建设的发展做出新的奉献。

第一章GPS卫星定位测量基础

GPS（GlobalPositioningSystem）即全球定位系统，是由美国建立的一个卫星导航定位系统，利用该系统用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速；另外，用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。

随着GPS定位技术的发展，其广泛的应用于民用领域，在测量工作方面GPS定位技术在大地测量、工程测量、工程与地壳变形监测、地籍测量、航空摄影测量和海洋测量等各个领域的应用已甚为普及。

本章介绍GPS卫星定位测量的基础知识，包括GPS系统简介、卫星定位测量采用的坐标系统和时间系统、GPS卫星星历等内容。

1.1GPS系统简介

1.1.1GPS定位系统的发展

GPS系统的研制计划分3个阶段实施：

1）原理与可行性实验阶段，1973年12月到1978年2月22日第一颗试验卫星发射成功，历时5年。

2）系统研制与实验阶段，1978年2月22日到1989年2月14日第一颗工作卫星发射成功，历时l1年。

3）工程发展与完成阶段，1989年2月14日到1995年4月27日，历时7年。

1995年4月27日美国国防部宣布：

GPS系统已具备运作能力。

在全世界任何地方都可以实现全天候的导航、定位。

1.1.2GPS相对于其它导航系统的特点

从1978年发射第一颗GPS试验卫星以来，利用该系统进行定位的研究、开发和实验工作，发展异常迅速。

理论与实践表明，GPS同其他导航系统相比，其主要优点如下：

1）全球地面连续覆盖。

由于GPS卫星的数目较多，且分布合理，所以地球上任何地点，均可连续地同步观测到至少4颗卫星。

从而保障了全球、全天候、连续地三维定位。

2）功能多，精度高。

GPS可为各类用户连续地提供动态目标的三维位置、三维速度和时间信息。

目前GPS定位精度可以达到厘米级，随着GPS定位技术和数据处理技术的发展，其定位、测速和测时的精度将进一步提高。

3）实时定位。

利用全球定位系统导航，可以实时地确定运动目标的三维位置和速度，由此即可保障运动载体沿预定航线的运行，也可以实时地监视和修正航行路线，以及选择最佳的航线。

4）应用广泛。

随着GPS定位技术的发展，其应用的领域在不断拓宽。

目前，在导航方面，它不仅已广泛地用于海上、空中和陆地运动目标的导航，而且，在运动目标的监控与管理，以及运动目标的报警与救援等方面，也已获得了成功地应用；在测量工作方面，这一定位技术在大地测量，工程测量，工程与地壳变形监测、地籍测量，航空摄影测量和海洋测绘等各个领域的应用，已甚为普遍。

1.1.3GPS定位技术相对于经典测量技术的优点

GPS定位技术的高度自动化和所达到的定位精度及其潜力，使广大测量工作者产生了极``大的兴趣。

尤其从1982年第一代测量型无码GPS接收机MacrometerV-1000投入市场以来，在应用基础的研究、应用领域的开拓、硬件和软件的开发等方面，都得到蓬勃发展。

广泛的实验活动为GPS精密定位技术在测量工作中的应用，展现了广阔的前景。

相对于经典的测量技术来说，这一新技术的主要特点如下：

1）观测站之间无需通视。

既要保持良好的通视条件，又要保障测量控制网的良好结构，这一直是经典测量技术在实践方面的困难问题之一。

GPS测量不要求观测站之间相互通视，因而不再需要建造觇标。

这一优点即可大大减少测量工作的经费和时间（一般造标费用约占总经费的30%~50%），同时也使点位的选择变得甚为灵活。

不过也应指出，GPS测量虽不要求观测站之间相互通视，但必须保持观测站的上空开阔，以使接收GPS卫星的信号不受干扰。

2）定位精度高。

现已完成的大量实验表明，目前在小于50KM的基线上，其相对定位精度可达到1~2*10-6，而在100KM~500KM的基线上可达到10-6~10-7。

随着观测技术与数据处理方法的改善，可望在1000km的距离上，相对定位精度达到或优于10-8。

3）观测时间短。

目前，利用经典的静态定位方法完成一条基线的相对定位所需要的观测时间，根据要求的精度不同，一般约为1~3小时。

为了进一步缩短观测时间，提高作业效率，近年来发展的短基线（例如不超过20km）快速相对定位法，其观测时间仅需数分钟。

4）提供三维坐标。

GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。

GPS测量的这一特点，不仅为研究大地水准面的形状和确定地面点的高程开辟了新途径，同时也为其在航空物探、航空摄影测量及精密导航中的应用，提供了重要的高程数据。

5）操作简便。

GPS测量的自动化程度很高，在观测中的测量员的主要任务只是安装并开关仪器、量取仪器高、监控仪器的工作状态和采集环境的气象数据，而其他观测工作，如卫星的捕获、跟踪观测和记录等均有仪器自动完成。

6）全天候作业。

GPS观测工作，可以在任何地点，任何时间连续地进行，一般也不受天气状况的影响。

所以，GPS定位技术的发展，对于经典的测量技术是一次重大的突破。

一方面，它使经典的测量理论与方法产生了深刻的变革，另一方面，也进一步加强了测量学与其他学科之间的相互渗透，从而促进科测绘科学技术的现代化发展。

1.1.4GPS系统的构成

全球定位系统（GPS）的整个系统由三大部分组成，即空间部分、地面控制部分和用户部分所组成：

1）空间部分

GPS的空间部分是由24颗GPS工作卫星所组成，这些GPS工作卫星共同组成了GPS卫星星座，其中21颗为可用于导航的卫星，3颗为活动的备用卫星。

这24颗卫星分布在6个倾角为55°的轨道上绕地球运行。

卫星的运行周期约为12恒星时。

每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号，GPS用户正是利用这些信号来进行工作的。

2）控制部分

GPS的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构成，根据其作用的不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。

主控站有一个，位于美国科罗拉多州，它的作用是根据各监控站对GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时，它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作；另外，主控站也具有监控站的功能。

监控站有五个，除了主控站外，其它四个分别位于夏威夷、阿松森群岛、迭哥伽西亚、卡瓦加兰，监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星的工作状态；注入站有三个，它们分别位于阿松森群岛、迭哥伽西亚、卡瓦加兰，注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。

3）用户部分

GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机、气象仪器等所组成。

它的作用是接收GPS卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。

1.2GPS定位的坐标系统和时间系统

1.2.1GPS定位的坐标系统

GPS定位测量涉及两类坐标系，即天球坐标系和地球坐标系。

天球坐标系是一种惯性坐标系，其坐标原点和各坐标轴的指向在空间保持不动，可较方便地描述卫星的运行位置和状态。

而地球坐标系则是与地球体相固联的坐标系统，用于描述地面测站的位置。

GPS定位测量中所采用的协议地球坐标系，称为WGS-84世界大地坐标系（Geodeticsystem1984）。

该坐标系由美国国防部研制，自1987年1月l0日开始起用。

WGS-84坐标系的原点为地球质心M；Z轴指向BIH1984.0时元定义的协议地极（CTP,conventionalterrestrialpole）；X轴指向BIHl984.0时元定义的零子午面与CTP相应的赤道的交点；Y轴垂直于XMZ平面，且与Z、X轴构成右手系。

WGS-84坐标系采用的地球椭球，称为WGS-84椭球，其常数为国际大地测量学与地球物理学联合会（IUGG）第17届大会的推荐值，4个主要参数如下：

椭球长半径a=6378137m

地球（含大气层）引力常数GM=（3986005×108±0.6×108）m3/s2

正常二阶带谐系数C2.0=－484.16685×10-6±1.30×10-9

地球自转角速度ω=（7292115×l0-11±0.15×10-11）rad/s

利用上述4个基本参数，可算出WGS-84椭球的扁率为：

f=1/298.257。

1.2.2GPS定位的时间系统

GPS卫星作为一个高空动态已知点，其位置是随时间不断变化的。

因此，在给出卫星运行位置的同时，必须给出相应的瞬间时刻。

并且，卫星位置的精度和时刻的精度密切相关，例如：

当要求GPS卫星的位置误差小于1cm时，相应的时刻误差应小于2.6×10-6s。

GPS测量是通过接收和处理GPS卫星发射的无线电信号，来确定用户接收机（观测站）至卫星间的距离，进而确定观测站的位置。

而欲准确地测定测站至卫星的距离，就必须精密地测定信号的传播时间。

确定一个时间系统和确定其他测量基准一样，要定义时间单位（尺度）和原点（起始历元）。

为了保证导航和定位精度，全球定位系统（GPS）建立了专门的时间系统，简称GPST。

GPST属原子时系统，它以物质内部原子运动的特征为基础的原子时间系统。

因为物质内部的原子跃迁所辐射和吸收的电磁波频率，具有很高的稳定性和复现性，所以由此而建立的原子时（atomictime，AT），便成为当代最理想的时间系统。

其秒长为国际制秒（SI），与原子时相同，但其起点与国际原子时（MT）不同。

因此，GPST与IAT之间存在一个常数差，它们的关系为

IAT-GPST=19″

GPST与协调时（UTC）规定于1980年1月6日０时相一致，其后随着时间成整倍数积累，至1987年该差值为4s。

GPST由主控站原子钟控制。

1.3GPS卫星信号

GPS卫星信号包括测距码信号（P码和C/A码信号）、导航电文或称D码（数据码信号）和载波信号。

1.3.1GPS卫星的测距码信号

GPS卫星发射的测距码信号包括C/A码和P码，它们都是二进制伪随机噪声序列，具有特殊的统计性质。

GPS卫星发射两种测距码信号，即C/A码和P码，两者都是伪随机噪声码，以下分别介绍它们的产生、特点和用途。

C/A码有如下2个特点：

1）C/A码的码长很短，易于捕获。

在GPS导航和定位中，为了捕获C/A码以测定卫星信号传播的时延，通常需要对C/A码逐个进行搜索。

因为C/A码总共只有1023个码元，所以若以每秒50码元的速度搜索，只需要约20.5s便可完成。

由于C/A码易于捕获，而且通过捕获的C/A码所提供的信息，又可以方便地捕获P码。

所以通常C/A码也称为捕获码。

2）C/A码的码元宽度较大。

假设两个序列的码元对齐误差为码元宽度的1/l0~1/100，则这时相应的测距误差可达29.3～2.9m。

由于其精度较低，所以C/A码也称为粗码。

P码由两组各有两个12级反馈移位寄存器的电路发生，其基本原理与C/A码相似，但其线路设计细节远比C/A码复杂并且严格保密。

1.3.2GPS卫星的导航电文

GPS卫星的导航电文主要包括：

卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、卫星工作状态信息以及由C/A码捕获P码的信息。

导航电文同样以二进制码的形式播送给用户，因此又叫数据码，或称D码。

1.3.3GPS卫星星历

GPS系统通过两种方式向用户提供卫星星历，一种方式是通过导航电文中的数据块Ⅱ直接发射给用户接收机，通常称为预报星历；另一种方式是由GPS系统的地面监控站，通过磁带、网络、电传向用户提供。

称为后处理星历。

1.预报星历

预报星历是指相对参考历元的外推星历。

参考历元瞬间的卫星星历（即参考星历），由GPS系统的地面监控站根据大约一周的观测资料计算而得，为参考历元瞬间卫星的轨道参数。

在其邻近时刻。

由于摄动力影响，卫星的实际轨道将逐渐偏离参考轨道，且偏离的程度取决于观测历元与参考历元问的时间间隔。

因此，为了保证预报星历的精度。

采用限制外推时间间隔的方法。

GPS卫星的参考星历每小时更新一次，参考历元选在两次更新星历的中央时刻，这样由参考历元外推的时间间隔限制为0.5h。

预报星历的内容包括：

参考历元瞬间的开普勒轨道6参数，反映摄动力影响的9个参数，以及参考时刻参数和星历数据龄期，共计17个星历参数。

用户接收机在接收到卫星播发的导航电文后，通过解码即可直接获得预报星历。

由于预报星历是以电文方式由卫星直接播送给用户接收机，因此又称为广播星历。

目前广播星历的精度，估计约为20m。

由于GPS卫星的广播星历包含外推误差，因此它的精度受到限制，不能满足某些从事精密定位工作的用户的要求。

例如，在应用GPS技术作地球动力学研究时，要求达到10-7甚至10-8的定位精度，相应的卫星星历精度就要求达到米级甚至分米级。

广播星历显然不能适应这种高精度定位的要求。

2.后处理星历

后处理星历是不含外推误差的实测精密星历，它由地面跟踪站根据精密观测资料计算而得，可向用户提供用户观测时刻的卫星精密星历，其精度可达米级甚至分米级。

但是，用户不能实时通过卫星信号获得后处理星历，只能在事后通过INTERNET网、电传、磁带等通讯媒体向用户传递。

目前获得精密星历比较方便而有效的方法，是直接在IGS网站上下载其数据产品。

IGS（internationalGPSsetviceforgeodynamics）由国际大地测量协会组建，其目的是为大地测量与地球动力学研究提供GPS数据服务，包括提供全球GPS跟踪站数据和精密星历等。

IGS由1994年起开始正式运作。

它的数据处理中心收集全球50多个（GPS永久跟踪站的观测数据，通过分析、处理及时产生IGSGPS数据产品。

内容包括：

高精度的GPS卫星星历，地球自转参数，各IGS跟踪站的坐标和速度，GPS卫星与跟踪站的时钟信息和电离层信息。

目前，IGS发布的GPS卫星星历精度优于30cm，GPS卫星钟的钟差精度优于5ns，极移精度优于0.0005″，日长变化精度优于0.5ms/d，跟踪站坐标（一年解）精度为3～30mm。

IGS星历文件采用SP3格式给出，提供157min等间隔点上的卫星坐标和速度，坐标系统属全球ITRF参考框架，通过INTERNET网可从IGS数据处理中心免费获得。

1.4GPS信号接收机

GPS信号接收机是用来接收、处理和测量GPS卫星信号的专门设备。

1.4.1GPS信号接收机的基本工作原理

GPS信号接收机从结构上可分为天线单元和接收单元两大部分。

天线单元的主要功能是将GPS卫星信号的非常微弱的电磁波能转化为电流，并对这种信号电流进行放大和变频处理。

而接收单元的主要功能则是对经过放大和变频处理的信号电流进行跟踪、处理和测量。

1．天线单元

GPS信号接收机的天线单元由接收天线和前置放大器两部分组成。

天线的基本作用是把来自卫星的微弱能量转化为相应的电流量。

而前置放大器则是将GPS信号电流予以放大，并进行变频，即将中心频率为1575.42MHz（L1载波）与1227.60MHz（L2载波）的高频信号变换为低一两个数量级的中频信号。

2．接收单元

GPS信号接收机的接收单元主要由信号通道单元、存储单元、计算和显示控制单元、电源等四个部分组成。

信号通道足接收单元的核心部分，由硬件和软件组合而成。

每一个通道在某一时刻只能跟踪一颗卫星。

当某颗卫星被锁定后，该卫星便占据这一通道直到信号失锁为止。

因此，目前大部分接收机均采用并行多通道技术，可同时接收多颗卫星信号。

对于不同类型的接收机，信号通道的数目也由1到12不等。

现在一些厂家已推出可同时接收GPS卫星和GLONASS卫星信号的接收机，其信号通道多达24个。

信号通道有平方型、码相位型和相关型等3种不同类型，它们分别采用不同的解调技术。

GPS信号接收机内都设有存储器以存储所解译的GPS卫星星历、伪距观测量和载波相位观测量，以及各种测站信息数据。

1.4.2GPS信号接收机分类

GPS信号接收机可按接收机工作原理、用途、接收机接收的卫星信号频率、信号通道数目等分成许多不同的类型，现介绍如下：

1．根据接收机的工作原理分类

根据接收机的工作原理，接收机可分为：

码相关型接收机；平方型接收机；混合型接收机。

1）码相关型接收机采用码相关技术测定伪距观测量。

这类接收机要求知道伪随机噪声码的结构，由于P码对非特许用户保密，所以这类接收机又分为C/A码接收机和P码接收机。

C/A码接收机供一般用户使用，P码接收机专供特许用户应用。

目前国内销售的导航型接收机都是C/A码接收机。

2）平方型接收机是利用载波信号的平方解调技术去掉调制信号获取载波信号的，并通过计算机内产生的载波信号与接收到的载波信号间的相位差测定伪距。

这类接收机无需知道测距码的结构，所以又称为无码接收机。

3）混合型接收机则综合以上两类接收机的优点，既可获取码相位伪距，又可测定载波相位观测量。

目前大部分测量型接收机都属于这种类型。

2．根据接收机的用途分类

GPS信号接收机按其用途可以分为：

导航型；测量型；授时型。

1）导航型接收机可以确定船舶、车辆、飞机和导弹等运动载体的实时位置和速度，主要用于导航，即保障上述运动载体按预定的路线航行。

这种接收机都是采用C/A码伪距单点实时定位，精度较低（25～100m）。

但它的结构简单，操作方便.价格便宜，应用十分广泛。

导航型接收机又可分为：

低动态型，中动态型高动态型3种。

低动态型主要是指车载和船载导航型接收机；中动态型是指用于飞行速度低于400km/h的民用机载接收机；而高动态型则是指用于飞行速度大于400km/h的飞机、导弹的机载接收机，拥有这类接收机的用户往往为特许用户，可利用P码，因此定位精度较高，可达±2m左右。

2）测量型GPS信号接收机早期主要用于大地测量和工程控制测量.一般均采用载波相位观测量进行相对定位，通常定位精度可在厘米级甚至更高。

近年来测量型接收机在技术上取得了重大进展，开发出实时差分动态定位（RTDGPS，realtimedifferentialGPS）技术和实时相位差分动态定位（RTKGPS，realtimekinematicGPS）技术。

前者以伪距观测量为基础，可实时提供流动测站米级精度的坐标；后者以载