全球定位系统（GPS）详解.doc

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1、全球定位系统（全球定位系统（GPS）详解）详解全球定位系统（Global Positioning System - GPS）是美国从本世纪 70 年代开始研制，历 时 20 年，耗资 200 亿美元，于 1994 年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航 与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经近 10 年我国测绘等部门的使用表明，GPS 以全 天候、高精度、 自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用 于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监 测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。 全

2、球定位系统(Global Positioning System,缩写 GPS)是美国第二代卫星导航系统。是在子 午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。和子午仪系统一 样，全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。 按目前的方案，全球定位系统的空间部分使用 24 颗高度约 2.02 万千米的卫星组成卫星星座。21+3 颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为 11 小时 58 分，分布在六个轨道面上（每轨道面四 颗） ，轨道倾角为 55 度。卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上 的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形（DOP）

3、。这就提供了在时间上连续的全球 导航能力。 地面监控部分包括四个监控间、一个上行注入站和一个主控站。监控站设有 GPS 用户接 收机、原子钟、收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机。监控站的主要任 务是取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站。主控站设在范登堡空军基地。它对地面 监控部实行全面控制。主控站主要任务是收集各监控站对 GPS 卫星的全部观测数据，利用这 些数据计算每颗 GPS 卫星的轨道和卫星钟改正值。上行注入站也设在范登堡空军基地。它的 任务主要是在每颗卫星运行至上空时把这类导航数据及主控站的指令注入到卫星。这种注入 对每颗 GPS 卫星每天进行一次，并在卫星离开注入

4、站作用范围之前进行最后的注入。 全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统。随着全球 定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓， 目前已遍及国民 经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。 2.GPS 如何定位 GPS 接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫 星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十 米（各个卫星不同，随时变化） ；以及 GPS 系统信息，如卫星状况等。 GPS 接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及 大气传播误差，故称

5、为伪距。对 0A 码测得的伪距称为 UA 码伪距，精度约为 20 米左右，对P 码 测得的伪距称为 P 码伪距，精度约为 2 米左右。 GPS 接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉 后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒 频 移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定 的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收 机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊 度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米

6、，但前提是解出整周模糊 度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级 的定位 精度也只能采用相位观测值。 按定位方式，GPS 定位分为单点定位和相对定位（差分定位） 。单点定位就是根据一台 接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略 导航定位。相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相 对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用 相位观测值进行相对定位。 在 GPS 观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定 位计算时还要受到卫

7、星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削 弱，因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误 差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离较远时（大气有明显差别） ，应选用双频接收 机。 在定位观测时，若接收机相对于地球表面运动，则称为动态定位，如用于车船等概略导 航定位的精度为 30 一 100 米的伪距单点定位，或用于城市车辆导航定位的米级精度的伪距差 分定位，或用于测量放样等的厘米级 的相位差分定位（RTK） ，实时差分定位需要数据链 将 两个或多个站的观测数据实时传输到一起计算。 在定位观测时，若接收机相对于地球表 面静止，则称为静态定位

8、，在进行控制网观测时，一般均采用这种 方式由几台接收机同时 观测，它能最太限度地发挥 GPS 的定位精度，专用于 这种目的的接收机被称为大地型接 收 机，是接收机中性能最好的一类。目前，GPS 已经能 够达到地壳形变观测的精度要求，IGS 的常年观测台站已 经能构成毫米级的全球坐标框架。 3.GPS 系统如何组成 GPS 系统包括三大部分：空间部分GPS 卫星星座；地面控制部分地面监控系统；用户设备 部分GPS 信号接收机。 GPS 卫星星座； GPS 工作卫星及其星座 由 21 颗工作卫星和 3 颗在轨备用卫星组成 GPS 卫星星座，记作（21+3） GPS 星座。 24 颗卫星均匀分布在

9、6 个轨道平面内，轨道倾角为 55 度，各个轨道平面之间相距 60 度， 即轨道的升交点赤经各相差 60 度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差 90 度， 一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前 30 度。 在两万公里高空的 GPS 卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周， 即绕地 球一周的时间为 12 恒星时。这样，对于地面观测者来说，每天将提前 4 分钟见到同一颗 GPS 卫星。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到 4 颗， 最多可 见到 11 颗。在用 GPS 信号导航定位时，为了结算测站的三维坐标，必须观测 4 颗 GPS

10、卫星，称 为定位星座。这 4 颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。对于某地 某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做“间隙段” 。但这种 时间间隙段是 很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时牡己蕉徊饬俊?GPS 工 作卫星的编号和试验卫星基本相同。 地面监控系统 对于导航定位来说，GPS 卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历描述卫星 运动及其轨道的 的参数算得的。每颗 GPS 卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫 星上的各种设备是否正常 工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进 行监测和控制。地面监控系统 另

11、一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准GPS 时间系 统。这就需要地面站监测 各颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星 再由导航电文发给用户设备。 GPS 工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和 五个监测站。 GPS 信号接收机 GPS 信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号， 并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的 GPS 信号进行变换、放大和处理，以便测量出 GPS 信号 从卫星 到接收机天线的传播时间，解译出 GPS 卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的 三维位置， 位置，甚至三维速度和时间。 静态定位中，GPS 接收机在捕

12、获和跟踪 GPS 卫星的过程中固定不变，接收机高精度 地测量GPS 信号的传播时间，利用 GPS 卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的 三维坐标。 而动态定位则是用 GPS 接收机测定一个运动物体的运行轨迹。GPS 信号接收机 所位于的运动 物体叫做载体（如航行中的船舰，空中的飞机，行走的车辆等） 。载体上 的 GPS 接收机天线 在跟踪 GPS 卫星的过程中相对地球而运动，接收机用 GPS 信号实时地 测得运动载体的状态参 数（瞬间三维位置和三维速度） 。 接收机硬件和机内软件以及 GPS 数据的后处理软件包，构成完整的 GPS 用户设备。GPS 接收机 的结构 分为天线单元和接收

13、单元两大部分。对于测地型接收机来说，两个单元一般分成 两 个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，接收单元置于测站附近的适当地方， 用 电缆线将两者连接成一个整机。也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体，观测时将 其 安置在测站点上。 GPS 接收机一般用蓄电池做电源。同时采用机内机外两种直流电源。设置机内电池的目的 在 于更换外电池时不中断连续观测。在用机外电池的过程中，机内电池自动充电。 关机后， 机内电池为 RAM 存储器供电，以防止丢失数据。 近几年，国内引进了许多种类型的 GPS 测地型接收机。各种类型的 GPS 测地型接收机用于 精 密相对定位时，其双频接收机精度可达 5mm

14、+1PPM.D，单频接收机在一定距离内精度可达 10mm+2PPM.D。用于差分定位其精度可达亚米级至厘米级。 目前，各种类型的 GPS 接收机体 积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测。GPS 和 GLONASS 兼容的全球导航定位系统接收 机已经问世。 4.GPS 接收机如何分类 GPS 卫星发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、 海洋和空 间的广大用户，只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量 GPS 信号的接收设备， 即 GPS信 号接收机。可以在任何时候用 GPS 信号进行导航定位测量。根据使用目的的不同， 用户要求 的 GPS 信号接收机也各有差异。目前世界

15、上已有几十家工厂生产 GPS 接收机， 产品也有几百 种。这些产品可以按照原理、用途、功能等来分类。 按接收机的用途分类 导航型接收机 此类型接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速 度。这类接收机 一般采用 C/A 码伪距测量，单点实时定位精度较低，一般为25mm，有SA 影 响时为100mm。 这类接收机价格便宜，应用广泛。根据应用领域的不同，此类接收机还可 以进一步分为： 车载型用于车辆导航定位； 航海型用于船舶导航定位； 航空 型用于飞机导航定位。由于飞机运行速度快，因此，在航空上用的接收机 要求能适应 高速运动。 星载型用于卫星的导航定位。由于卫星的速度高达 7km

16、/s 以上，因此对接收 机的要求更高。 测地型接收机 测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。定位精度高。仪器结构复杂，价格较 贵。 授时型接收机 这类接收机主要利用 GPS 卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于 天文台及无线电通讯中时间同步。 按接收机的载波频率分类 单频接收机 单频接收机只能接收 L1 载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有 效消除 电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线（路线菜单下设定。如 果目前有活动路线，那么“导向“的点是路线中第一个路点，每到达一个路点后，自动指到下 一个路点。 在“导向“页面上部都会标有当前导向路点名称(“ROUTE“里的点

17、也是有名称的)。它是根 据当前位置，计算出导向目标对你的方向角，以与“前进方向“相同的角度值显示。同时显示 离目标的距离等信息。读出导向方向，按此方向前进即可走到目的地。有些 GPS 把前进方向 和导向功能结合起来，只要用 GPS 的头指向前进方向，就会有一个指针箭头指向前进方向和 目标方向的偏角，跟着这个箭头就能找到目标。 6.日出日落时间(Sun set/raise time) 大多数 GPS 能够显示当地的日出、日落时间，这在计划出发/宿营时间时是有用的。这个 时间是 GPS 根据当地经度和日期计算得到的，是指平原地区的日出、日落时间，在山区因为 有山脊遮挡，日照时间根据情况要早晚各少半

18、个小时以上。GPS 的时间是从卫星信号得到的 格林尼制时间，在设置(setup)菜单里可以设置本地的时间偏移，对中国来说，应设+8 小 时，此值只与时间的显示有关。7.足迹线(Plot trail) GPS 每秒更新一次坐标信息，所以可以记载自己的运动轨迹。一般 GPS 能记录 1024 个以上 足迹点，在一个专用页面上，以可调比例尺显示移动轨迹。足迹点的采样有自动和定时两种 方式自动采样由 GPS 自动决定足迹点的采样方式，一般是只记录方向转折点，长距离直线行 走时不记点；定时采样可以规定采样时间间隔，比如 30 秒、一分钟、5 分钟或其他时间，每 隔这么长时间记一个足迹点。在足迹线页面上可

19、以清楚地看到自己足迹的水平投影。你可以 开始记录、停止记录、设置方式或清空足迹线。 “足迹”线上的点都没有名字，不能单独引 用，查看其坐标，主要用来画路线图(计算机下载路线?)和“回溯”功能。很多 GPS 有一种叫 做“回溯”(Trace back)的功能，使用此功能时，它会把足迹线转化为一条“路线” (ROUTE)，路点的选择是由 GPS 内部程序完成的一般是选用足迹线上大的转折点。 同 时，把此路线激活为活动路线，用户即可按导向功能原路返回。要注意的是回溯功能一般会 把回溯路线放进某一默认路线(比如 route0)中，看你 GPS 的说明书，使用前要先检查此线路 是否已有数据，若有，要先用

20、拷贝功能复制到另一条空线路中去，以免覆盖。回溯路线上的 各路点用系统默认的临时名字如“T001“之类，有的 GPS 定第二条回溯路线时会重用这些名 字，这时即使你已经把旧的路线做了拷贝，由于路点引用的名字被重用了，所以路线也会改 变，不是原来那条回溯路线了。请查看你 GPS 的使用说明书，并试用以明确你的情况。有必 要的话，对于需要长期保存的 TraceBack 路线，要拷贝到空闲路线，并重命名所有路点名 字。 6.如何使用 GPS 接收机（二） GPS 比较费电池，多数 GPS 使用四节碱性电池一直开机可用 20-30 小时，说明书上的时间 并不是很准确的，长时间使用时要注意携带备用电池。大

21、部分 GPS 有永久的备用电池，它可 以在没有电池时保证内存中的各种数据不会丢失。由于 GPS 在静止时没有方向指示功能，所 以同时带上一个小巧的指北针是有用的。标记路标时，GPS 提供一个默认的路标名，比如 LMK001 之类，难于记忆，虽可改成一个比较好记一些的名字，但一是输入不便，用上下箭头 选字母很费劲，二是一般只能起很短的英文名字，比如 6 或 9 个字母，仍然不好记，同时再带 上一个小的录音机/采访机随时记录，是个不错的主意。 1.有地图使用 GPS 与详细地图配合使用时有最好的效果，但是国内大比例尺地图十分难得，GPS 使用效 果受到一定限制。 “万一”你有目的地附近的精确地图，

22、则可以预先规划线路，先做地图上 规划，制定行程计划，可以按照线路的复杂情况和里程，建立一条或多条线路(ROUTE)，读 出路线特征点的坐标，输入 GPS 建立线路的各条“腿”(legs),并把一些单独的标志点作为路 标(Landmark/Waypoint)输入 GPS。GPS 手工输入数据，是一项相当烦琐的事情，请想一下， 每个路标就要输入名字、坐标等 20 多个字母数字，每个字母数字要按最多到十几次箭头才能 出来，哈哈，这就是有人舍得花很多钱来买接线和软件，用计算机来上载/下载数据的原 因。带上地图！行进时用一是利用 GPS 确定自己在地图上的位置，二是按照导向功能指示的 目标方向，配合地图

23、找路向目标前进。同时一定要记录各规划点的实际坐标，最好再针对每 条规划线路建立另一条实际线路，即可作为原路返回时使用，又可回来后作为实际路线资料 保存，供后人使用。 2.无图使用这是更为常见的使用方式。 1.)使用路点定点：常用于确定岩壁坐标、探洞时确定洞口坐标或其他象线路起点、转 折、宿营点的坐标。用法简单，MARK 一个坐标就行了。找点：所要找的地点坐标必须已经以 路标(landmark/waypoint)的形式存在于 GPS 的内存中，可以是你以前 MARK 的点或者是从以前 去过的朋友那里得到的数据，手工/计算机上载成的路标数据。按 GOTO 键，从列表中选择你 的目的路标，然后转到“

24、导向”页面，上面会显示你离目标的距离、速度、目标方向角等数 据，按方向角即可。 2.)使用路线输入路线：若能找到以前去过的朋友记录的路线信息，把它们输入 GPS 形成 线路，或者(常见于原路返回)把以前记录的路标编辑成一条线路。路线导向：把某条路线激 活，按照和“找点”相同的方式， “导向”页会引导你走向路线的第一个点，一旦到达，目 标点会自动更换为下一路点， “导向”页引导你走向路线的第二个点.若你偏离了路线， 越过了某些中间点，一旦你再回到路线上来， “导向目标”会跳过你所绕过的那些点，定为 线路上你当前位置对应的下一个点。 3.)回溯回溯功能实际是输入线路(route)的一种特殊方法，它

25、在原路返回时十分好使。 但有些注意事项， 由于国内大比例尺不宜得到，所以朋友们每次出去玩希望都能带一组正确数据回来，有地图 时整理一套地图+实测路线坐标，没地图时整理一套线路描述+实测坐标，发到网上，逐渐积 攒起来，形成咱们自己的地理数据库，以后再有朋友走这条线路就可以免除雇向导和迷路之 苦了！ 7.什么是 RTK 技术 常规的 GPS 测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的 精度，而 RTK 是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实 时差分（Real - time kinematic）方法，是 GPS 应用的重大里程碑，它的出现为工

26、程放样、 地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。 高精度的 GPS 测量必须采用载波相位观测值，RTK 定位技术就是基于载波相位观测值的实时动 态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精 度。在 RTK 作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。 流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集 GPS 观测数据，并在系统内组成差 分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果，历时不到一秒钟。流动站可处于静止状 态，也可处于运动状态；可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下 直接开机，并

27、在动态环境下完成周模糊度的搜索求解。在整周末知数解固定后，即可进行每 个历元的实时处理，只要能保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，则流动 站可随时给出厘米级定位结果。 RTK 技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术，RTK 定位时要求基准站接收机实时地把观 测数据（伪距观测值，相位观测值）及已知数据传输给流动站接收机，数据量比较大，一般 都要求 9600 的波特率，这在无线电上不难实现。 8.RTK 技术如何应用 1 各种控制测量 传统的大地测量、工程控制测量采用三角网、导线网方法来施测，不仅 费工费时，要求点间通视，而且精度分布不均匀，且在外业不知精度如何，采用常规的 GPS

28、 静态测量、快速静态、伪动态方法，在外业测设过程中不能实时知道定位精度，如果测设完 成后，回到内业处理后发现精度不合要求，还必须返测，而采用 RTK 来进行控制测量，能够 实时知道定位精度，如果点位精度要求满足了，用户就可以停止观测了，而且知道观测质量 如何，这样可以大大提高作业效率。如果把 RTK 用于公路控制测量、电子线路控制测量、水 利工程控制测量、大地测量、则不仅可以大大减少人力强度、节省费用，而且大大提高工作 效率，测一个控制点在几分钟甚至于几秒钟内就可完成。 2 地形测图 过去测地形图时一般首先要在测区建立图根控制点，然后在图根控制点上架 上全站仪或经纬仪配合小平板测图，现在发展到

29、外业用全站仪和电子手簿配合地物编码，利 用大比例尺测图软件来进行测图，甚至于发展到最近的外业电子平板测图等等，都要求在测 站上测四周的地形地貌等碎部点，这些碎部点都与测站通视，而且一般要求至少 2-3 人操 作，需要在拼图时一旦精度不合要求还得到外业去返测，现在采用 RTK 时，仅需一人背着仪 器在要测的地形地貌碎部点呆上一二秒种，并同时输入特征编码，通过手簿可以实时知道点 位精度，把一个区域测完后回到室内，由专业的软件接口就可以输出所要求的地形图，这样 用 RTK 仅需一人操作，不要求点间通视，大大提高了工作效率，采用 RTK 配合电子手簿可以测 设各种地形图，如普通测图、铁路线路带状地形图

30、的测设，公路管线地形图的测设，配合测 深仪可以用于测水库地形图，航 海海洋测图等等。 3 放样程放样是测量一个应用分支，它要求通过一定方法采用一定仪器把人为设计好的点 位在实地给标定出来，过去采用常规的放样方法很多，如经纬仪交会放样，全站仪的边角放 样等等，一般要放样出一个设计点位时，往往需要来回移动目标，而且要 2-3 人操作，同时 在放样过程中还要求点间通视情况良好，在生产应用上效率不是很高，有时放样中遇到困难 的情况会借助于很多方法才能放样，如果采用 RTK 技术放样时，仅需把设计好的点位坐标输 入到电子手簿中，背着 GPS 接收机，它会提醒你走到要放样点的位置，既迅速又方便，由于 GP

31、S 是通过坐标来直接放样的，而且精度很高也很均匀，因而在外业放样中效率会大大提 高，且只需一个人操作。 9.什么叫导航 导航是一个技术门类的总称，它是引导飞机、船舶、车辆以及个人（总称作运载体）安 全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地的一种手段。导航的基本功能是回答：我现在 在哪里？我要去哪里？如何去？ 导航应由导航系统完成，包括装在运载体上的导航设备以及装在其他地方与导航设备配 合使用的导航台。从导航台的位置来看，主要有： 陆基导航系统： 即导航台位于陆地上，导航台与导航设备之间用无线电波联系。星基导航系统：导航台设在人造卫星上，扩大覆盖范围。导航是人类从事政治、经济和军事活动所必不可少的信息技术。今天，随着人类活动的 发展，对导航的要求越来越高。