第 8 章 GPS 测量的原理与方法 §8.1 GPS 概述 73 年 12 月，美国国防部组织 开始研制新一代军用卫星导航系统—— GPS ， 89 年 2 月 14 日发射第一颗 GPS 卫星， 94 年 3 月 28 日发射完第 24 颗卫星， 目前在轨卫星数超过 32 颗。 均匀分布在 6 个与赤道倾角为 55° 的近似圆形轨道上， 每个轨道 4 颗卫星运行，距地表平均高度 20200km ， 速度为 3800m/s ，运行周期为 11h58min 。 每颗卫星覆盖全球 38 ％的面积， 保证在地球上任何地点、任何时刻、高度 15° 以上天空 能同时观测到 4 颗以上卫星。

距 离 测 定 原 理 距 离 测 定 原 理

Xll

Vl

Xl

lll

Xll

Vl

Xl

lll

lll

lV

VVllV

lll

X

lX

距 离 测 定 原 理 距 离 测 定 原 理

Xll

Vl

Xl

lllVll

距 离 测 定 原 理 距 离 测 定 原 理

Xll

Vl

Xl

lll

lll

lV

VVllV

lll

X

lX

距离 = 传播时间 x 光速

距 离 测 定 原 理 距 离 测 定 原 理

我 们 必 定 在 以 R1 为 半 径 的 球 面 的 某 个 点 上

R1

点 位 测 定 原 理 点 位 测 定 原 理

2 个 球 面 相 交 成 一 个 圆 弧

点 位 被 限 制 在 一 曲 线 上

R1

R2

点 位 测 定 原 理 点 位 测 定 原 理

3 个球面相交成一个点3 个距离段可以确定纬度，经度，和高程

点 的 空 间 位 置 被 确 定

R1

R2

R3

点 位 测 定 原 理 点 位 测 定 原 理

§8.2 GPS 的组成 工作卫星、地面监控系统、用户设备。 §8.2.1 地面监控系统 卫星广播星历包含描述卫星运动及其轨道的参数， 每颗卫星广播星历由地面监控系统提供。 地面监控系统—— 1 个主控站、 3 个注入站和 5 个监测站。

(1) 监测站 在主控站控制下的数据自动采集中心， 设有双频 GPS 接收机、高精度原子钟、气象参数测试仪 计算机等设备。 完成对 GPS 卫星信号的连续观测，搜集当地气象数据， 观测数据经计算机处理后传送到主控站。 (2) 主控站 协调和管理所有地面监控系统工作。 ① 根据观测数据，推算编制各卫星星历、卫星钟差 大气层修正参数，数据传送到注入站。 ② 提供时间基准。各监测站和 GPS 卫星原子钟应与 主控站原子钟同步，或测量出其间钟差， 将钟差信息编入导航电文，送到注入站。 ③ 调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行。 ④ 启动备用卫星，以代替失效的工作卫星。

(3) 注入站 在主控站控制下， 将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文 其它控制指令注入卫星存储器 监测注入信息的正确性。 除主控站外，整个地面监控系统无人值守。 §8.2.2 用户设备 GPS 接收机和相应的数据处理软件。 GPS 接收机包括接收天线、主机、电源。

GPS 接收机任务 捕获卫星信号，跟踪并锁定卫星信号， 对接收到的信号进行处理， 测量出测距信号从卫星传播到接收机天线的时间间隔， 译出卫星广播的导航电文， 实时计算接收机天线的三维坐标、速度和时间。 用途——导航型、测地型和授时型； 载波频率——单频接收机 ( 用 1 个载波频率 ) 双频接收机 ( 用 2 个载波频率 ) 。

南方测绘 NGS9600 测地型单频静态 GPS 接收机

§8.3 GPS 定位的基本原理 根据测距原理， GPS 定位方式分为 伪距定位、载波相位测量定位、 GPS 差分定位。 根据待定点位的运动状态分为：静态定位和动态定位。 §8.3.1 卫星信号 载波、测距码 (C/A码和 P码 ) 、数据码 ( 导航电文或称 D码 ) ， 在同一个原子钟频率 f0=10.23MHz 下产生。

(1) 载波信号 载波信号频率用无线电波段的两种不同频率电磁波。 L1 载波： f1=154×f0=1575.42MHz ， λ1=19.03cm L2 载波： f2=120×f0=1227.60MHz ， λ2=24.42cm 载波 L1 上调制有 C/A码、 P码和数据码， 载波 L2 上只调制有 P码和数据码。 测距码由 0 ， 1 组成的二进制编码。 一位二进制数——比特 (bit) ， 每秒钟传输比特数称为数码率。 卫星的两种测距码 C/A码和 P码属于伪随机码， 具有良好的自相关特性和周期性，容易复制。

测距码测距原理 卫星时钟控制发射某一结构测距码， 经 Δt时间传播后到达 GPS 接收机； GPS 接收机产生结构相同的测距码——复制码 复制码延迟时间 τ后与接收的卫星测距码比较， 调整延迟时间 τ使两个测距码完全对齐 复制码延迟时间 τ=Δt。 C/A码码元宽度对应的距离值 293.1m ， 卫星与接收机测距码对齐精度 1/100 ，测距精度 2.9m ； P码码元宽度对应距离 29.3m ， 卫星与接收机测距码对齐精度 1/100 ，测距精度 0.29m 。 P码测距精度高于 C/A码 10倍， C/A码为粗码， P码为精码。 P码受美国军方控制，一般用户只能用 C/A码测距。

(2) 数据码 导航电文，也称为 D码， 包含了卫星星历、卫星工作状态、时间系统、 卫星时钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正 由 C/A码捕获 P码的信息。 导航电文是二进制码， 依规定的格式按帧发射， 每帧电文的长度为 1500bit ，播送速率为 50bit/s 。

§8.3.2 伪距定位 单点定位和多点定位。 单点定位—— GPS 接收机安置在测点上 锁定 4 颗以上的卫星， 将接收到的卫星测距码与接收机产生的复制码对齐 测量与锁定卫星测距码到接收机的传播时间 Δti 求出卫星至接收机的伪距， 从锁定卫星广播星历获取卫星的空间坐标， 用距离交会原理解算出天线所在点的三维坐标。 伪距观测方程有 4 个未知数，锁定 4 颗卫星时方程有唯

一解 伪距观测方程没有考虑大气电离层和对流层折射误差、 星历误差影响，单点定位精度不高。 C/A码定位的精度为 25m ， P码定位的精度为 10m 。

多点定位——多台 GPS 接收机 (2~3台 )安置在不同测点上， 同时锁定相同卫星进行伪距测量， 大气电离层和对流层折射误差、 星历误差的影响基本相同， 计算各测点间的坐标差 (Δx,Δy,Δz) 时， 可消除上述误差影响， 使测点之间的点位相对精度大大提高。

§8.3.3 载波相位定位 载波 L1 ， L2 的频率比测距码 (C/A码和 P码 ) 频率高， 波长比测距码短很多 ,λ1=19.03 cm,λ2=24.42cm 。 使用载波 L1 或 L2 作测距信号， 将卫星传播到接收机天线的余弦载波信号 与接收机基准信号比相求出相位延迟计算伪距， 可获得很高的测距精度。 如果测量 L1 载波相位移误差为 1/100 ， 伪距测量精度可达 19.03cm/100=1.9mm 。

(2) 载波相位相对定位 用两台 GPS 接收机，分别安置在两测点， 两测点的连线——基线。 同步接收卫星信号， 用相同卫星相位观测值的线性组合 解算基线向量在 WGS-84 坐标系中的坐标增量 (Δx,Δy,Δz) ， 确定它们的相对位置。 若一个测点坐标已知，就可推算出另一个测点坐标。 根据相位观测的线性组合形式， 载波相位相对定位——单差法、双差法和三差法。 介绍前两种。

§8.3.4 实时差分定位 在已知坐标点上安置一台 GPS 接收机——基准站 用已知坐标和卫星星历算出观测值的校正值， 通过无线电通讯设备——数据链， 将校正值发送给运动中的 GPS 接收机——移动站 移动站用接收到的校正值对自身 GPS 观测值进行改正， 消除卫星钟差、接收机钟差、 大气电离层和对流层折射误差。 应用带实时差分功能的 GPS 接收机才能够进行。

南方测绘灵锐 S82 双频蓝牙通讯 RTK GPS 接收机

§8.4 GPS 测量的实施 方案设计、外业观测和内业数据处理。 《全球定位系统城市测量技术规程》 (1) 精度指标 使用载波相位静态相对定位法， 用两台或两台以上 GPS 接收机 同时对一组卫星进行同步观测。 控制网精度指标是以网中基线观测误差定义。 mD=a+b×10-6D a——固定误差， b——比例误差， D——基线长。

(2) 观测要求 同步观测时， 测站从开始接收卫星信号到停止数据记录——观测时段， 卫星与接收机天线连线与水平面的夹角——卫星高度角， 点位图形强度因子 PDOP—— 一组卫星与测站构成的几何图形形状与定位精度关系数 PDOP 与观测卫星高度角及观测卫星空间分布有关。 观测卫星高度角越小，分布范围越大， PDOP 值越小。 当卫星高度角设置为≥ 15° 时，点位 PDOP 值不宜大于 6 。 GPS 接收机锁定一组卫星后， 将自动计算出 PDOP 值并显示在屏幕上。

(3) 网形要求 GPS 接收机观测，不要求各站点间相互通视。 网形设计，根据控制网用途、现有 GPS 接收机台数 分两台接收机同步观测、多台接收机同步观测、 多台接收机异步观测三种方案。 介绍两台接收机同步观测方案。 1) 静态定位 两台接收机轮流安置在每条基线端点 同步观测 4 颗卫星 1h左右， 或同步观测 5 颗卫星 20min左右。 用于精度要求较高的控制网， 如桥梁控制网或隧道控制网。

2) 快速静态定位 测区中部选一测点为基准站 安置一台接收机， 连续跟踪观测 5 颗以上卫星； 另一台接收机 依次到其余各点流动设站观测， 不必保持对所测卫星连续跟踪， 每点观测 1~2min 。 用于控制网加密和一般工程测量 控制点选在——天空视野开阔、 交通便利、远离高压线、 变电所及微波辐射干扰源的地点

WGS-84 坐标系 与测区坐标系的坐标转换 至少有 2 个及以上的 GPS 控制网点 与测区坐标系的已知控制网点重合。 坐标转换计算由 GPS附带数据软件自动完成。

§8.5 南方测绘灵锐 S82 双频 GPS RTK操作简介 灵锐 S82 GPS RTK—— 南方测绘 2005 年 10 月产品， 标准配置——一个基准站 + 一个移动站， 可根据需要购买任意个移动站。 基准站由主机、数传电台、发射天线与电瓶组成； 每个移动站的设备——一个主机与一个 JETT手簿， 移动站电台模块放置在主机内， 通过主机顶部的数据链天线接发数据， 手簿与接收机间通过内置的蓝牙卡进行数据通讯。

技术参数 独立 24通道， L1/L2 双频跟踪信号， 静态测量模式的平面精度 5mm+1ppm ， 高程精度为 10mm+2ppm ， 静态作用距离≤ 80公里，静态内存 32M ； RTK 测量模式平面精度—— 2cm+1ppm ， 高程精度为 5cm+1ppm ， 数传电台的发射功率为 25W/15W(H/L) 。

(3) 基本操作 静态与动态两种工作模式 等级控制测量选择静态模式， 碎部点坐标采集与工程放样选择动态模式。 静态模式 仪器采集的卫星数据自动存储在主机内的 32MB闪存中， 数据采集间隔设为 1s 时，连续采集时间可达 40h 。 外业数据采集完后， 数据线连接主机 USB口与 PC 机 USB口， 操作 Gpsadj 软件下载数据， 在 Gpsadj 中完成基线向量解算与网平差，获得测点坐标。 动态模式 在 JETT手簿上操作南方测绘工程之星软件完成。

3) 使用工程之星 2.0 进行动态数据采集操作简介 基准站安置在已知点， 也可安置在测区范围地势较高的任意点 连接好电缆，打开基准站主机与数传电台电源， 打开移动站主机与 JETT 电源， 量取基准站和移动站的仪器高。 双击“工程之星 2.0”桌面图标，打开工程之星， 执行下拉菜单“工具 / 其它 /查看卫星图”命令， 观看当前接收到的卫星状态。

仪器开机后，数传电台频道设置、 移动站与手簿间蓝牙通讯及卫星搜索与锁定 均由工程之星自动完成， 无须用户干预。当有 4 颗及以上数量的卫星信号时， 能很快进入“固定解”状态， 显示三维坐标为移动站在前次测量时所设坐标系。

固定解

数据链信号

① 新建工程 执行“工程 / 新建工程”命令， 按提示输入新建工程名、选择椭球参数 与高斯投影参数， 在“ \SystemCF\Jobs\”路径下建立“ 051124” 文件夹， 用以保存本次新建工程 051124 的全部数据。

② 校正 GPS 所测坐标是WGS-84 坐标， 要将其变换为用户坐标系的坐标， 坐标测量前应先求坐标变换参数。 执行“工具 /校正向导”命令， 按屏幕提示即可完成校正操作， 有 1 点、 2 点和 3 点校正法， 最好选择 3 点校正法，为提高校正的精度， 3 个已知坐标点应均匀分布在测区外围。 ③ 野外数据采集 移动站安置在需要采集的碎部点上， 状态为“固定解”， HRMS 与 VRMS 的值较小时按键， 输入点名、移动站天线高与点编码， 点击“确定”按钮将图示坐标存入 “\SystemCF\Jobs\051124\data\051124.RTK” 文件

④ 野外采集数据的坐标变换与输出 采集的碎部点坐标数据 以经纬度数据格式保存在 051124.RTK 文件中， 应执行下拉菜单“工具 / 数据后处理”命令， 将其输出为 .dat 文件格式， 将转换后的坐标保存在 qh-506.dat 文件中， qh-506.dat不能用于 CASS 的展点操作。 执行“工程 / 文件输出”命令， 在数据格式下拉列表框中选择数据格式“点名 ,编码 ,y,x,

H” ， 点击“源文件”按钮， 在弹出对话框中选择 qh-506.dat 文件； 点击“目标文件”按钮， 在弹出对话框键入文件名 qh-506x.dat 作为保存输出数据的文件，点击“转换”按钮， 完成数据文件输出。

⑤ 坐标数据文件复制到 PC 机 用串口线连接好 JETT手簿 COM口与 PC 机 COM口， 在 PC 机上双击同步软件 Microsoft ActiveSync桌面图标 在 JETT手簿上双击“连接 PC 机”桌面图标 连接 Microsoft ActiveSync ，