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全球定位系统（GPS）简介

全球定位系统是用人造地球卫星进行点位测量的系统。它广泛用于海空导航、导弹制导、动态观测、时间传递、速度测量、车辆引导等领域。在测绘技术和工程建设方面，不仅在建立大地控制网、全球性的地球参数测量、板块运动状态监测、航空航天参数测定、建立陆地海洋大地测量基准等方面得到应用，而且在工程建设的规划、设计、施工、验收与监测、大型精密设备安装、变形观测、线路测量、精密工程测量等方面也日益广泛地得到引用。

一、GPS测量的优点

GPS是全球定位系统（Global Positioning System）的简称。GPS测量是利用卫星进行定位的一项新的测量技术。与传统的测量技术相比，它具有如下几个方面的优点：

1）用途广。用GPS信号可进行海空导航、车辆引行、导弹制导、精密定位、工程测量、动态观测等。

2）观测简便。测量时，测量员只要将GPS接收机天线单元安置在测站上，接通电源，启动接收单元；在结束测量时，只需量取天线高度，关闭电源便完成野外数据采集。另外，GPS是全天候测量系统，因此，可以在较短时间内以较少人力物力完成外业工作。

3）精度高。用载波相位测量作相对定位，相对定位精度可达到±（5mm+1×10-6·D）（D是比例误差）的距离精度，观测时间小于1h。若采用快速定位方法，观测时间仅需2min左右，即能达到厘米级的定位精度。

4）经济效率高。GPS测量不要求测站之间通视，可以省去常规测量所需的造标费用，又由于GPS测量精度高，作业时间短，因此经济效益十分显著。

二、GPS系统

GPS系统包括下列三大部分。

1.GPS卫星星座（空间部分）

GPS系统包括24颗卫星，均匀分布在6个近似圆形的轨道上，各个轨道平面之间交角为60°，每个轨道上有4颗卫星，轨道距地面高度约20200km，卫星绕地球一周的时间为12h，地球上任何地方在任何时刻都能收到至少4颗卫星发来的信号。

每个GPS卫星连续地发送两个不同频率的无线电波（L1=1575.42MHz，L2=1227.60MHz）。载波上调制了多种信号，最主要的有测距码（P精码、C/A 粗码）和导航电文。测距码用于测量卫星到地面点接收机的距离；导航电文用于计算卫星的轨道参数。

2.地面监控系统（地面控制部分）

GPS卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否沿着预定轨道运行，都由地面监控系统进行监测和控制。地面监控系统包括一个主控站、3个注入站和5个监测站，分布在美国本土和世界其他地区的美军基地上。

GPS卫星是一种动态的已知点，它是依据卫星发送的星历（描述卫星运动及其轨道的参数）计算而得的。每颗GPS卫星所播发的星历是由地面监控系统提供的。

另外，地面监控系统还监测各颗卫星的时间，并计算它们的有关改正数，进而由导航电文发送给用户，以确保各颗卫星处于同一GPS时间系统。

3.GPS接收机

GPS接收机的主要功能是解码，分离出导航电文，进行相位和伪距测量。GPS接收机从结构来讲，主要由五个单元组成：天线和前置放大器；信号处理单元，它是接收机的核心；控制和显示单元；存储单元；电源单元。

GPS接收机主要用于以下两个方面：

1）静态定位。用户天线在跟踪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，连同GPS卫星在轨的已知位置，可算出固定不动的用户天线的三维坐标。后者可以是个固定点，也可以是若干点位构成的GPS网。静态定位的特点是多余观测量大，可靠性强，定位精度高。

2）动态定位。载体（车辆、船舰、飞机等）上的用户天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球运动，接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数。动态定位的特点是逐点测定运动载体的状态参数，多余观测量少，精度较低。

GPS接收机的型号很多，按其所用载波频率的多少可分为用一个载波频率（L1）的单频接收机和用两个载波频率（L1L2）的双频接收机。单频接收机便宜，而双频接收机能消除某些大气延迟的影响。对于边长大于10km的精密测量，最好采用双频接收机，而一般的控制测量，单频接收机就行了。

三、GPS定位的基本原理

GPS测量有伪距与载波相位两种基本的观测量。GPS接收机测量了卫星信号（测距码）由卫星传播至接收机的时间，再乘上电磁波传播的速度，便得到由卫星到接收机的伪距。但由于传播时间含有卫星时钟与接收机时钟不同步误差，以及测距码在大气中传播的延迟误差等，所以求得的伪距并不等于卫星与测站的几何距离。载波相位测量是把接收到的卫星信号和接收机本身的信号混频，再进行相位测量。伪距测量的精度约为一个测距码的码元长度的百分之一，对P码而言约为30cm，对C/A码而言为3m左右。而载波的波长则短得多（分别为19cm和24cm），所以载波相位测量精度一般为1～2mm。由于相位测量只能测定载波波长不足一个波长的部分，因此所测的相位可看成是波长整倍数未知的伪距。

GPS定位时，把卫星看成是动态的已知控制点，利用所测的距离进行空间后方交会，便可得到接收机的位置。

GPS定位包括单点定位和相对定位。

独立确定待定点在WGS-84世界大地坐标系中的绝对位置的方法，称为单点定位或绝对定位。其优点是只需一台接收机即可独立定位；外出观测的组织及实施较为自由方便，数据处理也较简单，但其结果受卫星星历误差和卫星信号传播过程中的大气延迟误差的影响比较显著，所以定位精度较差，一般为几十米。单点定位在船舶、飞机的导航、地质矿产勘探、暗礁定位、海洋捕鱼、国防建设及低精度测量等领域中有着广泛的应用前景。

相对定位是确定同步跟踪相同的GPS卫星信号的若干台接收机之间的相对位置（三维坐标差）的一种定位方法。相对定位测量时，许多误差对同步观测的测站有相同的或大致相同的影响。因此，计算时，这些误差可以抵消或大幅度削弱，从而获得很高精度的相对位置，一般精度为几毫米至几厘米。相对定位与单点定位相比，外业观测的组织与实施以及数据处理就复杂一些。相对定位广泛用于大地测量、工程测量、地壳形变监测等精密定位领域。

四、GPS相对定位的主要误差来源

1）时钟误差。卫星上的时钟误差和接收机的时钟误差都是GPS测量的主要误差。

2）卫星位置误差。GPS卫星的位置是依据卫星发送的星历计算而得的，其平均误差约为20mm。令dr为卫星位置误差，则其对相对定位的影响可近似用下式估算，即

建筑工程测量

式中：D——两接收机问的距离；

dD——相对位置误差；

S——接收机到卫星的距离，近似为20000km。

例如dr=20m，对两点相位位置的影响为1×10-6。

3）大气延迟影响。卫星信号要穿过大气层才到达接收机，因此大气对卫星信号有延迟作用（影响其传播速度）。从地面到约50km高空的大气叫对流层，对流层的延迟是大气中气温、气压和湿度的函数，可通过测站上所测量的气象要素进行改正。50km以上高空的大气叫电离层，它的影响用双频接收机的测量结果来改正。

4）多路径误差。经某些物体表面反射后到达接收机的信号和直接来自卫星的信号叠加进入接收机，使测量产生误差。其影响与天线周围环境有关。因此，选择合适的测站位置是减少此项误差的主要措施。

5）观测误差。观测误差与测量所用信号的波长有关。用C/A码和P码做伪距观测，误差分别为3m和0.3m；载波相位测量，误差为1～2mm。

一般来讲，GPS相对定位的精度可表示为

σ2=a2+b2·D2 （6-26）

式中：σ——相对定位中误差；

a——固定误差部分；

b——比例误差部分；

D——两测站间的距离。

复习题

1.经纬仪导线测量的外业工作包括哪些内容？

2.选定导线点时应注意哪些问题？

3.导线与附合导线的计算有哪些异同点？

4.按表6-11已知数据，计算闭合导线各点的坐标值。

表6-11 闭合导线坐标

全球定位系统( GPS)

全球定位系统又叫导航卫星系统，是由在22200km高度的21颗或24颗卫星组成的，GPS受美国政府控制，根据GPS利用三边测量方法可确定目标的纬度、经度和海拔高度。GPS在海洋地球物理定位中广泛应用，也可以用GPS来设定陆上的测量基准台。GPS总共有六条卫星轨道，每个轨道面上均匀分布4颗卫星，轨道平面与赤道平面之间的夹角为55°，每颗卫星绕地球一圈的周期约为12h。

每颗卫星都有4个原子钟，形成一个超高稳定的计时系统。在DiegoGarcia、Hawaii、Kwajelein和Ascension四个站点观测每颗卫星轨道的扰动情况，在科罗拉多斯普林斯有一组设备使所有的卫星定位准确，计时系统保持同步。每颗卫星的载波频率为1575.2MHz和1277.6MHz(另外还有一个为军用频率)。在上面叠加了一个50Hz的信号，使用双相位相移，如果是+90°表示1，-90°表示0。叠加上的信息包括一个“握手信号”，使用户的时间和卫星时间同步，还给出一个“日历”信息，其中包括一个18天内的卫星位置、对流层异常的校正因子和其他一些有用的信息。每颗卫星的握手信号与日历信息之间的时间间隔不同，可以根据这个特征区分每颗卫星的发射。采用两种广播编码方式，军用的P码定位精度很高。

有几种类型的接收器，其中有一种手持式的可供使用。根据四颗卫星的量程信息求出其联立方程组的解就是用户的位置。接收器必须从可同时见到的所有卫星中选择可提供最佳定位信号的三颗卫星与测量者组成一个四面体，如果四面体的体积最大，则三边测量的精度最高。另外还需使用第四颗卫星，以解决卫星和用户的计时系统之间的时差问题。如果用户事先已知哪几颗卫星的定位精度最高，则用户只需要寻找这几颗卫星的信号即可，就能大大提高定位的速度。

GPS允许和前面所述的几种测量方法进行联测，利用卫星信号与用户接收器参考信号之间的相位差，可求出连续的测量站点之间的坐标差。采用与导航卫星定位相同的步骤，可确定多普勒频移。如果使用两个频率，就可以校正地球大气层与电离层折射的影响。如果在距离测量点大约500km远处有另外一个固定的接收器，和测量点进行联测(差分GPS)，可以消除卫星轨道局部扰动的影响。地球物理中使用的差分GPS的定位精度可达2m～5m。

根据卫星坐标系统可以得到GPS的坐标值，再将其变换为当地坐标值。在测量时无论测量者是静止的还是移动的，无论是要实时知道测量点的位置，还是最后处理时才需要知道结果，无论是要知道相对位置还是绝对位置，无论是否使用联测，测量精度只与使用的GPS的类型有关。美国政府警告说，出于保密的原因，现在的GPS的定位精度降低到50m～100m。

寻找GPS全球定位系统？

4月10日 10:54 全球卫星定位系统GPS是美军70年代初在子午仪卫星导航定位'技术上发展起来的具有全球性、全能性、全天侯性优势的导航定位、定时、测速系统。全球卫星定位系统GPS由三大子系统构成：空间卫星系统、地面监控系统、用户接收系统。

1、空间卫星系统。

空间卫星系统由均匀分布在6个轨道平面上的24颗高轨道工作卫星构成，各轨道平面相对于赤道平面的倾角为55°，轨道平面间距60°。在每一轨道平面内，各卫星生交角距差90°，任一轨道上的卫星比西边相邻轨道上的相应卫星超前30°。空间系统的每颗卫星每12小时沿近圆形轨道绕地球一周，由星载高精度原子钟控制无线电发射机在低躁音窗口附近发射L1、L2两种载波，向全球的用户接收系统连续的播发GPS导航信号。GPS工作卫星组网保障全球任一时刻、任一地点都可对4颗以上的卫星进行观测，实现连续、实时地导航和定位。

2、地面监控系统。

地面监控系统由均匀分布在美国本土和三大洋的美军基地上的5个监测站、一个主控站和三个注入站构成。该系统的功能是：对空间卫星系统进行监控、控制，并向每颗卫星注入更新的导航电文。地面监测站的主要任务是用GPS接收系统测量每颗卫星的伪距和距离差，采集气象数据，并将观测数据传送给主控点。5个监控站均为无人职守的数据采集中心。主控站接受各监测站的GPS卫星观测数据、卫星工作壮态数据、各监测站和注入站自身的工作状态数据。根据上述各类数据，及时编算每颗卫星的导航电文传送给注入站。控制和协调监测站间、注入站间的工作，检验注入卫星的导航电文是否正确以及卫星是否将电文发给了GPS用户系统。诊断卫星工作状态，改变偏离轨道的卫星位置和姿态，调整备用卫星取代失效卫星。注入站接受主控站送达的各卫星导航电文并将之注入飞越其上空的每颗卫星。

3、用户接收系统。

用户接收系统主要由以无线电传感和计算机技术支撑的GPS卫星接收机GPS数据处理软件构成。GPS接收机能捕获、跟踪卫星，接收放大GPS信号并对信号进行解调和滤波处理，还原出GPS卫星发送的导航电文，解求信号在站星间的传播时间和载波相位差，实时地获得导航定位数据或采用后处理的方式，获得定位、测速、定时等数据。

目前，全球卫星定位系统已广泛用于军事和民用等众多领域中。GPS技术按待定点的状态分为静态定位和动态定位两大类。静态定位是指待定点的位置在观测过程中固定不变，如GPS在大地测量中的应用。动态定位是指待定点在运动载体上，在观测过程中是变化的，如GPS在船舶导航中的应用。静态相对定位的精度一般在几毫米几厘米范围内，动态相对定位精度一般在几厘米到几米范围内。