34GPS简介

GPS简介
一、概述
全球定位系统（G P S）是英文N A V S T A R/G P S的简称，全名N a v i g a t i o n S y s t e m T i m i n g a n d R a n g i n g/G l o b a l P o s i t i o n i n g S y s t e m，即“授时与测距导航系统/全球定位系统”。

全球定位系统G P S，于1973年由美国政府组织研究，耗费巨资，历经约20年，于1993年全部建成。

该系统是伴随现代科学技术的迅速发展而建立起来的新一代精密卫星导航和定位系统，不仅有全球性、全天候、连续的三维测速，导航、定位与授时能力，而且具有良好的抗干扰性和保密性。

该系统的研制成功已成为美国导航技术现代化的重要标志，被视为本世纪继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的又一重大科技成就。

全球定位系统G P S的研制最初主要用于军事目的。

如为陆海空三军提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测、应急通讯和爆破定位等方面。

随着G P S系统步入试验和实用阶段，其定位技术的高度自动化及所达到的高精度和巨大的潜力，引起了各国政府的普遍关注，同时引起了广大测量工作者的极大兴趣。

特别是近几年来，G P S定位技术在应用基础的研究、新应用领域的开拓、软硬件的开发等方面都取得了迅速发展。

目前，G P S精密定位技术已经广泛地渗透到了经济建设和科学技术的许多领域，尤其是在大地测量学及其相关学科领域，如地球动力学、海洋大地学、天文学、地球物理和资源勘探、航空与卫星、遥感精密工程测量、变形监测，城市控制测量等方面的广泛应用，充分显示了这一卫星定位技术的高精度和高效益。

这将使测绘事业的发展进入一个新时代。

二、G P S全球定位系统的组成
G P S全球定位系统主要由三大部分组成，即空间星座部分（G P S卫星星座）、地面监控部分和用户设备
部分，见6-23。

1、空间星座部分
空间星座部分是由24颗卫星组成（其中，21颗为工作卫星，3颗为可随时启用的备用卫星）。

工作卫星分布在6个轨道面内，每个轨道面上有4颗卫星。

在地平线上的卫星数目随时间和地点而异，最少为4颗，最多达11颗。

即是说在地球表面上任何地点，任何时间，在高度角15º以上至少可同时观测到4颗卫星。

又由于卫星信号的传播和接收不受天气影响，所以G P S是一种全球性、全天候的连续实时定位系统。

在每颗卫星上装有4台高精度原子钟，为G P S测量提供高精度的时间信息。

G P S卫星的主要功能是：接收、储存和处理地面监控系统发射来的导航电文及其它有关信息；向用户连续不断地发送导航与定位信息，并提供时间标准、卫星本身的空间实时位置及其它在轨卫星的概略位置；接收并执行地面监控系统发送的控制指令，如调整卫星姿态和启用备用时钟、备用卫星等。

2、地面监控部分
G P S的地面监控系统主要由分布在全球的5个地面站组成6-24，按其功能分主控站（M C S）、注入站（G A）、监测站（M S）3种。

主控站一个，设在美国的科罗拉多的斯普林斯（C o l o r a d o S p r i n g s）。

主控站负责协调和管理所有地面监控系统的工作，其具体任务有：
根据所有地面监测站的观测资料推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层修正参数等，并把这些数据及导航电文传送到注入站；提供全球定位的时间基准；调整卫星状态和启用备用卫星等。

注入站又称地面天线站，其主要任务是将来自主控站的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。

注入站现有3个，分别设在印度洋的迭哥伽西亚（D i e g o G a r c i a）、南太平洋的卡瓦加兰（K w a j a l e i n）和南大西洋的阿松森群岛（A s c e n c i o n）。

监测站共有5个，除上述4个地面站具有监测站功能外，还在夏威夷（H a w a n）设有
一个监测站。

监测站的主要任务是连续观测和接收所有G P S卫星发出的信号并监测卫星的工作状况，将采集到的数据连同当地气象观测资料和时间信息经初步处理后传送到主控站。

整个系统除主控站外均由计算机自动控制，而勿需人工操作。

各地面站间由现代化通讯系统联系，实现了高度的自动化和标准化。

3、用户设备部分
全球定位系统的用户设备部分，包括G P S接收机硬件、数据处理软件和微处理机及其终端设备等。

G P S接收机是用户设备部分的核心，一般由主机，天线和电源三部分组成6-25。

其主要功能是跟踪接收G P S卫星发射的信号并进行变换，放大、处理，以便实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。

G P S接收机根据其用途可分为导航型、大地型和授
时型；根据接收的卫星信号频率，又可分为单频（L1）和双频（L1、L2）接收机等。

在精密定位测量工作中，常采用大地型双频接收机或单频接收机，适用于10k m左右
或更短距离的精密定位工作，其相对定位的精度能达5m m＋1p p m·D（D为基线长度，以k m 计）。

而双频接收机可进行长距离的精密定位工作，其相对定位的精度可优于5r n m＋1p p m·D。

对于G P S接收机的观测数据，必须进行后期处理，才能求得测站点的三维坐标。

三、G P S定位
G P S进行定位的方法，根据用户接收机天线在测量中所处的状态来分，可分为静态定位和动态定位；若按定位的结果进行分类，则可分为绝对定位和相对定位。

所谓静态定位，即在定位过程中，接收机天线（待定点）的位置相对于周围地面点而言，处于静止状态。

而动态定位正好与之相反，即在定位过程中，接收机天线处于运动状态，也就是说定位结果是连续变化的，如用于飞机，轮船导航定位的方法就属动态定位。

所谓绝对定位，是在W G S－84坐标系中6-26，独立确定观测站相对地球质心绝对位置的方法。

相
对定位同样在W G S—84坐标系中，确定的则是观测站与某一地面参考点之间的相对位置或两观测站之间相对位置的方法。

各种定位方法还可有不同的组合，如静态绝对定位、静态相对定位、动态绝对定位，动态相对定位等。

G P S测量工作与经典测量工作相类似，按其性质可分为外业和内业两大部分。

其中，外业工作主要包括，选点与建立标志、野外观测作业以及成果的质量检核等；内业工作主要包括技术设计、测后数据处理以及技术总结等。

如果按照G P S测量实施的工作程序，则大体上可分为这样几个阶段：网的优化设计、选点与建立标志、外业观测、成果检核与处理。

（一）G P S的外业工作
1、选点与建立标志
由于G P S测量不要求观测点之间通视，故选点工作较常规大地测量简便，并且省去了
建立高标的费用，降低了成本。

但G P S测量又有其自身的特点，因此选点时，应满足以下
要求：
点位应选在交通方便、易于安置接收设备的地方，且视野开阔，以便与常规地面控制
网联测；G P S点应避开对电磁波接收有强烈吸收、反射等干扰影响的金属和其它障碍物体，
如高压线、电台电视台、高层建筑，大范围水面等。

点位选定后，应按要求埋置标石，以便保存。

最后，应绘制点之记、测站环视图和G P S
网选点图，作为提交的选点技术资料。

2、外业观测
外业观测是指利用G P S接收机采集来自G P S卫星的电磁波信号，其作业过程大致可分
为天线安置，接收机操作和观测记录。

外业观测应严格按照技术设计时所拟定的观测计划
进行实施，只有这样，才能协调好外业观测的进程，提高工作效率，保证测量成果的精度。

为了顺利地完成观测任务，在外业观测之前，还必须对所选定的接收设备进行严格的检验。

天线妥善安置是实现精密定位的重要条件之一，其具体内容包括：对中、整平、定向并量
取天线高。

接收机操作的具体步骤详见仪器说明书。

实际上，目前G P S接收机的自动化程度相当
高、一般仅需按动若干功能键，就能顺利地自动完成测量工作；并且每做一步工作，显示
屏上均有提示。

大大简化了外业操作工作，降低了劳动强度。

观测记录的形式一般有两种：一种由接收机自动形成，并保存在机载存储器中，供随
时调用和处理。

这部分内容主要包括接收到的卫星信号、实时定位结果及接收机本身的有关信息。

另一种是测量手簿，由操作员随时填写，其中包括观测时的气象元素等其它有关信息。

观测记录是G P S定位的原始数据，也是进行后续数据处理的唯一依据，必须妥善保管。

3、外业成果质量检核
观测成果的外业检核是保证外业观测质量实现预期定位精度的重要环节。

所以，当观测任务结束后，必须在测区及时对外业观测数据进行严格的检核；并根据情况采取淘汰或必要的重测、补测措施。

只有按照《规范》要求。

对各项检核内容严格检查，确保准确无误才能进行后续的平差计算和轮据处理。

（二）G P S的内业工作
内业工作主要包括技术设计、测后数据处理以及技术总结等。

1、G P S网形设计的一般原则
（1）G P S网一般应采用独立观测边构成的闭合图形。

例如，三角形、多边形或附合线路，以增加几何强度和检核条件，提高网的可靠性。

在设计观测图形时，必须充分考虑加强异步环的检查。

实践表明，设计异步环可以检查诸多观测误差（仪器对中整平误差、不同时段的观测误差、大气变化的影响等）对观测成果的影响，同时可避免粗差的存在。

（2）G P S网作为测量控制网，其相邻点间基线向量的精度应分布均匀。

（3）G P S网点应尽量与原有地面控制点相重合。

重合点一般不应少于4个（不足时应联测），且在网中应分布均匀。

同时G P S网点应考虑与水准点相重合，而非重合点应根据要求用水准测量方法（或相当精度的其他方法）进行联测，或在网中布设一定密度的水准联测点，以利于可靠地确定G P S网与地面网的转换系数。

（4）为了便于G P S测量的观测和水准联测，G P S网点一般应设在视野开阔和交通便利的地方。

为了便于用经典方法联测或扩展，可在G P S点附近布设一通视良好的方位点，以建立联测方向。

方位点与观测站的距离不应超过300m。

根据G P S网的不同用途，G P S网的独立观测边应构成一定的几何图形。

G P S控制网应构成尽可能多的闭合图形，为此，要把网中处于边缘的观测点用独立基线连接起来，以构成全封闭图形，如三角形，有时根据实际需要，也可布成环形图。

2、观测数据的处理
观测数据的处理一般包括预处理、网平差、坐标转换三个步骤。

预处理是对原始观测数据进行编辑、加工与整理，分流出各种专用的信息文件，进一步的各种计算做准备。

预处理工作的主要内容有：数据传输、数据分流、数据的平滑和滤波、统一数据文件格式、卫星轨道的标准化、探测周跳和修复载波相位观测值以及对观测值进行各项必要的改正。

观测数据的预处理，一般均由后处理软件自动完成。

G P S测量数据处理的关键工作是G P S网的平差，它将直接影响到G P S网的精度和稳定性。

目前采用的平差方法，主要有经典自由网平差和非经典自由网平差。

经典自由网平差，广泛应用于城市与矿山等区域性控制网的平差，而非经典自由网平差，主要应用于工程变形和地壳运动等监测网的数据处理。

G P S接收机定位直接得到的是地心坐标，即W G S—84大地坐标，根据城市、矿山等区域性测量工作的需要，所得的G P S测量结果必须化算到用户所采用的区域性坐标系统，即坐标转换。

3、技术总结
G P S测量的外业和数据处理结束后，应及时编写技术总结。

其主要内容有：
（1）目名称，任务来源，施测目的及精度要求；
（2）区范围与位置、自然地理条件、气候特征、交通及电信、电源情况；
（3）测区内已有测量标志情况；
（4）施测单位，作业时间，技术依据和作业人员情况；
（5）接收设备的类型、数量和检验情况；
（6）选点与埋石情况，观测环境评价及原有测量标志的重合情况；
（7）观测实施情况，观测时段选择，补测与重测情况及作业中发生与存在的问题说明；
（8）观测数据的检核情况，起算数据，数据处理的内容、方法及所采用的软件情况；
（9）工作量与定额计算；
（10）尚存在的问题与必须说明的其它问题；
（11）必要的附表和附图。

（三）关于上交资料
G P S测量任务完成后，各项技术资料均应仔细地加以整理，并经验收后上交，以提供用户使用。

上交资料的一般内容一般应包括：
1、测量任务书与技术设计；
2、G P S网展点图；
3、观测站的点之记，环视图；
4、卫星可见性图，精度因子P D O P（或G D O P）预报及观测计划；
5、外业观测记录，测量手簿及其他记录（如归心元素）；
6、接收设备及气象仪器等的检验资料；
7、外业观测数据的质量评价和外业检核资料；
8、数据处理资料和成果表；
9、技术总结与成果验收报告。