GPS基础知识及RTK操作教程(第一部分)

中石化西北油田分公司GPS测量基础知识及井位勘定仪器操作教程
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二〇一二年二月七日
目录
第一章GPS测量原理及RTK简介 (1)
第一节GPS测量原理 (1)
第二节RTK技术简介 (8)
第二章硬件介绍 (9)
第一节使用与保护 (9)
第二节T RIMBLE 5700GPS简介 (10)
第三节T RIMBLE5800/R8GPS简介 (19)
第四节电台说明 (21)
第五节5700/5800/R8RTK作业硬件安装简介 (25)
第三章TSC2测量控制器、RTK测量操作简介 (30)
第一节TSC2测量控制器简介 (30)
第二节RTK一般操作流程 (32)
第四章GPS静态测量施工简介............................. 错误!未定义书签。

第一节GPS静态定位在测量中的应用 ............... 错误!未定义书签。

第二节布设GPS控制网的工作步骤.................. 错误!未定义书签。

第三节GPS静态作业的选点及布网................... 错误!未定义书签。

第四节静态作业的仪器准备及作业 .................. 错误!未定义书签。

第五节R8接收机静态操作细则说明 ................. 错误!未定义书签。

第一章GPS测量原理及RTK简介
第一节GPS测量原理
一、GPS简介
GPS是英文Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System
的字头缩写词NAVSTAR/GPS的简称，它的含义是利用导航卫星进行测时和测距，以构成全球定位系统。

它是美军70年代初在“子午卫星导航定位系统——NNSS系统”的技术上发展而起的具有全球性、全能性（陆地、海洋、航空与航天）、全天候性优势的导航定位、定时、测速系统。

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，利用该系统，用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。

二、GPS的组成
1973年12月，美国国防部正式批准陆海空三军共同研制导航全球定位系统-全球定位系统（GPS）。

1994年进入完全运行状态；整套GPS定位系统由三个部分组成的，即由GPS卫星组成的空中部分、由若干地面站组成的地面监控系统、以接收机为主体的用户设备。

三者有各自独立的功能和作用，但又是有机地配合而缺一不可的整体系统。

1、空间卫星部分
GPS的空间部分由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颗为用于导航的卫星，3颗为活动备用卫星。

这24颗卫星分布在6个倾角为55°,高度约为20200公里的高空轨道上绕地球运行。

卫星的运行周期约为12恒星时。

完整的工作卫星星座保证在全球各地可以随时观测到4-8颗高度角为15°以上的卫星,若高度角在5°则可达到12颗卫星。

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。

2、地面监控部分
GPS的控制部分由分布在全球的若干个跟踪站所组成的监控系统构成，根据其作用不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。

①主控站的作用：主控站拥有大型电子计算机，用作为主体的数据采集、计算、传输、诊断、编辑等工作，它完成下列功能:
A、采集数据：主控站采集各监控站所测得的伪距和积分多普勒观测值、气象要素、卫星时钟和工作状态的数据、监测站自身的状态数据等
B、编辑导航电文（卫星星历、时钟改正数、状态数据及大气改正数）并送入注入站。

C、诊断地面支撑系统的协调工作、诊断卫星健康状况并向用户指示的功能。

D、调整卫星误差。

②监控站的作用：为主控站编算导航电文提供各类观测数据和信息。

各监控站对可见到的每一颗 GPS卫星每 6 秒进行一次伪距测量和积分多普勒观测,采集定轨、气象要素、卫星时钟和工作状态等数据, 监控GPS卫星的运行状态及精确位置, 并将这些信息传给主控站。

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注入站的作用：主控站将编辑的卫星电文传送到位于三大洋的三个注入站，定时将这些信息注入各个卫星，然后由GPS卫星发送给广大用户。

3、用户接收部分
GPS用户部分由GPS接收机（移动站、基准站等）、数据处理软件及相应用户设备,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。

三、GPS误差
利用GPS定位时，GPS卫星播发的信号受各种因素影响，使得测量结果产生误差，精度下降。

影响GPS定位精度的因素可分为下列几个方面：
1、与GPS卫星有关的因素
①SA政策:美国政府从其国家利益出发，通过对导航电文采用ε技术、对GPS
卫星基准频率加入高频抖动（δ技术）、对P码采用译密技术（P码经过译密技术处理成Y码--反电子欺骗AS政策），人为降低普通用户利用GPS进行导航定位时的精度。

单机定位误差达100m。

现已取消SA政策，单机误差约15m。

（2000年5月1日已经取消该政策）
②卫星星历误差:卫星星历是GPS卫星定位中的重要数据。

卫星星历是由地面监控站跟踪监测GPS卫星测定的。

由于地面监控站测试的误差以及卫星在空中运行受到多种摄动力影响，地面监测站难以充分可靠地测定这些作用力的影响，使得测定的卫星轨道会有误差。

③卫星钟差:卫星钟差是GPS卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS标准时间之间会有偏差和漂移，并且随着时间的推移而发生变化。

而GPS定位所需要的观测量都是以精密测时为依据，卫星钟差会对伪码测距和载波相位测量产生误差。

当卫星钟差总量达到1ms时，产生的等效距离误差可达300KM
④地球自转的影响：GPS定位采用的坐标是协议地球坐标系，地面接收到卫星信号时与地球固连的协议坐标系相对于卫星发射瞬间的位置已产生了旋转(绕Z轴旋转)，这样接收到的卫星信号会有时间延迟。

（卫星发送信号瞬间坐标与接收机接收的瞬间坐标产生位置上的旋转）。

⑤发射天线相位中心偏听偏差:发射天线相位中心偏差是GPS卫星上信号发射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。

2、与信号传播途径有关的误差
①电离层延迟:地球周围的电离层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为电离层延迟。

②对流层延迟:由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为对流层延迟。

③多路径效应:由于接收机周围环境的影响，使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有各种反射和折射信号的影响，这些信号会相互叠加，这就是所谓的多路径效应。

3、仪器本身的误差
①接收机钟差:接收机石英钟与卫星的原子钟钟面时间的误差。

②接收机天线相位中心偏差: GPS接收机天线的标称相位中心与其真实的相位中心之间的差异。

③接收机软件和硬件造成的误差:在进行GPS定位时，定位结果还会受到诸如处理与控制软件和硬件等的影响。

4、其他方面影响
①GPS控制部分人为或计算机造成的影响:由于GPS控制部分的问题或用户在进行数据处理时引入的误差等。

②数据处理软件的影响:数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响。

四、坐标系统
一个空间点的位置是用坐标来表示的, 同一个点在不同坐标系中有不同的表示方式和数据, 与GPS相关的是大家不很熟悉的地球坐标系和天球坐标系。

GPS 卫星受地球引力的作用而与地球自转无关地运动在地球以外的空间轨道上,所以描述GPS 卫星的位置是采用天球坐标系; 而GPS卫星观测者位于地球表面, 其坐标位置随地球自转, 那么与之相联系的是地球坐标系。

全球建有世界大地坐标系, 各国( 地区) 也都建立了自己国家的大地坐标系统, 如我国建立了以陕西泾阳县永乐镇为原点的大地坐标系; 更精确的全球坐标系统正在建设中。

不同坐标系之间是通过坐标转换而满足不同用途的。

目前在GPS导航定位中, 与卫星轨道和观测者坐标的观测、星历发播等相联系的是天球坐标系和地球坐标系, 而测量结果及与用户对接的是统一采用WGS- 84 世界大地坐标系。

1、坐标系的分类
所谓坐标系指的是描述空间位置的表达形式，即采用什么方法来表示空间位置。

如直角坐标系、极坐标系等。

在测量中，常
用的坐标系有以下几种：
①空间直角坐标系
空间直角坐标系的坐标系(见下图)原点位于
参考椭球的中心O，Z轴指向参考椭球的北极，X
轴指向起始子午面与赤道的交点，Y轴位于赤道
面上，且按右手系与X轴呈90°夹角。

②空间大地坐标系
空间大地坐标系(见下图)是采用大地经、纬度
和大地高来描述空间位置的。

纬度是空间的点与参
考椭球面的法线与赤道面的夹角，经度是空间中的
点与参考椭球的自转轴所在的面与参考椭球的起
始子午面的夹角，大地高是空间点沿参考椭球的法
线方向到参考椭球面的距离。

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平面直角坐标系
平面直角坐标系是利用投影变换，将空间坐标（空间直角坐标或空间大地坐标）通过某种数学变换映射到平面上，这种变换又称为投影变换。

投影变换的方法有很多，如UTM投影、Lambuda投影等，在我国采用的是高斯-克吕格投影，也称为高斯投影。

2、GPS测量中常用的坐标系统
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WGS-84 坐标系
WGS-84坐标系是美国根据卫星大地测量数据建立的大地测量基准，是目前GPS所采用的坐标系。

GPS卫星发布的星历就是基于此坐标系的，用GPS所测的地面点位，如不经过坐标系的转换，也是此坐标系中的坐标。

WGS-84坐标系定义如下表1：
表1 WGS-84坐标系定义
坐标系类型WGS-84坐标系属地心坐标系
原点地球质量中心
z轴指向国际时间局定义的BIH1984.0的协议地球北极
x轴指向BIH1984.0的起始子午线与赤道的交点
参考椭球椭球参数采用1979年第17届国际大地测量与地球物理联合会推荐值
椭球长半径a=6378137m
椭球扁率由相关参数计算的扁率：α=1/298.257223563
②1954年北京坐标系
1954年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系，源自于原苏联采用过的1942年普尔科夫坐标系，该坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球，属参心坐标系，参考椭球在前苏联境内与大地水准面最为吻合，在我国境内大地水准面与参考椭球面相差最大为67m。

1954年北京坐标系定义如下表2：
表2 1954年北京坐标系定义
坐标系类型1954年北京坐标系属参心坐标系
原点位于原苏联的普尔科沃
z轴没有明确定义
x轴没有明确定义
参考椭球椭球参数采用1940年克拉索夫斯基椭球参数
椭球长半径a=6378245m
椭球扁率由相关参数计算的扁率：α=1/298.3
1954年54坐标系存在以下问题：
1）椭球参数与现代精确参数相差很大，且无物理参数；
2）该坐标系中的大地点坐标是经过局部分区平差得到的，在区与区的接合部，同一点在不同区的坐标值相差1~2m；
3）不同区的尺度差异很大；
4）坐标是从我国东北传递到西北和西南，后一区是以前一区的最弱部作为坐标起算点，因此有明显的坐标积累误差。

注：X轴加常数为0，Y轴加常数为500000米。

③1980年西安大地坐标系
1980年国家大地测量坐标系是根据50~70年代观测的国家大地网进行整体平差建立的大地测量基准。

椭球定位在我国境内与大地水准面最佳吻合。

1980年国家大地测量坐标系定义如下表3：
多。

1954年北京坐标系和1980年国家大地坐标系中大地点的高程起算面是似大地水准面，是二维平面与高程分离的系统。

而WGS-84坐标系中大地点的高程是以84椭球作为高程起算面的，所以是完全意义上的三维坐标系。

注：X轴加常数为0，Y轴加常数为500000米；高程系统以56年黄海平均海水面为高程起算基准。

④CGCS2000大地坐标系
为建立我国新一代大地坐标系作了大量基础性工作，近年又先后建成全国GPS一、二级网，国家GPS A、B级网，中国地壳运动观测网络和许多地壳形变网，为地心大地坐标系的实现奠定了较好的基础。

我国大地坐标系更新换代的条件业已具备。

我国新一代大地坐标系建立的基本原则是：
1)坐标系应尽可能对准ITRF(国际地球参考框架)；
2)坐标系应由空间大地网在某参考历元的坐标和速度体现；
3)参考椭球的定义参数选用长半轴、扁率、地球地心引力常数和地球角速度，其参数值采用IUGG (国际大地测量与地球物理联合会)或IERS(国际地球旋转与参考系服务局)的采用值或推荐值。

2000中国大地坐标系(China Geodetic Coordinate System 2000，CGCS2000)，国人又称之为2000国家大地坐标系，是我国新一代大地坐标系，现已在全国
正式实施。

本文意在介绍2000中国大地坐标系的定义和实现，给出参考椭球的定义常数和导出常数以及相关的正常重力公式，并对坐标系作几点说明。

2000中国大地坐标系符合ITRS(国际地球参考系统)的如下定义：
1)原点在包括海洋和大气的整
个地球的质量中心；
2)长度单位为米(sI)。

这一尺度
同地心局部框架的TCG(地心坐标时)
时间坐标一致；
3)定向在1984．0时与BIH(国
际时间局)的定向一致；
4)定向随时间的演变由整个地
球的水平构造运动无净旋转条件保
证。

以上定义对应一个直角坐标
系，它的原点和轴定义如下：CGCS2000定义的示意图
1)原点：地球的质量中心；
2)Z轴：指向IERS参考极方向；
3) X轴：IERS参考子午面与通过原点且同z 轴正交的赤道面的交线；
4)Y轴：完成右手地心地固直角坐标系。

CGCS2000的参考椭球为一等位旋转椭球。

等位椭球(或水准椭球)定义为其椭球面是一等位面的椭球。

CGCS2000的参考椭球的几何中心与坐标系的原点重合，旋转轴与坐标系的z轴一致。

参考椭球既是几何应用的参考面，又是地球表面上及空间正常重力场的参考面。

等位旋转椭球由4个独立常数定义----CGCS2000参考椭球的定义常数是：
长半轴a=6378137.0 m；扁率f=1/298．257 222 101；地球的地心引力常数(包含大气层)GM = 3 986 004．418×E8 m3s-2：地球角速度w=7 292 115．0×E-11 rad S-1。

五、GPS工作原理简介
GPS导航定位是在陆基导航、空间技术、大地测量、通讯和计算机等技术的基础上发展起来的现代星基导航技术。

它的最基本的任务是确定客体在空间中的位置———定位, 随之可求得瞬时速度、加速度、时间等参量, 进而实现导航。

所以GPS定位既是最基本的、也是最重要的。

1 一些相关概念
为了便于理解, 现把与GPS 有关的、日常中又接触不多的相关概念作些介绍。

——波信号: GPS卫星信号包含载波、测距码( C/A码、P 码) 、数据码( 导航电文, 或称D码) 。

GPS卫星发射基频为10.23MHz的两种频率的载波信号, 即频率为154×10.23MHz=1575.42MHz 的L1载波和频率为120×
10.23MHz=1227.60MHz的L2 载波, 波长分别为19.03cm和24.42cm。

在L1 上调制有C/A码、P 码和D码, 在L2 上调制有P 码和D码。

——C/A 码: C/A 是Clear and Acquisition 的简称, 被称为捕获码, 是1MHz 的伪随机噪声码( PRN码) , 位率为 1.023MHz, 码元宽度为1/f=0.97752μs,相
应距离为293.1m。

若码元对齐误差为码元宽度的1/10～1/100,则相应的测距
精度为29.3～ 2.9 米,所以又叫粗码。

由于每颗卫星的C/A码都不一样, 因此,我们经常用它们的PRN码来区分不同卫星。

——P 码: P 是Precision 的意思, 又称精码, 是10MHz的伪随机噪声码, 位率为10.23MHz, 码元宽度仅为C/A码的1/10, 对应的测距精度为 2.93～0.29米, 所以适合于精密的导航定位。

P 码的结构不公开, 只供美国军方和特许用户使用。

——D 码: 也叫数据码, 实际上就是导航电文,它包含卫星星历、时间信息、卫星工作状态、星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正等信息。

——GPS卫星星历: 是精确描述GPS卫星位置的以时间为变量的一组参数, 它们确定GPS卫星的运行轨道和运行状态。

GPS卫星星历分为广播星历和精密星历。

广播星历是GPS卫星发送给用户的一组赋值卫星轨道信息, 也叫“导航信息”, 包括17 个参数( 两个时间参数、 6 个开普勒轨道参数和9 个轨道摄动力参数) , 用户利用这些信息来计算某一时刻GPS卫星在轨道上的位置。

广播星历是一种外推星历, 用这些摄动改正项对任一时元的已知参考星历进行改
正就可推算出任意观测时元的星历。

精密星历是一些国家为满足高精度定位要求而编制的一种事后处理星历, 虽然精度高, 但无法满足实时观测需要。

——时间系统: 人们已发明和建立了基于地球自转周期的恒星时、以太阳每日东升西降周期的平太阳时、以零经度子午圈( 格林威治子午圈) 所对应的平太阳时为零时的世界时( UT ) ; 在1967 年国际度量衡会议中规定一秒为:位
于海平面上的铯CS133原子基态两个超精细能级在零磁场中跃迁辐射振荡
9.192631770GHz周所持续的时间, 并通过与世界时的关系式确定了原子时的原点, 从而建立了几十万年相差不超过一秒的高准确度的国际原子时。

实际上原子时只解决了时间的尺度问题, 而计时的原点仍是基于世界时的定义, 同时在地球科学中又离不开以地球自转为基础的世界时, 所以1972 年又建立了兼有世界
时与原子时各自优点的协调世界时,并把世界分为24 个时区, 格林威治子午圈区域为零时。

在这一时系下各国( 地区) 建立了自己的时间系统, 中国采用了东八区的区时作为标准时间, 即北京时间。

为了满足GPS精密导航定位的需要, 专门建立了GPS时间系统( GPST ) , 它与协调世界时的关系为:
GPST= ( UTC+n- 19) s ( n 为调整参数、s 为秒)
2 伪距的测量
利用GPS进行导航定位, 无论采用哪种方法,首要的都必须获得观测站距卫星的距离。

在实际测量中测得的这一距离包含了大气、钟差等多种误差源的影响, 并不是真正的几何距离, 而是含有误差的测得距离, 所以把这种带有误差的GPS 距离叫伪距。

伪距在一般意义上是GPS载波信号在星站之间传播的时间与速度的乘积L=ct, 从数学模型上看似简单, 但传播时间t 的准确测定并非易事, 因为
无线电波从GPS 卫星到地面的传播一般仅需0.06 秒左右, 若差0.001 秒就对应于300 公里的距离误差。

可见测距精度很大程度上取决于测时精度, 这也是卫星上搭载了高稳定度原子钟的原因; 为了准确测得电磁波到达的时间, 也需要GPS接收机有同样高精度的时间, 但鉴于接收机的小巧和成本, 不可能配备昂贵的原子钟。

解决方法是, 追加观测一颗或多颗卫星的信息来寻求正确的时间。

伪距的测量一般采用伪码、载波相位、时间标记比对等方法。

3 GPS定位原理
所有在轨运行的GPS卫星既是作为一系列的动态已知点、又是作为无线电信号发射台存在于空间, 它们发播的星历信号为用户提供卫星的空间坐标、轨道参数、时间、各种改正等一系列信息。

接收机接收这些星历信号, 测量观测者距所选卫星的距离, 然后根据所测得距离求出观测者的坐标参数,这就是GPS定位。

GPS定位是在GPS卫星的实时位置已知的前提下采用距离交会原理来实现位置的准确确定的。

基本原理是：知道未知点到已知点的距离, 未知点就必然位于以已知点为球心、两点间距离为半径的球面上；如果已知A、B、C三个卫星的在轨坐标, 又测出了观测站距三颗卫星的距离, 然后利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置（X，Y，Z）三个未知数。

考虑到卫星时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因此，需要引入第四颗卫星，形成四个方程式进行求解，从而可以确定某一观测点的空间位置，精确算出该点的经纬度和高程。

第二节RTK技术简介
RTK是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的厘米级精度的三维定位结果。

RTK测量系统通常由三部分组成，即GPS信号接收部分（GPS接收机及天线）、实时数据传输部分（数据链，俗称电台）和实时数据处理部分（GPS控制器及其随机实时数据处理软件）。

RTK测量是根据GPS的相对定位理论，将一台接收机设置在已知点上（基准站），另一台或几台接收机放在待测点上（移动站），同步采集相同卫星的信号。

基准站在接收GPS信号并进行载波相位测量的同时，通过数据链将其观测值、卫星跟踪状态和测站坐标信息一起传送给移动站；移动站通过数据链接收来自基准站的数据，然后利用GPS控制器内置的随机实时数据处理软件与本机采集的GPS 观测数据组成差分观测值进行实时处理，实时给出待测点的坐标、高程及实测精度，并将实测精度与预设精度指标进行比较，一旦实测精度符合要求，手簿将提示测量人员记录该点的三维坐标及其精度。

作业时，移动站可处于静止状态，也可处于运动状态；可在已知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，并在动态环境下完成整周模糊值的搜索求解。

在整周模糊值固定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持4颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，则移动站可随时给出待测点的厘米级的三维坐标。

第二章硬件介绍
第一节使用与保护
Trimble5700/5800/R8接收机的设计考虑了承受野外出现的典型恶劣情况。

但是，接收机本身却是高精度的电子仪器，使用时需要注意保护。

从附近无线电或雷达发射机发出的大功率信号可能会抑制接收机电路。

这虽然不损坏仪器，但却可能导致接收机出现不良的电性能。

因此，应避免在大功率雷达、电视或其它发射机附近的400米范围内使用此接收机。

小功率发射机（例
如用于蜂窝电话和双工无线电的发射机）通常不会干扰5700/5800/R8接收机的工作。

第二节
Trimble 5700GPS简介一、5700接收机接收机组成
5700GPS接收机的所有操作控制装置、端口和接头全部分布在四个主面板上，
如图2.1所示。

图2.1
前面板：图2.2示出了5700接收机的前面板。

此面板上有五个LED（发光二极管）指示器、两个按钮和一个袖珍闪存/USB门扣
图2.2
顶面板
图2.3示出了5700接收机的顶面板。

此面板上有三个电源/串行数据端口和进行GPS与无线电连接的（TNC）端口
图2.3
顶面板上的每个端口都用一个图标作标记，表示其主要功能。

基站接收机与流动站接收机的区别在于基站接收机的电台天线馈线接口是封闭的，这
是因为基站采用外置电台做数据发送，本身没有内置电台，电台数据线要接到3 口，而流
动站有内置电台做接收数据用，因此只需把电台天线接到开放的电台天线馈线接口。

表2.1 5700接收机端口
图标名称连接……
端口1 Trimble手薄、事件标记或计算机
端口2 外接电源接入、计算机、1PPS或事件标记
端口3 外部无线电入、外接电源接入、基准站电台
数据线接出。