16《工程测量》第十六章 全球定位系统(GPS)简介作业与习题答案

第十六章 全球定位系统（GPS ）简介

1．什么是全球定位系统？它主要由哪几部分组成？各部分的作用是什么？

全球定位系统是利用卫星发射的无线电信号进行导航定位，具有全球性、全天候、高精度、快速实时三维导航、定位、测速和授时功能，以及良好的保密性和抗干扰性。

全球定位系统（GPS ）主要由空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分共三大部分组成。 空间星座部分的主要功能是：接收和储存由地面监控系统发射来的导航信息；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；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。

地面监控系统主要由分布在全球的五个地面站组成，按其功能分为主控站（MCS ）、注入站（GA ）和监测站（MS ）三种。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；提供全球定位系统的时间基准；调整卫星状态和启用备用卫星等。注入站的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。监测站的主要任务是连续观测和接收所有GPS 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。整个地面监控系统由主控站控制，地面站之间由现代化通信系统联系，无需人工操作，实现了高度自动化和标准化。

GPS 的用户设备部分的主要任务是捕获卫星信号，跟踪并锁定卫星信号；对接收的卫星信号进行处理，测量出GPS 信号从卫星到接收机天线间的传播时间；译出GPS 卫星发射的导航电文，配以功能完善的软件，实时计算接收机天线的三维坐标、速度和时间。

2．GPS 接收机主要有哪几种类型？有什么不同？

GPS 的种类很多，按用途可分为：

导航型接收机：一般采用伪距单点定位，定位精度较低，但体积小、价格低廉，故使用广泛。主要用于船舶、车辆、飞机等运动载体的实时定位及导航。按不同应用领域又分：手持型、车载型、航海型、航空型以及星载型。

测地型接收机：主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精度较高，一般相对精度可达±（5 mm ＋10-6×D ）。这类仪器构造复杂，价格昂贵。主要用于精密大地测量、工程测量、地壳形变测量等领域。分为单频机和双频机两种：单频机只接收L 1载波相位，它不能消除电离层的影响，只适用于15 km 以内的短基线；双频机可接收L 1、L 2载波相位，因而可以消除电离层的影响，精度较高，可适用于长基线。

授时型接收机：主要利用GPS 卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台授时、电力系统、无线电通讯系统中的时间同步等。

姿态测量型接收机：可提供载体的航偏角、俯仰角和滚动角，主要用于船舶、飞机及卫星的姿态测量。

3．什么是伪距测量？简述用伪距法单点定位的原理。

在待测点上安置GPS 接收机天线，通过测定某颗卫星发送信号的时刻到接收机天线接收到该信号的时刻Δt ，就可以求得卫星到接收机天线的空间距离。

由于卫星和接收机的时钟均有误差，电磁波经过电离层和对流层时将产生传播延迟，因此，Δt

乘上空中电磁波传播的速度c 得到的距离，不是接收机到卫星的几何距离，故称为伪距，以ρ

~来表示。c

t ⋅Δ=ρ

若用δt 、δT 表示卫星和接收机时钟相对于GPS时间的误差改正数，δI 表示信号在大气中传播的延迟改正数，则

其中，卫星钟误差改正数δt 可由卫星发出的导航电文给出，δI 可采用数学模型计算出来，δT 为未知数，ρ为接收机至卫星的几何距离。设r =（X S ，Y S ，Z S ）为卫星在世界大地坐标系中的位置矢

量，可由卫星发出的导航电文计算得到，R =（X ，Y ，Z ）为接收机天线（待测点）在大地坐标系中的位置矢量，是待求的未知量。则上式中的ρ可表示为

结合式（16-4）和（16-5）可知，每一个伪距观测方程中仅含有X ，Y ，Z 和δT 四个未知数。如图

16-8所示，在任一测站只要同时对四颗卫星进行观测，取得四个伪距观测值ρ

~，即可解算出四个未知数，从而求出待测点的坐标（X ，Y ，Z ）。当同时观测的卫星多于四颗时，可用最小二乘法进行平差处理。

4．在一个测站上至少要接收几颗卫星的信号才能确定该点在世界大地坐标系中的三维坐标？为什么？

在待测点上安置GPS 接收机天线，通过测定某颗卫星发送信号的时刻到接收机天线接收到该信号的时刻Δt ，就可以求得卫星到接收机天线的空间距离。

由于卫星和接收机的时钟均有误差，电磁波经过电离层和对流层时将产生传播延迟，因此，Δt

乘上空中电磁波传播的速度c 得到的距离，不是接收机到卫星的几何距离，故称为伪距，以ρ

~来表示。若用δt 、δT 表示卫星和接收机时钟相对于GPS时间的误差改正数，δI 表示信号在大气中传播的延迟改正数，则

其中，卫星钟误差改正数δt 可由卫星发出的导航电文给出，δI 可采用数学模型计算出来，δT 为未知数，ρ为接收机至卫星的几何距离。设r =（X S ，Y S ，Z S ）为卫星在世界大地坐标系中的位置矢

量，可由卫星发出的导航电文计算得到，R =（X ，Y ，Z ）为接收机天线（待测点）在大地坐标系中的位置矢量，是待求的未知量。则上式中的ρ可表示为

结合式（16-4）和（16-5）可知，每一个伪距观测方程中仅含有X ，Y ，Z 和δT 四个未知数。如图

16-8所示，在任一测站只要同时对四颗卫星进行观测，取得四个伪距观测值ρ

~，即可解算出四个未知数，从而求出待测点的坐标（X ，Y ，Z ）。当同时观测的卫星多于四颗时，可用最小二乘法进行平差处理。

5．载波相位测量的观测值是什么？简述用载波相位进行相对定位的原理。

载波相位测量是利用GPS 卫星发射的载波为测距信号。由于载波的波长比测距码波长要短得多，因此对载波进行相位测量，就可能得到较高的测量定位精度。

在任一时刻t 可以测定卫星载波信号在卫星处某时刻的相位s ϕ与该信号到达待测点天线时刻的相位r ϕ间的相位差，即

式中：N 为信号的整周期数，δϕ为不足整周期的相位差。由于相位和时间之间有一定的换算公

2

22)()()(Z Z Y Y X X s s s −+−+−=ρI

T t c δδδρρ+++=)(~c

t ⋅Δ=ρ2

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