GPS教程
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GPS补充资料
P码 5-10 1 0. 100
C/A码 20-40 3-5 0.3 500
相对经典测量技术特点
观测站点之间无需通视 定位精度高 观测时间短
提供三维坐标
操作简便
全天候作业
GPS补充资料
2. GPS系统由三个独立的部分组成
空间星座部分：21颗工作卫星，3颗备用卫星（白色）。它 们在高度20 200km的近圆形轨道上运行，分布在六个轨道面 上，轨道倾角55°，两个轨道面之间在经度上相隔60°，每 个轨道面上布放四颗卫星。卫星在空间的这种配置，保障了 在地球上任意地点，任意时刻，至少同时可见到四颗卫星。
1.GPS定位技术的兴起及特点
1957年人造卫星发射成功 1958年底，美国海军武器实验室着手建立导航 卫星系统 1964年建成“海军导航卫星系统（子午卫星系 统）” 1967年，该系统解密，提供民用 导致经典大地测量技术面临着变革 （卫星数少，高度低，观测时间长，精度低） 单点精度3-5米，相对定位精度1米
GPS是基于精密测时的定位系统。 精密的时间系统是GPS的基础。 时间系统包含时间尺度、时间原点与计时方式 。 GPS采用原子时为尺度、以1980年1月6日0时为 原点、以周与周秒的方式计时。 时刻是时间坐标点。 UTC是协调世界时，其时间尺度为原子时、其 时间原点（格林威治）、计时方式（年月日、 时分秒）与世界时一致。 世界时与UTC时是GPS的实用参考。
GPS补充资料
实时单点定位的精度(平面，m)
服务方式 实施政策 SA A-S sps C/A P C/A Pps P(Y)
关
开
关
关
40
100
10
95
40
40
10
10
开
关
开
开
GPS补充资料
100
40
-
40
40
ห้องสมุดไป่ตู้
10
10
4. GPS系统定位原理
通过测量卫星信号到 达接收机的时间延迟，即 可算出用户到卫星的距离 。再根据三维坐标中的距 离公式，利用3颗卫星的 数据，组成3个方程式，就可以解出观测点的位置（X,Y,Z） 。考虑到卫星的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，因而需要引入第4颗卫星，形成 4个方程式以求解，从而得到观测点经纬度和高程。
GPS补充资料
3、GPS测量（电子式） 接收——GPS信号——基线向量（弦长、方位角、
大地高差）
记录——自动
4、GPS 技术使测地工作发生重大变革
电子式（GPS） 光机电式（全站仪） 光机式（经纬仪） 机械式（钢尺）
GPS补充资料
GPS测地定位原理
1、
空 间 距 离 后方交会 2、 GPS 的 测 距 信 号 3、 GPS 系 统 的 组 成 4、 GPS 的 原 子时系统 5、 精 确 测 时 精 确测距 6、 生产基线向量 的工艺 7、 GPS 测 量 的误差源
GPS补充资料
GPS系统的出现
1973年美国国防部组织海陆空三军，共同研 究新一代卫星导航系统
GPS 与NNSS的主要特征比较
系统特征 载波频率（GHz） 卫星平均高度（km） NNSS 0.15 , 0.40 约1000 GPS 1.23 , 1.58 约20200
卫星数目（颗）
卫星运行周期（min） 卫星钟稳定度
……
X、Y 、Z ——测点点位坐标 Xi、Yi、Zi——卫星星历（坐标） 1、 1、 1 ——观测所得伪距
（X、Y、Z）
GPS补充资料
2 GPS的 测 距 信 号
P 码 —— 军用精密导航定位测距码 （保密）
C/A码 —— 捕获 P 码的工具，用于民用导航定位 D 码 —— 数据码 L1载波 —— 频率 1575 MHz，运载工具。 L2载波 —— 频率 1227 MHz，运载工具， 电离层延迟探测工具。
GPS补充资料
3、 GPS卫星系统组成
星座：24颗 GPS卫星。 分布： 6 轨道。 运行周期： 11 小时 58 分。 主要功能：播发 GPS信号。
L1载波——C/A码、P1码、D码 L2载波——P2码、D码
监控站 …... 监控站
GPS补充资料
主控站
注入站
4、 GPS的原子时系统
5-6
107 10×-11
24（3颗备用）
718 10×-12
GPS补充资料
GPS系统的特点
全球地面连续覆盖，全天候，无缝隙 功能多，精度高。动态提供三维位置，三维速度和 时间信息 实时定位，及时提供定位信息 应用广泛，用于导航，测量，资源环境管理，地球 物理研究等领域 GPS实时定位，测速与测时精度 采用的测距码 单点定位(m) 差分定位(m) 测速(m/s) 测时(ns)
GPS补充资料
5、 GPS以精确测时实现精确测距 ——载波相位测距原理
GPS有两种载波：L1（1575 MHz）、L2（1227 MHz）， 均属余弦波。 在接收机上可同步复制与卫星同结构的L1 、 L2 载波。
复 制
来自卫星
复制波与接收来自卫星的测距波比对基于时间同步。 载波相位测距类似于相位式光电测距。 L1载波测距与L2载波测距原理相同——载波相位式。
GPS补充资料
SA（Selective Avaibility）政策称为有选择可用 性。它包括在GPS卫星基准频率上增加了δ技术 和在导航电文上增加ε技术两项措施.所谓δ技术, 就是对GPS卫星的基准频率施加高频抖动噪声信 号,而这种信号是随机的,从而导致测量出的伪距 误差增大。所谓ε技术，就是人为的将卫星星历 中轨道参数的精度降低到200m左右。总之，采 用这两项技术后，使测量的GPS定位精度降低到 原先估计的误差水平。 AS（Anti-Spoofing）政策称为反电子欺骗政策 。其目的是保护P码。它将P码与更加保密的W 码模2相加形成新的Y码，实施AS政策的目的在 于防止敌方对P码进行精密定位，也不能进行P 码和C/A码码相位测量的联合求解。
随机误差对策
精 心 操 作：对中 、 整平、量天线高 多 余 观 测：复测基线、多时段观测、延长观测时间
GPS补充资料
5.常用GPS测量模式
静态测量模式
常规静态测量：采用两台(或两台以上)GPS接收机，分别安 置在一条或数条基线的两端，同步观测4颗以上卫星，每时 段根据基线长度和测量等级观测45分钟以上的时间。常用于 建立全球性或国家级大地控制网、地壳运动监测网 。
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基本测量工作
1、常规测量之一（光、机式） 2、常规测量之二（光、机、电式） 3、GPS测量（电子式）
4、GPS 技术使测地工作发生重大变革
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三项基本测量工作
1、常规测量之一（光、机式） 长度——距 离 丈 量——钢尺（机械比长） 角度——水平角测量——经纬仪（光机） 高差——水 准 测 量——水准仪（光机） 记录——手 工 方 式——记录手簿 2、常规测量之二（光、机、电式）——电子全站仪 长度——红外光电测距（光电） 角度——编码度盘（光电） 高差——测距三角高程（光电） 记录——电磁方式
GPS补充资料
轨道近圆形，平均高度20200km，卫星运行 周期为11小时58分。 同一观测站上，每天出现的卫星分布图形相 同，只是每天提前4分钟。
每颗卫星每天平均5 小时在地平线以上，同 时位于地平线以上的卫 星，随时间和地点而异 ，最少4颗，最多达到11 颗。 空间部分3颗备用卫 星，必要时可以根据指 令代替发生故障的卫星
GPS补充资料
在GPS试验阶段，由于提高了卫星钟 的稳定性和改进了卫星轨道的测定精度 ，使得只利用C/A码进行定位的GPS精度 达到14m，利用P码的PPS的精度达到3m ，远远优于预期定位精度。美国政府考 虑到自身的安全，于1991年7月在 BlockⅡ卫星上实施SA和AS政策。其目 的是降低GPS的定位精度。
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1、空间距离后方交会
—— GPS单点定位原理
空间距离方程
1= [(X1-X)2+(Y1-Y)2+(Z1-Z)2]
S3
S4 S2 S1
—
2 = [(X2-X)2+(Y2-Y)2+(Z2-Z)2]
3= [(X3- X)2+(Y3-Y)2+(Z3-Z)2]
—
—
4
3
2 1
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6、同步观测是生产基线向量的工艺
相对定位至少需要使用两台（多则不限）接收机同步观测 ，观测处理后的成果是基线向量。 观测中要求各接收机的采样率一致，这是时间同步的体现 。
B A
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7、 GPS 测量的误差源
卫
星 钟 差—— 某时刻原子钟与GPS时之差（系统误差） 星 历 误 差——卫星轨道误差（系统误差） 接收机钟差——某时刻石英钟与GPS时之差（系统误差） 操 作 误 差——对中 、 整平、量天线高（随机误差）
全球定位系统 - GPS
授时与测距导航系统/全球定位系统 (Navigation Satellite
Timing and Ranging/Global Positioning System--GPS)：是以人造 卫星为基础的无线电导航系统，可提供高精度、全天候、实时 动态定位、定时及导航服务。
GPS补充资料
快速静态测量：这种模式是在一个已知测站上安置一台GPS 接收机作为基准站，连续跟踪所有可见卫星。移动站接收机 依次到各待测测站，每测站观测数分钟。这种模式常用于控 制网的建立及其加密、工程测量、地籍测量等。 这种方法要 求在观测时段内确保有5颗以上卫星可供观测；流动点与基 准点相距应不超过20km。
GPS补充资料
5、 GPS以精确测时实现精确测距 ——码相位测距原理
C/A 码是伪随机二进制码，也是卫星的标识符（码分多址） 。 在接收机上可同步复制与卫星同结构的C/A 码，比对测时。 t —— 信号传播时间 站星距离 —— = c t t
复 制
来自卫星
复制码与接收来自卫星的C/A码比对基于时间同步。 码相位测距类似于脉冲式光电测距。 P 码测距与 C/A 码测距原理相同——码相位式。
消除卫星与接收机的钟差 消减星历误差、电离层与对流层延迟
模型改正法：
卫星钟差改正模型——利用D码中有关信息 电离 层 改正 模 型——利用D码中有关信息、L2观测量 对流 层 改正 模 型——利用气象数据
硬件屏蔽法： 扼流圈天线、抑径盘——消减多路径影响 选点回避法： 远离干扰源、反射源
GPS补充资料
动态测量模式
准动态测量 在一已知测站上安置一台GPS接收机作为基准站，连续 跟踪所有可见卫星。移动站接收机在进行初始化后依次到各 待测测站，每测站观测几个历元数据。这种方法不同于快速 静态，除观测时间不一样外，它要求移动站在搬站过程中不 能失锁，并且需要先在已知点或用其它方式进行初始化（采 用有OTF功能的软件处理时例外）。 这种模式可用于开阔地区的加密控制测量、工程定位及 碎部测量、剖面测量及线路测量等。 要求在观测时段内确 保有5颗以上卫星可供观测；流动点与基准点相距应不超过 20km。
强 电 波 干扰—— 广播发射台、强辐射源（系统性、随机性） 电离层、对流层延迟——群 折射路径延长（系统误差） 多 路 径 效 应 影 响——多路反射波（系统误差）
GPS
测量的误差源多数表现出系统性特点
GPS补充资料
8、 消减GPS测量误差的对策
系统误差对策
求差（单差、双差）法：
GPS补充资料
地面支撑系统：1个主控站，3个注入站，5个监测站。它 向GPS导航卫星提供一系列描述卫星运动及其轨道的参数； 监控卫星沿着预定轨道运行；保持各颗卫星处于GPS时间 系统及监控卫星上各种设备是否正常工作等。
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用户设备部分：GPS接收机——接收卫星信号，经数据处理 得到接收机所在点位的导航和定位信息。通常会显示出用户 的位置、速度和时间。还可显示一些附加数据，如到航路点 的距离和航向或提供图示。
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3.美国政府对GPS用户的限制
美国政府在GPS的最初设计中，计划向社会提 供两种服务：精密定位服务（PPS）和标准定 位服务（SPS）。 精密定位服务的主要对象是美国军事部门和其 他特许民用部门。使用C/A码和双频P码，以消 除电离层效应的影响，使预期定位精度达到 10m。 标准定位服务的主要对象是广大的民间用户。 它只使用结构简单、成本低廉的C/A码单频接 收机，预期定位精度只达到100m左右。
P码 5-10 1 0. 100
C/A码 20-40 3-5 0.3 500
相对经典测量技术特点
观测站点之间无需通视 定位精度高 观测时间短
提供三维坐标
操作简便
全天候作业
GPS补充资料
2. GPS系统由三个独立的部分组成
空间星座部分：21颗工作卫星，3颗备用卫星（白色）。它 们在高度20 200km的近圆形轨道上运行，分布在六个轨道面 上，轨道倾角55°，两个轨道面之间在经度上相隔60°，每 个轨道面上布放四颗卫星。卫星在空间的这种配置，保障了 在地球上任意地点，任意时刻，至少同时可见到四颗卫星。
1.GPS定位技术的兴起及特点
1957年人造卫星发射成功 1958年底，美国海军武器实验室着手建立导航 卫星系统 1964年建成“海军导航卫星系统（子午卫星系 统）” 1967年，该系统解密，提供民用 导致经典大地测量技术面临着变革 （卫星数少，高度低，观测时间长，精度低） 单点精度3-5米，相对定位精度1米
GPS是基于精密测时的定位系统。 精密的时间系统是GPS的基础。 时间系统包含时间尺度、时间原点与计时方式 。 GPS采用原子时为尺度、以1980年1月6日0时为 原点、以周与周秒的方式计时。 时刻是时间坐标点。 UTC是协调世界时，其时间尺度为原子时、其 时间原点（格林威治）、计时方式（年月日、 时分秒）与世界时一致。 世界时与UTC时是GPS的实用参考。
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实时单点定位的精度(平面，m)
服务方式 实施政策 SA A-S sps C/A P C/A Pps P(Y)
关
开
关
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4. GPS系统定位原理
通过测量卫星信号到 达接收机的时间延迟，即 可算出用户到卫星的距离 。再根据三维坐标中的距 离公式，利用3颗卫星的 数据，组成3个方程式，就可以解出观测点的位置（X,Y,Z） 。考虑到卫星的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，因而需要引入第4颗卫星，形成 4个方程式以求解，从而得到观测点经纬度和高程。
GPS补充资料
3、GPS测量（电子式） 接收——GPS信号——基线向量（弦长、方位角、
大地高差）
记录——自动
4、GPS 技术使测地工作发生重大变革
电子式（GPS） 光机电式（全站仪） 光机式（经纬仪） 机械式（钢尺）
GPS补充资料
GPS测地定位原理
1、
空 间 距 离 后方交会 2、 GPS 的 测 距 信 号 3、 GPS 系 统 的 组 成 4、 GPS 的 原 子时系统 5、 精 确 测 时 精 确测距 6、 生产基线向量 的工艺 7、 GPS 测 量 的误差源
GPS补充资料
GPS系统的出现
1973年美国国防部组织海陆空三军，共同研 究新一代卫星导航系统
GPS 与NNSS的主要特征比较
系统特征 载波频率（GHz） 卫星平均高度（km） NNSS 0.15 , 0.40 约1000 GPS 1.23 , 1.58 约20200
卫星数目（颗）
卫星运行周期（min） 卫星钟稳定度
……
X、Y 、Z ——测点点位坐标 Xi、Yi、Zi——卫星星历（坐标） 1、 1、 1 ——观测所得伪距
（X、Y、Z）
GPS补充资料
2 GPS的 测 距 信 号
P 码 —— 军用精密导航定位测距码 （保密）
C/A码 —— 捕获 P 码的工具，用于民用导航定位 D 码 —— 数据码 L1载波 —— 频率 1575 MHz，运载工具。 L2载波 —— 频率 1227 MHz，运载工具， 电离层延迟探测工具。
GPS补充资料
3、 GPS卫星系统组成
星座：24颗 GPS卫星。 分布： 6 轨道。 运行周期： 11 小时 58 分。 主要功能：播发 GPS信号。
L1载波——C/A码、P1码、D码 L2载波——P2码、D码
监控站 …... 监控站
GPS补充资料
主控站
注入站
4、 GPS的原子时系统
5-6
107 10×-11
24（3颗备用）
718 10×-12
GPS补充资料
GPS系统的特点
全球地面连续覆盖，全天候，无缝隙 功能多，精度高。动态提供三维位置，三维速度和 时间信息 实时定位，及时提供定位信息 应用广泛，用于导航，测量，资源环境管理，地球 物理研究等领域 GPS实时定位，测速与测时精度 采用的测距码 单点定位(m) 差分定位(m) 测速(m/s) 测时(ns)
GPS补充资料
5、 GPS以精确测时实现精确测距 ——载波相位测距原理
GPS有两种载波：L1（1575 MHz）、L2（1227 MHz）， 均属余弦波。 在接收机上可同步复制与卫星同结构的L1 、 L2 载波。
复 制
来自卫星
复制波与接收来自卫星的测距波比对基于时间同步。 载波相位测距类似于相位式光电测距。 L1载波测距与L2载波测距原理相同——载波相位式。
GPS补充资料
SA（Selective Avaibility）政策称为有选择可用 性。它包括在GPS卫星基准频率上增加了δ技术 和在导航电文上增加ε技术两项措施.所谓δ技术, 就是对GPS卫星的基准频率施加高频抖动噪声信 号,而这种信号是随机的,从而导致测量出的伪距 误差增大。所谓ε技术，就是人为的将卫星星历 中轨道参数的精度降低到200m左右。总之，采 用这两项技术后，使测量的GPS定位精度降低到 原先估计的误差水平。 AS（Anti-Spoofing）政策称为反电子欺骗政策 。其目的是保护P码。它将P码与更加保密的W 码模2相加形成新的Y码，实施AS政策的目的在 于防止敌方对P码进行精密定位，也不能进行P 码和C/A码码相位测量的联合求解。
随机误差对策
精 心 操 作：对中 、 整平、量天线高 多 余 观 测：复测基线、多时段观测、延长观测时间
GPS补充资料
5.常用GPS测量模式
静态测量模式
常规静态测量：采用两台(或两台以上)GPS接收机，分别安 置在一条或数条基线的两端，同步观测4颗以上卫星，每时 段根据基线长度和测量等级观测45分钟以上的时间。常用于 建立全球性或国家级大地控制网、地壳运动监测网 。
GPS补充资料
基本测量工作
1、常规测量之一（光、机式） 2、常规测量之二（光、机、电式） 3、GPS测量（电子式）
4、GPS 技术使测地工作发生重大变革
GPS补充资料
三项基本测量工作
1、常规测量之一（光、机式） 长度——距 离 丈 量——钢尺（机械比长） 角度——水平角测量——经纬仪（光机） 高差——水 准 测 量——水准仪（光机） 记录——手 工 方 式——记录手簿 2、常规测量之二（光、机、电式）——电子全站仪 长度——红外光电测距（光电） 角度——编码度盘（光电） 高差——测距三角高程（光电） 记录——电磁方式
GPS补充资料
轨道近圆形，平均高度20200km，卫星运行 周期为11小时58分。 同一观测站上，每天出现的卫星分布图形相 同，只是每天提前4分钟。
每颗卫星每天平均5 小时在地平线以上，同 时位于地平线以上的卫 星，随时间和地点而异 ，最少4颗，最多达到11 颗。 空间部分3颗备用卫 星，必要时可以根据指 令代替发生故障的卫星
GPS补充资料
在GPS试验阶段，由于提高了卫星钟 的稳定性和改进了卫星轨道的测定精度 ，使得只利用C/A码进行定位的GPS精度 达到14m，利用P码的PPS的精度达到3m ，远远优于预期定位精度。美国政府考 虑到自身的安全，于1991年7月在 BlockⅡ卫星上实施SA和AS政策。其目 的是降低GPS的定位精度。
GPS补充资料
1、空间距离后方交会
—— GPS单点定位原理
空间距离方程
1= [(X1-X)2+(Y1-Y)2+(Z1-Z)2]
S3
S4 S2 S1
—
2 = [(X2-X)2+(Y2-Y)2+(Z2-Z)2]
3= [(X3- X)2+(Y3-Y)2+(Z3-Z)2]
—
—
4
3
2 1
GPS补充资料
6、同步观测是生产基线向量的工艺
相对定位至少需要使用两台（多则不限）接收机同步观测 ，观测处理后的成果是基线向量。 观测中要求各接收机的采样率一致，这是时间同步的体现 。
B A
GPS补充资料
GPS补充资料
7、 GPS 测量的误差源
卫
星 钟 差—— 某时刻原子钟与GPS时之差（系统误差） 星 历 误 差——卫星轨道误差（系统误差） 接收机钟差——某时刻石英钟与GPS时之差（系统误差） 操 作 误 差——对中 、 整平、量天线高（随机误差）
全球定位系统 - GPS
授时与测距导航系统/全球定位系统 (Navigation Satellite
Timing and Ranging/Global Positioning System--GPS)：是以人造 卫星为基础的无线电导航系统，可提供高精度、全天候、实时 动态定位、定时及导航服务。
GPS补充资料
快速静态测量：这种模式是在一个已知测站上安置一台GPS 接收机作为基准站，连续跟踪所有可见卫星。移动站接收机 依次到各待测测站，每测站观测数分钟。这种模式常用于控 制网的建立及其加密、工程测量、地籍测量等。 这种方法要 求在观测时段内确保有5颗以上卫星可供观测；流动点与基 准点相距应不超过20km。
GPS补充资料
5、 GPS以精确测时实现精确测距 ——码相位测距原理
C/A 码是伪随机二进制码，也是卫星的标识符（码分多址） 。 在接收机上可同步复制与卫星同结构的C/A 码，比对测时。 t —— 信号传播时间 站星距离 —— = c t t
复 制
来自卫星
复制码与接收来自卫星的C/A码比对基于时间同步。 码相位测距类似于脉冲式光电测距。 P 码测距与 C/A 码测距原理相同——码相位式。
消除卫星与接收机的钟差 消减星历误差、电离层与对流层延迟
模型改正法：
卫星钟差改正模型——利用D码中有关信息 电离 层 改正 模 型——利用D码中有关信息、L2观测量 对流 层 改正 模 型——利用气象数据
硬件屏蔽法： 扼流圈天线、抑径盘——消减多路径影响 选点回避法： 远离干扰源、反射源
GPS补充资料
动态测量模式
准动态测量 在一已知测站上安置一台GPS接收机作为基准站，连续 跟踪所有可见卫星。移动站接收机在进行初始化后依次到各 待测测站，每测站观测几个历元数据。这种方法不同于快速 静态，除观测时间不一样外，它要求移动站在搬站过程中不 能失锁，并且需要先在已知点或用其它方式进行初始化（采 用有OTF功能的软件处理时例外）。 这种模式可用于开阔地区的加密控制测量、工程定位及 碎部测量、剖面测量及线路测量等。 要求在观测时段内确 保有5颗以上卫星可供观测；流动点与基准点相距应不超过 20km。
强 电 波 干扰—— 广播发射台、强辐射源（系统性、随机性） 电离层、对流层延迟——群 折射路径延长（系统误差） 多 路 径 效 应 影 响——多路反射波（系统误差）
GPS
测量的误差源多数表现出系统性特点
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8、 消减GPS测量误差的对策
系统误差对策
求差（单差、双差）法：
GPS补充资料
地面支撑系统：1个主控站，3个注入站，5个监测站。它 向GPS导航卫星提供一系列描述卫星运动及其轨道的参数； 监控卫星沿着预定轨道运行；保持各颗卫星处于GPS时间 系统及监控卫星上各种设备是否正常工作等。
GPS补充资料
用户设备部分：GPS接收机——接收卫星信号，经数据处理 得到接收机所在点位的导航和定位信息。通常会显示出用户 的位置、速度和时间。还可显示一些附加数据，如到航路点 的距离和航向或提供图示。
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3.美国政府对GPS用户的限制
美国政府在GPS的最初设计中，计划向社会提 供两种服务：精密定位服务（PPS）和标准定 位服务（SPS）。 精密定位服务的主要对象是美国军事部门和其 他特许民用部门。使用C/A码和双频P码，以消 除电离层效应的影响，使预期定位精度达到 10m。 标准定位服务的主要对象是广大的民间用户。 它只使用结构简单、成本低廉的C/A码单频接 收机，预期定位精度只达到100m左右。