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讲题:GPS定位原理及应用简介内容提要：GPS定位原理及应用简介 第二章 水准测量GPS定位原理及应用简介一、GPS的定义及历史 1．定义全球定位系统GPS（Global Positioning System）,是一种可以授时和测距的空间交会定点的导航系统,可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置，三维速度和时间信息 2．GPS的产生与发展——由TRANSIT到GPS n1957年10月第一颗人造地球卫星上天，天基电子导航应运而生n利用多普勒频移原理1964年建成子午卫星导航定位系统(TRANSIT)n美国从1973年开始筹建全球定位系统，1994年投入使用经历20年，耗资300亿美元，是继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的第三项庞大空间计划 二、GPS的组成 GPS定位系统由GPS卫星空间部分、地面控制部分和用户GPS接收机三部分组成 1、空间部分由21颗工作卫星和3颗备用卫星 GPS卫星图片1GPS卫星图片2卫星轨道 GPS卫星及其功能nGPS卫星的主体呈圆柱形，直径约为1.5m， 重约774kg，两侧设有两块双叶太阳能板，能 自动对日定向，以保证卫星正常工作用电n每颗GPS卫星上装有4台高精度的原子钟（2 台铯钟和2台铷钟），是卫星的核心设备，它 发射标准频率信号，为GPS定位提供高精度 的时间标准。

GPS卫星的基本功能：（1）接收和存储由地面监控站发来的导航信 息，接收并执行监控站的控制指令 （2）利用卫星上的微处理机进行必要的数据 处理工作 （3）通过高精度的原子钟提供精密的时间标 准 （4）向用户发送导航与定位信号 （5）在地面监控站的指令下，通过推进器调 整卫星姿态和启动备用卫星2、地面控制部分Colorado springs5 5HawaiiAscencionDiego Garciakwajaleinu1个主控站:Colorado springs(科罗拉多.斯平士)u3个注入站:Ascencion(阿森松群岛)、 Diego Garcia(迭哥伽西亚)、 kwajalein(卡瓦加兰)u5个监控站： 以上主控站、注入站及Hawaii(夏威夷)主控站主控站的主要任务： （1）根据本站和其它监测站的所有观测资料推算编 制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数，并 将这些数据传送到注入站 （2）提供全球定位系统的时间基准各监测站和 GPS卫星的原子钟均应与主控站的原子钟同步或测出 其间的钟差，并降这些信息编入导航电文送到注入站 （3）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行 。

（4）启用备用卫星以代替失效的工作卫星注入站注入站的主要任务是：在主控站的控制下，将主控站推算和 编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它指 令等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 监测站是在主控站直接控制下的数据自动 采集中心站内设有双频GPS接收机、高精 度原子钟、计算机和环境数据传感器通过 对GPS卫星的连续观测，以采集数据和检测 卫星的工作状况，并把数据传送到主控站其他卫星定位导航系统n1、GLONASS 全球导航卫星系统n(Globle Navigition Satellite System)n前苏联于1982年10月12日发射第一颗 GLONASS卫星，到1996年1月18日，历经13年 ，完成了24颗工作卫星和1颗备用卫星的布局 2、GALILEO导航卫星系统n欧洲空间局计划建立一套民用卫星导航系统该 系统原计划采用6颗地球同步卫星和12颗高椭圆轨道 卫星后因故一直未能进行实质性发射.n2004年，欧洲空间局调整了Galileo 投入运行的时 间表，2005年前Galileo为系统论证和建设部分地面 控制设施阶段，2005年发射实验卫星，2006-2007年 为在轨实验阶段，将发射6-8颗卫星，同时进行地面 设施的安装和系统联合调试，2007-2010年将余下的 24-22颗卫星升空并网，形成完整构形，2010年以后 系统投入正式运行。

n我国计划参与该系统的建设nGalileo卫星星座由分布在3各轨道面上的30颗中等 高度轨道卫星构成，每个轨道面10颗卫星，其中1颗 为备用轨道倾角为56°，原来设计卫星距地面高度 为23616km，卫星运行周期约14h4min，射电频率有 L1：1575.42MHz，E6： 1278.75MHz， E5b： 1207.14MHz和E5a： 1176.45MHz 4个n最近，对Galileo卫星的轨道高度重新进行了研究， 经过各种测试，认为轨高以29600km为最佳最后， 欧洲空间局和有关机构协调后决定：一个Galileo卫 星在10个太阳日运行17圈（运行周期约14h7min）， 平均半长轴为29600km3、北斗卫星导航系统 n2000年10月31日和12月21日发射升空2颗“北 斗一号”导航定位卫星 n2003年5月25日北京时间零时34分，我国在 西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭 ，成功地将第三颗“北斗一号”导航定位卫星 送入太空这标志着我国已自主建立了完善 的卫星导航系统 n航定位卫星 3、用户接收机部分uGPS接收机的基本类型分导航型和大地型u大地型接收机又分单频型和双频型。

图片：导航型GPS机手持型GPS机车载型GPS机图片：大地型GPS接收机单频机双频机Trimble 4600LS测量型接收机 Trimble 5800 GPS 接收机徕卡 SR510 GPS 接收机南方ＧＰＳ９８００Ｎ天王星三、GPS定位方法分类 （1）绝对/单点定位(point positioning)—— 确定观测点在WGS-84系中的坐标，即绝对位置2）相对定位(relative positioning)——确 定观测点在国家或地方独立坐标系中的坐标，即 相对位置 四、GPS测量中常用的坐标系１、WGS-84坐标系nWGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统， GPS所发布的星历参数就是基于此坐标系统的 nWGS-84坐标系的坐标原点位于地球的质心，Z轴 指向BIH1984.0定义的协议地球极方向，X轴指向 BIH1984.0的启始子午面和赤道的交点，Y轴与X轴 和Z轴构成右手系 ２、1954年北京坐标系 1954年北京坐标系是我国广泛采用的 大地测量坐标系该坐标系源自于原苏联采 用过的1942年普尔科夫坐标系建国前，我国没有统一的大地坐标系 统，建国初期，在苏联专家的建议下，我国 根据当时的具体情况，建立起了全国统一的 1954年北京坐标系。

该坐标系采用的参考椭 球是克拉索夫斯基椭球1954年北京坐标系存在的缺点1. 克拉索夫斯基椭球参数同现代精确的椭球参数的差异较大 ，并且不包含表示地球物理特性的参数，因而给理论和实际 工作带来了许多不便 2. 椭球定向不十分明确，椭球的短半轴既不指向国际通用 的CIO极，也不指向目前我国使用的JYD极参考椭球面与 我国大地水准面呈西高东低的系统性倾斜，东部高程异常达60余米，最大达67米 3.该坐标系统的大地点坐标是经过局部分区平差得到的，因 此，全国的天文大地控制点实际上不能形成一个整体，区与 区之间有较大的隙距，如在有的接合部中，同一点在不同区的坐标值相差1-2米，不同分区的尺度差异也很大，而且坐标 传递是从东北到西北和西南，后一区是以前一区的最弱部作 为坐标起算点，因而一等锁具有明显的坐标积累误差 3、1980西安坐标系 n1980年西安大地坐标系统所采用的地球椭球参数的 四个几何和物理参数采用了IAG 1975年的推荐值：四、GPS的后处理测量方法 1．静态测量(static surveying) （1）方法：将几台GPS接收机安置在基线端点上，保持固定不动，同步观测4颗以上卫星。

可观测数个时段，每时段观测十几分钟至1小时左右最后将观测数据输入计算机，经软件解算得各点坐标2）用途是精度最高的作业模式主要用于大地测量、控制测量、变形测量、工程测量3）精度可达到（5mm+1ppm） 2．动态测量(kinematic surveying)（1）方法：先建立一个基准站，并在其上安置 接收机连续观测可见卫星，另一台接收机在第1点 静止观测数分钟后，在其他点依次观测数秒最 后将观测数据输入计算机，经软件解算得各点坐 标动态相对定位的作业范围一般不能超过15km 2）用途：适用于精度要求不高的碎部测量3）精度：可达到（10~20mm+1ppm） 图形：相对定位模式静态相对定位模式流动站动态相对定位模式基准站五、GPS实时动态定位（RTK）方法 1．RTK(real-time kinematic)工作原理及方法与动态相对定位方法相比，定位模式相同，仅要在基准站和流动站间增加一套数据链，实现各点坐标的实时计算、实时输出 2．RTK用途：适用于精度要求不高的施工放样及碎部测量3．作业范围：目前一般为10km左右4．精度：可达到（10~20mm+1ppm） 。