【正文】 () 式中 c為光速 。 GPS觀測工作 ， 可以在任何地點 ，任何時間連續(xù)地進行 ， 一般也不受天氣狀況的影響 。 另外 ， GPS用戶接收機一般重量較輕 ， 體積較小 ， 因此攜帶和搬運都很方便 。 22 ● 操作簡便 。 GPS測量 ， 在精確測定觀測站平面位置的同時 ， 可以精確測定觀測站的大地高程 。 為了進一步縮短觀測時間 ， 提高作業(yè)速度 ， 近年來發(fā)展的短基線 （ 例如不超過 20km） 快速相對定位法 ，其觀測時間僅需數(shù)分鐘 。 20 ● 觀測時間短 。 現(xiàn)已完成的大量實驗表明 ， 目前在小于 50km的基線上 ， 其相對定位精度可達1~2 106， 而在 100km~500km的基線上可達 106 ~ 107。 不過為了使接收 GPS衛(wèi)星的信號不受干擾 ， 必須保持觀測站的上空開闊 （ 凈空 ） 。 既要保持良好的通視條件 ， 又要保障測量控制網(wǎng)的良好結(jié)構(gòu) ， 這一直是經(jīng)典測量技術(shù)在實踐方面的困難問題之一 。 ● 應用廣泛 。 ● 功能多 ， 精度高 。國際上有一些科研機構(gòu)為了克服商用數(shù)據(jù)處理軟件的不足，已經(jīng)開發(fā)研制了多種精密的 GPS數(shù)據(jù)后處理軟件包，如 GAMIT（美國麻省理工學院）、 Bernese（瑞士伯爾尼大學天文學院）、GIPSY（美國加州大學噴氣推進實驗室）等，主要用于科研目的。從具體應用與成本價格出發(fā)，也可選用稍為便宜的單頻接收機。 用戶設(shè)備部分 主要由 GPS接收機硬件和數(shù)據(jù)處理軟件組成。而用戶要實現(xiàn)利用 GPS進行導航和定位的目的，還需要具備 GPS信號接收機，即用戶設(shè)備部分。但是這兩種星歷都不是由 GPS衛(wèi)星播發(fā)給用戶，而是要通過一定的信息渠道獲得，有別于 GPS衛(wèi)星的廣播星歷。由于軍方為了限制民間用戶通過 GPS所達到的實時定位精度，而對 GPS衛(wèi)星軌道精度和時鐘穩(wěn)定性作了有意降低（ SA政策 ），這不利于廣大民間用戶。 每個監(jiān)測站上都有 GPS信號接收機對所見衛(wèi)星作偽距測量和積分多普勒觀測 ， 采集環(huán)境要素等數(shù)據(jù) ， 經(jīng)初步處理后發(fā)往主控站 。 由于導航電文是 GPS用戶所需要的一項重要信息 ， 通過導航電文才能確定出 GPS衛(wèi)星在各時刻的具體位置 ， 因此注入站的作用是很重要的 。主控站的作用 是收集各個監(jiān)測站所測得的偽距和積分多普勒觀測值 、 環(huán)境要素等數(shù)據(jù) ， 計算每顆 GPS衛(wèi)星的星歷 、 時鐘改正量 、 狀態(tài)數(shù)據(jù) 、 以及信號的大氣層傳播改正 ， 并按一定的形式編制成導航電文 ， 傳送到主控站 ， 此外還控制和監(jiān)視其余站的工作情況并管理調(diào)度 GPS衛(wèi)星 。 （ 3） 接收地面主控站通過注入站發(fā)送到衛(wèi)星的調(diào)度命令 。 在 GPS定位系統(tǒng)中 ， GPS衛(wèi)星的作用是： （ 1） 向廣大用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導航定位信號 ， 用導航電文報告自己的現(xiàn)勢位置 ，以及其它在軌衛(wèi)星的概略位置 。 GPS衛(wèi)星分布在 6個近圓形軌道面 ， 高度在地面以上約 20200km， 軌道面相對于地球赤道面傾斜 55?角 ， 衛(wèi)星運轉(zhuǎn)周期約 11小時 58分 （ 半個恒星日 ） 。 并且為了以后進一步發(fā)展的需要 ， 將采用更為先進的 Block IIR和 Block IIF型衛(wèi)星 。 后來為了完善 GPS定位系統(tǒng)的功能 ， 又研制并陸續(xù)發(fā)射了 Block II和Block IIA型 GPS工作衛(wèi)星 。 這三部分有各自獨立的功能和作用，對于整個全球定位系統(tǒng)來說，它們都是不可缺少的。 返 回 6 二、 GPS定位系統(tǒng)的組成 GPS定位技術(shù)是利用高空中的 GPS衛(wèi)星，向地面發(fā)射 L波段的載頻無線電測距信號，由地面上用戶接收機實時地連續(xù)接收，并計算出接收機天線所在的位置。這一組合導航系統(tǒng)的開發(fā)，全球?qū)⑿纬?GPS/GLONASS/GNSS/INMARSAT等多種衛(wèi)星定位系統(tǒng)的多元化的空間資源環(huán)境。其中 GAIT為地面增強和完好式監(jiān)視系統(tǒng) ,RAIM為機載獨立完善監(jiān)控系統(tǒng) . 混合系統(tǒng)建成之后 ,ICAO將允許在某特定空域內(nèi) ,將 GNSS作為單一的導航手段運行 .2022年以后， ICAO將組建純民用 GNSS系統(tǒng) ,建成后 ,GNSS將擁有 30顆衛(wèi)星作為其第一代全球衛(wèi)星導航系統(tǒng) ,這一系統(tǒng)不僅能提供與 GPS和 GLONASS系統(tǒng)類似的導航定位功能。 5 國際海事衛(wèi)星組織，計劃對其第三代衛(wèi)星 INMARSATIII進行改進，使其具有轉(zhuǎn)發(fā) GPS/GLONASS導航信息的能力。日本也在積極籌劃建立日本的多功能衛(wèi)星增強系統(tǒng) (MSAS)。 PRARE（ Precise Range And Rangerate Equipment）為一種精密雙向、雙頻（ S/X帶）衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)，它可以測定時鐘參數(shù)、軌道根數(shù)、站坐標和地球自轉(zhuǎn)參數(shù)。 GLONASS系統(tǒng)定位原理與 GPS系統(tǒng)相類似。它的定位精度非常高，在大地測量和地球動力學中獲得了日益廣泛的應用。接著美國在七十年代又開始研制第二代衛(wèi)星定位系統(tǒng) 全球定位系統(tǒng)（ GPS）。六十年代美國還完成了多普勒衛(wèi)星定位系統(tǒng) 海軍子午導航衛(wèi)星系統(tǒng)（ NNSS）的布設(shè)，并于 1968年向民用開放。 開始利用衛(wèi)星幾何光學觀測法和衛(wèi)星軌道跟蹤法建立全球衛(wèi)星網(wǎng)和全球地心坐標系，建立了一個由 45個點組成的全球三角網(wǎng)。 衛(wèi)星定位技術(shù)是利用人造地球衛(wèi)星進行點位測量的。GPS原理及其應用 西南交通大學 測量工程系 2022年 11月 6日 2 第一章 GPS衛(wèi)星定位原理 一、衛(wèi)星定位技術(shù)發(fā)展的回顧 二、 GPS定位系統(tǒng)的組成 三、 GPS定位的觀測方程 四、 GPS衛(wèi)星測量的誤差來源 五、差分法載波相位測量和觀測的線性組合 3 一、衛(wèi)星定位技術(shù)發(fā)展的回顧 人類從直立并漫游世界時就開始尋找一種簡單方式確定他所在位置和方向。如：堆石頭做標記，但可能遭到雨水破壞；在開始探索海洋時，星星是唯一能依靠的東西，但僅能在晴朗的夜晚進行，且由于距離太遠使其無論在何處看起來都一樣，故需要精確的量測（早期天體導航的誤差可達幾百米至幾千米）。五十年代美國國家大地測量局。前蘇聯(lián)和若干歐洲國家也作了類似的工作。前蘇聯(lián)也建立了一個由 12顆所謂宇宙衛(wèi)星組成的叫做CICADA系統(tǒng)的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，自此揭開了衛(wèi)星定位的新篇章。 4 進入八十年代， GPS得到了全面的發(fā)展。俄羅斯、法國和德國也相繼研制了 GLONASS、 DORIS和 PRARE系統(tǒng)。 DORIS為地基系統(tǒng)，其建立的主要目的用于美、法合作的海洋計劃 TOPEX/POSEIDON的精密定軌，也用于絕對與相對定位以及監(jiān)測地殼運動。 進入九十年代 ,空間定位技術(shù)群更是得到了空前的發(fā)展 ,GLONASS系統(tǒng)正式投入運行，西歐歐洲空間局 (ESA)開始籌建NAVSAT,NAVSAT是由 6顆地球同步衛(wèi)星 (GEO)和 12顆高橢圓軌道衛(wèi)星(HEO)組成的混合衛(wèi)星星座 .可實現(xiàn)全天候、實時導航和定位。 國際移動衛(wèi)星組織 (原名國際海事衛(wèi)星組織 ,簡稱 INMARSAT)是提供全球通信的國際間合作組織 ,中國是 INMARSAT的創(chuàng)始成員國之一 .該組織可通過所屬的通信衛(wèi)星，提供全球移動通信服務(wù)。國際民航組織（ ICAO）為了打破一兩個國家獨霸衛(wèi)星定位的被動局面 ,計劃組建民用的GNSS系統(tǒng) ,在 2022年以前 ,建成與完善由GPS+GLONASS+INMARSAT+GAIT+RAIM組成的混合系統(tǒng)。 ,還能同時具有全球衛(wèi)星移動通信的能力。這將從根本上改變對單一系統(tǒng)的依賴，使衛(wèi)星定位技術(shù)的所有權(quán)、控制權(quán)和運營權(quán)實行國際化，到那時衛(wèi)星定位技術(shù)才能成為能夠使人們完全放心使用的空間定位系統(tǒng)。因此， GPS定位系統(tǒng)是由以下三個部分組成： （ 1） GPS衛(wèi)星星座（空間部分） （ 2）地面監(jiān)控系統(tǒng)（地面控制部分） （ 3） GPS信號接收機（用戶設(shè)備部分） 。 7 8 （一） GPS衛(wèi)星和星座 自 1978年 2月 22日第一顆 GPS試驗衛(wèi)星 （ PRN4） 入軌運行之后 ，到 1985年 10月 9日最后一顆 GPS試驗衛(wèi)星入軌運行為止 ， 總共發(fā)射了 11顆 GPS試驗衛(wèi)星 （ Block I） ， 其中由于發(fā)射故障以及衛(wèi)星入軌后出現(xiàn)的故障 ， 實際上只有部分 GPS試驗衛(wèi)星能夠正常工作 。 第一顆 GPS工作衛(wèi)星 （ PRN14） 是于1989年 2月 14日發(fā)射 ， 于 1996年 9月 12日發(fā)射了第 27顆 GPS工作衛(wèi)星（ Block IIA， PRN30） ， 其中有 2顆衛(wèi)星因為故障而不能正常工作 ，共計有 25顆 GPS工作衛(wèi)星構(gòu)成了完整的 GPS工作衛(wèi)星星座 ， 達到“ 全星座狀態(tài) ” ， 同時所有的 GPS試驗衛(wèi)星停止工作 ， 退出歷史舞臺 。 9 10 目前覆蓋全球的 “ GPS全星座 ” ， 使得在地球上任何地方可以同時觀測到 412顆高度角 15?以上的衛(wèi)星 。 這樣在各地每天出現(xiàn)的衛(wèi)星情況提前 4分鐘與上一次的相同 。 （ 2） 在飛越注入站上空時 ， 接受由地面注入站用 S波段發(fā)送來的導航電文和其它有關(guān)信息 ， 供實時轉(zhuǎn)發(fā)給地面上廣大用戶 。 11 GPS衛(wèi)星分布圖 12 （二）地面監(jiān)控系統(tǒng) 地面監(jiān)控系統(tǒng)由一個主控站 、 三個注入站和五個監(jiān)測站組成 。 注入站的作用 是將主控站傳來的導航電文 ， 用 10cm（ S） 波段的微波作載波 ， 分別注入到相應的 GPS衛(wèi)星中 ， 通過衛(wèi)星將導航電文傳遞給地面上的廣大用戶 。 13 監(jiān)測站的主要任務(wù) 是為主控站編算導航電文提供原始觀測數(shù)據(jù) 。 以上地面監(jiān)控系統(tǒng)實際上都是由美國軍方所控制。為了克服 SA政策的影響，一些國際性科研機構(gòu)建立了廣泛分布的全球性跟蹤網(wǎng)絡(luò)，用來精確測定 GPS衛(wèi)星的軌道元素供后處理之用，或計算預報星歷。 14 (三 ) 用戶設(shè)備部分 GPS的空間部分和地面監(jiān)控部分，為用戶廣泛利用該系統(tǒng)進行導航和定位提供了基礎(chǔ)。這部分的作用是接收 GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，獲得必要的導航和定位信息及觀測量，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后獲得觀測時刻接收機天線相位中心的位置坐標。關(guān)于 GPS接收機有多種分類方法，但對于大地測量應用來說，一般都是采用較精密的雙頻接收機，可作雙頻載波相位測量。所有 GPS接收機生產(chǎn)廠家一般都隨機提供數(shù)據(jù)處理軟件包，但其作用是有限的。 15 16 返 回 17 （四）、相對于經(jīng)典的測量技術(shù)來說，這一新技術(shù)的主要特點如下： ● 全球地面覆蓋。 ● 實時定位 。 18 ● 觀測站之間無需通視 。 GPS測量不要求觀測站之間相互通視 ， 因而不再需要建造覘標 ， 這一優(yōu)點既可大大減少測量工作的經(jīng)費和時間 ， 同時也使點位的選擇變得甚為靈活 。 19 ● 定位精度高 。 隨著觀測技術(shù)與數(shù)據(jù)處理方法的改善 ， 可望在大于 1000km的距離上 ， 相對定位精度可達到或優(yōu)于 108。 目前 ， 利用經(jīng)典的靜態(tài)定位方法 ，完成一條基線的相對定位所需要的觀測時間 ， 根據(jù)要求的精度不同 ， 一般約為 1~3小時 。 21 ● 提供三維坐標 。 GPS測量的這一特點 ， 不僅為研究大地水準面的形狀和確定地面點的高程開辟了新途徑 ， 同時也為其在航空物探 ， 航空攝影測量及精度導航中的應用 ， 提供了重要的高程數(shù)據(jù) 。 GPS測量的自動化程度很高 ， 在觀測中測量員的主要任務(wù)只是安置并開關(guān)儀器 ， 量取儀器高 ， 監(jiān)視儀器的工作狀態(tài)和采集環(huán)境的氣象數(shù)據(jù) ， 而其它觀測工作 ， 如衛(wèi)星的捕獲 ， 跟蹤觀測和記錄等均由儀器自動完成 。 23 ● 全天侯作業(yè) 。 24 三、 GPS定位的觀測方程 （一） 偽距法 GPS全球定位系統(tǒng)的基本定位方法 ， 是通過測量信號從衛(wèi)星到接收機的傳播時間 ， 得到衛(wèi)星與接收機之間的距離 ， 然后根據(jù)多個這樣的距離來解算接收機天線所在的位置坐標 。 實際上衛(wèi)星鐘與接收機鐘一般并沒有與 GPS系統(tǒng)時間完全同步 ， 再考慮到大氣層折射延遲的影響 ， 因此測量得到的并非真正的衛(wèi)星至接收機的幾何直線距離 ， 而是所謂的偽距 PR： () ?cR?tcRPR ???25 式中 ?tR 為接收機時鐘與 GPS系統(tǒng)時間的同步差 ， ?tS 為衛(wèi)星鐘與 GPS系統(tǒng)時間的同步差 ， ?ta 為大氣層折射延遲影響 （ 包括電離層和對流層的折射延遲 ） ，