GPS 测地应用

GPS测地应用 • 一、GPS 定位系统的由来及系统组成 • 二、GPS 测地定位原理 • 三、GPS 测地作业模式 • 四、坐标、高程转换 • 五、GPS 测量网施测 • 六、GPS技术的应用及前景 • 七、GPS 的局限性

一、GPS 定位系统的由来及组成 1、系统由来 2、系统组成 3、特点及用途

1、系统由来 全球定位系统GPS（Global Position System）是美国陆海空三军联合研制的卫星导航系统，是在子午卫星系统基础上发展起来的新一代导航定位系统。他的发展经历了以下三个阶段。 第一阶段（1973--1979）：方案论证初步试验、发射四颗试验卫星、试验样机研制、建立地面跟踪站网 第二阶段（1979--1987...）：试验阶段发射7颗试验卫星、地面跟踪站网完善、接收机研制、试验观测（导航、授时和测量应用）。 第三阶段（1994-- …）正式投入运行 1989年2月4日第一颗工作卫星发射，1993年底24颗工作卫星全部升空，完成组网1994年投入全面运行。目前有在轨工作卫星32颗（8颗系统升级备用卫星）

2、系统组成 • 空间部分--卫星星座 • 星座：32颗 GPS卫星 • 分布：6 轨道。 • 轨道倾角: 55° • 轨道高度：20,183公里 • 运行周期： 11 小时 58 分 • 主要功能：播发 GPS信号（ C/A , P )、卫星星历参数、电离层和对流层改正参数及其他（监测核试验L3和军事用途L4） • L1载波（1575.42MHz）——C/A码、P1码、D码 • L2载波（1227.60MHz）——P2码、D码

地面部分—地面跟踪网 • 监测跟踪站（5个）： • 24小时连续对每一颗卫星进行连续跟踪观测，采集数据，送往主控站 • 主控站（科罗拉多斯普林斯）： • 对监测跟踪站传送来的数据进行处理，计算每一颗卫星的星历和钟差 • 等参数，将星历和钟差等参数及控制指令传送到注入站。 • 注入站（3个）： • 将星历和钟差等参数及控制指令注入给每颗卫星。每天注入3次。 ….. 监控站主控站监控站注入站

用户接受机部分 • 接收机功能： • 收GPS卫星信号并测定卫星至地面站的距离 • 接收卫星发送的导航电接文，获得卫星星历、钟差改正等参数 • 计算观测瞬间的卫星位置、求解接收机位置 • 接收机构成： • 天线和前置放大器 • 跟踪和接收单元（锁相环） • 处理和计算单元 • 存储单元控制和显示单元 • 电源单元

3、特点及用途 • 全天候，不受天气条件的限制 • 定位精度高：单点定位（或导航）5-10米，静态相对测量（大地测量）10-6~10-7 • 操作简便、重量轻、体积小、耗电省自动化程度高 • 功能多、应用范围广、经济效益高 • GPS用途可以分为三大方面：导航、授时、高精度的工程测量 • 按用途分： • 测量型、导航型（高中低动态，民用军用）、授时型、姿态测量型 • 按使用的GPS信号种类分： • C/A-码、P-码、载波相位、或(单频、双频)等 • 整机（分体机和一体机）和OEM板（供二次开发用）

二、GPS测地定位原理 • 1、测量技术的发展历程 • 2、 GPS 的测距信号 • 3、 GPS 的原子时系统 • 4、精确测时精确测距 • 5、空间距离后方交会 • 6、 GPS载波相位测量原理 • 7、生产基线向量的工艺 • 8、静态相对定位基线解算步骤 • 9、 GPS 测量的误差源

1、测量技术的发展历程 （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（光学）  高差——水准测量——水准仪（光学）  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（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 GPS 技术使测地工作发生重大变革

2、 GPS的测距信号 GPS导航定位系统属于无线电导航定位系统，用户只需要通过接受设备接受卫星播发的信号，就能测定卫星信号的传播时间或相位延迟，计算接收机到GPS卫星间的距离（称为伪距），确定接收机位置及时间该正数。 GPS卫星发射的信号是将导航电文经过伪随机码扩频成为组合码（P码、C/A码）。然后把组合码分别调制在两个载波上由GPS卫星向地面发射。导航电文是用来定位和导航的数据基础。它包含卫星星历、工作状态、时钟改正、电离层时延改正、大气折射改正以及由C/A捕获P码等导航信息。 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（ C/A码、P 码）。 L2载波—— 频率 1227 MHz，运载工具，电离层延迟探测工具（P 码、D 码）

3、 GPS的原子时系统 • 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。

4、GPS以精确测时实现精确测距---------伪距定位4、GPS以精确测时实现精确测距---------伪距定位 • C/A 码是伪随机二进制码，也是卫星的标识符。 • 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（伪距观测量） = c  t ——站星距离 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。  只能用于单点定位。

５、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] 2=—[(X2-X)2+(Y2-Y)2+(Z2-Z)2] 3=—[(X3- X)2+(Y3-Y)2+(Z3-Z)2] ……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 =电波传播时间x光速四个方程解四个未知数：观测四颗以上卫星才能求出三维坐标 S2 S1 S3 S4 3 2 4 1 （X、Y、Z）

６、GPS载波相位测量原理 S(t1) 载波相位测量是测定GPS载波信号在传播路程上的相位变化值，以确定信号传播的距离。主要用于相对定位，在工程领域有广泛的用途。 (t0) ={(t0)/(2)+N} (t1) ={(t1) /(2)+ I(t1)+N}  　　 ——波长 N——整周模糊度在数据处理上载波相位测量相对定位可分为单差观测值、双差观测值、三差观测值的相对定位。通过多个卫星，多个历元的观测，即可解算两个观测站之间的三维坐标差及初始整周模糊度。　　　整周模糊度和整周跳变是载波相位测量需要解决的两个主要问题。 (t1) S(t0) I(t1) (t0) NN (整周模糊度)

７、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，也是时间同步的体现。 B A

８、静态相对定位基线解算 • 具有同步观测时间段是获得基线解的先决条件。 • 基线向量一般由厂商提供的专用软件解算。 • 基线向量解是 GPS 相对定位几何三要素。 • GPS测地型接收机是定位三要素数据采集器。 • 静态模式基线向量以求差法解算。 • 基线固定解可靠性高，可大胆取用。 • 基线浮动解约有 1/3 可靠。 • 同步环闭合差检核是判定基线可靠性的参考，闭合差超限的同步环中可能有合格的基线。 • 异步环闭合差检核是判定基线向量的有效手段

９、GPS 测量的误差源 • 卫星钟差——某时刻原子钟与GPS时之差 • 星历误差——卫星轨道误差 • 接收机钟差——某时刻石英钟与GPS时之差 • 操作误差——对中、整平、量天线高 • 电离层、对流层延迟——群折射路径延长 • 多路径效应影响——多路反射波

三、GPS 测地作业模式 • １、静态与快速静态模式 • ２、准动态与动态模式 • ３、实时动态（RTK）模式

１、静态与快速静态模式 同步图形 两台接收机 n=2 三台 n=3 五台 n=5 全组合基线数四台 N={n(n-1)}/2 n=4

静态与快速静态模式的特点 • 静态模式 • 整周模糊度作为未知数的经典算法 • 用于各等级控制测量，高精度测量 • 快速静态 • 整周模糊度快速逼近技术（FARA） • 适宜于短基线，一般控制测量

２、准动态与动态模式作业模式 3 已知基线反求整周模糊度基准站已知点 1 流动站 2

准动态与动态模式的特点 • 准动态与动态 • 利用已知基线反求整周模糊度 • 流动站 • 对环境条件要求较高 • 准动态属走走停停式，用于碎部测量 • 动态属连续运动式，用于路线连续采点

3 RTK 、实时动态（）模式 4 RTK 、实时动态（）模式 RTK RTK 原理图示原理图示电子手簿电子手簿电台主机电台主机主机主机基准站基准站流动站流动站

RTK 的定位原理 • 基准站位置已知，对卫星进行载波相位观测 • 基准站电台将观测的每一颗卫星的载波相位观测量调制到电台的载波上发射传送 • 流动站对卫星进行载波相位观测流动站接收基准站电台传送的载波相位观测量流动站利用OTF技术（初始化技术）将电台接收到基准站的载波相位观测量和本机的载波相位观测量进行处理计算，求出观测时刻的位置 • 特点：需要数据链进行实时传送载波相位观测量实时定位数据可达厘米级精度

四、坐标、高程转换 • 1、实用定位坐标系统 • 2、同系统下的变换 • 3、坐标系之间的转换 • 4、求解坐标转换参数 • 5、大地高转换为正常高

1、实用定位坐标系世界大地坐标系 WGS-84 GPS 所采用的定位坐标系坐标系原点在地球质心，Z 轴指向BIH1984定义的协议地球极方向。X轴指向BIH194零度子午面与CTP赤道的交点；Y轴与Z、X构成右手坐标系。 WGS-84系：椭球几何参数长半径 a = 6378137 m 短半径 b = 6356752.310 m 扁率  = 1/298.257223563 b a

1954北京坐标系 我国当前的实用坐标系 1954北京坐标标系克拉索夫斯基椭球几何参数长半径 a = 6378245m 短半径 b = 6356863.0188 m 扁率  = 1 / 298. 3 b a

1980西安坐标系 我国自建的坐标系 1980西安坐标系 IAG-75 椭球的几何参数长半径 a = 6378140m 短半径 b = 6356755.2882 m 扁率  = 1 / 298.257 b a

工程坐标坐标系—用户自定义坐标系 参考椭球及其定位、定向与标准 BJ54 系或西安80系一致。 自定义投影参数：  中央子午线、原点纬度  投影高程面(或中央子午线尺度比) 坐标原点西移、北（南）移值 取一个坐标参考点，其坐标与标准 BJ54一致. No=NO；Eo=EO 自定义坐标与标准BJ54坐标的关系： Na=k  NA；Ea=k  EA K= （R+H）/R 测区高程面 O A o a H 参考椭球面 R

高斯直角坐标系大地坐标系Ni、Ei  Li、Bi 高斯正形投影  正形（等角）投影变换。  中央子午线投影为纵坐标轴。  中央子午线投影尺度比为 1。  中央子午线外存在长度变形，距中央子午线越远变形越大。  长度变形尺度比： m= 1 + E2 /（ 2  R2）  分带（带区）投影 6度带：0~6，6 ~12 ... 3度带：0 ~3，3 ~6 ...

２、坐标系之间转换的数学模型布尔沙模型 ( 7参数 ) WGS84 BJ54（或 XA80） Z54Z84 P O84 X84 Y84 Y54 O54 X54 • X Xo X • Y = Yo +(1+m) R()  Y • Z54 Zo 54 Z 84 54坐标尺度因子 84坐标平移量旋转矩阵

求解空间直角坐标转换参数的考虑 • GPS的定位测量结果是基于 WGS-84系下某参考点的坐标。 • 欲将所测点的 WGS-84坐标直接转换为地方坐标，必须提供坐标转换参数。 • 采用大地联测的方法，根据公共点（至少三个）的坐标差反求转换参数。 • 转换参数的质量取决于： • 联测点数量已知点精度联测精度 • 联测点分布解算方法

３、大地高转换为正常高高程异常  大地高——地面点沿法线方向到参考椭球面的间距（h）  正高——地面点重力方向到大地水准面的间距（H）  正常高——地面点重力方向到似大地水准面的间距（H）  高程异常——似大地水准面到参考椭球面的间距（N） 大地高、正常高、高程异常关系式 H= h - N 参考椭球大地水准面地面

高程与高程系统大地水准面与似大地水准面——高程投影基准高程与高程系统大地水准面与似大地水准面——高程投影基准 大地水准面  不规则几何体  平均海水面  重力等位面  正高起算面 似大地水准面  与大地水准面接近  正常高起算面  我国采用正常高系  1956黄海高程系统  1985国家高程基准大地水准面地球自然体

GPS水准法——高程拟合 平面拟合示例 ( 3个 <联测点 < 6个 ) 联测已知高程点建立回归方程： 1= a x1 + b  y1 + c 2= a  x2 + b  y2 + c 3= a x3 + b  y3 + c …... 解算方程反求系数 a、b 、 c 建立拟合面方程 = a x + b  y + c 内插GPS点的高程异常值i i= a xi + b  yi + c 计算GPS点的正常高 Hi=hi +i 似大地水准面拟合面参考椭球面

五、GPS测量网施测 • 1、控制测量网 • 2、布网原则 • 3、连网方式 • 4、已知点配置 • 5、外业观测 • 6、施测调度

1、常规控制网与GPS测量网 常规控制网导线网——测量全部转角和导线边长三角网——测量全部三角形内角和部分起算边长三边网——测量全部三角形边长边角网——测量全部或部分内角和边长混合网——三角、导线组合 GPS静态测量网组网构件是基线向量边、角，高差全部实测的网 GPS（准）动态、RTK测量网由若干辐射基线组成的支导线网

辐射支导线网 纯导线型网 1 混连式网纯点连式网

2、静态网布网原则 等级与精度：A、B、C、D、E 构网自由：网边无固定连法、图形强度与网形无关 形成闭合环路：整网由若干闭合环组成、无支导线 同步图形连网方式：点连式、边连式、网连式 有一定量的多余基线且分布均衡 选点要求：点位牢固便于操作便于保存、对空通视、回避强电干扰、回避多路径反射源、交通便利 已知点配置合理 顾及到常规仪器要求通视的问题 顾及便于设置RTK基准站问题（若有RTK设备）

3、连网方式 • GPS 同步观测是生产基线向量的工艺 • 同步图形为一个工艺单元 • 点连式、边连式、网连式，混合使用网连式点连式边连式

4、已知点配置 —— 控制点配置情况 • WGS-84 系  地方系的坐标转换 • “一点”约束：只有平移变换；能保持原 GPS 网精度 • “一点 + 一方向”约束：有平移、旋转变换；基本保持原 GPS 网精度。 • “两点”约束：有平移、旋转变换、缩放变换；尺度上发生了均匀变异。 • “多点”约束：存在多余约束条件，由最小二乘法处理后，使原 GPS 网在位置、形状、大小发生了不均匀性畸变。

已知点配置要素 • 已知点配置要素：数量、精度及匹配度、分布。 • 已知点数量：不一定越多越好，联测工作量、用途、匹配度、分布、检核。 • 精度及匹配度：精度等级、精度一致性。 • 分布：均衡、测区外围、长定向边。分布不佳分布颇好

5、外业观测 观测参数——各接收机观测参数一致性采样率：10s 15s 20s 截止高度角：10 15 20 最小卫星数：4 颗 PDOP 限值：4 —— 7 时段长：20 —— 60 min 观测记录——机号、点号、天线高对应 量天线高——重视天线高量测的正确性

6、施测调度 作业流程方式（1）三机点连推进式（2）三机边连推进式 C A B B A

（3）三机交替推进式 3 迁移中 C B 1 A 2 1 迁移中 C B A （4）三（双）机点连推磨式

（5）三机旋轴式 A B C 1 （6）双机点连追鱼式 1 C B 2 A 1 2 2 1,1 2 1 （7）双机点连蛙跳式 2,2

作业条件 交通条件：道路、水路状况——道路等级、路面、通航状况交通工具与数量——汽车、摩托车、自行车…... 转站里程与时间——选点时注意测定记录通信条件：对讲机——通话覆盖域 5 —10 km + 车载台——中继站，可加大覆盖域手机——开通地区效果较好约定时间——留出富余时间，只约定关机时间

优化调度原则 作业流程方式与网图图形分布的适应性 作业流程方式对作业条件的适应性 投入机子(GPS) 一般四台可达到投资、生产效率、作业调度有效性的较佳匹配 投入机子越多，外业组织调度越复杂

自由网平差结果是GPS观测质量的真实写照 • 测量网存在环路闭合差矛盾，具有几何多义性 • 自由网平差消除了闭合差矛盾，具有几何唯一性 • 自由网平差结果反映了网内部精度，表征了 GPS 观测成果的质量

约束平差成果质量取决于已知点的配置 • GPS网经自由网平差，具有几何唯一性 • 约束平差的目的： •  消除外部约束产生的新矛盾 •  将测点的 WGS-84坐标转换为地方坐标 • 点位坐标是工程实用坐标 • 成果质量取决于已知点的配置

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