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全球定位系统（GPS） 知识学习交流 编制人：侯振国、林翠萍 山东港通 工程管理咨询有限公司

全球定位系统（GPS） 知识学习交流 编制人：侯振国、林翠萍 山东港通 工程管理咨询有限公司. 第三章 GPS 实施步骤 第一节 静态测量实施 第二节 动态测量实施 第三节 单基站 RTK 操作步骤 第四章 注意事项. 第一章 GPS 基础 第一节 产生背景 第二节 系统组成 第三节 工作特点 第二章 GPS 定位原理 第一节 定位模式 第二节 定位原理. 第一 章 GPS基础 第一节 GPS及其背景

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全球定位系统（GPS） 知识学习交流 编制人：侯振国、林翠萍 山东港通 工程管理咨询有限公司

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  1. 全球定位系统（GPS）知识学习交流编制人：侯振国、林翠萍山东港通工程管理咨询有限公司全球定位系统（GPS）知识学习交流编制人：侯振国、林翠萍山东港通工程管理咨询有限公司

  2. 第三章 GPS实施步骤 第一节 静态测量实施 第二节 动态测量实施 第三节 单基站RTK操作步骤 第四章 注意事项 第一章 GPS基础 第一节 产生背景 第二节 系统组成 第三节 工作特点 第二章 GPS定位原理 第一节 定位模式 第二节 定位原理

  3. 第一章 GPS基础 第一节GPS及其背景 1957年10月第一颗人造卫星发射成功以后，1958年底，美国海军武器实验室就着手建立为美国军方军用舰艇导航服务的卫星系统，即“海军导航卫星系统”（Navy Navigation Satellite System）。但是由于该系统的卫星数目较少（5～6）、运行高度较低（平均约1000km)、从地面站观测到卫星的时间间隔较长（平均约1.5小时），因而它无法提供连续的实时三维导航。加上获得一次导航解的时间较长，所以难以充分满足军事方面的需要，尤其是高动态目标（飞机、导弹）。 为了满足军事和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求，1973年美国国防部便开始组织海陆空三军，共同研究建立新一代的卫星导航系统。这就是目前所称的“授时与测距导航系统/全球定位系统”（navigation system timing and ranging/global positioning system,简称NAVSTAR/GPS),通常简称为“全球定位系统”。（三代卫星）

  4. 第二节 GPS的系统组成 空间部分 用户部分 接收卫星信号 记录处理数据 提供导航定位信息 提供星历和时间信息;发射伪距和载波信号;提供其它辅助信息 监控站（1个） 注入站(3个) 主控站（1个） 中心控制系统 实现时间同步 跟踪卫星进行定轨 包括数据采集和注入 地面控 制部分

  5. 一、GPS卫星空间分布 • 24颗卫星(21+3) • 6个轨道平面 • 55º轨道倾角 • 20200km轨道高度(地面高度) • 11小时58分(恒星时)轨道周期 • 5个多小时出现在地平线以上(每颗星) • 在全球各处能观测到高度角>15°的卫星 4 颗以上(4～11) • 目前轨道上实际运行的卫星个数已经超过了32颗

  6. Colorado springs kwajalein 55 Hawaii Ascencion DiegoGarcia 二、GPS地面控制站分布 一个主控站：科罗拉多•斯必灵司(推遍星历及修正参数、时间基 准、轨道纠偏、启动备用卫星） 三个注入站：阿松森(Ascencion)—大西洋 迭哥•伽西亚(Diego Garcia)—印度洋 卡瓦加兰(kwajalein)—太平洋 五个监测站：1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii)

  7. 三、GPS用户部分 用户设备：GPS接收机、数据处理软件、其他终端设备（车、船导航）。

  8. 第三节 GPS的特点 GPS测量与经典测量方法的对比： • 全球性，全天候，高精度，保密性 • 不需要相互通视 • 定位精度高(小于50km基线，精度可达mm级） • 观测时间短 • 白天和夜间均可作业 • 提供三维坐标 • 操作简单

  9. 第二章 GPS定位模式及原理

  10. 第一节 GPS定位模式 一、GPS卫星信号结构 每颗GPS卫星发射一组无线电信号 每组信号包括两个载波 (L1 与 L2) 及两种码，L1 上调制的C/A码，L1和L2上的 P 码或 Y 码，还有卫星轨道信息 所有信号均由同一个震荡器产生 基准频率 10.23 MHz • 10 信息码 50 Hz P 或 Y-码 10.23 MHz L1 1575.42MHz C/A 码 1.023MHz x154 P 或 Y 码 10.23 MHz L21227.60 x 120

  11. 二、按观测对象分类 • 测码伪距定位：以测距码为观测对象，进行伪距计算定位。由于测距码的码元长度较长，导致伪距的测量精度不高，因此定位精度较低 • 载波相位定位：以载波相位差为观测对象，进行距离解算定位。因卫星发射的载波波长比测距码要短很多，将载波作为一个测量对象，就可以得到高精度的星站距离，因此定位精度较高

  12. 卫星钟调制的码信号 测码伪距定位 t t 接收机时钟复制的码信号 • 接收机至卫星的距离借助于卫星发射的码信号量测并计算得到的 • 接收机本身按同一公式复制码信号 • 比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟时间t • 传播延迟时间乘以光速就得到距离观测值 =C• t

  13. 载波相位定位 L1=19cm 采用载波相位观测值 L1载波 卫星广播 的电磁波 信号： L2载波 L2=24cm C/A=293m C/A码 P-码 p=29.3m 原理就是在接收机在对卫星进行跟踪测量的时候，本身也产生一个与载波相同的基准信号。接收机接收到载波信号，先进行解调，恢复成单纯的余弦波，再与基准信号混频，得到一个新的差频信号，差频信号的相位就是基准信号与接受信号的相位差值。所谓的载波相位测量就是混频后的差频信号的相位值。

  14. 三、按定位模式分类 绝对定位:以地球质心为参考点，测定接收机天线在协议地球坐标系中的绝对位置。由于定位作业仅使用一台接收机，所以又称为单点定位。 单点定位结果受卫星星历误差、电离层、对流层折射误差等的影响，所以定位精度比较低。 相对定位：如果选择地面某个固定点为参考点，确定接收机天线相位中心的相对位置称为相对定位。 由于相对定位至少使用两台以上的接收机，同步观测4颗以上的GPS卫星，因此相对定位所获得的观测量具有相关性，并且观测量中所包含的误差也具有相关性。采用适当的数学模型（差分模型），即可消除或者削弱观测量中所包含的误差，提高定位的精度。

  15. 四、按数据处理方式分类 静态定位：接收机相对静止状态下，接收卫星数据，通过事后差分解算得出相对位置。 主要用于高精度或者大面积的控制网的测量。 动态定位：接收在运动状态下接收卫星数据及改正数据，通过事后解算或者实时解算得到相对位置数据。主要运行模式RTD\RTK,VRS\CORS

  16. 第二节 GPS定位原理 一、GPS绝对(单点)定位的原理 • 卫星是“沿轨道运动的控制点” • 导航点位是按空间后方距离交会的方法计算求得 二、GPS相对(差分)定位的原理 用多台接收机分别安置在一条（或多条）基线的两端，同步观测一定数量的GPS卫星，通过求差模型，计算出改正参数，从而得到高精度的相对位置关系。

  17. 三、绝对定位和相对定位关系示意图 单独确定A、B、C三点的位置的时候，就是单点定位 通过计算求解A、B、C三点相对位置关系时，就是相对定位 单点定位 C A 单点定位 B 单点定位

  18. 四、GPS相对(差分)定位优点 • 通过差分可以消除误差：卫星钟差；接收机钟差；整周模糊度；轨道误差。 • 可以削弱：电离层影响；对流层影响以及大气折射影响。 • 差分得观测值：单差观测值；双差观测值；三差观测值 注意： 测码伪距差分：精度较低，可达米级。 载波相位差分：精度较高，可达厘米级。

  19. 第三章、GPS实施步骤

  20. 第一节 静态GPS测量实施步骤 任务书、技术书 点之记、观测记录 仪器检定证书 数据处理文件、点位分布图 技术总结、成果验收报告 资料收集 技术依据 质量等级 观测方案 数据处理 成果提交 成果 提交 技术 设计 处理软件 参数设置 自由网平差 二维约束平差 高程拟合 成果外业检核 数据处理和外业检核 踏勘 选点 埋标 点位环境 通视情况 交通环境 网形发展 连接形式 星历预报、编制计划 观测时段 人机调配 观测手簿 外业 观测

  21. 备注说明： • 大范围的控制网，施工前要进行静态控制或复测。一般静态控制测量对技术、人员和设备要求较高，多为专业测绘机构完成。上交资料要齐备，上交资料成果：测量任务书、技术设计；点之记、环视图、选点埋石资料；接收设备及其他仪器的检定材料；外业观测手簿及其他记录；数据处理生成的文件、资料、成果表；gps网点图；技术总结报告和成果验收报告。 • 一般小范围的控制网，使用前要进行复测。主要复测检核方法就是全站仪测距检核网的基线边长度和基线边方位角。

  22. RTD:实时动态码相位差分测量 由于观测量不同，导致精度不同 动态差分GPS RTK：实时动态载波相位差分测量 网络模式 VRS\CORS：虚拟参考站技术 改正数求解方式不同，精度相同 FKP：区域改正参数法技术 第二节 动态GPS测量实施步骤 传统模式

  23. 第三节 单基站RTK实施步骤 连接基准站 设置移动站 接收数据 检查仪器 架设基站 打开主机 新建项目 设置参数 参数检查 控制点检核 匹配已知点 求解参数 应用参数 采集已 知点数据 碎部测量 工程放样 数据输 出绘图 详细操作见下

  24. 一、单基站RTK操作流程（外挂电台模式） 平面四参数转换+高程拟合法 1. 架设仪器 作业前要检查仪器配套设备是否齐全（连接头、连接电缆、天线、电池（锂电池、集成电台）是否满电、钢尺及坐标资料）。选择控制点，架设仪器(注意仪器各个部分的正确连接：基站和电台、电台和天线）。若基站架设在已知控制点时，要严格对中整平。准确量取基站天线高度（斜高）。

  25. 连接头 开关 电缆连接口，连接时注意对其标志，一般为红点，以免造成连接串口损坏 充电口 增益天线

  26. 2. 设置接收机模式和电台频道 电源灯 常亮快闪：电压正常 慢闪：电源欠压 接收机模式设置 电源键/确认键 长按开关机 卫星灯 慢闪：搜索或失锁 常亮：锁定卫星 间隔闪烁：闪烁次数表示卫星数 功能键 双按：功能模式设置；单按循环选择，确认键确认 长按：数据链设置，单按选择，确认键确认 状态灯 RTK:红绿双色闪烁，收发信号 GSM:绿闪搜索；常亮锁定；红闪收发信号 静态：红闪

  27. 集成电台功能介绍和设置 差分信号指示灯 电台频道调节按钮和指示 功率指示灯 功率设置按钮 红蓝亮：5瓦 红亮：10瓦 蓝亮：20瓦 都不亮：30瓦 电量指示按钮 长按显示电量

  28. 3. 设置基站双击手簿桌面的“Hi-RTK 道路版.exe”快捷图标,打开手簿程序（1）新建项目 2新建项目 3输入名称 确认 1点击项目 注： ①文件命名习惯以“工程名+日期”为原则 ②请将新建的项目放在默认路径（\NandFlash\Project\Road）下， 否则在手簿没电或硬复位的情况下，除NandFlash文件夹外的数据都会丢失。

  29. （2）设置坐标系统 点击左上角下拉菜单，选择【坐标系统】设置坐标系统参数，（如下图）下拉菜单 4选择投影方法 1点击坐标系统 2选择源椭球 5输入中央子午线 3选择目标椭球 “坐标系”： 源椭球一般为WGS-84，目标椭球和已知点一致，如果目标坐标为自定义坐标系，设置为默认值：“北京-54”。 “投影”： 选择高斯投影方法，输入“中央子午线经度”， “椭球转换”、“平面转换”、“高程拟合”：不输。 “保存”： 点击右上角的【保存】按钮，保存设置好的参数。 注：记得点击右上角的保存按钮，否则坐标系统参数设置无效

  30. 中央子午线的计算 • 三度带计算公式：3n • 六度带计算公式：6n-3 • 举例：某一地区地处东经114.8° • 按3度带投影：INT(114.8/3)=38 将38带入3n=114°因此得3度分带第38带的范围为114-1.5=112.5°至114+1.5=115.5°,而114.8正好处于该区间，因此3度带中央子午线为114° • 6度带投影中央子午线计算方法除带入公式外，与3度带投影相同

  31. （3）连接基准站 3设置手簿 其他参数 2连接gps 1点击进入 4点击连接 蓝牙连接注意事项： a．连接之前先在“配置”→“手簿选择”→选择手簿类型； b．手簿与GPS主机距离最好在10m内； c．选择串口连接时，周围30m内无第三个蓝牙设备开启（包括同类手簿、GPS主机都不能打开）； d．如果连接不上，请重新启动接收机或手簿程序。 5点击搜索 6点击连接 此步初次连接使用，选择右上角记忆地址，以后无需再搜索

  32. （4）设置基准站① 点击左上角下拉菜单，点击【基准站设置】。 ② 输入基站点名、天线高，点击【平滑】，平滑完成后点击右上角【√】。（如下图） 2参数输入 必须达固顶解 1连接后，进入基站设置 4点击停止 3点击平滑 注：任意位置设站，不意味着任意输入坐标，务必进行平滑多次后进行设站，平滑次数越多，可靠度也越高

  33. ③ 点击【数据链】，选择外部数据链类型。 解释：外部数据链是用小五芯电缆连接主机和电台时使用的数据链； 内置网络是用GSM卡连接主机时使用的数据链； 内置电台是用电台作业时使用的数据，需选择电台频道（此仪器没有内置电台）。 4差分、电文格式设置 2选择数据链 6点击运用 5点击确定 3点击其他 1点击数据链 7点击确定 ④ 点击【其他】,(如右上图）,选择差分模式，电文格式，（默认为RTK、RTCM3.0不需要改动），点击右下角【确定】，软件提示设置成功。

  34. ⑤ 点击左上角菜单，点击【断开GPS】，断开手簿与基准站 GPS主机的连接 组装仪器 进入移动站设置 8点击断开GPS连接， 注意事项： 移动站电台使用内置电台 电台频道要统一 电文格式要保持和基准站的统一 高度角设置一般10度（高度的设置可以影响工作状态）

  35. 4. 设置移动站 （1）连接移动站 • 打开移动站GPS主机电源，调节好仪器工作模式，等待移动站锁定卫星。按左上角下拉菜单→【连接GPS】,将手簿与移动站GPS主机连接，连接方法和基准站类似。 • 提示：使用UHF电台时，将差分天线与移动站GPS主机连接好；使用GPRS时，不需要差分天线。

  36. （2）设置移动站 • 点击菜单【移动站设置】，弹出“设置移动站”对话框。在【数据链】界面，选择内置UHF电台。 • 点击【其他】界面，选择、输入和基准站一样的参数，修改移动站天线高。 • 按右下角【确定】按钮, 软件提示移动站设置成功，查看解类型是否为固定，如果是则点击右上角按钮【X】，回退到软件主界面。

  37. 5. 数据采集 解状态 电量显示 输入点号 采集按钮=F2 输入移动天线高 平滑键 坐标显示 坐标中误差 记录点库 显示模式 （1）从主界面“测量”进入 （2）到已知点采集数据（注意工作状态和对中整平） （3）进行点号、天线高等设置，保存，采集下一点至少采集两个已知点数据

  38. 6. 求解转换参数 （1）点击【参数】→【坐标系统】（左上角下拉菜单）→【参数计算】，进入“求解参数”视图。 2选择计算类型 1点击参数计算 3选择高程拟合模型 4点击添加

  39. （2）添加控制点 ①点击【添加】按钮，弹出下图，要求分别输入源点坐标和目标点坐标。源点是指用RTK采集的原始坐标数据点，目标点是指已知控制点的当地坐标。 点击目标点库 点击源点库 目标点 源点 注：源点坐标从记录点库中选择；目标坐标需自行输入相应点的当地坐标，也可以先在控制点库添加上坐标，然后在此处点直接从控制点库提取。

  40. ②点击【保存】，重复添加，直至将参与解算的控制点加完②点击【保存】，重复添加，直至将参与解算的控制点加完 ③点击右下角【解算】按钮，弹出求解好的四参数，查看缩放比例和残差值，如果满足测量精度要求，那么就可以点击【运用】，反之则取消。 参差大，不参与解算

  41. 4点击关闭键 3点击保存 注:①四参数中的缩放比例为一非常接近1的数字，越接近1越可靠，一般为0.999x或1.000x ②平面中误差,高程中误差表示点的平面和高程残差值，如果超过要求的精度限定值，说明测量点的原始坐标或当地坐标不准确，残差大的控制点，不选中点前方的小勾，不让其参与解算，这对测量结果的精度有决定性的影响！ 均小于3厘米可用 1点击运用 2查看平面、 高程转换运用

  42. 概括：进入参数计算界面→设置参数模型→进行点对匹配→参数解算 →应用参数→查看参数 • 注意：小于3个已知点，高程只能作固定差改正；大于等于3个已知点，则可作平面拟合；大于等于6个已知点，则可作曲面拟合。而作平面拟合或曲面拟合时，必须在求转换参数前预先进入【参数】→【高程拟合】菜单进行设置。 ④数据检核 参数求解完成后，必要时应当到另外的一个已知点上去检核，当误差满足精度要求时，方可进行后续工作。 • 注：一般的，当求解好一组参数后，假如还要在同一测区作业，建议将基准站位置做记号，基准站坐标、投影参数、转换参数等信息都记录下来，当下次作业时，建议将基准站架设在相同的位置，打开原来使用过的项目，设置基准站，修改基准站天线高，检查参数正确后，移动站即可得到正确的当地坐标。

  43. 7. 测量 （1）碎部测量：完成参数解算及应用后，进入“测量”界面，测量过程中应注意数据解状态及精度。 5点击确认键 3输入点号 1点击测量 2满足精度下采集 4输入移高 注：测量过程中应注意数据解状态及精度

  44. （2）点放样 点击主界面上的【测量】按钮，进入“碎部测量”界面，点击左上角下拉菜单，点击【点放样】，弹出界面（如左下图）， 点击左下角（表示放样下一点），弹出右下图，输入放样点的坐标或点击【点库】从坐标库取点进行放样。 从点库取点放样 放样指示 直接输入放样坐标 点击放样下一点

  45. 2选择线型 （3）线放样 点击左上角下拉菜单，选择【线放样】。 4根据指示放样 1点击出现线型选择框 3输入起、终点坐标 如左上图，点击按钮，选择线段类型，输入线段要素，然后点击下一点，弹出右下图，输入里程，定义里程加常数，确定，根据左上图的“放样指示”进行放样。

  46. 8. 数据的输出 需要安装手簿驱动 数据输出 1手簿数据格式转换 2通过数据线和电脑相连 3通过电脑同步软件，数据导出 2通过数据卡，在电脑数据输出 1手簿数据格式转换

  47. （1）连接计算机 在计算机上，安装手簿连接MicrosoftActiveSync （中海达软件光盘里或者网上下载），安装过程 提示进行操作。 用数据线把手簿和计算机连接起来，第一次连接 簿，一般会提示发现新硬件，此时利用中海达软 光盘里的GIS手持机驱动，安装手簿的驱动程序。 安装完成后，Microsoft ActiveSync一般会进行 动连接，自动连接时下图图标会变为绿色 ，如 没有自动连接，请先将数据线断开，再进行重新 接。

  48. （2）碎部数据导出步骤 从项目信息进入点库 选择格式、路径 可以对点进行编辑、删除、导出

  49. 连接后会提示建立合作关系，点“取消”。

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