第七章GPS测量原理与方法本章要点：本章介绍了GPS的概念、定位原理与应用。学生应注重了解GPS的误差来源及应对措施；理解GPS定位原理、GPS数据处理和成果转换的方法；掌握GPS测量的技术设计和GPS测量的外业实施以及GPS数据处理的流程。7.1概述GPS是全球定位系统(GlobalPositioningSystem)的英文缩写。GPS系统的建立经历了三个阶段：第一阶段，方案论证和初步设计阶段。1973-1979年，共发射了4颗试验卫星，并研制了地面接收机及建立地面跟踪网。第二阶段，全面研制和试验阶段。1979-1984年，陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。第三阶段，实用组网阶段。1989年2月4日，第一颗GPS工作卫星发射成功，表明GPS系统进入工程建设阶段。1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星，1995年7月17日，GPS达到FOC——完全运行能力。4.观测速度快。目前，利用静态定位方法，完成一条基线的相对定位所需要的观测时间，根据要求的精度不同，一般约为1-3h。如果采用快速静态相对定位技术．观测时间可缩短至数分钟。5．可提供三维坐标。6．功能齐全，操作简便。GPS测量可同时测定测点的平面位置和高程。采用实时动态测量还可进行施工放样。GPS测量的自动化程度很高，作业员在观测中只需安置和开启、关闭仪器、量取天线高度、监视仪器的工作状态及采集环境的气象数据，而其它如捕获、跟踪观测卫星和记录观测数据等—系列测量工作均由仪器自动完成。7．用途多、功能广。GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达0。1m/s，测时的精度可达几十豪微妙。其应用领域不断扩大。7.2GPS系统的组成与GPS信号GPS系统包括地面监控部分，空间卫星部分，用户接收部分等三大部分。三大部分之间还要用数字通信技术联络传达各种信号信息，靠各种计算软件处理繁复的数据，最后由用户接收信号来解决导航定位问题。GPS定位系统的组成一、地面监控部分一、地面监控部分一、地面监控部分一、地面监控部分一、地面监控部分二、空间卫星部分三、用户接收部分三、用户接收部分GPS卫星播发的信号，包含载波信号、测距码、数据码等多种分量，它能满足多用户系统的导航、高精度定位的需要。一、GPS卫星信号的内容二、GPS信号的结构三、测距码的产生三、测距码的产生四、GPS信号的传播五、导航电文五、导航电文五、导航电文7.3GPS卫星定位的基本原理GPS定位概述GPS定位概述定位方式：按接收机天线所处的状态不同（1）静态定位（2）动态定位按参考点位置的不同（1）单点定位（2）相对定位。一、静态定位与动态定位在定位过程中，接收机位于运动着的载体，天线也处于运动状态的定位。一、静态定位与动态定位二、单点定位与相对定位采用两台以上的接收机同步观测相同的GPS卫星，以确定接收机天线间的相互位置关系的一种方法。三、主动式测距与被动式测距只要求仪器钟自身能在信号往、返时间段中保持稳定，不影响测距精度。三、主动式测距与被动式测距三、主动式测距与被动式测距GPS定位的基本方法伪距定位法伪距定位法的优点载波相位测量伪距法定位伪距法定位的原理伪距法定位的原理伪距法定位的原理实际应用中将接收机的钟差vta也视作未知数，建立数学模型。伪距法定位的计算伪距法定位的应用（2）直接相对定位当两个测站进行同步观测时，产生两个数学式，相减后建立起伪距定位法用于相对定位的数学模型，然后解算出坐标差。载波相位测量载波信号是一种周期性的正弦信号，相位测量只能测定起不足一个波长的小数部分，无法测定起正波长个数。因而存在着整周数的不确定性问题，使得解算过程复杂化。载波相位测量一、载波相位测量原理若在t0时刻接收机产生的基准信号的相位是，接收机接收到的载波信号的相位是，若能测定出二者相位之差，则由载波波长λ就可以求出该瞬间从卫星至接收机的距离：二、载波相位测量观测方程上式更多地用于相对定位。由于作为已知量的卫星位置，其误差远比相位观测值误差大，加之大气延迟改正的精度也难以与相位观测的精度匹配，所以在相对定位中常采用差分法解决这些问题。三、载波相位测量差分法将观测值直接相减的过程叫做求一次差。所获得的结果被当做虚拟观测值，也叫做载波相位观测值的一次差或单差。（二）在接收机和卫星间求二次差（三）在接收机、卫星和观测历元间求三次差1误差来源一、卫星星历误差二、卫星钟差三、相对论效应1．星历来源2．星历误差对定位的影响3．减弱星历误差影响的途径1．星历来源广播星历根据美国GPS控制中心跟踪站的观测数据进行外推，通过GPS