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第 8章 全球定位系统的定位技术
测 量 学
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（一） GPS及其背景
1,它的全称是卫星授时测距导航系统 /全球定
位系统 （ NAVSTAR/GPS； Navigation
System timing And Ranging/Global
Positioning System）
2,GPS是美国军方研制的第二代卫星导航系统
(1)全球通用,24小时可以定位，测速和授时
(2)确保美国军事安全，服务于全球战略
(3)导航精度可达 10—20m
(4)1994年 3月 28日建成，取代其它导航系统
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0
5000
10000
15000
0 1000 2000 3000
0
5000
10000
15000
0 1000 2000 3000
GPS用于军事
飞行高度
9,840 英尺 /
3,000米
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系统特征 NNSS GPS
载波频率 GHz 0.15,0.40 1.23,1.58
卫星高度 km 1070 20200
卫星数 6 21+3
卫星周期 min 1:47 11:58
卫星钟稳定度 10-11 10-12
GPS与 NNSS的主要特征比较
注,NNSS是美国于 1964年建成的海军导航系统
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系统特征 GLONASS GPS
载波频率 GHz 1.61,1.25 1.23,1.58
卫星高度 km 19100 20200
卫星数 21+3 21+3
卫星周期 h 11:15 11:58
卫星钟稳定度 10-11 10-12
GPS与 GLONASS的主要特征比较
注,GLONASS是俄罗斯于 1996年建成的全球定位系统
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（二） GPS的特点
全球性，全天候，高精度，保密性
GPS测量与经典测量方法的对比,
?不需要相互通视
?观测作业不受天气条件的影响
?网的质量与点位的分布情况无关
?能达到大地测量所需要的精度水平
?白天和夜间均可作业
?经济效益显著
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GPS用于大地测量
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（三） GPS 的系统组成
空间部分
24颗 GPS卫星组成
用户部分
GPS接收机
控制部分
1个主控站
5个监控站
3个注入站
注入站
监控站
主控站
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注入站
空间星座部分,
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
地面控制部分,
中心控制系统
实现时间同步
跟踪卫星进行定轨
用户部分,
接收卫星信号
记录处理数据
提供导航定位信息
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GPS 空间星座部分
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? 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
GPS卫星
（ 目前轨道上实际运行的卫星个数已经超过了 32颗 ）
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GPS 卫星在轨道上的分布
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GPS
地面监控
部分
控 制 部 分
1 个 主 控 站
3 个 注入站
5 个 监 控 站
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GSP地面控制站
一个主控站, 科罗拉多 ?斯必灵司
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)
55
Hawaii
Ascencion Diego
Garcia
kwajalein
Colorado
springs
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GPS 用户部分
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1,GPS接收机的功能
? 跟踪、接收、放大、处理卫星信号，测量出信号从卫
星到天线的传播时间。
? 解译导航电文，实时解算测站三维位置。
2,GPS接收机的类型
3,GPS接收机的发展
? 1981年 GPS接收机问世
? 测地型已从第一代发展到第三代,目前还在飞速发展。
（ 2）按信号频率分,
? 单频（ L1）
? 双频（ L1和 L2）
（ 1）按用途分,
?导航型
?授时型
?测地型
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GPS天线 部分
将微弱的卫星电
磁波信号转变为
电信号,并放大
GPS主机 部分
1.变频器
2.信号通道
3.微处理器
4.存储器
5.显示器
GPS电源 部分
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测地型 GPS接收机
导航型 GPS接收机一般情况下无数据输出的记录存储设备 (手持机 )
天线
前置放大器
电源部分
射电部分
微处理器 数据存器 显示控制器
供电 信号
信息
命令 数据 供电，控制
供电 数据 控制
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（四） GPS的功能
?导航
– 海空导航、车辆引行、导弹制导等
?测速
– 其精度可达 0.1m/s
?测时与授时
– 其精度可达 340ns（ 1纳秒 =10-9秒）
?定位
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Time (0)
Ambiguity
Time (i)
Ambiguity
Counted Cycles
Phase Measurement
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（一） GPS 坐 标 系
1,WGS-84坐标系
World Geodetic System-1984坐标是 GPS所采用的坐标系统,
GPS发布的星历参数都是基于此坐标系的。
WGS-84的椭球参数,a=6378137m,1/f=298.257
2.1954北京坐标系 (C54)
克拉索夫斯基椭球参数,a=6378245m,1/f=298.3
3.1980西安坐标系 (C80)
IUGG1975椭球参数,a=6378140m,1/f=298.257
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Y轴 =东经 90度
Y轴在赤道平面内
地心坐标为（ 0,0,0）
Z轴 =旋转轴（极轴 —BIH1984.0）
地球质心为原点的坐标系统
（空间直角坐标系）
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? 依定位时的状态
? 动态定位
? 静态定位
? 依定位模式
? 绝对定位（单点定位）
? 相对定位
? 差分定位
? 依定位采用的观测值
伪距测量（伪距定位）
载波相位测量
? 依时效
? 实时定位
? 事后定位
（二） GPS测量定位的分类
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(三 )GPS定位原理 卫星信号结构
基准频率
10.23MHZ L1
1575.42MHZ C/A码 1.023MHZ P?码 10, 23MHZ
L2
1227.60MHZ P?码 10.23MHZ
?10
?154
?120
50比特 /S 卫星信息电文 (D码 )
每颗卫星都发射一系列无线电信号 (基准频率 ??),
两种载波 (L1和 L2)
两种码信号 (C/A码和 P码 )
一组导航电文 (信息码,D码 )
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对卫星进行测距
GPS定位的各种常用观测量
地心
Si
Pij
Pj
ri
Rj
Rj = ri +Pij
有关各观测量及已知数据如下,
r— 为已知的卫地矢量
P—为观测量 (伪距 )
R—为未知的测站点位矢量
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距离观测值的计算
? 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
?t ?t
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(三 ) 单点定位结果的获取
? 单点定位解可以理解为一个测边后方交会问题
? 卫星充当轨道上运动的控制点，观测值为测站至卫星的
伪距 (由时间延迟计算得到 )
? 由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差，所以要同步观
测 4颗卫星，解算四个未知参数：纬度 ?,经度 ?,大
地高程 h,钟差 ?t
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伪距单点定位原理
)(
)Z(Z)Y(Y)X(Xρ 2
S
i2
S
i2
S
ii
S
Si
TTC ??
??????
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伪距单点定位的应用特点
?既能用于静态定位，也可进行
动态定位而用于导航
?定位速度快、实时性好
?对信号的强度要求不高
?但定位精度较低 （ 理论上为 10米
~30米，在 SA和 AS技术作用下误差达
100米以上 ）
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GPS定位的误差来源
?与 GPS卫星有关的因素
SA技术：人为的降低广播星历精度 (ε技术,2000年 5月取消 ),
AS技术：防电子欺骗技术；卫星星历误差； 卫星钟差
?与传播途径有关的因素
电离层延迟； 对流层延迟； 多路径效应
?与接收机有关的因素
接收机钟差； 天线相位中心误差； 接收机软件和硬件误差
? 另外有接收机的对中、整平误差等
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（四） GPS载波相位 测量
1.采用载波相位观测值
卫星广播
的电磁波
信号,
? 信号量测精度优于波长的 1/100
? 载波波长 比 C/A码波长 短得多
? 所以,GPS测量采用载波相位观测值可以获得比伪距 (C/A码
或 P码 )定位高得多的测距精度
L1载波
L2载波
C/A码
P-码
? p=29.3 m
? L2=24 cm
? L1=19c m
? C/A=293 m
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载波相位测量的特点
?定位精度比伪距
定位精度高
?可用于进行
–静态绝对定位,
– 静态相对定位,
–差分动态定位
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设法解算出初始整周未知数
? 测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成
(1)初始整周未知数 n； (2) t 0至 t i 时刻的整周记数 Ci； (3)相位尾数 ?i
? 如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初始整周未知数 n
? 为了利用载波相位进行定位，必须设法先解算出初始整周未知数，取
得总观测值 n+Ci+ ? i
Time (0)
Ambiguity
Time (i)
Ambiguity
Counted Cycles
Phase Measurement
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初始整周未知数的确定与定位精度的关系
精
度
m
1.00
0.10
0.01 整周未知数确定后
整周未知数确定前
经典静态定位 0
0
30 80
5 8 时间 (分 )
? 如果无法准确解出初始整周未知数，则定位精度难以优于 ± 1m
? 随着初始整周未知数解算精度的提高，定位精度也相应提高
? 一旦初始整周未知数精确获得，定位精度不再随时间延长而提高
? 经典静态定位需要 30-80分钟观测才能求定初始整周未知数
快速静态定位将这个过程缩短到 5-8分钟 (双频接收机 )
快速静态定位
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（五） GPS相对定位
– 相对定位的原理
? 相对定位是用两台（或多
台）接收机分别安置在一
条（或多条）基线的两端，
同步观测相同的 GPS卫星，
以确定基线端点的相对位
置或基线向量
? 在相对定位时，通过对观
测量求差，可以消除卫星
钟差、接收机钟差，削弱
电离层和对流层折射的影
响，提高测量精度
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?可以消去卫星钟的系统偏差
?可以消去接收机时钟的误差
Pik
Plj P
i
j
Pj
Plk
Pk
Sl
Si
?可以消去轨道 (星历 )误差的影响
?可以削弱大气折射对观测值的影响
组成星际站际两次差分观测值
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? 伪 距 差 分 测 量
精 度 可 达 0.5m
- 5 m
? 此 种 测 量 形 式
一 般 称 为 DGPS
B A
伪 距 差 分 定 位 技 术
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RTD测量原理图
测深仪
电脑
发射电台
GPS主机
基准站
移
动
站
GPS主机 接收电台
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? 如 果 使 用 载
波 差 分 或 同
时 使 用 载 波
差分 及 伪 距
差 分 则 定位
精 度 可 达 5 -
10 mm + 1ppm B A
载 波 相 位 差 分 定 位 技 术
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常规 GPS的测量方法，如静态、快速静态、动
态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，
而 RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测
量方法，它采用了载波相位动态实时差分 (Real -
Time Kinematic)方法，是 GPS应用的重大里程碑，
它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带
来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。
RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数
据 (伪距观测值，相位观测值 )及已知数据传输给流
动站接收机。
什么是 RTK技术
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发射电台
GPS主机
基准站
移
动
站 GPS主机
RTK测量原理图
采集器
接收电台
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GPS静态定位主要用于建立各级测量控制
网，其优点为,
?定位精度高，其基线的相对精度非常高
?选点灵活、不需要造标、费用低
?全天候作业
?观测时间短
?观测数据处理自动化
(一 ) GPS用于大地测量
1,GPS静态定位的主要应用领域
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?在 15o 截止高度角以上不存在障碍物
?周围没有反射面，不致引起多路径效应
?安全避开过往行人和车辆
?附近不应该有强辐射源 (如无线电台、电视发射天线等 )
?可靠的电源供应
?足够的内存容量
?正确的配置参数 (观测类型、记录速率 )
?检查天线高和偏差
?仪器的正确检测
2,GPS测量前注意事项
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GPS网的精度指标，通常以网中相邻点之间的距离
误差来表示的，其具体形式如下,
?=± ?a2 + (b·d) 2
?— 距离中误差 (mm) a— 固定误差 (mm)
b— 比例误差系数 (ppm) d— 相邻点的距离 (Km)
3,GPS布网方法
?充分考虑建立 GPS控制网的应用范围
? 采用分级布网的原则
? GPS测量的精度标准
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国家测绘局 1992年制订的我国第一部,GPS
测量规范”将 GPS的精度分为 A— E五级 (见下表 )。其
中 A,B两级一般是国家 GPS控制网。 C,D,E三级是
针对局部性 GPS网规定的。
级别
项目
A B C D E
固定误差 a ( mm ) <=5 <=8 <= 1 0 <= 1 0 <= 1 0
比例误差系数 b( p p m ) <= 0, 1 <=1 <=5 <= 1 0 <= 2 0
相邻点最小距离 ( K m ) 100 15 5 2 1
相邻点最大距离 ( K m ) 2000 250 40 15 10
相邻点平均距离 ( K m ) 300 70 15 ~1 0 1 0 ~5 5 ~2
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GPS网设计的一般原则
? 应通过独立观测边构成闭合图形，以增加检核条件，提高网的
可靠性。
? 应尽量与原有地面控制网相重合，重合点一般不少于 3个，且
分布均匀。
? 应考虑与水准点相重合,或在网中布设一定密度的水准联测
点。
? 点应设在视野开阔和容易到达的地方，联测方向。
? 可在网点附近布设一通视良好的方位点，以建立联测方向。
根据 GPS测量的不同用途,GPS网的独立观测边均应构成
一定的几何图形，基本形式有,
1,三角形网 2,环形网 3,星形网
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(1)、三角形
网 优点,
图形几何结构强，具有
较多的检核条件，平差后网
中相邻点间基线向量的精度
比较均匀。
缺点,
观测工作量大。一般只
有在网的精度和可靠性要求
较高时，才单独采用这种图
形。
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(2)、环形网
优点,
观测工作量较小，且具
有较好的自检性和可靠性 。
缺点,
非直接观测基线边 (或间
接边 )精度较直接观测边低，相邻
点间的基线精度分布不均匀。
是大地测量和精密工程测
量中普遍采用的图形，通常采用上
述两种图形的混合图形。
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(3)、星形网
优点,
观测中只需要两
台 GPS接收机，作业简单。
缺点,
几何图形简单，
检验和发现粗差能力差。
广泛用于工程测
量、边界测量、地籍测量
和碎部测量等。
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4、野外记录手簿内容
? 点标识, 日期, 天气,
? 接收机序列号,
? 设站类型,
? 天线高读数,
? 天线高偏差,
? 跟踪开始时间,
? 跟踪结束时间,
? 观测历元数,
? 观测卫星数 (卫星号 ),
? GDOP,
? 导航定位解, 经度, 纬度, 高程
? 作业员,
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5、时间和基线长度
? 观测时间取决于,
? 基线长度
? 卫星数
? 卫星几何图形 (GDOP)
? 电离层
? 电离层扰动随时间、日夜、月、年、地点而变化,静态
或快速静态最短观测时间不要少于 15分钟。
? 根据实践经验，基线观测时间应该是基线长度每公里 5
分钟加上最短 15分钟。
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基线长与同步观测时间
长短的关系
根据经验，不同基线长所需同步观测时间如下,
? 1~2公里 30~60分钟
? 2~5公里 40~90分钟
? 5~10公里 90~120分钟
? 10~20公里 120分钟以上
? 单频 GPS一般只测 20公里以内的基线
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? 一 种 描 述 纯 粹 因 卫 星 几 何 因 素 对 定 点 精 度 的 影 响
? 精 度 因 子 指 出 在 测 量 时 被 跟 踪 卫 星 几 何 结 构 上 的 强 度
– GDOP (Geometrical)
包 括 经 度,纬 度,高 程 和 时 间 等
因 子,称 为 几 何 精 度 因 子
– PDOP (Positional)
包 括 经 度,纬 度 和 高 程 等 因 子,
称 为 空 间 位 置 精 度 因 子
– HDOP (Horizontal)
包 括 经 度 和 纬 度 等 因 子，称 为
平 面 位 置 精 度 因 子
– VDOP (Vertical)
仅 包 括 高 程 因 子，称 为 高 程 精 度 因 子
较好的 DOP
精 度 因 子 (DOP)
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? 一 种 描 述 纯 粹 因 卫 星 几 何 因 素 对 定 点 精 度 的 影 响
? 精 度 因 子 指 出 在 测 量 时 被 跟 踪 卫 星 几 何 结 构 上 的 强 度
– GDOP (Geometrical)
包 括 经 度,纬 度,高 程 和 时 间 等
因 子,称 为 几 何 精 度 因 子
– PDOP (Positional)
包 括 经 度,纬 度 和 高 程 等 因 子,
称 为 空 间 位 置 精 度 因 子
– HDOP (Horizontal)
包 括 经 度 和 纬 度 等 因 子，称 为
平 面 位 置 精 度 因 子
– VDOP (Vertical)
仅 包 括 高 程 因 子，称 为 高 程 精 度 因 子
精 度 因 子 (DOP)
较差的 DOP
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6,GPS的数据处理
? 数据传输
? 基线向量解算
? 闭合环检核 (同步环和异步环 )
? 重复基线检核
? WGS-84自由网平差和三维约束平差
? 二维约束平差 (在 C80或 C54坐标系 )
? 高程拟合
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7,GPS高程拟合
?测量中常用的高程系统有大地高系统、正高系统、正常高系统
?大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系
统。某点的大地高是该点到参考椭球面的垂直
距离。大地高也称为椭球高，一般用 H 表示。
?正高系统是以大地水准面为基准面的高程系统。
某点的正高是该点到大地水准面的垂直距离，
一般用符号 Hg 表示。
?正常高系统是以似大地水准面为基准面的高程
系统。某点的正常高是该点到似大地水准面的
垂直距离
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高程系统间的转换
Ellipsoid
h
P Topography
H
Geoid N
似大地水准面到参考椭球面
的距离称为高程异常，似大地水
准面不规则，造成了各地高程异
常值的不确定性。
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GPS高程拟合的方法
在国内一般适用高程拟合法求水准高。
已知点为一个 把已知点上的高程异常改正到其它点上去
已知点为两个 定义了高程平差面，此平面沿着直线方向前进
已知点为三个 定义了高程平差面
多于三个 二次曲面拟合定义了曲面
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（二） GPS技术在其它工程
测量中的应用
?建立精密工程控制网
?用于道路施工放样
?建立工程或滑坡变形自动化监测系统
?建立超长隧道的施工控制网
?海洋测量与水下地形测量
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香港青马大桥 GPS监测系统
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3D地图与 GPS技术配合，实现了 3D导航应用
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(三 ) 其它全球卫星定位系统
? GLONASS全球导航卫星系统
–由前苏联和俄罗斯从 1982年开始至
1996年建成
? NAVSAT系统
–由欧洲空间局联合中国筹建
?我国北斗导航定位系统
–是一个双星系统
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–与其他导航定位系统联合导航
定位
–与地理信息系统 GIS、遥感 RS
等组成一个综合应用系统，即
,3S”集成技术
(四 ) GPS应用未来发展趋势
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谢 谢
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第 8章 全球定位系统的定位技术
测 量 学
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（一） GPS及其背景
1,它的全称是卫星授时测距导航系统 /全球定
位系统 （ NAVSTAR/GPS； Navigation
System timing And Ranging/Global
Positioning System）
2,GPS是美国军方研制的第二代卫星导航系统
(1)全球通用,24小时可以定位，测速和授时
(2)确保美国军事安全，服务于全球战略
(3)导航精度可达 10—20m
(4)1994年 3月 28日建成，取代其它导航系统
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0
5000
10000
15000
0 1000 2000 3000
0
5000
10000
15000
0 1000 2000 3000
GPS用于军事
飞行高度
9,840 英尺 /
3,000米
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系统特征 NNSS GPS
载波频率 GHz 0.15,0.40 1.23,1.58
卫星高度 km 1070 20200
卫星数 6 21+3
卫星周期 min 1:47 11:58
卫星钟稳定度 10-11 10-12
GPS与 NNSS的主要特征比较
注,NNSS是美国于 1964年建成的海军导航系统
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系统特征 GLONASS GPS
载波频率 GHz 1.61,1.25 1.23,1.58
卫星高度 km 19100 20200
卫星数 21+3 21+3
卫星周期 h 11:15 11:58
卫星钟稳定度 10-11 10-12
GPS与 GLONASS的主要特征比较
注,GLONASS是俄罗斯于 1996年建成的全球定位系统
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（二） GPS的特点
全球性，全天候，高精度，保密性
GPS测量与经典测量方法的对比,
?不需要相互通视
?观测作业不受天气条件的影响
?网的质量与点位的分布情况无关
?能达到大地测量所需要的精度水平
?白天和夜间均可作业
?经济效益显著
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GPS用于大地测量
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（三） GPS 的系统组成
空间部分
24颗 GPS卫星组成
用户部分
GPS接收机
控制部分
1个主控站
5个监控站
3个注入站
注入站
监控站
主控站
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注入站
空间星座部分,
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
地面控制部分,
中心控制系统
实现时间同步
跟踪卫星进行定轨
用户部分,
接收卫星信号
记录处理数据
提供导航定位信息
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GPS 空间星座部分
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? 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
GPS卫星
（ 目前轨道上实际运行的卫星个数已经超过了 32颗 ）
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GPS 卫星在轨道上的分布
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GPS
地面监控
部分
控 制 部 分
1 个 主 控 站
3 个 注入站
5 个 监 控 站
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GSP地面控制站
一个主控站, 科罗拉多 ?斯必灵司
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)
55
Hawaii
Ascencion Diego
Garcia
kwajalein
Colorado
springs
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GPS 用户部分
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1,GPS接收机的功能
? 跟踪、接收、放大、处理卫星信号，测量出信号从卫
星到天线的传播时间。
? 解译导航电文，实时解算测站三维位置。
2,GPS接收机的类型
3,GPS接收机的发展
? 1981年 GPS接收机问世
? 测地型已从第一代发展到第三代,目前还在飞速发展。
（ 2）按信号频率分,
? 单频（ L1）
? 双频（ L1和 L2）
（ 1）按用途分,
?导航型
?授时型
?测地型
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GPS天线 部分
将微弱的卫星电
磁波信号转变为
电信号,并放大
GPS主机 部分
1.变频器
2.信号通道
3.微处理器
4.存储器
5.显示器
GPS电源 部分
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测地型 GPS接收机
导航型 GPS接收机一般情况下无数据输出的记录存储设备 (手持机 )
天线
前置放大器
电源部分
射电部分
微处理器 数据存器 显示控制器
供电 信号
信息
命令 数据 供电，控制
供电 数据 控制
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（四） GPS的功能
?导航
– 海空导航、车辆引行、导弹制导等
?测速
– 其精度可达 0.1m/s
?测时与授时
– 其精度可达 340ns（ 1纳秒 =10-9秒）
?定位
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Time (0)
Ambiguity
Time (i)
Ambiguity
Counted Cycles
Phase Measurement
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（一） GPS 坐 标 系
1,WGS-84坐标系
World Geodetic System-1984坐标是 GPS所采用的坐标系统,
GPS发布的星历参数都是基于此坐标系的。
WGS-84的椭球参数,a=6378137m,1/f=298.257
2.1954北京坐标系 (C54)
克拉索夫斯基椭球参数,a=6378245m,1/f=298.3
3.1980西安坐标系 (C80)
IUGG1975椭球参数,a=6378140m,1/f=298.257
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Y轴 =东经 90度
Y轴在赤道平面内
地心坐标为（ 0,0,0）
Z轴 =旋转轴（极轴 —BIH1984.0）
地球质心为原点的坐标系统
（空间直角坐标系）
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? 依定位时的状态
? 动态定位
? 静态定位
? 依定位模式
? 绝对定位（单点定位）
? 相对定位
? 差分定位
? 依定位采用的观测值
伪距测量（伪距定位）
载波相位测量
? 依时效
? 实时定位
? 事后定位
（二） GPS测量定位的分类
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(三 )GPS定位原理 卫星信号结构
基准频率
10.23MHZ L1
1575.42MHZ C/A码 1.023MHZ P?码 10, 23MHZ
L2
1227.60MHZ P?码 10.23MHZ
?10
?154
?120
50比特 /S 卫星信息电文 (D码 )
每颗卫星都发射一系列无线电信号 (基准频率 ??),
两种载波 (L1和 L2)
两种码信号 (C/A码和 P码 )
一组导航电文 (信息码,D码 )
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对卫星进行测距
GPS定位的各种常用观测量
地心
Si
Pij
Pj
ri
Rj
Rj = ri +Pij
有关各观测量及已知数据如下,
r— 为已知的卫地矢量
P—为观测量 (伪距 )
R—为未知的测站点位矢量
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距离观测值的计算
? 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
?t ?t
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(三 ) 单点定位结果的获取
? 单点定位解可以理解为一个测边后方交会问题
? 卫星充当轨道上运动的控制点，观测值为测站至卫星的
伪距 (由时间延迟计算得到 )
? 由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差，所以要同步观
测 4颗卫星，解算四个未知参数：纬度 ?,经度 ?,大
地高程 h,钟差 ?t
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伪距单点定位原理
)(
)Z(Z)Y(Y)X(Xρ 2
S
i2
S
i2
S
ii
S
Si
TTC ??
??????
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伪距单点定位的应用特点
?既能用于静态定位，也可进行
动态定位而用于导航
?定位速度快、实时性好
?对信号的强度要求不高
?但定位精度较低 （ 理论上为 10米
~30米，在 SA和 AS技术作用下误差达
100米以上 ）
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GPS定位的误差来源
?与 GPS卫星有关的因素
SA技术：人为的降低广播星历精度 (ε技术,2000年 5月取消 ),
AS技术：防电子欺骗技术；卫星星历误差； 卫星钟差
?与传播途径有关的因素
电离层延迟； 对流层延迟； 多路径效应
?与接收机有关的因素
接收机钟差； 天线相位中心误差； 接收机软件和硬件误差
? 另外有接收机的对中、整平误差等
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（四） GPS载波相位 测量
1.采用载波相位观测值
卫星广播
的电磁波
信号,
? 信号量测精度优于波长的 1/100
? 载波波长 比 C/A码波长 短得多
? 所以,GPS测量采用载波相位观测值可以获得比伪距 (C/A码
或 P码 )定位高得多的测距精度
L1载波
L2载波
C/A码
P-码
? p=29.3 m
? L2=24 cm
? L1=19c m
? C/A=293 m
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载波相位测量的特点
?定位精度比伪距
定位精度高
?可用于进行
–静态绝对定位,
– 静态相对定位,
–差分动态定位
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设法解算出初始整周未知数
? 测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成
(1)初始整周未知数 n； (2) t 0至 t i 时刻的整周记数 Ci； (3)相位尾数 ?i
? 如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初始整周未知数 n
? 为了利用载波相位进行定位，必须设法先解算出初始整周未知数，取
得总观测值 n+Ci+ ? i
Time (0)
Ambiguity
Time (i)
Ambiguity
Counted Cycles
Phase Measurement
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初始整周未知数的确定与定位精度的关系
精
度
m
1.00
0.10
0.01 整周未知数确定后
整周未知数确定前
经典静态定位 0
0
30 80
5 8 时间 (分 )
? 如果无法准确解出初始整周未知数，则定位精度难以优于 ± 1m
? 随着初始整周未知数解算精度的提高，定位精度也相应提高
? 一旦初始整周未知数精确获得，定位精度不再随时间延长而提高
? 经典静态定位需要 30-80分钟观测才能求定初始整周未知数
快速静态定位将这个过程缩短到 5-8分钟 (双频接收机 )
快速静态定位
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（五） GPS相对定位
– 相对定位的原理
? 相对定位是用两台（或多
台）接收机分别安置在一
条（或多条）基线的两端，
同步观测相同的 GPS卫星，
以确定基线端点的相对位
置或基线向量
? 在相对定位时，通过对观
测量求差，可以消除卫星
钟差、接收机钟差，削弱
电离层和对流层折射的影
响，提高测量精度
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?可以消去卫星钟的系统偏差
?可以消去接收机时钟的误差
Pik
Plj P
i
j
Pj
Plk
Pk
Sl
Si
?可以消去轨道 (星历 )误差的影响
?可以削弱大气折射对观测值的影响
组成星际站际两次差分观测值
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? 伪 距 差 分 测 量
精 度 可 达 0.5m
- 5 m
? 此 种 测 量 形 式
一 般 称 为 DGPS
B A
伪 距 差 分 定 位 技 术
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RTD测量原理图
测深仪
电脑
发射电台
GPS主机
基准站
移
动
站
GPS主机 接收电台
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? 如 果 使 用 载
波 差 分 或 同
时 使 用 载 波
差分 及 伪 距
差 分 则 定位
精 度 可 达 5 -
10 mm + 1ppm B A
载 波 相 位 差 分 定 位 技 术
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常规 GPS的测量方法，如静态、快速静态、动
态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，
而 RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测
量方法，它采用了载波相位动态实时差分 (Real -
Time Kinematic)方法，是 GPS应用的重大里程碑，
它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带
来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。
RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数
据 (伪距观测值，相位观测值 )及已知数据传输给流
动站接收机。
什么是 RTK技术
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发射电台
GPS主机
基准站
移
动
站 GPS主机
RTK测量原理图
采集器
接收电台
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GPS静态定位主要用于建立各级测量控制
网，其优点为,
?定位精度高，其基线的相对精度非常高
?选点灵活、不需要造标、费用低
?全天候作业
?观测时间短
?观测数据处理自动化
(一 ) GPS用于大地测量
1,GPS静态定位的主要应用领域
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?在 15o 截止高度角以上不存在障碍物
?周围没有反射面，不致引起多路径效应
?安全避开过往行人和车辆
?附近不应该有强辐射源 (如无线电台、电视发射天线等 )
?可靠的电源供应
?足够的内存容量
?正确的配置参数 (观测类型、记录速率 )
?检查天线高和偏差
?仪器的正确检测
2,GPS测量前注意事项
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GPS网的精度指标，通常以网中相邻点之间的距离
误差来表示的，其具体形式如下,
?=± ?a2 + (b·d) 2
?— 距离中误差 (mm) a— 固定误差 (mm)
b— 比例误差系数 (ppm) d— 相邻点的距离 (Km)
3,GPS布网方法
?充分考虑建立 GPS控制网的应用范围
? 采用分级布网的原则
? GPS测量的精度标准
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国家测绘局 1992年制订的我国第一部,GPS
测量规范”将 GPS的精度分为 A— E五级 (见下表 )。其
中 A,B两级一般是国家 GPS控制网。 C,D,E三级是
针对局部性 GPS网规定的。
级别
项目
A B C D E
固定误差 a ( mm ) <=5 <=8 <= 1 0 <= 1 0 <= 1 0
比例误差系数 b( p p m ) <= 0, 1 <=1 <=5 <= 1 0 <= 2 0
相邻点最小距离 ( K m ) 100 15 5 2 1
相邻点最大距离 ( K m ) 2000 250 40 15 10
相邻点平均距离 ( K m ) 300 70 15 ~1 0 1 0 ~5 5 ~2
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GPS网设计的一般原则
? 应通过独立观测边构成闭合图形，以增加检核条件，提高网的
可靠性。
? 应尽量与原有地面控制网相重合，重合点一般不少于 3个，且
分布均匀。
? 应考虑与水准点相重合,或在网中布设一定密度的水准联测
点。
? 点应设在视野开阔和容易到达的地方，联测方向。
? 可在网点附近布设一通视良好的方位点，以建立联测方向。
根据 GPS测量的不同用途,GPS网的独立观测边均应构成
一定的几何图形，基本形式有,
1,三角形网 2,环形网 3,星形网
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(1)、三角形
网 优点,
图形几何结构强，具有
较多的检核条件，平差后网
中相邻点间基线向量的精度
比较均匀。
缺点,
观测工作量大。一般只
有在网的精度和可靠性要求
较高时，才单独采用这种图
形。
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(2)、环形网
优点,
观测工作量较小，且具
有较好的自检性和可靠性 。
缺点,
非直接观测基线边 (或间
接边 )精度较直接观测边低，相邻
点间的基线精度分布不均匀。
是大地测量和精密工程测
量中普遍采用的图形，通常采用上
述两种图形的混合图形。
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(3)、星形网
优点,
观测中只需要两
台 GPS接收机，作业简单。
缺点,
几何图形简单，
检验和发现粗差能力差。
广泛用于工程测
量、边界测量、地籍测量
和碎部测量等。
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4、野外记录手簿内容
? 点标识, 日期, 天气,
? 接收机序列号,
? 设站类型,
? 天线高读数,
? 天线高偏差,
? 跟踪开始时间,
? 跟踪结束时间,
? 观测历元数,
? 观测卫星数 (卫星号 ),
? GDOP,
? 导航定位解, 经度, 纬度, 高程
? 作业员,
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5、时间和基线长度
? 观测时间取决于,
? 基线长度
? 卫星数
? 卫星几何图形 (GDOP)
? 电离层
? 电离层扰动随时间、日夜、月、年、地点而变化,静态
或快速静态最短观测时间不要少于 15分钟。
? 根据实践经验，基线观测时间应该是基线长度每公里 5
分钟加上最短 15分钟。
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基线长与同步观测时间
长短的关系
根据经验，不同基线长所需同步观测时间如下,
? 1~2公里 30~60分钟
? 2~5公里 40~90分钟
? 5~10公里 90~120分钟
? 10~20公里 120分钟以上
? 单频 GPS一般只测 20公里以内的基线
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? 一 种 描 述 纯 粹 因 卫 星 几 何 因 素 对 定 点 精 度 的 影 响
? 精 度 因 子 指 出 在 测 量 时 被 跟 踪 卫 星 几 何 结 构 上 的 强 度
– GDOP (Geometrical)
包 括 经 度,纬 度,高 程 和 时 间 等
因 子,称 为 几 何 精 度 因 子
– PDOP (Positional)
包 括 经 度,纬 度 和 高 程 等 因 子,
称 为 空 间 位 置 精 度 因 子
– HDOP (Horizontal)
包 括 经 度 和 纬 度 等 因 子，称 为
平 面 位 置 精 度 因 子
– VDOP (Vertical)
仅 包 括 高 程 因 子，称 为 高 程 精 度 因 子
较好的 DOP
精 度 因 子 (DOP)
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? 一 种 描 述 纯 粹 因 卫 星 几 何 因 素 对 定 点 精 度 的 影 响
? 精 度 因 子 指 出 在 测 量 时 被 跟 踪 卫 星 几 何 结 构 上 的 强 度
– GDOP (Geometrical)
包 括 经 度,纬 度,高 程 和 时 间 等
因 子,称 为 几 何 精 度 因 子
– PDOP (Positional)
包 括 经 度,纬 度 和 高 程 等 因 子,
称 为 空 间 位 置 精 度 因 子
– HDOP (Horizontal)
包 括 经 度 和 纬 度 等 因 子，称 为
平 面 位 置 精 度 因 子
– VDOP (Vertical)
仅 包 括 高 程 因 子，称 为 高 程 精 度 因 子
精 度 因 子 (DOP)
较差的 DOP
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6,GPS的数据处理
? 数据传输
? 基线向量解算
? 闭合环检核 (同步环和异步环 )
? 重复基线检核
? WGS-84自由网平差和三维约束平差
? 二维约束平差 (在 C80或 C54坐标系 )
? 高程拟合
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7,GPS高程拟合
?测量中常用的高程系统有大地高系统、正高系统、正常高系统
?大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系
统。某点的大地高是该点到参考椭球面的垂直
距离。大地高也称为椭球高，一般用 H 表示。
?正高系统是以大地水准面为基准面的高程系统。
某点的正高是该点到大地水准面的垂直距离，
一般用符号 Hg 表示。
?正常高系统是以似大地水准面为基准面的高程
系统。某点的正常高是该点到似大地水准面的
垂直距离
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高程系统间的转换
Ellipsoid
h
P Topography
H
Geoid N
似大地水准面到参考椭球面
的距离称为高程异常，似大地水
准面不规则，造成了各地高程异
常值的不确定性。
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GPS高程拟合的方法
在国内一般适用高程拟合法求水准高。
已知点为一个 把已知点上的高程异常改正到其它点上去
已知点为两个 定义了高程平差面，此平面沿着直线方向前进
已知点为三个 定义了高程平差面
多于三个 二次曲面拟合定义了曲面
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（二） GPS技术在其它工程
测量中的应用
?建立精密工程控制网
?用于道路施工放样
?建立工程或滑坡变形自动化监测系统
?建立超长隧道的施工控制网
?海洋测量与水下地形测量
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香港青马大桥 GPS监测系统
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3D地图与 GPS技术配合，实现了 3D导航应用
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(三 ) 其它全球卫星定位系统
? GLONASS全球导航卫星系统
–由前苏联和俄罗斯从 1982年开始至
1996年建成
? NAVSAT系统
–由欧洲空间局联合中国筹建
?我国北斗导航定位系统
–是一个双星系统
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–与其他导航定位系统联合导航
定位
–与地理信息系统 GIS、遥感 RS
等组成一个综合应用系统，即
,3S”集成技术
(四 ) GPS应用未来发展趋势
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谢 谢
