GPS测量技术总结

GPS技术测量

GPS：是全球定位系统（global positioning system）的英文缩写，是随着现代科学技术发展起来而建立的新一代精密卫星导航定位系统。GPS卫星定位测量是利用GPS系统解决大地测量问题的一项空间技术。

天球：天球是指以地球质心为中心，半径为无穷大的理想球体。天球赤道面与天球赤道：通过地球质心M且垂直于天轴发的平面称为天球赤道面，与地球赤道面重合。天球赤道面与天球面的交线称为天球赤道。

天球子午面与天球子午圈：包含天轴的平面称为天球子午面，与地球子午面重合。天球子午面与天球的交线为一大圆，称为天球子午圈。天球子午圈被天轴截成的两个半圆称为时圈。

WGS-84世界大地坐标系：原点是地球质心M,Z轴指向BIH1984.0时元定义的协议地极，X 轴指向BIH1984.0时元定义的零子午面与CTP相应的赤道交点，Y轴垂直于XMZ平面，且与Z、X轴构成右手系，采用的是地球椭球

码：表示信息的二进制数及其结合

码元（比特）：每一位二进制数成为一个码元或者一个比特，比特的意思就是二进制数，它是码的度量单位，也是信息量的度量单位

信号调制：将低频信号家在到高频的载波上的过程。这时原低频信号称为调制，加载信号后的载波叫已调波。。实现码信号与载波信号的调制是通过码状态与载波相乘实现的。

信号解调：从接收到的已调波中分离出测距码信号，导航电文以及纯净的载波信号。方法有码相关解调技术和平方解调技术。

SA技术：为了限制SPA用户的定时定位精度，美国政府对GPS工作卫星信号的技术，包括：对信号基准频率的S技术，对导航电文，对P码译码技术

卫星星历：是一系列描述卫星运动及其轨道的参数。

GPS动态定位：GPS动态测量是利用GPS卫星定位系统实时测量物体的连续运动状态参数。如果所求的状态参数仅仅是三位坐标参数，就称为GPS动态定位

导航：如果所求状态参数不仅包括三维坐标参数，还包括物体的三维速度，以及时间和方位等参数，这样动态测量称为导航

差分动态定位（动态相对定位）：用两台GPS接收机，将一台接收机安设在基准站上固定不动，另一台接收机安置在运动的载体上，两台接收机同步观测相同的卫星，通过在观测值之间求差，以消除具有相关性的误差，提高定位精度。而运动点位置是通过确定该点相对基准站的相对位置实现的。

LADGPS：在一个较大区域布设多个基准站以及构成基准站网，其中常包括一个或数个监控

站，位于该区域中的用户根据多个基准站所提供的改正信息，经平差计算后球的用户站定位改正数，这种差分GPS定位系统称为具有多个基准站的局部区域差分GPS系统

WADGPS：在一个相当大的区域中相对较少的基准站组成差分GPS网，各基准站将求得距离改正数发送给数据处理中心，由数据处理中心统一处理，将各种GPS观测误差源加以区分，然后再传递给用户，这样一种系统称为广域差分GPS系统

同步观测：两台以及两台以上的GPS接收机在相同的时间段内同时连续跟踪相同的卫星组。

重复基线坐标闭合差：当某条基线被两个或多个时段观测时，就构成了所谓重复基线坐标闭合差条件。（异步图形闭合条件和重复基线坐标闭合条件是衡量精度、检验粗差和系统差的重要指标）

天轴与天极：地球自转的延伸直线为天轴，天轴与天球面的交点称为天极，交点Pn为北天极，位于北极星附近，Ps为南天极。位于地球北半球的观测者，因地球遮挡不能看到南天极。

大地水准面：如前所述，水准面有无穷多个，其中通过平均海水面的水准面称为大地水准面。由于大地水准面所包围的形体称为大地体。因为大地水准面是水准面之一，故大地水准面具有水准面的所有特性。

单差：可在不同卫星间、不同历元间求差或者不同观测站求取观测量之差，所得求差结果当作虚拟观测值。

双差：对单差观测值继续求差，所得求差结果仍可以当作虚拟观测值。

三差：对双差观测值继续求差

网络RTK：多基准站RTK技术也称网络RTK技术，是普通RTK方法的改进。

坐标正反算公式

2 坐标系统的转换

一般情况下，我们使用的是1954年北京坐标系或1980年西安坐标系，而GPS测定的坐标是WGS-84坐标系坐标，需要进行坐标系转换。对于非测量专业的工作人员来说，虽然GPS定位操作非常容易，但坐标转换则难以掌握，EXCEL 是比较普及的电子表格软件，能够处理较复杂的数学运算，用它的公式编辑功能，进行GPS坐标转换，会非常轻松自如。要进行坐标系转换，离不开高斯投影换算，下面分别介绍用EXCEL进行换算的方法和GPS坐标转换方法。

2.1 用EXCEL进行高斯投影换算

从经纬度BL换算到高斯平面直角坐标XY（高斯投影正算），或从XY换算成BL（高斯投影反算），一般需要专用计算机软件完成，在目前流行的换算软件中，大都需要一个点一个点地进行，不能成批量地完成，给实际工作中带来了许多不便。但是，通过实验发现，用EXCEL可以很直观、方便地完成坐标换算工作，只需要在EXCEL的相应单元格中输入相应的公式即可。下面以54坐标系为例，介绍具体的计算方法。

完成经纬度BL到平面直角坐标XY的换算。在EXCEL中，选择输入公式的起始单元格，例如：第2行第1列（A2格）为起始单元格，各单元格的格式如下：、

单元格；单元格内容；说明

A2；输入中央子午线，以度.分秒形式输入，如115度30分则输入115.30；起算数据L0

B2；=INT(A2)+(INT(A2*100)-INT(A2)*100)/60+(A2*10000-INT(A2*100)*100)/3600；把L0化成度

C2；以度小数形式输入纬度值，如38°14′20″则输入38.1420；起算数据B

D2；以度小数形式输入经度值；起算数据L

E2；=INT(C2)+(INT(C2*100)-INT(C2)*100)/60+(C2*10000-INT(C2*100)*100)/3600；把B化成度

F2；=INT(D2)+(INT(D2*100)-INT(D2)*100)/60+(D2*10000-INT(D2*100)*100)/3600；把L化成度

G2；=F2-B2；L-L0

H2；=G2/57.2957795130823；化作弧度

I2；=TAN(RADIANS(E2))；Tan(B)

J2；=COS(RADIANS(E2))；COS(B)

K2；=0.5*J2*J2

L2；=I2*I2

M2；=1+K2

N2；=6399698.9018/SQRT(M2)

O2；=H2*H2*J2*J2

P2；=I2*J2

Q2；=P2*P2

R2；=(32005.78006+Q2*(133.92133+Q2*0.7031))

S2；=6367558.49686*E2/57.29577951308-P2*J2*R2+((((L2-58)*L2+61)*

O2/30+(4*K2+5)*M2-L2)*O2/12+1)*N2*I2*O2/2

计算结果X

T2；=((((L2-18)*L2-(58*L2-14)*K2+5)*O2/20+M2-L2)*O2/6+1)*N2*(H2*J2)

计算结果Y

按上面表格中的公式输入到相应单元格后，就可方便地由经纬度求得平面直角坐标。当输入完所有的经纬度后，用鼠标下拉即可得到所有的计算结果。表中的许多单元格公式为中间过程，可以用EXCEL的列隐藏功能把这些没有必要显示的列隐藏起来，表面上形成标准的计算报表，使整个计算表简单明了。从理论上讲，可计算的数据量是无限的，当第一次输入公式后，相当于自己完成了一软件的编制，可另存起来供今后重复使用。

2.2 GPS坐标转换方法

GPS所采用的坐标系是美国国防部1984世界坐标系，简称WGS-84，它是一个协议地球参考系，坐标系原点在地球质心。GPS的测量结果与我国的54系或80系坐标相差几十米至一百多米，随区域不同，差别也不同。由此可见，必须将WGS-84坐标进行坐标系转换才能供标图使用。坐标系之间的转换一般采用七参数法或三参数法，其中七参数为X平移、Y平移、Z平移、X旋转、Y旋转、Z 旋转以及尺度比参数，若忽略旋转参数和尺度比参数则为三参数方法，三参数法为七参数法的特例。这里的X、Y、Z是空间大地直角坐标系坐标，原理是：不把GPS所测定的WGS-84坐标当作WGS-84坐标，而是当作具有一定系统性误差的54系坐标值，然后通过国家已知点纠正，消除该系统误差。下面以WGS-84坐标转换成54系坐标为例，介绍数据处理方法：

首先，在测区附近选择一国家已知点，在该已知点上用GPS测定WGPS-84坐标系经纬度B和L，把此坐标视为有误差的54系坐标，利用54系EXCEL将经纬度BL转换成平面直角坐标X’Y’，然后与已知坐标比较则可计算出偏移量：

△X=X－X’

△△Y=Y－Y’

△式中的X、Y为国家控制点的已知坐标，X’、Y’为测定坐标，△X 和△Y为偏移量。

△求得偏移量后，就可以用此偏移量纠正测区内的其他测量点了。把

其他GPS测量点的经纬度测量值，转换成平面坐标X’Y’，在此XY坐标值上直接加上偏移值就得到了转换后的54系坐标：

△X=X’+△X

△Y=Y’+△Y

△在上述EXCEL计算表的最后两列，附加上求得的改正数并分别与计

算出来的XY相加后，即得到转换结果。就1：1万比例尺成图而言，在一般的县行政区范围内（如40Km×40Km），用此简单的坐标改正法进行转换与较复杂的七参数法没有多大差别。能否满足1：1万比例尺变更调查的要求，主要取决于GPS接收机本身的精度，与转换方法的选择关系不大。当面积较大时，使用该方法可能会使误差增大，这时可考虑分区域转换。

△西安80坐标系与北京54坐标系其实是一种椭球参数的转换作为这

种转换在同一个椭球里的转换都是严密的，而在不同的椭球之间的转换是不严密，因此不存在一套转换参数可以全国通用的，在每个地方会不一样，因为它们是两个不同的椭球基准。

△那么，两个椭球间的坐标转换，一般而言比较严密的是用七参数布

尔莎模型，即X 平移，Y 平移，Z 平移，X 旋转（WX），Y 旋转（WY），Z 旋转（WZ），尺度变化（DM ）。要求得七参数就需要在一个地区需要 3 个以上的已知点。如果区域范围不大，最远点间的距离不大于30Km（经验值），这可以用三参数，即X 平移，Y 平移，Z 平移，而将X 旋转，Y 旋转，Z 旋转，尺度变化面DM视为0 。

△方法如下（MAPGIS平台中）：

△第一步：向地方测绘局（或其它地方）找本区域三个公共点坐标对（即54坐标x，y，z和80坐标x，y，z）；

△第二步：将三个点的坐标对全部转换以弧度为单位。（菜单：投影转

换/输入单点投影转换，计算出这三个点的弧度值并记录下来）

△第三步：求公共点求操作系数（菜单：投影转换/坐标系转换）。如

果求出转换系数后，记录下来。

第四步：编辑坐标转换系数。（菜单：投影转换/编辑坐标转换系数。）最后进行投影变换，“当前投影”输入80坐标系参数，“目的投影”输入54坐标系参数。进行转换时系统会自动调用曾编辑过的坐标转换系数。

△ 3 结论

△在使用GPS测量中，外业的观测简单、快捷，内业数据的计算可以

通过相应的软件直接得到WGS-84的坐标。为了将其转换为常用的BJ-54或XA-80坐标，常常使测量人员比较棘手。本文论述了用EXCEL进行坐标转换的方法，在小测区面积范围内可以直接使用，在大测区面积范围内分区使用，给测量的计算带来了很大的方便。

3、GPS星座的基本参数

24颗卫星分布在六个等间隔的轨道上，轨道面相对赤道面的倾角为55度，每个轨道面上有4颗卫星，卫星轨道为圆形，运行周期为11小时58分，

6、GPS系统包括三大部分：

空间部分——GPS卫星星座；

地面控制部分——地面监控系统；

用户设备部分——GPS信号接收机。

7、工作卫星的地面监控系统包括:

1个主控站、3个注入站和5个监测站。

9、岁差、章动

地球接近于一个赤道隆起的椭球体，在日月和其它天体引力对地球隆起部分的作用下，地球在绕太阳运行时，自转轴方向不再保持不变，25 800年绕黄极一周,从而使春分点在黄道上产生缓慢西移，此现象在天文学上称为岁差。

在日月引力等因素的影响下，瞬时北天极将绕瞬时平北天极产生旋转，轨迹大致为椭圆。10、GPS常用坐标系

WGS-84大地坐标系、国家大地坐标系、地方独立坐标系、ITRF坐标框架

14、二体问题、卫星的受摄运动、瞬时轨道参数

忽略所有的摄动力，仅考虑地球质心引力研究卫星相对于地球的运动，在天体力学中，称之为二体问题。

对于卫星精密定位来说，必须考虑地球引力场摄动力、日月摄动力、大气阻力、光压摄动力、潮汐摄动力对卫星运动状态的影响。考虑了摄动力作用的卫星运动称为卫星的受摄运动。受摄运动的轨道参数不再保持为常数，而是随时间变化的轨道参数。

瞬时轨道参数：

卫星在地球质心引力和各种摄动力总的影响下的轨道参数称为瞬时轨道参数；卫星运动的真实轨道称为卫星的摄动轨道或瞬时轨道。

瞬时轨道不是椭圆，轨道平面在空间的方向也不是固定不变的。

在人造地球卫星所受的摄动力中，地球引力场摄动力最大，约为10-3量级，其他摄动力大多小于或接近于是10-6量级。这些摄动力引起卫星位置的变化，引起轨道参数的变化。

15、预报星历、星历、参考星历：

又叫广播星星历包括相对某一参考历元的开普勒轨道参数和必要的轨道摄动改正项参数。卫星星历：是一组对应某一时刻的轨道参数及其变率。

参考星历：相应参考历元的卫星开普勒轨道参数，是根据GPS监测站约1周的监测资料推算的。

16、GPS用户通过卫星广播星历的参数

共16个包括1个参考时刻6个相应参考时刻的开普勒轨道参数和9个反映摄动力影响的参数。

17、后处理星历:是一些国家的某些部门根据各自建立的跟踪站所获得的精密观测资料，应用与确定预报星历相似的方法，计算的卫星星历。

18、导航电文

导航电文：是包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获P码等导航信息的数据码（或D码）。

23、接收机的组成

接收机天线单元、接收机主机单元、电源

26、依据测距的原理，其定位原理与方法主要有：

伪距法定位

载波相位测量定位

差分技术

27、伪距测量

伪距法定位：由GPS接收机在某一时刻测出得到四颗以上GPS卫星的伪距以及已知的卫星位置，采用距离交会的方法求定接收机天线所在点的三维坐标。

伪距：就是由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得出的量测距离。由于卫星钟、接收机钟的误差以及无线电信号经过电离层和对流层中的延迟，实际测出的距

30、整周未知数的确定:

1.伪距法

2.将整周未知数当做平差中的待定参数—经典方法

3.多普勒法(三差法)

4.快速确定整周未知数法

31、周跳：

周跳:如果在跟踪卫星过程中，由于某种原因，如卫星信号被障碍物挡住而暂时中断，或受无线电信号干扰造成失锁。这样，计数器无法连续计数。因此，当信号重新被跟踪后，整周计数就不正确，但是不到一个整周的相位观测值仍是正确的。周跳的出现和处理是载波相位测量中的重要问题。

32、GPS绝对定位、相对定位

33、一次差：

将观测值直接相减的过程叫做求一次差。

34、二次差:

对载波相位观测值的一次差分观测值继续求差，所得结果仍可以被当作虚拟观测值，叫做载波相位观测值的二次差或双差。

35、三次差:

对二次差继续求差称为求三次差.所得结果叫作载波相位观测值的三次差或三差.

36、GPS定位中，存在着三部分误差：

40、RTK技术

载波相位差分技术又称RTK(Real Time Kinematic)技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。

46、GPS动态定位主要方法

单点动态定位

它是用安设在一个运动载体上的GPS信号接收机，自主地测得该运动载体的实时位置，从而描绘出该运动载体的运动轨迹。所以单点动态定位又叫绝对动态定位。例如，行驶的汽车和火车，常用单点动态定位。

实时差分动态定位

它是用安设在一个运动载体上的GPS信号接收机，及安设在一个基准站上的另一台GPS接收机，联合测得该运动载体的实时位置，从而描绘出该运动载体的运行轨迹，故差分动态定位又称为相对动态定位。

飞机着陆和船舰进港

后处理差分动态定位

在运动载体和基准站之间，不必像实时差分动态定位那样建立实时数据传输，而是在定位观测以后，对两台GPS接收机所采集的定位数据进行测后的联合处理，从而计算出接收机所在运动载体在对应时间上的坐标位置。

51、多路径误差

在GPS测量中，如果测站周围的反射物所反射得卫星信号（反射波）进入接收机天线，这就将和直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏离真值产生所谓的“多路径效应”。

52、

53、与卫星有关的误差

卫星星历差、卫星钟误差、相对论效应

54、广播星历、实测星历：

是卫星电文中携带的主要信息。

实测星历：它是根据实测资料进行拟合处理而直接得出的星历。

55、解决星历误差的方法:

1）建立自己的卫星跟踪网独立定轨;

2）轨道松驰法;

3）同步观测值法.

56、卫星钟的钟误差模型改正

1.卫星钟的钟差包括由钟差、频偏、频漂等产生的误差，也包含钟的随机误差。

2.经改正后，各卫星钟之间的同步差可保持在20ns以内，由此引起的等效距离偏差不

会超过6m，卫星钟差和经改正后的残余误差，则需采用在接收机间求一次差等方法来进一步消除它。

57、与接受机有关的误差

接收机钟误差、接收机位置误差、天线相应中心位置误差、几何图形强度误差

58、接收机的位置误差与天线相位中心误差

接收机天线相位中心相对观测标石中心位置的误差，叫接收机位置误差。

观测时相位中心的瞬时位置（一般称相位中心）与理论上的相位中心将有所不同，这种差别叫天线相位中心的位置偏移。

59、GPS网技术设计的依据:

GPS测量规范(规程)和测量任务书

60、GPS网图形构成的几个基本概念

①观测时段：测站上开始接收卫星信号到观测停止，连续工作的时间段，简称时段。

②同步观测：两台或两台以上接收机同时对同一组卫星进行的观测。

③同步观测环：三台或三台以上接收机同步观测获得的基线向量所构成的闭合环，简称同步环。

④独立观测环：由独立观测所获得的基线向量构成的闭合环，简称独立环。

⑤异步观测环：在构成多边形环路的所有基线向量中，只要有非同步观测基线向量，则该多边形环路叫异步观测环，简称异步环。

⑥独立基线：对于N台GPS接收机构成的同步观测环，有J条同步观测基线，其中独立基线数为N-1。

⑦非独立基线：除独立基线外的其他基线叫非独立基线，总基线数与独立基线数之差即为非独立基线数。

61、GPS网的图形布设通常有及其基本特征和优缺点:

点连式、边连式、网连式及边点混合连接也有布设成星形连接、附合导线连接、三角锁形连接

点连式:

指相邻同步图形之间仅有一个公共点的连接。点连式网的几何强度很差，需要提高网的可靠性指标。

边连式:

指同步图形之间由一条公共基线连接。边连式布网有较多的非同步图形闭合条件，几何强度和可靠性均优于点连式。

网连式:

指相邻同步图形之间有两个以上的公共点相连接，这种方法需要4台以上的接收机。

这种密集的布图方法，它的几何强度和可靠性指标是相当高的，但花费的经费和时间较多，一般仅适于较高精度的控制测量。

边点混合连接式:

指把点连式与边连式有机地结合起来，组成GPS网.

既能保证网的几何强度，提高网的可靠指标，又能减少外业工作量，降低成本，是一种较为理想的布网方法。

三角锁(或多边形)连接

用点连式或边连式组成连续发展的三角锁连接图形，此连接形式适用于狭长地区的GPS布网，如铁路、公路及管线工程勘测。

优点:

GPS网中的三角形边由独立观测边组成。根据经典测量的经验已知，这种图形的几何结构强，具有良好的自检能力，能够有效地发现观测成果的粗差，以保障网的可靠性。同时，经平差后网中相邻点间基线向量的精度分布均匀。

缺点:

是观测工作量较大，尤其当接收机的数量较少时，将使观测工作的总时间大为延长。因此通常只有当网的精度和可靠性要求较高时，才单独采用这种图形

导线网形连接(环形图)

将同步图形布设为直伸状，形如导线结构式的GPS网，各独立边应组成封闭状，形成非同步图形，用以检核GPS点的可靠性。适用于精度较低的GPS布网。

星形布设

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