测绘新技术讲座.

四、GPS定位的原理与方法
1.GPS测量定位的分类
依定位采用的观测值分
依定位时的状态分

伪距测量（伪距法定位） 载波相位测量
动态定位 静态定位
依时效分
实时定位 事后定位
依定位模式分


绝对定位（单点定位） 相对定位 差分定位
依确定整周模糊度的方 法及观测时段的长短分
6. GPS测量的作业模式
– 经典静态定位
作业方法 采用两台(或两台以上)接收机,分 别安置在一条(或数条)基线的两端,同步观测 4颗以上卫星,每时段长45分钟至2个小时或 更多 精度 基线的相对精度可达5mm+1ppm· D 适用范围 建立全球性或国家级大地控制网、 地壳运动监测网、长距离检校基线，进行岛 陆联测、钻井定位和精密工程控制网建立等 注意事项 所有观测基线均应组成一系列封 闭图形，以利于外业检核，提高成果可靠性
4. 美国GPS政策的改变
2000年5月美国国防部宣布取消SA政 策，使得水平单点定位精度恢复到 20~30m 将逐步开放L2的C/A码

– L2上的C/A码的开放，将使得GPS的精度 和功能提高，且可使用户方便的利用双频 进行电离层影响的改正。届时可使水平单 点定位精度提高到2.5m

将启用一个新的民用频率L5和和军队 专用的M码
二、GPS的技术定义与政策
1. IOC与FOC的定义

IOC—初始运作能力
– 24颗卫星（Ⅰ/Ⅱ/ⅡA型）在预定的轨道上运行 – 能按规定精度进行标准定位服务 – 1993年12月8日美国防部宣布达到IOC

FOC— 全部运作能力
– 24颗卫星（Ⅱ/ⅡA型）在预定的轨道上运行 – 能全面满足军方的要求
常速静态或动态定位 快速静态或动态定位
2. 测距码伪距单点定位

伪距单点定位原理
i S ( X i X S ) 2 (Y i YS ) 2 ( Z i Z S ) 2 c t

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 属于无模糊度（多值性）定位 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

2. GPS的系统组成

空间部分
– 24（21+3）颗GPS卫星组成 – 24颗卫星分布在20200km高空上的倾角为55°的 6个轨道上，运行周期为11h58min，以保证在全 球各处能观测到高度角>15°的卫星4颗以上 – 卫星以L1（1 575.42MHz）和L2 （1 227.60MHz) 两个波段发射载波无线电信号，内容包括测距码 和导航电文 – 测距玛有P码（精码）和C/A码（粗搜索码）。 C/A码供民用的标准定位服务（SPS）；P码只供 美国军方和授权用户使用 – 导航电文内容包括卫星星历、电离层模型系数、 时间信息、卫星状态信息、星钟改正数以及漂移 信息等

– 差分观测量

一次差分观测量
– 星际一次差分观测量 – 历元间一次差分观测量 – 站际一次差分观测量

二次差分观测量
– 站际星际二次差分（双差）观测量 – 星际历元间二次差分观测量 – 站际历元间二次差分观测量

三次差分观测量
– 上述三种二次差分观测量中的任一种 再与第三要素求差
5. 差分GPS定位
4. 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 消除卫星钟与接收机 钟的钟差，削弱电离 层和对流层折射的影 响，消去整周模糊度 参数等，使基线精度 提高到10-6、10-7，甚 至达到10-8、10-9。

广域差分GPS系统（WADGPS）
– WADGPS由一个中心站、几个监控站、覆盖域内的用户站，以 及其间的数据通讯网络所组成 – 广域差分GPS的基本思想是对GPS观测量的各种误差源加以区 分，再分别对每一种误差源加以“模型化”，并将计算出的数 值通过数据链传输给用户，对用户的定位误差进行最有效的改 正，以达到明显地提高用户站的定位精度 – 广域差分GPS技术对误差进行区分的目的就是最大限度地降低 监测站与用户站间定位误差的时空相关性，克服局域差分GPS 技术对时空的强依赖性，以达到改善实时差分定位的精度和扩 大监控站至用户站之间距离的限制 – WADGPS是一个定位精度均匀分布的系统，且覆盖范围广，定 位精度比LADGPS高。采用广域差分GPS技术进行定位，在 3000km范围内，利用C/A码伪距单点定位的分量精度一般优于 2m，点位精度一般优于4m – WADGPS使用的硬件设备及通讯工具昂贵，软件技术复杂，运 行和维持费用高，且可靠性和安全性也不如单个的LADGPS
3. 载波相位测量
– 载波相位测量原理 – 载波相位测量的观测量
– 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

但面临着两个问题：
– 必须解求整周模糊度 – 经常需要探测并修复周跳
kj (tk ) j (tk tk kj (T )) k (tk ) Nkj
– L5将大大缩短整周模糊度的搜索时间，从 而使得动态定位和快速静态定位技术有更 大的发展
5. GPS以外的全球定位系统

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

INMARSAT系统
– 由国际移动卫星组织（原名国际海事卫 星组织（INMARSAT））筹建
– 差分GPS定位原理
差分GPS定位属于GPS相对 定位 差分GPS定位是将一台GPS 接收机安置在基准站上进行 观测，根据基准站的精密坐 标计算出基准站到卫星的距 离改正数，并由基准站实时 地将这一改正数发送出去。 用户接收机在与基准站接收 机进行同步观测的同时，也 接收到基准站的改正数，用 此对其定位结果进行改正， 从而提高用户站的定位精度

监控部分
– 1个主控站（设在美国的科罗拉 多） – 3个注入站（设在大西洋的阿森 松岛、印度洋的迪戈加西亚岛 和太平洋的卡瓦加兰岛） – 5个监控站（设在主控站、3个 注入站和美国的夏威夷）

用户部分
– GPS接收机
GPS卫星
GPS 卫星在轨道上的分布
GPS 的系统组成
空间部分
24颗GPS卫星组成

局域差分GPS系统（LADGPS）
– LADGPS的基础是在局域中建立一个差分 GPS基准站网，该网由若干基准站组成， 通常还包含一个或数个监控站，基准站 之间和基准站与用户站之间均有无线电 数据通讯链 – 局域中的用户通常是采用加权平均法或 最小二乘法对来自多个基准站的改正信 息（坐标改正数或距离改正数）进行平 差计算以求得自己的坐标改正数或距离 改正数 – 基准站与用户站间的距离通常在500km 以内才能获得较好的精度
测绘新技术讲座
◆GPS的现状与应用 ◆现代大地测量发展综述 ◆工程测量的现状与发展 ◆测绘科学的发展前景
第一讲 GPS的现状及应用
一、GPS的定义、系统组成与功能
1. GPS的定义
GPS是美国国防部为替代子午卫星系统 （NNSS）于1973年12月批准研制的卫 星导航系统。 它的全称是卫星测时测距导航/全球定位 系统（NAVSTAR/GPS；Navigation Satellite And Ranging/Global Positioning System）
3. GPS使用的安全性与完备性

GPS使用的安全性
– 安全性—GPS的C/A码在战时是否会关闭 – GPS具有安全性的理由 美国于1991年有言在先 众多商业用户的强大阻力 C/A码是P码的引导码 美国必须混合使用民用GPS接收机

GPS使用的完备性
– 完备性—发现精度不合格并能及时通知用户的能力 – 完备性的要求 能够及时检测出精度超限的情况 能在规定的时间内通知用户 美联邦航空管理局（FAA）要求精度限差为10m、 时间为10s。直至今日美国国防部仍未宣布已达到 完备性的要求
– 载波相位差分GPS 载波相位差分技术又称实时动态（RTK， Real Time Kinematic）定位技术，是实时处 理两个测站载波相位观测量的差分方法 载波相位差分方法分为修正法和乘法法两类。 前者是将基准站的载波相位修正值发送给用 户站，属于准RTK；后者是将基准站采集的 载波相位发送给用户站，属于真正的RTK 载波相位差分技术的关键是解求起始相位模 糊度 载波相位差分技术可使三维定位精度达到厘 米级，应用于海上精密定位、地形测图和地 籍测量等 载波相位差分技术也同样受到基准站至用户 站距离的限制
2. SA政策和AS政策

SA技术—选择可用性技术
– 包括ε技术δ技术 – 水平定位精度从20~30m降低到100m

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
AS技术—反电子欺骗技术
– 将P码加密为Y码

SA和AS实施的目的
– 使非特许用户不能获得高精度定位信息

用户的对策
– 采用DGPS技术对付SA政策 – 采用下面3种技术对付AS政策 P-W技术 L1、L2互相关技术 窄相关技术
用户部分
GPS接收机
监控站 注入站
控制部分
主控站
1个主控站 5个监控站 3个注入站
3. 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