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GPS测量原理及应用 版权信息
- ISBN：9787030154026
- 条形码：9787030154026 ; 978-7-03-015402-6
- 装帧：暂无
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>>
GPS测量原理及应用 内容简介
本书是作者在多年从事GPS卫星定位测量教学和应用研究的基础上撰写而成的。书中重点介绍了GPS静态和动态定位的原理，特别是利用载波相位进行静态相对定位和动态GPS差分定位的原理及作业方法，讨论了GPS卫星定位中的有关误差、控制网的设计与实施作业以及GPS在不同领域中的应用。*后，书中还介绍了Gelileo、GLONASS等优选卫星导航定位系统的结构、功能、特点及近期新发展。
GPS测量原理及应用 目录
目录
序
前言
第1章 GPS卫星定位测量基础 1
1.1 GPS定位系统概述 1
1.1.1 卫星大地测量的发展概况 1
1.1.2 GPS系统的组成 5
1.1.3 其他卫星导航定位系统 8
1.2 GPS定位系统的坐标系 9
1.2.1 天球概述 10
1.2.2 两种天球坐标系及其转换模型 12
1.2.3 极移与国际协议地极原点 15
1.2.4 两种地球坐标系及其转换模型 15
1.2.5 瞬时极（真）天球坐标系到瞬时极（真）地球坐标系的转换模型 18
1.2.6 WGS-84世界大地坐标系 19
1.3 GPS定位的时间系统 20
1.3.1 世界时系统 20
1.3.2 原子时 22
1.3.3 力学时 23
1.3.4 协调世界时 23
1.3.5 GPS时间系统 24
1.4 人造地球卫星的正常轨道运动 24
1.4.1 二体问题意义下卫星的运动方程 24
1.4.2 开普勒定律和卫星运动的轨道参数 25
1.4.3 卫星的瞬时位置计算 32
1.4.4 卫星运动的瞬时速度计算 34
1.5 人造地球卫星的受摄运动 35
1.5.1 卫星运动的摄动力和受摄运动方程 35
1.5.2 地球引力场摄动力及其对卫星轨道运动的影响 37
1.5.3 日、月引力摄动 39
1.5.4 太阳光压摄动 40
1.5.5 其他摄动力影响 40
思考题 41
第2章 GPS卫星信号及其测量原理 42
2.1 GPS卫星的测距码信号与伪距测量原理 42
2.1.1 码的基本概念 42
2.1.2 伪随机噪声码及其产生 43
2.1.3 GPS卫星的测距码信号 45
2.1.4 码相关伪距测量原理 47
2.2 GPS卫星的导航电文 48
2.2.1 导航电文的组成格式 48
2.2.2 导航电文的内容 49
2.3 GPS卫星星历 52
2.3.1 GPS卫星的预报星历 52
2.3.2 GPS卫星的后处理星历 53
2.4 GPS卫星的载波信号与相位测量原理 55
2.4.1 GPS卫星的载波信号 55
2.4.2 GPS卫星信号的调制 55
2.4.3 GPS卫星信号的解调 57
2.4.4 载波相位测量原理 59
2.5 美国政府关于GPS卫星信号的限制使用政策 60
2.5.1 GPS工作卫星的SA与AS技术 60
2.5.2 GPS用户的反限制技术措施 61
2.6 GPS信号接收机 62
2.6.1 GPS信号接收机的基本工作原理 62
2.6.2 GPS信号接收机分类 66
2.6.3 几种常见的测量型GPS信号接收机 68
思考题 71
第3章 GPS静态定位原理 73
3.1 GPS定位方法分类及其误差源 73
3.1.1 GPS定位方法分类 73
3.1.2 GPS测量误差概述 75
3.1.3 卫星星历误差 76
3.1.4 时钟误差 78
3.1.5 卫星信号传播误差 79
3.1.6 与接收设备有关的误差 85
3.2 静态绝对定位原理 87
3.2.1 伪距观测方程及其线性化 87
3.2.2 伪距法绝对定位解 88
3.2.3 卫星几何分布精度因子 90
3.3 静态相对定位原理 92
3.3.1 静态相对定位的一般概念 92
3.3.2 载波相位观测方程及其线性化 93
3.3.3 基线向量的单差模型及其解算 95
3.3.4 基线向量的双差和三差模型及其解算 99
3.3.5 相位观测量线性组合的相关性 102
3.4 整周未知数的确定方法与周跳分析 104
3.4.1 整周未知数的确定方法 105
3.4.2 周跳的探测与修复 109
3.5 GPS快速静态相对定位 112
3.5.1 准动态定位法 112
3.5.2 快速整周未知数解算原理 113
3.5.3 快速整周未知数求解方法 114
3.5.4 快速静态定位作业方式 116
思考题 117
第4章 GPS动态定位原理 118
4.1 GPS动态绝对定位原理 118
4.2 GPS动态相对定位与差分GPS 120
4.3 差分GPS定位原理 122
4.3.1 位置差分原理 122
4.3.2 伪距差分原理 123
4.3.3 相位平滑伪距差分 125
4.4 载波相位差分原理 128
4.4.1 载波相位差分GPS定位原理 128
1.4.2 整周未知数的动态求解 131
4.4.3 RTKGPS定位设备 134
4.5 动态相对定位中的坐标转换 135
4.5.1 三维空间直角坐标系下的坐标转换 135
4.5.2 平面坐标转换 136
4.6 广域差分GPS 137
4.6.1 单站差分GPS 137
4.6.2 局部区域差分GPS 138
4.6.3 广域差分GPS系统 139
思考题 142
第5章 GPS控制网的设计与外业工作 143
5.1 GPS网的构网特点与网形设计一般原则 143
5.1.1 GPS网的构网特点 143
5.1.2 GPS控制网的构网方式 144
5.1.3 GPS控制网网形设计的一般原则 146
5.2 GPS控制网的优化设计 146
5.2.1 GPS测量的特点以及优化设计的内容 147
5.2.2 GPS网基准的优化设计 148
5.2.3 GPS网的精度设计 149
5.2.4 GPS网精度设计实例 151
5.3 GPS网的可靠性设计 152
5.3.1 GPS网可靠性概念 152
5.3.2 传统控制网可靠性设计标准 153
5.3.3 GPS控制网可靠性设计标准 155
5.3.4 顾及可靠性标准的GPS网的设计 159
5.4 GPS测量的外业工作 161
5.4.1 选点与埋设标志 161
5.4.2 GPS接收机的检验 162
5.4.3 GPS卫星预报与观测调度计划 163
5.4.4 GPS外业观测工作 165
5.4.5 GPS相对定位作业模式 167
5.5 GPS基线向量解算与网平差概述 169
5.5.1 GPS基线向量解算 169
5.5.2 GPS网平差与坐标转换概述 170
5.6 GPS观测成果检验与技术总结 171
5.6.1 GPS观测成果的检验 171
5.6.2 GPS测量的技术总结与上交资料 172
思考题 173
第6章 GPS定位测量数据处理 174
6.1 概述 174
6.2 国家坐标系与地方独立坐标系 175
6.2.1 旋转椭球与参心坐标系 175
6.2.254 北京和 80西安国家坐标系 177
6.2.3 站心坐标系 179
6.2.4 地方独立坐标系 180
6.2.5 高斯平面直角坐标系和UTM坐标系 180
6.3 GPS定位测量中的坐标转换 183
6.3.1 空间直角坐标系与椭球大地坐标系的关系 183
6.3.2 三维坐标转换模型 185
6.3.3 三维坐标差转换模型 187
6.3.4 联合平差确定转换参数 188
6.4 GPS网的三维平差 190
6.4.1 三维无约束平差 191
6.4.2 GPS网的三维约束平差 193
6.4.3 GPS网的三维联合平差 195
6.4.4 GPS网的三维平差中若干问题的处理 196
6.5 GPS基线向量网的二维平差 201
6.5.1 GPS基线向量网的二维投影变换 202
6.5.2 GPS基线向量网的二维平差 205
6.5.3 GPS网平差约束基准兼容性检验 206
6.6 GPS高程 212
6.6.1 高程系统简介 212
6.6.2 GPS水准 214
6.6.3 GPS重力高程 217
6.6.4 GPS高程精度 218
思考题 219
第7章 GPS定位测量技术应用 220
7.1 GPS在大地测量与地球动力学研究中的应用 220
7.1.1 GPS在大地测量中的应用 220
7.1.2 GPS在地球动力学研究中的应用 225
7.2 GPS在灾害监测与预报中的应用 230
7.2.1 GPS在滑坡、矿山地面沉陷等灾害地质监测中的应用 230
7.2.2 GPS在大城市地面沉降监测中的应用 233
7.2.3 GPS在大坝、桥梁、海上钻井平台等工程形变监测中的应用 240
7.3 GPS在工程测量以及摄影测量与遥感技术中的应用 243
7.3.1 GPS在桥梁与隧道控制测量中的应用 244
7.3.2 GPS在各种线路工程测量中的应用 247
7.3.3 GPS在摄影测量与遥感技术中的应用 251
7.4 GPS定位技术的其他应用 254
7.4.1 GPS在海洋测绘中的应用 254
7.4.2 GPS在农业、林业与野外考查中的应用 258
7.4.3 GPS在导航、航天及天气预报中的应用 260
7.4.4 GPS测时、测速 265
思考题 266
第8章 现代全球卫星导航定位系统发展 268
8.1 全球导航卫星系统概述 268
8.2 俄罗斯卫星导航系统——GLONASS卫星系统 269
8.2.1 GLONASS系统的发展与结构 269
8.2.2 GLONASS系统频率和信号 270
8.2.3 现阶段GLONASS系统存在的问题与发展方向 271
8.3 欧洲卫星导航系统——Galileo系统 272
8.3.1 Galileo系统的结构和组成 272
8.3.2 Galileo系统的信号 275
8.3.3 Galileo系统的特点与GPS的同异及兼容性 277
8.4 北斗双星导航定位系统——RDSS系统 279
8.4.1 双星定位系统的组成 279
8.4.2 双星定位系统的定位原理及方法 280
8.4.3 双星导航定位系统的功能与特点 282
8.5 GPS现代化的构架与作用 284
8.5.1 现有GPS系统存在的问题 284
8.5.2 GPS现代化的构架 285
8.5.3 GPS现代化计划的进程安排 288
8.6 空间大地测量新技术简介 288
8.6.1 甚长基线干涉测量 288
8.6.2 卫星激光测距 291
8.6.3 卫星测高 293
8.6.4 合成孔径雷达干涉测量 294
8.6.5 由卫星集成的多普勒定轨和无线电定位系统 295
8.6.6 精密测距及其变率测量系统 296
思考题 296
参考文献 297
序
前言
第1章 GPS卫星定位测量基础 1
1.1 GPS定位系统概述 1
1.1.1 卫星大地测量的发展概况 1
1.1.2 GPS系统的组成 5
1.1.3 其他卫星导航定位系统 8
1.2 GPS定位系统的坐标系 9
1.2.1 天球概述 10
1.2.2 两种天球坐标系及其转换模型 12
1.2.3 极移与国际协议地极原点 15
1.2.4 两种地球坐标系及其转换模型 15
1.2.5 瞬时极（真）天球坐标系到瞬时极（真）地球坐标系的转换模型 18
1.2.6 WGS-84世界大地坐标系 19
1.3 GPS定位的时间系统 20
1.3.1 世界时系统 20
1.3.2 原子时 22
1.3.3 力学时 23
1.3.4 协调世界时 23
1.3.5 GPS时间系统 24
1.4 人造地球卫星的正常轨道运动 24
1.4.1 二体问题意义下卫星的运动方程 24
1.4.2 开普勒定律和卫星运动的轨道参数 25
1.4.3 卫星的瞬时位置计算 32
1.4.4 卫星运动的瞬时速度计算 34
1.5 人造地球卫星的受摄运动 35
1.5.1 卫星运动的摄动力和受摄运动方程 35
1.5.2 地球引力场摄动力及其对卫星轨道运动的影响 37
1.5.3 日、月引力摄动 39
1.5.4 太阳光压摄动 40
1.5.5 其他摄动力影响 40
思考题 41
第2章 GPS卫星信号及其测量原理 42
2.1 GPS卫星的测距码信号与伪距测量原理 42
2.1.1 码的基本概念 42
2.1.2 伪随机噪声码及其产生 43
2.1.3 GPS卫星的测距码信号 45
2.1.4 码相关伪距测量原理 47
2.2 GPS卫星的导航电文 48
2.2.1 导航电文的组成格式 48
2.2.2 导航电文的内容 49
2.3 GPS卫星星历 52
2.3.1 GPS卫星的预报星历 52
2.3.2 GPS卫星的后处理星历 53
2.4 GPS卫星的载波信号与相位测量原理 55
2.4.1 GPS卫星的载波信号 55
2.4.2 GPS卫星信号的调制 55
2.4.3 GPS卫星信号的解调 57
2.4.4 载波相位测量原理 59
2.5 美国政府关于GPS卫星信号的限制使用政策 60
2.5.1 GPS工作卫星的SA与AS技术 60
2.5.2 GPS用户的反限制技术措施 61
2.6 GPS信号接收机 62
2.6.1 GPS信号接收机的基本工作原理 62
2.6.2 GPS信号接收机分类 66
2.6.3 几种常见的测量型GPS信号接收机 68
思考题 71
第3章 GPS静态定位原理 73
3.1 GPS定位方法分类及其误差源 73
3.1.1 GPS定位方法分类 73
3.1.2 GPS测量误差概述 75
3.1.3 卫星星历误差 76
3.1.4 时钟误差 78
3.1.5 卫星信号传播误差 79
3.1.6 与接收设备有关的误差 85
3.2 静态绝对定位原理 87
3.2.1 伪距观测方程及其线性化 87
3.2.2 伪距法绝对定位解 88
3.2.3 卫星几何分布精度因子 90
3.3 静态相对定位原理 92
3.3.1 静态相对定位的一般概念 92
3.3.2 载波相位观测方程及其线性化 93
3.3.3 基线向量的单差模型及其解算 95
3.3.4 基线向量的双差和三差模型及其解算 99
3.3.5 相位观测量线性组合的相关性 102
3.4 整周未知数的确定方法与周跳分析 104
3.4.1 整周未知数的确定方法 105
3.4.2 周跳的探测与修复 109
3.5 GPS快速静态相对定位 112
3.5.1 准动态定位法 112
3.5.2 快速整周未知数解算原理 113
3.5.3 快速整周未知数求解方法 114
3.5.4 快速静态定位作业方式 116
思考题 117
第4章 GPS动态定位原理 118
4.1 GPS动态绝对定位原理 118
4.2 GPS动态相对定位与差分GPS 120
4.3 差分GPS定位原理 122
4.3.1 位置差分原理 122
4.3.2 伪距差分原理 123
4.3.3 相位平滑伪距差分 125
4.4 载波相位差分原理 128
4.4.1 载波相位差分GPS定位原理 128
1.4.2 整周未知数的动态求解 131
4.4.3 RTKGPS定位设备 134
4.5 动态相对定位中的坐标转换 135
4.5.1 三维空间直角坐标系下的坐标转换 135
4.5.2 平面坐标转换 136
4.6 广域差分GPS 137
4.6.1 单站差分GPS 137
4.6.2 局部区域差分GPS 138
4.6.3 广域差分GPS系统 139
思考题 142
第5章 GPS控制网的设计与外业工作 143
5.1 GPS网的构网特点与网形设计一般原则 143
5.1.1 GPS网的构网特点 143
5.1.2 GPS控制网的构网方式 144
5.1.3 GPS控制网网形设计的一般原则 146
5.2 GPS控制网的优化设计 146
5.2.1 GPS测量的特点以及优化设计的内容 147
5.2.2 GPS网基准的优化设计 148
5.2.3 GPS网的精度设计 149
5.2.4 GPS网精度设计实例 151
5.3 GPS网的可靠性设计 152
5.3.1 GPS网可靠性概念 152
5.3.2 传统控制网可靠性设计标准 153
5.3.3 GPS控制网可靠性设计标准 155
5.3.4 顾及可靠性标准的GPS网的设计 159
5.4 GPS测量的外业工作 161
5.4.1 选点与埋设标志 161
5.4.2 GPS接收机的检验 162
5.4.3 GPS卫星预报与观测调度计划 163
5.4.4 GPS外业观测工作 165
5.4.5 GPS相对定位作业模式 167
5.5 GPS基线向量解算与网平差概述 169
5.5.1 GPS基线向量解算 169
5.5.2 GPS网平差与坐标转换概述 170
5.6 GPS观测成果检验与技术总结 171
5.6.1 GPS观测成果的检验 171
5.6.2 GPS测量的技术总结与上交资料 172
思考题 173
第6章 GPS定位测量数据处理 174
6.1 概述 174
6.2 国家坐标系与地方独立坐标系 175
6.2.1 旋转椭球与参心坐标系 175
6.2.254 北京和 80西安国家坐标系 177
6.2.3 站心坐标系 179
6.2.4 地方独立坐标系 180
6.2.5 高斯平面直角坐标系和UTM坐标系 180
6.3 GPS定位测量中的坐标转换 183
6.3.1 空间直角坐标系与椭球大地坐标系的关系 183
6.3.2 三维坐标转换模型 185
6.3.3 三维坐标差转换模型 187
6.3.4 联合平差确定转换参数 188
6.4 GPS网的三维平差 190
6.4.1 三维无约束平差 191
6.4.2 GPS网的三维约束平差 193
6.4.3 GPS网的三维联合平差 195
6.4.4 GPS网的三维平差中若干问题的处理 196
6.5 GPS基线向量网的二维平差 201
6.5.1 GPS基线向量网的二维投影变换 202
6.5.2 GPS基线向量网的二维平差 205
6.5.3 GPS网平差约束基准兼容性检验 206
6.6 GPS高程 212
6.6.1 高程系统简介 212
6.6.2 GPS水准 214
6.6.3 GPS重力高程 217
6.6.4 GPS高程精度 218
思考题 219
第7章 GPS定位测量技术应用 220
7.1 GPS在大地测量与地球动力学研究中的应用 220
7.1.1 GPS在大地测量中的应用 220
7.1.2 GPS在地球动力学研究中的应用 225
7.2 GPS在灾害监测与预报中的应用 230
7.2.1 GPS在滑坡、矿山地面沉陷等灾害地质监测中的应用 230
7.2.2 GPS在大城市地面沉降监测中的应用 233
7.2.3 GPS在大坝、桥梁、海上钻井平台等工程形变监测中的应用 240
7.3 GPS在工程测量以及摄影测量与遥感技术中的应用 243
7.3.1 GPS在桥梁与隧道控制测量中的应用 244
7.3.2 GPS在各种线路工程测量中的应用 247
7.3.3 GPS在摄影测量与遥感技术中的应用 251
7.4 GPS定位技术的其他应用 254
7.4.1 GPS在海洋测绘中的应用 254
7.4.2 GPS在农业、林业与野外考查中的应用 258
7.4.3 GPS在导航、航天及天气预报中的应用 260
7.4.4 GPS测时、测速 265
思考题 266
第8章 现代全球卫星导航定位系统发展 268
8.1 全球导航卫星系统概述 268
8.2 俄罗斯卫星导航系统——GLONASS卫星系统 269
8.2.1 GLONASS系统的发展与结构 269
8.2.2 GLONASS系统频率和信号 270
8.2.3 现阶段GLONASS系统存在的问题与发展方向 271
8.3 欧洲卫星导航系统——Galileo系统 272
8.3.1 Galileo系统的结构和组成 272
8.3.2 Galileo系统的信号 275
8.3.3 Galileo系统的特点与GPS的同异及兼容性 277
8.4 北斗双星导航定位系统——RDSS系统 279
8.4.1 双星定位系统的组成 279
8.4.2 双星定位系统的定位原理及方法 280
8.4.3 双星导航定位系统的功能与特点 282
8.5 GPS现代化的构架与作用 284
8.5.1 现有GPS系统存在的问题 284
8.5.2 GPS现代化的构架 285
8.5.3 GPS现代化计划的进程安排 288
8.6 空间大地测量新技术简介 288
8.6.1 甚长基线干涉测量 288
8.6.2 卫星激光测距 291
8.6.3 卫星测高 293
8.6.4 合成孔径雷达干涉测量 294
8.6.5 由卫星集成的多普勒定轨和无线电定位系统 295
8.6.6 精密测距及其变率测量系统 296
思考题 296
参考文献 297
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GPS测量原理及应用 节选
第1章 GPS卫星定位测量基础 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的迅速发展而建立起来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。本章介绍GPS卫星定位测量的基础知识，包括GPS系统简介、卫星定位测量采用的坐标系统和时间系统、GPS卫星的轨道运动和星历计算等内容。 1.1 GPS定位系统概述 1.1.1 卫星大地测量的发展概况 1957年10月4日，世界上**颗人造地球卫星（SPUTNIK-1）发射成功，标志着空间科学技术的发展进入到了一个崭新的时代。随着人造地球卫星的不断入轨运行，利用人造地球卫星进行定位测量已成为现实。20世纪60年代卫星定位测量技术问世，并逐渐发展成为利用人造地球卫星解决大地测量问题的一项空间技术。卫星定位测量技术的发展过程可归结为三个阶段：卫星三角测量、卫星多普勒定位测量、GPS卫星定位测量。 1.卫星三角测量原理 卫星定位测量技术问世之初，人造地球卫星仅仅作为一种空间的动态观测目标，由地面测站拍摄卫星的瞬时位置而测定地面点的坐标，称为卫星三角测量。设A、B是地面上两个已知点，C是待定点（图1-1），A、C两个测站用卫星摄影仪（记时照相仪）同步拍摄卫星S1的相片，由此得到的摄影底片，既有卫星S1在两张相片上的同步影像Sa和Sc，又有某些恒星的影像S.在天文年历中可查出恒星S。的坐标，并以此为起算数据在相片上量算Sa和Sc的坐标，进而推算方向AS1和CS1，获得同步平面ACS1。用同样的方法观测另一颗卫星S2，可得另一同步平面ACS2。两平面的交线即弦AC。类似地，在B、C设站，同样观测卫星S1和S2，则可得弦BC。弦AC与BC的交点，即待定点C。如果A、B两测站位于大陆，而C点在远海岛屿上，用上述卫星三角测量的方法可实现大陆与海岛间的联测定位，这是常规大地测量技术所不及的。 图1-1 卫星三角测量原理 1966~1972年间，美国国家大地测量局（NGS）在美国和联邦德国测绘部门的协助下，应用上述卫星三角测量的方法，测量了具有45个测站的全球三角网，并获得了5m的点位精度。但是，卫星三角测量资料处理过程复杂，且定位精度不高，不能获得待定点三维地心坐标，因此，目前已成为一种过时的测量技术。卫星三角测量是卫星定位测量历史发展的初级阶段，随着科学技术的进一步发展，卫星定位测量由初级阶段进入了高级阶段。 2.卫星多普勒定位测量 1958年12月，美国海军和詹斯 霍普金斯（Johns Hopkins）大学应用物理实验室开始联合研制美国海军导航卫星系统（navy navigation satellite system），简称NNSS系统。1959年9月发射了**颗试验卫星。美国海军研制NNSS系统的目的，是给“北极星”核潜艇提供全球性导航系统。经过几年试验研究，该系统于1964年建成并投入使用。1967年美国政府宣布：NNSS系统解密提供民用。NNSS系统又称子午卫星导航系统，由6颗工作卫星组成子午卫星星座。卫星高度在950~1200km之间，运行周期约为107min，卫星轨道近似圆形且经过地球南、北极上空，故称子午卫星（Transit）。子午卫星导航系统的出现，标志着卫星大地测量技术由初级阶段进入高级阶段，其特点是：①卫星不再作为一种单纯的空间动态观测目标，而是通过其轨道参数介入定位计算的动态已知点。②观测不再采用传统的几何模式，而是通过地面测站接收卫星发射的信号测定站星距离来定位。利用子午卫星射电信号测定地面点位置的技术，称为卫星多普勒定位技术，其基本原理基于奥地利物理学家多普勒（Christian Doppler，1803~1853）于1842年发现的多普勒效应：当波源与观测者作相对运动时，波源发射频率与观测者接收频率之间具有以下关系： （1-1） 式中，f为波源发射频率；f为测站接收频率；c为光速；α为波源运动方向与测站方向间的夹角；v为波源运动速度（图1-2）。 由图1-2，卫星即波源运动的向径速度ρv可表示为 （1-2） 图1-2 多普勒效应示意图 代入式（1-1），整理后可得 （1-3） 记Δf=fs-fr称为多普勒频移，于是有 （1-4） 多普勒频移一经确定，即可求出ρv，积分后可得卫星与测站间的距离ρ。如果已知卫星在地心空间直角坐标系中的瞬时位置向量r，并由卫星多普勒定位技术测得站星距离向量ρ，那么测站位置向量R就可由式（1-5）求得（图1-3）： 图1-3 卫星定位测量原理 R=r-ρ（1-5） 卫星多普勒定位技术具有经济、快速和不受天气、时间限制等许多优点。在地球上任何地方只要能见到子午卫星，便可进行单点定位和联测定位，采集两天数据可获得具有分米级定位精度的测站三维地心坐标。许多国家都采用了卫星多普勒定位技术。美洲各国大约测定了500多个多普勒点；西欧各国测定了30多个多普勒点；法国除在本土建立了多普勒网以外，还在阿尔及利亚、利比亚、圭亚那和加蓬等国测定了115个多普勒点。我国也测定了近百个多普勒点，并布设了全国性的多普勒网，实现了大陆和西沙、南沙群岛的联测。尽管卫星多普勒定位技术在导航与定位技术的发展过程中具有划时代的意义，子午卫星系统被称为**代卫星导航定位系统，但是该系统仍有许多明显的缺点，主要是： （1）卫星颗数少，不能实现连续实时导航定位 由于子午卫星星座仅有6颗工作卫星，且运行轨道都通过地球南、北极上空（图1-4）。因而地面测站观测到卫星的时间间隔较短（平均1.5h）。同一颗子午卫星，每天通过测站上空的次数*多为13次，而一台卫星多普勒接收机一般需要成功地观测15次卫星通过，才能达到±10m的单点定位精度。当所有测站观测了17次卫星通过时，联测定位精度才能达到±0.5m。由于卫星通过测站上空的时间太短，而需要的观测时间又过长，所以无法提供连续、实时的三维导航和定位服务。 图1-4 子午卫星运行图 （2）卫星轨道高度低，难以实现精密定轨 子午卫星飞行的平均高度为1070km，属于低轨道卫星。在这种情况下，地球引力场模型误差，大气密度、卫星质面比、大气阻力系数等摄动因子误差，大气阻力模型误差，都将阻碍子午卫星定轨精度的提高。子午卫星星历参数的精度较低，致使卫星多普勒的定位精度局限在米级水平。 （3）信号频率低，难以补偿电离层效应的影响 子午卫星射电信号的频率为400MHz和150MHz，用这两种频率的信号进行双频多普勒定位时，只能削弱电离层效应的低阶项影响，而难以削弱电离层效应的高阶项影响。而电离层效应的高阶项影响，在地球赤道附近将导致测站高程产生±1m以上的偏差。 子午卫星导航定位系统的上述缺陷，使其应用受到较大的限制。为了突破子午卫星导航系统的局限性，实现全天候、全球性和高精度的实时导航与定位，美国国防部于1973年12月批准陆海空三军联合研制了一种新的军用卫星导航系统——NAVSTARGPS（navigation system timing and ranging global positioning system），即导航卫星测时与测距全球定位系统，简称GPS卫星全球定位系统。 3.GPS卫星定位测量 GPS系统的研制计划分3个阶段实施： 1）原理与可行性实验阶段，1973年12月到1978年2月22日**颗试验卫星发射成功，历时5年。 2）系统研制与实验阶段，1978年2月22日到1989年2月14日**颗工作卫星发射成功，历时11年。 3）工程发展与完成阶段，1989年2月14日到1995年4月27日，历时7年。1995年4月27日美国国防部宣布：“GPS系统已具备运作能力”，在全世界任何地方都可以实现全天候的导航、定位和定时。GPS计划历时23年、耗资130多亿美元，截止2000年在轨道上正常工作的卫星有28颗，其中26颗为早期发射的BLOCKⅡA型卫星，2颗为1999年发射的BLOCKⅡR型卫星。 GPS系统是第二代卫星导航定位系统，它的出现导致测绘行业一场深刻的技术革命。和子午卫星导航定位系统相比，GPS系统具有如下一些显著的优点。 （1）提供全天候、全球性的导航、定位服务 GPS系统卫星数目多而且分布合理，地球上任何地点、任意时刻均可连续同步观测到4颗以上卫星，从而保证了该系统导航、定位服务的全天候和全球性。 （2）可进行高精度、高速度的实时精密导航和定位 GPS卫星在轨道平均高度、卫星钟稳定度以及信号频率等方面，都比子午卫星提高了1个数量级以上，其定位精度也相应地提高到厘米甚至毫米级，观测时间则缩短到几小时甚至几秒钟。目前，GPS单点实时定位观测几秒钟，定位精度可达10~15m；静态相对定位观测1~3h，精度可达10-6~10-7；如采用快速静态相对定位技术，观测时间可缩短到几分钟。近期发展起来的GPS差分动态定位技术（DGPS）和相位差分动态定位技术（RTKGPS），进一步缩短了观测时间，提高了定位精度，实现了厘米级实时导航和定位。图1-5比较了各种定位方法的精度，该图说明，在5~500km距离内，GPS定位的精度优于其他各种定位方法。GPS信号除了用于导航、定位以外，还可用于高精度的测速和测时。目前，GPS测速精度可达0.1m/s，而测时精度为数十纳米。 （3）用途广泛，操作简便 GPS技术的用途十分广泛，诸如海空导航、车辆引行、导弹制导、精密定位、工程测量、动态观测、设备安装、时间传递、速度测量等许多方面，都可以应用这一技术。尤其是对于大地和工程测量来讲，GPS定位技术不仅精度高、速度快，而且自动化程度很高，操作十分简便。在一个测站上，作业员仅需安置和开关仪器、量取天线高，以及监视仪器的工作状态，而捕获、跟踪卫星、记录卫星信号等一系列测量工作都由仪器自动完成。 1.1.2 GPS系统的组成 GPS系统由3部分组成：空间部分、地面监控部分和用户接收设备部分。 1.空间部分——GPS卫星星座 GPS卫星星座由24颗卫星组成，其中21颗工作卫星、3颗备用卫星，均匀分布在6个地心轨道平面内（图1-6），每个轨道4颗卫星。卫星轨道平面相对地球赤道面的倾角为55°，各个轨道平面的升交点赤经相差60°，轨道平均高度20200km，卫星运行周期为11小时58分（恒星时），同一轨道上各卫星的升交角距为90°。GPS卫星的上述时空配置，保证了地球上的任何地点，在任何时刻均至少可以同时观测到4颗卫星，以满足精密导航和定位的需要（图1-7）。 图1-5 GPS和其他各种定位方法的精度比较 图1-6 GPS工作卫星星座及卫星分布 图1-7 GPS卫星星座的地面轨迹 GPS卫星的主体呈圆柱形，直径约为1.5m，重约774kg（包括310kg燃料），两侧各安装两块双叶太阳能电池板，能自动对日定向，以保证卫星正常工作的用电（图1-8）。每颗GPS卫星带有4台高精度原子钟，其中2台为铷钟，2台为铯钟。原子钟为GPS定位提供高精度的时间标准。 图1-8 GPS卫星示意图 GPS卫星的3个基本功能是： 1）执行地面监控站的指令，接收和储存由地面监控站发来的导航信息。 2）向GPS用户播送导航电文，提供导航和定位信息。 3）通过高精度卫星钟（铯钟和铷钟）向用户提供精密的时间标准。 GPS卫星上设有微处理机，可进行必要的数据处理工作，并可根据地面监控站指令，调整卫星姿态、启动备用卫星。迄今已发射的GPS卫
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