1、1第四章第四章 全球定位系统定位方法和测量全球定位系统定位方法和测量 2第四章第四章 全球定位系统定位方法和测量全球定位系统定位方法和测量 一、本章学习目的一、本章学习目的 了解了解GPS的全球定位系统的定位方法和测量，的全球定位系统的定位方法和测量，了解了解GPS政策及各国采取的对策，掌握政策及各国采取的对策，掌握GPS采采点方法。点方法。 二、本章学习内容二、本章学习内容 GPS定位方法定位方法 GPS定位采点使用方法测量定位采点使用方法测量 美国政府的美国政府的GPS政策及中国对策政策及中国对策3第一节第一节 GPS定位方法定位方法 定位方法按照天线状态、定位模式、处理时效、基本测定位方
2、法按照天线状态、定位模式、处理时效、基本测量以及不同用途等分为许多种。不同的方法，获得的成量以及不同用途等分为许多种。不同的方法，获得的成果、达到的精度不同，所用仪器数量、功能和应用目的果、达到的精度不同，所用仪器数量、功能和应用目的也不同。也不同。 静态定位：接收机天线在地球坐标系中某固定点不动的静态定位：接收机天线在地球坐标系中某固定点不动的定位。定位。 动态定位：接收机天线安置在运动载体上的定位。动态定位：接收机天线安置在运动载体上的定位。 定位方法按照定位分为：定位方法按照定位分为： 1、单点定位、单点定位 2、静态相对定位、静态相对定位 3、差分定位、差分定位4第一节第一节 GPS定
3、位方法定位方法 1、单点定位、单点定位 只使用一台接收机的定位，可分为只使用一台接收机的定位，可分为 （1 1）静态定位）静态定位包括静态测码伪距单点定位和静态测包括静态测码伪距单点定位和静态测相伪距单点定位相伪距单点定位 （2 2）动态单点定位）动态单点定位 包括动态测码伪距单点定位和包括动态测码伪距单点定位和动态测相伪距单点定位动态测相伪距单点定位5第一节第一节 GPS定位方法定位方法 2 2、静态相对定位、静态相对定位 静态相对定位的基本原理是在基线的两个端点安置静态相对定位的基本原理是在基线的两个端点安置接收机测定基线向量，通过建立单差、双差和三差观测接收机测定基线向量，通过建立单差、
4、双差和三差观测模型消除相同误差或抵消相近误差。模型消除相同误差或抵消相近误差。 3 3、差分定位、差分定位 动态相对定位的基本原理是在两个测站上安置接收动态相对定位的基本原理是在两个测站上安置接收机同步观测，其中一个测站的空间位置是已知点，通过机同步观测，其中一个测站的空间位置是已知点，通过对已知点的观测得到已知数据与观测数据之间的差值，对已知点的观测得到已知数据与观测数据之间的差值，然后用此差值对未知点的观测数据进行改正。主要有伪然后用此差值对未知点的观测数据进行改正。主要有伪距差分、位置差分、载波相位差分等基本定位模式。距差分、位置差分、载波相位差分等基本定位模式。6第一节第一节 GPS定
5、位方法定位方法 3 3、差分定位、差分定位 （1 1）伪距差分）伪距差分 基本思想是：一定的区域内同一时刻，已知坐标的基基本思想是：一定的区域内同一时刻，已知坐标的基准站与待求坐标的用户流动站同时测定的伪距受到同样准站与待求坐标的用户流动站同时测定的伪距受到同样的误差影响，可以通过基准站测定的伪距与已知几何距的误差影响，可以通过基准站测定的伪距与已知几何距离的差值对流动站的伪距进行改正，用以消除相同误差离的差值对流动站的伪距进行改正，用以消除相同误差对伪距观测值的影响。基准站分发给用户的伪距改正数，对伪距观测值的影响。基准站分发给用户的伪距改正数，是由卫星星历是由卫星星历( (广播星历或精密星
6、历广播星历或精密星历) )和基准站已知坐标和基准站已知坐标计算的基准站至卫星的实际几何距离与基准站测定伪距计算的基准站至卫星的实际几何距离与基准站测定伪距之差。之差。 7第一节第一节 GPS定位方法定位方法 （2 2）位置差分）位置差分 位置差分的基本思想是：一定的区域内同一时刻，位置差分的基本思想是：一定的区域内同一时刻，已知坐标的基准站与待求坐标的用户流动站同时测定已知坐标的基准站与待求坐标的用户流动站同时测定的坐标受到同样的误差影响，可以通过基准站测定的的坐标受到同样的误差影响，可以通过基准站测定的坐标与已知坐标的差值对流动站的坐标进行改正，用坐标与已知坐标的差值对流动站的坐标进行改正，
7、用以消除相同误差对坐标观测值的影响。基准站分发给以消除相同误差对坐标观测值的影响。基准站分发给用户的坐标改正数，是基准站已知坐标与观测坐标之用户的坐标改正数，是基准站已知坐标与观测坐标之差。差。 8第一节第一节 GPS定位方法定位方法 （3 3）位置差分载波相位差分）位置差分载波相位差分 载波相位差分定位原理与伪距差分相似：由基准载波相位差分定位原理与伪距差分相似：由基准站接收机对卫星进行连续跟踪观测，并将观测数据与站接收机对卫星进行连续跟踪观测，并将观测数据与测站信息实时分发给用户站；用户站同步连续跟踪观测站信息实时分发给用户站；用户站同步连续跟踪观测卫星和接收基准站信息，并按照相对定位原理
8、进行测卫星和接收基准站信息，并按照相对定位原理进行数据处理，确定用户站空间坐际。数据处理，确定用户站空间坐际。 9第一节第一节 GPS定位方法定位方法 4 4、定位误差影响因素：、定位误差影响因素： 影响卫星定位精度误差来源十分复杂，可归结为四种：影响卫星定位精度误差来源十分复杂，可归结为四种： 卫星相关误差（卫星星历、卫星钟误差等）；卫星相关误差（卫星星历、卫星钟误差等）； 信号传播误差（电离层折射误差、对流层折射误差、多信号传播误差（电离层折射误差、对流层折射误差、多路径效应与多路径误差等）；路径效应与多路径误差等）； 接收机相关误差（观测误差、接收机钟差、天线相对中接收机相关误差（观测误
9、差、接收机钟差、天线相对中心位置偏差等）；心位置偏差等）； 其他误差如地球自转引起的误差、地球潮汐引起的误差。其他误差如地球自转引起的误差、地球潮汐引起的误差。10 GPS GPS用户接收机有几种型号，使用方法大同小异。用户接收机有几种型号，使用方法大同小异。使用步骤可表述如下：使用步骤可表述如下： 一、前期准备工作一、前期准备工作 （一）采点勘测路线设计：在一大片区域中一次布（一）采点勘测路线设计：在一大片区域中一次布设数十个甚至上百个点，这就要在地形图或其它草设数十个甚至上百个点，这就要在地形图或其它草图上以最小路径为原则勾画出采点的编号、顺次，图上以最小路径为原则勾画出采点的编号、顺次，
10、以便实施勘测采点有序高效地进行。以便实施勘测采点有序高效地进行。第二节第二节 GPS定位采点使用方法测量定位采点使用方法测量 11 （二）接收机参数设置：通常接收机要求设置以下参（二）接收机参数设置：通常接收机要求设置以下参数数 1 1、时区，即采点勘测地区所在的地理时区，如北、时区，即采点勘测地区所在的地理时区，如北京地区所在时区为东八区，应设置为京地区所在时区为东八区，应设置为“0808：00”00”； 2 2、时间间隔、时间间隔 即每采一个点所需停留的最小时间。即每采一个点所需停留的最小时间。时间间隔的下限一般为时间间隔的下限一般为1s1s，不存在上限。，不存在上限。 3 3、坐标基准设
11、置、坐标基准设置 一般设置为一般设置为“WGS 1984”WGS 1984”。 4 4、语系设置、语系设置 一般设置中文，即一般设置中文，即“Chinese”Chinese”。第二节第二节 GPS定位采点使用方法测量定位采点使用方法测量 12 （三）数据字典设置：数据字典与数据库的字段名、（三）数据字典设置：数据字典与数据库的字段名、属性等类似。它界定了所采集数据的名称、类型。属性等类似。它界定了所采集数据的名称、类型。数据字典中数据类型共分数据字典中数据类型共分3 3种：点、线、面。确定种：点、线、面。确定所测地物类型，编制相应的数据字典后，即可到野所测地物类型，编制相应的数据字典后，即可到
12、野外实地进行测量。外实地进行测量。第二节第二节 GPS定位采点使用方法测量定位采点使用方法测量 13二、野外测量二、野外测量 （一）一些型号系列的用户接收机可以兼当基准站用，（一）一些型号系列的用户接收机可以兼当基准站用，只需将用户接收机备选功能键下置于只需将用户接收机备选功能键下置于“基准站基准站”功能功能下而成为基准站；下而成为基准站； （二）启动用户接收机后，选择适当的文件名，按预（二）启动用户接收机后，选择适当的文件名，按预先设置采点顺次，即可开始逐点测试采点位置坐标。先设置采点顺次，即可开始逐点测试采点位置坐标。采点时，测试站点不能设置在树下、建筑物墙脚、高采点时，测试站点不能设置在
13、树下、建筑物墙脚、高压线附近等。这主要是压线附近等。这主要是GPSGPS无线电通讯信号穿透能力无线电通讯信号穿透能力较差，这些地点用户接收机不能用无线电信号与较差，这些地点用户接收机不能用无线电信号与4 4颗颗以上卫星相联络，因而这些地点坐标往往不成功。以上卫星相联络，因而这些地点坐标往往不成功。第二节第二节 GPS定位采点使用方法测量定位采点使用方法测量 1415基准站和移动站作业模式基准站和移动站作业模式16 三、内业处理三、内业处理 目前的目前的GPSGPS用户接收机一般具有用户接收机一般具有2M2M的内存，野外获的内存，野外获取的点位坐标数据以关系型数据格式存贮于机内，测取的点位坐标数
14、据以关系型数据格式存贮于机内，测试完毕后，可输入计算机，支持用户用多种软件做进试完毕后，可输入计算机，支持用户用多种软件做进一步处理。一步处理。 （一）由用户选择坐标系的种类，如地理坐标经纬度（一）由用户选择坐标系的种类，如地理坐标经纬度与高程。与高程。 （二）在用户指令下，系统自动实现数据传输，并以（二）在用户指令下，系统自动实现数据传输，并以选定的坐标系实现数据的转换。选定的坐标系实现数据的转换。 第二节第二节 GPS定位采点使用方法测量定位采点使用方法测量 17 三、内业处理三、内业处理 对于差分对于差分GPSGPS，还需要增加输入时区名称，时，还需要增加输入时区名称，时差参数，游动的用
15、户接收机数据文件名，基准站差参数，游动的用户接收机数据文件名，基准站文件，差分改正方式等。对于一部分差分文件，差分改正方式等。对于一部分差分GPSGPS设备，设备，在测试现场不能得到测试结果，只能回到室内，在测试现场不能得到测试结果，只能回到室内，经计算机软件进行数据处理后才能得到测试结果，经计算机软件进行数据处理后才能得到测试结果，这种这种GPSGPS工作方式称作工作方式称作后处理差分。后处理差分。第二节第二节 GPS定位采点使用方法测量定位采点使用方法测量 18 由于全球定位系统在军事上有重要作用，因此，由于全球定位系统在军事上有重要作用，因此，美国政府决定采用美国政府决定采用SA(Sel
16、ective AvailabilitySA(Selective Availability选选择可用性择可用性) )技术和技术和AS(AntiAS(AntiSpoofingSpoofing反电子诱骗反电子诱骗) )技术，把未经美国军方许可的广大用户的实时定位技术，把未经美国军方许可的广大用户的实时定位精度降低到它所允许的水平精度降低到它所允许的水平100m100m，以保护美国国，以保护美国国家利益。家利益。第三节第三节 美国政府的美国政府的GPS政策及中国对策政策及中国对策 19 一、一、SASA技术技术 主要包括下列两个内容主要包括下列两个内容 有意识地在广播星历中加入误差，在有意识地在广播星
17、历中加入误差，在(1-1)(1-1)式中起始计算式中起始计算数据数据Xi,Yi,ZiXi,Yi,Zi中加入误差，使星历精度降低，称之为中加入误差，使星历精度降低，称之为技术。技术。 有意识地在卫星钟的钟频信号中加入误差，使钟频相对于有意识地在卫星钟的钟频信号中加入误差，使钟频相对于标准频率标准频率10.20MHz10.20MHz产生产生2Hz2Hz的抖动，变化周期约的抖动，变化周期约1010分钟，从分钟，从而使而使(1)(1)式中式中SiSi有误差，即降低观测值精度，称之为有误差，即降低观测值精度，称之为技术。技术。 二、二、ASAS技术技术 所谓所谓ASAS技术指的就是对技术指的就是对P P
18、码码( (精码精码) )的码结构进行保密，以的码结构进行保密，以防敌对方进行电子干扰和电子诱骗。具体措施是将防敌对方进行电子干扰和电子诱骗。具体措施是将P P码与保密码与保密的的W W码相加，形成更为保密的码相加，形成更为保密的Y Y码，只有美军、美军盟军及经美码，只有美军、美军盟军及经美国政府特许的用户才可使用之。国政府特许的用户才可使用之。第三节第三节 美国政府的美国政府的GPS政策及中国对策政策及中国对策 20 三、三、SASA和和ASAS及中国对策及中国对策 美国政府的美国政府的GPSGPS政策实质上就是把政策实质上就是把GPSGPS按照美国安全利按照美国安全利益分为内外有别的两类用户
19、。自己内部用户使用精码测距益分为内外有别的两类用户。自己内部用户使用精码测距和未降低精度的星历和未降低精度的星历( (精密星历，后处理星历精密星历，后处理星历) )实施定位，实施定位，以获得较高定位精度的服务，即精密定位服务以获得较高定位精度的服务，即精密定位服务(PPS)(PPS)；其余；其余用户则是利用用户则是利用C/AC/A码码( (粗码粗码) )测距和降低了精度的星历测距和降低了精度的星历( (广播广播星历星历) )实施定位，即所谓的标准定位服务实施定位，即所谓的标准定位服务(SPS)(SPS)。目前，。目前，PPSPPS的定位精度为的定位精度为16m16m，而，而SPSSPS的定位精
20、度为的定位精度为100m100m。SASA和和ASAS的实施严重损坏了一般用户的单点实时定位精度，同时也的实施严重损坏了一般用户的单点实时定位精度，同时也限制了限制了GPSGPS在许多高精度定位领域中实时定位的应用范围。在许多高精度定位领域中实时定位的应用范围。于是，全世界范围内展开了对抗于是，全世界范围内展开了对抗SASA和和ASAS的研究，主要对策的研究，主要对策有：有： 第三节第三节 美国政府的美国政府的GPS政策及中国对策政策及中国对策 21 ( (一一) )差分定位系统的建立差分定位系统的建立 GPSGPS定位中存在着多项误差来源：卫星星历误差，测定位中存在着多项误差来源：卫星星历误
21、差，测距误差，接收机和卫星钟差，对流层延迟，电离层延迟，距误差，接收机和卫星钟差，对流层延迟，电离层延迟，卫星运动的摄动力影响等。差分卫星运动的摄动力影响等。差分GPSGPS，即，即DGPS(Differential GPS)DGPS(Differential GPS)正是为消除或减弱这些误差，正是为消除或减弱这些误差，提高定位精度而提出的，由于上述各项误差从整体上而提高定位精度而提出的，由于上述各项误差从整体上而言，都具有良好的空间相关性，当相邻两个测站上的言，都具有良好的空间相关性，当相邻两个测站上的GPSGPS接收机同步观测同一组卫星，两站距离较近接收机同步观测同一组卫星，两站距离较近(
22、100km)(100km)，且其中一站坐标已知，通过，且其中一站坐标已知，通过GPSGPS定位坐标和定位坐标和已知坐标比较，就能知道上述误差对未知站的影响，加已知坐标比较，就能知道上述误差对未知站的影响，加入相应的改正数就能消除之。入相应的改正数就能消除之。第三节第三节 美国政府的美国政府的GPS政策及中国对策政策及中国对策 22 或者说，通过两个测站上的观测值求差，就能有效地或者说，通过两个测站上的观测值求差，就能有效地消减上述误差。通过数据链消减上述误差。通过数据链( (无线通讯电台无线通讯电台) )将这些数据实将这些数据实时传递，进而就能实时地确定点的三维坐标。时传递，进而就能实时地确定
23、点的三维坐标。 差分定位按时间状态可分为实时差分和后处理差分；差分定位按时间状态可分为实时差分和后处理差分；在资源和环境中，通常采用在资源和环境中，通常采用RTD(Real Time differential RTD(Real Time differential GPS for codeGPS for code以码相位为观测值的实时差分以码相位为观测值的实时差分GPSGPS定位定位技术技术) )和和RTK(Real Time KinematicRTK(Real Time Kinematic differential GPS differential GPS for carrier phasef
24、or carrier phase以载波相位为观测值的实时动态以载波相位为观测值的实时动态差分技术差分技术) )。依据差分改正的方法和数学模型的不同，。依据差分改正的方法和数学模型的不同，DGPSDGPS为以基准站坐标差为以基准站坐标差(dx,dy,dz(dx,dy,dz或或dl,dB,dHdl,dB,dH) )改正未知点改正未知点的坐标差分和以伪距差的坐标差分和以伪距差(dpi)(dpi)改正未知点伪距差分。改正未知点伪距差分。 第三节第三节 美国政府的美国政府的GPS政策及中国对策政策及中国对策 23RTK GPSRTK GPS技术技术24 按照基准站的多少和服务范围的大小，按照基准站的多少
25、和服务范围的大小，DGPSDGPS可进可进一步分为：一步分为： 单基准站单基准站DGPS(Single Reference Station DGPS(Single Reference Station DGPS)DGPS)只有一个基准站提供差分信息，简称只有一个基准站提供差分信息，简称SRDGPSSRDGPS。 多基准站局部区域多基准站局部区域DGPS(Local Area DGPS With DGPS(Local Area DGPS With Multireference Station)Multireference Station)即在某一区域中布即在某一区域中布设若干个差分设若干个差分GP
26、SGPS站，通常包括一个或站，通常包括一个或n n个监控站，个监控站，位于该区域中的用户根据每个基准站所提供的改正，位于该区域中的用户根据每个基准站所提供的改正，经平差求得自己的改正数，进而改正未知点。经平差求得自己的改正数，进而改正未知点。 第三节第三节 美国政府的美国政府的GPS政策及中国对策政策及中国对策 25 广域广域DGPS(Wide Area DGPSDGPS(Wide Area DGPS，简称，简称WADGPS)WADGPS)各各基准站并不单独将自己的距离改正数播发给用户，基准站并不单独将自己的距离改正数播发给用户，而是将它们发送往而是将它们发送往WADGPSWADGPS数据处理
27、中心，以便将卫数据处理中心，以便将卫星星历误差、大气传播延迟误差、卫星钟差，接收星星历误差、大气传播延迟误差、卫星钟差，接收机钟差等各种误差分离开来，然后，再将各种误差机钟差等各种误差分离开来，然后，再将各种误差的估值转发给用户，用户进一步改正未知点。的估值转发给用户，用户进一步改正未知点。第三节第三节 美国政府的美国政府的GPS政策及中国对策政策及中国对策 26 ( (二二) )建立独立的卫星测轨系统建立独立的卫星测轨系统 中国是一个测绘大国，建国中国是一个测绘大国，建国5050年来，建立了具年来，建立了具有世界先进水平的、独立的、精度高、密度合理的大有世界先进水平的、独立的、精度高、密度合
28、理的大地控制测量系统，以此可以建立精密的卫星轨道跟踪地控制测量系统，以此可以建立精密的卫星轨道跟踪系统。我国已建立了自己的系统。我国已建立了自己的GPSGPS卫星测轨系统，全天卫星测轨系统，全天候跟踪候跟踪GPSGPS卫星，免费向用户提供星历文件。据悉，卫星，免费向用户提供星历文件。据悉，加拿大、澳大利亚和欧洲的一些国家也已建立或正在加拿大、澳大利亚和欧洲的一些国家也已建立或正在建立自己的卫星定轨系统。建立自己的卫星定轨系统。 第三节第三节 美国政府的美国政府的GPS政策及中国对策政策及中国对策 27 ( (三三) )建立独立自主的卫星导航定位系统和不同卫星定位建立独立自主的卫星导航定位系统和
29、不同卫星定位系统的联合定位系统的联合定位 俄罗斯已建成英文缩写俄罗斯已建成英文缩写GLONASSGLONASS的全球定位系统，的全球定位系统，虽然也是建立在与美国对抗的军事基础上，但无虽然也是建立在与美国对抗的军事基础上，但无SASA和和ASAS限制，定位精度为限制，定位精度为10m10m左右。欧洲空间局左右。欧洲空间局(ESA)(ESA)也建立也建立了以民用为目的的卫星定位系统了以民用为目的的卫星定位系统NAVSATNAVSAT。我国有关专家。我国有关专家也提议建立自主的卫星定位、授时系统，也提议建立自主的卫星定位、授时系统， 而且论证比其而且论证比其它几个系统更优秀。它几个系统更优秀。 目
30、前，如何将目前，如何将GPSGPS与其它定位系统联合起来实时精密与其它定位系统联合起来实时精密定位，过去几年里已有定位，过去几年里已有GPSGPS与与GLONASSGLONASS双星定位系统，精双星定位系统，精度进一步提高，但亦有人担心俄罗斯经济困难，能否做度进一步提高，但亦有人担心俄罗斯经济困难，能否做好好GLONASSGLONASS的维修、服务工作仍是一个问题。的维修、服务工作仍是一个问题。第三节第三节 美国政府的美国政府的GPS政策及中国对策政策及中国对策 28 ( (四四) )对对ASAS实施解密实施解密 据称世界上有多位科学家正在研究解密据称世界上有多位科学家正在研究解密ASAS，并
31、有，并有实质性进展，美国政府正是基于这一现实和考虑到全实质性进展，美国政府正是基于这一现实和考虑到全世界对世界对SASA和和ASAS的抗议，政府官员称在的抗议，政府官员称在19961996年以后的年以后的1010年内逐步取消年内逐步取消SASA。第三节第三节 美国政府的美国政府的GPS政策及中国对策政策及中国对策 29： 1、 GPS定位方法主要有哪些？定位方法主要有哪些？ 2、什么叫差分、什么叫差分GPS？原理是什么？原理是什么？ 3、 GPS用户接收机的采点使用方法和测量步骤？用户接收机的采点使用方法和测量步骤？ 4、什么是、什么是AS技术与技术与SA技术？我国和各国采取的对技术？我国和各国采取的对抗对策有哪些？抗对策有哪些？
