GPS測量定位技術(shù)課件

第一章緒論學(xué)習(xí)目標(biāo)第一節(jié)衛(wèi)星大地測量及其發(fā)展第二節(jié)導(dǎo)航定位衛(wèi)星及其星座第三節(jié)GPS在國民經(jīng)濟建設(shè)中的應(yīng)用本章小結(jié)思考題與習(xí)題GPS測量定位技術(shù)GPS測量定位技術(shù)第一章緒論瞭解GPS系統(tǒng)的構(gòu)成，衛(wèi)星的個數(shù)及壽命，衛(wèi)星的運行週期及發(fā)射功率，原子鐘的精度，定位信號頻率。GPS的地面控制系統(tǒng)和用戶設(shè)備。理解GPS系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展前景，其相對於其他定位系統(tǒng)的特點和GPS應(yīng)用於測量工作的特點。美國的GPS政策。掌握GPS定位的基本原理，差分GPS的基本原理，GPS定位技術(shù)的發(fā)展及在測量中的應(yīng)用。學(xué)習(xí)目標(biāo)GPS測量定位技術(shù)第一節(jié)衛(wèi)星大地測量及其發(fā)展一、大地測量的發(fā)展概況

大地測量的發(fā)展，大體上可分為古代大地測量、經(jīng)典大地測量和現(xiàn)代大地測量三個階段。1.古代大地測量階段

古代大地測量要追溯到兩千多年前，從人們確認(rèn)地球是個圓球並測量它的大小算起，到18世紀(jì)中葉以前為止。GPS測量定位技術(shù)2.經(jīng)典大地測量階段

從18世紀(jì)中葉牛頓、克萊勞建立了地球為扁球的理論並用幾何和物理的方法測定其形狀和大小，到20世紀(jì)中葉莫洛琴斯基在斯托克斯理論的基礎(chǔ)上建立現(xiàn)代地球形狀理論基礎(chǔ)為止的這200年時間為經(jīng)典大地測量階段。在這一階段中，其主要任務(wù)是為測量地形圖服務(wù)。為了提高點位測量的精度和速度，人們在測量方法、測量儀器、橢球計算和數(shù)據(jù)處理等方面作了大量的研究工作，並取得了豐碩的成果。這些成果現(xiàn)在仍被廣泛應(yīng)用，如三角測量、最小二乘法、重力測量等。GPS測量定位技術(shù)

3.現(xiàn)代大地測量階段

現(xiàn)代大地測量階段從20世紀(jì)中期開始，是在電子技術(shù)和空間技術(shù)迅猛發(fā)展的推動下形成的。電磁波測距、全站儀、電子電腦改變了經(jīng)典測量中全靠測角的低精度狀況，將測量成果精度提高到10-6量級以上；並縮短了作業(yè)週期，且使過去無法實現(xiàn)的嚴(yán)密理論計算得以實行；特別是人造衛(wèi)星和空間技術(shù)的發(fā)展，突破了經(jīng)典大地測量在點位、時間、應(yīng)用、精度等方面的局限性，使測量產(chǎn)生了劃時代的飛躍和質(zhì)的變革?，F(xiàn)代大地測量的主要任務(wù)是研究和解決地面點的幾何定位、地球重力場的測定、點位和重力場的變化等問題，具體包括：（1）建立與維護國家、地區(qū)及全球的大地網(wǎng)，並研究其變化；（2）測量並研究地極移動、地殼運動、潮汐等地球動力現(xiàn)象；（3）測定地球重力場及其變化。GPS測量定位技術(shù)

二、衛(wèi)星大地測量的起源

衛(wèi)星大地測量是大地測量的新分支。就是利用衛(wèi)星資訊實現(xiàn)大地測量的目的，其作用分為如下幾方面：

（1）精確測定地面點地心（質(zhì)心）坐標(biāo)系內(nèi)的座標(biāo)，從而能夠?qū)⑷虼蟮鼐W(wǎng)連成整體，建成全球統(tǒng)一的大地測量坐標(biāo)系統(tǒng)。

（2）精確測量地球的大小和形狀、地球外部引力場、地極運動、大陸板塊間的相對運動以及大地水準(zhǔn)面的形狀，為大地測量和其他科學(xué)技術(shù)服務(wù)。

（3）廣泛地應(yīng)用於空中和海上導(dǎo)航，地質(zhì)礦產(chǎn)勘探及軍事等方面。GPS測量定位技術(shù)二、衛(wèi)星大地測量的起源

衛(wèi)星大地測量初期（1962-1965），美國斯密森天體物理天文臺（SAO）。曾用光學(xué)攝影法進(jìn)行了全球性的衛(wèi)星測量，對北美NAD、歐洲EUA、澳大利亞AND、日本JAD、阿根廷ARG、夏威夷HAW等大地系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)測，利用39個站的觀測資料計算併發(fā)布了“標(biāo)準(zhǔn)地球Ⅱ”。1966-1971年間又用更多的觀測站進(jìn)行了觀測，當(dāng)時的方向觀測精度為±0.3″-1.5″，點位中誤差為±6.7m，地心座標(biāo)中誤差為±17-32m?？梢娖渚仁怯邢薜?，且觀測條件受限制，底片處理也很複雜，所以以後就較少應(yīng)用。與此同時，鐳射測距法伴隨出現(xiàn)，即在地面測站上用鐳射測距儀對衛(wèi)星進(jìn)行測距，以達(dá)到定軌定位的目的，測距精度可達(dá)到釐米級，但用這種定位要有四個站組成較好的圖形，實行同步觀測，這對大面積布網(wǎng)來說是很困難的，因此未能普及。由於前述兩種方法的精度和使用條件受到限制，人們便採用無線電技術(shù)，即利用衛(wèi)星發(fā)射的無線電波進(jìn)行距離測量，這種方法具有全天候等優(yōu)點，因而發(fā)展很快，衛(wèi)星多普勒定位就是在這一時期發(fā)展起來的。GPS測量定位技術(shù)二、衛(wèi)星大地測量的起源

美國海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（NNSS）是美國第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，由於該系統(tǒng)衛(wèi)星軌道都通過地球極點，故也稱“子午（Transit）衛(wèi)星系統(tǒng)”，該系統(tǒng)於1964年建成，1967年7月該系統(tǒng)解密，提供民用。該系統(tǒng)由三部分（即空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶部分）組成。由於該系統(tǒng)不受氣象條件的影響，自動化程度較高，且具有良好的定位精度，所以它的出現(xiàn)也立即引起大地測量學(xué)者的極大關(guān)注，尤其在該系統(tǒng)提供民用之後，在大地測量方面，進(jìn)行了大量的應(yīng)用研究和實踐。如在美洲大陸及其附近測設(shè)了大約500個多普勒點；西歐各國在1976年5月和1977年4月分別進(jìn)行了兩次多普勒會戰(zhàn)（EDOC—1，2）,在16個國家測設(shè)了30多個多普勒點，後者參加了歐洲三角網(wǎng)的重新平差；法國地理院不僅在本國建立了多普勒網(wǎng)，而且還為阿爾及利亞、利比亞、圭亞那和加蓬等國家測設(shè)了116個多普勒點；印尼，測設(shè)了200多個多普勒控制點；70年代中期，我國有關(guān)測繪和勘察單位開始引進(jìn)多普勒接收機。GPS測量定位技術(shù)二、衛(wèi)星大地測量的起源

衛(wèi)星多普勒定位雖然有很多優(yōu)點，但因數(shù)午衛(wèi)星的軌道平面與地球赤道的傾角約為90°,所以子午衛(wèi)星幾乎是在地球子午面內(nèi)運行，經(jīng)度與接收機高程相關(guān)，只有高程已知時才能解出經(jīng)度和緯度?？梢奛NSS系統(tǒng)只能提供二維導(dǎo)航解，且是單星多普勒法，須衛(wèi)星運行一個時間段後才能獲得一次導(dǎo)航解，精度也只優(yōu)於40m。又由於衛(wèi)星較低，覆蓋面積小，星數(shù)又少，須相隔0.8-1.6h（小時）左右才能進(jìn)行一次定位?？梢娮游缧l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)雖顯示了導(dǎo)航的優(yōu)越性，但又存在著精度低，不能即時導(dǎo)航和只能供二維導(dǎo)航解等缺陷。這些缺陷是由子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的“單星、低軌、測速”體制決定了的。從大地測量學(xué)方面來看，由於它定位速度慢（一個測站一般平均觀測1-2天），精度也較低（單點定位精度3-5m，相對定位精度約為0.5-1m），所以，該系統(tǒng)在大地測量和地球動力學(xué)研究方面的應(yīng)用，也受到了很大的限制。為了實現(xiàn)全天候、全球性和高精度的連續(xù)導(dǎo)航與定位，第二代的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——GPS衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)便應(yīng)運而生。衛(wèi)星定位技術(shù)發(fā)展到了一個輝煌的歷史階段，使測量定位技術(shù)產(chǎn)生了質(zhì)的改變。GPS測量定位技術(shù)三、GPS定位的基本概念

20世紀(jì)60年代以後，隨著空間技術(shù)的發(fā)展和人造衛(wèi)星的相繼升空，人們設(shè)想，如果在繞地球運行的人造衛(wèi)星上裝置有無線電信號發(fā)射機，則在接收機鐘的控制下，可以測定信號到達(dá)接收機的時間，進(jìn)而求出衛(wèi)星和接收機之間的距離：

（1-1）

式中——信號傳播的速度；

——各項改正數(shù)。

GPS測量定位技術(shù)三、GPS定位的基本概念

但是，衛(wèi)星上的原子鐘和地面上接收機的鐘不會嚴(yán)格同步，假如衛(wèi)星的鐘差，接收機的鐘差為，則由於衛(wèi)星上的原子鐘和地面上接收機的鐘不同步對距離的影響為：（1-2）

GPS測量定位技術(shù)三、GPS定位的基本概念

現(xiàn)在欲確定待定點P的位置，可以在該處安置一臺GPS接收機。如果在某一時刻同時測得了4顆GPS衛(wèi)星的距離、、、，則可列出4個觀測方程為：式中，，，分別為衛(wèi)星在時刻的空間直角坐標(biāo)；分別為時刻4顆衛(wèi)星的鐘差，它們均由衛(wèi)星所廣播的衛(wèi)星星歷來提供。求解上列方程，即得待定點的空間直角坐標(biāo)。

（1-3）

GPS測量定位技術(shù)三、GPS定位的基本概念

由此可見，GPS定位的實質(zhì)就是根據(jù)高速運動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，採取空間距離後方交會的方法，確定待定點的空間位置。

GPS系統(tǒng)的空間部分由21顆工作衛(wèi)星及3顆備用衛(wèi)星組成，它們均勻分佈在6個相對與赤道的傾角為55°的近似圓形軌道上，每個軌道上有4顆衛(wèi)星運行，它們距地面的平均高度為20200Km，運行週期為12恒星時。GPS衛(wèi)星星座均勻覆蓋著地球，可以保證地球上所有地點在任何時刻都能看到至少四顆GPS衛(wèi)星。GPS測量定位技術(shù)三、GPS定位的基本概念

GPS定位技術(shù)自從應(yīng)用於測量工程，就以其特有的自動化、全天候、高精度的顯著優(yōu)勢令經(jīng)典大地測量刮目相看，具體表現(xiàn)為：（1）選點靈活：GPS定位既不要求點位之間通視，又對點位圖形結(jié)構(gòu)沒有過苛要求，大大便利了點位的應(yīng)用。（2）精度提高：實踐已經(jīng)證明，在1000Km的距離上，相對定位精度可以達(dá)到10-8；在100-500Km的距離上，相對定位精度可以達(dá)到10-6-10-7；在小於50Km的距離上，相對定位精度可以達(dá)到10-6。而另一方面，又無須建造測量覘標(biāo)。

GPS測量定位技術(shù)

三、GPS定位的基本概念

（3）操作簡便：GPS定位的自動化程度很高，作業(yè)人員只限於安置和開關(guān)儀器、量取儀器高和監(jiān)視工作狀態(tài)，其他均由儀器自動完成，加之儀器本身重量輕、體積小，攜帶又方便，大大降低了作業(yè)難度，提高了工效。其次，GPS定位的結(jié)果，可以直接提供點的三維座標(biāo)，不僅可以精確確定點的平面位置，也為研究大地水準(zhǔn)面的形狀和確定地面點高程開闢了新途徑。（4）全天候作業(yè)：GPS定位不受天氣條件制約，加之觀測時間縮短、速度加快，便利了人們對測量工程的統(tǒng)籌安排，使工程計畫具有較大的可行性，為準(zhǔn)確快速提供測繪成果提供了可能。GPS測量定位技術(shù)

四、我國GPS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)

美國國防部在研製GPS總體方案時，就已經(jīng)制定了“主要為軍用，同時也兼顧民用的雙用途政策”。此後，陸續(xù)出臺了一系列的“雙用途”政策，例如：

1.1975年規(guī)定，GPS衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號，含有兩種不同的測距碼：C/A碼（也稱粗碼）和P碼（也稱精碼）。相應(yīng)於兩種測距碼，GPS將提供兩種定位服務(wù)，即供民用的標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS）和專供軍用的精密定位服務(wù)（PPS）。前者進(jìn)行單點即時定位的精度約為20m-30m，後者利用P碼進(jìn)行單點即時定位的精度可優(yōu)於10m。（一）美國政府的GPS政策GPS測量定位技術(shù)

（一）美國政府的GPS政策

2.美國國防部從1990年3月17日起實施選擇可用性SA（SelectiveAvailability）技術(shù)，其主要內(nèi)容是：（1）在廣播星曆中對GPS衛(wèi)星的基準(zhǔn)頻率採用技術(shù)（其變化為無規(guī)律的隨機變化），降低星曆精度，使定位中的已知點（衛(wèi)星）的位置精度大為降低；（2）有意地在衛(wèi)星鐘的鐘頻信號中採用技術(shù)（高頻抖動），使鐘的頻率產(chǎn)生快慢變化，導(dǎo)致測距精度大為降低。實施SA技術(shù)後，C/A碼即時定位精度，平面位置降低至100m，高程位置降低至150m，嚴(yán)重影響了導(dǎo)航定位。2000年5月，美國政府取消了限制民用精度的“SA”政策，僅在局部或個別衛(wèi)星上實施SA技術(shù)。

GPS測量定位技術(shù)（一）美國政府的GPS政策

3.P碼是不公開的保密碼，廣大民間用戶難以應(yīng)用。近年來，P碼的結(jié)構(gòu)逐漸被人們解譯，所以美國政府又採用新的反電子欺騙AS（Anti-Spoofing）技術(shù)，它是由P碼和保密的W碼相加而形成的Y碼，用於代替P嗎，其結(jié)構(gòu)更為嚴(yán)格保密。一般用戶無法解譯。該技術(shù)僅在特殊情況下使用。

4.選擇可用性SA技術(shù)是否實施的判斷：用戶可從導(dǎo)航電文中的URA（測距精度）值中判別。如Trimble4000測地型GPS接收機，當(dāng)URA值為20以內(nèi)時，說明未實施SA政策，當(dāng)URA值為30-64時，說明實施SA政策。GPS測量定位技術(shù)（二）擺脫GPS限制政策的途徑

美國政府的GPS限制政策嚴(yán)重?fù)p害了一般用戶的即時定位精度，限制了GPS系統(tǒng)在許多高精度領(lǐng)域中應(yīng)用的可能性。如何擺脫這種限制，是廣大用戶所關(guān)心的問題。

1.建立獨立的衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)

一些國家和地區(qū)致力於發(fā)展自己的衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。如前蘇聯(lián)建立的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GLONASS），歐洲空間局發(fā)展的以民用為主的衛(wèi)星定位系統(tǒng)（NAVSAT），伽利略全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GALILEO）和我國的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)等。

GPS測量定位技術(shù)（二）擺脫GPS限制政策的途徑2.建立自己的GPS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)，獨立確定GPS衛(wèi)星精確軌道

利用GPS衛(wèi)星，建立獨立的跟蹤系統(tǒng)，以便精密測定衛(wèi)星軌道，為精密工程測量、地殼變形檢測和地球動力學(xué)研究提供精密星曆和精密定位服務(wù)。它是消除SA和AS不利影響的有效途徑，具有十分重要的科學(xué)意義和使用價值。正因為如此，在加拿大、澳大利亞和歐洲一些國家都在實施建立區(qū)域性或全球性精密測軌系統(tǒng)的計畫。我國在“八五”期間所建立的GPS衛(wèi)星跟蹤站也已基本構(gòu)網(wǎng)，建成了北京、武漢、上海、長春、昆明、拉薩和烏魯木齊GPS衛(wèi)星跟蹤站。GPS測量定位技術(shù)（二）擺脫GPS限制政策的途徑

3.改進(jìn)GPS精密定位方法及軟體，削弱SA和AS技術(shù)的影響

例如，在美國政府實施SA技術(shù)和AS技術(shù)的情況下，採用差分GPS定位方法可以把一般用戶的即時定位精度提高到2-5m，是削弱美國限制政策影響的有效手段，目前已被廣泛應(yīng)用。再如在使用載波相位觀測值的情況下，若用戶在離基準(zhǔn)站的距離在20km以內(nèi)，還可以獲得釐米級的即時定位精度，目前也在迅速發(fā)展之中。差分GPS的基本原理是：鑒於衛(wèi)星的運行高度在2萬km以上，對於地面相距不太遠(yuǎn)的兩個點來說，衛(wèi)星信號傳播的路徑基本相同，所以很多誤差的影響也基本相同。GPS測量定位技術(shù)（三）建立我國GPS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)

鑒於衛(wèi)星星曆在GPS定位中的重要作用，而廣播星曆的精度又很低這一實際情況，我國建立了自己的GPS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)，開展獨立定軌工作，以獲得精確的GPS衛(wèi)星星曆。我國GPS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)是由7個跟蹤站組成。GPS測量定位技術(shù)（三）建立我國GPS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)表1-1

我國的GPS衛(wèi)星跟蹤站站

名建

設(shè)

單

位管

理

單

位站

的

性

質(zhì)拉

薩國家測繪局西藏測繪局永久站烏魯木齊國家測繪局總參測繪局新疆測繪局蘭州軍區(qū)測繪大隊永久站（試運行）北

京國家測繪局中國測繪科學(xué)研究院永久站武

漢國家測繪局武漢大學(xué)永久站上

海上海天文臺餘山VLBI站永久站長

春總參測繪局長春人衛(wèi)站試運行昆

明總參測繪局雲(yún)南天文臺試運行GPS測量定位技術(shù)（三）建立我國GPS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)

跟蹤站設(shè)備要長期不停地運行，所以絕大多數(shù)跟蹤站都進(jìn)行了自動管理，具備如下基本功能：（1）按標(biāo)準(zhǔn)管理系統(tǒng)正常地運行，自動採集和記錄數(shù)據(jù)、自動傳輸數(shù)據(jù)、監(jiān)控並記錄各部件的運行狀態(tài)；（2）有自我檢測和完善的功能，使其在發(fā)生任何干擾、故障時能自動予以排除，重新恢復(fù)正常工作狀態(tài)；（3）有自我監(jiān)測和保護的功能；（4）有自動的系統(tǒng)管理和報警的功能。GPS測量定位技術(shù)（三）建立我國GPS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)

我國在已經(jīng)建立的GPS衛(wèi)星跟蹤站的基礎(chǔ)上，還將進(jìn)一步發(fā)展我國GPS的綜合性服務(wù)體系。這個體系是一種集GPS衛(wèi)星追蹤、GPS數(shù)據(jù)採集、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理、提供GPS資訊服務(wù)於一體的網(wǎng)路體系，是一種集成式的系統(tǒng)工程。GPS測量定位技術(shù)第二節(jié)導(dǎo)航定位衛(wèi)星及其星座

一、GPS衛(wèi)星及星座

GPS工作衛(wèi)星的外部形態(tài)如右圖所示。衛(wèi)星發(fā)射進(jìn)入軌道後，星體兩側(cè)各伸展出由4葉拼成的太陽能電池翼板，總面積為7.2㎡。兩側(cè)翼板能自動對太陽定向，給3組15A的鎘鎳蓄電池不斷充電，保證了衛(wèi)星在地影區(qū)也能正常工作。GPS工作衛(wèi)星的主體呈圓柱形，整體在軌重量為843.68㎏，比實驗衛(wèi)星增重了45﹪，它的設(shè)計壽命為7.5年，事實上均能超過該設(shè)計壽命而正常工作。

圖1-1GPS工作衛(wèi)星

GPS測量定位技術(shù)一、GPS衛(wèi)星及星座

GPS衛(wèi)星採用的是螺旋形天線陣列和圓極化式發(fā)送射電信號，12根螺旋形天線組成了天線陣列，其發(fā)射波束的張角大約為30°，可以覆蓋衛(wèi)星的可見地面。除了上述部分以外，衛(wèi)星還包括入軌動力、反作用控制、姿態(tài)和速度控制系統(tǒng)、遙測和指令系統(tǒng)以及導(dǎo)航信號發(fā)送系統(tǒng)等。衛(wèi)星姿態(tài)是採用三軸穩(wěn)定方式，由四個斜裝慣性輪和噴氣控制裝置構(gòu)成三軸穩(wěn)定系統(tǒng)，致使螺旋天線陣列所輻射的波速對準(zhǔn)衛(wèi)星的可見地面。GPS測量定位技術(shù)一、GPS衛(wèi)星及星座

GPS系統(tǒng)主要是為美國海陸空三軍服務(wù)的，它具有廣泛的軍事用途，例如，為地面部隊迅速行動指明方位，為核潛艇導(dǎo)航，為彈道導(dǎo)彈導(dǎo)航，檢測全球核爆炸，攝取全球性的軍事情報，反潛艇，反導(dǎo)彈等等。因此，GPS衛(wèi)星的內(nèi)部設(shè)備複雜而繁多，例如，為了戰(zhàn)略部隊的應(yīng)急通訊，美國在GPS衛(wèi)星上安裝戰(zhàn)略通信機，其重量達(dá)16.03㎏，體積為0.0124m3，採用240-272MHZ、318-400MHZ和7900-8000MHZ的微波信號，輻射功率為20W。GPS測量定位技術(shù)一、GPS衛(wèi)星及星座

GPS定位是一種被動定位，必須建立高穩(wěn)定的頻率標(biāo)準(zhǔn)。因此每顆衛(wèi)星上都必須安裝高精確度的時鐘。當(dāng)有1×10-9s的時間誤差時，將引起30㎝的距離誤差。實驗表明，一般原子鐘能夠提供高穩(wěn)定的頻率。氫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性最好，在100s至1d的時間內(nèi)，氫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定優(yōu)於1×10-14，比石英晶體頻率標(biāo)準(zhǔn)要高出兩個數(shù)量級以上。所以在每一個GPS工作衛(wèi)星中，一般都要設(shè)置兩臺銣原子鐘和兩臺銫原子鐘，並計畫將來採用氫原子鐘。雖然GPS衛(wèi)星發(fā)送幾種不同頻率的信號，但都來自同一個基準(zhǔn)頻率10.23MHZ。所以只須啟用一臺原子鐘，其餘的作為備用，以備更替出現(xiàn)故障的時鐘。GPS測量定位技術(shù)一、GPS衛(wèi)星及星座

在1988～1994年間所建成的全球定位系統(tǒng)，包括21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星，它們所組成的GPS衛(wèi)星工作星座如左圖所示。圖1-2GPS衛(wèi)星星座GPS測量定位技術(shù)一、GPS衛(wèi)星及星座

24顆衛(wèi)星均勻分佈在6個軌道平面內(nèi)，每個軌道面內(nèi)有4顆衛(wèi)星運行，衛(wèi)星距地面的平均高度為20200km。6個軌道面相對於地球赤道面的傾角為55°，各軌道面之間的交角為60°。當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)360°時，衛(wèi)星繞地球運行兩圈，環(huán)繞地球運行一圈的時間為11小時58分。地面的觀測者每天可提前4min見到同一顆衛(wèi)星，可見時間約為5小時。這樣，觀測者在地球表面上任何地點任何時刻，在衛(wèi)星高度角15度以上，平均可同時觀測到6顆衛(wèi)星，最多可觀測到11顆衛(wèi)星。GPS測量定位技術(shù)一、GPS衛(wèi)星及星座

截止2003年10月，目前GPS在軌工作衛(wèi)星為28顆，其中17號星在2003年6月6日至7月23日期間列為不健康狀況，7月9日其星鐘從Cs4轉(zhuǎn)為Rb2，衛(wèi)星移到D6星位上又開始正常運行?，F(xiàn)在工作的衛(wèi)星編號從1號至31號之間，只有12號、19號、22號為空缺。28顆衛(wèi)星中有3顆為BLOCKII衛(wèi)星，17顆為BLOCKIIA衛(wèi)星，8顆為BLOCKIIR衛(wèi)星，正在用銫鐘(Cs)運行的有11顆衛(wèi)星，其餘均用銣鐘(Rb)，在1993年11月22日啟用的衛(wèi)星達(dá)15顆，即工作差不多十年以上的衛(wèi)星數(shù)目過半數(shù)，最早的一顆衛(wèi)星還是1989年6月發(fā)射的。原先21號星是1990年8月2日發(fā)射的，去年9月25日出現(xiàn)異常情況，於2003年1月27日宜布退出服務(wù)，現(xiàn)已為2003年3月31日發(fā)射的衛(wèi)星所接替，後者在4月12日投入正式服務(wù)。GPS測量定位技術(shù)一、GPS衛(wèi)星及星座

GPS全球定位系統(tǒng)可滿足各種不同用戶的需要，從根本上解決了人類可在地球的任何位置進(jìn)行導(dǎo)航和定位的問題。在海上，可用於海上協(xié)同作戰(zhàn)、海洋交通管理、石油勘探、海洋捕魚、浮標(biāo)建立、管道鋪設(shè)、暗礁定位、海港領(lǐng)航等方面；在空中，可用於飛機導(dǎo)航、飛機會合、空中加油、武器投擲和空中交通管理等；在陸地上，可用於各種部隊的定位、各種軍事設(shè)施和其他設(shè)施的定位等；在空間技術(shù)方面，可用於導(dǎo)彈、飛船、飛機的導(dǎo)航和定位等；在人們的生活中，如汽車、旅行、探險、狩獵等都可方便地使用。GPS測量定位技術(shù)二、前蘇聯(lián)GLONASS全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

GLONASS全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的起步晚於GPS九年，在廣泛使用GPS的同時，前蘇聯(lián)在全面總結(jié)CICADA第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，吸取美國GPS系統(tǒng)成功經(jīng)驗，從1982年10月12日開始，逐步建立了第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——GLONASS全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)計劃在1995年前建成由（21+3）顆衛(wèi)星組成的GLONASS工作衛(wèi)星星座，其中21顆衛(wèi)星為工作衛(wèi)星，3圖1-3GLONASS衛(wèi)星星座顆為在軌備用衛(wèi)星，它們均勻地分佈在上圖所示的三個軌道平面內(nèi)，並以1.602～1.616GHZ和1.246～1.256GHZ射電頻率發(fā)射信號和傳播電文。GPS測量定位技術(shù)二、前蘇聯(lián)GLONASS全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

可見，GLONASS系統(tǒng)與美國的GPS系統(tǒng)極為相似。到1996年的十三年時間內(nèi)歷經(jīng)周折，期間雖然遭遇了蘇聯(lián)的解體，由俄羅斯接替，1995年初只有16顆GLONASS衛(wèi)星在軌工作，1995年進(jìn)行了三次成功發(fā)射，將9顆衛(wèi)星送入軌道，完成了24顆工作衛(wèi)星加一顆備用衛(wèi)星的佈局。經(jīng)過數(shù)據(jù)加載，調(diào)整和檢驗，已於1996年1月18日，整個系統(tǒng)正常運行。GPS測量定位技術(shù)二、前蘇聯(lián)GLONASS全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)1.衛(wèi)星星座

GLONASS衛(wèi)星星座的軌道為三個等間隔橢圓軌道，軌道面間的夾角為120°，軌道傾角64.8°，軌道的偏心率為0.01，每個軌道上等間隔地分佈8顆衛(wèi)星。衛(wèi)星離地面高度為19100km，運行週期為11小時15分。由於GLONASS衛(wèi)星的軌道傾角大於GPS衛(wèi)星的軌道傾角，所以在高緯度（50°以上）地區(qū)的可視性較好。每顆GLONASS衛(wèi)星上裝有銫原子鐘，以產(chǎn)生高穩(wěn)定的時標(biāo)，並向所有星載設(shè)備提供同步信號。星載電腦將從地面控制站接收到的資訊進(jìn)行處理，生成導(dǎo)航電文向地面的用戶廣播。GPS測量定位技術(shù)二、前蘇聯(lián)GLONASS全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)2.地面控制系統(tǒng)地面控制站(GCS)包括一個系統(tǒng)控制中心（在莫斯科區(qū)的Golitsyno—2），一個指令跟蹤站（CTS），網(wǎng)路分佈於俄羅斯境內(nèi)。CTS跟蹤著GLONASS可視衛(wèi)星，遙測所有衛(wèi)星，進(jìn)行測距數(shù)據(jù)的採集和處理，並向各衛(wèi)星發(fā)送控制指令和導(dǎo)航資訊。在地面控制站(GCS)內(nèi)有鐳射測距設(shè)備對測距數(shù)據(jù)作週期修正，為此所有GLONASS衛(wèi)星上都裝有鐳射反射鏡。GPS測量定位技術(shù)二、前蘇聯(lián)GLONASS全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)3.用戶設(shè)備

GLONASS接收機接收GLONASS衛(wèi)星信號並測量其偽距和速度,同時從衛(wèi)星信號中選出並處理導(dǎo)航電文，並算出位置座標(biāo)的三個分量、速度向量的三個分量和時間。

GLONASS系統(tǒng)進(jìn)展較快，但生產(chǎn)用戶設(shè)備的廠家較少，生產(chǎn)的接收機多為專用型。GPS和GLONASS聯(lián)合型接收機有很多優(yōu)點：用戶同時可接收的衛(wèi)星數(shù)目增加約一倍，可以明顯改善觀測衛(wèi)星的幾何分佈，在一些遮擋物較多的城市、森林等地區(qū)，可提高定位精度，還可有效地削弱美俄兩國對各自定位系統(tǒng)的可能控制，提高定位的可靠性和安全性。GPS測量定位技術(shù)二、前蘇聯(lián)GLONASS全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)4.俄羅斯對GLONASS系統(tǒng)的使用政策

GLONASS系統(tǒng)可供國防和民間使用，不帶任何限制，也不計畫對用戶收費，該系統(tǒng)運行時間至少15年。民用的標(biāo)準(zhǔn)精度通道（CSA）精度數(shù)據(jù)為：水準(zhǔn)精度50～70m，垂直精度75m，並聲明不引入選擇可用性（SA）。測速精度15cm/s。授時精度為1μs。

GLONASS衛(wèi)星的平均工作壽命超過4.5年。1999年底補網(wǎng)發(fā)射了三顆衛(wèi)星，至2000年初，該系統(tǒng)只有七顆健全衛(wèi)星保持連續(xù)工作。2000年10月補網(wǎng)又發(fā)射了三顆衛(wèi)星。到2001年3月，GLONASS系統(tǒng)中有13顆健全的衛(wèi)星。2001年補網(wǎng)發(fā)射6顆衛(wèi)星，計畫2004年再發(fā)射15顆衛(wèi)星，屆時GLONASS系統(tǒng)將有可能進(jìn)入最好的運營狀態(tài)。GPS測量定位技術(shù)三、歐洲空間局的NAVSAT衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

NAVSAT衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是由歐洲空間局籌建的一種多用途定位系統(tǒng)，是一種民用系統(tǒng)，它和主要用於軍事目的的GPS系統(tǒng)和GLONASS系統(tǒng)不同，正因為如此，它的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)和接收機的操作均較為簡單。這個系統(tǒng)也包括三大部分，即空間部分（衛(wèi)星）、地面控制部分（地面控制設(shè)備）和用戶（接收機）部分。GPS測量定位技術(shù)三、歐洲空間局的NAVSAT衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

因為NAVSAT系統(tǒng)空間部分不象GPS那樣複雜，而是將大部分複雜內(nèi)容設(shè)置在地面上。各衛(wèi)星只從多至六個控制站的控制網(wǎng)中接收簡單的重複播送的信號，每個控制站以C帶頻率連續(xù)播送信號給該站的可見衛(wèi)星。由於衛(wèi)星的運行，當(dāng)它離開該控制站的控制範(fàn)圍時，就通知下一個相鄰控制站接替該站繼續(xù)對這個衛(wèi)星發(fā)送信號。發(fā)送的信號為包括一個強聯(lián)繫波（CW）的載波和帶有大約5MHZ的數(shù)據(jù)塊速率的偽偶然雜訊（PRN）碼以及一個包含星曆和其他數(shù)據(jù)的低比特速率電文流。然後衛(wèi)星就原樣重複播送這些導(dǎo)航用的1.596MHZ和作為衛(wèi)星控制的用於C帶頻率的信號。所有衛(wèi)星都傳送同樣的頻率和同樣的PRN碼，並用時間劃分成多路接近格式來解決衛(wèi)星間相互干擾的問題。每個衛(wèi)星在停止了133ms後。都要按順序播送大約兩秒鐘的信號。該系統(tǒng)的衛(wèi)星上沒有原子鐘，而是在控制站上使用了同步原子標(biāo)準(zhǔn)鐘以獲得信號的頻率穩(wěn)定性。GPS測量定位技術(shù)三、歐洲空間局的NAVSAT衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)圖1-4NAVSAT衛(wèi)星星座

自第一次建議建立NAVSAT系統(tǒng)以來，衛(wèi)星星座的佈局已被修改過，現(xiàn)在設(shè)計的星座（如左圖）由地球同步軌道衛(wèi)星（GEO）和高橢圓軌道衛(wèi)星（HEO）組成混合衛(wèi)星星座，在地球同步軌道上有六顆同步衛(wèi)星，著六顆衛(wèi)星應(yīng)全部覆蓋北半球；在高橢圓軌道上的12顆衛(wèi)星則擴大對全球的覆蓋。同步衛(wèi)星上帶有NAVSAT發(fā)射機應(yīng)答器，因此可用於通信。GPS測量定位技術(shù)三、歐洲空間局的NAVSAT衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

該系統(tǒng)可分別用於三種不同的用戶：對那些中等精度（約100m精度）定位和導(dǎo)航精度要求的用戶，只須通過CW載波用簡單的多普勒模式的接收機就可以滿足要求；對那些要求達(dá)到5～10m的高精度用戶，可通過帶有多普勒補助偽雜訊碼（PRN）信號的偽距接收機接收，對那些按大地測量精度要求的用戶，可用與GPS中相類似的形式記錄超過延長時間間隔的載波相位而獲得成果。GPS測量定位技術(shù)三、歐洲空間局的NAVSAT衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)

星

系

統(tǒng)GPSGLONASSNAVSAT衛(wèi)

星

數(shù)（顆）21＋321＋312＋6軌道面數(shù)（個）637軌道傾角（°）5564.863.45平均高度（km）202001910020178周

期（hm）11h58m11h15m11h58m衛(wèi)星射電頻率L11575.42MHz1602—1616MHz1561—1569MHz衛(wèi)星射電頻率L21227.6MHz1246—1256MHz1224—1232MHzC/A碼頻率1.023MHz511kHz3.397MHzC/A碼碼長1023bit511bit3937bit表1-2三種衛(wèi)星系統(tǒng)比較

上述幾種不同衛(wèi)星定位系統(tǒng)的主要特徵列入下表：GPS測量定位技術(shù)四、伽利略全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

我們知道，目前世界上已有兩大衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在運行：一是美國的全球定位系統(tǒng)（GPS），二是俄羅斯的“格魯納斯”（GLONASS）。但是這兩個系統(tǒng)受到美、俄兩國軍方的嚴(yán)密控制，其信號的可靠性無法得到保證。長期以來歐洲只能在美、俄的授權(quán)下從事接收機製造、導(dǎo)航服務(wù)等從屬性的工作?？扑魑謶?zhàn)爭時，歐洲完全依賴美國的全球定位系統(tǒng)。當(dāng)這個系統(tǒng)出於軍事目的而停止運作時，一些歐洲企業(yè)的許多事務(wù)被迫中斷。為了能在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域中佔有一席之地，歐洲認(rèn)識到建立擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要性。同時在歐洲一體化的進(jìn)程中，建立歐洲自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將會全面加強歐盟諸成員國間的聯(lián)繫和合作。在這種背景下，歐盟決定啟動一個軍民兩用的與現(xiàn)有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相相容的全球衛(wèi)星導(dǎo)航計畫———“伽利略”（GALILEO）計畫。GPS測量定位技術(shù)四、伽利略全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

圖1-5伽利略衛(wèi)星星座

GPS測量定位技術(shù)四、伽利略全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

歐盟在1999年2月首次提出“伽利略”計畫。計畫分成四個階段：論證階段，時間為2000年，歐盟在世界無線電大會上獲得建立GNSS系統(tǒng)的L頻段的頻率資源；系統(tǒng)研製和在軌確認(rèn)階段，包括研製衛(wèi)星及地面設(shè)施，系統(tǒng)在軌確認(rèn)，時間為2001年至2005年；星座佈設(shè)階段，包括製造和發(fā)射衛(wèi)星，地面設(shè)施建設(shè)並投入使用，時間為2006年至2007年；運營階段，從2008年開始。2000年度的論證工作為“伽利略”計畫勾畫出一個輪廓。論證報告指出，計畫投入32.5億歐元的資金，服務(wù)範(fàn)圍覆蓋全球，可以提供導(dǎo)航、定位、時間、通信等項服務(wù)。其服務(wù)方式包括開放服務(wù)、商業(yè)服務(wù)與官方服務(wù)三個方面。GPS測量定位技術(shù)四、伽利略全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

任何人只要裝備了“伽利略”接收機就能接收GPS、GLONASS和“伽利略”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號。開放服務(wù)將與商業(yè)和生命安全服務(wù)共用兩個開放的導(dǎo)航信號。開放服務(wù)將主要用於道路交通中的個人導(dǎo)航、道路資訊和提供路線建議的系統(tǒng)、移動通信等應(yīng)用領(lǐng)域。商業(yè)服務(wù)將主要涉及專業(yè)用戶，這些專業(yè)用戶將來自測繪、海關(guān)、船舶和車輛管理以及關(guān)稅徵收等領(lǐng)域。商業(yè)服務(wù)將提供在獨立頻率上的第三種導(dǎo)航信號的接入服務(wù)，並使用戶能利用三載波相位模糊分辨力技術(shù)（TCAR）來改善精度。官方服務(wù)的對象是那些對於精度、信號品質(zhì)和信號傳輸?shù)目煽啃砸髽O高的用戶。GPS測量定位技術(shù)四、伽利略全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

官方服務(wù)將包括以下三種：生命安全服務(wù)、官方管理服務(wù)和搜救服務(wù)?！百だ浴毕到y(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)包括星座與地面設(shè)施、服務(wù)中心、用戶接收機等。衛(wèi)星星座將由30顆衛(wèi)星（27顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星）組成，衛(wèi)星採用中等地球軌道，衛(wèi)星均勻地分佈在高度約為23616km的三個中高度圓軌道面上，傾角56°。計畫2003年發(fā)射兩顆試驗衛(wèi)星。每顆衛(wèi)星都將搭載導(dǎo)航載荷和一臺搜救轉(zhuǎn)發(fā)器。每次發(fā)射將會把5或6顆衛(wèi)星同時送入軌道。地面控制設(shè)施包括衛(wèi)星控制中心（用於衛(wèi)星軌道改正的遙感和遙測中心）和提供各項服務(wù)所必需的地面設(shè)施。地面控制設(shè)施管理衛(wèi)星星座及測定和播送集成資訊。系統(tǒng)使用4個載頻向全球播發(fā)5種導(dǎo)航信號，這些導(dǎo)航信號支持開放、商用、生命安全和政府管理和搜救服務(wù)。系統(tǒng)還劃分為8個區(qū)域部分，用來發(fā)送針對各自區(qū)域的集成資訊。種類齊全的GALILEO接收機不僅可以接收本系統(tǒng)信號，而且可以接收GPS、GLONASS這兩大系統(tǒng)的信號，並且實現(xiàn)導(dǎo)航功能和移動電話功能的結(jié)合，與其他飛行導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)合。GPS測量定位技術(shù)五、我國的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)

我國自行研製的第一顆導(dǎo)航定位衛(wèi)星—“北斗導(dǎo)航試驗衛(wèi)星”，於2000年11月1日淩晨０時０２分在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，並準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道。

“北斗導(dǎo)航試驗衛(wèi)星”由中國航太科技集團空間技術(shù)研究院研製。據(jù)介紹，為滿足國內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航需求，我國將自行建立第一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)—雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（北斗一號）。該系統(tǒng)是全天候、全天時提供衛(wèi)星導(dǎo)航資訊的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)。這個系統(tǒng)建成後，主要為公路交通、鐵路運輸、海上作業(yè)等領(lǐng)域提供導(dǎo)航服務(wù)，對我國國民經(jīng)濟建設(shè)將起到積極推動作用?！氨倍穼?dǎo)航試驗衛(wèi)星”的首次發(fā)射成功，為“雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)”的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。GPS測量定位技術(shù)五、我國的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)

2000年12月22日0時20分，我國自行研製的第二顆“北斗導(dǎo)航試驗衛(wèi)星”，在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，並準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道。它與2000年11月1日發(fā)射的第一顆“北斗導(dǎo)航試驗衛(wèi)星”一起，構(gòu)成了“雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)”。這標(biāo)誌著我國將擁有自主研製的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。

2003年5月25日又發(fā)射了導(dǎo)航定位系統(tǒng)的備份星。它與前兩顆“北斗一號”工作星組成了完整的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，確保全天候、全天時提供衛(wèi)星導(dǎo)航資訊，該系統(tǒng)服務(wù)區(qū)域為東經(jīng)70～145°，北緯5～55°範(fàn)圍。定位精度為：平面±20m，高程±10m。GPS測量定位技術(shù)五、我國的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)

雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)定位的基本原理為空間球面交會測量原理。如右圖，地面中心站通過兩顆衛(wèi)星向用戶詢問，用戶應(yīng)答後，測量並計算出用戶到兩顆衛(wèi)星的距離；然後根據(jù)地面中心站的數(shù)字地圖，由地面中心站算出用戶到地心的距離，再根據(jù)兩顆衛(wèi)星和地面中心站的已知地心座標(biāo)計算出用戶的三維位置，由衛(wèi)星發(fā)給用戶。圖1—6雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)工作原理

GPS測量定位技術(shù)五、我國的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)

我國的雙星衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，綜合了傳統(tǒng)天文導(dǎo)航定位和地面無線電導(dǎo)航定位的優(yōu)點，相當(dāng)於一個設(shè)置在太空的無線電導(dǎo)航臺。它不僅可以在任何時間、任何地點，為用戶確定其所在的地理經(jīng)緯度和海拔高度。而且在定位性能上有所創(chuàng)新。這個系統(tǒng)將主要用於國家經(jīng)濟建設(shè)，為我國的交通運輸、氣象、石油、海洋、森林防火、災(zāi)害預(yù)報、通信、公安以及其他特殊行業(yè)提供高效的導(dǎo)航定位服務(wù)，應(yīng)用前景十分廣闊?！氨倍贰睂?dǎo)航系統(tǒng)是國際上首次實現(xiàn)的區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)，該系統(tǒng)的建立和投入使用，填補了我國導(dǎo)航衛(wèi)星領(lǐng)域的空白，使我國成為世界上繼美俄之後自主建立衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。目前，世界上只有少數(shù)發(fā)達(dá)國家具備了自主建設(shè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的能力。GPS測量定位技術(shù)第三節(jié)GPS在國民經(jīng)濟建設(shè)中的應(yīng)用

一、GPS在大地測量中的應(yīng)用（一）全球或全國性的高精度GPS網(wǎng)

1991年國際大地學(xué)會（LAG）決定在全球範(fàn)圍內(nèi)建立一個IGS（國際GPS地球動力學(xué)服務(wù)）觀測網(wǎng)，並於1992年6～9月間實施了第一期會戰(zhàn)聯(lián)測，我國積極配合並參與了這項工作。目的是在全國範(fàn)圍內(nèi)確定精確的地心座標(biāo)，建立起我國新一代的地心參考框架及其與國家坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)；以優(yōu)於10-8量級的相對精度確定站間基線向量，佈設(shè)成國家A級網(wǎng)，它將作為國家高精度衛(wèi)星大地網(wǎng)的骨架並為地殼運動及地球動力學(xué)的研究奠定基礎(chǔ)。GPS測量定位技術(shù)（一）全球或全國性的高精度GPS網(wǎng)

建成後的國家A級網(wǎng)共由27個主點和6個副點組成，它們均勻分佈全國，平均點間距650km。從1992年7月25日至8月5日的9天內(nèi)，在這33個點上進(jìn)行了9晝夜的連續(xù)觀測。國家A級網(wǎng)經(jīng)地面聯(lián)測後全部與國家天文大地點重合，且重合點分佈均勻。經(jīng)過精細(xì)的數(shù)據(jù)處理，平差後在ITRF91地心參考框架中的點位精度優(yōu)於0.1m，邊長相對精度一般優(yōu)於1×10-8，隨後在1993年和1995年又兩次對A級網(wǎng)點進(jìn)行了GPS複測，其點位精度已提高到釐米級，邊長相對精度達(dá)3×10-9。平差後的GPS網(wǎng)的精度比整體平差過的天文大地網(wǎng)的精度高出1～2個數(shù)量級。將GPS網(wǎng)與天文大地網(wǎng)合點成果化算至同一坐標(biāo)系統(tǒng)後，用各種方法進(jìn)行比較，就可以發(fā)現(xiàn)天文大地網(wǎng)的某些局部伸縮和變形。GPS測量定位技術(shù)（一）全球或全國性的高精度GPS網(wǎng)圖1-5我國A級GPS網(wǎng)佈設(shè)情況

GPS測量定位技術(shù)（一）全球或全國性的高精度GPS網(wǎng)

上圖中注明了GPS網(wǎng)與天文大地網(wǎng)的相應(yīng)弦長之差。從圖中可以看出，其差值超過1m的共有14條，說明我國天文大地網(wǎng)存在的變形和位移，大多分佈在周邊地區(qū)，安多、拉薩、安西、下關(guān)、三亞等點比較明顯。其主要原因是早年所布測的天文大地網(wǎng)是鎖段控制、逐級傳遞，距離大地原點愈遠(yuǎn)，系統(tǒng)誤差積累也就愈大，所以邊遠(yuǎn)地區(qū)的大地網(wǎng)存在變形是可以理解的。GPS測量定位技術(shù)（一）全球或全國性的高精度GPS網(wǎng)

作為我國高精度座標(biāo)框架的補充以及為滿足國家建設(shè)的需要，在國家A級網(wǎng)的基礎(chǔ)上建立了國家B級網(wǎng)（又稱國家高精度GPS網(wǎng)）。布測工作從1991年開始，經(jīng)過5年努力完成外業(yè)工作，內(nèi)業(yè)計算已基本完成。全網(wǎng)基本均勻布點，覆蓋全國，共布測818個點左右，總獨立基線數(shù)2200多條，平均邊長在我國東部地區(qū)為50km，中部地區(qū)為100km，西部地區(qū)為150km，經(jīng)整體平差後，點位地心座標(biāo)精度達(dá)±0.1m，GPS基線邊長相對中誤差可達(dá)2.0×10-8，高程分量相對中誤差為3.0×10-8。GPS測量定位技術(shù)（一）全球或全國性的高精度GPS網(wǎng)

新布成的國家A、B級網(wǎng)已成為我國現(xiàn)代大地測量和基礎(chǔ)測繪的基本框架，將在國民經(jīng)濟建設(shè)中發(fā)揮越來越重要的作用。國家A、B級網(wǎng)以其特有的高精度把我國傳統(tǒng)天文大地網(wǎng)進(jìn)行了全面改善和加強，從而克服了傳統(tǒng)天文大地網(wǎng)的精度不均勻，系統(tǒng)誤差較大等傳統(tǒng)測量手段不可避免的缺點。通過求定A、B級GPS網(wǎng)與天文大地網(wǎng)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，建立起了地心參考框架和我國國家座標(biāo)的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換關(guān)係，從而使國家大地點的服務(wù)應(yīng)用領(lǐng)域更廣闊。A、B級GPS網(wǎng)的高精度三維大地座標(biāo)，並結(jié)合高精度水準(zhǔn)聯(lián)測，從而大大提高了確定我國大地水準(zhǔn)面的精度，特別是克服我國西部大地水準(zhǔn)面存在較大系統(tǒng)誤差的缺陷。GPS測量定位技術(shù)（二）區(qū)域性GPS大地控制網(wǎng)

區(qū)域GPS網(wǎng)是指國家C、D、E級GPS網(wǎng)或?qū)ｉT為工程專案布測的工程GPS網(wǎng)。該網(wǎng)的特點是控制區(qū)域有限（一個市或一個地區(qū)），邊長短（幾百米到20km），觀測時間短（幾分鐘到一兩個小時）。由於GPS定位的高精度、快速度、省費用等優(yōu)點，區(qū)域大地控制網(wǎng)的建立在我國已基本被GPS技術(shù)所取代。主要在以下幾個方面：①建立新的地面控制網(wǎng)；②檢核和改善已有的地面控制網(wǎng)；③對已有的地面控制網(wǎng)進(jìn)行加密；④擬合區(qū)域大地水準(zhǔn)面。GPS測量定位技術(shù)二、GPS在工程測量中的應(yīng)用

目前我國精密工程控制網(wǎng)，一般都用ME5000測距儀和T3精密光學(xué)經(jīng)緯儀來施測，為研究用GPS來建立精密工程控制網(wǎng)的可行性，武漢大學(xué)測繪學(xué)院和長江水利委員會綜合勘測局分別進(jìn)行了試驗研究。先建立高精度的精密工程控制網(wǎng)，每點都建立水泥墩，設(shè)有強制對中裝置，試驗時先用ME5000測距儀測邊，用T3精密光學(xué)經(jīng)緯儀測角，然後用GPS接收機施測，通過對比試驗後認(rèn)為，完全可用GPS來建立精密工程控制網(wǎng)。（一）建立精密工程控制網(wǎng)GPS測量定位技術(shù)

（二）用於工程變形監(jiān)測

工程變形監(jiān)測通常要達(dá)到毫米級或亞毫米級的精度，而監(jiān)測的邊長一般為300～1000米。隔河沿水電站的大壩為三圓心變截面重力拱壩，壩長653米，壩高151米，隔河沿水庫大壩外觀變形GPS自動化監(jiān)測系統(tǒng)於1998年3月建成並投入運行，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)採集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理三大部分組成。1.數(shù)據(jù)採集

GPS數(shù)據(jù)採集分基準(zhǔn)點和監(jiān)測點兩部分，由7臺AshtechZ-12接收機組成?；鶞?zhǔn)點有兩個（GPS1和GPS2），分別位於大壩兩岸。監(jiān)測點有5個（GPS3～GPS7），分別位於大壩的不同部位。GPS測量定位技術(shù)（二）用於工程變形監(jiān)測

監(jiān)測點GPS3監(jiān)測點GPS4監(jiān)測點GPS5監(jiān)測點GPS6監(jiān)測點GPS7壩面GPS監(jiān)測點數(shù)據(jù)採集器（有線）雙測數(shù)據(jù)集線器基準(zhǔn)點GPS數(shù)據(jù)採集器（無線）基準(zhǔn)點GPS1基準(zhǔn)點GPS2伺服器狀態(tài)、總控、變形分析、資料庫終端數(shù)據(jù)處理、平差計算、變形顯示終端全向天線定向天線

定向天線圖1-6GPS自動化監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)路結(jié)構(gòu)

2.數(shù)據(jù)傳輸根據(jù)現(xiàn)場條件，GPS數(shù)據(jù)傳輸採用有線（壩面監(jiān)測點觀測數(shù)據(jù)）和無線（基準(zhǔn)點觀測數(shù)據(jù)）相結(jié)合的方法，如左圖所示。GPS測量定位技術(shù)3.數(shù)據(jù)處理、分析和管理

在每年365天中，7臺GPS接收機需連續(xù)觀測，並即時將觀測數(shù)據(jù)傳輸至控制中心，進(jìn)行處理、分析、貯存。系統(tǒng)反應(yīng)時間小於10分鐘。整個系統(tǒng)全自動，應(yīng)用廣播星曆1～2小時GPS觀測資料解算的監(jiān)測點位水準(zhǔn)精度優(yōu)於1.0mm（相對於基準(zhǔn)點），垂直精度優(yōu)於1.5mm（相對於基準(zhǔn)點）；6小時GPS觀測資料解算的監(jiān)測點位水準(zhǔn)精度優(yōu)於1.0mm，垂直精度優(yōu)於1.0mm。GPS測量定位技術(shù)（三）用於飛機場軸線定位

自1992年開始，我國各城市建立的新機場，其跑道的定向全部採用GPS來施測，如濟南國際機場、武漢天河國際機場、貴陽國際機場、南京綠口國際機場等。在確定機場跑道中心軸線方位的精度時，按機場等級而定，最高精度應(yīng)低於±1″，解算GPS基線時一定要用精密軟體。最低也應(yīng)優(yōu)於±6″，可用接收機自帶的商業(yè)軟體解算。GPS測量定位技術(shù)三、GPS在航空攝影測量中的應(yīng)用

攝影測量是利用攝影所得的像片，研究和確定被攝物體形狀、大小、位置、屬性相互關(guān)係的一種技術(shù)。攝影測量技術(shù)的發(fā)展可分為三個階段：

1.經(jīng)典的攝影測量，屬光學(xué)機械等模擬方法。

2.解析法攝影測量，屬數(shù)位化的方法。

3.GPS輔助法攝影測量。攝影測量有兩大主要任務(wù)，其中之一就是空中三角測量，即以航攝像片所量測的像點座標(biāo)或單元模型上的模型點為原始數(shù)據(jù)，以少量地面實測的控制點地面座標(biāo)為基礎(chǔ)，用計算方法解求加密點的地面座標(biāo)。GPS測量定位技術(shù)三、GPS在航空攝影測量中的應(yīng)用

在GPS出現(xiàn)以前，航測地面控制點的施測主要依賴經(jīng)緯儀、測距儀及全站儀等，在測量中都必須滿足控制點間相互通視的條件，若通視條件較差，施測則十分困難。GPS測量不需要控制點間相互通視，而且測量精度高、速度快，所以GPS定位技術(shù)很快就成為航測地面控制點測量的主要手段。但從總體上講，地面控制點測量仍是一項十分耗時的工作，未能從根本上解決常規(guī)方法“第一年航空攝影，第二年野外控制聯(lián)測，第三年航測成圖”的作業(yè)週期長，成本高的缺點。近年來，GPS動態(tài)定位技術(shù)的飛速發(fā)展導(dǎo)致了GPS輔助航空攝影測量技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，目前該技術(shù)已進(jìn)入實用階段。我國已在北京市、海南省等地實施了GPS航空攝影測量。實際表明該技術(shù)可以極大地減少地面控制點的數(shù)目，縮短成圖週期，降低成本。這一技術(shù)的推廣應(yīng)用，必將會引起測繪行業(yè)從技術(shù)到隊伍結(jié)構(gòu)的質(zhì)變，從而產(chǎn)生重大的社會效益和經(jīng)濟效益。GPS測量定位技術(shù)四、GPS線上路勘測及隧道貫通測量中的應(yīng)用（一）建立線路GPS控制網(wǎng)

線路勘測、管線測量及隧道貫通測量是公路、鐵路等工程建設(shè)中的重要工作，因測量控制網(wǎng)大多以狹長形式佈設(shè)，並且很多工程穿越崇山峻嶺，周圍已知控制點很少，使傳統(tǒng)測量方法在網(wǎng)形佈設(shè)、誤差控制等多方面帶來諸多問題。因作業(yè)時間較長，還影響工程建設(shè)的進(jìn)度。自從將GPS技術(shù)引進(jìn)該領(lǐng)域以來，測量效率和測量精度得到了很大的改善和提高。傳統(tǒng)的線路測量一般採用導(dǎo)線法，而應(yīng)用GPS定位技術(shù)的形式是沿設(shè)計線路建立狹長的帶狀控制網(wǎng)。GPS測量定位技術(shù)1.布網(wǎng)形式

鐵路GPS線路控制網(wǎng)佈設(shè)應(yīng)滿足下列幾個條件：①GPS點應(yīng)成對出現(xiàn)；②每對點必須通視，間隔以1km為宜（200m～1200m）；③每對點與相鄰一對點的間隔不得大於30km。具體間隔視作業(yè)條件和整個控制測量工作計畫而定，一般5～15km佈設(shè)一對點。這些點均沿設(shè)計線路佈設(shè)，其圖形類似線形鎖。佈設(shè)GPS點對的原則：①線路勘測的起訖處；②線路重大方案起訖處；③線路重大工程地段；④航攝測段重疊處。2.觀測及處理

GPS控制網(wǎng)宜選用雙頻GPS接收機、採用靜態(tài)觀測模式，時段長度一般為30～90min。數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)平差可採用廠家提供的隨機軟體。GPS測量定位技術(shù)（二）長隧道GPS施工控制網(wǎng)

隧道施工控制網(wǎng)是為隧道施工提供方向控制和高程控制的，一般由洞口點群和兩洞口之間聯(lián)繫網(wǎng)組成。採用靜態(tài)方式觀測，觀測2個時段，時段長度為60～90min。數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)平差可採用廠家提供的隨機軟體。因工程大多穿越崇山峻嶺，故用GPS水準(zhǔn)解決高程問題，方法是：先用Ⅱ等精密水準(zhǔn)將黃海高程傳遞到洞口附近，聯(lián)測若干個點，對聯(lián)測幾何水準(zhǔn)的點，採用快速靜態(tài)測量方式測定其點位。高程擬合採用非參數(shù)回歸模型，擬合後的高程滿足隧道貫通對高程的精度要求。GPS測量定位技術(shù)（三）地鐵精密導(dǎo)線GPS測量

地鐵精密導(dǎo)線GPS測量的特點是：①線狀測量；②有大量的短邊，邊長為100～500m。為此完全套用目前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)範(fàn)》不一定是科學(xué)合理的，應(yīng)根據(jù)工程具體情況進(jìn)行靈活掌握。在制定作業(yè)方案時應(yīng)作如下考慮：①待定點的分佈雖然是線狀，仍採用網(wǎng)狀觀測及平差處理；②採用靜態(tài)方式觀測，同步環(huán)中每條基線測定的時段長度為2小時（一時段），PDOP小於6，同步觀測星數(shù)不小於4顆。GPS測量定位技術(shù)五、GPS在地形、地籍及房地產(chǎn)測量中的應(yīng)用

（一）RTK技術(shù)在地形測量中的應(yīng)用

地形測圖一般是首先根據(jù)高級控制點加密圖根控制點，然後在圖根控制點上用經(jīng)緯儀或平板儀測圖法測繪地形圖。近年來發(fā)展到用全站儀和電子手簿採用地形、地物編碼的方法，利用測圖軟體測繪地形圖，還沒有脫離傳統(tǒng)方法的束縛，要求測站必須與被測的周圍地物地貌等碎部點之間相互通視，並且至少要求2～3人操作。採用GPS—RTK技術(shù)，可不佈設(shè)各級控制點，僅依據(jù)一定數(shù)量的基準(zhǔn)控制點，不要求點間通視，僅需一人操作，在要測的碎部點上停留一、二秒鐘並同時輸入特徵編碼，通過電子手簿或便攜機記錄，在點位精度合乎要求的情況下，把一個區(qū)域內(nèi)的地形點、地物點的座標(biāo)測定後，可在室外或室內(nèi)用專業(yè)測圖軟體一次測繪成電子地圖，然後通過電腦和繪圖儀、印表機輸出各種比例尺的圖件。GPS測量定位技術(shù)（二）RTK技術(shù)在地籍、房地產(chǎn)測量中的應(yīng)用

地籍、房地產(chǎn)測量中應(yīng)用RTK技術(shù)測定每一宗土地的權(quán)屬界址點以及測繪地籍與房地產(chǎn)圖，同測繪地形圖一樣，能即時測定有關(guān)界址點及地物點的位置並能達(dá)到釐米級精度。將GPS獲得的數(shù)據(jù)處理後直接錄入GIS系統(tǒng)，可及時精確地獲得地籍和房地產(chǎn)圖。但在影響GPS衛(wèi)星信號接收的遮蔽地帶，還應(yīng)採用常規(guī)的測繪方法進(jìn)行細(xì)部測量。GPS測量定位技術(shù)六、GPS在水下地形測量中的應(yīng)用

水下地形測量需用測深儀測定水深。水深測線間距依比例尺不同而變化。而測深儀的定位控制除了近岸測量或江河測量可使用傳統(tǒng)的光學(xué)儀器或全站儀實施交會法定位外，其他較遠(yuǎn)區(qū)域多採用無線電定位。GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的應(yīng)用，可以快速高精度的測定測深儀的位置。對於較大比例尺測圖，可應(yīng)用差分GPS技術(shù)進(jìn)行相對定位。實際應(yīng)用中將GPS接收機與數(shù)字測深儀組合，前者進(jìn)行定位測量，後者同時進(jìn)行水深測量，再利用電子記錄手薄，利用電腦和繪圖儀便可組成水下地形測量自動化系統(tǒng)。野外有2～3人便可完成岸上和船上的全部操作。當(dāng)天所測數(shù)據(jù)1～2小時即可處理完畢，並可即時繪出水深圖、測線斷面圖、水下地形模型等。GPS測量定位技術(shù)七、GPS在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用

（一）GPS在公安、交通系統(tǒng)中的應(yīng)用

過去，用於公安、交通系統(tǒng)的設(shè)備主要是無線電通信設(shè)備，由調(diào)度中心向車輛駕駛員發(fā)出調(diào)度命令，駕駛員根據(jù)自己的判斷說出車輛的大概位置，而在生疏地帶或夜間則容易迷路。因此，從調(diào)度管理和安全管理方面，其應(yīng)用受到限制。GPS定位技術(shù)的出現(xiàn)給車輛、輪船等交通工具的導(dǎo)航定位提供了具體的即時定位能力。駕駛員通過車載GPS接收機可以隨時知道自己的具體位置。並通過車載電臺將GPS定位資訊發(fā)送給調(diào)度指揮中心，從大螢?zāi)浑娮拥貓D上顯示出來，調(diào)度指揮中心便可掌握各車輛的具體位置。GPS測量定位技術(shù)（二）GPS在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用

利用GPS技術(shù)，配合遙感技術(shù)（RS）和地理資訊系統(tǒng)（GIS），能夠做到監(jiān)測農(nóng)作物產(chǎn)量分佈、土壤成分和性質(zhì)分佈、做到合理施肥、播種和噴灑農(nóng)藥，節(jié)約費用，降低成本，達(dá)到增加產(chǎn)量、提高效益的目的。利用差分技術(shù)可以做到：①土壤養(yǎng)分分佈調(diào)查

在播種之前，用車輛（配有GPS接收機和電腦）按一定要求在農(nóng)田中採集土壤樣品，並將樣品採集點的位置精確測定出來，輸入電腦後，電腦依據(jù)地理資訊系統(tǒng)將採樣點標(biāo)定，繪出土壤樣品點位分佈圖。GPS測量定位技術(shù)（二）GPS在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用②監(jiān)測作物產(chǎn)量

在聯(lián)合收割機上配置GPS接收機、電腦和產(chǎn)量監(jiān)視器，就構(gòu)成了作物產(chǎn)量監(jiān)視系統(tǒng)。在收割作物時，同時記錄作物的位置和產(chǎn)量，通過電腦繪製出每塊土地產(chǎn)量的分佈圖。③合理施肥、精確農(nóng)業(yè)管理

在GPS的控制下，依據(jù)土壤養(yǎng)分含量分佈圖，能夠合理的給田地的各點施肥，施用的化肥種類和數(shù)量由電腦根據(jù)養(yǎng)分含量分佈圖控制。GPS測量定位技術(shù)（三）GPS在林業(yè)管理方面的應(yīng)用

在森林中進(jìn)行常規(guī)測量非常困難，而GPS定位技術(shù)則可以發(fā)揮它的優(yōu)越性，在確定林區(qū)面積、估算木材量、計算可採伐木材面積、確定原始森林、道路位置、對森林火災(zāi)進(jìn)行周邊測量、測定地區(qū)界線方面可以發(fā)揮其獨特的重要作用。（四）GPS在旅遊及野外考察中的應(yīng)用

在旅遊及野外考察中，導(dǎo)航型GPS是你最忠實的嚮導(dǎo)。它可以隨時告訴你所在的位置及行走速度和方向，使你不會迷失路途。GPS測量定位技術(shù)本章小結(jié)

本章主要介紹了大地測量的發(fā)展，大體上可分為古代大地測量、經(jīng)典大地測量和現(xiàn)代大地測量三個階段。特別是經(jīng)典大地測量中的三角測量、最小二乘法、重力測量成果現(xiàn)在仍被廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)代大地測量將測量成果精度提高到10-6量級以上；並縮短了作業(yè)週期，且使過去無法實現(xiàn)的嚴(yán)密理論計算得以實行。人造衛(wèi)星和空間技術(shù)的發(fā)展，突破了經(jīng)典大地測量在點位、時間、應(yīng)用、精度等方面的局限性，使測量產(chǎn)生了劃時代的飛躍和質(zhì)的變革。

GPS定位技術(shù)自從應(yīng)用於測量工程，就以其特有的自動化、全天候、高精度的顯著優(yōu)勢令經(jīng)典大地測量刮目相看，具體表現(xiàn)為：（1）選點靈活；（2）精度提高；（3）操作簡便；（4）全天候作業(yè)。為了打破美國GPS系統(tǒng)的壟斷，俄羅斯、歐盟和我國分別建立了GLONASS全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、GALILEO全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和我國的雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。

GPS在國民經(jīng)濟建設(shè)中的應(yīng)用中簡介了GPS在大地測量、工程測量、航空攝影測量、線路勘測及隧道貫通測量、地形、地籍及房地產(chǎn)測量、水下地形測量等領(lǐng)域中的應(yīng)用。GPS測量定位技術(shù)思考題與習(xí)題

1.經(jīng)典大地測量階段中，其主要任務(wù)是什麼?人們在哪些方面作了大量的研究工作，並取得了豐碩的成果?2.現(xiàn)代大地測量的主要任務(wù)是研究和解決哪些問題?具體包括那幾個方面?3.衛(wèi)星大地測量的作用分為哪幾個方面?4.子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的缺陷是什麼?5.GPS定位的實質(zhì)是什麼?6.GPS定位技術(shù)的優(yōu)點是什麼?7.選擇可用性SA（SelectiveAvailability）技術(shù)的主要內(nèi)容是什麼?主要起什麼作用?8.反電子欺騙AS（Anti-Spoofing）技術(shù)是採用什麼方法?9.擺脫GPS限制政策的途徑和方法有哪些?10.建立我國GPS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)的目的?由幾個跟蹤站組成?跟蹤站的基本功能有哪些?11.在哪幾個方面採用區(qū)域性GPS大地控制網(wǎng)?12.GPS線路控制網(wǎng)佈設(shè)應(yīng)滿足哪幾個條件?佈設(shè)GPS點對的原則是什麼?13.

GPS在水下地形測量中的實際應(yīng)用方法?GPS測量定位技術(shù)第二章GPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)

學(xué)習(xí)目標(biāo)第一節(jié)參心坐標(biāo)系第二節(jié)地心坐標(biāo)系第三節(jié)天球坐標(biāo)系第四節(jié)時間系統(tǒng)本章小結(jié)思考題與習(xí)題GPS測量定位技術(shù)第二章GPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)學(xué)習(xí)目標(biāo)·瞭解地心坐標(biāo)系的表述形式、天球坐標(biāo)系統(tǒng)中的天極、天球子午圈、時圈、黃道、黃赤交角、黃極。世界時、曆書時、原子時、協(xié)調(diào)世界時、力學(xué)時?！だ斫馓烨蜃鴺?biāo)系中的歲差與章動及天球坐標(biāo)系的建立，GPS的時間系統(tǒng)。

·掌握參心坐標(biāo)系中的1954年北京坐標(biāo)系（BJZ54（原）），1980年國家大地坐標(biāo)系（GDZ80）和1954年新北京坐標(biāo)系（BJZ54）。參心坐標(biāo)系的特點，地心坐標(biāo)系的特點，參心坐標(biāo)系與地心坐標(biāo)系之間的區(qū)別和WGS-84大地坐標(biāo)系。建立地心坐標(biāo)系的意義和方法。

GPS測量定位技術(shù)第一節(jié)參心坐標(biāo)系一、概述

在經(jīng)典大地測量中，為了處理觀測成果和傳算地面控制網(wǎng)的座標(biāo)，通常須選取一參考橢球面作為基本參考面，選一參考點作為大地測量的起算點（大地原點），利用大地原點的天文觀測量來確定參考橢球在地球內(nèi)部的位置和方向。參心坐標(biāo)系中的“參心”二字意指參考橢球的中心，所以參心坐標(biāo)系和參考橢球密切相關(guān)。由於參考橢球中心無法與地球質(zhì)心重合，故又稱其為非地心坐標(biāo)系。參心坐標(biāo)系按其應(yīng)用又分為參心大地坐標(biāo)系和參心空間直角坐標(biāo)系兩種。參心大地坐標(biāo)系的應(yīng)用十分廣泛，它是經(jīng)典大地測量的一種通用坐標(biāo)系。根據(jù)地圖投影理論，參心大地坐標(biāo)系可以通過高斯投影計算轉(zhuǎn)化為平面直角坐標(biāo)系，為地形測量和工程測量提供控制基礎(chǔ)。由於不同時期採用的地球橢球不同或其定位與定向不同，我國歷史上出現(xiàn)的參心大地坐標(biāo)系，主要有BJZ54（原）、GDZ80和BJZ54等三種。GPS測量定位技術(shù)一、概述

圖2-1地球表面與各種橢球之間的關(guān)係

參心空間大地直角坐標(biāo)系是用三維座標(biāo)x、y、z表示點位的，它可按一定的數(shù)學(xué)公式與參心大地坐標(biāo)系相互換算。通常在由GPS定位結(jié)果（地心空間大地直角坐標(biāo)系）計算參心大地坐標(biāo)系時，作為一種過渡換算的坐標(biāo)系。

GPS測量定位技術(shù)一、概述建立一個參心大地坐標(biāo)系，必須解決以下問題：（1）確定橢球的形狀和大??；（2）確定橢球中心的位置，簡稱定位；（3）確定橢球中心為原點的空間直角坐標(biāo)系坐標(biāo)軸的方向，簡稱定向；（4）確定大地原點。解決這些問題的過程，也就是建立參心大地坐標(biāo)系的過程。二、1954年北京坐標(biāo)系（BJZ54（原））

解放初期，我國大地坐標(biāo)系是採用河北石家莊市的柳新莊一等天文點作為原點的獨立坐標(biāo)系統(tǒng)，採用該點的天文座標(biāo)作為其大地座標(biāo)，以海福特橢球進(jìn)行定位。GPS測量定位技術(shù)二、1954年北京坐標(biāo)系（BJZ54（原））

隨著我國大地網(wǎng)的擴展，採用海福特橢球元素誤差太大，且沒有顧及垂線偏差的影響。為此，1954年總參謀部測繪局在有關(guān)方面的建議與支持下，採取先將我國一等鎖與原蘇聯(lián)遠(yuǎn)東一等鎖相連接，然後以連接呼瑪、吉拉林、東寧基線網(wǎng)擴大邊端點的原蘇聯(lián)1942年普爾科沃坐標(biāo)系的座標(biāo)為起算數(shù)據(jù)，平差我國東北及東部地區(qū)一等鎖。這樣傳算過來的座標(biāo)，定名為1954年北京坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系是以原蘇聯(lián)當(dāng)時採用的1942年普爾科沃坐標(biāo)系為基礎(chǔ)建立起來的，所不同的是1954年北京坐標(biāo)系的高程異常是以原蘇聯(lián)1955年大地水準(zhǔn)面差距重新平差結(jié)果為起算值，且以1956年青島驗潮站求出的黃海平均海水面為基準(zhǔn)面，按我國天文水準(zhǔn)路線推算出來的。GPS測量定位技術(shù)二、1954年北京坐標(biāo)系（BJZ54（原））

幾十年來，我國在該坐標(biāo)系上完成了大量的測繪工作，實施了天文大地網(wǎng)局部平差，通過高斯－克呂格投影，得到點的平面座標(biāo)。測制了各種比例尺地形圖。但是隨著測繪新理論、新技術(shù)的不斷發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)該坐標(biāo)系存在如下缺點：（1）因1954年原北京坐標(biāo)系採用了克拉索夫斯基橢球，與現(xiàn)在的精確橢球參數(shù)相比，長半軸約長109m。（2）參考橢球面與我國所在地區(qū)的大地水準(zhǔn)面不能達(dá)到最佳擬合，在我國東部地區(qū)大地水準(zhǔn)面差距自西向東增加最大達(dá)＋68m。（3）幾何大地測量和物理大地測量應(yīng)用的參考面不統(tǒng)一。我國在處理重力數(shù)據(jù)時採用赫爾默特1900～1909年正常重力公式，與公式相適應(yīng)的赫爾默特扁球和克拉索夫斯基橢球不一致。（4）定向不明確。橢球短軸未指向國際協(xié)議原點CIO，也不是我國地極原點JYD1968.0；起始大地子午面也不是國際時間局BIH所定義的格林尼治平均天文臺子午面。（5）橢球只有兩個幾何參數(shù)（長半軸、扁率），缺乏物理意義，不能全面反映地球的幾何與物理特徵。同時，1954年北京坐標(biāo)系的大地原點在普爾科沃，是原蘇聯(lián)進(jìn)行多點定位的結(jié)果。GPS測量定位技術(shù)三、1980年國家大地坐標(biāo)系（GDZ80）

為了進(jìn)行全國天文大地網(wǎng)整體平差，採用新的橢球參數(shù)和進(jìn)行新的定位與定向，來彌補因1954年北京坐標(biāo)系存在的橢球參數(shù)不夠精確、參考橢球與我國大地水準(zhǔn)面擬合不好等缺點，所以建立我國新的大地坐標(biāo)系是必要的、適時的。1.橢球的參數(shù)在幾何大地測量學(xué)中，通常用橢球長半徑a和扁率f兩個參數(shù)表示橢球的形狀和大小，但是從幾何和物理兩個方面來研究地球，僅有兩個參數(shù)是不夠的。在物理大地測量中研究地球重力場時，需要引進(jìn)一個正常橢球所產(chǎn)生的正常重力場。關(guān)於物理的重力場，有著名的司托克斯定理：如果物體被水準(zhǔn)面S包圍，已知它的總品質(zhì)為M，並繞一定軸以常角速度ω旋轉(zhuǎn)，則S面上或外部空間任一點的重力位，都可以唯一確定。GPS測量定位技術(shù)1.橢球的參數(shù)正常重力位的球函數(shù)展開式為：

（2-1）

式中為地心矢徑，為餘緯度，為勒讓德多項式；、、和為正常橢球的四個參數(shù)，式中其他的偶階帶諧係數(shù)、…等可根據(jù)這四個參數(shù)按一定的公式算得。1967年國際大地測量與地球物理聯(lián)合會（IUGG）第十四屆大會上，開始採用這四個參數(shù)全面描述地球的幾何特性和物理特性。GPS測量定位技術(shù)1.橢球的參數(shù)

這四個量通常稱為基本大地參數(shù)，在四個基本參數(shù)中，長半徑通常由幾何大地測量提供，地球自轉(zhuǎn)角速度由天文觀測確定，它們的精度都比較好。地球的品質(zhì)M雖難測定，但是（是地球引力常數(shù)）利用衛(wèi)星大地測量學(xué)可精確測定至千萬分之一。通過觀測人造地球衛(wèi)星，確定與等價的二階帶諧係數(shù)，其精確度提高了二個數(shù)量級。這些參數(shù)，可以充分地確定地球橢球的形狀，大小及其正常重力場，從而使大地測量學(xué)與大地重力學(xué)的基本參數(shù)得到統(tǒng)一。GPS測量定位技術(shù)2.極移和地極原點

地球自轉(zhuǎn)軸與地球表面的交點叫地球極點。由於地球內(nèi)部和外部的動力學(xué)因素、地球極點在地球表面上的位置隨時間而變化，這種現(xiàn)象叫做極移。隨時間而變化的極點叫暫態(tài)極，某一時期暫態(tài)極的平均位置，叫做平地極，簡稱平極。極移運動是比較複雜的，其中主要由張德勒運動和受迫季節(jié)性運動兩項週期性運動所合成，包括有1.2年、1.0年和0.5年三種週期，另外還有一些不規(guī)則的變化。在1967年國際天文學(xué)聯(lián)合會和國際大地測量學(xué)與地球物理學(xué)聯(lián)合會共同召開的32次討論會上，建議平極的位置用國際緯度服務(wù)站五個臺站的“1900～1905年新系統(tǒng)”的平均緯度來確定。平極的這個位置相對於1900～1905年平均曆元（1903.0），叫做國際協(xié)議原點，簡稱CIO。1977年我國極移協(xié)作小組利用1949～1977年期間的國內(nèi)外36個臺站的光學(xué)儀器的測緯資料，分別就地極的長期與週期分量進(jìn)行分析研究後，確定了我國的地極原點，記作JYD1968.0（曆元平極）。GPS測量定位技術(shù)2.極移和地極原點

在1979年4月前的國際時間局（BIH）數(shù)據(jù)均相對於1968年BIH系統(tǒng)。此後，因加入了美國國防部測繪局（DMA）的多譜勒極移成果而改用1979年BIH系統(tǒng)。隨著觀測技術(shù)和手段的發(fā)展，以及觀測臺站和數(shù)據(jù)的增加，國際極移服務(wù)機構(gòu)（IPMS）所定期公佈的暫態(tài)地極座標(biāo)，嚴(yán)格地說，已不在是以原來所定義的CIO為極移原點。國際時間局所建立的1979BIH系統(tǒng)作為協(xié)議地面參照系以及所發(fā)佈的暫態(tài)地極座標(biāo)已加入了衛(wèi)星多譜勒及鐳射測月技術(shù)來求定極移，其地極原點與原有的CIO自然也不一致，1988年後完全摒棄了天文光學(xué)觀測成果，國際協(xié)議原點（CIO）作為歷史上曾沿用過的名詞已失去原來的意義，目前我們可以這樣認(rèn)為，由國際時間局所