GPS测量原理及测量方法

一、GPS的定义及历史 1、定义

全球定位系统 GPS （ Global Position System ） , 是一种可以授时和测距的空间交会定点的导航系统 , 可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置，三维速度和时间信息。 2、GPS 的产生与发展——由 TRANSIT 到 GPS

（1）1957 年 10 月第一颗人造地球卫星上天，天基电子导航应运而生。 ` （2）美国 1964 年建成子午卫星导航定位系统 (TRANSIT) 。

（3）美国从 1973 年开始筹建全球定位系统， 1994 年全部建成，投入使用。

GPS 的研制最初主要用于军事目的。如为陆海空三军提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测、应急通讯和爆破定位等方面。随着 GPS 系统步入试验和实用阶段，其定位技术的高度自动化及所达到的高精度和巨大的潜力，引起了各国政府的普遍关注，同时引起了广大测量工作者的极大兴趣。特别是近几年来， GPS 定位技术在应用基础的研究、新应用领域的开拓、软硬件的开发等方面都取得了迅速发展。 二、GPS 系统的组成

1、空间卫星部分。由 21 颗工作卫星和 3 颗备用卫星。

2、地面控制部分。其由 1 个主控站， 5 个监控站和 3 个注入站组成。 3、用户接收机部分。

GPS 接收机的基本类型分导航型和大地型。大地型接收机又分单频型（ L1 ）和双频型（ L1 ， L2 ）GPS 系统组成

GPS 空间卫星部分

GPS 地面控制部分

导航型 GPS 接收机 大地型 GPS 接收机

三、GPS 定位方法分类

GPS 的定位方法，若按用户接收机天线在测量中所处的状态来分，可分为静态定位和动态定位；若按定位的结果来分，可分为绝对定位和相对定位。

静态定位，即在定位过程中，接收机天线（观测站）的位置相对于周围地面点而言，处于静止状态；而动态定位则正好相反，即在定位过程中，接收机天线处于运动状态，定位结果是连续变化的。

绝对定位亦称单点定位，是利用 GPS 独立确定用户接收机天线（观测站）在 WGS-84 坐标系中的绝对位置。相对定位则是在 WGS-84 坐标系中确定收机天线（观测站）与某一地面参考点之间的相对位置，或两观测站之间相对位置的方法。

目前工程、测绘领域，应用最广泛的是静态相对定位和动态相对定位。

按相对定位的数据解算，是否具有实时性，又可将其分为后处理定位和实时动态定位（ RTK ），其中，后处理定位又可分为静态（相对）定位和动态（相对）定位。 四、GPS 定位原理 1、绝对定位原理

利用 GPS 进行绝对定位的基本原理为：以 GPS 卫星与用户接收机天线之间的几何距离观测量 为基础，并根据卫星的瞬时坐标（ XS ,YS ,ZS ），以确定用户接收机天线所对应的点位，即观测站的位置。

设接收机天线的相位中心坐标为（ X,Y,Z ），则有：

卫星的瞬时坐标（ XS ,YS ,ZS ）可根据导航电文获得，所以式中只有 X 、 Y 、 Z 只要同时接收 3 颗 GPS 卫星，就能解出测站点坐标（ X,Y,Z ）。可以看出， GPS 单点定位的实质就是空间距离的后方交会。

GPS 绝对定位图

2、相对定位原理

GPS 相对定位，亦称差分 GPS 定位，是目前 GPS 定位中精度最高的一种定位方法。其基本定位原理为：如图 7-22 所示，用两台 GPS 用户接收机分别安置在基线的两端，并同步观测相同的 GPS 卫星，以确定基线端点（测站点）在 WGS-84 坐标系中的相对位置或称基线向量。

GPS 相对定位图

五、GPS 的后处理定位方法

目前在工程中，广泛应用的是相对定位模式。其后处理定位方法有：静态定位和动态定位。 1、静态相对定位 （1）方法

将几台 GPS 接收机安置在基线端点上，保持固定不动，同步观测 4 每时段观测十几分钟至1小时左右。最后将观测数据输入计算机，经软件解算得各点坐标。 （2）用途

是精度最高的作业模式。主要用于大地测量、控制测量、 变形测量、工程测量。 （3）精度

可达到（ 2-5mm +1ppm ） 2、动态相对定位 （1）方法

先建立一个基准站，并在其上安置接收机连续观测可见卫星，另一台接收机在第 1 点静止观测数分钟后，在其他点依次观测数秒。最后将观测数据输入计算机，经软件解算得各点坐标。动态相对定位的作业范围一般不能超过 15km 。 （2）用途

适用于精度要求不高的碎部测量。 （3）精度

可达到（ 10-20mm +1ppm ）

图一：静态相对定位模式 图二：动态相对定位模式

六、GPS 实时动态定位（ RTK ）方法 1、RTK 工作原理及方法

与动态相对定位方法相比，定位模式相同，仅要在基准站和流动站间增加一套数据链，实现各点坐标的实时计算、实时输出。

RTK 定位图

2、RTK 用途

适用于精度要求不高的施工放样及碎部测量。 3、作业范围

目前一般为 10km 左右。 4、精度

可达到（ 10-20mm +1ppm ）