GPS測量定位技術

本書為高職高專測量工程專業(yè)的教材，也可供其他相關專業(yè)教學及崗位培訓參考。

第一章 緒論1

學習目標1

第一節(jié) 衛(wèi)星大地測量及其發(fā)展1

一、大地測量的發(fā)展概況1

二、衛(wèi)星大地測量的起源2

三、GPS定位的基本概念4

四、中國GPS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)5

第二節(jié) 導航定位衛(wèi)星及其星座7

一、GPS衛(wèi)星及星座7

二、前蘇聯(lián)GLONASS全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)9

三、歐洲空間局的NAVSAT衛(wèi)星導航系統(tǒng)10

四、伽利略全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)12

五、中國的北斗導航衛(wèi)星定位系統(tǒng)13

第三節(jié) GPS在國民經(jīng)濟建設中的應用14

一、GPS在大地測量中的應用14

二、GPS在工程測量中的應用16

三、GPS在航空攝影測量中的應用17

四、GPS在線路勘測及隧道貫通測量中的應用17

五、GPS在地形、地籍及房地產(chǎn)測量中的應用18

六、GPS在水下地形測量中的應用18

七、GPS在其他領域中的應用19

本章小結19

思考題與習題20

第二章 GPS定位的坐標系統(tǒng)和時間系統(tǒng)21

學習目標21

第一節(jié) 參心坐標系22

一、概述22

二、1954年北京坐標系[BJZ54（原）]23

三、1980年國家大地坐標系（GDZ80) 23

四、1954年新北京坐標系（BJZ54) 26

第二節(jié) 地心坐標系26

一、建立地心坐標系的意義和方法26

二、地心坐標系的表述形式27

三、WGS-84大地坐標系27

四、地方獨立坐標系28

五、ITRF坐標框架簡介28

第三節(jié) 天球坐標系29

一、天球上的點和圈29

二、歲差與章動29

三、天球坐標系的建立30

第四節(jié) 時間系統(tǒng)31

一、概述31

二、世界時（UT) 32

三、歷書時（ET) 33

四、原子時（ATI) 33

五、協(xié)調(diào)世界時（UTC) 33

六、力學時（DT) 34

七、GPS時（GPST) 34

八、區(qū)時（Tn) 34

本章小結35

思考題與習題35

第三章 GPS系統(tǒng)的組成與GPS信號36

學習目標36

第一節(jié) GPS定位系統(tǒng)的組成36

一、地面監(jiān)控部分36

二、空間衛(wèi)星部分38

三、用戶接收部分39

第二節(jié) 衛(wèi)星的運行及其軌道39

一、理想情況下的衛(wèi)星運動40

二、衛(wèi)星運行的軌道41

三、攝動力對衛(wèi)星運行軌道的影響43

第三節(jié) 衛(wèi)星星歷與衛(wèi)星位置計算43

一、GPS衛(wèi)星星歷44

二、衛(wèi)星在其軌道平面內(nèi)的位置計算45

三、衛(wèi)星在地心空間直角坐標系中的位置計算46

第四節(jié) GPS衛(wèi)星信號47

一、GPS衛(wèi)星信號的內(nèi)容47

二、GPS信號的結構49

三、測距碼的產(chǎn)生49

四、GPS信號的傳播50

五、導航電文51

第五節(jié) GPS信號的接收54

一、信號接收設備的組成54

二、天線單元55

三、接收單元55

本章小結58

思考題與習題58

第四章 GPS衛(wèi)星定位的基本原理59

學習目標59

第一節(jié) GPS定位概述59

一、靜態(tài)定位與動態(tài)定位60

二、單點定位和相對定位60

三、主動式測距和被動式測距61

四、用GPS定位的基本方法61

第二節(jié) 偽距法定位62

一、測定偽距的方法62

二、偽距法定位的原理63

三、偽距法定位的計算64

四、偽距定位法的應用65

第三節(jié) 載波相位測量66

一、載波相位測量原理66

二、載波相位測量觀測方程67

三、載波相位測量差分法69

第四節(jié) GPS動態(tài)定位原理71

一、動態(tài)定位的特點71

二、單點動態(tài)定位72

三、偽距差分動態(tài)定位73

四、GPS測速74

五、GPS定時75

本章小結76

思考題與習題76

第五章 GPS衛(wèi)星定位的誤差來源及其影響78

學習目標78

第一節(jié) GPS測量的主要誤差分類78

第二節(jié) 與衛(wèi)星有關的誤差79

一、衛(wèi)星星歷誤差79

二、衛(wèi)星鐘的鐘誤差80

三、相對論效應81

第三節(jié) 衛(wèi)星信號傳播誤差82

一、電離層折射82

二、對流層折射84

三、多路徑誤差85

第四節(jié) 接收設備誤差與圖形強度86

一、接收機鐘誤差86

二、天線相位中心位置誤差86

三、等效距離誤差87

四、幾何圖形強度87

第五節(jié) 整周跳變分析與整周未知數(shù)的確定88

一、整周跳變分析88

二、整周未知數(shù)N0的確定90

本章小結91

思考題與習題91

第六章 GPS衛(wèi)星定位測量的設計與實施93

學習目標93

第一節(jié) 建立GPS控制網(wǎng)的技術依據(jù)94

一、GPS測量的精度分級94

二、GPS點的密度95

三、測量作業(yè)基本技術規(guī)定95

第二節(jié) GPS定位網(wǎng)的布設97

一、技術設計中應考慮的因素97

二、GPS網(wǎng)的布網(wǎng)原則98

三、GPS網(wǎng)的聯(lián)測設計98

四、衛(wèi)星空間分布的幾何圖形強度設計99

五、野外選點99

六、標石埋設101

第三節(jié) GPS接收機的選擇101

一、接收機的類型選擇101

二、最佳GPS接收機具備的條件103

三、GPS接收機簡介103

第四節(jié) GPS定位網(wǎng)的測設方案106

一、兩臺接收機相對定位的測設方案106

二、多臺接收機的同步網(wǎng)測設方案107

三、多臺接收機的異步網(wǎng)測設方案108

第五節(jié) 外業(yè)觀測109

一、接收設備及其檢驗109

二、制定實測方案110

三、選擇最佳觀測時段111

四、編排作業(yè)調(diào)度表111

五、天線安置112

六、觀測作業(yè)112

七、外業(yè)成果記錄113

第六節(jié) 觀測成果的外業(yè)檢核及處理114

一、野外數(shù)據(jù)檢核114

二、數(shù)據(jù)后處理115

三、技術總結與上交資料116

本章小結117

思考題與習題117

第七章 GPS控制網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理119

學習目標119

第一節(jié) 觀測數(shù)據(jù)的預處理119

一、概述119

二、預處理的準備工作121

三、數(shù)據(jù)預處理的內(nèi)容121

第二節(jié) GPS基線向量的解算124

一、誤差方程的列立124

二、法方程的組成與解算126

三、精度評定127

四、解算結果分析128

第三節(jié) GPS基線網(wǎng)獨立平差129

一、概述129

二、基線網(wǎng)按經(jīng)典自由網(wǎng)平差129

三、基線網(wǎng)按虧秩自由網(wǎng)平差131

第四節(jié) 坐標系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換132

一、空間直角坐標與大地坐標的轉(zhuǎn)換132

二、不同空間直角坐標系之間的坐標轉(zhuǎn)換133

三、不同大地坐標系之間的坐標轉(zhuǎn)換136

四、在高斯平面坐標系統(tǒng)中的坐標轉(zhuǎn)換模型136

第五節(jié) GPS網(wǎng)與地面網(wǎng)的三維平差139

一、概述139

二、在空間直角坐標系中的三維約束平差139

三、在大地坐標系統(tǒng)中的三維約束平差142

四、三維聯(lián)合平差144

五、GPS網(wǎng)三維平差的若干問題145

第六節(jié) GPS網(wǎng)與地面網(wǎng)的二維平差145

一、二維無約束平差146

二、二維約束平差147

三、二維聯(lián)合平差148

第七節(jié) GPS的高程計算151

一、概述151

二、擬合法確定正常高程151

三、GPS水準應用152

本章小結153

思考題與習題153

第八章 GPS實時動態(tài)定位154

學習目標154

第一節(jié) RTK概述154

一、RTK的工作原理154

二、RTK的系統(tǒng)組成155

第二節(jié) RTK系統(tǒng)基準站的組成和作用156

第三節(jié) RTK流動站的組成和作用157

第四節(jié) RTK定位測量的外業(yè)準備工作158

第五節(jié) RTK的作業(yè)方法158

一、架設基準站159

二、啟動基準站159

三、啟動流動站160

四、開始測量160

第六節(jié) GPS網(wǎng)絡RTK技術160

一、概述160

二、VRS的系統(tǒng)構成及工作原理161

三、VRS系統(tǒng)的優(yōu)勢162

本章小結163

思考題與習題163

附錄164

附錄一 某市GPS三等平面控制網(wǎng)測量技術設計示例164

附錄二 Trimble Geomatics Office (TGO)軟件的使用169

參考文獻183 2100433B

本書主要介紹了GPS衛(wèi)星定位的基本原理、GPS衛(wèi)星定位的誤差來源及其影響、GPS衛(wèi)星定位的設計與實施、GPS衛(wèi)星定位的數(shù)據(jù)處理等。培養(yǎng)學生使用GPS接收機在各種大、中型工程勘測、大地控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)和工程的施工放樣中進行定位工作的能力。本教材具有較強的實用性和通用性，突出“以能力為本位”的指導思想，內(nèi)容精練，突出應用，加強實踐。

該項技術允許GPS芯片只從衛(wèi)星上收集最重要的數(shù)據(jù)，而其他數(shù)據(jù)則通過公共的在線數(shù)據(jù)庫來收集，如衛(wèi)星軌道和地球高程值等數(shù)據(jù)。

利用當前技術，智能手機獲得初次GPS修正需要約1焦耳的電能，而使用微軟的該項技術僅需要0.4毫焦，節(jié)能效果高達99.96%。研究人員表示，基于該項技術可開發(fā)出許多基于持續(xù)GPS記錄的新服務。 2100433B

本書主要內(nèi)容包括：衛(wèi)星定位技術發(fā)展及GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)、GPS定位原理、GPS測量誤差的來源及其影響、坐標系統(tǒng)和時間系統(tǒng)、GPS測量的設計與實施、GPS測量的設計與實施、GPS測量數(shù)據(jù)處理、GPS實時動態(tài)定位原理、GPS技術在其他領域的應用。通過本課程的教學，培養(yǎng)學生使用GPS進行各種大、中型工程勘測、大地控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、地形地籍碎部測量和工程施工放樣能力，對培養(yǎng)學生的專業(yè)和崗位能力具有重要作用。

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Global Positioning System)簡稱為GPS，它是利用人造衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號進行導航、定位的系統(tǒng)。該系統(tǒng)由美國國防部于1973年開始組織研制，歷經(jīng)20年，耗資200多億美元，于1993年成功建成并投入使用。GPS的出現(xiàn)引起了測繪技術的一場革命，它可以高精度、全天候、快速測定地面點的三維坐標，使傳統(tǒng)的測量理論與方法產(chǎn)生了深刻的變革，促進了測繪科學的現(xiàn)代化。2100433B