GPS測(cè)量定位技術(shù)

本書為高職高專測(cè)量工程專業(yè)的教材，也可供其他相關(guān)專業(yè)教學(xué)及崗位培訓(xùn)參考。

第一章 緒論1

學(xué)習(xí)目標(biāo)1

第一節(jié) 衛(wèi)星大地測(cè)量及其發(fā)展1

一、大地測(cè)量的發(fā)展概況1

二、衛(wèi)星大地測(cè)量的起源2

三、GPS定位的基本概念4

四、中國(guó)GPS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)5

第二節(jié) 導(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng)9

三、歐洲空間局的NAVSAT衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)10

四、伽利略全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)12

五、中國(guó)的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)13

第三節(jié) GPS在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的應(yīng)用14

一、GPS在大地測(cè)量中的應(yīng)用14

二、GPS在工程測(cè)量中的應(yīng)用16

三、GPS在航空攝影測(cè)量中的應(yīng)用17

四、GPS在線路勘測(cè)及隧道貫通測(cè)量中的應(yīng)用17

五、GPS在地形、地籍及房地產(chǎn)測(cè)量中的應(yīng)用18

六、GPS在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用18

七、GPS在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用19

本章小結(jié)19

思考題與習(xí)題20

第二章 GPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)21

學(xué)習(xí)目標(biāo)21

第一節(jié) 參心坐標(biāo)系22

一、概述22

二、1954年北京坐標(biāo)系[BJZ54（原）]23

三、1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系（GDZ80) 23

四、1954年新北京坐標(biāo)系（BJZ54) 26

第二節(jié) 地心坐標(biāo)系26

一、建立地心坐標(biāo)系的意義和方法26

二、地心坐標(biāo)系的表述形式27

三、WGS-84大地坐標(biāo)系27

四、地方獨(dú)立坐標(biāo)系28

五、ITRF坐標(biāo)框架簡(jiǎn)介28

第三節(jié) 天球坐標(biāo)系29

一、天球上的點(diǎn)和圈29

二、歲差與章動(dòng)29

三、天球坐標(biāo)系的建立30

第四節(jié) 時(shí)間系統(tǒng)31

一、概述31

二、世界時(shí)（UT) 32

三、歷書時(shí)（ET) 33

四、原子時(shí)（ATI) 33

五、協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC) 33

六、力學(xué)時(shí)（DT) 34

七、GPS時(shí)（GPST) 34

八、區(qū)時(shí)（Tn) 34

本章小結(jié)35

思考題與習(xí)題35

第三章 GPS系統(tǒng)的組成與GPS信號(hào)36

學(xué)習(xí)目標(biāo)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(yùn)行及其軌道39

一、理想情況下的衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)40

二、衛(wèi)星運(yùn)行的軌道41

三、攝動(dòng)力對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行軌道的影響43

第三節(jié) 衛(wèi)星星歷與衛(wèi)星位置計(jì)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(jì)算45

三、衛(wèi)星在地心空間直角坐標(biāo)系中的位置計(jì)算46

第四節(jié) GPS衛(wèi)星信號(hào)47

一、GPS衛(wèi)星信號(hào)的內(nèi)容47

二、GPS信號(hào)的結(jié)構(gòu)49

三、測(cè)距碼的產(chǎn)生49

四、GPS信號(hào)的傳播50

五、導(dǎo)航電文51

第五節(jié) GPS信號(hào)的接收54

一、信號(hào)接收設(shè)備的組成54

二、天線單元55

三、接收單元55

本章小結(jié)58

思考題與習(xí)題58

第四章 GPS衛(wèi)星定位的基本原理59

學(xué)習(xí)目標(biāo)59

第一節(jié) GPS定位概述59

一、靜態(tài)定位與動(dòng)態(tài)定位60

二、單點(diǎn)定位和相對(duì)定位60

三、主動(dòng)式測(cè)距和被動(dòng)式測(cè)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(cè)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(jì)算64

四、偽距定位法的應(yīng)用65

第三節(jié) 載波相位測(cè)量66

一、載波相位測(cè)量原理66

二、載波相位測(cè)量觀測(cè)方程67

三、載波相位測(cè)量差分法69

第四節(jié) GPS動(dòng)態(tài)定位原理71

一、動(dòng)態(tài)定位的特點(diǎn)71

二、單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位72

三、偽距差分動(dòng)態(tài)定位73

四、GPS測(cè)速74

五、GPS定時(shí)75

本章小結(jié)76

思考題與習(xí)題76

第五章 GPS衛(wèi)星定位的誤差來源及其影響78

學(xué)習(xí)目標(biāo)78

第一節(jié) GPS測(cè)量的主要誤差分類78

第二節(jié) 與衛(wèi)星有關(guān)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(duì)論效應(yīng)81

第三節(jié) 衛(wèi)星信號(hào)傳播誤差82

一、電離層折射82

二、對(duì)流層折射84

三、多路徑誤差85

第四節(jié) 接收設(shè)備誤差與圖形強(qiáng)度86

一、接收機(jī)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(qiáng)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(jié)91

思考題與習(xí)題91

第六章 GPS衛(wèi)星定位測(cè)量的設(shè)計(jì)與實(shí)施93

學(xué)習(xí)目標(biāo)93

第一節(jié) 建立GPS控制網(wǎng)的技術(shù)依據(jù)94

一、GPS測(cè)量的精度分級(jí)94

二、GPS點(diǎn)的密度95

三、測(cè)量作業(yè)基本技術(shù)規(guī)定95

第二節(jié) GPS定位網(wǎng)的布設(shè)97

一、技術(shù)設(shè)計(jì)中應(yīng)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(cè)設(shè)計(jì)98

四、衛(wèi)星空間分布的幾何圖形強(qiáng)度設(shè)計(jì)99

五、野外選點(diǎn)99

六、標(biāo)石埋設(shè)101

第三節(jié) GPS接收機(jī)的選擇101

一、接收機(jī)的類型選擇101

二、最佳GPS接收機(jī)具備的條件103

三、GPS接收機(jī)簡(jiǎn)介103

第四節(jié) GPS定位網(wǎng)的測(cè)設(shè)方案106

一、兩臺(tái)接收機(jī)相對(duì)定位的測(cè)設(shè)方案106

二、多臺(tái)接收機(jī)的同步網(wǎng)測(cè)設(shè)方案107

三、多臺(tái)接收機(jī)的異步網(wǎng)測(cè)設(shè)方案108

第五節(jié) 外業(yè)觀測(cè)109

一、接收設(shè)備及其檢驗(yàn)109

二、制定實(shí)測(cè)方案110

三、選擇最佳觀測(cè)時(shí)段111

四、編排作業(yè)調(diào)度表111

五、天線安置112

六、觀測(cè)作業(yè)112

七、外業(yè)成果記錄113

第六節(jié) 觀測(cè)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(shù)總結(jié)與上交資料116

本章小結(jié)117

思考題與習(xí)題117

第七章 GPS控制網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理119

學(xué)習(xí)目標(biāo)119

第一節(jié) 觀測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理119

一、概述119

二、預(yù)處理的準(zhǔn)備工作121

三、數(shù)據(jù)預(yù)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(píng)定127

四、解算結(jié)果分析128

第三節(jié) GPS基線網(wǎng)獨(dú)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(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換132

一、空間直角坐標(biāo)與大地坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換132

二、不同空間直角坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換133

三、不同大地坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換136

四、在高斯平面坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)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(biāo)系中的三維約束平差139

三、在大地坐標(biāo)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(jì)算151

一、概述151

二、擬合法確定正常高程151

三、GPS水準(zhǔn)應(yīng)用152

本章小結(jié)153

思考題與習(xí)題153

第八章 GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位154

學(xué)習(xí)目標(biāo)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(zhǔn)站的組成和作用156

第三節(jié) RTK流動(dòng)站的組成和作用157

第四節(jié) RTK定位測(cè)量的外業(yè)準(zhǔn)備工作158

第五節(jié) RTK的作業(yè)方法158

一、架設(shè)基準(zhǔn)站159

二、啟動(dòng)基準(zhǔn)站159

三、啟動(dòng)流動(dòng)站160

四、開始測(cè)量160

第六節(jié) GPS網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)160

一、概述160

二、VRS的系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理161

三、VRS系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)162

本章小結(jié)163

思考題與習(xí)題163

附錄164

附錄一 某市GPS三等平面控制網(wǎng)測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)示例164

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

參考文獻(xiàn)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(shè)計(jì)與實(shí)施、GPS衛(wèi)星定位的數(shù)據(jù)處理等。培養(yǎng)學(xué)生使用GPS接收機(jī)在各種大、中型工程勘測(cè)、大地控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)和工程的施工放樣中進(jìn)行定位工作的能力。本教材具有較強(qiáng)的實(shí)用性和通用性，突出“以能力為本位”的指導(dǎo)思想，內(nèi)容精練，突出應(yīng)用，加強(qiáng)實(shí)踐。

該項(xiàng)技術(shù)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(kù)來收集，如衛(wèi)星軌道和地球高程值等數(shù)據(jù)。

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

本書主要內(nèi)容包括：衛(wèi)星定位技術(shù)發(fā)展及GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)、GPS定位原理、GPS測(cè)量誤差的來源及其影響、坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)、GPS測(cè)量的設(shè)計(jì)與實(shí)施、GPS測(cè)量的設(shè)計(jì)與實(shí)施、GPS測(cè)量數(shù)據(jù)處理、GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位原理、GPS技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用。通過本課程的教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生使用GPS進(jìn)行各種大、中型工程勘測(cè)、大地控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、地形地籍碎部測(cè)量和工程施工放樣能力，對(duì)培養(yǎng)學(xué)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(jiǎn)稱為GPS，它是利用人造衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航、定位的系統(tǒng)。該系統(tǒng)由美國(guó)國(guó)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(cè)繪技術(shù)的一場(chǎng)革命，它可以高精度、全天候、快速測(cè)定地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)，使傳統(tǒng)的測(cè)量理論與方法產(chǎn)生了深刻的變革，促進(jìn)了測(cè)繪科學(xué)的現(xiàn)代化。2100433B