1、第十一章 GPS 定位原理及应用简介内容：掌握 GPS 的基本概念和系统组成；掌握 GPS 的坐标系统和基本定位原理；理解 GPS 定位方法分类中绝对定位和相对定位、静态定位和动态定位的概念及用途。 重点：GPS 的基本概念和系统组成； GPS 基本定位原理。 难点：GPS 定位方法分类中绝对定位和相对定位、静态定位和动态定位的概念及用途。 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
2、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
3、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，
4、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。 各种定位方法还可有不同的组合，如静态绝对定位、静态相对定位、动态绝对定位、动态相对定位等。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
5、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 三个未知量，只要同时接收 3 颗 GPS 卫星，就能解出测站点坐
6、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
7、，保持固定不动，同步观测 4 颗以上卫星。可观测数个时段，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（ 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 ）
