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GPS測量原理及應用 版權信息
- ISBN：9787030154026
- 條形碼：9787030154026 ; 978-7-03-015402-6
- 裝幀：暫無
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
GPS測量原理及應用 內容簡介
本書是作者在多年從事GPS衛星定位測量教學和應用研究的基礎上撰寫而成的。書中重點介紹了GPS靜態和動態定位的原理，特別是利用載波相位進行靜態相對定位和動態GPS差分定位的原理及作業方法，討論了GPS衛星定位中的有關誤差、控制網的設計與實施作業以及GPS在不同領域中的應用。*后，書中還介紹了Gelileo、GLONASS等優選衛星導航定位系統的結構、功能、特點及近期新發展。
GPS測量原理及應用 目錄
目錄
序
前言
第1章 GPS衛星定位測量基礎 1
1.1 GPS定位系統概述 1
1.1.1 衛星大地測量的發展概況 1
1.1.2 GPS系統的組成 5
1.1.3 其他衛星導航定位系統 8
1.2 GPS定位系統的坐標系 9
1.2.1 天球概述 10
1.2.2 兩種天球坐標系及其轉換模型 12
1.2.3 極移與國際協議地極原點 15
1.2.4 兩種地球坐標系及其轉換模型 15
1.2.5 瞬時極（真）天球坐標系到瞬時極（真）地球坐標系的轉換模型 18
1.2.6 WGS-84世界大地坐標系 19
1.3 GPS定位的時間系統 20
1.3.1 世界時系統 20
1.3.2 原子時 22
1.3.3 力學時 23
1.3.4 協調世界時 23
1.3.5 GPS時間系統 24
1.4 人造地球衛星的正常軌道運動 24
1.4.1 二體問題意義下衛星的運動方程 24
1.4.2 開普勒定律和衛星運動的軌道參數 25
1.4.3 衛星的瞬時位置計算 32
1.4.4 衛星運動的瞬時速度計算 34
1.5 人造地球衛星的受攝運動 35
1.5.1 衛星運動的攝動力和受攝運動方程 35
1.5.2 地球引力場攝動力及其對衛星軌道運動的影響 37
1.5.3 日、月引力攝動 39
1.5.4 太陽光壓攝動 40
1.5.5 其他攝動力影響 40
思考題 41
第2章 GPS衛星信號及其測量原理 42
2.1 GPS衛星的測距碼信號與偽距測量原理 42
2.1.1 碼的基本概念 42
2.1.2 偽隨機噪聲碼及其產生 43
2.1.3 GPS衛星的測距碼信號 45
2.1.4 碼相關偽距測量原理 47
2.2 GPS衛星的導航電文 48
2.2.1 導航電文的組成格式 48
2.2.2 導航電文的內容 49
2.3 GPS衛星星歷 52
2.3.1 GPS衛星的預報星歷 52
2.3.2 GPS衛星的后處理星歷 53
2.4 GPS衛星的載波信號與相位測量原理 55
2.4.1 GPS衛星的載波信號 55
2.4.2 GPS衛星信號的調制 55
2.4.3 GPS衛星信號的解調 57
2.4.4 載波相位測量原理 59
2.5 美國政府關于GPS衛星信號的限制使用政策 60
2.5.1 GPS工作衛星的SA與AS技術 60
2.5.2 GPS用戶的反限制技術措施 61
2.6 GPS信號接收機 62
2.6.1 GPS信號接收機的基本工作原理 62
2.6.2 GPS信號接收機分類 66
2.6.3 幾種常見的測量型GPS信號接收機 68
思考題 71
第3章 GPS靜態定位原理 73
3.1 GPS定位方法分類及其誤差源 73
3.1.1 GPS定位方法分類 73
3.1.2 GPS測量誤差概述 75
3.1.3 衛星星歷誤差 76
3.1.4 時鐘誤差 78
3.1.5 衛星信號傳播誤差 79
3.1.6 與接收設備有關的誤差 85
3.2 靜態絕對定位原理 87
3.2.1 偽距觀測方程及其線性化 87
3.2.2 偽距法絕對定位解 88
3.2.3 衛星幾何分布精度因子 90
3.3 靜態相對定位原理 92
3.3.1 靜態相對定位的一般概念 92
3.3.2 載波相位觀測方程及其線性化 93
3.3.3 基線向量的單差模型及其解算 95
3.3.4 基線向量的雙差和三差模型及其解算 99
3.3.5 相位觀測量線性組合的相關性 102
3.4 整周未知數的確定方法與周跳分析 104
3.4.1 整周未知數的確定方法 105
3.4.2 周跳的探測與修復 109
3.5 GPS快速靜態相對定位 112
3.5.1 準動態定位法 112
3.5.2 快速整周未知數解算原理 113
3.5.3 快速整周未知數求解方法 114
3.5.4 快速靜態定位作業方式 116
思考題 117
第4章 GPS動態定位原理 118
4.1 GPS動態絕對定位原理 118
4.2 GPS動態相對定位與差分GPS 120
4.3 差分GPS定位原理 122
4.3.1 位置差分原理 122
4.3.2 偽距差分原理 123
4.3.3 相位平滑偽距差分 125
4.4 載波相位差分原理 128
4.4.1 載波相位差分GPS定位原理 128
1.4.2 整周未知數的動態求解 131
4.4.3 RTKGPS定位設備 134
4.5 動態相對定位中的坐標轉換 135
4.5.1 三維空間直角坐標系下的坐標轉換 135
4.5.2 平面坐標轉換 136
4.6 廣域差分GPS 137
4.6.1 單站差分GPS 137
4.6.2 局部區域差分GPS 138
4.6.3 廣域差分GPS系統 139
思考題 142
第5章 GPS控制網的設計與外業工作 143
5.1 GPS網的構網特點與網形設計一般原則 143
5.1.1 GPS網的構網特點 143
5.1.2 GPS控制網的構網方式 144
5.1.3 GPS控制網網形設計的一般原則 146
5.2 GPS控制網的優化設計 146
5.2.1 GPS測量的特點以及優化設計的內容 147
5.2.2 GPS網基準的優化設計 148
5.2.3 GPS網的精度設計 149
5.2.4 GPS網精度設計實例 151
5.3 GPS網的可靠性設計 152
5.3.1 GPS網可靠性概念 152
5.3.2 傳統控制網可靠性設計標準 153
5.3.3 GPS控制網可靠性設計標準 155
5.3.4 顧及可靠性標準的GPS網的設計 159
5.4 GPS測量的外業工作 161
5.4.1 選點與埋設標志 161
5.4.2 GPS接收機的檢驗 162
5.4.3 GPS衛星預報與觀測調度計劃 163
5.4.4 GPS外業觀測工作 165
5.4.5 GPS相對定位作業模式 167
5.5 GPS基線向量解算與網平差概述 169
5.5.1 GPS基線向量解算 169
5.5.2 GPS網平差與坐標轉換概述 170
5.6 GPS觀測成果檢驗與技術總結 171
5.6.1 GPS觀測成果的檢驗 171
5.6.2 GPS測量的技術總結與上交資料 172
思考題 173
第6章 GPS定位測量數據處理 174
6.1 概述 174
6.2 國家坐標系與地方獨立坐標系 175
6.2.1 旋轉橢球與參心坐標系 175
6.2.254 北京和 80西安國家坐標系 177
6.2.3 站心坐標系 179
6.2.4 地方獨立坐標系 180
6.2.5 高斯平面直角坐標系和UTM坐標系 180
6.3 GPS定位測量中的坐標轉換 183
6.3.1 空間直角坐標系與橢球大地坐標系的關系 183
6.3.2 三維坐標轉換模型 185
6.3.3 三維坐標差轉換模型 187
6.3.4 聯合平差確定轉換參數 188
6.4 GPS網的三維平差 190
6.4.1 三維無約束平差 191
6.4.2 GPS網的三維約束平差 193
6.4.3 GPS網的三維聯合平差 195
6.4.4 GPS網的三維平差中若干問題的處理 196
6.5 GPS基線向量網的二維平差 201
6.5.1 GPS基線向量網的二維投影變換 202
6.5.2 GPS基線向量網的二維平差 205
6.5.3 GPS網平差約束基準兼容性檢驗 206
6.6 GPS高程 212
6.6.1 高程系統簡介 212
6.6.2 GPS水準 214
6.6.3 GPS重力高程 217
6.6.4 GPS高程精度 218
思考題 219
第7章 GPS定位測量技術應用 220
7.1 GPS在大地測量與地球動力學研究中的應用 220
7.1.1 GPS在大地測量中的應用 220
7.1.2 GPS在地球動力學研究中的應用 225
7.2 GPS在災害監測與預報中的應用 230
7.2.1 GPS在滑坡、礦山地面沉陷等災害地質監測中的應用 230
7.2.2 GPS在大城市地面沉降監測中的應用 233
7.2.3 GPS在大壩、橋梁、海上鉆井平臺等工程形變監測中的應用 240
7.3 GPS在工程測量以及攝影測量與遙感技術中的應用 243
7.3.1 GPS在橋梁與隧道控制測量中的應用 244
7.3.2 GPS在各種線路工程測量中的應用 247
7.3.3 GPS在攝影測量與遙感技術中的應用 251
7.4 GPS定位技術的其他應用 254
7.4.1 GPS在海洋測繪中的應用 254
7.4.2 GPS在農業、林業與野外考查中的應用 258
7.4.3 GPS在導航、航天及天氣預報中的應用 260
7.4.4 GPS測時、測速 265
思考題 266
第8章 現代全球衛星導航定位系統發展 268
8.1 全球導航衛星系統概述 268
8.2 俄羅斯衛星導航系統——GLONASS衛星系統 269
8.2.1 GLONASS系統的發展與結構 269
8.2.2 GLONASS系統頻率和信號 270
8.2.3 現階段GLONASS系統存在的問題與發展方向 271
8.3 歐洲衛星導航系統——Galileo系統 272
8.3.1 Galileo系統的結構和組成 272
8.3.2 Galileo系統的信號 275
8.3.3 Galileo系統的特點與GPS的同異及兼容性 277
8.4 北斗雙星導航定位系統——RDSS系統 279
8.4.1 雙星定位系統的組成 279
8.4.2 雙星定位系統的定位原理及方法 280
8.4.3 雙星導航定位系統的功能與特點 282
8.5 GPS現代化的構架與作用 284
8.5.1 現有GPS系統存在的問題 284
8.5.2 GPS現代化的構架 285
8.5.3 GPS現代化計劃的進程安排 288
8.6 空間大地測量新技術簡介 288
8.6.1 甚長基線干涉測量 288
8.6.2 衛星激光測距 291
8.6.3 衛星測高 293
8.6.4 合成孔徑雷達干涉測量 294
8.6.5 由衛星集成的多普勒定軌和無線電定位系統 295
8.6.6 精密測距及其變率測量系統 296
思考題 296
參考文獻 297
序
前言
第1章 GPS衛星定位測量基礎 1
1.1 GPS定位系統概述 1
1.1.1 衛星大地測量的發展概況 1
1.1.2 GPS系統的組成 5
1.1.3 其他衛星導航定位系統 8
1.2 GPS定位系統的坐標系 9
1.2.1 天球概述 10
1.2.2 兩種天球坐標系及其轉換模型 12
1.2.3 極移與國際協議地極原點 15
1.2.4 兩種地球坐標系及其轉換模型 15
1.2.5 瞬時極（真）天球坐標系到瞬時極（真）地球坐標系的轉換模型 18
1.2.6 WGS-84世界大地坐標系 19
1.3 GPS定位的時間系統 20
1.3.1 世界時系統 20
1.3.2 原子時 22
1.3.3 力學時 23
1.3.4 協調世界時 23
1.3.5 GPS時間系統 24
1.4 人造地球衛星的正常軌道運動 24
1.4.1 二體問題意義下衛星的運動方程 24
1.4.2 開普勒定律和衛星運動的軌道參數 25
1.4.3 衛星的瞬時位置計算 32
1.4.4 衛星運動的瞬時速度計算 34
1.5 人造地球衛星的受攝運動 35
1.5.1 衛星運動的攝動力和受攝運動方程 35
1.5.2 地球引力場攝動力及其對衛星軌道運動的影響 37
1.5.3 日、月引力攝動 39
1.5.4 太陽光壓攝動 40
1.5.5 其他攝動力影響 40
思考題 41
第2章 GPS衛星信號及其測量原理 42
2.1 GPS衛星的測距碼信號與偽距測量原理 42
2.1.1 碼的基本概念 42
2.1.2 偽隨機噪聲碼及其產生 43
2.1.3 GPS衛星的測距碼信號 45
2.1.4 碼相關偽距測量原理 47
2.2 GPS衛星的導航電文 48
2.2.1 導航電文的組成格式 48
2.2.2 導航電文的內容 49
2.3 GPS衛星星歷 52
2.3.1 GPS衛星的預報星歷 52
2.3.2 GPS衛星的后處理星歷 53
2.4 GPS衛星的載波信號與相位測量原理 55
2.4.1 GPS衛星的載波信號 55
2.4.2 GPS衛星信號的調制 55
2.4.3 GPS衛星信號的解調 57
2.4.4 載波相位測量原理 59
2.5 美國政府關于GPS衛星信號的限制使用政策 60
2.5.1 GPS工作衛星的SA與AS技術 60
2.5.2 GPS用戶的反限制技術措施 61
2.6 GPS信號接收機 62
2.6.1 GPS信號接收機的基本工作原理 62
2.6.2 GPS信號接收機分類 66
2.6.3 幾種常見的測量型GPS信號接收機 68
思考題 71
第3章 GPS靜態定位原理 73
3.1 GPS定位方法分類及其誤差源 73
3.1.1 GPS定位方法分類 73
3.1.2 GPS測量誤差概述 75
3.1.3 衛星星歷誤差 76
3.1.4 時鐘誤差 78
3.1.5 衛星信號傳播誤差 79
3.1.6 與接收設備有關的誤差 85
3.2 靜態絕對定位原理 87
3.2.1 偽距觀測方程及其線性化 87
3.2.2 偽距法絕對定位解 88
3.2.3 衛星幾何分布精度因子 90
3.3 靜態相對定位原理 92
3.3.1 靜態相對定位的一般概念 92
3.3.2 載波相位觀測方程及其線性化 93
3.3.3 基線向量的單差模型及其解算 95
3.3.4 基線向量的雙差和三差模型及其解算 99
3.3.5 相位觀測量線性組合的相關性 102
3.4 整周未知數的確定方法與周跳分析 104
3.4.1 整周未知數的確定方法 105
3.4.2 周跳的探測與修復 109
3.5 GPS快速靜態相對定位 112
3.5.1 準動態定位法 112
3.5.2 快速整周未知數解算原理 113
3.5.3 快速整周未知數求解方法 114
3.5.4 快速靜態定位作業方式 116
思考題 117
第4章 GPS動態定位原理 118
4.1 GPS動態絕對定位原理 118
4.2 GPS動態相對定位與差分GPS 120
4.3 差分GPS定位原理 122
4.3.1 位置差分原理 122
4.3.2 偽距差分原理 123
4.3.3 相位平滑偽距差分 125
4.4 載波相位差分原理 128
4.4.1 載波相位差分GPS定位原理 128
1.4.2 整周未知數的動態求解 131
4.4.3 RTKGPS定位設備 134
4.5 動態相對定位中的坐標轉換 135
4.5.1 三維空間直角坐標系下的坐標轉換 135
4.5.2 平面坐標轉換 136
4.6 廣域差分GPS 137
4.6.1 單站差分GPS 137
4.6.2 局部區域差分GPS 138
4.6.3 廣域差分GPS系統 139
思考題 142
第5章 GPS控制網的設計與外業工作 143
5.1 GPS網的構網特點與網形設計一般原則 143
5.1.1 GPS網的構網特點 143
5.1.2 GPS控制網的構網方式 144
5.1.3 GPS控制網網形設計的一般原則 146
5.2 GPS控制網的優化設計 146
5.2.1 GPS測量的特點以及優化設計的內容 147
5.2.2 GPS網基準的優化設計 148
5.2.3 GPS網的精度設計 149
5.2.4 GPS網精度設計實例 151
5.3 GPS網的可靠性設計 152
5.3.1 GPS網可靠性概念 152
5.3.2 傳統控制網可靠性設計標準 153
5.3.3 GPS控制網可靠性設計標準 155
5.3.4 顧及可靠性標準的GPS網的設計 159
5.4 GPS測量的外業工作 161
5.4.1 選點與埋設標志 161
5.4.2 GPS接收機的檢驗 162
5.4.3 GPS衛星預報與觀測調度計劃 163
5.4.4 GPS外業觀測工作 165
5.4.5 GPS相對定位作業模式 167
5.5 GPS基線向量解算與網平差概述 169
5.5.1 GPS基線向量解算 169
5.5.2 GPS網平差與坐標轉換概述 170
5.6 GPS觀測成果檢驗與技術總結 171
5.6.1 GPS觀測成果的檢驗 171
5.6.2 GPS測量的技術總結與上交資料 172
思考題 173
第6章 GPS定位測量數據處理 174
6.1 概述 174
6.2 國家坐標系與地方獨立坐標系 175
6.2.1 旋轉橢球與參心坐標系 175
6.2.254 北京和 80西安國家坐標系 177
6.2.3 站心坐標系 179
6.2.4 地方獨立坐標系 180
6.2.5 高斯平面直角坐標系和UTM坐標系 180
6.3 GPS定位測量中的坐標轉換 183
6.3.1 空間直角坐標系與橢球大地坐標系的關系 183
6.3.2 三維坐標轉換模型 185
6.3.3 三維坐標差轉換模型 187
6.3.4 聯合平差確定轉換參數 188
6.4 GPS網的三維平差 190
6.4.1 三維無約束平差 191
6.4.2 GPS網的三維約束平差 193
6.4.3 GPS網的三維聯合平差 195
6.4.4 GPS網的三維平差中若干問題的處理 196
6.5 GPS基線向量網的二維平差 201
6.5.1 GPS基線向量網的二維投影變換 202
6.5.2 GPS基線向量網的二維平差 205
6.5.3 GPS網平差約束基準兼容性檢驗 206
6.6 GPS高程 212
6.6.1 高程系統簡介 212
6.6.2 GPS水準 214
6.6.3 GPS重力高程 217
6.6.4 GPS高程精度 218
思考題 219
第7章 GPS定位測量技術應用 220
7.1 GPS在大地測量與地球動力學研究中的應用 220
7.1.1 GPS在大地測量中的應用 220
7.1.2 GPS在地球動力學研究中的應用 225
7.2 GPS在災害監測與預報中的應用 230
7.2.1 GPS在滑坡、礦山地面沉陷等災害地質監測中的應用 230
7.2.2 GPS在大城市地面沉降監測中的應用 233
7.2.3 GPS在大壩、橋梁、海上鉆井平臺等工程形變監測中的應用 240
7.3 GPS在工程測量以及攝影測量與遙感技術中的應用 243
7.3.1 GPS在橋梁與隧道控制測量中的應用 244
7.3.2 GPS在各種線路工程測量中的應用 247
7.3.3 GPS在攝影測量與遙感技術中的應用 251
7.4 GPS定位技術的其他應用 254
7.4.1 GPS在海洋測繪中的應用 254
7.4.2 GPS在農業、林業與野外考查中的應用 258
7.4.3 GPS在導航、航天及天氣預報中的應用 260
7.4.4 GPS測時、測速 265
思考題 266
第8章 現代全球衛星導航定位系統發展 268
8.1 全球導航衛星系統概述 268
8.2 俄羅斯衛星導航系統——GLONASS衛星系統 269
8.2.1 GLONASS系統的發展與結構 269
8.2.2 GLONASS系統頻率和信號 270
8.2.3 現階段GLONASS系統存在的問題與發展方向 271
8.3 歐洲衛星導航系統——Galileo系統 272
8.3.1 Galileo系統的結構和組成 272
8.3.2 Galileo系統的信號 275
8.3.3 Galileo系統的特點與GPS的同異及兼容性 277
8.4 北斗雙星導航定位系統——RDSS系統 279
8.4.1 雙星定位系統的組成 279
8.4.2 雙星定位系統的定位原理及方法 280
8.4.3 雙星導航定位系統的功能與特點 282
8.5 GPS現代化的構架與作用 284
8.5.1 現有GPS系統存在的問題 284
8.5.2 GPS現代化的構架 285
8.5.3 GPS現代化計劃的進程安排 288
8.6 空間大地測量新技術簡介 288
8.6.1 甚長基線干涉測量 288
8.6.2 衛星激光測距 291
8.6.3 衛星測高 293
8.6.4 合成孔徑雷達干涉測量 294
8.6.5 由衛星集成的多普勒定軌和無線電定位系統 295
8.6.6 精密測距及其變率測量系統 296
思考題 296
參考文獻 297
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GPS測量原理及應用 節選
第1章 GPS衛星定位測量基礎 GPS是全球定位系統（global positioning system）的英文縮寫，是隨著現代科學技術的迅速發展而建立起來的新一代精密衛星導航定位系統。GPS衛星定位測量是利用GPS系統解決大地測量問題的一項空間技術。本章介紹GPS衛星定位測量的基礎知識，包括GPS系統簡介、衛星定位測量采用的坐標系統和時間系統、GPS衛星的軌道運動和星歷計算等內容。 1.1 GPS定位系統概述 1.1.1 衛星大地測量的發展概況 1957年10月4日，世界上**顆人造地球衛星（SPUTNIK-1）發射成功，標志著空間科學技術的發展進入到了一個嶄新的時代。隨著人造地球衛星的不斷入軌運行，利用人造地球衛星進行定位測量已成為現實。20世紀60年代衛星定位測量技術問世，并逐漸發展成為利用人造地球衛星解決大地測量問題的一項空間技術。衛星定位測量技術的發展過程可歸結為三個階段：衛星三角測量、衛星多普勒定位測量、GPS衛星定位測量。 1.衛星三角測量原理 衛星定位測量技術問世之初，人造地球衛星僅僅作為一種空間的動態觀測目標，由地面測站拍攝衛星的瞬時位置而測定地面點的坐標，稱為衛星三角測量。設A、B是地面上兩個已知點，C是待定點（圖1-1），A、C兩個測站用衛星攝影儀（記時照相儀）同步拍攝衛星S1的相片，由此得到的攝影底片，既有衛星S1在兩張相片上的同步影像Sa和Sc，又有某些恒星的影像S.在天文年歷中可查出恒星S。的坐標，并以此為起算數據在相片上量算Sa和Sc的坐標，進而推算方向AS1和CS1，獲得同步平面ACS1。用同樣的方法觀測另一顆衛星S2，可得另一同步平面ACS2。兩平面的交線即弦AC。類似地，在B、C設站，同樣觀測衛星S1和S2，則可得弦BC。弦AC與BC的交點，即待定點C。如果A、B兩測站位于大陸，而C點在遠海島嶼上，用上述衛星三角測量的方法可實現大陸與海島間的聯測定位，這是常規大地測量技術所不及的。 圖1-1 衛星三角測量原理 1966~1972年間，美國國家大地測量局（NGS）在美國和聯邦德國測繪部門的協助下，應用上述衛星三角測量的方法，測量了具有45個測站的全球三角網，并獲得了5m的點位精度。但是，衛星三角測量資料處理過程復雜，且定位精度不高，不能獲得待定點三維地心坐標，因此，目前已成為一種過時的測量技術。衛星三角測量是衛星定位測量歷史發展的初級階段，隨著科學技術的進一步發展，衛星定位測量由初級階段進入了高級階段。 2.衛星多普勒定位測量 1958年12月，美國海軍和詹斯 霍普金斯（Johns Hopkins）大學應用物理實驗室開始聯合研制美國海軍導航衛星系統（navy navigation satellite system），簡稱NNSS系統。1959年9月發射了**顆試驗衛星。美國海軍研制NNSS系統的目的，是給“北極星”核潛艇提供全球性導航系統。經過幾年試驗研究，該系統于1964年建成并投入使用。1967年美國政府宣布：NNSS系統解密提供民用。NNSS系統又稱子午衛星導航系統，由6顆工作衛星組成子午衛星星座。衛星高度在950~1200km之間，運行周期約為107min，衛星軌道近似圓形且經過地球南、北極上空，故稱子午衛星（Transit）。子午衛星導航系統的出現，標志著衛星大地測量技術由初級階段進入高級階段，其特點是：①衛星不再作為一種單純的空間動態觀測目標，而是通過其軌道參數介入定位計算的動態已知點。②觀測不再采用傳統的幾何模式，而是通過地面測站接收衛星發射的信號測定站星距離來定位。利用子午衛星射電信號測定地面點位置的技術，稱為衛星多普勒定位技術，其基本原理基于奧地利物理學家多普勒（Christian Doppler，1803~1853）于1842年發現的多普勒效應：當波源與觀測者作相對運動時，波源發射頻率與觀測者接收頻率之間具有以下關系： （1-1） 式中，f為波源發射頻率；f為測站接收頻率；c為光速；α為波源運動方向與測站方向間的夾角；v為波源運動速度（圖1-2）。 由圖1-2，衛星即波源運動的向徑速度ρv可表示為 （1-2） 圖1-2 多普勒效應示意圖 代入式（1-1），整理后可得 （1-3） 記Δf=fs-fr稱為多普勒頻移，于是有 （1-4） 多普勒頻移一經確定，即可求出ρv，積分后可得衛星與測站間的距離ρ。如果已知衛星在地心空間直角坐標系中的瞬時位置向量r，并由衛星多普勒定位技術測得站星距離向量ρ，那么測站位置向量R就可由式（1-5）求得（圖1-3）： 圖1-3 衛星定位測量原理 R=r-ρ（1-5） 衛星多普勒定位技術具有經濟、快速和不受天氣、時間限制等許多優點。在地球上任何地方只要能見到子午衛星，便可進行單點定位和聯測定位，采集兩天數據可獲得具有分米級定位精度的測站三維地心坐標。許多國家都采用了衛星多普勒定位技術。美洲各國大約測定了500多個多普勒點；西歐各國測定了30多個多普勒點；法國除在本土建立了多普勒網以外，還在阿爾及利亞、利比亞、圭亞那和加蓬等國測定了115個多普勒點。我國也測定了近百個多普勒點，并布設了全國性的多普勒網，實現了大陸和西沙、南沙群島的聯測。盡管衛星多普勒定位技術在導航與定位技術的發展過程中具有劃時代的意義，子午衛星系統被稱為**代衛星導航定位系統，但是該系統仍有許多明顯的缺點，主要是： （1）衛星顆數少，不能實現連續實時導航定位 由于子午衛星星座僅有6顆工作衛星，且運行軌道都通過地球南、北極上空（圖1-4）。因而地面測站觀測到衛星的時間間隔較短（平均1.5h）。同一顆子午衛星，每天通過測站上空的次數*多為13次，而一臺衛星多普勒接收機一般需要成功地觀測15次衛星通過，才能達到±10m的單點定位精度。當所有測站觀測了17次衛星通過時，聯測定位精度才能達到±0.5m。由于衛星通過測站上空的時間太短，而需要的觀測時間又過長，所以無法提供連續、實時的三維導航和定位服務。 圖1-4 子午衛星運行圖 （2）衛星軌道高度低，難以實現精密定軌 子午衛星飛行的平均高度為1070km，屬于低軌道衛星。在這種情況下，地球引力場模型誤差，大氣密度、衛星質面比、大氣阻力系數等攝動因子誤差，大氣阻力模型誤差，都將阻礙子午衛星定軌精度的提高。子午衛星星歷參數的精度較低，致使衛星多普勒的定位精度局限在米級水平。 （3）信號頻率低，難以補償電離層效應的影響 子午衛星射電信號的頻率為400MHz和150MHz，用這兩種頻率的信號進行雙頻多普勒定位時，只能削弱電離層效應的低階項影響，而難以削弱電離層效應的高階項影響。而電離層效應的高階項影響，在地球赤道附近將導致測站高程產生±1m以上的偏差。 子午衛星導航定位系統的上述缺陷，使其應用受到較大的限制。為了突破子午衛星導航系統的局限性，實現全天候、全球性和高精度的實時導航與定位，美國國防部于1973年12月批準陸海空三軍聯合研制了一種新的軍用衛星導航系統——NAVSTARGPS（navigation system timing and ranging global positioning system），即導航衛星測時與測距全球定位系統，簡稱GPS衛星全球定位系統。 3.GPS衛星定位測量 GPS系統的研制計劃分3個階段實施： 1）原理與可行性實驗階段，1973年12月到1978年2月22日**顆試驗衛星發射成功，歷時5年。 2）系統研制與實驗階段，1978年2月22日到1989年2月14日**顆工作衛星發射成功，歷時11年。 3）工程發展與完成階段，1989年2月14日到1995年4月27日，歷時7年。1995年4月27日美國國防部宣布：“GPS系統已具備運作能力”，在全世界任何地方都可以實現全天候的導航、定位和定時。GPS計劃歷時23年、耗資130多億美元，截止2000年在軌道上正常工作的衛星有28顆，其中26顆為早期發射的BLOCKⅡA型衛星，2顆為1999年發射的BLOCKⅡR型衛星。 GPS系統是第二代衛星導航定位系統，它的出現導致測繪行業一場深刻的技術革命。和子午衛星導航定位系統相比，GPS系統具有如下一些顯著的優點。 （1）提供全天候、全球性的導航、定位服務 GPS系統衛星數目多而且分布合理，地球上任何地點、任意時刻均可連續同步觀測到4顆以上衛星，從而保證了該系統導航、定位服務的全天候和全球性。 （2）可進行高精度、高速度的實時精密導航和定位 GPS衛星在軌道平均高度、衛星鐘穩定度以及信號頻率等方面，都比子午衛星提高了1個數量級以上，其定位精度也相應地提高到厘米甚至毫米級，觀測時間則縮短到幾小時甚至幾秒鐘。目前，GPS單點實時定位觀測幾秒鐘，定位精度可達10~15m；靜態相對定位觀測1~3h，精度可達10-6~10-7；如采用快速靜態相對定位技術，觀測時間可縮短到幾分鐘。近期發展起來的GPS差分動態定位技術（DGPS）和相位差分動態定位技術（RTKGPS），進一步縮短了觀測時間，提高了定位精度，實現了厘米級實時導航和定位。圖1-5比較了各種定位方法的精度，該圖說明，在5~500km距離內，GPS定位的精度優于其他各種定位方法。GPS信號除了用于導航、定位以外，還可用于高精度的測速和測時。目前，GPS測速精度可達0.1m/s，而測時精度為數十納米。 （3）用途廣泛，操作簡便 GPS技術的用途十分廣泛，諸如海空導航、車輛引行、導彈制導、精密定位、工程測量、動態觀測、設備安裝、時間傳遞、速度測量等許多方面，都可以應用這一技術。尤其是對于大地和工程測量來講，GPS定位技術不僅精度高、速度快，而且自動化程度很高，操作十分簡便。在一個測站上，作業員僅需安置和開關儀器、量取天線高，以及監視儀器的工作狀態，而捕獲、跟蹤衛星、記錄衛星信號等一系列測量工作都由儀器自動完成。 1.1.2 GPS系統的組成 GPS系統由3部分組成：空間部分、地面監控部分和用戶接收設備部分。 1.空間部分——GPS衛星星座 GPS衛星星座由24顆衛星組成，其中21顆工作衛星、3顆備用衛星，均勻分布在6個地心軌道平面內（圖1-6），每個軌道4顆衛星。衛星軌道平面相對地球赤道面的傾角為55°，各個軌道平面的升交點赤經相差60°，軌道平均高度20200km，衛星運行周期為11小時58分（恒星時），同一軌道上各衛星的升交角距為90°。GPS衛星的上述時空配置，保證了地球上的任何地點，在任何時刻均至少可以同時觀測到4顆衛星，以滿足精密導航和定位的需要（圖1-7）。 圖1-5 GPS和其他各種定位方法的精度比較 圖1-6 GPS工作衛星星座及衛星分布 圖1-7 GPS衛星星座的地面軌跡 GPS衛星的主體呈圓柱形，直徑約為1.5m，重約774kg（包括310kg燃料），兩側各安裝兩塊雙葉太陽能電池板，能自動對日定向，以保證衛星正常工作的用電（圖1-8）。每顆GPS衛星帶有4臺高精度原子鐘，其中2臺為銣鐘，2臺為銫鐘。原子鐘為GPS定位提供高精度的時間標準。 圖1-8 GPS衛星示意圖 GPS衛星的3個基本功能是： 1）執行地面監控站的指令，接收和儲存由地面監控站發來的導航信息。 2）向GPS用戶播送導航電文，提供導航和定位信息。 3）通過高精度衛星鐘（銫鐘和銣鐘）向用戶提供精密的時間標準。 GPS衛星上設有微處理機，可進行必要的數據處理工作，并可根據地面監控站指令，調整衛星姿態、啟動備用衛星。迄今已發射的GPS衛
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