ＧＰＳ 测量原理及应用从介绍卫星定位技术的发展历程入手， 依次介绍当今正在运行和即将运行的四大卫星定位系统的组成、应用前景， 然后重点介绍ＧＰＳ 接收机的原理和常用品牌接收机以及ＧＰＳ 定位技术的原理和应用。 ＧＰＳ 测量原理及应用共10 章， 第1 章介绍卫星定位技术的发展以及四大定位系统的组成和应用前景； 第2 章介绍ＧＰＳ 接收机的原理和常用品牌接收机； 第3 章介绍坐标系统和时间系统，为将空间卫星位置与地球表面点位的关联建立统一基准； 第4 章介绍卫星信号的组成和位置计算； 第5 章介绍ＧＰＳ 定位的基本观测量和误差来源； 第6 章阐述绝对定位、相对定位、静态定位、动态定位的基本原理和使用方法； 第7 章介绍静态ＧＰＳ 控制网的设计与实施；第8 章介绍静态ＧＰＳ 测量数据处理原理和过程； 第9 章介绍动态ＧＰＳ 测量数据处理原理； 第10 章介绍ＧＰＳ 在各种工程中的应用， 并对其具体应用过程进行分析。

第1章　卫星导航定位系统概述
11　早期卫星定位技术
1957年10月4日.苏联成功地发射了世界上第一颗人造地球卫星.标志着空间科学技术的发展跨入了一个崭新的时代.随着人造地球卫星的不断发射.世界各国不仅利用人造卫星为军事、经济和科学文化等服务.而且应用于空间定位.从而产生了卫星大地测量学.
卫星定位技术是指人类利用人造地球卫星确定测站点位置的技术.最初.人造地球卫星仅作为空间观测目标.即由地面上的两个测站对卫星的瞬间位置进行同步摄影观测.通过确定两个测站至卫星的方向构成一个平面.对不同卫星观测得到的两平面交线即为两个测站的弦线.在不同测站之间对卫星观测即可组成地面三角网.从而确定地面点的位置.此方法称为卫星三角测量 (图11).同时.也可利用激光技术测定观测站至卫星的距离.根据建立的卫星测距网进行定位.采用这两种观测方法.均可以实现大陆与海岛的联测定位.解决了常规大地测量难以实现的远距离联测定位问题.但是.其定位精度不高.是卫星定位的低级阶段.

图11　卫星空间摄影测量
1966 ~1972年.美国国家大地测量局在英国和联邦德国的协作下.用卫星三角测量方法测设了一个具有45个测站点的全球三角网.获得了±5ｍ的点位精度.然而.这种观测方法受卫星可见条件及天气的影响.不仅定位精度较低.而且还得不到点位的地心坐标.因此.该方法很快就被新的卫星定位技术所取代.这种方法标志着卫星定位技术从仅仅把卫星作为空间测量目标的初级阶段.发展到把卫星作为动态已知点的高级阶段.
12　ＧＰＳ定位系统
121　概　　述
1958年12月.美国海军为了给北极星核潜艇提供全球性导航.开始研制一种卫星导航系统.称为美国海军导航卫星系统(ｎAｖｙｎAｖｉｇAｔｉｏｎｓAｔｅｌｌｉｔｅｓｙｓｔｅｍ.ＮＮＳＳ).自1959年9月发射第一颗试验性卫星.到1961年11月.先后共发射了9颗试验性导航卫星.1964年系统建成并投入使用.该系统共有6颗工作卫星.卫星的轨道均经过地球的南北极上空.组成子午卫星星座.故称为子午卫星系统.该系统的卫星平均高度约为1000ｋｍ.卫星运行周期约为107ｍｉｎ.轨道近似于圆形.地球表面上任何一个测站平均每隔2ｈ便可观测到其中一颗卫星.
子午卫星系统的问世.标志着海空导航进入了一个崭新的时代.揭开了卫星大地测量学的新篇章.1967年7月29日.美国政府宣布该系统解密并提供民用.该系统由三部分组成.即围绕地球运行的子午卫星、地面跟踪网和用户接收机.地面跟踪网由跟踪站、计算中心、注入站、海军天文台和控制中心五部分组成.其任务是测定各颗卫星的轨道参数.并定时将这些轨道参数和时间信号注入相应的卫星内.以便卫星按时向地面播发.用户接收机是接收卫星发射信号、测量多普勒频移、解译卫星轨道参数、测定接收机所在位置的专用设备.由于这些接收机都是根据多普勒效应原理进行接收和定位.所以称为多普勒接收机.该系统也因此被称为卫星多普勒定位系统.
虽然卫星多普勒定位系统对导航定位技术的发展具有划时代的意义.但由于该系统卫星数目少.运行高度低.从地面站观测到卫星的时间间隔较长.获得一次导航解所需的时间也较长.因而不能进行三维连续导航.无法充分满足军事导航的需求.从大地测量学的角度来看.由于它的定位速度慢 (测站平均观测1 ~2天).精度较低 (单点定位精度为3 ~5ｍ.相对定位精度约为1ｍ).因此.该系统在大地测量学和地球动力学研究方面也受到了极大的限制.
为了满足军事及民用部门连续实时三维导航的需求.1973年12月美国国防部批准研制新一代卫星导航系统.即 “授时与测距导航 /全球定位系统 ”(ｎAｖｉｇAｔｉｏｎｓAｔｅｌｌｉｔｅｔｉｍｉｎｇAｎｄｒAｎｇｉｎｇ /ｇｌｏｂAｌｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍ).通常称为全球定位系统(ＧＰＳ).
自1974年以来.ＧＰＳ计划经历了方案论证(1974 ~1978年)、系统论证(1979 ~1987年)、生产实验(1988 ~1993年)三个阶段.总投资超过200亿美元.迄今为止.ＧＰＳ卫星已设计了三代.分别为ＢｌｏｃｋⅠ、ＢｌｏｃｋⅡ、Ｂｌｏｃｋ Ⅲ.第一代(ＢｌｏｃｋⅠ)卫星用于全球定位系统的实验.通常称为ＧＰＳ实验卫星.ＢｌｏｃｋⅠ卫星共研制和发射了11颗.设计寿命为5年.第二代(ＢｌｏｃｋⅡ)卫星用于全球定位系统的正式工作.称为ＧＰＳ工作卫星.ＢｌｏｃｋⅡ卫星共研制和发射了28颗.设计寿命为75年.于1994年发射完毕.
1999年1月美国提出了ＧＰＳ现代化的计划.其目的是更好地保护美方利益和使用.发展军码和强化军码的保密性能.加强抗干扰能力.阻扰敌对方的使用.施加干扰.保持在有威胁地区以外的民用用户有更精确、更安全的使用.主要内容是增加ＧＰＳ信号内容.增加新的军用码和第三频率载波.研发新一代军用ＧＰＳ接收机.提高ＧＰＳ的抗干扰能力.增强
ＧＰＳ信号发射和关闭能力.确保对ＧＰＳ
信号干扰的有效性.更新ＧＰＳ地面测控
设备.增加地面测控站的数量.实施第
三代(Ｂｌｏｃｋ Ⅲ )卫星计划.计划于
2012年以后开始陆续发射卫星.预计数
量为20颗.以取代ＢｌｏｃｋⅡ卫星.用于
改善ＧＰＳ.
ＧＰＳ分为卫星星座、地面控制与监控站、用户设备三个部分 (图12).

图12　ＧＰＳ的组成
122　卫星星座部分
1ＧＰＳ卫星星座的构成
设计的ＧＰＳ空间卫星星座由24颗卫星组成 (其中.21颗为工作卫星.3颗为备用卫星).如图13所示.卫星分布在6个轨道面内.每个轨道上均匀分布有4颗卫星.卫星轨道面相对地球赤道面的倾角约为55°.各轨道平面升交点的赤经相差60°.在相邻轨道上.卫星的升交距相差30°.轨道平均高度约为20200ｋｍ.卫星运行周期为11ｈ58ｍｉｎ (恒星时12ｈ).两个载波频率为1575 42ＭＨｚ和1227 60ＭＨｚ.因此.在同一观测站上.每天出现的卫星分布图形相同.但每天提前4ｍｉｎ.每颗卫星每天约有5ｈ在地平线以上.位于地平线以上的卫星数目随时间和地点而异.最少为4颗.最多可达11颗.ＧＰＳ卫星空间星座的分布保障了在地球上任何地点、任何时刻至少有4颗卫星被同时观测.且卫星信号的传播和接收不受天气的影响.因此.ＧＰＳ是一种全球性、全天候的连续实时定位系统.
从2000年起美国逐步开始实行ＧＰＳ现代化.陆续发射图13　ＧＰＳ卫星星座了一些新型第二代卫星.预计到2016年全部以ＧＰＳⅡ￣Ｆ卫星运行.截至2012年底.美国ＧＰＳ系统在轨卫星共计31颗.其中ＧＰＳⅡ￣A卫星10颗.ＧＰＳⅡ￣Ｒ卫星12颗.ＧＰＳⅡＲ￣Ｍ卫星7颗.ＧＰＳⅡ￣Ｆ卫星2颗.卫星具体情况见表11.
表11　ＧＰＳ卫星基本情况

轨道名 编号 卫星类型 开始服务日期 轨道名 编号 卫星类型 开始服务日期 
9 Ⅱ￣A 1993￣07￣20 2 Ⅱ￣Ｒ 2004￣11￣22 
31 ⅡＲ￣Ｍ 2006￣10￣13 1 Ⅱ￣Ｆ 2011￣10￣14 
A 8 Ⅱ￣A 1997￣12￣18 Ｄ 21 Ⅱ￣Ｒ 2003￣04￣12 
7 ⅡＲ￣Ｍ 2008￣03￣24 4 Ⅱ￣A 1993￣11￣22 
27 Ⅱ￣A 1992￣09￣30 11 Ⅱ￣Ｒ 2000￣01￣03 
16 Ⅱ￣Ｒ 2003￣02￣18 20 Ⅱ￣Ｒ 2000￣06￣01 
25 Ⅱ￣Ｆ 2010￣08￣27 22 Ⅱ￣Ｒ 2004￣01￣12 
Ｂ 28 Ⅱ￣Ｒ 2000￣08￣17 Ｅ 5 ⅡＲ￣Ｍ 2009￣08￣27 
12 ⅡＲ￣Ｍ 2006￣12￣13 18 Ⅱ￣Ｒ 2001￣02￣15 
30 Ⅱ￣A 1993￣09￣28 32 Ⅱ￣A 1990￣12￣10 
29 ⅡＲ￣Ｍ 2008￣01￣02 10 Ⅱ￣A 1996￣08￣15 
3 Ⅱ￣A 1996￣04￣09 14 Ⅱ￣Ｒ 2000￣12￣10 
Ｃ 19 Ⅱ￣Ｒ 2004￣04￣05 Ｆ 15 ⅡＲ￣Ｍ 2007￣10￣31 
17 ⅡＲ￣Ｍ 2005￣11￣13 13 Ⅱ￣Ｒ 1998￣01￣31 
6 Ⅱ￣A 1994￣03￣28 23 Ⅱ￣Ｒ 2004￣07￣09 
26 Ⅱ￣A 1992￣07￣23 

2ＧＰＳ卫星及其功能
ＧＰＳ卫星主体呈圆柱形.直径约为15ｍ.重约774ｋｇ (包括310ｋｇ燃料).两侧各设有一块四叶太阳能电池翼板.其面积为72ｍ2.能自动对日定向.以保证卫星正常工作用电.每颗卫星装有4台高精度原子钟(2台铷原子钟和2台铯原子钟).这是卫星的核心设备.它将发射标准频率信号.为ＧＰＳ定位提供高精度的时间标准.
ＧＰＳ卫星有如下基本功能.
(1)
接收和储存由地面监控站发来的导航信息.接收并执行监控站的控制指令.

(2)
在地面监控站的指令下.通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星.

(3)
借助于卫星上设有的微处理机进行必要的数据处理工作.

(4)
通过星载的高精度铯原子钟和铷原子钟提供精密的时间标准.


(5)向用户发送定位信息.ＧＰＳⅡ￣A卫星是通过Ｌ1、Ｌ2两个载波向用户发送导航电文和测距码 (民用的Ｃ/A码和军用的Ｐ码).其中Ｌ2载波上只有军用的Ｐ码.在ＧＰＳ现代化以后.新型的ＧＰＳⅡ￣Ｒ卫星在Ｌ1、Ｌ2两个载波上都加载Ｃ/A码和Ｐ码.ＧＰＳⅡＲ￣Ｍ卫星在ＧＰＳⅡ￣Ｒ卫星功能基础上加载了新的军用码(Ｍ码).ＧＰＳⅡ￣Ｆ卫星在保留了ＧＰＳⅡ￣Ｒ型卫星所有功能的基础上.还进一步强化发射Ｍ码的功率和增加发射第三民用频率.即Ｌ5载波.
123　地面监控部分
地面监控部分包括一个主控站、三个信息注入站和五个卫星监控站 (图14).其中.在科罗拉多监控站与主控站并置.在阿森松岛、迪戈加西亚和卡瓦加兰.监控站分别与注入站并置.夏威夷为独立的监测站.地面监控部分的主要任务是 : 1监视卫星的运行. 2确定ＧＰＳ时间系统. 3跟踪并预报卫星星历和卫星钟状态. 4向每颗卫星的数据存储器注入卫星导航数据.

图14　ＧＰＳ的地面监控部分
1监测站
监测站是在主控站直接控制下的数据自动采集中心.站内设有双频ＧＰＳ接收机、高精度原子钟、计算机和若干台环境数据传感器.接收机对ＧＰＳ卫星进行连续观测.以采集数据和监测卫星的工作状况.原子钟提供时间标准.而环境传感器收集有关当地的气象数据.所有观测资料由计算机进行初步处理.并储存和传送到主控站.用以确定卫星的轨道参数.
2主控站
主控站设在美国科罗拉多州斯平士的联合空间执行中心.主控站除对地面监控系统进行协调和管理外.主要还有以下三个方面的任务.
(1)
根据本站和其他监测站的所有观测资料.推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数等.并把这些数据传送到注入站.

(2)
提供ＧＰＳ的时间基准.各测站和ＧＰＳ卫星的原子钟.均与主控站的原子钟同步.或测出其间的钟差.并把这些钟差信息编入导航电文.送到注入站.

(3)
调整偏离轨道的卫星使之沿预定轨道运行或启用备用卫星以代替失效的工作卫星.


3注入站
注入站的主要设备包括一台36ｍ直径的天线、一台Ｃ波段发射机和一台计算机.其主要任务是在主控站的控制下将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令等.注入相应卫星的存储器.每天注入3 ~4次.此外.注入站能自动向主控站发射信号.每分钟报告一次自己的工作状态.
分布于全球5个不同位置的整个ＧＰＳ地面监控部分.除主控站外均无人值守.各站之间通过现代化的通信网络相互联系.在原子钟和计算机的驱动和精确控制下.各项工作实现了高度自动化和标准化.
124　用户部分
用户部分即ＧＰＳ接收机.主要由天线、接收机主机单元和电源组成.
ＧＰＳ接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号.并跟踪这些卫星的运行.对所接收到的ＧＰＳ信号进行变换、放大和处理.以便测量出ＧＰＳ信号从卫星到接收机天线的传播时间.解译出ＧＰＳ卫星所发送的导航电文.实时地计算出测站的三维位置.甚至三维速度和时间.图15为常用的ＧＰＳ接收机.

图15　常用ＧＰＳ接收机
13　ＧＬＯＮAＳＳ系统
131　概　　述
ＧＬＯＮAＳＳ (格洛纳斯 )是与美国ＧＰＳ相似的全球导航卫星系统.是前苏联独立发展的导航卫星系统.苏联自1982年10月开始研制发射第二代导航卫星 ———ＧＬＯＮAＳＳ卫星.至1996年共发射24＋1颗卫星.经数据加载.调整和检验.于1996年1月18日系统正式运行.主要为军用.1991年苏联解体后.俄罗斯全面接管了ＧＬＯＮAＳＳ系统.但是.由于经济方面的原因.使得系统星座的补网发射难以进行.星座卫星数量最少时只有7颗.无法独立提供导航、定位与授时服务.同时.用户设备的开发也受到了极大的影响.2001年8月20日.俄罗斯政府批准了ＧＬＯＮAＳＳ系统2002 ~2011年发展计划.该计划的主要目标是成功开
发、有效应用ＧＬＯＮAＳＳ系统.保证国家、社会和经济的发展.保障国家安全.该计划分以下三个阶段执行.第一阶段.对ＧＬＯＮAＳＳ星座进行补充.最低限度地保持星座.第二阶段.利用ＧＬＯＮAＳＳ￣Ｍ进行星座升级.内容包括2003年进行ＧＬＯＮAＳＳ￣Ｍ卫星的
首次飞行试验.卫星寿命达到7年.转换导航频率和引入第二个民用导航频率等.
第三阶段.利用ＧＬＯＮAＳＳ￣Ｋ卫星进行星座升级.构成由24颗ＧＬＯＮAＳＳ￣Ｍ和ＧＬＯＮAＳＳ￣Ｋ卫星组成的星座.同时.降低系统维持成本.进行地面控制段的升级.引入第三民用导航信号.改善导航信号特性以及提升用户设备性能.
2011年12月31日.俄罗斯宣布ＧＬＯＮAＳＳ系统2002 ~2011年发展计划已经完成.同时公布2012 ~2020年将投资3470亿卢布 (约120亿美元 )用于ＧＬＯＮAＳＳ系统和相关用户设施的发展.发射约35颗卫星.其中ＧＬＯＮAＳＳ￣Ｍ卫星13颗.ＧＬＯＮAＳＳ￣Ｋ卫星22颗.使ＧＬＯＮAＳＳ系统定位精度达到06ｍ.
目前.ＧＬＯＮAＳＳ系统处于星座恢复阶段.尚不能单独提供全球导航卫星服务.因此.俄罗斯政府鼓励使用ＧＰＳ /ＧＬＯＮAＳＳ组合接收设备.特别要求俄罗斯航天、军事与政府部门用户必须使用ＧＰＳ /ＧＬＯＮAＳＳ组合接收设备.为将来ＧＬＯＮAＳＳ系统恢复后.向以使用ＧＬＯＮAＳＳ系统为主过渡.同时促进ＧＬＯＮAＳＳ的应用.特别是民用部分的发展.以此为基础进入全球导航卫星市场.并积极谋求使ＧＬＯＮAＳＳ系统成为定位、导航与授时服务重要的全球性基础设施.
132　系统组成
ＧＬＯＮAＳＳ系统分为卫星星座、地面控制与监控站、用户设备三个部分.但目前市场上没有单独使用ＧＬＯＮAＳＳ系统的民用接收机.
1卫星星座
设计的ＧＬＯＮAＳＳ卫星星座为24颗卫星均匀地分布在3个轨道平面内.每个轨道上等间隔地分布8颗卫星 (图16).轨道倾角为64 8°.卫星距离地面高度为19100ｋｍ.卫星的运行周期为11ｈ15ｍｉｎ.ＧＬＯＮAＳＳ系统可进行卫星测距.民用无任何限制.不收费.民用的标准精度为 :水平精度为50 ~70ｍ.垂直精度为75ｍ.测
图16　ＧＬＯＮAＳＳ卫星星座速精度为15ｃｍ /ｓ.授时精度为1μｓ.导航信息数据率为50ｂｉｔ /ｓ.
ＧＬＯＮAＳＳ和ＧＬＯＮAＳＳ￣Ｍ卫星的结构均采用圆柱形密闭压力容器.星上仪器、天线馈线装置、指向系统仪器、太阳能电池板驱动装置、推进单元和热控系统百叶窗驱动装置均在其内部.ＧＬＯＮAＳＳ￣Ｍ卫星以ＧＬＯＮAＳＳ卫星为基础.改进了后者的天线馈线和星钟.增加了第二个民用导航信号.ＧＬＯＮAＳＳ￣Ｋ卫星是新一代卫星.采用非密闭式平台.平台是以 “快讯 ”1000为基础改进的.卫星重量约700ｋｇ.远低于以前的卫星.卫星设计寿命为10 ~12年.在Ｌ频段播发3个民用导航信号.ＧＬＯＮAＳＳ￣Ｋ卫星试验于2007年开始.截至2012年底.在轨正常工作的ＧＬＯＮAＳＳ卫星已达23颗.另有备用卫星3颗 (表12).

前言
第1章　卫星导航定位系统概述 1 1 1　早期卫星定位技术 1 1 2　ＧＰＳ定位系统 1 1 3　ＧＬＯＮAＳＳ系统 5 1 4　ＧAＬＩＬＥＯ系统 7 1 5　北斗卫星导航系统 8 1 6　全球导航卫星系统特点 10 
第2章　ＧＰＳ接收机 15 2 1　ＧＰＳ接收机基本工作原理 15 2 2　ＧＰＳ接收机的分类 18 2 3　测地型接收机选型、检验与维护 19 2 4　接收机技术发展 21 2 5　常用ＧＰＳ接收机 22 
第3章　坐标系统与时间系统 31 3 1　天球坐标系 32 3 2　地球坐标系 35 3 3　协议地球坐标系与协议天球坐标系的转换 37 3 4　几种常用坐标系 38 3 5　不同直角坐标系的坐标转换 42 3 6　时间系统 44 
第4章　ＧＰＳ卫星信号与卫星坐标计算 47 4 1　测距码及其特性 47 4 2　ＧＰＳ导航电文 51 4 3　ＧＰＳ卫星载波信号 55 4 4　ＧＰＳ卫星信号的调制与解调 55 4 5　ＧＰＳ卫星轨道运动与位置计算 58 4 6　ＲＩＮＥＸ数据格式 67 
第5章　ＧＰＳ测量及误差分析 72 5 1　ＧＰＳ测量基本原理 72 5 2　ＧＰＳ测量基本观测量 73 5 3　ＧＰＳ测量误差分析 76 
第6章　ＧＰＳ卫星定位原理 87 6 1　导航 87 6 2　载波静态绝对定位  90 
6 3　载波静态相对定位 94 
6 4　动态相对定位 100 6 5　周跳的探测与修复 108 6 6　整周模糊度的确定 111 第7章　ＧＰＳ控制网的设计与实施 114 7 1　ＧＰＳ控制网的技术设计 114 7 2　ＧＰＳ控制测量前的准备工作 119 7 3　ＧＰＳ控制测量的外业工作 121 7 4　ＧＰＳ控制测量的内业工作 124 7 5　技术总结撰写与资料提交 127 第8章　静态ＧＰＳ测量数据处理 128 8 1　ＧＰＳ测量数据传输 128 8 2　静态ＧＰＳ测量数据预处理 129 8 3　静态ＧＰＳ基线向量解算 131 8 4　ＧＰＳ基线向量网平差 142 8 5　ＧＰＳ高程测量 149 第9章　动态ＧＰＳ测量数据处理 157 9 1　ＧＰＳ精密单点定位 157 9 2　单基站ＲＴＫ解法 161 9 3　网络ＣＯＲＳ解法 164 9 4　ＧＰＳ动态定位关键技术 168 第10章　ＧＰＳ行业应用 175 10  1　ＧＰＳ在测绘工程中的应用 175 10  2　ＧＰＳ在土木工程中的应用 183 10  3　ＧＰＳ在交通运输行业中的应用 187 10  4　ＧＰＳ在精准农业中的应用 190 10  5　ＧＰＳ在林业中的应用 192 10  6　ＧＰＳ在旅游行业中的应用 196 10  7　ＧＰＳ在军事方面的应用 196 10  8　ＧＰＳ在电力传输中的应用 198 10  9　ＧＰＳ在气象学中的应用 200 主要参考文献  207