GPS測量定位技術

本書主要介紹了GPS衛星定位的基本原理、GPS衛星定位的誤差來源及其影響、GPS衛星定位的設計與實施、GPS衛星定位的數據處理等。培養學生使用GPS接收機在各種大、中型工程勘測、大地控制網、施工控制網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，內容精練，突出應用，加強實踐。

本書為高職高專測量工程專業的教材，也可供其他相關專業教學及崗位培訓參考。

第一章 緒論1

學習目標1

第一節 衛星大地測量及其發展1

一、大地測量的發展概況1

二、衛星大地測量的起源2

三、GPS定位的基本概念4

四、中國GPS衛星跟蹤網5

第二節 導航定位衛星及其星座7

一、GPS衛星及星座7

二、前蘇聯GLONASS全球衛星導航系統9

三、歐洲空間局的NAVSAT衛星導航系統10

四、伽利略全球衛星導航系統12

五、中國的北斗導航衛星定位系統13

第三節 GPS在國民經濟建設中的應用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定位的坐標系統和時間系統21

學習目標21

第一節 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 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 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 時間系統31

一、概述31

二、世界時（UT) 32

三、曆書時（ET) 33

四、原子時（ATI) 33

五、協調世界時（UTC) 33

六、力學時（DT) 34

七、GPS時（GPST) 34

八、區時（Tn) 34

本章小結35

思考題與習題35

第三章 GPS系統的組成與GPS信號36

學習目標36

第一節 GPS定位系統的組成36

一、地面監控部分36

二、空間衛星部分38

三、用戶接收部分39

第二節 衛星的運行及其軌道39

一、理想情況下的衛星運動40

二、衛星運行的軌道41

三、攝動力對衛星運行軌道的影響43

第三節 衛星星曆與衛星位置計算43

一、GPS衛星星曆44

二、衛星在其軌道平面內的位置計算45

三、衛星在地心空間直角坐標系中的位置計算46

第四節 GPS衛星信號47

一、GPS衛星信號的內容47

二、GPS信號的結構49

三、測距碼的產生49

四、GPS信號的傳播50

五、導航電文51

第五節 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衛星定位的基本原理59

學習目標59

第一節 GPS定位概述59

一、靜態定位與動態定位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 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 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 GPS動態定位原理71

一、動態定位的特點71

二、單點動態定位72

三、偽距差分動態定位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衛星定位的誤差來源及其影響78

學習目標78

第一節 GPS測量的主要誤差分類78

第二節 與衛星有關的誤差79

一、衛星星曆誤差79

二、衛星鐘的鐘誤差80

三、相對論效應81

第三節 衛星信號傳播誤差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 接收設備誤差與圖形強度86

一、接收機鍾誤差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 整周跳變分析與整周未知數的確定88

一、整周跳變分析88

二、整周未知數N0的確定90

本章小結91

思考題與習題91

第六章 GPS衛星定位測量的設計與實施93

學習目標93

第一節 建立GPS控制網的技術依據94

一、GPS測量的精度分級94

二、GPS點的密度95

三、測量作業基本技術規定95

第二節 GPS定位網的布設97

一、技術設計中應考慮的因素97

二、GPS網的布網原則98

三、GPS網的聯測設計98

四、衛星空間分佈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 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 GPS定位網的測設方案106

一、兩台接收機相對定位的測設方案106

二、多台接收機的同步網測設方案107

三、多台接收機的非同步網測設方案108

第五節 外業觀測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、編排作業調度表111

五、天線安置112

六、觀測作業112

七、外業成果記錄113

第六節 觀測成果的外業檢核及處理114

一、野外數據檢核114

二、數據后處理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控制網的數據處理119

學習目標119

第一節 觀測數據的預處理119

一、概述119

二、預處理的準備工作121

三、數據預處理的內容121

第二節 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 GPS基線網獨立平差129

一、概述129

二、基線網按經典自由網平差129

三、基線網按虧秩自由網平差131

第四節 坐標系統的轉換132

一、空間直角坐標與大地坐標的轉換132

二、不同空間直角坐標系之間的坐標轉換133

三、不同大地坐標系之間的坐標轉換136

四、在高斯平面坐標系統中的坐標轉換模型136

第五節 GPS網與地面網的三維平差139

一、概述139

二、在空間直角坐標系中的三維約束平差139

三、在大地坐標系統中的三維約束平差142

四、三維聯合平差144

五、GPS網三維平差的若干問題145

第六節 GPS網與地面網的二維平差145

一、二維無約束平差146

二、二維約束平差147

三、二維聯合平差148

第七節 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實時動態定位154

學習目標154

第一節 RTK概述154

一、RTK的工作原理154

二、RTK的系統組成155

第二節 RTK系統基準站的組成和作用156

第三節 RTK流動站的組成和作用157

第四節 RTK定位測量的外業準備工作158

第五節 RTK的作業方法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 GPS網路RTK技術160

一、概述160

二、VRS的系統構成及工作原理161

三、VRS系統的優勢162

本章小結163

思考題與習題163

附錄164

附錄一 某市GPS三等平面控制網測量技術設計示例164

附錄二 Trimble Geomatics Office (TGO)軟體的使用169

參考文獻183