第 3 节 Global Positioning System

（ GPSGPS ））全球定位系统全球定位系统

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3.1 GPS3.1 GPS 定位系统简介定位系统简介

全球定位系统（全球定位系统（ Global Positioning SystemGlobal Positioning System

——GPS——GPS ）是一种定时和测距的空间交会定点的）是一种定时和测距的空间交会定点的

导航系统，可以向全球用户提供连续、实时、高精导航系统，可以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。度的三维位置、三维速度和时间信息。

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3.2 系统组成 GPS 系统包括三大部分：地面控制部分；空间部分；用户部分

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空间部分① 卫星分布组成：最早由 21 颗工作卫星和 3 颗在轨备用卫星组成 GPS 卫星星座。

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② 卫星分布情况 24 颗卫星均匀分布在 6 个轨道平面内，轨道倾角为55 度，各个轨道平面之间夹角为 60 度，即轨道的升交点赤经各相差 60 度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角相差 90 度。每颗卫星的正常运行周期为11h58min ，若考虑地球自转等因素，将提前 4min进入下一周期。③ GPS 卫星信号 载波： L 波段双频 L1 1575.42MHz ， L2 1227.60MHz 卫星识别：码分多址（ CDMA ） 测距码： C/A 码（民用）， P 码（美国军方及特殊授户） 导航数据：卫星轨道坐标、卫星钟差方程式参数、电离层延迟修正。

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地面控制部分：

地面控制部分：主控站、监控站和注入站

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① 主控站：位于美国科罗拉多（ Colorado ）的法尔孔（ Falcon ）空军基地。

根据各监控站对 GPS 的观测数据，计算出卫星的星历和卫星时钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；

对卫星进行控制，向卫星发布指令；当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作；

主控站还具有监控站的功能。② 监控站：主控站、夏威夷（ Hawaii ）、阿松森群岛 （ Ascencion ）、迭哥伽西亚（ Diego Garcia ）、和卡瓦加兰 （ Kwajalein ）。接收卫星信号，监测卫星的工作状态。③ 注入站：阿松森群岛（ Ascencion ）、迭哥伽西亚（ Diego Garcia ）、和卡瓦加兰（ Kwajalein ）。其作用和功能是：

注入站的作用是将主控站计算的卫星星历和卫星时钟的改正参数等注入到卫星中去。

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用户部分① 组成： GPS 接收机、气象仪器、计算机、钢尺等仪器设成。② GPS 接收机：天线单元，信号处理部分，记录装置和源。

天线单元：由天线和前置放大器组成，灵敏度高，抗干扰性强。 GPS 天线分为单极天线、微带天线、锥型天线等。信号处理部分：是 GPS 接收机的核心部分，进行滤波和信号处理，由跟踪环路重建载波，解码得到导航电文，获得伪距定位结果。记录装置 : 主要有接收机的内存硬盘或记录卡（ CF卡）。电源 : 分为外接和内接电池（ 12V ），机内还有一锂电池。 19

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PTK系统 导航型接收机 大地型接收机

③ GPS 接收机的基本类型：大地型、导航型和授时型三种。大地型接收机按接收载波信号的差异分为单频（ L1 ）型和双频（ L1 ， L2 ）型。

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3.3 GPS 系统的特点

定位精度高 GPS 相对定位精度在 50km 以内可达 10-6 ， 100-500km 可达10-7 ， 1000km 可达 10-9 。在 300-1500m 工程精密定位中， 1 小时以上观测的解其平面其平面位置误差小于 1mm 。观测时间短 20KM 以内快速静态相对定位，仅需 15-20 分钟； RTK 测量时，当每个流动站与参考站相距在 15KM 以内时，流动站观测时间只需1-2 分钟。测站间无须通视可节省大量的造标费用。由于无需点间通视，点位位置可根据需要，可稀可密，使选点工作甚为灵活，也可省去经典大地网中的传算点、过渡点的测量工作。

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可提供三维坐标 GPS 可同时精确测定测站点的三维坐标 ( 平面 + 大地高 ) 。通过局部大地水准面精化， GPS水准可满足四等水准测量的精度。

操作简便 全天候作业 GPS 观测可在一天 24小时内的任何时间进行。

功能多、应用广 可用于测量、导航，精密工程的变形监测，还可用于测速、测时。

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3.4 工作原理 GPS 系统由三大部分：地面控制部分；空间部分；用户部分共同组成：

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GPS 基本定位原理：

--- 有源无线电定位技术：

利用距离交会的原理确定接收机的三维位置及钟差

空间距离交会原理图

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http://www.docin.com/p-174910772.html

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3.5 GPS 的应用（ 1 ） GPS应用于导航 主要是为船舶、汽车、飞机等运动物体进

行定位导航。 船舶远洋导航和进港引水； 机航路引导和进场降落； 汽车自主导航； 地面车辆跟踪和城市智能交通管理； 紧急救生；个人旅游及野外探险； 个人通讯终端（与手机， PDA ，电子地图

等集一体）。 47

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（ 2 ） GPS应用于授时校频 GPS 时间系统建立的示意图 GPS 全部卫星与地面测控站构成一个闭环的自动修正系统。采用协调世界时 UTC （ USNO/MC ）为参考基准。

GPS 时间系统建立的示意图48

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（ 3 ） GPS应用于高精度测量

各种等级的大地测量，控制测量；道路和各种线路放样；水下地形测量；地壳形变测量，大坝和大型建筑物变形监测；GIS 数据动态更新；工程机械（轮胎吊，推土机等）控制；精细农业。

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核心教材： 黄杏元等，地理信息系统概论（第二版）， 2001 ，高等教育出版

社 汤国安等，地理信息系统， 2000 ，科学出版社

参考文献：[1] 王之卓 . 摄影测量原理（英文版） . 武汉：武汉测绘科技大学出版

社， 1990[2] MTPE / EOS Reference Handbook,1995

[3] 乌伦等 地理信息系统 - 原理、方法与应用， 2001 ，北京大学出版社

[4] 龚健雅 地理信息系统基础， 2001 ，科学出版社[5] 王家耀 空间信息系统原理， 2001 ，科学出版社[6] 汤国安 计算机地学制图与分析， 1994 ，西北大学出版社[7] 汤国安等， ArcView 地理信息系统空间分析方法， 2002 ，科学

出版社[8] 刘良明， ArcView 基础教程， 2001 ，测绘出版社

期刊： 《测绘学报》、《地理学报》、《遥感学报》、《武汉大学学报

（信息版）》、《测绘通报》、《中国图形图像学报》、《计算机辅助图形学报》等相关期刊

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主要网站：

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http://www.gischina.com/http://www.gischina.com/ http://cagis.org.cnhttp://cagis.org.cn http://www.gisky.com/http://www.gisky.com/ http://www.gisempire.com/http://www.gisempire.com/ http://www.digitalearth.net.cn/http://www.digitalearth.net.cn/ http://www.digitalearth.gov/http://www.digitalearth.gov/ http://www.Supermap.com.cn/http://www.Supermap.com.cn/ http://www.sdinfo.net.cn/http://www.sdinfo.net.cn/

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本课程主要参考文献：

[1] Jos G. Timmerman and Sindre Langas, Environmental Information in European Trans-boundary Water Management, IWA Publishing, Alliance, House, 2004 （图书馆工学分馆外文阅览室）

[2] Glaus Btenner, Stuttgart, 47th Photogrammetic Week, Interactive modeling tools for 3D building reconstruction ， 1999 （图书馆工学分馆外文阅览室）；

[3] 常庆瑞等，遥感技术导论，科学出版社， 2004 年（图书馆工学分馆中文阅览室）；

[4] 郭生练主编，水问题研究与进展，湖北科学技术出版社， 2003 年（图书馆工学分馆中文阅览室）；

[5] 李树脂等，高效三维遥感集成技术系统，科学出版社， 2000 （图书馆工学分馆中文阅览室）；

[6] 李德仁等，空间信息系统集成，武汉测绘科技大学出版社， 2000（图书馆工学分馆中文阅览室）；

[7] 中国水利现代化研究 顾浩 中国水利水电出版社 2004 年 12 月 （图书馆工学分馆中文阅览室） ; 54

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网络资源：

[8] 武汉大学图书馆 - 中国知网 - 高级检索 - 水利现代化 + 进展（关键词）；

[9] 武汉大学教务部 - 武汉大学课程中心 -通识选修课 - 数学与自然科学类 - 1400373-水利工程现代化技术（ P5)

http://kczx.whu.edu.cn/Able.Acc2.Web/Template/View.aspx?action=view&courseType=0&courseId=26376 ；

[10] 课程邮箱： SLX D_08@163.COM。55

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(1) 简述中国水利现代化内涵、评价方法和评价指标体系 ;

(2) 简述国内外水利现代化建设动态及趋势 ;

(3) 结合实际对我国水利现代化建设进行展望 .

练习思考题（只作为弥补缺勤） :

考核方式● ●考勤 10%+ 课堂作业

20%+ 开卷考试 70% 。

● ●第 12周 4 发试卷和课堂作业；

● ●第 13周 4 收试卷与课堂作业！

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课堂作业题目：谈谈你选修《水利现代化》的理由以及你对这门课的期望要求：（ 1）真实必须切合实际，敢于说真话。（ 2）格式1）手写，字数不限；2 ）必须有标题和个人信息，即：学号、姓名、院系。（ 3）提交方式：第 1周 -12周 4交到课堂。 58