GPS测量定位技术测量定位技术 周建郑 主编 周建郑主编GPS测量定位技术测量定位技术第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 GPS GPS定位的坐标系统和时间系统定位的坐标系统和时间系统第三章第三章 GPS GPS系统的组成与系统的组成与GPSGPS信号信号第四章第四章 GPS GPS卫星定位的根本原理卫星定位的根本原理第五章第五章 GPS GPS测量的误差来源及其影响测量的误差来源及其影响第六章第六章 GPS GPS卫星定位测量的设计与实施卫星定位测量的设计与实施第七章第七章 GPS GPS控制网的数据处理控制网的数据处理第八章第八章 GPS GPS实时动态定位实时动态定位目目 录录第一章第一章 绪论绪论学习目标第一节 卫星大地测量及其开展第二节 导航定位卫星及其星座第三节 GPS在国民经济建设中的应用本章小结思考题与习题GPS测量定位技术测量定位技术GPS测量定位技术测量定位技术第一章第一章 绪论绪论了解GPS系统的构成，卫星的个数及寿命，卫星的运行周期及发射功率，原子钟的精度，定位信号频率。GPS的地面控制系统和用户设备。理解GPS系统的应用和开展前景，其相对于其它定位系统的特点和GPS应用于测量工作的特点。美国的GPS政策。掌握GPS定位的根本原理，差分GPS的根本原理，GPS定位技术的开展及在测量中的应用。学习目标学习目标GPS测量定位技术测量定位技术第一节第一节 卫星大地测量及其开展卫星大地测量及其开展一、大地测量的开展概况一、大地测量的开展概况 大地测量的开展，大体上可分为古代大地测量、经典大地测量和现代大地测量三个阶段。1.古代大地测量阶段 古代大地测量要追溯到两千多年前，从人们确认地球是个圆球并测量它的大小算起，到18世纪中叶以前为止。 GPS测量定位技术测量定位技术 2.经典大地测量阶段 从18世纪中叶牛顿、克莱劳建立了地球为扁球的理论并用几何和物理的方法测定其形状和大小，到20世纪中叶莫洛琴斯基在斯托克斯理论的根底上建立现代地球形状理论根底为止的这200年时间为经典大地测量阶段。 在这一阶段中，其主要任务是为测量地形图效劳。为了提高点位测量的精度和速度，人们在测量方法、测量仪器、椭球计算和数据处理等方面作了大量的研究工作，并取得了丰硕的成果。这些成果现在仍被广泛应用，如三角测量、最小二乘法、重力测量等。GPS测量定位技术测量定位技术 3.现代大地测量阶段 现代大地测量阶段从20世纪中期开始，是在电子技术和空间技术迅猛开展的推动下形成的。电磁波测距、全站仪、电子计算机改变了经典测量中全靠测角的低精度状况，将测量成果精度提高到10-6量级以上；并缩短了作业周期，且使过去无法实现的严密理论计算得以实行；特别是人造卫星和空间技术的开展，突破了经典大地测量在点位、时间、应用、精度等方面的局限性，使测量产生了划时代的飞跃和质的变革。 现代大地测量的主要任务是研究和解决地面点的几何定位、地球重力场的测定、点位和重力场的变化等问题，具体包括：1建立与维护国家、地区及全球的大地网，并研究其变化；2测量并研究地极移动、地壳运动、潮汐等地球动力现象；3测定地球重力场及其变化。GPS测量定位技术测量定位技术二、卫星大地测量的起源二、卫星大地测量的起源 卫星大地测量是大地测量的新分支。就是利用卫星信息实现大地测量的目的，其作用分为如下几方面： 1精确测定地面点地心质心坐标系内的坐标，从而能够将全球大地网连成整体，建成全球统一的大地测量坐标系统。 2精确测量地球的大小和形状、地球外部引力场、地极运动、大陆板块间的相对运动以及大地水准面的形状，为大地测量和其他科学技术效劳。 3广泛地应用于空中和海上导航，地质矿产勘探及军事等方面。GPS测量定位技术测量定位技术二、卫星大地测量的起源二、卫星大地测量的起源 卫星大地测量初期1962-1965，美国斯密森天体物理天文台SAO。曾用光学摄影法进行了全球性的卫星测量，对北美NAD、欧洲EUA、澳大利亚AND、日本JAD、阿根廷ARG、夏威夷HAW等大地系统进行了联测，利用39个站的观测资料计算并发布了“标准地球。1966-1971年间又用更多的观测站进行了观测，当时的方向观测精度为0.3-1.5，点位中误差为，地心坐标中误差为17-32m。可见其精度是有限的，且观测条件受限制，底片处理也很复杂，所以以后就较少应用。 与此同时，激光测距法伴随出现，即在地面测站上用激光测距仪对卫星进行测距，以到达定轨定位的目的，测距精度可到达厘米级，但用这种定位要有四个站组成较好的图形，实行同步观测，这对大面积布网来说是很困难的，因此未能普及。 由于前述两种方法的精度和使用条件受到限制，人们便采用无线电技术，即利用卫星发射的无线电波进行距离测量，这种方法具有全天候等优点，因而开展很快，卫星多普勒定位就是在这一时期开展起来的。 GPS测量定位技术测量定位技术二、卫星大地测量的起源二、卫星大地测量的起源 美国海军导航卫星系统NNSS是美国第一代卫星导航系统，由于该系统卫星轨道都通过地球极点，故也称“子午Transit卫星系统，该系统于1964年建成，1967年7月该系统解密，提供民用。该系统由三局部即空间局部、地面监控局部和用户局部组成。 由于该系统不受气象条件的影响，自动化程度较高，且具有良好的定位精度，所以它的出现也立即引起大地测量学者的极大关注，尤其在该系统提供民用之后，在大地测量方面，进行了大量的应用研究和实践。如在美洲大陆及其附近测设了大约500个多普勒点；西欧各国在1976年5月和1977年4月分别进行了两次多普勒会战EDOC1，2,在16个国家测设了30多个多普勒点，后者参加了欧洲三角网的重新平差；法国地理院不仅在本国建立了多普勒网，而且还为阿尔及利亚、利比亚、圭亚那和加蓬等国家测设了116个多普勒点；印度尼西亚，测设了200多个多普勒控制点；70年代中期，我国有关测绘和勘察单位开始引进多普勒接收机。GPS测量定位技术测量定位技术二、卫星大地测量的起源二、卫星大地测量的起源 卫星多普勒定位虽然有很多优点，但因子午卫星的轨道平面与地球赤道的倾角约为90,所以子午卫星几乎是在地球子午面内运行，经度与接收机高程相关，只有高程时才能解出经度和纬度。可见NNSS系统只能提供二维导航解，且是单星多普勒法，须卫星运行一个时间段后才能获得一次导航解，精度也只优于40m。又由于卫星较低，覆盖面积小，星数又少，须相隔小时左右才能进行一次定位。可见子午卫星导航系统虽显示了导航的优越性，但又存在着精度低，不能实时导航和只能供二维导航解等缺陷。这些缺陷是由子午卫星导航系统的“单星、低轨、测速体制决定了的。从大地测量学方面来看，由于它定位速度慢一个测站一般平均观测1-2天，精度也较低单点定位精度3-5m，相对定位精度约为，所以，该系统在大地测量和地球动力学研究方面的应用，也受到了很大的限制。为了实现全天候、全球性和高精度的连续导航与定位，第二代的卫星导航系统GPS卫星全球定位系统便应运而生。卫星定位技术开展到了一个辉煌的历史阶段，使测量定位技术产生了质的改变。GPS测量定位技术测量定位技术三、三、GPSGPS定位的根本概念定位的根本概念 20世纪60年代以后，随着空间技术的开展和人造卫星的相继升空，人们设想，如果在绕地球运行的人造卫星上装置有无线电信号发射机，那么在接收机钟的控制下，可以测定信号到达接收机的时间，进而求出卫星和接收机之间的距离： 1-1 式中信号传播的速度； 各项改正数。 GPS测量定位技术测量定位技术三、三、GPSGPS定位的根本概念定位的根本概念 但是，卫星上的原子钟和地面上接收机的钟不会严格同步，假设卫星的钟差，接收机的钟差为，那么由于卫星上的原子钟和地面上接收机的钟不同步对距离的影响为：1-2 GPS测量定位技术测量定位技术三、三、GPSGPS定位的根本概念定位的根本概念 现在欲确定待定点P的位置，可以在该处安置一台GPS接收机。如果在某一时刻同时测得了4颗GPS卫星的距离 、 、 、 ，那么可列出4个观测方程为：式中 ， ， ， 分别为卫星 在 时刻的空间直角坐标； 分别为 时刻4颗卫星的钟差，它们均由卫星所播送的卫星星历来提供。 求解上列方程，即得待定点的空间直角坐标 。 1-3 GPS测量定位技术测量定位技术三、三、GPSGPS定位的根本概念定位的根本概念 由此可见，GPS定位的实质就是根据高速运动的卫星瞬间位置作为的起算数据，采取空间距离前方交会的方法，确定待定点的空间位置。 GPS系统的空间局部由21颗工作卫星及3颗备用卫星组成，它们均匀分布在6个相对与赤道的倾角为55的近似圆形轨道上，每个轨道上有4颗卫星运行，它们距地面的平均高度为20210Km，运行周期为12恒星时。GPS卫星星座均匀覆盖着地球，可以保证地球上所有地点在任何时刻都能看到至少四颗GPS卫星。GPS测量定位技术测量定位技术三、三、GPSGPS定位的根本概念定位的根本概念 GPS定位技术自从应用于测量工程，就以其特有的自动化、全天候、高精度的显著优势令经典大地测量刮目相看，具体表现为： 1选点灵活：GPS定位既不要求点位之间通视，又对点位图形结构没有过苛要求，大大便利了点位的应用。 2精度提高：实践已经证明，在1000Km的距离上，相对定位精度可以到达10-8；在100-500Km的距离上，相对定位精度可以到达10-6-10-7；在小于50Km的距离上，相对定位精度可以到达10-6。而另一方面，又无须建造测量觇标。 GPS测量定位技术测量定位技术 三、三、GPSGPS定位的根本概念定位的根本概念 3操作简便：GPS定位的自动化程度很高，作业人员只限于安置和开关仪器、量取仪器高和监视工作状态，其它均由仪器自动完成，加之仪器本身重量轻、体积小，携带又方便，大大降低了作业难度，提高了工效。其次，GPS定位的结果，可以直接提供点的三维坐标，不仅可以精确确定点的平面位置，也为研究大地水准面的形状和确定地面点高程开辟了新途径。 4全天候作业：GPS定位不受天气条件制约，加之观测时间缩短、速度加快，便利了人们对测量工程的统筹安排，使工程方案具有较大的可行性，为准确快速提供测绘成果提供了可能。GPS测量定位技术测量定位技术 四、我国四、我国GPS GPS 卫星跟踪网卫星跟踪网 美国国防部在研制GPS总体方案时，就已经制定了“主要为军用，同时也兼顾民用的双用途政策。此后，陆续出台了一系列的“双用途政策，例如： 1.1975年规定，GPS卫星发射的无线电信号，含有两种不同的测距码：C/A码也称粗码和P码也称精码。相应于两种测距码，GPS将提供两种定位效劳，即供民用的标准定位效劳SPS和专供军用的精密定位效劳PPS。前者进行单点实时定位的精度约为20m-30m，后者利用P码进行单点实时定位的精度可优于10m。一美国政府的一美国政府的GPSGPS政策政策GPS测量定位技术测量定位技术 一美国政府的一美国政府的GPSGPS政策政策 2.美国国防部从1990年3月17日起实施选择可用性SASelective Availability技术，其主要内容是：1在播送星历中对GPS卫星的基准频率采用技术其变化为无规律的随机变化，降低星历精度，使定位中的点卫星的位置精度大为降低；2有意地在卫星钟的钟频信号中采用技术高频抖动，使钟的频率产生快慢变化，导致测距精度大为降低。实施SA技术后，C/A码实时定位精度，平面位置降低至100m，高程位置降低至150m，严重影响了导航定位。2000年5月，美国政府取消了限制民用精度的“SA政策，仅在局部或个别卫星上实施SA技术。 GPS测量定位技术测量定位技术一美国政府的一美国政府的GPSGPS政策政策 3.P3.P码码是是不不公公开开的的保保密密码码，广广阔阔民民间间用用户户难难以以应应用用。近近年年来来，P P码码的的结结构构逐逐渐渐被被人人们们解解译译，所所以以美美国国政政府府又又采采用用新新的的反反电电子子欺欺骗骗ASASAnti-SpoofingAnti-Spoofing技技术术，它它是是由由P P码码和和保保密密的的W W码码相相加加而而形形成成的的Y Y码码，用用于于代代替替P P吗吗，其其结结构构更更为为严严格格保保密密。一一般般用用户户无法解译。该技术仅在特殊情况下使用。无法解译。该技术仅在特殊情况下使用。 4.4.选选择择可可用用性性SASA技技术术是是否否实实施施的的判判断断：用用户户可可从从导导航航电电文文中中的的URAURA测测距距精精度度值值中中判判别别。如如Trimble4000Trimble4000测测地地型型GPSGPS接接收收机机，当当URAURA值值为为2020以以内内时时，说说明明未未实实施施SASA政政策策，当当URAURA值值为为30-6430-64时，说明实施时，说明实施SASA政策。政策。GPS测量定位技术测量定位技术二摆脱二摆脱GPSGPS限制政策的途径限制政策的途径 美国政府的GPS 限制政策严重损害了一般用户的实时定位精度，限制了GPS系统在许多高精度领域中应用的可能性。如何摆脱这种限制，是广阔用户所关心的问题。 1.建立独立的卫星导航与定位系统 一些国家和地区致力于开展自己的卫星导航与定位系统。如前苏联建立的全球导航卫星系统GLONASS，欧洲空间局开展的以民用为主的卫星定位系统NAVSAT，伽利略全球卫星导航系统GALILEO和我国的北斗导航卫星定位系统等。 GPS测量定位技术测量定位技术二摆脱二摆脱GPSGPS限制政策的途径限制政策的途径 2.2.建建立立自自己己的的GPSGPS卫卫星星跟跟踪踪网网，独独立立确确定定GPSGPS卫卫星星精精确确轨轨道道 利利用用GPSGPS卫卫星星，建建立立独独立立的的跟跟踪踪系系统统，以以便便精精密密测测定定卫卫星星轨轨道道，为为精精密密工工程程测测量量、地地壳壳变变形形检检测测和和地地球球动动力力学学研研究究提提供供精精密密星星历历和和精精密密定定位位效效劳劳。它它是是消消除除SASA和和ASAS不不利利影响的有效途径，具有十分重要的科学意义和使用价值。影响的有效途径，具有十分重要的科学意义和使用价值。 正正因因为为如如此此，在在加加拿拿大大、澳澳大大利利亚亚和和欧欧洲洲一一些些国国家家都都在在实实施施建建立立区区域域性性或或全全球球性性精精密密测测轨轨系系统统的的方方案案。我我国国在在“八八五五期期间间所所建建立立的的GPSGPS卫卫星星跟跟踪踪站站也也已已根根本本构构网网，建建成成了了北北京京、武武汉汉、上上海海、长长春春、昆昆明明、拉拉萨萨和和乌乌鲁鲁木木齐齐GPSGPS卫星跟踪站。卫星跟踪站。GPS测量定位技术测量定位技术二摆脱二摆脱GPSGPS限制政策的途径限制政策的途径 3.改进GPS精密定位方法及软件，削弱SA和AS技术的影响 例如，在美国政府实施SA技术和AS技术的情况下，采用差分GPS定位方法可以把一般用户的实时定位精度提高到2-5m，是削弱美国限制政策影响的有效手段，目前已被广泛应用。再如在使用载波相位观测值的情况下，假设用户在离基准站的距离在20km以内，还可以获得厘米级的实时定位精度，目前也在迅速开展之中。 差分GPS的根本原理是：鉴于卫星的运行高度在2万km以上，对于地面相距不太远的两个点来说，卫星信号传播的路径根本相同，所以很多误差的影响也根本相同。GPS测量定位技术测量定位技术三建立我国三建立我国GPSGPS卫星跟踪网卫星跟踪网 鉴于卫星星历在GPS定位中的重要作用，而播送星历的精度又很低这一实际情况，我国建立了自己的GPS卫星跟踪网，开展独立定轨工作，以获得精确的GPS卫星星历。 我国GPS卫星跟踪网是由7个跟踪站组成。GPS测量定位技术测量定位技术三建立我国三建立我国GPSGPS卫星跟踪网卫星跟踪网表1-1我国的GPS卫星跟踪站站名建设单位管理单位站的性质拉萨国家测绘局西藏测绘局永久站乌鲁木齐国家测绘局总参测绘局新疆测绘局兰州军区测绘大队永久站（试运行）北京国家测绘局中国测绘科学研究院永久站武汉国家测绘局武汉大学永久站上海上海天文台余山VLBI站永久站长春总参测绘局长春人卫站试运行昆明总参测绘局云南天文台试运行GPS测量定位技术测量定位技术三建立我国三建立我国GPSGPS卫星跟踪网卫星跟踪网 跟踪站设备要长期不停地运行，所以绝大多数跟踪站都进行了自动管理，具备如下根本功能：1按标准管理系统正常地运行，自动采集和记录数据、自动传输数据、监控并记录各部件的运行状态；2有自我检测和完善的功能，使其在发生任何干扰、故障时能自动予以排除，重新恢复正常工作状态；3有自我监测和保护的功能；4有自动的系统管理和报警的功能。GPS测量定位技术测量定位技术三建立我国三建立我国GPSGPS卫星跟踪网卫星跟踪网 我国在已经建立的GPS卫星跟踪站的根底上，还将进一步开展我国GPS的综合性效劳体系。这个体系是一种集GPS卫星追踪、GPS数据采集、数据通信、数据处理、提供GPS信息效劳于一体的网络体系，是一种集成式的系统工程。GPS测量定位技术测量定位技术第二节第二节 导航定位卫星及其星座导航定位卫星及其星座 一、一、GPSGPS卫星及星座卫星及星座 GPS工作卫星的外部形态如右图所示。卫星发射进入轨道后，星体两侧各伸展出由4叶拼成的太阳能电池翼板，总面积为7.2。两侧翼板能自动对太阳定向，给3组15A的镉镍蓄电池不断充电，保证了卫星在地影区也能正常工作。GPS工作卫星的主体呈圆柱形，整体在轨重量为843.68，比实验卫星增重了45，它的设计寿命为年，事实上均能超过该设计寿命而正常工作。 图1-1 GPS工作卫星 GPS测量定位技术测量定位技术一、一、GPSGPS卫星及星座卫星及星座 GPS卫星采用的是螺旋形天线阵列和圆极化式发送射电信号，12根螺旋形天线组成了天线阵列，其发射波束的张角大约为30，可以覆盖卫星的可见地面。除了上述局部以外，卫星还包括入轨动力、反作用控制、姿态和速度控制系统、遥测和指令系统以及导航信号发送系统等。卫星姿态是采用三轴稳定方式，由四个斜装惯性轮和喷气控制装置构成三轴稳定系统，致使螺旋天线阵列所辐射的波速对准卫星的可见地面。GPS测量定位技术测量定位技术一、一、GPSGPS卫星及星座卫星及星座 GPS系统主要是为美国海陆空三军效劳的，它具有广泛的军事用途，例如，为地面部队迅速行动指明方位，为核潜艇导航，为弹道导弹导航，检测全球核爆炸，摄取全球性的军事情报，反潜艇，反导弹等等。因此，GPS卫星的内部设备复杂而繁多，例如，为了战略部队的应急通讯，美国在GPS卫星上安装战略通信机，其重量达16.03，体积为m3，采用240-272MHZ、318-400MHZ和7900-8000MHZ的微波信号，辐射功率为20W。GPS测量定位技术测量定位技术一、一、GPSGPS卫星及星座卫星及星座 GPS定位是一种被动定位，必须建立高稳定的频率标准。因此每颗卫星上都必须安装高精确度的时钟。当有110-9s的时间误差时，将引起30的距离误差。实验说明，一般原子钟能够提供高稳定的频率。氢原子频率标准的稳定性最好，在100s至1d的时间内，氢原子频率标准的稳定优于110-14，比石英晶体频率标准要高出两个数量级以上。所以在每一个GPS工作卫星中，一般都要设置两台铷原子钟和两台铯原子钟，并方案将来采用氢原子钟。虽然GPS卫星发送几种不同频率的信号，但都来自同一个基准频率MHZ。所以只须启用一台原子钟，其余的作为备用，以备更替出现故障的时钟。 GPS测量定位技术测量定位技术一、一、GPSGPS卫星及星座卫星及星座 在19881994年间所建成的全球定位系统，包括21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星，它们所组成的GPS卫星工作星座如左图所示。图1-2 GPS卫星星座 GPS测量定位技术测量定位技术一、一、GPSGPS卫星及星座卫星及星座 24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，每个轨道面内有4颗卫星运行，卫星距地面的平均高度为20210km。6个轨道面相对于地球赤道面的倾角为55，各轨道面之间的交角为60。当地球自转360时，卫星绕地球运行两圈，环绕地球运行一圈的时间为11小时58分。地面的观测者每天可提前4min见到同一颗卫星，可见时间约为5小时。这样，观测者在地球外表上任何地点任何时刻，在卫星高度角15度以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多可观测到11颗卫星。GPS测量定位技术测量定位技术一、一、GPSGPS卫星及星座卫星及星座 截止2003年10月，目前GPS在轨工作卫星为28颗，其中17号星在2003年6月6日至7月23日期间列为不健康状况，7月9日其星钟从Cs4转为Rb2，卫星移到D6星位上又开始正常运行。现在工作的卫星编号从1号至31号之间，只有12号、19号、22号为空缺。28颗卫星中有3颗为BLOCKII卫星，17颗为BLOCKIIA卫星，8颗为BLOCKIIR卫星，正在用铯钟(Cs)运行的有11颗卫星，其余均用铷钟(Rb)，在1993年11月22日启用的卫星达15颗，即工作差不多十年以上的卫星数目过半数，最早的一颗卫星还是1989年6月发射的。原先21号星是1990年8月2日发射的，去年9月25日出现异常情况，于2003年1月27日宜布退出效劳，现已为2003年3月31日发射的卫星所接替，后者在4月12日投入正式效劳。GPS测量定位技术测量定位技术一、一、GPSGPS卫星及星座卫星及星座 GPS全球定位系统可满足各种不同用户的需要，从根本上解决了人类可在地球的任何位置进行导航和定位的问题。在海上，可用于海上协同作战、海洋交通管理、石油勘探、海洋捕鱼、浮标建立、管道铺设、暗礁定位、海港领航等方面；在空中，可用于飞机导航、飞时机合、空中加油、武器投掷和空中交通管理等；在陆地上，可用于各种部队的定位、各种军事设施和其它设施的定位等；在空间技术方面，可用于导弹、飞船、飞机的导航和定位等；在人们的生活中，如汽车、旅行、探险、狩猎等都可方便地使用。GPS测量定位技术测量定位技术二、前苏联二、前苏联GLONASSGLONASS全球卫星导航系统全球卫星导航系统 GLONASS全球卫星导航系统的起步晚于GPS九年，在广泛使用GPS的同时，前苏联在全面总结CICADA第一代卫星导航系统优缺点的根底上，吸取美国GPS系统成功经验，从1982年10月12日开始，逐步建立了第一代卫星导航系统GLONASS全球卫星导航系统。该系统方案在1995年前建成由21+3颗卫星组成的GLONASS工作卫星星座，其中21颗卫星为工作卫星，3图1-3 GLONASS卫星星座颗为在轨备用卫星，它们均匀地分布在上图所示的三个轨道平面内，并以GHZ和GHZ射电频率发射信号和传播电文。 GPS测量定位技术测量定位技术二、前苏联二、前苏联GLONASSGLONASS全球卫星导航系统全球卫星导航系统 可见，GLONASS系统与美国的GPS系统极为相似。到1996年的十三年时间内历经周折，期间虽然遭遇了苏联的解体，由俄罗斯接替，1995年初只有16颗GLONASS卫星在轨工作，1995年进行了三次成功发射，将9颗卫星送入轨道，完成了24颗工作卫星加一颗备用卫星的布局。经过数据加载，调整和检验，已于1996年1月18日，整个系统正常运行。GPS测量定位技术测量定位技术二、前苏联二、前苏联GLONASSGLONASS全球卫星导航系统全球卫星导航系统 1. 1.卫星星座卫星星座 GLONASSGLONASS卫卫星星星星座座的的轨轨道道为为三三个个等等间间隔隔椭椭圆圆轨轨道道，轨轨道道面面间间的的夹夹角角为为120120，轨轨道道倾倾角角64.864.8，轨轨道道的的偏偏心心率率为为，每每个个轨轨道道上上等等间间隔隔地地分分布布8 8颗颗卫卫星星。卫卫星星离离地地面面高高度度为为19100km19100km，运运行行周周期期为为1111小小时时1515分分。由由于于GLONASSGLONASS卫卫星星的的轨轨道道倾倾角角大大于于GPSGPS卫卫星星的的轨轨道道倾倾角角，所所以以在在高高纬纬度度5050以上地区的可视性较好。以上地区的可视性较好。 每每颗颗GLONASSGLONASS卫卫星星上上装装有有铯铯原原子子钟钟，以以产产生生高高稳稳定定的的时时标标，并并向向所所有有星星载载设设备备提提供供同同步步信信号号。星星载载计计算算机机将将从从地地面面控控制制站站接接收收到到的的信信息息进进行行处处理理，生生成成导导航航电电文文向向地地面面的用户播送。的用户播送。GPS测量定位技术测量定位技术二、前苏联二、前苏联GLONASSGLONASS全球卫星导航系统全球卫星导航系统 2. 2.地面控制系统地面控制系统 地地面面控控制制站站(GCS)(GCS)包包括括一一个个系系统统控控制制中中心心在在莫莫斯斯科科区区的的Golitsyno2Golitsyno2，一一个个指指令令跟跟踪踪站站CTSCTS，网网络络分分布布于于俄俄罗罗斯斯境境内内。CTSCTS跟跟踪踪着着GLONASSGLONASS可可视视卫卫星星，遥遥测测所所有有卫卫星星，进进行行测测距距数数据据的的采采集集和和处处理理，并并向向各各卫卫星星发发送送控控制制指令和导航信息。指令和导航信息。 在在地地面面控控制制站站(GCS)(GCS)内内有有激激光光测测距距设设备备对对测测距距数数据据作作周期修正，为此所有周期修正，为此所有GLONASSGLONASS卫星上都装有激光反射镜。卫星上都装有激光反射镜。GPS测量定位技术测量定位技术二、前苏联二、前苏联GLONASSGLONASS全球卫星导航系统全球卫星导航系统 3. 3.用户设备用户设备 GLONASSGLONASS接接收收机机接接收收GLONASSGLONASS卫卫星星信信号号并并测测量量其其伪伪距距和和速速度度, ,同同时时从从卫卫星星信信号号中中选选出出并并处处理理导导航航电电文文，并并算算出出位位置坐标的三个分量、速度矢量的三个分量和时间。置坐标的三个分量、速度矢量的三个分量和时间。 GLONASSGLONASS系系统统进进展展较较快快，但但生生产产用用户户设设备备的的厂厂家家较较少少，生生产产的的接接收收机机多多为为专专用用型型。GPSGPS和和GLONASSGLONASS联联合合型型接接收收机机有有很很多多优优点点：用用户户同同时时可可接接收收的的卫卫星星数数目目增增加加约约一一倍倍，可可以以明明显显改改善善观观测测卫卫星星的的几几何何分分布布，在在一一些些遮遮挡挡物物较较多多的的城城市市、森森林林等等地地区区，可可提提高高定定位位精精度度，还还可可有有效效地地削削弱弱美美俄俄两两国国对各自定位系统的可能控制，提高定位的可靠性和平安性。对各自定位系统的可能控制，提高定位的可靠性和平安性。 GPS测量定位技术测量定位技术二、前苏联二、前苏联GLONASSGLONASS全球卫星导航系统全球卫星导航系统 4. 4.俄罗斯对俄罗斯对GLONASSGLONASS系统的使用政策系统的使用政策 GLONASSGLONASS系系统统可可供供国国防防和和民民间间使使用用，不不带带任任何何限限制制，也也不不方方案案对对用用户户收收费费，该该系系统统运运行行时时间间至至少少1515年年。民民用用的的标标准准精精度度通通道道CSACSA精精度度数数据据为为：水水平平精精度度505070m70m，垂垂直直精精度度75m75m，并并声声明明不不引引入入选选择择可可用用性性SASA。测速精度测速精度15cm/s15cm/s。授时精度为。授时精度为1s1s。 GLONASSGLONASS卫卫星星的的平平均均工工作作寿寿命命超超过过年年。19991999年年底底补补网网发发射射了了三三颗颗卫卫星星，至至20002000年年初初，该该系系统统只只有有七七颗颗健健全全卫卫星星保保持持连连续续工工作作。20002000年年1010月月补补网网又又发发射射了了三三颗颗卫卫星星。到到20012001年年3 3月月，GLONASSGLONASS系系统统中中有有1313颗颗健健全全的的卫卫星星。20012001年年补补网网发发射射6 6颗颗卫卫星星，方方案案20042004年年再再发发射射1515颗颗卫卫星星，届届时时GLONASSGLONASS系统将有可能进入最好的运营状态。系统将有可能进入最好的运营状态。GPS测量定位技术测量定位技术三、欧洲空间局的三、欧洲空间局的NAVSATNAVSAT卫星导航系统卫星导航系统 NAVSAT卫星导航系统是由欧洲空间局筹建的一种多用途定位系统，是一种民用系统，它和主要用于军事目的的GPS系统和GLONASS系统不同，正因为如此，它的卫星结构和接收机的操作均较为简单。这个系统也包括三大局部，即空间局部卫星、地面控制局部地面控制设备和用户接收机局部。GPS测量定位技术测量定位技术三、欧洲空间局的三、欧洲空间局的NAVSATNAVSAT卫星导航系统卫星导航系统 因为NAVSAT系统空间局部不象GPS那样复杂，而是将大局部复杂内容设置在地面上。各卫星只从多至六个控制站的控制网中接收简单的重复播送的信号，每个控制站以C带频率连续播送信号给该站的可见卫星。由于卫星的运行，当它离开该控制站的控制范围时，就通知下一个相邻控制站接替该站继续对这个卫星发送信号。发送的信号为包括一个强联系波CW的载波和带有大约5MHZ的数据块速率的伪偶然噪声PRN码以及一个包含星历和其他数据的低比特速率电文流。然后卫星就原样重复播送这些导航用的MHZ和作为卫星控制的用于C带频率的信号。所有卫星都传送同样的频率和同样的PRN码，并用时间划分成多路接近格式来解决卫星间相互干扰的问题。每个卫星在停止了133ms后。都要按顺序播送大约两秒钟的信号。该系统的卫星上没有原子钟，而是在控制站上使用了同步原子标准钟以获得信号的频率稳定性。GPS测量定位技术测量定位技术三、欧洲空间局的三、欧洲空间局的NAVSATNAVSAT卫星导航系统卫星导航系统图1-4NAVSAT卫星星座 自第一次建议建立NAVSAT系统以来，卫星星座的布局已被修改正，现在设计的星座如左图由地球同步轨道卫星GEO和高椭圆轨道卫星HEO组成混合卫星星座，在地球同步轨道上有六颗同步卫星，着六颗卫星应全部覆盖北半球；在高椭圆轨道上的12颗卫星那么扩大对全球的覆盖。同步卫星上带有NAVSAT发射机应答器，因此可用于通信。GPS测量定位技术测量定位技术三、欧洲空间局的三、欧洲空间局的NAVSATNAVSAT卫星导航系统卫星导航系统 该系统可分别用于三种不同的用户：对那些中等精度约100m精度定位和导航精度要求的用户，只须通过CW载波用简单的多普勒模式的接收机就可以满足要求；对那些要求到达510m的高精度用户，可通过带有多普勒补助伪噪声码PRN信号的伪距接收机接收，对那些按大地测量精度要求的用户，可用与GPS中相类似的形式记录超过延长时间间隔的载波相位而获得成果。GPS测量定位技术测量定位技术三、欧洲空间局的三、欧洲空间局的NAVSATNAVSAT卫星导航系统卫星导航系统卫星系统GPSGLONASSNAVSAT卫星数（颗）213213126轨道面数（个）637轨道倾角（）5564.863.45平均高度（km）202001910020178周期（hm）11h58m11h15m11h58m卫星射电频率L11575.42MHz16021616MHz15611569MHz卫星射电频率L21227.6MHz12461256MHz12241232MHzC/A码频率1.023MHz511kHz3.397MHzC/A码码长1023bit511bit3937bit表1-2 三种卫星系统比较 上述几种不同卫星定位系统的主要特征列入下表：GPS测量定位技术测量定位技术四、伽利略全球卫星导航系统四、伽利略全球卫星导航系统 我们知道，目前世界上已有两大卫星导航定位系统在运行：一是美国的全球定位系统GPS，二是俄罗斯的“格鲁纳斯GLONASS。但是这两个系统受到美、俄两国军方的严密控制，其信号的可靠性无法得到 保证。长期以来欧洲只能在美、俄的授权下从事接收机制造、导航效劳等附属性的工作。科索沃战争时，欧洲完全依赖美国的全球定位系统。当这个系统出于军事目的而停止运作时，一些欧洲企业的许多事务被迫中断。为了能在卫星导航领域中占有一席之地，欧洲认识到建立拥有自主知识产权的卫星导航系统的重要性。同时在欧洲一体化的进程中，建立欧洲自主的卫星导航系统将会全面加强欧盟诸成员国间的联系和合作。在这种背景下，欧盟决定启动一个军民两用的与现有的卫星导航系统相兼容的全球卫星导航方案“伽利略GALILEO方案。 GPS测量定位技术测量定位技术四、伽利略全球卫星导航系统四、伽利略全球卫星导航系统图1-5伽利略卫星星座 GPS测量定位技术测量定位技术四、伽利略全球卫星导航系统四、伽利略全球卫星导航系统 欧盟在1999年2月首次提出“伽利略方案。方案分成四个阶段：论证阶段，时间为2000年，欧盟在世界无线电大会上获得建立GNSS系统的L频段的频率资源；系统研制和在轨确认阶段，包括研制卫星及地面设施，系统在轨确认，时间为2001年至2005年；星座布设阶段，包括制造和发射卫星，地面设施建设并投入使用，时间为2006年至2007年；运营阶段，从2021年开始。2000年度的论证工作为“伽利略方案勾画出一个轮廓。论证报告指出，方案投入亿欧元的资金，效劳范围覆盖全球，可以提供导航、定位、时间、通信等项效劳。其效劳方式包括开放效劳、商业效劳与官方效劳三个方面。 GPS测量定位技术测量定位技术四、伽利略全球卫星导航系统四、伽利略全球卫星导航系统 任何人只要装备了“伽利略接收机就能接收GPS、GLONASS和“伽利略卫星导航系统的信号。开放效劳将与商业和生命平安效劳共享两个开放的导航信号。开放效劳将主要用于道路交通中的个人导航、道路信息和提供路线建议的系统、移动通信等应用领域。 商业效劳将主要涉及专业用户，这些专业用户将来自测绘、海关、船舶和车辆管理以及关税征收等领域。商业效劳将提供在独立频率上的第三种导航信号的接入效劳，并使用户能利用三载波相位模糊分辨力技术TCAR来改善精度。官方效劳的对象是那些对于精度、信号质量和信号传输的可靠性要求极高的用户。 GPS测量定位技术测量定位技术四、伽利略全球卫星导航系统四、伽利略全球卫星导航系统 官方效劳将包括以下三种：生命平安效劳、官方管理效劳和搜救效劳。“伽利略系统的根本结构包括星座与地面设施、效劳中心、用户接收机等。卫星星座将由30颗卫星27颗工作卫星和3颗备用卫星组成，卫星采用中等地球轨道，卫星均匀地分布在高度约为23616km的三个中高度圆轨道面上，倾角56。方案2003年发射两颗试验卫星。每颗卫星都将搭载导航载荷和一台搜救转发器。每次发射将会把5或6颗卫星同时送入轨道。地面控制设施包括卫星控制中心用于卫星轨道改正的遥感和遥测中心和提供各项效劳所必需的地面设施。地面控制设施管理卫星星座及测定和播送集成信息。系统使用4个载频向全球播发5种导航信号，这些导航信号支持开放、商用、生命平安和政府管理和搜救效劳。系统还划分为8个区域局部，用来发送针对各自区域的集成信息。种类齐全的GALILEO接收机不仅可以接收本系统信号，而且可以接收GPS、GLONASS这两大系统的信号，并且实现导航功能和移动 功能的结合，与其他飞行导航系统的结合。GPS测量定位技术测量定位技术五、我国的北斗导航卫星定位系统五、我国的北斗导航卫星定位系统 我国自行研制的第一颗导航定位卫星“北斗导航试验卫星，于2000年11月1日凌晨时分在西昌卫星发射中心发射升空，并准确进入预定轨道。 “北斗导航试验卫星由中国航天科技集团空间技术研究院研制。据介绍，为满足国内卫星导航需求，我国将自行建立第一代卫星导航定位系统双星导航定位系统北斗一号。该系统是全天候、全天时提供卫星导航信息的区域导航系统。这个系统建成后，主要为公路交通、铁路运输、海上作业等领域提供导航效劳，对我国国民经济建设将起到积极推动作用。“北斗导航试验卫星 的首次发射成功，为“双星导航定位系统的建设奠定了根底。GPS测量定位技术测量定位技术五、我国的北斗导航卫星定位系统五、我国的北斗导航卫星定位系统 2000年12月22日0时20分，我国自行研制的第二颗“北斗导航试验卫星，在西昌卫星发射中心发射升空，并准确进入预定轨道。它与2000年11月1日发射的第一颗“北斗导航试验卫星一起，构成了“双星导航定位系统。这标志着我国将拥有自主研制的第一代卫星导航定位系统。 2003年5月25日又发射了导航定位系统的备份星。它与前两颗“北斗一号工作星组成了完整的卫星导航定位系统，确保全天候、全天时提供卫星导航信息，该系统效劳区域为东经70145，北纬555范围。定位精度为：平面20m，高程10m。 GPS测量定位技术测量定位技术五、我国的北斗导航卫星定位系统五、我国的北斗导航卫星定位系统 双星导航定位系统定位的根本原理为空间球面交会测量原理。如右图，地面中心站通过两颗卫星向用户询问，用户应答后，测量并计算出用户到两颗卫星的距离；然后根据地面中心站的数字地图，由地面中心站算出用户到地心的距离，再根据两颗卫星和地面中心站的地心坐标计算出用户的三维位置，由卫星发给用户。图16双星导航定位系统工作原理 GPS测量定位技术测量定位技术五、我国的北斗导航卫星定位系统五、我国的北斗导航卫星定位系统 我国的双星卫星导航系统，综合了传统天文导航定位和地面无线电导航定位的优点，相当于一个设置在太空的无线电导航台。它不仅可以在任何时间、任何地点，为用户确定其所在的地理经纬度和海拔高度。而且在定位性能上有所创新。这个系统将主要用于国家经济建设，为我国的交通运输、气象、石油、海洋、森林防火、灾害预报、通信、公安以及其他特殊行业提供高效的导航定位效劳，应用前景十分广阔。“北斗导航系统是国际上首次实现的区域导航定位系统，该系统的建立和投入使用，填补了我国导航卫星领域的空白，使我国成为世界上继美俄之后自主建立卫星导航系统的国家。目前，世界上只有少数兴旺国家具备了自主建设卫星导航系统的能力。GPS测量定位技术测量定位技术第三节第三节 GPS GPS在国民经济建设中的应用在国民经济建设中的应用 一、一、GPSGPS在大地测量中的应用在大地测量中的应用一全球或全国性的高精度一全球或全国性的高精度GPSGPS网网 1991年国际大地学会LAG决定在全球范围内建立一个IGS国际GPS地球动力学效劳观测网，并于1992年69月间实施了第一期会战联测，我国积极配合并参与了这项工作。目的是在全国范围内确定精确的地心坐标，建立起我国新一代的地心参考框架及其与国家坐标系的转换参数；以优于10-8量级的相对精度确定站间基线向量，布设成国家A级网，它将作为国家高精度卫星大地网的骨架并为地壳运动及地球动力学的研究奠定根底。GPS测量定位技术测量定位技术一全球或全国性的高精度一全球或全国性的高精度GPSGPS网网 建成后的国家A级网共由27个主点和6个副点组成，它们均匀分布全国，平均点间距650km。从1992年7月25日至8月5日的9天内，在这33个点上进行了9昼夜的连续观测。国家A级网经地面联测后全部与国家天文大地点重合，且重合点分布均匀。经过精细的数据处理，平差后在ITRF 91地心参考框架中的点位精度优于m，边长相对精度一般优于110-8，随后在1993年和1995年又两次对A级网点进行了GPS复测，其点位精度已提高到厘米级，边长相对精度达310-9。 平差后的GPS网的精度比整体平差过的天文大地网的精度高出12个数量级。将GPS网与天文大地网合点成果化算至同一坐标系统后，用各种方法进行比较，就可以发现天文大地网的某些局部伸缩和变形。GPS测量定位技术测量定位技术一全球或全国性的高精度一全球或全国性的高精度GPSGPS网网图1-5我国A级GPS网布设情况 GPS测量定位技术测量定位技术一全球或全国性的高精度一全球或全国性的高精度GPSGPS网网 上图中注明了GPS网与天文大地网的相应弦长之差。从图中可以看出，其差值超过1m的共有14条，说明我国天文大地网存在的变形和位移，大多分布在周边地区，安多、拉萨、安西、下关、三亚等点比较明显。其主要原因是早年所布测的天文大地网是锁段控制、逐级传递，距离大地原点愈远，系统误差积累也就愈大，所以遥远地区的大地网存在变形是可以理解的。GPS测量定位技术测量定位技术一全球或全国性的高精度一全球或全国性的高精度GPSGPS网网 作为我国高精度坐标框架的补充以及为满足国家建设的需要，在国家A级网的根底上建立了国家B级网又称国家高精度GPS网。布测工作从1991年开始，经过5年努力完成外业工作，内业计算已根本完成。全网根本均匀布点，覆盖全国，共布测818个点左右，总独立基线数2200多条，平均边长在我国东部地区为50km，中部地区为100km，西部地区为150km，经整体平差后，点位地心坐标精度达m，GPS基线边长相对中误差可达2.010-8，高程分量相对中误差为3.010-8。GPS测量定位技术测量定位技术一全球或全国性的高精度一全球或全国性的高精度GPSGPS网网 新布成的国家A、B级网已成为我国现代大地测量和根底测绘的根本框架，将在国民经济建设中发挥越来越重要的作用。国家A、B级网以其特有的高精度把我国传统天文大地网进行了全面改善和加强，从而克服了传统天文大地网的精度不均匀，系统误差较大等传统测量手段不可防止的缺点。通过求定A、B级GPS网与天文大地网之间的转换参数，建立起了地心参考框架和我国国家坐标的数学转换关系，从而使国家大地点的效劳应用领域更广阔。A、B级GPS网的高精度三维大地坐标，并结合高精度水准联测，从而大大提高了确定我国大地水准面的精度，特别是克服我国西部大地水准面存在较大系统误差的缺陷。GPS测量定位技术测量定位技术二区域性二区域性GPSGPS大地控制网大地控制网 区域GPS网是指国家C、D、E级GPS网或专门为工程工程布测的工程GPS网。该网的特点是控制区域有限一个市或一个地区，边长短几百米到20km，观测时间短几分钟到一两个小时。由于GPS定位的高精度、快速度、省费用等优点，区域大地控制网的建立在我国已根本被GPS技术所取代。主要在以下几个方面：建立新的地面控制网；检核和改善已有的地面控制网；对已有的地面控制网进行加密；拟合区域大地水准面。GPS测量定位技术测量定位技术二、二、GPSGPS在工程测量中的应用在工程测量中的应用 目前我国精密工程控制网，一般都用ME5000测距仪和T3精密光学经纬仪来施测，为研究用GPS来建立精密工程控制网的可行性，武汉大学测绘学院和长江水利委员会综合勘测局分别进行了试验研究。先建立高精度的精密工程控制网，每点都建立水泥墩，设有强制对中装置，试验时先用ME5000测距仪测边，用T3精密光学经纬仪测角，然后用GPS接收机施测，通过比照试验后认为，完全可用GPS来建立精密工程控制网。一建立精密工程控制网一建立精密工程控制网GPS测量定位技术测量定位技术 二用于工程变形监测二用于工程变形监测 工程变形监测通常要到达毫米级或亚毫米级的精度，而监测的边长一般为3001000米。隔河沿水电站的大坝为三圆心变截面重力拱坝，坝长653米，坝高151米，隔河沿水库大坝外观变形GPS自动化监测系统于1998年3月建成并投入运行，系统由数据采集、数据传输、数据处理三大局部组成。1.数据采集 GPS数据采集分基准点和监测点两局部，由7台 Ashtech Z-12 接收机组成。基准点有两个GPS1和GPS2，分别位于大坝两岸。监测点有5个GPS3GPS7，分别位于大坝的不同部位。GPS测量定位技术测量定位技术二用于工程变形监测二用于工程变形监测监测点GPS3监测点GPS4监测点GPS5监测点GPS6监测点GPS7坝面GPS监测点数据采集器有线双测数据集线器基准点GPS数据采集器无线基准点GPS1基准点GPS2效劳器状态、总控、变形分析、数据库终端数据处理、平差计算、变形显示终端全向天线定向天线定向天线图1-6GPS自动化监测系统网络结构 2.2.数据传输数据传输 根根据据现现场场条条件件，GPSGPS数数据据传传输输采采用用有有线线坝坝面面监监测测点点观观测测数数据据和和无无线线基基准准点点观观测测数数据据相相结结合合的的方方法法，如如左左图所示。图所示。GPS测量定位技术测量定位技术3.3.数据处理、分析和管理 在每年365天中，7台GPS接收机需连续观测，并实时将观测数据传输至控制中心，进行处理、分析、贮存。系统反响时间小于10分钟。整个系统全自动，应用播送星历12小时GPS观测资料解算的监测点位水平精度优于mm相对于基准点，垂直精度优于mm相对于基准点；6小时GPS观测资料解算的监测点位水平精度优于mm，垂直精度优于mm。GPS测量定位技术测量定位技术三用于飞机场轴线定位三用于飞机场轴线定位 自1992年开始，我国各城市建立的新机场，其跑道的定向全部采用GPS来施测，如济南国际机场、武汉天河国际机场、贵阳国际机场、南京绿口国际机场等。 在确定机场跑道中心轴线方位的精度时，按机场等级而定，最高精度应低于1，解算GPS基线时一定要用精密软件。最低也应优于6，可用接收机自带的商业软件解算。GPS测量定位技术测量定位技术三、三、GPSGPS在航空摄影测量中的应用在航空摄影测量中的应用 摄影测量是利用摄影所得的像片，研究和确定被摄物体形状、大小、位置、属性相互关系的一种技术。摄影测量技术的开展可分为三个阶段： 1.经典的摄影测量，属光学机械等模拟方法。 2.解析法摄影测量，属数字化的方法。 3. GPS辅助法摄影测量。 摄影测量有两大主要任务，其中之一就是空中三角测量，即以航摄像片所量测的像点坐标或单元模型上的模型点为原始数据，以少量地面实测的控制点地面坐标为根底，用计算方法解求加密点的地面坐标。 GPS测量定位技术测量定位技术三、三、GPSGPS在航空摄影测量中的应用在航空摄影测量中的应用 在GPS出现以前，航测地面控制点的施测主要依赖经纬仪、测距仪及全站仪等，在测量中都必须满足控制点间相互通视的条件，假设通视条件较差，施测那么十分困难。GPS测量不需要控制点间相互通视，而且测量精度高、速度快，所以GPS定位技术很快就成为航测地面控制点测量的主要手段。但从总体上讲，地面控制点测量仍是一项十分耗时的工作，未能从根本上解决常规方法“第一年航空摄影，第二年野外控制联测，第三年航测成图的作业周期长，本钱高的缺点。 近年来，GPS动态定位技术的飞速开展导致了GPS辅助航空摄影测量技术的出现和开展，目前该技术已进入实用阶段。我国已在北京市、海南省等地实施了GPS航空摄影测量。实际说明该技术可以极大地减少地面控制点的数目，缩短成图周期，降低本钱。这一技术的推广应用，必将会引起测绘行业从技术到队伍结构的质变，从而产生重大的社会效益和经济效益。GPS测量定位技术测量定位技术四、四、GPSGPS在线路勘测及隧道贯穿测量中的应用在线路勘测及隧道贯穿测量中的应用一建立线路一建立线路GPSGPS控制网控制网 线路勘测、管线测量及隧道贯穿测量是公路、铁路等工程建设中的重要工作，因测量控制网大多以狭长形式布设，并且很多工程穿越崇山峻岭，周围控制点很少，使传统测量方法在网形布设、误差控制等多方面带来诸多问题。因作业时间较长，还影响工程建设的进度。自从将GPS技术引进该领域以来，测量效率和测量精度得到了很大的改善和提高。传统的线路测量一般采用导线法，而应用GPS定位技术的形式是沿设计线路建立狭长的带状控制网。GPS测量定位技术测量定位技术1.1.布网形式布网形式 铁铁路路GPSGPS线线路路控控制制网网布布设设应应满满足足以以下下几几个个条条件件：GPSGPS点点应应成成对对出出现现；每每对对点点必必须须通通视视，间间隔隔以以1km1km为为宜宜200m200m1200m1200m；每每对对点点与与相相邻邻一一对对点点的的间间隔隔不不得得大大于于30km30km。具具体体间间隔隔视视作作业业条条件件和和整整个个控控制制测测量量工工作作方方案案而而定定，一一般般5 515km15km布布设设一一对对点点。这这些些点点均均沿沿设设计计线线路路布布设设，其其图图形形类类似似线线形形锁锁。布布设设GPSGPS点点对对的的原原那那么么：线线路路勘勘测测的的起起讫讫处处；线线路路重重大大方方案案起起讫讫处处；线线路路重大工程地段；重大工程地段；航摄测段重叠处。航摄测段重叠处。2.2.观测及处理观测及处理 GPSGPS控控制制网网宜宜选选用用双双频频GPSGPS接接收收机机、采采用用静静态态观观测测模模式式，时时段段长长度度一一般般为为303090min90min。数数据据处处理理、网网平平差差可可采用厂家提供的随机软件。采用厂家提供的随机软件。 GPS测量定位技术测量定位技术二长隧道二长隧道GPS GPS 施工控制网施工控制网 隧道施工控制网是为隧道施工提供方向控制和高程控制的，一般由洞口点群和两洞口之间联系网组成。采用静态方式观测，观测2个时段，时段长度为6090min。数据处理、网平差可采用厂家提供的随机软件。 因工程大多穿越崇山峻岭，故用GPS水准解决高程问题，方法是：先用等精密水准将黄海高程传递到洞口附近，联测假设干个点，对联测几何水准的点，采用快速静态测量方式测定其点位。高程拟合采用非参数回归模型，拟合后的高程满足隧道贯穿对高程的精度要求。GPS测量定位技术测量定位技术三地铁精密导线三地铁精密导线GPSGPS测量测量 地铁精密导线GPS测量的特点是：线状测量；有大量的短边，边长为100500m。为此完全套用目前行业标准?全球定位系统GPS测量标准?不一定是科学合理的，应根据工程具体情况进行灵活掌握。 在制定作业方案时应作如下考虑：待定点的分布虽然是线状，仍采用网状观测及平差处理；采用静态方式观测，同步环中每条基线测定的时段长度为2小时一时段，PDOP小于6，同步观测星数不小于4颗。GPS测量定位技术测量定位技术五、五、GPSGPS在地形、地籍及房地产测量中的应用在地形、地籍及房地产测量中的应用 一一RTKRTK技术在地形测量中的应用技术在地形测量中的应用 地形测图一般是首先根据高级控制点加密图根控制点，然后在图根控制点上用经纬仪或平板仪测图法测绘地形图。近年来开展到用全站仪和电子手簿采用地形、地物编码的方法，利用测图软件测绘地形图，还没有脱离传统方法的束缚，要求测站必须与被测的周围地物地貌等碎部点之间相互通视，并且至少要求23人操作。 采用GPSRTK技术，可不布设各级控制点，仅依据一定数量的基准控制点，不要求点间通视，仅需一人操作，在要测的碎部点上停留一、二秒钟并同时输入特征编码，通过电子手簿或便携机记录，在点位精度符合要求的情况下，把一个区域内的地形点、地物点的坐标测定后，可在室外或室内用专业测图软件一次测绘成电子地图，然后通过计算机和绘图仪、打印机输出各种比例尺的图件。GPS测量定位技术测量定位技术二二RTKRTK技术在地籍、房地产测量中的应用技术在地籍、房地产测量中的应用 地籍、房地产测量中应用RTK技术测定每一宗土地的权属界址点以及测绘地籍与房地产图，同测绘地形图一样，能实时测定有关界址点及地物点的位置并能到达厘米级精度。将GPS获得的数据处理后直接录入GIS系统，可及时精确地获得地籍和房地产图。但在影响GPS卫星信号接收的遮蔽地带，还应采用常规的测绘方法进行细部测量。GPS测量定位技术测量定位技术六、六、GPSGPS在水下地形测量中的应用在水下地形测量中的应用 水下地形测量需用测深仪测定水深。水深测线间距依比例尺不同而变化。而测深仪的定位控制除了近岸测量或江河测量可使用传统的光学仪器或全站仪实施交会法定位外，其它较远区域多采用无线电定位。GPS卫星定位技术的应用，可以快速高精度的测定测深仪的位置。对于较大比例尺测图，可应用差分GPS技术进行相对定位。 实际应用中将GPS接收机与数字测深仪组合，前者进行定位测量，后者同时进行水深测量，再利用电子记录手薄，利用计算机和绘图仪便可组成水下地形测量自动化系统。野外有23人便可完成岸上和船上的全部操作。当天所测数据12小时即可处理完毕，并可即时绘出水深图、测线断面图、水下地形模型等。GPS测量定位技术测量定位技术七、七、GPSGPS在其他领域中的应用在其他领域中的应用 一一GPSGPS在公安、交通系统中的应用在公安、交通系统中的应用 过去，用于公安、交通系统的设备主要是无线电通信设备，由调度中心向车辆驾驶员发出调度命令，驾驶员根据自己的判断说出车辆的大概位置，而在生疏地带或夜间那么容易迷路。因此，从调度管理和平安管理方面，其应用受到限制。GPS定位技术的出现给车辆、轮船等交通工具的导航定位提供了具体的实时定位能力。驾驶员通过车载GPS接收机可以随时知道自己的具体位置。并通过车载电台将GPS定位信息发送给调度指挥中心，从大屏幕电子地图上显示出来，调度指挥中心便可掌握各车辆的具体位置。GPS测量定位技术测量定位技术二二GPSGPS在农业领域中的应用在农业领域中的应用 利用GPS技术，配合遥感技术RS和地理信息系统GIS，能够做到监测农作物产量分布、土壤成分和性质分布、做到合理施肥、播种和喷洒农药，节约费用，降低本钱，到达增加产量、提高效益的目的。利用差分技术可以做到：土壤养分分布调查 在播种之前，用车辆配有GPS接收机和计算机按一定要求在农田中采集土壤样品，并将样品采集点的位置精确测定出来，输入计算机后，计算机依据地理信息系统将采样点标定，绘出土壤样品点位分布图。GPS测量定位技术测量定位技术二二GPSGPS在农业领域中的应用在农业领域中的应用监测作物产量 在联合收割机上配置GPS接收机、计算机和产量监视器，就构成了作物产量监视系统。在收割作物时，同时记录作物的位置和产量，通过计算机绘制出每块土地产量的分布图。合理施肥、精确农业管理 在GPS的控制下，依据土壤养分含量分布图，能够合理的给田地的各点施肥，施用的化肥种类和数量由计算机根据养分含量分布图控制。GPS测量定位技术测量定位技术三三GPSGPS在林业管理方面的应用在林业管理方面的应用 在森林中进行常规测量非常困难，而GPS定位技术那么可以发挥它的优越性，在确定林区面积、估算木材量、计算可采伐木材面积、确定原始森林、道路位置、对森林火灾进行周边测量、测定地区界线方面可以发挥其独特的重要作用。四四GPSGPS在旅游及野外考察中的应用在旅游及野外考察中的应用 在旅游及野外考察中，导航型GPS是你最忠实的向导。它可以随时告诉你所在的位置及行走速度和方向，使你不会迷失路途。GPS测量定位技术测量定位技术本章小结本章小结 本章主要介绍了大地测量的开展，大体上可分为古代大地测量、经典大地测量和现代大地测量三个阶段。特别是经典大地测量中的三角测量、最小二乘法、重力测量成果现在仍被广泛应用。 现代大地测量将测量成果精度提高到10-6量级以上；并缩短了作业周期，且使过去无法实现的严密理论计算得以实行。 人造卫星和空间技术的开展，突破了经典大地测量在点位、时间、应用、精度等方面的局限性，使测量产生了划时代的飞跃和质的变革。 GPS定位技术自从应用于测量工程，就以其特有的自动化、全天候、高精度的显著优势令经典大地测量刮目相看，具体表现为：1选点灵活；2精度提高；3操作简便； 4全天候作业。 为了打破美国GPS系统的垄断，俄罗斯、欧盟和我国分别建立了GLONASS全球卫星导航系统、GALILEO全球卫星导航系统和我国的双星导航定位系统。 GPS在国民经济建设中的应用中简介了GPS在大地测量、工程测量、航空摄影测量、线路勘测及隧道贯穿测量、地形、地籍及房地产测量、水下地形测量等领域中的应用。 GPS测量定位技术测量定位技术思考题与习题思考题与习题 1.经典大地测量阶段中，其主要任务是什么?人们在哪些方面作了大量的研究工作，并取得了丰硕的成果?2.现代大地测量的主要任务是研究和解决哪些问题?具体包括那几个方面?3.卫星大地测量的作用分为哪几个方面?4.子午卫星导航系统的缺陷是什么?5.GPS定位的实质是什么?6.GPS定位技术的优点是什么?7.选择可用性SASelective Availability技术的主要内容是什么?主要起什么作用?8.反电子欺骗ASAnti-Spoofing技术是采用什么方法?9.摆脱GPS限制政策的途径和方法有哪些?10.建立我国GPS 卫星跟踪网的目的?由几个跟踪站组成? 跟踪站的根本功能有哪些?11.在哪几个方面采用区域性GPS大地控制网?12.GPS线路控制网布设应满足哪几个条件? 布设GPS点对的原那么是什么?13. GPS在水下地形测量中的实际应用方法?GPS测量定位技术测量定位技术第二章第二章 GPS GPS定位的坐标系统和时间系统定位的坐标系统和时间系统 学习目标第一节 参心坐标系第二节 地心坐标系第三节 天球坐标系第四节 时间系统本章小结思考题与习题GPS测量定位技术测量定位技术第二章第二章 GPS GPS定位的坐标系统和时间系统定位的坐标系统和时间系统学习目标学习目标了解地心坐标系的表述形式、天球坐标系统中的天极、天球子午圈、时圈、黄道、黄赤交角、黄极。世界时、历书时、原子时、协调世界时、力学时。理解天球坐标系中的岁差与章动及天球坐标系的建立，GPS的时间系统。 掌握参心坐标系中的1954年北京坐标系BJZ54原，1980年国家大地坐标系GDZ80和1954年新北京坐标系BJZ54。参心坐标系的特点，地心坐标系的特点，参心坐标系与地心坐标系之间的区别和WGS-84大地坐标系。建立地心坐标系的意义和方法。 GPS测量定位技术测量定位技术第一节第一节 参心坐标系参心坐标系一、一、 概述概述 在在经经典典大大地地测测量量中中，为为了了处处理理观观测测成成果果和和传传算算地地面面控控制制网网的的坐坐标标，通通常常须须选选取取一一参参考考椭椭球球面面作作为为根根本本参参考考面面，选选一一参参考考点点作作为为大大地地测测量量的的起起算算点点大大地地原原点点，利利用用大大地地原原点点的的天天文文观观测测量量来来确确定定参参考考椭椭球球在在地地球球内内部部的的位位置置和和方方向向。参参心心坐坐标标系系中中的的“参参心心二二字字意意指指参参考考椭椭球球的的中中心心，所所以以参参心心坐坐标标系系和和参参考考椭椭球球密密切切相相关关。由由于于参参考考椭椭球球中中心心无无法法与与地地球球质质心心重重合合，故故又又称称其其为为非非地地心心坐坐标标系系。参参心心坐坐标标系系按按其其应应用用又又分分为为参参心心大大地坐标系和参心空间直角坐标系两种。地坐标系和参心空间直角坐标系两种。参参心心大大地地坐坐标标系系的的应应用用十十分分广广泛泛，它它是是经经典典大大地地测测量量的的一一种种通通用用坐坐标标系系。根根据据地地图图投投影影理理论论，参参心心大大地地坐坐标标系系可可以以通通过过高高斯斯投投影影计计算算转转化化为为平平面面直直角角坐坐标标系系，为为地地形形测测量量和和工工程程测测量量提提供供控控制制根根底底。由由于于不不同同时时期期采采用用的的地地球球椭椭球球不不同同或或其其定定位位与与定定向向不不同同，我我国国历历史史上上出出现现的的参参心心大大地地坐标系，主要有坐标系，主要有BJZ54原、原、GDZ80和和BJZ54等三种。等三种。GPS测量定位技术测量定位技术一、一、 概述概述图2-1地球外表与各种椭球之间的关系 参心空间大地直角坐标系是用三维坐标x、y、z表示点位的，它可按一定的数学公式与参心大地坐标系相互换算。通常在由GPS定位结果地心空间大地直角坐标系计算参心大地坐标系时，作为一种过渡换算的坐标系。 GPS测量定位技术测量定位技术一、一、 概述概述 建立一个参心大地坐标系，必须解决以下问题：1确定椭球的形状和大小；2确定椭球中心的位置，简称定位；3确定椭球中心为原点的空间直角坐标系坐标轴的方向，简称定向；4确定大地原点。解决这些问题的过程，也就是建立参心大地坐标系的过程。 二、二、19541954年北京坐标系年北京坐标系BJZ54BJZ54原原 解放初期，我国大地坐标系是采用河北石家庄市的柳新庄一等天文点作为原点的独立坐标系统，采用该点的天文坐标作为其大地坐标，以海福特椭球进行定位。 GPS测量定位技术测量定位技术二、二、19541954年北京坐标系年北京坐标系BJZ54BJZ54原原 随着我国大地网的扩展，采用海福特椭球元素误差太大，且没有顾及垂线偏差的影响。为此，1954年总参谋部测绘局在有关方面的建议与支持下，采取先将我国一等锁与原苏联远东一等锁相连接，然后以连接呼玛、吉拉林、东宁基线网扩大边端点的原苏联1942年普尔科沃坐标系的坐标为起算数据，平差我国东北及东部地区一等锁。这样传算过来的坐标，定名为1954年北京坐标系。该坐标系是以原苏联当时采用的1942年普尔科沃坐标系为根底建立起来的，所不同的是1954年北京坐标系的高程异常是以原苏联1955年大地水准面差距重新平差结果为起算值，且以1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面为基准面，按我国天文水准路线推算出来的。 GPS测量定位技术测量定位技术二、二、19541954年北京坐标系年北京坐标系BJZ54BJZ54原原 几十年来，我国在该坐标系上完成了大量的测绘工作，实施了天文大地网局部平差，通过高斯克吕格投影，得到点的平面坐标。测制了各种比例尺地形图。但是随着测绘新理论、新技术的不断开展，人们发现该坐标系存在如下缺点： 1因1954年原北京坐标系采用了克拉索夫斯基椭球，与现在的精确椭球参数相比，长半轴约长109m。 2参考椭球面与我国所在地区的大地水准面不能到达最正确拟合，在我国东部地区大地水准面差距自西向东增加最大达68m。 3几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。我国在处理重力数据时采用赫尔默特19001909年正常重力公式，与公式相适应的赫尔默特扁球和克拉索夫斯基椭球不一致。 4定向不明确。椭球短轴未指向国际协议原点CIO，也不是我国地极原点JYD；起始大地子午面也不是国际时间局BIH所定义的格林尼治平均天文台子午面。 5椭球只有两个几何参数长半轴、扁率，缺乏物理意义，不能全面反映地球的几何与物理特征。同时，1954年北京坐标系的大地原点在普尔科沃，是原苏联进行多点定位的结果。GPS测量定位技术测量定位技术三、三、19801980年国家大地坐标系年国家大地坐标系GDZ80GDZ80 为了进行全国天文大地网整体平差，采用新的椭球参数和进行新的定位与定向，来弥补因1954年北京坐标系存在的椭球参数不够精确、参考椭球与我国大地水准面拟合不好等缺点，所以建立我国新的大地坐标系是必要的、适时的。 1.椭球的参数 在几何大地测量学中，通常用椭球长半径a和扁率f两个参数表示椭球的形状和大小，但是从几何和物理两个方面来研究地球，仅有两个参数是不够的。 在物理大地测量中研究地球重力场时，需要引进一个正常椭球所产生的正常重力场。关于物理的重力场，有著名的司托克斯定理：如果物体被水准面S包围，它的总质量为M，并绕一定轴以常角速度旋转，那么S面上或外部空间任一点的重力位，都可以唯一确定。GPS测量定位技术测量定位技术 1. 1.椭球的参数正常重力位的球函数展开式为： 2-1 式中为 地心矢径， 为余纬度， 为勒让德多项式； 、 、 和 为正常椭球的四个参数，式中其它的偶阶带谐系数 、 等可根据这四个参数按一定的公式算得。1967年国际大地测量与地球物理联合会IUGG第十四届大会上，开始采用这四个参数全面描述地球的几何特性和物理特性。GPS测量定位技术测量定位技术1.1.椭球的参数这四个量通常称为根本大地参数，在四个根本参数中，长半径通常由几何大地测量提供，地球自转角速度由天文观测确定，它们的精度都比较好。地球的质量M虽难测定，但是是地球引力常数利用卫星大地测量学可精确测定至千万分之一。通过观测人造地球卫星，确定与等价的二阶带谐系数，其精确度提高了二个数量级。这些参数，可以充分地确定地球椭球的形状，大小及其正常重力场，从而使大地测量学与大地重力学的根本参数得到统一。GPS测量定位技术测量定位技术2.2.极移和地极原点 地球自转轴与地球外表的交点叫地球极点。由于地球内部和外部的动力学因素、地球极点在地球外表上的位置随时间而变化，这种现象叫做极移。随时间而变化的极点叫瞬时极，某一时期瞬时极的平均位置，叫做平地极，简称平极。 极移运动是比较复杂的，其中主要由张德勒运动和受迫季节性运动两项周期性运动所合成，包括有1.2年、1.0年和0.5年三种周期，另外还有一些不规那么的变化。 在1967年国际天文学联合会和国际大地测量学与地球物理学联合会共同召开的32次讨论会上，建议平极的位置用国际纬度效劳站五个台站的“19001905年新系统的平均纬度来确定。平极的这个位置相对于19001905年平均历元1903.0，叫做国际协议原点，简称CIO。 1977年我国极移协作小组利用19491977年期间的国内外36个台站的光学仪器的测纬资料，分别就地极的长期与周期分量进行分析研究后，确定了我国的地极原点，记作JYD1968.0历元平极。GPS测量定位技术测量定位技术2.2.极移和地极原点 在1979年4月前的国际时间局BIH数据均相对于1968年BIH系统。此后，因参加了美国国防部测绘局DMA的多谱勒极移成果而改用1979年BIH系统。随着观测技术和手段的开展，以及观测台站和数据的增加，国际极移效劳机构IPMS所定期公布的瞬时地极坐标，严格地说，已不在是以原来所定义的CIO为极移原点。国际时间局所建立的1979BIH系统作为协议地面参照系以及所发布的瞬时地极坐标已参加了卫星多谱勒及激光测月技术来求定极移，其地极原点与原有的CIO自然也不一致，1988年后完全摒弃了天文光学观测成果，国际协议原点CIO作为历史上曾沿用过的名词已失去原来的意义，目前我们可以这样认为，由国际时间局所公布的瞬时地极坐标所相应的坐标原点即为BIH系统中的协议地极原点。GPS测量定位技术测量定位技术3.3.起始天文子午线 1884年国际经度会议决定，以通过英国格林尼治天文台艾黎仪器中心的子午线作为全世界计算天文经度的起始天文子午线。起始天文子午线与赤道的交点E，就是天文经度零点。但是，地极位置的变化，势必引起起始子午线的变化。加之格林尼治天文台已于1959年搬迁至75km以外的赫斯特莫尼尤克斯，新的格林尼治天文台已经失去了它的特殊意义。考虑到极移的影响和格林尼治天文台迁址，为使沿用成习的经度计算尽量不变，1968年国际时间局BIH决定，采用通过国际协议原点CIO和原格林尼治天文台的经线为起始子午线。起始子午线与相应于CIO的赤道的交点E为经度零点。这个系统称为“1968BIH系统。GPS测量定位技术测量定位技术3.3.起始天文子午线 显然，起始子午线或经度零点，只靠一个天文台是难以保持的。所以国际时间局的1968BIH系统是由分布在世界各地的许多天文台所观测的经度，反求出各自的经度原点，取它们的权中数，作为平均天文台所定义的经度原点。国际时间局再根据19541956年的观测资料求出格林尼治天文台所定义的经度零点E与平均天文台所定义的经度原点的经度差值，来修定各天文台的经度值，从而保持了用E点作为经度零点。 由于上述原因，国际时间局的1968BIH系统改为以平均天文台为准，习惯上仍称以“格林尼治平均天文台为准。自然，这种称呼事实上已经和格林尼治没有直接的关系。 通过投影计算可以证明，虽然地极位置发生改变，起始天文子午线的定义发生了变化，导致了不同赤道上的经度零点发生变化。但是这种变化很小，实际上仍然可以认为不变。我国采用作为地极原点，其对应的经度零点和1968BIH系统的经度零点相比较，差异很小，实际上可以认为是一样的。 起始天文子午线和起始大地子午线紧密相关，后者直接关系到大地坐标系的定义和不同系统的大地坐标换算。GPS测量定位技术测量定位技术4.4.我国1980年国家大地坐标系的建立 1978年4月，我国在西安召开了全国天文大地网整体平差会议，在会议上决定建立我国新的国家大地坐标系。有关部门根据会议记要，开展并进行了多方面的工作，建成了1980年国家大地坐标系GDZ801980年国家大地坐标系采用了全面描述椭球性质的四个根本参数、，这就同时反映了椭球的几何特性和物理特性。四个参数的数值采用的是1975年国际大地测量与地球物理联合会第16届大会的推荐值：椭球长半径=6378140m地球引力常数含大气层二阶带谐系数地球自转角速度大地坐标系的原点，设在我国中部陕西省泾阳县永乐镇，在西安以北60km，简称西安原点。GPS测量定位技术测量定位技术4.4.我国1980年国家大地坐标系的建立1980年国家大地坐标系的椭球定位，是按局部密合条件实现的。依据1954年北京坐标系大地水准面差距图，按11间隔，在全国均匀选取922点，列出高程弧度测量方程式,按最小，求得椭球中心的位移X0、y0和Z0，进而可以求出大地原点上的垂线偏差分量、和高程异常。再由大地原点上测得的天文经纬度、和正常高以及至另一点的天文方位角，即可算得大地原点上的大地经纬度、和大地高以及至另一点的大地方位角，以此作为1980年国家大地坐标系的大地起算数据。1980年国家大地坐标系的椭球短轴平行于由地球质心指向我国地极原点的方向，起始大地子午面平行于我国起始天文子午面。大地点高程是以1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面为基准。新的国家大地坐标系的建立，标志着我国测绘科学技术的进步和开展。无论是椭球的选择及其定位、定向，还是其后的全国天文大地网平差，都表达着世界当时的先进水平。GPS测量定位技术测量定位技术四、四、19541954年新北京坐标系年新北京坐标系BJZ54BJZ54 尽管1980年国家大地坐标系具有先进性和严密性 ，但1954年原北京坐标系毕竟在我国测绘工作中潜移默化，影响深远。40年来，数十万个国家控制点都是在这个系统内完成计算的，一切测量工程和测绘成果均无例外地采用着这个系统。 为了既表达1980年国家大地坐标系的严密性，又照顾到1954年原北京坐标系的实用性，有关部门和单位想出一种两全其美的方法，于是就产生了1954年新北京坐标系。 1954年新北京坐标系的成果，就是将1980年国家大地坐标系的空间直角坐标经三个平移参数平移变换至克拉索夫斯基椭球中心，就成了新北京坐标系的成果。所以说，新北京坐标系的成果实际上就是从1980年大地坐标系整体平差成果转换而来的。GPS测量定位技术测量定位技术四、四、19541954年新北京坐标系年新北京坐标系BJZ54BJZ54 因此，1954年新北京坐标系的成果既具有整体平差成果的科学性，其坐标精度和1980年国家大地坐标系的坐标精度是一致的，改变了1954年原北京坐标系局部平差成果的局限性。同时，由于参考椭球又恢复成克拉索夫斯基椭球，使新北京坐标系内的坐标值与原北京坐标系内的坐标值相差很小。 据统计，新北京坐标系与原北京坐标系相比较，就控制点的平面直角坐标而言，纵坐标xm之间，横坐标ym之间，差值在5mmm。GPS测量定位技术测量定位技术第二节第二节 地心坐标系地心坐标系 一、建立地心坐标系的意义和方法一、建立地心坐标系的意义和方法 地心坐标系中的“地心二字意指地球的质心。在地心空间大地平直角坐标系中用XD、YD、ZD表示点的位置，地心大地坐标系中用LD、BD 、HD表示点的位置。由于前者可以通过卫星大地测量获得点的空间三维直角坐标，并不涉及椭球及其定位。但地心大地坐标系那么要涉及椭球的大小和定位。所以地心直角坐标系是GPS定位中采用的根本坐标系。 仅就从地形图测绘来说，地心直角坐标系并不十分需要，因为参考椭球面已经和测区范围的大地水准面到达最正确密合，按参心坐标系测绘地形图还是方便的。但是，就整个地球空间而言，参心坐标系就表现出缺乏，主要是以下3点：1不适合建立全球统一坐标系的要求；2不便于研究全球重力场；3水平控制网和高程控制网别离，破坏了空间点三维坐标的完整性。GPS测量定位技术测量定位技术 一、建立地心坐标系的意义和方法一、建立地心坐标系的意义和方法 在上述这3方面，地心坐标系就表现出明显的优势。因人造地球卫星围绕地球运转，其轨道平面随时通过地球质心，所以通过对卫星的跟踪观测来处理与观察站位置有关的问题时，就需要建立以地心为坐标原点、与地球体相固连的三维空间直角坐标系统。因此，建立并不断精化地心直角坐标系统，对于开展空间技术和解决卫星大地测量等问题具有特殊意义。 从理论上讲，建立地心直角坐标系的方法很多，例如可以按重力方法建立，还可以按天文大地测量方法建立，但实际上又各有困难，难以完成。更严重的是椭球中心很难做到和地球质心重合。 建立地心坐标系的最理想方法是采用空间大地测量的方法。60年代以来，随着空间技术的开展，美、苏等国利用卫星进行洲际联测，并综合天文、大地、重力测量等资料，开展了建立地心坐标系的工作。GPS测量定位技术测量定位技术二、地心坐标系的表述形式二、地心坐标系的表述形式 地心直角坐标系如图2-2所示，它的定义是：原点O与地球质心重合；Z轴指向国际协议原点CIO，X轴指向1968BIH定义的格林尼治平均天文台的起始子午线与CIO的赤道焦点E，Y轴垂直于XOZ平面构成右手坐标系。地面点D的位置XD、YD、ZD三个坐标量来表示图2-2 图2-2地心直角坐标系图2-3地心大地坐标系 GPS测量定位技术测量定位技术二、地心坐标系的表述形式二、地心坐标系的表述形式 地心大地坐标系如图2-3所示，它的定义是：地球椭球的中心与地球质心重合，椭球的短轴与地球自转轴重合，大地纬度B为过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角，大地经度L 为过地面点的椭球子午面与BIH定义的起始大地子午面之间的夹角，大地高H为地面点沿椭球面法线至椭球面的距离。 地面点D的位置用LD、BD、HD三个量来表示。 GPS测量定位技术测量定位技术三、三、WGS-84WGS-84大地坐标系大地坐标系 自60年代以来，美国国防部制图局DMA为建立全球统一坐标系统，利用了大量的卫星观测资料以及全球地面天文、大地和重力测量资料，先后建成了WGS-60、WGS-66和WGS-72全球坐标系统。于1984年，经过多年修正和完善，开展了一种新的更为精确的世界大地坐标系，称之为美国国防部1984年世界大地坐标系，简称WGS-84。 WGS-84于1985年开始使用，1986年生产出第一批相对于地心坐标系的地图、航测图和大地成果。由于GPS导航定位全面采用了WGS-84，用户可以获得更高精度的地心坐标，也可以通过转换，获得较高精度的参心大地坐标系坐标。GPS测量定位技术测量定位技术三、三、WGS-84WGS-84大地坐标系大地坐标系WGS-84坐标系的几何定义是：坐标系的原点是地球的质心，Z轴指向定义的协议地球极CTP方向，X轴指向的零度子午面和CTP赤道的交点，Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。如右图所示。图2-4 WGS-84世界大地坐标系 GPS测量定位技术测量定位技术三、三、WGS-84WGS-84大地坐标系大地坐标系WGS-84椭球采用国际大地测量与地球物理联合会第17届大会大地测量常数推荐值，采用的4个根本参数是：长半轴=6378137m地球引力常数含大气层GM=3986005108m3s-2正常化二阶带球谐系数2.0=484.1668510-6地球自转角速度=729211510-11rads-1GPS测量定位技术测量定位技术利用以上4个根本参数，可以计算其他的几何常数和物理常数，例如：短半轴 扁率 = 1/298.257 223 563第一偏心率平方 2 = 0.006 694 379 990 13第二偏心率平方 2= 0.006 739 496 742 227椭球正常重力位 U0 = 62 636 860.849 7 m2 s2赤道正常重力 0=9.970 326 771 4 ms2当GPS定位确定了测站点的大地高H后，可按下式求出该点的正高h： h=HN 2-2式中N为该点的WGS-84大地水准面差距，它可以根据WGS-84地球重力场模型WGS-84EGM的一套球谐系数，利用球谐函数展开式计算得出，其均方根差为2-6m。GPS测量定位技术测量定位技术 四、地方独立坐标系四、地方独立坐标系 在我国的许多城市、大型工程工程中，为了实用、方便和科学的目的，将地方独立测量控制网建立在当地的平均海拔高程面上，并以当地子午线作为中央子午线进行高斯投影求得平面坐标。这些地方独立坐标系隐含着一个与当地平均海拔高程相对应的参考椭球，我们称之为地方参考椭球。地方参考椭球与国家参考椭球的关系是：中心一致、轴向一致、扁率相等、长半径有一增量。GPS测量定位技术测量定位技术 五、五、ITRFITRF坐标框架简介坐标框架简介 国际地球参考框架ITRFInternational Terrestrial Reference是一个地心参考框架。它是由空间大地测量观测站的坐标和运动速度来定义的，是国际地球自转效劳机构IERSInternational Earth Rotation Service的地面参考框架。由于章动、极移影响，国际协议地极原点CIO变化，故ITRF框架每年也都在变化。 ITRF框架实质上也是一种地固坐标系，其原点在地球体系含海洋和大气圈的质心，以WGS-84椭球为参考椭球。 国际地球自转效劳机构IERS已建立了1989年国际地球参考系ITRF89，所赋予的基准点坐标由激光测卫、甚长基线干预测量得出，并通过众多的GPS点联测加密，以满足GPS测量实用上的需要。GPS测量定位技术测量定位技术第三节第三节 天球坐标系天球坐标系 一、天球上的点和圈一、天球上的点和圈 在夜晚仰望晴朗的天空，好似一个巨大的半圆球。满天的星斗，似乎就分布在这个球面上。我们把以地球M为中心，以无穷远的距离为半径所形成的球称作天球。地球与天球相比，可以看成是无限小的一个点。欲建立天球坐标系统，离不开一些根本的点和圈右图：图2-5天球上的点和圈GPS测量定位技术测量定位技术一、天球上的点和圈一、天球上的点和圈 天极：地球自转的中心轴线简称地轴，将其延伸就是天轴，天轴与天球的交点称为天极，Pn在北称作北天极，Ps在南称作南天极。 天球赤道：通过地球质心M与地轴垂直的平面称为天球赤道面，天球赤道面与天球相交的大圆就称为天球赤道。 天球子午圈：包含天轴的平面均称天球子午面，天球子午面与天球相交的大圆称为天球子午圈。 时圈：包含地轴的平面与天球相交的大圆称为时圈。显然，时圈也是一个子午圈。 黄道：地球绕太阳公转的轨道平面称为黄道面，它与天球相交的大圆称为黄道。它就是当地球绕太阳公转时，观测者所看到的太阳在天球上运动的轨迹。 天球赤道面与黄道面的交角约为23.5，称为黄赤交角。天球赤道与黄道的交点称为春分点。 黄极：过天球中心垂直于黄道面的直线与天球的交点称为黄极，n在北称为北黄极，s在南称为南黄极。GPS测量定位技术测量定位技术二、岁差与章动二、岁差与章动 当地球是一个均质球体、且没有其它天体摄动力影响时，上述点和圈在天球上的位置应该是固定不动的。事实上，地球是一个长短直径相差约43km近于椭球的非匀质非规那么的形体，其赤道面对地球公转平面黄道面和月球公转平面白道面均有一定交角，在这种情况下受日、月以及其它天体的引力作用将产生力矩，使地球自转轴在空间产生进动。所以地球在绕太阳运行时，地球自转轴的方向在天球上缓慢地移动，春分点在黄道上随之缓慢移动，这种现象称为岁差。岁差现象的存在，使北天极的轨迹近似于以北黄极为中心的一个小圆，北天极以顺时针方向每年西移约50.371，周期大约为25800年。这种缓慢移动的北天极，称为平北天极，与之相应的天球赤道和春分点，称之为天球平赤道和平春分点。 GPS测量定位技术测量定位技术二、岁差与章动二、岁差与章动 GPS测量定位技术测量定位技术三、天球坐标系的建立三、天球坐标系的建立 地面点位置是在地球坐标系内表示的，而GPS卫星的位置那么在天球坐标系内表示更为方便。因此GPS定位需要把卫星与地面点的几何位置统一在一个坐标系内，所以天球坐标系的选择应该尽量便于在两种坐标系之间的相互变换。如果两个坐标系的原点均取地球质心，且使两个坐标系的z轴重合，取为瞬时地球自转轴，此时所定义的天球坐标系与地心直角坐标系具有最简便的变换关系。GPS测量定位技术测量定位技术三、天球坐标系的建立三、天球坐标系的建立 按上述思路定义天球坐标系，可以分为两种形式： 1天球空间直角坐标系：原点位于地球质心M，z轴指向天球北极Pn，x轴指向春分点，轴与z、x轴构成右手坐标系右图。 2天球球面坐标系：原点位于地球质心M，赤经为过春分点的天球子午面与过天体s的天球子午面之间的夹角，赤纬为原点M和天体s的连线与天球赤道面之间的夹角，向径长度r为原点M至天体s之间的距离。各坐标值以右图中箭头所指方向为正。 图2-6天球坐标系GPS测量定位技术测量定位技术三、天球坐标系的建立三、天球坐标系的建立 上述两种坐标系对于表达同一天体的位置是等价的，它们之间的关系是： 或 2-32-4GPS测量定位技术测量定位技术三、天球坐标系的建立三、天球坐标系的建立 但是，由于岁差和章动的影响，天球坐标系的坐标轴方向在不断地旋转变化，为此我们只能选择某一标准时刻的瞬时地球自转轴和地心至瞬时春分点的方向，经该时刻的岁差和章动改正后，作为z轴和x轴的方向，并称它们为协议天球坐标系。国际大地测量协会和国际天文学联合会决定，从1984年1月1日后启用的协议天球坐标系是：原点仍为地球质心，z轴指向2000年1月15日质心力学时为标准历元标以J2000.0的瞬时地球自转轴方向，x轴指向该标准历元的地心至瞬时春分点方向，y轴与x轴和z轴构成右手坐标系。卫星的星历就是在该坐标系统中表示的。 实用中是将卫星在上述协议天球坐标系中的坐标，分别顾及岁差和章动的影响，转换成实际观测历元的瞬时天球坐标系的坐标，以取得卫星与测站点相关位置在时间系统上的一致。当然，此种转换工作无须观测人员逐一计算，由计算机自动完成。GPS测量定位技术测量定位技术第四节第四节 时间系统时间系统 一、概述一、概述 在GPS卫星定位中，时间系统有着重要的意义。卫星的在轨运动以及所发射的电磁波的运动也是和时间紧密相关的，所以测距也是个测时的过程。天文测量中测量经纬度和方位角要用到时间，同样在GPS导航和定位中也要用到时间。各国各地区由于民族、文化和地理位置的关系，计时的方法和单位虽有不同，但都是以地球绕太阳公转、月球绕地球运转和地球的自转的运转周期为根底的，因而都用年、月、日来计时。当今，多数国家都以格里历来作年、月、日的计时单位，即以地球自转轴运转一周的平均时间叫做一日，而将地球绕太阳公转一周的平均时间长度365.2425日叫做一年，这就是人们所称的公元年，这种计时的起点是公元元年1月1日。我国正式采用格里历并采用公元纪年，是1949年10月1日中华人民共和国成立的那天起正式开始的。计时的单位，除了年、月、日以外，还有时、分、秒等小于一日的单位。GPS测量定位技术测量定位技术一、概述一、概述 时间具有“时间间隔时间段和“时刻两种含意。时间间隔是时间轴上的一个区间，而时刻那么只是指某一点。时间分恒星时和太阳时两大时间系统。利用春分点的周时视运动周期来量度地球自转周期而建立的以恒星日为时间单位的时间系统为恒星时系统；以太阳的周日视运动周期来量度地球自转周期而建立的以太阳日为单位的时间系统为太阳时系统；太阳时又分为真太阳时和平太阳时两种。平太阳时是以平太阳的周日视运动周期来量度地球自转周期的以平太阳日为单位时间系统。这里所指的平太阳是以赤道为周年视运动轨道、周期等于真太阳周年视运动周期，速度等于真太阳周年视运动平均速度且速度均匀的假设的太阳。地球自转一周平太阳视运动的周期为一个平太阳日，世界时就是以平太阳日为根底的。GPS测量定位技术测量定位技术一、概述一、概述 时间的计算方法随用途的不同而有所不同。日常的计时有平年，闰年、大月、小月之分，但在一些科技领域，如天文测量和卫星大地测量中，为了使用方便不以年、月来计算，而用日来计算，这种计算方法称为儒略日JD记日法。儒略日是从公元前4713年1月1日格林尼治平午正开始，连续以日累计，需用时可从?中国天文年历?的“儒略日附表中查取。儒略日按日累计，年复一年，数字越积越大，对使用又带来不便，所以1973年地15届国际天文学联合会JAU通过了使用以1958年11月17日世界时Oh为起点的准儒略日MJD的决定，于是有 日准儒略日又称为改进儒略日，儒略日与改进儒略日之差为2400000.5日。 以上讨论的是年、月、日的记法。至于日以下的计时系统，有世界时、历书时、原子时、协调时、力学时和GPS时等，现分述如下。GPS测量定位技术测量定位技术二、世界时二、世界时UTUT 世界时是以平太阳时为基准的。它基于假想的平太阳，是从经度为0的格林尼治子午圈起算的一种地方时，这种地方时属于包含格林尼治的零时区，所以称为世界时。由天文学理论知道，世界时与恒星时、真太阳时都是以地球的自转周期为根本单位的一种时间系统，其均匀性达10-8s，因此在经典测量中都认为它是一种均匀的时间系统。由于原子钟的创造和观测精度的提高，发现地球自转速度并不均匀，由它所确定的时间也不均匀。 GPS测量定位技术测量定位技术 一影响地球自转速度变化的因素一影响地球自转速度变化的因素 1. 1.长期变化 s增长。这种变化，在短期内不太显著，因而对短期行为的测量工作而言不是主要问题。 2. 2.季节性变化 s的变化；而在同一个季节里还有一月、半月等较小的周期性变化。这种变化，属于一种短周期变化，其影响虽然较大，但可根据其周期性，用经验公式求出其影响值予以改正，因而可在很大程度上消除或减小其影响。GPS测量定位技术测量定位技术一影响地球自转速度变化的因素一影响地球自转速度变化的因素 3. 3.不规那么变化不规那么变化 这这是是由由于于地地球球内内部部物物质质的的移移动动或或地地球球转转动动惯惯量量的的改改变变等等原原因因所所产产生生的的一一种种变变化化，表表现现在在地地球球自自转转速速度度无无规规律律性性的的时时快快时时慢慢，一一年年内内日日长长可可能能会会产产生生千千分分之之几几秒秒的的差差值值。正正因因为为这这种种变变化化是是不不规规那那么么的的，因因而而不不可可预预见见，且且其其数数值值也较大，所以是一项难以解决的问题。也较大，所以是一项难以解决的问题。 除除了了上上述述变变化化之之外外，在在世世界界时时的的测测量量中中，极极移移使使子子午午圈圈随随时时发发生生变变化化，也也影影响响到到世世界界时时的的均均匀匀性性，所所以以世世界界时时的的不不均均匀匀是是每每时时、每每分分，每每秒秒的的长长度度都都在在变变化化，这这就就影影响响了了一一些些要要求求时时间间精精度度较较高高的的部部门门的的应应用用。因因此此，在在19551955年年9 9月月国国际际天天文文学学联联合合会会的的爱爱尔尔兰兰都都柏柏林林会会议议上上，决决定定在在世世界界时时中中参参加加不不同同的的改改正正。根根据据改改正正项项的的不不同同，世世界界时时被被划划分为三种形式，自分为三种形式，自19561956年年1 1月月1 1日起在世界各地正式使用。日起在世界各地正式使用。GPS测量定位技术测量定位技术二世界时二世界时UTUT的三种形式的三种形式 UT0世界时 是1955年以前各国所使用的一种世界时形式，它是利用天文测量的方法直接对天体观测得到的，其基准是观测台站的瞬时子午圈，所以它既包含了地球自转速度不均匀的影响，也包含了极移的影响。 UT1世界时 是对UT世界时观测瞬间的地极移动进行改正改正数为得到的，即 UT1 = UT + 这种世界时，一般用于实用天文测量中。GPS测量定位技术测量定位技术二世界时二世界时UTUT的三种形式的三种形式 UT2世界时 在UT1世界时中虽然考虑了极移改正，但尚存在地球自转速度不均匀的影响。为此，在UT1中参加观测瞬间的季节性变化改正数T3，即 UT2 = UT1 + TS TS = ssSs，从1972年起正式使用；这些数据是根据国际时间局按19671969年间全世界天文观测资料得出的，可从?地球自转参数公报?中查取；t为小数，以年为单位，从观测当年的1月0日起算。尽管对世界时参加了和S改正而形成UT2世界时，但UT2中仍包含着地球自转速度的长期变化、季节性变化和不规那么变化的影响，所以UT2世界时仍是一种不均匀的时间系统。 GPS测量定位技术测量定位技术三、历书时三、历书时ETET UT2世界时仍是以地球自转为根底，存在不均匀的问题，于是人们考虑以地球绕太阳公转为根底建立一种新的时间系统。1952年国际天文协会第八届大会决定建立一种以地球公转周期为标准的时间系统，称为历书时ET。历书时虽比世界时的精度大为提高，但仍不能满足现代需要高精度时间部门的要求，而且计算和提供结果比较缓慢，不能及时投入使用，故该时间系统的使用受到一定的局限。GPS测量定位技术测量定位技术四、原子时四、原子时ATIATI 因世界时和历书时都存在不均匀性和精度低的缺点，导致使用受到局限。1967年国际计量委员会决定采用铯CS133原子基态的两个超精细能级结构间跃迁辐射频率9192631770个周期的时间间隔为一秒，定义为原子时秒国际单位SI，以此为基准的时间系统，称为原子时。原子时秒比由地球运转所确定的秒长稳定，且精度到达10-13s。 人们长期使用世界时，为了适应人们的习惯和作息的方便，需使原子时与世界时相一致，选定以1958年1月0日UT2的0时为原子时的起点。这就要求ATI-UT21958.0=0，但因各种因素的影响，实际上出现了ATI-UT2s。这样，原子时就比世界时UT2s，且原子时的秒长与世界时的秒长不相等，一年大约相差一秒左右。 计量原子时的时钟称为原子钟，常用的有铯原子钟、铷原子钟和氢原子钟三种，国际上是以铯原子钟为基准的，原子钟的计时精度满足了一些高精度时间部门的需要，特别是空间技术和地面高精度定位的需要。GPS卫星上全部配置了原子钟。 国际原子时是全球统一的原子时，是由国际时间局BIH用100台左右精选过的原子钟测定的。GPS测量定位技术测量定位技术五、协调世界时五、协调世界时UTCUTC s1974s时，进行一秒的整数跳动，叫做闰秒。闰秒日期由国际时间局BIH通知，一般是在每年12月31日的23h59m60s上加或减1s。假设是加一秒，那么这一年的时间长度就多一秒，为正闰秒；假设是减一秒，那么这一年就少一秒，为负闰秒。经过正负跳秒后，才开始下一年元月一日零时的计时，如果这样还不够，那么在每年6月30日与7月1日的交界处再跳秒一次。 目前，几乎所有国家发播的时号，均以UTC为准，各时号的互差一般不超过1ms，除了发播UTC时号外，还同时给出UTC与UT1的差值，以便用户获得所需的UT1。 GPS测量定位技术测量定位技术六、力学时六、力学时DTDT 这是天文力学理论及其历表所用的时间系统。力学时分两种，即相对于太阳系质心运动的太阳系质心力学时TDB和以地心视位置为根底的地球质心力学时TDT。力学时的根本单位为日，一日包含86400国际单位值秒，秒值采用国际原子时ATI秒长。地球质心力学时TDT的1977年1月1.0003725日即1日0h00ms对应于国际原子时ATI的1977年1月1日0h0m0s。可见地球力学时与国际原子时的关系为 s 2-5 而它与世界时的关系那么为 TDT = UT1 + T 2-6式中T是由世界时化算为力学时的改正值，通常载于天文年历中。 在GPS定位中，地球质心力学时作为一种严格均匀的时间尺度和独立的变量，被用于描述卫星的运动。GPS测量定位技术测量定位技术七、七、GPSGPS时时GPSTGPST GPS时间系统简称为GPS时，是以原子频率标准为根底，由主控站按照美国海军天文台USNO的协调时UTC进行调整的，在1980年1月6日零时，使两个时系对齐。GPS时与协调时UTC相似，都属于原子时，所不同的是协调时在年末必要时在6月30日可能通过跳秒来保持与世界时接近；而为了保持导航的连续性，GPS时不能跳秒，假设有必要，可由主控站对卫星钟的运行状态进行调整，即对卫星钟的速度进行调整，使GPS时与世界时保持一致。GPS时与协调时的关系为： GPST = UTC + 1S n 19S 2-7其中n为调整参数，其值由国际地球自转效劳组织IERS发布。GPS测量定位技术测量定位技术八、区时八、区时TnTn 1884年在美国华盛顿召开的国际会议决定采用一种分区统一时刻，把全球按经度划分为24个时区，每个时区的经度差为15，那么相邻时区的时间相差1h。这种时刻叫区时。划分的次序是，从格林尼治子午圈0起算，向东向西各取7.5，这个15的区域称为零时区，零时区的区时T0即为世界时。从零时区开始向西、向东各有12个时区，东12区与西12区重合。设n为区时号，那么其区时Tn与世界时零时区的区时T0的关系为：东区Tn=T0n2-8西区Tn=T0n2-9我国西起东经72，东至东经135，共跨有5个时区，我国采用东8区的区时作为统一的标准时间。称作北京时间。GPS测量定位技术测量定位技术本章小结本章小结 本章主要介绍了GPS定位的坐标系统与时间系统，它是描述卫星运动，处理观测数据和表达观测站位置是数学与物理根底。 参心坐标系按其应用又分为参心大地坐标系和参心空间直角坐标系两种。我国历史上出现的参心大地坐标系，主要有BJZ54原、GDZ80和BJZ54新等三种。建立一个参心大地坐标系，必须解决椭球的形状和大小；确定椭球中心的位置；确定椭球中心为原点的空间直角坐标系坐标轴的方向；4确定大地原点。 通常所说的地心坐标系都是指地心空间大地平直角坐标系，简称地心直角坐标系，它是卫星大地测量中的一种常用坐标系。 国际地球参考框架ITRF是一个地心参考框架。它是由空间大地测量观测站的坐标和运动速度来定义的，是国际地球自转效劳机构IERS的地面参考框架。由于章动、极移影响，国际协议地极原点CIO变化，故ITRF框架每年也都在变化。 GPS测量定位技术测量定位技术本章小结本章小结 假设地球坐标系和天球坐标系的原点均取地球质心，且使两个坐标系的z轴重合，取为瞬时地球自转轴，此时所定义的天球坐标系与地心直角坐标系具有最简便的变换关系。 在GPS卫星定位中，时间系统有着重要的意义。卫星的在轨运动以及所发射的电磁波的运动也是和时间紧密相关的，协调世界时是综合了世界时与原子时的另一种计时方法，即秒长采用原子时的秒长，而时刻那么采用世界时时刻，所以严格地讲，这不是一种时间系统，而是一种使用方法。GPS时，是以原子频率标准为根底，由主控站按照美国海军天文台USNO的协调时UTC进行调整的，在1980年1月6日零时，使两个时系对齐。GPS时不能跳秒，假设有必要，可由主控站对卫星钟的运行状态进行调整，即对卫星钟的速度进行调整，使GPS时与世界时保持一致。GPS测量定位技术测量定位技术思考题与习题思考题与习题 1.建立一个参心大地坐标系，必须解决哪些问题？2.1954年北京坐标系的缺点有哪些？3.极移的概念？4.建立1980年国家大地坐标系的意义？5.1954年新北京坐标系的特点？6.参心坐标系的缺点有哪几条？7.建立地心直角坐标系的方法有哪几种？哪种方法最好？8.WGS84坐标系的几何定义？9.在我国的许多城市、大型工程工程中，为什么要建立地方独立坐标系？10.天球坐标系的两种形式？11.计量原子时的时钟有哪几种？它们的精度是多少？12.GPS时的定义？