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1、全球定位系统GPS基本原理以及在施工过程中的运用,内容纲要,一、GPS概况 二、GPS系统组成 三、GPS定位模式 四、GPS静态定位和RTK 五、GPS应用 六、常见问题,一、GPS概况,概述,GPS实际就是美国利用卫星导航进行测时和测距,以构成全球卫星定位系统。是美国国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的需要而建立的。自1973年美国军方批准成立联合计划局开始GPS的研究工作到1993年系统建成,该工程历时20年，耗资300亿美元，成为继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的第三项庞大空间计划。它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，在军事和工农业等领域得到
2、了广泛的应用。给导航和定位技术带来了巨大的变化。,1、定位精度高 应用实践已经证明， 单点定位（导航）2-6米，静态相对测量（大地测量）10-6-10-9 ，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，动态可达厘米级。 2、功能多、应用广 GPS系统具有很多功能，提供多种结果供使用，不仅可用于导航、测量、授时、测图等，还可用于测速、测时。 3 、观测简便，观测时间短 随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20KM以内相对静态定位，仅需1
3、5-20 分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15KM以内时，流动站观 测时间只需1-2分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。减少野外工作时间和劳动强度,GPS测量的优势（一）,GPS测量的优势（二）,5、 可提供三维坐标 经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测。GPS可同时精确测定测站点的三维坐标。 目前GPS水准可满足四等水准测量的精度。 6、 GPS设备操作简便、重量轻、体积小、耗电省 随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“傻瓜化”的程度；接收机的体积 越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。 使野外工作变得轻
4、松愉快。,4、 测站间无须通视,GPS测量的优势（二）,7 、全天候作业 目前GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行,不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等天气的影响。,GPS的特点：,精度更高的定位系统 由美国国防部发展与维护 基于卫星的空间定位 使用时某些精度受到美国国会相关法规限制 信号开放 使用不受限制,其他卫星定位系统,国际民航组织（ICAO)的GNSS 俄罗斯的GLONASS 欧洲空间局的Galileo（伽利略）系统 中国的北斗导航卫星系统,二、GPS系统组成,GPS系统的组成,GPS由三个独立的部分组成： 空间部分：30颗卫星。 地面控制系统：1个主控站，4个注入站，6个监测站。
5、 用户设备部分：接收GPS卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。GPS接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。,1、空间部分GPS星座,GPS的空间部分是由24 颗GPS 工作卫星所组成的。 24 颗卫星分布在6个倾角为55的近圆轨道上绕地球运行，轨道间交角60。卫星距地面20200km。 卫星的运行周期约为11h58min 恒星时，人们每天提前4分钟见到同一颗卫星。 目前可用的卫星通常有30颗之多。 5个多小时出现在地平线以上（每颗星） 卫星重464千克，主体呈圆形，直径1.5米。,GPS卫星,GPS卫星的作用,发送卫星定位信号 发送测距码：载波（L1和L2
6、)、C/A-码和P-码(伪随机噪声码） 发送卫星星历参数：广播星历（计算卫星位置）和概略星历（卫星位置预报） 发送钟差改正参数 发送电离层和对流层改正参数 发送导航定位信号，并用导航电文报告自己的位置以及其它在轨卫星的位置 接收地面注入站发送到卫星的导航电文和其它信息，并通过GPS信号发送给用户 接收地面主控站发送到卫星的调度指令。 其他（监测核试验L3和军事用途L4),2、地面控制系统,地面监控部分主要由1个主控站（Master Control Station ，简称MCS）、4个地面天线站（Ground Antenna）和6个监测站（Monitor Station）组成。,主控站位于美国科
7、罗拉多州的谢里佛尔空军基地，是整个地面监控系统的管理中心和技术中心。另外还有一个位于马里兰州盖茨堡的备用主控站，在发生紧急情况时启用。,注入站目前有4个，分别位于南太平洋马绍尔群岛的瓜加林环礁，大西洋上英国属地阿森松岛，英属印度洋领地的迪戈加西亚岛和位于美国本土科罗拉多州的科罗拉多斯普林斯。注入站的作用是把主控站计算得到的卫星星历、导航电文等信息注入到相应的卫星。 注入站同时也是监测站，另外还有位于夏威夷和卡纳维拉尔角2处监测站，故监测站目前有6个。监测站的主要作用是采集GPS卫星数据和当地的环境数据，然后发送给主控站。,3、用户部分,GPS 的用户部分由GPS 接收机、数据处理软件及相应的用
8、户设备如计算机等组成。作用是接收GPS 卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。,用户接收机,接收机功能： 接收GPS卫星信号并测定卫星至地面站的距离 接收卫星发送的导航电文，获得卫星星历、钟差改正等参数 计算观测瞬间的卫星位置、求解接收机位置 接收机构成： 天线和前置放大器 跟踪和接收单元（锁相环） 处理和计算单元 存储单元 控制和显示单元 电源单元,用户接收机部分,基本部分：GPS接收机、GPS天线,辅助部分：电源,固定和对中装置等,GPS接收机,捕获、跟踪卫星，接收GPS信号并将它变换、放大和处理，测量信号传播时间进以计算三维坐标甚至速度、时间,接收机不仅需要机内软件，还需要G
9、PS数据后处理软件包才完整 按接收的载波频率类别多少，分为单频（L1）和双频（L1、L2）,GPS坐标系,WGS-84：a=6378137m，f=1/298.257223563,三、GPS定位模式,s1,s2,s3,s4,GPS定位模式,C/A码单点定位 15-25米（5.7M) P-码单点定位 1-3米 伪距实时差分(RTD) 亚米级 载波相位实时差分(RTK) 厘米级 静态相对定位 毫米-厘米级 快速静态定位 厘米级 相对动态定位（后处理） 厘米-分米级,点 位 测 定 原 理,卫 星 可 被 看 作 是 在 固 定 的 轨 道 上 运 动 空 中 观 测 目 标 每 颗 卫 星 播 发
10、独 立 的 时 间 码 进 行 距 离 测 量 常 规 GPS 接 收 仪 内 置 较 为 廉 价 的 钟，这 些 钟 的 计 时 精度 比 卫 星 上 内 置 钟 的 精 度 低 得 多 无 线 电 电 波 以 光 速 传 播 ( 距 离 = 光 速 x 时 间) 设 想 一 下 接 收 仪 上 钟 的 误 差 对 距 离 测 定 的 影 响 1/10 秒 的 测 时 误 差 将 引 起 30,000 Km 的 距 离 误 差 1/1,000,000 秒 的 测 时 误 差 将 引 起 300 m 的 距 离 误 差,4 段 距 离 解 决 了 纬 度，经 度，高 程 和 时 间 四 个 未
11、 知 数 这 就 类 似 于 测 边 交 会 问 题 的 解 决 原 理,点 位 确 定,点 位 测 定,单 机 定 位 用 于 导 航，其 定 位 精 度 大 约 在 10 到 30m 左 右,差 分 定 位 技 术,在 测 定 流 动 站 的 座 标 时 与 之 相 关 联 的 参 考 站 的 设 置 是 必 须 的,参 考 站 (A) 的 座 标 须 已知,卫 星 必 须 同 时 被 跟 踪,差 分 定 位 削 减 卫 星 及 接 收 仪 钟的 误 差 影 响 大 气 影 响 削 减 至 最 小 精 度 达 0.5 cm - 5 m,Baseline Vector,B,A,伪 距 差 分
12、 测 量 精 度 可 达 0.5m - 5 m 此 种 测 量 形 式 一 般 称 为 DGPS,基 线 向 量,差 分 定 位 技 术,B,A,如 果 使 用 载 波 差 分 或 同 时 使 用 载 波 差分 及 伪 距 差 分 则 定位 精 度 可 达 5 - 10 mm + 1ppm,基 线 向 量,差 分 定 位 技 术,B,A,四、GPS静态定位和RTK,GPS定位的基本原理是根据几何与物理的一些基本原理，利用空间分布的卫星及其与地面点间距离来交会出地面点位置，从测量的角度来说，它与测距后方交会法相似。为了减少卫星本身及信号传播过程产生的各种误差、克服美国的限制政策，人们经过多年研究
13、和实践，总结出多种不同用途、不同精度的定位技术和方法，在工程施工中应用较多的主要是静态相对定位（载波相位静态相对定位）和实时动态相对定位（RTK）两种。,静态相对定位技术在工程施工控制网中的应用,工程设计控制网，尤其是铁路工程大多采用整体线路控制网，桥隧没有单独作测量设计，这给我们布设桥隧施工控制网带来很多不便，最大的问题就是缺少高等级控制点，且又必须保证线路前后衔接平顺。为满足施工要求，我们需要根据标段内的地形、结构物等一系列因素增设控制加密点以及控制性工程（特大桥、长大隧道）的独立控制网，这就应用到了静态相对定位技术，两台或两台以上的接收机分别安置在一条基线或数条基线的端点，同步观测45m
14、in以上，测量精度和可靠性非常高（可达5mm1ppm）。,静态相对定位技术解决方案,1、准备工作 文件整理：包括收集规范、设计文件等资料，用GPS接收 机测量测区概略的地理坐标（经纬度），并接收最新的星 历文件，检查接收机状态。 人员及设备配置：桥隧工程施工GPS控制网一般应由三角 形或四边形构成，因此，接收机的数量一般为36台套， 且采用双频接收机；根据仪器配置，安排足够的技术人员 及通勤车辆。一般每台套接收机配置1名技术人员，地形条 件差的地方根据需要适当增加技术人员；为加快进度，保 证配备2辆专门的通勤车辆。,2、布网方案 工程施工控制网的精度和可靠性要求高，因此，GPS控制网的图形多采
15、用边连式或网连式；控制网精度等级一般采用C级，隧道长度超过6km应采用B级。,GPS测量对控制网图形强度没有特别要求，但宜避免连续几个点接近于成一条直线，尤其是位于长大直线段的桥梁工程控制网。 线路、桥梁控制网每12km布设一对控制点，两点间距离尽量控制在300500m。隧道则在每个洞口布设3个以上的控制点，并尽可能相互通视。 为了保证桥隧轴线与设计位置相吻合，并与相邻构筑物衔接平顺，应尽量采用设计控制点，并向相邻标段延伸两个控制点，且距离不短于500m。,注意事项,3、选点及埋桩 所有控制点应满足GPS观测要求且相邻两点需要通视，便 于施工放样或常规测量联测、扩展，点位埋设要求稳定、坚 固。
16、,4、编制观测计划 为了保证观测作业高效、有序、结果准确可靠，减少返工，在外业观测前应制定周密的计划。 编制依据：控制网的精度、卫星星历文件（不得超过20天）、接收机数量以及交通状况。 确定最佳观测时段：首先设置测区地理位置和卫星高度角，选择卫星多于5颗且分布均匀、卫星的几何图形强度PDOP值小于6的时段。 编制内容：包括测量顺序及时间、人员分工等。,5、外业测量 观测应符合规定的基本技术要求（时段长、采样间隔、重复设站数等），并严格遵照仪器操作规程、按制定的计划实施。作业过程中应指定一人担任总调度，以便根据情况及时调整观测计划。 作业中应特别注意：线缆连接牢靠、天线整平置中（对中误差小于1mm、三方向天线高互差小于3mm）、点名核对正确、电池电量充足，避免遮挡或振动天线、防雷电、不在附近使用对讲机等无线电设备，密切监视接收机状态。,6、数据预处理 主要任务是检查外业记录填写是否完整、是否按计划完成、有无漏测、原始数据上传至电脑后处理软件，同时输入点名和天线高，方便后期数据处理。 当有不同类型的
