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1、测量学论文测量学论文全球定位系统及其在土木工程中的应用全球定位系统及其在土木工程中的应用姓名：姓名：XXXX 学号：学号：XXXXXXXXXXX 班级：班级：XXXXXXXXX XXXXXXXX 年年 X X 月月 XXXX 日日 指导教师：指导教师：XXXXXX全球定位系统及其在土木工程中的应用全球定位系统及其在土木工程中的应用概述GPS 是英文 Global Positioning System(全球定位系统)的简称。GPS 起始于 1958 年美国军方的一个项目，1964 年投入使用。20 世纪 70 年代，美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统 GPS。主要目的是为陆海空三大领域提
2、供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，经过20 余年的研究实验，耗资 300 亿美元，到 1994 年，全球覆盖率高达 98%的 24 颗 GPS 卫星星座己布设完成。发展：GPS 的前身是美国军方研制的一种子午仪卫星定位系统(Transit)，1958 年研制，1964 年正式投入使用。该系统用 5 到 6颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球 13 次，并且无法给出高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。然而，子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为 GPS 的研制埋下了铺垫。由于卫星定位显示出在导
3、航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。为此，美国海军研究实验室(NRL)提出了名为 Tinmation 的用12 到 18 颗卫星组成 10000km 高度的全球定位网计划，并于 67 年、69 年和 74 年各发射了一颗试验卫星，在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统，这是 GPS 精确定位的基础。而美国空军则提出了621-B 的以每星群 4 到 5 颗卫星组成 3 至 4 个星群的计划，这些卫星中除 1 颗采用同步轨道外其余的都使用周期为 24h 的倾斜轨道，该计划以伪随机码(PRN)为基础传播卫星测距信
4、号，其强大的功能，当信号密度低于环境噪声的 1%时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是 GPS 得以取得成功的一个重要基础。海军的计划主要用于为舰船提供低动态的 2 维定位，空军的计划能供提供高动态服务，然而系统过于复杂。由于同时研制两个系统会造成巨大的费用而且这里两个计划都是为了提供全球定位而设计的，所以 1973 年美国国防部将 2 者合二为一，并由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局(JPO)领导，还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。该机构成员众多，包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表。1最初的 GPS 计划在美国联合计划局的领导下诞生了，该方案将2
5、4 颗卫星放置在互成 120 度的三个轨道上。每个轨道上有 8 颗卫星，地球上任何一点均能观测到 6 至 9 颗卫星。这样，粗码精度可达100m，精码精度为 10m。由于预算压缩，GPS 计划不得不减少卫星发射数量，改为将 18 颗卫星分布在互成 60 度的 6 个轨道上，然而这一方案使得卫星可靠性得不到保障。1988 年又进行了最后一次修改：21 颗工作星和 3 颗备用星工作在互成 60 度的 6 条轨道上。这也是GPS 卫星所使用的工作方式。GPS 导航系统是以全球 24 颗定位人造卫星为基础，向全球各地全天候地提供三维位置、三维速度等信息的一种无线电导航定位系统。它由三部分构成，一是地面
6、控制部分，由主控站、地面天线、监测站及通讯辅助系统组成。二是空间部分，由 24 颗卫星组成，分布在 6 个轨道平面。三是用户装置部分，由 GPS 接收机和卫星天线组成。民用的定位精度可达 10 米内。工作原理定位原理定位原理GPS 导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到（由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR， ）：当 GPS 卫星正
7、常工作时，会不断地用 1 和 0 二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS 系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的 C/A 码和军用的 P(Y)码。C/A 码频率1.023MHz，重复周期一毫秒，码间距 1 微秒，相当于 300m；P 码频率 10.23MHz，重复周期 266.4 天，码间距 0.1 微秒，相当于 30m。而 Y 码是在 P 码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以 50b/s 调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含 5 个子帧每帧长 6s。前三帧各 10
8、个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共 15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第 1、2、3 数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在 WGS-84 大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。可见 GPS 导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标 x、y、z 外，还要引进一个 t 即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用 4 个方程将这
9、 4 个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到 4 个卫星的信号。GPS 接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化） ；以及 GPS 系统信息，如卫星状况等。GPS 接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对 CA 码测得的伪距称为 CA 码伪距，精度约为 20 米左右，对 P 码测得的伪距称为 P 码伪距，精度约为 2 米左右。GPS 接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它
10、技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频 移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位 精度也只能采用相位观测值。按定位方式，GPS 定位分为单点定位和相对定位（差分定位）
11、。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。在 GPS 观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离较远时（大气有明显差别） ，应选
12、用双频接收机。GPS 定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图所示，假设 t 时刻在地面待测点上安置 GPS 接收机，可以测定GPS 信号到达接收机的时间t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式。定位精度28 颗卫星(其中 4 颗备用)早已升空，分布在 6 条交点互隔 60度的轨道面上，距离地面约 20000 千米。已经实现单机导航精度约为 10 米，综合定位的话，精度可达厘米级和毫米级。但民用领域开放的精度约为 10 米。GPS 设置GPS 拿到手，如果是新机器要定位，已经提到了。另外，还有一些
13、设置，常用的有坐标系、地图基准、参考方位、公制/英制、数据接口格式什么的。坐标系：常用的是 LAT/LON 和 UTM。LAT/LON 就是经纬度表示，UTM 在这里就不管他了。地图基准：一般用 WGS84。参考方位：实际上有两个北，磁北和真北呀（简称 CB 和 ZBY） 。指南针指的北就是磁北，北斗星指的北就是真北。两者在不同地区相差的角度不一样的，地图上的北是真北。公制/英制：自选。数据接口格式：这得细谈谈。GPS 可以输出实时定位数据让其他的设备使用，这就牵扯到了数据交换协议。几乎所有的 GPS 接收机都遵循美国国家海洋电子协会(National Marine Electronics A
14、ssociation)所指定的标准规格，这一标准制订所有航海电子仪器间的通讯标准，其中包含传输资料的格式以及传输资料的通讯协议。NMEA 协议有 0180、0182 和 0183 三种，0183 可以认为是前两种的超集，现在正广泛的使用。经纬度的表示再讲讲数据表示。一般从 GPS 得到的数据是经纬度。经纬度有多种表示方法。1.）ddd.ddddd， 度.度的十进制小数部分（5 位）2.）ddd.mm.mmm，度.分.分的十进制小数部分（3 位）3.) ddd.mm.ss, 度.分.秒不是所有的 GPS 都有这几种显示， GPS315 只能选择第二种和第三种。在 LAT/LON 坐标系里，纬度是
15、平均分配的，从南极到北极一共 180 个纬度。地球直径 12756KM，周长就是 12756*PI，一个纬度是 12756PI /360 = 111.133 KM (不精确)。经度就不是这样，只有在纬度为零的时候，就是在赤道上，一个经度之间的距离是 111.319KM，经线随着纬度的增加，距离越来越近，最后交汇于南北极。所以经度的单位距离和确定经度所在的纬度是密切相关的，简单的公式是：经度 1长度=111.413cos，在纬度 处。 （公式不精确） 、数据卜默示条件，GPS 模块 SiRFStarIII 接受每二输出位置的数据，通常$GPRMC 精简数据格式的数据，包括纬度，经度的目的，速度（
16、结） ，运动方向角，年，月，时，分，秒，毫秒，定位数据是有效的或无效的，和其他重要信息。语句格式如下：$GPRMC， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ，*，HH只需要知道位置信息，所以在阅读唯一的，可以实际应用。：当地时间代表 UTC。格式“当每分钟，小时，分钟和秒2。：工作代表国家。 ” “显示可用的数据， “V”表示接受警报，没有可用的数据。：代表纬度数据。 “子级的格式。分分分。 ”：纬度半球为代表的“N”或“S” 。：代表经度数据。格式和 LD现状；度分钟。sub-sub-sub-sub.”：代表经度半球，为“E”或“软件读取经纬度数据，目前的位置停止分析，确定用户的当前位置在该地区建立和平。的方法是基于用户的设置确定中心的纬度和经度和纬度和经度计算出活动维持当前的对象可以超过和平活动预定半径。结果的基础上的歧视，设置相应的标志。主要功能导航测量授时组成部分空间部分GPS 的空间部分是由 24 颗卫星组成（21 颗工作卫星；3 颗备用卫星） ，它位于距地表 20200km 的上空，运行周期为 12h。卫星均匀分布在 6 个轨道面上（每个轨道面 4 颗）
