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1、摘 要GPS即全球定位系统是美国从上世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元的美国第二代卫星导航系统，当前，GPS技术已广泛应用于大地测量、资源勘查、地壳运动、地籍测量等领域，特别是在测量领域。本文介绍了GPS的特点、发展及应用、GPS的组成及工作原理，GPS公路控制测量、实时动态测量技术、GPS数据处理、GPS基线解算的基本原理等。根据GPS测量的技术特点，论述了GPS在307国道实际测量工作中的应用。第一章 GPS的发展第一节 GPS的简介一、 概念GPS即全球定位系统（Global Positioning System）是美国第二代卫星导航系统,是美国从上世纪70年代开始研制，
2、历时20年，耗资200亿美元，在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。和子午仪系统一样，全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。二、 GPS系统的特点GPS系统的特点：高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等。1、定位精度高应用实践已经证明，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位置误差小于1mm，与ME-5
3、000电磁波测距仪测定得边长比较，其边长较差最大为0.5mm,校差中误差为0.3mm。2、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15-20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.3、测站间无须通视GPS测量不要求测站之间互相通视，只需测站上空开阔即可，因此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。4、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
4、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。5、操作简便随着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。使野外工作变得轻松愉快。6、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、下雨下雪等气候的影响。7、功能多、应用广GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1M/S，测时的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。当初，设计GPS系统的主要目的是用于导航，收集情报等军事目的。但是，后来的
5、应用开发表明，GPS系统不仅能够达到上述目的，而且用GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位，米级至亚米级精度的动态定位，亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量。因此，GPS系统展现了极其广阔的应用前景第二节 GPS定位技术的应用现状如人们所说：GPS的应用，仅受人们的想象力制约。GPS问世以来，已充分显示了其在导航，定位领域的霸主地位。许多领域也由于GPS的出现而产生革命性变化。目前，几乎全世界所有需要导航，定位的用户，都被GPS的高精度，全天候，全球覆盖，方便灵活和优质价廉所吸引。GPS越来越被广泛的使用，一、GPS应用于测量 GPS技术给测绘界
6、带来了一场革命。利用载波相位差分技术（RTK）,在实时处理两个观测站的载波相位的基础上，可以达到厘米级的精度。与传统的手工测量手段相比，GPS技术有着巨大的优势：测量精度高; 操作简便，仪器体积小，便于携带; 全天候操作;观测点之间无须通视;测量结果统一在WGS-84坐标下，信息自动接收、存储，减少繁琐的中间处理环节。当前，GPS技术已广泛应用于大地测量、资源勘查、地壳运动、地籍测量等领域。 2、GPS应用于交通3、GPS应用于救援 4、GPS应用于农业5、GPS应用于娱乐消遣二、 我国的GPS定位技术应用情况2002年2月，国家计委提出“卫星导航应用产业化专项”，其目标是在“十五”末期，形成
7、一个市场规模超过百亿元的新产业。要在生产制造卫星导航应用基础产业的规模和数量上进入世界前列。接收机主板产量超过100万套，行业总产值超过100亿元（约占世界市场份额的4%）。其中导航运营服务产值将超过20亿元。在基础产品上，芯片组与主机板等将从目前的全部依赖进口变为自主产品占60%以上。产品出口将占国产总量的10%，具有自主知识产权的芯片组、嵌入式软件及专用数据将批量投放市场。通过卫星导航应用示范工程和基础设施的建设，推动卫星导航应用设备及其扩展系统在国民经济诸多部门和人们的日常生活中得到广泛应用，产生明显的经济效益和社会效益。三、 前景据专家预测，今后几年内GPS在通信、大气探测、精细农业以
8、及环保等领域中也将得到广泛的应用，GPS将进入各行各业。还有专家预测，不久的将来人们将生产出电子手表式的GPS接收机而价格将降至普通人都能接受的水平。到那时侯人们不仅能方便地获得时间信息而且能方便地获得三维位置和三维速度信息，从而深刻地改变人们的生活方式。全球定位系统将作为20世纪最伟大的科学成就之一而载入史册。 第二章 GPS卫星全球定位系统第一节 GPS卫星定位系统的组成GPS全球定位系统由以下三个部分组成：空间部分（GPS卫星）、地面监控部分和用户部分。一、 空间部分1、GPS卫星GPS卫星的主体呈圆柱形，两侧有太阳能帆板，能自动对日定向。太阳能电池为卫星提供工作用电。每颗卫星配备有4台
9、原子钟，可为卫星提供高精度的时间标准。卫星上带有燃料和喷管，可在地面控制下调整自己的运行轨道。GPS卫星的基本功能是：接收并存储来自地面控制系统的导航电文；在原子钟的控制下自动生成测距码（C/A码和Y码）和载波；采用二进制相位调制法将测距码和导航电文调制在载波上播发给用户。2、卫星星座：发射入轨能正常工作的GPS卫星集合城GPS卫星星座。 最初的GPS卫星星座由24颗GPS卫星组成。这些卫星分布在三个倾角为63几乎为圆形的轨道上。相邻轨道的升交点赤经之差为120，每个轨道上将均匀地分布5颗卫星。轨道的长半径为26560km，卫星的运行周期为12h（恒星时）。后因美国财政赤子过大而做了较大的变动
10、。GPS卫星总数削减为18颗轨道倾角改为60，轨道增至6个，每个轨道上均匀分布3颗卫星，相邻轨道的升交点赤经之差为60，其余参数不变。二、 GPS地面监控部分支持整个系统正常运行的地面设施称为地面监控部分。它由一个主控站，三个注入站和五个监控站以及通信和辅助系统组成。主控站拥有以大型计算机为主体的数据收集、计算、传输、诊断等设备。它的主要功能是：收集各监测站测得的距离和距离差、气象要素、卫星时钟和工作状况的数据，监测站自身的状态数据等； 监控站是为主控站编算导航电文提供观测数据，每个监测站均用GPS信号接收机测量每颗可见卫星的伪距和距离差，采集气象要素等数据，并将它们发送给主控站。注入站是向G
11、PS卫星输入导航电文和其他命令的地面设施。3个注入站分别位于迭哥伽西亚、阿松森群岛和卡瓦加兰。注入站能将接收到的导航电文存储在微机中，当卫星通过其上空时再用大口径发射天线将这些导航电文和其他命令分别“注入”卫星。通信和辅助系统是指地面监控系统中负责数据传输以及提供其他辅助服务的机构和设施。全球定位系统的通信系统由通信线、海底电缆及卫星通信等联合组成。三、 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户设备如计算机、气象仪器等组成，GPS信号接收机，是GPS导航卫星的用户设备，是实现GPS卫星导航定位的终端仪器。它是一种能够接收、跟踪、变换和测量GPS卫星导航定位信号的无线电设
12、备，既具有常用无线电设备的共性，又具有捕获、跟踪和处理卫星微弱信号的特性。在测量领域，随着现代科学技术的发展，体积小、重量轻便于携带的GPS定位装置和高精度的技术指标为工程测量带来了极大的方便。例如：我们在控制测量中使用了台南方测绘仪器公司的NGS9600型静态GPS接收机，其技术指标为：测量精度：5mm2106 mm静态测量，20+1106mm（高程）。这些技术指标充分地满足了控制测量的精度要求。 以下是 GPS信号接收机的类型 1、 按工作原理分类基于被动式定位原理的GPS卫星测量技术，关键在于怎样测得GPS信号接收天线和GPS卫星之间的距离（简称站星距离）。1、按测量站星距离所用测距信号
13、之异，GPS信号接收机可以分为下列几种类（1） 码接收机：用伪噪声码和载波作测距信号；（2） 无码接收机：仅用载波作测距信号；（3） 集成接收机：既用GPS信号，又用GLONASS信号测量站星距离。2、 按用途分类（1）测地型接收机：厘米级精度，测后数据处理；（2）导航型接收机：米级精度，实时数据处理；（3）定时型接收机：专用于时间测定和频率控制。3、 按所用载波频率多少分类用于卫星导航定位的载波是L1和L2，它们的频率分别为：f1=15410.23MHz=1574.42MHZ;f2=12010.23MHz=1227.60MHz.按所用载波频率多少，GPS信号接收机可以分成下列类型：（1）单频
14、接收机：仅使用第一载波（L1）及其调制波进行导航定位测量；（2）双频接收机：同时使用多个载波及其调制波进行导航定位测量。第二节 GPS卫星定位原理一、 概述测量学中有测距交会确定点位的方法。与其相似，无线电导航定位系统、卫星激光测距定位系统，其定位原理也是利用测距交会的原理确定点位。就无线电导航定位来说，设想在地面上有三个无线电信号发射台，其坐标为已知，用户接收机在某一时刻采用无线电测距的方法分别测得了接收机至三个发射台的距离d1,d2,d3。只需以三个发射台为球心，以d1,d2,d3为半径作三个定位球面，即可交会出用户接收机的空间位置。如果只有两个无线电发射台，则可根据用户接收机的概略位置交
15、会出接收机的平面位置。这种无线电导航定位是迄今为止仍在使用的飞机、轮船的一种导航定位方法。近代卫星大地测量中的卫星激光测距定位也是应用了测距交会定位的原理和方法。虽然用于激光测距的卫星（表面上安装有激光反射棱镜）是在不停的运动中，但总可以利用固定于地面上三个已知点上的卫星激光测距仪同时测定某一时刻至卫星的空间距离，d1,d2,d3，应用测距交会的原理变可确定该时刻卫星的空间位置。如此，可以确定三颗以上卫星的空间位置。如果在第四个地面点上（坐标未知）也有一台卫星激光测距仪同时参与测定了该点至第三颗卫星点的空间距离，则利用所测定的三个空间距离可以交会出该地面点的位置。将无线电信号发射台从地面点搬到卫星上，组成一颗卫星定位导航系统，应用无线点测距交会的原理，便可由三个以上地面已知点（控制点）交会出卫星的位置，反之利用三颗以上卫星的已知空间位置又可交会出地面未知点（用户接收机）的位置。这便是GPS卫星定位的基本原理。在GPS定位中，GPS卫星是高速运动的卫星，其坐标值随时间在快速变化着。需要实时地由GPS卫星信号测量出测站至卫星之间的距离，实时地由卫星的导航电文解算出卫星的坐标值
