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1、GPS在测量中的应用学生姓名： 学号： 指导教师： 职称： 讲师 专 业： 工程测量 系（部）： 测绘工程系 二一一年十二月 毕业设计指导教师意见 年 月 日学生姓名专业班级设计题目指导教师意见：是否同意参见答辩：同意（ ） 不同意（ ） 指导教师签名：摘 要鉴于GPS相对于全站仪等传统测量技术具有全天候、高精度、自动化、高效益等优势，鉴于GPS相对于全站仪等传统测量技术具有全天候、高精度、自动化、高效益等优势，本文对GPS的基本思路、GPS的系统组成、GPS的基本原理和GPS在现代测量中的优势进行了简单的介绍。通过毕业设计对GPS-RTK碎步测量和静态GPS进行了详细的介绍。在静态GPS测量
2、中，主要讲解了外业作业要求和过程以及内业数据处理，并列举出了校内测量的实例更好的表达主题内容。在GPS-RTK测量中，主要除了列举工作要求和作业流程外，并通过实例讲解了图根控制测量，碎部点采集和施工放样的工作。其中，图根控制列出了专门的表格来讨论图根控制点的状况，施工放样中也引入了作业成果和讲解。最后列出了工作计划安排，以便更好地理解本次设计。关键词：GPS原理，静态GPS测量，静态GPS数据处理，GPS-RTK技术 目 录第一章 绪论11.1GPS历史11.2GPS原理与组成21.3卫星导航定位系统6第二章 GPS定位测量132.1GPS系统组成和工作原理132.2控制点的采集与分析152.
3、3GPS定位19第三章静态GPS测量213.1静态GPS作业要求213.2静态GPS作业流程223.3静态 GPS数据处理243.4静态GPS测量实例30第四章 GPSRTK测量344.1GPSRTK工作要求344.2GPSRTK作业流程354.3GPSRTK图根控制404.4GPSRTK碎部点采集424.5GPSRTK施工放样44第五章 项目计划安排48致谢49参考文献50附录51第一章 绪论1.1 GPS历史GPS全球定位系统的含义是利用卫星的测时和测距进行导航，以构成全球定位系统。现在国际上公认，将这一全球定位系统简称为GPS.它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
4、精度导航和定位的要求而建立的，该系统自1973年开始设计、研制，历时20年，于1993年全部建成。GPS是目前世界上最先进、最完善的卫星导航系统与定位系统，它不仅具有全球性、全天候、实时高精度，三维导航与定位能力，而且具有良好的抗干扰和保密性。因此引起世界各国军事部门和广大民用部门的普遍关注，由于GPS定位技术的高度自动化信其所达到的高精度和具有潜力，也引起测绘界的高度重视，特别是近几年来，GPS定位技术在应用基础的研究、新应用领域的开拓、软件和硬件的开发等方面都取得了迅速的发展，广泛的科学实验活动也为这一新技术的应用展现极为广阔的前景！目前，GPS精密定位技术已广泛的渗透到经济建设和科学技术
5、的许多领域，尤其是在大地测量学及相关学科领域，如地球动力学，海洋大地测量学，地球物理勘探、资源勘察、航空与卫星遥感、工程测量学等方面的广泛应用，充分的显示了这一卫星定位技术的高精度和高效益。近年来，GPS精密定位技术已在我国得到广泛的应用，在大地测量中、工程测量与变形监测、资源勘察及地壳动力监测等方面取得了良好的效果和成功经验，充分地证明了GPS精密定位技术瓣优越性和巨大潜力，在新的世纪里。GPS导航与定位技术将会获得进一步的发展，应用将更为广泛，效益会更为显著，将为我国经济建设、国防建设的发展和科学技术的进步发挥更大的作用。GPS卫星定位技术与常规测量相比，具有以下优点：1GPS点之间不要求
6、相互通视，对GPS网的几何图形也没有严格的要求，因而使GPS点位的选择更为灵活，可以自由布设。2定位精度高。目前采用载波相位进行相对一位，精度可达1ppm。3观测速度快。目前，利用静态定位方法，完成一条基线的相对定位所需要的，根据要观测的精度不同，一般约为1-3h。如果采用快速静态相对定位技术，观测时间可缩短到数分钟。4功能齐全。GPS测量可同时测定测点的平面位置和高程，采用实时动态测量可进行施工放样。5操作简便。GPS测量的自动化程度很高，作业员在观测是只需要安置和开启、关闭仪器，量取天线高度，监视仪器的工作状态及采集环境的气象数据，而其它如捕获、跟踪观测卫星和记录观测娄数据待一系列测量工作
7、均由仪器自动完成。6全天候、全球性作业。由于GPS卫星有24颗而且分布合理，在地球任何地点、任何时间均可连续同步观测到4项以上的卫星，因此在任何地点，任何时间均可进行GPS测量。GPS测量一般不受天气况的影响。 1978年2月22日第一颗GPS实验卫星成功发射。1978年11月全球定位系统开始定位导航服务。1993年6月26日最后一颗工作卫星于发射升空。1995年7月17日，达到全功能应用(full Operational CapabilityFOC)2000年5月1日，美国总统克林顿在白宫宣布解除终止选择提供性政策（SA）。此项决定将立即改善定位精度，单GPS接收机定位精度将好于20米。 1
8、.2 GPS原理与组成1.2.1 GPS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纪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
9、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
10、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GP
11、S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0A码测得的伪距称为UA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
12、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）。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
13、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），应选用双频接收机。 1.2.2 GPS组成GPS定位系统包括三大部分：（1）地面监控部分；（2）空间卫星部分；（3）用户接收部分。以下分别介绍它们的作用、工作原理和工作状况。1.2.2.1地面监控部分地面监控站在GPS定位系统试验阶段和工作阶段有所不同。试验卫星的地面监控站由设在加利福尼亚洲范登堡空军基地的一个主控站、一个注入
14、站和一个监控站以及位于其它地方的四个监控站组成。GPS工作卫星则采用新的地面监控系统，它包括一个主控站，三个注入站和五个监控站组成。其分布情况是：主控站设在美国本土科罗拉多洲斯平士（Colorado Spings）的联合空间执行中心 CSOC （即Consolidated Space Operation Center）；三个注入站分别设在大西洋的阿森松岛（Ascension），印度洋的狄哥伽西亚（Diego Garcia）和太平洋的卡瓦加兰 (Kwajalein)的三个美国空军基地上；五个监测站，除一个单独在夏威夷（Hawaii）外，其余四个都分设在主控站和注入站上；这5个监测站也称为空军跟踪站（air foce tracking station）。1.2.2.2地面监控系统的作用GPS卫星作为一种动态已知点，其“已知数据”为表述卫星运动及其轨道参数的“卫星星历”，不可能也无须在卫星上设置庞杂的机构去测算和编制，而是由地面站测算好后编成电文形式发送给卫星，再由卫星转发至地面用户。另外，卫星上各种设备是否正常工作，要否启用配件、卫星运行情况、要不要纠正运行轨道以及使各卫星处于同一时间标准GPS时间系统等，都需要由地面监控站来完成，所以地面监控站
