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1、第1章 绪 论1.1GPS原理及其应用GPS是全球定位系统是（global positioning system）的英文缩写，是随着现代科学技术的迅速发展而建立起来的新一代精密卫星导航定位系统。GPS卫星定位测量是利用GPS系统解决大地测量的一项空间技术。它的含义是：利用导航卫星进行测时和测距，以构成全球定位系统。GPS具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能，而且具有良好的抗干扰性和保密性。因此，GPS技术在大地测量、工程测量、航空摄影测量、海洋测量、城市测量等测绘领域得到了广泛的应用，在物探测量工作中广泛普及及应用。对于物理点的放样已经不再仅仅是采用测角和量距，而
2、是借助GPS导航卫星信号来确定地面点的准确位置。GPS卫星定位系统由3部分组成：空间部分、地面监控部分和用户接收设备部分。其中GPS的空间部分是由24颗工作卫星组成,它位于距地表20200km的上空,均匀分布在6个轨道面上(每个轨道面4 颗) ,轨道倾角为55。此外,还有4 颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星,并能保持良好定位解算精度的几何图像。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。GPS 卫星产生两组电码,一组称为C/A码(Coarse/Acquisition Code11023MHz);一组称为P码(Procise Code 10123
3、MHz),P码因频率较高,不易受干扰,定位精度高,因此受美国军方管制,并设有密码,一般民间无法解读,主要为美国军方服务。C/A码人为采取措施而刻意降低精度后,主要开放给民间使用。地面控制部分由一个主控站,5个全球监测站和3个地面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机。监测站将取得的卫星观测数据,包括电离层和气象数据,经过初步处理后,传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据,计算出卫星的轨道和时钟参数,然后将结果送到3个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时,把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天一次,并在卫星离开注入站作用范
4、围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障,那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间,但导航精度会逐渐降低。 用户设备部分即GPS信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS 数据的后处理软件包构成完整的GPS 用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外
5、两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。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
6、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
7、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。其应用领域广泛，主要有以下几点1：在大地测量、工程测量中的应用： 由于GPS系统具有精度高、速度快、费用省、操作简便，现今建立大地及工程控制网基本上是采取GPS定位技术，取代了常规手段。国家A级和B级GPS大地控制网分别于1996年和1997年建成并交付使用，A级网，30个点组成，其水平方向的重复精度达2108，垂直方向不低
8、于7108。B级网由800个点组成，其精度也分别好于4107和8107。国家A、B级网以其特有的高精度把我国传统大地网进行了全面改善和加强，从而克服了传统大地网的精度不均匀，系统误差较大等传统测量手段不可避免缺点，这一高精度三维空间大地坐标系的建成将为我国21世纪前10年的经济和社会持续发展提供基础测绘保障。据报道在三峡二期工程施工中采用GPS定位技术建立施工控制网，取得很好的效果，可以满足其相应的精度要求；在青藏铁路的建设中，从勘测到施工均采用了GPS定位技术，都取得了很好的效果。为了在测绘领域充分利用这一新技术，国家测绘局专门颁布了全球定位系统（GPS）测量规范。在地籍和房产测绘中的应用：
9、 地籍及房地产测量是精确测定土地权属界址点位置，同时测绘大比例尺地籍平面图和房产图并量算土地和房屋面积，供土地和房产管理部门使用。常规方法通常是先布设或加密控制点，然后依据这些点，测定地物点和地形点在图上的位置并按照一定的规律和符号绘制成平面图。而利用GPS定位技术，特别是采用RTK技术替代常规方法测绘地籍及房产成为可能。由于它不需要逐级布网加密，在测区只需少量的控制点即可。因此，它具有速度快，精度高且分布均匀等特点。在工程变形监测中的应用： 我国正处在全面基础建设中，尤其是西部大开发，大型、特大型工程不断涌现，为了这些工程的正常、安全地运行，必须对它进行变形监测和安全预报，工程变形监测通常要
10、达到毫米或亚毫米级的精度，武汉测绘科技大学做了这方面的试验，试验结果证明GPS定位技术用于各种工程变形监测是可行的。隔河岩水电站大坝外观变形GPS自动化监测系统，整个系统全自动，应用广播星历1-2小时GPS观测资料解算的监测点位，水平精度优于1.5mm，垂直精度优于1.5mm，6小时的GPS观测资料解算，水平精度、垂直精度均优于1mm。在资源勘察方面的应用： 矿产资源勘查、矿区范围的划定、矿体规模的测定等都需要进行定点测量。以往的地质测量工作主利用传统手段如经纬仪、全站仪等测量仪器进行人工测量，然后在室内整理计算得到最终结果。这样做不但工作量大，浪费大量的人力、物力，且测量结果精度还较低。时间
11、周期也长，不能及时反映矿产资源的实际现状。黑龙江省国土资源厅在哈尔滨市、大庆市、佳木斯市进行了试验性工作，建立和使用GPS2000系统，开展各市的矿产资源勘察动态管理工作，减少矿区范围界限定位误差，提高对地矿资源的有效管理，取得了较好的成果。航海、航空方面： 欧洲的Galileo便是新建的全球导航星座，它与GPS配合起来，可以大大提高导航卫星的可用性，使单一的GPS市区可用性从55%提高到GPS/Galileo共用时的95%。GPS技术建立广域增强系统(WAAS)逐步代替原先的微波着陆/仪表着陆系统，美国的WAAS系统计划在未来运营，地面改正数据可以通过静地卫星转发给飞机。卫星导航接收机广泛地
12、用于海上行驶的各类船只，DGPS则广泛地用于沿岸与进港，以及内河行驶的船只，精度可达到2-3m。在卫星导航接收机与无线通信手段集成后，该系统便成为一个位置报告系统和紧急救援系统。许多渔船将GPS与雷达和鱼探器结合在一起，产生明显的经济效益。其他方面： 卫星导航接收机可与无线电通信机结合，这种融合产生的意义是非常深远的。实际上，这是移动计算机(PDA)、蜂窝电话和GPS接收机的系统集成和完美整合。消费娱乐徒步旅行者、猎人、越野滑雪者，野外工作人员和户外活动者现在常应用袋式GPS定位器，配上电子地图，可以在草原、大漠、乡间、山野或无人区内找到自己的目的地。还有在车辆监控管理、汽车导航与信息服务等也
13、有广泛的应用。1.2GPS卫星定位技术的发展GPS系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统(Transit），1958年研制，64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系统的研制埋下了铺垫。由于卫星定位显示出在导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。全球定位系统（Global Positioning System简称G
14、PS）是美国从上世纪70年代开始研制的新一代卫星导航与定位系统。该系统利用导航卫星进行测时和测距，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力。它是当今世界上最实用，也是应用最广泛的全球精密导航、指挥和调度系统。自1992年起，国际GPS大地测量和地球动力学服务IGS，已在全球建立了多个数据存储及处理中心和百余个常年观测的台站。我国也于1995年开始分步建设北京、上海、武汉、拉萨、乌鲁木齐、西安、西宁、昆明、海口、哈尔滨等GPS永久性跟踪站，这些跟踪站的观测数据每天通过国际互联网传向美国的数据处理中心。用户可以免费从INTERNET网上取得IGS发布的观测数据和精密星历等产品。目前，GPS
15、技术已普遍应用于大地测量、工程测量、地壳形变监测、航空摄影测量以及海洋测绘等诸多测量领域。可见，GPS定位技术已经使测量技术经历了一场深刻的变革，从而进入了一个崭新的时代。由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展，美国政府宣布2000年至2016年期间，在保证美国国家安全不受威胁的前提下，取消SA政策，GPS民用信号精度在全球范围内得到改善，利用C/A码进行单点定位的精度由100米提高到20米，这将进一步推动GPS技术的应用，提高生产力、作业效率、科学水平以及人
16、们的生活质量，刺激GPS市场的增长。据有关专家预测，在美国，单单是汽车GPS导航系统，2015年的市场将达到300亿美元，而在我国，汽车导航的市场也将达到500亿元人民币。可见，GPS技术市场的应用前景非常可观。1.3 RTK技术在道路测量中的应用及优缺点1.3.1 RTK技术在道路测量中的应用绘制大比例地形图：高等级公路选线多是在大比例尺（通常是1:2000或1:1000)带状地形图上进行，用传统方法测图, 先要建立控制网, 然后进行碎部测量, 绘制成大比例尺地形图,其工作量大速度慢, 花费时间长。用实时GPS动态测量, 构成碎部点的数据。在室内即可由绘图软件成图, 由于只需要采集碎部点的坐标和输入其属性信息, 而且采集速度快, 大大降低了测图的难度, 既省时又省力。 控制测量：用GPS建立控制网，最精密的方法当属静态测量。对大型建
