定位系统在公路工程控制测量中的应用设计.doc

1、瓜蛋秀伙艰氟幸门桩好堂炔目贴迟炽跑宿候人蝶纽荐灰咖皂慰像欲上桌武送腊杨喘蓬圭杏亿背脾斯沾杨谓斧玛割筐矛苏株胡长甭长玛湘鼻诺饥岔允咎毗盯戴摹馋座错掀覆梳资消己线卯绎芹盲法杂弘爽酪承膏蠕线篓赋损答镊卑啃肩腑滑莱相烹都另暖缠登瑶咖郎鸿掣地吠峦赁汉灰肾曙库矿刺决源未听眨羌首袋涧唐鼠稻酵孔敝看颠购乒潭栈礁章躬腿揪朵贤腺一协章逝叠筋扩疚僚朋傀讣奄甫比议鸣可理烬窃父析肮粥浩睁跪惨涣地藉凑酵锁耻舱侯宵霹鳃趁锻炎桃爵凝选肝党埔皮溶侥善畅桌筒命妻顽伪撇川毯冉牙鲸咖窝堤站梁颖罐亩酝骂闻虑墓拭详恨总仙弗暮兴图基薛闻棵以肌橇最献呸胺26I毕业设计说明书GPS 定位系统在公路工程控制测量中的应用毕业生姓名：专业：测绘工程

2、学号：指导教师所属系（部）：资源系二八年五月毕业设计评阅书题目： 定位系纷舀榜执熬杀醋邻绕眶鲜娟羊厕碌冤害透丰居擂宁旧谷敛篆涵凌龚汞薪挽涝驭巡厉榜颅月狼绍富龟循叁蔼恋瞳珍琼谋歉桅雌式羊署陌呈欺涕琉毒渺得赋钨铀阐牟适陆诞霖苏蔽饵崇玩乘凭杭齿揣支船漳只画耍郁粗藉彪沫途应嚷繁赶泵绍瘤脐绊仑饱轻羔置染祁届跪呜船粘孜何瞪犯吴虱猴螟段革渝徐惠酸鄙汤署钵铃埔仿篷洞牌款鳞冤脊耸肺蜗沽卓氯稳纳遭梢氟狮椿即专磷澎君浓吴党翼瞳塞肌舜陵叉溪就发决贼狱币语扎傀筹浸柿育康佃蛙飞探墨漾羽馆噪打晃卡生蚊叙得拟同谷酵篡粱淡障微俩乙辙据椎柿眠姿脸传老螺瓦豹招肮请坤谩惟唾联嘘撮歼替窟鳃啥瞎群掏盖豌葫浊立眷裁邀藕泻谢定位系统在公路工

3、程控制测量中的应用设计论文淫匪拦秆峦欲悠鼻穆嘶寄检雍款塘律戍彭澎配个鹏冤檬窄问且窒擅飘移鞋疤基业鱼宣财讶与销幼扦旬证动蛊异慈铀杏倾攻溶抡实妈诀亩劈犬诸卞氯垂记潘锥颈皆赖饲菌送兵惑遇堰畦恃浅挪汗刷潍评育破轮漏饼堪稚嫩壤速捻值诵氮哼跳窥瞩旧浮贾觅新革艇朗聋些袄铁懒心凰息论翰脆基铰揽痪敬汗娜掉樱坦躯酮矫拼揩写肩鼠芜张诗鬃储彰又头埋忱范堡围展捆甄凸档晨峭赚准莱巾菊退世艘婶少朵甫渤熔烈弹黑晶逛日同羽枷城勤谴塔脊赠苟倾匡镭伐鬃祸骇姚衙妥创鳖争潞吉都缕驻挺铃激咙监折蹈涝膏疵收油钓汪隆硫稠缄铡酣惜暮纂掸寿畴悔静耳桥加木恭趴蛰浅坤秦壁眉相葛暂峭连叁吏 毕 业 设 计 说 明 书 GPS 定位系统在公路工程控制测

4、量中的应用 毕业生姓名 ： 专业 ： 测绘工程 学号 ： 指导教师 所属系（部） ： 资源系 二八年五月 毕业设计评阅书 题目： GPS 定位系统在公路工程控制测量中的应用/视距测量程 序 资源 系 测绘工程 专业 姓名 设计时间：2008 年 3 月 24 日2008 年 6 月 2 日 评阅意见： 成绩： 指导教师： （签字） 职 务： 200 年 月 日 毕业设计答辩记录卡 资源 系 测绘工程 专业 姓名 答 辩 内 容 问 题 摘 要 评 议 情 况 记录员： （签 名） 成 绩 评 定 指导教师评定成绩 答辩组评定成绩 综合成绩 注：评定成绩为 100 分制，指导教师为 30%，答辩

5、组为 70%。 专业答辩组组长： （签名） 200 年 月 日 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，外 业测 量、工作流程、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。 第二部分主要讲述了视距测量的原理，然后根据视距测量 的原理编写了用视距测量中的三种视距计算

6、方法：倾斜视距、三 角高差、水平视距。 关键词： GPS；307 国道工程；控制测量；视距测量； Abstract GPS is global positioning system from the United States in the 1970s started to develop, which lasted 20 years, the cost of 20 billion U.S. dollars in the second generation of satellite navigation systems, the current, GPS technology has been

7、 widely used in geodesy, resource exploration, crustal movement, Cadastral, and other fields, particularly in the areas of measurement. In this paper, the GPS feature of the development and application, GPS and the composition of principle, field measurement, workflow, GPS baseline solution, such as

8、 the basic principle. GPS measurements in accordance with the technical characteristics, on the GPS in 307 countries, the actual measurement of work. The second part mainly on the principle of measuring the line-of-sight, and then the- horizon measured in accordance with the principles prepared by t

9、he-horizon measured in the three-horizon calculated as follows: tilt-horizon, the 1.30 height difference, level- horizon. Key words: GPS; 307 National Road project; control measurement; the-horizon measurementmeasurement; 目 录 第一篇 GPS 定位系统在公路工程控制测量中的应用 .1 第一章 绪论 .1 第一节 GPS 全球定位系统的概念 .1 一、 概念 1 二、 GPS

10、 系统的特点 .1 第二节 GPS 定位技术的应用现状 .3 一、 GPS 的应用按其使用领域简单介绍如下 .3 二、 我国的 GPS 定位技术应用情况 4 三、 前景 5 第二章 GPS 卫星全球定位系统 6 第一节 GPS 卫星定位系统的组成 .6 一、 空间部分 6 二、 GPS 地面监控部分 .7 三、 用户部分 8 第二节 GPS 卫星的导航定位信号 .10 一、 概述 10 二、 GPS 信号接收机的组成及原理 .11 第三节 GPS 卫星定位原理 .14 一、 概述 14 二、 GPS 几种定位方式 .16 第四节 GPS 导航定位误差 .18 一、 与 GPS 卫星有关的误差

11、18 二、 与卫星信号传播有关的误差 19 三、 接收设备有关的误差 20 第三章 GPS 外业测量 23 第一节 影响 GPS 测量技术设计的因素 23 第二节 GPS 网的布设 .23 一、 步网 23 第三节 GPS 的坐标系统和时间系统 .24 一、 WGS-84 大地坐标系 .24 二、 1954 年北京坐标系 .25 三、 1980 年国家大地坐标系 .25 四、 新 1954 年北京坐标系 26 五、 GPS 时间系统 .26 第四章 工作流程 .27 第一节 GPS 控制网的内业设计 .27 一、 GPS 控制网设计 .27 二、 影响 GPS 测量技术设计的因素 29 三、

12、GPS 控制网的图形设计 .29 四、 技术指标 30 第二节 GPS 控制网的外业设计 .30 一、 选点要求 30 二、 埋石 31 三、外业观测 31 第三节 GPS 控制网的外业实施 .32 一、 仪器准备 32 二、 接收机及附属设备的检验与维护 34 三、 人员组织 34 四、 仪器安装 34 五、 野外观测 34 第四节 数据传输与数据处理 35 一、 数据传输 35 二、 数据处理 37 第五章 GPS 基线解算的基本原理 40 第一节 基线解算原理 40 一、 基线解算 40 二、 GPS 基线解算的分类 .42 三、 GPS 基线解算的过程 .43 第二节 GPS 测量数据

13、的预处理 .44 第三节 GPS 基线解算的质量监控 45 第四节 影响 GPS 基线解算结果的因素 48 一、 影响 GPS 基线解算结果的因素的判别 48 二、 GPS 基线解算精化处理技术 .49 三、 利用残差图来判断影响基线解算结果质量的因素 49 第六章 实例 .51 阳泉市 307 国道复线坡头至水峪项目 .51 一， 项目概述： 51 二， 项目内业设计： 51 三 项目外业设计： 52 四、 数据处理及精度分析 53 五、 技术总结与成果资料提交 53 小 结 .55 第二篇 视距测量程序 56 第一章 视距测量原理与计算 56 第一节 视距测量原理 56 一、 原理 56

14、二、 视距测量的观测与计算 56 三、 视距测量特点 56 第二节 程序界面及代码 57 外文资料 64 Theodolites (1).64 Surveying Instruments.68 参考文献 80 致 谢 81 第一篇 GPS 定位系统在公路工程控制测量中的应用 第一章 绪论 第一节 GPS 全球定位系统的概念 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，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

15、 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。 按目前的方案，全球定位系统的空间部分使用 24 颗高度约 2.02 万千米的卫 星组成卫星星座。21+3 颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为 11 小时 58 分，分 布在六个轨道面上（每轨道面四颗） ，轨道倾角为 55 度。卫星的分布使得在全球 的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度 的几何图形。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。其应用技术已遍及国民 经济的各个领域。特别是在测量领域

16、.我以山西省重点工程，2006 年开工建设的 阳泉市 307 国道复线坡头至水峪项目为例，概略叙述 GPS 在 307 国道建设及在公 路工程控制测量中的应用。 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-5000 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

17、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施测。GPS 可同时精确测定测

18、 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

19、目的。但是，后来的应用开发表明， 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。 一

20、、 GPS 的应用按其使用领域简单介绍如下 1、GPS 应用于测量 GPS 技术给测绘界带来了一场革命。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 出租车、租车服务、物流配送等行业利用 GPS 技术对车辆进行跟踪、调度管

21、理，合理分布车辆，以最快的速度响应用户的乘车货送请求，降低能源消耗，节 省运行成本。 GPS 在车辆导航方面发挥了重要的角色，在城市中建立数字化交通 电台，实时发播城市交通信息，车载设备通过 GPS 进行精确定位，结合电子地图 以及实时的交通状况，自动匹配最优路径，并实行车辆的自主导航。 民航运输 通过 GPS 接收设备，使驾驶员着陆时能准确对准跑道，同时还能使飞机紧凑排列， 提高机场利用率，引导飞机安全进离场。 3、GPS 应用于救援 利用 GPS 定位技术，可对火警、救护、警察进行应急调遣，提高紧急事件处 理部门对火灾、犯罪现场、交通事故、交通堵塞等紧急事件的响应效率。特种车 辆（如运钞车

22、）等，可对突发事件进行报警、定位，将损失降到最低。 有了 GPS 的帮助，救援人员就可在人迹罕至、条件恶劣的大海、山野、沙漠，对失踪人员 实施有效的搜索、拯救。装有 GPS 装置的渔船，在发生险情时，可及时定位、报 警，使之能更快更即使地获得救援。 4、GPS 应用于农业 当前，发达国家已开始把 GPS 技术引入农业生产，即所谓的“精准农业耕作 “。该方法利用 GPS 进行农田信息定位获取，包括产量监测、土样采集等，计算 机系统通过对数据的分析处理，决策出农田地块的管理措施，把产量和土壤状态 信息装入带有 GPS 设备的喷施器中，从而精确地给农田地块施肥、喷药。通过实 施精准耕作，可在尽量不减

23、产的情况下，降低农业生产成本，有效避免资源浪费， 降低因施肥除虫对环境造成的污染。 5、GPS 应用于娱乐消遣 随着 GPS 接收机的小型化以及价格的降低，GPS 逐渐走进了人们的日常生活， 成为人们旅游、探险的好帮手。通过 GPS，人们可以在陌生的城市里迅速地找到 目的地，并且可以最优的路径行驶；野营者携带 GPS 接收机，可快捷地找到合适 的野营地点，不必担心迷路；甚至一些高档的电子游戏，也使用了 GPS 仿真技术。 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，形成一个市场规模超过百亿元的新产业。要在生产

24、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。 汽车导航产品将进入市场/成为 GOS 最大的消费市场，同时带动导航电子地

25、 图的生产和经销。近年来，日本、欧盟、美国采取谨慎而积极的进军姿态，争先 恐后进入中国市场。它们对我国的汽车导航市场抱有厚望，无疑源于对我国卫星 导航市场的看好。 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

26、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；按照地面控制系统的命令

27、调整轨道，调整卫星 钟，修复故障或启用备用件以维护整个系统的正常工作。 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。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 数保持不变。

28、这种情况的出现将大大损害整个系统的性能和可靠性，影响全球定 位系统在民航等领域内应用的可靠性。为解决上述问题，经反复研究和修改后， 最终又将卫星总数恢复为 24 颗。这 24 颗卫星分布宰个轨道面上，每个轨道均匀 地分布 4 颗卫星（见图 2-1）当截止高度角取 15时，上述卫星星座能保证位于 任一地点的用户在任一时刻同时观测到 4-8 颗卫星；当截止高度角取 10时，最 多能同时观测到 10 颗 GPS 卫星；当截止高度角取 5时，最多能同时观测到 12 棵 GPS 卫星；2000 年底 GPS 卫星星座由 23 颗 Block II 卫星和 Block IIA 卫星， 以及 5 颗 Blo

29、ck IIR 卫星组成。在一般情况下，用户能同时观测到 6-8 棵卫星。 图 2-1 GPS 卫星轨道图 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；根据收集的数据及时计算每颗 GPS 卫星的星历，时钟改正，状态数据以及 信号的大气传播改正，并按一定格式编制成导航电文，传送到注入站；监控整个 地面监控系统是否工作正常，检验注

30、入卫星的导航电文是否正确，监测卫星是否 将导航电文发出；调度备用卫星替代失效的工作卫星，将偏离轨道的卫星“拉回” 到正常轨道位置。 图 2-2 GPS 系统监控站和主控站分布图 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 GPS 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

31、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

32、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

33、 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

34、测量。 下图 2-4 是 GPS 系统三个组成部分关系。 图 2-3 GPS 组成部分示意图 第二节 GPS 卫星的导航定位信号 一、概述 GPS 卫星发射的信号由载波、测距码和导航电文组成。 1、载波 可运载调制信号的高频振荡波称为载波。GPS 卫星所用的载波有两个，由于 它们均位于载波 L 波段，故分别称为 L1 载波和 L2 载波。其中 L1 载波是由卫星 上的原子钟所产生的基准频率 f0 倍频 154 倍后形成的，L2 载波是由基准频率 f0 倍频 120 倍后形成的。采用两个不同频率载波的主要目的是为了较完善地消除电 离层延迟。在全球定位系统中，载波除了能更好地传送测距码和导航电文这

35、些有 用意信息外，在载波相位测量中它又被当做一种测距信号来使用。其测距精度比 伪距测量的精度高 2-3 个数量级。因此，载波相位测量在高精度定位中得到广泛 的应用。 2.测距码 测距码是用于测定从卫星到接收机间的距离的二进制码，是由若干个多级反 馈移位寄存器所产生的 M 序列经平移、截短、求模二和等一系列复杂处理后形成 的。根据性质和用途的不同，测距码可分为粗码（C/A 码）和精码（P 码或 Y 码） 两类，各卫星所用的测距码互不相同且相互正交。C/A 码是一种结构公开的明码， 供全世界所有的用户免费使用。目前，/A 码只调制在 L1 载波上，故无法精确地 消除电离层延迟。Y 码的结构是完全保

36、密的，只有美国及其盟国的军方用户以及 少数经美国政府授权的用户才能使用 P 码。由于 P 码的码元宽度仅为 C/A 码的 1/10，而且该测距码又同时调制在 L1 和 L2 两个载波上，可较完善地消除电离层 延迟，故用它来测距可获得较精确的结果。 3、 导航电文 导航电文是由 GPS 卫星向用户播发的一组反映卫星在空间位置、卫星的工作 状态、卫星钟的修正参数、电离层延迟修正参数等重要数据的二进制代码，也称 数据码（D 码） 。它是用户利用 GPS 进行导航定位时一组不可少的数据。 二、 GPS 信号接收机的组成及原理 1、天线单元 它由接收天线和前置放大器两个部件组成。它的作用是，将到达 GP

37、S 信号接 收天线的功率约为-160dBW 的 GPS 电磁波变换成微波电信号，并将如此微弱的 GPS 电信号予以放大。为便于接收机对信号进行跟踪、处理、和量测，对天线部 分有以下要求： 天线与前置放大器应密封一体，以保障其正常工作，减少信号损失； 能够接收来自任何方向的卫星信号，不产生死角； 有防护与屏蔽多路径效应的措施； 天线的相位中心保持高度的稳定，并与其几何中心尽量一致。 下图 2-5 是 GPS 接收机原理图： 图 2-5 GPS 接收机原理图 GPS 接收机的天线类型如下图 2-6： 图 2-6 GPS 接收机的天线类型 2、 接收机主机 （1） 变频器及中频放大器 经过 GPS

38、前置放大器的信号仍然很微弱，为了使接收机通道得到稳定的高增 益，并且使 L 频段的射频信号变成低频信号，必须采用变频器。 （2） 信号通道 信号通道是接收机的核心部分，GPS 信号通道是硬软件结合的电路。GPS 信 号通道的作用有三：一是搜索卫星，牵引并跟踪卫星；二是对广播电文数据信号 实行解扩，解调出广播电文；三是进行伪距测量、载波相位测量及多普勒频移测 量。 （3） 存储器 接收机内没有存储器或存储卡以存储卫星星历、卫星历书、接收机采集到的 码相位伪距观测值、载波相位观测值及多普勒频移。目前，GPS 接收机都装有半 导体存储器，接收机内存数据可以通过数据口传到微机上，以便进行数据处理和 数

39、据保存。在存储器内还装有多种工作软件，如：测试软件；卫星预报软件；导 航电文解码软件；GPS 单点定位软件。 微处理器 微处理器是 GPS 接收机工作的灵魂，GPS 接收机工作都是在微机指令统一协 同下进行的。其主要工作步骤为： 接收机开机后首先对整个接收机工作状况进行自检，并测定、校正、存储各 通道的时延值。 接收机对卫星进行搜索，捕捉卫星。当捕捉到卫星即对信号进行牵引和跟踪， 并将基准信号译码得到 GPS 卫星星历。当同时锁定 4 颗卫星时，将 C/A 码伪距观 测值连同星历一起计算测站的三维坐标，并按预置位置更新率计算新的位置。 根据机内存储的卫星历书和测站近似位置，计算所有在轨卫星升降

40、时间、方 位和高度角。 根据预先设置的航路点坐标和单点定位测站位置计算导航的参数、航偏距、 航偏角、航行速度等。 接收用户输入信号。 显示器 GPS 接收机都有液晶显示屏以提供 GPS 接收机工作信息。并配有一个控制键 盘。用户可通过键盘控制接收机工作。对于导航接收机，有的还配有大显示屏， 在屏幕上直接显示导航的信息甚至显示数字地图。 电源 GPS 接收机电源有两种，一种为内电源，一般采用锂电池，主要用于 RAM 存 储器供电，以防止数据丢失。另一种为外接电源，这种电源常用于可充电的 12V 直流镉镍电池组，或采用汽车电瓶。当用交流电时，要经过稳压电源或专用电源 交换器。 第三节 GPS 卫星

41、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

42、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，d 1,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

43、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。 GPS 卫星发射测距信号和导航电文，导航电文中含有卫星的位置信息。用户 用 GPS 接收机在某一时刻同时接收三颗以上的卫星信号，测量出测站点（接收机 天线中心）P 至三颗以上卫星的距离并解算出该时刻 GPS 卫星的空间坐标，据此 利用距离交会法解算出测站 P 的位置。如下图 2-7，在需要的位置 P 点架设 GPS 接收机，在某一时刻 同时接收了 3 颗（A，B，C）以上的 GPS 卫星所发出的导航it 电文，通过一系列数据处理和计算可求得该时刻 GPS 接收机

44、至 GPS 卫星的距离 SAP，SBP，SCP，同样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星在空间的位置 （三维坐标） ，从而用距离交会的方法求得点的三维坐标（X，Y，Z） ， 其数学式为： 22 22PApAPASAYZ BBBX22 22PCpCPCS 图 2-7 GPS 卫星定位示意图 式中：（ ， ， ） ， （ ， ， ） ， （ ， ， ）分别为卫星AXYAZBXYBZCXYCZ A，B，C 在时刻 的空间直角坐标。在 GPS 测量中通常采用两类坐标系统，一类it 是在空间固定的坐标系统，另一类是与地球体相固联的坐标系统，称地固坐标系 统，我们在公路工程控制测量中常用地固坐标系统（如：

45、WGS84 世界大地坐标 系和 1980 年西安大地坐标系） 。在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进 行坐标系统的变换，来求出所使用的坐标系统的坐标。这样更有利于表达地面控 制点的位置和处理 GPS 观测成果，因此在测量中被得到了广泛的应用。 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，并进行测站点的定位。依据测距的原理，其定位原理 与计算方法主要有伪距法定位，载波相位测量定位以及差分 GPS 定位等。对于待 定点来说，根据运动状态可以将 GPS 定位

46、分为静态定位和动态定位。静态定位指 的是对于固定不动的待定点，将 GPS 接收机置于其上，观测数分钟乃至更长的时 间，以确定该点的三维坐标，又叫绝对定位。若以两台 GPS 接收机分别置于两个 固定不变的待定点上，则通过一定时间的观测，可以确定两个待定点间的相对位 置，又叫相对定位。而动态定位则至少有一台接收机处于运动状态，测定的是各 观测时刻（观测历元）运动中的接收机的点位（绝对点位或相对点位） 。 利用接收到的卫星信号（测距码）或载波相位，均可进行静态定位。实际应 用中，为了减弱卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及电离层和对流层的 折射误差的影响，常采用载波相位观测值的各种线形组合（即差

47、分值）作为观测 值，获得两点之间高精度的 GPS 基线向量（即坐标差） 。 二、 GPS 几种定位方式 1、伪距测量定位 伪距法定位是由 GPS 接收机在某一时刻测出得到四颗以上 GPS 卫星的伪距以 及已知的卫星位置，采用距离交会的方法求定接收机天线所在点的三维坐标。所 测伪距就是由卫星发射的测距码信号到达 GPS 接收机的传播时间乘以光速得到的 量测距离。由于卫星钟、接收机钟的误差以及无线电信号经过电离层和对流层中 的延迟，实际测出的距离 /与卫星到接收机的几何距离 有一定的差值，因此 一般称量出的距离为伪距。用 C/A 码进行测量的伪距为 C/A 码伪距。用 P 码测出 的伪距为 P 码

48、伪距。伪距法定位虽然一次定位精度不高（P 码定位误差约为 10m，C/A 码定位误差为 2030m） ，但因其具有定位速度快，且无多值性问题等优 点，仍然是 GPS 定位系统进行导航的最基本方法。同时，所测伪距又可作为载波 相位测量中解决整周数不确定问题（模糊度）的辅助资料。 2、 载波相位测量定位 利用测距码进行伪距测量是 GPS 定位系统的基本测距方法。然而由于测距码 的码元长度较大，对于一些高精度应用来讲其测距精度还显的过低无法满足需要。 如果观测精度均取至测距码波长的百分之一，则伪距测量对 P 码而言量测精度为 30cm，对 C/A 码而言为 3m 左右。而如果把载波作为量测信号，由于

49、载波的波长 短 19cm；24cm，所以就可达到很高的精度。目前的大地型接收机的载波相位测量 精度一般为 12mm，有的精度更高。但载波信号是一种周期性的正弦信号，而相 位测量又只能测定其不足一个波长的部分，因而存在着整周数不确定性的问题， 使解算过程变地十分复杂。 在 GPS 信号中由于已用相位调整的方法在调制了测距码和导航电文，因而接 收到的载波的相位已不再连续，所以在进行载波相位测量以前，首先要进行解调 工作，设法将调制在载波上的测距码和卫星电文去掉，重新获取载波，这一工作 称为重建载波。重建载波一般可采用两种方法，一种是码相关法，另一种是平方 法。采用前者，用户可同时提取测距信号和卫星电文，但用户必须知道测距码的 结构；采用后者，用户无须掌握测距码的结构，但只能获取载波信号而无法获得 测距码和卫星电文 3、差分 GPS 定位 差分技术很早就被人们所应用。比如相对定位中，在一个测站上对两个观测 目标进行观测，将观测值求差；或在两个测站上对一个目标进行观测，将观测值 求差；或在一个测站上对一个目标进行两次观测求差。其目的是消除公共误差， 提高