《大学毕业论文-—gps定位系统在工程控制测量中的应用.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大学毕业论文-—gps定位系统在工程控制测量中的应用.doc（87页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、太原理工大学阳泉学院毕业设计说明书GPS定位系统在工程控制测量中的应用ii太原理工大学阳泉学院毕业设计评阅书题目：GPS定位系统在工程控制测量中的应用 资源开发系 测绘工程 专业 姓名樊晓锋 设计时间：2009 年3月16日2009年6月1日 评阅意见：成绩： 指导教师：（签字） 职务：200 年月日太原理工大学阳泉学院毕业设计答辩记录卡 资源开发 系 测绘工程 专业 姓名樊晓锋答 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%，答辩组为70%。 专业答辩组组长：（签名） 200 年月日摘
2、 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。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方法：倾斜视距、三角高差、水平视距。关键词： GPS；控制测量；视距测量； AbstractGPS is global positioning system from the United States
3、 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 widely used in geodesy, resource exploration, crustal movement, Cadastral, and other fields, particularly in the
4、 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 the basic principle. The second part mainly on the principle of measuring the line-of-sight, and then the-horizo
5、n measured in accordance with the principles prepared by the-horizon measured in the three-horizon calculated as follows: tilt-horizon, the 1.30 height difference, level-horizon. Key words: GPS; control measurement; the-horizon measurement measurement;目 录第一篇 GPS定位系统在工程控制测量中的应用第一章 绪论1第一节 GPS全球定位系统的概念
6、1第二节GPS导航定位系统的广泛应用2第二章 GPS卫星全球定位系统5第一节 GPS卫星定位系统的组成5第二节 GPS卫星的导航定位信号8第三节 GPS卫星定位原理11第四节 GPS导航定位误差15第三章 工作流程19第一节 GPS控制网的内业设计19第二节 GPS控制网的外业设计22第三节 GPS控制网的外业实施24第四节 数据传输与数据处理26第五节 GPS的坐标系统和时间系统30第四章 GPS基线解算的基本原理31第一节 基线解算原理31第二节 GPS测量数据的预处理35第三节GPS基线解算的质量监控36第四节 影响GPS基线解算结果的因素39第五章RTK（REAL - TIME KIN
7、EMATIC）实时动态差分法41第一节 RTK概述41第二节RTK技术的应用42第三节 RTK的综合性能45第四节 RTK技术的前景46第六章 实例部分-GPSRTK技术在三都洗煤厂工程测量中的应用46第一节 测量之前的准备工作46第二节 GPS在三都洗煤厂的控制测量52第三节 RTK技术应用于地形图测量54第二篇 视距测量程序设计第一章程序设计64第一节视距测量程序原理64第二节 程序界面及代码65第三篇 中英文互译外文资料71中文翻译76参考文献81致 谢82第一篇 GPS定位系统在工程控制测量中的应用太原理工大学阳泉学院毕业设计说明书第一章 绪论第一节 GPS全球定位系统的概念一、概念G
8、PS（Global Positioning System)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200亿美元并在1994年投入使用的卫星导航与定位系统。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。其应用技术已遍及国民经济的各个领域。在测量领域，GPS系统已广泛用于大地测量、工程测量、航空摄影测量以及地形测量等各个方面。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
9、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. 二 GPS系统测量的技术特点相对于常规的测量方法来讲，GPS测量有以下特点：1 测站之间无需通视。测站间相互通视一直是测量学的难题。GPS这一特点，使得选点更加灵活方便。但测站上空必须开阔，以使接收GPS卫星信号不受干扰。2 定位精度高。一般双频GPS接收机基线解精度为5mm+1ppm，而红外仪标称精度为5mm+5ppm，GPS测量精度与红外仪相当，但随着
10、距离的增长，GPS测量优越性愈加突出。大量实验证明，在小于50公里的基线上，其相对定位精度可达1210-6，而在100500公里的基线上可达10-610-7。3 观测时间短。观测时间短采用GPS布设控制网时每个测站上的观测时间一般在3040min左右，采用快速静态定位方法，观测时间更短。4 提供三维坐标。GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。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。GPS测量的自动化程度很高。目前GPS接收机已趋小型化和操作傻瓜化，观测人员只需将天线
11、对中、整平，量取天线高打开电源即可进行自动观测，利用数据处理软件对数据进行处理即求得测点三维坐标。而其它观测工作如卫星的捕获，跟踪观测等均由仪器自动完成。6 全天候作业。GPS观测可在任何地点，任何时间连续地进行，不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。第二节GPS导航定位系统的广泛应用一、 GPS的应用按其使用领域的简单介绍 美国政府最初开发GPS导航定位系统主要为用于军队导航、收集情报等军事目的，后来对民用领域开放，将GPS系统分为军用码和民用码，但两者的接收精度相差很大。由于GPS具有全天候、高精度、自动化、高效益的特点，特别是随着GPS系统的不断改进，软、硬件的不断完善以及美国终
12、止降低民用GPS接收机精度的作法，应用领域得到不断地开拓，目前已遍及国民经济各个部门，并开始进入人们的日常生活。人们可以开着装有先进GPS导航系统的汽车，随时为你指示行进方向，你可以戴着手表式的接收机为你在原始森林里旅游探指明方向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，垂直方向不低于7108。B级网由800个点组成，其精度也分别好于4107和8107。国家
13、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。2、在地籍和房产测绘中的应用：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
14、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。3、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
15、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12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。4、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。时间周期也长，不能及时反映矿产资源的实际现状。另外，在航空摄影测量、海洋测量
16、、山体滑波监测、运载工具导航和管制、地壳运动监测、地球动力学研究等领域均得到了成功的应用。二、我国GPS定位技术的应用情况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”太原理工大学阳泉学院-毕业论文末期，形成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
17、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
18、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。 1. GPS系统用途广泛 用GPS信号可以进行海、空和陆地的导航，导弹的制导，大地测量和工程测量的精密定位， 时间的传递和速度的测量等。对于测绘领域，GPS卫星定位技术已经用于建立高精度的 全国性的大地测量控制网，测定全球性的地球动态参数；用于建立陆地海洋大地测量基准， 进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘；用于监测地球板块运动状态和地壳形变；用于工程测量，成为建立城市与工程控制网的主要手段。用于测定航空航天摄影瞬间的 相机位置，实现仅有少量地面控制或无地面控制的航测快
19、速成图，导致地理信息系统、全球 环境遥感监测的技术革命。 2. 多元化空间资源环境的出现 目前，GPS，GLONASS。INMARSAT等系统都具备了导航定位功能，形成了多元化的空间资源环境。 这一多元化的空间资源环境，促使国际民间形成了一个共同的策略，即一方面对现有系统 充分利用，一方面积极筹建民间GNSS系统，待到2010年前后，GNSS纯民间系统建成，全球 将形成GPS/GLONASS/GNSS三足鼎立之势，才能从根本上摆脱对单一系统的依赖，形成国际共有、 国际共享的安全资源环境。世界才可进入将卫星导航作为单一导航手段的最高应用境界。 国际民间的这一策略，反过来有影响和迫使美国对其GPS
20、使用政策做出更开放的调整。 总之，由于多元化空间资源环境的确立，给GPS的发展应用创造了一个前所未有的良好 的国际环境。 3 .发展GPS产业 今后GPS将像目前汽车、无线电通信等一样形成产业化。美国已将广域增强系统WAAS（ 即将广域差分系统中的发送修正数据链转为地球同步卫星发送，使地球同步卫星也具有 C/A码功能，形成广域GPS增强系统）计划发展成国际标准。我国目前也有一些单位生产 车载GPS系统。为发展我国的GPS产业，武汉已经成立中国GPS工程中心。 4 .GPS 的应用将进入人们的日常生活 GPS 信号接收机在人们生活中的应用，是一个难以用数字预测的广阔天地，手表式的GPS 接收机，
21、将成为旅游者的忠实导游。尽管目前大多数人还不知道什么是GPS，但有人预言， GPS将改变我们的生活方式。今后，所有运载器，都将依赖于GPS。GPS就像移动电话、传真机、 计算机互联网对我们生活的影响一样，人们日常生活将离不开它。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GPS系统的空间部分是指GPS工作卫星星座，其由24颗卫星组成，其中21颗工作卫星，3颗备用卫星，均匀分布在6个轨道上。卫星轨道平面与地球赤道面倾角为55，各个轨道平面的升交点赤经相差60，轨道平均高度为2020
22、0km.卫星运行周期为11小时58分（恒星时），同一轨道上的各卫星的升交角距为90，GPS卫星的上述时空配置，基本保证了地球上任何地点，在任何时刻均至少可以同时观测到4颗卫星，以满足地面用户实时全天候精密导航和定位。GPS卫星的主体呈圆柱形，直径约为1.5m，重约774kg，两侧各安装两块双叶太阳能电池板，能自动对日定向，以保证卫星正常工作用电。每颗卫星带有四台高精度原子钟，其中2台为铷钟，2台为铯钟。GPS卫星上设有微处理机，可以进行必要的数据处理工作，它主要的3个基本功能：根据地面监控指令接收和储存由地面监控站发来的导航信息，调整卫星姿态、启动备用卫星；向GPS用户播送导航电文，提供导航和
23、定位信息；通过高精度卫星钟向用户提供精密的时间标准。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，检验注入卫星的导航电文是否正确，监测卫星是否将导航电文发
24、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。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
25、缆及卫星通信等联合组成。三、用户部分主要指GPS接收机，此外还包括气象仪器、计算机、钢尺等仪器设备组成。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。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
26、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，G
27、PS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测量。 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
28、测距码和导航电文这些有用意信息外，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码的结构是完全保密的，只有美国及其盟国的军方
29、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GPS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
30、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2-4是GPS接收机原理图：图2-4 GPS接收机原理图GPS接收机的天线类型如下图2-5：图2-5 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
31、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
32、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
33、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
34、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
35、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。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
36、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2-6，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卫星所发出的导航电文，通过一系列数据处理和计算可求得该时刻GPS接收机至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：图2-6 GPS卫星定位示意图式中：（，），（，），（，）分别为卫星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
37、，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：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
38、态可以将GPS定位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（即差分值）作
39、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
40、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
41、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
42、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，提高定位精度。利用求差后的观测值解算两观测站之间的基线向量，这种差分技术已经用于静态相对定位。该部分所讲述的差分GPS定位技术是将一台接收机安置在基准站上进行观测。根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时地将这一改正数发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。GPS定位中，存在着三部分误差：一是多台接收
43、机公有的误差，如：卫星钟误差、星历误差；二是传播延迟误差，如：电离层误差、对流层误差；三是接收机固有的误差，如：内部噪声、通道延迟、多路径效应。采用差分定位，可完全消除第一部分误差，可大部分消除第二部分误差（视基准站至用户的距离）。差分可分为单基准站差分、具有多个基准站的局部区域差分和广域差分三种。第四节 GPS导航定位误差一、与GPS卫星有关的误差 与GPS卫星有关的误差主要包括卫星的轨道误差和卫星钟的误差。 1、卫星钟差 由于卫星的位置是时间的函数，因此，GPS的观测量均发精密测时为依据，而与卫星位置相对应的信息，是通过卫星信号的编码信息传送给接收机的。在GPS定位中，无论是码相位观测或是
44、载波相位观测，均要求卫星钟与接收机时钟保持严格的同步。实际上，尽管GPS卫星均设有高精度的原子钟（铷钟和铯钟），但是它们与理想的GPS时之间，仍存在着难以避免的偏差和漂移。这种偏差的总量约在1ms以内。对于卫星钟的这种偏差，一般可由卫星的主控站，通过对卫星钟运行状态的连续监测确定，并通过卫星的导航电文提供给接收机。经钟差改正后，各卫星之间的同步差，即可保持在20ns以内。在相对定位中，卫星钟差可通过观测量求差（或差分）的方法消除。2、卫星轨道偏差估计与处理卫星的轨道偏差较为困难，其主要原因是，卫星在运行中要受到多种摄动力的复杂影响，而通过地面监测站，以难以充分可靠的测定这作用力，并掌握它们的作
45、用规律，目前，卫星轨道信息是通过导航电文等到的。 应该说，卫星轨道误差是当前GPS测量的主要误差来源之一。测量的基线长度越长，此项误差的影响就越大。在GPS定位测量中，处理卫星轨道误差有以下几种方法:2.1忽略轨道误差这种方法以从导航电文中所获得的卫星轨道信息为准，不再考虑卫星轨道实际存在的误差，所以广泛的用于精度较低的实时单点定位工作中。2.2采用轨道改进法处理观测数据这种方法是在数据处理中，引入表征卫星轨道偏差的改正参数，并假设在短时间内这些参数为常量，将其与其它求知数一并求解。2.3同步观测值求差这一方法是利用在两个或多个观测站一同，对同一卫星的同步观测值求差。以减弱卫星轨道误差的影响。由于同一卫星的位置误差对不同观测站同步观测量的影响，具有系统误差性质，所以通过上述求差的方法，可以明显的减弱卫星轨道误差的影响，尤其当基线较短时，其效用更不明显。这种方法对于精度相对定位，具有极其重要的意义。二、与卫星信号传播有关的误差与卫星信号有关的误差主要包括大气折射误差和多路径效应。1、电离层折射的影响GPS卫星信号的其它电磁波信号一样，当其通过电离层时，将受到这一介质弥散特性的影响，便其信号的传播路径发生变化。当GPS卫星处于天顶方向时，电离层折射对信号传播路