GPS测量技术
在数字测图中的应用探讨
摘 要
全球定位系统(GPS)是本世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、 全天候和全球性的导航服务。现阶段GPS测量技术成为测量工程领域中的一种重要的测量定为手段。目前在工程建设的勘测、施工、运营管理等各个阶段，无论在定位精度、使用条件、应用范围，还是在经费节省、人力物力的减少等方面都产生巨大的进步。GPS测量包括动态GPS-RTK、静态GPS，在测量实施的过程中多方面优于传统测量工具，不要求测站间的同时、可以全天候的作业、测量精度高等，可进行大范围地形测量。GPS-RTK采集外业数据的同时，可利用专业的软件进行数字化成图，大大提高了生产周期。随着GPS测量技术的发展，在未来数字化测量的领域空间，GPS占有主导地位，为生产带来很好的收益。
关键词：GPS、测量、GPS-RTK、数字
目 录
第一章 绪论 .............................................. 1 1.1 GPS历史 .......................................... 1 1.2 GPS原理与组成 ..................................... 2 1.2.1 GPS原理 ...................................... 2 1.2.2 GPS组成 ...................................... 3 （1）地面监控部分 .................................. 3 （2）地面监控系统的作用 ............................ 3 1.2.3空间卫星部分 .................................. 5 1.2.4用户接收部分 .................................. 5 第二章 GPS野外测量原理 ................................... 6 2.1 GPS系统组成和工作原理 ............................. 6 2.1.1GPS系统组成 ................................... 6 2.1.2 GPS工作原理（如图2-1） ...................... 7 2.2野外数据的采集 ..................................... 7 2.2.1实训前的准备工作 .............................. 7 2.2.2 GPS控制网的布设 .............................. 8 2.2.3星历预报 ..................................... 10 2.2.4制定观测计划 ................................. 10 第三章 静态GPS测量 ..................................... 11 3.1静态GPS作业要求 .................................. 11 3.2静态GPS作业流程 .................................. 11
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3.3静态 GPS数据处理 ................................. 13 3.4静态GPS测量 ...................................... 19 3.4.1测区概况 ..................................... 19 3.4.2设计方案 ..................................... 19 3.4.3处理流程 ..................................... 21 3.4.4数据处理 ..................................... 22 3.4.5坐标平差成果报告及报表及校区数字图 ........... 23 第四章 GPS—RTK测量 .................................... 24 4.1 GPS—RTK工作要求 ................................. 24 4.2 GPS—RTK作业流程 ................................. 24 第五章 项目计划安排 .................................... 30 第六章 GPS测量中的问题 .................................. 31 6.1 GPS静态测量中的问题 .............................. 31 6.1.1 网形图设计问题及处理 ........................ 31 6.1.2 静态测量过程中的问题 ........................ 31 6.1.3 数据处理中的问题 ............................ 31 6.2 GPS-RTK动态测量中的问题 .......................... 31 6.2.1启动问题 ..................................... 31 6.2.2 碎部点采集时的问题 .......................... 31 第七章 结论 ............................................. 32 参考文献: ............................................... 33 致 谢 附录
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第一章 绪论
1.1 GPS历史
GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称。GPS起始于1958年美国军方的一个项目，1964年投入使用。20世纪70年代，美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS 。主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，经过20余年的研究实验,到1994年，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。
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：
1、 GPS点之间不要求相互通视，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。
7、可提供三维坐标。经大地测量将平面与高程采用不同方式分别实施。GPS可同时精确测定点的三维坐标。
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1.2 GPS原理与组成
1.2.1 GPS原理
GPS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Δt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GPS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
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