1、测量学论文全球定位系统及其在土木工程中的应用姓名：XXXX学号：XXXXXXXXXXX班级：XXXXXXXXXXXXX 年 X 月 XX 日指导教师：XXXXXX全球定位系统及其在土木工程中的应用概述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，耗资 300亿美元，到 1994年，
2、全球覆盖率高达 98%的 24颗 GPS卫星星座己布设完成。发展：GPS的前身是美国军方研制的一种子午仪卫星定位系统(Transit)，1958 年研制，1964 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。为此，美国海军研究实验室(NRL)提
3、出了名为 Tinmation的用12到 18颗卫星组成 10000km高度的全球定位网计划，并于 67年、69年和 74年各发射了一颗试验卫星，在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统，这是 GPS精确定位的基础。而美国空军则提出了621-B的以每星群 4到 5颗卫星组成 3至 4个星群的计划，这些卫星中除 1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为 24h的倾斜轨道，该计划以伪随机码(PRN)为基础传播卫星测距信号，其强大的功能，当信号密度低于环境噪声的 1%时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是 GPS得以取得成功的一个重要基础。海军的计划主要用于为舰船提供低动态的 2维定位，空军的计划能供提供高
4、动态服务，然而系统过于复杂。由于同时研制两个系统会造成巨大的费用而且这里两个计划都是为了提供全球定位而设计的，所以 1973年美国国防部将 2者合二为一，并由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局(JPO)领导，还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。该机构成员众多，包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表。1最初的 GPS计划在美国联合计划局的领导下诞生了，该方案将24颗卫星放置在互成 120度的三个轨道上。每个轨道上有 8颗卫星，地球上任何一点均能观测到 6至 9颗卫星。这样，粗码精度可达100m，精码精度为 10m。由于预算压缩，GPS 计划不得不减少卫星发射数
5、量，改为将 18颗卫星分布在互成 60度的 6个轨道上，然而这一方案使得卫星可靠性得不到保障。1988 年又进行了最后一次修改：21颗工作星和 3颗备用星工作在互成 60度的 6条轨道上。这也是GPS卫星所使用的工作方式。GPS导航系统是以全球 24颗定位人造卫星为基础，向全球各地全天候地提供三维位置、三维速度等信息的一种无线电导航定位系统。它由三部分构成，一是地面控制部分，由主控站、地面天线、监测站及通讯辅助系统组成。二是空间部分，由 24颗卫星组成，分布在 6个轨道平面。三是用户装置部分，由 GPS接收机和卫星天线组成。民用的定位精度可达 10米内。工作原理定位原理GPS导航系统的基本原理
6、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记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
7、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
8、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
9、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 CA 码测得的伪距称为 CA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
10、，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
11、中包含了卫星和接收机的钟差、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。GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图所示，假设 t时刻在地面待测点上安置 GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式。定位精度28颗卫星
12、(其中 4颗备用)早已升空，分布在 6条交点互隔 60度的轨道面上，距离地面约 20000千米。已经实现单机导航精度约为 10米，综合定位的话，精度可达厘米级和毫米级。但民用领域开放的精度约为 10米。GPS 设置GPS 拿到手，如果是新机器要定位，已经提到了。另外，还有一些设置，常用的有坐标系、地图基准、参考方位、公制/英制、数据接口格式什么的。坐标系：常用的是 LAT/LON 和 UTM。LAT/LON 就是经纬度表示，UTM 在这里就不管他了。地图基准：一般用 WGS84。参考方位：实际上有两个北，磁北和真北呀（简称 CB 和 ZBY） 。指南针指的北就是磁北，北斗星指的北就是真北。两者
13、在不同地区相差的角度不一样的，地图上的北是真北。公制/英制：自选。数据接口格式：这得细谈谈。GPS 可以输出实时定位数据让其他的设备使用，这就牵扯到了数据交换协议。几乎所有的 GPS 接收机都遵循美国国家海洋电子协会(National Marine Electronics Association)所指定的标准规格，这一标准制订所有航海电子仪器间的通讯标准，其中包含传输资料的格式以及传输资料的通讯协议。NMEA 协议有 0180、0182 和 0183 三种，0183 可以认为是前两种的超集，现在正广泛的使用。经纬度的表示再讲讲数据表示。一般从 GPS 得到的数据是经纬度。经纬度有多种表示方法。
14、1.）ddd.ddddd， 度.度的十进制小数部分（5 位）2.）ddd.mm.mmm，度.分.分的十进制小数部分（3 位）3.) ddd.mm.ss, 度.分.秒不是所有的 GPS 都有这几种显示， GPS315 只能选择第二种和第三种。在 LAT/LON 坐标系里，纬度是平均分配的，从南极到北极一共 180 个纬度。地球直径 12756KM，周长就是 12756*PI，一个纬度是 12756PI /360 = 111.133 KM (不精确)。经度就不是这样，只有在纬度为零的时候，就是在赤道上，一个经度之间的距离是 111.319KM，经线随着纬度的增加，距离越来越近，最后交汇于南北极。所
15、以经度的单位距离和确定经度所在的纬度是密切相关的，简单的公式是：经度 1长度=111.413cos，在纬度 处。 （公式不精确） 、数据卜默示条件，GPS 模块 SiRFStarIII接受每二输出位置的数据，通常$GPRMC 精简数据格式的数据，包括纬度，经度的目的，速度（结） ，运动方向角，年，月，时，分，秒，毫秒，定位数据是有效的或无效的，和其他重要信息。语句格式如下：$GPRMC， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ，*，HH只需要知道位置信息，所以在阅读唯一的，可以实际应用。：当地时间代表 UTC。格式“当每分钟，小时，分钟和秒2。：工作代表国家。 ”“显示可用的数据， “V”表
16、示接受警报，没有可用的数据。：代表纬度数据。 “子级的格式。分分分。 ”：纬度半球为代表的“N”或“S” 。：代表经度数据。格式和 LD现状；度分钟。sub-sub-sub-sub.”：代表经度半球，为“E”或“软件读取经纬度数据，目前的位置停止分析，确定用户的当前位置在该地区建立和平。的方法是基于用户的设置确定中心的纬度和经度和纬度和经度计算出活动维持当前的对象可以超过和平活动预定半径。结果的基础上的歧视，设置相应的标志。主要功能导航测量授时组成部分空间部分GPS的空间部分是由 24颗卫星组成（21 颗工作卫星；3 颗备用卫星） ，它位于距地表 20200km的上空，运行周期为 12h。卫星
17、均匀分布在 6个轨道面上（每个轨道面 4颗） ，轨道倾角为 55。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，并能在卫星中预存导航信息，GPS 的卫星因为大气摩擦等问题，随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。地面控制系统地面控制系统由监测站(Monitor Station） 、主控制站（Master Monitor Station） 、地面天线（Ground Antenna）所组成，主控制站位于美国科罗拉多州春田市（Colorado. Springfield） 。地面控制站负责收集由卫星传回之讯息，并计算卫星星历、相对距离，大气校正等数据。用户设备部分用户设备部分即 GP
18、S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，就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
19、储器供电，以防止数据丢失。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。其次则为使用者接收器，现有单频与双频两种，但由于价格因素，一般使用者所购买的多为单频接收器。GPS特点（1）全球全天候定位GPS卫星的数目较多，且分布均匀，保证了地球上任何地方任何时间至少可以同时观测到 4颗 GPS卫星，确保实现全球全天候连续的导航定位服务（除打雷闪电不宜观测外） 。（2）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 10-6m，100-500km 可达 10-7m，1000km 可达 10-9m。在 300-1500m工程精密定位中，1 小时以上观测时解其平面位置
20、误差小于 1mm，与 ME-5000电磁波测距仪测定的边长比较，其边长较差最大为 0.5mm，校差中误差为 0.3mm。实时单点定位(用于导航)：P 码 12m ；C/A 码 510m。静态相对定位：50km 之内误差为几 mm+(12ppm*D)；50km 以上可达 0.10.01ppm。实时伪距差分(RTD)：精度达分米级。实时相位差分(RTK)：精度达 12cm。（3）观测时间短随着 GPS系统的不断完善，软件的不断更新，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；采取实时动态定位模
21、式时，每站观测仅需几秒钟。因而使用 GPS技术建立控制网，可以大大提高作业效率。（4）测站间无需通视GPS测量只要求测站上空开阔，不要求测站之间互相通视，因而不再需要建造觇标。这一优点既可大大减少测量工作的经费和时间（一般造标费用约占总经费的 30%50%） ，同时也使选点工作变得非常灵活，也可省去经典测量中的传算点、过渡点的测量工作。（5）仪器操作简便随着 GPS接收机的不断改进，GPS 测量的自动化程度越来越高，有的已趋于“傻瓜化” 。在观测中测量员只需安置仪器，连接电缆线，量取天线高，监视仪器的工作状态，而其它观测工作，如卫星的捕获，跟踪观测和记录等均由仪器自动完成。结束测量时，仅需关闭
22、电源，收好接收机，便完成了野外数据采集任务。如果在一个测站上需作长时间的连续观测，还可以通过数据通讯方式，将所采集的数据传送到数据处理中心，实现全自动化的数据采集与处理。另外，接收机体积也越来越小，相应的重量也越来越轻，极大地减轻了测量工作者的劳动强度。（6）可提供全球统一的三维地心坐标GPS测量可同时精确测定测站平面位置和大地高程。GPS 水准可满足四等水准测量的精度，另外，GPS 定位是在全球统一的 WGS-84坐标系统中计算的，因此全球不同地点的测量成果是相互关联的。（7）应用广泛四大导航1、美国全球定位系统（GPS） 。有 24颗卫星组成，分布在 6条交点互隔 60度的轨道面上，精度约
23、为 10米，军民两用，正在试验第二代卫星系统；2、俄罗斯“格洛纳斯”系统。有 24颗卫星组成，精度在 10米左右，军民两用，设计 2009年底服务范围拓展到全球；3、欧洲“伽利略”系统。有 30颗卫星组成，定位误差不超过1米，主要为民用。2005 年首颗试验卫星已成功发射。预计 2008年前开通定位服务；4、中国“北斗”系统。由 5颗静止轨道卫星和 30颗非静止轨道卫星组成。 “北斗一号”精确度在 10米之内，而“北斗二号”可以精确到“厘米”之内。计划 2008年左右覆盖中国及周边地区，然后逐步扩展为全球卫星导航系统。2012 年 10月 25日 23时 33分，我国在西昌卫星发射中心用“长征
24、三号丙”火箭，成功将第 16颗北斗导航卫星送入预定轨道。这是我国二代北斗导航工程的最后一颗卫星，这是长征系列运载火箭的第 170次发射。至此，我国北斗导航工程区域组网顺利完成。GPA在测量学中的应用GPS定位技术在测量学中的应用范围主要包括：（1）地面控制测量方面的应用。它可用于建立新的高精度的地面控制网，检核和提高已有地面控制网的精度以及对已有的地面控制实施加密，满足城市测量、规划、建设和管理等各方面的要求。 （2）航天摄影测量方面的应用。用 GPS动态相对定位的方法可以代替常规的建立地面控制网的方法，可实时获取三维位置信息，从而节省大量的经费，而且精度高、速度快。 （3）海洋测量方面的应用。主要应用于海洋测量控制网建立、海洋资源勘探测量、海洋工程建设测量等。 （4）精密工程测量方面的应用。主要应用于桥梁工程控制网的建立、隧道贯通控制测量、海峡贯通于联接测量以及精密设备安装测量等。（5）工程于地壳变形监测方面的应用。主要应用与地震监测、大坝的变形监测、陆地建筑物的变形和沉陷监测、海上建筑物的沉陷监测、资源开采区（如油田）的地面沉降观测等。 （6）地籍测量方面的应用。可用其快速静态定位或 RTK技术来测定土地界址点的精确位置，以满足城区 5cm、郊区 10cm的精度要求，既减轻了工作量又保证了精度。
