【正文】 波測(cè)距儀測(cè)定得邊長(zhǎng)比較，其邊長(zhǎng)較差最大為 ,校差中誤差為 。 GPS 可同時(shí)精確測(cè)定測(cè)站點(diǎn)的三維坐標(biāo)。 全天候作業(yè) 目前 GPS 觀測(cè)可在一天 24 小時(shí)內(nèi)的任何時(shí)間進(jìn)行 ,不受陰天黑夜、 起霧刮風(fēng)、下雨下雪等氣候的影響。當(dāng)初，設(shè)計(jì) GPS 系統(tǒng)的主要目的是用于導(dǎo)航，收集情報(bào)等軍事目的。許多領(lǐng)域也由于 GPS 的出現(xiàn)而產(chǎn)生革命性變化。與傳統(tǒng)的手工測(cè)量手段相 比， GPS 技術(shù)有著巨大的優(yōu)勢(shì)：測(cè)量精度高 。測(cè)量結(jié)果統(tǒng)一在 WGS84 坐標(biāo)下，信息自動(dòng)接收、存儲(chǔ)，減少繁瑣的中間處理環(huán)節(jié)。 民航運(yùn)輸通過(guò) GPS 接收設(shè)備，使駕駛員著陸時(shí)能準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)跑道，同時(shí)還能使飛機(jī)緊湊排列 ，提高機(jī)場(chǎng)利用率，引導(dǎo)飛機(jī)安全進(jìn)離場(chǎng)。裝有 GPS 裝置的漁船，在發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)，可及時(shí)定位、報(bào)警，使之能更快更即使地獲得救援。 GPS 應(yīng)用于娛樂消遣 隨著 GPS 接收機(jī)的小型化以及價(jià)格的降低， GPS 逐漸走進(jìn)了人們的日常生活，成為人們旅游、探險(xiǎn)的好幫手。接收機(jī)主板產(chǎn)量超過(guò) 100 萬(wàn)套，行業(yè)總產(chǎn)值超過(guò) 100 億元（約占世界市場(chǎng)份額的 4%）。通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用示范工程和基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，推動(dòng)衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用設(shè)備及其擴(kuò)展系統(tǒng)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)諸多部門和人們的日常生活中得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 5 三、 前景 據(jù)專家預(yù)測(cè)，今后幾年內(nèi) GPS 在通信、大氣探測(cè)、精細(xì)農(nóng)業(yè)以及環(huán)保等領(lǐng)域中也將得到廣泛的應(yīng)用， GPS 將進(jìn)入各行各業(yè)。 太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 6 第二章 GPS 衛(wèi)星全球定位系統(tǒng) 第一節(jié) GPS 衛(wèi)星定位系統(tǒng)的組成 GPS 全球定位系統(tǒng)由以下三個(gè)部分組成：空間部分（ GPS 衛(wèi)星）、地面監(jiān)控部分和用戶部分。衛(wèi)星上帶有燃料和 噴管，可在地面控制下調(diào)整自己的運(yùn)行軌道。這些衛(wèi)星分布在三個(gè)傾角為 63176。軌道的長(zhǎng)半徑為 26560km，衛(wèi)星的運(yùn)行周期為 12h（恒星時(shí)）。其余參數(shù)保持不變。時(shí)，上述衛(wèi)星星座能保證位于任一地點(diǎn)的用戶在任一時(shí)刻同時(shí)觀測(cè)到 48 顆衛(wèi)星；當(dāng)截止高度角取 10176。 圖 21 GPS 衛(wèi)星軌道圖 二、 GPS地面監(jiān)控部分 支持整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的地面設(shè)施稱為 地面 監(jiān)控部分。 太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 8 圖 22 GPS 系統(tǒng)監(jiān)控站和主控站分布圖 監(jiān)控站是為主控站編算導(dǎo)航電文提供觀測(cè)數(shù)據(jù)，每個(gè)監(jiān)測(cè)站均用 GPS 信號(hào)接收機(jī)測(cè)量每顆可見衛(wèi)星的偽距和距離差，采集氣象要素等數(shù)據(jù)，并將它們發(fā)送給主控站。 通信和輔助系統(tǒng)是指地面 監(jiān)控 系統(tǒng)中負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸以及提供其他輔助 服務(wù)的機(jī)構(gòu)和設(shè)施。 在測(cè)量領(lǐng)域，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，體積小、重量輕便于攜帶的 GPS 定位裝置和高精度的技術(shù)指標(biāo)為工程測(cè)量帶 來(lái)了極大的方便。 按測(cè)量站星距離所用測(cè)距信號(hào)之異， GPS 信號(hào)接收機(jī)可以分為下列幾種類 （ 1） 碼接收機(jī)：用偽噪聲碼和 載波作測(cè)距信號(hào)； （ 2） 無(wú)碼接收機(jī)：僅用載波作測(cè)距信號(hào)； （ 3） 集成接收機(jī)：既用 GPS 信號(hào)，又用 GLONASS 信號(hào)測(cè)量站星距離。 下圖 24 是 GPS 系統(tǒng)三個(gè)組成部分關(guān)系。其中 L1載波是由衛(wèi)星上的原子鐘所產(chǎn)生的基準(zhǔn)頻率 f0倍頻 154 倍后形成的， L2 載波是由基準(zhǔn)頻率 f0 倍頻120 倍后形成的。因此，載波相位測(cè)量在高精度定位中得到廣泛的應(yīng)用。目前， /A 碼只調(diào)制在 L1 載波上，故無(wú)法精確地消除電離層延遲。它是用戶利用 GPS 進(jìn)行導(dǎo)航定位時(shí)一組不可少的數(shù)據(jù)。 下圖 25 是 GPS 接收機(jī)原理圖： 太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 12 圖 25 GPS 接收機(jī)原理圖 GPS 接收機(jī)的天線類型如下圖 26： 圖 26 GPS接收機(jī)的天線類型 接收機(jī)主機(jī) （ 1） 變頻器及中頻放大器 經(jīng)過(guò) GPS 前置放大器的信號(hào)仍然很微弱，為了使接收機(jī)通道得到穩(wěn)定的高增益，并且使 L 頻段的射頻信號(hào)變成低頻信號(hào)，必須采用變頻器。目前， GPS 接收機(jī)都裝有半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，接收機(jī)內(nèi)存數(shù)據(jù)可以通過(guò)數(shù)據(jù)口傳到微機(jī)上，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)保存。 接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行搜索，捕捉衛(wèi)星。 根據(jù)預(yù)先設(shè)置的航路點(diǎn)坐標(biāo)和單點(diǎn)定位測(cè)站位置計(jì)算導(dǎo)航的參數(shù)、航偏距、航偏角、航行速度等。用戶可通過(guò)鍵盤控制接收機(jī)工作。當(dāng)用交流電時(shí)，要經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電源或?qū)Ｓ秒娫唇粨Q器。只需以三個(gè)發(fā)射臺(tái)為球心，以 d1,d2,d3為半徑作三個(gè)定位球面，即可交會(huì)出用戶接收機(jī)的空間位置。雖然用于激光測(cè)距的衛(wèi)星（表面上安裝有激光反射棱鏡）是在不停的運(yùn)動(dòng)中，但總可以利用固定于地面上三個(gè)已知點(diǎn)上的衛(wèi)星激光測(cè)距儀同時(shí) 測(cè)定某一時(shí)刻至衛(wèi)星的空間距離， d1,d2,d3，應(yīng)用測(cè)距交會(huì)的原理變可確定該時(shí)刻衛(wèi)星的空間位置。這便是 GPS 衛(wèi)星定位的基本原理。在 GPS 測(cè)量中通常采用兩類坐標(biāo)系統(tǒng)，一類是在空間固定的坐標(biāo)系統(tǒng)，另一類是與地球體相固聯(lián)的坐標(biāo)系統(tǒng)，稱地固坐標(biāo)系統(tǒng)，我們?cè)诠饭こ炭刂?測(cè)量中常用地固坐標(biāo)系統(tǒng)（如： WGS－ 84 世界大地坐標(biāo)系和 1980年西安大地坐標(biāo)系）。需要實(shí)時(shí)地由 GPS 衛(wèi)星信號(hào)測(cè)量出測(cè)站至衛(wèi)星之間的距離，實(shí)時(shí)地由衛(wèi)星的導(dǎo)航電文解算出衛(wèi)星的坐標(biāo)值，并進(jìn)行測(cè)站點(diǎn)的定位。若以兩臺(tái) GPS 接收機(jī)分別置 于兩個(gè)固定不變的待定點(diǎn)上，則通過(guò)一定時(shí)間的觀測(cè)，可以確定兩個(gè)待定點(diǎn)間的相對(duì)位置，又叫相對(duì)定位。 二、 GPS幾種定位方式 偽距測(cè)量 定位 偽距法定位是由 GPS 接收機(jī)在某一時(shí)刻測(cè)出得到四顆以上 GPS 衛(wèi)星的偽距以及已知的衛(wèi)星位置，采用距離交會(huì)的方法求定接收機(jī)天線所在點(diǎn)的三維坐標(biāo)。用 P碼測(cè)出的偽距為 P碼偽距。然而由于測(cè)距碼的碼元長(zhǎng)度較大，對(duì)于一些高精度應(yīng)用來(lái)講其測(cè)距精度還顯的過(guò)低無(wú)法滿足需要。但載波信號(hào)是一種周期性的正弦信號(hào)，而相位測(cè)量又只能測(cè)定其不足一個(gè)波長(zhǎng)的部分，因而存在著整周數(shù)不確定性的問題，使解算過(guò)程變地十分復(fù)雜。比如相對(duì)定位中，在一個(gè)測(cè)站上對(duì)兩個(gè)觀測(cè)目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，將觀測(cè)值求差；或在兩個(gè)測(cè)站上對(duì)一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，將觀測(cè)值求差；或在一個(gè)測(cè)站上對(duì)一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行兩次觀測(cè)求差。根據(jù)基準(zhǔn)站已知精密坐標(biāo)，計(jì)算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，并由基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)地將這一改正數(shù)發(fā)送出去。 差分可分為單基準(zhǔn)站差分、具有多個(gè)基準(zhǔn)站的局部區(qū)域差分和廣域差分三種。實(shí)際上，盡管 GPS 衛(wèi)星均設(shè)有高精度的原子鐘（銣鐘和銫鐘），但是它們與理想的 GPS 時(shí)之間，仍存在著難以避免的偏差和漂移。在相對(duì)定位中，衛(wèi)星 鐘差可通過(guò)觀測(cè)量求差（或差分）的方法消除。 在 GPS 定位測(cè)量中，處理衛(wèi)星軌道誤差有以下幾種方法 : 忽略軌道誤差 這種方法以從導(dǎo)航電文中所獲得的衛(wèi)星軌道信息為準(zhǔn)，不再考慮衛(wèi)星軌道實(shí)際存在的 誤差，所以廣泛的用于精度較低的實(shí)時(shí)單點(diǎn)定位工作中。由于同一衛(wèi)星的位置誤差對(duì)不同觀測(cè)站同步觀測(cè)量的影響，具有系統(tǒng)誤差性質(zhì)，所以通過(guò)上述求差的方法，可以明顯的減弱衛(wèi)星軌道誤差的影響，尤其當(dāng)基線較短時(shí)，其效用更不明顯。當(dāng) GPS 衛(wèi)星處于天頂方向時(shí)，電離層折射對(duì)信號(hào)傳播路徑的影響最小，而當(dāng)衛(wèi)星接近地平線時(shí)，則影響最大。不過(guò)應(yīng)當(dāng)明確指出，在太陽(yáng)輻射的正午或在太陽(yáng)黑子活動(dòng)的異常期，應(yīng)盡量避免觀測(cè)。對(duì)于單頻 GPS 接收機(jī)而言，這種方法的重要意義尤為明顯。對(duì)于輸送短的基線 (50km)，濕分量的影響較小 關(guān)于對(duì)流層折射的影響，一般有以下幾種處理方法： 定位精度要求不高時(shí)，可不考慮其影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料表明，在一般反射環(huán)境下，多路徑效應(yīng)對(duì)測(cè)碼偽距的影響可達(dá)到米級(jí)，對(duì)測(cè)相偽距的影響可達(dá)到厘米級(jí)。 。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般認(rèn)為觀測(cè)的分辨誤差約為信號(hào)波長(zhǎng)的 1%。 處理接收機(jī)鐘差較為有效的方法是將各觀測(cè)時(shí)刻的接收機(jī)鐘差 之 間看成是相關(guān)的，由此建立一個(gè)鐘差模型，并表示為一個(gè)時(shí)間多項(xiàng)式的形式，然后在觀測(cè)量的平差計(jì)算中統(tǒng)一求解，得到多項(xiàng)式的系數(shù)，因而也得到接收機(jī)的鐘差改 正。 天線的相位中心位置偏差 在 GPS 定位中， 觀測(cè)值是以接收機(jī)天線相位中心位置為準(zhǔn)的，因而天線的相位中心與其幾何中心理論上保持一致。需要提及的 是，安置各觀測(cè)站的天線時(shí)，均 亦 按天線附有的方位標(biāo)進(jìn)行定向，使之根據(jù)羅盤指向磁北極。 表 31 各級(jí)ＧＰＳ網(wǎng)水平分量的中誤差 第二節(jié) GPS 網(wǎng)的布設(shè) 精度分級(jí) 固定誤差 a（ mm） 比例誤差 b（ ppmm） A B C D E ? 5 ? 8 ? 10 ? 10 ? 10 ? 5 ? 5 ? 10 ? 10 ? 20 太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 24 一、 步網(wǎng) （ 1）所選點(diǎn)位要便于低等級(jí)常規(guī)測(cè)量的使用，每一個(gè) GPS 點(diǎn)應(yīng)與兩個(gè)或兩個(gè)以上的控制點(diǎn)通視，困難情況下也至少保持與相鄰一個(gè)控制點(diǎn)通視， 否則，需埋設(shè)方位樁，且用 GPS 聯(lián)測(cè) 。 （ 4）考慮將測(cè)區(qū)內(nèi)原有的國(guó)家或地方測(cè)設(shè)的三角點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，有利于兩系統(tǒng)成果的變換，聯(lián)測(cè)點(diǎn)應(yīng)盡量均勻分布在整個(gè)測(cè)區(qū)的里面和外圍。 WGS84 橢球及有關(guān)常數(shù)采用國(guó)際大地測(cè)量（ IAG）和地球物理聯(lián)合會(huì)（ IUGG）第 17屆大會(huì)大地測(cè)量常數(shù)的推薦值，四個(gè)基本參數(shù)為： 長(zhǎng)半軸 a=6378137177。由于 GPS 導(dǎo)航定位全面采用了 WGS— 84，用戶可以獲得更高精度的 地心坐標(biāo)，也可以通過(guò)轉(zhuǎn)換，獲得較高精度的參心大地坐標(biāo)系坐標(biāo)。它的原點(diǎn)不在北京，而在前蘇聯(lián)的普爾科沃，相應(yīng)的橢球?yàn)榭死鞣?。其中高程異常是以前蘇聯(lián) 1955 年大地水準(zhǔn)面差距重新平差結(jié)果為依據(jù)，按我國(guó)的天文水準(zhǔn)路線傳算過(guò)來(lái)的。 ? ? ? ?? ?8 3 21 1 1 1 13 9 8 6 0 0 5 0 . 6 1 04 8 4 . 1 6 6 8 5 1 0 1 . 3 0 1 07 2 9 2 1 1 5 1 0 0 . 1 5 0 0 1 0MG m sCr a d s????? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ?地 心 引 力 常 數(shù) （ 含 大 氣 層 ）正 常 化 二 階 帶 諧 系 數(shù)地 球 自 轉(zhuǎn) 角 速 度 大地水準(zhǔn)面高等于由定位測(cè)定的點(diǎn)的大地高減去該點(diǎn)的正高。 第三節(jié) GPS 的坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng) 一、 WGS84大地坐標(biāo)系 WGS84 大地坐標(biāo)系的幾何定義是：原點(diǎn)位于地球質(zhì)心， Z軸指向 BIH 定義的協(xié)議地球極（ CTP）方向， X 軸指向的零子午面和 CTP 赤道的交點(diǎn)， Y軸與 Z、X軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。 （ 3） GPS 網(wǎng)點(diǎn)中各同步邊應(yīng)盡可能構(gòu)成若干個(gè)閉合環(huán)，在完成各邊的平差后，可檢驗(yàn)閉合差是否滿足相應(yīng)等級(jí)要求。 (3)同儀器有關(guān)的因素：接收機(jī)，用于精密相對(duì)定位時(shí)至少為兩臺(tái)；天線，若天線設(shè)計(jì)質(zhì)量和穩(wěn)定性欠佳，會(huì)帶來(lái)一系列的誤差；記錄設(shè)備，可以是盒式數(shù)據(jù)磁帶或軟磁盤。所以對(duì)于精密相對(duì)定位，這種影響是不容忽視的。 此外，在觀測(cè)過(guò)程中，由于衛(wèi)星信號(hào)失鎖而發(fā)生的周跳現(xiàn)象。 接收機(jī)天線相對(duì)于觀測(cè)站中心的安置誤差，主要是天線的置不與對(duì)中誤差以及量取天線高的誤差，在精密定位工作中，必須認(rèn)真，仔細(xì)操作，以盡量減小這種誤差的影響。 改善 GPS 接收機(jī)的電路設(shè)計(jì)， 為 減弱多路徑效應(yīng)的影 三、 接收設(shè)備有關(guān)的誤差 太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 21 與 GPS 接收機(jī)設(shè)備有關(guān)的誤差主要包括觀測(cè)誤差，接收機(jī)鐘差，天線相位中心誤差和載波相位觀測(cè)的整周不定性影響。因此，在精密 GPS 導(dǎo)航和測(cè)量中，多路徑效應(yīng)的影響是不可忽視的。與電離層的影響相類似，當(dāng)觀測(cè)站間相距不遠(yuǎn) (20km)時(shí)，由于信號(hào)通過(guò)對(duì)流層的路徑相近，對(duì)流層的物理特性相近，所以對(duì)同 一衛(wèi)星的同步觀測(cè)值求差，可以明顯的減弱對(duì)流層折射的影響。干分量主要與大氣的濕度與壓力有關(guān)，而濕分量主要與信號(hào)傳播路徑上的大氣濕度有關(guān)。 利用電離層模型加以修正 對(duì)于單頻 GPS 接收機(jī)，為了減弱電 離層 的影響，一般是采用導(dǎo)航電文提供的電離層模型，或其它適合的電離層模型對(duì)觀測(cè)量加以修正，但是這種模型至今仍在完善之中，目前模型改正的有效率約為 75％。便能多確定其影響 ，而對(duì)觀測(cè)量加以修正。 二、 與衛(wèi)星信號(hào)傳播有關(guān)的誤差 與衛(wèi)星信號(hào)有關(guān)的誤差主要包括大氣折射誤差和多路徑效應(yīng) 。 同步觀測(cè)值求差 這一方法是利用在兩個(gè)或多個(gè)觀測(cè)站一同，對(duì)同一衛(wèi)星的同步觀測(cè)值求差。 應(yīng)該說(shuō)，衛(wèi)星軌道誤差是當(dāng)前 GPS 測(cè)量的主要誤差來(lái)源之一。 對(duì)于衛(wèi)星鐘的這種偏差，一般可由衛(wèi)星的主控站，通過(guò)對(duì)衛(wèi)星鐘運(yùn)行狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測(cè)確定，并通過(guò)衛(wèi)星的導(dǎo)航電文提供給接收機(jī)。 衛(wèi)星鐘差