【正文】 流動站觀測時間只需 12 分鐘然后可隨時定位每站觀測只需幾秒鐘 3 測站間無須通視 GPS 測量不要求測站之間互相通視只需測站上空開闊即可因此可節(jié)省大量的造標(biāo)費(fèi)用由于無需點(diǎn)間通視點(diǎn)位位置可根據(jù)需要可稀可密使選點(diǎn)工作甚為靈活也可省去經(jīng)典大地網(wǎng)中的傳算點(diǎn)過渡點(diǎn)的測量工作 4 可提供三維坐標(biāo) 經(jīng)典大地測量將平面與高程采用不同方法分別施測 GPS 可同時精確測定測站點(diǎn)的三維坐標(biāo)目前 GPS 水準(zhǔn)可滿足四等水準(zhǔn)測量的精度 5 操作簡便 隨著 GPS 接收機(jī)不斷改進(jìn)自動化程度越來越高有的已達(dá)傻瓜化的程度接收機(jī)的體積越來越小重量越來越輕極大地減輕測量工作者的工作緊張程度和勞動強(qiáng)度使野外工作變得輕松愉快 6 全天候作業(yè) 目前 GPS 觀測可在一天 24 小時內(nèi)的任何時間進(jìn)行不受陰天黑夜起霧刮風(fēng)下雨下雪等氣候的影響 7 功能多應(yīng)用廣 GPS 系統(tǒng)不僅可用于測量導(dǎo)航還可用于測速測時測速的精度可達(dá) 01MS 測時的精度可達(dá)幾十毫微秒其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大當(dāng)初設(shè)計 GPS 系統(tǒng)的主要目的是用于導(dǎo)航收集情報等軍事目的但是后來的應(yīng)用開發(fā)表明 GPS 系統(tǒng)不僅能夠達(dá)到上述目的而且用 GPS 衛(wèi)星發(fā)來的導(dǎo)航定位信號能夠進(jìn)行厘米級甚至毫米級精度的靜態(tài)相對定位米級至亞米級精度的動態(tài)定位亞米級至厘米級精度的速度測量和毫微秒級精度的時間測量因此 GPS 系統(tǒng)展現(xiàn)了極其廣闊的應(yīng)用前景 第二節(jié) GPS 定位技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀 如人們所說 GPS 的應(yīng)用僅受人們的想象力制約 GPS 問世以來已充分顯示了其在導(dǎo)航定位領(lǐng)域的霸主地位許多領(lǐng)域也由于 GPS 的出現(xiàn)而產(chǎn)生革命性變化目前幾乎全世界所有需要導(dǎo)航定位的用戶都被 GPS 的高精度全天候全球覆蓋方便靈活和優(yōu)質(zhì)價廉所吸引 GPS應(yīng)用于測量 GPS技術(shù)給測繪界帶來了一場革命利用載波 相位差分技術(shù) RTK 在實(shí)時處理兩個觀測站的載波相位的基礎(chǔ)上可以達(dá)到厘米級的精度與傳統(tǒng)的手工測量手段相比 GPS 技術(shù)有著巨大的優(yōu)勢測量精度高 操作簡便儀器體積小便于攜帶 全天候操作觀測點(diǎn)之間無須通視測量結(jié)果統(tǒng)一在WGS84坐標(biāo)下信息自動接收存儲減少繁瑣的中間處理環(huán)節(jié)當(dāng)前 GPS技術(shù)已廣泛應(yīng)用于大地測量資源勘查地殼運(yùn)動地籍測量等領(lǐng)域 2GPS 應(yīng)用于交通出租車租車服務(wù)物流配送等行業(yè)利用 GPS 技術(shù)對車輛進(jìn)行跟蹤調(diào)度管理合理分布車輛以最快的速度響應(yīng)用戶的乘車送請求降低能源消耗節(jié)省運(yùn)行成本 GPS 在車輛導(dǎo)航方面發(fā)揮了重要的角 色在城市中建立數(shù)字化交通電臺實(shí)時發(fā)播城市交通信息車載設(shè)備通過 GPS 進(jìn)行精確定位結(jié)合電子地圖以及實(shí)時的交通狀況自動匹配最優(yōu)路徑并實(shí)行車輛的自主導(dǎo)航 民航運(yùn)輸通過 GPS 接收設(shè)備使駕駛員著陸時能準(zhǔn)確對準(zhǔn)跑道同時還能使飛機(jī)緊湊排列提高機(jī)場利用率引導(dǎo)飛機(jī)安全進(jìn)離場 3GPS 應(yīng)用于救援利用 GPS 定位技術(shù)可對火警救護(hù)警察進(jìn)行應(yīng)急調(diào)遣提高緊急事件處理部門對火災(zāi)犯罪現(xiàn)場交通事故交通堵塞等緊急事件的響應(yīng)效率特種車輛如運(yùn)鈔車等可對突發(fā)事件進(jìn)行報警定位將損失降到最低 有了 GPS 的幫助救援人員就可在人跡罕至條件惡劣的大海山野沙漠對失蹤 人員實(shí)施有效的搜索拯救裝有 GPS 裝置的漁船在發(fā)生險情時可及時定位報警使之能更快更即使地獲得救援 4GPS 應(yīng)用于農(nóng)業(yè)當(dāng)前發(fā)達(dá)國家已開始把 GPS 技術(shù)引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)即所謂的 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)耕作 該方法利用 GPS 進(jìn)行農(nóng)田信息定位獲取包括產(chǎn)量監(jiān)測土樣采集等計算機(jī)系統(tǒng)通過對數(shù)據(jù)的分析處理決策出農(nóng)田地塊的管理措施把產(chǎn)量和土壤狀態(tài)信息裝入帶有 GPS 設(shè)備的噴施器中從而精確地給農(nóng)田地塊施肥噴藥通過實(shí)施精準(zhǔn)耕作可在盡量不減產(chǎn)的情況下降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本有效避免資源浪費(fèi)降低因施肥除蟲對環(huán)境造成的污染 5GPS 應(yīng)用于娛樂消遣隨著 GPS 接收機(jī)的小型化 以及價格的降低GPS逐漸走進(jìn)了人們的日常生活成為人們旅游探險的好幫手通過 GPS人們可以在陌生的城市里迅速地找到目的地并且可以最優(yōu)的路徑行駛野營者攜帶 GPS 接收機(jī)可快捷地找到合適的野營地點(diǎn)不必?fù)?dān)心迷路甚至一些高檔的電子游戲也使用了 GPS 仿真技術(shù) 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)由以下三個部分組成空間部分 GPS衛(wèi)星地面監(jiān)控部分和用戶部分 一 空間部分 1GPS 衛(wèi)星 GPS 衛(wèi)星的主體呈圓柱形兩側(cè)有太陽能帆板能自動對日定向太陽能電池為衛(wèi)星提供工作用電每顆衛(wèi)星 配備有 4 臺原子鐘可為衛(wèi)星提供高精度的時間標(biāo)準(zhǔn)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 GPS 衛(wèi)星的基本功能是接收并存儲來自地面控制系統(tǒng)的導(dǎo)航電文在原子鐘的控制下自動生成測距碼 CA 碼和 Y 碼和載波采用二進(jìn)制相位調(diào)制法將測距碼和導(dǎo)航電文調(diào)制在載波上播發(fā)給用戶按照地面控制系統(tǒng)的命令調(diào)整軌道調(diào)整衛(wèi)星鐘修復(fù)故障或啟用備用件以維護(hù)整個系統(tǒng)的正常工作 2 衛(wèi)星星座 發(fā)射入軌能正常工作的 GPS 衛(wèi)星集合城 GPS 衛(wèi)星星座 最初的 GPS 衛(wèi)星星座由 24顆 GPS衛(wèi)星組成這些衛(wèi)星分布在三個傾角為 63176。軌道增至 6 個每個軌道上均勻分布 3 顆衛(wèi)星相鄰軌道的升交點(diǎn)赤經(jīng)之差為 60176。時最多能同時觀測到 12棵 GPS衛(wèi)星 2020年底 GPS衛(wèi)星星座由 23顆 Block II 衛(wèi)星和 Block IIA 衛(wèi)星以及 5 顆 Block IIR 衛(wèi)星組成在一般情況下用戶能同時觀測到 68 棵衛(wèi)星 圖 21 GPS 衛(wèi)星軌道圖 二 GPS 地面監(jiān)控部分 支持整個系統(tǒng)正常運(yùn)行的地面設(shè)施稱為地面監(jiān)控部分它由一個主控站三個注入站和五個監(jiān)控站主控站擁有以大型計算機(jī)為主體的數(shù)據(jù)收集計算傳輸診斷等設(shè)備它的主要功能是收集各監(jiān)測站測得的距離和距離差氣象要素衛(wèi)星時鐘和工作狀況的數(shù)據(jù)監(jiān)測站自身的狀態(tài)數(shù)據(jù)等根據(jù)收集的數(shù)據(jù)及時計算每顆 GPS 衛(wèi)星的星歷時鐘改正狀態(tài)數(shù)據(jù)以及信號的大氣傳播改正并按一定格式編制成導(dǎo)航電文傳送到注入站監(jiān)控整個地面監(jiān)控系統(tǒng)是否工作正常檢驗注入衛(wèi)星的導(dǎo)航電文是否正確監(jiān)測衛(wèi)星是否將導(dǎo)航電文發(fā)出調(diào)度備用衛(wèi)星替代失效的工作衛(wèi)星將偏離軌道的衛(wèi)星拉回到正常軌道位置監(jiān)控站是為主控站編算導(dǎo)航電文提供觀測數(shù)據(jù)每個監(jiān)測站均用 GPS 信號接收機(jī)測量每顆可見衛(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 監(jiān)控 圖 23 GPS 組成部分示意圖 第二節(jié) GPS 衛(wèi)星的導(dǎo)航定位信號 一概述 GPS 衛(wèi)星發(fā)射的信號由載波測距碼和導(dǎo)航電文組成 1 載波 可運(yùn)載調(diào)制信號的高頻振蕩波稱為載波 GPS 衛(wèi)星所用的載波有兩個由于它們均位于載波 L 波段故分別稱為 L1 載波和 L2 載波其中 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倍后形成的采用兩個不同頻率載波的主要目的是為了較完善地消除電離層延遲在全球定位系統(tǒng)中載波除了能更好地傳送測距碼和導(dǎo)航電文這些有用意信息外在載波相位測量中它又 被當(dāng)做一種測距信號來使用其測距精度比偽距測量的精度高 23 個數(shù)量級因此載波相位測量在高精度定位中得到廣泛的應(yīng)用 2 測距碼 測距碼是用于測定從衛(wèi)星到接收機(jī)間的距離的二進(jìn)制碼是由若干個多級反饋移位寄存器所產(chǎn)生的 M 序列經(jīng)平移截短求模二和等一系列復(fù)雜處理后形成的根據(jù)性質(zhì)和用途的不同測距碼可分為粗碼 CA 碼和精碼 P 碼或 Y 碼兩類各衛(wèi)星所用的測距碼互不相同且相互正交 CA 碼是一種結(jié)構(gòu)公開的明碼供全世界所有的用戶免費(fèi)使用目前 A 碼只調(diào)制在 L1 載波上故無法精確地消除電離層延遲 Y 碼的結(jié)構(gòu)是完全保密的只有美國及其盟國的軍方用戶以及少數(shù) 經(jīng)美國政府授權(quán)的用戶才能使用 P 碼由于 P 碼的碼元寬度僅為 CA 碼的 110 而且該測距碼又同時調(diào)制在L1和 L2兩個載波上可較完善地消除電離層延遲故用它來測距可獲得較精確的結(jié)果 3 導(dǎo)航電文 導(dǎo)航電文是由 GPS 衛(wèi)星向用戶播發(fā)的一組反映衛(wèi)星在空間位置衛(wèi)星的工作狀態(tài)衛(wèi)星鐘的修正參數(shù)電離層延遲修正參數(shù)等重要數(shù)據(jù)的二進(jìn)制代碼也稱數(shù)據(jù)碼 D 碼它是用戶利用 GPS 進(jìn)行導(dǎo)航定位時一組不可少的數(shù)據(jù) 二 GPS 信號接收機(jī)的組成及原理 1 天線單元 它由接收天線和前置放大器兩個部件組成它的作用是將到達(dá) GPS 信號接收天線的功率約為 160dBW的 GPS電磁波變換成微波電信號并將如此微弱的 GPS電信號予以放大為便于接收機(jī)對信號進(jìn)行跟蹤處理和量測對天線部分有以下要求 天線與前置放大器應(yīng)密封一體以保障其正常工作減少信號損失 能夠接收來自任何方向的衛(wèi)星信號不產(chǎn)生死角 有防護(hù)與屏蔽多路徑效應(yīng)的措施 天線的相位中心保持高度的穩(wěn)定并與其幾何中心盡量一致 下圖 25 是 GPS 接收機(jī)原理圖 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 2 接收機(jī)主機(jī) 1 變頻器及中頻放大器 經(jīng)過 GPS 前置放大器的信號仍 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 頻段的射頻信號變成低頻信號必須采用變頻器 2 信號通道 信號通道是接收機(jī)的核心部分 GPS信號通道是硬軟件結(jié)合的電路 GPS信號通道的作用有三一是搜索衛(wèi)星牽引并跟蹤衛(wèi)星二是對廣播電文數(shù)據(jù)信號實(shí)行解擴(kuò)解調(diào)出廣播電文三是進(jìn)行偽距測量載波相位測量及多普勒頻移測量 3 存儲器 接收機(jī)內(nèi)沒有存儲器或存儲卡以存儲衛(wèi)星星歷衛(wèi)星歷書接收機(jī)采集到的碼相位偽距觀測值載波相位觀測值及多普勒頻移目前 GPS 接收機(jī)都裝有半導(dǎo)體存儲器接收機(jī)內(nèi)存數(shù)據(jù)可以通過數(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) 保存在存儲器內(nèi)還裝有多種工作軟件如測試軟件衛(wèi)星預(yù)報軟件導(dǎo)航電文解碼軟件GPS 單點(diǎn)定位軟件 微處理器 微處理器是 GPS接收機(jī)工作的靈魂 GPS接收機(jī)工作都是在微機(jī)指令統(tǒng)一協(xié)同下進(jìn)行的其主要工作步驟為 接收機(jī)開機(jī)后首先對整個接收機(jī)工作狀況進(jìn)行自檢并測定校正存儲各通道的時延值 接收機(jī)對衛(wèi)星進(jìn)行搜索捕捉衛(wèi)星當(dāng)捕捉到衛(wèi)星即對信號進(jìn)行牽引和跟蹤并將基準(zhǔn)信號譯碼得到 GPS 衛(wèi)星星歷當(dāng)同時鎖定 4 顆衛(wèi)星時將 CA 碼偽距觀測值連同星歷一起計算測站的三維坐標(biāo)并按預(yù)置位置更新率計算新的位置 根據(jù)機(jī)內(nèi)存儲的衛(wèi)星歷書和測站近似位置計算所有在 軌衛(wèi)星升降時間方位和高度角 根據(jù)預(yù)先設(shè)置的航路點(diǎn)坐標(biāo)和單點(diǎn)定位測站位置計算導(dǎo)航的參數(shù)航偏距航偏角航行速度等 接收用戶輸入信號 顯示器 GPS接收機(jī)都有液晶顯示屏以提供 GPS接收機(jī)工作信息并配有一個控制鍵盤用戶可通過鍵盤控制接收機(jī)工作對于導(dǎo)航接收機(jī)有的還配有大顯示屏在屏幕上直接顯示導(dǎo)航的信息甚至顯示數(shù)字地圖 電源 GPS接收機(jī)電源有兩種一種為內(nèi)電源一般采用鋰電池主要用于 RAM存儲器供電以防止數(shù)據(jù)丟失另一種為外接電源這種電源常用于可充電的 12V 直流鎘鎳電池組或采用汽車電瓶當(dāng)用交流電時要經(jīng)過穩(wěn)壓電源或?qū)Ｓ秒娫唇粨Q 器 第三節(jié) GPS 衛(wèi)星定位原理 一 概述 測量學(xué)中有測距交會確定點(diǎn)位的方法與其相似無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)衛(wèi)星激光測距定位系統(tǒng)其定位原理也是利用測距交會的原理確定點(diǎn)位 就無線電導(dǎo)航定位來說設(shè)想在地面上有三個無線電信號發(fā)射臺其坐標(biāo)為已知用戶接收機(jī)在某一時刻采用無線電測距的方法分別測得了接收機(jī)至三個發(fā)射臺的距離 d1d2d3只需以三個發(fā)射臺為球心以 d1d2d3為半徑作三個定位球面即可交會出用戶接收機(jī)的空間位置如果只有兩個無線電發(fā)射臺則可根據(jù)用戶接收機(jī)的概略位置交會出接收機(jī)的平面位置這種無線電導(dǎo)航定位是迄今為止仍在使 用的飛機(jī)輪船的一種導(dǎo)航定位方法 近代衛(wèi)星大地測量中的衛(wèi)星激光測距定位也是應(yīng)用了測距交會定位的原理和方法雖然用于激光測距的衛(wèi)星表面上安裝有激光反射棱鏡是在不停的運(yùn)動中但總可以利用固定于地面上三個已知點(diǎn)上的衛(wèi)星激光測距儀同時測定某一時刻至衛(wèi)星的空間距離 d1d2d3 應(yīng)用測距交會的原理變可確定該時刻衛(wèi)星的空間位置如此可以確定三顆以上衛(wèi)星的空間位置如果在第四個地面點(diǎn)上坐標(biāo)未知也有一臺衛(wèi)星激光測距儀同時參與測定了該點(diǎn)至第三顆衛(wèi)星點(diǎn)的空間距離則利用所測定的三個空間距離可以交會出該地面點(diǎn)的位置 將無線電信號發(fā)射臺從地面點(diǎn)搬 到衛(wèi)星上組成一顆衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用無線點(diǎn)測距交會的原理便可由三個以上地面已知點(diǎn)控制點(diǎn)交會出衛(wèi)星的位置反之利用三顆以上衛(wèi)星的已知空間位置又可交會出地面未知點(diǎn)用戶接收機(jī)的位置這便是 GPS 衛(wèi)星定位的基本原理 GPS 衛(wèi)星發(fā)射測距信號和導(dǎo)航電文導(dǎo)航電文中含有衛(wèi)星的位置信息用戶用GPS 接收機(jī)在某一時刻同時接收三顆以上的衛(wèi)星信號測量出測站點(diǎn)接收機(jī)天線中心 P至三顆以上衛(wèi)星的距離并解算出該時刻 GPS衛(wèi)星的空間坐標(biāo)據(jù)此利用距離交會法解算出測站 P的位置如下圖 27在需要的位置 P點(diǎn)架設(shè) GPS接收機(jī)在某一時刻同時接收了 3顆 ABC以 上的 GPS衛(wèi)星所發(fā)出的導(dǎo)航電文通過一系列數(shù)據(jù)處理和計算可求得該時刻 GPS接收機(jī)至 GPS衛(wèi)星的距離 SAPSBPSCP同樣通過接收衛(wèi)星星歷可獲得該時刻這些衛(wèi)星在空間的位置三維坐標(biāo)從而用距離交會的方法求得Ｐ點(diǎn)的三維坐標(biāo) Xｐ Yｐ Zｐ其數(shù)學(xué)式為 圖 27 GPS 衛(wèi)星定位示意圖 式中分別為衛(wèi)星 ABC在時刻的空間直角坐標(biāo)在 GPS測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)我們在公路工程控制測量中常用地固坐標(biāo)系統(tǒng)如 WGS－ 84 世界大地坐標(biāo)系和 19