【正文】 57 一、 原理 ............................................................................................. 57 二、 視距測(cè)量的 觀測(cè)與計(jì)算 ............................................................. 57 三、 視距測(cè)量 特點(diǎn) ............................................................................. 57 第二節(jié) 程序界面及代碼 ..................................................................................... 58 外文資料 ............................................................................................................................. 65 Theodolites (1) ........................................................................................................ 65 Surveying Instruments ............................................................................................ 69 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................. 81 致 謝 ................................................................................................................................. 82 太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 1 第一篇 GPS 定位系統(tǒng)在公路工程控制測(cè)量 中的 應(yīng)用 第一章 緒論 第一節(jié) GPS 全球定位系統(tǒng)的概念 一、 概念 GPS 即全球定位系統(tǒng)（ Global Positioning System）是美國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) ,是美國(guó)從上世紀(jì) 70 年代開(kāi)始研制，歷時(shí) 20 年，耗資 200 億美元，在子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái) 的，它采納了子午儀系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)。 21+3 顆衛(wèi)星均為近圓形軌道，運(yùn)行周期約為 11 小時(shí) 58 分，分布在六個(gè)軌道面上（每軌道面四顆），軌道傾角為 55 度。特別是在測(cè)量領(lǐng)域 .我以山西省重點(diǎn)工程， 20xx 年開(kāi)工建設(shè)的陽(yáng)泉市 307 國(guó)道復(fù)線坡頭至水峪項(xiàng)目為例，概略敘述 GPS 在 307 國(guó)道建設(shè)及在公路工程控制測(cè)量中的應(yīng)用。 觀測(cè)時(shí)間短 隨著 GPS 系統(tǒng)的不斷完善，軟件的不斷更新，目前， 20KM 以內(nèi)相對(duì)靜態(tài)定位，僅需 1520 分鐘；快速靜態(tài)相對(duì)定位測(cè)量時(shí)，當(dāng)每個(gè)流動(dòng)站與基準(zhǔn)站相距在 15KM以內(nèi)時(shí)，流動(dòng)站觀測(cè)時(shí)間只需 12 分鐘，然后可隨時(shí)定位，每站觀測(cè)只需幾秒鐘 . 測(cè)站間無(wú)須通視 GPS 測(cè)量不要求測(cè)站之間互相通視，只需測(cè)站上空開(kāi)闊即可，因此可節(jié)省大量的造標(biāo)費(fèi)用。目前 GPS 水準(zhǔn)可滿足四等水準(zhǔn)測(cè)量的精度。 功能多、應(yīng)用廣 GPS系統(tǒng)不僅可用于測(cè)量、導(dǎo)航，還可用于測(cè)速、測(cè)時(shí)。但是，后來(lái)的應(yīng)用開(kāi)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(lái)的導(dǎo)航定位信號(hào)能夠進(jìn)行厘米級(jí)甚至毫米級(jí)精度的靜態(tài)相對(duì)定位，米級(jí)至亞米級(jí)精度的動(dòng)態(tài)定位，亞米級(jí)至厘米級(jí)精度的速度測(cè)量和毫微秒級(jí)精度的時(shí)間測(cè)量。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(jià)廉所吸引。 操作簡(jiǎn)便，儀器體積小，便于攜帶 。當(dāng)前， GPS 技術(shù)已廣泛應(yīng)用于大地測(cè)量、資源勘查、地殼運(yùn)動(dòng)、地籍測(cè)量等領(lǐng)域。 GPS 應(yīng)用于救援 利用 GPS 定位技術(shù)，可對(duì)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(duì)火災(zāi)、犯罪現(xiàn)場(chǎng)、交通事故、交通堵塞等緊急事件的響應(yīng)效率。 GPS 應(yīng)用于農(nóng)業(yè) 當(dāng)前，發(fā)達(dá)國(guó)家已開(kāi)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 。通過(guò) 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(yíng)者攜帶 GPS 接收機(jī)，可快捷地找到合適的野營(yíng)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)。其中導(dǎo)航運(yùn)營(yíng)服務(wù)產(chǎn)值將超過(guò) 20 億元。 汽車導(dǎo) 航產(chǎn)品將進(jìn)入市場(chǎng) /成為 GOS 最大的消費(fèi)市場(chǎng)，同時(shí)帶動(dòng)導(dǎo)航電子地圖的生產(chǎn)和經(jīng)銷。還有專家預(yù)測(cè)，不久的將來(lái)人們將生產(chǎn)出電子手表式的 GPS 接收機(jī)而價(jià)格將降至普通人都能接受的水平。 一、 空間部分 GPS 衛(wèi)星 GPS 衛(wèi)星的主體呈圓柱形，兩側(cè)有太陽(yáng)能帆板，能自動(dòng)對(duì)日定向。 GPS 衛(wèi)星的基本功能是：接收并存儲(chǔ)來(lái)自地面控制系統(tǒng)的導(dǎo)航電文；在原子鐘的控制下自動(dòng)生成測(cè)距碼（ C/A 碼和 Y碼）和載波；采用二進(jìn)制相位調(diào)制法將測(cè)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(gè)系統(tǒng)的正常工作。幾乎為圓形的軌道上。后因美國(guó)財(cái)政赤子過(guò)大而做了較大的變動(dòng)。這種情況的出現(xiàn)將大大損害整個(gè)系統(tǒng)的性能和可靠性，影響全球定位系統(tǒng)在民航等領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的可靠性。時(shí)，最多能同時(shí)觀測(cè)到 10 顆 GPS 衛(wèi)星；當(dāng)截止高度角取 5176。 它由 一個(gè)主控站，三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)控站 以及通信和輔助系統(tǒng)組成。 注入站是向 GPS 衛(wèi)星輸入導(dǎo)航電文和其他命令的地面設(shè)施。全球定位系統(tǒng)的通信系統(tǒng)由通信線、海底電纜及衛(wèi)星通信等聯(lián)合組成。例如：我們?cè)诳刂茰y(cè)量中使用了４臺(tái)南方測(cè)繪儀器公司的 NGS9600 型靜態(tài) GPS 接收機(jī)，其技術(shù)指標(biāo)為：測(cè)量精度： 5mm＋ 2 10－ 6 mm 靜態(tài)測(cè)量， 20ｍｍ +1 10－ 6mm（高 太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 9 程）。 按用途分類 （ 1）測(cè)地型接收機(jī)：厘米級(jí)精度，測(cè)后數(shù)據(jù)處理； （ 2）導(dǎo)航型接收機(jī)：米級(jí)精度，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理； （ 3）定時(shí)型接收機(jī)：專用于時(shí)間測(cè)定和頻率控制。 太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 10 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(hào) 一、概述 GPS 衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)由載波、測(cè)距碼和導(dǎo)航電文組成。采用兩個(gè)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。 測(cè)距碼是用于測(cè)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(gè)多級(jí)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。 Y碼的結(jié)構(gòu)是完全保密的，只有美國(guó)及其盟國(guó)的軍方用戶以及少數(shù)經(jīng)美國(guó)政府授權(quán)的用戶才能使用 P 碼。 二、 GPS信號(hào)接收機(jī)的組成及原理 天線單元 它由接收天線和前置放大器兩個(gè)部件組成。 （ 2） 信號(hào)通道 信號(hào)通道是接收機(jī)的核心部分， GPS 信號(hào)通道是硬軟件結(jié)合的電路。在存儲(chǔ)器內(nèi)還裝有多種工作軟件，如：測(cè)試軟件；衛(wèi)星預(yù)報(bào)軟件；導(dǎo)航電文解碼軟件； GPS 單點(diǎn)定位軟件。當(dāng)捕捉到衛(wèi)星即對(duì)信號(hào)進(jìn)行牽引和跟蹤，并將基準(zhǔn)信號(hào)譯碼得到 GPS 衛(wèi)星星歷。 接收用戶輸入信號(hào)。對(duì)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。 第三節(jié) GPS衛(wèi)星定位原理 一、 概述 測(cè)量學(xué)中有測(cè)距交會(huì)確定點(diǎn)位的方法。如果只有兩個(gè)無(wú)線電發(fā)射臺(tái)，則可根據(jù)用戶接收機(jī)的概略位置交會(huì)出接收機(jī)的平面位置。如此，可以確定三顆以上衛(wèi)星的空間位置。 GPS 衛(wèi)星發(fā)射測(cè)距信號(hào)和導(dǎo)航電文，導(dǎo)航電文中含有衛(wèi)星的位置信息。在實(shí)際使用中需要根據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)的變換，來(lái)求出所使 用的坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)。依據(jù)測(cè)距的原理，其定位原理與計(jì)算方法主要有偽距法定位，載波相位測(cè)量定位以及差分 GPS 定位等。而動(dòng)態(tài)定位則至少有一臺(tái)接收機(jī)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，測(cè)定的是各觀測(cè)時(shí)刻（觀測(cè)歷元）運(yùn)動(dòng)中的接收機(jī)的點(diǎn)位（絕對(duì)點(diǎn)位或相對(duì)點(diǎn)位）。所測(cè)偽距就是由衛(wèi)星發(fā)射的測(cè)距碼信號(hào)到達(dá) GPS 接收機(jī)的傳播時(shí)間乘以光速得到的量測(cè)距離。偽距法定位雖然一次定位精度不高（ P 碼定位誤差約為 10m， C/A碼定位誤差為 20~30m），但因其具有定位速度快，且無(wú)多值性問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)，仍然是GPS 定位系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航的最基本方法。如果觀測(cè)精度均取至測(cè)距碼波長(zhǎng)的百分之一，則偽距測(cè)量對(duì) P碼而言量測(cè)精度為30cm，對(duì) C/A 碼而言為 3m 左右。 在 GPS 信號(hào)中由于已用相位調(diào)整的方法在調(diào)制了測(cè)距碼和導(dǎo)航電文，因而接收到的載波的相位已不再連續(xù)，所以在進(jìn)行載波相位測(cè)量以前，首先要進(jìn)行解調(diào)工作，設(shè)法將調(diào)制在載波上的測(cè)距碼和衛(wèi)星電文去掉，重新獲取載波，這一工作稱為重建載波。其目的是消除公共誤差，提高定位精度。用戶接收機(jī)在進(jìn)行 GPS 觀測(cè)的同時(shí)，也接收到基準(zhǔn)站的改正數(shù)，并對(duì)其定位結(jié)果進(jìn)行改正，從而提高定位精度。 太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 18 第四節(jié) GPS 導(dǎo)航定位誤差 一、 與 GPS 衛(wèi)星有關(guān)的誤差 與 GPS 衛(wèi)星有關(guān)的誤差主要包括衛(wèi)星的軌道誤差和衛(wèi)星鐘的誤差。這種偏差的總量約在 1ms 以內(nèi)。 衛(wèi)星軌道偏差 估計(jì)與處理衛(wèi)星的軌道偏差較為困難，其主要原因是，衛(wèi)星在運(yùn)行中要受到多種攝動(dòng)力的復(fù)雜影響，而通過(guò)地面監(jiān)測(cè)站，以難以充分可靠的測(cè)定這作用力，并掌握它們的作用規(guī)律，目前，衛(wèi)星軌道信息是通過(guò)導(dǎo)航電文等到的。 采用軌道改進(jìn)法處理觀測(cè)數(shù)據(jù) 這種方法是在數(shù)據(jù)處理中，引入表征衛(wèi)星軌道偏差的改正參數(shù)，并假設(shè)在短 太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 19 時(shí)間內(nèi)這些參數(shù)為常量，將其與其它求知數(shù)一并求解。 這種方法對(duì)于精度相對(duì)定位，具有極 其重要的意義。 為了減弱電離層的影響，在 GPS 定位中通常采用下面措施 ： 利用雙頻觀測(cè) 由于電離層的影響是信號(hào)頻率的函數(shù)，所以利用不同頻率的電磁波信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)。在尤其是精密定位測(cè)量。 對(duì)流層折射的影響 對(duì)流層折射對(duì)觀測(cè)值的影響，可分為干分量與濕分量。 采 用對(duì)流層模型進(jìn)行改正； 采用觀測(cè)量求差的方法。而在高反射環(huán)境下，不僅其影響將顯著增大，而且常常導(dǎo)致接收的衛(wèi)星信號(hào)失鎖和使載波相位觀測(cè)量產(chǎn)生周跳。 適當(dāng)延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間，削弱多路徑效應(yīng)的周期性影響。故知道載波相位的分辨誤差比碼相位不小，由于此項(xiàng)誤差屬于偶然誤差，可適當(dāng)?shù)卦黾佑^測(cè)量，將會(huì)明顯 地減弱其影響。 載波相位觀測(cè)的整周未知數(shù) 載波相位觀測(cè) 是 當(dāng)前普遍采用的最精密的觀測(cè)方法，由于接收機(jī)只能測(cè)定載波相位非整周的小數(shù)部 分 ，而無(wú)法直接測(cè)定開(kāi)波相位整周數(shù)，因而存在整周不定性問(wèn)題?？墒?，實(shí)際上天線的相位中心位置隨著信號(hào)輸入的強(qiáng)度和方向不同而有所變化，即觀測(cè)時(shí)相位中心的瞬時(shí)位置（稱為視相 太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 22 位中心）與理論上的本單位中心位置將有所不同，天線相位中心的偏差對(duì)相對(duì)定位結(jié)果的影響，根據(jù)天線性能的優(yōu)劣，可達(dá)數(shù)毫米至數(shù)厘米。 太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 23 第三章 GPS 外業(yè)測(cè)量 第一節(jié) 影響 GPS 測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)的因素 GPS 外業(yè)涉及面很廣，因而外業(yè)階段的技術(shù)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)管理問(wèn)題，經(jīng)綜合大致有以下一些因素應(yīng)加以考慮： (1)同測(cè)站有關(guān)的因素：網(wǎng)點(diǎn)密度；布網(wǎng)方案；時(shí)段分配、重復(fù)設(shè)站和重合點(diǎn)的設(shè)計(jì)； (2)同觀測(cè)衛(wèi)星有關(guān)的因素：觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)；衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量；圖形強(qiáng)度因子；衛(wèi)星高 度角；星歷來(lái)源。 （ 2） GPS 點(diǎn)間距離應(yīng)按規(guī)范要求設(shè)計(jì)，可考慮靈活變動(dòng)，以便于低等級(jí)控制點(diǎn)加密，小間中距相鄰點(diǎn)位應(yīng)進(jìn)行直接聯(lián)測(cè)。為精確求定轉(zhuǎn)換參數(shù)， GPS 網(wǎng)要盡可能多地聯(lián)測(cè)高等級(jí)的大地控制點(diǎn)，聯(lián)測(cè)點(diǎn)和重合點(diǎn)的個(gè)數(shù)不得少于 3個(gè)，特殊情況下也不得少于 2個(gè)。 2m。如圖 31 圖 31 WGS— 84坐標(biāo)系 二、 1954 年北京坐標(biāo)系 20 世紀(jì) 50 年代，我國(guó)采用了克拉索夫斯基橢球參數(shù)，并與前蘇聯(lián) 1942 年坐標(biāo)系進(jìn)行聯(lián)測(cè)，通過(guò)計(jì)算建立了我國(guó)大地坐標(biāo)系，定名為 1954 年北京坐