【文章內(nèi)容簡介】 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)省大量的造標費用。由于無需點間通視，點位位 置可根據(jù)需要，可稀可密，使選點工作甚為靈活，也可省去經(jīng)典大地網(wǎng)中的傳算點、過渡點的測量工作。 可提供三維坐標 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的三維坐標。目前 GPS 水準可滿足四等水準測量的精度。 操作簡便 隨著 GPS 接收機不斷改進，自動化程度越來越高，有的已達 “ 傻瓜化 ” 的程度；接收機的體積越來越小，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度。使野外工作變得輕松愉快。 全天候作業(yè) 目前 GPS 觀測可在一天 24 小時內(nèi)的任何時間進行 ,不受陰天黑夜、 起霧刮風、下雨下雪等氣候的影響。 功能多、應用廣 GPS系統(tǒng)不僅可用于測量、導航，還可用于測速、測時。測速的精度可達 ，測時的精度可達幾十毫微秒。其應用領(lǐng)域不斷擴大。當初，設(shè)計 GPS 系統(tǒng)的主要目的是用于導航，收集情報等軍事目的。但是，后來的應用開發(fā)表明， GPS 系統(tǒng)不僅能夠達到上述目的，而且用 GPS 衛(wèi)星發(fā)來的導航定位信號能夠進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)了極其廣闊的應用前景 太原理工大學陽泉學院 畢業(yè)設(shè)計說明書 3 第二 節(jié) GPS 定位技術(shù)的應用現(xiàn)狀 如人們所說： GPS 的應用，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。 一、 GPS的應用按其使用領(lǐng)域簡單介紹如下 GPS 應用于測量 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） ,在實時處理兩個觀測站的載波相位的基礎(chǔ)上，可以達到厘米級的精度。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 。觀測點之間無須通視 。測量結(jié)果統(tǒng)一在 WGS84 坐標下，信息自動接收、存儲，減少繁瑣的中間處理環(huán)節(jié)。當前， GPS 技術(shù)已廣泛應用于大地測量、資源勘查、地殼運動、地籍測量等領(lǐng)域。 GPS 應用于交通 出租車、租車服務、物流配送等行業(yè)利用 GPS 技術(shù)對車 輛進行跟蹤、調(diào)度管理，合理分布車輛，以最快的速度響應用戶的乘車 貨 送請求，降低能源消耗，節(jié)省運行成本。 GPS 在車輛導航方面發(fā)揮了重要的角色，在城市中建立數(shù)字化交通電臺，實時發(fā) 播城市交通信息，車載設(shè)備通過 GPS 進行精確定位，結(jié)合電子地圖以及實時的交通狀況，自動匹配最優(yōu)路徑，并實行車輛的自主導航。 民航運輸通過 GPS 接收設(shè)備，使駕駛員著陸時能準確對準跑道，同時還能使飛機緊湊排列 ，提高機場利用率，引導飛機安全進離場。 GPS 應用于救援 利用 GPS 定位技術(shù)，可對火警、救護、警察進行應急調(diào)遣，提高緊急事件處理部門對火災、犯罪現(xiàn)場、交通事故、交通堵塞等緊急事件的響應效率。特種車輛（如運鈔車）等，可對突發(fā)事件進行報警、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 太原理工大學陽泉學院 畢業(yè)設(shè)計說明書 4 實施有效的搜索、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。 GPS 應用于農(nóng)業(yè) 當前，發(fā)達國家已開始把 GPS 技術(shù)引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，即所謂的 精準農(nóng)業(yè)耕作 。該方法利用 GPS 進行農(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。通過實施精準耕作，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，降低因施肥除蟲對環(huán)境造成的污染。 GPS 應用于娛樂消遣 隨著 GPS 接收機的小型化以及價格的降低， GPS 逐漸走進了人們的日常生活，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，可快捷地找到合適的野營地點，不必擔心迷路；甚至一些高檔的電子游戲，也使用了 GPS 仿真技術(shù)。 二、 我國的 GPS 定位技術(shù)應用情況 20xx 年 2 月，國家計委提出“衛(wèi)星導航應用產(chǎn)業(yè)化專項”，其目標是在“十五”末期，形成一個市場規(guī)模超過百億元的新產(chǎn)業(yè) 。要在生產(chǎn)制造衛(wèi)星導航應用基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的規(guī)模和數(shù)量上進入世界前列。接收機主板產(chǎn)量超過 100 萬套，行業(yè)總產(chǎn)值超過 100 億元（約占世界市場份額的 4%）。其中導航運營服務產(chǎn)值將超過 20 億元。在基礎(chǔ)產(chǎn)品上，芯片組與主機板等將從目前的全部依賴進口變?yōu)樽灾鳟a(chǎn)品占 60%以上。產(chǎn)品出口將占國產(chǎn)總量的 10%，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的芯片組、嵌入式軟件及專用數(shù)據(jù)將批量投放市場。通過衛(wèi)星導航應用示范工程和基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，推動衛(wèi)星導航應用設(shè)備及其擴展系統(tǒng)在國民經(jīng)濟諸多部門和人們的日常生活中得到廣泛應用，產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。 汽車導 航產(chǎn)品將進入市場 /成為 GOS 最大的消費市場，同時帶動導航電子地圖的生產(chǎn)和經(jīng)銷。近年來，日本、歐盟、美國采取謹慎而積極的進軍姿態(tài)，爭先恐后進入中國市場。它們對我國的汽車導航市場抱有厚望，無疑源于對我國衛(wèi)星導航市場的看好。 太原理工大學陽泉學院 畢業(yè)設(shè)計說明書 5 三、 前景 據(jù)專家預測，今后幾年內(nèi) GPS 在通信、大氣探測、精細農(nóng)業(yè)以及環(huán)保等領(lǐng)域中也將得到廣泛的應用， GPS 將進入各行各業(yè)。還有專家預測，不久的將來人們將生產(chǎn)出電子手表式的 GPS 接收機而價格將降至普通人都能接受的水平。到那時侯人們不僅能方便地獲得時間信息而且能方便地獲得三維位置和三維速度信 息，從而深刻地改變?nèi)藗兊纳罘绞?。全球定位系統(tǒng)將作為 20 世紀最偉大的科學成就之一而載入史冊。 太原理工大學陽泉學院 畢業(yè)設(shè)計說明書 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 GPS 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準。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)的導航電文；在原子鐘的控制下自動生成測距碼（ C/A 碼和 Y碼）和載波；采用二進制相位調(diào)制法將測距碼和導航電文調(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，修復故障或啟用備用件以維護整個系統(tǒng)的正常工作。 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。幾乎為圓形的軌道上。相鄰軌道的升交點赤經(jīng)之差為 120176。， 每個軌道上將均勻地分布 5顆衛(wèi)星。軌道的長半徑為 26560km，衛(wèi)星的運行周期為 12h（恒星時）。后因美國財政赤子過大而做了較大的變動。 GPS 衛(wèi)星總數(shù)削減為 18顆軌道傾角改為 60176。，軌道增至 6個，每個軌道上均勻分布 3顆衛(wèi)星，相鄰軌道的升交點赤經(jīng)之差為 60176。，其余參數(shù)保持不變。這種情況的出現(xiàn)將大大損害整個系統(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)應用的可靠性。為解決上述問題，經(jīng)反復研究和修改后，最終又將衛(wèi)星總數(shù)恢復為 24 顆。這 24 顆衛(wèi)星分布宰個軌道面上，每個軌道均勻地分布 4顆衛(wèi)星（見圖 21）當截止高度 角取 15176。時，上述衛(wèi)星星座能保證位于任一地點的用戶在任一時刻同時觀測到 48 顆衛(wèi)星；當截止高度角取 10176。時，最多能同時觀測到 10 顆 GPS 衛(wèi)星；當截止高度角取 5176。時，最多能同時觀測到 12 棵 GPS 衛(wèi)星； 太原理工大學陽泉學院 畢業(yè)設(shè)計說明書 7 20xx 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 以及通信和輔助系統(tǒng)組成。 主控站擁有以大型計算機為主體的數(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)星的導航電文是否正確，監(jiān)測衛(wèi)星是否將導航電文發(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。 太原理工大學陽泉學院 畢業(yè)設(shè)計說明書 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。 注入站是向 GPS 衛(wèi)星輸入導航電文和其他命令的地面設(shè)施。 3個注入站分別位于迭哥伽西亞、阿松森群島和卡瓦加蘭。注入站能將接收到的導航電文存儲在微機中，當衛(wèi)星通過其上空時再用大口徑發(fā)射天線將這些導航電文和其他命令分別“注入”衛(wèi)星。 通信和輔助系統(tǒng)是指地面 監(jiān)控 系統(tǒng)中負責數(shù)據(jù)傳輸以及提供其他輔助 服務的機構(gòu)和設(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。 三、 用戶部分 GPS 的用戶部分由 GPS 接收機、數(shù)據(jù)處理軟件及相應的用戶設(shè)備如計算機、氣象儀器等組成， GPS 信號接收機，是 GPS 導航衛(wèi)星的用戶設(shè)備，是實現(xiàn) GPS 衛(wèi)星導航定位的終端儀器。它是一種能夠接收、跟蹤、變換和測量 GPS 衛(wèi)星導航定位信號的無線電設(shè)備，既具有常用無線電設(shè)備的共性，又具有捕獲、跟蹤和處理衛(wèi)星微弱信號的特性。 在測量領(lǐng)域，隨著現(xiàn)代科學技術(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)指標為工程測量帶 來了極大的方便。例如：我們在控制測量中使用了４臺南方測繪儀器公司的 NGS9600 型靜態(tài) GPS 接收機，其技術(shù)指標為：測量精度： 5mm＋ 2 10－ 6 mm 靜態(tài)測量， 20ｍｍ +1 10－ 6mm（高 太原理工大學陽泉學院 畢業(yè)設(shè)計說明書 9 程）。這些技術(shù)指標充分地滿足了控制測量的精度要求。 以下是 GPS 信號接收機的類型 按工作原理分類 基于被動式定位原理的 GPS 衛(wèi)星測量技術(shù)，關(guān)鍵在于怎樣測得 GPS 信號接收天線和 GPS 衛(wèi)星之間的距離（簡稱站星距離）。 按測量站星距離所用測距信號之異， GPS 信號接收機可以分為下列幾種類 （ 1） 碼接收機：用偽噪聲碼和 載波作測距信號； （ 2） 無碼接收機：僅用載波作測距信號； （ 3） 集成接收機：既用 GPS 信號，又用 GLONASS 信號測量站星距離。 按用途分類 （ 1）測地型接收機：厘米級精度，測后數(shù)據(jù)處理； （ 2）導航型接收機：米級精度，實時數(shù)據(jù)處理； （ 3）定時型接收機：專用于時間測定和頻率控制。 按所用載波頻率多少分類 用于衛(wèi)星導航定位的載波是 L1 和 L2，它們的頻率分別為： f1=154=。f2=120 =. 按所用載波頻率多少， GPS信號接收機可以分成下列類型： （ 1）單頻接收機：僅使用第一載波（ L1）及其調(diào)制波進行導航定位測量； （ 2）雙頻接收機：同時使用多個載波及其調(diào)制波進行導航定位測量。 下圖 24 是 GPS 系統(tǒng)三個組成部分關(guān)系。 太原理工大學陽泉學院 畢業(yè)設(shè)計說明書 10 圖 23 GPS 組成部分示意圖 第二節(jié) GPS 衛(wèi)星的導航定位信號 一、概述 GPS 衛(wèi)星發(fā)射的信號由載波、測距碼和導航電文組成。 載波 可運載調(diào)制信號的高頻振蕩波稱