【正文】 提高定位精度。該部分所講述的差分 GPS 定位技術(shù)是將一臺(tái)接收機(jī)安置在基準(zhǔn)站上進(jìn)行觀測。其目的是消除公共誤差，提高定位精度。采用前太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院畢業(yè)論文17者，用戶可同時(shí)提取測距信號(hào)和衛(wèi)星電文，但用戶必須知道測距碼的結(jié)構(gòu)；采用后者，用戶無須掌握測距碼的結(jié)構(gòu)，但只能獲取載波信號(hào)而無法獲得測距碼和衛(wèi)星電文差分 GPS 定位差分技術(shù)很早就被人們所應(yīng)用。在 GPS 信號(hào)中由于已用相位調(diào)整的方法在調(diào)制了測距碼和導(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。目前的大地型接收機(jī)的載波相位測量精度一般為 1～2mm，有的精度更高。如果觀測精度均取至測距碼波長的百分之一，則偽距測量對(duì) P 碼而言量測精度為30cm，對(duì) C/A 碼而言為 3m 左右。 載波相位測量定位利用測距碼進(jìn)行偽距測量是 GPS 定位系統(tǒng)的基本測距方法。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，且無多值性問題等優(yōu)點(diǎn)，仍然是 GPS 定位系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航的最基本方法。用 C/A 碼進(jìn)行測量的偽距為 C/A 碼偽距。所測偽距就是由衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號(hào)到達(dá) GPS 接收機(jī)的傳播時(shí)間乘以光速得到的量測距離。實(shí)際應(yīng)用中，為了減弱衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差以及電離層和對(duì)流層的折射誤差的影響，常采用載波相位觀測值的各種線形組合（即差分值）作為觀測值，獲得兩點(diǎn)之間高精度的 GPS 基線向量（即坐標(biāo)差） 。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)，測定的是各觀測時(shí)刻（觀測歷元）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） 。靜態(tài)定位指的是對(duì)于固定不動(dòng)的待定點(diǎn)，將 GPS 接收機(jī)置于其上，觀測數(shù)分鐘乃至更長的時(shí)間，以確定該點(diǎn)的三維坐標(biāo)，又叫絕對(duì)定位。依據(jù)測距的原理，其定位原理與計(jì)算方法主要有偽距法定位，載波相位測量定位以及差分 GPS 定位等。在 GPS 定位中，GPS 衛(wèi)星是高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星，其坐標(biāo)值隨時(shí)間在快速變化著。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，來求出所使用的坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)。如下圖 26，在需要的位置 P 點(diǎn)架設(shè) GPS 接收機(jī)，在某一時(shí)刻 同時(shí)接收了 3 顆（A，B，C）以上的 GPS 衛(wèi)星所發(fā)出的導(dǎo)航電文，通過it一系列數(shù)據(jù)處理和計(jì)算可求得該時(shí)刻 GPS 接收機(jī)至 GPS 衛(wèi)星的距離SAP，SBP，SCP，同樣通過接收衛(wèi)星星歷可獲得該時(shí)刻這些衛(wèi)星在空間的位置（三維坐標(biāo)） ，從而用距離交會(huì)的方法求得Ｐ點(diǎn)的三維坐標(biāo)（Xｐ，Yｐ，Zｐ） ，其數(shù)學(xué)式為：太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院畢業(yè)論文15????22 22PApAPASAXYZ? ?????? ?? ?BBB????22 22PCpCPCSYZ? ?????? ?? ?圖 26 GPS 衛(wèi)星定位示意圖式中：（ ， ， ） ， （ ， ， ） ， （ ， ， ）分別為衛(wèi)星AXYAZBXYBZCXYCZA，B，C 在時(shí)刻 的空間直角坐標(biāo)。GPS 衛(wèi)星發(fā)射測距信號(hào)和導(dǎo)航電文，導(dǎo)航電文中含有衛(wèi)星的位置信息。將無線電信號(hào)發(fā)射臺(tái)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(huì)的原理，便可由三個(gè)以上地面已知點(diǎn)（控制點(diǎn)）交會(huì)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(huì)出地面未知點(diǎn)（用戶接收機(jī)）的位置。如此，可以確定三顆以上衛(wèi)星的空間位置。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(huì)定位的原理和方法。如果只有兩個(gè)無線電發(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。就無線電導(dǎo)航定位來說，設(shè)想在地面上有三個(gè)無線電信號(hào)發(fā)射臺(tái)，其坐標(biāo)為已知，用戶接收機(jī)在某一時(shí)刻采用無線電測距的方法分別測得了接收機(jī)至三個(gè)發(fā)射臺(tái)的距離 d1,d2,d3。第三節(jié) GPS 衛(wèi)星定位原理太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院畢業(yè)論文14一、概述測量學(xué)中有測距交會(huì)確定點(diǎn)位的方法。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。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。并配有一個(gè)控制鍵盤。接收用戶輸入信號(hào)。根據(jù)機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)的衛(wèi)星歷書和測站近似位置，計(jì)算所有在軌衛(wèi)星升降時(shí)間、方位和高度角。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。其主要工作步驟為：接收機(jī)開機(jī)后首先對(duì)整個(gè)接收機(jī)工作狀況進(jìn)行自檢，并測定、校正、存儲(chǔ)各通道的時(shí)延值。在存儲(chǔ)器內(nèi)還裝有多種工作軟件，如：測試軟件；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。（3） 存儲(chǔ)器太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院畢業(yè)論文13接收機(jī)內(nèi)沒有存儲(chǔ)器或存儲(chǔ)卡以存儲(chǔ)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。（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。為便于接收機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行跟蹤、處理、和量測，對(duì)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(hào)損失；能夠接收來自任何方向的衛(wèi)星信號(hào)，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。 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。 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） 。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。C/A 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。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(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。其測距精度比偽距測量的精度高 23 個(gè)數(shù)量級(jí)。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。GPS 衛(wèi)星所用的載波有兩個(gè)，由于它們均位于載波 L 波段，故分別稱為 L1 載波和 L2 載波。一、概述GPS 衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)由載波、測距碼和導(dǎo)航電文組成。f2=120=.按所用載波頻率多少，GPS 信號(hào)接收機(jī)可以分成下列類型：（1）單頻接收機(jī)：僅使用第一載波（L1）及其調(diào)制波進(jìn)行導(dǎo)航定位測量；（2）雙頻接收機(jī)：同時(shí)使用多個(gè)載波及其調(diào)制波進(jìn)行導(dǎo)航定位測量。 按用途分類（1）測地型接收機(jī)：厘米級(jí)精度，測后數(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)間測定和頻率控制。以下是 GPS 信號(hào)接收機(jī)的類型： 按工作原理分類基于被動(dòng)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(hào)接收天線和 GPS 衛(wèi)星之間的距離（簡稱站星距離） 。太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院畢業(yè)論文10它是一種能夠接收、跟蹤、變換和測量 GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航定位信號(hào)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(hào)的特性。三、用戶部分主要指 GPS 接收機(jī)，此外還包括氣象儀器、計(jì)算機(jī)、鋼尺等儀器設(shè)備組成。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。3 個(gè)注入站分別位于迭哥伽西亞、阿松森群島和卡瓦加蘭。22 GPS 系統(tǒng)監(jiān)控站和主控站分布圖主 控 站 監(jiān) 測 站 注 入 站大西洋 太平洋印度洋監(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(gè)監(jiān)測站均用 GPS 信號(hào)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。主控站擁有以大型計(jì)算機(jī)為主體的數(shù)據(jù)收集、計(jì)算、傳輸、診斷等設(shè)備。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。每顆衛(wèi)星帶有四臺(tái)高精度原子鐘，其中 2 臺(tái)為銣鐘，2 臺(tái)為銫鐘。GPS衛(wèi)星的上述時(shí)空配置，基本保證了地球上任何地點(diǎn)，在任何時(shí)刻均至少可以同時(shí)觀測到 4 顆衛(wèi)星，以滿足地面用戶實(shí)時(shí)全天候精密導(dǎo)航和定位。各個(gè)軌道平面的升交點(diǎn)赤經(jīng)相差 60176。一、空間部分GPS 系統(tǒng)的空間部分是指 GPS 工作衛(wèi)星星座，其由 24 顆衛(wèi)星組成，其中 21 顆工作衛(wèi)星，3 顆備用衛(wèi)星，均勻分布在 6 個(gè)軌道上。GPS 就像移動(dòng)電話、傳真機(jī)、 計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)我們生活的影響一樣，人們?nèi)粘Ｉ顚㈦x不開它。盡管目前大多數(shù)人還不知道什么是 GPS，但有人預(yù)言， GPS 將改變我們的生活方式。為發(fā)展我國的 GPS 產(chǎn)業(yè)，武漢已經(jīng)成立中國 GPS 工程中心。美國已將廣域增強(qiáng)系統(tǒng) WAAS（ 即將廣域差分系統(tǒng)中的發(fā)送修正數(shù)據(jù)鏈轉(zhuǎn)為地球同步衛(wèi)星發(fā)送，使地球同步衛(wèi)星也具有 C/A 碼功能，形成廣域 GPS 增強(qiáng)系統(tǒng)）計(jì)劃發(fā)展成國際標(biāo)準(zhǔn)。 總之，由于多元化空間資源環(huán)境的確立，給 GPS 的發(fā)展應(yīng)用創(chuàng)造了一個(gè)前所未有的良好 的國際環(huán)境。世界才可進(jìn)入將衛(wèi)星導(dǎo)航作為單一導(dǎo)航手段的最高應(yīng)用境界。INMARSAT 等系統(tǒng)都具備了導(dǎo)航定位功能，形成了多元化的空間資源環(huán)境。用于測定航空航天攝影瞬間的 相機(jī)位置，實(shí)現(xiàn)僅有少量地面控制或無地面控制的航測快速成圖，導(dǎo)致地理信息系統(tǒng)、全球 環(huán)境遙感監(jiān)測的技術(shù)革命。 1. GPS 系統(tǒng)用途廣泛 用 GPS 信號(hào)可以進(jìn)行海、空和陸地的導(dǎo)航，導(dǎo)彈的制導(dǎo)，大地測量和工程測量的精密定位， 時(shí)間的傳遞和速度的測量等。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(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) 精度的速度測量和毫微秒級(jí)精度的時(shí)間測量。它們對(duì)我國的汽車導(dǎo)航市場抱有厚望，無疑源于對(duì)我國衛(wèi)星導(dǎo)航市場的看好。汽車導(dǎo)航產(chǎn)品將進(jìn)入市場/成為 GOS 最大的消費(fèi)市場，同時(shí)帶動(dòng)導(dǎo)航電子地圖的生產(chǎn)和經(jīng)銷。產(chǎn)品出口將占國產(chǎn)總量的 10%，具有自主知識(shí)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。其中導(dǎo)航運(yùn)營服務(wù)產(chǎn)值將超過 20 億元。要在生產(chǎn)制造衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的規(guī)模和數(shù)量上進(jìn)入世界前列。另外，在航空攝影測量、海洋測量、山體滑波監(jiān)測、運(yùn)載工具導(dǎo)航和管制、地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測、地球動(dòng)力學(xué)研究等領(lǐng)域均得到了成功的應(yīng)用。這樣做不但工作量大，浪費(fèi)大量的人力、物力，且測量結(jié)果精度還較低。在資源勘察方面的應(yīng)用：礦產(chǎn)資源勘查、礦區(qū)范圍的劃定、礦體規(guī)模的測定等都需要進(jìn)行定點(diǎn)測量。在工程變形監(jiān)測中的應(yīng)用：我國正處在全面基礎(chǔ)建設(shè)中，尤其是西部大開發(fā)，大型、特大型工程不斷涌現(xiàn)，為了這些工程的正常、安全地運(yùn)行，必須對(duì)它進(jìn)行變形監(jiān)測和安全預(yù)報(bào)，工程變形監(jiān)測通常要達(dá)到毫米或亞毫米級(jí)的精度，武漢測繪科技大學(xué)做了這方面的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明 GPS 定位技術(shù)用于各種工程變形監(jiān)測是可行的。由于它不需要逐級(jí)布網(wǎng)加密，在測區(qū)只需少量的控制點(diǎn)即可。常規(guī)方法通常是先布設(shè)或加密控制點(diǎn)，然后依據(jù)這些點(diǎn)，測定地物點(diǎn)和地形點(diǎn)在圖上的位置并按照一定的規(guī)律和符號(hào)繪制成平面圖。為了在測繪領(lǐng)域充分利用這一新技術(shù)，國家測繪局專門頒布了《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》 。國家 A、B 級(jí)網(wǎng)以其特有的高精度把我國傳統(tǒng)大地網(wǎng)進(jìn)行了全面改善和加強(qiáng)，從而克服了傳統(tǒng)大地網(wǎng)的精度不均勻，系統(tǒng)誤差較大等傳統(tǒng)測量手段不可避免缺點(diǎn)，這一高精度三維空間大地坐標(biāo)系的建成將為我國 21太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院————畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書世紀(jì)前 10太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院————畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書5年的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)測繪保障。國家 A 級(jí)和 B 級(jí) GPS 大地控制網(wǎng)分別于 1996 年和 1997 年建成并交付使用，A 級(jí)網(wǎng)，30 個(gè)點(diǎn)組成，其水平方向的重復(fù)精度達(dá) 210－8， ，垂直方向不低于 710－8。由于 GPS 具有全天候、高精度、自動(dòng)化、高效益的特點(diǎn)，特別是隨著 GPS系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，軟、硬件的不斷完善以及美國終止降低民用 GPS 接收機(jī)精度的作法，應(yīng)用領(lǐng)域得到不斷地開拓，目前已遍及國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門，并開始進(jìn)入人們的日常生活。GPS 觀測可在任何地點(diǎn)，任何時(shí)間連續(xù)地進(jìn)行，不受陰天黑夜、起霧刮風(fēng)、下雨下雪等氣候的影響。而其它觀測工作如衛(wèi)星的捕獲，跟蹤觀測等均由儀器自動(dòng)完成。GPS 測量的自動(dòng)化程度很高。GPS 可同時(shí)精確測定測站點(diǎn)的三維坐標(biāo)。GPS 測量在精確測定觀測站平面位置的同時(shí)，可以精確測定觀測站的大地高程。觀測時(shí)間短采用 GPS 布設(shè)控制網(wǎng)時(shí)每個(gè)測站上的觀測時(shí)間一般在太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院————畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書30～太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院————畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書340min 左右，采用快速靜態(tài)定位方法，觀測時(shí)間更短。大量實(shí)驗(yàn)證明，在小于 50 公里的基線上，其相對(duì)定位精度可達(dá) 12106，而在 100～500 公里的基線上可達(dá) 106～107。2 定位精度高。GPS 這一特點(diǎn)，使得選點(diǎn)更加靈活方便。特別是在測量領(lǐng)域. 二 GPS 系統(tǒng)測量的技術(shù)特點(diǎn)相對(duì)于常規(guī)的測量方法來講，GPS 測量有以下特點(diǎn)：1 測站之間無需通視。這就提供了在時(shí)間上連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰Α?1+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。和子午儀系統(tǒng)一樣，全球定位系統(tǒng)由空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收機(jī)三大部分組成。其應(yīng)用技術(shù)已遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。iGPS 定位系統(tǒng)在工程控制測量中的應(yīng)用畢業(yè)論文