【正文】 章 靜態(tài)GPS的基本原理第一節(jié)GPS的組成情況全球定位系統(tǒng)主要有三大組成部分，即空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶部分。目前國際上約有53個(gè)廠家生產(chǎn)著172種用途廣泛的GPS信號接受機(jī)。對于世界各國的廣大用戶而言，使用GPS信號的關(guān)鍵設(shè)備是能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的接收機(jī)，稱之為GPS信號接受機(jī)。l 全天候作業(yè)。GPS測量的自動化很高。GPS測量，在精確測定觀測站平面位置的同時(shí)，還可以精確測定觀測站的大地高程。目前，利用經(jīng)典的靜態(tài)定位方法，完成一條基線的觀測時(shí)間根據(jù)精度的不同要求，一般需要13個(gè)小時(shí)而現(xiàn)在的快速定位方法的觀測時(shí)間僅需幾分鐘。具有關(guān)資料顯示，目前在小于50km的基線上，其相對精度可達(dá)12ppm。既要保持良好的通視，又要有良好的網(wǎng)形，這一直是在經(jīng)典測量中實(shí)踐上難以實(shí)現(xiàn)的困難之一?？梢哉fGPS應(yīng)用前景是廣泛的，市場是巨大的。GPS現(xiàn)已廣泛用于航空航海測量、大地測量、遙感、石油勘探、地震測量、野外救生、探險(xiǎn)、防火等領(lǐng)域。海灣戰(zhàn)爭中，GPS為美國及其盟軍以極少的代價(jià)，在短的時(shí)間里取得勝利起到了重要作用。 正如人們所說：“GPS的應(yīng)用，僅受人們的想象力制約。 該系統(tǒng)是由美國國防部出資100億元開發(fā)的一種無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，具有高精度、全天候、全球覆蓋能力，將于本世紀(jì)末取代所有的其他無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。為了滿足軍事部門和民用部門，對連續(xù)實(shí)時(shí)和三維導(dǎo)航的迫切要求，1973年美國國防部便開始組織海路空三軍，共同研究建立了新一代衛(wèi)星系統(tǒng)的計(jì)劃。 目 錄第一章 概 述……………………………………………………..1第二章 靜態(tài)GPS的基本原理………………………………….….3 第一節(jié) 靜態(tài)GPS的組成情況……………………………....3 第二節(jié) 美國的限制性政策與用戶的措施…………….……5 第三節(jié) GPS相對定位原理……………………….…………7第三章 NGS200型GPS接收機(jī)簡介…………..………………….10第一節(jié) NGS200型GPS接收機(jī)的系統(tǒng)組成………………10第二節(jié) 性能及指標(biāo)…………………………………….…….11第四章 用靜態(tài)GPS進(jìn)行控制測量………………………………….12 第一節(jié) 概 述…………………………………. ………………12第二節(jié) GPS網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)……………………..………………13第三節(jié) 選點(diǎn)……………………..………………………………18第四節(jié) 觀測工作………………..………………………………19第五節(jié) 數(shù)據(jù)處理…………………..……………………………20第五章 GPS測量的誤差來源及其影響…………...………………..33第一節(jié) GPS測量誤差分類……………………...……………33第二節(jié) 消除、削弱誤差影響的措施…………………………39后 記………………………………………………..…………………..41參考文獻(xiàn)……………………………………….…………………………41第一章 概 述 全球定位系統(tǒng)（Global Positioning system—GPS），是隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，而建立起來的新一代精密衛(wèi)星定位系統(tǒng)。1957年10月，世界上第一顆人造衛(wèi)星的成功發(fā)射，使得空間科學(xué)得以迅速發(fā)展，人類進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代。這就是目前所稱的“授時(shí)與測距導(dǎo)航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)”（Navigation System Timing and Ranging/Global Positioning SystemNAVSTAR/GPS），通常稱為“全球定位系統(tǒng)”（GPS）?，F(xiàn)在GPS系統(tǒng)的全部24顆衛(wèi)星已部署完畢，整個(gè)系統(tǒng)已投入運(yùn)行，美國政府已應(yīng)允，GPS系統(tǒng)將在相當(dāng)長的一段時(shí)間里免費(fèi)供全世界的用戶使用?！盙PS自問世以來，已充分顯示了其在無線電導(dǎo)航、定位領(lǐng)域的霸主地位。許多民用領(lǐng)域也由于GPS的出現(xiàn)而產(chǎn)生了革命性變化：目前，GPS不僅在美國及其盟軍的軍隊(duì)中廣泛用于導(dǎo)航定位，幾乎所有的用戶，都被GPS的高精度、全天候、全球覆蓋能力、方便靈活、質(zhì)優(yōu)價(jià)廉所吸引。 我國的GPS應(yīng)用發(fā)展勢頭猛進(jìn)，在短短幾年內(nèi)，GPS在我國的應(yīng)用以由少數(shù)的幾家科研單位和軍用部門擴(kuò)展到民用領(lǐng)域，GPS的廣泛應(yīng)用已改變了人類的生活方式，提高了工作效率，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。對于經(jīng)典的測量技術(shù)來說，用GPS進(jìn)行測量的主要特點(diǎn)如下：l 觀測站之間無須通視。用GPS測量不要求測站之間相互通視，所以不再需要建標(biāo)，這一技術(shù)可大大減少所需的人力和物力，同時(shí)也使點(diǎn)位的選擇變的靈活l 定位精度高。l 觀測時(shí)間短。l 提供三維坐標(biāo)。l 操作簡便。在觀測中測量員的工作只是安裝并開關(guān)儀器、量取儀器高等簡單工作，大大簡化了工作程序。GPS的測量工作可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)進(jìn)行觀測，不受天氣的影響GPS系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，不僅吸引著一些不同行業(yè)科學(xué)家們的熱心研究和開發(fā)，而且激起了GPS信號接受機(jī)制造商們激烈競爭。它已經(jīng)成為一些電子儀器和測量儀器生產(chǎn)廠家竟相生產(chǎn)的高技術(shù)電子產(chǎn)品。但由于我國的技術(shù)水平很難達(dá)到外國的先進(jìn)水平，所以一直以來在我國測量行業(yè)中所使用的都是外國品牌的接收機(jī)，基于此點(diǎn)作為一家專業(yè)的測繪儀器公司，南方公司以振興測繪民族工業(yè)、 創(chuàng)世界品牌為己任于1995年向廣大用戶推出了可與世界知名品牌相抗衡的自己的產(chǎn)品—南方系列GPS，五年來經(jīng)過南方公司和各界測繪同人的共同努力，南方系列GPS產(chǎn)品已經(jīng)逐漸走向成熟，現(xiàn)已占領(lǐng)中國市場的60%70%，并以出口到歐美和新加坡等地。（見圖21）空間部分：24顆 星廣播L1，L2，衛(wèi) 星軌道，時(shí)間數(shù)據(jù)及輔助資料信息監(jiān)控部分：中央控制系統(tǒng)時(shí)間同步跟蹤衛(wèi)星定軌用戶部分：接收設(shè)備接收衛(wèi)星信號圖21 全球定位系統(tǒng)（GPS）構(gòu)成示意圖1．空間星座部分全球定位系統(tǒng)的空間衛(wèi)星星座，由24顆衛(wèi)星組成，其中包括3顆備用衛(wèi)星。GPS衛(wèi)星在空間上的分布，保證了在地球上任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻均至少可以同時(shí)觀測到4顆衛(wèi)星，加之衛(wèi)星信號的傳播和接收不受天氣的影響，因此GPS是一種全天候、全球性的連續(xù)實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)。軌道平均高度約為20200KM，衛(wèi)星運(yùn)行周期11小時(shí)58分。GPS衛(wèi)星區(qū)分?jǐn)?shù)量發(fā)射時(shí)間用途第一代BlockI111978—1985系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)第二代BlockII281988—1994正式工作第三代BlockIII90年代改善GPS表2－1GPS衛(wèi)星的基本功能是l 接收和儲存由地面監(jiān)控站發(fā)來的導(dǎo)航信息，接收并執(zhí)行監(jiān)控站的控制命令；l 衛(wèi)星上設(shè)有微處理機(jī)，進(jìn)行部分必要得數(shù)據(jù)處理；l 通過星載的高精度時(shí)鐘來提供精確的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)；l 向用戶發(fā)送定位信息；l 在地面監(jiān)控的指令下，通過推進(jìn)器調(diào)整衛(wèi)星的姿態(tài)和啟用備用衛(wèi)星。l 監(jiān)測站，是在主控站控制下的自動采集中心。主控站是管理所有的地面系統(tǒng)，推算星歷、衛(wèi)星鐘差和大氣層的修正參數(shù)，并把這些數(shù)據(jù)送到住入站調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星。3．用戶部分全球定位系統(tǒng)的空間部分和地面監(jiān)控部分，是用戶應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行定位的基礎(chǔ)，而用戶只有通過用戶設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用GPS定位的目的。目前，國際上適于測量的接收機(jī)有眾多品牌，主要由GPS接收機(jī)硬件和軟件來組成。GPS衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號，含有兩種不同精度的測距碼，即所謂P碼（也稱精碼）和C/A碼（也稱粗碼）。標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)的主要對象是廣大的用戶。其單點(diǎn)實(shí)時(shí)定位的精度約為20～30m。為了進(jìn)一步降低標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)的定位精度，以保障美國國家的利益與安全，對GPS工作衛(wèi)星發(fā)布的信號實(shí)行了SA政策，以進(jìn)行認(rèn)為的干擾。SA政策是對非經(jīng)美國政府特許的廣大GPS用戶，采取的降低實(shí)時(shí)定位精度的措施，而對于能夠利用精密定位服務(wù)（PPS）的用戶，則可以自動的消除SA的影響l 精測距碼(P碼)的加密措施（AntiSpooting—AS）。為了擺脫這種限制，當(dāng)前采用的措施主要是：?，F(xiàn)在，我國正著手建立區(qū)域性測軌系統(tǒng)，向廣大用戶提供精密的星歷，這將對我國利用和普及GPS定位技術(shù)，推進(jìn)測繪科學(xué)技術(shù)的現(xiàn)代化，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，一些國家和地區(qū)正在發(fā)展自己的衛(wèi)星導(dǎo)航于定位技術(shù)。另外，歐洲空間局（European Space Agency—ESA）也在發(fā)展一種以民用為主的衛(wèi)星定位系統(tǒng)（簡稱NAVSAT）。上述幾種不同衛(wèi)星定位系統(tǒng)的主要特征如表2—2所示。(DGPS)形式?，F(xiàn)在實(shí)時(shí)差分技術(shù)（Real Time kinematic—RTK）可以實(shí)時(shí)達(dá)到厘米級的精度。差分GPS的應(yīng)用對于需要精密實(shí)時(shí)定位的導(dǎo)航、海洋勘測、航空攝影等各方面有著非常重要的意義。在測量型的GPS接收機(jī)中，基本上都是采取這種方法。圖 2－2 GPS相對定位這種方法一般可推廣到多臺接收機(jī)安置在若干基線的端點(diǎn)，通過同步觀測GPS衛(wèi)星以確定多條基線向量的情況。根據(jù)用戶接收機(jī)在測量過程中所處的狀態(tài)不同，相對定位有靜態(tài)和動態(tài)之分,我們在這里研究的是靜態(tài)定位原理。靜態(tài)相對定位一般均采用載波相位觀測值（或測相偽距）為基本觀測量。實(shí)踐表明，對中等長度的基線（100～500km），其相對定位精度可達(dá)～，甚至更好些。相對以下將介紹的快速靜態(tài)定位法，上述定位方法一般稱為經(jīng)典靜態(tài)相對定位法。在較短的觀測時(shí)間內(nèi)，若忽略所測衛(wèi)星分別圖形變化的昔，則定位的較短近似與觀測歷元的方根成反比。1985年美國的里蒙德（Remond,.）發(fā)展了一種快速的相對定位模式，其基本思想是：首先利用起始基線向量確定初始整周待定值，之后一臺接收機(jī)在參考點(diǎn)上固定不動，而另一臺接收機(jī)在其周圍的觀測站流動并在每一流動觀測站上靜止地與參考點(diǎn)的接收機(jī)基線同步觀測，以確定流動站于固定站之間的相對位置。因此這種方法通常稱之為準(zhǔn)動態(tài)相對定位法，在一些文獻(xiàn)中也稱為“走走停停”（Stop and Go）。為此近年來又要發(fā)展了一種快速靜態(tài)相對定位。由于這種方法速度快、精度高，所以受到GPS用戶的廣泛重視，它將為GPS測量的應(yīng)用開辟新的領(lǐng)域。而其中接收機(jī)和天線是用戶設(shè)備的核心部分，一般習(xí)慣上統(tǒng)稱為GPS接收機(jī)。GPS接收機(jī)的主要組成部分包括：l 天線（帶前置放大器）；l 信號處理器，用于信號識別和處理；l 微處理器，用于接收機(jī)的控制、數(shù)據(jù)采集和導(dǎo)航計(jì)算；l 用戶信息傳輸，包括操作板、顯示板和數(shù)據(jù)存貯器；l 精密振蕩器，用以產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)頻率；l 電源。硬件部分，主要系指接收機(jī)、天線和電源等硬件設(shè)備，而軟件部分是支持接收機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)其功能，并誤差各種導(dǎo)航與定位任務(wù)的重要條件。所謂內(nèi)軟件是指諸如控制接收機(jī)信號通道，按時(shí)序?qū)Ω餍l(wèi)星信號進(jìn)行量測的軟件以