【正文】 1 第 1 章 緒 論 GPS 是全球定位系統(tǒng) 是 （ global positioning system）的英文縮寫(xiě)，是隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展而建立起來(lái)的新一代精密衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。 它的含義是：利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)時(shí)和測(cè)距，以構(gòu)成全球定位系統(tǒng)。因此， GPS技 術(shù)在大地測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量、海洋測(cè)量、城市測(cè)量等測(cè)繪領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在物探測(cè)量工作中廣泛普及及應(yīng)用。 GPS 衛(wèi)星定位系統(tǒng)由 3部分組成：空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收設(shè)備部分。 。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時(shí)間都可觀測(cè)到 4 顆以上的衛(wèi)星 ,并能保持良好定位解算精度的幾何圖象。 GPS 衛(wèi)星產(chǎn)生兩組電碼 ,一組稱為 C/A 碼(Coarse/Acquisition Code11023MHz)。 C/A 碼人為采取措施而刻意降低精度后 ,主要開(kāi)放給民間使用。監(jiān)測(cè)站均配裝有精密的銫鐘和能夠連續(xù)測(cè)量到所有可見(jiàn)衛(wèi)星的接受機(jī)。主控站從各監(jiān)測(cè)站收集跟蹤數(shù)據(jù) ,計(jì)算出衛(wèi)星的軌道和時(shí)鐘參數(shù) ,然后將結(jié)果送到 3 個(gè)地面控制站。這種注入對(duì)每顆 GPS 衛(wèi)星每天一次 ,并在衛(wèi)星離開(kāi)注入站作用范圍之前進(jìn)行最后的注入。 用戶設(shè)備部分即 GPS 信號(hào)接收機(jī)。當(dāng)接收機(jī)捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號(hào)后，即可測(cè)量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率 ,解調(diào)出 衛(wèi)星軌道參數(shù) 等數(shù)據(jù)。接收機(jī)硬件和機(jī)內(nèi) 軟件 以及 GPS 數(shù)據(jù)的后處理 軟件包 構(gòu)成完整的 GPS 用戶設(shè)備。接收機(jī)一般采用機(jī)內(nèi)和機(jī)外兩種直流電源。在用機(jī)外電源時(shí)機(jī)內(nèi)電池自動(dòng)充電。目前各種類型的接受機(jī)體積越來(lái)越小，重量越來(lái)越輕，便于野外觀測(cè)使用。要達(dá)到這一目的，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時(shí)鐘所記錄的時(shí)間在衛(wèi)星星歷中查出。 GPS 系統(tǒng)使用的偽碼一共有兩種，分別是民用的 C/A 碼和軍用的 P(Y)碼。而 Y碼是在 P碼的基礎(chǔ)上形成的，保密性能更佳。它是從衛(wèi)星信號(hào)中解調(diào)制出來(lái)，以 50b/s 調(diào)制 在載頻上發(fā)射的。前三幀各 10 個(gè)字碼；每三十秒重復(fù)一次，每小時(shí)更新一次。 導(dǎo)航電文中的內(nèi)容主要有遙測(cè)碼、轉(zhuǎn)換碼、第 3數(shù)據(jù)塊，其中最重要的則為星歷數(shù)據(jù)。 其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，主要有以下幾點(diǎn) [1]： ? 在大地測(cè)量、工程測(cè)量中的應(yīng)用： 由于 GPS 系統(tǒng)具有精度高、速度快、費(fèi)用省、操作簡(jiǎn)便，現(xiàn)今建立大地及工程控制網(wǎng)基本上是采取 GPS 定位技術(shù)，取代了常規(guī)手段。 B級(jí)網(wǎng)由 800 個(gè)點(diǎn)組成，其精度也分別好于 410 － 7 和 810 － 7。據(jù)報(bào)道在三峽二期工程施工中采用 GPS 定位技術(shù)建立施工控制網(wǎng)，取得很好的效果，可以滿足其相應(yīng)的精度要求；在青藏鐵路的建設(shè)中，從勘測(cè)到施工均采用了 GPS 定位技術(shù)，都取得了很好的效果。 ? 在地籍和房產(chǎn)測(cè)繪中的應(yīng)用： 地籍及房地產(chǎn)測(cè)量是精確測(cè)定土地權(quán)屬界址點(diǎn)位置，同時(shí)測(cè)繪大比例尺地籍平面圖和房產(chǎn)圖并量算土地和房屋面積，供土地和房產(chǎn)管理部門(mén)使 用。而利用 GPS 定位技術(shù)，特別是采用 RTK 技術(shù)替代常規(guī)方法測(cè)繪地籍及房產(chǎn)成為可能。因此，它具有速度快，精度高且分布均勻等特點(diǎn)。隔河巖水電站大壩外觀變形 GPS 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)全自動(dòng)，應(yīng)用廣播星歷 1~2 小時(shí) GPS 觀測(cè)資料解算的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，水平精度優(yōu)于 ，垂直精度優(yōu)于 ， 6小時(shí)的 GPS觀測(cè)資料解算，水平精度、垂直精度均優(yōu)于 1mm。以往的地質(zhì)測(cè)量工作主利用傳統(tǒng)手段如經(jīng)緯儀、全站儀等測(cè)量?jī)x器進(jìn)行人工測(cè)量，然后在室內(nèi)整理計(jì)算得到最終 結(jié)果。時(shí)間周期也長(zhǎng)，不能及時(shí)反映礦產(chǎn)資源的實(shí)際現(xiàn)狀。 黑龍江工程學(xué)院成人教育學(xué)院本科生畢業(yè)論文 4 ? 航海、航空方面 ： 歐洲的 Galileo 便是新建的全球?qū)Ш叫亲?，它與 GPS 配合起來(lái)，可以大大提高導(dǎo)航衛(wèi)星的可用性，使單一的 GPS 市區(qū)可用性從 55%提高到 GPS/Galileo 共用時(shí)的95%。衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)廣泛地用于海上行駛的各類船只， DGPS 則廣泛地用于沿岸與進(jìn)港，以及內(nèi)河行駛的船只，精度可達(dá)到 23m。許多漁船將 GPS 與雷達(dá)和魚(yú)探器結(jié)合在一起，產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)際上，這是移動(dòng)計(jì)算機(jī) (PDA)、蜂窩電話和 GPS 接收機(jī)的系統(tǒng)集成和完美整合。還有在車輛監(jiān)控管理、汽車導(dǎo)航與信息服務(wù)等也有廣泛的應(yīng)用。該系統(tǒng)用 5到 6 顆衛(wèi)星組成的星網(wǎng)工作，每天最多繞過(guò)地球 13 次，并且無(wú)法給出高度信息，在定位精度方面也不盡如人意。由于衛(wèi)星定位顯示出在導(dǎo)航方面的巨大優(yōu)越性及子午儀系統(tǒng)存在對(duì)潛艇和艦船導(dǎo)航方面的巨 大缺陷。 全球定位系統(tǒng)（ Global Positioning System 簡(jiǎn)稱 GPS）是美國(guó)從上世紀(jì) 70年代開(kāi)始研制的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。它是當(dāng)今世界上最實(shí)用，也是應(yīng)用最廣泛的全球精密導(dǎo)航、指揮和調(diào)度系統(tǒng)。我國(guó)也于 1995 年開(kāi)始分步建設(shè)北京、上海、武漢、拉薩、烏魯木齊、西安、西寧、昆明、?？?、哈爾濱等 GPS 永久性跟蹤站，這些跟蹤站的觀測(cè)數(shù)據(jù)每天通過(guò)國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)傳向美國(guó)的數(shù)據(jù)處理中心。目前， GPS 技術(shù)已普遍應(yīng)用于大地測(cè)量、工程測(cè)黑龍江工程學(xué)院成人教育學(xué)院本科生畢業(yè)論文 5 量、地殼形變監(jiān)測(cè)、航空攝影測(cè)量以及海洋測(cè)繪等諸多測(cè)量領(lǐng)域。 由于 GPS 技術(shù)所具有的全天候、高精度和自動(dòng)測(cè)量的特點(diǎn)，作為先進(jìn)的測(cè)量手段和新的生產(chǎn)力，已經(jīng)融入了國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域 隨著冷戰(zhàn)結(jié)束和全球經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，美國(guó)政府宣布 2020 年至 2020 年期間，在保證美國(guó)國(guó)家安全不受威脅的前提下，取消 SA 政策， GPS 民用信號(hào)精度在全球范圍內(nèi)得到改善，利用 C/A 碼進(jìn)行單點(diǎn)定位的精度由 100米提高到 20米，這將進(jìn)一步推動(dòng) GPS 技術(shù)的應(yīng)用，提高生產(chǎn)力、作業(yè)效率、科學(xué)水平以及人們的生活質(zhì)量，刺激 GPS 市場(chǎng)的增長(zhǎng)。可見(jiàn)， GPS 技術(shù)市場(chǎng)的應(yīng)用前景非?？捎^。用實(shí)時(shí) GPS 動(dòng)態(tài)測(cè)量 , 構(gòu)成碎部點(diǎn)的數(shù)據(jù)。 ? 控制測(cè)量 ： 用 GPS 建立控制網(wǎng) ， 最精密的方法當(dāng)屬靜態(tài)測(cè)量。 而一般公路工程的控制測(cè)量 ， 則可采 用 RTK 動(dòng)態(tài)測(cè)量。當(dāng)達(dá)到要求的點(diǎn)位精度 ， 即可停止觀測(cè) ， 大大提高了作業(yè)效率。 ? 線路勘測(cè) ： 在公路選線過(guò)程中 ， 我們往往要按照勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范 ， 本著盡量減少占用農(nóng)田、少拆遷房屋并盡量利用舊路路基這樣一個(gè)原則 ， 為了準(zhǔn)確設(shè)計(jì)好道路中線路使其符合設(shè)計(jì)要求 , 我們可以利用 GPSRTK 技術(shù) , 用車載 GPSRTK 接收機(jī)做流動(dòng)站 ，沿原路中線按一定間隔采集數(shù)據(jù) ， 選擇另一已知點(diǎn)為參考站 ， 遇到重要地物 ， 準(zhǔn)確定位 ， 最后將數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī) ， 利用 AutoCAD 軟件可以方便在計(jì)算機(jī)上選線。采用實(shí)時(shí) GPS 測(cè)量 ， 只需將中樁點(diǎn)坐標(biāo)或坐標(biāo)文件輸入到GPS 電子手簿中 ， 系統(tǒng)軟件就會(huì)自動(dòng)定出放樣點(diǎn)的點(diǎn)位由于每個(gè)點(diǎn)的測(cè)量都是獨(dú)立完成的 ， 所以不會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差 , 各點(diǎn)放樣精度趨于一致。采用動(dòng)態(tài) GPS 測(cè)量 ， 只需將中線主點(diǎn)的坐標(biāo)輸入 GPS 接收機(jī)中 ， 系統(tǒng)就會(huì)定出放 樣的點(diǎn)位。 ? 公路縱、橫斷面放樣 ： 公路中線確定 ， 利用中線樁點(diǎn)坐標(biāo) ， 通過(guò)繪圖軟件 ， 即可給出路線縱斷面和各樁點(diǎn)的橫斷面。從而大大減少了外業(yè)工作。與傳統(tǒng)方法相比 ， 在精度、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用各方面都有明顯的優(yōu)勢(shì)。施工中對(duì)點(diǎn)、線、面以及坡度等放樣均很方便 、快捷 ， 精度可達(dá)到厘米級(jí)。 RTK技術(shù)在道路測(cè)量中的優(yōu)缺點(diǎn) ? 優(yōu)點(diǎn)： ① 工作效率高。 ② 定位精度高。 ③ 全天候作業(yè)。 ④ RTK測(cè)量自動(dòng)化、集成化程度高 , 數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)。移動(dòng)站利用軟件控制系統(tǒng) , 無(wú)需人工干預(yù)便可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)多種測(cè) 繪功能 , 減少了輔助測(cè)量工作和人為誤差 , 保證了作業(yè)精度。當(dāng)衛(wèi)星系統(tǒng)位置對(duì)美國(guó)是最佳時(shí)段 ,但世界上有些國(guó)家在某一確定的時(shí)間段仍然不能很好地被衛(wèi)星所覆蓋 ,容易產(chǎn)生假值。產(chǎn)生假值問(wèn)題可采用 RTK 測(cè)量成果的質(zhì)量控制方法來(lái)發(fā)現(xiàn)。 ②電量不足問(wèn)題。 ③初始化能力和所需時(shí)間問(wèn) 題。解決這個(gè)問(wèn)題的方法主要是選用初始化能力強(qiáng)、所需時(shí)間短的 RTK 機(jī)型 ,如擁有先進(jìn)技術(shù)的 ASHTECH ZX 雙頻 RTK 測(cè)量系統(tǒng)。 RTK成果精度的因素 一般來(lái)說(shuō) , 影響 RTK 成果精度的因素主要是 GPS 觀測(cè)其有誤差源 , 除此之外 , 還有受基線解算精度、基準(zhǔn)站點(diǎn)位精度、坐 標(biāo)系轉(zhuǎn)換精度的影響 , 但是在 RTK 作業(yè)中 , 基線解算精度可以達(dá)到 10cm+1μmD。 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換精度 , 對(duì)于 10km 基線亦在 3cm以內(nèi) , 動(dòng)態(tài)作業(yè)由于測(cè)距偏心 , 天線高誤差等 , 一般也在 3cm 以內(nèi) , 至于正常高擬合與內(nèi)插精度取決于連測(cè)點(diǎn)數(shù)目與分布、擬合模型等 , 一般在 5cm～ 10cm 內(nèi)是能夠做到的。由于載波相 位測(cè)量 ,差分處理技術(shù)、整周未知數(shù)、快速求解技術(shù)以及移動(dòng)數(shù)據(jù)通信技術(shù)的融合 ,使 RTK在精度、速度、實(shí)時(shí)性上達(dá)到了完滿的結(jié)合 ,并使得 RTK定位技術(shù)大大擴(kuò)展了它的應(yīng)用范圍。黑龍江工程學(xué)院成人教育學(xué)院本科生畢業(yè)論文 8 在發(fā)達(dá)國(guó)家， GPS 技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于交通運(yùn)輸和道路工程之中。系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)是：建成獨(dú)立自主、開(kāi)放兼容、技術(shù)先進(jìn)、穩(wěn)定可靠的覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，促進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)鏈形成，形成完善的國(guó)家衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)支撐、推廣和保障體系，推動(dòng)衛(wèi)星導(dǎo)航在國(guó)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)各行業(yè)的廣泛應(yīng)用。 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是重要的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施。 2020 年，首先建成北斗導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)，使我國(guó)成為繼美、俄之后的世界上第三個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家。特別是在 2020 年北京奧運(yùn)會(huì)、汶川抗震救災(zāi)中發(fā)揮了重要作用。 我們相信我國(guó)北斗系統(tǒng)也會(huì) 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在高等級(jí)公路的快速修建和其在道路工程中的應(yīng)用也會(huì)更加廣泛和深入，并發(fā)揮更大的作用。 GPS測(cè)量模式可分為靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量 ， 而靜態(tài)測(cè)量又分為常 規(guī)靜態(tài)測(cè)量模式和快速測(cè)量模式 。 RTK技術(shù)與其他測(cè)量模式相比，具有 定位精度高、測(cè)量自動(dòng)化、集成化程度高、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、使用方便的等特點(diǎn)。通常是利用 2臺(tái)以上的 GPS接收機(jī)同時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)，其中一臺(tái)安置在已知點(diǎn)上作為基準(zhǔn)點(diǎn)，另一臺(tái)用 來(lái)未知點(diǎn)坐標(biāo)，稱移動(dòng)站。 RTK 技術(shù)根據(jù)差分方法的不同分為修正法和差分法。 RTK系統(tǒng)正常工作必須具備三個(gè)條件：第一，基準(zhǔn)站和移動(dòng)站同時(shí)接收 5顆以上的 GPS衛(wèi)星信號(hào)；第二，基準(zhǔn)站與 移動(dòng)站同時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)和基準(zhǔn)站臺(tái)發(fā)出的差分信號(hào)；第三，移動(dòng)站要連續(xù)接收 GPS衛(wèi)星信號(hào)和基準(zhǔn)站發(fā)出的差分信號(hào)，也就是說(shuō)移動(dòng)站在移動(dòng)過(guò)程中不關(guān)機(jī)，不能失鎖，否則 RTK 必須重 新初始化。 GPS 測(cè)量的方案設(shè)計(jì)依據(jù)國(guó)家有關(guān)規(guī)范（規(guī)程）、 GPS 網(wǎng)的用途、用戶要求等對(duì)網(wǎng)形、精度和基準(zhǔn)等進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。 黑龍江工程學(xué)院成人教育學(xué)院本科生畢業(yè)論文 10 ? 1998 年建設(shè)部發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《全球定位系統(tǒng)城市測(cè)量規(guī)程》，簡(jiǎn)稱《規(guī)程》。 外業(yè)測(cè)量開(kāi)始前，要進(jìn)行對(duì)點(diǎn)的校核，找準(zhǔn)控制點(diǎn)（至少三個(gè)），即開(kāi)始進(jìn)行中線測(cè)量工作 [2]。由此可繼續(xù)進(jìn)行下一里程的中線測(cè)量，每 20公里進(jìn)行中樁記錄，由此可實(shí)時(shí)測(cè)得所有里程全部中 樁點(diǎn)的三維坐標(biāo)。相對(duì)的地勢(shì)平坦區(qū)，只采集必要的主要邊界點(diǎn)即可，并在現(xiàn)場(chǎng)繪制草圖 ,以便內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。與 WGS－ 84 坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)的橢球是 “WGS － 84橢球 ” 。 2m； 扁 率 :α = 1/ = ； ※ WGS－ 84 坐標(biāo)系統(tǒng)從 1987 年 1 月 10 日開(kāi)始使用。 其對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)參數(shù)為 : 長(zhǎng)半軸 : a = 6378245m； 扁 率：α = 1/ = ； 三、 1980 年國(guó)家大地坐標(biāo)系 1980 年國(guó)家大地坐標(biāo)系的大地原點(diǎn)在陜西省涇陽(yáng)縣永樂(lè)鎮(zhèn) ,與之相應(yīng)的橢球?yàn)?975 年國(guó)際橢球 ,橢球短軸平行于地球質(zhì)心指向我國(guó)地極原點(diǎn) 方向。 Z軸指向 定義的協(xié)議極地方向（ BIH國(guó)際時(shí)間局）， X 軸指向 定義的零子午面 與協(xié)議赤道的交點(diǎn)， Y軸按右手坐標(biāo)系確定。 “ 地方參考橢球 ” 與國(guó)家參考橢球相比其數(shù)學(xué)參數(shù)可表示為 : ? ?。/。 此坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型亦稱為相似變換模型，或稱為布爾薩 （ Bursa）模型。0001??????????????????????????????????????????????????????????????GiGiGiXYXZYZGiGiGiDiDiDiZYXZYXkZYXZYX??????。?????????????????????????GiGiGiGiDiDiDiDiiGiDiZYXXZYXXRCXX其中??????????????010000100001GiGiGiGiGiGiGiGiGiiXYZXZY