GPS在控制测量中的实际应用.doc

GPS在控制测量中的应用 本章摘要 GPS是全球定位系统，是随着现代科学技术的迅速发展而建立起来的新一代精密卫星导航定位系统GPS定位技术。由于GPS在具有定位精度高、观测时间短、观测站间无需通视、能提供全球统一的地心坐标等特点，被广泛应用于大地控制测量中。本章主要讲述GPS定位系统的组成、GPS定位原理、GPS控制网的技术设计和外业观测，GPS数据处理等内容。并结合昆明市GPS连续运行参考站的建立，讲述了连续运行参考站技术在控制测量中的应用。本章内容是GPS测绘新技术在控制测量中的应用，要掌握GPS定位原理，重点掌握运用GPS建立测量控制网的原理、方法和技术。突出GPS控制网的技术设计、观测方案设计、外业数据采集、GPS数据处理等技能点的学习。 §10.1 GPS概述 全球定位系统（Global Positioning System——GPS）是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资300亿美元，于1994年全面建成。它是一种定时和测距的空间交会定点的导航系统，可以向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置、三维速度和时间信息，为海、陆、空三军提供精密导航，向特殊用户进行授时，还可以用于情报收集、核爆监测、应急通讯和卫星定位等一些军事目的。 10.1.1 系统组成 GPS系统包括三大部分：地面控制部分；空间部分；用户部分。 图10-1显示了GPS定位系统的三个组成部分及其相互关系 图10-1 GPS系统组成 1.地面控制部分 GPS 的地面控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站组成的监控系统所构成（见图10_2）。根据其作用的不同，跟踪站分为主控站、监控站和注入站。主控站有一个，位于美国科罗拉多（ Colorado ）的法尔孔（ Falcon ）空军基地。它的作用是根据各监控站对 GPS 的观测数据，计算出卫星的星历和卫星时钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时，它还对卫星进行控制，向卫星发布指令；当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作；另外，主控站还具有监控站的功能。监控站有 5 个，除了主控站外，其他 4 个分别位于夏威夷（ Hawaii ）、阿松森群岛（ Ascencion ）、迭哥伽西亚（ Diego Garcia ）、和卡瓦加兰（ Kwajalein ）。监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星的工作状态。注入站有 3 个，它们分别位于阿松森群岛（ Ascencion ）、迭哥伽西亚（ Diego Garcia ）、和卡瓦加兰（ Kwajalein ）。注入站的作用是将主控站计算的卫星星历和卫星时钟的改正参数等注入到卫星中去。 地面监控系统提供每颗GPS卫星所播发的星历。并对每颗卫星工作情况进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准－GPS时间系统（GPST）。 2.空间部分 GPS工作卫星及其星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座（见图10-3）。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间夹角为60度，即轨道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角相差90度。每颗卫星的正常运行周期为11h58min，若考虑地球自转等因素，将提前4min进入下一周期。 图10-3　GPS卫星分布 GPS卫星信号： 载波：L波段双频L1 1575.42MHz，L2 1227.60MHz 卫星识别：码分多址（CDMA） 测距码：C/A码（民用），P码（美国军方及特殊授权用户） 导航数据：卫星轨道坐标、卫星钟差方程式参数、电离层延迟修正 3.用户部分 主要指GPS接收机，此外还包括气象仪器、计算机、钢尺等仪器设备组成。 GPS接收机主要由天线单元，信号处理部分，记录装置和电源组成。 天线单元 由天线和前置放大器组成，灵敏度高，抗干扰性强。接收天线把卫星发射的十分微弱的信号通过放大器放大后进入接收机。GPS天线分为单极天线、微带天线、锥型天线等。 信号处理部分 是GPS接收机的核心部分，进行滤波和信号处理，由跟踪环路重建载波，解码得到导航电文，获得伪距定位结果。 记录装置 主要有接收机的内存硬盘或记录卡（CF卡）。 电源 分为外接和内接电池（12V），机内还有一锂电池。 GPS接收机的基本类型主要分为大地型、导航型和授时型三种。(见图10-4)其中，大地型接收机按接收载波信号的差异分为单频（L1）型和双频（L1，L2）型。 RTK系统 导航型接收机 大地型接收机 a b