GPS测量技术与应用

GPS的认识学习目标1、掌握GPS全球定位系统的基本组成；2、掌握GPS测量技术的优越性。知识目标

能通过具体任务，准确分析出GPS测量技术相对于常规工程测量技术的优越性。能力目标

测量实质常用方法点位选取原则GPS全球定位系统

GPS是美国研制的新一代卫星导航定位系统，可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。R1R2R3GPS空间定位示意图GPS全球定位系统—定位基本原理GPS全球定位系统—定位基本原理

利用GPS进行定位，就是把卫星视为“动态”的控制点，在已知其瞬时坐标的条件下，以GPS卫星和用户接收机天线之间的距离为观测量，进行空间后方交会，从而确定接收机天线所处的位置。空间卫星部分地面监控部分用户接收部分GPS全球定位系统的组成空间卫星部分用户接收部分地面控制部分GPS系统的空间部分由GPS卫星组成，称为卫星星座。卫星星座的分布设置要保证地球上任何地点，任何时刻至少可以同时观测到四颗卫星。GPS全球定位系统的组成—空间卫星部分铯原子钟计算机2块7m2的太阳能翼板无线电收发两用机导航荷载（接收数据，发射测距和导航数据）姿态控制和太阳能板指向系统GPS全球定位系统的组成—空间卫星部分GPS卫星结构双叶对日定向太阳能电池帆板，全长5.33m，接受日光面积7.2m2。采用铝蜂巢结构，主体呈柱形，直径为1.5m多波束定向天线，这是一种由12个单元构成的成形波束螺旋天线阵，能发射L1和L2波段的信号，其波束方向图能覆盖约半个地球。在星体两端面上装有全向遥测遥控天线，用于与地面监控网通信。GPS卫星结构GPS卫星迄今已设计了三代。第一代Block1型用于系统实验，称实验卫星，共研制和发射了11颗，设计寿命5年，现已停止工作。第二代Block2和2A型卫星称为工作卫星，共研制了28颗，设计寿命7.5年，从1989年初到1994年上半年发射完毕。第三代Block3和2R型卫星尚在设计中，预计20颗，以取代第二代卫星，改善全球定位系统。GPS卫星星座组成卫星：24颗轨道：面6个长半轴：26609km偏心率：0.01轨道面相对赤道面的倾角：55°各轨道面升交点赤经相差：60°相邻轨道卫星升交距角相差：30°卫星高度：20200km卫星运行周期：11小时58分钟GPS全球卫星分布GPS全球定位系统的组成—空间卫星部分1接收和存储由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的控制指令。2利用卫星上的微处理机，对部分必要的数据进行处理。3通过星载的原子钟提供精密的时间标准。4向用户发送定位信息。5在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星姿态和启用备用卫星。GPS全球定位系统的组成—空间卫星部分GPS全球定位系统的组成—地面监控部分主控站1监控站5注入站3GPS的地面监控部分由分布在全球的5个地面站组成，其中包括卫星监测站（5个）、主控站（1个）和注入站（3个）1、监测站：是主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双频GPS接收机、高精度原子钟、计算机1台和若干台环境数据传感器。观测资料由计算机进行初步处理，存储并传输到主控站，以确定卫星轨道。GPS全球定位系统的组成—地面监控部分主控站监控站监控站注入站/监控站注入站/监控站注入站/监控站监测站的分布夏威夷卡瓦加兰狄哥

伽西亚阿松森岛科罗拉多2、主控站除协调和管理地面监控系统外，主要任务：1）根据本站和其它监测站的观测资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气修正参数，并将数据传送到注入站。2）提供全球定位系统的时间基准。各监测站和GPS卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，测出其间的钟差，将钟差信息编入导航电文，送入注入站。3）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。4）启用备用卫星代替失效工作卫星。GPS全球定位系统的组成—地面监控部分3、注入站：主要设备为1台直径3.6m的天线、1台c波段发射机和1台计算机。主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。整个GPS系统的地面监控部分，除主控站外均无人值守。各站间用现代化通讯网络联系，在原子钟和计算机的驱动和控制下，实现高度的自动化标准化。GPS全球定位系统的组成—地面监控部分接收机调制解调器铯钟气象传感器监测站观测星历与时钟主控站计算误差编算注入导航电文调制解调器高功率放大器指令发生器数据存储器和外部设备注入站数据处理机数据处理机L1L2S波段GPS卫星GPS卫星地面监控系统流程图负责监控全球定位系统的工作：监测卫星是否正常工作，是否沿预定的轨道运行跟踪计算卫星的轨道参数并发送给卫星，由卫星通过导航电文发送给用户保持各颗卫星的时间同步必要时对卫星进行调度GPS全球定位系统的组成—地面监控部分用户部分组成GPS信号接收机及相关设备（数据传输设备、数据处理软件、计算机）GPS接收机接收、跟踪、变换和测量GPS信号的无线电设备GPS接收机的组成

天线、接收机、处理器、控制显示单元、电源GPS接收机的作用接收GPS卫星发射的无线电信号，以获得必要的定位信息和观测量，并经过数据处理而完成定位工作GPS全球定位系统的组成—用户接收部分GPS接收机TRIMBLEASHTECHLEICAGPS接收机GPS全球定位系统的组成—用户接收部分构成GPS接收机数据传输设备数据处理软件计算机任务1对比导线测量的等级与技术要求，分析GPS测量技术相对导线测量的技术优越性。导线测量的等级与技术要求等级测图比例尺附合导线长度/m平均边长/m测距中误差/mm测角中误差

/″导线全长相对闭合差测回数方位角闭合差/″DJ2DJ6一级3600300≤±15≤±5≤1/1400024≤二级2400200≤±15≤±8≤1/1000013≤三级1500120≤±15≤±12≤1/600012≤图根1:50090080≤1/40001≤1:100018001501:20003000250任务1分析导线测量1、测角精度受测回数的限制。提高精度需增加测回数。2、导线要求边长大致相等；且不同的等级，导线边长要求不同，选点困难。GPS测量1、无需测角、测距直接测得点的空间坐标。2、GPS测量对边长无明显要求，选点灵活。任务2

桂林小溶江引洪工程引水隧洞长约8km,引洪工程需要在隧洞进口、隧洞出口、支洞1、支洞2分别布设平面控制网，并且各个控制网必须联成一体,保持统一的系统和整体的精度。该地区为中低山峡谷地形，呈阶梯状向两岸逐步抬升，山地高程一般在400～800m之间，支洞一及支洞二之间有两座高山相隔。任务2分析常规控制测量：工程建在困难山区,交通不便,地形复杂,通视条件差。采用全站仪布设常规导线控制网,受地形、通视条件的限制,通常几何结构较差,控制网验后精度不高。GPS控制测量：要求通视条件不高；1点位布设灵活，数量少，省去了坐标传算点和过渡点；23减小工作量，提高效率，经济效益良好。4网形没有太严格的要求,布设带状控制网更显其优越性;任务3

结合实物（徕卡SR20）及其技术参数，分析GPS测量技术相对传统工程测量技术的优越性。部分技术参数：尺寸：21.5cmL×9cmW×5cmD

重量：0.652公斤，包括可充电锂电池

功耗：2.1瓦，典型环境，20℃，内部7.2伏，外部12伏

运行温度：-20℃~55℃

存储温度：-40℃~75℃

湿度：99%非冷凝

防震：抗1.2米跌落后处理基线精度：

5~10mm+2ppm任务3分析接收机体积小，重量轻，易携带操作简单，自动化程度高定位精度高任务4

A10合同段路线全长2.407km。桥梁共5座（特大桥1座，大桥4座，总长1865.52m）。本标段线路沿山腰布设，现场交通条件较差。本项目沿线地处三峡库区长江北岸，位于重庆市东部构造侵蚀、溶蚀中、低山、丘陵地貌区，沿线山岭连绵。受沿线地形和地质情况控制桥址地处亚热带湿润区，其特点是春天回春早，但不稳定，常出现低温阴雨及寒潮；夏季长，气温高，降雨量多而集中，间有洪涝；秋季气温下降快，常阴雨连绵；冬季短，多雾。任务4分析点位布设灵活，数量少，省去了坐标传算点和过渡点3点间无需通视；11可全天候作业2GPS测量技术的优越性测站间无需通视定位精度高优越性全天候作业操作简单，