工程测量教案第七章全球卫星定位系统简介

工程测量刘娟编写第七章全球卫星定位系统简介

⁇全球卫星定位系统的组成⁇全球卫星定位系统的基本原理⁇GPS接收机的组成和原理⁇GPS测量的实施GPS（GlobalPositioningSystem）即全球卫星定位系统，是美国国防部于1973年12月正式批准陆、海、空三军共同研制的第二代卫星导航定位系统。该系统可提供一天24小时全球定位服务，能为用户提供高精度的七维信息（三维位置、三维速度、一维时间）。GPS的建成是导航与定位史上的一项重大成就，是继美国“阿波罗”登月飞船、航天飞机后的第三大航天工程。目前，GPS被广泛应用于地球动力学的研究、测绘、导航、军事、天气预报等领域。§7.1全球卫星定位系统的组成二、地面监控部分GPS的地面监控系统主要由分布在全球的五个地面站组成，按其功能分为主控站（MCS）、注入站（GA）和检测站（MS）。主控站一个，设在美国科罗拉多的联合空间执行中心（CSOS）。主要负责协调和管理所有地面监控系统的工作，具体任务有：根据所有地面监测站的资料推算编制各卫星的星历，卫星钟差和大气层的修正参数等，并把这些数据和导航电文传到注入站；提供全球定位系统的时间基准；调整卫星状态和启用备用卫星等。

GPS的地面监控系统主要由分布在全球的五个地面站组成，按其功能分为主控站（MCS）、注入站（GA）和检测站（MS）。注入站又称地面天线站，其主要任务是通过一台直径为3.6m的天线，将来自主控制站的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令注入到相应卫星的存储系统，并检测注入信息的正确性。注入站现有3个，分别设在印度洋、南太平洋和南大西洋的美军基地上。

GPS的地面监控系统主要由分布在全球的五个地面站组成，按其功能分为主控站（MCS）、注入站（GA）和检测站（MS）。监测站共有5个。监测站的主要任务连续观测和接受所有GPS卫星发出的信号并监测卫星的工作状态，将采集到的数据连同当地的气象观测资料和时间信息经初步处理后传送到主控站。

三、用户设备部分全球定位系统的用户设备部分包括GPS接收机硬件、数据接收软件和微处理机及其终端设备等。GPS信号接收机是用户设备部分的核心，一般由主机、天线和电源三部分组成，其主要功能是跟踪接收GPS卫星发射的信号，并进行变换、放大处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间；解译导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。

§7.2全球卫星定位系统的基本原理一、WGS-84世界大地坐标系目前采用的WGS-84坐标系是一个地心、地固坐标系，其原点为地球质心。坐标系的定向与BIH（国际时间局）所定义的方向相一致，亦即该坐标系的Z轴平行于协议地球极的方向，零子午圈平行于BIH所规定的零子午圈；X轴为WGS参考子午圈与平行于CTP赤道的平面的交线，当然，该平面必通过WGS所定义的地球质心，Y轴同X轴、Z轴构成右手坐标系。二、GPS定位原理GPS定位的基本原理是：以GPS卫星和用户接收机天线之间距离的观测量为基础，根据已知的卫星瞬时坐标来确定用户接收机所对应点位的三维坐标（x，y，z），其实质是以卫星为“控制点”的距离交会法。由此可知，GPS定位的关键是测定用户接收机天线至GPS卫星之间的距离。§7.3GPS接收机的组成和原理GPS接收机的主要功能是接收GPS卫星发射的信号，并进行处理，获取导航电文和必要的观测量。

GPS接收机的主要结构组成天线（带前置放大器）；信号处理器：用于信号识别与处理；微处理器：用于接收机的控制、数据采集和导航计算；用户信息传输：包括操作板、显示板等；精密震荡器：产生标准频率；电源。

接收机天线的类型：接收机天线有多种类型，其基本类型如下：①单极或偶极天线：属于单频天线，结构简单，体积小，通常安装在一块基板上，减弱多路径影响。②四线螺旋形或螺旋形结构天线：属于单频天线，结构较单极天线复杂，生产中难以调整，但增益性好，一般不需底板。③微波传输带型天线：简称微带天线。结构最为简单和坚固，即可用于单频，也可用于双频，天线高度低，是安装在飞机上的理想天线。缺点是增益性低，但可采用低噪声前置放大器加以弥补。

§7.4GPS测量的实施一、GPS控制网的精度指标级别固定误差a（mm）比例误差系数AA≤3≤0.01A≤5≤0.1B≤8≤1C≤10≤5D≤10≤10E≤10≤20二、网形设计GPS网的图形设计就是根据用户要求，确定具体的布网观测方案，其核心是高质量、低成本地完成预定的测量任务。通常在进行GPS网设计时，必须顾及测站选址，卫星选择，仪器设备装置与后勤交通保障等因素。当网点位置、接收机数量确定后，网的设计就主要体现在观测时间的确定、网形及各点设站观测的次数等方面。三、选点、建标志（1）测点周围应便于安置接收设备和操作，视野开阔，视场内障碍物的高度角不宜超过15°。（2）远离大功率无线电发射源（如电视台、电台、微波站等），其距离不小于200m；远离高压输电线和微波无线电信号传送通道，其距离不得小于50m。（3）附近不应有强烈反射卫星信号的物件（如大型建筑物等）。（4）交通方便，并有利于其它测量手段扩展和联测。（5）地面基础稳定，易于点的保存。（6）AA，A，B级GPS点，应选在能长期保存的地点。（7）充分利用符合要求的旧有控制点。（8）选站时应尽可能使测站附近的小环境（地形、地貌、植被等）与周围的大环境保持一致，以减少气象元素的代表性误差。四、外业观测外业观测是指利用GPS接收机采集来自GPS卫星的电磁波信号，其作业过程大致可分为天线安置、接收机操作和观测记录。外业观测应严格按照技术设计时所拟定的观测计划进行实施，只有这样，才能协调好外业观测的进程，提高工作效率，保证测量成果的精度。为了顺利的完成观测任务，在外业观测之前，还必须对所选定的接收设备进行严格的检验。五、内业数据处理1.数据预处理2.GPS基线向量的解算3.GPS网平差六、技术总结和上交资料1.外业技术总结（1）测区及其位置，自然地理条件，交通，通讯及供电情况；（2）任务来源，项目名称，测区已有测量成果情况，本次施测的目的及基本精度要求；（3）施工单位，施测时间，技术依据，作业人员的数量及技术状况等；（4）作业仪器类型、精度、检验及使用状况；（5）点位观测质量的评价，埋石与重合点情况；（6）联测方法，完成各级点数量，补测与重测情况以及作业中存在问题的说明；（7）外业观测数据质量分析与野外数据检核情况。2.内业技术总结（1）数据处理方案，所采用的软件，所采用的星历，起算数据，坐标系统以及无约束，约束平差情况；（2）误差检验及相关参数与平差结果的精度估