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1、摘 要GPS即全球定位系统是美国从上世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元的美国第二代卫星导航系统，当前，GPS技术已广泛应用于大地测量、资源勘查、地壳运动、地籍测量等领域，特别是在测量领域。本文介绍了GPS的特点、发展及应用、GPS的组成及工作原理，外业测量、工作流程、GPS基线解算的基本原理等。根据GPS测量的技术特点，论述了GPS在307国道实际测量工作中的应用。第二部分主要讲述了视距测量的原理，然后根据视距测量的原理编写了用视距测量中的三种视距计算方法：倾斜视距、三角高差、水平视距。关键词： GPS；307国道工程；控制测量；视距测量； AbstractGPS is glo
2、bal positioning system from the United States in the 1970s started to develop, which lasted 20 years, the cost of 20 billion U.S. dollars in the second generation of satellite navigation systems, the current, GPS technology has been widely used in geodesy, resource exploration, crustal movement, Cad
3、astral, and other fields, particularly in the areas of measurement. In this paper, the GPS feature of the development and application, GPS and the composition of principle, field measurement, workflow, GPS baseline solution, such as the basic principle. GPS measurements in accordance with the techni
4、cal characteristics, on the GPS in 307 countries, the actual measurement of work.The second part mainly on the principle of measuring the line-of-sight, and then the-horizon measured in accordance with the principles prepared by the-horizon measured in the three-horizon calculated as follows: tilt-h
5、orizon, the 1.30 height difference, level-horizon. Key words: GPS; 307 National Road project; control measurement; the-horizon measurementmeasurement;目 录第一篇 GPS定位系统在公路工程控制测量中的应用1第一章 绪论1第一节 GPS全球定位系统的概念1一、 概念1二、 GPS系统的特点1第二节 GPS定位技术的应用现状3一、 GPS的应用按其使用领域简单介绍如下3二、 我国的GPS定位技术应用情况4三、 前景5第二章 GPS卫星全球定位系统6第
6、一节 GPS卫星定位系统的组成6一、 空间部分6二、 GPS地面监控部分7三、 用户部分8第二节 GPS卫星的导航定位信号10一、 概述10二、 GPS信号接收机的组成及原理11第三节 GPS卫星定位原理14一、 概述14二、 GPS几种定位方式16第四节 GPS导航定位误差18一、 与GPS卫星有关的误差18二、 与卫星信号传播有关的误差19三、 接收设备有关的误差20第三章 GPS外业测量23第一节 影响GPS测量技术设计的因素23第二节 GPS网的布设23一、 步网23第三节 GPS的坐标系统和时间系统24一、 WGS-84大地坐标系24二、 1954年北京坐标系25三、 1980年国家
7、大地坐标系25四、 新1954年北京坐标系26五、 GPS时间系统26第四章 工作流程27第一节 GPS控制网的内业设计27一、 GPS控制网设计27二、 影响GPS测量技术设计的因素29三、 GPS控制网的图形设计29四、 技术指标30第二节 GPS控制网的外业设计30一、 选点要求30二、 埋石31三、外业观测31第三节 GPS控制网的外业实施32一、 仪器准备32二、 接收机及附属设备的检验与维护34三、 人员组织34四、 仪器安装34五、 野外观测34第四节 数据传输与数据处理35一、 数据传输35二、 数据处理37第五章 GPS基线解算的基本原理40第一节 基线解算原理40一、 基线
8、解算40二、 GPS基线解算的分类42三、 GPS基线解算的过程43第二节 GPS测量数据的预处理44第三节GPS基线解算的质量监控45第四节 影响GPS基线解算结果的因素48一、 影响GPS基线解算结果的因素的判别48二、 GPS基线解算精化处理技术49三、 利用残差图来判断影响基线解算结果质量的因素49第六章 实例51阳泉市307国道复线坡头至水峪项目51一， 项目概述：51二， 项目内业设计：51三 项目外业设计：52四、 数据处理及精度分析53五、 技术总结与成果资料提交53小 结55第二篇 视距测量程序56第一章视距测量原理与计算56第一节 视距测量原理56一、 原理56二、 视距测
9、量的观测与计算56三、 视距测量特点56第二节程序界面及代码57外文资料64Theodolites (1)64Surveying Instruments68参考文献80致 谢81第一篇 GPS定位系统在公路工程控制测量中的应用第一章 绪论第一节 GPS全球定位系统的概念一、 概念GPS即全球定位系统（Global Positioning System）是美国第二代卫星导航系统,是美国从上世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与
10、定位系统。和子午仪系统一样，全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。按目前的方案，全球定位系统的空间部分使用24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座。21+3颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分，分布在六个轨道面上（每轨道面四颗），轨道倾角为55度。卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。其应用技术已遍及国民经济的各个领域。特别是在测量领域.我以山西省重点工程，2006年开工建设的阳泉市307国道复线坡头至水峪项目为例，概略叙述GPS在307国道建设及在公路
11、工程控制测量中的应用。二、 GPS系统的特点GPS系统的特点：高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等。1、定位精度高应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50KM以内可达10-6，100-500KM可达10-7，1000KM可达10-9。在300-1500M-工程精密定位中，1小时以上观测的解其平面位置误差小于1mm，与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较，其边长较差最大为0.5mm,校差中误差为0.3mm。2、观测时间短随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20KM以内相对静态定位，仅需15-20分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15KM以内
12、时，流动站观测时间只需1-2分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟.3、测站间无须通视GPS测量不要求测站之间互相通视，只需测站上空开阔即可，因此可节省大量的造标费用。由于无需点间通视，点位位置可根据需要，可稀可密，使选点工作甚为灵活，也可省去经典大地网中的传算点、过渡点的测量工作。4、可提供三维坐标经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测。GPS可同时精确测定测站点的三维坐标。目前GPS水准可满足四等水准测量的精度。5、操作简便随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“傻瓜化”的程度；接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。使野外
13、工作变得轻松愉快。6、全天候作业目前GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行,不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。7、功能多、应用广GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1M/S，测时的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。当初，设计GPS系统的主要目的是用于导航，收集情报等军事目的。但是，后来的应用开发表明，GPS系统不仅能够达到上述目的，而且用GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位，米级至亚米级精度的动态定位，亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量。因此，GPS系统展现了极其广阔的应用前景第二节 G
14、PS定位技术的应用现状如人们所说：GPS的应用，仅受人们的想象力制约。GPS问世以来，已充分显示了其在导航，定位领域的霸主地位。许多领域也由于GPS的出现而产生革命性变化。目前，几乎全世界所有需要导航，定位的用户，都被GPS的高精度，全天候，全球覆盖，方便灵活和优质价廉所吸引。一、 GPS的应用按其使用领域简单介绍如下1、GPS应用于测量 GPS技术给测绘界带来了一场革命。利用载波相位差分技术（RTK）,在实时处理两个观测站的载波相位的基础上，可以达到厘米级的精度。与传统的手工测量手段相比，GPS技术有着巨大的优势：测量精度高; 操作简便，仪器体积小，便于携带; 全天候操作;观测点之间无须通视
15、;测量结果统一在WGS-84坐标下，信息自动接收、存储，减少繁琐的中间处理环节。当前，GPS技术已广泛应用于大地测量、资源勘查、地壳运动、地籍测量等领域。 2、GPS应用于交通出租车、租车服务、物流配送等行业利用GPS技术对车辆进行跟踪、调度管理，合理分布车辆，以最快的速度响应用户的乘车货送请求，降低能源消耗，节省运行成本。 GPS在车辆导航方面发挥了重要的角色，在城市中建立数字化交通电台，实时发播城市交通信息，车载设备通过GPS进行精确定位，结合电子地图以及实时的交通状况，自动匹配最优路径，并实行车辆的自主导航。 民航运输通过GPS接收设备，使驾驶员着陆时能准确对准跑道，同时还能使飞机紧凑排
16、列，提高机场利用率，引导飞机安全进离场。3、GPS应用于救援 利用GPS定位技术，可对火警、救护、警察进行应急调遣，提高紧急事件处理部门对火灾、犯罪现场、交通事故、交通堵塞等紧急事件的响应效率。特种车辆（如运钞车）等，可对突发事件进行报警、定位，将损失降到最低。 有了GPS的帮助，救援人员就可在人迹罕至、条件恶劣的大海、山野、沙漠，对失踪人员实施有效的搜索、拯救。装有GPS装置的渔船，在发生险情时，可及时定位、报警，使之能更快更即使地获得救援。4、GPS应用于农业当前，发达国家已开始把GPS技术引入农业生产，即所谓的精准农业耕作。该方法利用GPS进行农田信息定位获取，包括产量监测、土样采集等，
17、计算机系统通过对数据的分析处理，决策出农田地块的管理措施，把产量和土壤状态信息装入带有GPS设备的喷施器中，从而精确地给农田地块施肥、喷药。通过实施精准耕作，可在尽量不减产的情况下，降低农业生产成本，有效避免资源浪费，降低因施肥除虫对环境造成的污染。5、GPS应用于娱乐消遣随着GPS接收机的小型化以及价格的降低，GPS逐渐走进了人们的日常生活，成为人们旅游、探险的好帮手。通过GPS，人们可以在陌生的城市里迅速地找到目的地，并且可以最优的路径行驶；野营者携带GPS接收机，可快捷地找到合适的野营地点，不必担心迷路；甚至一些高档的电子游戏，也使用了GPS仿真技术。二、 我国的GPS定位技术应用情况2
18、002年2月，国家计委提出“卫星导航应用产业化专项”，其目标是在“十五”末期，形成一个市场规模超过百亿元的新产业。要在生产制造卫星导航应用基础产业的规模和数量上进入世界前列。接收机主板产量超过100万套，行业总产值超过100亿元（约占世界市场份额的4%）。其中导航运营服务产值将超过20亿元。在基础产品上，芯片组与主机板等将从目前的全部依赖进口变为自主产品占60%以上。产品出口将占国产总量的10%，具有自主知识产权的芯片组、嵌入式软件及专用数据将批量投放市场。通过卫星导航应用示范工程和基础设施的建设，推动卫星导航应用设备及其扩展系统在国民经济诸多部门和人们的日常生活中得到广泛应用，产生明显的经济
19、效益和社会效益。汽车导航产品将进入市场/成为GOS最大的消费市场，同时带动导航电子地图的生产和经销。近年来，日本、欧盟、美国采取谨慎而积极的进军姿态，争先恐后进入中国市场。它们对我国的汽车导航市场抱有厚望，无疑源于对我国卫星导航市场的看好。三、 前景据专家预测，今后几年内GPS在通信、大气探测、精细农业以及环保等领域中也将得到广泛的应用，GPS将进入各行各业。还有专家预测，不久的将来人们将生产出电子手表式的GPS接收机而价格将降至普通人都能接受的水平。到那时侯人们不仅能方便地获得时间信息而且能方便地获得三维位置和三维速度信息，从而深刻地改变人们的生活方式。全球定位系统将作为20世纪最伟大的科学
20、成就之一而载入史册。第二章 GPS卫星全球定位系统第一节 GPS卫星定位系统的组成GPS全球定位系统由以下三个部分组成：空间部分（GPS卫星）、地面监控部分和用户部分。一、 空间部分1、GPS卫星GPS卫星的主体呈圆柱形，两侧有太阳能帆板，能自动对日定向。太阳能电池为卫星提供工作用电。每颗卫星配备有4台原子钟，可为卫星提供高精度的时间标准。卫星上带有燃料和喷管，可在地面控制下调整自己的运行轨道。GPS卫星的基本功能是：接收并存储来自地面控制系统的导航电文；在原子钟的控制下自动生成测距码（C/A码和Y码）和载波；采用二进制相位调制法将测距码和导航电文调制在载波上播发给用户；按照地面控制系统的命令
21、调整轨道，调整卫星钟，修复故障或启用备用件以维护整个系统的正常工作。2、卫星星座：发射入轨能正常工作的GPS卫星集合城GPS卫星星座。 最初的GPS卫星星座由24颗GPS卫星组成。这些卫星分布在三个倾角为63几乎为圆形的轨道上。相邻轨道的升交点赤经之差为120，每个轨道上将均匀地分布5颗卫星。轨道的长半径为26560km，卫星的运行周期为12h（恒星时）。后因美国财政赤子过大而做了较大的变动。GPS卫星总数削减为18颗轨道倾角改为60，轨道增至6个，每个轨道上均匀分布3颗卫星，相邻轨道的升交点赤经之差为60，其余参数保持不变。这种情况的出现将大大损害整个系统的性能和可靠性，影响全球定位系统在民
22、航等领域内应用的可靠性。为解决上述问题，经反复研究和修改后，最终又将卫星总数恢复为24颗。这24颗卫星分布宰个轨道面上，每个轨道均匀地分布4颗卫星（见图2-1）当截止高度角取15时，上述卫星星座能保证位于任一地点的用户在任一时刻同时观测到4-8颗卫星；当截止高度角取10时，最多能同时观测到10颗GPS卫星；当截止高度角取5时，最多能同时观测到12棵GPS卫星；2000年底GPS卫星星座由23颗Block II卫星和Block IIA卫星，以及5颗Block IIR卫星组成。在一般情况下，用户能同时观测到6-8棵卫星。 图2-1 GPS卫星轨道图二、 GPS地面监控部分支持整个系统正常运行的地面
23、设施称为地面监控部分。它由一个主控站，三个注入站和五个监控站以及通信和辅助系统组成。主控站拥有以大型计算机为主体的数据收集、计算、传输、诊断等设备。它的主要功能是：收集各监测站测得的距离和距离差、气象要素、卫星时钟和工作状况的数据，监测站自身的状态数据等；根据收集的数据及时计算每颗GPS卫星的星历，时钟改正，状态数据以及信号的大气传播改正，并按一定格式编制成导航电文，传送到注入站；监控整个地面监控系统是否工作正常，检验注入卫星的导航电文是否正确，监测卫星是否将导航电文发出；调度备用卫星替代失效的工作卫星，将偏离轨道的卫星“拉回”到正常轨道位置。图2-2 GPS系统监控站和主控站分布图监控站是为
24、主控站编算导航电文提供观测数据，每个监测站均用GPS信号接收机测量每颗可见卫星的伪距和距离差，采集气象要素等数据，并将它们发送给主控站。注入站是向GPS卫星输入导航电文和其他命令的地面设施。3个注入站分别位于迭哥伽西亚、阿松森群岛和卡瓦加兰。注入站能将接收到的导航电文存储在微机中，当卫星通过其上空时再用大口径发射天线将这些导航电文和其他命令分别“注入”卫星。通信和辅助系统是指地面监控系统中负责数据传输以及提供其他辅助服务的机构和设施。全球定位系统的通信系统由通信线、海底电缆及卫星通信等联合组成。三、 用户部分GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机、气象仪器等组成，
25、GPS信号接收机，是GPS导航卫星的用户设备，是实现GPS卫星导航定位的终端仪器。它是一种能够接收、跟踪、变换和测量GPS卫星导航定位信号的无线电设备，既具有常用无线电设备的共性，又具有捕获、跟踪和处理卫星微弱信号的特性。在测量领域，随着现代科学技术的发展，体积小、重量轻便于携带的GPS定位装置和高精度的技术指标为工程测量带来了极大的方便。例如：我们在控制测量中使用了台南方测绘仪器公司的NGS9600型静态GPS接收机，其技术指标为：测量精度：5mm2106 mm静态测量，20+1106mm（高程）。这些技术指标充分地满足了控制测量的精度要求。以下是 GPS信号接收机的类型1、 按工作原理分类
26、基于被动式定位原理的GPS卫星测量技术，关键在于怎样测得GPS信号接收天线和GPS卫星之间的距离（简称站星距离）。1、按测量站星距离所用测距信号之异，GPS信号接收机可以分为下列几种类（1） 码接收机：用伪噪声码和载波作测距信号；（2） 无码接收机：仅用载波作测距信号；（3） 集成接收机：既用GPS信号，又用GLONASS信号测量站星距离。2、 按用途分类（1）测地型接收机：厘米级精度，测后数据处理；（2）导航型接收机：米级精度，实时数据处理；（3）定时型接收机：专用于时间测定和频率控制。3、 按所用载波频率多少分类用于卫星导航定位的载波是L1和L2，它们的频率分别为：f1=15410.23M
27、Hz=1574.42MHZ;f2=12010.23MHz=1227.60MHz.按所用载波频率多少，GPS信号接收机可以分成下列类型：（1）单频接收机：仅使用第一载波（L1）及其调制波进行导航定位测量；（2）双频接收机：同时使用多个载波及其调制波进行导航定位测量。下图2-4是GPS系统三个组成部分关系。 图2-3 GPS 组成部分示意图第二节 GPS卫星的导航定位信号一、概述GPS卫星发射的信号由载波、测距码和导航电文组成。1、载波可运载调制信号的高频振荡波称为载波。GPS卫星所用的载波有两个，由于它们均位于载波L波段，故分别称为L1载波和L2载波。其中L1载波是由卫星上的原子钟所产生的基准频
28、率f0倍频154倍后形成的，L2载波是由基准频率f0倍频120倍后形成的。采用两个不同频率载波的主要目的是为了较完善地消除电离层延迟。在全球定位系统中，载波除了能更好地传送测距码和导航电文这些有用意信息外，在载波相位测量中它又被当做一种测距信号来使用。其测距精度比伪距测量的精度高2-3个数量级。因此，载波相位测量在高精度定位中得到广泛的应用。2.测距码测距码是用于测定从卫星到接收机间的距离的二进制码，是由若干个多级反馈移位寄存器所产生的M序列经平移、截短、求模二和等一系列复杂处理后形成的。根据性质和用途的不同，测距码可分为粗码（C/A码）和精码（P码或Y码）两类，各卫星所用的测距码互不相同且相
29、互正交。C/A码是一种结构公开的明码，供全世界所有的用户免费使用。目前，/A码只调制在L1载波上，故无法精确地消除电离层延迟。Y码的结构是完全保密的，只有美国及其盟国的军方用户以及少数经美国政府授权的用户才能使用P码。由于P码的码元宽度仅为C/A码的1/10，而且该测距码又同时调制在L1和L2两个载波上，可较完善地消除电离层延迟，故用它来测距可获得较精确的结果。3、 导航电文导航电文是由GPS卫星向用户播发的一组反映卫星在空间位置、卫星的工作状态、卫星钟的修正参数、电离层延迟修正参数等重要数据的二进制代码，也称数据码（D码）。它是用户利用GPS进行导航定位时一组不可少的数据。 二、 GPS信号
30、接收机的组成及原理1、天线单元它由接收天线和前置放大器两个部件组成。它的作用是，将到达GPS信号接收天线的功率约为-160dBW的GPS电磁波变换成微波电信号，并将如此微弱的GPS电信号予以放大。为便于接收机对信号进行跟踪、处理、和量测，对天线部分有以下要求：天线与前置放大器应密封一体，以保障其正常工作，减少信号损失；能够接收来自任何方向的卫星信号，不产生死角；有防护与屏蔽多路径效应的措施；天线的相位中心保持高度的稳定，并与其几何中心尽量一致。下图2-5是GPS接收机原理图：图2-5 GPS接收机原理图GPS接收机的天线类型如下图2-6：图2-6 GPS接收机的天线类型2、 接收机主机（1）
31、变频器及中频放大器经过GPS前置放大器的信号仍然很微弱，为了使接收机通道得到稳定的高增益，并且使L频段的射频信号变成低频信号，必须采用变频器。（2） 信号通道信号通道是接收机的核心部分，GPS信号通道是硬软件结合的电路。GPS信号通道的作用有三：一是搜索卫星，牵引并跟踪卫星；二是对广播电文数据信号实行解扩，解调出广播电文；三是进行伪距测量、载波相位测量及多普勒频移测量。（3） 存储器接收机内没有存储器或存储卡以存储卫星星历、卫星历书、接收机采集到的码相位伪距观测值、载波相位观测值及多普勒频移。目前，GPS接收机都装有半导体存储器，接收机内存数据可以通过数据口传到微机上，以便进行数据处理和数据保
32、存。在存储器内还装有多种工作软件，如：测试软件；卫星预报软件；导航电文解码软件；GPS单点定位软件。微处理器微处理器是GPS接收机工作的灵魂，GPS接收机工作都是在微机指令统一协同下进行的。其主要工作步骤为：接收机开机后首先对整个接收机工作状况进行自检，并测定、校正、存储各通道的时延值。接收机对卫星进行搜索，捕捉卫星。当捕捉到卫星即对信号进行牵引和跟踪，并将基准信号译码得到GPS卫星星历。当同时锁定4颗卫星时，将C/A码伪距观测值连同星历一起计算测站的三维坐标，并按预置位置更新率计算新的位置。根据机内存储的卫星历书和测站近似位置，计算所有在轨卫星升降时间、方位和高度角。根据预先设置的航路点坐标
33、和单点定位测站位置计算导航的参数、航偏距、航偏角、航行速度等。接收用户输入信号。显示器GPS接收机都有液晶显示屏以提供GPS接收机工作信息。并配有一个控制键盘。用户可通过键盘控制接收机工作。对于导航接收机，有的还配有大显示屏，在屏幕上直接显示导航的信息甚至显示数字地图。电源GPS接收机电源有两种，一种为内电源，一般采用锂电池，主要用于RAM存储器供电，以防止数据丢失。另一种为外接电源，这种电源常用于可充电的12V直流镉镍电池组，或采用汽车电瓶。当用交流电时，要经过稳压电源或专用电源交换器。第三节 GPS卫星定位原理一、 概述测量学中有测距交会确定点位的方法。与其相似，无线电导航定位系统、卫星激
34、光测距定位系统，其定位原理也是利用测距交会的原理确定点位。就无线电导航定位来说，设想在地面上有三个无线电信号发射台，其坐标为已知，用户接收机在某一时刻采用无线电测距的方法分别测得了接收机至三个发射台的距离d1,d2,d3。只需以三个发射台为球心，以d1,d2,d3为半径作三个定位球面，即可交会出用户接收机的空间位置。如果只有两个无线电发射台，则可根据用户接收机的概略位置交会出接收机的平面位置。这种无线电导航定位是迄今为止仍在使用的飞机、轮船的一种导航定位方法。近代卫星大地测量中的卫星激光测距定位也是应用了测距交会定位的原理和方法。虽然用于激光测距的卫星（表面上安装有激光反射棱镜）是在不停的运动
35、中，但总可以利用固定于地面上三个已知点上的卫星激光测距仪同时测定某一时刻至卫星的空间距离，d1,d2,d3，应用测距交会的原理变可确定该时刻卫星的空间位置。如此，可以确定三颗以上卫星的空间位置。如果在第四个地面点上（坐标未知）也有一台卫星激光测距仪同时参与测定了该点至第三颗卫星点的空间距离，则利用所测定的三个空间距离可以交会出该地面点的位置。将无线电信号发射台从地面点搬到卫星上，组成一颗卫星定位导航系统，应用无线点测距交会的原理，便可由三个以上地面已知点（控制点）交会出卫星的位置，反之利用三颗以上卫星的已知空间位置又可交会出地面未知点（用户接收机）的位置。这便是GPS卫星定位的基本原理。GPS
36、卫星发射测距信号和导航电文，导航电文中含有卫星的位置信息。用户用GPS接收机在某一时刻同时接收三颗以上的卫星信号，测量出测站点（接收机天线中心）P至三颗以上卫星的距离并解算出该时刻GPS卫星的空间坐标，据此利用距离交会法解算出测站P的位置。如下图2-7，在需要的位置P点架设GPS接收机，在某一时刻同时接收了3颗（A，B，C）以上的GPS卫星所发出的导航电文，通过一系列数据处理和计算可求得该时刻GPS接收机至GPS卫星的距离SAP，SBP，SCP，同样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星在空间的位置（三维坐标），从而用距离交会的方法求得点的三维坐标（X，Y，Z），其数学式为： 图2-7 GPS卫
37、星定位示意图式中：（，），（，），（，）分别为卫星A，B，C在时刻的空间直角坐标。在GPS测量中通常采用两类坐标系统，一类是在空间固定的坐标系统，另一类是与地球体相固联的坐标系统，称地固坐标系统，我们在公路工程控制测量中常用地固坐标系统（如：WGS84世界大地坐标系和1980年西安大地坐标系）。在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换，来求出所使用的坐标系统的坐标。这样更有利于表达地面控制点的位置和处理GPS观测成果，因此在测量中被得到了广泛的应用。在GPS定位中，GPS卫星是高速运动的卫星，其坐标值随时间在快速变化着。需要实时地由GPS卫星信号测量出测站至卫星之间的距离，实
38、时地由卫星的导航电文解算出卫星的坐标值，并进行测站点的定位。依据测距的原理，其定位原理与计算方法主要有伪距法定位，载波相位测量定位以及差分GPS定位等。对于待定点来说，根据运动状态可以将GPS定位分为静态定位和动态定位。静态定位指的是对于固定不动的待定点，将GPS接收机置于其上，观测数分钟乃至更长的时间，以确定该点的三维坐标，又叫绝对定位。若以两台GPS接收机分别置于两个固定不变的待定点上，则通过一定时间的观测，可以确定两个待定点间的相对位置，又叫相对定位。而动态定位则至少有一台接收机处于运动状态，测定的是各观测时刻（观测历元）运动中的接收机的点位（绝对点位或相对点位）。利用接收到的卫星信号（
39、测距码）或载波相位，均可进行静态定位。实际应用中，为了减弱卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差的影响，常采用载波相位观测值的各种线形组合（即差分值）作为观测值，获得两点之间高精度的GPS基线向量（即坐标差）。二、 GPS几种定位方式1、伪距测量定位伪距法定位是由GPS接收机在某一时刻测出得到四颗以上GPS卫星的伪距以及已知的卫星位置，采用距离交会的方法求定接收机天线所在点的三维坐标。所测伪距就是由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速得到的量测距离。由于卫星钟、接收机钟的误差以及无线电信号经过电离层和对流层中的延迟，实际测出的距离/与卫星到接收机的几
40、何距离有一定的差值，因此一般称量出的距离为伪距。用C/A码进行测量的伪距为C/A码伪距。用P码测出的伪距为P码伪距。伪距法定位虽然一次定位精度不高（P码定位误差约为10m，C/A码定位误差为2030m），但因其具有定位速度快，且无多值性问题等优点，仍然是GPS定位系统进行导航的最基本方法。同时，所测伪距又可作为载波相位测量中解决整周数不确定问题（模糊度）的辅助资料。2、 载波相位测量定位利用测距码进行伪距测量是GPS定位系统的基本测距方法。然而由于测距码的码元长度较大，对于一些高精度应用来讲其测距精度还显的过低无法满足需要。如果观测精度均取至测距码波长的百分之一，则伪距测量对P码而言量测精度为
41、30cm，对C/A码而言为3m左右。而如果把载波作为量测信号，由于载波的波长短19cm；24cm，所以就可达到很高的精度。目前的大地型接收机的载波相位测量精度一般为12mm，有的精度更高。但载波信号是一种周期性的正弦信号，而相位测量又只能测定其不足一个波长的部分，因而存在着整周数不确定性的问题，使解算过程变地十分复杂。在GPS信号中由于已用相位调整的方法在调制了测距码和导航电文，因而接收到的载波的相位已不再连续，所以在进行载波相位测量以前，首先要进行解调工作，设法将调制在载波上的测距码和卫星电文去掉，重新获取载波，这一工作称为重建载波。重建载波一般可采用两种方法，一种是码相关法，另一种是平方法
42、。采用前者，用户可同时提取测距信号和卫星电文，但用户必须知道测距码的结构；采用后者，用户无须掌握测距码的结构，但只能获取载波信号而无法获得测距码和卫星电文3、差分GPS定位差分技术很早就被人们所应用。比如相对定位中，在一个测站上对两个观测目标进行观测，将观测值求差；或在两个测站上对一个目标进行观测，将观测值求差；或在一个测站上对一个目标进行两次观测求差。其目的是消除公共误差，提高定位精度。利用求差后的观测值解算两观测站之间的基线向量，这种差分技术已经用于静态相对定位。该部分所讲述的差分GPS定位技术是将一台接收机安置在基准站上进行观测。根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并
43、由基准站实时地将这一改正数发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。GPS定位中，存在着三部分误差：一是多台接收机公有的误差，如：卫星钟误差、星历误差；二是传播延迟误差，如：电离层误差、对流层误差；三是接收机固有的误差，如：内部噪声、通道延迟、多路径效应。采用差分定位，可完全消除第一部分误差，可大部分消除第二部分误差（视基准站至用户的距离）。差分可分为单基准站差分、具有多个基准站的局部区域差分和广域差分三种。第四节 GPS导航定位误差一、 与GPS卫星有关的误差 与GPS卫星有关的误差主要包括卫星的轨道误差和卫星钟的误差。 1
44、、卫星钟差 由于卫星的位置是时间的函数，因此，GPS的观测量均发精密测时为依据，而与卫星位置相对应的信息，是通过卫星信号的编码信息传送给接收机的。在GPS定位中，无论是码相位观测或是载波相位观测，均要求卫星钟与接收机时钟保持严格的同步。实际上，尽管GPS卫星均设有高精度的原子钟（铷钟和铯钟），但是它们与理想的GPS时之间，仍存在着难以避免的偏差和漂移。这种偏差的总量约在1ms以内。对于卫星钟的这种偏差，一般可由卫星的主控站，通过对卫星钟运行状态的连续监测确定，并通过卫星的导航电文提供给接收机。经钟差改正后，各卫星之间的同步差，即可保持在20ns以内。在相对定位中，卫星钟差可通过观测量求差（或差
45、分）的方法消除。2、卫星轨道偏差估计与处理卫星的轨道偏差较为困难，其主要原因是，卫星在运行中要受到多种摄动力的复杂影响，而通过地面监测站，以难以充分可靠的测定这作用力，并掌握它们的作用规律，目前，卫星轨道信息是通过导航电文等到的。 应该说，卫星轨道误差是当前GPS测量的主要误差来源之一。测量的基线长度越长，此项误差的影响就越大。在GPS定位测量中，处理卫星轨道误差有以下几种方法:2.1忽略轨道误差这种方法以从导航电文中所获得的卫星轨道信息为准，不再考虑卫星轨道实际存在的误差，所以广泛的用于精度较低的实时单点定位工作中。2.2采用轨道改进法处理观测数据这种方法是在数据处理中，引入表征卫星轨道偏差
46、的改正参数，并假设在短时间内这些参数为常量，将其与其它求知数一并求解。2.3同步观测值求差这一方法是利用在两个或多个观测站一同，对同一卫星的同步观测值求差。以减弱卫星轨道误差的影响。由于同一卫星的位置误差对不同观测站同步观测量的影响，具有系统误差性质，所以通过上述求差的方法，可以明显的减弱卫星轨道误差的影响，尤其当基线较短时，其效用更不明显。这种方法对于精度相对定位，具有极其重要的意义。二、 与卫星信号传播有关的误差与卫星信号有关的误差主要包括大气折射误差和多路径效应。1、电离层折射的影响GPS卫星信号的其它电磁波信号一样，当其通过电离层时，将受到这一介质弥散特性的影响，便其信号的传播路径发生变化。当GPS卫星处于天顶方向时，电离层折射对信号传播路径的影响最小，而当卫星接近地平线时，则影响最大。 为了减弱电离层的影响，在GPS定位中通常采
