GPS在测量中的应用

GPS在测量中的应用学生姓名： 学号： 指导教师： 职称： 讲师 专 业： 工程测量 系（部）： 测绘工程系 二一一年十二月1 毕业设计指导教师意见 年 月 日学生姓名专业班级设计题目指导教师意见：是否同意参见答辩：同意（ ） 不同意（ ） 指导教师签名：摘 要鉴于GPS相对于全站仪等传统测量技术具有全天候、高精度、自动化、高效益等优势，鉴于GPS相对于全站仪等传统测量技术具有全天候、高精度、自动化、高效益等优势，本文对GPS的基本思路、GPS的系统组成、GPS的基本原理和GPS在现代测量中的优势进行了简单的介绍。通过毕业设计对GPS-RTK碎步测量和静态GPS进行了详细的介绍。在静态GPS测量中，主要讲解了外业作业要求和过程以及内业数据处理，并列举出了校内测量的实例更好的表达主题内容。在GPS-RTK测量中，主要除了列举工作要求和作业流程外，并通过实例讲解了图根控制测量，碎部点采集和施工放样的工作。其中，图根控制列出了专门的表格来讨论图根控制点的状况，施工放样中也引入了作业成果和讲解。最后列出了工作计划安排，以便更好地理解本次设计。关键词：GPS原理，静态GPS测量，静态GPS数据处理，GPS-RTK技术 目 录第一章 绪论11.1GPS历史11.2GPS原理与组成21.3卫星导航定位系统6第二章 GPS定位测量132.1GPS系统组成和工作原理132.2控制点的采集与分析152.3GPS定位19第三章静态GPS测量213.1静态GPS作业要求213.2静态GPS作业流程223.3静态 GPS数据处理243.4静态GPS测量实例30第四章 GPSRTK测量344.1GPSRTK工作要求344.2GPSRTK作业流程354.3GPSRTK图根控制404.4GPSRTK碎部点采集424.5GPSRTK施工放样44第五章 项目计划安排48致谢49参考文献50附录51GPS在测量中的应用第一章 绪论1.1 GPS历史GPS全球定位系统的含义是利用卫星的测时和测距进行导航，以构成全球定位系统。现在国际上公认，将这一全球定位系统简称为GPS.它是美国国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的要求而建立的，该系统自1973年开始设计、研制，历时20年，于1993年全部建成。GPS是目前世界上最先进、最完善的卫星导航系统与定位系统，它不仅具有全球性、全天候、实时高精度，三维导航与定位能力，而且具有良好的抗干扰和保密性。因此引起世界各国军事部门和广大民用部门的普遍关注，由于GPS定位技术的高度自动化信其所达到的高精度和具有潜力，也引起测绘界的高度重视，特别是近几年来，GPS定位技术在应用基础的研究、新应用领域的开拓、软件和硬件的开发等方面都取得了迅速的发展，广泛的科学实验活动也为这一新技术的应用展现极为广阔的前景！目前，GPS精密定位技术已广泛的渗透到经济建设和科学技术的许多领域，尤其是在大地测量学及相关学科领域，如地球动力学，海洋大地测量学，地球物理勘探、资源勘察、航空与卫星遥感、工程测量学等方面的广泛应用，充分的显示了这一卫星定位技术的高精度和高效益。近年来，GPS精密定位技术已在我国得到广泛的应用，在大地测量中、工程测量与变形监测、资源勘察及地壳动力监测等方面取得了良好的效果和成功经验，充分地证明了GPS精密定位技术瓣优越性和巨大潜力，在新的世纪里。GPS导航与定位技术将会获得进一步的发展，应用将更为广泛，效益会更为显著，将为我国经济建设、国防建设的发展和科学技术的进步发挥更大的作用。GPS卫星定位技术与常规测量相比，具有以下优点：1GPS点之间不要求相互通视，对GPS网的几何图形也没有严格的要求，因而使GPS点位的选择更为灵活，可以自由布设。2定位精度高。目前采用载波相位进行相对一位，精度可达1ppm。3观测速度快。目前，利用静态定位方法，完成一条基线的相对定位所需要的，根据要观测的精度不同，一般约为1-3h。如果采用快速静态相对定位技术，观测时间可缩短到数分钟。4功能齐全。GPS测量可同时测定测点的平面位置和高程，采用实时动态测量可进行施工放样。5操作简便。GPS测量的自动化程度很高，作业员在观测是只需要安置和开启、关闭仪器，量取天线高度，监视仪器的工作状态及采集环境的气象数据，而其它如捕获、跟踪观测卫星和记录观测娄数据待一系列测量工作均由仪器自动完成。6全天候、全球性作业。由于GPS卫星有24颗而且分布合理，在地球任何地点、任何时间均可连续同步观测到4项以上的卫星，因此在任何地点，任何时间均可进行GPS测量。GPS测量一般不受天气况的影响。 1978年2月22日第一颗GPS实验卫星成功发射。1978年11月全球定位系统开始定位导航服务。1993年6月26日最后一颗工作卫星于发射升空。1995年7月17日，达到全功能应用(full Operational CapabilityFOC)2000年5月1日，美国总统克林顿在白宫宣布解除终止选择提供性政策（SA）。此项决定将立即改善定位精度，单GPS接收机定位精度将好于20米。 1.2 GPS原理与组成1.2.1 GPS原理GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz,重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个t即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化）；以及GPS系统信息，如卫星状况等。 GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对0A码测得的伪距称为UA码伪距，精度约为20米左右，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2米左右。 GPS接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频 移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位 精度也只能采用相位观测值。 按定位方式，GPS定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离较远时（大气有明显差别），应选用双频接收机。 1.2.2 GPS组成GPS定位系统包括三大部分：（1）地面监控部分；（2）空间卫星部分；（3）用户接收部分。以下分别介绍它们的作用、工作原理和工作状况。1.2.2.1地面监控部分地面监控站在GPS定位系统试验阶段和工作阶段有所不同。试验卫星的地面监控站由设在加利福尼亚洲范登堡空军基地的一个主控站、一个注入站和一个监控站以及位于其它地方的四个监控站组成。GPS工作卫星则采用新的地面监控系统，它包括一个主控站，三个注入站和五个监控站组成。其分布情况是：主控站设在美国本土科罗拉多洲斯平士（Colorado Spings）的联合空间执行中心 CSOC （即Consolidated Space Operation Center）；三个注入站分别设在大西洋的阿森松岛（Ascension），印度洋的狄哥伽西亚（Diego Garcia）和太平洋的卡瓦加兰 (Kwajalein)的三个美国空军基地上；五个监测站，除一个单独在夏威夷（Hawaii）外，其余四个都分设在主控站和注入站上；这5个监测站也称为空军跟踪站（air foce tracking station）。1.2.2.2地面监控系统的作用GPS卫星作为一种动态已知点，其“已知数据”为表述卫星运动及其轨道参数的“卫星星历”，不可能也无须在卫星上设置庞杂的机构去测算和编制，而是由地面站测算好后编成电文形式发送给卫星，再由卫星转发至地面用户。另外，卫星上各种设备是否正常工作，要否启用配件、卫星运行情况、要不要纠正运行轨道以及使各卫星处于同一时间标准GPS时间系统等，都需要由地面监控站来完成，所以地面监控站有下列主要作用：1.主控站的作用主控站拥有以大型电子计算机为主体的数据收集、计算、传输、诊断等设备，其主要作用如下：收集数据。收集各监测站获得监测的伪距和积分多普勒观测值、卫星时钟和工作状态数据、气象、监测站自身状态以及参考星历等数据。数据处理。根据所收集的前述数据计算各卫星的星历、卫星状态、时钟改正、大气传播改正等，具体地就是卫星位置和速度的六个轨道根数的摄动，每个卫星的三个太阳压力常数，卫星的时钟偏差、漂移和漂移率，各个监测站的时钟偏差、对流层残余偏差及极移偏差等状态数据。并将这些数据按一定格式编制成导航电文，并将导航电文及时传送给注入站。监测与协调。主控站一方面承担控制和协调各监控站与注入站的工作，另一方面还要监测整个地面监控系统是否正常，检验注入卫星的电文是否正确，监控卫星是否按预定状态将电文发送给用户。调度卫星。修正卫星的运行轨道，调用备用卫星去接替失效卫星的工作。主控站的星历编算工作分成两步：第一步是编算参考星历，根据5个GPS监控站一星期左右的观测数据，估算GPS卫星轨道参数的初始值，以形成误差约为100m左右的参考星历。第二步是编算注入星历，根据每个监控站对每颗可见GPS卫星每6S所作的伪距测量和积分多普勒观测值，用联机卡尔滤波器计算参考星历的线性摄动，并以后者改正参考星历，并外推出26h轨道弧段的全部数据，称之为预报星历。主控站将预报星历按照一定的格式编制成导航电文发送给注入站，由注入站注入给卫星。由于甚长基线射电干涉测量（VLBI）和卫星激光测距（SLR）能够精化定轨观测站的站坐标，以及双频接收机对GPS卫星的精密定轨观测。当 GPS作卫星全部入轨运行后，预报星历的精度，据估算径向误差约为1m，切向误差约为7m，法向误差约为3m左右。主控站按上述程序所编算的星历，由GPS卫星发送给广大用户，称之为广播星历。它的实际精度一般为12PPM（百万分之一），有时又只有34PPM。低精度的广播星历，主要用于解算实时位置。但在某些高精度应用场合，广播星历的精度远不能满足GPS数据处理的需要，而需要用一种精度较高的用于测后数据处理的“精密星历”。目前除了几种用于测后数据处理的商品精密星历以外，还有下列几种形式。官方精密星历。 CIGNET国际定轨网。全球 GPS多用网。2.监控站的作用监控站是无人值守的数据自动采集中心，它在主控站的遥控下自动地采集定轨数据，其位置经精密测定。各个监控站均用GPS信号接收机对飞越其上空的所有可见GPS卫星每6S进行一次伪距测量和积分多普勒观测。监控站的主要设备包括1台双频接收机、一台高精度原子钟、一台电子计算机和若干台环境数据传感器。各监控站根据其接收到的卫星扩频信号求出相对于其原子钟的伪距和伪距差，检测出所测卫星的导航定位数据，利用环境传感器测出当地的气象数据，并对它们进行各项改正（如电离层、对流层、天线相位中心、相对论效应等项改正），每15min平滑一次观测数据，依此算出每2min间隔的观测值，然后将算得的伪距、导航数据、气象数据及卫星状态数据传送给主控站，为主控站编算导航电文提供可靠的数据。3.注入站的作用注入站是无人值守的工作站，设有3.66m抛物面天线，1台C波段发射机和一台电子计算机。其主要作用是将主控站需传输给卫星的资料以既定的方式注入到卫星存储器中，供GPS卫星向用户发送。当某颗GPS卫星飞越注入站上空时，它先取该颗卫星的导航电文，用10cm（S）波段的微波作载波，将导航电文注射给该颗卫星。每天注射1次，每次将14d的星历（因 Block 型卫星的存储器只能存储 14d的导航电文，只有 Block A型卫星的存储器才能存储180d的导航电文。）存入卫星上的存储器。因此，即使地面监控系统停止注射，卫星仍能继续发送导航电文I4d。但随着时间的流逝，预报星历的精度越来越差。例如，可使定位精度从10m降低到200m。此外，注入站还能每分钟自动地向主控站报告一次它的工作状态。1.2.3空间卫星部分空间卫星部分是由空间运行的多颗卫星按一定的规则组成的GPS卫星星座。本书第一章第二节已有述及。这里仅就空间卫星的作用和有关情况作些说明。美国发射的GPS卫星，有多种编号方式。比如可以按GPS卫星发射的先后顺序编号；也可以根据GPS卫星所采用的伪随机噪声码PRN编号；还可以根据美国和加拿大联合组成的北美空军指挥部给定的内部距离操作码IRON编号；以及根据美国航空航天局在其序列文件中编的NASA编号和根据卫星发射年代与该年代中的发射序列编的识别号。其中，PRN编号是供导航定位用的，识别号是供用户查询卫星有关数据用的。目前已入轨的GPS工作卫星BLOCK 都是用火箭或航天飞机发射的，其编号方法与试验卫星的编号方法基本相同，其轨道近于圆形，最大偏心率为0.01，轨道长半径也是26560km，轨道倾角为55，卫星的高度为20200km，运行周期为十二恒星时，即每天绕地球运行两周，地面观测者能够观测到的GPS卫星圆弧度约152.26。考虑到GPS卫星刚从地平线上升起时，GPS信号受大气层影响较大，一般均待GPS卫星升起10以后，才用它进行导航定位测量。因此，GPS卫星的实际观测弧段为132左右。（其计算公式详见GPS卫星导航定位原理与方法刘基余编著，科学出版社，2003年8月）。工作卫星之所以采用二万公里高近于圆形的轨道，一方面是为了增大地面覆盖面积；另一方面是为了使覆盖均匀，从而达到信号强度均匀、接收时间也均匀的目的。GPS卫星的主要作用有三方面：（1）接收由地面注入站用S波段（10cm波段）发送的导航电文和其它信号；（2）接收地面主控站的调度命令，修正其在轨运行偏差及启用备用时钟等；（3）连续不断地向广大用户发送GPS导航定位信号，并用导航电文的形式提供卫星自身的现势位置与其它在轨卫星的概略位置，以便用户接收使用。1.2.4用户接收部分用户接收部分的基本设备，就是GPS信号接收机、机内软件以及GPS数据的后处理软件包。其作用是接收、跟踪、变换和测量GPS卫星所发射的GPS信号，以达到导航和定位的目的。GPS信号接收机的任务是：跟踪可见卫星的运行，捕获一定卫星高度截止角的待测卫星信号，并对GPS信号进行变换、放大和处理，解译出GPS卫星所发送的导航电文，测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，实时地计算出测站的三维位置、三维速度和时间。静态定位中，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动，接收机用GPS信号实时地测得运动载体的瞬间三维位置和三维速度。GPS接收机一般用蓄电池作电源。同时采用机内、机外两种直流电源。设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测。在用机外电池的过程中，机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止丢失数据。1.3卫星导航定位系统1.3.1伽利略卫星导航系统1.3.1.1概述伽利略卫星导航系统是由欧盟主导的全球卫星导航系统。耗资30亿欧元，共发射30颗卫星。包括韩国、中国在内，日本、阿根廷、澳大利亚、俄罗斯等国也在参与该计划。当初的完成目标是2008年，但由于技术等问题，延长到了2011年，最新消息推迟到2014年。中国也向伽利略计划投资了296万美元。 说起卫星定位导航系统，人们就会想到GPS，但是现在，伴随着众多卫星定位导航系统的兴起，全球卫星定位导航系统有了一个全新的称呼：GNSS。当前，在这一领域最吸引人眼球的除了GPS外，就是欧盟和我国合作的“伽利略”导航卫星系统。“伽利略”计划是一种中高度圆轨道卫星定位方案。“伽利略”卫星导航定位系统的建立将于2007年底之前完成，2008年投入使用，总共发射30颗卫星，其中27颗卫星为工作卫星，3颗为候补卫星。卫星高度为24126公里，位于3个倾角为56度的轨道平面内。该系统除了30颗中高度圆轨道卫星外，还有2个地面控制中心。“伽利略”系统将为欧盟成员国和中国的公路、铁路、空中和海洋运输甚至徒步旅行者有保障地提供精度为1米的定位导航服务，从而也将打破美国独霸全球卫星导航系统的格局。按计划，首批两枚实验卫星将于2005年末和2006年发射升空。1.3.1.2“伽利略”定位系统的优势“伽利略”系统是世界上第一个基于民用的全球卫星导航定位系统，投入运行后，全球的用户将使用多制式的接收机，获得更多的导航定位卫星的信号，将无形中极大地提高导航定位的精度，这是“伽利略”计划给用户带来的直接好处。另外，由于全球将出现多套全球导航定位系统，从市场的发展来看，将会出现GPS系统与“伽利略”系统竞争的局面，竞争会使用户得到更稳定的信号、更优质的服务。世界上多套全球导航定位系统并存，相互之间的制约和互补将是各国大力发展全球导航定位产业的根本保证。“伽利略”计划是欧洲自主、独立的全球多模式卫星定位导航系统，提供高精度，高可靠性的定位服务，实现完全非军方控制、管理，可以进行覆盖全球的导航和定位功能。“伽利略”系统还能够和美国的GPS、俄罗斯的GLONASS系统实现多系统内的相互合作，任何用户将来都可以用一个多系统接收机采集各个系统的数据或者各系统数据的组合来实现定位导航的要求。“伽利略”系统可以发送实时的高精度定位信息，这是现有的卫星导航系统所没有的，同时“伽利略”系统能够保证在许多特殊情况下提供服务，如果失败也能在几秒钟内通知客户。与美国的GPS相比，“伽利略”系统更先进，也更可靠。美国GPS向别国提供的卫星信号，只能发现地面大约10米长的物体，而“伽利略”的卫星则能发现1米长的目标。一位军事专家形象地比喻说，GPS系统，只能找到街道，而“伽利略”则可找到家门。 1.3.1.3我国参与“伽利略”计划目前全世界使用的导航定位系统主要是美国的GPS系统，欧洲人认为这并不安全。为了建立欧洲自己控制的民用全球导航定位系统，欧洲人决定实施“伽利略”计划。2003年9月18日，欧盟和中国草签了中国参与“伽利略”计划的协议。2004年10月9日，双方又签署了此项目的技术合作协议；因而引发美国媒体发出美国可能击毁“伽利略”卫星的报道。可见，此项目不但具有极高经济价值，也深具政治和军事战略意义。参与“伽利略”计划是迄今为止我国与欧洲最大的合作计划。全球导航定位系统的应用十分广泛，从经济建设、国防建设等各方面来考虑，我国都应该建立自己的全球导航定位系统。比如，将来我们建立起全国的车辆定位系统后，如果我们没有其他导航定位系统而只依靠GPS系统，那么一旦出现意外情况，将使整个交通系统瘫痪。“伽利略”计划总值36亿欧元，2004年10月9日，中欧伽利略计划技术合作协议在北京正式签署，中国将投入2亿欧元参与“伽利略计划”，约5。据悉，中国是正式加入“伽利略计划”的第一个非欧盟国家，这标志着我国航天事业在国际合作领域迈出走向欧洲化的第一大步。 伽利略卫星导航系统特许经营说明会,日前在京举行。本次会议的主要目的是向中国各界全面推介伽利略系统特许运营的概念,为伽利略系统在中国的运营准备条件。包括欧洲伽利略联合执行体、国家遥感中心、中国伽利略卫星导航有限公司,以及由Alca-tel和EADS在内的欧洲7家集团组成的全球伽利略系统特许运营商(GOC)参加了会议。中国政府相关部委、中外工业界、科技界、金融界等相关企事业单位,也派代表出席了说明会。 1.3.1.4历史和近况伽俐略计划的时间表： 定义阶段：已经完成 开发阶段：20022005年 （延期）部署阶段：20062007年 （延期）商业运作阶段：2008年起 （延期） 伽利略卫星导航正式运营时间被一再推迟，从最初预计的2008年推迟到2011年，最近又被推迟到2014年 2010年1月欧盟签署的合约，表示延迟已久伽利略系统终于有所突破，同时也标志着伽利略系统的性能会更加优秀，相比美国的GPS系统要更加可靠，但是正式运营时间被进一步推迟到2014年。根据合约内容，德国OHB空间技术公司获得为该系统制造第一批14颗卫星的合同，合同金额达5.66亿欧元；意大利泰利斯阿莱尼亚航天公司获得为该项目提供系统支持的合同，金额为8500万欧元；而法国阿丽亚娜太空公司则获得了发射卫星的合同，金额为3.97亿欧元。 1.3.2 GLONASS卫星导航系统GLONASS全球卫星导航系统的起步晚于GPS九年，在广泛使用GPS的同时，前苏联在全面总结CICADA第一代卫星导航系统优缺点的基础上，吸取美国GPS系统的成功经验，从1982年10月12日开始，逐步建立了第二代卫星导航系统GLONASS全球卫星导航系统（Global Orbiting Navigation Satellite System）。该系统计划在1995年12月14日建成由（21+3）颗卫星组成的GLONASS工作卫星星座，其中21颗卫星为工作卫星，3颗为在轨备用卫星，它们均匀地分布在如图13所示的三个轨道平面内，并以1.6021.616GHZ和1.2461.256GHZ射电频率发射信号和传播电文。可见，GLONASS系统与美国的GPS系统极为相似。到1996年的十三年时间内历经周折，期间虽然遭遇了苏联的解体，由俄罗斯接替，1995年初只有16颗GLONASS卫星在轨工作，1995年进行了三次成功发射，将9颗卫星送入轨道，完成了24颗工作卫星加一颗备用卫星的布局。经过数据加载，调整和检验，已于1996年1月18日，整个系统正常运行。该系统采用PZ90坐标系。1. GLONASS卫星星座GLONASS卫星星座的轨道为3个等间隔椭圆轨道，3个轨道平面的相互夹角按升交点经度计算为120，3个轨道平面的编号分别为No.1，No.2，No.3，按地球自西向东的旋转方向由No.1 至No.3递增。No.1的卫星编号为18， No.2的卫星编号为916， No.3的卫星编号为1724，在同一个轨道平面上的各颗卫星，其编号按卫星飞行的反方向递增。轨道倾角64.80.3，轨道的偏心率为0.01，每个轨道上等间隔地分布8颗卫星。卫星离地面高度为19100km，运行周期为11小时15分45秒。GLONASS和GPS的对比参见表12。由于GLONAS卫星的轨道倾角大于GPS卫星的轨道倾角，所以在高纬度（50以上）地区的可视性较好。地面上的用户每天可提前4.07min见到同一颗GLONASS卫星，在中国境内可见到24颗GLONASS卫星中的卫星高度角5以上的11颗卫星，这比能够见到的GPS卫星要多三四颗。每颗GLONASS卫星上装有铯原子钟，以产生高稳定的时标，并向所有星载设备提供同步信号。星载计算机将从地面控制站接收到的信息进行处理，生成导航电文向地面的用户广播。2.地面控制系统 地面控制站(GCS)包括一个系统控制中心（在莫斯科区的Golitsyno2），一个指令跟踪站（CTS），网络分布于俄罗斯境内。CTS跟踪着GLONASS可视卫星，遥测所有卫星，进行测距数据的采集和处理，并向各卫星发送控制指令和导航信息。在地面控制站(GCS)内有激光测距设备对测距数据作周期修正，为此所有GLONASS卫星上都装有激光反射镜。 3.用户设备GLONASS接收机接收GLONASS卫星信号并测量其伪距和速度,同时从卫星信号中选出并处理导航电文，并算出位置坐标的三个分量、速度矢量的三个分量和时间。GLONASS系统进展较快，但生产用户设备的厂家较少，生产的接收机多为专用型。GPS和GLONASS联合型接收机有很多优点：用户同时可接收的卫星数目增加约一倍，可以明显改善观测卫星的几何分布，在一些遮挡物较多的城市、森林等地区，可提高定位精度，还可有效地削弱美俄两国对各自定位系统的可能控制，提高定位的可靠性和安全性。GPS和 GLONASS卫星定位系统的主要特征见表1。GPS和 GLONASS卫星系统比较 表1卫 星 系 统GPSGLONASS卫 星 数（颗）213213轨道面数6个3个轨道倾角5564.8平均高度20200 km19390 km周 期11h58m11h16m卫星射电频率L11575.42 MHz（1602.5625+0.5625（j1）MHz卫星射电频率L21227.60 MHz（1246.4375+0.4375（j1） MHz伪噪声码（PRN）每颗卫星的PRN码不相同所有卫星的PRN码都相同星钟参数钟差、钟速、钟漂钟差、钟速星历坐标系WGS84PZ90同步重复周期6s2s同步比特830信号区分法码分多址频分多址注：USNO为美国海军天文台；SU为苏联。WGS84为1984世界大地坐标系；PZ90为1990苏联地心坐标系。GLONASS卫星的平均工作寿命超过4.5年。1999年底补网发射了三颗卫星，至2000年初，该系统只有七颗健全卫星保持连续工作。2000年9月在我国中部地区只能见到3颗GLONASS卫星。截止到2004年6月3日，GLONASS卫星星座目前在轨工作卫星为十颗，它们的序号分别是：2、3、4、5、17、18、21、22、23、和24。其中有四颗在第一轨道面工作，其余六颗在笫二轨道面工作。十颗星中有三颗星是2000年10月13日发射出，有两颗是2001年12月1日发射的，有三颗是2002年12月25日发射的，还有两颗是2003年12月10日发射的，2003年12月10日发射的另一颗星尚未投入工作。计划2004年再发射15颗卫星，届时GLONASS系统将有可能进入最好的运营状态。俄罗斯计划在2010年底前再发射7颗“格洛纳斯”导航卫星，以实现导航范围覆盖全球的目的。这7颗“格洛纳斯”导航卫星中有6颗是“格洛纳斯-M”卫星，另一颗是“格洛纳斯-K”改进型卫星。目前该系统在轨卫星总数为23颗，其中21颗正常工作，另外2颗出现技术问题。他预计，到今年年底“格洛纳斯”系统常年运转的在轨卫星总数将达27至28颗，其导航范围将覆盖全球。1.3.3北斗卫星导航系统我国自行研制的第一颗导航定位卫星“北斗导航试验卫星” （北斗一号），于2000年10月31日凌晨0时02分在西昌卫星发射中心发射升空，并准确进入预定轨道。2000年12月21日0时20分，我国自行研制的第二颗“北斗导航试验卫星”，在西昌卫星发射中心发射升空，并准确进入地球同步轨道。它与2000年10月31日发射的第一颗“北斗导航试验卫星”一起，构成了“北斗导航定位系统”。2003年5月25日零时34分中国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭成功地将第三颗“北斗一号”导航定位卫星送入太空。这标志着中国已自主建立完善的卫星导航系统，对中国国民经济建设将起到积极作用。它与前两颗“北斗一号”工作星组成了完整的卫星导航定位系统，确保全天候、全天时提供卫星导航信息。北斗导航定位系统是我国自行研制和建立的第一代卫星导航定位系统。该系统是全天候、全天时提供卫星导航信息的区域导航系统。这个系统建成后，主要为公路交通、铁路运输、海上作业等领域提供导航定位服务，对我国国民经济建设将起到积极推动作用。北斗导航定位系统采用主动式定位原理，用户设备既接收来自两颗北斗一号卫星的导航定位信号，又要向卫星转发该信号，进而由地面中心站解算出各个用户的所在点位，并用通讯的方式告之用户所测得的加密坐标值。1.3.3.1导航系统的频率北斗导航系统在国际电信联盟登记的频段为卫星无线电定位业务频段，上行为L频段（频率16101626.5MHz），下行为S频段（频率2483.52500MHz）；登记的卫星位置为赤道面东经80、140和110.5（最后一个为备份星星位）。1.3.3.2北斗卫星导航系统两颗星的定位原理北斗系统由2颗地球静止卫星（GEO）对用户双向测距，由1个配有电子高程图库的地面中心站进行位置解算。定位由用户终端向中心站发出请求，中心站对其进行位置解算后将定位信息发送给该用户。 它的定位基于三球交会原理，即以2颗卫星的已知坐标为圆心，各以测定的本星至用户机距离为半径，形成2个球面，用户机必然位于这2个球面交线的圆弧上。中心站电子高程地图库提供的是一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。求解圆弧线与地球表面交点，并已知目标在赤道平面北侧，即可获得用户的二维位置。系统的工作过程是：首先由中心控制系统向卫星和卫星同时发送询问信号，经卫星转发器向服务区内的用户广播。用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号，经卫星转发回中心控制系统。中心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用户的申请服务内容进行相应的数据处理。对定位申请，中心控制系统测出两个时间延迟：即从中心控制系统发出询问信号，经某一颗卫星转发到达用户，用户发出定位响应信号，经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟；和从中心控制发出询问信号，经上述同一卫星到达用户，用户发出响应信号，经另一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是已知的，因此由上面两个延迟量可以算出用户到第一颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距离之和，从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面，和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。另外中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值，又可知道用户处于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密后发送给用户。1.3.3.3北斗卫星导航系统的三大功能(1)快速定位：北斗导航系统可为服务区域内用户提供全天候、高精度、快速实时定位服务。 (2)简短通信：北斗系统用户终端具有双向数字报文通信能力，可以一次传送超过100个汉字的信息。 (3)精密授时：北斗导航系统具有单向和双向两种授时功能。根据不同的精度要求,利用授时终端,完成与北斗导航系统之间的时间和频率同步,可提供数十纳秒级的时间同步精度。 1.3.3.4北斗用户机的类型依据北斗用户机的应用环境和功能的不同，可以将北斗用户机分为五类：(1)基本型：适用于一般车辆、船舶及便携等用户的导航定位应用，可接收和发送定位及通信信息，与中心站及其他用户终端双向通信。 (2)通信型：适用于野外作业、水文测报、环境监测等各类数据采集和数据传输用户，可接收和发送短信息、报文，与中心站和其他用户终端进行双向或单向通信。 (3)授时型：适用于授时、 校时、时间同步等用户，可提供数十纳秒级的时间同步精度。 (4)指挥型用户机：适用于小型指挥中心指挥调度、监控管理等应用，具有鉴别、指挥下属其他北斗用户机的功能。可与下属北斗用户机及中心站进行通信，接收下属用户的报文，并向下属用户发播指令。 (5)多模型用户机：既能接收北斗卫星定位和通信信息，又可利用GPS系统或GPS增强系统导航定位。适用于对位置信息要求比较高的用户。1.3.3.5北斗一号卫星导航系统与GPS系统比较(1)覆盖范围：北斗导航系统是覆盖我国本土的区域导航系统。覆盖范围是东经70145，北纬555之间的心脏地区，上大下小，最宽处在北纬35左右。其定位精度为水平精度20米，高程10m。系统能容纳的用户数为每小时540000户。GPS是覆盖全球的全天候导航系统。能够确保地球上任何地点、任何时间能同时观测到69颗卫星(实际上最多能观测到11颗)。(2)卫星数量和轨道特性：北斗导航系统是在地球赤道平面上设置2颗地球同步卫星，两颗卫星的赤道角距约60。它们分别定点在东经80和东经140的上空。GPS是在6个轨道平面上设置24颗卫星，轨道赤道倾角55，轨道面赤道角距60。GPS卫星为准同步轨道，绕地球一周11小时58分。(3)定位原理：北斗导航系统是主动式双向测距二维导航。地面中心控制系统解算后提供给用户三维的加密定位数据。“北斗一号”的这种工作原理带来两个方面的问题，一是用户定位的同时失去了无线电隐蔽性，这在军事上相当不利，另一方面由于用户设备必须包含发射机，因此在体积、重量上、价格和功耗方面处于不利的地位。GPS是被动式伪码单向测距三维导航。由用户设备独立解算自己的三维定位数据，保密性强。(4)定位精度：北斗导航系统三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。GPS三维定位精度P码目前己由16m提高到6m，C/A码目前己由25-100m提高到12m，授时精度约20ns。(5)用户容量：北斗导航系统由于是主动双向测距的询问-应答系统，用户设备与地球同步卫星之间不仅要接收地面中心控制系统的询问信号，还要求用户设备向同步卫星发射应答信号，这样，系统的用户容量取决于用户允许的信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率。因此，北斗导航系统的用户设备容量是有限的。GPS是单向被动式测距系统，用户设备只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行测距定位，因此GPS的用户设备容量是无限的。(6)生存能力：和所有导航定位卫星系统一样，“北斗一号”基于中心控制系统和卫星的工作，但是“北斗一号”对中心控制系统的依赖性明显要大很多，因为定位解算是中心控制系统完成的。一旦中心控制系统受损，系统就不能继续工作了。为了弥补这种系统易损性，GPS正在发展星际横向数据链技术，使万一主控站被毁后GPS卫星可以独立运行。(7)实时性：“北斗一号”用户的定位申请要送回中心控制系统，中心控制系统解算出用户的三维位置数据之后再发回用户，时间延迟较长，因此对于高速运动体，就加大了定位的误差。此外，“北斗一号”卫星导航系统也有一些自身的特点，其具备的短信通讯功能就是GPS所不具备的。我国的双星卫星导航系统，综合了传统天文导航定位和地面无线电导航定位的优点，相当于一个设置在太空的无线电导航台。它不仅可以在任何时间、任何地点，为用户确定其所在的地理经纬度和海拔高度。而且在定位性能上有所创新。这个系统将主要用于国家经济建设，为我国的船舶运输、公路交通、铁路运输、野外作业、水文测报、森林防火、渔业生产、勘察设计、环境监测等众多行业以及其他有特殊调度指挥要求的单位提供定位、通信和授时等综合服务。例如在西部和跨省区运营车辆、沿海和内河船舶的监控救援，水利、气象、石油、海洋和灾害预报的信息采集，通信、电力、铁路网络的精确授时，公安保卫、边防巡逻、海岸缉私和交通管理的导航通信等。应用前景十分广阔。“北斗”导航 系统是国际上首次实现的区域导航定位系统，该系统的建立和投入使用，填补了我国导航卫星领域的空白，使我国成为世界上继美俄之后自主建立卫星导航系统的国家。目前，世界上只有少数发达国家具备了自主建设卫星导航系统的能力。综上所述，北斗导航系统具有卫星数量少、投资小、用户设备简单价廉、能实现一定区域的导航定位、通讯等多用途，可满足当前我国陆、海、空运输导航定位的需求。缺点是不能覆盖两极地区，赤道附近定位精度差，只能二维主动式定位，且需提供用户高程数据，不能满足高动态和保密的军事用户要求，用户数量受一定限制。但最重要的是，“北斗一号”导航系统是我国独立自主建立的卫星导航系统，它的研制成功标志着我国打破了美、俄在此领域的垄断地位，解决了中国自主卫星导航系统的有无问题。当然，我们也需要认识到，随着我军高技术武器的不断发展，对导航定位的信息支持要求越来越高。北斗导航系统仅是我国近期满足四化建设需要的自主简易导航系统，因此，我们必须在发展“北斗一号”的基础上，借鉴国外GPS、GLONASS的成功经验，开发我国的第二代卫星导航系统，我们有理由相信，在不久的将来，具备先进性、适用性、军民两用、抗干扰性、抗催毁性等特征的，适合我国的国情的“北斗二号”将会展现在大家面前，更加完善的我国卫星导航系统也必将建立。第二章 GPS定位测量2.1 GPS系统组成和工作原理2.1.1GPS系统组成GPS(RTK) 系统由基准站、若干个流动站及无线电通讯系统三部分组成。基准站包括GPS 接收机、GPS 天线、无线电通讯发射系统、供GPS 接收机和无线电台使用的电源及基准站控制器等部分。流动站由以下几个部分组成: GPS 接收机、GPS 天线、无线电通讯接听系统、供GPS 接收机和无线电使用的电源及流动站控制器等部分。（1）GPS 系统包括三大部分：空间部分GPS 卫星星座；地面控制部分地面监控系统；用户部分GPS 接收机。 （2） GPS 系统的空间部分由 21 颗工作卫星及 3 颗备用卫星组成， 它们均匀分布在 6 个近似圆形轨道上。 （3）GPS 工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。 （4）GPS 卫星位置采用 WGS-84 大地坐标系。 （5）GPS 系统中卫星钟和接收机钟均采用稳定而连续的 GPS 时间系统。 （6）GPS 卫星星历分为预报星历(广播星历)和后处理星历（精密星历） 。 （7）GPS 接收机依据其用途可分为：导航型接收机、测地（量）型接收机和授时 型接收机。 （8）在 GPS 定位工作中，由于某种原因，如卫星信号被暂时阻挡，或受到外界干 扰影响，引起卫星跟踪的暂时中断，使计数器无法累积计数，这种现象称为整周 跳变（周跳） （9）根据不同的用途，GPS 网的图形布设通常有：点连式、边连式、网连式和边 点混合连接四种基本方式。选择什么样的组网，取决于工程所要求的精度、 野外条件及 GPS 接收机台数等因素。 （10）卫星定位中常采用空间直角坐标系及其相应的大地坐标系，一般取地球质心 为坐标系原点。 （11）我国目前常采用的两个国家坐标系是 1954 年北京坐标系和 1980 年国家大地坐标系。 （12）GPS 接收机的天线类型主要有：单板天线；四螺旋形天线；微带天线和锥形 天线。 （13）GPS 接收机主要由 GPS 接收机天线单元、GPS 接收机主机单元和电源三部 分组成。 （14）单站差分按基准站发送信息的方式来分，可分为、位置差分伪距差分和载波 相位差分。 （15）与信号传播有关的误差有电离层折射误差、对流层折射误差及多路径效应误 差。 （16）GPS 的数据处理基本流程包括数据采集、 数据传输、 数据预处理、 基线结算、GPS 网平差。（17）GPS 卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。 （18）对于 N 台 GPS 接收机构成的同步观测环，有 J 条同步观测基线，其中独立 基线数为 N-1 （19）双频接收机可以同时接收 L1 和 L2 信号，利用双频技术可以消除或减弱对流 层折射对观测量的影响，所以定位精度较高，基线长度不受限制，所以作业效率 较高。2.1.2GPS工作原理图2-1 GPS工作原理图GPS 系统包括三大部分:地面监控部分、空间卫星部分、用户接收部分,各部分均有各自独立的功能和作用,同时又相互配合形成一个有机整体系统。对于静态GPS 测量系统, GPS 系统需要二台或二台以上接收机进行同步观测,记录的数据用软件进行事后处理可得到两测站间的精密WGS -84 坐标系统的基线向量,经过平差、坐标转换等工作,才能求得未知的三维坐标。现场无法求得结果,不具备实时性。 基准站把接收道的所有卫星信息（包括伪距和载波相位观测值）和基准站的一些信息(如基站坐标天线高等) 都通过无线电通讯系统传递到流动站，流动站在接收卫星数据的同时也接受基准站传递的卫星数据。流动站完成初始化后,把接收到的基准站信息传送到控制器内并将基准站的载波观测信号进行差分处理,即可实时求得未知点的坐标2.2控制点的采集和分析2.2.1实训前的准备工作（1）实训动员：对实训的任务和意义作好充分了解。（2）使用的仪器及物品：GPS接收机（含电池）、基座、脚架若干台，作业调度表，外业观测手簿，小钢尺，铅笔，安装有传输软件和数据处理软件的计算机，数据传输线若干根，便携式存储器。（3）搜集资料广泛收集测区及其附近已有的控制测量成果和地形图资料a控制测量资料包括成果表、点之记、展点图、路线图、计算说明和技术总结等。收集资料时要查明施测年代、作业单位、依据规范、坐标系统和高程基准、施测等级和成果的精度评定。b收集的地形图资料包括测区范围内及周边地区各种比例尺地形图和专业用图，主要查明地图的比例尺、施测年代、作业单位、依据规范、坐标系统、高程系统和成图质量等。c如果收集到的控制资料的坐标系统、高程系统不一致，则应收集、整理这些不同系统间的换算关系。收集有关GPS测量定位的技术要求通过参考测量规范，收集有关的测量技术要求。GPS测量规范包括：a全球定位系统GPS测量规范GB/T 18314-2001b全球定位系统城市测量技术规程CJJ 73-97c公路全球定位系统（GPS）测量规范JTJ/C 066-98d全球定位系统(GPS)铁路测量规程TB10054-97e测绘技术总结编写规定HC 1001-91f城市测量规范CJJ 8-99g测绘技术应用与规范管理实用手册 (1-4) KJ1420h全球定位系统(GPS)测量型接收机检定规程 CH 8016-952.2.2GPS控制网的布设（1）GPS网图形设计原则GPS网应根据测区实际需要和交通状况，作业时的卫星状况，预期达到的精度，成果的可靠性以及工作效率，按照优化设计原则进行。GPS网一般应通过独立观测边构成闭合图形，例如一个或若干个独立观测环，或者附合路线形式，以增加检核条