GPS测量原理及其应用

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1、存档编号：武汉大学测绘学院毕业实践报告题目 GPS 测虽原理及应用专 业：工程测量技术年 级:2021 级学习形式：函授学 号：133122064170091报告 李伟报告指导教师：黄海兰指导教师职称：武汉大学测绘学院：2.5年 制 完成时间：2021年10月10日摘要本文主要介绍了 GPS术的根本知识，包括GPS系统的组成、GPS定位的根本原理、GPS 测量的误差来源、GPSa据处理流程以及 GPSS测绘领域中的应用，并对每一点都进行了具 体的分析。其中，GPS系统主要由GPS卫星星座空间局部、地面监控系统地面控制局部和GPS信号接收机用户设备局部组成。GPS定位的根本原理是空间距离的前方交

2、会。GPS测量的主要误差包括与 GPS卫星有关的误差、与信号传播路径有关的误差和与接收设备有关 的误差。最后，又以专业软件为例介绍了数据处理流程，并简单介绍了 GP融术在测绘领域中的应用。关键词：测量原理应用15摘要 1目录 2绪论 31.1选题的背景及意义 31.2国内外研究现状 4GPSW量原理及其应用 51.1 GPS系统的组成 51.1.1 GPS卫星星座空间局部 51.1.2地面监控系统地面控制局部 51.1.3 GPS信号接收机用户设备局部 62.2 GPS定位的根本原理 72.2.1 GPS定位方法简介 72.2.2 GPS静态相对定位原理 72.3 GPS测量的误差来源 82.

3、3.1 与卫星相关的误差 82.3.2 与传播路径相关的误差 92.3.3 与接收设备相关的误差 102.3.4其他误差 102.4 GPS数据处理流程 112.5 GPS在测绘领域中的应用 112.5.1 在大地测量中的应用 122.5.2 在工程测量中的应用 122.5.3 在变形监测中的应用 122.6小结 13参考文献 14谢辞 141.1选题的背景及意义GPS Global Positioning System-全球定位系统是随着现代科学技术的迅速开展，而建立起来的新一代精密卫星定位系统， 是由美国军方开发的高科技 产品，原本专门应用于军事目的。它的原始思维理念是，将参考的定位坐标系

4、搬 到天际上去，这样，可在任何时候、任何地方提供全球范围内三维位置、三维速 度和时间信息效劳。1996年2月29日美国政府正式宣布将GPS开放为军民两用 系统，但仍实行SA 可用性选择政策，成心劣化定位精度，使民用用户的应 用受到限制。2000年5月1日，美国总统宣布将SA置为零，这无疑在很大程度 上促进民用GPS应用的开展和普及。如今，GPS勺应用范围已然极其广泛，在测量方面更是被应用地得心应手。 因此，GP叫界流行这样一句话，“GPS勺应用只受到人们想象力的限制。现在, GP啊到达的定位精度范围已从10m级到mnfeo可以毫不夸张地说，GPS勺应用 已经成为测量行业一项必须的、非常可靠的技

5、术。GPSK术作为新一代卫星导航与定位系统，不仅具有全球性、全天候、连续 的精密三维导航与定位能力，而且具有良好的抗十扰和保密性等优点，目前已广 泛用于各种测量工作中，GP渺卜业数据采集已根本实现自动化，而对于 GPS8收 机观测数据的处理一般依赖商业软件来实现。GPSR据处理一般包括预处理、基线解算、外业观测质量检核、空间无约束平差、坐标系统转换与高程系统转换等 步骤。1.2国内外研究现状新中国成立后，我国的航天科技事业在自力更生、 艰苦创业的征途上，逐步 建立和开展，跻身于世界先进水平的行列，成为世界空间强国之一。80年代初，我国一些院校和科研单位已开始研究 GPS技术，经过十多年的努力，

6、我国的测 绘工作者在GPS定位根底理论研究和应用开发方面作了大量工作。80年代中期， 我国引进GPS接收机，并应用于各个领域。同时着手研究建立我国自己的卫星 导航系统。至今十多年来，据有关人士估计，目前我国的GPS接收机拥有量约在4万台左右，而且以每年两万台的速度增加。足以说明GPS技术在我国各行业中应用的广泛性。图2-1卫星星座GPSM量原理及其应用1.1 GPS系统的组成GPS定位技术是利用高空中的GPS卫星，向地面发射L波段的载频无线电 测距信号，由地面上用户接收机实时地连续接收， 并计算出接收机天线所在的位 置。因此,GPS定位系统是由以下三个局部组成：GPS卫星星座空间局部、 地面监

7、控系统地面控制局部、GPS信号接收机用户设备局部。这三局部有 各自独立的功能和作用，对丁整个全球定位系统来说，它们都是不可缺少的。1.1.1 GPS卫星星座空间局部GPS系统的空间局部由GPS卫星组成，称为卫星星座，见图2-1。GPS空间 卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。24颗卫星均匀分布在6个 轨道平面内，轨道平面的倾角为55,卫 星的平均高度为 20210 km,运行周期 为 11 h 58 min。卫星用L波段的两个无线电载波 向广阔用户连续不断地发送导航定位 信号，导航定位信号中含有卫星的位置 信息，使卫星成为一个动态的点。 在地球的任何地点、任彳时刻，在高度 角15以

8、上，平均可同时观测到6颗卫 星，最多可到达9颗。GPS卫星产生两 组电码，一组称为 C/ A码Coarse/Acquisition Code11023MHz), 一组称为 P 码(Procise Code 10123MHz)。1.1.2地面监控系统地面控制局部GPS的地面监控局部由分布在全球的 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台和假设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。2主控站：除协调和管理地面监控系统外，主要任

9、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(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。总之，整个GPS系统的地面监控局部，除

10、主控站外均无人值守。各站问用 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地面控制局部的作用主要有以下几点：(1) 负责监控全球定位系统的工作(2) 监测卫星是否正常工作，是否沿预定的轨道运行(3) 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(4) 保持各颗卫星的时间同步(5) 必要时对卫星进行调度1.1.3 GPS信号接收机(用户设备局部)GPS信号接收机，是一种能够接收、跟踪、变换和测量 GPS卫星信号的接 收设备。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，

11、就可测量出接收天线至卫 星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收 机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及 GPS数据的后处理软件包构成完整的 GPS用 户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两局部。接收机一般采用 机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观 测。在用机外电源时机内电池自动充电。 关机后，机内电池为RAM存储器供电， 以防止数据丧失。目前各种类型的接受机体积越来越小， 重量越来越轻，便于野 外观测使用。其次那么为使用者接收

12、器，现有单频与双频两种，但由于价格因素，一股我们所购置的多为单频接收器。2.2 GPS定位的根本原理利用GPS进行定位的根本原理，是以 GPS卫星和用户接收机天线之间距离 或距离差的观测量为根底，并根据的卫星瞬时坐标，来确定用户接收机天 线所对应的点位，即观测站的位置。2.2.1 GPS定位方法简介GPS定位的方法主要有以下三种分类：1根据使用的观测值分为伪距测量和载波相位测量伪距定位，即采用伪距观测值直接测距，定位精度较低。载波相位定位，即 采用载波相位观测值，虽然将观测值转化成距离有一定难度，但定位精度高。2根据测站的运动状态分为静态定位和动态定位静态定位是在定位过程中，接收机的位置是固定

13、的，处于静止状态这种静止状态是相对的。动态定位是在定位过程中，接收机天线处于运动状态，其广 泛应用于动态目标的监测和导航。3根据观测方式分为绝对定位和相对定位绝对定位单点定位，一台接收机独立确定待定点在坐标系中的绝对位置。通常是指在协议地球坐标系中，直接确定观测站相对于坐标系原点地球质心绝 对坐标的一种定位方法。相对定位，两台或多台接收机同步观测GPS卫星，确定它们之间的相对位置的方法。理论依据为测站同步观测相同卫星时，卫星轨 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等，对观测量 的影响具有一定的相关性。2.2.2 GPS静态相对定位原理GPS静态定位的根本原理是空间距离的前

14、方交会。用两台接收机分别安置在 基线的两个端点，其位置静止不动，同步观测相同的4颗以上卫星，确定两个端 点在协议地球坐标系中的相对位置，这就叫做静态相对定位。静态相对定位一般均采用载波相位观测值或测相伪距为根本观测量，对 中等长度的基线100-500km,相对定位精度可达10-6-10-7甚至更好，静态相对 定位是目前GPS精度最高的定位方式。在载波相位观测的数据处理中，为可靠地确定载波相位整周未知数， 静态相 对定位一般需要较长的观测时间1.0-1.5小时，如何缩短观测时间，是研究和 关心的热点。缩短静态相对定位的观测时间关键在于快速而可靠地确定整周未知 数。在高精度静态相对定位中，当仅有两

15、台接收机时，一般应考虑将单独测定的基线向量联结成向量网三角网或导线网，以增强几何强度，改善定位精度。 当有多台接收机时，应采用网定位方式，可检核和控制多种误差对观测量的影响， 明显提高定位精度。2.3 GPS测量的误差来源GPS卫星在距离地面约20210公里的高空，向地面上的广阔用户发送测距信 号和导航电文等信息。GPS定位的观测量不可防止地会受到多种误差源影响。按 照这些误差源的来源，可主要分为三种情况：与 GPS卫星有关的误差、与信号 传播路径有关的误差、与接收设备有关的误差。以下将对各种误差作简要的分析。2.3.1与卫星相关的误差与卫星相关的误差主要包括卫星星历误差和卫星钟误差。1卫星星

16、历误差卫星轨道偏差它是指播送星历或其它轨道信息给出的卫星理论位置与实际位置之间的差值。由于卫星在运动中受多种摄动力的复杂影响，而通过地面监测站乂难以可靠地测定这些作用力并掌握其作用规律， 因此，卫星轨道误差的估计和处理一般较 困难。目前，通过导航电文所得的卫星轨道信息，相应的位置误差约20-40m。随着摄动力模型和定轨技术的不断完善， 卫星的位置精度将可提高到5-10m。卫 星的轨道误差是当前GPS定位的重要误差来源之一。卫星轨道偏差对绝对定位的影响可达几十米到一白米。而在相对定位中，由 于相邻测站星历误差具有很强的相关性，因此对相对定位的影响远远低于对绝对 定位的影响，不过，随着基线距离的增

17、加，卫星轨道偏差引起的基线误差将不断 加大。随着基线长度的增加，卫星轨道误差将成为影响定位精度的主要因素。在GPS定位中，根据不同要求，处理轨道误差的方法原那么上有三种：1忽略轨道误差：广泛用于实时单点定位。2采用轨道改良法处理观测数据：卫星轨道的偏差主要由各种摄动力综合作 用而产生，摄动力对卫星6个轨道参数的影响不相同，而且在对卫星轨道摄动进 行修正时，所采用的各摄动力模型精度也不一样。 因此在用轨道改良法进行数据 处理时，根据引入轨道偏差改正数的不同，分为短弧法和半短弧法。3同步观测值求差：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性。利用两个或多个观测站上对同一卫星的同步

18、观测值求差，可减弱轨道误差影响。当基线较短时，有效性尤其明显，而对精密相对定位，也有极其 重要意义。2卫星钟误差其与卫星位置是时间的函数，所以 GPS的观测量均以精密测时为前提。虽然GPS卫星均配有高精度的原子钟，但它们与理想的GPS时之间仍会有偏差或漂移，这是难以防止的，由此引起的等效距离误差在0.5m左右。卫星钟的偏差一般可通过对卫星运行状态的连续监测精确地确定，并用二阶多项式表示：6tj=a0+ait-t0e+a2t-t0e2。式中的参数由主控站测定，通过卫星的导 航电文提供应用户。经钟差模型改正后，各卫星钟之间的同步差保持在20ns以内，引起的等效距离偏差不超过 6m。卫星钟经过改正的

19、残差，在相对定位中， 可通过观测量求差差分方法消除。2.3.2与传播路径相关的误差GPS信号传播的误差主要是大气折射误差和多路径效应引起的。而大气折射误差乂分为电离层折射影响和对流层折射影响。1电离层折射影响主要取决丁信号频率和传播路径上的电子总量。通常采取的措施有：1利用双频观测：电离层影响是信号频率的函数，利用不同频率电磁波信号进行观测，可确定其影响大小，并对观测量加以修正。其有效性不低丁95%.2利用电离层模型加以修正：对单频接收机，一般采用由导航电文提供的或其它适宜电离层模型对观测量进行改正。目前模型改正的有效性约为75%,至今仍在完善中。3利用同步观测值求差：当观测站间的距离较近小于

20、20km时，卫星信号到达不同观测站的路径相近，通过同步求差，残差不超过10-6。2对流层折射影响对流层折射对观测量的影响可分为干分量和湿分量两局部。 干分量主要与大 气温度和压力有关，而湿分量主要与信号传播路径上的大气湿度和高度有关。 目 前湿分量的影响尚无法准确确定。对流层影响的处理方法：1定位精度要求不高时，忽略不计。2采用对流层模型加以改正。3引入描述对流层的附加待估参数，在数据处理中求解。4对观测量求差。3多路径效应多路径效应，也称多路径误差，即接收机天线除直接收到卫星发射的信号外，还可能收到经天线周围地物一次或屡次反射的卫星信号。两种信号迭加，将引起测量参考点位置变化，使观测量产生误

21、差。在一般反射环境下，对测码伪距的影 响达米级，对测相伪距影响达厘米级。在高反射环境中，影响显著增大，且常常 导致卫星失锁和产生周跳。消除或减弱多路径误差的措施有：1安置接收机天线的环境应避开较强发射面，如水面、平坦光滑的地面和建筑外表。2) 选择造型适宜且屏蔽良好的天线如扼流圈天线。3) 适当延长观测时间，削弱周期性影响。4) 改善接收机的电路设计。2.3.3与接收设备相关的误差其中主要包括观测误差、接收机钟差、天线相位中心误差和载波相位观测的 整周不确定性影响。(1) 观测误差除分辨误差外，还包括接收天线相对测站点的安置误差。 分辨误差一般认为 约为信号波长的1%。安置误差主要有天线的置平

22、与对中误差和量取天线相位中 心高度(天线高)误差。(2) 接收机钟差GPS接收机一般设有高精度的石英钟，日频率稳定度约为 10-11。如果接收 机钟与卫星钟之间的同步差为 1s，那么引起的等效距离误差为 300m。处理接收 机钟差的方法有：1) 作为未知数，在数据处理中求解。2) 利用观测值求差方法，减弱接收机钟差影响。3) 定位精度要求较高时，可采用外接频标，如钏、饨原子钟，提高接收机时 间标准精度。(3) 载波相位观测的整周未知数即无法直接确定载波相位相应起始历元在传播路径上变化的整周数。同时存在因卫星信号被阻挡和受到干扰，而产生信号跟踪中断和整周跳变。(4) 天线相位中心位置偏差GPS定

23、位中，观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准，在理论上，天线相位中心与仪器的几何中心应保持一致。 实际上，随着信号输入的强度和方向 不同而有所变化，同时与天线的质量有关，可达数毫米至数厘米。如何减小相位 中心的偏移，是天线设计的一个迫切问题。2.3.4其他误差在GPS定位中，除上述三种误差外，还有其它的一些误差来源，如地球自 转和地球潮汐，对 GPS定位也会产生一定的影响；除此之外，卫星钟和接收机 钟震荡器的随机误差、大气折射模型和卫星轨道摄动模型误差、地球潮汐以及信 号传播的相对论效应等都会对观测量产生影响。由丁这些误差来源量级较小，乂 规律性不强，在此就都不再进行一一介绍了。2.4 GP

24、S数据处理流程GPS的数据处理依次主要包括 GPS网的空间无约束平差、空间坐标系统转 换、空间平差成果的换算与投影、平面坐标系统转换、GPS网高程系统转换。以使用TGO软件为例,GPS数据处理流程如图2-2。野外观测教据下载至计算机/网 软件建立坐标系统卜T7图2-2 GPS数据处理流程2.5 GPS在测绘领域中的应用20世纪80年代以来，随着GP饥位技术出现和不断开展完善，如今，它“只 受到人们想象力的限制，同时也使测绘定位技术发生了革命性的变革， GPS测 量技术在测绘行业是绝不可少的。GPS已经成为测绘领域的重要组成局部。GPS测量提供了崭新的技术手段 和方法，长期以来用测角、测距、测水

25、准为主体的常规测地面定位技术，已经逐 步被以一次性确定三维坐标、高速度、高效率、高精度的 GPSK术所代替，同时定位范围已从陆地和近海扩展到海洋和宇宙空间；定位方法已从静态扩展到动 态；定位效劳领域已从导航和测绘领域扩展到国民经济建设广阔领域，充分显示了 GPS的高精度和高效益。2.5.1在大地测量中的应用GP浙我国高精度空间大地测量中起着骨十性作用, 有效地检核和改善我国 天文大地网，提高我国在大地水准面的精度，对经典大地测量学各个方面产生了 极其深刻影响，它在大地测量学领域得到广泛应用。国家A级和B级GP弘地控制网分别于1996年和1997年建成并先后交付使 用。A级网由30个点组成，平均

26、边长为650km水平方向重复精度优于2X 10-8m, 垂直方向不低于7X 10-8门绝对精度相对地心不低于土 0.1m。B级网由800 , . . . -8个点组成，平均边长为150km水平万向重复精度优于4X 10 m垂直万向不低 于8X 10-8mi绝对精度相对地心不低于土 1mi国家A级和B级GP弘地控制 网的建成，标志着我国具有分米级绝对精度的三维大地坐标系统已根本建成，它将为我国空间技术和空间根底数据、实时动态定位等技术提供一个精确可靠的参 照系。2.5.2在工程测量中的应用在工程测量方面，利用GPSt位精度高、操作简便快速、实时作业等优点， GPSK术广泛应用于工程测量中。应用G

27、PS&态相对定位技术，可以布设精密工程控制网，还可以广泛用于隧 道贯穿测量等精密工程。应用 GPS实时动态定位技术简称 RTK,可测绘各种 比例尺地形图可加密测图控制点，并多用于施工放样。 另外，不同于传统测量 技术的是，工程测量中，可以不用在测区内专门布设控制网， 在整个测区内直接 测量GPS点的三维坐标而不会降低测量精度。2.5.3在变形监测中的应用在变形监测方面，用GPS弋替常规的方法，不仅可进行二维变形监测，还可 广泛用于各种形变监测网的三维变形监测； 不仅能够进行静态变形监测，和可以 对大型建筑物进行动态变形监测。在动态监测方面，过去一般采用加速度计、激光十涉仪等测量设备测定建筑 结

28、构的振动特性，但是，随着建筑物高度的增加，以及连续性、实时性和自动化 监测程度要求的提高，常规测量技术已越来越受到局限。GPS乍为一种精确定位方法，由于其硬件和软件的开展与完善，特别是高采用率目前已达20HzGPS接收机的出现，在大型结构物动态特性和变形监测方面已表现出其独特的优越性。2.6小结随着经济以及科技的开展，GPS已充分显示了其在定位领域的霸主地位。 许 多领域也由丁 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勺高精度、全天候、全球覆盖、方便灵活和优质价廉所吸引。 我国的GPS&用开展势头迅猛，短短几年，GPS&我国的应用已从少数科研单位 和军

29、用部门迅速扩展到各个民用领域，GPS的广泛应用改变人们的工作方式，提 高了工作效率，带来了巨大的经济以及科技效益。参考文献1 徐绍铃，张华海，杨志强，王泽民.GPSg量原理及应用M.武汉：武汉大学 出版社，2021.2 张勤，李家权.GPS量原理及应用M.北京：科学出版社，2005.3 GB /T18314-2001，全球定位系统(GPS)测量标准S.4 刘永强等.Visual Basics序设计教程M.北京：北京理工大学出版社，2006.5 刘基余.GPS卫星导航定位原理与方法M .北京：科学出版社，2021.6 刘基余，李征航，王跃虎.全球定位系统原理及其应用M.北京:测绘出版社,1993

30、.7 付新启.测量学M.北京：北京理工大学出版社，2021.8 刘经南.GPS卫星定位技术进展J .全球定位系统，2000 ( 2 ) : 1-4.9 朱华统.常用大地坐标系及其变换M.北京:解放军出版社，1990.10 李英冰，徐绍铃.利用RTK进行数字化测图的经验总结J .全球定位系统， 2005.11 Cross P.A,Chen W,Tu YAmbiguity Resolution for Rapid GPS Relative PositioningJ. Proceedings of CONSAS,South Africa,199312 Chen Y. Some Test Result

31、 for Software Geotracer GPS J . Internal Report to Geotronics, 1996.谢辞历时将近一个月的时间终于完成了这篇论文， 在写作的过程中遇到了很多的 困难和挫折，在老师和同学们的帮助下都克服了。 尤其要强烈感谢我的论文指导 老师一黄海兰老师，她对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助我进行论 文的修改和改良。黄海兰老师不但态度和蔼而且教学通俗易懂、学术严谨、责任 心很强，很值得我们大家学习。为此，特别向黄海兰老师表示最真诚的感谢。感 谢这篇论文所涉及到的各位学者。 本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各 位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完本钱篇论文的写作。感谢我的老师和同学，在我写作论文的过程中给予了我很多帮助， 提供了很 多资料。由于我的学术水平有限，所写论文难免有缺乏之处，恳请各位老师和学友批 评和指正！