GPS在控制测量中的应用.doc

1 第十章 GPS 在控制测量中的应用本章摘要 GPS 是全球定位系统, 是随着现代科学技术的迅速发展而建立起来的新一代精密卫星导航定位系统 GPS 定位技术。由于 GPS 在具有定位精度高、观测时间短、观测站间无需通视、能提供全球统一的地心坐标等特点, 被广泛应用于大地控制测量中。本章主要讲述 GPS 定位系统的组成、 GPS 定位原理、 GPS 控制网的技术设计和外业观测, GPS 数据处理等内容。并结合昆明市 GPS 连续运行参考站的建立,讲述了连续运行参考站技术在控制测量中的应用。本章内容是 GPS 测绘新技术在控制测量中的应用, 要掌握 GPS 定位原理, 重点掌握运用 GPS 建立测量控制网的原理、方法和技术。突出 GPS 控制网的技术设计、观测方案设计、外业数据采集、 GPS 数据处理等技能点的学****167; GPS 概述全球定位系统( Global Positioning System —— GPS )是美国从本世纪 70 年代开始研制, 历时 20年, 耗资 300 亿美元,于 1994 年全面建成。它是一种定时和测距的空间交会定点的导航系统, 可以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, 为海、陆、空三军提供精密导航,向特殊用户进行授时,还可以用于情报收集、核爆监测、应急通讯和***等一些军事目的。 系统组成 GPS 系统包括三大部分:地面控制部分;空间部分;用户部分。图 10-1 显示了 GPS 定位系统的三个组成部分及其相互关系图 10-1 GPS 系统组成 1. 地面控制部分 GPS 的地面控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站组成的监控系统所构成(见图 2 10_2 ) 。根据其作用的不同,跟踪站分为主控站、监控站和注入站。主控站有一个,位于美国科罗拉多( Colorado ) 的法尔孔( Falcon ) 空军基地。它的作用是根据各监控站对 GPS 的观测数据, 计算出卫星的星历和卫星时钟的改正参数等, 并将这些数据通过注入站注入到卫星中去; 同时, 它还对卫星进行控制, 向卫星发布指令; 当工作卫星出现故障时, 调度备用卫星,替代失效的工作卫星工作;另外,主控站还具有监控站的功能。监控站有 5 个, 除了主控站外,其他 4 个分别位于夏威夷( Hawaii ) 、阿松森群岛( Ascencion ) 、迭哥伽西亚( Diego Garcia ) 、和卡瓦加兰( Kwajalein ) 。监控站的作用是接收卫星信号,监测卫星的工作状态。注入站有 3 个,它们分别位于阿松森群岛( Ascencion ) 、迭哥伽西亚( Diego Garcia ) 、和卡瓦加兰( Kwajalein ) 。注入站的作用是将主控站计算的卫星星历和卫星时钟的改正参数等注入到卫星中去。地面监控系统提供每颗 GPS 卫星所播发的星历。并对每颗卫星工作情况进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准- GPS 时间系统( GPST )。图 10-2 地面控制部分主控站监测站注入站大西洋太平洋印度洋 2. 空间部分 GPS 工作卫星及其星座由21 颗工作卫星和3 颗在轨备用卫星组成 GPS 卫星星座, 记作( 21+3 ) GPS 星座(见图 10-3 )。 24 颗卫星均匀分布在 6 个轨道平面内,轨道倾角为 55 度,各个轨道平面之间夹角为 60 度,即轨道的升交点赤经各相差 60 度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角相差 90 度。每颗卫星的正常运行周期为 11h58min ,若考虑地球自转等因素,将提前 4mi n 进入下一周期。 3 图 10-3 GPS 卫星分布 GPS 卫星信号: 载波: L 波段双频 L 1 ,L 2 卫星识别:码分多址( CDMA ) 测距码: C/A 码(民用),P 码(美国军方及特殊授权用户) 导航数据:卫星轨道坐标、卫星钟差方程式参数、电离层延迟修正 3. 用户部分主要指 GPS 接收机,此外还包括气象仪器、计算机、钢尺等仪器设备组成。 GPS 接收机主要由天线单元,信号处理部分,记录装置和电源组成。天线单元由天线和前置放大器组成, 灵敏度高, 抗干扰性强。接收天线把卫星发射的十分微弱的信号通过放大器放大后进入接收机。 GPS 天线分为单极天线、微带天线、锥型天线等。信号处理部分是 GPS 接收机的核心部分, 进行滤波和信号处理, 由跟踪环路重建载波, 解码得到导航电文,获得伪距定位结果。记录装置主要有接收机的内存硬盘或记录卡( CF 卡)。电源分为外接和内接电池( 12V ),机内还有一锂电池。 GPS 接收机的基本类型主要分为大地型、导航型和授时型三种。( 见图 10-4