GPS（全球定位系统）开发与应用【一份非常好的专业资料，有很好的参考价值】 .doc

目录1GPS（全球定位系统）开发与应用目录2前言全球定位系统（GlobalPositioningSystem－GPS）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。GPS作为新一代导航与定位系统，不仅具有全球性、全天候、连续的精密三维导航与定位能力，而且具有良好的看抗干扰性和保密性。因此，发展全球定位系统（GPS）已成为美国导航技术现代化的重要标志，并且被视为本世纪美国继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后又一重大科技成就。目前，GPS精密定位及时已经渗透到了经济建设和科学技术的许多领域，尤其对经典测量学的各个方面产生了极其深刻的影响。它在大地测量学及其相关领域，如地球动力学、海洋大地测量学、天文学、地球物理勘探、资源看勘查、航空与卫星遥感、工程变形监测、运动目标的测速以及精密时间传递等方面的广泛应用，充分显示了这一卫星定位技术的高精度和高效益。近年来，高精度定位技术在我国已得到蓬勃发展。在我国大地测量、精密工程测量。地壳运动监测、资源勘察和城市控制网的改善等方面的应用及其所取的成功经验，进一步展示了GPS精密定位技术的显著优越性和巨大潜力。随着由南方公司牵头的国产测量型GPS的产生和发展，静态测量型GPS已经在国内全面普及。随着急速的的发展RTK动态测量型GPS也将更广泛的应用于国内测量的各个领域，从而将为国家的经济建设、国防建设的发展做出新的奉献。本书的编写目的，主要在于适应GPS卫星测量发展的需要，向广大GPS测量用户比较全面地介绍GPS卫星测量的原理、基础知识和主流测量型GPS系统的操作，以利于这一新技术在测量行业的应用和普及，为测量技术手段的提高而服务。全文共分六章，其中第一章为绪论，简要的介绍了卫星导航与定位技术的特点和构成概况，以便于读者对GPS有了概括性的了解。第二章介绍介绍了GPS定位的相关基础知识，包括GPS的坐标系统、时间系统，GPS信号的构测和传播方式，GPS信号的观测量和误差分析。了解这些GPS定位的基础知识对于掌握GPS测量的基本原理和理解GPS测量施工的方法来说是必要的。第三章主要介绍GPS的定位原理中最基础的绝对定位原理以及测量中最普遍利用的相对定位原理。第四章阐述了GPS测量和经典相互联系的坐标系统转换和投影的内容。第五章重点介绍GPS测量实施的主要过程，作业的基本方法和原则。第六章通过具体的接收机操作介绍GPS在测量领域的主要应用。GPS卫星测量学是由多学科相互渗透而形成的一门新兴科学，其理论和实践工作在不断完善，应用领域也不断拓宽，发展迅速，日新月异。由于作者水平有限，说中错误与不当之处在所难免，诚恳欢迎读者批评。南方GPS产品部目录3目录第一章绪论................................................................................................................................................11.1GPS系统的特点.....................................................................................................................................11.2GPS系统的构成.....................................................................................................................................3第二章GPS系统定位的基础知识............................................................................................................52.1GPS定位的坐标系统............................................................................................................................52.2GPS定位的时间系统............................................................................................................................62.3GPS卫星星历..........................................................................................................................................72.4电磁波的传播与GPS卫星信号..........................................................................................................92.4.1电磁波的介绍.................................................................................................................................92.4.2大气层对GPS信号传播的影响...............................................................................................102.4.3GPS卫星的测距码信号.............................................................................................................112.4.5GPS卫星的导航电文（数据码）...........................................................................................122.5GPS定位的观测量及误差分析.........................................................................................................132.5.1GPS定位的方法与观测量.........................................................................................................142.5.2观测量的误差来源及其影响....................................................................................................15第三章GPS系统的定位原理.....................................................................................................................193.1绝对定位原理........................................................................................................................................193.1.1绝对定位方法概述.....................................................................................................................193.1.2动态绝对定位原理.....................................................................................................................213.1.3静态绝对定位原理.....................................................................................................................233.1.4观测卫星的几何分布及其对绝对定位精度的影响............................................................243.2相对定位原理........................................................................................................................................253.2.1相对定位方法的概述..................................................................................................................253.2.2静态相对定位方程.....................................................................................................................273.2.3准动态相对定位模型..................................................................................................................313.2.4动态相对定位的观测方程.........................................................................................................333.2.5整周未知数的确定方法..............................................................................................................353.2.6周跳分析的基本思路..................................................................................................................353.3GPS的高程系统....................................................................................................................................36第四章坐标系统与投影............................................................................................................................394.1坐标系统与投影...................................................................................................................................394.2GPS术语................................................................................................................................................44目录4第五章GPS测量的实施..............................................................................................................................465.1接收机类型............................................................................................................................................465.2GPS测量实施.......................................................................................................................................485.2.1GPS网的技术设计......................................................................................................................485.2.2选点与埋石................................................................................................................................515.2.3GPS测量的观测工作...............................................................................................................52第六章GPS定位技术在测量中的应用................................................................................................566.1GPS定位技术在平面控制测量方面的应用..................................................................................566.1.1静态相对定位模式.....................................................................................................................566.1.2南方9600静态GPS的应用...................................................................................................566.2后差分动态相对定位模式..................................................................................................................696.3动态测量.................................................................................................................................................70南方GPS培训教材1第一章绪论GPS（GlobalPositioningSystem）即全球定位系统，是由美国建立的一个卫星导航定位系统，利用该系统，用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速另外，利用该系统，用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。随着GPS定位技术的发展，其广泛的应用于民用领域，在测量工作方面GPS定位技术在大地测量，工程测量，工程与地壳变形监测、地籍测量，航空摄影测量和海洋测量等各个领域的应用已甚为普及。正因为GPS系统在军事和民用领域定位技术上发挥的巨大作用被视为20世纪最重大的科技成就之一。1.1GPS系统的特点1．GPS相对于其他导航系统的特点从1978年发射第一颗GPS试验卫星以来，利用该系统进行定位的研究、开发和实验工作，发展异常迅速。理论与实践表明，GPS同其他导航系统相比，其主要优点如下全球地面连续覆盖。由于GPS卫星的数目较多，且分布合理，所以地球上任何地点，均可连续地同步观测到至少4颗卫星。从而保障了全球、全天候、连续地三维定位。功能多，精度高。GPS可为各类用户连续地提供动态目标的三维位置、三维速度和时间信息。随着GPS定位技术和数据处理技术的发展，其定位、测速和测时的精度将进一步提高。实时定位。利用全球定位系统导航，可以实时地确定运动目标的三维位置和速度，由此即可保障运动载体沿预定航线的运行，也可以实时地监视和修正航行路线，以及选择最佳的航线。应用广泛。随着GPS定位技术的发展，其应用的领域在不断拓宽。目前，在导航方面，它不仅已广泛地用于海上、空中和陆地运动目标的导航，而且，在运动目标的监控与管理，以及运动目标的报警与救援等方面，也已获得了成功地应用在测量工作方面，这一定位技术在大地测量，工程测量，工程与地壳变形监测、地籍测量，航空摄影测量和海洋测绘等各个领域的应用，已甚为普遍。考虑到GPS主要是为满足军事部门高精度导航的需要而建立的，所以上述优点，对军事上的动态目标的导航，具有十分重要的意义。正因为如此，美国政府把发展GPS技术作为导航技术现代化的重要标志，并把这一技术，视为20世纪最重要的科技成就之一。2．GPS定位技术相对于经典测量技术的优点GPS定位技术的高度自动化和所达到的定位精度及其潜力（如下图），使广大测量工作者产生了极大的兴趣。尤其从1982年第一代测量型无码GPS接收机MacrometerV1000投入市场以来，在应用基础的研究、应用领域的开拓、硬件和软件的开发等方面，南方GPS培训教材2都得到蓬勃发展。广泛的实验活动为GPS精密定位技术在测量工作中的应用，展现了广阔的前景。相对于经典的测量技术来说，这一新技术的主要特点如下（1）观测站之间无需通视。既要保持良好的通视条件，又要保障测量控制网的良好结构，这一直是经典测量技术在实践方面的困难问题之一。GPS测量不要求观测站之间相互通视，因而不再需要建造觇标。这一优点即可大大减少测量工作的经费和时间（一般造标费用约占总经费的3050），同时也使点位的选择变得甚为灵活。不过也应指出，GPS测量虽不要求观测站之间相互通视，但必须保持观测站的上空开阔（净空），以使接收GPS卫星的信号不受干扰。（2）定位精度高。现已完成的大量实验表明，目前在小于50KM的基线上，其相对定位精度可达到12106，而在100KM500KM的基线上可达到106107。随着光测技术与数据处理方法的改善，可望在1000km的距离上，相对定位精度达到或优于108。（3）观测时间短。目前，利用经典的静态定位方法完成一条基线的相对定位所需要的观测时间，根据要求的精度不同，一般约为13小时。为了进一步缩短观测时间，提高作业速度，近年来发展的短基线（例如不超过20km）快速相对定位法，其观测时间仅需数分钟。（4）提供三维坐标。GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。GPS测量的这一特点，不仅为研究大地水准面的形状和确定地面点的高程开辟了新途径，同时也为其在航空物探、航空摄影测量及精密导航中的应用，提供了重要的高程数据。（5）操作简便。GPS测量的自动化程度很高，在观测中的测量员的主要任务只是安装并开关仪器、量取仪器高、监控仪器的工作状态和采集环境的气象数据，而其他观测工作，如卫星的捕获、跟踪观测和记录等均有仪器自动完成。另外，GPS用户接收机一般重量较轻、体积较小，例如南方的S80双频GPS接收机，重量约为1.25kg，体积南方GPS培训教材3为35003cm，因为携带和搬运都很方便。（6）全天候作业。GPS观测工作，可以在任何地点，任何时间连续地进行，一般也不受天气状况的影响。所以，GPS定位技术的发展，对于经典的测量技术是一次重大的突破。一方面，它使经典的测量理论与方法产生了深刻的变革，另一方面，也进一步加强了测量学与其他学科之间的相互渗透，从而促进科测绘科学技术的现代化发展。1.2GPS系统的构成全球定位系统（GPS）的整个系统由三大部分组成，即空间部分、地面控制部分和用户部分所组成图1－2全球定位系统（GPS）构成示意图1．空间部分GPS的空间部分是由24颗GPS工作卫星所组成，这些GPS工作卫星共同组成了GPS卫星星座，其中21颗为可用于导航的卫星，3颗为活动的备用卫星1。这24颗卫星分布在6个倾角为55的轨道上绕地球运行。卫星的运行周期约为12恒星时。每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号。GPS用户正是利用这些信号来进行工作的。2．控制部分GPS的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构成，根据其作用的不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。主控站有一个，位于美国克罗拉多（Colorado）的法尔孔（Falcon）空军基地，它的作用是根据各监控站对GPS1实际上这3颗备用卫星同样可用于导航定位。