GPS原理及应用

全球定位系统（global positioning system—GPS）是美国从20 世纪70 年代开始研制， 历时20 年，耗资300 亿美元，于1994年全面建成的。它是一种能够定时和测距的空间交会 定位的导航系统，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，还可用于情报收集、核爆监测、应急通迅和卫星定位 等一些军事目的 ### GPS原理及应用 #### 第一部分 GPS定位原理 ##### 第一章 概述 全球定位系统（Global Positioning System—GPS）是由美国自20世纪70年代开始研发，耗时20年并投入约300亿美元，在1994年完成全面建设的一项高科技系统。GPS是一个能够实现定时与测距的空间交会定位导航系统，它能够为全球范围内的用户提供连续、实时、高精度的三维位置、三维速度以及时间信息。 **1.1 GPS定位系统的组成** GPS系统主要由三个部分构成： 1. **空间部分**：由24颗工作卫星组成，均匀分布在6个轨道面上，每个轨道面上有4颗卫星，确保在全球任意地点、任何时间至少可以看到4颗卫星，从而满足定位的基本需求。 2. **地面控制部分**：包括1个主控站、3个注入站和5个监测站。主控站负责整个系统的运行管理，注入站则将数据发送给卫星，监测站则用于收集卫星的跟踪数据并将其传送给主控站。 3. **用户部分**：即各种类型的GPS接收机，用户通过这些接收机来获取卫星信号，并计算出自己的精确位置。 **1.2 GPS定位系统的应用特点** - **全球覆盖性**：GPS系统能够为全球用户提供服务。 - **全天候性**：不受天气条件限制，可实现全天候定位导航。 - **实时性**：能即时获得位置信息。 - **多用途性**：不仅限于军事应用，还广泛应用于民用领域如交通导航、地理信息系统（GIS）、气象预测等。 - **高精度性**：对于专业级应用，可以达到厘米级别的定位精度。 **1.3 GPS定位系统的发展趋势** 随着技术的进步，GPS定位系统也在不断发展和完善。未来发展趋势包括提高定位精度、增强系统的稳定性和可靠性、扩展新的应用场景等。例如，下一代GPS III卫星将提供更准确的时间和定位服务，同时增加新的民用信号，提高抗干扰能力。 ##### 第二章 GPS定位原理 **2.1 绝对定位和相对定位** - **绝对定位**：指利用GPS卫星信号直接测定目标位置的方法，通常用于确定某一固定点的位置。 - **相对定位**：通过两台或多台接收机同步观测相同的GPS卫星信号，然后进行数据处理，计算出各接收机间的相对位置关系，主要用于高精度测量领域。 **2.2 伪距定位和相位定位原理** - **伪距定位**：通过接收卫星发射的信号到达接收机的时间延迟来计算距离，由于大气层和电离层的影响，实际距离与理论距离存在误差，这种距离称为伪距。 - **相位定位**：利用卫星信号的载波相位进行定位，其精度远高于伪距定位。相位定位需要连续跟踪同一卫星信号一段时间，以便消除整周模糊度。 **2.3 载波相位测量** 载波相位测量是基于GPS卫星发射的载波信号的相位变化来进行定位的技术。它通过比较接收到的卫星信号与本地产生的参考信号之间的相位差，来实现高精度的定位。 **2.4 相对定位** 相对定位技术利用两个或多个GPS接收机同时接收来自相同卫星的信号，通过对比这些信号的差异来确定接收机之间的相对位置。这种方法能够显著提高定位的精度，常用于大地测量、地球动力学研究等领域。 ##### 第三章 广域差分GPS **3.1 单参考站差分GPS(SRDGPS)** 单参考站差分GPS是指在某个已知精确位置的参考站上设置一台GPS接收机，该接收机接收到的卫星信号经过处理后，可以计算出信号传播过程中的误差，然后将这些误差信息广播给周围的用户接收机，以此提高用户的定位精度。 **3.2 局域差分GPS系统（LADGPS）** 局域差分GPS系统是在一定范围内设置多个参考站，通过这些参考站收集到的信息来校正该区域内用户接收机的定位误差，从而提高定位精度。 **3.3 广域差分GPS系统（WADGPS）** 广域差分GPS系统是一种在更大范围内提供差分改正数的服务系统。它通过分布广泛的参考站网络，为更广阔的区域提供差分修正信息，使得在该区域内的用户能够获得更高精度的定位信息。 **3.4 网络RTK** 网络RTK（Real-Time Kinematic）是一种基于网络的实时差分定位技术，它利用分布广泛的基准站网络提供实时的差分改正数，极大地提高了定位的精度和可靠性。与传统的RTK技术相比，网络RTK可以在更大的范围内提供稳定、可靠的厘米级定位服务。 #### 第二部分 GPS静态测量 本部分内容涵盖了GPS静态测量的基础知识、工作流程和技术应用，旨在为从事大地测量、工程测量等相关领域的技术人员提供实用指南。 ##### 第一章 GPS静态测量基础 **1.1 GPS静态测量概念** GPS静态测量是指在固定位置上进行较长时间的GPS观测，以获得高精度的三维坐标。静态测量常用于大地测量、地形测量等领域，尤其适用于需要高精度定位的应用场景。 **1.2 GPS接收机分类** 根据用途和技术特性不同，GPS接收机可分为以下几类： - **单频接收机**：只能接收一种频率的卫星信号，通常用于一般性的导航定位。 - **双频接收机**：可以同时接收两种不同频率的卫星信号，用于高精度定位和导航。 - **多频接收机**：能够接收三种或以上不同频率的卫星信号，适用于科研、地质勘探等需要极高精度的应用场景。 ##### 第二章 GPS静态测量工作的流程 **2.1 测前准备** - **项目立项**：明确项目的目标、范围和预期成果。 - **技术设计**：制定详细的技术方案，包括测量方案、数据处理方法等。 - **测绘资料的搜集与整理**：收集相关的地形图、卫星影像等背景资料，并进行整理分析。 - **仪器的检验**：对使用的GPS接收机及其他测量仪器进行全面的检查和校准。 - **踏勘、选点、埋石**：根据项目需求选定观测点，并进行必要的准备工作。 **2.2 测量实施** - **实地了解测区情况**：熟悉测区的地形地貌、环境条件等，为制定合理的观测计划提供依据。 - **卫星状况预报**：利用专业的软件工具预测卫星可见性和信号强度，确保观测的最佳时机。 - **确定作业方案**：综合考虑各种因素，制定详细的作业计划。 - **外业观测**：按照既定方案进行GPS静态观测，记录观测数据。 ##### 第三章 HD-8200G单频GPS接收机静态测量操作 本章节详细介绍了HD-8200G单频GPS接收机在静态测量中的具体操作方法。 **3.1 静态观测方法** - **选点和埋石**：根据项目需求选择合适的观测点，并进行必要的准备工作，如埋设标志物等。 - **动态后差分观测方法**：这是一种结合了静态观测和动态观测的技术，适用于需要在较大范围内进行高精度测量的情况。 **3.2 动态后差分观测方法** - **基站观测方法**：在已知精确位置的固定点上设立基站，用于接收卫星信号并作为差分改正数的来源。 - **流动站观测方法**：在未知位置的点上设置流动站接收机，接收卫星信号并与基站的数据进行比对，以提高定位精度。 ##### 第四章 HDS2003后处理软件的数据后处理 **4.1 软件的安装和使用** - **软件安装步骤**：详细介绍HDS2003软件的安装流程，包括系统要求、安装包下载等。 - **文件说明**：解释软件中常用的各种文件类型及其含义。 **4.2 数据的下载** - **启动接收机数据传输软件**：介绍如何启动接收机上的数据传输程序。 - **文件下载步骤**：详细说明如何将接收机中的观测数据下载到计算机上。 **4.3 静态GPS数据处理** - **新建项目**：创建一个新的数据处理项目。 - **导入数据**：将下载的观测数据导入到软件中。 - **处理基线**：对观测数据进行初步处理，计算基线向量。 - **平差前的设置**：设置平差所需的参数。 - **进行网平差**：利用网平差技术优化基线向量，提高定位精度。 - **成果输出**：将处理后的结果以文件形式保存下来。 **4.4 动态后差分数据解算** - **动态路线处理的过程**：对动态观测数据进行处理的步骤。 - **控制参数的设置**：调整控制参数以优化数据处理效果。 - **动态路线的解算**：对动态观测数据进行解算，得到最终的定位结果。 - **动态路线的后续处理**：对解算结果进行进一步的分析和处理。 ##### 第五章 常见问题 本章节汇总了在GPS静态测量过程中常见的问题及其解决方案。 **5.1 基线向量处理条件设置原则** 介绍了处理基线向量时应遵循的一般原则，包括数据筛选、权重分配等。 **5.2 外业成果质量检核标准** 列举了对外业观测数据质量评估的标准，确保观测数据的有效性和可靠性。 **5.3 平差条件、基线向量的选择** 探讨了如何选择最佳的平差条件和基线向量，以达到最优的定位效果。 **5.4 平差成果质量检验** 提供了检验平差成果质量的方法和标准，确保最终结果的准确性。 **5.5 几个基线边长概念** 解释了一些重要的基线边长概念，帮助理解不同长度基线的特点和适用范围。 #### 第三部分 GPS RTK测量 ##### 第一章 GPS RTK测量基本原理 GPS RTK测量是一种实时差分定位技术，它通过将基站与流动站的数据进行比对，实时计算出流动站相对于基站的精确位置。RTK技术可以提供亚米级乃至厘米级的定位精度，广泛应用于工程测量、土地调查、资源勘查等领域。 ##### 第二章 HD5800G/HD6000（网络RTK）测量操作 **2.1 HD5800G RTK测量系统组成** - **RTK全套设备连接示意图**：展示了RTK测量系统中各个组件之间的连接方式。 - **电子手簿简介**：介绍了配套使用的电子手簿的功能和操作方法。 **2.2 建立配置新项目** - **新建项目**：指导用户如何创建新的测量项目。 - **手簿设置基准站及移动站**：讲解如何在电子手簿上设置基站和流动站的相关参数。 **2.3 转换参数与校正** - **坐标转换原理与意义**：解释坐标转换的基本原理及其在RTK测量中的应用。 - **求解七参数的操作**：介绍如何通过观测数据求解坐标转换的七个参数。 - **求解转换参数的操作**：具体步骤和方法。 - **常见工程施工中求解参数的设计方案**：针对不同的施工场景提出求解转换参数的具体策略。 - **计算高程拟合参数**：讨论如何通过观测数据计算高程拟合参数。 - **校正参数**：介绍如何对测量数据进行校正，以提高定位精度。 **2.4 HD5800G工程测量及放样** - **碎部测量**：详细介绍了如何进行碎部测量，包括测量步骤、注意事项等。 - **坐标库**：解释如何管理和使用坐标库，提高工作效率。 #### 结语 本文通过对GPS定位原理及应用的深入探讨，不仅介绍了GPS系统的基本构成和工作原理，还详细阐述了GPS静态测量和RTK测量的具体操作方法和技术要点。随着技术的不断进步，GPS定位技术将在更多领域发挥重要作用，为人类社会的发展带来更多的便利。