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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

第一章绪论

1.1GPS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：

1 

GPS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（fullOperationalCapability——FOC）

　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。

1.2GPS原理与组成

1.2.1GPS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Δt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。

1.2.2GPS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（ColoradoSpings）的联合空间执行中心CSOC（即ConsolidatedSpaceOperationCenter）；

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（DiegoGarcia）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（airfocetrackingstation）。

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：

①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。

②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。

③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。

④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1～2PPM（百万分之一），有时又只有3～4PPM。

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。

①官方精密星历。

②CIGNET国际定轨网。

③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BlockⅡ型卫星的存储器只能存储14d的导航电文，只有BlockⅡA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BLOCKⅡ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：

2002－2005年（延期）

　　——部署阶段：

2006－2007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。

1.3.2GLONASS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（GlobalOrbitingNavigationSatelliteSystem）。

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1—3所示的三个轨道平面内，并以1.602～1.616GHZ和1.246～1.256GHZ射电频率发射信号和传播电文。

可见，GLONASS系统与美国的GPS系