GPS全球定位系统的发展与应用精品文档毕业设计论文GPS全球定位系统的发展与应用学 生 姓 名： 宋清涛 指导教师： 李妍 专业名称： 船舶电子设备与通讯学校名称： 渤海船院 2012年5月收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 目 录目 录1摘 要2ABSTRACT 31 引 言41.1 GPS技术发展现状41.2 GPS技术在海上测量中的应用前景62 GPS_RTK的技术介绍72.1 静态(GPS)定位技术简介72.1.1 GPS构成72.1.2 GPS定位原理82.1.3 GPS的优缺点92.2 实时动态(RTK)定位技术简介112.2.2 动态定位122.2.3 RTK技术的优缺点123 GPS测量在海上与陆地的应用133.1 绘制大比例尺地形图133.2 工程控制测量143.3 GPS相对于其它导航与定位系统的特点143.4 全球GPS市场预测154 结束语16致谢17参考文献18摘 要GPS技术应用于工程测量是一项重大技术革命，其应用及开发的前景十分广阔。尤其是静态（GPS）及实时动态(RTK)定位技术在公路测量中蕴含着巨大的技术潜力，本文主要介绍了GPS及RTK技术在公路测量中的应用及其对公路勘测的巨大推进作用。 关键词：GPS，RTKAbstractGPS technology is applied in engineering measurement is a major technology revolution, its application and development prospect especially static (GPS) and real-time dynamic (RTK) positioning technique in highway measurement containing enormous potential of the technology, this paper mainly introduces the GPS and RTK technology and its application in the measurement of the highway of highway survey of the great propellant effectKey words: GPS，RTK1 引言1.1 GPS技术发展现状 GPS起初是美国国防部为军事目的而建立起来的，旨在彻底解决海上、空中和陆地运输的导航和定位问题。它的全称为“导航卫星授时和测距全球定位系统”(Navigation Satellite Timing And Ranging /Global Positioning System)，简称为GPS。其含义是利用导航卫星进行测时和测距，构成全球定位系统。随着信息技术的发展, GPS已经成为定位和导航的一种崭新的手段，它在导航、测绘、地学、交通、农业现代化等领域得到了广泛的应用。自古以来，人类就致力于定位和导航的研究工作。1957年10月，世界上第一颗人造地球卫星的发射成功，是人类致力于现代科学技术发展的结晶，它使空间科学技术的发展迅速地跨入了一个崭新的时代。四十多年来，人造地球卫星技术在通信、气象、资源勘察、导航、遥感、大地测量、地球动力学、天文学以及军事科学等众多学科领域，得到极其广泛的应用，从而推动了科学技术的迅猛发展。人造地球卫星的出现，首先引起了各国军事部门的高度重视。1958年底，美国海军武器实验室就着手建立为美国军用舰艇导航服务的卫星系统，即“海军导航卫星系统”(Navy Navigation Satellite SystemNNSS)。在该系统中，卫星的轨道都通过地极，故也称“子午(Transit)卫星系统”。1964年该系统建成，随即在美国军方启用；1967年美国政府批准该系统解密，并提供民用。由于该系统不受气候条件的影响，自动化程度较高，且具有良好的定位精度，所以它的出现立即引起了大地测量学者的极大关注。尤其在该系统提供民用之后，在大地测量方面进行了大量的应用研究和实践，并取得了许多令人瞩目的成就。它使经典的大地测量技术面临着一场重大的变革。虽然美国“海军导航卫星系统”在导航技术的发展中具有划时代的意义，但是由于该系统卫星数目较少(56颗)、运行高度较低(平均约1000km)、从地面站观测到卫星的时间间隔较长(平均约1.5小时)，因而它无法提供连续地实时三维导航。加之获得一次导航所需的时间较长，所以难以充分满足军事方面，尤其是高动态目标(如飞机、导弹)导航的要求。而从大地测量学方面来看，由于它定位速度慢(一个测站一般平均观测l2天)，精度也较低(单点定位精度3m5m，相对定位精度约为lm)，所以该系统在大地测量学和地球动力学研究方面的应用受到了很大的限制。为了满足军事部门和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求，1973年美国国防部便开始组织海陆空三军，共同研究建立新一代卫星导航系统的计划。在此之前，美国海军提出了名为“Timation”的计划，该计划采用1218颗卫星组成全球定位网，卫星高度约10000km，轨道呈圆形，周期为8小时，并于1967年5月31日和1969年9月30日分别发射了Timation-1和Timation-2两颗试验卫星。与此同时，美国空军提出了名为“621B”计划，它采用34个星群覆盖全球，每个星群由45颗卫星组成，中间一颗采用同步定点轨道，其余几颗用周期为24小时倾斜轨道。这两个计划的目标一致, 即建立全球定位系统。但两个计划的实施方案和内容不同，各有优缺点。考虑到两个计划的各自优缺点以及美国难于同时负担研制两套系统的庞大经费开支，1973年美国代理国防部长批准成立一个联合计划局，并在洛杉矶空军航天处内设立办事机构。该办事机构的组成人员包括美国陆军、海军、海军陆战队、国防制图局、交通部、北大西洋公约组织和澳大利亚的代表。自此正式开始了GPS的研究和论证工作。在联合计划局的领导下，诞生了GPS方案。这个方案是由24颗卫星组成的实用系统。这些卫星分布在互成120度的3个轨道平面上，每个轨道平面平均分布8颗卫星。这样，对于地球上任何位置，均能同时观测到69颗卫星。预计粗码定位精度为100m左右，精码定位精度为10m左右。1978年，由于压缩国防预算，减少了对GPS计划的拨款，于是将实用系统的卫星数由24颗减为18颗，并调整了卫星配置。18颗卫星分布在互成60度的6个轨道面上，轨道面的卫星倾角为55度。每个轨道面上布设3颗卫星，彼此相距120度，从一个轨道面的卫星到下一个轨道面的卫星间错动40度。这样的卫星配置基本上保证了地球任何位置均能同时观测到4颗卫星。经过一段实验后发现，这样的卫星配置即使全部卫星正常工作，其平均可靠度仅为0.9969。如果卫星发生故障，将使可靠性大大降低。因此1990年初又对卫星配置进行了第三次修改，最终的GPS方案是由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，卫星的轨道参数基本上与第二方案相同。只是为了减小卫星漂移，降低对所需轨道位置保持的要求，将卫星的高度提高了49km，即长半轴由26560km提高到26609km。这样，由每年调整一次卫星位置变为每7年调整一次。下面是GPS的实施计划，它可以分为三个阶级：第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星，研制了地面接收机及建立地面跟踪网，从硬件和软件上进行了试验，试验结果令人满意。 第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫星。这一阶段称之为Block I。与此同时，研制了各种用途的接收机，主要是导航型接收机，同时测地型接收机也相继问世。试验表明，GPS的定位精度远远超过设计标准。利用粗码的定位精度几乎提高了一个数量级，已达到14m。 第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，宣告了GPS系统进入工程建设阶段。这种工作卫星称为 Block和BlockA卫星。这两组卫星的差别是：Block卫星只能存储供14天用的导航电文(每天更新三次)；BlockA卫星增强了军事应用功能，扩大了数据存储容量；BlockA卫星还能存储供180天用的导航电文，确保在特殊情况下使用GPS卫星。实用型的GPS网,即（21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。 相对测地定位是利用L1和L2载波相位观测值实现高精度测量，其原理是采用载波相位测量局域差分法：在接收机之间求一次差，在接收机和卫星观测历元之间求二次差，通过两次差分计算解算出待定基线的长度；求解整周模糊度是其关键技术，根据算法模型，设计了静态、快速静态以及RTK等作业模式。静态作业模式主要用于地壳变形观测、国家大地测量、大坝变形观测等高精度测量；快速静态测量以其高效的作业效率与厘米级精度广泛应用于一般的工程测量；而RTK测量以其快速实时，厘米级精度等特点广泛应用于数据采集(如碎部测量)与工程放样中。RTK技术代表着GPS相对测地定位应用的主流。 GPS测地型接收设备是实现测地定位的基本条件，接收机有单频与双频之分，双频机能以L2观测值修正电离层折射影响，最适宜于中、长基线(大于20km)测量，具有快速静态测量的功能，可升级为RTK功能；单频机适宜于小于20km的短基线测量，对于一般工程测量具有良好的性能价格比。RTK系统由GPS接收设备、无线电通讯设备、电子手薄及配套设备组成，整套设备在轻量化、操作简便性、实时可靠性、厘米级精度等方面的特点，完全可以满足数据采集和工程放样的要求。鉴于GPS系统在轨卫星数有限，在对空通视受遮挡的条件下，不能保证正常解算，影响定位的精度和可靠性。实践表明，单频GPS系统由于多环境的制约，存在着很大的局限性。随着俄罗斯的全球导航卫星系统(CLONASS)的不断完善，利用GLONASS来改善GPS性能的双星座系统(GLONASS+GPS)已由美国Ashtech公司研制成功，这种全天候、全地域、高精度的系统为用户提供了更为完善的接收设备，双星座系统的接收设备GPS接收设备的新水平。1.2 GPS技术在海上测量中的应用前景由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展，美国政府宣布2000年至2006年期间，在保证美国国家安全不受威胁的前提下，取消SA政策，GPS民用信号精度在全球范围内得到改善，利用C/A码进行单点定位的精度由100米提高到10米，这将进一步推动GPS技术的应用，提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生活质量，刺激GPS市场的增长。据有关专家预测，在美国，单单是汽车GPS导航系统，2000年后的市场将达到30亿美元，而在我国，汽车导航的市场也将达到50亿元人民币。可见，GPS技术市场的应用前景非常可观。2 GPS_RTK的技术介绍2.1 静态(GPS)定位技术简介2.1.1 GPS构成GPS主要由空间卫星星座、地面监控站及用户设备三部分构成。（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20 200 km，运行周期为11 h 58 min。卫