gps定位系统在工程控制测量中的应用毕业设计(编辑修改稿)

gps定位系统在工程控制测量中的应用毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

定向，以保证卫星正常工作用电。 每颗卫星带有四台高精度原子钟，其中 2台为铷钟， 2台为铯钟。 GPS 卫星上设有微处理机，可以进行必要的数据处理工作，它主要的 3个基本功能：根据地面监控指令接收和储存由地面监控站发来的导航信息，调整卫星姿态、启动备用卫星；向 GPS 用户播送导航电文，提供导航和定位信息；通过 高精度卫星钟向用户提供精密的时间标准。 图 21 GPS 卫星轨道图 二、 GPS 地面监控部分 支持整个系统正常运行的地面设施称为地面 监控部分。 它由 一个主控站，三个注入站和五个监控站 以及通信和辅助系统组成。 主控站拥有以大型计算机为主体的数据收集、计算、传输、诊断等设备。 它的主要功能是：收集各监测站测得的距离和距离差、 气象要素、卫星时钟和工作状况的数据，监测站自身的状态数据等；根据收集的 太原理工大学阳泉学院 毕业论文 7 数据及时计算每颗 GPS 卫星的星历，时钟改正，状态数据以及信号的大气传播改正，并按一定格式编制成导航电文，传送到注入站；监控整个地面监控系统是否工作正常，检验注入卫星的导航电文是否正确，监测卫星是否将导航电文发出；调度备用卫星替代失效的工作卫星，将偏离轨道的卫星 “ 拉回 ” 到正常轨道位置。 监控站是为主控站编算导航电文提供观测数据，每个监测站均用 GPS信号接收机测量每颗可见卫星的伪距和 距离差，采集气象要素等数据，并将它们发送给主控站。 注入站是向 GPS 卫星输入导航电文和其他命令的地面设施。 3个注入站分别位于迭哥伽西亚、阿松森群岛和卡瓦加兰。 注入站能将接收到的导航电文存储在微机中，当卫星通过其上空时再用大口径发射天线将这些导航电文和其他命令分别“注入”卫星。 通信和辅助系统是指地面 监控 系统中负责数据传输以及提供其他辅助服务的机构和设施。 全球定位系统的通信系统由通信线、海底电缆及卫星通信等联合组成。 三、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信号 接收机，是 GPS 导航卫星的用户设备，是实现 GPS 卫星导航定位的终端仪器。 它是一种能够接收、跟踪、变换和测量 GPS 卫星导航定位信号的无线电设备，既具有常22 GPS 系统监控站和主控站分布图 主控站 监测站注入站大西洋太平洋印度洋 太原理工大学阳泉学院 毕业论文 8 用无线电设备的共性，又具有捕获、跟踪和处理卫星微弱信号的特性。 在测量领域，随着现代科学技术的发展，体积小、重量轻便于携带的 GPS 定位装置和高精度的技术指标为工程测量带来了极大的方便。 以下是 GPS 信号接收机的类型： 按工作原理分类 基于被动式定位原理的 GPS 卫星测量技术，关键在于怎样测得 GPS 信号接收天线和 GPS 卫星之间的距离（简称站星距离）。 按测 量站星距离所用测距信号之异， GPS 信号接收机可以分为下列几种类 （ 1） 码接收机：用伪噪声码和载波作测距信号； （ 2） 无码接收机：仅用载波作测距信号； （ 3） 集成接收机：既用 GPS 信号，又用 GLONASS 信号测量站星距离。 按用途分类 （ 1）测地型接收机：厘米级精度，测后数据处理； （ 2）导航型接收机：米级精度，实时数据处理； （ 3）定时型接收机：专用于时间测定和频率控制。 按所用载波频率多少分类 用于卫星导航定位的载波是 L1 和 L2，它们的频率分别为： f1=154=。 f2=120 =. 按所用载波频率多少， GPS 信号接收机可以分成下列类型： （ 1）单频接收机：仅使用第一载波（ L1）及其调制波进行导航定位测量； （ 2）双频接收机：同时使用多个载波及其调制波进行导航定位测量。 第二节 GPS 卫星的导航定位信号。 一、概述 GPS 卫星发射的信号由载波、测距码和导航电文组成。 载波 可运载调制信号的高频振荡波称为载波。 GPS 卫星所用的载波有两个，由于它们均位于载波 L波段，故分别称为 L1 载波和 L2 载波。 其中 L1 载波 是由卫星上的原子钟所产生的基准频率 f0倍频 154 倍后形成的， L2 载波是由基准频率 f0倍频 120 倍后形成的。 采用两个不同频率载波的主要目的是为了较完善地消除电离层延迟。 在全 太原理工大学阳泉学院 毕业论文 9 球定位系统中，载波除了能更好地传送测距码和导航电文这些有用意信息外，在载波相位测量中它又被当做一种测距信号来使用。 其测距精度比伪距测量的精度高 23个数量级。 因此，载波相位测量在高精度定位中得到广泛的应用。 测距码是用于测定从卫星到接收机间的距离的二进制码，是由若干个多级反馈移位寄存器所产生的 M 序列经平移、截短、求模二和等一系列 复杂处理后形成的。 根据性质和用途的不同，测距码可分为粗码（ C/A 码）和精码（ P码或 Y码）两类，各卫星所用的测距码互不相同且相互正交。 C/A 码是一种结构公开的明码，供全世界所有的用户免费使用。 目前， /A码只调制在 L1载波上，故无法精确地消除电离层延迟。 Y 码的结构是完全保密的，只有美国及其盟国的军方用户以及少数经美国政府授权的用户才能使用 P 码。 由于 P码的码元宽度仅为 C/A 码的 1/10，而且该测距码又同时调制在 L1 和 L2 两个载波上，可较完善地消除电离层延迟，故用它来测距可获得较精确的结果。 导航电文 导航电 文是由 GPS 卫星向用户播发的一组反映卫星在空间位置、卫星的工作状态、卫星钟的修正参数、电离层延迟修正参数等重要数据的二进制代码，也称数据码（ D码）。 它是用户利用 GPS 进行导航定位时一组不可少的数据。 二、 GPS 信号接收机的组成及原理 天线单元 它由接收天线和前置放大器两个部件组成。 它的作用是，将到达 GPS信号接收天线的功率约为 160dBW 的 GPS电磁波变换成微波电信号，并将如此微弱的 GPS电信号予以放大。 为便于接收机对信号进行跟踪、处理、和量测，对天线部分有以下要求： 天线与前置放大器应密封一体， 以保障其正常工作，减少信号损失； 能够接收来自任何方向的卫星信号，不产生死角； 有防护与屏蔽多路径效应的措施； 天线的相位中心保持高度的稳定，并与其几何中心尽量一致。 下图 24是 GPS 接收机原理图： 太原理工大学阳泉学院 毕业论文 10 图 24 GPS 接收机原理图 GPS 接收机的天线类型如下图 25： 图 25 GPS 接收机的天线类型 接收机 主机 （ 1） 变频器及中频放大器 经过 GPS 前置放大器的信号仍然很微弱，为了使接收机通道得到稳定的高增益，并且使 L 频段的射频信号变成低频信号，必须采用变频器。 （ 2） 信号通道 信号通道是接收机的核心部分， GPS 信号通道是硬软件结合的电路。 GPS信号通道的作用有三：一是搜索卫星，牵引并跟踪卫星；二是对广播电文数据信号实行解扩，解调出广播电文；三是进行伪距测量、载波相位测量及多普勒频移测量。 （ 3） 存储器 太原理工大学阳泉学院 毕业论文 11 接收机内没有存储器或存储卡以存储卫星星历、卫星历书、接收机采集到的码相位伪距观测值、载波相位观测值及多 普勒频移。 目前， GPS 接收机都装有半导体存储器，接收机内存数据可以通过数据口传到微机上，以便进行数据处理和数据保存。 在存储器内还装有多种工作软件，如：测试软件；卫星预报软件；导航电文解码软件；GPS 单点定位软件。 微处理器 微处理器是 GPS 接收机工作的灵魂， GPS 接收机工作都是在微机指令统一协同下进行的。 其主要工作步骤为： 接收机开机后首先对整个接收机工作状况进行自检，并测定、校正、存储各通道的时延值。 接收机对卫星进行搜索，捕捉卫星。 当捕捉到卫星即对信号进行牵引和跟踪，并将基准信号译码得到 GPS 卫星星历。 当同时锁定 4 颗卫星时，将 C/A 码伪距观测值连同星历一起计算测站的三维坐标，并按预置位置更新率计算新的位置。 根据机内存储的卫星历书和测站近似位置，计算所有在轨卫星升降时间、方位和高度角。 根据预先设置的航路点坐标和单点定位测站位置计算导航的参数、航偏距、航偏角、航行速度等。 接收用户输入信号。 显示器 GPS 接收机都有液晶显示屏以提供 GPS 接收机工作信息。 并配有一个控制键盘。 用户可通过键盘控制接收机工作。 对于导航接收机，有的还配有大显示屏，在屏幕上直接显示导航的信息甚至显示数字地图。 电源 GPS 接收机电源 有两种，一种为内电源，一般采用锂电池，主要用于 RAM存储器供电，以防止数据丢失。 另一种为外接电源，这种电源常用于可充电的 12V 直流镉镍电池组，或采用汽车电瓶。 当用交流电时，要经过稳压电源或专用电源交换器。 第三节 GPS 卫星定位原理 一、概述 太原理工大学阳泉学院 毕业论文 12 测量学中有测距交会确定点位的方法。 与其相似，无线电导航定位系统、卫星激光测距定位系统，其定位原理也是利用测距交会的原理确定点位。 就无线电导航定位来说，设想在地面上有三个无线电信号发射台，其坐标为已知，用户接收机在某一时刻采用无线电测距的方法分别测得了接收机至三 个发射台的距离 d1,d2,d3。 只需以三个发射台为球心，以 d1,d2,d3为半径作三个定位球面，即可交会出用户接收机的空间位置。 如果只有两个无线电发射台，则可根据用户接收机的概略位置交会出接收机的平面位置。 这种无线电导航定位是迄今为止仍在使用的飞机、轮船的一种导航定位方法。 近代卫星大地测量中的卫星激光测距定位也是应用了测距交会定位的原理和方法。 虽然用于激光测距的卫星（表面上安装有激光反射棱镜）是在不停的运动中，但总可以利用固定于地面上三个已知点上的卫星激光测距仪同时测定某一时刻至卫星的空间距离， d1,d2,d3，应用测距交会的原理变可确定该时刻卫星的空间位置。 如此，可以确定三颗以上卫星的空间位置。 如果在第四个地面点上（坐标未知）也有一台卫星激光测距仪同时参与测定了该点至第三颗卫星点的空间距离，则利用所测定的三个空间距离可以交会出该地面点的位置。 将无线电信号发射台从地面点搬到卫星上，组成一颗卫星定位导航系统，应用无线点测距交会的原理，便可由三个以上地面已知点（控制点）交会出卫星的位置，反之利用三颗以上卫星的已知空间位置又可交会出地面未知点（用户接收机）的位置。 这便是 GPS 卫星定位的基本原理。 GPS 卫星发射 测距信号和导航电文，导航电文中含有卫星的位置信息。 用户用 GPS接收机在某一时刻同时接收三颗以上的卫星信号，测量出测站点（接收机天线中心）P 至三颗以上卫星的距离并解算出该时刻 GPS 卫星的空间坐标，据此利用距离交会法解算出测站 P的位置。 如下图 26，在需要的位置 P点架设 GPS 接收机，在某一时刻it 同时接收了 3 颗（ A， B， C）以上的 GPS 卫星所发出的导航电文，通过一系列数据处理和计算可求得该时刻 GPS 接收机至 GPS卫星的距离 SAP， SBP， SCP，同样通过接收卫星 星历可获得该时刻这些卫星在空间的位置（三维坐标），从而用距离交会的方法求得Ｐ点的三维坐标（ Xｐ， Yｐ， Zｐ），其数学式为：      2222 P A p A P AS A P X X Y Y Z Z           22 P B p B P BS B P X X Y Y Z Z      太原理工大学阳泉学院 毕业论文 13      2222 P C p C P CS C P X X Y Y Z Z      图 26 GPS 卫星定位示意图 式中：（ AX ， AY ， AZ ），（ BX ， BY ， BZ ），（ CX ， CY ， CZ ）分别为 卫星 A， B，C 在时刻 it 的空间直角坐标。 在 GPS 测量中通常采用两类坐标系统，一类是在空间固定的坐标系统，另一类是与地球体相固联的坐标系统，称地固坐标系统，我们在公路工程控制测量中常用地固坐标系统（如： WGS－ 84 世界大地坐标系和 1980 年西安大地坐标系）。 在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换，来求出所使用的坐标系统的坐标。 这样更有利于表达地面控制点的位置和处理 GPS 观测成果，因此在测量中被得到了广泛的应用。 在 GPS 定位中， GPS卫星是 高速运动的卫星，其坐标值随时间在快速变化着。 需要实时地由 GPS 卫星信号测量出测站至卫星之间的距离，实时地由卫星的导航电文解算出卫星的坐标值，并进行测站点的定位。 依据测距的原理，其定位原理与计算方法主要有伪距法定位，载波相位测量定位以及差分 GPS 定位等。 对于待定点来说，根据运动状态可以将 GPS 定位分为静态定位和动态定位。 静态定位指的是对于固定不动的待定点，将 GPS 接收机置于其上，观测数分钟乃至更长的时间，以确定该点的三维坐标，又叫绝对定位。 若以两台 GPS接收机分别置于两个固定不变的待定点上，则通过。