GPS实习报告_gps实习报告

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全球定位系统（GPS）实习报告

地点：北方工业大学 时间：2011.9.23~2011.9.25 班级： 组别：第3组 组员：

学号：

指导教师：张敬宗

分组信息

组别：三班3组

成员：张三 李四``````` 实验目的与要求

数字测图技术及其在工程中的应用是土木工程专业的基础课之一，又是一门实践性很强的课程，为进一步巩固和深化课堂教学内容，培养学生运用所学测量学基本理论和基本技能解决实际问题的能力，掌握目前土木工程中新的仪器设备的使用方法，加强基本功训练和培养学生吃苦耐劳、团结协作的集体精神，特开设此实验课程，其目的与要求为：

1.熟练掌握全站仪、GPS接收机的测量原理和使用方法。

2.握数字测图的基本要求和成图过程，掌握大比例尺数字测图方法和数字成图软件的使用。为了进一步巩固和深化课堂教学内容，培养学生运用所学测量学基本理论和基本技能解决实际问题的能力，让学生掌握先进测量方法和测量仪器设备的使用，加强基本功训练和测量工程师素质的培养，培养学生吃苦耐劳、团结协作的集体精神。并通过GPS控制测量外业、内业基线解算、控制点坐标求算等工作，使学生掌握GPS工程的特点，布网要求，观测和高程拟合方法以及成果处理方法。测区概况 学校体育场

GPS定位原理概述（1）：GPS的组成GPS（Global Positioning System）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。

GPS的整个系统由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成： 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。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。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，位于美国克罗拉多的法尔孔空军基地，它的作用是根据各监控站对GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时，它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作；另外，主控站也具有监控站的功能。监控站有五个，除了主控站外，其它四个分别位于夏威夷、阿松森群岛、迭哥伽西亚、卡瓦加兰，监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星的工作状态；注入站有三个，它们分别位于阿松森群岛、迭哥伽西亚、卡瓦加兰，注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。用户部分

GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机气象仪器等所组成。它的作用是接收GPS卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。以上这三个部分共同组成了一个完整的GPS系统。GPS定位原理概述（2）：GPS的信号

GPS卫星发射两种频率的载波信号，即频率为1575.42MHz的L1载波和频率为1227.60HMz的L2载波，它们的频率分别是基本频率10.23MHz的154倍和120倍，它们的波长分别为19.03cm和24.42cm。在L1和L2上又分别调制着多种信号，这些信号主要有：

C/A码又被称为粗捕获码，它被调制在L1载波上，是1MHz的伪随机噪声码（PRN码），其码长为1023位（周期为1ms）。由于每颗卫星的C/A码都不一样，因此，我们经常用它们的PRN号来区分它们。C/A码是普通用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号。

P码又被称为精码，它被调制在L1和L2载波上，是10MHz的伪随机噪声码，其周期为七天。在实施AS时，P码与W码进行模二相加生成保密的Y码，此时，一般用户无法利用P码来进行导航定位。Y码见P码。导航信息

导航信息被调制在L1载波上，其信号频率为50Hz，包含有GPS卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置，导航信息也被称为广播星历。

实际上，在进行GPS定位时，除了大量地使用上面的观测值进行数据处理以外，还经常使用由上面的观测值通过某些组合而形成的一些特殊观测值，如宽巷观测值、窄巷观测值、消除电离层延迟的观测值来进行数据处理。GPS定位原理概述（3）：GPS的误差 我们在利用GPS进行定位时，会受到各种各样因素的影响。影响GPS定位精度的因素可分为以下四大类：

一、与GPS卫星有关的因素

美国政府从其国家利益出发，通过降低广播星历精度（技术）、在GPS基准信号中加入高频抖动（技术）等方法，人为降低普通用户利用GPS进行导航定位时的精度。

卫星星历误差:在进行GPS定位时，计算在某时刻GPS卫星位置所需的卫星轨道参数是通过各种类型的星历[7]提供的，但不论采用哪种类型的星历，所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异，这就是所谓的星历误差。

卫星钟差:卫星钟差是GPS卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS标准时间之间的误差。

卫星信号发射天线相位中心偏差:卫星信号发射天线相位中心偏差是GPS卫星上信号发射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。

二、与传播途径有关的因素

电离层延迟:由于地球周围的电离层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为电离层延迟。电磁波所受电离层折射的影响与电磁波的频率以及电磁波传播途径上电子总含量有关。

对流层延迟:由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为对流层延迟。电磁波所受对流层折射的影响与电磁波传播途径上的温度、湿度和气压有关。多路径效应:由于接收机周围环境的影响，使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有各种反射和折射信号的影响，这就是所谓的多路径效应。

三、与接收机有关的因素

接收机钟差:接收机钟差是GPS接收机所使用的钟的钟面时与GPS标准时之间的差异。

接收机天线相位中心偏差:接收机天线相位中心偏差是GPS接收机天线的标称相位中心与其真实的相位中心之间的差异。接收机软件和硬件造成的误差:在进行GPS定位时，定位结果还会受到诸如处理与控制软件和硬件等的影响。

四、其它

GPS控制部分人为或计算机造成的影响由于GPS控制部分的问题或用户在进行数据处理时引入的误差等。

数据处理软件的影响:数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响。

GPS定位原理概述（4）：GPS定位方法

GPS定位的方法是多种多样的，用户可以根据不同的用途采用不同的定位方法。GPS定位方法可依据不同的分类标准，作如下划分：

一、根据定位所采用的观测值 伪距定位

伪距定位所采用的观测值为GPS伪距观测值，所采用的伪距观测值既可以是C/A码伪距，也可以是P码伪距。伪距定位的优点是数据处理简单，对定位条件的要求低，不存在整周模糊度的问题，可以非常容易地实现实时定位；其缺点是观测值精度低，C/A码伪距观测值的精度一般为3米，而P码伪距观测值的精度一般也在30个厘米左右，从而导致定位成果精度低，另外，若采用精度较高的P码伪距观测值，还存在AS的问题。

载波相位定位

载波相位定位所采用的观测值为GPS的载波相位观测值，即L1、L2或它们的某种线性组合。载波相位定位的优点是观测值的精度高，一般优于2个毫米；其缺点是数据处理过程复杂，存在整周模糊度的问题。

二、根据定位的模式 绝对定位

绝对定位又称为单点定位，这是一种采用一台接收机进行定位的模式，它所确定的是接收机天线的绝对坐标。这种定位模式的特点是作业方式简单，可以单机作业。绝对定位一般用于导航和精度要求不高的应用中。相对定位

相对定位又称为差分定位，这种定位模式采用两台以上的接收机，同时对一组相同的卫星进行观测，以确定接收机天线间的相互位置关系。

三、根据获取定位结果的时间 实时定位

实时定位是根据接收机观测到的数据，实时地解算出接收机天线所在的位置。

非实时定位 非实时定位又称后处理定位，它是通过对接收机接收到的数据进行后处理以进行定位得方法。

四、根据定位时接收机的运动状态 动态定位

所谓动态定位，就是在进行GPS定位时，认为接收机的天线在整个观测过程中的位置是变化的。也就是说，在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个随时间的改变而改变的量。动态定位又分为Kinematic和Dynamic两类。静态定位

所谓静态定位，就是在进行GPS定位时，认为接收机的天线在整个观测过程中的位置是保持不变的。也就是说，在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个不随时间的改变而改变的量。在测量中，静态定位一般用于高精度的测量定位，其具体观测模式多台接收机在不同的测站上进行静止同步观测，时间由几分钟、几小时甚至数十小时不等

GPS小区域控制测量

GPS小区域控制测量是指应用GPS技术建立小区域控制网。常规的小区域控制形式有全站仪导线网、经纬仪三角网等。GPS控制网的建立可以采用静态的测量方法也可以采用动态的测量方法，这可以由应用的精度要求而定；同样，其数据处理可以采用后处理的方法也可以采用实时处理方法，这可以由应用的工作要求而定。

一般来说，GPS控制网的建立与应用常规地面测量方法建立控制网相类似，按其工作性质可以分为外业工作和内业工作。

（一）GPS控制网的技术设计（1）充分考虑建立控制网的应用范围

应根据工程的近期、中长期的需求确定控制网的应用范围（2）采用的布网方案及网型设计

根据布网目的、控制网的应用范围、卫星状况、预期应达到的精度、仪器设备情况和交通装备设施等综合考虑，进行GPS的网型设计。再根据工程的具体要求和地形情况，确定布网观测方案。（3）GPS测量的精度标准

国家测绘局1992年制订的我国第一部《GPS测量规范》将GPS的测量精度分为A-E五级，以适应不同范围、不同用途要求的GPS工程。

（4）坐标系统与起算数据

GPS测量得到的是GPS基线向量，其坐标基准为WGS-84坐标系，而实际工程中，往往需要的是属于国家坐标系或地方独立坐标系中的坐标。为此，在GPS网的技术中，必须说明GPS网的成果所采用的坐标系统和起算数据。（5）GPS点的高程

为了得到GPS点的正常高，应使一定数量的GPS点与水准点重合，或者对部分GPS点联测水准。若需要进行水准联测，则在进行GPS布点时应对此加以考虑。

（二）选点与建立点位标志

选择地面基础稳定、易于保存、方便安置接收设备，便于操作，视野开阔、交通方便，周围无强烈干扰卫星信号接收的物体的地方，埋设具有中心标志的标石。

在选定GPS点点位时，应遵守以下的几点原则：

（1）周围应便于安装接收设备，便于操作，视野开阔，视场内周围障碍物的高度角一般应小于15°。

（2）远离大功率无线电发射源（如电视台、微波站等），其距离不小于400m；远离高压输电线，其距离不小于200m。（3）点位附近不应有强烈干扰卫星信号接收的物体，并尽量避免大面积水域。

（4）交通方便，有利于其他测量手段扩展和联测。（5）地面基础稳定，易于点的保存。

（三）GPS测量的外业工作

按照技术设计时所拟定的观测计划进行外业观测，用GPS接收机采集来自GPS卫星的电磁波信号。在进行外业工作前，应对所选定的接收机进行严格的检验并根据作业计划对GPS接收机的相应参数进行设置（如项目名称、数据采样间隔、截至高度角等）。GPS外业测量过程大致可分为以下几步：

（1）天线安置：将GPS接收机天线精确地安置到标志中心的铅垂线上，精确整平。

（2）天线安置后，应在观测时段的前后各量取天线高一次。要求两次量高之差应不大于3MM，取均值作为最后天线高，记录。（3）观测作业：捕获GPS卫星信号并对其进行跟踪、接受和处理，以获取所需的定位和观测数据。

（4）观测记录与测量手簿：观测记录由GPS接收机自动形成，并记录在存储介质上，其内容为：GPS卫星星历及卫星钟差参数；伪距观测值、载波相位观测值、相应的GPS时间等。测量手簿由观测人员在观测过程中填写，不得测后补记。手簿内容包括测站信息（如测站点号、观测时段号、近似坐标、天线高等）、天气状况、气象元素、观测人员等内容。

（四）成果检核与数据处理

当外业观测工作完成后，一般当天即将观测数据下载到计算机中，解算GPS基线向量，基线向量的解算软件一般采用仪器厂家提供的软件。当完成基线向量解算后，应对解算成果进行检核，常见的有同步环和异步环的检测。根据规范要求的精度，剔除误差大的数据，必要时还需要进行重测。当进行了数据的检核后，即可将基线向量组网进行平差计算。最终得到各观测点在指定坐标系中的坐标。

二、GPS碎部测量

随着GPS技术的不断发展，其应用范围越来越广，精度越来越高，效率越来越高，特别近几年来高精度的实时动态差分定位技术RTK的发展，已经使得GPS能够大范围地应用于诸如地形测量、航道测量、房产测量、电力线路测量、精细农业、森里资源清查等工程的碎部测量中。

（一）GPS RTK测量原理及特点

差分GPS测量的方法有位置差分、伪距差分、相位平滑伪距差分和载波相位差分。目前的GPS RTK（或DGPS RTK）主要是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，能够实时地提供观测点在任意坐标系中的三维数据，其精度达到厘米级。

（二）GPS RTK的配置

实时动态差分GPS的配置主要包括三个部分：（1）基准站。

基准站由GPS双（单）频接收机、GPS天线、数据发送电台、天线、电源、脚架等部分组成。（2）流动站。

流动站由GPS双（单）频接收机、GPS天线、数据发送电台、天线、电源、背包、手持控制器、对中杆等组成（3）支持实时动态差分的软件系统及各项工程测量应用软件

（三）GPS RTK的作业流程

由于不同的测量工程往往具有不完全相同的作业方法，所以，下面叙述主要针对其共同之处进行。1.收集测区的控制点资料

当确定了测量任务，首先要收集测区的控制点资料，包括控制点的坐标，等级，中央子午线，坐标系及控制点是属常规控制网还是GPS控制网，其地形和位置环境是否适合作为动态GPS的参考站等。2.求定测区转换参数

由于GPS RTK测量是在WGS-84坐标系中进行，而各种工程测量和定位往往是在地方坐标上进行的，这就需要进行坐标转换。GPS静态测量中，坐标转换是在事后处理时进行的，而因为GPS RTK是用于实时测量的，需要立即给出当地的坐标，因此坐标转换工作需要在实时完成。其坐标转换的方位与上述的GPS控制网中所述的相同，常用的转换模型有布尔沙模型，莫洛金斯基模型等。

在计算坐标转换参数时，应注意以下几点：

（1）最好选在测区四周及中心，均匀分布，能有效地控制测区。（2）为了提高精度，利用最小二乘法选3个以上的点求解参数。（3）在不考虑7个参数中尺度比和旋转参数时，可以现场求定3个平移参数，令3个旋转参数和尺度因子均为0即可，并可满足一定精度要求的转换参数。3.参考站的选定和建立

参考站的安置是顺利实施动态GPS的关键之一。参考站的安置应满足下列条件：

（1）参考站应有正确的已知坐标。

（2）参考站应选在地势较高且交通方便，天空较开阔，周围无高度角超过10°的障碍物，有利于卫星信号的接收和数据链发射的位置。

（3）为防止数据链丢失以及多路径效应影响，周围无GPS信号反射物（大面积水域、大型建筑物等），无高压线、电视台、无线电发射站、微波站等干扰源。

（4）参考站应选在土质坚实、不易破坏的位置。4.项目参数设置

要进行实时坐标的转换，一般需要在仪器中输入以下的一些参数：

（1）当地坐标系的椭球参数：半轴长和偏心率；（2）中央子午线的精度；

（3）测区坐标系间的转换参数；

（4如果是施工坐标系，还要输入转到施工坐标系 转换参数；

（5）若进行放样，可输入每个放样点的设计坐标，以便野外实时找点和精确放样。5.野外作业

在参考站上安置GPS接收机，打开接收机，输入（或卡中读出）参考站的精确地方坐标和天线高，基准站GPS接收机连续接收所有可视GPS卫星信号，同时通过数据发射电台将其测站坐标，观测值，卫星跟踪状态及接收机工作状态发送出去。流动站接收机在跟踪GPS卫星信号的同时，接收来自基准站的数据，进行处理后获得流动站的三维WGS-84坐标，再通过与基准站相同的坐标转换参数将WGS-84转换为地方坐标，并在流动站的手持控制器上实时显示。若进行放样，则接收机还可将实时位置与设计值比较，指导放样。6内业数据处理

GPS RTK数据处理相对于静态测量要简单地多。由于实时得到了流动站的坐标，因此，内业的工作主要是下载记录的实测坐标，显示坐标点位，轨迹并对点位图形进行放大，缩小及漫游等操作。GPS定位作业流程

A选择适宜的接收机

B选择GPS站址 C观测计划制定 D观测工作

1.开机2.测站信息输入3.作业模式设置4.捕捉GPS卫星信号，跟踪观测5.实时监控6.结束观测，关机 数据处理

GPS接收机采集的原始信息是测距码。载波相位和卫星星历等数据。需要对数据进行一系列处理，才能获得地面点间相对关系量（如基线长度、高差等），进而推算具有实际意义的三维定位成果。GPS数据处理有信息量大、处理过程和算法复杂等特点，一般借助于GPS数据处理软件自动完成。

GPS数据处理主要包括数据粗加工、预处理、基线向量解算、平差计算、坐标系统转换。1.粗加工

（1）数据传输：从接收机数据存贮载体上将观测数据传输至计算机。

（2）数据分流：在传输数据的同时，将原始记录中各种观测数据进行分类整理，建立各类数据文件（如载波相位观测数据文件，星历参数文件，测站信息文件）。（3）数据解码：将分流后的二进制数据文件解译成十进制数据文件。2.预处理

对数据进行平滑滤波检验，剔除粗差，删除无效无用数据。数据文件格式化。

GPS卫星轨道方程的标准化，统一各卫星位置计算的数学模型。诊断并修复因信号遮挡与接收机振荡器不能连续工作引起的跟踪卫星信号失锁中断产生载波相位整周期Int(ψ)跳变。

对观测值进行卫星钟误差、大气、电离层、对流层折射、相对论效应影响等模型改正。3.基线向量解算及平差计算

GPS观测量（伪距、载波相位及星历数据）通过基线向量解算数据模型，确定向量点之间在WGS-84坐标系下的三维直角坐标差（△xij、△yij、△zij）或大地坐标差（△Bij、△Lij、△Hij）。

ＧＰＳ控制网的平差内容和要求应符合下列规定： １.应将全部独立基线构成闭合图形，以三维基线向量及其相应方差协方差阵作为观测信息，以一个点的ＷＧＳ－８４系的三维坐标作为起算数据，在ＷＧＳ－８４坐标系中进行三维无约束平差，并提供ＷＧＳ－８４的三维坐标、坐标差观测值的总改正数、基线边长及点位和边长的精度信息。基线向量改正数的绝对值应满足下列各式的要求： ＶΔｘ≤３σ（３．２．１４／１）

ＶΔｙ≤３σ（３．２．１４／２）

ＶΔｚ≤３σ（３．２．１４／３）

２.应在１９５４年北京坐标系或城市坐标系中进行约束平差及精度评定，并应输出相应坐标系中的坐标、基线向量改正数、基线边长和方位角、边长和方位的精度信息、转换参数及其精度信息等。基线向量的改正数与同名基线无约束平差相应改正数的较差应满足下列各式要求：

ｄＶΔｘ≤２σ（３．２．１４／４）

ｄＶΔｙ≤２σ（３．２．１４／５）

ｄＶΔｚ≤２σ（３．２．１４／６）

在GPS测量中，由于GPS观测量会受到各种误差影响，如时钟误差，大气折射影响等。因此，基线解算结果也会受到各种误差的影响。所以，基线解算将采用按误差性质检测和消除（减弱）误差的站星差分平差数学模型，以便获得基线向量最或然解。4.坐标变换

GPS定位系同采用WGS-84大地坐标系定轨，定位成果属于WGS-84协议地心坐标。而目前各个国家（或地区）采用不同元素的参考椭球建立国家坐标系，即参心坐标系，而工程测量中经常采用局部工程坐标系，所以，GPS定位成果必须经坐标转换才能实际应用。

GPS坐标转换即是地心和参心空间直角坐标系的转换，主要途径为：已知转换参数的直接转换；为之转换参数的见解转换。在测区选择三个已知参心坐标的GPS观测点作为公共点。计算公共点两种坐标系的空间直角坐标差（δx、δy、δz），根据转换的数学模型，将转换参数作为未知数平差拟合解算，然后在利用转换模型转换其余各GPS点坐标。

三、实验心得体会

在这短短暂暂三天的试验中让我学到了很多很多——通过对全球定位系统（GPS）的学习，让我对GPS有了新的认识与了解，以前一直以为GPS只是一个小小的仪器拿在手上走到哪里都能定位。觉得很是神奇，但是亲身经历了这次实验课才懂得了其实GPS有很多种类，而我们这次要学习的是工程测量用的GPS。所以这次试验不仅开阔了视野，而且扩展了知识，学会了全球定位系统的工作原理及其在工程中的应用。掌握了如何正确的使用仪器，装取仪器，和注意保护仪器。还了解了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。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。这就是科技的力量，作为新一代的社会主义接班人，我们大家就是祖国未来建筑行业的领军人物，所以我们一定要重视对于新科技的应用与学习，从而致力于祖国的建筑行业，把祖国建设得更美好。

完于2011.10.07