GPS技术

GPS技术（精选12篇）

GPS技术 篇1

1 引 言

全球定位系统(Global Positioning System,GPS)是美国国防部为陆、海、空三军研制的新一代卫星导航定位系统,广泛应用于导航、测绘、监测、授时、通信等多种领域。近年来,GPS系统在民用领域迅猛发展,特别是在车辆导航和手机定位等方面潜力巨大。为了适应GPS应用需求,天线是必须解决的关键问题之一。

根据GPS定位原理及其卫星信号特征,为实现接收机快速、连续、精确定位,对GPS天线提出了很高的要求。虽然目前GPS天线技术已经趋于成熟,但它仍旧是制约接收机性能的瓶颈,是设计中主要考虑的因素。GPS接收天线主要有微带贴片天线和四臂螺旋天线两种,为满足当前各种便携式、多功能接收机的需求,人们对GPS天线的小型化、多频段、抗干扰、圆极化等技术进行了不断的研究。本文在介绍GPS工作特性和天线基本要求的基础上,详细论述了两种主要的GPS接收天线,指出了GPS接收机天线的发展趋势,并进行了总结。

2 GPS工作特性及其对天线的基本要求

2.1 GPS工作特性[1]

GPS卫星星座由24颗卫星组成,其中工作星21颗,备用星3颗,卫星分布在6个轨道面上,每个轨道上均匀分布4颗,卫星运行周期为11时58分。卫星在地平面以上的数目随时间和地点的变化而异,最少为4颗,最多为11颗。卫星向用户发送导航电文,GPS接收机同时接收至少4颗卫星信号,利用接收机到卫星的距离计算出测点的三维位置。

GPS测距方法分伪距测量和载波相位测量两种,前者是利用测距码得到某一时刻GPS接收机天线到4颗以上卫星的距离;后者是利用卫星信号载波波长来测量接收机到卫星的距离。

GPS卫星距离地球平均距离为20000多千米,到达地面的GPS信号非常微弱,大约为-160dBW。每颗卫星发射L1和L2两个载波频率,L1频率为1575.42MHz,L2为1227.6MHz。GPS卫星发射天线阵是赋形波束,使用户在天顶和仰角5°时接收信号功率电平最低,两者之间逐渐增强,仰角40°左右时最大。根据距离交汇法定位原理,越是低仰角的卫星,越能提高GPS定位精度,天顶的卫星虽然信号易于接收,但对提高精度贡献不大。

2.2 GPS接收机天线的要求

从上述GPS工作特性,考虑到接收机工作环境影响,对天线提出了以下要求。

2.3.1 方向性

GPS接收机能够接收到地平面上的卫星数目越多越好,一般要求能够接收仰角5°以上的所有天空中的卫星信号。因此,天线在这个空间内要对卫星信号具有均匀的响应,当低于接收高度时,为抑制严重的多路径效应和对流层效应,天线响应要迅速截止。理想的GPS接收机天线在上半平面具有近似半球形的方向图,一般要求波瓣宽度≥120°,水平面附近的截止率大于1dB/度(从仰角-5°到5°)[2]。图 1为一个商用GPS接收机天线的方向图。

在利用载波相位测量的接收机中,天线还应该具有均匀的相位响应,且相位中心要和天线几何中心吻合。

2.3.2 极化形式

GPS信号是由卫星从空间发送下来的,为了消除电离层对信号的法拉第旋转效应,信号采用的是右旋圆极化,因此,接收天线也应采用右旋圆极化方式。当GPS卫星信号被地面或建筑物等对称物体反射后,会变成左旋极化的交叉极化信号,多路径信号多是这种形式,所以右旋圆极化天线还能够抑制多路径干扰。由于圆极化天线存在交叉极化现象,所以应设法提高天线的交叉极化抑制能力。

2.3.3 频率特性

GPS卫星发射频率是L1和L2两个频率,今后会增加L5(1176.45MHz)民用频率。一般情况下,GPS天线工作在单频,但在精确测量时,通常工作在双频或多频来补偿电离层延时,此时要求天线在两个频率上都具有良好的方向性和圆极化特性。

2.3.4 增益

GPS天线具有半球形的方向性,因此增益一般都很低。GPS天线单元一般都由接收天线和低噪声前置放大器组成,放大器一般能够提供15～35dB的增益,许多GPS天线直接采用有源天线设计。

GPS接收机天线除了具有上述要求外,还应采取适当的防护和屏蔽措施,减少多路径干扰;综合考虑安装载体对天线辐射模式的影响,努力实现天线小型化,增强天线顽健性,等等。

3 GPS接收机天线的主要类型

根据应用不同,GPS天线有多种类型,主要有单极或偶极天线、微带天线、单臂螺旋天线、四臂螺旋天线、圆锥螺旋天线、阵列天线等。其中,微带天线多用于测量型接收机和飞行器上,单臂螺旋和圆锥螺旋多用于卫星通信中。目前,微带贴片天线和四臂螺旋天线因具有突出优点和令人满意的电气性能而被广泛使用。

3.1 微带贴片天线

微带天线是50年代提出,80年代趋于成熟的一种天线。由于微带天线具有体积小、可共形、设计灵活、易于制造、成本低、便于获得圆极化等优点,因此被广泛应用在GPS接收系统中。通常微带天线是由一块厚度远小于工作波长的介质基片和两面各覆盖一块辐射金属片构成,如图 2所示。其中覆盖基片底部的有限辐射金属片称为接地板,而基片另一面尺寸和工作波长近似的金属片称为辐射单元。微带天线一般采用底端同轴馈电,同轴线的内导体穿过基片和贴片连接,而外导体连接在接地板上。微带天线按辐射元的形状可分为多种类型,GPS常用的是矩形和圆形微带天线。

3.1.1 微带贴片天线的理论分析

微带贴片天线可看作是,在导体贴片与接地板之间激励的射频电磁场,通过贴片四周与接地板之间的缝隙而产生的向外辐射。

分析微带天线的基本理论大致可分为三类:传输线理论、空腔理论和全波理论[3]。

最早出现的也最简单的是传输线模型理论,主要用于矩形贴片。该理论将微带天线看成两个正交的、终端开路的传输线,传输准TEM波。更严格更有用的是空腔模型理论,可用于各种规则贴片,该理论将贴片与接地板之间的空间看成是四周为磁壁、上下为电壁的谐振空腔,天线辐射场由空腔四周的等效磁流来得出,天线输入阻抗可根据空腔内场和馈源边界条件来求得。最严格而计算最复杂的是积分方程法,即全波理论。从原理上说,全波理论可用于任何微带天线,然而要受计算模型的精度和机时的限制。

3.1.2 微带贴片天线的圆极化[4]

微带天线获得圆极化的关键是激励起两个极化方向正交、幅度相等、相位差90度的线极化波。对于单点馈电的GPS微带天线来说,主要通过切角和偏置馈电来实现,切角包括辐射元切角和基片切角。图 3为典型的两个GPS圆极化贴片天线,(a)中是贴片双切角且x轴偏置馈电,(b)中是基片单切角且x和y轴偏置馈电[5]。

3.1.3 微带贴片天线的性能

贴片天线是宽波束天线,在天顶具有最大增益。该天线的缺点是增益低。图 3是一个商用的GPS介质贴片天线的方向图[5],该天线接收频率范围1575.42±1.023MHz,带宽9MHz(Reture Loss≤-10dB),尺寸25×25×4.5mm,增益5dBi(天顶),-1dBi(10°仰角),输入阻抗50Ω。

3.2 四臂螺旋天线

谐振式四臂螺旋天线是C.C.Kilgus 在1968年提出的,并对其进行了深入研究[6,7,8],该天线具有心型的方向图、良好的前后比及优异的圆极化特性。J.M.Tranquilla在文献[9]中对天线的相位和幅度特性进行了进一步研究。1996年P.K.Shumaker提出了一种新型的印刷谐振式四臂螺旋天线[10],从而实现了天线小型化。四臂螺旋天线被认为是最理想的GPS接收天线。

3.2.1 四臂螺旋天线的结构

谐振式四臂螺旋天线结构如图 4所示, 它由四根螺旋臂组成,每根螺旋臂长度为Mλ/4(M为整数)。 四根螺旋臂馈电端电流相等,相位两两相差90°(分别为0°、90°、180°、270°);非馈电端开路(M为奇数时)或短路(M为偶数时)。四臂螺旋天线也可以看作是由两个正交馈电的双臂螺旋天线组成。天线的结构参数可由下式确定[8]:

$L{}_{ax}={\rm N}\sqrt{(1/{\rm N}{}^2)(L{}_{ele}-Ar{}_0){}^2-4\pi {}^{2}r{}_0^2}$

其中Lax为螺旋的轴向长度(mm);Lele为螺旋臂的长度(mm);r0为螺旋的半径(mm);N为螺旋的圈数;M为奇数时A=1,M为偶数时,A=2。

设计四臂螺旋天线时,要确定其高度、直径和螺旋线上升角,从而得到预期的天线增益、方向性和输入阻抗。谐振的1/4圈、1/2圈和1圈的四臂螺旋天线在任何轴长和直径下,能够产生心形方向图,但臂长大于1圈或者轴长和直径之比较小将对理想的方向图和高的圆极化轴比产生不良影响。所以谐振式四臂螺旋天线一般臂长为λ/2,旋转角度为1/2圈。对于小型印刷介质加载四臂螺旋天线,采用同轴线经过轴心在顶部进行馈电,为达到平衡馈电,底部设计有λ/4巴伦结构。如 5是双臂螺旋结构的示意图。

3.2.2 四臂螺旋天线的工作原理

四臂螺旋天线可以看作是两个双臂螺旋天线构成的,它们之间旋转90°且正交馈电。对于一个双臂螺旋天线来说,当天线处于谐振状态时,臂上的电流幅度接近正弦分布,其中最大值位于馈电点和短路点,零点位于螺旋臂的中部,我们可得到它的简化模型[8],如图 6(a)所示。这里我们选择螺旋中心为原点,轴为Z轴,顶面和底面上天线臂的平行线为Y轴来建立坐标系,显然该模型可进一步简化为图 6(b)所示的一个YZ平面上的电流环和一个X轴上的电偶极子的组合。同样,跟它垂直的另一付双臂螺旋天线亦可以等效成一个XZ平面上的电流环和一个Y轴上的电偶极子的组合。根据天线的叠加原理,由于这两组电流环和电偶极子互相垂直且相位差90°,那么在远区得到的是一个宽波束的心型的圆极化方向图。

四臂螺旋天线的关键问题是实现等幅正交馈电,利用同轴电缆可实现双臂螺旋的等幅反向馈电,因此还需要实现两个双臂螺旋的正交馈电。一种设计方法是采用移相电路的馈电网络,实现90度相移[11]。第二种方法是采用自相移结构[12],使两个双臂螺旋的长度有一定差别,其中一个比谐振时的长度稍长,产生一个相对于谐振时有-45度相移的输入阻抗,另一个比谐振时的稍短,产生一个相对于谐振时有+45度相移的输入阻抗,这样,两个双臂螺旋就实现了相位差90°。

3.2.3 介质加载四臂螺旋天线

较大的尺寸和复杂的馈电结构一直制约着四臂螺旋天线的应用。介质加载四臂螺旋天线采用高介电常数的介质和自相移馈电结构,可解决上述问题。图 7(a)所示为英国sarantel公司生产的GPS介质加载四臂螺旋天线。该天线采用εr=40的陶瓷作为介质,四条臂通过激光刻蚀形成,尺寸为10×18(直径×高)。同轴电缆馈电结构通过轴心在顶端进行馈电,底部为一套筒巴伦,在实现平衡馈电的同时将电流限制在巴伦边缘,减少周围物体对天线的影响。图 7(b)为该天线的方向图。

3.3 微带天线和四臂螺旋天线的比较

根据前面的讨论可以看出,两种天线各有优缺点,详见表 1。

4 GPS天线的发展趋势

4.1 天线的小型化

近年来便携式接收机的应用,对小型化GPS天线提出了迫切需求。目前GPS微带天线和四臂螺旋天线多采用高介电常数的陶瓷材料作为介质来实现天线小型化。

采用εr=28的陶瓷基片代替εr=3的普通基片,微带天线的尺寸可以缩减90%左右。采用εr=40的陶瓷介质的四臂螺旋天线(如图 7),体积只有原来的1/6。但这类高介质天线的表面损耗较大,效率较低。对四臂螺旋天线来说,还可通过加载[13]、曲流[14]、部分折叠[15]等技术实现小型化。

今后,可采用损耗更小、介电常数更大的介质及特殊的天线结构,来进一步缩小天线尺寸。

4.2 降低天线成本

目前微带天线价格比较适中,在GPS应用中处于优势地位。虽然介质加载四臂螺旋天线性能优良,但该天线结构复杂,制作加工成本较高,因而只应用在高端产品中。可见,设法降低四臂螺旋天线的制作成本,是保证GPS产品广泛应用的必然要求。

4.3 增强抗干扰能力

GPS信号极易遭受外来的干扰,对于天线来说,主要通过波束控制技术和自适应调零天线[16]来抗干扰。波束控制技术是用数字波束形成的方法将天线波束定向到所要跟踪的卫星,从而把增益加到所希望的信号上,这种方法需要使用大孔径的天线阵,计算任务繁重。自适应调零天线是通过电子调谐方式,使天线方向图在干扰源方向上建立零点,可将抗干扰能力提高40～50dB。自适应调零天线在美国军事上得到了广泛应用。"战斧"导弹、JDAM(联合直接攻击弹药)及F216战斗机上的GPS 接收机均采用了自适应调零天线阵。

另外,如何对付城市中严重的多路径干扰,也是当前应用中的一个关键问题。

4.4 双/多频段天线

目前,美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统及欧洲伽利略系统,都能够提供导航服务。如果一部接收机能同时接收两种甚至三种卫星信号,不仅有助于观测更多的星座,提高定位精度,还能够免受单一系统的制约。另外,除了精密双频测量接收机外,GPS技术和个人移动通信终端的集成,也需要一个天线能够解决GPS和GSM、CDMA或3G两个频段的应用问题。

目前的微带天线,多采用贴片层叠的方法来实现双/多频段。对于四臂螺旋天线,多采用上下堆叠和内外嵌套的方式来实现,还有一种方法是,将每条臂用三根不同长度臂代替,实现三频段特性[17]。值得指出的是,四臂螺旋天线,在双频段天线设计上具有潜在优势,可利用它不同的工作模式,实现双/多频特性。

4.5 国内研究情况

国内对GPS贴片天线的研究已趋于成熟,许多厂家都能够设计和生产。而小型介质加载四臂螺旋天线,主要被英国sarantel公司垄断,国内还没有相应的产品,因此目前对该天线研究比较热门。我们浙江大学正在合作研究此类型天线,目前已经制作了样品,通过微波暗室测量,性能良好;上海大学和相关单位也已经联合研制了GPS方形介质加载四臂螺旋天线[18],预计在不久的将来这些产品将达到应用要求。

5 结束语

GPS接收机天线是宽波束圆极化天线,具有近似上半球形的振幅和相位响应。微带贴片天线和四臂螺旋天线是目前应用较多的两种GPS天线,其中四臂螺旋天线被认为是理想的GPS天线,但微带天线由于成本低而得到广泛应用。今后一个时期,GPS天线将向小型化、多频段、抗干扰等方向发展。

摘要：GPS系统自1994部署完毕后,迅速在导航、测绘及授时等多个领域得到广泛应用。GPS应用领域的快速壮大,有力地推动了天线技术的发展。在介绍GPS工作特性及其对接收天线要求的基础上,着重阐述了微带天线和四臂螺旋天线两种主要的GPS天线,并针对当前GPS接收设备发展趋势,展望了GPS天线在小型化、低成本、抗干扰、多频段等方面的发展方向和有关难题。

关键词：GPS,天线,微带天线,四臂螺旋天线

GPS技术 篇2

/GPS组合时，可以利用GPS的位置、速度信息校正惯导系统的积累误差，标定惯性器件，可以在GPS辅助下，‘实现动基座上对准和再对准，缩短对准时间，提高载车机动性。而利用惯导系统的信号作辅助信息可以改善GPS接收机在敌方强干扰信号环境中的抗干扰能力，当GPS信号中断时，惯导系统仍能继续工作，提供高精度的导航信息。对惯导系统/GPS组合导航系统进行的各项试验以及实用表明，这种系统能在几乎所有外场条件下满足陆地导航提出的动态定位、定向和测速精度指标要求。与采用单纯惯导系统相比，这种组合形式具有精度高、可靠性好、成本低、适应性强、快速反应性能好、可采用模块化设计等优点，是目前国外军用车辆导航系统的主要发展方向。

例如:德国和意大利联合开发的EUROLIT系列导航系统，它由光纤陀螺惯导系统和GPS接收机组合而成，此外还包括里程计和控制显示器，在没有GPS进行修正的情况下，用里程计辅助，导航精度为行程的1%;法国“SIGMA30”系统，由一环型激光陀螺捷联惯导和GPS接收机组成，另有里程计供选用，定向精度为0.8mrad，定位精度为5m+行程的0.1%;美国数字化旅的M109A6“侠士”155mm自行炮装备的炮载定位、导航与定向系统，其水平、垂直定位精度均为10m，测方位精度为0.67mrad

组合导航系统通常以惯导系统作为主导航系统，而将其他导航定位误差不随时间积累的导航系统如无线电导航、天文导航、地形匹配导航、GPS等作为辅助导航系统，应用卡尔曼滤波技术，将辅助信息作为观测量，对组合系统的状态变量进行最优估计，以获得高精度的导航信号。这样，既保持了纯惯导系统的自主性，又防止了导航定位误差随时间积累。

惯性导航系统是利用惯性敏感器、基准方向及最初的位置信息来确定运载体的方位、位置和速度的自主式航位推算导航系统。在工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰破坏。它完全是依靠载体自身设备独立自主地进行导航，它与外界不发生任何光、声、磁、电的联系，从而实现了与外界条件隔绝的假想的“封闭”空间内实现精确导航。所以它具有隐蔽性好，工作不受气象条件和人为的外界干扰等一系列的优点，这些优点使得惯性导航在航天、航空、航海和测量上都得到了广泛的运用[1]

在GPS广泛渗透全世界后，美国利用垄断的优势，在军事上提出了导航战的战略方针，即战时抑制民用，关闭敌方使用的GPS功能或施放干扰，以确保己方使用等。

北斗导航系统由我国自主控制，它的研制成功标志着我国打破了美、俄在此领域的垄断地位。而GPS系统则是一个美国军方控制的军用系统，迄今没有任何形式的协议保证中国用户在任何时候都可以正常使用GPS信号，因此显然不能完全依靠美国的GPS信号

卫星定位导航系统是国家信息基础设施之一，也是国家科技水平和经济实力的象征。北斗系统的建成，对于我们这样的社会主义国家，意义十分重大。它打破了美国等发达国家垄断卫星定位导航技术的局面，大大推进了我国信息基础设施建设，提高了我国的经济社会和军事信息化的水平。

北斗系统的应用范围十分广泛，和GPS的应用范围基本相同，GPS有的功能，北斗系统都有。在技术上，北斗系统具有短数据通信功能，有特定优势。

将导航定位的自主权掌握在自己手里，可以不受国外系统的控制，更好地服务于国防安全、国土安全和国民经济建设。

INS是一种自主式导航系统，它不依赖外界信息即可获得载体的姿态、速度和方位信息，抗干扰能力强，而且不向外界辐射电磁信息，隐蔽性好。但随着时间的延续INS的定位误差不断积累，漂移变大。GPS广泛用于地球表面移动目标的跟踪定位，特别是在美国取消SA限制后，GPS可以高精度、实时、连续地实现导航，由于GPS是一种非自主导航系统，在动态环境下或受遮拦时容易出现“丢星”现象而导致定位中断，抗干扰能力低，更新率不高。可以看出，INS和GPS具有很强的互补特性，将两者结合起来将大大提高该武器系统的作战效能。

由于系统内各种误差源的存在，使得系统存在积累误差，从而不能保证系统在较长的工作时间内时钟以较高的精度给出导航参数。在这些误差源中，惯性测量装置的漂移是其主要的误差源，它可以分为确定性漂移和随机性漂移两大类。确定性漂移可以在陀螺使用前通过一定的测量方式和设备对其测试，进而对其补偿。然而随机性漂移的模型是不确定的，无法像确定性漂移那样进行准确的测试补偿，因而成为系统的主要误差源。能否对惯性测量装置的随机漂移进行有效的估计和补偿，是提高组合导航系统精度的重要途径

GPS信息精度是非常高的，那么这种高精度的信息可以用来修正INS，减少其误差随时间的积累。另一方面，利用INS短时间内定位精度较高和数据采样率高的特点，可以为GPS提供辅助信息。从而大大地改善了系统重新俘获卫星信号的能力。

高精度的GPS信息可以用来修正INS，控制其误差随时间的积累。利用GPS信息可以估计出INS的误差参数以及GPS接收机的钟差等量。另一方面，利用INS短时间内定位精度较高和数据采样率高的特点，可以为GPS提供辅助信息。利用这些辅助信息，GPS接收机可以保持较低的跟踪带宽，从而可以改善系统重新俘获卫星信号的能力。

GPS技术车载导航系统应用 篇3

摘 要：GPS车载导航设备作为一种全新概念的汽车电子用品，可以在地理信息服务、城市导航、自驾远游等方面为车主提供诸多便利。在欧美、日本等国，GPS车载导航仪已经成为大众的一个生活辅助工具，甚至是必需品。通过对日常生活的客观状况的了解，提出自己粗略的见解。目前，随着私家车保有量的大幅提升，参与国内GPS市场角逐的企业也如雨后春笋，GPS车载导航仪产品不再是少数专业人士及探险家手里的“发烧”级装备。选购此类高科技产品时，消费者往往处于“一知半解”的状态，容易产生困惑和迷茫。

关键词：GPS技术；车载系统应用

1 GPS地图卫星定位系统技术内容简介

1.1 GPS技术系统简介

GPS（GlobalPositioningSystem），一般译为“全球卫星定位系统”，是美国国防部安排部署的，其首要的任务是为美军及其盟军提供全球范围内不间断的定位、导航等数据。GPS系统包括GPS卫星、GPS监控站，以及用户接收设备和GPS应用软件等部分。GPS系统目前共有24颗卫星分布在6条固定的轨道上，绕地球运行。轨道距地面约20400km，每颗星以12h为周期，连续向地面发送关于时间和自身位置的精确信息。

由于地球上任一点到卫星的距离不等，且都有一组相对应的比较确定的数据，因此在实际应用中在用手持接收器于测试点接收到这一组数据信号时，即可用这组数据到达的时间差来计算该点相对卫星的距离，并以此来确定该点的相对位置，从而达到定位的目的。根据计算公式，定位有二维和三维之分，二维定位至少需要接收三颗卫星的星历；而三维定位至少要接收四颗卫星的星历。

1.2 其他卫星定位系统

GPS地图导航卫星系统除美国的GPS卫星系统外，能与其比拟的就是俄国的GLONASS卫星系统，也是24颗卫星组成的系统，由于经费困难，缺乏维护和补充，目前可能有19颗可用，随着俄国经济的复苏和军事上的需要，将会得到完善和健全。GLONASS系统是开放性，有利于使用，许多GPS生产厂商，为了提高GPS接收机使用性能和精度，都积极地研究GPS与GLONASS结合双系统应用软件，充分地利用GLONASS系统，已初见成效。如美国JAVAD公司GPS接收机，利用超级集成技术，在芯片中集成40个通用信道，把GPS与GLONASS的差异无端地缩小了，结合起来使用，使观测卫星增多。

2 车载导航系统的现状

利用全球卫星定位系统（GPS）信号进行汽车导航，根据采用的硬件平台不同，可分CAR-PC 车载导航系统、DVD汽车导航仪、基于掌上电脑的车载导航仪及其他形式的导航仪等。

2.1 CAR-PC 车载导航系统

计算机技术在汽车上的应用程度日益向纵深发展，在1998年1月，美国消费者电子产品展示会上展出了首台CAR-PC系统。它安装在一台名为超豪华概念车Else的仪表板上，是属于开放式结构的轿车微机平台，使用微软Windows CE操作系统。从功能上看，它集轿车音响功能、计算机功能、导航功能、语音识别式无线通讯系统功能等于一体，并以轿车技术为核心，为轿车提供了信息和娱乐设施，实现了驾驶者安全驾驶过程中自由接收电子邮件、打电话拨号、查询特殊目的地、接收交通和气候信息以及改选音乐唱片等功能。

国内在CAR-PC导航产品方面研究开始较早，但由于价格及实用性等方面的原因，主要应用在公安、部队及其他一些特殊行业中，普及面很小，知名品牌的产品还没有出现，许多大学也都在研制类似的产品，但是具有广泛影响的产品及技术还不多见市场推广工作进展比较缓慢。

2.2 CD-ROM/DVD汽车导航仪

CD-ROM/DVD汽车导航仪需要预先加装到汽车上，并且一旦将它安装到汽车上以后，就无法拆下来，也不能移到别的汽车上使用。在这类汽车导航仪中需要使用经过屏蔽（防磁）处理的高价电缆线，以防止其电磁波对于其他的车载设备产生影响，所以它的价格也比较高。在日本，九州松下电器 公司、建伍、先锋等电气公司所推出的产品基本上为DVD的形式，DVD产品比CD-ROM产品具有更大的容量和更好的性能。

3 车载导航GPS地图的应用原理及其应用模式

3.1 车载导航GPS地图的应用原理

利用GIS中的电子地图和GPS接收机的实时定位技术，组成GPS+GIS的各种电子导航系统。

3.2 车载导航电子地图的应用模式

车载导航电子地图的应用模式主要有如下二种：一是GPS单机定位+矢量电子地图。该系统可根据目标位置（工作时输入）和车船现位置（由GPS测定）自动计算和显示最佳路径，引导司机最快地到达目的地，并可用多媒体方式向驾驶员提示。制作矢量地图数据库需要花费较大成本。二是GPS差分定位+矢量电子地图。该系统通过固定站与移动车船之间的两台GPS伪距差分技术，可使定位精度达到1～3M，当采用双向通讯方式时，则可构成车船的自动导航系统，又可将移动车船上的GPS定位结果准确实时地传送到控制中心，并在电子地图上显示出来，构成交通网络监控指挥系统。

4 GPS定位过程简介

GPS结合电子地图能够实现城市交通管理、车辆调度管理，公安、银行车辆，港口、河流船舶的自动导引与监控，具有巨大的应用潜力。根据地形图制作而成的矢量电子地图，GPS坐标还需经过坐标转换才能正确与之匹配。下面将从GPS定位坐标系、WGS-84大地坐标、地图投影、平面坐标变换等几方面详细讨论坐标匹配问题。GPS定位过程主要有如下几个步骤：

第一，确定用户的宇宙直角坐标系位置，即用户的X、Y、Z位置。

第二，宇宙直角坐标系至WGS-84大地坐标系的转换，既求出用户的WGS-84大地坐标位置λ、φ、h。

第三，坐标投影转换，即将球面坐标λ、φ、h转换成平面电子地图投影坐标，如高斯-克吕格投影坐标。

第四，二维平面相似性变换，即经过平移、旋转、缩放运算，达到其与GPS地图的配准。上述四个过程全部都是由计算机用程序自动计算获得，具体算法这里介绍从略。

5 基于GPS和电子地图的车辆自动导航系统的组成及功能

5.1 基于GPS和电子地图的车辆自动导航系统的组成

整个GPS电子地图车辆动态引导系统构成如下图所示，它由主控计算机、液晶显示器、语音报警器、遥控器、组合导航处理器、GPS传感器、速率陀螺仪、光驱等组成。主控计算机视用户需求不同，可以是通用计算机，也可以是专用处理器。

5.2 基于GPS和电子地图的车辆自动导航系统的功能

本系统可以实现车、船等运动载体的电子地图中的实时跟踪显示、最优路径选择及导引、显示导航信息、地图检索、语音提示告警、矢量图分层显示及缩放显示；可以满足城市车辆，港口、河流、海用船只的导引与监视，GPS+航迹推算组合导航功能即使在信号不正常的条件下也能正确引导。电子地图存储于光盘中，可存储大容量矢量电子地图。矢量电子地图生成点阵形式存放于主机内存中，可达到地图检索和车辆跟踪的平滑效果。车船行至地图边缘时，将自动从光盘中调入下一幅新的矢量图，实现自动切换。

作者简介：田野（1995—），男，辽宁大连人，沈阳理工大学学生。

李培安（1993—），男，甘肃庆阳人，沈阳理工大学学生。

GPS定位技术及其应用 篇4

卫星定位是利用已知卫星的精确位置坐标和距离确定目标的位置的方法。GPS是利用导航卫星进行测距、测速和定时,为全球范围内海陆空各用户提供高精度三维位置和时间信息的空间无线电导航系统。由于卫星发送的信号精度、编码方法和传输制式等参数对定位精度有巨大影响,尤其在军事领域,为防止受制于人,各个有能力的科技强国,纷纷发射自己的卫星,建立自己的卫星导航系统。目前,全球主要的卫星导航系统有美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲伽利略、中国北斗星系统,GPS系统得到了广泛应用。

1.1 卫星导航系统的组成

卫星导航系统由三部分组成:空间部分、地面控制部分、用户部分。空间部分由24颗卫星组成;地面部分由地面跟踪站组成,主要任务跟踪、调控卫星、注入修正参数。用户部分由接收机、数据处理软件及相应的用户设备组成。接收卫星发送的信号,利用信号进行导航定位工作。

1.2 定位原理和方法

定位方法有多种,经常使用的有多点交会法。按接收方式分为主动式和被动式。按测量方法分为距离交会和方位交会。

1.2.1 主动距离交会式

不需要目标知道,由卫星主动完成。

(1)单颗卫星通过激光测距方法,通常可测出目标距离和方位。其最大优点是单点测距,一个站即可实现定位。

(2)在同一时间由不同地点的卫星对目标进行激光测距,根据测得的距离交会,交点即为目标位置。存在的问题:激光测距是通过测定发射与接收激光的时间差,实现测距,需要发射功率大,而反射信号随目标形状变化,信号弱、易受干扰,目标周围其他物体产生的杂波难以分辨、不易滤除。

1.2.2 主动方位交会式

利用两颗卫星,如图1,测出

1.2.3 主动定位法

同一时间只能测一个目标,卫星资源浪费大,通常用于特殊目的,如军事、制导等。

1.2.4 被动式定位法

利用卫星广播发送信号,目标自带接收机实现定位法。此法广泛用于民用场合,GPS正是这一方法。

2 GPS工作原理和定位

GPS采用交互定位原理。已知几个点的距离,则可求出未知点所处的位置。对GPS而言,已知点是空间卫星,未知点是地面某一目标。卫星的距离由卫星信号传播时间来测定,将传播时间乘以光速可求出距离为:S=ct(c为光速,t为传输时间)。

GPS系统由24颗距地球表面约2万km的卫星组成,其中21颗用于导航,3颗用于备用,1995年4月达到全运行状态。每个卫星发射导航定位信息,该信息包括卫星ID编码、卫星运行轨道信息、卫星钟修正数、以及其他一些系统参数。GPS接收机利用此信息计算某一时刻卫星位置,测出时间差,从而确定用户位置。导航信息通常被称为广播星历。一个GPS接收机同时接收4颗卫星,就可以解算出径、纬度和高度。

基本的问题是要求卫星和接收机具有精确的时钟,要求卫星和接收机之间的同步精度达到纳秒级,通常很难做到。卫星数量少,政府动用国家资源,可高成本投入,采用高精度的原子钟,误差极小。而接收机数量大、成本小,一般采用石英钟,会产生较大的误差。

(1)直接定位法:根据接收机到不同卫星的距离求出接收机位置S1=c(T-T1)S2=c(T-T2)S3=c(T-T3)

式中:S1-到1#卫星距离;S2-到2#卫星距离;S3-到3#卫星距离;T-卫星信号发送时间;T1-接收到1#卫星信号的时间;T2-接收到2#卫星信号的时间;T3-接收到3#卫星信号的时间;c-光速30万km/s;

(2)差分定位法:直接定位法,主要的问题是用户接收机的时间精度是有限的,由于电磁波速度30万km/s,而时间上的微小误差就会导致测量距离精度巨大的误差。由于用户接收机受成本、体积的限制,通常采用石英晶体作为振荡源的定时系统,其特点是时间累积误差较大,但在短期内基本保持不变,时间误差率可达10-9,因此根据这一特性,人们可采用差分定位法消除误差。从而使廉价的接收机也可获得高精度的数据。卫星导航信息的内容主要包括:信息发布的天文时间、卫星的精确坐标和按照规定格式发布的同步信号。接收机在同步信号的最后一个脉冲,读取时间、坐标信息并存储,经过以下计算,求得结果。

式中:S1-目标到1#卫星距离;S2-目标到2#卫星距离;S3-目标到3#卫星距离;T-卫星信号发送时间;T1-接收机收到1#卫星信号的时间;T2-接收机收到2#卫星信号的时间;T3-接收机收到3#卫星信号的时间;c-光速300000km/s;Δt-接收机时间误差。

这里要注意S1、S2、S3由于接收机的时间误差,其实是具有较大误差的距离参数。但距离差S1-S2和S1-S3是克服了时间系统误差的参数,误差精度可达10-9。cΔt-为系统误差;通过距离差运算,可将系统误差消除。

以平面图为例:

式中:A、B为实测值,假定为常数。

设接收机坐标为x,y。卫星坐标分别为:(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)。

则有:

公式(4)和(5)分别为双曲线方程。解该方程组,可求出x,y值。

随着科技的发展,这种复杂的数学运算,由嵌入接收机的计算机完成已不是难事。计算机根据多颗卫星发送的参数,经过多次运算,优化组合,去伪存真,最终给出最佳结果。

3 AGPS系统

GPS定位系统,接收机在同一地点需要观测到4颗卫星,在条件受限的情况下如立交桥下、建筑物内不易实现。同时由于卫星能源有限,发射功率不大。接收机距离卫星很远,需要很高的灵敏度,接收机的功率消耗较大。

利用卫星导航原理,在地面建立若干基准站,由基准站发射导航信号,接收机根据不同基准站信号时间差和基准站位置参数,即可求出自己的坐标(网络辅助GPS定位系统)。由于接收机离基准站较近,所需发射、接收功率比较小,接收机体积可以做得很小,待机时间很长。主要的问题是,需要建立许多基准站,才能覆盖大部分面积。这就需要大量的投资。目前,GSM移动电话蜂窝站,已遍布全球,可以利用现有的蜂窝站建成导航基准站,只是在现有的设备基础上,适当增加功能,实现起来十分容易。接收机亦可嵌入GSM移动手机内,实现一机多能。

利用卫星导航和基准站导航混合型,可减少地形、地貌的影响实现较准确定位。

4 应用

由于GPS定位系统是广播发送,用户接收机数量不受限制。同一时间可多个用户使用,互不影响。发送的信息免费使用,且其用途广泛,因此在医疗救助、防盗、科考探险、航海、旅游、结合电子地图GIS实现汽车导航、地质勘查、安全保卫等国民生活中得到大量的应用。

4.1 医疗救助

据联合国统计,世界人口已突破67亿,其中60岁以上的老年人已超过6.7亿。这些人自助能力差,已成为社会的一个问题。随着技术进步,给这些弱势群体配备GPS定位系统设备,在突发事件发生时,可发现情况、确定方位,以便得到及时救助。

4.2 安全保卫

世界各国要人,往往是恐怖袭击的主要目标,为此安全保卫人员能够实时跟踪重要对象,才能及时部署保卫措施,做到万无一失。在奥运会、洲运会、世博会、高峰论坛等大型聚会场所,各国首脑、政要目标多、级别高。国家保卫部门可在其交通工具上安装GPS,随时了解动向,预研、预判,及时安排警力。

4.3 武器制导

通常将目标坐标输入弹上计算机,导弹在飞行中根据卫星定位系统不断修正运行轨迹,以使其准确到达目标坐标,引爆弹头。目标坐标的获取,可采用敌后侦察、地图定位、激光测距等手段。对一些重要建筑物、机场、发射场等很容易获取其坐标。而对于一些临时出现的目标、移动目标,可采用观察所测定法,先由GPS定位装置确定观察所坐标,然后通过观察所激光测距仪,测出距离、方位,从而推算出目标坐标。

参考文献

[1]中国咨询投资网.中国GPS导航市场分析[DL]

浅析GPS公路勘测一体化技术 篇5

浅析GPS公路勘测一体化技术

GPS技术在公路勘测中应用具有巨大的优越性,本文主要探讨了GPS公路勘测一体化技术问题,通过该技术可以使得扩大KTK技术的.应用领域的同时,也优化公路勘测的作业环节,提出的公路勘测“静态+动态”的一体化作业方式有利于高速公路勘测技术发展.

作 者：曹广栋 兰森鲁 邦勇 作者单位：浦口区建信规划测绘咨询有限公司刊 名：城市建设英文刊名：CHENGSHI JIANSHE YU SHANGYE WANGDIAN年，卷(期)：2010“”(11)分类号：U4关键词：高速公路勘测 GPS测量 KTK技术

GPS技术在工程测量的应用 篇6

【关键词】GPS；RTK；测量；放样；应用

1.GPS定位系统的组成、定位原理

GPS(全球定位系统)为美国第二代卫星导航系统。GPS定位系统由卫星星座(空间部分)、地面监控系统(地面部分)、GPS接收机(用户设备部分)组成。星座由24颗卫星组成,其中2l颗GPS工作卫星,3颗备用卫星,大致均匀分布在6个近似圆的轨道面上;地面监控系统是整个系统的中枢,由5个监测站、1个主控站、3个注入站组成。

分布在美国本土和科罗拉多以及三大洋的美国军事基地,它主要的功能是:完成对GFS卫星信号的实时监测,向每颗卫星提供其编写并播发的导航电文,包括卫星星历(即一系列描述卫星运动及其轨道参数的数据)、卫星钟差和大气修正参数等;GPS接收机是能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备,由主机、天线和电源组成。GPS卫星发送的导航定位信号即GPS信号,是一种全球共享的信息资源。各类用户,在任何地点、任何气候、任何时刻均可用GPS接收机接收信号,进行导航定位测量。

GPS定位原理,类似于传统的后方交会。如果已知空间GPS卫星的瞬时位置,若仅确定测站点的三维则GPS接收机只要接收到3颗GPS卫星所发射的信号,即测得卫星到测站点的几何距离,就可根据后方交会原理,确定出测站点的三维坐标。

由于造价的原因,GPS接受机中的时钟精度有限,与GPS时间相比有较大的偏差,因而需要将这一时间作为待定参数,与待定空间参数一并求解,故最少需要观测4颗GPS卫星。由于各种偏差的存在,GPS接收机根据接收信号所确定的量不是上述的几何距离,而是带有一定偏差的伪几何距离,即伪距。由于伪距是通过测码或测相而确定的,因此,作为GPS的基本观测值,一般是指测码伪距和测相伪距(载波相位)。

2.GPS技术在工程测量中的应用

2.1建立工程控制网

工程控制网是工程建设、管理和维护的基础。其网型和精度要求与工程项目的性质、规模密切相关。一般地,工程控制网覆盖面积小、点位密度大、精度要求高。用常规的方法,多采用边角网。

采用GPS定位的方法建立工程控制网,具有点位选择限制少、作业时间短、成果精度高、工程费用低等优点。可应用于建立工程首级控制网,变形监测控制网,工矿施工控制网,工程勘探、施工控制网,隧道等地下工程控制网等。应用GPS技术建立控制网,通常采用载波相位静态差分技术,以保证达到毫米级精度。应用GPS技术建立道路勘探、施工控制网和隧道工程控制网等具有显著的优势。道路勘探、施工控制网,具有横向很窄、纵向很长的特点。采用传统的三角锁、导线方案,多数需要分段实施,以避免误差积累过大。采用GPS技术,由于点与点之间不需要通视,可以敷设很长的GPS点构成的三角锁,以保持长距离线路坐标控制的一致性。

2.2变形监测

变形监测主要是监测像大桥、水库大坝、高层大楼等建筑物、构筑物的地基沉降、位移以及整体的倾斜等状况。监测工作的特点是被监测体的几何尺寸巨大,监测环境复杂,监测技术要求高。常规的监测技术是应用水准测量的方法,监测地基的沉降;应用三角测量(或角度交会)的方法,监测地基的位移和整体的倾斜。GPS技术在该领域有广泛的应用。

2.3带RTK的碎部测量与放样

RTK(RealTimeKinematic)技术,即载波相位差分技术,是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。RTK系统由两部分组成:基准站(坐标已知)和移动站(用户接收机)。其基本原理是:将基准站采集的载波相位发送给用户,用户根据基准站的差分信息进行求差解算用户位置坐标。RTK技术可应用于测绘地形图、地籍图,测绘房地产的界址点,平面位置的施工放样等。采用RTK技术测图时仅需一人进行。将GPS接收机放在待定的特征点上1、2s,同时输入该特征点的编码即可。把一个小区域内的地形、地物特征点测定后传入计算机,由专业成图软件、在人工适当的干预下,形成所要的成果图。采用RTK技术进行放样,标定界标点,是坐标的直接标定,不象常规放样那样,需要后视方向、用解析法标定,因而简捷易行。

2.4区域差分网下的碎部测量与放样

区域性GPS差分系统下的碎部测量与放样,是基于区域GPS差分网进行的。区域差分与RTK单基点载波相位差分的原理相似,不同的是区域差分的基准站往往多于1个,多基准站组成基准网,基准网提供各个基准站的差分信息,用户接收机根据自己的位置确定各基准站差分信息的权,按非等权平差后形成自己的差分改正数,实现差分定位。

3.GPS测量应注意的问题

工程的实施充分体现了GPS测量的优越性,但在工程施工和后续工程的建设中也暴露出了一些问题。针对这些问题及GPS测量中应注意的事项总结如下:

（1）和常规仪器进行的控制测量一样,无论使用静态GPS或者动态GPS进行控制测量,应首先复核起算基准点的精度,起算点应为高等级的控制点,并且起算基准点和观测点之间具有较好的位置分布。

当使用动态GPS进行观测时,基准站的精度要经过3～5个高等级控制点的连测、复核,确保基准站坐标在各个方位观测情况下具有一致的精度。

（2）大量的工程事例证明，虽然GPS高程测量能够达到一定的精度,但GPS施测的市政工程测量控制点,应进一步用常规仪器进行水准连测,保证高程精度满足市政工程建设的需要。

（3）GPS测量中所选择的控制点位置的差异直接影响到观测点位的精度。由于GPS测量是通过接收卫星发射的信号,经过数据处理而得到点位坐标(包括高程)的,因此任何可能影响信号接收的情况发生时,所测定的点位坐标都可能产生误差。为此,在选择测量点位时应注意以下几点:

①点位视野开阔,向45°视角范围内没有任何障碍物。

②远离大功率无线电发射源,间距≮400m,远离高压输电线路,间距≮200m。

③远离具有强烈干扰卫星信号接收的物体,并尽量避开大面积的水域。

④GPS测量更适用于视野开阔、无不良障碍物的新区建设和野外勘探定位等。在老城区的建设中,使用GPS测量,或者根本接收不到信号,或者虽接收到信号,但一直处于浮动状态,不能固定,或者出现假固定,要么根本不能读出数据,要么虽读出了数据,但往往误差较大,这样做既无效率,又无精度,根本显示不了GPS的优越性。GPS测量成果与常规测量成果之间,不同型号GPS测量成果之间存在误差,有时误差还比较大。在以后的工作中,需要做进一步的探讨。

4.结语

GPS技术具有精度高、观测时间短、测站间不需要通视和全天候作业等优点,使得三维坐标的测定变得简单,因此,该技术除应用于航天、航海等领域外,已广泛应用于工程测量的建立工程测量控制网、RTK下的碎部测量与放样、区域差分系统下碎部测量与放样以及变形监测建的各个领域,同时GPS技术也有一些缺点。但随着科学的发展,GPS技术将具有更广阔的应用前景。

【参考文献】

［１］景维立．GPS网络RTK技术及其应用[J]．四川测绘，2005．

［２］李征航．GPS技术的最新进展．测绘信息与工程[J]．2002．

GPS测绘技术的原理与应用 篇7

一、GPS技术原理及组成部分

GPS技术的工作原理:GPS的接收装置通过测量无线电信号的运输时间来测量距离, 判断出卫星在太空中所处的位置。巧妙地运用了基本三角定位的原则。GPS卫星定位系统有两大类, 一类是全国或全球性的高精度型GPS网, 用于作为高精度坐标框架, 服务于地球运动等的科学研究。另一类是包括GPS城市网、工网等的区域性GPS网, 主要用于服务国民经济建设。由于GPS的卫星信号的载波和调制码可以用于测量, 所以观测量常为伪距离或是载波相位。在地籍测绘中, GPS的测量方式主要有RTK定位及差分GPS定位。RTK定位基于载波相位观测值的实时动态定位技术, 可实现厘米级的精度效果。差分GPS定位由基准站发出改正数, 通过移动站接受和修正结果来活动精确定位。

二、GPS技术在工程测绘中的应用

(一) GPS数据。

当前主要有手扶跟踪数字化和扫描矢量化、GPS数据输入三种方法, 手扶跟踪数字化需要的仪器为计算机, 数字化仪及相关软件, 是较早的一种数字化输入方法, 输入速度较慢, 劳动强度也较大。扫描大量化是通过扫描仪输入扫描图像, 然后通过大量跟踪, 确定实体的空间位置。随着扫描仪的普及和大量化软件的不断升级, 其作业方法越来越趋于自动化, 它是一种省时, 高效的数据输入方法。GPS输入是依据GPS工具能确定地球表面图形精确位置, 由于它测定的是三维空间位置的数字, 因此不需作任何转换, 可直接输入数据库, 目前主要是应用RTK技术, 它是在GPS基础上发展起来的、能够实时提供流动站在指定坐标系中的三维定位结果, 并在一定范围内达到厘米级精度的一种新的GPS定位测量方式, 通过将1台GPS接收机安装在已知点上对GPS卫星进行观测, 将采集的载波相位观测量调制到基准站电台的载波上, 再通过基准站电台发射出去;流动站在对GPS卫星进行观测并采集载波相位观测量的同时, 也接收由基准站电台发射的信号, 经解调得到基准站的载波相位观测量, 流动站的GPS接收机再利用0TF (运动中求解整周模糊度) 技术由基准站的载波相位观测量和流动站的载波相位观测量来求解整周模糊度, 最后求出厘米级精度流动站的位置。应用这种测量方法测量可以不布设各级控制点, 仅依据一定数量的基准控制点, 便可以高精度快速地测定图根控制点、界址点、地形点、地物点的坐标, 利用测图软件可以在野外一次生成电子地图。下面简单介绍MAPCAD软件的原图数字化处理作业流程。

(二) MAPCAD软件。

MAPCAD软件扫描矢量化输入方法具有图像清晰、编辑方便、易于转换等特点, 一般外设精度都能满足, 而人工跟踪精度主要取决于作业人员的技能掌握熟练程度和工作态度, 所以必须在加强作业人员基本技能培训上下工夫, 要求工作人员严格按矢量化方案作业, 确保图件的精度和质量高于国家现行数字化测图规范所规定的数字化精度和质量。在工程测量实践中, 要做好地形图外业测点与数字化图缩放相结合、符号图层的划分子图、线型符号库的设计等工作保证满足工程进度的同时又节约项目经费, 设计出的数字地图简单易用、美观整洁、易于使用地形图的工作人员判读。

三、GPS技术在土地测绘中的应用

(一) GPS地籍控制网点的精度和密度。

全地区的控制测量, 是地籍测量的主要工作, 也是测绘数据和图件的基础。按测区范围和先后次序来讲, 网点的密度一般分为加密网和基本网两种, 通过控制网点的密度和其精度, 提供界址点服务。根据需要, 各级网可以分期布设, 或者一次性地布设到指定的密度, 同时, 根据需求的变化进行相应的调整。考虑到城镇地区界址点的密度较大, 在有需要的时候, 可以在GPS网下再加密一级图根导线, 从图根点测定相应的界址点, 以满足测绘的要求。如《山西省地籍调查实施细则》中要求界址点对邻近图根点点位中误差为5cm~7.5cm, 也只有应用GPS网络才能达到如此高的几何精度。

(二) 位置基准点的偏差对GPS网络的影响。

由于传统测量技术的落后, 目前, GPS定位技术已经全面取代常规的测量, 来以此建立地籍控制网络。GPS定位得到的是三维坐标差, 所以, 其在参考椭球面上的网形与其位置基准有关。一般而言, 当位置基准在经纬度上的偏差在100m以内时, 其在椭球上的投影是可以忽略的。当高度差大于100m的时候, 则GPS网会要求较精确的起算数据。

(三) GPS地籍控制网的优化设计。

GPS具有多样而且灵活的布网方式、精度高以及速度快等特点, 但由于GPS观测系统有更加复杂的随机模型和函数, 所以GPS地籍控制网的设计也存在优化问题。点对点之间可以不受通视这个条件的限制给GPS网的优化提供了可实现的条件。目前, GPS网的主要误差是粗差以及系统模型的误差造成的。所以在进行优化设计的过程中, 要考虑网的可靠性准则、仪器标称精度、规程要求精度以及人员配备与预支成本费用等条件。可采用机助模拟法或者其它可行的方法对GPS网络进行优化设计, 提高其定位的精度, 增加其产生的效益, 使GPS网络在地籍测量中发挥越来越重大的作用。

四、GPS数字化绘图

(一) GPS-RTK数字化成图。

目前, 数字化成图技术主要有内外业一体化和电子平板两种模式。内外业一体化是一种外业数据采集方法, 主要设备是RKT、全站仪、电子手簿等, 其特点是精度高、内外业分工明确、便于人员分配, 从而具有较高的成图效率。具有以下的特点:

1. 测多用。

如在一些综合性较强的工程中需要对同一地形图绘制不同比例尺的地形图, 过去的平板测图方法则需要重复工作, 而数字化测图则可以同时根据完成的地形图绘制不同比例尺的多个地形图, 因为往往小比例尺包含了大比例尺地形图测图范围。仅需先测大比例尺图范围, 再补充小比例尺测图范围即可满足各不同专业人员对不同比例尺的地形图的需要。

2. 精度高。

数字化成图系统在外业采集数据时, 利用RTK现场自动采集地形地物点的三维坐标, 并自动存储, 在内业数据处理时, 完全保持了外业测量的精度, 消除了人为的错误及误差来源, 而且外业工作省略了读数、计算、展点绘图等外业工序, 减少了作业人员, 外业工效大大提高, 时间缩短, 直接生产成本大幅度下降。

(二) 采集数据。

采集数据时, 采集人员要准确应用地物代码, 以免在内业成图时出现错误;在观测开始时, 相关工作人员需严格按照要求应对测站点进行检查, 跑尺人员应严格按照自动成图的要求作业, 确保能完整地描述地形地貌的特征点, 必须通过绘制草图来表明各个地物碎部点的属性及相互关系, 测量坎子时, 要量取坎子比高, 坎下也要进行地形点采集。当一个测区完成后, 如果有必要可把数据备份。

五、结语

GPS地籍测绘及其关键技术研究 篇8

关键词：GPS,地籍测绘,关键技术

引言

为了科学合理的使用土地, 需要查清土地资源, 土地管理工作是至关重要的, 其基础就是对地籍进行管理。地籍管理信息的获取依赖于地籍测绘。当下, 地籍测绘技术在不断发展, 逐步集成有:普通测量技术、数字测量技术、面积测算技术等技术。GPS的出现给地籍测绘带来了新的思路, 将该技术运用于地籍测绘中, 能够大大提高测绘的精度。另外, 相比于常规方法, GPS技术在选点埋石上更加灵活。针对GPS技术在地籍测绘中的应用展开讨论, 对关键技术进行了分析。

1 地籍测量的基本方法

所谓地籍测绘, 主要目的是获取地籍信息, 并将这一信息以外在的形式表现出来。主要内容是对特定位置的土地及其附着物的位置进行测定, 同时, 确定其权属界线, 界定其类型和面积。测量的基本原则是尽量满足国家的经济建设大局, 同时也为国民建设提供相关信息。

就地籍测绘的基本方法来说, 主要分为地籍控制测量方法和地籍碎部测量方法。对于前者来说, 它是根据相关的界址点以及地籍图精度要求, 按照测量要求的原则, 依据测绘区域的大小等情况, 进行合理选点埋石和野外观测, 后期还需进行数据处理。基本方法有: (1) 利用GPS定位技术, 布测地籍控制网。通常情况下, 大城市都建立有自己的控制网, 在此基础上也已经进行了一定的测绘工作。但是, 这一控制范围并不能满足经济建设迅速发展的要求, 需要GPS定位技术对原有的控制网进行必要的改造, 将其成为地籍控制网。GPS快速静态定位技术在布测地籍控制网时能够有机联测已有的控制点, 达到较高的精度, 缩短观测的时间。 (2) 利用基本控制网的方法。有一些城市的控制网可以直接作为地籍基本控制网, 比如:《城市测绘规范》中规定的2、3、4等城市控制网以及1、2级控制网点。在没有1、2级控制网点的情况下, 可以以基本的控制网为基础, 对1、2级地籍控制网进行加密[1]。

对于地籍碎部测量来说, 主要方法有:

(1) 极坐标法。如图1所示, 将仪器架设在控制点A上, 通过B点进行定向, P为测量的目标点。对图中所示的AB与AP夹角以及距离S进行测量。目前, 这种方法在获取地籍要素中得到了广泛使用, 它支持计算机对碎部点高度角、水平角以及斜距的自动记录, 方便三维坐标的直接解算[2]。

(2) 白纸成图法。这是一种图解形式的成图法, 它基于平板仪测图技术, 由于这一技术无法保证野外实测数据的精确度, 只能提供图解地籍。随着解析测量技术的发展, 这种方法逐渐被淘汰。

(3) GPS测量法。在当前, GPS是一种十分先进的定位工具。将其应用于地籍信息的数据采集工作中是很多工作者采用的手段。地籍空间数据不仅包括空间位置, 还包括属性信息, GPS只能提供前者, 因此, 还需要外业采集的配合[3]。在使用GPS的过程中, 通常都会配合使用计算机。在实际中要注意:GPS的定位模式要与地籍信息系统相匹配;在确定GPS的处理方法之前, 需要对所需精度进行研究。

2 GPS地籍控制网的布网原则以及观测方案的制定

进行地籍的控制测量最关键的任务是要对地籍的基本控制点进行测设, 主要意图在于进行土地的登记, 建立基本的土地资料, 同时, 对地籍的日常动态进行管理。在国家颁布的相关规程中对地籍平面控制网的布网原则做了明确的规定。可以将该网布设为以下等级的控制网:2、3、4等三角网, 三边形网以及边角形网;1、2级的导线网, 对应等级的GPS网。可以根据区域的规模, 灵活的选取任何一个等级的控制网点作为首级控制对象。在采用GPS控制地籍时, 如果没有常规的三角网, 则在布设过程中要求等边处理。

在GPS网的基准设计中, 主要包括有:位置基准的设计, 方向基准的设计以及尺度基准的设计。对这些基准进行设计主要是通过整体平差计算来完成的。在确定网的位置基准时, 既可以将网中的某一点固定下来, 给予合适的权值, 也可以不固定某个点, 采用自由网违逆平差的方法对位置基准进行确定。这种平差方法不会对网的定向产生影响, 也不会对其尺度的确定造成误差。经过平差处理之后, 网的方向以及尺度都相同了, 不同的是位置以及各个点的精度。

在选点工作中, 注意到GPS测量不需要观测站之间通视, 对于网的图形结构来说, 相比于经典的控制测量要更加灵活, 所以, GPS测量中的选点工作相对简单。要想保证有精确地测量结果, 需要重点对待点位的选择, 在开展工作之前, 需要收集测量区域的地理情况信息, 弄清楚原有的标志点分布, 保证确定出的观测站位置是最为适宜的位置。选点的基本原则有以下几项, 选择的点应该与电视塔、大功率雷达保持相应距离, 与水域以及幕墙等无相交点;选择的位置尽量不要位于斜坡上, 要以便于观测为原则。利用GPS技术对控制网进行建立时, 不需要保证点间的通视, 点与点之间的距离也没有严格的长度要求, 主要是从实际情况出发, 遵照方便的原则进行。

3 观测数据的处理

对于GPS观测数据的处理来说, 主要包括数据的预处理和后期处理。在预处理上, 主要工作包括:对数据进行编辑、加工以及整理等。这样一来, 就可以将专用的信息文件分流出来, 便于后期的平差计算。首先, 整理原始记录中的数据, 对一些无用和冗余的观测数据进行删除处理。接下来进行数据的平滑、滤波、周跳探测、载波相位观测值的修复以及对观测值进行各项必要的改正。为了确保外业的观测质量, 需要对观测成果进行外业检核, 所以当观测任务结束后, 必须在测区及时对外业的观测数据质量进行检核和评价, 以便及时发现不合格的地方。最后, 对同步边观测数据进行检核和进行残差分析。在后期的数据处理过程中, 最重要的工作是依据之前获得的数据文件, 对观测数据进行平差计算。进行GPS地籍控制网的建立时, 观测数据的精度对控制网的精度有很大影响, 对影响观测数据精度的因素进行分析, 主要有:信号传播中存在的误差, 接收设备中存在的误差, 地球自转造成的误差等, 应该对这些误差进行分类分析。

4 结束语

GPS测绘技术具有操作方便, 有较高定位精度, 能够进行全天候作业的优点, 据此也大大降低了费用。当下, 随着GPS数据传输能力的不断加强和抗扰水平的不断提高, 其在地籍测绘中将有更为广阔的应用空间。本文对地籍测绘展开讨论, 对GPS的应用及关键技术进行了研究, 旨在给同行参考。

参考文献

[1]林清江, 黄文俐, 任树军, 等.GPSRTK测量在地籍测量中的应用[C]//2009全国测绘科技信息交流会暨首届测绘博客征文颁奖论文集, 2009.

[2]孙振勇, 包波, 樊晓涛.GPS-RTK技术在河道演变观测中的应用探讨[C]//全国测绘科技信息网中南分网第二十一次学术信息交流会论文集, 2007.

工程测绘中GPS技术的应用 篇9

GPS汉译为“全球定位系统”, GPS技术不仅服务于军事国防建设领域, 也逐渐服务于民用建设领域并被广泛应用。随着GPS定位技术的逐步成熟, 为工程测绘工作提供了一个崭新的定位测量手段。具有精度高、速度快、成本低的显著优点。GPS技术在不断更新和探索更加完善城市与工程控制网的建立, 不仅工程测绘工作质量和效率质的飞跃, 而且拓宽了各领域包括工程测绘的服务范围。

1 GPS技术优势

1.1 时间短

GPS技术观测时间短, 相比经典的静态相对定位模式, 同样观测范围20km内的基线, 相对单频接收机大约在1h左右, 而双频接收机仅需15~20min。实时动态定位模式的利用, 流动站在初始化观测1~5min后随时定位, 观测每一站只需要几分钟。建立GPS技术控制网, 能够全面缩短观测时间, 提高观测工作效率。

1.2 齐全功能提供多用途信息

GPS测量技术具有功能多的特点, 可以针对不同的用户, 提供目标连续性的动态三维位置、三维速度及时间信息。不仅用于测绘、导航, 还用于速度测试、时间测试等方面。GPS测量技术的日益不断完善, 逐渐延伸到其它应用范围和内容。例如GPS的导航定位功能已经广泛的用于空、海、陆一体化, 还涉及运动目标的监控与管理、报警与救援等方面。GPS测量技术广泛应用陆地测量 (工程测量、工程与地型变形监测、地籍测量) 、航空摄影测量和海洋测绘等方面都得到了推广。

1.3 自动化

现代先进的测量技术体现在GPS测量技术的自动化, “智能型”接收机只安装好仪器, 人工操作开关仪器、量取天线高、采集环境与气象数据和监视仪器的工作状态的作业, 余下的工作如捕获、跟踪观测和记录等, 都由GPS的相关设备自动完成。观测结束后, 人工操作关闭电源, 收好接机, 就完成了野外数据的采集工作。另外测量站连续性的观察, 需要较长的时间, 可以采取无人值守, 把采集到的数据应用网络及其它传送方式, 传送到数据处理中心, 形成自动化数据信息采集。

1.4 GPS技术的实时定位

GPS全球定位系统导航, 动态目标的三维位置和速度可以及时准确的捕捉到, 能够随时对运动载体监控, 控制沿着预定的航线运行, 通过实时定位选择最佳航线。这对海洋、航空的动态目标导航具有十分重要的意义。

2 GPS技术应用在工程测绘

2.1 GPS技术与工程变形监测

工程变形不是短时间形成的, 也是工程建设中的常见问题。人为造成或地壳的运动造成建筑物的位移、变形。GPS测量技术的三维定位精度高, 主要成为测量工程变形的工具和手段。在工程建设过程会遇到各种各样的变形, 工程变形形成多样化:有建筑物的变形和缺陷、大坝的变形、资源开采区的地面沉降、海上建筑物的沉陷等。多数水电站大坝由于受到水负荷的重压, 随着时间的推移, 有可能出现大坝变形。监测有效手段就是应用GPS测量技术, 能够及时监测大坝变形, 并能有效测量数据, 采取防止大坝变形的措施, 防患于未然, 规避意外事故。

采用GPS精密定位技术:速度快、精确高、自动化。就是收集到建筑物变形的具体数据最快传输, 测量具体数据精确到 (1.0~0.1ppm) , 从而有效实现测量的自动化。监测建筑物的变形, 可以在距建筑物一定距离的地方设立基准站, 选择设立几个监测点。基准站与监测点上分别安置GPS接收机, 连续的自动化检测, 利用传输技术把收集的相关数据, 以最快的速度传输到数据信息中心, 实时分析和处理。

2.2 GPS技术测绘水下地形

海港、海岸、码头的施工设计、海洋资源工程的开发等需要采用水下地形图。传统的测绘工程测量水深采用测深仪。测量时, 根据超声波测量水深的原理测量。同时还采用潮位仪对潮位进行测量, 使水深的测量值得以更正, 最后测量出水下地形的高度。平面位置的测量采用经外测距仪、经纬仪及三应答器等设备测量。设备操作复杂、条件要求高, 使用和携带极不方便。而GPS技术测绘水下地形图时, 测量平面位置的三维测定以及水深。不仅能够解决平面位置的测量的问题, 而且采用差分GPS定位系统, 对大比例尺水下地形测绘。

差分GPS定位系统在水下地形测绘的工程, 仪器有测深仪、差分GPS接收机、潮位仪并与终端设备相连接, 形成完整的水下测绘系统。差分DGPS接收机主要接收 (GPS卫星以及差分基站) 信号, 基台校正数据修正测量船蹬S的误差。船行驶前, 计算机输入测量阶段的起始坐标, 测量的过程, DGPS接收机将测量的坐标值输入到计算机系统, 对坐标之间转换, 计算参数。系统中的显示屏实时显示航行的路线, 以及导航 (如时间、序号的定位, 以及基线方向角、偏离航线的距离、测量起点和终点的距离等) 的参数。测量过程, 根据导航监视器修正航向。测量、定位时, 计算机系统能够自动记录数据, 保存在计算机的硬盘或软盘。

2.3 GPS测量技术运用在精密工程

GPS测量技术广泛应用在工程测量各个领域 (工程勘察设计和施工以及验收等) , 还包含设备的安装和相关的测量工作。由于涉及的范围广, 精度高、速度快、操作简便, 对于精密设备的安装工程, 或是桥梁、海峡贯通与联接、隧道与管道工程等。GPS测量技术起着至关重要的作用。尤其贯通测绘的运用是一项重要的任务。特别控制测量方面的运用能够准确测量贯通方向, 对公路、铁路、海底等隧道以及城市地铁具有积极意义。测量的运用是在隧道两端的开挖面处或中间开挖面处, 建立联测起始的基准方向, 决定隧道的开挖方向。保证隧道贯通的准确性、可靠性, 对于隧道工程建设的进度大大缩短。传统的测量方法, 控制点之间以通视为主, 测量工作十分复杂, 误差也较大, 测量工作不利于完成。GPS测量技术广泛应用各类隧道工程测量, GPS精密定位技术已经得到广泛肯定, 展示了高新技术的高精度与高效益。

3 应用技术与数据处理

GPS测量技术的应用是外业数据收集准确性, 外业检核是观测成果的保证, 也是预期定位精度的关键环节。观测任务完成后, 检核测区及时收集到的数据, 淘汰不必要的数据。按照相关要求和标准必要时应重测、补测措施。严格捡查各项检核内容, 确保信息准确, 对数据分析和处理核查。GPS测量自动化程度快, 连续同步观测能15s内自动记录一组数据, 数据、信息量多是常规测量方法无法相匹配的。可以采用数学模型、算法等形式多样, 数据处理的过程繁琐。利用计算机网络收集数据加以处理, 这是GPS被广泛肯定并使用的重要原因。

4 GPS测量技术网形设计注意问题

工程测量控制网的图形设计十分重要。GPS测量技术打破点与点之间通视, 图形设计的更灵活性、准确性。GPS测量技术网形设计需要注意问题:

(1) GPS观测点选择必须视野开阔, 无障碍物, 信号接收好的地方。避开高压线、大片水域、变电所及微波辐射等干扰源。

(2) 准确得到坐标转换参数, GPS控制网点需要三个以上与地面控制网点重合。

(3) GPS测量技术无线定位, 易受到外界环境的影响。网形设计时, 利用独立观测边, 构成闭合图形。同时增加检核条件, 提高网的可靠性。使数据的可靠有效, 测量方法的准确性。

5 结束语

GPS技术具有多方面的优势, 给工程测绘工作全新革命, 带动了各领域测量技术变革, 不仅工程测绘数据真实、准确、可靠, 而且作为完善工程测绘的配置管理工作的依据, 拓展了工程测绘的服务范围, 使工程测绘工作的质量和效率得到保障, 成为多用途、多机型的国际性高新技术产业。

参考文献

[1]汪建林, 姚焕炯, 张晓盛, 等.GPS测量技术在工程测绘中的应用[J].中国新技术新产品, 2010 (17) .

[2]何铭杰.GPS测量技术在工程测绘中的应用及特点[J].科技风, 2010 (4) :212～214.

[3]常文智, 韩小波.GPS测量技术在工程测绘中的应用[J].商品与质量:建筑与发展, 2011 (10) :117～127.

土地测绘中GPS技术的应用 篇10

无线电信号是GPS测量中所使用的信号, 其接收设备通过其受到无线电信号的时间计算出距离, 以此判断卫星的位置。即应用了三角定位原则。该系统有两种, 一种是用于进行高精度框架建立的全球性或全国性的GPS网, 主要用于研究地球运动。而另一种则是区域性工作的GPS网, 这种GPS网被用在国民经济建设上。GPS的信号中用于测量的是其信号的调制码或者载波, 因此主要的观测量是对载波相位以及伪距离的测量。在进行地籍测绘时, 所应用的测量方式主要包括差分GPS定位以及RTK定位两种。差分GPS定位其对精确定位依赖于基准站发出改正数后, 移动站对这一改正数进行接受和修正, 通过结果来进行定位。而RTK定位则更加精确, 主要通过载波相位观测实现, 其定位是一种实时定位技术, 精度可以达到厘米级。

我国在上世纪八十年代就已经开始出现各种精密先进的地面测量设备, 例如数字水准仪、精密测距仪以及电子经纬仪和激光扫平仪, 这些设备的应用是我国工程测绘工作更加先进, 发展更加迅速的基础, 同时更加有利于我国工程测绘接受更加先进的技术。GPS技术首先出现在美国, 该技术的发明为测绘工作带来了本质性的革新, 从1994年之后测绘工作利用了GPS开始向着更加高效、快速、低耗和简便的方向发展, 因此在土地测量工作中开始被广泛的予以使用。而随着GPS技术的发展, 逐步的分为RTK实时定位和GPS差分定位两种系统, 且其定位精度越来越高。在地质勘查、资源探点中, GPS技术的应用将会具有更加广泛的发展空间。

二、地籍测量

1地籍控制测量

在测绘工作中, GPS定位技术的应用为测绘工作带来了变革性的发展。尤其在地籍测量中, 由于应用了GPS技术, 因而很多工作发生了巨大的变化, 尤其在地籍控制测量中, GPS技术的影响极为深远。由于GPS对于网状精度影响不大, 且在地籍控制测量中, GPS技术并不要求通视, 因而就免去了点位选择这一个步骤。GPS技术在测量中的精度较高, 并且测量效率高, 具有自动化以及全天候的特点, 因此在我国很多区域的地籍控制测量中GPS技术已经开始广泛被应用开来。

2网点的密度以及精度要求

地籍控制网点主要是为了确定土地权属范围, 而其密度以及精度要求也是服务于这一特征点, 也就是日常中经常提到的界址点。地籍测量的任务主要是为测绘地籍图以及制作宗地图提供基础数据。依照测区范围的差异即以先后次序的区分可以将网点密度分为加密控制网以及首级控制网两种。但是由于受到了城镇界址点密度较大的影响, 网点电位精度必须予以保障, 需要增大控制点密度, 从而方便对界址点进行测定, 有时甚至需要增加图根导线, 从而方便界址点的测量。

3位置基准点的影响

基准点在GPS中也有三种分类, 分别为方向基准、位置基准以及尺寸基准。在城镇地籍控制网的建设过程汇总, 若是使用常规手段, 则需要应用到国家控制点, 但是若没有相应的控制点为基准点, 那么起算点会采用假定坐标值进行计算, 从而建立起一个独立坐标系。GPS技术所得到的坐标系为三位坐标差, 因此其在参考面上的位置基准会直接影响到GPS的网形。精确起算数据主要被应用在GPS网高差较大的情况中。GPS网在椭球面上的投影会受到位置基准的影响, 因此精确测定高程可以通过常规方法进行。

4地籍细部测量

该种测量是为了确定每块土地界址点以及形状、位置等信息的测量手段, 是对权属以及土地线的确定, 在地籍调查中, 细部测量是重要组成。在相关规则中, 在地籍细部测量上要求城镇外围的地籍测量中其界址点的距离误差允许值为10cm。而村庄中的界址点以及一些隐蔽性的界址点, 误差可以超过10cm, 但是应当小于15cm。而这一精度要求在利用了RTK技术的测绘中, 完全可以达到。

三、GPS测量技术的特点及优越性

GPS测量系统目前是在导航定位领域应用最为广泛的系统, 相比于其他测量技术具有多功能、全天候、高效率、操作简便、精度高、应用广泛等诸多优点, 有较强的发展优势。

GPS的测量自动化程度高, 在观察中的测量员主要只需按照和开关仪器、采集环境的气象数据、量取天线高、监视仪器工作状态等简单操作。其余的如卫星的跟踪观察、记录、捕获等都可由仪器自动完成。GPS用户接收机通常质量轻、体积小、自动化程度高, 野外测量时, 甚至只需一键开关, 方便使用和携带。

GPS卫星很多, 在均匀的分布下保证了全球地面覆盖率, 任何时候在地球上的任何地点都可进行观测工作, 通常只在雷雨天气下不适宜观测, 多数情况不受天气的影响。可以说, GPS定位技术的发展是经典测量技术的一次打突破。它不仅是经典的测量理论及方法发生了深刻的改变, 还使得测量学和其他学科之间有了渗透性的交流, 促进了测绘科学的发展。

GPS接收机与红外仪器的标称分辨率可谓旗鼓相当, 并且随着间隙距离的进一步增加, GPS的测量更具有优越性和可操作性。同时GPS能够提供全球统一的三维地心坐标。测量中, 不仅可以精确测出观测站平面位置, 还可以准确测量观测站的大地高程, 这一特点, 为研究大地准面的性质和确立地面点高程开辟了新途径, 也为航空摄影等提供了重要的高程数据。

结语

在测绘工作中, GPS技术的应用所带来的方法和技术对人们的思维以及视野都一种变革性的改变, 同样也是测绘界的一大革新。GPS的高速高效以及独具特色和多元化功能使得工程测绘得到了更加长远的发展, 令工程测量在开拓范围以及发展空间上更加广阔, 同时保证了测绘质量为工程施工提供了可靠的数据基础。

参考文献

[1]许少全, 张华海.GPS测量原理及应用[M].北京:地质出版社, 1993.

[2]金君.GPS在地籍测量中的应用[M].1999.

GPS测量技术在农村公路的应用 篇11

关键词:GPS;农村公路;测量;误差

中图分类号:P236 文献标识码:A 文章编号:1000-8136(2009)27-0025-02

随着科学技术的不断发展,测量技术从传统的经纬仪+水准仪到全站仪+水准仪,再到 GPS测量技术,经历了一个不断更新的过程。GPS全球定位系统(Global Positioning System)是美国研制并在1994年投入使用的垒球卫星导航与定位系统。近年来,GPS系统因具有全球性、全天侯、连续性、实时性导航定位和定时功能,能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间等优点,其技术的应用已遍及我国国民经济的各个领域,特别是在公路测量的应用上已经较为普遍。GPS系统在应有方面主要分为单点导航定位与相对测地定位,而对于常规测量而言,相对测地定位是主要的应用方式。在此,本文将重点谈谈GPS测量技术在农村公路的应用。

1GPS测量技术的工作原理

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。而RTK技术代表着GPS相对测地定位应用的主流。

2GPS测量的特点

GPS系统是目前在导航定位领域应用最为广泛的系统,其可为各类用户连续提供动态目标的三维位置、三维速度及时间信息。GPS测量主要特点如下:

2.1功能多、用途广

GPS系统不仅可以用于测量、导航,还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1 m/s,测时的速度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。

2.2定位精度高

一般双频 GPS接收机基线解精度为 5 mm + 1 ppm,而红外仪标称精度为 5 mm+5 ppm,GPS测量精度与红外仪相当,但随距离的增长,GPS测量优越性愈加突出。大量试验证明,在小于50 km的基线上,其相对定位精度可达12×10-6,而在100 km～500 km的基线上可达10-6～10-7。

2.3实时定位

利用全球定位系统进行导航,即可实时确定运动目标的三维位置和速度,可实时保障运动载体沿预定航线运行,亦可选择最佳路线。特别是对军事上动态目标的导航,具有十分重要的意义。

2.4观测时间短

采用GPS布设控制网时每个测站上的观测时间一般在30 min～40 min左右,采用快速静态定位方法,观测时间更短。例如,使用 Timble4800 GPS接收机的 RTK法可在5 s以内求得测点坐标。

2.5测站之间无需通视

这是GPS技术区别于常规测量的最大优点。常规测量技术需要保持良好的通视条件,又要保障测量控制网的良好图形结构。而GPS测量只要求测站15°以上的空间视野开阔,与卫星保持通视即可。其这一优点,使得在布设长大线路施工控制网时,可省去大量的传算点、过渡点的测量,大大减少测量作业时间和费用,同时也使选点布网变得非常灵活。

2.6操作简便

GPS测量的自动化程度很高。目前,GPS接收机已趋小型化和自动化,在观测中测量员只需打开 GPS接收机、量取天线高、采集环境的气象数据、监视仪器的工作状态,而其他工作,如卫星的捕获、跟踪观测和记录等均由仪器自动完成,然后利用数据处理软件对数据进行处理,即求得测点三维坐标。观测结束时,仅需关闭电源,收好接机,便完成野外数据采集任务。

2.7可提供全球统一的三维地心坐标

经典大地测量将平面和高程采用不同方法分别施测。在GPS测量中,在精确测定观测站平面位置的同时,可以精确测量观测站的大地高程。其这一特点,不仅为研究大地水准面的形状和确定地面点的高程开辟了新途径,同时也为其在航空物探、航空摄影测量及精密导航中的应用,提供了重要的高程数据。

2.8全天候作业

GPS卫星较多,且分布均匀,保证了全球地面被连续覆盖,使得在地球上任何地点、任何时候进行项观测工作,通常情况下,除雷雨天气不宜观测外,一般不受天气状况的影响。

3GPS测量技术在农村公路中的应用

3.1农村公路调查内容

农村公路调查对象主要是县乡道路以及复合标准的村道,另外,还要对每个建制村道路的通达情况作相关的调查。在外业数据采集中主要采集的数据有各条道路的长度、路基路面宽、路面类型、所经过的村委以及村小学等标志性建筑的地理坐标、各起终点的坐标、名称以及各分段点的信息等。

3.2GPS外业数据采集流程

3.2.1准备工作

GPS在农村公路测量中应用时,可采用“边采集、边录入”的现场数据采集模式,一般情况下,一个测量小组由1人负责 GPS 接收机的开关以及掌上电脑的录入工作、1人负责相关数据和出现特殊情况时的记录工作、一名乡镇向导和一名司机共4人组成。

在采集工作出发之前,应先做好采集计划,如安排好采集行程;提前准备好已有的周边路线图作为采集底图,并打印一份供采集时参考;对需要采集的路线以及附属设施提前准备好相关已有的资料(如路线编号,起点名称,起点路基宽度及路面宽度,道路等级,路面性质,穿越了几个乡镇、建制村,沿线共有几座桥梁、大概在什么位置等),做到心中有数,提高采集效率。

在采集前,应先将GPS接收机与掌上电脑正确连接,然后通过蓝牙连接将 GPS接收到的信号反映在掌上电脑上,并确保GPS连接和信息输出正常。

3.2.2主要操作

GPS外业采集功能主要是实现公路路线、桥梁、隧道、渡口、乡镇、建制村等图形和属性一体化采集,具体包括采集新路线、路线分段、停止采集路线、继续采集路线、点采集(如桥梁、隧道、渡口、乡镇、建制村等位置和属性信息)等功能。在进行外业采集之前,在GPS采集子系统中主要操作有:

(1)打开GPS:GPS接收机与计算机连接正常并输出有效的GPS数据后,通过“打开GPS”功能,建立与GPS接收机的通信连接。

(2)关闭GPS:在e-Road系统中断开与GPS接收机的通信连接,只有在打开了GPS后才能关闭。

(3)查看GPS状态:当打开GPS后,可查看GPS当前的状态,是否正常接收卫星信号,以及GPS输出的数据是否有效等信息。

(4)采集新路线:开始采集一条路线,记录该条路线的线形、线位和调查指标信息,如果GPS已经打开并且定位后,就可以进行路线的采集。

(5)路线分段:当路线的调查指标发生变化且符合路线分段原则时,需要添加一个路段,在采集路线的过程中,在路线分界点叫司机停下,并点击计算机平面上点击“分段”按钮,并输入分段原因: 路面情况发生改变。同时还要输入分段点的相关信息。当然在其他路况发生改变时也要分段,比如路面宽度发生了明显改变,有分叉路的情况等。系统就会自动对路线进行分段。

(6)停止采集路线:在调查中还要标出各村村委以及村小学的地理坐标,在测量时只需在路线迄点处停止采集当前正在采集的路线,生成最后一个路段的讫点位置信息,并输入相关信息即可。

(7)继续采集路线:在路线采集的暂停位置继续采集路线的线形,如果在地图中存在没有采集完的路线,可以通过“继续采集路线”的功能,继续采集未采集完的路线。

(8)点采集:实现公路沿线附属设施点(如桥梁、隧道、渡口等)以及乡镇、建制村、村小学等点的地理位置和属性信息一体化采集。

通过上述功能操作,基本可以实现GPS+PC操作完美结合,在采集过程中,若因操作或人为走错路线等原因还可以进行对象属性编辑,现场及时修改或删除所采集数据信息。

3.2.3采集完毕

当天采集完毕后,首先要做好数据备份工作,建立以天为备份数据文件,同时备份到移动存储器中,以防计算机出现重大故障而使数据文件损坏,并及时将采集的数据进行必要的内业处理,防止因间隔时间过长,记录不准确,导致内业无法编辑等状况。

3.2.4经验总结

(1)GPS接收器本身时钟也存在误差和噪声,这些都影响定位的精确度。当出现比较明显的漂移时,测量人员应该叫司机先停下来,等指示箭头回归原点时再开始进行测量。

(2)当正在进行路线采集时,如果较长时间在某个地方停顿或需要离开正在采集的路线去采集其他路线、沿线乡镇、建制村时,应先使用“停止采集路线”功能暂停正在采集的路线,再采集其他路线、沿线乡镇、建制村等,然后回到暂停的位置处使用“继续采集路线”功能按原采集方向继续采集被停止采集的路线。

(3)在采集过程中,应时刻关注GPS的信号,如果连续出现“GPS无法定位”的提示时,应立即停止采集路线,以免丢失相关数据,甚至出现把数据导入 PC机后出现乱码的情况。且测量人员应立即检查GPS的电池是否没电或是GPS与计算机是否已断开连接等,待设备都已完好后,为确保数据的有效性,测量人员应进行返工。

(4)采集过程中,GPS接收机和计算机不能离得太远(一般是 10 m以上),以避免计算机无法接收GPS传过来的信号以致数据丢失。

(5)采集过程中,如测量人员下车去测标识物后,司机不能将车开动,以免出现当测量人员回来后重新测量时原点发生了改变,从而出现相应的误差的情况。

(6)采集过程中,车速不能太快,一般控制在40 km/h～60 km/h,尽量靠着路的中间行驶,尽量避免紧急刹车。

综上所述,由于GPS设备功能齐全,携带方便,易于掌握,能够彻底改变以往公路调查陈旧的工作模式,从根本上提高公路测量效率,减轻职工劳动强度。尽管GPS测量技术仍存在一些问题,但只要运用得当,其自身的缺陷仍可以克服。GPS技术的普遍应用必将促进交通工作向着精确、高效、现代化的方向发展,是今后交通工作中必不可少的工具,如广泛使用一定会取得巨大的经济和社会效益。可以说,GPS在公路领域的应用前景是无限的。

参考文献

1 王敬贵、李廷选.GPS测量的误差来源及处理技巧[J].河南测绘,2006(4)

2 张跃雷.GPS在工程测量中的应用[J].应用技术,2007(5)

The Application in the Rural Highway of GPS Measures Technology

Long Ke

Abstract: The artical described GPS operation principle, GPS of measuring technology mainly measure the application of technology in the rural highway etc..

GPS动态测量实用技术初探 篇12

差分G PS定位技术的出现和发展, 使G PS的SA政策影响、电离层效应、对流层效应等公共误差, 被不同程度的抵消, 定位精度大幅度提高, 从百米级提高到米级, 从而大大推动了G PS动态定位的应用。上世纪90年代, 交通部在我国沿海地区建立了无线电指向标/差分全球定位系统, 简称R B N/DG PS。为该地区提供差分G PS24小时服务。这是一组以原有的无线电指向标为基础, 同时发布差分G PS信号的服务系统。它以数据传输率200bps发送差分G PS改正数, 可使用户在300km海域内接收差分信号, 得到5～10m的定位精度。这无疑对我国船舶导航、海洋渔业、海洋测绘、海上石油开发及海上定位等工程起着重要作用。

本文将论述高精度动态定位中的若干实用技术问题。

1 关于定位精度讨论

影响差分G PS动态定位精度最严重的两个问题是电文发送速率和电离层效应。

1.1 电文发送速率

差分G PS信号中, T y pe1是差分G PS基准站发送的主要电文, 内容是一帧差分G PS改正数, 它包括观测到的全部卫星的伪距改正数及其变化率。除此之外还有T y pe9电文。T y pe9与T y pe1的格式和作用完全相同, 所不同的是它只包括部分卫星, 一般只包括3颗卫星的改正数。这样, T y pe9电文长度比T y pe1短, 适用于低波特率远距离传送的差分站, 例如我国建立的R B N/DG PS站就发送T y pe9电文。而绝大多数高波特率的差分站发送T y pe1。

在基准站所观测到的卫星数目不同, 所使用的发送波特率不同, 则传送数据所需要的时间也不同。T y pe9所用的时间要比T y pe1短些。

在高精度动态定位中, 用户接收机处于运动状态, 为保证动态测量的实时性, 要求在尽可能短的时间内传递给用户。例如, 要保证动态精度为1.5m, 则必须要求在0.5s之内传完改正数, 最低波特率要求到1200bps才可以。若采用200bps传送数据, 需要3～4s传完一组数据, 如果最低船速为10kn (5m/s) , 从传送数据开始到一组数据结束, 船已经运动了15～20m。在计算位置时, 所应用的差分改正数是前5s发送的伪距改正数和伪距变化率推算的, 这将引起较大的动态定位误差。由此看出, 要保证高精度动态定位, 必须采用尽可能高的波特率。而相位差分则采用了9600bps的波特率, 否则很难达到高精度实时动态定位。

1.2 电离层效应

现在所建立的差分G PS基准站采用的是单频C/A码G PS接收机, 靠基准站与用户接收机之间的相关性来减弱电离层效应。它限制了差分G P S作用距离和定位精度。这是由于离基准站距离越远, 电离层效应的相关性变弱, 利用差分技术就难以全部消除掉的缘故。

当用户离基准站的距离增加时, 特别是电离层效应引起的误差将急骤增大, 大大限制了定位精度。在G PS广播星历中, 使用了由B ent提出的8个系数的电离层模型。这是一种电子浓度经验的简化形式, 它利用几种平均太阳波动情况下的值, 每十天修正一次广播系数。由于每天的电子浓度偏离的月平均值变化较大, 所以这种模型只能消除总时延的50﹪。为进一步消除电离层效应, 要求出入日期、时间、发射和接收位置、卫星仰角和高度的变化率、频率、太阳波动和太阳黑子数, 才能计算出发射机上空的垂直电子含量、垂直电子密度随高度的分布以及沿卫星和地面之间路径的电子浓度。即使这样复杂的计算, 也只能在中纬度地区预测出电离层效应延迟为75﹪～80﹪的精度。这就是说, 在DG PS中, 用户离基准站越远, 定位误差越大, 所以在厂商的广告中都注明, 同一仪器在不同的距离下, 定位精度不同, 最大可以相差5倍。要彻底消除电离层影响, 只能应用双频接收机。

综上所述, 要实现高精度动态定位, 例如优于1米, 必须应用高波特率的数据链并限定在30～40km范围内, 否则很难达到高精度的实时定位。我国建立的R B N/DG PS系统明确规定:“用户所选用的DG PS技术指标和用户与基准站距离的相关性直接影响定位精度。通常情况下, 在距离基准站300km的海域以内, 米级导航型接收机的定位误差优于10km (2dms) , 亚米级接收机定位误差优于5km (2dms) ”。

2 相位差分测量

伪距差分是差分G PS定位技术中应用最广的方法。为提高伪距差分改正数的精度大多采用相位平滑技术, 使定位精度达到1.5米。伪距差分定位精度之所以不能再提高, 主要是由伪距测量技术所决定的。伪距测量技术是测量卫星信号发射时刻到用户接收时刻之间的时间差, 并乘以光速加以确定。因为卫星钟和用户钟之间存在偏差, 所以称为伪距。根据伪距的定义可知, 如果要得到30米误差的伪距, 时间测量精度要达到100ns。

载波相位测量是钟变化率离散的积分量。由于卫星钟变化率和用户钟变化率不同, 同时用户接收到的频率存在着多普勒频移, 所以接收到的钟变化率和用户钟变化率也不同。此变化率的整数是两个钟整周模糊度的差值, 相当于待定的积分常数。多普勒频率与卫星到用户之间相对径向速度成正比, 此速度大大低于光速。这说明在测量时对时间测量要求达到的精度大大降低。例如, 卫星多普勒频率变化率最大为5000H z, 时间测量精度同样为100ns, 引起的测量误差仅为0.0005周。对L 1而言, 距离误差仅为0.1mm。一般伪距测量时间精度为1μs, 对载波相位测量引入的误差只有1mm。

由于载波相位测量的特点, 其在高精度动态定位中被广泛使用。

载波相位差分又分为相位差分和准相位差分。前者与静态测量相同, 它实时将一个站的载波相位传送给另一站, 共同求解出基线分量。这其中存在着实时求解相位模糊度的关键问题, 但这种差分技术定位精度能达到厘米级。后者是由基准站发送伪距和相位改正数, 使用户和利用相位改正数进行点位计算, 这种方法可达到分米级。下面是两者的特点。

(1) 相位差分发送的是整个相位原始观测量, 其相位值范围为±8388608, 而准相位差分发送的是相位改变数, 其值范围为±32768。两者相比, 数据的动态范围前者较后者大三个数量级以上。无疑, 这样高的动态范围对设备提出了非常高的要求。

(2) 相位改变数的数据长度较短。这一优点导致改正数变化率非常缓慢, 由于延迟引起的改变数误差也就不大, 对基准站和用户接收机的时间同步要求也不高, 不要求计算改正数的时间与利用改正数的时间严格一致。同时, 由于时间测量不要求一致, 对数据的延迟和数据链可靠性的要求也可以放松。因为数据变化率缓慢, 允许用户在失效前应用这些数据。

(3) 可以用于发送速率较低的情况, 例如1200bps, 因改变数动态范围小, 低发送率并不影响定位精度。要保证50cm定位精度, 可以向前一分钟预推算出改正数及其变化率, 并每分钟发送一次改正数及其变化率的新值。但SA政策会严重降低向前预推的精度, 而相位差分发送速率最小为9600 bps。

(4) 相位差分要求用户应用基准站相位原始观测值及精度位置, 这样才能计算出用户的精确位置, 因此要求计算机速度快、容量大。而相位改正数不要求计算卫星到用户的距离, 只要求计算由大气折射差值引起的基准站位置变化, 而电离层和对流层效应的影响已经包括在发送电文中, 大大减少了数据处理的时间和复杂性。

(5) 相位改变数要求用户站与基准站具有整体性和一致性, 即基准站上的全部计算机必须与用户站上的计算完全兼容。例如, 基准站计算出卫星到该站的精确距离, 用户站也要同样的计算。当干扰进入计算机网络时, 故障分析、故障发生地点的判断都将十分困难。

综上所述, 发送相位改正数的准载波相位差分G PS具有伪距差分的可靠性和相位差分相接近的精度, 是一种实用的高精度动态定位技术。SY-118型G PS测量仪采用了准载波相位差分技术, 使动态测量精度从1.5m提高到0.5m左右, 为水运工程测量中的静态定位提供良好的服务。

参考文献

[1]王广运, 郭秉义, 李洪涛.差分G PS定位技术与应用.电子工业出版社.1996.

[2]王广运, 李洪涛.准载波相位差分G PS测量.青岛:中国电子协会导航学会论文集.1997.

[3]RTCM Recommended Standards for Differential NAVSTAR G PS Service, Ver2.1Jan.1994.

[4]中华人民共和国交通部.交安监发〈1997〉413号.关于沿海5个无线电指向标/差分全球定位系统台站开放使用的通告.1997.

[5]宋如轼.SY-118型工程测量全功能G PS卫星定位系统通过部级鉴定.港工技术.No.4, 1995.