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第一章GPS的概述
全球卫星定位系统GPS是美军70年代初在“子午仪卫星导航定位”技术上发展而起的具有全球性、全能性（陆地、海洋、航空与航天）、全天候性优势的导航定位、定时、测速系统。
GPS是英文NavigationSatelliteTimingandRangingGolbalPositioningSystem的字头缩写词NAVSTARGPS的简称。
其含义是利用导航卫星进行测时、测距,以构成全球定位系统,通常称为“全球定位系统”。
整个系统包括三大部分:
空间部分、地面监控部分、用户部分。
第一节GPS的简介
1.1空间部分
GPS空间部分由运行在6条地球轨道上的24颗均匀分布的工作卫星组成,相邻轨道面夹角为60°,对赤道的倾角为55°,每个轨道面上布设三颗间隔均为120°的工作卫星,轨道高度约为2万km。
这种布置能使地球上任何地方、任何时刻至少能够观测到4颗卫星。
这些GPS卫星一边飞行,一边向地球发射信号。
GPS卫星具有以下几点功能:
①接收和储存由地面监控站发来的导航信息,接收并执行监控站的指令。
②卫星上有微处理机,进行必要的数据处理。
③通过高精度铯原子钟,提供精密的时间标准。
④向用户发送导航与定位电文。
⑤按监控指令,对卫星的姿态进行调整,关闭工作卫星或启用备用卫星。
1.2地面监控部分
地面监控系统由均匀分布在美国本土和三大洋的美军基地上的5个监测站、一个主控站和三个注入站构成。
该系统的功能是：
对空间卫星系统进行监测、控制，并向每颗卫星注入更新的导航电文。
地面监控系统各站的主要任务是：
①监测站:
目前地面上有5个监测站,每个监测站备有双频GPS接收机、高精度原子钟、气象设备、计算机、数据传输设备等。
其主要任务是对每颗卫星进行观测,并向主控站提供观测数据。
用GPS接收系统测量每颗卫星的伪距和距离差，采集气象数据，并将观测数据传送给主控点。
5个监控站均为无人守值的数据采集中心。
②主控站:
主要任务是根据监测站的观测资料,推算编制各卫星的星历、卫星钟差、大气修正值,并把数据传入注入站;提供全系统时间基准,将各监测站和卫星上的原子钟与主控站原子钟同步,并测出钟差,将钟差编成电文送到注入站;调整偏轨卫星,恢复正常运行,启用备用卫星代替失效的工作卫星工作。
主控站接收各监测站的GPS卫星观测数据、卫星工作状态数据、各监测站和注入站自身的工作状态数据。
根据上述各类数据，完成以下几项工作：
1.及时编算每颗卫星的导航电文并传送给注入站。
2.控制和协调监测站间、注入站间的工作，检验注入卫星的导航电文是否正确以及卫星是否将导航电文发给了GPS用户系统。
3.诊断卫星工作状态，改变偏离轨道的卫星位置及姿态，调整备用卫星取代失效卫星。
③注入站:
将主控站传送来的数据和命令通过发射装置发送到GPS工作卫星上,以使工作卫星按更新的数据和指令工作。
接受主控站送达的各卫星导航电文并将之注入飞越其上空的每颗卫星。
1.3用户部分
用户部分（即GPS接收机）是用来接收GPS卫星数据的。
它包括天线、接收机、控制显示装置、电源及数据处理软件。
由于用途和定位精度要求不同,可以组成一个整体,也可以分散联接使用。
GPS接收机按用途不同可分为导航型、大地型、守时型三大类。
按应用场合不同,又可分为袖珍式、背负式、车载式、机载式、弹载式、船用式和星载式七种。
其发展趋势为智能化、重量轻、体积小、能耗低。
第二节GPS的特点、原理及方法
2.1GPS的特点
①定位精度高。
我国应用实践表明,在50km以内,相对定位精度可达10-6,100～500km可达10-7,1000km及以上可达10-9。
②观测时间短。
随着GPS系统的不断完善,软件的不断更新,目前20km以内相对静态定位仅需15～20min;快速静态相对定位测量,每个流动站上观测时间仅需1～2min;动态相对定位测量,流动站出发时观测1～2min,然后可随时定位,每站仅需几秒钟。
③测站间无需通视。
GPS测量不要求测站间通视,只需测站上空开阔即可。
这一点是常规测量根本无法比拟的。
由于观测点间无需通视,点位位置根据需要可稀可密,使选点工作更为灵活,同时也省去常规测量传算点、过渡点的测量工作,节省大量经费。
④可提供三维坐标。
GPS可同时精确测定测站点的三维坐标,目前GPS水准可以达到四等水准测量的精度。
⑤操作简便,全天候作业。
随着GPS接收机不断改进,智能化、体积小、重量轻、耗能低的接收机极大地减轻了测量工作者的劳动强度。
由于GPS观测在一天24h内任何时间都可以进行,使野外工作变得轻松愉快。
⑥功能多、应用广。
GPS系统不仅可以用于测量、导航,还可以测速、测时,所以在测绘、城市管理、航空航天、授时、物探、姿态测量、地球动力学、气象、农林业以及人们日常生活等诸多领域中均有广泛的应用,从而提高工作效率,减少不必要的消耗。
2.2GPS定位的基本方法
GPS定位技术是正在发展中的高新技术，数据处理技术也处在不断更新之中，各系列GPS接收机制造厂家研制的处理软件也各具特色。
GPS定位采用空间被动式测量原理，即在测站上安置GPS用户接收系统，以各种可能的方式接收GPS卫星系统发送的各类信号，由计算机求解站星关系和测站的三维坐标。
由对GPS信号观测量的不同，GPS定位的基本方法有以下几种形式：
①伪距测量
②载波相位测量
③多普勒测量
④卫星射电干涉测量
为了精密定位，一台GPS接收机往往不是单纯采用一种测量方式，而是以某种方式为主，并辅以其他方法。
2.3GPS定位原理
GPS定位属于无线电定位范畴，最基本的方法有距离定位法和双曲线定位法两种。
①距离定位法
如Si,S2,Ss为已知位置的三颗卫星，P为GPS接收机天线所在位置（即欲求位置点）。
P点到S1,S2,S3的距离利用电磁波传播理论计算后，尸点的位置按公式即可求出。
也就是说，分别以S1,S2,S3为圆心，以距离PS1,PS2,PS，分别做为半径，画出三个圆，其交点处即GPS接收机天线的位置。
它具经度、纬度、高程和时间的四维特性。
②双曲线定位法
如S1,S2,S3和Sa表示已知位置的四颗GPS工作卫星，P为接收机天线位置，即待求点位置。
如果已测量出尸点到两个已知卫星间的距离D，则可以S1和S2为焦点，以D为焦距绘出三组曲面，三个不同的曲面交会于一个点，即尸点的位置。
这种方式需要三个距离差值，至少需要观测四颗以上的GPS工作卫星，才能完成定位工作。
第二章GPS应用于公路的内容
第一节公路工程测量
1.1公路勘测
近年来，随着GPS技术在高等级公路路线勘测及大型构造物勘测中的应用，人们发现，如何在公路所在的狭窄的带状地形中布设控制网及作业设计是应用好GPS技术的关键。
目前，公路路线GPS网的施测方案基本有两个:
①所有路线控制点全部采用GPS施测，即常规测量中的起点、终点、高点、转点均设为GPS点。
②设路线前进方向每隔5`～10km布设一对GPS点（一对点包括一个控制点，一个方向点），作为路线的基本控制，在此基础上，中间点再进行全站仪测距导线加密。
方案一具有明显的速度快、质量高、成本低的特点，但其设备要求较高，GPS接收机需具备建立在整周米知数快速逼近技术上快速静态测量技术。
所以，方案二是现阶段广泛应用的方案。
由于GPS测量具有三维信息，因此在放样中线平面位置的同时，也测定到其高程，并且根据计算机显示横断面的方向，也能进行横断面测量。
总之，在公路的测量中应用GPS，可极大地减少外业人员，减轻外业劳动强度，并且具有速度快、精度高的优点。
1.2公路施工
在公路施工测量中，GPS可用于恢复中线以及一些主要桩位。
在施工过程中一些桩位如高程桩、转点桩、中线桩等经常遭到破坏，为保证施工质量需随时恢复这些点位，依靠常规方法费时、费力，而用GPS则能很快地完成此项工作。
此外GPS还可以用于边桩放样。
1.3公路竣工验收
在竣工测量时，GPS可以测定路线的平纵曲线，看其是否可满足设计要求。
由于其有厘米级的精度和动态连续采样的功能，因此可以获得精确的道路坐标坡度，平曲线、竖曲线的各种参数，从而检验道路施工质量问题。
1.4公路以及沿线设施的日常管理和远期改造
对已建成的公路通过建立GPS网，可以对道路沿线交通设施的现状进行调查，达到维护更新的目的，进而影响公路沿线的经济发展。
对于道路的远期改造，通过GPS网应用现有路线各种线形指标数据，在丝毫不影响道路通行的前提下，即可完成测量和施工放样任务。
就目前来说，在公路勘测中，用GPS高程替代水准测量尚存在一定问题。
GPS高程即使经过各种改正（重力改正、拟合改正、地形改正），尚存有一定的精度差。
但在平原局部GPS网中，通过合理存设GPS网点点数足够，并与已知三等水准点联测，应用高级软件改正观测值，GPS高程测量是可以达到四等水准测量的。
相信随着时代的推进，我们一定能够克服这些困难的，会创造出更加辉煌的中国乃至新的世界的。
第二节公路控制网
2.1概述
随着科学技术的迅猛发展,知识更新、设备更新的速度更加快捷,公路勘测设计的手段、设备也在不断地更新换代。
GPS系统的产生,更使测设技术产生了一个飞跃。
在高等级公路的勘测设计过程中,勘测阶段首先要建立控制网,以往在没有GPS的情况下要做到这一步相当困难,不仅缺乏测绘专业人员、测绘设备,而且工作周期又长。
在引进和应用GPS之后,彻底改变了这种状况,自建公路控制网的希望成为现实。
公路GPS网的建立,不仅可以改善勘测设计、施工放样的方法,提高精度,也使新的设计及施工手段的应用成为可能,使公路建设的发展更加充满活力
2.2公路控制网的建立
按GPS勘测规程要求,每0.5～1km间设一控制点,其等级依公路等级而定。
根据规范,（以高速公路为例），高速路要求的控制等级为一级小三角或一级导线（5″）。
因此,做首级控制时必须使首级控制点交于这一等级,而首级控制必须做到四等以上。
为此,在搜集资料时必须把测区内的国家三、四等控制点资料搜集齐全。
同时,在布设首级控制网时应在5～10km内布设一首级控制点,以便发展加密控制。
在确立布网等级和方案后,可按以下步骤建立公路控制网：
1选点。
以选线及控制人员为主,选择便于工作及以后应用的点位。
2埋石。
按勘测规范要求,埋选标石,并现场做好点记。
3实测。
根据所使用的仪器标称精度和规范的相关要求进行实测。
④进行平差及精度评定。
根据实测结果进行平差计算,并进行精度评级。
精度满足所需等级要求即告完成。
2.3注意事项
在GPS控制网的应用过程中应注意以下几点:
①掌握规范标准;
②鉴定检测仪器是否合格;
③尽量避免在接收条件不良的情况下观测;
④在进行数据处理时,要尽量剔除不良观测时段的成果;
⑤注意坐标系的选择,不要弄错坐标系;
⑥在带的选择方面,要注意三角带、6度带、任意带的区分;
⑦注意高层面的选择;
⑧选择的各种参数要适当对应。
2.4 GPS控制网建立的优点
建立公路GPS控制网后,其主要用途可体现在以下几个方面:
①公路航测成图时要有相应的控制依据,可用GPS控制网控制航向和摄域宽度。
②在用其他方法成图时,GPS控制网可作为首级控制和图根控制来应用。
③在公路勘测阶段,可以GPS控制网为基础进行放线及构造物的施放,可大大提高测设精度及原始数据的提取精度。
④在施工阶段,根据设计要求可以GPS控制网进行实地放线及构造物的放样。
⑤在改造公路时,利用GPS控制网可以对公路进行有效的改造。
第三节公路测量
3.1概述
管好、养好公路是公路管理部门的主要职责,而公路管理的最基础工作是掌握现有公路的走向、所辖构造物（如桥梁、隧道、渡口等）及沿线管养单位（如道班、工区、收费站等）的位置等地理信息。
如果采用常规测量方法对所有公路属性进行大规模测量,虽然可以达到目的,但是这项工作不但费时、费力、而且还需要很大的费用,特别是我国现有公路已达126万km,可见其工作量与难度之大,所以一直没有大的突破。
与其它测量方法相比,采用GPS测量具有速度快,费用低等优点,而且其精度也完全可以满足公路管理的需要。
3.2GPS测量原理
GPS是全球卫星定位系统的简称,其原理是通过24颗环球通讯卫星的辐射范围覆盖整个地球表面,GPS测量仪利用卫星接收天线接收卫星信号,确定其所在位置的准确坐标,达到定位的目的。
GPS测量以一台接收机作为基准站，在某个测站上连续开机观测，其余的接收机在此基准站观测期间，在其周围流动，每到一点就进行观测，流动的接收机之间一般不要求同步，这样，流动的接收机每观测一个时段，就与基准站间测得一条同步观测基线，所有这样测得的同步基线就形成了一个以基准站为中心得星形。
3.3公路的GPS测量
3.3.1外业测量
基于仪器的限制我们选用SOKIA仪器进行测量。
并且基于安全的问题我们不可能在大马路甚至高速公路上去实地勘测，我们选取了类似性质的友谊广场作为测量的对象，因而效果有点欠缺，在此希望各位老师能够谅解。
在对公路进行实地测量时,将一台固定地作为基准站,另外一台背在身上进行测量。
只要在保证基准站不被其他的外来力量的侵害下，GPS可以一人独自测量。
但是我们还是在同学间互相帮助下完成了测量。
在测量过程中,GPS测量仪的操作员应随时观察卫星的接收情况,在受高大树木、天气、地形以及建筑物影响时,应采取措施,确保测量精度。
并应与基准站之间随时保持联系,以保证两个站之间的记录具有同步性。
为保证测量文件的正确以及防止数据丢失,应该把每天的测量数据导入电脑利用晚上时间进行初步检查,检查无误后备份,否则需要重测或者采取其它相应的措施进行修复。
3.3.2内业处理
首先，建立坐标系统。
在功能的菜单下选择CoordinateSystemManager.然后，在打开的窗口下，大地水准面模型选择EGM96（Global）:
椭球选择Krassovsky1940椭球；坐标转换选择Peking1954（shanghai）;坐标系统新建一个Peking1954（shanghai）系统，然后选择横轴墨卡托投影。
最后保存所建系统。
其次，导入RENIX数据。
在文件中选择新建项目，输入名称。
选择95%的置信区间。
选择TrimbleDefault活跃形式。
这样项目就建好了。
开始导入数据了。
将转换好Renix格式的数据依次导入。
再次，就是开始处理了。
第一步，打开测量下GPS处理形式的编辑栏，而后选择高级，按照指标调整参数。
第二步，选择所有基线，进行总体基线处理。
查看是否是固定解（即整周模糊度确定），参考变量是否超限。
对不符要求的，查看报告，检查问题所在，主要关注卫星跟踪总结，残差图（检查是否连续，是否有周跳，是否超限）。
第三步，点激Timeline,时间线查看域，将部分卫星不连续的时间段或是周跳很严重的时间段禁止掉。
有时可以将整颗卫星全部禁止。
第四步，处理完时间域后，再次进行基线处理。
你将会发现基线慢慢符合要求，如此重复直到符合条件为止。
第四，检查GPS网中各个观测值的质量或错误。
在报告栏中设置一下所需报告的章节。
然后进行GPS环闭合差，如果发现有失败的闭合环，那么根据报告，对不良基线再行处理或舍去。
直到没有失败的环为止。
第五，进行网平差（分：
约束平差和无约束平差）。
一．平差的目的是
1.估计和删除随机误差；
2.有多余数据时提供一个单一解算；
3.对观测值改正的最小化
4.生成分析信息，包括精度估计。
二，无约束平差。
1.基准选择为WGS84坐标系统；
2.平差形式，选择95%的置信区间，在编辑栏内调整对应的参数。
3.加权策略，选择自动。
开始平差，然后查看并且保存报告。
如果没有通过，则再次对基线进行处理，直到平差通过为止。
三，约束平差。
1.基准选择北京54投影基准；
2.平差形式，选择95%的置信区间，在编辑栏内调整对应的参数。
3.观测值的选择。
在平差栏内选择观测值，而后在水准面下选择装载。
确认退出。
4.点的输入。
在平差栏内选择点，然后输入点的坐标。
并将其已知点固定。
确认退出。
5.加权策略。
在平差栏内选择加权策略，先选择自动，进行平差，然后选择计算出的纯量进行平差。
最后将报告保存。
3.3.3处理总结报告
环闭合差报告
项目:
吴兴礼
用户名称
peter
日期和时间
10:
08:
162004-5-16
坐标系统
bj54
区域
bj54
项目基准
Peking1954（Shanghai）
垂直基准
大地水准面模型
EGM96（Global）
坐标单位
米
距离单位
米
高程单位
米
闭合环节点:
3
闭合环数目:
30
通过的数目:
30
失败的数目:
0
长度
水平
垂直
PPM
通过/失败指标
.030m
.050m
最佳
.001m
.000m
1.229
最差
.025m
-.024m
34.069
平均闭合环
1013.625m
.009m
-.002m
12.737
标准偏差
187.675m
.008m
.009m
7.939
网平差报告
坐标系统改变后的网平差报告
项目:
吴兴礼
平差样式设置-95%
ConfidenceLimits
统计总结
在1迭代段的平差成功
网参考因子
1.11
x方检测（=95%）
通过
自由度
39.00
GPS观测值统计
参考因子
1.11
冗余数（r）
39.00
平差坐标执行平差在...WGS1984
点数目
7
约束点数目
0
平差后的观测值
在...中执行平差WGS1984
GPS观测值
观测值数目
19
超限的数目
0
加权策略
GPS观测值
交替的纯量应用到所有的观测值
纯量
11.78
项目:
吴兴礼
平差样式设置-95%
ConfidenceLimits
统计总结
在1迭代段的平差成功
网参考因子
1.07
x方检测（=95%）
通过
自由度
40.00
GPS观测值统计
参考因子
1.08
冗余数（r）
39.03
大地水准面模型统计
参考因子
.19
冗余数（r）
.97
执行平差在...Peking1954（Shanghai）
点数目
7
约束点数目
2
只有水平的和高程
2
水准面观测值
观测值数目
7
超限的数目
0
平差后的观测值
在...中执行平差Peking1954（Shanghai）
GPS观测值
GPS转换组:
方位旋转
0°00'17.1518"
1.96
0°00'19.2351"
网尺度
1.00037403
1.96
.00009101
观测值数目
19
超限的数目
0
3.4RTK放样、定位
3.4.1原理
实时动态（RTK）定位技术是以载波相位观测值为根据的实时差分GPS技术，它是GPS测量技术发展的一个新突破，在公路工程中有广阔的应用前景。
实时动态定位（RTK）系统由基准站和流动站组成，建立无线数据通讯是实时动态测量的保证，其原理是取点位精度较高的首级控制点作为基准点，安置一台接收机作为参考站，对卫星进行连续观测，流动站上的接收机在接收卫星信号的同时，通过无线电传输设备接收基准站上的观测数据，随机计算机根据相对定位的原理实时计算显示出流动站的三维坐标和测量精度。
这样用户就可以实时监测待测点的数据观测质量和基线解算结果的收敛情况，根据待测点的精度指标，确定观测时间，从而减少冗余观测，提高工作效率。
3.4.2外业处理
由于仪器的限制和思考的不周全此部分没有做（仪器没有回来），故只有借助以前的友谊广场测区实习数据进行模拟处理。
1.架好基准站，相关线路连接好。
2.手簿设置：
1.进入文件菜单新建一项工程
2.配置菜单中定义好坐标基准和投影基准在测量菜单中选择RTK测量模式，在菜单中选择测量对象的属性并介入相关参数，等待测量模式。
3.开始观测：
在所需观测的点位上放置一个接收机，等待卫星（5颗以上符合条件），只要RTK值为固定时便可测量。
要是浮动解时则需等待，直到固定为止。
如此重复的测量。
4.设计放样点，放样。
5.绘制地图。
3.4.3内业处理
1.用软件TGO将电子手簿数据传输到电脑
2.重新建立项目
3.导入数据
4.根据实测的点，绘制平面地形图，
5.绘制高程地形图并生成合成图
6.图形输出以及点重新计算报告，放样点报告输出
3.4.4结果输出：
将TCS1数据导入计算机，使用TGO进行编辑、处理，可以得到地形图、等高线图极其叠加图以及点推算报告、点坐标报告和放样点报告。
所有已放样点-作为放样（项目：
吴兴礼）
用户名称
peter
日期和时间
10:
21:
142004-6-2
坐标系统
来自数据采集器的投影
区域
来自数据采集器的投影带
项目基准
（WGS84）
垂直基准
大地水准面模型
没有选择
坐标单位
米
距离单位
米
高程单位
米
放样数据：
设计
设计
变化量
变化量
挖/填土
名称
代码
北坐标
东坐标
北
东
A15
公路
47047475.892m
54770945.253
-.042
.061
?
A16
公路
47047647.863m
54770658.224
.038
-.062
?
A17
公路
47047697.289m
54770366.011
-.028
-.030
?
A18
公路
47047595.167m
54770707.160
-.087
-.026
?
A19
公路
47047595.167m
54770707.160
.019
-.081
?
A20
公路
47047595.167m
54770707.160
.037
.057
?
A21
公路
47047546.606m
54770155.877
.030
-.047
?
A22
公路
47047647.863m
54770658.224
-.028
.117
?
A23
公路
47047355.766m
54770872.697
-.044
-.032
?
A24
公路
47047355.766m
54770872.697
升级会员 