全球卫星定位系统(GPS)是NAVSTARGPS

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2024年3月26日发(作者：)

GPS在隧道控制测量中的应用 1 第一章 绪论 §1.1 概述 全球卫星定位系统GPS是

NAVSTAR/GPS ——Navigation System Timing and Ranging/Global Positioning

System-NAVSTAR/GPS授时与测距系统/全球定位系统的简称。它是美国军方为克服

其海军导航系统NNSS-Navy NavigationSatellite System的定位精度低、观测时间长、

不能实时定位等缺点而于1973年开始研制的新一代卫星导航系统。全球定位系统

GPS不仅具有全球性、全天候、连续的三维测速、导航及高精度定位与授时能力等

优点而且具有良好的抗干扰性和保密性被视为是继阿波罗登月计划和航天飞机计划

之后的又一重大科技成就。 GPS导航定位技术以其高精度、全天候、高效率、多功

能、操作简便等特点已广泛应用于测绘、交通、水利、气象等各行各业特别是近几

年随着电子通讯技术、计算机技术以及计算技术等相关技术的进一步发展GPS技术

在其精度、系统软、硬件等方面都获得了长足发展。GPS导航定位技术包含两方面

的内涵即GPS静态定位技术与GPS动态定位技术。GPS静态定位技术广泛应用于测

绘领域各种控制网的建立包括从全球到某个国家大区域控制网的建立与各种小范围

工程控制网的建立如国家等级的A、B等级网的建立区域范围的地壳变形监测网的建

立道路、桥梁工程控制网的建立等等。GPS动态定位技术广泛应用于车船的导航、

交通管理等领域。近年发展起来的高精度动态定位技术RTK在地形测图、施工放样

等方面也发挥了重要作用。 随着高精度GPS定位技术的发展利用GPS进行工程测量

显示出越来越多的优点主要表现在: 1、定位精度高 实践证明GPS相对定位精度在

5Okm以内可达610 100-5OOkm可达7101000km可达910。在小范围的精密工程定位

中1小时以上的定位精度其平面位置误差小于1mm与高精度ME-5000电磁波测距仪

测定得边长比较其边长较差最大为O.5mm校差中误差为0.3mm。 2、观测时间短 随

着GPS系统的不断完善软件的不断更新定位速度有很大提高对于中长基线其相对静

态定位仅需15-20分钟快速静态相对定位时间只需1-2分钟。 3、测站间无须通视 GPS

测量只需对天开阔不要求测站之间互相通视可节省大量造标费用。由于无需点间通

视点位位置布设较为灵活根据需要可稀可密。 4、可提供三维坐标 常规测量将平面

与高程分开采用不同方法分别施测。GPS可同时精确测定测站点的三维坐标。 5、

操作简便自动化程度高 随着GPS接收机不断改进自动化程度越来越高接收机的体

积越来越小重量越来越轻极大地减轻了测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。 6、

全天候 GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨

下雪等GPS在隧道控制测量中的应用 2 气候的影响。 总之自从GPS作为一种测量

的新技术进入测量生产领域以来无论是点位的精度作业的效率还是成果的可靠性都

比传统技术有了长足的进步。应用GPS技术建立平面控制网是十分理想的方法也是

许多测量工作者正在努力研究的方向。 §1.2 GPS的应用概况 1.2.1 GPS在道路工程

中的应用 随着我国经济的迅速发展对基础建设的投入也越来越大交通作为基础建

设中的重要行业之一更是日新月异。越来越多的高等级的公路、大型桥梁、隧道正

在加紧建设。随着公路等级的提高与特大型桥梁的建设对道路、桥梁、隧道的勘测、

设计、施工、管理也提出了越来越高的要求。道路、桥梁、隧道的勘测、施工测量

作为工程测量的一个重要分支其技术方法也随着测绘技术的发展得到迅速发展各种

现代测绘新技术正在这些领域发挥越来越大的作用。最典型的当属GPS技术在交通

领域所发挥的重要作用。GPS在道路工程中的应用目前主要是用于建立各种道路工

程控制网及测定航测外业控制点等。随着高等级公路的迅速发展对勘测技术提出了

更高的要求由于线路长已知点少因此用常规测量手段不仅布网困难而且难以满足高

精度的要求。目前国内己普遍采用GPS技术建立线路各等级控制网。实践证明在几

十公里范围内的点位误差只有2cm左右达到了常规方法难以实现的精度同时也大大

提前了工期。采用GPS快速静态定位功能、RTK技术施测线路的初测、定测不但精

度高、速度快而且可靠性高。 1.2.2 GPS的其他应用 GPS除了用于导航、定位、测

量外由于GPS系统的空间卫星上载有的精确时钟可以发布时间和频率信息因此以空

间卫星上的精确时钟为基础在地面监测站的监控下传送精确时间和频率是GPS的另

一重要应用应用该功能可进行精确时间或频率控制可为许多工程实验服务。此外据

国外资料显示还可利用GPS获得气象数据为某些试验和工程应用。GPS技术在隧道

测量中具有广泛的应用前景GPS测量无需通视减少了常规方法的中间环节因此速度

快、精度高具有明显的经济和社会效益。 §1.3 本文研究的主要内容 长期以来利用

常规的测量方法布设高精度的隧道测量控制网主要依赖于高精度的测距仪和经纬

仪。由于地形复杂、区域广以及其它一些原因这给常规测量带来了一定的困难。常

规的边、角控制网测量要求各控制点间必须通视给网形的布设带来了很大的限制而

且工作量大受气候条件影响显著作业时间长。随着GPS技术的迅速发展GPS技术的

应用已渗透到军事、交通、测绘、水利等各行各业。GPS涉及的面很广值得研究的

问题也很多特别必须针对生产中的一些实际问题研究GPS技术应用的实施方法达到

实际的需要。主要内容如下: 1、讨论GPS定位系统及其特点和应用概况。 2、介绍

了GPS的定位原理及定位模式、分析总结了GPS定位的误差来源与影响及相应的削

弱措施。 3、对隧道的控制测量进行深入的研究分析隧道控制网的特点建网的方法

及网型设计并根据GPS控制网的建网和施测过程对GPS网的精度要求进行了研究。

4、结合改建铁路南疆吐库二线SK1标段中天山隧道工程实例对GPS在隧道控制网布

设中的应用进行了研究。 GPS在隧道控制测量中的应用 3 第二章 GPS定位基本原

理及误差来源 §2.1 GPS定位的基本原理 2. 1. 1 GPS系统简介 1973年12月美国国防

部批准陆海空三军联合研制一种新的军用卫星导航系统——navigation by satellite

timing and ranging NAVSTAR global positioning systemGPS称之为GPS卫星全球定位

系统简称为GPS系统。它是美国国防部的第二代卫星导航系统。它是一种基于空间

卫星的无线导航与定位系统可以向数目不限的全球用户连续地提供高精度的全天候

三维坐标、三维速度及时间信息具有实时性导航、定位和授时功能。 自1974年以来

GPS系统的建立经历了方案论证、系统研制和生产试验等三个阶段。1978年2月22

日第一颗GPS试验卫星的入轨运行开创了以导航卫星为动态己知点的无线电导航定

位的新时代标志着工程研制阶段的开始。1989年2月14日第一颗GPS工作卫星发射成

功宣告GPS系统进入了生产作业阶段1994年3月建成了信号覆盖率达到98的GPS工

作星座全部完成24颗工作卫星含3颗备用卫星的发射工作正式宣布了GPS整个系统

已经正式建成并投入使用。 GPS系统由三大部分构成:GPS卫星星座空间部分地面监

控系统控制部分和GPS信号接收机用户部分。 GPS空间卫星星座由21颗工作卫星和

3颗随时可以启用的备用卫星组成。24颗卫星均匀分布在6个轨道面内每个轨道面均

匀分布有4颗卫星。卫星轨道平面相对地球赤道面的倾角均为550各轨道平面升交点

的赤道相差600在相邻轨道上卫星的升交距角相差300。轨道平均高度约为20200公里

卫星运行周期为11小时58分。GPS工作卫星的空间分布保障了在地球上任何时刻、

任何地点均至少可以同时观测到4颗卫星。地面观测者见到地平面上卫星颗数随时间

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