GIS技術(shù)的簡(jiǎn)介.doc

GIS技術(shù)的簡(jiǎn)介GPS又稱為全球定位系統(tǒng)（Global Positioning SystemGPS）是美國(guó)從上世紀(jì)70年代開始研制歷時(shí)20年耗資200億美元于1994年3月完成其整體部署實(shí)現(xiàn)其全天候、高精度和全球的覆蓋能力現(xiàn)在GPS于現(xiàn)代通信技術(shù)相結(jié)合使得測(cè)定地球表面三維坐標(biāo)的方法叢靜態(tài)發(fā)展到動(dòng)態(tài)叢數(shù)據(jù)后處理發(fā)展到實(shí)時(shí)的定位與導(dǎo)航極大地?cái)U(kuò)展了它地應(yīng)用廣度和深度。載波相位差分法GPS技術(shù)可以極大提高相對(duì)定位精度。在小范圍內(nèi)可以達(dá)到厘米級(jí)精度。此外由于GPS測(cè)量技術(shù)對(duì)測(cè)點(diǎn)間地通視和幾何圖形等方面地要求比常規(guī)測(cè)量方法靈活、方便已完全可以用來施測(cè)各種等級(jí)地控制網(wǎng)。GPS全站儀的反展在地形和土地測(cè)量以及各種工程、變形、；地表沉陷監(jiān)測(cè)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用在精度、效率、成本等方面顯示出巨大的優(yōu)越性。（1）GPS系統(tǒng)的組成GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間部分GPS衛(wèi)星星座；地面控制部分地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設(shè)備部分GPS信號(hào)接收機(jī)。GPS衛(wèi)星星座： 由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成GPS衛(wèi)星星座記作（21+3）GPS星座。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)軌道傾角為55度各個(gè)軌道平面之間相距60度即軌道的升交點(diǎn)赤經(jīng)各相差60度。每個(gè)軌道平面內(nèi)各顆衛(wèi)星之間的升交角距相差90度一軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星超前30度。 在兩萬公里高空的GPS衛(wèi)星當(dāng)?shù)厍驅(qū)阈莵碚f自轉(zhuǎn)一周時(shí)它們繞地球運(yùn)行二周即繞地球一周的時(shí)間為12恒星時(shí)。這樣對(duì)于地面觀測(cè)者來說每天將提前4分鐘見到同一顆GPS衛(wèi)星。位于地平線以上的衛(wèi)星顆數(shù)隨著時(shí)間和地點(diǎn)的不同而不同最少可見到4顆最多可見到11顆。在用GPS信號(hào)導(dǎo)航定位時(shí)為了結(jié)算測(cè)站的三維坐標(biāo)必須觀測(cè)4顆GPS衛(wèi)星稱為定位星座。這4顆衛(wèi)星在觀測(cè)過程中的幾何位置分布對(duì)定位精度有一定的影響。對(duì)于某地某時(shí)甚至不能測(cè)得精確的點(diǎn)位坐標(biāo)這種時(shí)間段叫做“間隙段”。但這種時(shí)間間隙段是很短暫的并不影響全球絕大多數(shù)地方的全天候、高精度、連續(xù)實(shí)時(shí)的導(dǎo)航定位測(cè)量。GPS工作衛(wèi)星的編號(hào)和試驗(yàn)衛(wèi)星基本相同。 地面監(jiān)控系統(tǒng)： 對(duì)于導(dǎo)航定位來說GPS衛(wèi)星是一動(dòng)態(tài)已知點(diǎn)。星的位置是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的星歷描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)及其軌道的的參數(shù)算得的。每顆GPS衛(wèi)星所播發(fā)的星歷是由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供的。衛(wèi)星上的各種設(shè)備是否正常工作以及衛(wèi)星是否一直沿著預(yù)定軌道運(yùn)行都要由地面設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。地面監(jiān)控系統(tǒng)另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)GPS時(shí)間系統(tǒng)。這就需要地面站監(jiān)測(cè)各顆衛(wèi)星的時(shí)間求出鐘差。然后由地面注入站發(fā)給衛(wèi)星衛(wèi)星再由導(dǎo)航電文發(fā)給用戶設(shè)備。GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測(cè)站。 GPS信號(hào)接收機(jī)： GPS信號(hào)接收機(jī)的任務(wù)是：能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行對(duì)所接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理以便測(cè)量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文實(shí)時(shí)地計(jì)算出測(cè)站的三維位置位置甚至三維速度和時(shí)間。 GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(hào)是一種可供無數(shù)用戶共享的信息資源。對(duì)于陸地、海洋和空間的廣大用戶只要用戶擁有能夠接收、跟蹤、變換和測(cè)量GPS信號(hào)的接收設(shè)備即GPS信號(hào)接收機(jī)?？梢栽谌魏螘r(shí)候用GPS信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位測(cè)量。根據(jù)使用目的的不同用戶要求的GPS信號(hào)接收機(jī)也各有差異。目前世界上已有幾十家工廠生產(chǎn)GPS接收機(jī)產(chǎn)品也有幾百種。這些產(chǎn)品可以按照原理、用途、功能等來分類。 靜態(tài)定位中GPS接收機(jī)在捕獲和跟蹤GPS衛(wèi)星的過程中固定不變接收機(jī)高精度地測(cè)量GPS信號(hào)的傳播時(shí)間利用GPS衛(wèi)星在軌的已知位置解算出接收機(jī)天線所在位置的三維坐標(biāo)。而動(dòng)態(tài)定位則是用GPS接收機(jī)測(cè)定一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)行軌跡。GPS信號(hào)接收機(jī)所位于的運(yùn)動(dòng)物體叫做載體（如航行中的船艦空中的飛機(jī)行走的車輛等）。載體上的GPS接收機(jī)天線在跟蹤GPS衛(wèi)星的過程中相對(duì)地球而運(yùn)動(dòng)接收機(jī)用GPS信號(hào)實(shí)時(shí)地測(cè)得運(yùn)動(dòng)載體的狀態(tài)參數(shù)（瞬間三維位置和三維速度）。 接收機(jī)硬件和機(jī)內(nèi)軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成完整的GPS用戶設(shè)備。GPS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩大部分。對(duì)于測(cè)地型接收機(jī)來說兩個(gè)單元一般分成兩個(gè)獨(dú)立的部件觀測(cè)時(shí)將天線單元安置在測(cè)站上接收單元置于測(cè)站附近的適當(dāng)?shù)胤接秒娎|線將兩者連接成一個(gè)整機(jī)。也有的將天線單元和接收單元制作成一個(gè)整體觀測(cè)時(shí)將其安置在測(cè)站點(diǎn)上。 GPS接收機(jī)一般用蓄電池做電源。同時(shí)采用機(jī)內(nèi)機(jī)外兩種直流電源。設(shè)置機(jī)內(nèi)電池的目的在于更換外電池時(shí)不中斷連續(xù)觀測(cè)。在用機(jī)外電池的過程中機(jī)內(nèi)電池自動(dòng)充電。關(guān)機(jī)后機(jī)內(nèi)電池為RAM存儲(chǔ)器供電以防止丟失數(shù)據(jù)。 近幾年國(guó)內(nèi)引進(jìn)了許多種類型的GPS測(cè)地型接收機(jī)。各種類型的GPS測(cè)地型接收機(jī)用于精密相對(duì)定位時(shí)其雙頻接收機(jī)精度可達(dá)5MM+1PPM.D單頻接收機(jī)在一定距離內(nèi)精度可達(dá)10MM+2PPM.D。用于差分定位其精度可達(dá)亞米級(jí)至厘米級(jí)。 目前各種類型的GPS接收機(jī)體積越來越小重量越來越輕便于野外觀測(cè)。GPS和GLONASS兼容的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)接收機(jī)已經(jīng)問世。（2）GPS的定位原理GPS的基本定位原理是：衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時(shí)間信息用戶接收到這些信息后經(jīng)過計(jì)算求出接收機(jī)的三維位置三維方向以及運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間信息。 （3）GPS系統(tǒng)的特點(diǎn)GPS系統(tǒng)具有以下主要特點(diǎn)：高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡(jiǎn)便、應(yīng)用廣泛等。 定位精度高應(yīng)用實(shí)踐已經(jīng)證明GPS相對(duì)定位精度在50KM以內(nèi)可達(dá)10-6100-500KM可達(dá)10-71000KM可達(dá)10-9。在300-1500M工程精密定位中1小時(shí)以上觀測(cè)的解其平面其平面位置誤差小于1mm與ME-5000電磁波測(cè)距儀測(cè)定得邊長(zhǎng)比較其邊長(zhǎng)較差最大為0.5mm校差中誤差為0.3mm。 觀測(cè)時(shí)間短隨著GPS系統(tǒng)的不斷完善軟件的不斷更新目前20KM以內(nèi)相對(duì)靜態(tài)定位僅需15-20分鐘；快速靜態(tài)相對(duì)定位測(cè)量時(shí)當(dāng)每個(gè)流動(dòng)站與基準(zhǔn)站相距在15KM以內(nèi)時(shí)流動(dòng)站觀測(cè)時(shí)間只需1-2分鐘然后可隨時(shí)定位每站觀測(cè)只需幾秒鐘。 測(cè)站間無須通視GPS測(cè)量不要求測(cè)站之間互相通視只需測(cè)站上空開闊即可因此可節(jié)省大量的造標(biāo)費(fèi)用。由于無需點(diǎn)間通視點(diǎn)位位置可根據(jù)需要可稀可密使選點(diǎn)工作甚為靈活也可省去經(jīng)典大地網(wǎng)中的傳算點(diǎn)、過渡點(diǎn)的測(cè)量工作。 可提供三維坐標(biāo)經(jīng)典大地測(cè)量將平面與高程采用不同方法分別施測(cè)。GPS可同時(shí)精確測(cè)定測(cè)站點(diǎn)的三維坐標(biāo)。目前GPS水準(zhǔn)可滿足四等水準(zhǔn)測(cè)量的精度。 操作簡(jiǎn)便隨著GPS接收機(jī)不斷改進(jìn)自動(dòng)化程度越來越高有的已達(dá)“傻瓜化”的程度；接收機(jī)的體積越來越小重量越來越輕極大地減輕測(cè)量工作者的工作緊張程度和勞動(dòng)強(qiáng)度。使野外工作變得輕松愉快。 全天候作業(yè)目前GPS觀測(cè)可在一天24小時(shí)內(nèi)的任何時(shí)間進(jìn)行不受陰天黑夜、起霧刮風(fēng)、下雨下雪等氣候的影響功能多、應(yīng)用廣。 從這些特點(diǎn)中可以看出GPS系統(tǒng)不僅可用于測(cè)量、導(dǎo)航還可用于測(cè)速、測(cè)時(shí)。測(cè)速的精度可達(dá)0.1M/S測(cè)時(shí)的精度可達(dá)幾十毫微秒。其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。GPS系統(tǒng)的應(yīng)用前景當(dāng)初設(shè)計(jì)GPS系統(tǒng)的主要目的是用于導(dǎo)航收集情報(bào)等軍事目的。但是后來的應(yīng)用開發(fā)表明GPS系統(tǒng)不僅能夠達(dá)到上述目的而且用GPS衛(wèi)星發(fā)來的導(dǎo)航定位信號(hào)能夠進(jìn)行厘米級(jí)甚至毫米級(jí)精度的靜態(tài)相對(duì)定位米級(jí)至亞米級(jí)精度的動(dòng)態(tài)定位亞米級(jí)至厘米級(jí)精度的速度測(cè)量和毫微秒級(jí)精度的時(shí)間測(cè)量。因此GPS系統(tǒng)展現(xiàn)了極其廣闊的應(yīng)用前景。 （4）GPS的用途 GPS最初就是為軍方提供精確定位而建立的至今它仍然由美國(guó)軍方控制。軍用GPS產(chǎn)品主要用來確定并跟蹤在野外行進(jìn)中的士兵和裝備的坐標(biāo)給海中的軍艦導(dǎo)航為軍用飛機(jī)提供位置和導(dǎo)航信息等。 目前GPS系統(tǒng)的應(yīng)用已將十分廣泛我們可以應(yīng)用GPS信號(hào)可以進(jìn)行海、空和陸地的導(dǎo)航導(dǎo)彈的制導(dǎo)大地測(cè)量和工程測(cè)量的精密定位時(shí)間的傳遞和速度的測(cè)量等。對(duì)于測(cè)繪領(lǐng)域GPS衛(wèi)星定位技術(shù)已經(jīng)用于建立高精度的全國(guó)性的大地測(cè)量控制網(wǎng)測(cè)定全球性的地球動(dòng)態(tài)參數(shù)；用于建立陸地海洋大地測(cè)量基準(zhǔn)進(jìn)行高精度的海島陸地聯(lián)測(cè)以及海洋測(cè)繪；用于監(jiān)測(cè)地球板塊運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和地殼形變；用于工程測(cè)量成為建立城市與工程控制網(wǎng)的主要手段。用于測(cè)定航空航天攝影瞬間的相機(jī)位置實(shí)現(xiàn)僅有少量地面控制或無地面控制的航測(cè)快速成圖導(dǎo)致地理信息系統(tǒng)、全球環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)的技術(shù)革命。 許多商業(yè)和政府機(jī)構(gòu)也使用GPS設(shè)備來跟蹤他們的車輛位置這一般需要借助無線通信技術(shù)。一些GPS接收器集成了收音機(jī)、無線電話和移動(dòng)數(shù)據(jù)終端來適應(yīng)車隊(duì)管理的需要。 由于多元化空間資源環(huán)境的出現(xiàn) 使得GPSGLONASSINMARSAT等系統(tǒng)都具備了導(dǎo)航定位功能形成了多元化的空間資源環(huán)境。這一多元化的空間資源環(huán)境促使國(guó)際民間形成了一個(gè)共同的策略即一方面對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)充分利用一方面積極籌建民間GNSS系統(tǒng)待