1.2 研究现状及存在的问题
目前，美国着手设计与实验的第二代工作卫星改进系统（BLOCKIIR），于90年代后发射，计划发20颗，新系统的定位精度可达1mm。前苏联自1978年10月开始，发射自己的全球导航卫星系统（GLONASS）实验卫星，计划90年代中期建成GLOANSS工作星座，星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，均匀分布在三个感到平面上。欧洲空间局（ESA）正在筹建民用导航卫星系统，包括在赤道平面上的6颗同步卫星（GEO）和12颗高椭圆轨道（HEO）卫星的混合卫星星座，我国也正在筹建双星定位系统，由2颗同步卫星确定平面位置的导航系统。近年来，GPS精密定位技术在我国也得到蓬勃发展。就目前看来，我认为GPS将在用途、自动化程度、公测速度、定位精度等各方面进一步的发展。
对于GPS控制网的优化设计，已经有很多的研究成果和参考资料，优化设计的方法也是各种各样，因而为了得出最优化的设计方法，并使优化过程简便快捷，还需要继续对GPS控制网的优化设计做进一步的研究。
1.3 本文的工作
我将重点讨论GPS网基准的优化设计和GPS网图形结构强度的优化设计。 通过经典控制网和GPS控制网的对比，进一步了解GPS控制网的特点和优点。 通过对控制网的进一步优化，可以减少外业内业工作量，尤其能提高精度、提高可靠性、减少经费。因而我将学习讨论GPS控制网优化设计的数学模型、方法和具体步骤。
论文写作之前，本人查阅了各种有关不同GPS控制网优化设计方面的资料，和相关的经典控制网优化设计的文章，正所谓“前人栽树，后人乘凉”，我的研究基础是建立在这些资料之上的。通过这次论文的写作，自己更加深刻地理解了不同GPS控制网的设计，提高了自身的专业水平。
由于个人水平有限，肯定存在很多不妥之处，望理解并加以指教！
2
第2章 GPS概论 2.1 GPS卫星定位系统组成
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定位系统（Global positioning system）包括三大部分：空间部分——GPS卫星星座；地面控制部分——地面监控系统；用户设备部分——GPS信号接收机。
2.1.1 GPS工作卫星及星座
由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS卫星星座。
24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间相距60度，即轨道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度。
在两万公里高空的GPS卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周，即绕地球一周的时间为12恒星时。这样，对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。位于地平面以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可以见到4颗，最多可以见到11颗。在用GPS信号导航定位时，为了解算测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为卫星星座。这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做“间隙段”。但这种时间间隙是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时 导航定位测量。
GPS工作卫星的编号和试验卫星基本相同。其编号方法有：按发射先后次序编号；按PRN）卫星所采用的伪随机噪声码）的不同编号；NASA编号（美国航空航天局对GPS卫星的编号）；国际编号（第一部分为该星发射年代，第二部分表示该年中发射卫星的序号，字母A表示发射的有效负荷）；按轨道位置顺序编号等。在导航定位测量中，一般采用PRN编号。
3
在GPS系统中，GPS卫星的作用如下：
（1）用L波段的两个无线载波（19cm和24cm）向广大用户连续不断地发送导航定位信号。每个载波用导航信息D(t)和伪随机码(PRN)测距信号进行双相调制。用于捕获信号及粗略定位的伪随机码叫C/A码(又叫S码)，精密测距码(用于精密定位)叫P码。由导航电文可以知道该卫星当前的位置和卫星的工作情况。
（2）在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站用S波段（10cm波段）发送到卫星的导航电文和其他有关信息，并通过GPS信号电路，适时地发送给广大用户。
（3）接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，适时地改正运行偏差和启用备用时钟等。
GPS卫星的核心部件是高精度的时钟、导航电文存储器、双频发射和接收机以及微处理机。而对于GPS定位成功的关键在于高稳定度的频率标准。这种高稳定度的频率标准由高度精确的时钟提供。因为10秒的时间误差将会引起30cm的站星距离误差。为此，每颗GPS工作卫星一般安设两台铷原子钟和两台铯原子钟，并计划未来采用更稳定的氢原子钟（其频率稳定度优于10）。GPS卫星虽然发送几种不同频率的信号，但是它们均源于一个基准信号（其频率为10.23GHZ），所以只需启用一台原子钟，其余作为备用。卫星钟由地面站检验，其钟差、钟速连同其他信息由地面站注入卫星后，再转发给用户设备。
?14?92.1.2 地面监控系统
对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历——描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准——GPS时间系统。这就需要地面站监控各颗卫星的时间，求出钟差，然后由地面注入站发给卫星，卫星在由导航电文发给用户设备。
GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监控站。 （1）主控站设在美国本土科罗拉多。主控站的任务是收集、处理本站和监控站收到的全部资料，编算出每颗卫星的星历和GPS时间系统，将预测的卫星星历、钟差、状态数据以及大气传播改正编制成导航电文传送到注入站。主控站还负责纠正卫星的轨道偏离，必要时调度卫星，让备用卫星取代失效的工作卫星。另外还负责监控整个地面的工作，检验注入给卫星的导航电文，监控卫星是否将导航电文发给了用户。
4
（2）三个注入站分别设在大西洋的阿松森岛、印度洋的迪戈加西亚岛和太平洋的卡瓦加兰。任务是将主控站发来的导航电文注入到相应的卫星存储器。每天注入三次，每次注入14天的星历。此外，注入站能自动向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态。
（3）五个监控站除了位于主控站和三个注入站之处的四个站以外，还在夏威夷设立了一个监控站。监控站的主要任务是为主控站提供卫星的观测数据。每个监控站均用GPS信号接收机对每颗可见卫星每6分钟进行一次伪距测量和积分多普勒观测，采集气象要素等数据。在主控站的遥控下自动采集定轨数据并进行各项改正，每15分钟平滑一次观测数据，依此推算出每2分钟间隔的观测值，然后将数据发送给主控站。
2.1.3 GPS信号接收机
GPS信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。
静态定位中，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是利用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。GPS信号接收机所位于的运动物体叫做载体（如航行中的船舰，空中的飞机，行走的车辆等）。载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对于地球而运动，接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数（瞬间三维位置和三维速度）。
接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包，构成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。对于测地型接收机来说，两个单元一般分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，接收单元置于测站附近适合的地方，用电缆线将两者连成一个整机。也有将天线单元和接收单元制作成一个整体，观测时将其安置在测站点上。
GPS接收机一般用蓄电池作电源。同时采用机内机外两种直流电源。设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测。在用机外电池的过程中，机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止丢失数据。
近几年，国内引进了许多种类型的GPS测地型接收机。各种类型的GPS测地型接
5
收机用于精密相对定位时，其双频接收机精度可达5mm+1ppm?D，单频接收机在一定距离内精度可达10 mm +2ppm?D。用于差分定位其精度可达亚厘米级。
目前，各种类型的GPS接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测。GPS和GLONASS兼容的全球导航定位系统接收机已经问世。
2.2 GPS卫星定位基本原理
将无线电信号发射台从地面点搬到卫星上，组成一颗卫星导航定位系统，应用无线电测距交会的原理，便可由三个以上地面已知点（控制台）交会出卫星的位置，反之利用三颗以上卫星的已知空间又可交会出地面未知点（用户接收机）的位置。
GPS卫星发射测距信号和导航电文，导航电文中含有卫星位置的信息。用户用GPS接收机在某一时刻同时接收三颗以上的GPS卫星信号，测量出测站点（接收机天线中心）P至三颗以上GPS卫星的距离并解算出该时刻GPS卫星的空间坐标，据此利用距离交会法解算出测站点P的位置。如图2-1，设在时刻i在测站P用GPS接收机同时测得P点至三颗GPS卫星S1，S2，S3的距离P1，P2，P3，通过GPS电文解译出该时刻三颗GPS卫星的三维坐标分别为X，Y，Z，j = 1，2，3。用距离交会的方法求解P点的三维坐标（X，Y，Z）的观测方程为：
??12?(X?X1)2?(Y?Y1)2?(Z?Z1)2?2222222??2?(X?X)?(Y?Y)?(Z?Z)?2323232??3?(X?X)?(Y?Y)?(Z?Z)JJJt （2-1）
图2-1 GPS定位原理
在GPS定位中，GPS是高速运动的卫星，其坐标值随时间在快速变化着。需要实
6