GPS(Global Positioning System) 소개

Global Positioning System은 인공지구위성을 이용해 지점을 측정하는 시스템이다. 해상 및 항공 항법, 미사일 유도, 동적 관측, 시간 전송, 속도 측정, 차량 유도 및 기타 분야에서 널리 사용됩니다. 측량 및 매핑 기술과 엔지니어링 구축 측면에서 측지 제어 네트워크 구축, 지구 매개변수 측정, 판 이동 상태 모니터링, 항공우주 매개변수 결정, 육상 및 해양 측지 벤치마크 구축에 사용될 뿐만 아니라 엔지니어링 건설의 계획 및 건설에서 설계, 건설, 수용 및 모니터링, 대형 정밀 장비 설치, 변형 관찰, 라인 측정, 정밀 엔지니어링 측정 및 기타 측면도 점점 더 널리 인용되고 있습니다.

1. GPS 측정의 장점

GPS는 Global Positioning System의 약자입니다. GPS 측정은 위치 확인을 위해 위성을 사용하는 새로운 측정 기술입니다. 기존 측정 기술과 비교할 때 다음과 같은 장점이 있습니다.

1) 사용 범위가 넓습니다. GPS 신호는 해상 및 항공 항법, 차량 유도, 미사일 유도, 정밀 위치 확인, 엔지니어링 측량, 동적 관측 등에 사용될 수 있습니다.

2) 관찰이 쉽습니다. 측정 시 측량자는 GPS 수신기 안테나 장치를 측정 스테이션에 놓고 전원을 켜고 측정이 끝나면 수신 장치를 시작하기만 하면 됩니다. 안테나 높이를 측정하고 전원을 끄기만 하면 됩니다. 현장 데이터 수집을 완료합니다. 또한 GPS는 전천후 측정 시스템이기 때문에 적은 인력과 물적 자원으로 단시간에 현장 작업을 완료할 수 있다.

3) 높은 정확성. 상대 위치 측정을 위해 캐리어 위상 측정을 사용하면 상대 위치 정확도는 ±(5mm+1×10-6·D)(D는 비례 오차)의 거리 정확도에 도달할 수 있으며 관찰 시간은 1시간 미만입니다. 빠른 측위 방법을 사용하면 관측 시간은 약 2분 정도밖에 걸리지 않으며, 센티미터급 측위 정확도를 얻을 수 있다.

4) 경제성이 높습니다. GPS 측정에는 측정소 간 가시성이 필요하지 않으므로 기존 측정에 필요한 표준화 비용을 절약할 수 있습니다. 또한 GPS 측정의 높은 정확도와 짧은 작업 시간으로 인해 경제적 이점이 매우 큽니다.

2. GPS 시스템

GPS 시스템은 다음 세 부분으로 구성됩니다.

1. GPS 위성군(우주부분)

GPS 시스템에는 24개의 위성이 포함되어 있으며 대략 원형 궤도에 6개 균등하게 분포되어 있으며 각 궤도면 간의 교차각은 60°입니다. 각 궤도에는 4개의 위성이 있으며, 궤도는 지상 약 20,200km 동안 지구를 12시간 동안 공전합니다.

각 GPS 위성은 서로 다른 두 가지 주파수(L1=1575.42MHz, L2=1227.60MHz)의 전파를 지속적으로 전송합니다. 다양한 신호가 반송파에서 변조되는데, 가장 중요한 신호는 거리 측정 코드(P 미세 코드, C/A 거친 코드) 및 내비게이션 메시지입니다. 거리 측정 코드는 위성에서 지상 지점 수신기까지의 거리를 측정하는 데 사용되며, 내비게이션 메시지는 위성의 궤도 매개변수를 계산하는 데 사용됩니다.

2. 지상 감시 시스템(지상제어부)

GPS 위성의 각종 장비가 정상적으로 작동하는지, 위성이 미리 정해진 궤도를 따라 운행하고 있는지 등은 모두 지상 모니터링 시스템 모니터링 및 제어. 지상 모니터링 시스템에는 주 제어 스테이션, 3개의 주입 스테이션 및 5개의 모니터링 스테이션이 포함되며, 이는 미국 및 세계 기타 지역의 미군 기지에 분산되어 있습니다.

GPS 위성은 위성에서 전송한 천체력(위성의 움직임과 궤도를 설명하는 매개변수)을 기반으로 계산되는 동적 알려진 지점입니다. 각 GPS 위성이 방송하는 천문력은 지상 모니터링 시스템에 의해 제공됩니다.

또한 지상 모니터링 시스템은 각 위성의 시간을 모니터링하고 관련 보정 수치를 계산한 다음 사용자에게 내비게이션 메시지를 보내 각 위성이 동일한 GPS 시간 체계에 있는지 확인합니다.

3. GPS 수신기

GPS 수신기의 주요 기능은 내비게이션 메시지를 디코딩하고 분리하며 위상 및 의사 거리 측정을 수행하는 것입니다. 구조적으로 보면 GPS 수신기는 주로 수신기의 핵심인 안테나와 신호 처리 장치, 저장 장치로 구성됩니다.

GPS 수신기는 주로 다음 두 가지 측면에서 사용됩니다.

1) 정적 위치 확인.

GPS 위성을 추적하는 동안 수신기는 고정밀도로 GPS 신호의 전파 시간을 측정하고, 궤도에 있는 GPS 위성의 알려진 위치와 함께 고정된 사용자 안테나의 3차원 좌표를 측정합니다. 계산할 수 있습니다. 후자는 고정된 지점이거나 여러 지점으로 구성된 GPS 네트워크일 수 있습니다. 정적 포지셔닝은 다량의 중복 관찰, 강력한 신뢰성 및 높은 포지셔닝 정확도가 특징입니다.

2) 동적 위치 지정. 캐리어(차량, 선박, 항공기 등)에 있는 사용자 안테나는 GPS 위성을 추적하면서 지구를 기준으로 이동하고, 수신기는 GPS 신호를 사용하여 움직이는 캐리어의 상태 매개변수를 실시간으로 측정합니다. 동적 포지셔닝의 특징은 중복 관측이 거의 없고 정확도가 낮은 이동 캐리어의 상태 매개변수를 지점별로 측정하는 것입니다.

GPS 수신기에는 사용되는 반송파 주파수의 수에 따라 하나의 반송파 주파수(L1)를 사용하는 단일 주파수 수신기와 두 개의 반송파 주파수를 사용하는 이중 주파수 수신기로 나눌 수 있습니다. L1L2). 단일 대역 수신기는 가격이 더 저렴하지만 이중 대역 수신기는 대기 지연의 영향을 일부 제거합니다. 측면 길이가 10km를 초과하는 정밀 측정의 경우 이중 주파수 수신기를 사용하는 것이 가장 좋지만, 일반적인 제어 측정의 경우 단일 주파수 수신기로 충분합니다.

3. GPS 위치 확인의 기본 원리

GPS 측정에는 의사 거리와 반송파 위상이라는 두 가지 기본 관측량이 있습니다. GPS 수신기는 위성 신호(거리 코드)가 위성에서 수신기로 전파되는 데 걸리는 시간을 측정한 다음 여기에 전자파 전파 속도를 곱하여 위성에서 수신기까지 의사 거리를 얻습니다. 그러나 전파 시간에는 위성 시계와 수신기 시계 간의 비동기화 오류와 대기 중 거리 측정 코드 전파의 지연 오류가 포함되어 있으므로 획득된 의사 거리는 위성 사이의 기하학적 거리와 동일하지 않습니다. 그리고 측정 스테이션. 반송파 위상 측정은 수신된 위성 신호와 수신기 자체의 신호를 혼합한 다음 위상 측정을 수행하는 것입니다. 의사 거리 측정의 정확도는 거리 측정 코드 기호 길이의 약 1%로, P 코드의 경우 약 30cm, C/A 코드의 경우 약 3m입니다. 반송파의 파장은 훨씬 짧으므로(각각 19cm 및 24cm) 반송파 위상 측정 정확도는 일반적으로 1~2mm입니다. 위상 측정은 반송파 파장 중 하나의 파장보다 작은 부분만 측정할 수 있으므로 측정된 위상은 파장의 정수배를 알 수 없는 의사 거리로 간주할 수 있습니다.

GPS 측위 중에는 위성을 동적 기지 기준점으로 간주하고, 측정된 거리를 공간적 절제를 통해 수신기의 위치를 ​​파악하는 데 사용합니다.

GPS 위치 지정에는 단일 지점 위치 지정과 상대 위치 지정이 포함됩니다.

WGS-84 세계측지좌표계에서 결정하고자 하는 점의 절대위치를 독립적으로 결정하는 방법을 단일점 위치결정 또는 절대위치결정이라고 한다. 장점은 독립적인 측위를 위해 단 하나의 수신기만 필요하다는 것입니다. 아웃바운드 관측의 구성 및 구현이 상대적으로 자유롭고 편리하며 데이터 처리가 상대적으로 간단합니다. 그러나 결과는 위성 천문력 오류와 위성 중 대기 지연 오류의 영향을 받습니다. 신호 전파는 비교적 명백하므로 위치 정확도는 일반적으로 수십 미터입니다. 단일 지점 측위는 선박 및 항공기 항법, 지질 및 광물 탐사, 암초 측위, 해양 낚시, 국방 건설 및 저정밀 측정 분야에서 광범위한 응용 가능성을 가지고 있습니다.

상대 위치 확인은 동일한 GPS 위성 신호를 동시에 추적하는 여러 수신기 간의 상대 위치(3차원 좌표 차이)를 결정하는 위치 확인 방법입니다. 상대 위치 측정에서 많은 오류는 동기 관측 스테이션에 동일하거나 거의 동일한 영향을 미칩니다. 따라서 계산할 때 이러한 오류는 상쇄되거나 크게 약화될 수 있으므로 일반적으로 수 밀리미터에서 수 센티미터의 정확도로 매우 고정밀 상대 위치를 얻을 수 있습니다. 단일 지점 포지셔닝과 비교하여 현장 관찰 및 데이터 처리의 구성 및 구현은 상대 포지셔닝의 경우 더 복잡합니다. 상대 측위는 측지 측량, 공학 측량, 지각 변형 모니터링 등 정밀 측위 분야에서 널리 사용됩니다.

4. GPS 상대 위치 측정의 주요 오류 원인

1) 시계 오류. 위성의 시계 오류와 수신기의 시계 오류는 모두 GPS 측정의 주요 오류입니다.

2) 위성 위치 오류. GPS 위성의 위치는 위성이 보내온 천문력을 바탕으로 계산되며, 평균 오차는 약 20mm이다. dr을 위성 위치 오류라고 하면 상대 위치에 미치는 영향은 다음 공식, 즉

건설 공학 조사

공식으로 대략 추정할 수 있습니다. D - 두 요소의 차이 두 수신기 거리;

dD - 상대 위치 오류

S - 수신기에서 위성까지의 거리, 약 20,000km.

예를 들어 dr=20m이면 두 지점의 위상 위치에 미치는 영향은 1×10-6입니다.

3) 대기 지연 효과.

위성 신호는 수신기에 도달하기 전에 대기를 통과해야 하므로 대기는 위성 신호를 지연시킵니다(전파 속도에 영향을 미침). 지상에서 약 50km 고도까지의 대기를 대류권이라고 합니다. 대류권의 지연은 대기의 온도, 압력, 습도의 함수이며 측정소에서 측정된 기상 요소에 의해 보정될 수 있습니다. 50km 이상의 대기를 전리층이라고 하며, 이중 주파수 수신기의 측정 결과를 이용하여 그 영향을 보정합니다.

4) 다중 경로 오류. 일부 물체의 표면에 반사된 후 수신기에 도달하는 신호와 위성에서 직접 보낸 신호가 수신기에 중첩되어 측정 오류가 발생합니다. 그 영향은 안테나 주변 환경과 관련이 있습니다. 따라서 적절한 측정 스테이션 위치를 선택하는 것이 이러한 오류를 줄이기 위한 주요 방법입니다.

5) 관찰 오류. 관찰 오류는 측정에 사용되는 신호의 파장과 관련이 있습니다. 의사 거리 관찰을 위해 C/A 코드와 P 코드를 사용하면 반송파 위상 측정의 경우 오류가 각각 3m와 0.3m이며 오류는 1~2mm입니다.

일반적으로 GPS 상대 위치 확인의 정확도는 다음과 같이 표현됩니다.

σ2=a2+b2·D2 (6-26)

공식: σ— —상대 위치 오류;

a——고정 오류 부분;

b——비례 오류 부분;

D——두 측정 사이의 거리 역.

질문 검토

1. 경위의 와이어 측정 현장 작업에는 무엇이 포함되나요?

2. 와이어 포인트 선택 시 주의해야 할 사항은 무엇인가요?

3. 와이어 계산과 부착 와이어 계산의 유사점과 차이점은 무엇입니까?

4. 표 6-11의 알려진 데이터에 따라 닫힌 도체의 각 점의 좌표값을 계산합니다.

표 6-11 닫힌 와이어 좌표