测量教案8章GPS测量.ppt

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1、第8章 GPS测量的原理与方法 n8.1 GPS概述n73年12月，美国国防部组织开始研制n新一代军用卫星导航系统GPSn89年2月14日发射第一颗GPS卫星n94年3月28日发射完第24颗卫星n目前在轨卫星数32颗n均匀分布在6个与赤道倾角为55近似圆形轨道上n每个轨道4颗卫星运行，距地表平均高度20200kmn速度为3800m/s，运行周期为11h58minn每颗卫星覆盖全球38面积n保证地球上任何地点、任何时刻、高度15以上天空n能同时观测到4颗以上卫星。nGPS定位空间测距交会nP点安置GPS接收机，接收卫星发射的测距码信号n在接收机时钟控制下n解出测距码从卫星接收机的时间tn乘光速c

2、、加卫星时钟与接收机时钟不同步改正n算出卫星接收机的空间距离nvt卫星钟差，vT接收机钟差nGPS用单程测距方式n接收机接收到的测距信号不再返回卫星n接收机直接解算传播时间tn并算出卫星接收机的距离n要求卫星和接收机时钟严格同步n卫星在严格同步时钟控制下发射测距信号n实际上，卫星钟与接收机钟不可能严格同步n产生钟误差n两个时钟不同步对测距结果的影响c(vTvt)n卫星广播含卫星钟差vT已知n接收机钟差vT未知观测方程解算n卫星接收机的空间距离n没有考虑大气电离层和对流层折射误差影响n不是卫星接收机的几何距离伪距 距距距距 离离离离 测测测测 定定定定 原原原原 理理理理 XllVl Xl ll

3、lXllVlXllllllllVVVllVlllXlX距距距距 离离离离 测测测测 定定定定 原原原原 理理理理 XllVlXllllVll距距距距 离离离离 测测测测 定定定定 原原原原 理理理理 XllVlXllllllllVVVllVlllXlX距离=传播时间 x 光速距距距距 离离离离 测测测测 定定定定 原原原原 理理理理 我我 们们 必必 定定 在在 以以 R1 为为 半半 径径 的的 球球 面面 的的 某某 个个 点点 上上R1 点点点点 位位位位 测测测测 定定定定 原原原原 理理理理 2 个个 球球 面面 相相 交交 成成 一一 个个 圆圆 弧弧点点 位位 被被 限限 制制

4、在在 一一 曲曲 线线 上上R1R2点点点点 位位位位 测测测测 定定定定 原原原原 理理理理 3 个球面相交成一个点个球面相交成一个点3 个距离段可以确定纬度，经度，和高程个距离段可以确定纬度，经度，和高程点点 的的 空空 间间 位位 置置 被被 确确 定定R1R2R3点点点点 位位位位 测测测测 定定定定 原原原原 理理理理 n测距时刻tin接收卫星Si广播星历解算出nSi在WGS-84坐标系的三维坐标(xi，yi，zi)n则Si卫星P点的空间距离n伪距观测方程n有xP，yP，zP，vT四个未知数n为了解算这四个未知数，应同时锁定4颗卫星观测n观测A，B，C，D四颗卫星的伪距方程n解方程算

5、出P点坐标(xP，yP，zP)n8.2 GPS的组成n工作卫星、地面监控系统、用户设备n8.2.1 地面监控系统n卫星广播星历包含描述卫星运动及其轨道的参数n每颗卫星广播星历由地面监控系统提供n地面监控系统1个主控站、3个注入站、5个监测站n(1)监测站n主控站控制下的数据自动采集中心n有双频GPS接收机、高精度原子钟、气象参数测试仪n计算机等设备n完成对GPS卫星信号连续观测，搜集当地气象数据n观测数据经计算机处理后传送到主控站n(2)主控站n协调和管理所有地面监控系统工作n 根据观测数据，推算编制各卫星星历、卫星钟差n大气层修正参数，数据传送到注入站n 提供时间基准。各监测站和GPS卫星原

6、子钟应与n主控站原子钟同步，或测量出其间钟差n将钟差信息编入导航电文，送到注入站n 调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行n 启动备用卫星，以代替失效的工作卫星n(3)注入站n主控站控制下n将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文n其它控制指令注入卫星存储器n监测注入信息的正确性n除主控站外，整个地面监控系统无人值守n8.2.2 用户设备nGPS接收机和相应的数据处理软件nGPS接收机包括接收天线、主机、电源nGPS接收机任务n捕获卫星信号，跟踪并锁定卫星信号n处理接收到的信号n测量测距信号从卫星传播到接收机天线的时间间隔n译出卫星广播的导航电文n实时计算接收机天线三维坐标、速度和时间n

7、用途导航型、测地型和授时型n载波频率单频接收机(用1个载波频率)n双频接收机(用2个载波频率)南方测绘NGS9600测地型单频静态GPS接收机 n8.3 GPS定位的基本原理 n测距原理伪距、载波相位测量、GPS差分定位n待定点位运动状态静态定位、动态定位n8.3.1 卫星信号n载波、测距码(C/A码P码)、数据码(导航电文或称D码)n同一原子钟频率f0=10.23MHz下产生n(1)载波信号n频率用无线电波段两种不同频率电磁波nL1载波：f1=154f0=1575.42MHz，1=19.03cmnL2载波：f2=120f0=1227.60MHz，2=24.42cmn载波L1调制有C/A码、P

8、码、数据码n载波L2调制有P码、数据码n测距码由0，1组成的二进制编码n一位二进制数比特(bit)n每秒钟传输比特数称为数码率n卫星的两种测距码C/A码和P码属于伪随机码n具有良好自相关特性和周期性，容易复制n测距码测距原理n卫星时钟控制发射某结构测距码n经t时间传播后到达GPS接收机n接收机产生同结构测距码复制码n复制码延迟时间后与接收的卫星测距码比较n调整延迟时间使两个测距码完全对齐n复制码延迟时间=tnC/A码码元宽度对应距离293.1mn卫星与接收机测距码对齐精度1/100，测距精度2.9mnP码码元宽度对应距离29.3mn卫星与接收机测距码对齐精度1/100，测距精度0.29mnP码

9、测距精度高于C/A码10倍nC/A码粗码，P码精码nP码受美国军方控制，一般用户只能用C/A码测距n(2)数据码n导航电文D码n含卫星星历、卫星工作状态、时间系统、n卫星时钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正n由C/A码捕获P码信息n导航电文二进制码n依规定格式按帧发射n每帧电文长度1500bit，播送速率50bit/sn8.3.2 伪距定位n1)单点定位nGPS接收机安置于测点，锁定4颗以上卫星n将收到的卫星测距码与接收机产生的复制码对齐n测量与锁定卫星测距码到接收机传播时间tin求出卫星至接收机的伪距n从锁定卫星广播星历获取卫星空间坐标n距离交会原理解算天线点三维坐标n伪距观测方程有4个

10、未知数n锁定4颗卫星时方程有唯一解n没考虑大气电离层和对流层折射误差、n星历误差影响，单点定位精度不高nC/A码定位精度25m，P码定位精度10mn2)多点定位n多台GPS接收机(23台)安置在不同测点n同时锁定相同卫星进行伪距测量n大气电离层和对流层折射误差、星历误差n影响基本相同n计算各测点间坐标差(x,y,z)时n可消除上述误差影响n测点之间的点位相对精度大大提高n8.3.3 载波相位定位n载波L1，L2频率比测距码(C/A码和P码)频率高n波长比测距码短很多,1=19.03 cm,2=24.42cmn使用载波L1或L2作测距信号n将卫星传播到接收机天线的余弦载波信号n与接收机基准信号比

11、相求出相位延迟计算伪距n可获得很高测距精度n如测量L1载波相位移误差为1/100n伪距测量精度可达19.03cm/100=1.9mmn(1)载波相位绝对定位载波相位绝对定位n相位测量只能测出不足一整周期相位移n存在整周数N0不确定问题，N0整周模糊度nt0时刻(历元t0)，某卫星发射载波信号n到接收机相位移2N0+n该卫星接收机距离n载波波长n对卫星连续跟踪观测，接收机内有多普勒计数器n只要卫星信号不失锁，N0不变n故在tk时刻，该卫星发射载波信号到接收机相位移n变成2N0+int()+nint()接收机内多普勒计数器自动累计求出n考虑钟差改正c(vTvt)n大气电离层折射改正ionn对流层折

12、射改正tropn的载波相位观测方程n虽然对锁定卫星进行连续跟踪观测n可修正ion和tropn但整周模糊度N0始终未知n能否准确求出N0成为载波相位定位的关键问题 n(2)载波相位相对定位n两台GPS接收机分别安置在两测点n两测点连线基线n同步接收卫星信号n相同卫星相位观测值线性组合n解算基线向量在WGS-84坐标系的增量(x,y,z)n确定它们的相对位置n一个测点坐标已知，可推算出另一个测点坐标n按相位观测的线性组合形式n载波相位相对定位单差法、双差法、三差法n只介绍前两种n1)单差法单差法n基线两端点安置两台GPS接收机n对同一颗卫星同步观测，观测方程n设基线两端点的电离层改正ionn对流层

13、改正trop相等n得单差观测方程n单差方程消除了卫星钟差改正数vTn2)双差法双差法n安置在基线端点上的两台GPS接收机n同时对两颗卫星进行同步观测n观测Sj卫星的单差观测方程n求差双差观测方程n消除了基线端点两台接收机相对钟差改正数vt1vt2n差分法可减少计算中的未知数数量n消除或减弱测站共同误差影响，提高定位精度n将 化算为基线端点n坐标增量(x12,y12,z12)的函数n有3个坐标增量未知数n如两台GPS接收机同步观测了n颗卫星n则有n1个整周模糊度，未知数总数3+n1n当每颗卫星观测了m个历元时n就有m(n1)个双差方程n为求出3+n1个未知数n要求双差方程数未知数个数nm(n1)

14、3+n1n一般取m=2，也即每颗卫星观测2个历元n为提高相对定位精度，同步观测的时间应比较长n具体时间与基线长、所用接收机类型(单频/双频)n和解算方法有关n在15km短基线上使用双频机观测n用快速处理软件n野外每个测点同步观测时间只需1015分钟n即可使测量基线长度达到5mm+1ppmn8.3.4 实时差分定位n已知点安置一台GPS接收机基准站n已知坐标和卫星星历算出观测值的校正值n通过无线电通讯设备数据链n将校正值发送给运动中的GPS接收机移动站n移动站用收到的校正值对自身GPS观测值进行改正n消除卫星钟差、接收机钟差、n大气电离层和对流层折射误差n应用带实时差分功能的GPS接收机才能进行

15、南方测绘灵锐S82双频蓝牙通讯RTK GPS接收机 n8.4 GPS测量的实施n方案设计、外业观测、内业数据处理n全球定位系统城市测量技术规程n(1)精度指标n载波相位静态相对定位法n两台或两台以上GPS接收机n同时对一组卫星进行同步观测n控制网精度指标是以网中基线观测误差定义nmD=a+b10-6Dna固定误差，b比例误差，D基线长n(2)观测要求n同步观测n测站从开始接收卫星信号到停止数据记录观测时段n卫星与接收机天线连线与水平面夹角卫星高度角n点位图形强度因子PDOPn一组卫星与测站构成的几何图形形状与定位精度关系数nPDOP与观测卫星高度角及观测卫星空间分布有关n观测卫星高度角越小，分

16、布范围越大，PDOP值越小n卫星高度角设为15，点位PDOP值6nGPS接收机锁定一组卫星后n自动计算出PDOP值并显示于屏幕上NGS-9600 GPS单频机n(3)网形要求nGPS接收机观测，不要求各站点间相互通视n网形设计，根据控制网用途、现有GPS接收机台数n分两台接收机同步观测、多台接收机同步观测、n多台接收机异步观测三种方案n介绍两台接收机同步观测方案n1)静态定位n两台接收机轮流安置在各基线端点n同步观测4颗卫星1h左右n或同步观测5颗卫星20min左右n用于精度要求较高的控制网n如桥梁控制网或隧道控制网n2)快速静态定位n测区中部选一测点为基准站n安置一台接收机n连续跟踪观测5颗

17、以上卫星n另一台接收机n依次到其余各点流动设站观测n不必保持对所测卫星连续跟踪n每点观测12minn用于控制网加密和一般工程测量n控制点天空视野开阔、n交通便利、远离高压线、n变电所及微波辐射干扰源的地点nWGS-84坐标系n与测区坐标系的坐标转换n至少有2个及以上GPS控制网点n与测区坐标系已知控制网点重合n坐标转换计算由GPS附带数据软件自动完成n8.5 南方测绘灵锐S82双频GPS RTK操作简介n灵锐S82 GPS RTK南方测绘2005年10月产品n标准配置一个基准站+一个移动站n可根据需要购买任意个移动站n基准站由主机、数传电台、发射天线与电瓶组成n每个移动站的设备一个主机与一个J

18、ETT手簿n移动站电台模块放置在主机内n通过主机顶部的数据链天线接发数据n手簿与接收机间通过内置的蓝牙卡进行数据通讯n技术参数n独立24通道，L1/L2双频跟踪信号n静态测量模式的平面精度5mm+1ppmn高程精度为10mm+2ppmn静态作用距离80公里，静态内存32MnRTK测量模式平面精度2cm+1ppmn高程精度为5cm+1ppmn数传电台的发射功率为25W/15W(H/L)n(3)基本操作基本操作n静态与动态两种工作模式n等级控制测量静态模式n碎部点坐标采集与工程放样动态模式n静态模式n仪器采集卫星数据自动存在主机32MB闪存n数据采集间隔设为1s时，连续采集时间可达40hn数据采集

19、完后，数据线连接主机USB口与PC机USB口n操作Gpsadj软件下载数据n在Gpsadj中完成基线向量解算与网平差n获得测点坐标n动态模式nJETT手簿操作南方测绘工程之星软件完成n3)工程之星2.0动态数据采集操作简介n基准站安置在已知点n也可安置在测区范围地势较高的任意点n连接好电缆，打开基准站主机与数传电台电源n打开移动站主机与JETT电源n量取基准站和移动站的仪器高n双击“工程之星2.0”桌面图标，打开工程之星n执行下拉菜单“工具/其它/查看卫星图”命令n观看当前接收到的卫星状态n仪器开机后，数传电台频道设置、n移动站与手簿间蓝牙通讯及卫星搜索与锁定n均由工程之星自动完成，无须用户干

20、预n有4颗及以上数量的卫星信号时n能很快进入“固定解”状态n显示三维坐标为移动站在前次测量时所设坐标系固定解数据链信号n 新建工程n执行“工程/新建工程”命令n按提示输入新建工程名、选择椭球参数n与高斯投影参数n“SystemCFJobs”路径下建立“051124”文件夹n保存本次新建工程051124的全部数据n 校正nGPS所测坐标WGS-84坐标n应将其变换用户坐标系坐标n坐标测量前应先求坐标变换参数n执行“工具/校正向导”命令n按屏幕提示完成校正操作n有1点、2点和3点校正法，最好选3点校正法n为提高校正的精度，3已知点均匀分布在测区外围n 野外数据采集n移动站安置在需要采集的碎部点n状

21、态为“固定解”，HRMS与VRMS值较小时按键n输入点名、移动站天线高与点编码n点击“确定”按钮将图示坐标存入n“SystemCFJobs051124data051124.RTK”文件n 野外采集数据的坐标变换与输出n采集碎部点坐标数据n以经纬度数据格式保存在051124.RTK文件n应执行下拉菜单“工具/数据后处理”命令n将其输出为.dat文件格式n转换后坐标保存在qh-506.dat文件(不是CASS展点格式)n执行“工程/文件输出”命令n数据格式下拉列表框选数据格式“点名,编码,y,x,H”n点击“源文件”按钮n弹出对话框选qh-506.dat文件，点击“目标文件”按钮n弹出对话框输入文件名qh-506x.datn作为保存输出数据的文件，点击“转换”按钮n完成数据文件输出n 坐标数据文件复制到PC机n串口线连接JETT手簿COM口与PC机COM口nPC机双击同步软件Microsoft ActiveSync桌面图标nJETT手簿双击“连接PC机”桌面图标n连接Microsoft ActiveSync