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1、Tuesday,February 14,20231GPS测量的测量的 原原 理理与与应应 用用Tuesday,February 14,20232基基 本本 原原 理理 GPS基础教程基础教程Tuesday,February 14,20233 GPS基础教程基础教程传传 统统 测测 量量 技技 术术 的的 缺缺 陷陷GPS 优优 势势GPS 的的 主主 要要 特特 性性 GPS 系系 统统 的的 组组 成成距距 离离 测测 定定 的的 基基 本本 原原 理理点点 位位 测测 定定 的的 基基 本本 原原 理理GPS 的的 信信 号号 结结 构构测测 距距 码码 伪伪 距距 测测 量量载载 波相波
2、相 位位 测测 量量选选 择择 可可 用用 性性 技技 术术 Selective Availability(SA)误误 差差 来来 源源差差 分分 GPS(初始初始)整整 周周 未未 知知 数数整整 周周 未未 知知 数数 的的 解解 算算 精精 度度 因因 子子要要 点点 小小 结结索引索引 第一部分第一部分Tuesday,February 14,20234与与 传传 统统 的的 陆陆 上上 测测 量量 技技 术术 相相 比比 GPS 具具 有有 许许 多多 优优 势势 传传 统统 大大 地地 测测 量量 技技 术术 依依 赖赖 于于 测测 站站 点点 至至 目目 标标 点点 的的 通通 视
3、视 情情 况况如如 果果 视视 线线 方方 向向 有有 障障 碍碍 物，物，则则 必必 须须 绕绕 道道 测测 量量 一一 般来说般来说 传传 统统 方方 式式 的的 距距 离离 测测 量量 被被 限限 制制 在在 5 Km 左左 右右气气 候候 因因 素素 限限 制制 着着 传传 统统 测测 量量 的的 运运 作。如作。如 雾，雨雾，雨 等等 传传传传 统统统统 测测测测 量量量量 技技技技 术术术术 的的的的 缺缺缺缺 陷陷陷陷 GPS基础教程基础教程Tuesday,February 14,20235不不 受受 气气 候候 条条 件件 的的 限限 制制无无 须须 通通 视视 要要 求求可可
4、 进进 行行 高高 精精 度度 大大 地地 测测 量量能能 实实 现现 全全 天天 候候 测测 量量 运运 作作省省 时时 省省 力力经经 济济 效效 益益 明明 显显坐坐 标标 系系 统统 通通 用用应应 用用 领领 域域 广广 泛泛具具 有有 竞竞 争争 力力 的的 价价 格格 GPS GPS 优优优优 势势势势 GPS基础教程基础教程Tuesday,February 14,20236GPS 系系 统统 的的 完完 善善 受受 控控 于美于美 国国 国国 防防 部部GPS 系系 统统 可可 提提 供供精精 确确 导导 航航导导 航航 精精 度度 约约 为为 10-20 m全全 球球 信信
5、号号 覆覆 盖盖24 小小 时时 工工 作作 服服 务务普普 通通 座座 标标 系系 统统 中中 的的 测测 量量 工作工作计计 划划 用用 GPS 系系 统统 取取 代代 现现 有有 的的 导导 航航 系系 统统GPS 系系 统统 可可 应应 用用 于于 民民 用用 及军及军 事事 领领 域域GPS GPS 的的的的 主主主主 要要要要 特特特特 性性性性 GPS基础教程基础教程Tuesday,February 14,20237控控 制制 部部 分分 1 个个 主主 控控 站站 5 个个 监监 控控 站站空空 间间 部部 分分 导导 航航 卫卫 星星 :导导 航航 信信 息息 卫卫 星星 时
6、时 和和 卫卫 星星 钟钟 24 颗颗 卫卫 星星 20200 Km用用 户户 设设 备备 部部 分分 接接 受受 卫卫 星星 信信 号号GPS GPS 系统的组成系统的组成系统的组成系统的组成 GPS基础教程基础教程Tuesday,February 14,20238 空空空空 间间间间 部部部部 分分分分 24 颗颗 卫卫 星星分分 布布 在在 互互 为为 55 度度 交交 角角 的的 6 个个 轨轨 道道 平平 面面 上，上，每每 个个 轨轨 道道 面面 上上 布布 有有 4 颗颗 卫卫 星星卫卫 星星 高高 约约 20200 Km 12 小小 时时 绕绕 轨轨 道道 一一 周周 可可 见
7、见 时时 间间 为为 4-5 小小 时时设计寿命为设计寿命为 7.5 年年卫卫 星星 种类种类 区区 分分Block 1(一一 代代),Block 2,2A(二二 代代),Block 2R，2 F(三三 代代)赤赤赤赤 道道道道 55 GPS基础教程基础教程Tuesday,February 14,202392424颗卫星颗卫星(21(21+3)3)6 6个轨道平面个轨道平面5555轨道倾角轨道倾角2020020200kmkm轨道高度轨道高度(地面高度地面高度)1212小时小时(恒星时恒星时)轨道周期轨道周期5 5个多小时出现在地平线以上个多小时出现在地平线以上(每颗星每颗星)目前在轨实际运行的
8、卫星个数已经超过目前在轨实际运行的卫星个数已经超过3232颗颗4 GPS卫星卫星Tuesday,February 14,202310 控控控控 制制制制 部部部部 分分分分 主主 控控 站站负负 责责 收收 集集 由由 监监 控控 站站 传传 来来 的的 卫卫 星星 跟跟 踪踪 数数 据据 并并 计计 算算 卫卫 星星 星星 历历 和和 时时 间间 参参 数数5 个个 监监 控控 站站负负 责责 对对 卫卫 星星 伪伪 距距 数数 据据 的的 观观 测，测，这这 一一 卫卫 星星 跟跟 踪踪 监监 测测 网网 用用 于于 确确 定定 卫卫 星星 广广 播播 星星 历历 及及 卫卫 星星 钟钟
9、模模 式式地地 面面 控控 制制 站站负负 责责 向向 卫卫 星星 注入信注入信 号号 GPS基础教程基础教程Tuesday,February 14,2023115 5 地面控制站地面控制站一个主控站：科罗拉多：科罗拉多斯必灵司斯必灵司三个注入站：阿松森阿松森(A Ascencionscencion)迭哥迭哥伽西亚伽西亚(Diego Garcia)Diego Garcia)卡瓦加兰卡瓦加兰(kwajaleinkwajalein)五个监测站=1=1个主控站个主控站+3+3个注入站个注入站+夏威夷夏威夷(H Hawaiiawaii)55HawaiiAscencionDiego Garciakwaj
10、aleinColorado springsTuesday,February 14,202312 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 lll GPS基础教程基础教程Tuesday,February 14,202313XllVlXllllllllVVVllVlllXlX距距距距 离离离离 测测测测 定定定定 原原原原 理理理理 GPS基础教程基础教程Tuesday,February 14,202314XllVlXllllVll距距距距 离离离离 测测测测 定定定定 原原原原 理理理理 GPS基础教程基础教程Tuesday,February 14,20231
11、5XllVlXllllllllVVVllVlllXlX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 GPS基础教程基础教程Tuesday,February 14,202316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 GPS基础教程基础教程Tuesday,February 14,2023172 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 在在 一一 曲曲 线线 上上R1R2点点点点 位位
12、位位 测测测测 定定定定 原原原原 理理理理 GPS基础教程基础教程Tuesday,February 14,2023183 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 GPS基础教程基础教程Tuesday,February 14,202319卫卫 星星 可可 被被 看看 作作 是是 在在 固固 定定 的的 轨轨 道道 上上 运运 动动 空空 中中 观观 测测 目目 标标每每 颗颗 卫卫 星星 播播 发发 独独
13、 立立 的的 时时 间间 码码 进进 行行 距距 离离 测测 量量常常 规规 GPS 接接 收收 仪仪 内内 置置 较较 为为 廉廉 价价 的的 钟，这钟，这 些些 钟钟 的的 计计 时时 精度精度 比比 卫卫 星星 上上 内内 置置 钟钟 的的 精精 度度 低低 得得 多多无无 线线 电电 电电 波波 以以 光光 速速 传传 播播(距距 离离 =光光 速速 x 时时 间间)设设 想想 一一 下下 接接 收收 仪仪 上上 钟钟 的的 误误 差差 对对 距距 离离 测测 定定 的的 影影 响响1/10 秒秒 的的 测测 时时 误误 差差 将将 引引 起起 30,000 Km 的的 距距 离离 误
14、误 差差1/1,000,000 秒秒 的的 测测 时时 误误 差差 将将 引引 起起 300 m 的的 距距 离离 误误 差差点点点点 位位位位 测测测测 定定定定 原原原原 理理理理 GPS基础教程基础教程Tuesday,February 14,2023204 段段 距距 离离 解解 决决 了了 纬纬 度，经度，经 度，高度，高 程程 和和 时时 间间 四四 个个 未未 知知 数数这这 就就 类类 似似 于于 测测 边边 交交 会会 问问 题题 的的 解解 决决 原原 理理 点点点点 位位位位 确确确确 定定定定 GPS基础教程基础教程Tuesday,February 14,202321 G
15、PS GPS 的的的的 信信信信 号号号号 结结结结 构构构构 每每 个个 GPS 卫卫 星星 播播 发发 一一 组组 信信 号号每每 组组 信信 号号 包包 括括 两两 个个 不不 同同 频频 率率 的的 载载 波波 信信 号号(L1 和和 L2)、两两 个个 不不 同同 的的 测测 距距 码码 信信 号号(C/A 码码 调调 制制 在在 L1 载载 波波 上，上，P 码码 或或 Y 码码 同同 时时 调调 制制 在在 L1 及及 L2 载载 波波 上上)以以 及及 卫卫 星星 的的 轨轨 道道 信信 息息 基 准 频 率10.23 MHzx 154x 120L11575.42 MHzL21
16、227.60 MHzC/A 码1.023 MHzP(Y)码10.23 MHzP(Y)-Code10.23 MHz/1050 bit/s卫 星 信 悉 (状 态 信 悉 和 星 历)GPS基础教程基础教程Tuesday,February 14,202322 测测测测 距距距距 码码码码 伪伪伪伪 距距距距 测测测测 定定定定 D=V(dT)测测 距距 伪伪 随随 机机 码码 每每 一一 卫卫 星星 播播 发发 一一 个个 伪伪 随随 机机 测测 距距 码码 信信 号，该号，该 信信 号号 大大 约约 每每 1 毫毫 秒秒 播播 发发 一一 次次接接 收收 仪仪 同同 时时 复复 制制 出出 一一
17、 个个 同同 样样 结结 构构的的 信信 号号 并并 与与 接接 收收 到到 的的 卫卫 星星 信信 号号 进进行行 比比 较较由由 信信 号号 的的 延延 迟迟 时时 间间(dT)推推 算算 出出 卫卫 星星 至至 接接 收收 仪仪 的的 距距 离离接接 收收 仪仪 时时 钟钟 应应 与与 卫卫 星星 钟钟 校校 时时dT 接 收 到 的卫 星 测 距 码 接 收 仪复 制 出 的 测 距 码 GPS基础教程基础教程Tuesday,February 14,202323D=c TN 载载载载 波波波波 相相相相 位位位位 测测测测 距距距距 载载 波波 相相 位位 观观 测测载载 波波 L1
18、的的 波波 长长 为为 19 cm，L2 的的 波波 长长为为 24 cm 接接 收收 仪仪 将将 接接 收收 到到 的的 卫卫 星星 载载 波波 信信 号号的的 相相 位位 与与 其其 自自 身身 产产 生生 的的 参参 考考 载载 波波信信 号号 的的 相相 位位 进进 行行 比比 较较接接 收收 仪仪 开开 机机 后，相后，相 位位 整整 周周 数数 未未 知知(带带 有有 整整 周周 模模 糊糊 度度)跟跟 踪踪 卫卫 星星 时时 间间 较较 长长 时时 距距 离离 的的 变变 化化可可 以以 测测 定定 (整整 周周 数数 保保 持持 不不 变变)T接 收 到 的 卫 星 相 位接
19、收 仪 复 制 出 的 相 位 GPS基础教程基础教程Tuesday,February 14,202324 点点点点 位位位位 测测测测 定定定定 精精精精 度度度度 10-30 10-30 mm单单 机机 定定 位位 用用 于于 导导 航，其航，其 定定 位位 精精 度度 大大 约约 在在 10 到到 30m 左左 右右 GPS基础教程基础教程Tuesday,February 14,202325P=正确位置正确位置P防电子欺骗技术(AS)选择性服务政策(SA)*SA技术已经于2000年5月取消理理 论论 上上 利利 用用 C/A 码码 可可 获获 取取 10-30m 的的 定定 位位 精精
20、度度30m100m GPS基础教程基础教程Tuesday,February 14,202326+/-100+/-100m(95%)m(95%)美美 国国 防防 部部 人为人为 降降 低低 卫卫 星星 广广 播播 信信 息息的的 精精 度，限度，限 制制 非非 许许 可可 用用 户的户的 非非 法法 使使 用用在在 基基 准准 信信 号号 上上 人人 为为 加加 入入 一一 个个 高高 频频 抖抖 动动 信信 号号(技术技术)人人 为为 降降 低低 卫卫 星星 星星 历历 精精 度度(技技 术术)此此 项项 技技 术术 称称 为为 选选 择择 可可 用用 性性 技技 术术点点 位位 精精 度度
21、为为 100 m(95%)P=P=正正正正 确确确确 位位位位 置置置置 P理理 论论 上上 基基 于于 C/A 码码 的的 定定 位位 精精 度度约约 为为 10-30m 选选选选 择择择择 可可可可 用用用用 性性性性 技技技技 术术术术 (SA)SA)30m100m GPS基础教程基础教程Tuesday,February 14,202327 点点点点 位位位位 测测测测 定定定定 精精精精 度度度度 10 10-100 -100 mm防电子欺骗技术防电子欺骗技术(AS)选择性服务政策选择性服务政策(SA)*SA技术已经于技术已经于2000年年5月取消月取消GPS基础教程基础教程Tuesd
22、ay,February 14,202328GPS定位的误差源定位的误差源8 GPS GPS 定位原理定位原理v与GPS卫星有关的因素SA技术 人为的降低广播星历精度(技术)卫星星历误差卫星钟差卫星信号发射天线相位中心偏差v与传播途径有关的因素电离层延迟对流层延迟多路径效应v与接收机有关的因素接收机钟差接收机天线相位中心误差接收机软件和硬件造成的误差Tuesday,February 14,202329如如 何何 提提 高高 GPS的测的测 量量 精精 度度?使使 用用差差 分分 GPS 技技 术术 GPS基础教程基础教程Tuesday,February 14,202330 差差差差 分分分分 定
23、定定定 位位位位 技技技技 术术术术 在在 测测 定定 流流 动动 站站 的的 座座 标标 时时 与与 之之 相相 关关 联联 的的 参参 考考 站站 的的 设设 置置 是是 必必 须须 的的 参参 考考 站站 (A)的的 座座 标标 须须 已已知知卫卫 星星 必必 须须 同同 时时 被被 跟跟 踪踪差差 分分 定定 位位削削 减减 卫卫 星星 及及 接接 收收 仪仪 钟钟的的 误误 差差 影影 响响大大 气气 影影 响响 削削 减减 至至 最最 小小精精 度度 达达 0.5 cm-5 mBaseline VectorBaseline VectorBA A GPS基础教程基础教程Tuesday
24、,February 14,202331伪伪 距距 差差 分分 测测 量量 精精 度度 可可 达达 0.5m-5 m 此此 种种 测测 量量 形形 式式 一一 般般 称称 为为 DGPS基基基基 线线线线 向向向向 量量量量 差差差差 分分分分 定定定定 位位位位 技技技技 术术术术 BA A GPS基础教程基础教程Tuesday,February 14,202332RTD测量原理图测量原理图测深仪电脑发射电台GPS主机基准站基准站移移动动站站GPS主机接收电台Tuesday,February 14,202333测深仪电脑信标台站信标台站移移动动站站GPS主机信标机测量原理图信标机测量原理图信标
25、天线Tuesday,February 14,202334如如 果果 使使 用用 载载 波波 差差 分分 或或 同同 时时 使使 用用 载载 波波 差差分分 及及 伪伪 距距 差差 分分 则则 定定位位 精精 度度 可可 达达 5-10 mm+1ppm基基基基 线线线线 向向向向 量量量量差差差差 分分分分 定定定定 位位位位 技技技技 术术术术 BA A GPS基础教程基础教程Tuesday,February 14,202335常规常规GPS的测量方法，如静态、快速静态、动态测的测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精
26、度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分采用了载波相位动态实时差分(Real-time kinematic)方法，是方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。外业作业效率。RTK定位时要求基准站接收机实时地把定位时要求基准站接收机实时地把观测数据观测数据(伪距观测值，相位观测值伪距观测值，相位观测值)及已知数据传输给及已知数据传输给流动站接收机。
27、流动站接收机。什么是什么是RTK技术技术Tuesday,February 14,202336发射电台GPS主机基准站基准站移移动动站站GPS主机RTK测量原理图测量原理图采集器接收电台Tuesday,February 14,202337Tuesday,February 14,202338时间(0)整周数时间(i)整周数整周变化数相位差测量 整整整整 周周周周 模模模模 糊糊糊糊 度度度度 在在 使使 用用 载载 波波 相相 位位 观观 测测 时时 整整 周周 数数 应应 被被 解解 算算 出出 来来相位差测量GPS基础教程基础教程Tuesday,February 14,202339精度精度(m
28、)1.000.100.01静态测量静态测量静态测量静态测量 0 120快速静态测量快速静态测量快速静态测量快速静态测量 0 2 5 时间时间(mins)未解算出整周模糊度时的测量精度 已解算出整周模糊度时的测量精度 解解解解 算算算算 整整整整 周周周周 模模模模 糊糊糊糊 度度度度 整整 周周 模模 糊糊 度度 的的 解解 算算 效效 果果 如如 下下 所所 示示注注 意意 到到 一一 旦旦 模模 糊糊 度度 被被 解解 出，测出，测 量量 精精 度度 将将 不不 随随 时时 间间 有有 明明显显 增增 长长 GPS基础教程基础教程Tuesday,February 14,202340一一 种
29、种 描描 述述 纯纯 粹粹 因因 卫卫 星星 几几 何何 因因 素素 对对 定定 点点 精精 度度 的的 影影 响响精精 度度 因因 子子 指指 出出 在在 测测 量量 时时 被被 跟跟 踪踪 卫卫 星星 几几 何何 结结 构构 上上 的的 强强 度度 GDOP GDOP(Geometrical)包包 括括 经经 度度,纬纬 度度,高高 程程 和和 时时 间间 等等 因因 子，子，称称 为为 几几 何何 精精 度度 因因 子子 PDOP PDOP(Positional)包包 括括 经经 度度,纬纬 度度 和和 高高 程程 等等 因因 子，子，称称 为为 空空 间间 位位 置置 精精 度度 因因
30、 子子 HDOP HDOP(Horizontal)包包 括括 经经 度度 和和 纬纬 度度 等等 因因 子，称子，称 为为平平 面面 位位 置置 精精 度度 因因 子子 VDOP VDOP(Vertical)仅仅 包包 括括 高高 程程 因因 子，称子，称 为为 高高 程程 精精 度度 因因 子子精精精精 度度度度 因因因因 子子子子 (DOP)DOP)较好的较好的较好的较好的 DOPDOP GPS基础教程基础教程 Tuesday,February 14,202341精精精精 度度度度 因因因因 子子子子 (DOP)DOP)较差的较差的较差的较差的 DOPDOP一一 种种 描描 述述 纯纯 粹
31、粹 因因 卫卫 星星 几几 何何 因因 素素 对对 定定 点点 精精 度度 的的 影影 响响精精 度度 因因 子子 指指 出出 在在 测测 量量 时时 被被 跟跟 踪踪 卫卫 星星 几几 何何 结结 构构 上上 的的 强强 度度 GDOP GDOP(Geometrical)包包 括括 经经 度度,纬纬 度度,高高 程程 和和 时时 间间 等等 因因 子，子，称称 为为 几几 何何 精精 度度 因因 子子 PDOP PDOP(Positional)包包 括括 经经 度度,纬纬 度度 和和 高高 程程 等等 因因 子，子，称称 为为 空空 间间 位位 置置 精精 度度 因因 子子 HDOP HDOP(Horizontal)包包 括括 经经 度度 和和 纬纬 度度 等等 因因 子，称子，称 为为平平 面面 位位 置置 精精 度度 因因 子子 VDOP VDOP(Vertical)仅仅 包包 括括 高高 程程 因因 子，称子，称 为为 高高 程程 精精 度度 因因 子子 GPS基础教程基础教程