大地形變測量儀器PPT課件

1、大地形變測量儀器 第三章第三章 大地形變測量儀器大地形變測量儀器 目前主要使用的儀器有：目前主要使用的儀器有： 一、水準(zhǔn)測量和數(shù)字水準(zhǔn)儀一、水準(zhǔn)測量和數(shù)字水準(zhǔn)儀 二、二、GPS定位技術(shù)和定位技術(shù)和GPS接收機(jī)接收機(jī) 大地形變測量儀器 第一節(jié)第一節(jié) GPS接收機(jī)接收機(jī) 一、工作原理與結(jié)構(gòu) 任一時刻t，在地面上的某個觀測站同時觀測到四 顆衛(wèi)星，這些衛(wèi)星在t時刻的空間位置為已知，觀 測站的GPS接收機(jī)衛(wèi)星發(fā)出的信號，根據(jù)電磁波信 號在空間傳播的時間測得衛(wèi)星至GPS接收機(jī)的距離， 就可以確定GPS接收機(jī)的空間位置和鐘差。這種方 法類似于經(jīng)典測量中的“后方距離交會法”。 大地形變測量儀器 GPS接收機(jī)主

2、要由GPS接收機(jī)天線單元、GPS接收機(jī) 主機(jī)單元和電源三部組成。天線單元的主要功能是將 GPS衛(wèi)星信號非常微弱的電磁波轉(zhuǎn)化為電流，并對這 種信號電流進(jìn)行放大和變頻處理。而接收機(jī)單元的主要 功能是對經(jīng)過放大和變頻處理的信號電源進(jìn)行跟蹤、處 理和測量，描述了GPS信號接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。 大地形變測量儀器 GPS接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 大地形變測量儀器 如果把GPS接收機(jī)作為用戶測量系統(tǒng)，那么按其構(gòu) 成部分的性質(zhì)和功能，可分為硬件部分和軟件部分。 硬件部分，主要系指上述天線單元、接收單元的硬 件設(shè)備。而軟件部分是支持接收機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)其功能， 并完成各種導(dǎo)航與定位任務(wù)的重要條件。所謂內(nèi)軟件 是指諸如控制接收機(jī)

3、信號通道按時序?qū)Ω餍l(wèi)星信號進(jìn) 行量測的軟件以及內(nèi)存或固化在中央處理器中的自動 操作程序等。 大地形變測量儀器 天線單元由接收天線和前置放大器兩個部件組成，如 圖所示。其基本功能，是接收GPS衛(wèi)星信號，并把衛(wèi) 星信號的能量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流量，經(jīng)過前置放大器， 將微弱的GPS信號電流予以放大，送入頻率變換器進(jìn) 行頻率變換，以便接收機(jī)對信號進(jìn)行跟蹤和量測。 大地形變測量儀器 大地形變測量儀器 對天線的要求對天線的要求 (1)天線與前置放大器一般應(yīng)密封為一體。以保障其在惡劣的 氣象環(huán)境中能正常工作，并減少信號損失。 (2)天線均應(yīng)成全圓極化。使天線的作用范圍為整個上半球， 在天頂處不產(chǎn)生死角，以保證能

4、接收來自天空任何方向的衛(wèi)星 信號。 (3)天線必須采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)和屏蔽措施。以最大限度地減弱 信號的多路徑效應(yīng)，防止信號被干擾。 (4)天線的相位中心與幾何中心之間的偏差應(yīng)盡量小，且保持 穩(wěn)定。由于GPS測量的觀測量，是以天線的相位中心為準(zhǔn)的，而 在作業(yè)過程中，應(yīng)盡可能保持兩個中心的一致性和相位中心的 穩(wěn)定。 大地形變測量儀器 目前，GPS接收機(jī)的天線有多種類型，其基本類型 如下圖所示。 大地形變測量儀器 大地形變測量儀器 (1)單極天線。這種天線屬單頻天線，具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小的優(yōu) 點(diǎn)。需要安裝在一塊基板上，以利于減弱多路徑的影響。 (2)螺旋形天線。這種天線頻帶寬，全圓極化性能好，可接收來

5、自 任何方向的衛(wèi)星信號。常用作導(dǎo)航型接收機(jī)天線。 (3)微帶天線。微帶天線是在一塊介質(zhì)板的兩面貼以金屬片，其結(jié) 構(gòu)簡單且堅固，重量輕，高度低。既可用于單頻機(jī)，也可用于雙頻 機(jī)。這種天線更適用于飛機(jī)、火箭等高速飛行物上。 (4)錐形天線。這種天線是在介質(zhì)錐體上，利用印刷電路技術(shù)在其 上制成導(dǎo)電圓錐螺旋表面，也稱盤旋螺線型天線。這種天線可同時 在兩個頻道上工作，主要優(yōu)點(diǎn)是增益性好。但由于天線較高，而且 螺旋線在水平方向上不完全對稱，因此天線的相位中心與幾何中心 不完全一致。 (5)帶扼流圈的振子天線，也稱扼流圈天線。這種天線的主要優(yōu)點(diǎn) 是，可以有效地抑制多路徑誤差的影響。 大地形變測量儀器 接收單

6、元接收單元 GPS信號接收機(jī)的接收單元主要由信號通道單元、存儲單元、 計算和顯示控制單元、電源等4個部分組成。 信號通道信號通道 信號通道是接收單元的核心部件，它不是一種簡單的信號通 道，而是一種由硬件和相應(yīng)的控制軟件相結(jié)合的有機(jī)體。 大地形變測量儀器 若根據(jù)通道的工作原理，即對信號處理和量測的不同方式，則可 分為碼相關(guān)型通道、平方型通道和碼相位型通道，它們分別采用不 同的解調(diào)技術(shù)，三者的基本特點(diǎn)如下： (1)相關(guān)型波道：用偽噪聲碼互相關(guān)電路，實(shí)現(xiàn)對擴(kuò)頻信號的解擴(kuò)， 解譯出衛(wèi)星導(dǎo)航電文。 (2)平方型波道：用GPS信號自乘電路，僅能獲取二倍于原載頻的 重建載波，抑制了數(shù)據(jù)碼，無法獲取衛(wèi)星導(dǎo)航電

7、文。 (3)碼相位波道：用GPS信號時延電路和自乘電路相結(jié)合的方法， 獲取P碼或C/A碼的碼率正弦波，僅能測量碼相位，而無法獲取衛(wèi)星 導(dǎo)航電文。 若根據(jù)跟蹤衛(wèi)星信號的不同方式，則可分為序貫通道、多路復(fù)用 通道和多通道。 大地形變測量儀器 存儲器存儲器 接收機(jī)內(nèi)設(shè)有存儲器，以存儲一小時一次的衛(wèi)星星歷、衛(wèi) 星歷書，接收機(jī)采集到的碼相位偽距觀測值、載波相位觀測值 及人工測量數(shù)據(jù)。 計算與顯控計算與顯控 圖7-1中的顯控器，通常包括一個視屏顯示窗和一組控制鍵 盤，它們有的安設(shè)在接收單元的面板上，有的作為一個獨(dú)立的終 端設(shè)備。它是人機(jī)對話的窗口，通過它，可對接收機(jī)進(jìn)行配置， 讓接收設(shè)備按照配置的要求去工

8、作。 電源電源 GPS接收機(jī)的電源有兩種：一種是內(nèi)電源，一般采用鋰電池， 主要用于為RAM存儲器供電，以防止數(shù)據(jù)丟失；另一種為外接電源， 這種電源常采用可充電的12V直流鎘鎳電池組或鋰電池，有的也可 采用汽車電瓶。 大地形變測量儀器 技術(shù)要求與參數(shù)設(shè)定技術(shù)要求與參數(shù)設(shè)定 GPS連續(xù)站GPS接收機(jī)主要技術(shù)要求 接收機(jī)天線的技術(shù)要求 輔助設(shè)施技術(shù)要求 GPS連續(xù)觀測站技術(shù)參數(shù)設(shè)定要求 大地形變測量儀器 GPS連續(xù)站連續(xù)站GPS接收機(jī)主要技術(shù)要求：接收機(jī)主要技術(shù)要求： 1、偽碼距測量精度優(yōu)于 m，載波相位測量精度優(yōu)于 Hz 2、有足夠的通道能同時接收不少于8個GPS衛(wèi)星的L1C/A偽碼距、 L1與L

9、2的P碼偽距，L1與L2全波長載波相位觀測值。 3、最小數(shù)據(jù)采樣間隔小于或等于0.5秒 4、接收機(jī)晶振的穩(wěn)定性不低于 5、數(shù)據(jù)純屬介質(zhì)至少能存儲30s采樣間隔不少于8個衛(wèi)星240小時 的連續(xù)觀測數(shù)據(jù) 6、可連接計算機(jī)，數(shù)據(jù)能以壓縮格式以不低于19.2kbps的速率下 載，數(shù)據(jù)下載時仍能進(jìn)行衛(wèi)星連續(xù)跟蹤、數(shù)據(jù)記錄 7、在-30C+55C及相對濕度0%100%的環(huán)境下能長期連續(xù) 正常工作。 8、可用直流電供電并且可同時用電壓200240V交流電供電 2 . 001. 0 8 101 大地形變測量儀器 接收機(jī)天線技術(shù)要求：接收機(jī)天線技術(shù)要求： 1、抗多路徑效應(yīng)干擾 2、在-40C+65C及相對濕度0

10、%100%的環(huán)境下能長期連續(xù) 正常工作 3、天線相位中心穩(wěn)定，非零相位中心天線有方向標(biāo)志線 4、抗AS，即在AS條件下仍可接收L1、L2的P碼偽距 5、在電離層活動強(qiáng)時或其他強(qiáng)無線電干擾時能正常工作 大地形變測量儀器 輔助設(shè)施技術(shù)要求：輔助設(shè)施技術(shù)要求： 1、數(shù)字氣象儀 2、計算機(jī) 3、電源（不間斷電源、太陽能電源） 大地形變測量儀器 GPS連續(xù)觀測站技術(shù)參數(shù)設(shè)定要求：連續(xù)觀測站技術(shù)參數(shù)設(shè)定要求： 1、測站名：4位英文大寫字符、數(shù)字組合縮寫名 2、時段定義：開始時間GPS Time0：00：00，結(jié)束時間 GPS Time23：59：59 3、采樣間隔：30s，應(yīng)急狀態(tài)采樣間隔不低于1s 4、

11、截止高度角：5。 5、最少衛(wèi)星數(shù)：1。 6、有循環(huán)記錄緩沖區(qū)的接收機(jī)，緩沖區(qū)設(shè)定：5MB，緩沖 區(qū)采樣間隔1s 7、氣象數(shù)據(jù)采樣間隔：30分鐘。 大地形變測量儀器 在GPS測量中，為了屏蔽遮擋物（如建筑物、樹木等）及 多路徑效應(yīng)的影響所設(shè)定的蔽遮高度角，低于此角視空域 的衛(wèi)星不予跟蹤。 晶振一般采用如圖a電容三端式(考畢茲) 交流等效振蕩電路； 實(shí)際的晶振交流等效電路如圖b，其中Cv是用來調(diào)節(jié)振蕩頻 率，一般用變?nèi)荻O管加上不同的反偏電壓來實(shí)現(xiàn)，這也是 壓控作用的機(jī)理；把晶體的等效電路代替晶體后如圖c。其中 Co，C1，L1，RR是晶體的等效電路。 大地形變測量儀器 檢驗(yàn)與維護(hù)檢驗(yàn)與維護(hù) 一、

12、天線相位中心穩(wěn)定性檢測一、天線相位中心穩(wěn)定性檢測 二、二、GPS接收機(jī)內(nèi)部噪聲水平檢測接收機(jī)內(nèi)部噪聲水平檢測 三、三、GPS儀器野外作業(yè)性能檢測儀器野外作業(yè)性能檢測 大地形變測量儀器 試驗(yàn)采用相對測定法進(jìn)行，試驗(yàn)時將接收天線安置在基線 端點(diǎn)上，強(qiáng)制對中、整平后，將天線定向標(biāo)志指向正北， 觀測一個時段（1小時）；然后固定一個天線，另一個天 線依次旋轉(zhuǎn)90、180、270，再測三個時段；接著原固 定不動的天線相對于原來轉(zhuǎn)動的天線依次旋轉(zhuǎn)0、90、 180、270，再測四個時段。分別求出各時段基線值，同 一基線觀測值最大互差不能超過2倍固定誤差 一、天線相位中心穩(wěn)定性檢測一、天線相位中心穩(wěn)定性檢測

13、大地形變測量儀器 時段天線1方位天線2方位基線長度m 1004.6953 20904.6945 301804.6897 402704.6920 5004.6948 69004.6935 718004.6968 827004.6993 相對測定法各方向基線長度 同樣我們得到了天線相位中心偏離校準(zhǔn)結(jié)果： 平面偏差Px= +1.37 mm 標(biāo)準(zhǔn)不確定度U = 1.22 mm 平面偏差Py= +1.68 mm 標(biāo)準(zhǔn)不確定度U = 0.51 mm 大地形變測量儀器 檢測采用超短基線法進(jìn)行，檢驗(yàn)基線長約5米，基線端點(diǎn) 為鋼筋混凝土水泥墩，上面安有強(qiáng)制對中盤，確保對中 誤差小于0.2mm，觀測墩上方無強(qiáng)干擾

14、源和遮擋物，可 保證良好的觀測條件，基線長度采用銦鋼帶尺丈量。試 驗(yàn)采用同步觀測1小時,共觀測2個時段 標(biāo)準(zhǔn)長度m時段1長度 m 時段2長度 m 4.69324.69534.6948 顯然，二個時段所得的距離與標(biāo)準(zhǔn)長度之差遠(yuǎn)小于 儀器標(biāo)稱的固定誤差。根據(jù)GPS檢定規(guī)程我們得到 該接收機(jī)內(nèi)部噪聲水平如下： 內(nèi)部噪聲偏差分量x= +0.15 mm 內(nèi)部噪聲偏差分量y= -0.85 mm 內(nèi)部噪聲偏差分量z= +0.05 mm 內(nèi)部噪聲偏差 = -0.15 mm 二、二、GPS接收機(jī)內(nèi)部噪聲水平檢測接收機(jī)內(nèi)部噪聲水平檢測 大地形變測量儀器 二、二、GPS接收機(jī)內(nèi)部噪聲水平檢測接收機(jī)內(nèi)部噪聲水平檢測

15、一般采用零基線檢驗(yàn)接收機(jī)內(nèi)部噪聲水平。零基線是檢驗(yàn)接收機(jī) 鐘差、信號通道時延，延遲鎖相環(huán)誤差及機(jī)內(nèi)噪聲等電性能鎖引 起的定位誤差的一種有效方法。 零基線測試方法： 1、選擇周圍高度角10以上無障礙物地方安放天線，連接功分器 2、連接電源 3、2臺儀器同步接收衛(wèi)星兩小時（一個時段） 4、交換接收機(jī)天線接口，按要求再觀測一個時段 5、用靜態(tài)定位軟件計算基線分量和基線長度 大地形變測量儀器 三、三、GPS儀器野外作業(yè)性能檢測儀器野外作業(yè)性能檢測 野外作業(yè)性能檢測包括: （一）短基線檢測 （二）長基線檢測 大地形變測量儀器 （一）短基線檢測 GPS儀器的短基線實(shí)測檢驗(yàn)必須在國家技術(shù)監(jiān)督局授權(quán)的比長 基

16、線場進(jìn)行 檢測方法：將儀器依次至于不同的觀測墩上，構(gòu)成4條不同長度 的基線（242000m），每條基線測量4小時。觀測基線與真值之 差應(yīng)符合儀器的標(biāo)稱精度。 （二）長基線檢測 GPS儀器的長基線實(shí)測檢驗(yàn)可在專門的GPS比長基線網(wǎng)或在適當(dāng) 的場地進(jìn)行（1001000km）。 大地形變測量儀器 檢測方法：可多臺儀器同測。儀器分別置于基線兩端，觀測4 晝夜，每1晝夜為1個單解日?？捎孟铝泄接嬎愀骰€的重 復(fù)精度?；€水平分量的重復(fù)精度優(yōu)于5mm，垂直分量優(yōu)于 15mm。 n i i n i i i cc n n R 1 2 1 2 2 1 )( 1 其中： n i i n i ii c c 1 2

17、 1 2 /1 / 大地形變測量儀器 比長基線場是野外長度計量檢定標(biāo)準(zhǔn)，其相對精度為 ， 主要用于全站儀、測距儀和GPS接收機(jī)（測量用）的檢定。 比長基線場的選址要求地勢平坦、地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、無強(qiáng)電 磁波輻射，長度須在10001200米，基線延長方向無重 大建筑物。 6 101 大地形變測量儀器 設(shè)備安裝與調(diào)試設(shè)備安裝與調(diào)試 GPS連續(xù)觀測站設(shè)備，由觀測設(shè)備、電源設(shè)備和下載存 儲通信傳輸設(shè)備三個部分組成 大地形變測量儀器 1 偽距差分原理 這是應(yīng)用最廣的一種差分。在基準(zhǔn)站上，觀測所有衛(wèi)星， 根據(jù)基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)和各衛(wèi)星的坐標(biāo)，求出每顆衛(wèi)星每一時刻 到基準(zhǔn)站的真實(shí)距離。再與測得的偽距比較，得出偽距改

18、正數(shù)， 將其傳輸至用戶接收機(jī)，提高定位精度。 這種差分，能得到米級定位精度，如沿海廣泛使用的“信 標(biāo)差分” 2載波相位差分原理 載波相位差分技術(shù)又稱RTK（Real Time Kinematic）技術(shù)， 是實(shí)時處理兩個測站載波相位觀測量的差分方法。即是將基準(zhǔn) 站采集的載波相位發(fā)給用戶接收機(jī)，進(jìn)行求差解算坐標(biāo)。 載波相位差分可使定位精度達(dá)到厘米級。大量應(yīng)用于動態(tài) 需要高精度位置的領(lǐng)域。 大地形變測量儀器 上海思增的GPS車輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)是由GPS移動終端GPRS/GSM （CDMA1X/CDMA）、傳輸系統(tǒng)和監(jiān)控中心三部分組成。 （1）GPS 移動終端 GPS 移動終端包括GPS汽車防盜跟蹤器，它將接收到的GPS 定位信息經(jīng)過 處理后，計算出車輛的經(jīng)度、緯度、速度、方向。 （2）傳輸系統(tǒng) 傳輸系統(tǒng)由GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)、短信中心、GSM前置機(jī)、交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)電纜組 成，它負(fù)責(zé)GPS移動終端與監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸。 （3）監(jiān)控中心 監(jiān)控中心是整個系統(tǒng)的核心，直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定、有效運(yùn)行。它將GPS移 動終端通