GPS數(shù)據(jù)采集與處理PPT學習教案

1、會計學1GPS數(shù)據(jù)采集與處理數(shù)據(jù)采集與處理2第1頁/共72頁3GPS概述概述1GPS定位方法定位方法2GPS數(shù)據(jù)及其處理數(shù)據(jù)及其處理3GPS靜態(tài)測量的實施靜態(tài)測量的實施4GPS基線向量網(wǎng)與高程平差基線向量網(wǎng)與高程平差5RTK技術(shù)及其應(yīng)用技術(shù)及其應(yīng)用6第2頁/共72頁4GPSGPS是全球是全球定位定位系統(tǒng)系統(tǒng)(Global Position Systerm)(Global Position Systerm)的簡稱的簡稱第3頁/共72頁5第4頁/共72頁6例如：例如：GPSGPS用于大地測量用于大地測量第5頁/共72頁7第6頁/共72頁8一、一、GPSGPS的組成的組成GPSGPS由三個獨立的部分

2、組成由三個獨立的部分組成How手機手機？GPS空間星座部分空間星座部分地面監(jiān)控系統(tǒng)地面監(jiān)控系統(tǒng)用戶設(shè)備部分用戶設(shè)備部分第7頁/共72頁9一、一、GPSGPS的組成的組成 空間部分空間部分24顆顆GPS衛(wèi)星組成衛(wèi)星組成用戶部分用戶部分 GPS接收機接收機控制部分控制部分 1個主控站個主控站 3個注入站個注入站 5個監(jiān)控站個監(jiān)控站 注入站 監(jiān)控站監(jiān)控站主控站第8頁/共72頁10（一）（一）GPSGPS空間星座部分空間星座部分它由它由2424顆衛(wèi)星組成，其中包括顆衛(wèi)星組成，其中包括3 3顆可隨時啟用的備用衛(wèi)星。顆可隨時啟用的備用衛(wèi)星。分布在分布在6 6個軌道面上，每個軌道面上布放個軌道面上，每個軌道

3、面上布放4 4顆衛(wèi)星。顆衛(wèi)星。這種配置保障了在地球上任意地點，任意時刻，至少同時可見到這種配置保障了在地球上任意地點，任意時刻，至少同時可見到4 4顆衛(wèi)星。顆衛(wèi)星。第9頁/共72頁11（一）（一）GPSGPS空間星座部分空間星座部分GPS衛(wèi)星圖片衛(wèi)星圖片第10頁/共72頁12（一）（一）GPSGPS空間星座部分空間星座部分接收、儲存和處理地面監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)射來的導航電文及其它有關(guān)信息；接收、儲存和處理地面監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)射來的導航電文及其它有關(guān)信息；向用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導航與定位信息，并提供時間標準、衛(wèi)星本身的空間實時位置及其它在軌衛(wèi)星的概略位置；向用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導航與定位信息，并提供時間標準、衛(wèi)星

4、本身的空間實時位置及其它在軌衛(wèi)星的概略位置；接收并執(zhí)行地面監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送的控制指令，如調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)和啟用備用時鐘、備用衛(wèi)星等。接收并執(zhí)行地面監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送的控制指令，如調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)和啟用備用時鐘、備用衛(wèi)星等。GPSGPS衛(wèi)星的主要功能：衛(wèi)星的主要功能：第11頁/共72頁13（二）（二）GPSGPS地面監(jiān)控系統(tǒng)地面監(jiān)控系統(tǒng) 它由分布在全球的它由分布在全球的5 5個地面站組成，按其功能分為主控站個地面站組成，按其功能分為主控站(MCS)(MCS)、注入站、注入站(GA)(GA)和監(jiān)測站和監(jiān)測站(MS)(MS)三種。三種。第12頁/共72頁14（二）（二）GPSGPS地面監(jiān)控系統(tǒng)地面監(jiān)控系統(tǒng) （1 1）

5、主控站主控站：1 1個，設(shè)在美國的科羅拉多的斯普林斯個，設(shè)在美國的科羅拉多的斯普林斯(Colorado Springs)(Colorado Springs)的空軍基地。的空軍基地。主控站負責協(xié)調(diào)和管理所有地面監(jiān)控系統(tǒng)的工作主控站負責協(xié)調(diào)和管理所有地面監(jiān)控系統(tǒng)的工作 第13頁/共72頁15（二）（二）GPSGPS地面監(jiān)控系統(tǒng)地面監(jiān)控系統(tǒng) （2 2）注入站注入站（又稱地面天線站）：（又稱地面天線站）：3 3個，分別設(shè)在南大西洋的阿松森群島、印度洋的迪哥加西亞和南太平洋的卡瓦加蘭。個，分別設(shè)在南大西洋的阿松森群島、印度洋的迪哥加西亞和南太平洋的卡瓦加蘭。 將來自主控站的衛(wèi)星星歷、鐘差、導航電文和將來

6、自主控站的衛(wèi)星星歷、鐘差、導航電文和其它控制指令注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲系統(tǒng)，并監(jiān)其它控制指令注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲系統(tǒng)，并監(jiān)測注入信息的正確性。測注入信息的正確性。第14頁/共72頁16（二）（二）GPSGPS地面監(jiān)控系統(tǒng)地面監(jiān)控系統(tǒng) （3 3）監(jiān)測站監(jiān)測站：共：共5 5個，除上述個，除上述4 4個地面站具有監(jiān)測站功能外，還在夏威夷個地面站具有監(jiān)測站功能外，還在夏威夷(Hawaii)(Hawaii)設(shè)有一個監(jiān)測站。設(shè)有一個監(jiān)測站。高度自動化高度自動化：GPSGPS地面監(jiān)控系統(tǒng)除主控站外均由計算機自動控制，而勿需人工操作。地面監(jiān)控系統(tǒng)除主控站外均由計算機自動控制，而勿需人工操作。第15頁/共72頁1

7、7（三）（三）GPSGPS用戶設(shè)備部分用戶設(shè)備部分GPSGPS用戶設(shè)備部分，包括用戶設(shè)備部分，包括GPSGPS接收機硬件接收機硬件、數(shù)據(jù)處理軟件和微處理機及其終端設(shè)備。、數(shù)據(jù)處理軟件和微處理機及其終端設(shè)備。 u跟蹤、接收、放跟蹤、接收、放大、處理衛(wèi)星信大、處理衛(wèi)星信號，測量出信號號，測量出信號從衛(wèi)星到天線的從衛(wèi)星到天線的傳播時間。傳播時間。u解譯導航電文，解譯導航電文，實時解算測站三實時解算測站三維位置。維位置。第16頁/共72頁18GPSGPS的組成的組成注入站注入站空間星座部分：空間星座部分： 提供星歷和時間信息提供星歷和時間信息 發(fā)射偽距和載波信號發(fā)射偽距和載波信號 提供其它輔助信息提供

8、其它輔助信息地面控制部分：地面控制部分： 中心控制系統(tǒng)中心控制系統(tǒng) 實現(xiàn)時間同步實現(xiàn)時間同步 跟蹤衛(wèi)星進行定軌跟蹤衛(wèi)星進行定軌用戶部分： 接收衛(wèi)星信號接收衛(wèi)星信號 記錄處理數(shù)據(jù)記錄處理數(shù)據(jù) 提供導航定位信息提供導航定位信息第17頁/共72頁19二、二、GPSGPS的信號的信號GPS衛(wèi)星發(fā)射兩種頻率的載波信號：L1L1載波載波、L2L2載波載波。在L1和L2上又分別調(diào)制著多種信號，這些信號主要有：C/AC/A碼碼（粗捕獲碼）、P P碼碼（精碼）它們的頻率分別是基本頻率的154倍和120倍，它們的波長分別為和。第18頁/共72頁20三、三、GPSGPS定位系統(tǒng)的坐標系統(tǒng)定位系統(tǒng)的坐標系統(tǒng)任何測量都

9、離不開一個基準基準，都需要一個特定的坐標系統(tǒng)。GPS是全球性的定位導航系統(tǒng)，因此它采用國際協(xié)議確定的協(xié)議地球坐標系（CTS），即WGS-84WGS-84世界大地坐標系世界大地坐標系。第19頁/共72頁21四、四、GPSGPS的服務(wù)的服務(wù)GPS服務(wù)服務(wù)SPS服務(wù)服務(wù)PPS服務(wù)服務(wù)標準定位服務(wù)標準定位服務(wù)：面向全世界民用：面向全世界民用用戶用戶精密定位服務(wù)精密定位服務(wù)：面向美國及其盟：面向美國及其盟國的軍事部門以及民國的軍事部門以及民用特許用戶用特許用戶Back第20頁/共72頁22第21頁/共72頁23一、一、GPSGPS定位方法的分類定位方法的分類(一)根據(jù)定位所采用的觀測值偽距法偽距法 +

10、+ 載波定位法載波定位法(二)根據(jù)定位的模式絕對定位絕對定位 + + 相對定位相對定位(三)根據(jù)獲取定位結(jié)果的時間實時定位實時定位 + + 非實時定位非實時定位(四)根據(jù)定位時接收機的狀態(tài)靜態(tài)定位靜態(tài)定位 + + 動態(tài)定位動態(tài)定位第22頁/共72頁24一、一、GPSGPS定位方法的分類定位方法的分類(一)根據(jù)定位所采用的觀測值觀測值偽距法偽距法載波定位法載波定位法GPS偽距觀測值GPS載波相位觀測值，即L1、L2或其線性組合第23頁/共72頁25一、一、GPSGPS定位方法的分類定位方法的分類(二)根據(jù)定位的模式模式絕對定位絕對定位( (單點定位單點定位) )相對定位相對定位( (差分定位差分

11、定位) )是利用 GPS 獨立確定用戶接收機天線(觀測站)在 WGS-84 坐標系中的絕對位置(單機)在 WGS-84 坐標系中確定收機天線(觀測站)與某一地面參考點之間的相對位置，或兩觀測站之間相對位置(多機)第24頁/共72頁26一、一、GPSGPS定位方法的分類定位方法的分類(二)根據(jù)定位的模式絕對定位絕對定位( (單點定位單點定位) )相對定位相對定位( (差分定位差分定位) )第25頁/共72頁27一、一、GPSGPS定位方法的分類定位方法的分類(三)根據(jù)獲取定位結(jié)果的時間結(jié)果的時間實時定位實時定位非實時定位非實時定位根據(jù)接收機觀測到的數(shù)據(jù)，實時地解算實時地解算出接收機天線所在的位置

12、通過對接收機接收到的數(shù)據(jù)進行處理后處理后進行定位第26頁/共72頁28一、一、GPSGPS定位方法的分類定位方法的分類(四)根據(jù)定位時接收機的狀態(tài)接收機的狀態(tài)靜態(tài)定位靜態(tài)定位動態(tài)定位動態(tài)定位GPS接受機在整個觀測進程中的位置固定固定不動GPS接收機在整個觀測進程中的位置是變化變化的第27頁/共72頁29GPS定位方法定位方法根據(jù)定位所采用的觀測值偽距法偽距法 + + 載波相位法載波相位法根據(jù)定位的模式絕對定位絕對定位 + + 相對定位相對定位根據(jù)獲取定位結(jié)果的時間實時定位實時定位 + + 非實時定位非實時定位根據(jù)定位時接收機的狀態(tài)靜態(tài)定位靜態(tài)定位 + + 動態(tài)定位動態(tài)定位第28頁/共72頁30

13、二、二、GPSGPS測量方法測量方法實時動態(tài)定位實時動態(tài)定位靜態(tài)靜態(tài)( (準動態(tài)準動態(tài)) )相對定位相對定位事后處理動態(tài)定位事后處理動態(tài)定位GPS定位Back內(nèi)容略，有興趣的同學請自學。第29頁/共72頁31第30頁/共72頁32一、一、GPSGPS基本定位原理基本定位原理偽距測量定位偽距測量定位載波相位測量定位載波相位測量定位GPSGPS基本定位方法：基本定位方法：第31頁/共72頁33一、一、GPSGPS基本定位原理基本定位原理(一)偽距測量偽距測量定位原理偽距觀測量偽距觀測量：是通過測量衛(wèi)星信號從發(fā)射時刻到接收機接收時刻的時延時延，然后乘以光速得到的距離觀測量距離觀測量。偽距定位觀測方程

14、式偽距定位觀測方程式坐標推算坐標推算：觀測：觀測4顆以上衛(wèi)星列出4個以上方程式4個未知數(shù)第32頁/共72頁34接收機對跟蹤的每一顆衛(wèi)星進行測距接收機對跟蹤的每一顆衛(wèi)星進行測距地心SiPijPj riRjRj = ri +Pij有關(guān)各觀測量及已知數(shù)據(jù)如下有關(guān)各觀測量及已知數(shù)據(jù)如下：r 為已知的衛(wèi)地矢量P為觀測量（偽距）R為未知的測站點位矢量第33頁/共72頁35距離交會法距離交會法第34頁/共72頁36一、一、GPSGPS基本定位原理基本定位原理(二)載波相位測量載波相位測量定位原理載波相位觀測量載波相位觀測量：是接收機測量得到的衛(wèi)星信號載波與測量時刻接收機產(chǎn)生的本振載波相位的。通過測量載波的而

15、求得接收機到GPS衛(wèi)星的。第35頁/共72頁37二、二、GPSGPS數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)預(yù)處理數(shù)據(jù)預(yù)處理基線解算基線解算GPSGPS網(wǎng)平差網(wǎng)平差GPS數(shù)據(jù)處理基本流程第36頁/共72頁38二、二、GPSGPS數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)(一) GPS測量的誤差源第37頁/共72頁39二、二、GPSGPS數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)(二) GPS測量誤差消減對策Back第38頁/共72頁40GPSGPS靜態(tài)定位有著廣泛的應(yīng)用。靜態(tài)定位有著廣泛的應(yīng)用。例如：大地測量、工程測量、例如：大地測量、工程測量、地籍測量地籍測量、變形監(jiān)測、變形監(jiān)測、第39頁/共72頁41精度高精度高：常規(guī)測量手段選點靈活、費用低選點靈活、

16、費用低：不需通視全天候全天候：黑夜、刮風下雨觀測時間短觀測時間短：特別是快速靜態(tài)定位第40頁/共72頁42二、二、GPSGPS布網(wǎng)方法布網(wǎng)方法(一)GPS基線向量網(wǎng)的基線向量網(wǎng)的等級等級我國2001年頒布的GPS測量規(guī)范：六個級別六個級別：AAAA、A A、B B、C C、D D、E EAA、A級網(wǎng)可作為地心參考框架的基礎(chǔ)；AA、A、B一般可作為國家空間大地測量控制網(wǎng)的基礎(chǔ)；C級網(wǎng)為地方控制網(wǎng)和工程網(wǎng)；D級網(wǎng)為工程控制網(wǎng)；E級網(wǎng)為測圖網(wǎng)。第41頁/共72頁43二、二、GPSGPS布網(wǎng)方法布網(wǎng)方法(二)GPS基線向量網(wǎng)的基線向量網(wǎng)的布網(wǎng)形式布網(wǎng)形式跟蹤站式跟蹤站式會戰(zhàn)式會戰(zhàn)式單基準站式單基準站式

17、多基準站式多基準站式同步圖形擴展式同步圖形擴展式第42頁/共72頁44二、二、GPSGPS布網(wǎng)方法布網(wǎng)方法(二)GPS基線向量網(wǎng)的基線向量網(wǎng)的布網(wǎng)形式布網(wǎng)形式跟蹤站式跟蹤站式 若干GPS接收機固定，36524不間斷觀測會戰(zhàn)式會戰(zhàn)式不太長時間內(nèi)一次集中多臺GPS接收機，共同作業(yè)。第43頁/共72頁45二、二、GPSGPS布網(wǎng)方法布網(wǎng)方法(二)GPS基線向量網(wǎng)的基線向量網(wǎng)的布網(wǎng)形式布網(wǎng)形式單基準站式單基準站式 一臺接收機作為基準站連續(xù)觀測,其余接收機在基準站觀測期間在其周圍流動，每到一點就進行觀測。多基準站式多基準站式 多臺GPS接收機構(gòu)成多個基準站，另外接收機在基準站周圍進行同步觀測。流動站流動

18、站基準站基準站第44頁/共72頁46二、二、GPSGPS布網(wǎng)方法布網(wǎng)方法(二)GPS基線向量網(wǎng)的基線向量網(wǎng)的布網(wǎng)形式布網(wǎng)形式同步圖形擴展式同步圖形擴展式 多臺接收機在不同測站上進行同步觀測不同測站上進行同步觀測，在完成一個時段的同步觀測后，又遷移到其它的測站上進行同步觀測，每次同步觀測都可以形成一個同步圖形每次同步觀測都可以形成一個同步圖形。 在測量過程中，不同的同步圖形間一般有若干個公若干個公共點共點相連，整個GPS網(wǎng)由這些同步圖形構(gòu)成。（下頁圖） 第45頁/共72頁47二、二、GPSGPS布網(wǎng)方法布網(wǎng)方法(二)GPS基線向量網(wǎng)的基線向量網(wǎng)的布網(wǎng)形式布網(wǎng)形式同步圖形擴展式同步圖形擴展式點連式

19、點連式（7 7個三角形）個三角形）邊連式邊連式（1414個三角形）個三角形）混連式混連式（1010個三角形）個三角形）第46頁/共72頁48三、三、GPSGPS基線解算過程基線解算過程 原始觀測數(shù)據(jù)的讀入：數(shù)據(jù)處理軟件 外業(yè)輸入數(shù)據(jù)的檢查與修改 設(shè)定基線解算的控制參數(shù) 基線解算 基線質(zhì)量的檢驗 平差 成果轉(zhuǎn)化 Back GPSGPS基線解算基線解算：是利用GPS觀測值，通過數(shù)據(jù)處理，得到測站的坐標坐標或測站間的基線向量值基線向量值。第47頁/共72頁49第48頁/共72頁502()coscos()cossin(1)sinXNHBLYNHBLZNeHB2222arctan()()arctan()

20、(1)(1)sinYLXZ NHBXYNeHZHNeB(, ,)( , ,)X Y ZL B H2222221sin( ,)aNeBabea ba分別為長、短半軸第49頁/共72頁51二、二、GPSGPS基線向量網(wǎng)平差基線向量網(wǎng)平差(一)網(wǎng)平差的網(wǎng)平差的分類分類根據(jù)平差所進行的坐標空間坐標空間： 三維平差、二維平差三維平差、二維平差 根據(jù)平差時所采用的觀測值和起算數(shù)據(jù)觀測值和起算數(shù)據(jù)的數(shù)量和類型： 無約束平差、約束平差、聯(lián)合平差無約束平差、約束平差、聯(lián)合平差GPSGPS網(wǎng)平差的類型有多種：網(wǎng)平差的類型有多種： 第50頁/共72頁52二、二、GPSGPS基線向量網(wǎng)平差基線向量網(wǎng)平差 提取基線向量

21、，構(gòu)建GPS基線向量網(wǎng) 三維無約束平差 約束平差/聯(lián)合平差 質(zhì)量分析與控制 (二)網(wǎng)平差的網(wǎng)平差的過程過程第51頁/共72頁53正常高系統(tǒng)：正常高系統(tǒng)：以似大地水準面似大地水準面為基準，HrBack正高系統(tǒng)：正高系統(tǒng)：以大地水準面大地水準面為基準，Hg大地高系統(tǒng)：大地高系統(tǒng)：以參考橢球面參考橢球面為基準，H三、三、GPSGPS高程系統(tǒng)高程系統(tǒng)GPSGPS？第52頁/共72頁54常規(guī)GPS的測量方法，如靜態(tài)、快速靜態(tài)、動態(tài)測量，都需要事后進行解算事后進行解算才能獲得cm級的精度，而RTKRTK技術(shù)技術(shù)是能夠在野外實時實時得到cm級定位精度的測量方法。第53頁/共72頁55RTK是載波相位動態(tài)實時差分載