GPS測量的原理與應用電子教案

GPS測量的

原理

與

應用基本原理 GPS根底教程 GPS根底教程傳統(tǒng)測量技術(shù)的缺陷GPS優(yōu)勢GPS的主要特性GPS系統(tǒng)的組成距離測定的基本原理點位測定的基本原理GPS的信號結(jié)構(gòu)測距碼偽距測量載波相位測量選擇可用性技術(shù)SelectiveAvailability(SA)誤差來源差分GPS(初始)整周未知數(shù)整周未知數(shù)的解算精度因子要點小結(jié)索引——第一局部與傳統(tǒng)的陸上測量技術(shù)相比GPS具有許多優(yōu)勢傳統(tǒng)大地測量技術(shù)依賴于測站點至目標點的通視情況如果視線方向有障礙物，那么必須繞道測量 一般來說傳統(tǒng)方式的距離測量被限制在5Km左右氣候因素限制著傳統(tǒng)測量的運作。如霧，雨等傳統(tǒng)測量技術(shù)的缺陷 GPS根底教程不受氣候條件的限制無須通視要求可進行高精度大地測量能實現(xiàn)全天候測量運作省時省力經(jīng)濟效益明顯坐標系統(tǒng)通用應用領(lǐng)域廣泛具有競爭力的價格GPS優(yōu)勢 GPS根底教程GPS系統(tǒng)的完善受控于美國國防部GPS系統(tǒng)可提供精確導航導航精度約為10-20m全球信號覆蓋24小時工作服務(wù)普通座標系統(tǒng)中的測量工作計劃用GPS系統(tǒng)取代現(xiàn)有的導航系統(tǒng)GPS系統(tǒng)可應用于民用及軍事領(lǐng)域GPS的主要特性 GPS根底教程控制部分1個主控站5個監(jiān)控站空間部分導航衛(wèi)星:導航信息衛(wèi)星時和衛(wèi)星鐘24顆衛(wèi)星20200Km用戶設(shè)備部分接受衛(wèi)星信號GPS系統(tǒng)的組成` GPS根底教程空間部分24顆衛(wèi)星分布在互為55度交角的6個軌道平面上，每個軌道面上布有4顆衛(wèi)星衛(wèi)星高約20200Km12小時繞軌道一周

可見時間為4-5小時設(shè)計壽命為7.5年衛(wèi)星種類區(qū)分Block1(一代),Block2,2A(二代),Block2R，2F(三代)赤道55 GPS根底教程24顆衛(wèi)星(21+3)6個軌道平面55o軌道傾角20200km軌道高度(地面高度)12小時(恒星時)軌道周期5個多小時出現(xiàn)在地平線以上(每顆星)目前在軌實際運行的衛(wèi)星個數(shù)已經(jīng)超過32顆4GPS衛(wèi)星控制部分主控站負責收集由監(jiān)控站傳來的衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)并計算衛(wèi)星星歷和時間參數(shù)5個監(jiān)控站負責對衛(wèi)星偽距數(shù)據(jù)的觀測，這一衛(wèi)星跟蹤監(jiān)測網(wǎng)用于確定衛(wèi)星廣播星歷及衛(wèi)星鐘模式地面控制站負責向衛(wèi)星注入信號 GPS根底教程5地面控制站一個主控站：科羅拉多?斯必靈司三個注入站：阿松森(Ascencion)

迭哥?伽西亞(DiegoGarcia)

卡瓦加蘭(kwajalein)五個監(jiān)測站=1個主控站+3個注入站+夏威夷(Hawaii)55HawaiiAscencionDiegoGarciakwajaleinColoradosprings距離測定原理XllVlXllll GPS根底教程XllVlXllllllllVVVllVlllXlX距離測定原理 GPS根底教程XllVlXllllVll距離測定原理 GPS根底教程XllVlXllllllllVVVllVlllXlX距離=傳播時間x光速距離測定原理 GPS根底教程我們必定在以R1為半徑的球面的某個點上R1點位測定原理 GPS根底教程2個球面相交成一個圓弧點位被限制在一曲線上R1R2點位測定原理 GPS根底教程3個球面相交成一個點3個距離段可以確定緯度，經(jīng)度，和高程點的空間位置被確定R1R2R3點位測定原理 GPS根底教程衛(wèi)星可被看作是在固定的軌道上運動空中觀測目標每顆衛(wèi)星播發(fā)獨立的時間碼進行距離測量常規(guī)GPS接收儀內(nèi)置較為廉價的鐘，這些鐘的計時精度比衛(wèi)星上內(nèi)置鐘的精度低得多無線電電波以光速傳播(距離=光速x時間)設(shè)想一下接收儀上鐘的誤差對距離測定的影響1/10秒的測時誤差將引起30,000Km的距離誤差1/1,000,000秒的測時誤差將引起300m的距離誤差點位測定原理 GPS根底教程4段距離解決了緯度，經(jīng)度，高程和時間四個未知數(shù)這就類似于測邊交會問題的解決原理點位確定 GPS根底教程GPS的信號結(jié)構(gòu)每個GPS衛(wèi)星播發(fā)一組信號每組信號包括兩個不同頻率的載波信號(L1和L2)、兩個不同的測距碼信號(C/A碼調(diào)制在L1載波上，P碼或Y碼同時調(diào)制在L1及L2載波上)以及衛(wèi)星的軌道信息基準頻率

10.23MHzx154x120L1

1575.42MHzL2

1227.60MHzC/A碼

1.023MHzP(Y)碼

10.23MHzP(Y)-Code

10.23MHz/1050bit/s衛(wèi)星信悉(狀態(tài)信悉和星歷) GPS根底教程測距碼偽距測定D=V(dT)測距偽隨機碼每一衛(wèi)星播發(fā)一個偽隨機測距碼信號，該信號大約每1毫秒播發(fā)一次接收儀同時復制出一個同樣結(jié)構(gòu)的信號并與接收到的衛(wèi)星信號進行比較由信號的延遲時間(dT)推算出衛(wèi)星至接收儀的距離接收儀時鐘應與衛(wèi)星鐘校時dT接收到的衛(wèi)星測距碼接收儀復制出的測距碼 GPS根底教程D=c

T

N載波相位測距載波相位觀測載波L1的波長為19cm，L2的波長為24cm接收儀將接收到的衛(wèi)星載波信號的相位與其自身產(chǎn)生的參考載波信號的相位進行比較接收儀開機后，相位整周數(shù)未知(帶有整周模糊度)跟蹤衛(wèi)星時間較長時距離的變化可以測定(整周數(shù)保持不變)

T接收到的衛(wèi)星相位接收儀復制出的相位 GPS根底教程點位測定精度10-30m單機定位用于導航，其定位精度大約在10到30m左右 GPS根底教程P=正確位置P防電子欺騙技術(shù)(AS)選擇性效勞政策(SA)*SA技術(shù)已經(jīng)于2000年5月取消理論上利用C/A碼可獲取10-30m的定位精度30m100m GPS根底教程+/-100m(95%)美國防部人為降低衛(wèi)星廣播信息的精度，限制非許可用戶的非法使用在基準信號上人為加入一個高頻抖動信號(δ技術(shù))人為降低衛(wèi)星星歷精度(ε技術(shù))此項技術(shù)稱為選擇可用性技術(shù)點位精度為100m(95%)P=正確位置P理論上基于C/A碼的定位精度約為10-30m選擇可用性技術(shù)(SA)30m100m GPS根底教程點位測定精度10-100m防電子欺騙技術(shù)(AS)選擇性效勞政策(SA)*SA技術(shù)已經(jīng)于2000年5月取消 GPS根底教程－－GPS定位的誤差源8GPS定位原理與GPS衛(wèi)星有關(guān)的因素SA技術(shù)人為的降低播送星歷精度(ε技術(shù))衛(wèi)星星歷誤差衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星信號發(fā)射天線相位中心偏差與傳播途徑有關(guān)的因素電離層延遲對流層延遲多路徑效應與接收機有關(guān)的因素接收機鐘差接收機天線相位中心誤差接收機軟件和硬件造成的誤差如何提高GPS的測量精度?使用差分GPS技術(shù) GPS根底教程差分定位技術(shù)在測定流動站的座標時與之相關(guān)聯(lián)的參考站的設(shè)置是必須的參考站(A)的座標須衛(wèi)星必須同時被跟蹤差分定位削減衛(wèi)星及接收儀鐘的誤差影響大氣影響削減至最小精度達0.5cm-5mBaselineVectorBA GPS根底教程偽距差分測量精度可達0.5m-5m此種測量形式一般稱為DGPS基線向量差分定位技術(shù)BA GPS根底教程RTD測量原理圖測深儀電腦發(fā)射電臺GPS主機基準站移動站GPS主機接收電臺測深儀電腦信標臺站移動站GPS主機信標機測量原理圖信標天線如果使用載波差分或同時使用載波差分及偽距差分那么定位精度可達5-10mm+1ppm基線向量差分定位技術(shù)BA GPS根底教程常規(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才能獲得厘米級的精度，而RTK是能夠在野外實時得到厘米級定位精度的測量方法，它采用了載波相位動態(tài)實時差分(Real-timekinematic)方法，是GPS應用的重大里程碑，它的出現(xiàn)為工程放樣、地形測圖，各種控制測量帶來了新曙光，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。RTK定位時要求基準站接收機實時地把觀測數(shù)據(jù)(偽距觀測值，相位觀測值)及數(shù)據(jù)傳輸給流動站接收機。什么是RTK技術(shù)發(fā)射電臺GPS主機基準站移動站GPS主機RTK測量原理圖采集器接收電臺時間(0)整周數(shù)時間(i)整周數(shù)整周變化數(shù)相位差測量整周模糊度在使用載波相位觀測時整周數(shù)應被解算出來相位差測量 GPS根底教程精度(m)1.000.100.01靜態(tài)測量0120快速靜態(tài)測量025時間(mins)未解算出整周模糊度時的測量精度已解算出整周模糊度時的測量精度解算整周模糊度整周模糊度的解算效果如下所示注意到一旦模糊度被解出，測量精度將不隨時間有明顯增長 GPS根底教程一種描述純粹因衛(wèi)星幾何因素對定點精度的影響精度因子指出在測量時被跟蹤衛(wèi)星幾何結(jié)構(gòu)上的強度GDOP(G