GPS測量原理-課件

1、原理2、我國GPS測量的常用坐標系3、GPS靜態(tài)定位在測量中的應用4、GPS高程GPS測量教學電子教案2020/12/211、原理GPS測量教學電子教案2020/12/21第一部分原理1GPS測量的特點2GPS的歷史和背景3GPS系統(tǒng)的組成4GPS衛(wèi)星5GPS地面控制站6GPS用戶設備7GPS系統(tǒng)現(xiàn)狀8GPS定位原理9GPS測量2020/12/22第一部分原理1GPS測量的特點2020/12/22精品資料3精品資料3你怎么稱呼老師？如果老師最后沒有總結一節(jié)課的重點的難點，你是否會認為老師的教學方法需要改進？你所經歷的課堂，是講座式還是討論式？教師的教鞭“不怕太陽曬，也不怕那風雨狂，只怕先生罵我笨，沒有學問無顏見爹娘……”“太陽當空照，花兒對我笑，小鳥說早早早……”44精品資料5精品資料5你怎么稱呼老師？如果老師最后沒有總結一節(jié)課的重點的難點，你是否會認為老師的教學方法需要改進？你所經歷的課堂，是講座式還是討論式？教師的教鞭“不怕太陽曬，也不怕那風雨狂，只怕先生罵我笨，沒有學問無顏見爹娘……”“太陽當空照，花兒對我笑，小鳥說早早早……”661GPS測量的特點GPS測量與經典測量方法的對比1：不需要相互通視觀測作業(yè)不受天氣條件的影響網的質量與點位的分布情況無關能達到大地測量所需要的精度水平白天和夜間均可作業(yè)經濟效益顯著2020/12/271GPS測量的特點GPS測量與經典測量方法的對比1：不需(1)

GPS測量效率比傳統(tǒng)方法有極大的提高(2)無論作大面積控制和局部測量都是理想的儀器(3)價格上具有更強的市場競爭能力(4)任何條件下都有充分把握提供足夠的精度GPS測量與經典測量方法的對比2：2020/12/28(1)GPS測量效率比傳統(tǒng)方法有極大的提高GPS測量與經典

2GPS的歷史和背景GPS是美國軍方研制的第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)

(1)全球通用(2)24小時可以定位，測速和授時(3)用戶設備成本低廉(4)確保美國軍事安全，服務于全球戰(zhàn)略(5)導航精度可達10—20m(6)取代現(xiàn)存各種導航系統(tǒng)

這種設備可以用來武裝戰(zhàn)車，艦船和飛機，提高其作戰(zhàn)能力，并可廣泛用于地面部隊，其作用已經在海灣戰(zhàn)爭中得到充分展示。2020/12/292GPS的歷史和背景GPS是美國軍方研制的第二代衛(wèi)星導系統(tǒng)特征第一代NNSSNavyNavigationSatelliteSystem(海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)）GPS載波頻率GHz0.15,0.401.23,1.58衛(wèi)星高度km100020200衛(wèi)星數(shù)5-621+3衛(wèi)星周期min1:4711:58衛(wèi)星鐘穩(wěn)定度10-1110-12GPS與NNSS的主要特征比較2020/12/210系統(tǒng)特征第一代NNSSGPS載波頻率GHz0.15,0.40系統(tǒng)特征GLONASSGPS載波頻率GHz1.61,1.251.23,1.58衛(wèi)星高度km1910020200衛(wèi)星數(shù)21+321+3衛(wèi)星周期h11:1511:58衛(wèi)星鐘穩(wěn)定度10-1110-13GPS與GLONASS（俄羅斯）的主要特征比較2020/12/211系統(tǒng)特征GLONASSGPS載波頻率GHz1.61,1.253GPS系統(tǒng)的組成全球定位系統(tǒng)(GPS)由三個主要部分組成空間部分：提供星歷和時間信息發(fā)射偽距和載波信號提供其它輔助信息地面控制部分：

中心控制系統(tǒng)實現(xiàn)時間同步跟蹤衛(wèi)星進行定軌用戶部分：

接收并測量衛(wèi)星信號記錄處理數(shù)據(jù)提供導航定位信息2020/12/2123GPS系統(tǒng)的組成全球定位系統(tǒng)(GPS)由三個主要部分24顆衛(wèi)星(21+3)6個軌道平面55o軌道傾角2萬km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)4GPS衛(wèi)星目前軌道上實際運行的衛(wèi)星個數(shù)已經超過了32顆2020/12/21324顆衛(wèi)星(21+3)4GPS衛(wèi)星目前軌道上實際運行的衛(wèi)5GSP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)55HawaiiAscencionDiegoGarciakwajaleinColoradosprings2020/12/2145GSP地面控制站一個主控站：科羅拉多?斯必靈司55Ha

6GPS用戶設備

GPS接收機導航型GSP接收機一般情況下無數(shù)據(jù)輸出的記錄存儲設備(手持機)天線前置放大器電源部分射電部分微處理器數(shù)據(jù)存器顯示控制器供電信號信息命令數(shù)據(jù)供電，控制供電數(shù)據(jù)控制2020/12/2156GPS用戶設備GPS接收機導航型GSP接收機一

7GPS定位原理衛(wèi)星信號結構基準頻率10.23MHZ

L11575.42MHZC/A碼

1.023MHZP?碼10.23MHZL21227.60MHZP?碼10.23MHZ

10

154

12050比特/S衛(wèi)星信息電文(D碼)每顆衛(wèi)星都發(fā)射一系列無線電信號(基準頻率?

)兩種載波(L1和L2)兩種碼信號(C/A碼和P碼)一組導航電文(信息碼，D碼)2020/12/2167GPS定位原理衛(wèi)星信號結構基準頻率L1L1載波相位觀測值L2載波相位觀測值調制在L1上的C/A-code偽距調制在L2上的P-code偽距2020/12/217L1載波相位觀測值2020/12/217

對衛(wèi)星進行測距

GPS定位的各種常用觀測量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2020/12/218對衛(wèi)星進行測距GPS定位的各種常用觀測量接收機對跟蹤的每距離觀測值的計算接收機至衛(wèi)星的距離借助于衛(wèi)星發(fā)射的碼信號量測并計算得到的接收機本身按同一公式復制碼信號比較本機碼信號及到達的碼信號確定傳播延遲時間

t傳播延遲時間乘以光速就得到距離觀測值=C?t衛(wèi)星鐘調制的碼信號接收機時鐘復制的碼信號

t

t2020/12/219距離觀測值的計算接收機至衛(wèi)星的距離借助于衛(wèi)星發(fā)射的碼信號量測單點定位結果的獲取單點定位解可以理解為一個測邊后方交會問題衛(wèi)星充當軌道上運動的控制點，觀測值為測站至衛(wèi)星的偽距(由時間延遲計算得到)由于接收機時鐘與衛(wèi)星鐘存在同步誤差，所以要同步觀測4顆衛(wèi)星，解算四個未知參數(shù)：緯度

,經度

,大地高程h,鐘差

t2020/12/220單點定位結果的獲取單點定位解可以理解為一個測邊后方交會問題28GPS定位的誤差源及誤差改正與GPS衛(wèi)星有關的因素SA(對精密星歷進行加密）技術：人為的降低廣播星歷精度衛(wèi)星星歷（定軌）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的因素電離層延遲對流層延遲多路徑效應與接收機有關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2020/12/2218GPS定位的誤差源及誤差改正與GPS衛(wèi)星有關的因素2028.1與衛(wèi)星自身有關的誤差8.1.1衛(wèi)星鐘誤差

衛(wèi)星上安置的原子鐘與GPS標準時之間存在的誤差。這些誤差會對偽碼測距和載波相位測量產生誤差。用二項式模擬衛(wèi)星鐘的鐘差能保證衛(wèi)星鐘與標準GPS時間同步在20*10-9s之內，由此引起的等效距離誤差不超過6m。若要進一步削弱衛(wèi)星鐘殘差，可通過差分定位加以實現(xiàn)。2020/12/2228.1與衛(wèi)星自身有關的誤差8.1.1衛(wèi)星鐘誤差2020/8.1.2.衛(wèi)星星歷誤差是指廣播星歷參數(shù)或其他軌道信息所給出的衛(wèi)星位置與衛(wèi)星的實際位置之差。在一個觀測時間段內，衛(wèi)星星歷誤差是一種系統(tǒng)誤差。嚴重影響單點定位的準確度，不可能通過多次重復觀測來消除。消除星歷誤差的方法有：1）建立衛(wèi)星觀測網獨立定位法；2)相對定位差分技術。2020/12/2238.1.2.衛(wèi)星星歷誤差2020/12/2238.1.3.地球自轉的影響GPS定位采用的是協(xié)議地球坐標系(地心坐標系），若某一刻衛(wèi)星從該瞬時空間位置向地面發(fā)射信號，當?shù)孛娼邮諜C接收衛(wèi)星信號時，與地球固連的協(xié)議坐標系相對于衛(wèi)星發(fā)射瞬間的位置發(fā)生了旋轉。這樣，接收到的信號會有時間延遲。2020/12/2248.1.3.地球自轉的影響2020/12/2248.1.4.相對論效應的影響相對論效應是由于衛(wèi)星鐘和接收機鐘所處的狀態(tài)（運動速度和重力位影響時間頻率）不同而引起的衛(wèi)星鐘和接收機鐘之間產生相對誤差的現(xiàn)象。在廣義相對論和狹義相對論的綜合影響下，衛(wèi)星鐘頻率的變化為：式中：C——真空中光速；g——地面重力加速度；am——地球平均半徑；Rs——衛(wèi)星軌道半徑經過上述改正后仍有殘差，它對GPS時的影響最大可達70ns，對衛(wèi)星鐘速的影響可達0.001ns/n，對于精密定位仍不可忽略2020/12/2258.1.4.相對論效應的影響2020/12/2258.2與傳播有關的誤差8.2.1.電離層折射誤差（一）基本概念電離層中電離氣體的電子密度呈非均勻分布，當GPS信號通過時，信號的路徑會發(fā)生彎曲，傳播速度也會發(fā)生變化。所以用信號的傳播時間乘上真空中光速得到的距離就會不等于衛(wèi)星至接收機間的幾何距離，這種偏差稱為電離層折射誤差。該誤差在天頂方向最大可達50m，在接近地平線方向時則可達150m。電離層的影響必須加以改正，否則，會嚴重影響定位的準確度。2020/12/2268.2與傳播有關的誤差8.2.1.電離層折射誤差2020/（二）電離層誤差的改正與消弱

1)單頻接收機，采用導航電文中提供的系數(shù)根據(jù)Klobuchar模型來減弱電離層誤差的影響。天頂方向的電離層延遲為其他參數(shù)均可從導航電文中獲得。對于非天頂方向的電離層延遲，可用下式進行計算：Tg=(1／cosZ)T正，其中：z不是測站處信號的天頂距，而是衛(wèi)星信號和中心電離層交點處的天頂距。其他參數(shù)均可從導航電文中獲得。2020/12/227（二）電離層誤差的改正與消弱2020/12/227

2)雙頻接收機，利用無電離層組合(L，)消除電離層影響，無電離層組合公式為式中：ρ=f1/f2≈0.779,f1、f2—兩個波段的頻率；φ1、φ2—某GPS接收機在同一歷元測得的L1、L2兩個波段上的相位，經GPS雙頻觀測改正后的距離殘差為厘米級。3)對于單頻和雙頻接收機都有效的方法是應用站間差分。對于較短基線，兩個測站的觀測值空間相關性較強，而且對于同一顆衛(wèi)星的高度角也幾乎相同，可以利用站際差分的模式消除電離層的影響。2020/12/2282)雙頻接收機，利用無電離層組合(L，)消除電離層影響，8.2.2.對流層折射誤差（一）基本概念對流層為距地面高度40km以下的大氣層，其質量約占整個大氣層質量的99％。電磁波在其中的傳播速度與頻率和波長無關，與大氣的折射率和電磁波傳播方向有關。由于對流層折射的影響，當天頂方向的對流層延遲約為2.3m，而仰角為10o時，對流層延遲將增加至約13m。2020/12/2298.2.2.對流層折射誤差2020/12/229（二）對流層誤差改正與消弱

目前采用的對流層折射改正模型有：霍普菲爾德(H．Hopfield)模型、薩斯塔莫寧(Saastamionen)模型、勃蘭克(Black)模型及東京天文臺的Chao模型。本文主要介紹廣泛采用的霍普菲爾德(H．Hopfield)模型，其公式如式中：E—衛(wèi)星的高度；ΔS—對流層折射改正，m。2020/12/230（二）對流層誤差改正與消弱2020/12/230減少對流層折射對電磁波延遲影響的措施主要有：采用對流層模型加以改正；引入描述對流層影響的附加待估參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中一并求得；利用同步觀測值求差；利用水氣輻射計直接測定信號傳播的影響。理論分析和實踐表明，上述方法中采用對流層模型，難以將對流層的影響減至92％～93％。而當基線較短時，氣象條件穩(wěn)定，兩個測站的氣象條件相似，利用基線兩端同步觀測量求差，可以有效地減弱甚至消除大氣折射的影響。2020/12/231減少對流層折射對電磁波延遲影響的措施主要有：采用對流層模型加8.2.3.多路徑效應（一）基本概念：經接收機周圍某些物體表面反射后產生的信號與直接來自衛(wèi)星的信號疊加進入接收機，使觀測值偏離真值，這就是所謂的多路徑誤差。由于多路徑的信號傳播所引起的干涉時延效應被稱作多路徑效應。2020/12/2328.2.3.多路徑效應2020/12/232(二)多路徑效應的改正多路徑效應是一時空環(huán)境效應，具有周期性，要減弱或消除多路徑效應的影響，可通過以下幾個法：1)選擇較好的測站環(huán)境，避免有較強的反射面，如水面、光滑的地面及高層建筑物等；2)盡量選擇能抑制多路徑效應的天線，如帶抑制圈的天線；3)由于多路徑誤差的大小和符號會隨著衛(wèi)星高度角的變化而變化，在靜態(tài)定位中可通過延長觀測時間來減弱多路徑效應的影響。2020/12/233(二)多路徑效應的改正2020/12/2338.3.與接收設備有關的誤差8.3.1觀測誤差觀測誤差與GPS接收機的軟、硬件對衛(wèi)星信號的觀測分辨力有關。根據(jù)經驗，一般認為觀測的分辨力誤差約為信號波長的1％。還與天線的安裝誤差有關，即天線的置平與對中誤差和量取天線相位中心高度(天線高)的誤差。所以，在精密定位中，應注意整平天線，仔細對中，盡量減少這種誤差的影響。2020/12/2348.3.與接收設備有關的誤差8.3.1觀測誤差2020/128.3.3天線相位中心位置偏差在GPS定位中，觀測值都是以接收機天線的相位中心位置為準的，在理論上應與其幾何中心保持一致，但實際上天線的相位中心位置隨信號輸入的強度和方向的不同而有所變化，即觀測時相位中心的瞬時位置(稱為視相位中心)與理論上的相位中心有所不同，這種差別即稱為天線相位中心的位置偏差。2020/12/2358.3.3天線相位中心位置偏差2020/12/2359GPS測量(1)采用載波相位觀測值衛(wèi)星廣播的電磁波信號：信號量測精度優(yōu)于波長的1/100載波波長(

L1=19cm,L2=24cm)比C/A碼波長(C/A=293m)短得多所以，GPS測量采用載波相位觀測值可以獲得比偽距(C/A碼或P碼)定位高得多的測距精度L1載波L2載波C/A碼P-碼

p=29.3

m

L2=24

cm

L1=19c

m

C/A=293

m2020/12/2369GPS測量(1)采用載波相位觀測值衛(wèi)星廣播信號量測精可以消去衛(wèi)星鐘的系統(tǒng)偏差可以消去接收機時鐘的誤差PikPljPijPjPlkPkSlSi可以消去軌道(星歷)誤差的影響可以削弱大氣折射對觀測值的影響(2)組成星際站際兩次差分觀測值2020/12/237可以消去衛(wèi)星鐘的系統(tǒng)偏差PikPljPijPjPlkPkSl(3)設法解算出初始整周未知數(shù)測站對某一衛(wèi)星的載波相位觀測值由三部分組成

(1)初始整周未知數(shù)n；(2)t0至ti時刻的整周記數(shù)Ci；(3)相位尾數(shù)

i如果信號沒有失鎖，則每一個觀測值包含同一個初始整周未知數(shù)n為了利用載波相位進行定位，必須設法先解算出初始整周未知數(shù)，取得總觀測值n+Ci+

iTime(0)AmbiguityTime(i)AmbiguityCountedCyclesPhaseMeasurement2020/12/238(3)設法解算出初始整周未知數(shù)測站對某一衛(wèi)星的載波相位觀測值(4)弄清楚初始整周未知數(shù)的確定與定位精度的關系精度m1.000.100.01整周未知數(shù)確定后整周未知數(shù)確定前經典靜態(tài)定位00308058時間(分)如果無法準確解出初始整周未知數(shù)，則定位精度難以優(yōu)于±1m隨著初始整周未知數(shù)解算精度的提高，定位精度也相應提高一旦初始整周未知數(shù)精確獲得，定位精度不再隨時間延長而提高經典靜態(tài)定位需要30-80分鐘觀測才能求定初始整周未知數(shù)快速靜態(tài)定位將這個過程縮短到5-8分鐘(雙頻接收機)快速靜態(tài)定位2020/12/239(4)弄清楚初始整周未知數(shù)的確定與定位精度的關系精度m1.0偽距差分這是應用最廣的一種差分。在基準站上，觀測所有衛(wèi)星，根據(jù)基準站已知坐標和各衛(wèi)星的坐標，求出每顆衛(wèi)星每一時刻到基準站的真實距離。再與測得的偽距比較，得出偽距改正數(shù)，將其傳輸至用戶接收機，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“信標差分”2020/12/240偽距差分這是應用最廣的一種差分。在基準站上，觀測所有衛(wèi)星，根載波相位差分載波相位差分技術又稱RTK(RealTimeKinematic)技術，是實時處理兩個測站載波相位觀測量的差分方法。即是將基準站采集的載波相位發(fā)送給用戶接收機，進行求差解算坐標。載波相位差分可使定位精度達到厘米級，已經大量應用于需要點位高精度的動態(tài)測量領域。2020/12/241載波相位差分載波相位差分技術又稱RTK(RealTime第二部分我國GPS測量的常用坐標系1.WGS-84WGS-84坐標是GPS所采用的坐標系統(tǒng)，GPS發(fā)布的星歷參數(shù)都是基于此坐標系的。WGS-84的橢球參數(shù)：a=6378137m1/f=298.2572235632.1954北京坐標系1954北京坐標系是目前我國使用比較廣泛的大地測量坐標系，參考橢球是克拉索夫斯基橢球。其高程是以1956年黃海平均海水面為基準。克拉索夫斯基橢球參數(shù)：a=6378245m1/f=298.32020/12/242第二部分我國GPS測量的常用坐標系1.WGS-84203.1980西安坐標系1980西安坐標系是我國新建的大地測量坐標系，參考橢球是IUGG1975橢球，其高程是以1956年黃海平均海水面為基準。IUGG1975橢球參數(shù)：a=6378140m1/f=298.2572020/12/2433.1980西安坐標系2020/12/243

GPS靜態(tài)定位主要用于建立各級測量控制網，其優(yōu)點為：定位精度高，其基線的相對精度非常高選點靈活、不需要造標、費用低全天候作業(yè)觀測時間短觀測處理自動化第三部分GPS靜態(tài)定位在測量中的應用1、GPS靜態(tài)定位的主要應用領域2020/12/244GPS靜態(tài)定位主要用于建立各級測量控制網，其優(yōu)在15o截止高度角以上不存在障礙物周圍沒有反射面，不致引起多路徑效應安全避開過往行人和車輛，盡可能將接收機設置在毋須人員照看的地方附近不應該有強輻射源(如無線電臺、電視發(fā)射天線等)可靠的電源供應足夠的內存容量正確的配置參數(shù)(觀測類型、記錄速率)檢查天線高和偏差儀器的正確檢測2、GPS測量前注意事項2020/12/245在15o截止高度角以上不存在障礙物2、GPS測量前注意事3、GPS布網方法

GPS網的精度指標，通常以網中相鄰點之間的距離誤差來表示的，其具體形式如下：=±a2+(b·d)2—距離中誤差(mm)a—固定誤差(mm)b—比例誤差系數(shù)(ppm)d—相鄰點的距離(Km)充分考慮建立GPS控制網的應用范圍采用分級布網的原則 GPS測量的精度標準2020/12/2463、GPS布網方法GPS網的精度指標，通常以網國家測繪局1992年制訂的我國第一部“GPS測量規(guī)范”將GPS的精度分為A—E五級(見下表)。其中A、B兩級一般是國家GPS控制網。C、D、E三級是針對局部性GPS網規(guī)定的。2020/12/247國家測繪局1992年制訂的我國第一部“GPS

坐標系統(tǒng)與起算數(shù)據(jù)包括位置基準、方位基準和尺度基準。GPS點的高程應使一定數(shù)量的GPS點與水準點重合或對部分GPS點聯(lián)測水準。選點原則與點位標志

2020/12/248坐標系統(tǒng)與起算數(shù)據(jù)2020/12/248

GPS網設計的一般原則

應通過獨立觀測邊構成閉合圖形，以增加檢核條件，提高網的可靠性。

應盡量與原有地面控制網相重合，重合點一般不少于3個，且分布均勻。

應考慮與水準點相重合，或在網中布設一定密度的水準聯(lián)測點。

點應設在視野開闊和容易到達的地方，聯(lián)測方向。

可在網點附近布設一通視良好的方位點，以建立聯(lián)測方向。根據(jù)GPS測量的不同用途，GPS網的獨立觀測邊均應構成一定的幾何圖形，基本形式有：三角形網環(huán)形網星形網2020/12/249GPS網設計的