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1、全球定位系统（GPS）知识学习交流编制人：侯振国、林翠萍山东港通工程管理咨询有限公司,第一章 GPS基础第一节 产生背景第二节 系统组成第三节 工作特点第二章 GPS定位原理第一节 定位模式第二节 定位原理,第三章 GPS实施步骤第一节 静态测量实施第二节 动态测量实施第三节 单基站RTK操作步骤第四章 注意事项,第一章 GPS基础第一节GPS及其背景 1957年10月第一颗人造卫星发射成功以后，1958年底，美国海军武器实验室就着手建立为美国军方军用舰艇导航服务的卫星系统，即“海军导航卫星系统”（Navy Navigation Satellite System）。但是由于该系统的卫星数目较少
2、（56）、运行高度较低（平均约1000km)、从地面站观测到卫星的时间间隔较长（平均约1.5小时），因而它无法提供连续的实时三维导航。加上获得一次导航解的时间较长，所以难以充分满足军事方面的需要，尤其是高动态目标（飞机、导弹）。为了满足军事和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求，1973年美国国防部便开始组织海陆空三军，共同研究建立新一代的卫星导航系统。这就是目前所称的“授时与测距导航系统/全球定位系统”（navigation system timing and ranging/global positioning system,简称NAVSTAR/GPS),通常简称为“全球定位系统”。（三
3、代卫星）,第二节 GPS的系统组成,空间部分,用户部分,注入站(3个),监控站（1个）,主控站（1个）,地面控制部分,接收卫星信号记录处理数据提供导航定位信息,提供星历和时间信息;发射伪距和载波信号;提供其它辅助信息,中心控制系统 实现时间同步 跟踪卫星进行定轨 包括数据采集和注入,24颗卫星(21+3)6个轨道平面55轨道倾角20200km轨道高度(地面高度)11小时58分(恒星时)轨道周期5个多小时出现在地平线以上(每颗星)在全球各处能观测到高度角15的卫星 4 颗以上(411)目前轨道上实际运行的卫星个数已经超过了32颗,一、GPS卫星空间分布,二、GPS地面控制站分布,一个主控站：科罗
4、拉多斯必灵司(推遍星历及修正参数、时间基 准、轨道纠偏、启动备用卫星）三个注入站：阿松森(Ascencion)大西洋 迭哥伽西亚(Diego Garcia)印度洋 卡瓦加兰(kwajalein)太平洋五个监测站：1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii),三、GPS用户部分,用户设备：GPS接收机、数据处理软件、其他终端设备（车、船导航）。,第三节 GPS的特点,GPS测量与经典测量方法的对比：,全球性，全天候，高精度，保密性不需要相互通视定位精度高(小于50km基线，精度可达mm级）观测时间短白天和夜间均可作业提供三维坐标操作简单,第二章 GPS定位模式及原理,第一节 GPS定位模式,一
5、、GPS卫星信号结构每颗GPS卫星发射一组无线电信号每组信号包括两个载波(L1 与 L2)及两种码，L1 上调制的C/A码，L1和L2上的 P 码或 Y 码，还有卫星轨道信息 所有信号均由同一个震荡器产生,基准频率10.23 MHz,L1 1575.42MHz,C/A 码 1.023 MHz,P 或 Y-码10.23 MHz,L2 1227.60,P 或 Y 码10.23 MHz,信息码50 Hz,x 120,x154,10,二、按观测对象分类,测码伪距定位：以测距码为观测对象，进行伪距计算定位。由于测距码的码元长度较长，导致伪距的测量精度不高，因此定位精度较低载波相位定位：以载波相位差为观测
6、对象，进行距离解算定位。因卫星发射的载波波长比测距码要短很多，将载波作为一个测量对象，就可以得到高精度的星站距离，因此定位精度较高,测码伪距定位,接收机至卫星的距离借助于卫星发射的码信号量测并计算得到的接收机本身按同一公式复制码信号比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟时间t传播延迟时间乘以光速就得到距离观测值=C t,卫星钟调制的码信号,接收机时钟复制的码信号,t,t,载波相位定位,采用载波相位观测值,卫星广播的电磁波信号：,原理就是在接收机在对卫星进行跟踪测量的时候，本身也产生一个与载波相同的基准信号。接收机接收到载波信号，先进行解调，恢复成单纯的余弦波，再与基准信号混频，得到一个新的差
7、频信号，差频信号的相位就是基准信号与接受信号的相位差值。所谓的载波相位测量就是混频后的差频信号的相位值。,L1载波,L2载波,C/A码,P-码,p=29.3 m,L2=24 cm,L1=19c m,C/A=293 m,三、按定位模式分类,绝对定位:以地球质心为参考点，测定接收机天线在协议地球坐标系中的绝对位置。由于定位作业仅使用一台接收机，所以又称为单点定位。单点定位结果受卫星星历误差、电离层、对流层折射误差等的影响，所以定位精度比较低。相对定位：如果选择地面某个固定点为参考点，确定接收机天线相位中心的相对位置称为相对定位。由于相对定位至少使用两台以上的接收机，同步观测4颗以上的GPS卫星，因
8、此相对定位所获得的观测量具有相关性，并且观测量中所包含的误差也具有相关性。采用适当的数学模型（差分模型），即可消除或者削弱观测量中所包含的误差，提高定位的精度。,四、按数据处理方式分类,静态定位：接收机相对静止状态下，接收卫星数据，通过事后差分解算得出相对位置。主要用于高精度或者大面积的控制网的测量。动态定位：接收在运动状态下接收卫星数据及改正数据，通过事后解算或者实时解算得到相对位置数据。主要运行模式RTDRTK,VRSCORS,第二节 GPS定位原理 一、GPS绝对(单点)定位的原理卫星是“沿轨道运动的控制点”导航点位是按空间后方距离交会的方法计算求得 二、GPS相对(差分)定位的原理 用
9、多台接收机分别安置在一条（或多条）基线的两端，同步观测一定数量的GPS卫星，通过求差模型，计算出改正参数，从而得到高精度的相对位置关系。,三、绝对定位和相对定位关系示意图,单独确定A、B、C三点的位置的时候，就是单点定位,通过计算求解A、B、C三点相对位置关系时，就是相对定位,单点定位,单点定位,单点定位,A,B,C,四、GPS相对(差分)定位优点,通过差分可以消除误差：卫星钟差；接收机钟差；整周模糊度；轨道误差。可以削弱：电离层影响；对流层影响以及大气折射影响。差分得观测值：单差观测值；双差观测值；三差观测值,注意：测码伪距差分：精度较低，可达米级。载波相位差分：精度较高，可达厘米级。,第三
10、章、GPS实施步骤,第一节 静态GPS测量实施步骤,技术设计,星历预报、编制计划,踏勘选点埋标,外业观测,成果提交,数据处理和外业检核,资料收集技术依据质量等级观测方案数据处理成果提交,观测时段人机调配观测手簿,处理软件参数设置自由网平差二维约束平差高程拟合成果外业检核,任务书、技术书点之记、观测记录仪器检定证书数据处理文件、点位分布图技术总结、成果验收报告,点位环境通视情况交通环境,网形发展连接形式,备注说明：,大范围的控制网，施工前要进行静态控制或复测。一般静态控制测量对技术、人员和设备要求较高，多为专业测绘机构完成。上交资料要齐备，上交资料成果：测量任务书、技术设计；点之记、环视图、选点
11、埋石资料；接收设备及其他仪器的检定材料；外业观测手簿及其他记录；数据处理生成的文件、资料、成果表；gps网点图；技术总结报告和成果验收报告。一般小范围的控制网，使用前要进行复测。主要复测检核方法就是全站仪测距检核网的基线边长度和基线边方位角。,第二节 动态GPS测量实施步骤,传统模式,第三节 单基站RTK实施步骤,采集已知点数据,打开主机新建项目设置参数,连接基准站设置移动站接收数据,匹配已知点求解参数应用参数,检查仪器架设基站,参数检查控制点检核,碎部测量工程放样,数据输出绘图,详细操作见下,一、单基站RTK操作流程（外挂电台模式）平面四参数转换+高程拟合法,1.架设仪器 作业前要检查仪器配
12、套设备是否齐全（连接头、连接电缆、天线、电池（锂电池、集成电台）是否满电、钢尺及坐标资料）。选择控制点，架设仪器(注意仪器各个部分的正确连接：基站和电台、电台和天线）。若基站架设在已知控制点时，要严格对中整平。准确量取基站天线高度（斜高）。,开关,充电口,增益天线,连接头,电缆连接口，连接时注意对其标志，一般为红点，以免造成连接串口损坏,2.设置接收机模式和电台频道,电源键/确认键长按开关机,功能键双按：功能模式设置；单按循环选择，确认键确认长按：数据链设置，单按选择，确认键确认,状态灯RTK:红绿双色闪烁，收发信号GSM:绿闪搜索；常亮锁定；红闪收发信号静态：红闪,卫星灯慢闪：搜索或失锁常亮
13、：锁定卫星间隔闪烁：闪烁次数表示卫星数,电源灯常亮快闪：电压正常慢闪：电源欠压,接收机模式设置,功率设置按钮红蓝亮：5瓦红亮：10瓦蓝亮：20瓦都不亮：30瓦,功率指示灯,差分信号指示灯,电量指示按钮长按显示电量,电台频道调节按钮和指示,集成电台功能介绍和设置,3.设置基站 双击手簿桌面的“Hi-RTK 道路版.exe”快捷图标,打开手簿程序（1）新建项目,1点击项目,2新建项目,3输入名称确认,注：文件命名习惯以“工程名+日期”为原则 请将新建的项目放在默认路径（NandFlashProjectRoad）下，否则在手簿没电或硬复位的情况下，除NandFlash文件夹外的数据都会丢失。,（2）
14、设置坐标系统 点击左上角下拉菜单，选择【坐标系统】设置坐标系统参数，（如下图）下拉菜单,“坐标系”：源椭球一般为WGS-84，目标椭球和已知点一致，如果目标坐标为自定义坐标系，设置为默认值：“北京-54”。“投影”：选择高斯投影方法，输入“中央子午线经度”，“椭球转换”、“平面转换”、“高程拟合”：不输。“保存”：点击右上角的【保存】按钮，保存设置好的参数。注：记得点击右上角的保存按钮，否则坐标系统参数设置无效,1点击坐标系统,2选择源椭球,3选择目标椭球,4选择投影方法,5输入中央子午线,中央子午线的计算,三度带计算公式：3n六度带计算公式：6n-3举例：某一地区地处东经114.8按3度带投
15、影：INT(114.8/3)=38 将38带入3n=114因此得3度分带第38带的范围为114-1.5=112.5至114+1.5=115.5,而114.8正好处于该区间，因此3度带中央子午线为1146度带投影中央子午线计算方法除带入公式外，与3度带投影相同,1点击进入,2连接gps,3设置手簿其他参数,4点击连接,（3）连接基准站,5点击搜索,6点击连接,蓝牙连接注意事项：a连接之前先在“配置”“手簿选择”选择手簿类型；b手簿与GPS主机距离最好在10m内；c选择串口连接时，周围30m内无第三个蓝牙设备开启（包括同类手簿、GPS主机都不能打开）；d如果连接不上，请重新启动接收机或手簿程序。,
16、此步初次连接使用，选择右上角记忆地址，以后无需再搜索,1连接后，进入基站设置,（4）设置基准站 点击左上角下拉菜单，点击【基准站设置】。输入基站点名、天线高，点击【平滑】，平滑完成后点击右上角【】。（如下图）,2参数输入,3点击平滑,4点击停止,注：任意位置设站，不意味着任意输入坐标，务必进行平滑多次后进行设站，平滑次数越多，可靠度也越高,必须达固顶解,点击【数据链】，选择外部数据链类型。解释：外部数据链是用小五芯电缆连接主机和电台时使用的数据链；内置网络是用GSM卡连接主机时使用的数据链；内置电台是用电台作业时使用的数据，需选择电台频道（此仪器没有内置电台）。,点击【其他】,(如右上图）,选
17、择差分模式，电文格式，（默认为RTK、RTCM3.0不需要改动），点击右下角【确定】，软件提示设置成功。,1点击数据链,2选择数据链,3点击其他,4差分、电文格式设置,5点击确定,6点击运用,7点击确定,组装仪器进入移动站设置,8点击断开GPS连接，,注意事项：移动站电台使用内置电台电台频道要统一电文格式要保持和基准站的统一高度角设置一般10度（高度的设置可以影响工作状态）,点击左上角菜单，点击【断开GPS】，断开手簿与基准站 GPS主机的连接,4.设置移动站,（1）连接移动站打开移动站GPS主机电源，调节好仪器工作模式，等待移动站锁定卫星。按左上角下拉菜单【连接GPS】,将手簿与移动站GPS
18、主机连接，连接方法和基准站类似。提示：使用UHF电台时，将差分天线与移动站GPS主机连接好；使用GPRS时，不需要差分天线。,（2）设置移动站,点击菜单【移动站设置】，弹出“设置移动站”对话框。在【数据链】界面，选择内置UHF电台。点击【其他】界面，选择、输入和基准站一样的参数，修改移动站天线高。按右下角【确定】按钮,软件提示移动站设置成功，查看解类型是否为固定，如果是则点击右上角按钮【X】，回退到软件主界面。,5.数据采集,解状态,坐标显示,坐标中误差,显示模式,采集按钮=F2,电量显示,（1）从主界面“测量”进入（2）到已知点采集数据（注意工作状态和对中整平）（3）进行点号、天线高等设置，
19、保存，采集下一点至少采集两个已知点数据,记录点库,平滑键,输入点号,输入移动天线高,6.求解转换参数,（1）点击【参数】【坐标系统】（左上角下拉菜单）【参数计算】，进入“求解参数”视图。,1点击参数计算,2选择计算类型,3选择高程拟合模型,4点击添加,（2）添加控制点,点击【添加】按钮，弹出下图，要求分别输入源点坐标和目标点坐标。源点是指用RTK采集的原始坐标数据点，目标点是指已知控制点的当地坐标。,注：源点坐标从记录点库中选择；目标坐标需自行输入相应点的当地坐标，也可以先在控制点库添加上坐标，然后在此处点直接从控制点库提取。,源点,目标点,点击源点库,点击目标点库,点击【保存】，重复添加，直
20、至将参与解算的控制点加完,点击右下角【解算】按钮，弹出求解好的四参数，查看缩放比例和残差值，如果满足测量精度要求，那么就可以点击【运用】，反之则取消。,参差大，不参与解算,注:四参数中的缩放比例为一非常接近1的数字，越接近1越可靠，一般为0.999x或1.000 x 平面中误差,高程中误差表示点的平面和高程残差值，如果超过要求的精度限定值，说明测量点的原始坐标或当地坐标不准确，残差大的控制点，不选中点前方的小勾，不让其参与解算，这对测量结果的精度有决定性的影响！,2查看平面、高程转换运用,1点击运用,3点击保存,4点击关闭键,均小于3厘米可用,概括：进入参数计算界面设置参数模型进行点对匹配参数
21、解算 应用参数查看参数注意：小于3个已知点，高程只能作固定差改正；大于等于3个已知点，则可作平面拟合；大于等于6个已知点，则可作曲面拟合。而作平面拟合或曲面拟合时，必须在求转换参数前预先进入【参数】【高程拟合】菜单进行设置。数据检核 参数求解完成后，必要时应当到另外的一个已知点上去检核，当误差满足精度要求时，方可进行后续工作。注：一般的，当求解好一组参数后，假如还要在同一测区作业，建议将基准站位置做记号，基准站坐标、投影参数、转换参数等信息都记录下来，当下次作业时，建议将基准站架设在相同的位置，打开原来使用过的项目，设置基准站，修改基准站天线高，检查参数正确后，移动站即可得到正确的当地坐标。,
22、7.测量,（1）碎部测量：完成参数解算及应用后，进入“测量”界面，测量过程中应注意数据解状态及精度。,1点击测量,2满足精度下采集,3输入点号,4输入移高,5点击确认键,注：测量过程中应注意数据解状态及精度,（2）点放样 点击主界面上的【测量】按钮，进入“碎部测量”界面，点击左上角下拉菜单，点击【点放样】，弹出界面（如左下图），点击左下角（表示放样下一点），弹出右下图，输入放样点的坐标或点击【点库】从坐标库取点进行放样。,点击放样下一点,从点库取点放样,放样指示,直接输入放样坐标,（3）线放样点击左上角下拉菜单，选择【线放样】。,如左上图，点击按钮，选择线段类型，输入线段要素，然后点击下一点，
23、弹出右下图，输入里程，定义里程加常数，确定，根据左上图的“放样指示”进行放样。,4根据指示放样,1点击出现线型选择框,3输入起、终点坐标,2选择线型,8.数据的输出,数据输出,1手簿数据格式转换,2通过数据线和电脑相连,3通过电脑同步软件，数据导出,1手簿数据格式转换,2通过数据卡，在电脑数据输出,需要安装手簿驱动,（1）连接计算机 在计算机上，安装手簿连接MicrosoftActiveSync（中海达软件光盘里或者网上下载），安装过程提示进行操作。用数据线把手簿和计算机连接起来，第一次连接簿，一般会提示发现新硬件，此时利用中海达软光盘里的GIS手持机驱动，安装手簿的驱动程序。安装完成后，Mi
24、crosoft ActiveSync一般会进行动连接，自动连接时下图图标会变为绿色，如没有自动连接，请先将数据线断开，再进行重新接。,（2）碎部数据导出步骤,从项目信息进入点库,可以对点进行编辑、删除、导出,选择格式、路径,连接后会提示建立合作关系，点“取消”。,出现如下界面继续点“确定”,点“浏览”，可以访问手簿,注：测量的数据（包括项目、坐标系统、转换参数、点库以及 导出的碎步数据）都存放在默认的NandFlash文件夹里，其中Project为存放项目的文件夹，Road为道路版数据文件夹。,如上图所示，导出的碎步数据的默认存放路径为NandFlashProjectRoad项目名Points
25、，在此文件夹下找到导出的文件，复制到计算机上，就可以进行后续编辑、成图工作（CADCASS)。同样的，如果在计算机上，按照软件认可的格式编写好的文件，也可以复制到手簿里，然后在手簿软件里直接调用。,二、单基站RTK操作流程（外挂电台模式）三参数转换,此方法适用于客户对坐标精度要求不是很高的小区域作业：1.如果基准站架设在未知点上，手簿软件使用方法和四参数类似，只是在计算参数是选择计算三参数。2.如果基准站架设在已知点上，除“设置基准站”与四参数不同外，其他均一样 方法：1.点击【平滑】，弹出平滑完成后，点击右上角【】2.完成后点击【计算三参数】，之后在弹出的参数对话框中，查看三参数是否应用（一
26、般三参数的每一项都要求小于120），确认无误后，点击右上角【】。,三、单基站RTK操作流程（外挂电台模式）七参数转换,此方法解算模型严谨，因此要求已知点的坐标精高，一般在大范围作业时使用，当已知点精度不时，不推荐使用七参数。手簿软件使用方法和四参数类似，只是在计算参数时选择计算【七参数】，且必须在求转换参数前先入【参数】【高程拟合】菜单进行设置，高程合选择【平面拟合】。,四、单基站RTK操作流程（外挂电台模式）点校验,此方法用于计算两坐标系统之间的平面、高程平移参数。常在以下两种情况使用：1.只有一个BJ54、国家80坐标或只有一个和WGS-84坐标系旋转很小的坐标系下的坐标。2.在一个项目上
27、，参数计算完成后，正常工作了一段时间，由于客观原因，第二次作业不想把基站架设在和第一次同样的位置。方法：基准站任意架设，移动站到一个已知点，点击【点校验】-【计算】，采集当前点的WGS-84坐标，输入已知点的当地坐标，点击【计算】，得出改正量，点击【应用】，以后方可作业。,内置网络模式以网络为数据链。其基本设置流程和使用外置电台基本一致。不同的是设备为可以进行通信的移动手机卡，参数设置方面根据要求输入供应商提供的相关数据。,五、单基站RTK操作流程（内置网络模式）,网络RTK操作流程（CORS),1、安装手机卡仪器架设设置模式进入软件,2、连接GPS移动站设置,3、参数设置运营商服务器断开,4
28、、CORS设置接电、用户、密码,5、其他设置,6、保存设置查看状态进入测量,第四章 使用注意事项,蓝牙连接问题,接收机模式不对,连接端口错误,接收机波特率不对,基站不发射,移动站接收问题,超过作业距离,达不到固定解,卫星分布不好,高度角设置过大,电文格式选择不对,IP地址、端口、分组数据格式,手机卡费用、网络覆盖范围,接收机电池,移动站连接失败,接收不到差分数据,电台频道不对,网络模式其他问题,1、良好的卫星状态,2、控制测量的技术要求,3.转换参数求解当测区已有转换参数时，可直接利用。当没有已知参数时，要自行求解，须有不少于三个已知控制点且分布均匀，多方案取优应用。控制测量不能采用现场单点校
29、正。4、基准站要求应设在高一级控制点上，如需长期使用应建立带强制对中装置的观测墩。尽量远离电磁波发射源。使用电台传输时，应保证发射天线有一定的高度。使用通信网络时，应保证网络能够完全覆盖。应正确设置软件及电台相关技术参数（投影参数、电台频率、数据端口等），避免出现串频现象。,5.流动站要求不宜设在成片水域、隐蔽地带、强电磁干扰源附近作业范围不能超出规范规定范围（10km)流动站要保持与基准站的通讯连接及对卫星的连续锁定。数据采集时一定要是固定解。主要检查数据状态、卫星分布情况及精度因子。卫星失锁后要到已知点进行检核无误后方可继续工作。对中整平尽量采用三角架，多次观测求取平均值。,谢谢大家！祝大家工作顺利！,
