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1、,寇瑞雄,第二组,GPS系统介绍专题报告,GPS 的组成,GPS（Global Positioning System）即全球定位系统，是由美国建立的一个卫星导航定位系统，利用该系统，用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速；另外，利用该系统，用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。GPS 计划始于1973 年，已于1994 年进入完全运行状态。GPS 的整个系由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成：,2023/3/25,4,GPS 系统的组成,空间部分：提供星历和时间信息 发射伪距和载表信号 提供其它辅助信息,地面控制部分：中心控制系统 实现时间同步 跟踪卫星
2、进行定轨,用户部分：接收并测卫星信号 记录处理数据 提供导航定位信息,2023/3/25,5,空间部分,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）12小时（恒星时）轨道周期5个多小时出现在地平线以上（每颗星）,2023/3/25,6,地面控制部分,一个主控站：科罗拉多斯必灵司三个注入站：阿松森（Ascencion)迭哥伽西亚(Diego Garcia)卡瓦加兰(kwajalein)五个监测站=科罗拉多州、夏威夷、阿松森群岛、迭哥伽西亚和卡瓦加兰,Hawaii,Ascencion,Diego Garcia,kwajalein,Colorado springs
3、,2023/3/25,7,用户部分,通用接收机（定位型）：,导航型接收机一般情况下无数据输出的记录存储设备,2023/3/25,8,GPS 信号,2023/3/25,9,GPS 卫星信号,卫星信号结构,每颗卫星都发射一系列无线电信号（基准频率）两种载波（L1和L2）两种码信号（C/A码和P码）一组导航电文（信息码，D码）,2023/3/25,10,定位原理,2023/3/25,11,1颗卫星的信号确定了我们必定在以R1为半径的球面的某个点上,R1,点位测定原理,2023/3/25,12,由2颗卫星的信号可以确定2个球面，它们相交成一个圆弧，点位被限制在一曲线上,R1,R2,2023/3/25,
4、13,3 个球面相交成一个点，3 个距离段可以确定纬度，经度和高程，点的空间位置被确定,R1,R2,R3,2023/3/25,14,接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距,地心,Si,Pij,Pj,ri,Rj,有关各观测量及已知数据如下：r 为已知的卫地矢量P为观测量（伪距）R为未知的测站点位矢量,对卫星进行测距,2023/3/25,15,距离观测值的计算,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的时间t传播延迟时间乘以光速就是距离观测值=C t,2023/3/25,16,单点定位结果的获取,单点定位解可以理解为一
5、个后方交会问题卫星充当轨道上运动的控制点，观测值为测站至卫星的伪距（由时延值推算得到）由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差所以要同步观测4颗卫星，解算四个未知参数：精度,经度,高程 h,钟差 t,2023/3/25,17,采用载波相位观测值,发自卫星的电磁波信号：,信号量测精度优于波长的1/100载波波长（L1=19cm,L2=24cm)比C/A码波长(C/A=293m)短得多所以，GPS测量采用载波相位观测值可以获得比伪距（C/A码或P码）定位高得多的成果精度,L1载波,L2载波,C/A码,P-码,2023/3/25,18,组成星际站际两次差分观测值,可以消去卫星钟的系统偏差可以消去接收机时钟
6、的误差,可以消去轨道（星历）误差的影响可以削弱大气折射对观测值的影响,GPS 定位的误差源,1.与GPS 卫星有关的因素 SA 美国政府从其国家利益出发，通过降低广播星历精度（技术）、在GPS 基准信号中加入高频抖动（技术）等方法，人为降低普通用户利用GPS 进行导航定位时的精度。卫星星历误差 在进行GPS 定位时，计算在某时刻GPS 卫星位置所需的卫星轨道参数是通过各种类型的星历7 提供的，但不论采用哪种类型的星历，所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异，这就是所谓的星历误差。卫星钟差 卫星钟差是GPS 卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS 标准时间之间的误差。卫星信号发射天线相位中心偏
7、差 卫星信号发射天线相位中心偏差是GPS 卫星上信号发射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。,2023/3/25,20,电离层延迟 由于地球周围的电离层对电磁波的折射效应，使得GPS 信号的传播速度发生变化，这种变化称为电离层延迟。电磁波所受电离层折射的影响与电磁波的频率以及电磁波传播途径上电子总含量有关。对流层延迟 由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应，使得GPS 信号的传播速度发生变化，这种变化称为对流层延迟。电磁波所受对流层折射的影响与电磁波传播途径上的温度、湿度和气压有关。多路径效应 由于接收机周围环境的影响，使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有各种反射和折射信号的影响，
8、这就是所谓的多路径效应。,2.与传播途径有关的因素,2023/3/25,21,接收机钟差 接收机钟差是GPS 接收机所使用的钟的钟面时与GPS 标准时之间的差异。接收机天线相位中心偏差 接收机天线相位中心偏差是GPS 接收 机天线的标称相位中心与其真实的相位中心之间的差异。接收机软件和硬件造成的误差 在进行GPS 定位时，定位结果还会受到诸如处理与控制软件和硬件等的影响。,3.与接收机有关的因素,2023/3/25,22,4.其它 GPS 控制部分人为或计算机造成的影响 由于GPS 控制部分的问题或用户在进行数据处理时引入的误差等。数据处理软件的影响 数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响。
9、,2023/3/25,23,GPS定位的坐标系统,协议天球坐标系协议地球坐标系协议天球坐标系和协议地球坐标系转换国家坐标系和地方坐标系 WGS坐标系,2023/3/25,24,24,天球的概念,以地球质心为中心，半径为任意长的假想的球体。在天文学中一般均把天体投影到天球球面上，以球面坐标系来描述或研究天体的位置以及天体之间的关系。,2023/3/25,25,天球球面坐标:赤经、赤纬、向径r原点：地球质量中心。赤经：天体子午面与春分点子午面的夹角。赤纬：天体与地心连线和天球赤道面的夹角。向径r：天体到地心的距离。,2023/3/25,26,天球直角坐标：x、y、z。原点：地球质量中心。Z轴：指向
10、北天极Pn。X轴：指向春分点。Y轴：与X、Z轴 构成右手坐标系。,2023/3/25,27,协议天球坐标系,瞬时天球坐标系：z轴指向瞬时北天极，x轴指向瞬时春分点（真春分点）。平天球坐标系：z轴指向平北天极，x轴指向平春分点。协议天球坐标系:1984年1月1日后，取2000年1月15日的平北天极为协议北天极，z轴指向协议北天极的天球坐标系称为协议天球坐标系，x轴指向协议春分点。,2023/3/25,28,协议天球坐标系到瞬时天球坐标系变换,岁差旋转变换 由于岁差导致地球自转轴的运动使两坐标系z轴产生夹角；同理，因岁差导致春分点的运动使两坐标系轴、Z轴分别产生夹角。通过旋转变换得到这样两个坐标系
11、的变换式：,2023/3/25,29,协议天球坐标系到瞬时天球坐标系变换,章动旋转变换,2023/3/25,30,一：空间直角坐标系,原点：一般取地球质心。Z轴：指向地球北极。X轴：指向格林威治子午线与地球赤道的交点。Y轴：构成右手坐标系。,地球坐标系,2023/3/25,31,二：协议地球坐标系,以协议地极为基准点的地球坐标系为协议地球坐标系。,2023/3/25,32,大地坐标系,大地经度L：过地面点的椭球子午 面与格林尼治平子午面之间的夹角。大地纬度B：过地面点的椭球法线 与椭球赤道面的夹角。大地高H：地面点沿椭球法线 至椭球面的距离。,2023/3/25,33,GPS-84坐标系统,W
12、GS-84 坐标系是目前GPS 所采用的坐标系统，GPS 所发布的星历参数就是基于此坐标系统的。WGS-84 坐标系的坐标原点位于地球的质心，Z 轴指向BIH1984.0 定义的协议地球极方向，X 轴指向BIH1984.0 的启始子午面和赤道的交点，Y 轴与X 轴和Z 轴构成右手系。,2023/3/25,34,1954 年北京坐标系,1954 年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系,采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球，遗憾的是，该椭球并未依据当时我国的天文观测资料进行重新定位，而是由前苏联西伯利亚地区的一等锁，经我国的东北地区传算过来的，该坐标系的高程异常是以前苏联1955 年大地水准面
13、重新平差的结果为起算值，按我国天文水准路线推算出来的，而高程又是以1956 年青岛验潮站的黄海平均海水面为基准。,2023/3/25,35,克拉索夫斯基椭球参数同现代精确的椭球参数的差异较大，并且不包含表示地球物理特性的参数，因而给理论和实际工作带来了许多不便。椭球定向不十分明确，椭球的短半轴既不指向国际通用的CIO 极，也不指向目前我国使用的JYD 极。参考椭球面与我国大地水准面呈西高东低的系统性倾斜，东部高程异常达60 余米，最大达67 米。该坐标系统的大地点坐标是经过局部分区平差得到的，因此，全国的天文大地控制点实际上不能形成一个整体，区与区之间有较大的隙距，如在有的接合部中，同一点在不
14、同区的坐标值相差1-2 米，不同分区的尺度差异也很大，而且坐标传递是从东北到西北和西南，后一区是以前一区的最弱部作为坐标起算点，因而一等锁具有明显的坐标积累误差。,1954 年北京坐标系存在着很多缺点,2023/3/25,36,1980 年西安大地坐标系,1978 年，我国决定重新对全国天文大地网施行整体平差，并且建立新的国家大地坐标系统，整体平差在新大地坐标系统中进行，这个坐标系统就是1980 年西安大地坐标系统。1980 年西安大地坐标系统所采用的地球椭球参数的四个几何和物理参数采用了IAG 1975 年的推荐值，椭球的短轴平行于地球的自转轴（由地球质心指向1968.0 JYD 地极原点方
15、向），起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面，椭球面同似大地水准面在我国境内符合最好，高程系统以1956 年黄海平均海水面为高程起算基准。,2023/3/25,37,2000国家大地坐标系,2000国家大地坐标系是全球地心坐标系在我国的具体体现，其原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心。Z轴指向BIH1984.0定义的协议极地方向（BIH国际时间局），X轴指向BIH1984.0定义的零子午面与协议赤道的交点，Y轴按右手坐标系确定。2008年7月1日起启用。2000国家大地坐标系采用的地球椭球参数如下：长半轴 a=6378137m扁率f=1/298.257222101地心引力常数GM=3.98
16、60044181014m3s-2自转角速度=7.292l1510-5rad s-1,2023/3/25,38,卫星轨道图,2023/3/25,39,GPS 静态定位在测量中的应用,GPS 静态定位在测量中主要用于测定各种用途的控制点。其中，较为常见的方面是利用GPS 建立各种类型和等级的控制网，在这些方面，GPS 技术已基本上取代了常规的测量方法，成为了主要手段。较之于常规方法，GPS 在布设控制网方面具有以下一些特点：,2023/3/25,40,测量精度高：GPS 观测的精度要明显高于一般的常规测量手段，GPS 基线向量的相对精度一般在10-5 10-9之间，这是普通测量方法很难达到的。选点
17、灵活、不需要造标、费用低：GPS 测量不要求测站间相互通视，不需要建造觇标，作业成本低，大大降低了布网费用。全天侯作业：在任何时间、任何气候条件下，均可以进行GPS 观测，大大方便了测量作业，有利于按时、高效地完成控制网的布设。观测时间短：采用GPS 布设一般等级的控制网时，在每个测站上的观测时间一般在12 个小时左右，采用快速静态定位的方法，观测时间更短。观测、处理自动化采用GPS 布设控制网，观测工程和数据处理过程均是高度自动化的。,2023/3/25,41,布设GPS 网的工作步骤,2023/3/25,42,第二部分、GPS静态测量及数据处理,2023/3/25,43,概 述,一、GPS
18、静态测量概念 在进行GPS定位时，接收机的天线在整个观测过程中的位置是保持不变的。在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个不随时间的改变而改变的量。其具体观测模式多台接收机在不同的测站上进行静止同步观测，时间由几分钟、几小时甚至数十小时不等；接收机测得卫星发送的伪距、载波相位等信号观测值；再将观测值下载到计算机中处理；一般要通过基线处理、网平差、坐标转换和高程转换求出高精度的网点坐标。在测量中，静态定位测量方式一般用于高精度的测量定位：如主要用于各种等级的大地测量跟踪网、基准网、工程控制网、变形监测网等的测量。二、GPS静态测量主要由三个过程来完成 1）测前工作；2）实施测量；3）数据处理,2
19、023/3/25,44,第一节、测前工作,一、项目的提出：一项GPS测量工程项目，往往是由工程发包方、上级主管部门或其他单位或部门提出，由GPS测量队伍具体实施。对于一项GPS测量工程项目，一般有如下一些要求：测区位置及其范围用途和精度等级点位分布及点的数量提交成果的内容时限要求投资经费,2023/3/25,45,第二节、测量实施,一、实地了解测区情况 点位情况（点的位置、上点的难度等）、测区内经济发展状况、民风民俗、交通状况、测量人员生活安排等。二、卫星状况预报：需要评估障碍物对GPS观测可能产生的不良影响。三、确定作业方案：根据卫星状况、测量作业的进展情况、以及测区的实际情况，确定出具体的
20、布网和作业方案。,2023/3/25,46,第三节、数据处理,静态相对测量数据处理基本步骤：粗加工、预处理、基线解算、GPS网与地面网的联合网平差处理、坐标转换和高程转换。一、粗加工（人工）1、原始观测数据的下装：在进行基线解算之前，首先需要从接收机上下装原始的GPS观测值数据：至少应当有：1）观测值文件；2）星历参数文件；有些接收机还另外列出了：测站信息文件、电离层参数和UTC参数文件。2、外业输入数据的检查与修改：在读入了GPS观测值数据后，就需要对观测数据进行必要的检查，检查的项目包括：测站名、点号、测站坐标、天线高等。,2023/3/25,47,四）GPS网的设计准则,出发点：保证质量
21、的前提下，尽可能地提高效率，努力降低成本。因此，在进行GPS的设计和测设时，既不能脱离实际的应用需求，盲目地最求不必要的高精度和高可靠性；也不能为追求高效率和低成本，而放弃对质量的要求。（一）提高GPS网可靠性的方法增加观测期数（增加独立基线数):在布设GPS网时，适当增加观测期数（时段数）对于提高GPS网的可靠性非常有效。因为，随着观测期数的增加，所测得的独立基线数就会增加，而独立基线数的增加，对网的可靠性的提高是非常有宜的。,2023/3/25,48,五、GPS静态测量的局限性,1、GPS静态定位在测量中主要作用 测定各种用途的控制点。其中，较为常见的是利用GPS建立各种类型和等级的控制网
22、：大地测量跟踪网、变形监测网、工程控制网等。2、局限性：（地形图测绘、工程放样）时间长、效率低数据后处理:无法实时精密地形测绘和放样用于实时精密地形测绘和放样的GPS测量系统势在必行.,2023/3/25,49,第三部分：GPS RTK地形测量,2023/3/25,50,一 GPS RTK定位系统的概述,一、GPS RTK定位概念：Realtime Kinematic实时载波相位差分观测值动态定位。基准站实时地将测量的载波相位观测值、伪距观测值、基准站坐标等用无线电传送给运动中的流动站，在流动站通过无线电接收机准站发射的信息，将载波相位观测值实时进行差分处理，得到基准站和流动站坐标差X，Y，Z
23、；坐标差加上基准站坐标得到流动站每个点WGS84坐标，通过坐标转换参数转换得出流动站每个点的平面坐标x,y和海拔高h。这个过程称作GPS RTK定位过程。GPS RTK定位技术主要用于地形测量和工程放样。,2023/3/25,51,二、GPS RTK定位系统的组成,一）组成概述 1、GPS接收机：能够测量到载波相位的GPS接收机都能够进行RTK定位，但是为了能够快速、准确的求解整周模糊度，双频接收机比较理想。2、无线电数据链：1）基准站发射电台，一般为外置的独立电台。2）流动站接收电台，可以内置在GPS接收机内部，也有外置的独立电台。3）中继站电台：可以转发接收站信号，既接收机准站发送的信号又
24、将接收信号发送出去，一般是外置的独立电台。2、为减少各种电磁波对GPS卫星信号的干扰，在基准站周围约200m的范围内不能有强电磁波干扰源，如大功率无线电发射设施、高压输电线等。,2023/3/25,52,第四部分：GPS RTK工程设计和放样,2023/3/25,53,第一节、GPS工程设计概述,工程建设的基本过程为：工程设计、工程放样和工程施工三个过程。一、工程设计概念 设计的工程一般由：点、线、面、体组成。但在放样过程中一般具体放样到点上，以点代线、以点代面、以点代体。这些能够代表工程的点称作工程特征点或要素点。根据要素点的用途不同又分为计算要素点和放样要素点。所以工程设计的主要内容就是设
25、计这些要素点的坐标或递推要素点坐标的具体过程（具体模型）。例如GPS RTK道路放样要素点为：中线上每隔一定导距中线点坐标或推算算法、边线上每隔一定导距边线点坐标或推算算法。纵断面的上中线点、边线点的高称或设计高程推算算法等。,2023/3/25,54,二、GPS RTK工程设计的方式,随着GPS技术和应用的发展，配套的工程设计软件也越来越完善；用于设计和指导放样的电子手簿的计算速度和内存都已经有了很大的发展。所以工程设计的方式很全面：定义点：一般用于定义点的绝对坐标，适用情况如下：点数比较少而无法用规则的模型推算坐标的工程设计。用其它软件设计的要素点。设计线的起点或终点坐标等。定义直线：适用于设计直线工程。定义圆弧线：适用于设计圆弧线工程。定义分界限、边界线。定义一条道路。定义一个模板输入注解,三、工程放样,工程放样就是GPS RTK系统实时的定位并计算所在位置与设计点的距离、设计点的方位，指导放样人员到达设计点的地面位置，测量该点的三维坐标，计算与设计坐标的差异。,2023/3/25,56,谢谢大家,
