GPS测量的原理与应用教案.ppt

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1、,GPS测量的 原 理与应 用,基 本 原 理,GPS基础教程,GPS基础教程,传 统 测 量 技 术 的 缺 陷GPS 优 势GPS 的 主 要 特 性 GPS 系 统 的 组 成距 离 测 定 的 基 本 原 理点 位 测 定 的 基 本 原 理GPS 的 信 号 结 构测 距 码 伪 距 测 量,载 波相 位 测 量选 择 可 用 性 技 术 Selective Availability(SA)误 差 来 源差 分 GPS(初始)整 周 未 知 数整 周 未 知 数 的 解 算 精 度 因 子要 点 小 结,索引 第一部分,与 传 统 的 陆 上 测 量 技 术 相 比 GPS 具 有

2、许 多 优 势 传 统 大 地 测 量 技 术 依 赖 于 测 站 点 至 目 标 点 的 通 视 情 况如 果 视 线 方 向 有 障 碍 物，则 必 须 绕 道 测 量 一 般来说 传 统 方 式 的 距 离 测 量 被 限 制 在 5 Km 左 右气 候 因 素 限 制 着 传 统 测 量 的 运 作。如 雾，雨 等,传 统 测 量 技 术 的 缺 陷,GPS基础教程,不 受 气 候 条 件 的 限 制无 须 通 视 要 求可 进 行 高 精 度 大 地 测 量能 实 现 全 天 候 测 量 运 作省 时 省 力经 济 效 益 明 显坐 标 系 统 通 用应 用 领 域 广 泛具 有 竞

3、 争 力 的 价 格,GPS 优 势,GPS基础教程,GPS 系 统 的 完 善 受 控 于美 国 国 防 部GPS 系 统 可 提 供精 确 导 航导 航 精 度 约 为 10-20 m全 球 信 号 覆 盖24 小 时 工 作 服 务普 通 座 标 系 统 中 的 测 量 工作计 划 用 GPS 系 统 取 代 现 有 的 导 航 系 统GPS 系 统 可 应 用 于 民 用 及军 事 领 域,GPS 的 主 要 特 性,GPS基础教程,GPS 系统的组成,GPS基础教程,空 间 部 分,24 颗 卫 星分 布 在 互 为 55 度 交 角 的 6 个 轨 道 平 面 上，每 个 轨 道

4、面 上 布 有 4 颗 卫 星卫 星 高 约 20200 Km,12 小 时 绕 轨 道 一 周 可 见 时 间 为 4-5 小 时设计寿命为 7.5 年卫 星 种类 区 分Block 1(一 代),Block 2,2A(二 代),Block 2R，2 F(三 代),赤 道,55,GPS基础教程,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)目前在轨实际运行的卫星个数已经超过32颗,4 GPS卫星,控 制 部 分,主 控 站负 责 收 集 由 监 控 站 传 来 的 卫 星 跟 踪 数 据 并 计

5、算 卫 星 星 历 和 时 间 参 数5 个 监 控 站负 责 对 卫 星 伪 距 数 据 的 观 测，这 一 卫 星 跟 踪 监 测 网 用 于 确 定 卫 星 广 播 星 历 及 卫 星 钟 模 式地 面 控 制 站负 责 向 卫 星 注入信 号,GPS基础教程,5 地面控制站,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=1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii),55,Hawaii,Ascencion,Diego Garcia,kwajalein,Colorado springs,

6、距 离 测 定 原 理,GPS基础教程,距 离 测 定 原 理,GPS基础教程,距 离 测 定 原 理,GPS基础教程,距离=传播时间 x 光速,距 离 测 定 原 理,GPS基础教程,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,GPS基础教程,2 个 球 面 相 交 成 一 个 圆 弧点 位 被 限 制 在 一 曲 线 上,R1,R2,点 位 测 定 原 理,GPS基础教程,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,点 位 测 定 原 理,GPS基础教程,卫 星

7、 可 被 看 作 是 在 固 定 的 轨 道 上 运 动 空 中 观 测 目 标每 颗 卫 星 播 发 独 立 的 时 间 码 进 行 距 离 测 量常 规 GPS 接 收 仪 内 置 较 为 廉 价 的 钟，这 些 钟 的 计 时 精度 比 卫 星 上 内 置 钟 的 精 度 低 得 多无 线 电 电 波 以 光 速 传 播(距 离=光 速 x 时 间)设 想 一 下 接 收 仪 上 钟 的 误 差 对 距 离 测 定 的 影 响1/10 秒 的 测 时 误 差 将 引 起 30,000 Km 的 距 离 误 差1/1,000,000 秒 的 测 时 误 差 将 引 起 300 m 的 距

8、离 误 差,点 位 测 定 原 理,GPS基础教程,4 段 距 离 解 决 了 纬 度，经 度，高 程 和 时 间 四 个 未 知 数这 就 类 似 于 测 边 交 会 问 题 的 解 决 原 理,点 位 确 定,GPS基础教程,GPS 的 信 号 结 构,每 个 GPS 卫 星 播 发 一 组 信 号每 组 信 号 包 括 两 个 不 同 频 率 的 载 波 信 号(L1 和 L2)、两 个 不 同 的 测 距 码 信 号(C/A 码 调 制 在 L1 载 波 上，P 码 或 Y 码 同 时 调 制 在 L1 及 L2 载 波 上)以 及 卫 星 的 轨 道 信 息,GPS基础教程,测 距

9、码 伪 距 测 定,测 距 伪 随 机 码 每 一 卫 星 播 发 一 个 伪 随 机 测 距 码 信 号，该 信 号 大 约 每 1 毫 秒 播 发 一 次接 收 仪 同 时 复 制 出 一 个 同 样 结 构的 信 号 并 与 接 收 到 的 卫 星 信 号 进行 比 较由 信 号 的 延 迟 时 间(dT)推 算 出 卫 星 至 接 收 仪 的 距 离接 收 仪 时 钟 应 与 卫 星 钟 校 时,dT,接 收 到 的卫 星 测 距 码,接 收 仪复 制 出 的 测 距 码,GPS基础教程,D=c TN,载 波 相 位 测 距,载 波 相 位 观 测载 波 L1 的 波 长 为 19 c

10、m，L2 的 波 长为 24 cm 接 收 仪 将 接 收 到 的 卫 星 载 波 信 号的 相 位 与 其 自 身 产 生 的 参 考 载 波信 号 的 相 位 进 行 比 较接 收 仪 开 机 后，相 位 整 周 数 未 知(带 有 整 周 模 糊 度)跟 踪 卫 星 时 间 较 长 时 距 离 的 变 化可 以 测 定(整 周 数 保 持 不 变),T,接 收 到 的 卫 星 相 位,接 收 仪 复 制 出 的 相 位,GPS基础教程,点 位 测 定,单 机 定 位 用 于 导 航，其 定 位 精 度 大 约 在 10 到 30m 左 右,GPS基础教程,P=正确位置,P,防电子欺骗技术

11、(AS)选择性服务政策(SA)*SA技术已经于2000年5月取消,理 论 上 利 用 C/A 码 可 获 取 10-30m 的 定 位 精 度,GPS基础教程,+/-100m(95%),美 国 防 部 人为 降 低 卫 星 广 播 信 息的 精 度，限 制 非 许 可 用 户的 非 法 使 用在 基 准 信 号 上 人 为 加 入 一 个 高 频 抖 动 信 号(技术)人 为 降 低 卫 星 星 历 精 度(技 术)此 项 技 术 称 为 选 择 可 用 性 技 术点 位 精 度 为 100 m(95%),P=正 确 位 置,P,理 论 上 基 于 C/A 码 的 定 位 精 度约 为 10-

12、30m,选 择 可 用 性 技 术(SA),GPS基础教程,点 位 测 定,精 度 10-100 m,防电子欺骗技术(AS)选择性服务政策(SA)*SA技术已经于2000年5月取消,GPS基础教程,GPS定位的误差源,8 GPS 定位原理,与GPS卫星有关的因素SA技术 人为的降低广播星历精度(技术)卫星星历误差卫星钟差卫星信号发射天线相位中心偏差与传播途径有关的因素电离层延迟对流层延迟多路径效应与接收机有关的因素接收机钟差接收机天线相位中心误差接收机软件和硬件造成的误差,如 何 提 高 GPS的测 量 精 度?,使 用差 分 GPS 技 术,GPS基础教程,差 分 定 位 技 术,在 测 定

13、 流 动 站 的 座 标 时 与 之 相 关 联 的 参 考 站 的 设 置 是 必 须 的,参 考 站(A)的 座 标 须 已知,卫 星 必 须 同 时 被 跟 踪,差 分 定 位削 减 卫 星 及 接 收 仪 钟的 误 差 影 响大 气 影 响 削 减 至 最 小精 度 达 0.5 cm-5 m,Baseline Vector,B,A,GPS基础教程,伪 距 差 分 测 量 精 度 可 达 0.5m-5 m 此 种 测 量 形 式 一 般 称 为 DGPS,基 线 向 量,差 分 定 位 技 术,B,A,GPS基础教程,RTD测量原理图,测深仪,电脑,发射电台,GPS主机,基准站,移动站,

14、GPS主机,接收电台,测深仪,电脑,信标台站,移动站,GPS主机,信标机测量原理图,信标天线,如 果 使 用 载 波 差 分 或 同 时 使 用 载 波 差分 及 伪 距 差 分 则 定位 精 度 可 达 5-10 mm+1ppm,基 线 向 量,差 分 定 位 技 术,B,A,GPS基础教程,常规GPS的测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分(Real-time kinematic)方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大

15、地提高了外业作业效率。RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据(伪距观测值，相位观测值)及已知数据传输给流动站接收机。,什么是RTK技术,发射电台,GPS主机,基准站,移动站,GPS主机,RTK测量原理图,采集器,接收电台,时间(0),整周数,时间(i),整周数,整周变化数,相位差测量,整 周 模 糊 度,在 使 用 载 波 相 位 观 测 时 整 周 数 应 被 解 算 出 来,相位差测量,GPS基础教程,精度(m),1.00,0.10,0.01,静态测量,0 120,快速静态测量,0 2 5,时间(mins),未解算出整周模糊度时的测量精度,已解算出整周模糊度时的测量精度,解 算 整

16、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，测 量 精 度 将 不 随 时 间 有 明显 增 长,GPS基础教程,一 种 描 述 纯 粹 因 卫 星 几 何 因 素 对 定 点 精 度 的 影 响精 度 因 子 指 出 在 测 量 时 被 跟 踪 卫 星 几 何 结 构 上 的 强 度GDOP(Geometrical)包 括 经 度,纬 度,高 程 和 时 间 等 因 子，称 为 几 何 精 度 因 子PDOP(Positional)包 括 经 度,纬 度 和 高 程 等 因 子，称 为 空 间 位 置 精 度 因 子HDO

17、P(Horizontal)包 括 经 度 和 纬 度 等 因 子，称 为平 面 位 置 精 度 因 子VDOP(Vertical)仅 包 括 高 程 因 子，称 为 高 程 精 度 因 子,精 度 因 子(DOP),较好的 DOP,GPS基础教程,精 度 因 子(DOP),一 种 描 述 纯 粹 因 卫 星 几 何 因 素 对 定 点 精 度 的 影 响精 度 因 子 指 出 在 测 量 时 被 跟 踪 卫 星 几 何 结 构 上 的 强 度GDOP(Geometrical)包 括 经 度,纬 度,高 程 和 时 间 等 因 子，称 为 几 何 精 度 因 子PDOP(Positional)包 括 经 度,纬 度 和 高 程 等 因 子，称 为 空 间 位 置 精 度 因 子HDOP(Horizontal)包 括 经 度 和 纬 度 等 因 子，称 为平 面 位 置 精 度 因 子VDOP(Vertical)仅 包 括 高 程 因 子，称 为 高 程 精 度 因 子,GPS基础教程,