GPS數(shù)據(jù)采集與處理PPT課件

1、12021/3/93S？3SGIS：地理信息系統(tǒng)：地理信息系統(tǒng)RS：遙感：遙感GPS：全球定位系統(tǒng)：全球定位系統(tǒng)2021/3/92 第九章第九章GPSGPS數(shù)據(jù)采集與處理數(shù)據(jù)采集與處理32021/3/9GPS概述概述1GPS定位方法定位方法2GPS數(shù)據(jù)及其處理數(shù)據(jù)及其處理3GPS靜態(tài)測量的實施靜態(tài)測量的實施4GPSGPS數(shù)據(jù)采集與處理數(shù)據(jù)采集與處理GPS基線向量網與高程平差基線向量網與高程平差5RTK技術及其應用技術及其應用642021/3/9第一節(jié) GPS概述概述GPSGPS是全球是全球定位定位系統(tǒng)系統(tǒng)(Global (Global Position Systerm)Position Sys

2、term)的簡稱的簡稱52021/3/9GPS相對經典測量技術特點n觀測站點之間無需通視n定位精度高n觀測時間短n提供三維坐標n操作簡便n全天候作業(yè)：白天黑夜62021/3/9例如：例如：GPSGPS用于大地測量用于大地測量72021/3/982021/3/9一、一、GPSGPS的組成的組成GPSGPS由三個獨立的部分組成由三個獨立的部分組成How手機？手機？GPS空間星座部分空間星座部分地面監(jiān)控系統(tǒng)地面監(jiān)控系統(tǒng)用戶設備部分用戶設備部分92021/3/9一、一、GPSGPS的組成的組成 空間部分空間部分24顆顆GPS衛(wèi)星組成衛(wèi)星組成用戶部分用戶部分 GPS接收機接收機控制部分控制部分 1個主控

3、站個主控站 3個注入站個注入站 5個監(jiān)控站個監(jiān)控站 注入站 監(jiān)控站監(jiān)控站主控站102021/3/9（一）（一）GPSGPS空間星座部分空間星座部分它由它由2424顆衛(wèi)星組成，其中包括顆衛(wèi)星組成，其中包括3 3顆可隨時啟用的顆可隨時啟用的備用衛(wèi)星。備用衛(wèi)星。分布在分布在6 6個軌道面上，每個軌道面上布放個軌道面上，每個軌道面上布放4 4顆衛(wèi)顆衛(wèi)星。星。這種配置保障了在地球這種配置保障了在地球上任意地點，任意時刻，上任意地點，任意時刻，至少同時可見到至少同時可見到4 4顆衛(wèi)星。顆衛(wèi)星。112021/3/9（一）（一）GPSGPS空間星座部分空間星座部分GPS衛(wèi)星圖片衛(wèi)星圖片122021/3/9（一

4、）（一）GPSGPS空間星座部分空間星座部分接收、儲存和處理地面監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)射來的導航電接收、儲存和處理地面監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)射來的導航電文及其它有關信息；文及其它有關信息；向用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導航與定位信息，并提供向用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導航與定位信息，并提供時間標準、衛(wèi)星本身的空間實時位置及其它在軌時間標準、衛(wèi)星本身的空間實時位置及其它在軌衛(wèi)星的概略位置；衛(wèi)星的概略位置；接收并執(zhí)行地面監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送的控制指令，如調接收并執(zhí)行地面監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送的控制指令，如調整衛(wèi)星姿態(tài)和啟用備用時鐘、備用衛(wèi)星等。整衛(wèi)星姿態(tài)和啟用備用時鐘、備用衛(wèi)星等。GPSGPS衛(wèi)星的主要功能：衛(wèi)星的主要功能：132021/3/9（二）（二）

5、GPSGPS地面監(jiān)控系統(tǒng)地面監(jiān)控系統(tǒng) 它由分布在全球的它由分布在全球的5 5個地面站組成，按其功能分個地面站組成，按其功能分為主控站為主控站(MCS)(MCS)、注入站、注入站(GA)(GA)和監(jiān)測站和監(jiān)測站(MS)(MS)三種。三種。142021/3/9（二）（二）GPSGPS地面監(jiān)控系統(tǒng)地面監(jiān)控系統(tǒng) （1 1）主控站主控站：1 1個，設在美國的科羅拉多的斯普個，設在美國的科羅拉多的斯普林斯林斯(Colorado Springs)(Colorado Springs)的空軍基地。的空軍基地。主控站負責協(xié)調和主控站負責協(xié)調和管理所有地面監(jiān)控系管理所有地面監(jiān)控系統(tǒng)的工作統(tǒng)的工作 152021/3/

6、9（二）（二）GPSGPS地面監(jiān)控系統(tǒng)地面監(jiān)控系統(tǒng) （2 2）注入站注入站（又稱地面天線站）：（又稱地面天線站）：3 3個，分別設個，分別設在南大西洋的阿松森群島、印度洋的迪哥加西亞和在南大西洋的阿松森群島、印度洋的迪哥加西亞和南太平洋的卡瓦加蘭。南太平洋的卡瓦加蘭。 將來自主控站的衛(wèi)星星歷、鐘差、導航電文和將來自主控站的衛(wèi)星星歷、鐘差、導航電文和其它控制指令注入到相應衛(wèi)星的存儲系統(tǒng)，并監(jiān)其它控制指令注入到相應衛(wèi)星的存儲系統(tǒng)，并監(jiān)測注入信息的正確性。測注入信息的正確性。162021/3/9（二）（二）GPSGPS地面監(jiān)控系統(tǒng)地面監(jiān)控系統(tǒng) （3 3）監(jiān)測站監(jiān)測站：共：共5 5個，除上述個，除上述

7、4 4個地面站具有監(jiān)個地面站具有監(jiān)測站功能外，還在夏威夷測站功能外，還在夏威夷(Hawaii)(Hawaii)設有一個監(jiān)測站。設有一個監(jiān)測站。高度自動化高度自動化：GPSGPS地面監(jiān)控系地面監(jiān)控系統(tǒng)除主控站外均由計算機自動控統(tǒng)除主控站外均由計算機自動控制，而勿需人工操作。制，而勿需人工操作。172021/3/9（三）（三）GPSGPS用戶設備部分用戶設備部分GPSGPS用戶設備部分，包括用戶設備部分，包括GPSGPS接收機硬件接收機硬件、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)處理軟件和微處理機及其終端設備。軟件和微處理機及其終端設備。 u跟蹤、接收、放跟蹤、接收、放大、處理衛(wèi)星信號，大、處理衛(wèi)星信號，測量出信號從衛(wèi)星

8、測量出信號從衛(wèi)星到天線的傳播時間。到天線的傳播時間。u解譯導航電文，解譯導航電文，實時解算測站三維實時解算測站三維位置。位置。182021/3/9GPSGPS的組成的組成注入站注入站空間星座部分：空間星座部分： 提供星歷和時間信息提供星歷和時間信息 發(fā)射偽距和載波信號發(fā)射偽距和載波信號 提供其它輔助信息提供其它輔助信息地面控制部分：地面控制部分： 中心控制系統(tǒng)中心控制系統(tǒng) 實現(xiàn)時間同步實現(xiàn)時間同步 跟蹤衛(wèi)星進行定軌跟蹤衛(wèi)星進行定軌用戶部分： 接收衛(wèi)星信號接收衛(wèi)星信號 記錄處理數(shù)據(jù)記錄處理數(shù)據(jù) 提供導航定位信息提供導航定位信息192021/3/9二、二、GPSGPS的信號的信號GPS衛(wèi)星發(fā)射兩種

9、頻率的載波信號：L1L1載波載波、L2L2載波載波。在L1和L2上又分別調制著多種信號，這些信號主要有：C/AC/A碼碼（粗捕獲碼）、P P碼碼（精碼）它們的頻率分別是基本頻率10.23MHz的154倍和120倍，它們的波長分別為19.03cm和24.42cm。202021/3/9三、三、GPSGPS定位系統(tǒng)的坐標系統(tǒng)定位系統(tǒng)的坐標系統(tǒng)任何測量都離不開一個基準基準，都需要一個特定的坐標系統(tǒng)。GPS是全球性的定位導航系統(tǒng)，因此它采用國際協(xié)議確定的協(xié)議地球坐標系（CTS），即WGS-84WGS-84世界大地坐標系世界大地坐標系。212021/3/9四、四、GPSGPS的服務的服務GPS服務服務SP

10、S服務服務PPS服務服務標準定位服務標準定位服務：面：面向全世界民用用戶向全世界民用用戶精密定位服務精密定位服務：面：面向美國及其盟國的軍向美國及其盟國的軍事部門以及民用特許事部門以及民用特許用戶用戶Back222021/3/9第二節(jié) GPS定位方法232021/3/9一、一、GPSGPS定位方法的分類定位方法的分類(一)根據(jù)定位所采用的觀測值偽距法偽距法 + + 載波定位法載波定位法(二)根據(jù)定位的模式絕對定位絕對定位 + + 相對定位相對定位(三)根據(jù)獲取定位結果的時間實時定位實時定位 + + 非實時定位非實時定位(四)根據(jù)定位時接收機的狀態(tài)靜態(tài)定位靜態(tài)定位 + + 動態(tài)定位動態(tài)定位242

11、021/3/9一、一、GPSGPS定位方法的分類定位方法的分類(一)根據(jù)定位所采用的觀測值觀測值偽距法偽距法載波定位法載波定位法GPS偽距觀測值GPS載波相位觀測值，即L1、L2或其線性組合252021/3/9一、一、GPSGPS定位方法的分類定位方法的分類(二)根據(jù)定位的模式模式絕對定位絕對定位( (單點定位單點定位) )相對定位相對定位( (差分定位差分定位) )是利用 GPS 獨立確定用戶接收機天線(觀測站)在 WGS-84 坐標系中的絕對位置(單機)在 WGS-84 坐標系中確定收機天線(觀測站)與某一地面參考點之間的相對位置，或兩觀測站之間相對位置(多機)262021/3/9一、一、

12、GPSGPS定位方法的分類定位方法的分類(二)根據(jù)定位的模式絕對定位絕對定位( (單點定位單點定位) )相對定位相對定位( (差分定位差分定位) )272021/3/9一、一、GPSGPS定位方法的分類定位方法的分類(三)根據(jù)獲取定位結果的時間結果的時間實時定位實時定位非實時定位非實時定位根據(jù)接收機觀測到的數(shù)據(jù)，實時地解算實時地解算出接收機天線所在的位置通過對接收機接收到的數(shù)據(jù)進行處理后處理后進行定位282021/3/9一、一、GPSGPS定位方法的分類定位方法的分類(四)根據(jù)定位時接收機的狀態(tài)接收機的狀態(tài)靜態(tài)定位靜態(tài)定位動態(tài)定位動態(tài)定位GPS接受機在整個觀測進程中的位置固定固定不動GPS接收

13、機在整個觀測進程中的位置是變化變化的292021/3/9GPS定位方法定位方法根據(jù)定位所采用的觀測值偽距法偽距法 + + 載波相位法載波相位法根據(jù)定位的模式絕對定位絕對定位 + + 相對定位相對定位根據(jù)獲取定位結果的時間實時定位實時定位 + + 非實時定位非實時定位根據(jù)定位時接收機的狀態(tài)靜態(tài)定位靜態(tài)定位 + + 動態(tài)定位動態(tài)定位302021/3/9二、二、GPSGPS測量方法測量方法實時動態(tài)定位實時動態(tài)定位靜態(tài)靜態(tài)( (準動態(tài)準動態(tài)) )相對定位相對定位事后處理動態(tài)定位事后處理動態(tài)定位GPS定位Back內容略，有興趣的同學請自學。312021/3/9第三節(jié) GPS數(shù)據(jù)及其處理 322021/3

14、/9一、一、GPSGPS基本定位原理基本定位原理偽距測量定位偽距測量定位載波相位測量定位載波相位測量定位GPSGPS基本定位方法：基本定位方法：332021/3/9一、一、GPSGPS基本定位原理基本定位原理(一)偽距測量偽距測量定位原理偽距觀測量偽距觀測量：是通過測量衛(wèi)星信號從發(fā)射時刻到接收機接收時刻的時延時延，然后乘以光速得到的距離觀測量距離觀測量。偽距定位觀測方程式偽距定位觀測方程式坐標推算坐標推算：觀測：觀測4顆以上衛(wèi)星列出4個以上方程式4個未知數(shù)342021/3/9接收機對跟蹤的每一顆衛(wèi)星進行測距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

15、各觀測量及已知數(shù)據(jù)如下：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352021/3/9距離交會法距離交會法362021/3/9一、一、GPSGPS基本定位原理基本定位原理(二)載波相位測量載波相位測量定位原理載波相位觀測量載波相位觀測量：是接收機測量得到的衛(wèi)星信號載波與測量時刻接收機產生的本振載波相位的。通過測量載波的而求得接收機到GPS衛(wèi)星的。372021/3/9二、二、GPSGPS數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)預處理數(shù)據(jù)預處理基線解算基線解算GPSGPS網平差網平差GPS數(shù)據(jù)處理基本流程382021/3/9二、二、GPSGPS數(shù)據(jù)

16、數(shù)據(jù)(一) GPS測量的誤差源n衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星鐘差： 某時刻原子鐘與某時刻原子鐘與GPS時之差（系統(tǒng)誤差）時之差（系統(tǒng)誤差） n星歷誤差星歷誤差：衛(wèi)星軌道誤差（系統(tǒng)誤差）衛(wèi)星軌道誤差（系統(tǒng)誤差） n接收機鐘差接收機鐘差：某時刻石英鐘與某時刻石英鐘與GPS時之差（系統(tǒng)誤差）時之差（系統(tǒng)誤差） n多路徑效應影響多路徑效應影響：多路反射波（系統(tǒng)誤差）多路反射波（系統(tǒng)誤差）n電離層、對流層延遲電離層、對流層延遲：群折射路徑延長（系統(tǒng)誤差）群折射路徑延長（系統(tǒng)誤差） n強電波干擾強電波干擾：廣播發(fā)射臺、強輻射源（系統(tǒng)性、隨機性）廣播發(fā)射臺、強輻射源（系統(tǒng)性、隨機性）n操作誤差操作誤差：對中、整平、量天線高

17、（隨機誤差）對中、整平、量天線高（隨機誤差）nGPS 測量的誤差源多數(shù)表現(xiàn)出測量的誤差源多數(shù)表現(xiàn)出系統(tǒng)性系統(tǒng)性特點特點392021/3/9二、二、GPSGPS數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)(二) GPS測量誤差消減對策（1）系統(tǒng)誤差對策）系統(tǒng)誤差對策 求差（單差、雙差）法求差（單差、雙差）法：消除衛(wèi)星與接收機的鐘差消減星歷誤差、電離層與對流層延遲 模型改正法模型改正法：衛(wèi)星鐘差改正模型、電離層改正模型、對流層改正模型 選點回避法選點回避法： 遠離干擾源、反射源（2）隨機）隨機誤差對策誤差對策 精心操作精心操作：對中、 整平、量天線高 多余觀測多余觀測：復測基線、多時段觀測、延長觀測時間Back402021/3/9

18、第四節(jié)GPS靜態(tài)測量的實施 GPSGPS靜態(tài)定位有著廣泛的應用。靜態(tài)定位有著廣泛的應用。例如：大地測量、工程測量、例如：大地測量、工程測量、地籍測量地籍測量、變形監(jiān)測、變形監(jiān)測、412021/3/9一、一、GPSGPS靜態(tài)定位測量特點靜態(tài)定位測量特點精度高精度高：常規(guī)測量手段選點靈活、費用低選點靈活、費用低：不需通視全天候全天候：黑夜、刮風下雨觀測時間短觀測時間短：特別是快速靜態(tài)定位422021/3/9二、二、GPSGPS布網方法布網方法(一)GPS基線向量網的基線向量網的等級等級我國2001年頒布的GPS測量規(guī)范：六個級別六個級別：AAAA、A A、B B、C C、D D、E EAA、A級網

19、可作為地心參考框架的基礎；AA、A、B一般可作為國家空間大地測量控制網的基礎；C級網為地方控制網和工程網；D級網為工程控制網；E級網為測圖網。432021/3/9二、二、GPSGPS布網方法布網方法(二)GPS基線向量網的基線向量網的布網形式布網形式跟蹤站式跟蹤站式會戰(zhàn)式會戰(zhàn)式單基準站式單基準站式多基準站式多基準站式同步圖形擴展式同步圖形擴展式442021/3/9二、二、GPSGPS布網方法布網方法(二)GPS基線向量網的基線向量網的布網形式布網形式跟蹤站式跟蹤站式 若干GPS接收機固定，36524不間斷觀測會戰(zhàn)式會戰(zhàn)式不太長時間內一次集中多臺GPS接收機，共同作業(yè)。452021/3/9二、二

20、、GPSGPS布網方法布網方法(二)GPS基線向量網的基線向量網的布網形式布網形式單基準站式單基準站式 一臺接收機作為基準站連續(xù)觀測,其余接收機在基準站觀測期間在其周圍流動，每到一點就進行觀測。多基準站式多基準站式 多臺GPS接收機構成多個基準站，另外接收機在基準站周圍進行同步觀測。流動站流動站基準站基準站462021/3/9二、二、GPSGPS布網方法布網方法(二)GPS基線向量網的基線向量網的布網形式布網形式同步圖形擴展式同步圖形擴展式 多臺接收機在不同測站上進行同步觀測不同測站上進行同步觀測，在完成一個時段的同步觀測后，又遷移到其它的測站上進行同步觀測，每次同步觀測都可以形成一個同步圖形

21、每次同步觀測都可以形成一個同步圖形。 在測量過程中，不同的同步圖形間一般有若干個公若干個公共點共點相連，整個GPS網由這些同步圖形構成。（下頁圖） 472021/3/9二、二、GPSGPS布網方法布網方法(二)GPS基線向量網的基線向量網的布網形式布網形式同步圖形擴展式同步圖形擴展式點連式點連式（7 7個三角形）個三角形）邊連式邊連式（1414個三角形）個三角形）混連式混連式（1010個三角形）個三角形）482021/3/9三、三、GPSGPS基線解算過程基線解算過程 原始觀測數(shù)據(jù)的讀入：數(shù)據(jù)處理軟件 外業(yè)輸入數(shù)據(jù)的檢查與修改 設定基線解算的控制參數(shù) 基線解算 基線質量的檢驗 平差 成果轉化

22、Back GPSGPS基線解算基線解算：是利用GPS觀測值，通過數(shù)據(jù)處理，得到測站的坐標坐標或測站間的基線向量值基線向量值。492021/3/9 第五節(jié)GPS基線向量網與高程平差 502021/3/9一、坐標系變換一、坐標系變換2()coscos()cossin(1)sinXNHBLYNHBLZNeHB2222arctan()()arctan()(1)(1)sinYLXZ NHBXYNeHZHNeB(, ,)( , ,)X Y ZL B H2222221sin( ,)aNeBabea ba分別為長、短半軸512021/3/9二、二、GPSGPS基線向量網平差基線向量網平差(一)網平差的網平差的

23、分類分類根據(jù)平差所進行的坐標空間坐標空間： 三維平差、二維平差三維平差、二維平差 根據(jù)平差時所采用的觀測值和起算數(shù)據(jù)觀測值和起算數(shù)據(jù)的數(shù)量和類型： 無約束平差、約束平差、聯(lián)合平差無約束平差、約束平差、聯(lián)合平差GPSGPS網平差的類型有多種：網平差的類型有多種： 522021/3/9二、二、GPSGPS基線向量網平差基線向量網平差 提取基線向量，構建GPS基線向量網 三維無約束平差 約束平差/聯(lián)合平差 質量分析與控制 (二)網平差的網平差的過程過程532021/3/9正常高系統(tǒng)：正常高系統(tǒng)：以似大地水準面似大地水準面為基準，HrBack正高系統(tǒng)：正高系統(tǒng)：以大地水準面大地水準面為基準，Hg大地高系統(tǒng)：大地高系統(tǒng)：以參考橢球面參考橢球面為基準，H三、三、GPSGPS高程系統(tǒng)高程系統(tǒng)GPSGPS？542021/3/9 第六節(jié)GPS實時動態(tài)（RTK）技術及其應用 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事后進行解算才能獲得cm級的精度，而RTKRTK技術技