GPS的基本知識ppt課件(36頁P(yáng)PT)

1、第十六章GPS的基本知識第1頁，共36頁。主要內(nèi)容概述GPS定位系統(tǒng)的組成GPS衛(wèi)星定位的基本原理GPS測量的實施GPS測量的作業(yè)模式第2頁，共36頁。1 概述全球定位系統(tǒng)(GPS)是“授時、測距導(dǎo)航系統(tǒng)全球定位系統(tǒng) Navigation System Timing and Ranging/Global Positioning System的簡稱。該系統(tǒng)是美國從70年代開始研制，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有海、陸、空全方位實時三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星無線電導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。特點：全球覆蓋、全天候、高精度、自動化、實時三維動態(tài)定位、高效益無用戶數(shù)量限制、應(yīng)用廣泛等

2、。應(yīng)用：大地測量、工程測量、航空攝影測量、運載工具導(dǎo)航和管制、地殼運動監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、資源勘察、地球動力學(xué)等領(lǐng)域。其應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷地拓展，遍及國民經(jīng)濟(jì)各種部門，并逐步深入人們的日常生活。從而給測繪學(xué)科帶來了一場深刻的技術(shù)革命。第3頁，共36頁。GPS衛(wèi)星第4頁，共36頁。相對于經(jīng)典的測量技術(shù)來說，這一新技術(shù)的主要特點 如下：測站之間無需通視：因而不再需要建造覘標(biāo)，可減少測量工作經(jīng)費和時間，同時也使點位的選擇變得甚為靈活。b) 高精度三維定位：GPS可以精確測定測站的平面位置和大地高。c) 觀測時間短：快速靜態(tài)相對定位法，觀測時間可少至數(shù)分鐘；實時動態(tài)定位(RTK) 可提供厘米級的實時三維

3、定位。d) 操作簡便：GPS測量自動化程度很高，操作員的主要任務(wù)只是安置并開關(guān)儀器，量取儀器高，監(jiān)視儀器的工作狀態(tài)等。接收機(jī)自動完成觀測工作，如衛(wèi)星捕獲，跟蹤觀測和記錄等。GPS數(shù)據(jù)處理也由軟件自動完成。 e) 全天候作業(yè)：GPS接收機(jī)可以在任何地點(衛(wèi)星信號不被遮擋的情況下)，任何時間連續(xù)地進(jìn)行，一般也不受天氣狀況的影響。第5頁，共36頁。全球定位系統(tǒng)(GPS)構(gòu)成示意圖 2 GPS定位系統(tǒng)的組成GPS定位技術(shù)：空中GPS衛(wèi)星向地面發(fā)射信號，地面用戶接收機(jī)實時地連續(xù)接收，并計算出接收機(jī)位置。GPS的組成：(1) GPS衛(wèi)星星座(空間部分)；(2) 地面監(jiān)控系統(tǒng)(地面控制部分)；(3) GPS

4、用戶接收機(jī)(信號接收處理部分)。第6頁，共36頁。GPS星座示意圖 共有24顆GPS工作衛(wèi)星構(gòu)成GPS衛(wèi)星星座。 地球上任何地方、高度角在15以上的空間，可同時觀測到412顆衛(wèi)星,衛(wèi)星分布在6個面相對于地球赤道面傾斜角為55的近圓形軌道面上，高度距地面約2.02萬km。一、空間部分(GPS衛(wèi)星星座)第7頁，共36頁。GPS衛(wèi)星基本功能 ：接收和儲存由地面監(jiān)控站發(fā)來的跟蹤監(jiān)測信息；受地面監(jiān)控站的指令，調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)和啟用備用衛(wèi)星；進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理工作；通過星載的高精度原子鐘提供精密的標(biāo)準(zhǔn)時間；向用戶廣播GPS信號。第8頁，共36頁。GPS信號GPS衛(wèi)星廣播的GPS信號是定位基礎(chǔ)，它由基準(zhǔn)頻率(f

5、0=10.23Mz)經(jīng)倍頻和分頻產(chǎn)生。154和120倍頻后，分別形成L波段的兩個載波頻率信號(L1=1575.42Mz,L2=12227.60Mz),波長分別為19.03cm和24.42cm。調(diào)制在L載波上的信號包括的C/A碼，P碼和D碼,其中： C/A碼 (粗碼，對應(yīng)的波長為293.1m)。 P碼(精碼，對應(yīng)的波長為29.3m)。 測距碼：粗碼和精碼； D碼 為衛(wèi)星導(dǎo)航電文，數(shù)據(jù)率為50bps。若測距精度為波長的百分之一，則C/A碼和P碼的測距精度為2.93m和0.29m。第9頁，共36頁。圖3：GPS信號的結(jié)構(gòu) 第10頁，共36頁。二、地面監(jiān)控部分地面監(jiān)控系統(tǒng)：由一個主控站、三個注入站 和

6、五個監(jiān)測站 組成。主控站作用： 收集各個監(jiān)測站所測觀測值、環(huán)境要素等數(shù)據(jù)，計算每顆GPS衛(wèi)星的星歷、時鐘改正量、狀態(tài)數(shù)據(jù)、以及信號的大氣層傳播改正，并按一定的形式編制成導(dǎo)航電文，傳送到主控站：此外還控制和監(jiān)視其余站的工作情況并管理調(diào)度GPS衛(wèi)星。注入站作用： 將主控站傳來的導(dǎo)航電文，分別注入到相應(yīng)的GPS衛(wèi)星中，通過衛(wèi)星將導(dǎo)航電文傳遞給地面上的廣大用戶。 導(dǎo)航電文：GPS用戶所需要的一項重要信息，通過導(dǎo)航電文能確定GPS衛(wèi)星在各時刻的具體位置。監(jiān)測站主要任務(wù)： 為主控站編算導(dǎo)航電文提供原始觀測數(shù)據(jù)。每個監(jiān)測站上都有GPS接收機(jī)對所見衛(wèi)星觀測，采集環(huán)境要素等數(shù)據(jù)，經(jīng)初步處理后發(fā)往主控站。第11頁

7、，共36頁。三、用戶設(shè)備部分用戶要實現(xiàn)利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航和定位的目的，還需要GPS接收機(jī)，即用戶設(shè)備部分。用戶設(shè)備部分作用：接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，獲得必要的導(dǎo)航和定位信息及觀測量，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后獲得觀測時刻接收機(jī)的位置坐標(biāo)。用戶設(shè)備部分主要由GPS接收機(jī)硬件和數(shù)據(jù)處理軟件組成。GPS接收機(jī)分類方法：較精密的雙頻接收機(jī)，稍為便宜的單頻接收機(jī)。所有GPS接收機(jī)生產(chǎn)廠家一般都隨機(jī)提供數(shù)據(jù)處理軟件包，但其作用是有限的。國際上有一些科研機(jī)構(gòu)為了克服商用數(shù)據(jù)處理軟件的不足，已經(jīng)開發(fā)研制了多種精密的GPS數(shù)據(jù)后處理軟件包。 第12頁，共36頁。3 GPS衛(wèi)星定位的基本原理GPS衛(wèi)星定位原理是測量學(xué)中的空間

8、距離交會方法。S1S3S4GPS接收機(jī)TiS2第13頁，共36頁。GPS定位方法： 按觀測值的不同，分為偽距觀測定位 和載波相位測量定位； 按使用同步觀測的接收機(jī)數(shù)和定位解算方法來分，有單點定位 (絕對定位)和差分定位(相對定位)； 根據(jù)接收機(jī)的運動狀態(tài)可分為靜態(tài)定位 和動態(tài)定位。 單點定位確定接收機(jī)在世界坐標(biāo)系(WGS-84)中三維坐標(biāo)。 相對定位確定接收機(jī)相對地面上另一參考點的空間基線向量。 靜態(tài)定位時接收機(jī)是靜止不動的，動態(tài)定位是確定安置接收機(jī)的運動平臺的三維坐標(biāo)和速度。 絕對定位和相對定位中，均包含靜態(tài)和動態(tài)兩種方式。 比較有代表性的定位模式，即為偽距單點定位 和載波相位相對定位，其他

9、的定位模式均為依此衍生而來。第14頁，共36頁。一、偽距單點定位偽距 就是衛(wèi)星到接收機(jī)的距離觀測量，即由衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號到達(dá)GPS接收機(jī)的傳播時間乘以光速所得的距離。由于偽距觀測量所確定的衛(wèi)星到測站的距離，都不可避免地會含有大氣傳播延遲、衛(wèi)星鐘和接收機(jī)同步誤差等的影響。為了與衛(wèi)星和接收機(jī)之間的真實幾何距離相區(qū)別，這種含有誤差影響項的距離觀測，通常稱為“偽距 ”，并把它視為GPS定位的基本觀測量。偽距法單點定位：就是利用GPS接收機(jī)在某一時刻，同步測定的至4顆以上GPS衛(wèi)星的偽距，以及從衛(wèi)星導(dǎo)航電文中獲得的衛(wèi)星位置，采用距離交會法求得接收機(jī)的三維坐標(biāo)。第15頁，共36頁。GPS衛(wèi)星偽距單點定

10、位示意圖第16頁，共36頁。二、載波相位相對定位為了克服關(guān)于大氣折射延遲改正不夠準(zhǔn)確，以及減少未知數(shù)等原因，常對以上觀測量作差分處理。一般用到的有單差、雙差、和三差法。單差：單差觀測量通常是指不同觀測站同步觀測相同衛(wèi)星所得觀測量之差。雙差觀測量是在單差法基礎(chǔ)上，對不同測站同步觀測一組衛(wèi)星所得單差之差。測站間同步觀測量的單差示意圖測站間同步觀測量的雙差示意圖 T1 T2第17頁，共36頁。 三差法是在雙差法基礎(chǔ)上，不同測站同步觀測的同一組衛(wèi)星所得雙差觀測量作差分。測站間同步觀測量的三差示意圖 T1 T2第18頁，共36頁。 差分法載波相位測量雖然可以消去一系列多余參數(shù)項(即指不含有測站坐標(biāo)的項)

11、，但是在組成差分觀測方程的同時，減少了觀測方程的個數(shù)，另外也增加了觀測量之間的相關(guān)性，這些都不利于提高最后解的精度。 一般是采用雙差法求解最終結(jié)果。 三差法則只是用于整周跳變的探測和估計或求得測站坐標(biāo)的近似解。 第19頁，共36頁。4 GPS測量的實施GPS測量：與常規(guī)測量一樣,可分為外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩大部分。GPS測量實施階段：網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計；選點與建立標(biāo)志；外業(yè)觀測；內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。一、GPS網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計GPS網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計，是實施GPS測量工作的第一步，是一項基礎(chǔ)性的工作，也是在網(wǎng)的精確性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性方面，實現(xiàn)用戶要求的重要環(huán)節(jié)。這項工作的主要內(nèi)容： 精度指標(biāo)的合理確定 網(wǎng)的圖形設(shè)計 網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)

12、計第20頁，共36頁。 精度指標(biāo)的合理確定 對GPS網(wǎng)的精度要求，主要取決于網(wǎng)的用途。 精度指標(biāo)，均以網(wǎng)中相鄰點之間的距離誤差來表示。根據(jù)我國GPS測量規(guī)范的要求。 精度指標(biāo)，直接影響GPS網(wǎng)的布設(shè)方案、觀測計劃、觀測數(shù)據(jù)的處理方法以及作業(yè)的時間和經(jīng)費。所以，在實際設(shè)計工作中，要根據(jù)實際需要確定。 網(wǎng)的圖形設(shè)計 網(wǎng)的圖形設(shè)計，應(yīng)在滿足用戶要求的條件下，盡量減少消耗。 GPS網(wǎng)一般應(yīng)采用獨立觀測邊構(gòu)成閉合圖形，如：三角形、多邊形或附合線路。第21頁，共36頁。網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計 網(wǎng)的基準(zhǔn)包括網(wǎng)的位置基準(zhǔn)、方向基準(zhǔn)和尺度基準(zhǔn)。 而確定網(wǎng)的基準(zhǔn)，是通過網(wǎng)的整體平差來實現(xiàn)的。 網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計，主要是指確定網(wǎng)的

13、位置基準(zhǔn)問題。確定網(wǎng)的位置基準(zhǔn)，通?？筛鶕?jù)情況，選取以下方法：(1)選取網(wǎng)中一點的坐標(biāo)值并加以固定，或給以適當(dāng)?shù)臋?quán)；(2)網(wǎng)中的點均不固定，通過自由網(wǎng)偽逆平差或擬穩(wěn)平差，確定網(wǎng)的位置基準(zhǔn)；(3)在網(wǎng)中選若干點的坐標(biāo)值并加以固定；(4)選網(wǎng)中若干點(直至全部點)的坐標(biāo)值并給以適當(dāng)?shù)臋?quán)。第22頁，共36頁。二、外業(yè)觀測方法1、外業(yè)觀測計劃設(shè)計(1)編制GPS衛(wèi)星可見性預(yù)報圖：利用衛(wèi)星預(yù)報軟件，輸入測區(qū)中心點概略坐標(biāo)、作業(yè)時間、衛(wèi)星截止高度角15等，利用不超過20天的星歷文件即可編制衛(wèi)星預(yù)報圖。(2)編制作業(yè)調(diào)度表：應(yīng)根據(jù)儀器數(shù)量、交通工具狀況、測區(qū)交通環(huán)境及衛(wèi)星預(yù)報狀況制定作業(yè)調(diào)度表。作業(yè)表應(yīng)包括

14、：觀測時段(測站上開始接收衛(wèi)星信號到停止觀測，連續(xù)工作的時間段)，注明開、關(guān)機(jī)時間；測站號、測站名；接收機(jī)號、作業(yè)員；第23頁，共36頁。二、外業(yè)觀測方法1、外業(yè)觀測計劃設(shè)計2、野外觀測野外觀測應(yīng)嚴(yán)格按照GPS測量規(guī)范的技術(shù)設(shè)計要求進(jìn)行。(1)安置天線：安置天線是GPS精密測量的重要保證。要仔細(xì)對中、整平，量取儀器高。儀器高要求鋼尺在互為120方向量三次，互差小于3mm，取平均值后記錄或輸入GPS接收機(jī)。(2)安置GPS接收機(jī)：GPS接收機(jī)應(yīng)安置在距天線不遠(yuǎn)的安全處，連接天線及電源電纜，并確保無誤。(3)開機(jī)觀測：打開GPS接收機(jī)，輸入或記錄測站名。詳情可參見不同儀器的操作手冊。GPS接收機(jī)自

15、動化程度很高，儀器一旦跟蹤衛(wèi)星進(jìn)行定位，接收機(jī)自動將接收的衛(wèi)星星歷、觀測值文件以及輸入信息存入接收機(jī)內(nèi)記憶體。作業(yè)員只需要定期查看接收機(jī)工作狀況，發(fā)現(xiàn)故障及時排除，并做好紀(jì)錄。第24頁，共36頁。 (4)GPS接收機(jī)記錄的數(shù)據(jù)有： GPS衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘差參數(shù)； 觀測歷元的時刻和偽距觀測值及載波相位觀測值； GPS絕對定位結(jié)果； 測站信息。3、觀測數(shù)據(jù)下載及數(shù)據(jù)預(yù)處理 外業(yè)觀測數(shù)據(jù)在測區(qū)要及時嚴(yán)格檢查，對外業(yè)預(yù)處理成果，按規(guī)范要求嚴(yán)格檢查、分析，根據(jù)情況進(jìn)行必要的重測和補(bǔ)測。確保外業(yè)成果無誤后方可離開測區(qū)。第25頁，共36頁。三、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理根據(jù)上述處理所獲得的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)文件，便可進(jìn)行觀測數(shù)據(jù)

16、的平差計算工作。平差計算的主要內(nèi)容包括：同步觀測基線向量的解算。所得到的平差結(jié)果為，基線向量(坐標(biāo)差)及其相應(yīng)的方差與協(xié)方差。觀測成果檢核與網(wǎng)平差。對各基線向量按網(wǎng)形構(gòu)成檢核同步環(huán)、異步環(huán)以及重復(fù)觀測邊的閉合差。檢查合格后，就可以利用上述基線向量的平差結(jié)果，作為相關(guān)觀測量，進(jìn)行網(wǎng)的整體平差，消除不符值。平差的結(jié)果是網(wǎng)點的空間直角坐標(biāo)，大地坐標(biāo)和高斯平面坐標(biāo)，以及相應(yīng)的方差與協(xié)方差。坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，或與地面網(wǎng)的聯(lián)合平差。在區(qū)域性的工程控制測量中，往往需要將GPS測量結(jié)果化算到用戶所采用的區(qū)域性坐標(biāo)系統(tǒng)。因此，上述GPS網(wǎng)，在WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)中的平差結(jié)果，尚需按用戶的要求，進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換。

17、第26頁，共36頁。四、GPS測量誤差 GPS衛(wèi)星在距離地面約20200公里的高空，向地面上的廣大用戶發(fā)送測距信號和導(dǎo)航電文等信息。 GPS定位的觀測量不可避免地會受到多種誤差源影響。按照這些誤差源的來源，一般可分為三種情況：(一)與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差(二)與信號傳播有關(guān)的誤差(三)與接收設(shè)備有關(guān)的誤差 第27頁，共36頁。(一) 與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差 衛(wèi)星星歷誤差：它是指廣播星歷或其它軌道信息給出的衛(wèi)星位置與衛(wèi)星真實位置之間的差值。 GPS衛(wèi)星星歷是由布設(shè)在地面上、具有一定數(shù)量與空間分布的監(jiān)測站連續(xù)跟蹤觀測GPS衛(wèi)星，并結(jié)合環(huán)境要素等其它信息，再由主控站對衛(wèi)星作精密定軌計算得到的。而廣播

18、星歷又是由定軌結(jié)果外推得出，因此廣播星歷的精度是有限的。 衛(wèi)星鐘誤差：由于衛(wèi)星位置是時間的函數(shù)，所以GPS的觀測量均以精密測時為前提。雖然GPS衛(wèi)星均配有高精度的原子鐘，但它們與理想的GPS時之間仍會有偏差或漂移，難以避免。 第28頁，共36頁。(二) 與信號傳播有關(guān)的誤差 大氣折射誤差：根據(jù)其性質(zhì)，分為電離層折射影響和對流層折射影響。對流層折射影響包括有來自平流層與中間層的折射，因此也可合稱為中性大氣折射影響，但一般還是簡單地稱為對流層折射。 多路徑效應(yīng)：是指接收機(jī)天線除直接收到來自GPS衛(wèi)星的信號外，還可能收到天線周圍地物反射來的信號。這兩種信號疊加在一起將會引起測量參考點(相位中心)的變

19、化，而且這種變化隨天線周圍反射面的性質(zhì)而異，難以控制。多路徑效應(yīng)具有周期性誤差，其變化幅度可達(dá)數(shù)厘米。 消除或減弱多路徑效應(yīng)，除了采用載波相位測量方法外，可采用造型適宜且屏蔽良好的天線。這種天線一般裝備有抑徑板或抑徑圈，可以阻擋來自水平面以下的多路徑信號被接收。有些多路徑信號來自豎立的高大建筑物表面，經(jīng)過這種表面反射的多路徑信號，往往也具有較大的高度角值，可以從水平面以上進(jìn)入接收機(jī)天線。因此在進(jìn)行GPS測量選址工作時，還應(yīng)當(dāng)考慮多路徑信號產(chǎn)生的可能性，盡量避開這種高大建筑物。 第29頁，共36頁。(三) 與接收設(shè)備有關(guān)的誤差 觀測誤差：分觀測分辨誤差與接收機(jī)天線相對測站點的安置誤差。一般認(rèn)為觀

20、測分辨誤差約為信號波長的1%。由于載波的波長遠(yuǎn)小于GPS偽隨機(jī)測距碼的波長，因此采用載波相位觀測量一般可以達(dá)到更高的精度。而天線的安置誤差主要有天線的置平與對中誤差和量取天線高的誤差。只要在觀測中認(rèn)真操作，可以盡量減少這些誤差的影響。 接收機(jī)的鐘差：對于這種誤差，一般是在數(shù)據(jù)處理中作為未知數(shù)來解出。另外在作差分法相對定位時，也可以通過在不同衛(wèi)星之間求差來消除這部分影響。 第30頁，共36頁。 天線的相位中心誤差：GPS測量的觀測值都是以天線的相位中心為準(zhǔn)的，而我們一般只能觀察到天線的幾何中心，因此要求天線的幾何中心與相位中心一致，這應(yīng)在天線的生產(chǎn)和設(shè)計上達(dá)到。另外，若采用同種型號的接收機(jī)天線，

21、可以近似認(rèn)為相位中心與幾何中心的偏離情況是一樣的，因此用觀測值的求差和相對定位能削弱這種影響，但這時要求統(tǒng)一按天線的方向標(biāo)定向，使各天線的指北極都指向正北方向。 載波相位測量的整周不定性誤差：主要是指觀測中整周未知數(shù)的跳變現(xiàn)象(周跳)。另外也有在數(shù)據(jù)處理時求解整周未知數(shù)時的失敗，不能將整周未知數(shù)固定為某一整數(shù)，而只能取實數(shù)解的情況。周跳的發(fā)生是與多種因素有關(guān)的，如信號受阻擋失鎖、接收機(jī)內(nèi)部熱噪聲影響、電離層活動出現(xiàn)異常變化等。第31頁，共36頁。5 GPS測量的作業(yè)模式GPS測量的作業(yè)模式：利用GPS定位技術(shù)，確定觀測站之間相對位置所采用的作業(yè)方式。不同的作業(yè)模式，因作業(yè)方法和觀測時間的不同，

22、而具有不同的應(yīng)用范圍。由于GPS測量數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)的發(fā)展，為確定兩點之間的相對位置，已有多種作業(yè)模式可供選擇。目前，較為普遍采用的作業(yè)模式，主要有：靜態(tài)相對定位快速靜態(tài)相對定位準(zhǔn)動態(tài)相對定位動態(tài)相對定位 。第32頁，共36頁。5.1 靜態(tài)相對定位模式作業(yè)方法：采用兩套(或兩套以上)接收設(shè)備，分別安置在一條(或數(shù)條)基線的端點，根據(jù)基線長度和要求的精度，同步觀測4顆以上衛(wèi)星數(shù)時段，每一時段長13小時。定位精度：基線測量的精度可達(dá)3mm+110-6D，D為基線長度。特點：所觀測的獨立基線邊，應(yīng)構(gòu)成某種閉合圖形(如圖)，以利于觀測成果的檢核，增強(qiáng)網(wǎng)的強(qiáng)度，提高成果的可靠性和精確性，基線長度可由數(shù)公