基于GPS的數(shù)據(jù)采集技術(shù)

1、二.基于GPS的數(shù)據(jù)采集技術(shù)GPS的英文全稱是Navigation Satellite Timing And Ranging/Global Position System，簡稱GPS，有時也被稱作NAVSTAR/GPS。其意為“導(dǎo)航星測時與測距全球定位系統(tǒng)”，或簡稱全球定位系統(tǒng)。什么是GPS？1. 概述建立國家美國目的在全球范圍內(nèi)，提供實時、連續(xù)、全天候的導(dǎo)航定位及授時服務(wù)開始籌建時間1973年完全建成時間1995年總投資200億GPS的概況GPS系統(tǒng)的特點全球連續(xù)覆蓋高精度抗干擾能力強被動式全天候?qū)Ш綔y站間無需通視空間部分： 提供星歷和時間信息 發(fā)射偽距和載表信號 提供其它輔助信息地面控制部

2、分： 中心控制系統(tǒng) 實現(xiàn)時間同步 跟蹤衛(wèi)星進(jìn)行定軌用戶部分： 接收并測衛(wèi)星信號 記錄處理數(shù)據(jù) 提供導(dǎo)航定位信息2. GPS組成部分GPS衛(wèi)星星座：設(shè)計21+3顆，實際2728顆。 衛(wèi)星高度：20200km； 衛(wèi)星軌道周期：11h58min； 衛(wèi)星軌道面：6個，每個軌道至少4顆衛(wèi)星； 軌道傾角：55 GPS衛(wèi)星可見性：至少可見4顆，一般68顆。GPS衛(wèi)星信號： 載波頻率 ：L波段雙頻 衛(wèi)星識別：碼分多址 測距碼：C/A碼，P碼 導(dǎo)航數(shù)據(jù)：廣播星歷（衛(wèi)星軌道坐標(biāo)、鐘差、電離層延遲修正）(1)空間部分(2)地面控制部分一個主控站：科羅拉多斯必靈司三個注入站：阿松森（Ascencion) 迭哥伽西亞(

3、Diego Garcia) 卡瓦加蘭(kwajalein)五個監(jiān)測站=1個主控站+3個注入站+夏威夷（Hawaii)55HawaiiAscencionDiego GarciakwajaleinColorado springs (3)用戶部分 通用接收機（定位型）：導(dǎo)航型接收機一般情況下無數(shù)據(jù)輸出的記錄存儲設(shè)備天線前置放大器電源部分射電部分微處理器 數(shù)據(jù)存器 顯示控制器供電信號信息命令數(shù)據(jù)供電，控制供電數(shù)據(jù)控制 由三部分組成：載波；測距碼；數(shù)據(jù)碼(4)GPS衛(wèi)星信號載波作用搭載其它調(diào)制信號測距測定多普勒頻移類型目前GPS使用L波段的兩種載頻L1 頻率： 154f0 = 1575.43MHz；波長

4、：19.03cmL2 頻率： 120 f0 = 1227.60MHz；波長：24.42cm現(xiàn)代化后增加L5 頻率：115 f0 = 1176.45MHz；波長：25.48cm測距碼作用測距性質(zhì)為偽隨機噪聲碼（PRN Pseudo Random Noise）不同的碼（包括未對齊的同一組碼）間的相關(guān)系數(shù)為0或1/n（n為碼元數(shù)）對齊的同一組碼間的相關(guān)系數(shù)為1數(shù)據(jù)碼（導(dǎo)航電文）作用向用戶提供包含導(dǎo)航信息的數(shù)據(jù)碼導(dǎo)航信息主要包括衛(wèi)星星歷時鐘改正電離層時延改正軌道攝動改正。(5) GPS坐標(biāo)系WGS-84坐標(biāo)系WGS-84坐標(biāo)系是目前GPS 所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)，GPS 所發(fā)布的星歷參數(shù)和歷書參數(shù)等都是基于

5、此坐標(biāo)系統(tǒng)的。WGS-84 坐標(biāo)系統(tǒng)的全稱是World Geodical System-84 (世界大地坐標(biāo)系-84),由美國國防部制圖局建立，它是一個地心坐標(biāo)系統(tǒng)。于1987 年取代了當(dāng)時GPS 所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)WGS-72 坐標(biāo)系統(tǒng)而成為現(xiàn)在GPS所使用的坐標(biāo)系統(tǒng)。WGS-84 坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點位于地球的質(zhì)心，Z 軸指向BIH 1984.0 定義的協(xié)議地球極方向，X 軸指向BIH 1984.0 的啟始子午面和赤道的交點，Y 軸與X 軸和Z 軸構(gòu)成右手系。 需解決的兩個關(guān)鍵問題：如何確定衛(wèi)星的位置？如何測量出站星距離？3. GPS定位原理(1) 測距原理1）測碼偽距測量：2）測相偽距測量：理

6、想情況載波相位觀測值單點定位結(jié)果的獲取單點定位解可以理解為一個后方交會問題衛(wèi)星充當(dāng)軌道上運動的控制點，觀測值為測站至衛(wèi)星的偽距（由時延值推算得到）由于接收機時鐘與衛(wèi)星鐘存在同步誤差所以要同步觀測4顆衛(wèi)星，解算四個未知參數(shù)：精度 , 經(jīng)度 , 高程 h , 鐘差 t與衛(wèi)星相關(guān)的誤差軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星幾何中心與相位中心偏差 與接收機相關(guān)的誤差接收機安置誤差、接收機鐘差、接收機信道誤差、多路徑誤差、觀測量誤差 與大氣傳輸有關(guān)的誤差電離層誤差、對流層誤差絕對定位精度不高，主要是由于觀測數(shù)據(jù)含有大量誤差：(2) 衛(wèi)星相對定位原理 GNSS相對定位原理 差分GPS定位原理 誤差的空間相關(guān)性差分GPS

7、的基本原理利用在坐標(biāo)精確已知的基準(zhǔn)站，測定具有空間相關(guān)性的誤差或其對測量定位結(jié)果的影響，發(fā)送給流動站，供流動站改正觀測值或定位結(jié)果差分改正數(shù)的類型位置差分偽距差分載波相位差分（RTK）位置差分距離差分距離改正坐標(biāo)改正 組成星際站際兩次差分觀測值可以消去衛(wèi)星鐘的系統(tǒng)偏差可以消去接收機時鐘的誤差PikPljPijPjPlkPkSlSi可以消去軌道（星歷）誤差的影響可以削弱大氣折射對觀測值的影響 1）單基準(zhǔn)站差分GPS系統(tǒng)基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)通訊鏈流動站（用戶）結(jié)構(gòu)：基準(zhǔn)站（一個），數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶特點優(yōu)點：結(jié)構(gòu)、模型簡單缺點：差分范圍小，精度隨距基準(zhǔn)站距離的增加而下降，可靠性低 2）多基準(zhǔn)站局域差分GPS系

8、統(tǒng)結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)站（多個）、數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶數(shù)學(xué)模型加權(quán)平均偏導(dǎo)數(shù)法最小方差法特點優(yōu)點：差分精度高、可靠性高，差分范圍增大缺點：差分范圍仍然有限，模型不完善多基準(zhǔn)站差分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3）廣域差分GPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)站（多個）、數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶數(shù)學(xué)模型（差分改正數(shù)的計算方法）與普通差分不相同普通差分考慮的是誤差的綜合影響廣域差分對各項誤差加以分離，建立各自的改正模型用戶根據(jù)自身的位置，對觀測值進(jìn)行改正特點優(yōu)點：差分精度高、差分精度與距離無關(guān)、差分范圍大缺點：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、建設(shè)費用高差分GPS的新進(jìn)展廣域增強系統(tǒng)（WAAS）特點偽衛(wèi)星技術(shù)衛(wèi)星通訊技術(shù)網(wǎng)絡(luò)RTK 工作原理也叫多基準(zhǔn)站RTK，在一定區(qū)域內(nèi)建立多個坐

9、標(biāo)為已知的GPS基準(zhǔn)站，對該地區(qū)構(gòu)成網(wǎng)狀覆蓋，并以這些基準(zhǔn)站為基準(zhǔn)，計算和發(fā)播相位觀測值誤差改正信息，對該地區(qū)內(nèi)的衛(wèi)星定位用戶進(jìn)行實時改正的定位方式。 特點覆蓋面廣，定位精度高，可靠性高，可實時提供厘米級定位。我國已經(jīng)建成的深圳市連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)就是網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的實現(xiàn)。 差分GPS的新進(jìn)展4.GPS測量的實施（1）測前工作 對于一項GPS 測量工程項目，一般有如下一些要求：測區(qū)位置及其范圍用途和精度等級。點位分布及點的數(shù)量提交成果的內(nèi)容時限要求、投資經(jīng)費技術(shù)設(shè)計測繪資料的搜集與整理儀器的檢驗：踏勘、選點埋石（2）測量實施實地了解測區(qū)情況衛(wèi)星狀況預(yù)報確定作業(yè)方案：根據(jù)衛(wèi)星狀況、測量作業(yè)

10、的進(jìn)展情況、以及測區(qū)的實際情況，確定出具體的作業(yè)方案外業(yè)觀測數(shù)據(jù)傳輸與轉(zhuǎn)儲基線處理與質(zhì)量評估重復(fù)確定作業(yè)方案、外業(yè)觀測、數(shù)據(jù)傳輸與轉(zhuǎn)儲與基線處理與質(zhì)量評估四步，直至完成所有GPS 觀測工作。（3）測后工作 結(jié)果分析（網(wǎng)平差處理與質(zhì)量評估）：,對外業(yè)觀測所得到的基線向量進(jìn)行質(zhì)量檢驗，并對由合格的基線向量所構(gòu)建成的GPS 基線向量網(wǎng)進(jìn)行平差解算，得出網(wǎng)中各點的坐標(biāo)成果。如果需要利用GPS 測定網(wǎng)中各點的正高或正常高，還需要進(jìn)行高程擬合。技術(shù)總結(jié)：根據(jù)整個GPS 網(wǎng)的布設(shè)及數(shù)據(jù)處理情況，進(jìn)行全面的技術(shù)總結(jié)。成果驗收（4）布網(wǎng)方法 國家測繪局1992年制訂的我國第一部“GPS測量規(guī)范”將GPS的精度分

11、為AE五級（見下表）。其中A、B兩級一般是國家GPS控制網(wǎng)。C、D、E三級是針對局部性GPS網(wǎng)規(guī)定的。 應(yīng)通過獨立觀測邊構(gòu)成閉合圖形，以增加檢核條件，提高網(wǎng)的可靠性。應(yīng)盡量與原有地面控制網(wǎng)相重合，重合點一般不少于3個，且分布均勻。應(yīng)考慮與水準(zhǔn)點相重合 ，或在網(wǎng)中布設(shè)一定密度的水準(zhǔn)聯(lián)測點。點應(yīng)設(shè)在視野開闊和容易到達(dá)的地方聯(lián)測方向。可在網(wǎng)點附近布設(shè)一通視良好的方位點，以建立聯(lián)測方向。根據(jù)GPS測量的不同用途，GPS網(wǎng)的獨立觀測邊均應(yīng)構(gòu)成一定的幾何圖形，基本形式有：設(shè)計的一般原則三角形網(wǎng)優(yōu)點： 圖形幾何結(jié)構(gòu)強，具有良好的自檢能力，經(jīng)平差后網(wǎng)中相鄰點間基線向量的精度均勻。缺點： 觀測工作量大。 只有在

12、網(wǎng)的精度和可靠 性要求比較高時，才單獨采用這種圖形。環(huán)形網(wǎng)優(yōu)點： 觀測工作量較小，且具有較好的自檢性和可靠性缺點：非直接觀測基線邊（或間接邊）精度較直接觀測邊低，相鄰點間的基線精度分布不均勻。是大地測量和精密工程測量中普遍采用的圖形。通常采用上述兩種圖形的混合圖形。星形網(wǎng)優(yōu)點： 觀測中只需要兩臺GPS接收機，作業(yè)簡單缺點：幾何圖形簡單，檢驗和發(fā)現(xiàn)粗差能力差,廣泛用于工程測量、邊界測量、地籍測量 和碎部測量等。GPS快速定位圖形布設(shè)兩臺儀器作業(yè)的基本圖形：多邊形環(huán)狀網(wǎng)。兩接收機同步作業(yè)，交替遷站n-1次，得到首尾相接的n邊形閉合環(huán)，每個新點均與兩條獨立基線相連。單基準(zhǔn)形狀網(wǎng)。兩接收機同步作業(yè)，1

13、臺固定不動，1臺快速流動遷站n-1次，得到n條獨立基線，每個新點只與1條獨立基線相連。因此每個點上必須進(jìn)行第二次設(shè)站。12345123456 單基準(zhǔn)星狀網(wǎng)。1臺固定不動，2臺各快速流動遷站 n-1次，得到 2n條獨立基線，每個新點只與1條獨立基線相連。因此每個點上必須進(jìn)行第二次設(shè)站。2 雙基準(zhǔn)菱狀網(wǎng)。 2臺固定不動，1臺快速流動遷站n-1次，得到2n條獨立快速定位基線。如果兩基準(zhǔn)站采用靜態(tài)定位方式，可得到2n+1條獨立基線向量 。如果采用在流動站遷站期間兩基準(zhǔn)站多次快速定位得到多組快速定位基線向量的方法，最多可得到3n-1條獨立基線向量。12345652341三臺接收機作業(yè)的基本圖形：美國GP

14、S歐盟伽利略俄羅斯GLONASS中國北斗5. 其他衛(wèi)星定位系統(tǒng)(1) GLONASS全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)擁有者：俄羅斯發(fā)展簡史由前蘇聯(lián)從1982年開始建設(shè)的與美國GPS系統(tǒng)相類似的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，現(xiàn)在由俄羅斯空間局管理。GLONASS的整體結(jié)構(gòu)類似于GPS系統(tǒng)，其主要不同之處在于星座設(shè)計和信號載波頻率和衛(wèi)星識別方法的設(shè)計不同。 系統(tǒng)組成衛(wèi)星星座地面監(jiān)測控制站用戶設(shè)備(2) 伽利略(GALILEO)全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)擁有者：歐盟發(fā)展簡史GALILEO系統(tǒng)是歐洲自主的、獨立的全球多模式衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，提供高精度、高可靠性的定位服務(wù)，同時它實現(xiàn)完全非軍方控制、管理，計劃于2011年完成?？膳c美國的GPS和

15、俄羅斯的GLONASS兼容，但比后兩者更安全、更準(zhǔn)確，系統(tǒng)組成GALILEO系統(tǒng)由30顆衛(wèi)星組成，其中27顆工作星，3顆備份星。衛(wèi)星分布在3個中地球軌道（MEO）上，軌道高度為23616千米，軌道傾角56度。每個軌道上部署9顆工作星和1顆備份星。 (3) 中國衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng) : 北斗-1北斗一號衛(wèi)星定位系統(tǒng)是我國獨立自主建立的主動式局域衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。系統(tǒng)的空間部分是由3顆GEO衛(wèi)星組成，2顆工作，一顆備用, 分別位于東經(jīng)80, 140和111的赤道上空36000km 。定位精度為20m。標(biāo)志著我國擁有了自己的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)BD1。2012年2月25日凌晨0時12分，中國在西昌衛(wèi)星發(fā)射

16、中心用“長征三號丙”運載火箭，將第十一顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星成功送入太空星座GEO 衛(wèi)星MEO 衛(wèi)星“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”由空間衛(wèi)星、地面控制中心站和北斗用戶終端三部分構(gòu)成?？臻g部分包括兩顆地球同步軌道衛(wèi)星組成。衛(wèi)星上帶有信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置，完成地面控制中心站和用戶終端之間的雙向無線電信號的中繼任務(wù)。地面控制中心站由主控站、上行注入站和監(jiān)測站組成。與GPS系統(tǒng)不同，所有用戶終端位置的計算都是在地面控制中心站完成。因此，控制中心可以保留全部北斗終端用戶機的位置及時間信息。同時，地面控制中心站還負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的監(jiān)控管理。系統(tǒng)組成用戶段 用戶段由北斗用戶終端以及與其他GNSS兼容的終端組成。 北斗系統(tǒng)的用戶終端與GP

17、S、GLONASS、Galileo等國外的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，BD1優(yōu)點：如投資少，組建快；具有通信功能；捕獲信號快等。缺點：如用戶隱蔽性差；無測高和測速功能；用戶數(shù)量受限制；用戶的設(shè)備體積大、重量重、能耗大等。為了使我國的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的性能有實質(zhì)性的提高，中央已決定研制組建第二代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（BD2）。它將是連續(xù),全天侯,被動方式定位，訊號覆蓋中國及其鄰近區(qū)域，實時定位精度提高至10m(1) GPS定位技術(shù)在科學(xué)研究中的應(yīng)用GPS精密定時和時間同步的應(yīng)用在地球上相當(dāng)遠(yuǎn)的距離對太空的天體、運動目標(biāo)等進(jìn)行同步觀測。與其它空間定位和時間傳遞技術(shù)相結(jié)合，測定地球自轉(zhuǎn)參數(shù)。測量引力對地方時間尺度的影響。5. GPS的應(yīng)用GPS精密定位在地球板塊運動研究中的應(yīng)用測定各大板塊的相互運動速率，確定全球板塊運動模型，研究板塊運動的現(xiàn)今短時間運動規(guī)律，分析研究地球板塊邊沿的受力應(yīng)力和狀態(tài)，預(yù)測地震災(zāi)害。 GPS精密定位在大氣層氣象參數(shù)確定和災(zāi)害天氣預(yù)報中的應(yīng)用GPS