测量综合电子教案.ppt

1、1、原理、原理2、我国、我国GPS测量的常用坐标系测量的常用坐标系3、GPS静态定位在测量中的应用静态定位在测量中的应用4、南方测绘、南方测绘NG100一体化测量系统一体化测量系统5、GPS高程高程GPSGPS测量教学电子教案10/27/20221第一部分 原理1 GPS测量的特点2 GPS的历史和背景3 GPS系统的组成4 GPS卫星5 GPS地面控制站6 GPS用户设备7 GPS系统现状8 GPS定位原理9 GPS测量10 小结10/27/202221 GPS测量的特点GPSGPS测量与经典测量方法的对比测量与经典测量方法的对比1 1：不需要相互通视观测作业不受天气条件的影响网的质量与点位

2、的分布情况无关能达到大地测量所需要的精度水平白天和夜间均可作业经济效益显著10/27/20223(1)(1)GPSGPS测量效率比传统方法有极大的提高测量效率比传统方法有极大的提高(2)(2)无论作大面积控制和局部测量都是理想的仪器无论作大面积控制和局部测量都是理想的仪器 (3)(3)价格上具有更强的市场竞争能力价格上具有更强的市场竞争能力(4)(4)任何条件下都有充分把握提供足够的精度任何条件下都有充分把握提供足够的精度GPSGPS测量与经典测量方法的对比测量与经典测量方法的对比2 2：10/27/20224 2 GPS的历史和背景GPS是美国军方研制的第二代卫星导航系统是美国军方研制的第二

3、代卫星导航系统 (1)全球通用 (2)24小时可以定位，测速和授时 (3)用户设备成本低廉 (4)确保美国军事安全，服务于全球战略 (5)导航精度可达1020m (6)取代现存各种导航系统 这种设备可以用来武装战车，舰船和飞机，提高其作战能力，并可广泛用于地面部队，其作用已经在海湾战争中得到充分展示。10/27/20225系统特征NNSSGPS载波频率GHz0.15,0.401.23,1.58卫星高度km100020200卫星数5-621+3卫星周期min1:4711:58卫星钟稳定度10-1110-12GPS与NNSS的主要特征比较10/27/20226系统特征GLONASSGPS载波频率G

4、Hz1.61,1.251.23,1.58卫星高度km1910020200卫星数21+321+3卫星周期h11:1511:58卫星钟稳定度10-1110-13GPS与GLONASSS的主要特征比较10/27/20227技术背景技术背景(信号组成信号组成)：C/A 码 L1 P码和Y码 L2 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10/27/202283 GPS 系统的组成全球定位系统全球定位系统(GPS)由三个主要部分组成由三个主要部分组成空间部分：空间部分：空间部分：提供星历和时间信息提供星历和时间信息提供星历和时间信息 发射伪距和载表信号发射伪距和载表

5、信号发射伪距和载表信号 提供其它辅助信息提供其它辅助信息提供其它辅助信息地面控制部分：地面控制部分：地面控制部分：中心控制系统中心控制系统中心控制系统 实现时间同步实现时间同步实现时间同步 跟踪卫星进行定轨跟踪卫星进行定轨跟踪卫星进行定轨用户部分用户部分用户部分：接收并测卫星信号接收并测卫星信号接收并测卫星信号 记录处理数据记录处理数据记录处理数据 提供导航定位信息提供导航定位信息提供导航定位信息10/27/2022924颗卫星(21+3)6个轨道平面55轨道倾角2万km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)4 GPS卫星目前轨道上实际运行的卫星个数

6、已经超过了32颗10/27/2022105 GSP地面控制站一个主控站一个主控站：科罗拉多斯必灵司三个注入站：三个注入站：阿松森(Ascencion)迭哥伽西亚(Diego Garcia)卡瓦加兰(kwajalein)五个监测站五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii)5555HawaiiAscencionDiego GarciakwajaleinColorado springs10/27/202211 6 GPS用户设备测地型GPS接收机导航型GSP接收机一般情况下无数据输出的记录存储设备(手持机)天线天线天线天线前置放大器前置放大器前置放大器前置放大器电源部分电源部分电源部

7、分电源部分射电部分射电部分射电部分射电部分微处理器微处理器微处理器微处理器数据存器数据存器数据存器数据存器显示控制器显示控制器显示控制器显示控制器供电信号信息命令数据供电，控制供电数据控制 10/27/202212 8 GPS定位原理 卫星信号结构基准频率基准频率10.23MHZ L1L11575.42MHZ C/A C/A码码 1.023MHZ P P码码 10.23MHZL2L21227.60MHZP P码码10.23MHZ101541205050比特比特/S/S卫星信息电文卫星信息电文(D(D码码)每颗卫星都发射一系列无线电信号每颗卫星都发射一系列无线电信号(基准频率基准频率)两种载波两

8、种载波(L1(L1和和L2)L2)两种码信号两种码信号(C/A(C/A码和码和P P码码)一组导航电文一组导航电文(信息码，信息码，D D码码)10/27/202213qL1载波相位观测值载波相位观测值qL2载波相位观测值载波相位观测值q调制在调制在L1上的上的C/A-code伪距伪距q调制在调制在L2上的上的P-code伪距伪距qDopple(多普勒多普勒)观测值观测值10/27/202214 对卫星进行测距 GPS定位的各种常用观测量接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距地心SiPijPj riRjR R Rj j j=r=r=ri i i+P+P+Pi iij

9、jj有关各观测量及已知数据如下：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10/27/202215距离观测值的计算v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v接收机本身按同一公式复制码信号v比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟时间tv传播延迟时间乘以光速就得到距离观测值=C t卫星钟调制的码信号接收机时钟复制的码信号tt10/27/202216单点定位结果的获取单点定位解可以理解为一个测边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(由时间延迟计算得到)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

10、星，解算四个未知参数：纬度 ,经度 ,大地高程 h,钟差 t10/27/202217GPS定位的误差源v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，2000年5月取消)卫星星历误差卫星钟差卫星信号发射天线相位中心偏差v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v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10/27/202218距离观测值的计算v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v接收机本身按同一公式复制码信号v比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟的时间tv传播延迟时间乘以光速就是距离观测值=C t卫星钟调制的

11、码信号接收机时钟复制的码信号tt10/27/2022199 GPS 测量(1)采用载波相位观测值卫星广播的电磁波信号：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)定位高得多的测距精度L1载波载波L2载波载波C/A码码P-码码 p=29.3 m L2=24 cm L1=19c m C/A=293 m10/27/202220可以消去卫星钟的系统偏差可以消去卫星钟的系统偏差可以消去接收机时钟的误差可以消去接收机时钟的误差PikPljPijPjPlkPkSlSi可以

12、消去轨道可以消去轨道(星历星历)误差的影响误差的影响可以削弱大气折射对观测值的影响可以削弱大气折射对观测值的影响(2)组成星际站际两次差分观测值10/27/202221(3)设法解算出初始整周未知数测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成 (1)(1)初始整周未知数初始整周未知数n n；(2)t 0(2)t 0至至t i t i 时刻的整周记数时刻的整周记数CiCi；(3)(3)相位尾数相位尾数 i i如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初始整周未知数如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初始整周未知数n n为了利用载波相位进行定位，必须设

13、法先解算出初始整周未知数，取为了利用载波相位进行定位，必须设法先解算出初始整周未知数，取得总观测值得总观测值n+Cn+Ci i+i iTime(0)AmbiguityTime(i)AmbiguityCounted CyclesPhase Measurement10/27/202222(4)弄清楚初始整周未知数的确定与定位精度的关系精精度度m1.000.10 0.01整周未知数确定后整周未知数确定前经典静态定位经典静态定位00308058时间时间(分分)如果无法准确解出初始整周未知数，则定位精度难以优于如果无法准确解出初始整周未知数，则定位精度难以优于1m随着初始整周未知数解算精度的提高，定位精

14、度也相应提高随着初始整周未知数解算精度的提高，定位精度也相应提高一旦初始整周未知数精确获得，定位精度不再随时间延长而提高一旦初始整周未知数精确获得，定位精度不再随时间延长而提高经典静态定位需要经典静态定位需要30-80分钟观测才能求定初始整周未知数分钟观测才能求定初始整周未知数 快速静态定位将这个过程缩短到快速静态定位将这个过程缩短到5-8分钟分钟(双频接收机双频接收机)快速静态定位快速静态定位10/27/202223伪距差分这是应用最广的一种差分。在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较，得出伪距改正数，将其传输至

15、用户接收机，提高定位精度。这种差分，能得到米级定位精度，如沿海广泛使用的“信标差分”10/27/202224载波相位差分载波相位差分技术又称RTK(Real Time Kinematic)技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。即是将基准站采集的载波相位发送给用户接收机，进行求差解算坐标。载波相位差分可使定位精度达到厘米级，已经大量应用于需要点位高精度的动态测量领域。10/27/202225第二部分 我国GPS测量的常用坐标系1.WGS-84 WGS-84坐标是GPS所采用的坐标系统，GPS发布的星历参数都是基于此坐标系的。WGS-84的椭球参数：a=6378137m 1/f=298

16、.2572235632.1954北京坐标系 1954北京坐标系是目前我国使用比较广泛的大地测量坐标系，参考椭球是克拉索夫斯基椭球。其高程是以1956年黄海平均海水面为基准。克拉索夫斯基椭球参数：a=6378245m 1/f=298.310/27/2022263.1980西安坐标系 1980西安坐标系是我国新建的大地测量坐标系，参考椭球是IUGG1975椭球，其高程是以1956年黄海平均海水面为基准。IUGG1975椭球参数：a=6378140m 1/f=298.25710/27/202227GPSGPS培训教案GPS静态定位在测量中的应用10/27/202228 GPS静态定位主要用于建立各级测量控制网，其优点为：定位精度高，其基线的相对精度非常高选点灵活、不需要造标、费用低全天候作业观测时间短观测处理自动化第三部分 GPS静态定位在测量中的应用1、GPS静态定位的主要应用领域10/27/202229在在 15 15 截止高度角以上不存在障碍物截止高度角以上不存在障碍物周围没有反射面，不致引起多路径效应周围没有反射面，不致引起多路径效应安全避开过往行人和车辆，尽可能将接收机设置在毋须人