8GPS测量技术

1、测绘教研室测绘教研室S u r v e yGPS测量技测量技术术 8 8. .1 1 GPSGPS概述概述 全球定位系统全球定位系统(GPS-Global Positioning System)是是利用利用人造卫星进行地面定位的定位系统人造卫星进行地面定位的定位系统 ，是美国军方于，是美国军方于19941994年年建立的第二代卫星导航系统。建立的第二代卫星导航系统。 速度快、精度高；速度快、精度高；(1 10-6 1 10-8) 全天候作业：全天候作业： 不需要点间通视；不需要点间通视； 能同时获得点的三维坐标；能同时获得点的三维坐标； 观测时间短，仪器操作简单。观测时间短，仪器操作简单。 类

2、似的系统：俄罗斯的类似的系统：俄罗斯的GLONASS、欧空局的、欧空局的Galileo、我国的双星定位系统等。我国的双星定位系统等。 GPS测量的特点测量的特点：测绘教研室测绘教研室S u r v e yGPS测量技测量技术术一、一、GPS的组成的组成 GPS由空间部分，监控部分和用户接受机三部分组成。由空间部分，监控部分和用户接受机三部分组成。 1 1空间部分空间部分 q21+3颗（备用颗（备用3颗）卫星组成；颗）卫星组成；q六个轨道面，高度约六个轨道面，高度约2 2万万kmkm；q运行周期运行周期11h58m11h58m；q任意时刻、任意地点均可观测任意时刻、任意地点均可观测4 4颗以上卫

3、星。颗以上卫星。 GPS的组成测绘教研室测绘教研室S u r v e yGPS测量技测量技术术q卫星上装有原子钟（铷钟和铯钟）；卫星上装有原子钟（铷钟和铯钟）；q发送两个频率载波信号，即：发送两个频率载波信号，即：L1=1575.42MHz，其，其上带有上带有1.023MHz的伪随机躁声码，称的伪随机躁声码，称CA码码（粗码，（粗码，Coarse Code），），10.23MHz的伪随机躁声码，称的伪随机躁声码，称P码码（精码，（精码，Precision Code）及每秒）及每秒50bit的导航电文；的导航电文；L2=1227.6MHz载波载波,其上只调制精码和导航电文。其上只调制精码和导航电

4、文。空间部分的作用空间部分的作用： 接收和储存由地面监控站发来的导航信息；接收和储存由地面监控站发来的导航信息； 接收并执行地面监控站的控制指令，并经处理后控接收并执行地面监控站的控制指令，并经处理后控制自身轨道和工作状态；制自身轨道和工作状态； 连续不断地发送导航定位的连续不断地发送导航定位的GPSGPS信号。信号。测绘教研室测绘教研室S u r v e yGPS测量技测量技术术2 2监控部分监控部分 监控部分监控部分测绘教研室测绘教研室S u r v e yGPS测量技测量技术术监控站监控站 监测卫星取得观测资料，算出每颗卫星的有监测卫星取得观测资料，算出每颗卫星的有关数据，传送给主控站。

5、关数据，传送给主控站。 主控站主控站 根据监控站观测资料，计算每颗卫星的轨道根据监控站观测资料，计算每颗卫星的轨道参数和卫星钟改正数，推算一天以上的卫星星历和钟参数和卫星钟改正数，推算一天以上的卫星星历和钟差，并转化为导航电文发给注入站。差，并转化为导航电文发给注入站。 注入站注入站 把卫星星历、控制参数和指令注入到卫星存把卫星星历、控制参数和指令注入到卫星存贮器。贮器。 测绘教研室测绘教研室S u r v e yGPS测量技测量技术术3用户接受机用户接受机 双频双频GPS用户接受机用户接受机基准站基准站移动站移动站GPS接收机测绘教研室测绘教研室S u r v e yGPS测量技测量技术术组

6、成组成 天线、控制显示器、电缆、电源等部分组成。天天线、控制显示器、电缆、电源等部分组成。天线安放在整置于控制点的脚架上，接受卫星信号，在控线安放在整置于控制点的脚架上，接受卫星信号，在控制显示器上获得的是天线相位中心的三维坐标。制显示器上获得的是天线相位中心的三维坐标。 功能功能 是接受卫星发射的信号和导航电文，根据导航电是接受卫星发射的信号和导航电文，根据导航电文提供的卫星位置和钟差信息计算接受机的位置。文提供的卫星位置和钟差信息计算接受机的位置。 种类种类 有单频和双频，导航型和定位型、低动态和高动有单频和双频，导航型和定位型、低动态和高动态、伪距型和相位测量型等。态、伪距型和相位测量型

7、等。 测绘教研室测绘教研室S u r v e yGPS测量技测量技术术三部分关系三部分关系测绘教研室测绘教研室S u r v e yGPS测量技测量技术术二二、GPS坐标系统坐标系统 GPS GPS所用的坐标系统是所用的坐标系统是WGS-84WGS-84（Geodetic System1984Geodetic System1984）坐标系。坐标系。 WGS-84WGS-84坐标系与我国采用的坐标系定义不同。为坐标系与我国采用的坐标系定义不同。为了使用方便，一般要将了使用方便，一般要将GPSGPS的的WGS-84WGS-84坐标系测量成果转换到坐标系测量成果转换到5454年北京坐标系或年北京坐标

8、系或19801980年国家大地坐标系。年国家大地坐标系。 三三、GPS时间系统时间系统 由于由于GPS卫星的位置是随时间变化的。时间是卫星的位置是随时间变化的。时间是GPS的的一个重要观测量。为了精密导航和测量的需要，一个重要观测量。为了精密导航和测量的需要，GPSGPS建立了建立了专用的时间系统，该系统可简写为专用的时间系统，该系统可简写为GPSTGPST，由，由GPSGPS主控站的原主控站的原子钟控制。子钟控制。 GPS坐标系统坐标系统测绘教研室测绘教研室S u r v e yGPS测量技测量技术术1、随机噪声码、随机噪声码 ：为一二进制序列，每位：为一二进制序列，每位1、0机率相等。机率

9、相等。 特点：具有良好的自相关性。相关系数：特点：具有良好的自相关性。相关系数：uuuuBABAR 2 2、伪随机噪声码：具有一定规则的二进制序列。、伪随机噪声码：具有一定规则的二进制序列。 特点：接近随机噪声码特性。可以复制。特点：接近随机噪声码特性。可以复制。3 3、C/AC/A码：属伪随机噪声码。码：属伪随机噪声码。 码长：码长：1023bit,1023bit,码宽码宽0.97752us(293.1m)0.97752us(293.1m)，码率，码率1.023Mbit/s1.023Mbit/s4 4、P P码：属伪随机噪声码。码：属伪随机噪声码。 码长：码长：2.352.35* *1010

10、1414bit,bit,码宽码宽0.097752us(29.31m)0.097752us(29.31m)，码率，码率 10.23Mbit/s,10.23Mbit/s,周期周期267267天。天。四、四、GPSGPS测距码信号测距码信号GPSGPS测距码信号测距码信号测绘教研室测绘教研室S u r v e yGPS测量技测量技术术五、导航电文五、导航电文 包括卫星星历、卫星工作状态、时间系统、轨道摄动参包括卫星星历、卫星工作状态、时间系统、轨道摄动参数、大气改正参数、数、大气改正参数、P P码捕获信息等。传输一次完整的导航码捕获信息等。传输一次完整的导航电文约需电文约需12.512.5分。分。导

11、航电文导航电文测绘教研室测绘教研室S u r v e yGPS测量技测量技术术常用的常用的GPSGPS定位方法有测码伪距法和测相伪距法。定位方法有测码伪距法和测相伪距法。)Tc(Tjiji it iiTtjt jjTt)tc(tjiji )(jjiitTtTc jijitctcTTc )(1 1、测码伪距法、测码伪距法测绘教研室测绘教研室S u r v e yGPS测量技测量技术术 t tj j 可从可从导航电文中获取导航电文中获取jijijitctc 222)()()(sssjiZZYYXX 考虑电离层延迟和大气折射影响时，有考虑电离层延迟和大气折射影响时，有：ij2s2s2sjitctc)

12、Z(Z)Y(Y)X(X +)(,tjIig+)(,tjTi 其中：其中：测绘教研室测绘教研室S u r v e yGPS测量技测量技术术 测码伪距定位的原理：在同一测站上同时观测测码伪距定位的原理：在同一测站上同时观测4 4颗颗卫星，则可解出测站点坐标和接受机钟差这四个未卫星，则可解出测站点坐标和接受机钟差这四个未知数。知数。APPPP1234测绘教研室测绘教研室S u r v e yGPS测量技测量技术术测相伪距法原理测相伪距法原理：测定接收机参考信号与卫星载波信号的相位差：测定接收机参考信号与卫星载波信号的相位差 。jijijitctc 由：由：(t)ji 用相位差形式表示：用相位差形式表

13、示：)(tNtctc(t)0jiijjiji )(tji0 0 )(tji1 1 )(tji2 2 )(tNji0 0)(tNji0 0)(tNji0 0TiTi测绘教研室测绘教研室S u r v e yGPS测量技测量技术术8 8. .3 3 GPS控制网的布设要求控制网的布设要求 用用GPSGPS布网具有速度快、精度高，不要求控制点间布网具有速度快、精度高，不要求控制点间通视，对边长和图形结构没有限制，所获得点位的精通视，对边长和图形结构没有限制，所获得点位的精度是均匀的等优点。所以度是均匀的等优点。所以GPSGPS网的布设与常规控制网的网的布设与常规控制网的布设有较大区别，布设中应注意下

14、列问题。布设有较大区别，布设中应注意下列问题。 一有足够的检核条件一有足够的检核条件 GPS GPS网的检核是通过同步环、重复基线和异步环的闭合差来网的检核是通过同步环、重复基线和异步环的闭合差来实现的。实现的。 条件数的计算：基线观测量与必要观测量之差。条件数的计算：基线观测量与必要观测量之差。测绘教研室测绘教研室S u r v e yGPS测量技测量技术术 例：有例：有6 6个控制点，用个控制点，用3 3台接收机台接收机 观测一个时段，则可以构成三个观测一个时段，则可以构成三个同步环和多个异步环。同步环和多个异步环。 若在某一边上，进行多个时段的若在某一边上，进行多个时段的观测还可以构成重

15、复边。观测还可以构成重复边。测绘教研室测绘教研室S u r v e yGPS测量技测量技术术二几何精度衰减因子要小二几何精度衰减因子要小 GPSGPS网中点间图形不受限制，按伪距法定位时，定网中点间图形不受限制，按伪距法定位时，定位精度与卫星的分布有关，即与几何精度衰减因子位精度与卫星的分布有关，即与几何精度衰减因子GDOP(Geometric Dilution of Precision)GDOP(Geometric Dilution of Precision)有关。有关。 GDOPGDOP是个综合精度衰减因子，也是个误差放大是个综合精度衰减因子，也是个误差放大因子，相当于测量平差中的权逆阵。

16、因子，相当于测量平差中的权逆阵。 测绘教研室测绘教研室S u r v e yGPS测量技测量技术术 GDOP GDOP与接收机和卫星组成的多面与接收机和卫星组成的多面锥体的体积锥体的体积V V有关，有关， V V愈大则愈大则GDOPGDOP越小，定位精度就越高。越小，定位精度就越高。 GDOPGDOP值可根据观测地点和时间进值可根据观测地点和时间进行预报。行预报。 作业时接收机也可实时计算显示作业时接收机也可实时计算显示GDOPGDOP，一般要求，一般要求GDOP8GDOP8。测绘教研室测绘教研室S u r v e yGPS测量技测量技术术三三GPSGPS网与地面网应有一定数量的重合点网与地面

17、网应有一定数量的重合点 q 为把为把GPSGPS测得的坐标换算到统一的坐标系中，在测得的坐标换算到统一的坐标系中，在GPSGPS网中至网中至少要有三个控制点与地面网点重合，重合点最好均匀地分布少要有三个控制点与地面网点重合，重合点最好均匀地分布在网的边缘。在网的边缘。 q GPS GPS可同时测定点的三维坐标，其所得高程为大地高，而可同时测定点的三维坐标，其所得高程为大地高，而我国采用的是正常高，为了统一到正常高高程系统，我国采用的是正常高，为了统一到正常高高程系统，GPSGPS网网中要有一定数量的水准联测高程点。中要有一定数量的水准联测高程点。 测绘教研室测绘教研室S u r v e yGP

18、S测量技测量技术术 四点位要避开产生多路径效应的地区四点位要避开产生多路径效应的地区 q 避开有反射作用的地形和物体，如光避开有反射作用的地形和物体，如光滑的墙壁和水面，以免产生多路径效应。滑的墙壁和水面，以免产生多路径效应。q 选择有抑制多路径效应的天线。选择有抑制多路径效应的天线。测绘教研室测绘教研室S u r v e yGPS测量技测量技术术 五防止信号受电磁波干扰和减弱大气折射的影响五防止信号受电磁波干扰和减弱大气折射的影响 q 任何强电磁场变化和强无线电信号，都会对卫星信号产生任何强电磁场变化和强无线电信号，都会对卫星信号产生干扰，致使观测值信噪比降低和干扰，致使观测值信噪比降低和接

19、收信号失锁接收信号失锁，影响测量精，影响测量精度。由于环路失锁而引起的信号周数丢失现象，叫做整周跳度。由于环路失锁而引起的信号周数丢失现象，叫做整周跳变，简称变，简称周跳周跳。测站应离开高压电线。测站应离开高压电线200200米以上，离大功率米以上，离大功率变电站、电视塔等在变电站、电视塔等在400400米以上。米以上。 q 卫星信号穿过电离层和对流层时，会产生时间延迟。对于卫星信号穿过电离层和对流层时，会产生时间延迟。对于较长的基线，最好采用双频接收机，对于短基线用单频接收较长的基线，最好采用双频接收机，对于短基线用单频接收机测量，也能达到一定的精度。机测量，也能达到一定的精度。 q 高度太

20、低的卫星信号受大气层折射影响很大，为了选高度太低的卫星信号受大气层折射影响很大，为了选择有利的星座位置，测站周围垂直角大于择有利的星座位置，测站周围垂直角大于1515的障碍物的障碍物应该避开。应该避开。 测绘教研室测绘教研室S u r v e yGPS测量技测量技术术六其它特殊要求六其它特殊要求 GPS GPS网的边长视控制网要求而定，通常按国家网的边长视控制网要求而定，通常按国家E E级网布设，边级网布设，边长变通范围为长变通范围为1 110km10km。相邻点间不要求通视，但为了用常。相邻点间不要求通视，但为了用常规测量方法进行加密的需要，每点一般应与规测量方法进行加密的需要，每点一般应与

21、1 12 2个方向通视，个方向通视，通视的方向不一定是同步网的方向。有条件时，可用电磁波通视的方向不一定是同步网的方向。有条件时，可用电磁波测距仪测定几条边，以资检核。测距仪测定几条边，以资检核。 测绘教研室测绘教研室S u r v e yGPS测量技测量技术术8 8. .4 4 GPS控制控制网的作业网的作业 技术设计技术设计 选点选点埋石埋石仪器的检验和维护仪器的检验和维护 观测实施观测实施收收集集资资料料 上上交交资资料料 图图上上设设计计 一一般般检检视视 仪仪器器检检验验 通通电电检检验验 仪仪器器维维护护 测绘教研室测绘教研室S u r v e yGPS测量技测量技术术观测实施观测

22、实施 观测准备观测准备 连接连接接收机各电缆，开机初始化接收机，。接收机各电缆，开机初始化接收机，。填写手簿项目，量取天线高。填写手簿项目，量取天线高。 天线定向标志线应指向正北，圆水准器气泡居中。天线定向标志线应指向正北，圆水准器气泡居中。 测绘教研室测绘教研室S u r v e yGPS测量技测量技术术观测作业观测作业 （1 1）按操作说明设置接收机，于预定时刻开始观测）按操作说明设置接收机，于预定时刻开始观测; ; （2 2）观测期间，操作员注意查看并记录仪器工作状态、测站）观测期间，操作员注意查看并记录仪器工作状态、测站信息、接收卫星数量等情况信息、接收卫星数量等情况; ; (3) (

23、3)观测时在测站附近不要发动汽车、发电机、使用电台、观测时在测站附近不要发动汽车、发电机、使用电台、人员、牲畜不得在天线附近走动人员、牲畜不得在天线附近走动; ; (4(4）观测结束后认真检查所有规定作业项目，符合要求方可迁）观测结束后认真检查所有规定作业项目，符合要求方可迁站站. .测绘教研室测绘教研室S u r v e yGPS测量技测量技术术上交资料上交资料 （1 1）仪器检验资料、观测计划等。）仪器检验资料、观测计划等。 （2）观测记录观测记录,主要有观测记录文件等。主要有观测记录文件等。（3）测量手簿。）测量手簿。（4）平差计算报表）平差计算报表.测绘教研室测绘教研室S u r v

24、e yGPS测量技测量技术术1 1、数据下载：、数据下载：将接收机的观测数据传输到计算机中；将接收机的观测数据传输到计算机中；2 2、基线向量的解算：、基线向量的解算：利用载波相位观测量求解基线边的三维坐标增量利用载波相位观测量求解基线边的三维坐标增量 软件通常由厂家提供。软件通常由厂家提供。3 3、三维自由网平差：、三维自由网平差：取网中一点的单点定位结果作为网的必要起算数取网中一点的单点定位结果作为网的必要起算数 据，以基线向量解算结果为观测量，进行平差计算，可得到点的据，以基线向量解算结果为观测量，进行平差计算，可得到点的W84W84坐标坐标和基线向量。其主要目的是检验网的内部符合精度。

25、和基线向量。其主要目的是检验网的内部符合精度。4 4、坐标转换或约束平差：、坐标转换或约束平差：经过自由网平差后，可到了点的经过自由网平差后，可到了点的W84W84三维坐标。三维坐标。为了得到地方坐标，必须求定两个坐标系间的转换参数，参数有三个平为了得到地方坐标，必须求定两个坐标系间的转换参数，参数有三个平移量、三个旋转量和一个尺度因子。转换模型常用布尔沙沃尔夫模型：移量、三个旋转量和一个尺度因子。转换模型常用布尔沙沃尔夫模型： 0 y- 0 - 0 000zyxmx-xzyzdzdydxzzyyxxzyx 8 8.5.5 GPS网平差计算网平差计算测绘教研室测绘教研室S u r v e yGPS测量技测量技