GPS数据采集与处理学习教案

1、会计学1GPS数据采集与处理数据采集与处理第一页，编辑于星期六：十二点 十五分。2第1页/共72页第二页，编辑于星期六：十二点 十五分。3GPS概述概述1GPS定位方法定位方法2GPS数据及其处理数据及其处理3GPS静态测量的实施静态测量的实施4GPS基线向量网与高程平差基线向量网与高程平差5RTK技术及其应用技术及其应用6第2页/共72页第三页，编辑于星期六：十二点 十五分。4GPSGPS是全球是全球定位定位系统系统(Global Position Systerm)(Global Position Systerm)的简称的简称第3页/共72页第四页，编辑于星期六：十二点 十五分。5第4页/共

2、72页第五页，编辑于星期六：十二点 十五分。6例如：例如：GPSGPS用于大地测量用于大地测量第5页/共72页第六页，编辑于星期六：十二点 十五分。7第6页/共72页第七页，编辑于星期六：十二点 十五分。8一、一、GPSGPS的组成的组成GPSGPS由三个独立的部分组成由三个独立的部分组成How手机？手机？GPS空间星座部分空间星座部分地面监控系统地面监控系统用户设备部分用户设备部分第7页/共72页第八页，编辑于星期六：十二点 十五分。9一、一、GPSGPS的组成的组成 空间部分空间部分24颗颗GPS卫星组成卫星组成用户部分用户部分 GPS接收机接收机控制部分控制部分 1个主控站个主控站 3个

3、注入站个注入站 5个监控站个监控站 注入站 监控站监控站主控站第8页/共72页第九页，编辑于星期六：十二点 十五分。10（一）（一）GPSGPS空间星座部分空间星座部分它由它由2424颗卫星组成，其中包括颗卫星组成，其中包括3 3颗可随时启用的备用卫星。颗可随时启用的备用卫星。分布在分布在6 6个轨道面上，每个轨道面上布放个轨道面上，每个轨道面上布放4 4颗卫星。颗卫星。这种配置保障了在地球上任意地点，任意时刻，至少同时可见到这种配置保障了在地球上任意地点，任意时刻，至少同时可见到4 4颗卫星。颗卫星。第9页/共72页第十页，编辑于星期六：十二点 十五分。11（一）（一）GPSGPS空间星座部

4、分空间星座部分GPS卫星图片卫星图片第10页/共72页第十一页，编辑于星期六：十二点 十五分。12（一）（一）GPSGPS空间星座部分空间星座部分接收、储存和处理地面监控系统发射来的导航电文及其它有关信息；接收、储存和处理地面监控系统发射来的导航电文及其它有关信息；向用户连续不断地发送导航与定位信息，并提供时间标准、卫星本身的空间实时位置及其它在轨卫星的概略位置；向用户连续不断地发送导航与定位信息，并提供时间标准、卫星本身的空间实时位置及其它在轨卫星的概略位置；接收并执行地面监控系统发送的控制指令，如调整卫星姿态和启用备用时钟、备用卫星等。接收并执行地面监控系统发送的控制指令，如调整卫星姿态和

5、启用备用时钟、备用卫星等。GPSGPS卫星的主要功能：卫星的主要功能：第11页/共72页第十二页，编辑于星期六：十二点 十五分。13（二）（二）GPSGPS地面监控系统地面监控系统 它由分布在全球的它由分布在全球的5 5个地面站组成，按其功能分为主控站个地面站组成，按其功能分为主控站(MCS)(MCS)、注入站、注入站(GA)(GA)和监测站和监测站(MS)(MS)三种。三种。第12页/共72页第十三页，编辑于星期六：十二点 十五分。14（二）（二）GPSGPS地面监控系统地面监控系统 （1 1）主控站主控站：1 1个，设在美国的科罗拉多的斯普林斯个，设在美国的科罗拉多的斯普林斯(Colora

6、do Springs)(Colorado Springs)的空军基地。的空军基地。主控站负责协调和管理所有地面监控系统的工作主控站负责协调和管理所有地面监控系统的工作 第13页/共72页第十四页，编辑于星期六：十二点 十五分。15（二）（二）GPSGPS地面监控系统地面监控系统 （2 2）注入站注入站（又称地面天线站）：（又称地面天线站）：3 3个，分别设在南大西洋的阿松森群岛、印度洋的迪哥加西亚和南太平洋的卡瓦加兰。个，分别设在南大西洋的阿松森群岛、印度洋的迪哥加西亚和南太平洋的卡瓦加兰。 将来自主控站的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制将来自主控站的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令注

7、入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确指令注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。性。第14页/共72页第十五页，编辑于星期六：十二点 十五分。16（二）（二）GPSGPS地面监控系统地面监控系统 （3 3）监测站监测站：共：共5 5个，除上述个，除上述4 4个地面站具有监测站功能外，还在夏威夷个地面站具有监测站功能外，还在夏威夷(Hawaii)(Hawaii)设有一个监测站。设有一个监测站。高度自动化高度自动化：GPSGPS地面监控系统除主控站外均由计算机自动控制，而勿需人工操作。地面监控系统除主控站外均由计算机自动控制，而勿需人工操作。第15页/共72页第十六页，编辑于星期

8、六：十二点 十五分。17（三）（三）GPSGPS用户设备部分用户设备部分GPSGPS用户设备部分，包括用户设备部分，包括GPSGPS接收机硬件接收机硬件、数据处理软件和微处理机及其终端设备。、数据处理软件和微处理机及其终端设备。 u跟踪、接收、放跟踪、接收、放大、处理卫星信号大、处理卫星信号，测量出信号从卫，测量出信号从卫星到天线的传播时星到天线的传播时间。间。u解译导航电文，解译导航电文，实时解算测站三维实时解算测站三维位置。位置。第16页/共72页第十七页，编辑于星期六：十二点 十五分。18GPSGPS的组成的组成注入站注入站空间星座部分：空间星座部分： 提供星历和时间信息提供星历和时间信

9、息 发射伪距和载波信号发射伪距和载波信号 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： 中心控制系统中心控制系统 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用户部分： 接收卫星信号接收卫星信号 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第17页/共72页第十八页，编辑于星期六：十二点 十五分。19二、二、GPSGPS的信号的信号GPS卫星发射两种频率的载波信号：L1L1载波载波、L2L2载波载波。在L1和L2上又分别调制着多种信号，这些信号主要有：C/AC/A码码（粗捕获码）、P P码码（精码）它们的频率分别是基本频率的154倍和120倍，它们的

10、波长分别为和。第18页/共72页第十九页，编辑于星期六：十二点 十五分。20三、三、GPSGPS定位系统的坐标系统定位系统的坐标系统任何测量都离不开一个基准基准，都需要一个特定的坐标系统。GPS是全球性的定位导航系统，因此它采用国际协议确定的协议地球坐标系（CTS），即WGS-84WGS-84世界大地坐标系世界大地坐标系。第19页/共72页第二十页，编辑于星期六：十二点 十五分。21四、四、GPSGPS的服务的服务GPS服务服务SPS服务服务PPS服务服务标准定位服务标准定位服务：面向全世界民用用：面向全世界民用用户户精密定位服务精密定位服务：面向美国及其盟：面向美国及其盟国的军事部门以及民国

11、的军事部门以及民用特许用户用特许用户Back第20页/共72页第二十一页，编辑于星期六：十二点 十五分。22第21页/共72页第二十二页，编辑于星期六：十二点 十五分。23一、一、GPSGPS定位方法的分类定位方法的分类(一)根据定位所采用的观测值伪距法伪距法 + + 载波定位法载波定位法(二)根据定位的模式绝对定位绝对定位 + + 相对定位相对定位(三)根据获取定位结果的时间实时定位实时定位 + + 非实时定位非实时定位(四)根据定位时接收机的状态静态定位静态定位 + + 动态定位动态定位第22页/共72页第二十三页，编辑于星期六：十二点 十五分。24一、一、GPSGPS定位方法的分类定位方

12、法的分类(一)根据定位所采用的观测值观测值伪距法伪距法载波定位法载波定位法GPS伪距观测值GPS载波相位观测值，即L1、L2或其线性组合第23页/共72页第二十四页，编辑于星期六：十二点 十五分。25一、一、GPSGPS定位方法的分类定位方法的分类(二)根据定位的模式模式绝对定位绝对定位( (单点定位单点定位) )相对定位相对定位( (差分定位差分定位) )是利用 GPS 独立确定用户接收机天线(观测站)在 WGS-84 坐标系中的绝对位置(单机)在 WGS-84 坐标系中确定收机天线(观测站)与某一地面参考点之间的相对位置，或两观测站之间相对位置(多机)第24页/共72页第二十五页，编辑于星

13、期六：十二点 十五分。26一、一、GPSGPS定位方法的分类定位方法的分类(二)根据定位的模式绝对定位绝对定位( (单点定位单点定位) )相对定位相对定位( (差分定位差分定位) )第25页/共72页第二十六页，编辑于星期六：十二点 十五分。27一、一、GPSGPS定位方法的分类定位方法的分类(三)根据获取定位结果的时间结果的时间实时定位实时定位非实时定位非实时定位根据接收机观测到的数据，实时地解算实时地解算出接收机天线所在的位置通过对接收机接收到的数据进行处理后处理后进行定位第26页/共72页第二十七页，编辑于星期六：十二点 十五分。28一、一、GPSGPS定位方法的分类定位方法的分类(四)

14、根据定位时接收机的状态接收机的状态静态定位静态定位动态定位动态定位GPS接受机在整个观测进程中的位置固定固定不动GPS接收机在整个观测进程中的位置是变化变化的第27页/共72页第二十八页，编辑于星期六：十二点 十五分。29GPS定位方法定位方法根据定位所采用的观测值伪距法伪距法 + + 载波相位法载波相位法根据定位的模式绝对定位绝对定位 + + 相对定位相对定位根据获取定位结果的时间实时定位实时定位 + + 非实时定位非实时定位根据定位时接收机的状态静态定位静态定位 + + 动态定位动态定位第28页/共72页第二十九页，编辑于星期六：十二点 十五分。30二、二、GPSGPS测量方法测量方法实时

15、动态定位实时动态定位静态静态( (准动态准动态) )相对定位相对定位事后处理动态定位事后处理动态定位GPS定位Back内容略，有兴趣的同学请自学。第29页/共72页第三十页，编辑于星期六：十二点 十五分。31第30页/共72页第三十一页，编辑于星期六：十二点 十五分。32一、一、GPSGPS基本定位原理基本定位原理伪距测量定位伪距测量定位载波相位测量定位载波相位测量定位GPSGPS基本定位方法：基本定位方法：第31页/共72页第三十二页，编辑于星期六：十二点 十五分。33一、一、GPSGPS基本定位原理基本定位原理(一)伪距测量伪距测量定位原理伪距观测量伪距观测量：是通过测量卫星信号从发射时刻

16、到接收机接收时刻的时延时延，然后乘以光速得到的距离观测量距离观测量。伪距定位观测方程式伪距定位观测方程式坐标推算坐标推算：观测：观测4颗以上卫星列出4个以上方程式4个未知数第32页/共72页第三十三页，编辑于星期六：十二点 十五分。34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 riRjRj = ri +Pij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第33页/共72页第三十四页，编辑于星期六：十二点 十五分。35距离交会法距离交会法第34页/共72页第三十五页，编辑于星期六：十二点

17、 十五分。36一、一、GPSGPS基本定位原理基本定位原理(二)载波相位测量载波相位测量定位原理载波相位观测量载波相位观测量：是接收机测量得到的卫星信号载波与测量时刻接收机产生的本振载波相位的。通过测量载波的而求得接收机到GPS卫星的。第35页/共72页第三十六页，编辑于星期六：十二点 十五分。37二、二、GPSGPS数据数据数据采集数据采集数据传输数据传输数据预处理数据预处理基线解算基线解算GPSGPS网平差网平差GPS数据处理基本流程第36页/共72页第三十七页，编辑于星期六：十二点 十五分。38二、二、GPSGPS数据数据(一) GPS测量的误差源第37页/共72页第三十八页，编辑于星期

18、六：十二点 十五分。39二、二、GPSGPS数据数据(二) GPS测量误差消减对策Back第38页/共72页第三十九页，编辑于星期六：十二点 十五分。40GPSGPS静态定位有着广泛的应用。静态定位有着广泛的应用。例如：大地测量、工程测量、例如：大地测量、工程测量、地籍测量地籍测量、变形监测、变形监测、第39页/共72页第四十页，编辑于星期六：十二点 十五分。41精度高精度高：常规测量手段选点灵活、费用低选点灵活、费用低：不需通视全天候全天候：黑夜、刮风下雨观测时间短观测时间短：特别是快速静态定位第40页/共72页第四十一页，编辑于星期六：十二点 十五分。42二、二、GPSGPS布网方法布网方

19、法(一)GPS基线向量网的基线向量网的等级等级我国2001年颁布的GPS测量规范：六个级别六个级别：AAAA、A A、B B、C C、D D、E EAA、A级网可作为地心参考框架的基础；AA、A、B一般可作为国家空间大地测量控制网的基础；C级网为地方控制网和工程网；D级网为工程控制网；E级网为测图网。第41页/共72页第四十二页，编辑于星期六：十二点 十五分。43二、二、GPSGPS布网方法布网方法(二)GPS基线向量网的基线向量网的布网形式布网形式跟踪站式跟踪站式会战式会战式单基准站式单基准站式多基准站式多基准站式同步图形扩展式同步图形扩展式第42页/共72页第四十三页，编辑于星期六：十二点

20、 十五分。44二、二、GPSGPS布网方法布网方法(二)GPS基线向量网的基线向量网的布网形式布网形式跟踪站式跟踪站式 若干GPS接收机固定，36524不间断观测会战式会战式不太长时间内一次集中多台GPS接收机，共同作业。第43页/共72页第四十四页，编辑于星期六：十二点 十五分。45二、二、GPSGPS布网方法布网方法(二)GPS基线向量网的基线向量网的布网形式布网形式单基准站式单基准站式 一台接收机作为基准站连续观测,其余接收机在基准站观测期间在其周围流动，每到一点就进行观测。多基准站式多基准站式 多台GPS接收机构成多个基准站，另外接收机在基准站周围进行同步观测。流动站流动站基准站基准站

21、第44页/共72页第四十五页，编辑于星期六：十二点 十五分。46二、二、GPSGPS布网方法布网方法(二)GPS基线向量网的基线向量网的布网形式布网形式同步图形扩展式同步图形扩展式 多台接收机在不同测站上进行同步观测不同测站上进行同步观测，在完成一个时段的同步观测后，又迁移到其它的测站上进行同步观测，每次同每次同步观测都可以形成一个同步图形步观测都可以形成一个同步图形。 在测量过程中，不同的同步图形间一般有若干个公共点若干个公共点相连，整个GPS网由这些同步图形构成。（下页图） 第45页/共72页第四十六页，编辑于星期六：十二点 十五分。47二、二、GPSGPS布网方法布网方法(二)GPS基线

22、向量网的基线向量网的布网形式布网形式同步图形扩展式同步图形扩展式点连式点连式（7 7个三角形）个三角形）边连式边连式（1414个三角形）个三角形）混连式混连式（1010个三角形）个三角形）第46页/共72页第四十七页，编辑于星期六：十二点 十五分。48三、三、GPSGPS基线解算过程基线解算过程 原始观测数据的读入：数据处理软件 外业输入数据的检查与修改 设定基线解算的控制参数 基线解算 基线质量的检验 平差 成果转化 Back GPSGPS基线解算基线解算：是利用GPS观测值，通过数据处理，得到测站的坐标坐标或测站间的基线向量值基线向量值。第47页/共72页第四十八页，编辑于星期六：十二点

23、十五分。49第48页/共72页第四十九页，编辑于星期六：十二点 十五分。502()coscos()cossin(1)sinXNHBLYNHBLZNeHB2222arctan()()arctan()(1)(1)sinYLXZ NHBXYNeHZHNeB(, ,)( , ,)X Y ZL B H2222221sin( ,)aNeBabea ba分别为长、短半轴第49页/共72页第五十页，编辑于星期六：十二点 十五分。51二、二、GPSGPS基线向量网平差基线向量网平差(一)网平差的网平差的分类分类根据平差所进行的坐标空间坐标空间： 三维平差、二维平差三维平差、二维平差 根据平差时所采用的观测值和起

24、算数据观测值和起算数据的数量和类型： 无约束平差、约束平差、联合平差无约束平差、约束平差、联合平差GPSGPS网平差的类型有多种：网平差的类型有多种： 第50页/共72页第五十一页，编辑于星期六：十二点 十五分。52二、二、GPSGPS基线向量网平差基线向量网平差 提取基线向量，构建GPS基线向量网 三维无约束平差 约束平差/联合平差 质量分析与控制 (二)网平差的网平差的过程过程第51页/共72页第五十二页，编辑于星期六：十二点 十五分。53正常高系统：正常高系统：以似大地水准面似大地水准面为基准，HrBack正高系统：正高系统：以大地水准面大地水准面为基准，Hg大地高系统：大地高系统：以参

25、考椭球面参考椭球面为基准，H三、三、GPSGPS高程系统高程系统GPSGPS？第52页/共72页第五十三页，编辑于星期六：十二点 十五分。54常规GPS的测量方法，如静态、快速静态、动态测量，都需要事后进行解算事后进行解算才能获得cm级的精度，而RTKRTK技术技术是能够在野外实时实时得到cm级定位精度的测量方法。第53页/共72页第五十四页，编辑于星期六：十二点 十五分。55RTK是载波相位动态实时差分载波相位动态实时差分(Real-Time Kinematic)方法的缩写。RTK是GPS应用的重大里程碑，大大提高了外业测量的效率。第54页/共72页第五十五页，编辑于星期六：十二点 十五分。56移动站移动站基准站基准站第55页/共72页第五十六页，编辑于星期六：十二点 十五分。57第56页/共72页第五十七页，编辑于星期六：十二点 十五分。58一、一、RTKRTK技术原理技术原理第57页/共72页第五十八页，编辑于星期六：十二点 十五分。GPS接收机接