GPS测量原理与应用教案

1、GPS测量的 原 理与应 用基 本 原 理 GPS基础教程 GPS基础教程传 统 测 量 技 术 的 缺 陷GPS 优 势GPS 的 主 要 特 性 GPS 系 统 的 组 成距 离 测 定 的 基 本 原 理点 位 测 定 的 基 本 原 理GPS 的 信 号 结 构测 距 码 伪 距 测 量载 波相 位 测 量选 择 可 用 性 技 术 Selective Availability(SA)误 差 来 源差 分 GPS(初始)整 周 未 知 数整 周 未 知 数 的 解 算 精 度 因 子要 点 小 结索引 第一部分与 传 统 的 陆 上 测 量 技 术 相 比 GPS 具 有 许 多 优

2、势 传 统 大 地 测 量 技 术 依 赖 于 测 站 点 至 目 标 点 的 通 视 情 况如 果 视 线 方 向 有 障 碍 物， 则 必 须 绕 道 测 量 一 般来说 传 统 方 式 的 距 离 测 量 被 限 制 在 5 Km 左 右气 候 因 素 限 制 着 传 统 测 量 的 运 作。如 雾，雨 等 传 统 测 量 技 术 的 缺 陷 GPS基础教程不 受 气 候 条 件 的 限 制无 须 通 视 要 求可 进 行 高 精 度 大 地 测 量能 实 现 全 天 候 测 量 运 作省 时 省 力经 济 效 益 明 显坐 标 系 统 通 用应 用 领 域 广 泛具 有 竞 争 力 的

3、 价 格 GPS 优 势 GPS基础教程GPS 系 统 的 完 善 受 控 于美 国 国 防 部GPS 系 统 可 提 供精 确 导 航导 航 精 度 约 为 10 - 20 m全 球 信 号 覆 盖24 小 时 工 作 服 务普 通 座 标 系 统 中 的 测 量 工作计 划 用 GPS 系 统 取 代 现 有 的 导 航 系 统GPS 系 统 可 应 用 于 民 用 及军 事 领 域GPS 的 主 要 特 性 GPS基础教程控 制 部 分 1 个 主 控 站 5 个 监 控 站空 间 部 分 导 航 卫 星 : 导 航 信 息 卫 星 时 和 卫 星 钟 24 颗 卫 星 20200 Km

4、用 户 设 备 部 分 接 受 卫 星 信 号GPS 系统的组成 GPS基础教程 空 间 部 分 24 颗 卫 星分 布 在 互 为 55 度 交 角 的 6 个 轨 道 平 面 上， 每 个 轨 道 面 上 布 有 4 颗 卫 星卫 星 高 约 20200 Km 12 小 时 绕 轨 道 一 周 可 见 时 间 为 4-5 小 时设计寿命为 7.5 年卫 星 种类 区 分Block 1(一 代),Block 2, 2A(二 代), Block 2R，2 F(三 代)赤 道 55 GPS基础教程24颗卫星(21+3)6个轨道平面55轨道倾角20200km轨道高度(地面高度)12小时(恒星时)轨

5、道周期5个多小时出现在地平线以上(每颗星)目前在轨实际运行的卫星个数已经超过32颗4 GPS卫星 控 制 部 分 主 控 站负 责 收 集 由 监 控 站 传 来 的 卫 星 跟 踪 数 据 并 计 算 卫 星 星 历 和 时 间 参 数5 个 监 控 站负 责 对 卫 星 伪 距 数 据 的 观 测，这 一 卫 星 跟 踪 监 测 网 用 于 确 定 卫 星 广 播 星 历 及 卫 星 钟 模 式地 面 控 制 站负 责 向 卫 星 注入信 号 GPS基础教程5 地面控制站一个主控站：科罗拉多斯必灵司三个注入站：阿松森(Ascencion) 迭哥伽西亚(Diego Garcia) 卡瓦加兰(

6、kwajalein)五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii)55HawaiiAscencionDiego GarciakwajaleinColorado springs 距 离 测 定 原 理 XllVl Xl lll GPS基础教程XllVlXllllllllVVVllVlllXlX距 离 测 定 原 理 GPS基础教程XllVlXllllVll距 离 测 定 原 理 GPS基础教程XllVlXllllllllVVVllVlllXlX距离 = 传播时间 x 光速距 离 测 定 原 理 GPS基础教程我 们 必 定 在 以 R1 为 半 径 的 球 面 的 某 个 点 上R1

7、 点 位 测 定 原 理 GPS基础教程2 个 球 面 相 交 成 一 个 圆 弧点 位 被 限 制 在 一 曲 线 上R1R2点 位 测 定 原 理 GPS基础教程3 个球面相交成一个点3 个距离段可以确定纬度，经度，和高程点 的 空 间 位 置 被 确 定R1R2R3点 位 测 定 原 理 GPS基础教程卫 星 可 被 看 作 是 在 固 定 的 轨 道 上 运 动 空 中 观 测 目 标每 颗 卫 星 播 发 独 立 的 时 间 码 进 行 距 离 测 量常 规 GPS 接 收 仪 内 置 较 为 廉 价 的 钟，这 些 钟 的 计 时 精度 比 卫 星 上 内 置 钟 的 精 度 低

8、得 多无 线 电 电 波 以 光 速 传 播( 距 离 = 光 速 x 时 间)设 想 一 下 接 收 仪 上 钟 的 误 差 对 距 离 测 定 的 影 响1/10 秒 的 测 时 误 差 将 引 起 30,000 Km 的 距 离 误 差1/1,000,000 秒 的 测 时 误 差 将 引 起 300 m 的 距 离 误 差点 位 测 定 原 理 GPS基础教程4 段 距 离 解 决 了 纬 度，经 度，高 程 和 时 间 四 个 未 知 数这 就 类 似 于 测 边 交 会 问 题 的 解 决 原 理 点 位 确 定 GPS基础教程 GPS 的 信 号 结 构 每 个 GPS 卫 星

9、播 发 一 组 信 号每 组 信 号 包 括 两 个 不 同 频 率 的 载 波 信 号 (L1 和 L2)、两 个 不 同 的 测 距 码 信 号 (C/A 码 调 制 在 L1 载 波 上，P 码 或 Y 码 同 时 调 制 在 L1 及 L2 载 波 上) 以 及 卫 星 的 轨 道 信 息 基 准 频 率10.23 MHzx 154x 120L11575.42 MHzL21227.60 MHzC/A 码1.023 MHzP (Y) 码10.23 MHzP (Y)-Code10.23 MHz/1050 bit/s卫 星 信 悉 ( 状 态 信 悉 和 星 历 ) GPS基础教程 测 距

10、码 伪 距 测 定 D = V (dT)测 距 伪 随 机 码 每 一 卫 星 播 发 一 个 伪 随 机 测 距 码 信 号，该 信 号 大 约 每 1 毫 秒 播 发 一 次接 收 仪 同 时 复 制 出 一 个 同 样 结 构的 信 号 并 与 接 收 到 的 卫 星 信 号 进行 比 较由 信 号 的 延 迟 时 间 (dT) 推 算 出 卫 星 至 接 收 仪 的 距 离接 收 仪 时 钟 应 与 卫 星 钟 校 时dT 接 收 到 的卫 星 测 距 码 接 收 仪复 制 出 的 测 距 码 GPS基础教程D = c TN 载 波 相 位 测 距 载 波 相 位 观 测载 波 L1

11、的 波 长 为 19 cm ，L2 的 波 长为 24 cm 接 收 仪 将 接 收 到 的 卫 星 载 波 信 号的 相 位 与 其 自 身 产 生 的 参 考 载 波信 号 的 相 位 进 行 比 较接 收 仪 开 机 后，相 位 整 周 数 未 知 (带 有 整 周 模 糊 度 )跟 踪 卫 星 时 间 较 长 时 距 离 的 变 化可 以 测 定 ( 整 周 数 保 持 不 变 )T接 收 到 的 卫 星 相 位接 收 仪 复 制 出 的 相 位 GPS基础教程 点 位 测 定 精 度 10 - 30 m单 机 定 位 用 于 导 航，其 定 位 精 度 大 约 在 10 到 30m

12、左 右 GPS基础教程P = 正确位置P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月取消理 论 上 利 用 C/A 码 可 获 取 10 - 30m 的 定 位 精 度30m100m GPS基础教程+/- 100m (95%)美 国 防 部 人为 降 低 卫 星 广 播 信 息的 精 度，限 制 非 许 可 用 户的 非 法 使 用在 基 准 信 号 上 人 为 加 入 一 个 高 频 抖 动 信 号(技术)人 为 降 低 卫 星 星 历 精 度 (技 术)此 项 技 术 称 为 选 择 可 用 性 技 术点 位 精 度 为 100 m (95%)P = 正 确

13、位 置 P理 论 上 基 于 C/A 码 的 定 位 精 度约 为 10 - 30m 选 择 可 用 性 技 术 (SA) 30m100m GPS基础教程 点 位 测 定 精 度 10 - 100 m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GPS基础教程GPS定位的误差源8 GPS 定位原理与GPS卫星有关的因素SA技术 人为的降低广播星历精度(技术)卫星星历误差卫星钟差卫星信号发射天线相位中心偏差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如 何 提 高 GPS的测 量

14、精 度 ?使 用差 分 GPS 技 术 GPS基础教程 差 分 定 位 技 术 在 测 定 流 动 站 的 座 标 时 与 之 相 关 联 的 参 考 站 的 设 置 是 必 须 的 参 考 站 (A) 的 座 标 须 已知卫 星 必 须 同 时 被 跟 踪差 分 定 位削 减 卫 星 及 接 收 仪 钟的 误 差 影 响大 气 影 响 削 减 至 最 小精 度 达 0.5 cm - 5 mBaseline VectorBA GPS基础教程伪 距 差 分 测 量 精 度 可 达 0.5m - 5 m 此 种 测 量 形 式 一 般 称 为 DGPS基 线 向 量 差 分 定 位 技 术 BA

15、GPS基础教程RTD测量原理图测深仪电脑发射电台GPS主机基准站移动站GPS主机接收电台测深仪电脑信标台站移动站GPS主机信标机测量原理图信标天线如 果 使 用 载 波 差 分 或 同 时 使 用 载 波 差分 及 伪 距 差 分 则 定位 精 度 可 达 5 - 10 mm + 1ppm基 线 向 量差 分 定 位 技 术 BA GPS基础教程常规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才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分(Real - time kinematic)方法，是GPS应用的重大里程碑，它的

16、出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据(伪距观测值，相位观测值)及已知数据传输给流动站接收机。什么是RTK技术发射电台GPS主机基准站移动站GPS主机RTK测量原理图采集器接收电台时间 (0)整周数时间 (i)整周数整周变化数相位差测量 整 周 模 糊 度 在 使 用 载 波 相 位 观 测 时 整 周 数 应 被 解 算 出 来相位差测量GPS基础教程精度 (m)1.000.100.01静态测量 0 120快速静态测量 0 2 5 时间 (mins) 未解算出整周模糊度时的测量精度 已解算出整周模糊度时的测量

17、精度 解 算 整 周 模 糊 度 整 周 模 糊 度 的 解 算 效 果 如 下 所 示注 意 到 一 旦 模 糊 度 被 解 出，测 量 精 度 将 不 随 时 间 有 明显 增 长 GPS基础教程一 种 描 述 纯 粹 因 卫 星 几 何 因 素 对 定 点 精 度 的 影 响精 度 因 子 指 出 在 测 量 时 被 跟 踪 卫 星 几 何 结 构 上 的 强 度GDOP (Geometrical) 包 括 经 度, 纬 度, 高 程 和 时 间 等 因 子， 称 为 几 何 精 度 因 子PDOP (Positional)包 括 经 度, 纬 度 和 高 程 等 因 子，称 为 空 间 位 置 精 度 因 子HDOP (Horizontal)包 括 经 度 和 纬 度 等 因 子，称 为平 面 位 置 精 度 因 子VDOP (Vertical)仅 包 括 高 程 因 子，称 为 高 程 精 度 因 子精 度 因 子 (DOP)较好的 DOP GPS基础教程 精 度 因 子 (DOP) 较差的 DOP一 种 描 述 纯 粹 因 卫 星 几 何 因 素 对 定 点 精 度 的 影