GPS测量原理解析课件

1、1、原理2、我国GPS测量的常用坐标系3、GPS静态定位在测量中的应用4、GPS高程GPS测量教学电子教案10/10/202211、原理GPS测量教学电子教案10/9/20221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10/10/20222第一部分 原理1 GPS测量的特点10/9/202221 GPS测量的特点GPS测量与经典测量方法的对比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

2、业经济效益显著10/10/202231 GPS测量的特点GPS测量与经典测量方法的对比1：不需(1) GPS测量效率比传统方法有极大的提高(2)无论作大面积控制和局部测量都是理想的仪器 (3)价格上具有更强的市场竞争能力(4)任何条件下都有充分把握提供足够的精度GPS测量与经典测量方法的对比2：10/10/20224(1) GPS测量效率比传统方法有极大的提高GPS测量与经典 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 (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

3、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。10/10/20225 2 GPS的历史和背景GPS是美国军方研制的第二代卫星导系统特征第一代NNSSNavy Navigation Satellite System (海军导航卫星系统）GPS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10/10/20226系统特征第一代NNSSGPS载波频率GHz0.15,0.40

4、系统特征GLONASSGPS载波频率GHz1.61,1.251.23,1.58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GLONASS（俄罗斯）的主要特征比较10/10/20227系统特征GLONASSGPS载波频率GHz1.61,1.253 GPS 系统的组成全球定位系统(GPS)由三个主要部分组成空间部分： 提供星历和时间信息 发射伪距和载波信号 提供其它辅助信息地面控制部分： 中心控制系统 实现时间同步 跟踪卫星进行定轨用户部分： 接收并测量卫星信号 记录处理数据 提供导航定位信息10/10/202283

5、GPS 系统的组成全球定位系统(GPS)由三个主要部分24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已经超过了32颗10/10/2022924颗卫星(21+3)4 GPS卫星目前轨道上实际运行的卫5 GSP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(kwajalein)五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii)55HawaiiAscencionDiego Garc

6、iakwajaleinColorado springs10/10/2022105 GSP地面控制站一个主控站：科罗拉多斯必灵司55Ha 6 GPS用户设备 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)天线前置放大器电源部分射电部分微处理器数据存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 10/10/202211 6 GPS用户设备 GPS接收机导航型GSP接收机一 7 GPS定位原理 卫星信号结构基准频率10.23MHZ L11575.42MHZ C/A码 1.023MHZ P码 10 . 23MHZL21227.60MHZP码10.23MHZ1015

7、412050比特/S卫星信息电文(D码) 每颗卫星都发射一系列无线电信号(基准频率) 两种载波(L1和L2) 两种码信号(C/A码和P码) 一组导航电文(信息码，D码)10/10/202212 7 GPS定位原理 卫星信号结构基准频率 L1 L1载波相位观测值L2载波相位观测值调制在L1上的C/A-code伪距调制在L2上的P-code伪距10/10/202213L1载波相位观测值10/9/202213 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地心SiPijPj riRjRj = ri +Pij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)

8、R为未知的测站点位矢量10/10/202214 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距离观测值的计算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接收机本身按同一公式复制码信号比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟时间t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tt10/10/202215距离观测值的计算接收机至卫星的距离借助于卫星发射的码信号量测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

9、同步观测4颗卫星，解算四个未知参数：纬度 , 经度 , 大地高程 h , 钟差 t10/10/202216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18 GPS定位的误差源及误差改正与GPS卫星有关的因素SA(对精密星历进行加密）技术：人为的降低广播星历精度卫星星历（定轨）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10/10/2022178 GPS定位的误差源及误差改正与GPS卫星有关的因素10/8.1 与卫星自身有关的误差8.1.1 卫星钟误差 卫星上安

10、置的原子钟与GPS标准时之间存在的误差。这些误差会对伪码测距和载波相位测量产生误差。 用二项式模拟卫星钟的钟差能保证卫星钟与标准GPS时间同步在20*10-9 s之内，由此引起的等效距离误差不超过6m。若要进一步削弱卫星钟残差，可通过差分定位加以实现。10/10/2022188.1 与卫星自身有关的误差8.1.1 卫星钟误差10/9/8.1.2.卫星星历误差是指广播星历参数或其他轨道信息所给出的卫星位置与卫星的实际位置之差。在一个观测时间段内，卫星星历误差是一种系统误差。严重影响单点定位的准确度，不可能通过多次重复观测来消除。消除星历误差的方法有： 1）建立卫星观测网独立定位法； 2)相对定位

11、差分技术。10/10/2022198.1.2.卫星星历误差10/9/2022198.1.3.地球自转的影响 GPS定位采用的是协议地球坐标系(地心坐标系），若某一刻卫星从该瞬时空间位置向地面发射信号，当地面接收机接收卫星信号时，与地球固连的协议坐标系相对于卫星发射瞬间的位置发生了旋转。这样，接收到的信号会有时间延迟。10/10/2022208.1.3.地球自转的影响10/9/2022208.1.4.相对论效应的影响相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的状态（运动速度和重力位影响时间频率）不同而引起的卫星钟和接收机钟之间产生相对误差的现象。在广义相对论和狭义相对论的综合影响下，卫星钟频率的变化为

12、： 式中：C真空中光速；g地面重力加速度； am地球平均半径；Rs卫星轨道半径经过上述改正后仍有残差，它对GPS时的影响最大可达70ns，对卫星钟速的影响可达0.001ns/n，对于精密定位仍不可忽略10/10/2022218.1.4.相对论效应的影响10/9/2022218.2 与传播有关的误差8.2.1.电离层折射误差（一）基本概念电离层中电离气体的电子密度呈非均匀分布，当GPS信号通过时，信号的路径会发生弯曲，传播速度也会发生变化。所以用信号的传播时间乘上真空中光速得到的距离就会不等于卫星至接收机间的几何距离，这种偏差称为电离层折射误差。该误差在天顶方向最大可达50 m，在接近地平线方向

13、时则可达150 m。电离层的影响必须加以改正，否则，会严重影响定位的准确度。10/10/2022228.2 与传播有关的误差8.2.1.电离层折射误差10/9/（二）电离层误差的改正与消弱 1)单频接收机，采用导航电文中提供的系数根据Klobuchar模型来减弱电离层误差的影响。天顶方向的电离层延迟为 其他参数均可从导航电文中获得。对于非天顶方向的电离层延迟，可用下式进行计算：Tg=(1cosZ)T正， 其中：z不是测站处信号的天顶距，而是卫星信号和中心电离层交点处的天顶距。其他参数均可从导航电文中获得。10/10/202223（二）电离层误差的改正与消弱10/9/202223 2)双频接收机

14、，利用无电离层组合(L，)消除电离层影响，无电离层组合公式为 式中：=f1/f20.779,f1、f2两个波段的频率；1、2某GPS接收机在同一历元测得的L1、L2两个波段上的相位，经GPS双频观测改正后的距离残差为厘米级。 3)对于单频和双频接收机都有效的方法是应用站间差分。对于较短基线，两个测站的观测值空间相关性较强，而且对于同一颗卫星的高度角也几乎相同，可以利用站际差分的模式消除电离层的影响。10/10/202224 2)双频接收机，利用无电离层组合(L，)消除电离层影响，8.2.2.对流层折射误差（一）基本概念对流层为距地面高度40km以下的大气层，其质量约占整个大气层质量的99。电磁

15、波在其中的传播速度与频率和波长无关，与大气的折射率和电磁波传播方向有关。由于对流层折射的影响，当天顶方向的对流层延迟约为2.3m，而仰角为10时，对流层延迟将增加至约13 m。10/10/2022258.2.2.对流层折射误差10/9/202225（二）对流层误差改正与消弱 目前采用的对流层折射改正模型有：霍普菲尔德(HHopfield)模型、萨斯塔莫宁(Saastamionen)模型、勃兰克(Black)模型及东京天文台的Chao模型。 本文主要介绍广泛采用的霍普菲尔德(HHopfield)模型，其公式如 式中：E卫星的高度；S对流层折射改正，m。10/10/202226（二）对流层误差改正

16、与消弱10/9/202226减少对流层折射对电磁波延迟影响的措施主要有：采用对流层模型加以改正；引入描述对流层影响的附加待估参数，在数据处理中一并求得；利用同步观测值求差；利用水气辐射计直接测定信号传播的影响。理论分析和实践表明，上述方法中采用对流层模型，难以将对流层的影响减至9293。而当基线较短时，气象条件稳定，两个测站的气象条件相似，利用基线两端同步观测量求差，可以有效地减弱甚至消除大气折射的影响。10/10/202227减少对流层折射对电磁波延迟影响的措施主要有：采用对流层模型加8.2.3.多路径效应（一）基本概念：经接收机周围某些物体表面反射后产生的信号与直接来自卫星的信号叠加进入接

17、收机，使观测值偏离真值，这就是所谓的多路径误差。由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应被称作多路径效应。10/10/2022288.2.3.多路径效应10/9/202228(二)多路径效应的改正多路径效应是一时空环境效应，具有周期性，要减弱或消除多路径效应的影响，可通过以下几个法： 1)选择较好的测站环境，避免有较强的反射面，如水面、光滑的地面及高层建筑物等； 2)尽量选择能抑制多路径效应的天线，如带抑制圈的天线； 3)由于多路径误差的大小和符号会随着卫星高度角的变化而变化，在静态定位中可通过延长观测时间来减弱多路径效应的影响。10/10/202229(二)多路径效应的改正10/9/2022

18、298.3.与接收设备有关的误差8.3.1观测误差观测误差与GPS接收机的软、硬件对卫星信号的观测分辨力有关。根据经验，一般认为观测的分辨力误差约为信号波长的1。还与天线的安装误差有关，即天线的置平与对中误差和量取天线相位中心高度(天线高)的误差。所以，在精密定位中，应注意整平天线，仔细对中，尽量减少这种误差的影响。10/10/2022308.3.与接收设备有关的误差8.3.1观测误差10/9/208.3.3天线相位中心位置偏差在GPS定位中，观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准的，在理论上应与其几何中心保持一致，但实际上天线的相位中心位置随信号输入的强度和方向的不同而有所变化，即观测时相

19、位中心的瞬时位置(称为视相位中心)与理论上的相位中心有所不同，这种差别即称为天线相位中心的位置偏差。10/10/2022318.3.3天线相位中心位置偏差10/9/2022319 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L2载波C/A码P-码 p=29.3 m L2=24 cm L1=19c m C/A=293 m10/10/2022329 GPS 测量(1)采用载波

20、相位观测值卫星广播信号量测精可以消去卫星钟的系统偏差可以消去接收机时钟的误差PikPljPijPjPlkPkSlSi可以消去轨道(星历)误差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10/10/202233可以消去卫星钟的系统偏差PikPljPijPjPlkPkSl(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 (1)初始整周未知数n；(2) t 0至t i 时刻的整周记数Ci；(3)相位尾数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n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n+Ci+ iTime

21、 (0)AmbiguityTime (i)AmbiguityCounted CyclesPhase Measurement10/10/202234(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(4)弄清楚初始整周未知数的确定与定位精度的关系精度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00308058时间(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1m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 快速静态定位将这个过程缩

22、短到5-8分钟(双频接收机)快速静态定位10/10/202235(4)弄清楚初始整周未知数的确定与定位精度的关系精度m1.0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”10/10/202236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。

23、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。10/10/202237载波相位差分载波相位差分技术又称RTK(Real Time 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=298.2572235632. 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。

24、 克拉索夫斯基椭球参数： a=6378245m 1/f=298.310/10/202238第二部分 我国GPS测量的常用坐标系1.WGS-84 103.1980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=298.25710/10/2022393.1980西安坐标系10/9/202239 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

25、静态定位在测量中的应用1、GPS静态定位的主要应用领域10/10/202240 GPS静态定位主要用于建立各级测量控制网，其优在 15 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安全避开过往行人和车辆，尽可能将接收机设置在毋须人员照看的地方附近不应该有强辐射源(如无线电台、电视发射天线等)可靠的电源供应足够的内存容量正确的配置参数 (观测类型、记录速率)检查天线高和偏差仪器的正确检测2、GPS测量前注意事项10/10/202241在 15 截止高度角以上不存在障碍物2、GPS测量前注意事3、GPS布网方法 GPS网的精度指标，通常以网中相邻点之间的距离误差来表示的，其具体形式

26、如下：=a2 + (bd)2距离中误差(mm) a固定误差(mm)b比例误差系数(ppm) d相邻点的距离(Km)充分考虑建立GPS控制网的应用范围 采用分级布网的原则 GPS测量的精度标准10/10/2022423、GPS布网方法 GPS网的精度指标，通常以网 国家测绘局1992年制订的我国第一部“GPS测量规范”将GPS的精度分为AE五级(见下表)。其中A、B两级一般是国家GPS控制网。C、D、E三级是针对局部性GPS网规定的。10/10/202243 国家测绘局1992年制订的我国第一部“GPS 坐标系统与起算数据包括位置基准、方位基准和尺度基准。 GPS点的高程应使一定数量的GPS点与

27、水准点重合或对部分GPS点联测水准。 选点原则与点位标志10/10/202244 坐标系统与起算数据10/9/202244 GPS网设计的一般原则 应通过独立观测边构成闭合图形，以增加检核条件，提高网的可靠性。 应尽量与原有地面控制网相重合，重合点一般不少于3个，且分布均匀。 应考虑与水准点相重合 ，或在网中布设一定密度的水准联测点。 点应设在视野开阔和容易到达的地方，联测方向。 可在网点附近布设一通视良好的方位点，以建立联测方向。 根据GPS测量的不同用途，GPS网的独立观测边均应构成一定的几何图形，基本形式有：三角形网环形网星形网10/10/202245 GPS网设计的一般原则10/9/2022