基于GPS的数据采集技术

二.基于GPS的数据采集技术GPS的英文全称是NavigationSatelliteTimingAndRanging/GlobalPositionSystem，简称GPS，有时也被称作NAVSTAR/GPS。其意为“导航星测时与测距全球定位系统”，或简称全球定位系统。什么是GPS？1.概述建立国家美国目的在全球范围内，提供实时、连续、全天候的导航定位及授时服务开始筹建时间1973年完全建成时间1995年总投资200亿GPS的概况GPS系统的特点全球连续覆盖高精度抗干扰能力强被动式全天候导航测站间无需通视空间部分：提供星历和时间信息发射伪距和载表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：接收并测卫星信号记录处理数据提供导航定位信息2.GPS组成部分GPS卫星星座：设计21+3颗，实际27～28颗。

卫星高度：20200km；卫星轨道周期：11h58min；卫星轨道面：6个，每个轨道至少4颗卫星；轨道倾角：55°GPS卫星可见性：至少可见4颗，一般6～8颗。GPS卫星信号：

载波频率：L波段双频卫星识别：码分多址测距码：C/A码，P码导航数据：广播星历（卫星轨道坐标、钟差、电离层延迟修正）(1)空间部分(2)地面控制部分一个主控站：科罗拉多•斯必灵司三个注入站：阿松森（Ascencion)

迭哥•伽西亚(DiegoGarcia)

卡瓦加兰(kwajalein)五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷（Hawaii)55HawaiiAscencionDiegoGarciakwajaleinColoradosprings

(3)用户部分

通用接收机（定位型）：导航型接收机一般情况下无数据输出的记录存储设备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

由三部分组成：①载波；②测距码；③数据码(4)GPS卫星信号①载波作用搭载其它调制信号测距测定多普勒频移类型目前GPS使用L波段的两种载频L1–频率：154f0=1575.43MHz；波长：19.03cmL2–频率：120f0=1227.60MHz；波长：24.42cm现代化后增加L5–频率：115f0=1176.45MHz；波长：25.48cm②测距码作用测距性质为伪随机噪声码（PRN－PseudoRandomNoise）不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为0或1/n（n为码元数）对齐的同一组码间的相关系数为1③数据码（导航电文）作用向用户提供包含导航信息的数据码导航信息主要包括卫星星历时钟改正电离层时延改正轨道摄动改正。。。。(5)GPS坐标系——WGS-84坐标系WGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统，GPS所发布的星历参数和历书参数等都是基于此坐标系统的。WGS-84坐标系统的全称是WorldGeodicalSystem-84(世界大地坐标系-84),由美国国防部制图局建立，它是一个地心坐标系统。于1987年取代了当时GPS所采用的坐标系统WGS-72坐标系统而成为现在GPS所使用的坐标系统。WGS-84坐标系的坐标原点位于地球的质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极方向，X轴指向BIH1984.0的启始子午面和赤道的交点，Y轴与X轴和Z轴构成右手系。需解决的两个关键问题：如何确定卫星的位置？如何测量出站星距离？3.GPS定位原理(1)测距原理1）测码伪距测量：2）测相伪距测量：理想情况载波相位观测值单点定位结果的获取单点定位解可以理解为一个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（由时延值推算得到）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颗卫星，解算四个未知参数：精度

,经度

,高程h,钟差

t与卫星相关的误差轨道误差、卫星钟差、卫星几何中心与相位中心偏差与接收机相关的误差接收机安置误差、接收机钟差、接收机信道误差、多路径误差、观测量误差与大气传输有关的误差电离层误差、对流层误差绝对定位精度不高，主要是由于观测数据含有大量误差：(2)卫星相对定位原理

GNSS相对定位原理

差分GPS定位原理

误差的空间相关性差分GPS的基本原理利用在坐标精确已知的基准站，测定具有空间相关性的误差或其对测量定位结果的影响，发送给流动站，供流动站改正观测值或定位结果差分改正数的类型位置差分伪距差分载波相位差分（RTK）位置差分距离差分距离改正坐标改正

组成星际站际两次差分观测值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1）单基准站差分GPS系统基准站数据通讯链流动站（用户）结构：基准站（一个），数据通讯链和用户特点优点：结构、模型简单缺点：差分范围小，精度随距基准站距离的增加而下降，可靠性低2）多基准站局域差分GPS系统结构基准站（多个）、数据通讯链和用户数学模型加权平均偏导数法最小方差法特点优点：差分精度高、可靠性高，差分范围增大缺点：差分范围仍然有限，模型不完善多基准站差分系统结构3）广域差分GPS系统结构基准站（多个）、数据通讯链和用户数学模型（差分改正数的计算方法）与普通差分不相同普通差分考虑的是误差的综合影响广域差分对各项误差加以分离，建立各自的改正模型用户根据自身的位置，对观测值进行改正特点优点：差分精度高、差分精度与距离无关、差分范围大缺点：系统结构复杂、建设费用高差分GPS的新进展①广域增强系统（WAAS）特点伪卫星技术卫星通讯技术网络RTK

工作原理也叫多基准站RTK，在一定区域内建立多个坐标为已知的GPS基准站，对该地区构成网状覆盖，并以这些基准站为基准，计算和发播相位观测值误差改正信息，对该地区内的卫星定位用户进行实时改正的定位方式。特点覆盖面广，定位精度高，可靠性高，可实时提供厘米级定位。我国已经建成的深圳市连续运行卫星定位服务系统就是网络RTK技术的实现。

差分GPS的新进展②4.GPS测量的实施（1）测前工作对于一项GPS测量工程项目，一般有如下一些要求：测区位置及其范围用途和精度等级。点位分布及点的数量提交成果的内容时限要求、投资经费技术设计测绘资料的搜集与整理仪器的检验：踏勘、选点埋石（2）测量实施实地了解测区情况卫星状况预报确定作业方案：根据卫星状况、测量作业的进展情况、以及测区的实际情况，确定出具体的作业方案外业观测数据传输与转储基线处理与质量评估重复确定作业方案、外业观测、数据传输与转储与基线处理与质量评估四步，直至完成所有GPS观测工作。（3）测后工作

结果分析（网平差处理与质量评估）：,对外业观测所得到的基线向量进行质量检验，并对由合格的基线向量所构建成的GPS基线向量网进行平差解算，得出网中各点的坐标成果。如果需要利用GPS测定网中各点的正高或正常高，还需要进行高程拟合。技术总结：根据整个GPS网的布设及数据处理情况，进行全面的技术总结。成果验收（4）布网方法国家测绘局1992年制订的我国第一部“GPS测量规范”将GPS的精度分为A—E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。

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