GPS测量的原理与应用电子教案

GPS测量的

原理

与

应用基本原理 GPS根底教程 GPS根底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SelectiveAvailability(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——第一局部与传统的陆上测量技术相比GPS具有许多优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，那么必须绕道测量 一般来说传统方式的距离测量被限制在5Km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根底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价格GPS优势 GPS根底教程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10-20m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根底教程控制部分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20200Km用户设备部分接受卫星信号GPS系统的组成` GPS根底教程空间部分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20200Km12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Block1(一代),Block2,2A(二代),Block2R，2F(三代)赤道55 GPS根底教程24颗卫星(21+3)6个轨道平面55º轨道倾角20200km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)目前在轨实际运行的卫星个数已经超过32颗4GPS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根底教程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(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距离测定原理XllVlXllll GPS根底教程XllVlXllllllllVVVllVlllXlX距离测定原理 GPS根底教程XllVlXllllVll距离测定原理 GPS根底教程XllVlXllllllllVVVllVlllXlX距离=传播时间x光速距离测定原理 GPS根底教程我们必定在以R1为半径的球面的某个点上R1点位测定原理 GPS根底教程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根底教程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根底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30,000Km的距离误差1/1,000,000秒的测时误差将引起300m的距离误差点位测定原理 GPS根底教程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根底教程GPS的信号结构每个GPS卫星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

10.23MHzx154x120L1

1575.42MHzL2

1227.60MHzC/A码

1.023MHzP(Y)码

10.23MHzP(Y)-Code

10.23MHz/1050bit/s卫星信悉(状态信悉和星历) GPS根底教程测距码伪距测定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根底教程D=c

T

N载波相位测距载波相位观测载波L1的波长为19cm，L2的波长为24cm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根底教程点位测定精度10-30m单机定位用于导航，其定位精度大约在10到30m左右 GPS根底教程P=正确位置P防电子欺骗技术(AS)选择性效劳政策(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根底教程+/-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(δ技术)人为降低卫星星历精度(ε技术)此项技术称为选择可用性技术点位精度为100m(95%)P=正确位置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根底教程点位测定精度10-100m防电子欺骗技术(AS)选择性效劳政策(SA)*SA技术已经于2000年5月取消 GPS根底教程－－GPS定位的误差源8GPS定位原理与GPS卫星有关的因素SA技术人为的降低播送星历精度(ε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的测量精度?使用差分GPS技术 GPS根底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0.5cm-5mBaselineVectorBA GPS根底教程伪距差分测量精度可达0.5m-5m此种测量形式一般称为DGPS基线向量差分定位技术BA GPS根底教程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那么定位精度可达5-10mm+1ppm基线向量差分定位技术BA GPS根底教程常规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-timekinematic)方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、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根底教程精度(m)1.000.100.01静态测量0120快速静态测量025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根底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(G