GPS测量的原理与应用教案.ppt

,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 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 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,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(kwajalein) 五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii),55,Hawaii,Ascencion,Diego Garcia,kwajalein,Colorado springs,距 离 测 定 原 理,GPS基础教程,距 离 测 定 原 理,GPS基础教程,距 离 测 定 原 理,GPS基础教程,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,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,R1,R2,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,R1,R2,R3,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 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 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,GPS基础教程,测 距 码 伪 距 测 定,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 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,单 机 定 位 用 于 导 航，其 定 位 精 度 大 约 在 10 到 30m 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,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 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),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 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 m,Baseline Vector,B,A,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,B,A,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,B,A,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),1.00,0.10,0.01,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),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