GPS测量原理及应用.ppt

gps测量原理及应用,第一部分 gps原理概要,发展简史 系统组成 工作原理 信号结构 误差来源 定位类型,第一章 gps发展简史,“哪儿？”与“怎么去？”,现代卫星导航定位系统,transit 与cicada 多普勒导航定位系统 gps与glonass navstar-gps: navigation system with time and ranging - global positioning system. （美国） glonass: global navigation satellite system. （俄罗斯）,第二章 gps的系统及其信号,第一节 gps的系统构成,空间部分 控制部分 用户部分 （地面部分）,一、gps的空间部分,gps的空间部分是由由gps卫星所组成的卫星星座所构成。 gps卫星的类型： block （实验卫星） block （正式工作卫星） block a（正式工作卫星） block r（正式工作卫星） block f（正式工作卫星）,一、gps的空间部分（续）,gps卫星的组成： 原子钟 无线电发射器 计算机,一、gps的空间部分（续）,block 卫星,一、gps的空间部分（续）,block 卫星,一、gps的空间部分（续）,block r卫星,一、gps的空间部分（续）,gps星座 设计星座：21+3 21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星 6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55 ，周期11h 58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次） 保证在15高度角以上，能够同时观测到4至8颗卫星 当前星座：26颗,一、gps的空间部分（续）,gps卫星星座（=35 ，=90）,一、gps的空间部分（续）,作用 发送导航定位信息 其他特殊用途（如通讯、检测核暴等）,二、gps的控制部分,组成：主控站、注入站和监测站。 主控站 作用： 收集各检测站的数据，编制导航电文，监控卫星状态 通过注入站将卫星星历注入卫星，向卫星发送控制指令 卫星维护与异常情况的处理,二、 gps的控制部分（续）,数量：1 分布：美国克罗拉多州法尔孔空军基地 注入站 作用：将导航电文注入gps卫星 数量：3 分布：阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）,二、 gps的控制部分（续）,监测站 作用：接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站 数量：5 分布：夏威夷、主控站及三个注入站,二、 gps的控制部分（续）,gps的控制部分,二、 gps的控制部分（续）,gps的控制部分,三、gps的用户部分,gps信号接收机 采用石英钟 gps信号接收机的类型 依用途：大地型（测地型）、导航型与授（守）时型 依能否接收测距码（伪距码）：有码与无码 依接收伪距码的种类：p码与c/a码 依接收不同频率载波的数量：单频与双频,第二节 gps的位置基准与时间基准,一、位置基准,概述 坐标系统 原点、坐标轴指向、长度基准 惯性系与非惯性系 地心系与参心系,一、位置基准（续）,类型 习/惯用天体参照系（conventional celestial reference system） 例：icrf，iers (international earth rotation service)制定，由500颗河外星系的天体所构成 习/惯用地面参照系（conventional terrestrial reference system） 例：itrf， iers (international earth rotation service)制定，由全球数百个slr、vlbi和gps站所构成,一、位置基准（续）,gps应用中所采用的位置基准 wgs84（world geodetic system 1984） 广播星历 由美国国防部研制确定，其原点在地球质心，z轴指向bih1984.0定义的协议地球极（ctp），x轴指向bih1984.0的零子午面与ctp赤道的交点，y轴与z、x轴构成右手系。椭球采用iugg在第17届大会给出的推荐值：长半轴为6378137，扁率为1/298.257223563。大地水准面模型采用egm。 itrfyy igs精密星历 z轴指向cio ，利用slr、vlbi和gps等技术维持。 提供站坐标及速度场信息,一、位置基准（续）,gps应用中所采用的位置基准（续） wgs84与itrf的关系 wgs84地面站坐标精度为1m到2m的精度，itrf则为厘米级精度 引力常数不同,一、位置基准（续）,gps应用中所采用的位置基准（续） wgs84与itrf的关系（续） 转换关系,二、时间基准（系统）,时间的起点和时间的长度 时间系统 太阳时与恒星时 力学时 原子时 gps时 为原子时 1980年1月6日0时与utc一致 gps时用gps周+一周内的秒数来表示,三、gps信号的结构,1. gps信号的组成,用于导航定位的gps信号由三部分组成： 载波（l1和l2） 导航电文 测距码（c/a码和p(y)码）,2. 载波,两种频率的正弦波 l1： l2：,3. 导航电文,方波 码速：50bps 内容： 广播星历（导航信息） 卫星钟改正 历书（概略星历） 电离层信息 卫星健康状况,4. 测距码,方波 伪随机噪声码 两种测距码： c/a码 - 粗码 码速：1.023mhz 码元长度：300m p(y)码 - 精码 码速：10.23mhz 码元长度：30m,4. 测距码（续）,测距码的调制,5. gps信号的构成示意图,美国降低普通用户导航定位精度的措施,sa - selective availability（选择可用性） -技术：轨道信息加绕（长周期，慢变化） -技术：卫星钟抖动（高频，短周期，快变化） as - anti-spoofing（反欺骗） p码加密，成为y码,第四节 gps的工作原理,一、本质,距离后方交会,二、工作流程,三、距离测定方法,利用测距码测距（伪距测量） 利用载波测距（载波相位测量）,第五节 伪距测量与载波相位测量,伪距的测定,测定伪距的示意图,一、伪距测量,测距码 伪距的测定,1. 测距码,伪随机噪声码（prn） 模二和 二进制信号 码元、时间周期（tp）与长度周期（lp） 运算规则： 相关系数 随机噪声的自相关性,1. 测距码（续）,伪随机噪声码（续） 伪随机噪声码 可复制性 生成方式 gps的测距码 c/a码：码速1.023mhz, tp=1ms, lp=1023, 码元长度293.052m p码： 码速10.23mhz, tp=266天9小时45分55.5秒, lp=235469592765000, 码元长度29.3052m。 实际被截为7天一个周期，共38段，每一段赋予不同的卫星，卫星的prn号也由此得到。,2. 利用测距码测距,测距原理,2. 利用测距码测距（续）,利用测距码测距的优点 精度高 无多值性 抗干扰 区分不同卫星,3. 伪距观测值,伪距观测值,二、载波相位测量,载波的结构 载波相位的测定 整周模糊度与周跳 载波相位观测值,1. 载波的结构,正弦波,2. 载波相位的测定,基本物理原理 测定方法,3. 整周模糊度与周跳,整周模糊度 整周跳变（周跳）,4. 载波相位观测值,载波相位观测值,第六节 导航电文,导航电文的内容 导航电文的结构,一、导航电文（d码）的内容,卫星星历 时钟改正 电离层时延改正 卫星状态 转换码,二、导航电文的结构,基本构成 遥测码与转换码（交接字） 第一数据块 第二数据块 第三数据块,1. 基本构成,1. 基本构成（续）,2. 遥测码与转换码（交接字）,遥测码（字） 同步码：第18bit 遥测电文：第922bit 无意义连接比特：第2324bit 检校：第2530bit 转换码 z计数：第117bit 特殊标识1：第18bit 特殊标识2：第19bit，同步标识，as标识 子帧标识：第2022bit，第几子帧 无意义连接比特：第2324bit 检校：第2530bit,3. 第一数据块,第1子帧 ura系数n ura：用户测距精度 ura=2n(m) 卫星健康状态 钟龄（iodc）：iodc=toc-tl 群时延tgd： (tsv)l1= tsv- tgd 星钟改正参数：toc, a0 a1 a2 ts=a0+a1(t-toc)+a2(t-toc)2,4. 第二数据块,第2、3子帧 星历参数 开普勒轨道根数（6个） 轨道摄动参数（9个） 星历参考时刻toe 星历龄期iode,5. 第三数据块,第4、5子帧 历书（概略卫星轨道） 卫星健康状态,第七节 美国政府的gps政策,原则 措施,一、原则,保障国家利益不受损害,二、措施,sa selective availability 对卫星轨道参数加扰的技术（低频） 对卫星基准频率加扰的技术（高频） 已于2000年5月1日停止。 as anti-spoofing p+wy,第8节 卫星信号的调制,第9节 gps接收机,定义 结构 类型 接收通道 天线,一、定义,能够接收、跟踪、变换和测量gps信号的卫星信号接收设备。,二、结构,天线前置放大器,信号处理器,微处理器,振荡器,控制、显示及存储设备,电源,二、结构（续）,天线（含前置放大器） 信号处理器 微处理器 显示、控制及存储设备 振荡器 电源,三、接收机的类型,根据工作原理： 码相关型 平方型 码相位型 混合型,根据信号通道类型： 多通道 序贯通道 多路复用通道,根据接收信号的频率： 单频 双频,根据测定测距码的类型： c/a码 p（y）码,根据能否从信号中提取导航电文： 有码 无码,根据用途： 导航型 测量型 守（授）时型,四、gps接收机的信号通道,什么是gps接收机的信号通道 信号通道的类型 序贯通道、多路复用通道和多通道 码相关型通道、平方型通道和码相位型通道,1. 什么是gps的信号通道,是gps卫星信号经由天线进入接收机的路径 是软硬件的结合体 作用是跟踪、处理和量测卫星信号，获取工作所需的数据和信息,2. 信号通道的类型,根据跟踪方式 序贯通道 多路复用通道 多通道 根据工作原理 码相关型通道 平方型通道 码相位型通道,3. 序贯通道、多路复用通道和多通道,序贯通道 1个通道跟踪多颗卫星/频率的信号 1个跟踪周期大于20ms 成本低，无通道间的延迟误差，无法提取导航电文，无法保持对载波的连续跟踪，控制软件复杂 多路复用通道 1个通道跟踪多颗卫星/频率的信号 一个跟踪周期小于20ms 成本低，无通道间的延迟误差，可提取导航电文，可保持对载波的连续跟踪，控制软件复杂 多通道 1个通道跟踪1颗卫星/频率的信号 性能好 成本高、有通道间的延迟误差,4. 码相关型通道、平方型通道和码相位型通道,码相关型通道 优点：可以进行伪距和载波相位测量，信号质量好，可获取导航电文 缺点：要了解码的结构 平方型通道 优点：不需要了解码的结构 缺点：信号质量差，无法测定伪距，无法提取导航电文 码相位型通道 优点：不需要了解码的结构 确定：精度低,5. 全波与半波,五、gps接收机的天线,作用 天线的相位中心,1. 作用,接收来自卫星的信号 放大 经（频率变换） 用于（跟踪、处理、量测）,2. 天线的相位中心,天线的几何中心与相位中心 几何中心 相位中心 相位中心偏差 天线相位中心的变化 与信号的高度角有关 与信号的方位角有关 相同类型的天线具有相同的相位中心特性,思考题,gps由哪几部分组成，各部分的功能是什么？ gps信号包括哪些成分？ 什么是伪随机噪声码，它有什么特性？ 采用测距码测距，有哪些优点？ 什么是伪距？ 什么是周跳，什么是整周模糊度？ gps的导航电文中包括哪些内容？ 什么是gps接收机，它由哪几部分构成？ 什么是信号通道？ 什么是sa，什么是as？,第三章 gps测量定位误差,概述 与卫星有关的误差 与传播途径有关的误差 与接收机有关的误差 其它误差,第一节 概述,系统误差（影响） 与卫星有关的误差 星历误差 卫星钟差 相对论效应 与传播途径有关的误差 对流层折射 电离层折射 多路径效应 与接收机有关的误差 接收机钟差 天线相位中心的偏差及变化 各通道间的信号延迟误差 其它 偶然误差,第一节 概述（续）,消除、削弱上述系统误差（影响）的措施和方法 引入参数 建立模型 同步观测值求差 忽略,第二节 与卫星有关的误差（影响）,卫星星历（轨道）误差 卫星钟差 相对论效应,一、卫星星历（轨道）误差,什么是卫星星历（轨道）误差 预报星历（广播星历）与实测星历（精密星历） 应对方法 精密定轨 轨道松驰 相对定位,二、卫星钟差,什么是卫星钟差 物理同步误差与数学同步误差,三、相对论效应,什么是相对论效应 广义相对论效应与狭义相对论效应 相对论效应对卫星钟的影响 应对方法,第三节 与传播途径有关的误差,对流层延迟 电离层延迟 多路径效应,一、电磁波的传播特性,基本特性,一、电磁波的传播特性（续）,传播速度与大气折射 光速： 折射率n与折射系（指）数n： 相速与群速：,二、大气的结构,对流层 0km40km 各种气体元素、水蒸气和尘埃等 非色（弥）散型介质 电离层 （50）70km以上 带电粒子 色（弥）散型介质,三、对流层折射影响及改正,干分量与湿分量,三、对流层折射影响及改正（续）,对流层改正模型 霍普菲尔德模型,三、对流层折射影响及改正（续）,三、对流层折射影响及改正（续）,其它模型 萨斯塔莫宁模型（saastamoinen） 勃兰克模型（black） 气象元素的测定 气象元素：气压、干温、湿温、相对湿度,四、电离层折射影响及改正,电离层折射 对载波的影响 对伪距的影响,四、电离层折射影响及改正（续）,四、电离层折射影响及改正（续）,电子密度 与高度有关 与地方时有关 与太阳活动有关 与季节有关 与位置有关,四、电离层折射影响及改正（续）,电离层折射改正 单频改正 klobuchar模型 双频改正,五、多路径效应,什么是多路径效应,五、多路径效应（续）,多路径效应与以下一些因素有关 卫星、接收机、信号反射体三者间的相对位置关系 反射信号的强度（信号反射体的反射率） 接收机处理信号的方法 应对方法 选择测站 避开易发生多路径的环境，如建构筑物、山坡、成片水域等。 长时间观测 改进接收设备硬件 接收机天线 抑径板，choke ring 信号处理方法 窄相关技术,五、多路径效应（续）,其它数据处理的方法 模型法 滤波,第四节 与接收设备有关的误差,接收机钟差 天线相位中心偏差和变化 不同信号通道间的信号延迟偏差,一、接收机钟差,什么是接收机钟差 应对方法 模型法 模型的有效性受限于接收机钟的稳定度 参数法 差分法 星间差分,二、天线相位中心偏差和变化,天线相位中心偏差和变化 天线相位中心偏差,二、天线相位中心偏差和变化（续）,天线相位中心的变化 主要随信号的高度角的变化而变化 与信号的方位角关系角小,三、不同信号通道间的信号延迟偏差,信号通道间的信号延迟偏差 如果通道间的信号延迟偏差都相同时，可被钟差吸收。 如果通道间的信号延迟偏差都不相同时，将影响定位精度，以及电离层折射影响的确定。 应对方法 参数法,第五节 其它误差（因素）,地球潮汐 固体潮 负荷潮 海洋负荷潮 大气负荷潮 软件,第四章 gps静态定位基础,第一节 概述,gps测量定位的类型,根据定位模式： 单点定位（绝对定位） 相对定位 差分定位,根据定位时接收机天线的运动状态： 静态定位 动态定位,根据定位时效： 实时定位 事后定位,根据观测值类型： 伪距测量 载波相位测量,gps工作的基本原理（续）,伪距观测方程：,已知值： 卫星位置： 卫星钟差： 待定值： 接收机位置： 接收机钟差：,gps工作的基本原理（续）,dop值 gdop值：,pdop值：,定位精度：,为等效距离误差,gps工作的基本原理（续）,载波相位的测定 载波相位观测值,l2载波的测定 半波和全波,gps工作的基本原理（续）,周跳 整周模糊度 整周模糊度的确定 ratio值,gps工作的基本原理（续）,参考系 定位基准：wgs-84 长半轴：6378137m 扁率：1/298.257223563 时间基准：gps时 gps周+gps秒 起点：1980年1月6日,第五节 gps测量的误差源,gps测量的误差源,偶然误差 观测误差 c/a码伪距：0.3m 3m p(y)码伪距：3cm 0.3m 载波相位：0.2mm 2mm,gps测量的误差源（续）,系统误差 与卫星有关的误差 卫星星历误差 卫星钟差 与传播途径有关的误差 电离层折射 对流层折射 多路径效应,gps测量的误差源（续）,与接收设备有关的误差 接收机钟差 天线相位中心的偏差,载波相位观测方程,简化的观测方程,：载波相位观测值（cycle） ：载波波长（m） ：站星距（m） ：真空中的光速（m/s） ：接收机钟差（s） ：卫星钟差（s）,载波相位观测方程（续）,：对流层折射（m） ：电离层折射（m） ：卫星星历误差（m） ：整周模糊度 （cycle） ：观测历元时刻,差分观测值,差分方式 站间差分： 消除卫星钟差影响，减弱电离层折射、对流层折射和卫星星历误差的影响 星间差分： 消除接收机钟差影响 历元间差分： 不含整周模糊度参数,差分观测值（续）,差分观测值 单差： 双差： 三差： 实际工作中通常采用双差观测值,第六节 gps测量定位的类型,gps测量定位的类型,依定位时的状态 动态定位 静态定位 依定位模式 绝对定位 相对定位 差分定位,gps测量定位的类型（续）,依定位采用的观测值 伪距测量 载波相位测量 依时效 实时定位 事后定位 依确定整周模糊度的方法及观测时段的长短 常规静态定位 快速静态定位,gps载波相位相对定位,原始观测值 载波相位 一般方法 观测：同步观测 处理：双差 结果 基线向量： 基线向量的方差协方差阵：,第二部分 gps测量,第一节 概述,主要内容,布设各类gps网 放样 测图 地理信息要素的采集 辅助其它测量工作 .,布设gps网的工作步骤,测前 立项：目的、范围、点位数量与分布、精度要求、成果内容、时限、经费. 技术设计 测绘资料的收集 仪器检定 踏勘、选点埋石,布设gps网的工作步骤（续）,测中 实地了解测区情况 观测期间卫星状态的预报 确定作业方案 外业观测 内业处理 数据传输、转储 基线解算 质量评估,布设gps网的工作步骤（续）,测后 结果分析 网平差 质量评估 技术总结 成果验收,第二节 gps测量规范,目的,指导规范gps测量工作,内容,精度分级 网的设计要求 选点与埋石的要求 仪器设备 类型要求 检定内容 外业观测及记录要求 数据处理 成果验收与上交资料,规范的种类,全球定位系统gps测量规范，1992，国家测绘局 全球定位系统城市测量规程，1997，建设部 .,规范的种类（续）,第三节 gps网的布设,gps网的等级,精度衡量方法 相邻点之间的距离误差,：相邻点间的距离中误差(mm) ：固定误差(mm) ：比例误差(ppm或10-6) ：相邻点间的距离(km),gps网的等级（续）,gps网的分类,gps网的等级（续）,各类gps网的用途 a级网一般为区域或国家框架网、区域动力学网 b级网为国家大地控制网或地方框架网 c级网为地方控制网和工程控制网 d级网为工程控制网 e级网为测图网。,gps网的等级（续）,美国联邦大地测量分管委员会（federal geodetic control subcommittee-fgcs）在1988年公布的gps相对定位的精度标准中有一个aa级的等级，其要求固定误差3mm，比例误差0.01ppm，此等级的网一般为全球性的坐标框架和地球动力学测量。,网的布网形式,跟踪站式 会战式 多基准站式（枢纽点式） 同步图形扩展式 单基准站式,同步图形的连接方式,点连式 边连式 网连式 混连式,同步图形的连接方式,点连式 边连式 网连式 混连式,gps网工作量的计算方法,网工作量的计算,：最少观测期数 ：重复设站次数 ：点数 ：同步观测的接收机数,gps网的设计准则,选点 上空开阔 远离干扰源 避免易产生多路径效应的环境 易于保护 交通便捷 依据要求，确保部分点位通视,gps网的设计准则（续）,保证可靠性与精度 增加观测期数 保证一定的重复设站次数 保证每个测站至少与三条以上的独立基线相连 距离较近的点一定要进行同步观测 布设框架网 最小异步环的边数不大于6条 引入高精度激光测距边 选定一定数量的水准点,第四节 基线解算,基线解算的类型 单基线解 定义：当有台gps接收机进行了一个时段的同步观测后，每两台接收机之间就可以形成一条基线向量，共有条同步观测基线，其中最多可以选出相互独立的条同步观测基线，至于这条独立基线如何选取，只要保证所选的条独立基线不构成闭和环就可以了。这也是说，凡是构成了闭和环的同步基线是函数相关的，同步观测所获得的独立基线虽然不具有函数相关的特性，但它们却是误差相关的，实际上所有的同步观测基线间都是误差相关的。所谓单基线解算，就是在基线解算时不顾及同步观测基线间误差相关性，对每条基线单独进行解算。,第四节 基线解算（续）,特点：单基线解算的算法简单，但由于其解算结果无法反映同步基线间的误差相关的特性，不利于后面的网平差处理，一般只用在普通等级gps网的测设中。 多基线解 定义：与单基线解算不同的是，多基线解算顾及了同步观测基线间的误差相关性，在基线解算时对所有同步观测的独立基线一并解算。 特点：多基线解由于在基线解算时顾及了同步观测基线间的误差相关特性，因此，在理论上是严密的。,第四节 基线解算（续）,基线解算结果的质量评定指标 单位权方差因子 定义：,实质：反映观测值的质量，又称为参考方差因子。越小越好。,第四节 基线解算（续）,rms - 均方根误差 定义：,实质：表明了观测值的质量，观测值质量越好，越小，反之，观测值质量越差，则越大，它不受观测条件（观测期间卫星分布图形）的好坏的影响。,第四节 基线解算（续）,数据删除率 定义：在基线解算时，如果观测值的改正数大于某一个阈值时，则认为该观测值含有粗差，则需要将其删除。被删除观测值的数量与观测值的总数的比值，就是所谓的数据删除率。 实质：数据删除率从某一方面反映出了gps原始观测值的质量。数据删除率越高，说明观测值的质量越差。,第四节 基线解算（续）,ratio 定义：ratio值为在采用搜索算法确定整周未知数参数的整数值时，产生次最小的单位权方差与最小的单位权方差的比值。 实质：反映了所确定出的整周未知数参数的可靠性，这一指标取决于多种因素，既与观测值的质量有关，也与观测条件 的好坏有关。,第四节 基线解算（续）,rdop 定义：所谓rdop值指的是在基线解算时待定参数的协因数阵的迹（ ）的平方根，即： rdop值的大小与基线位置和卫星在空间中的几何分布及运行轨迹（即观测条件）有关，当基线位置确定后，rdop值就只与观测条件有关了，而观测条件又是时间的函数，因此，实际上对与某条基线向量来讲， 其rdop值的大小与观测时间段有关。 实质：表明了gps卫星的状态对相对定位的影响，即取决于观测条件的好坏，它不受观测值质量好坏的影响。,第四节 基线解算（续）,同步环闭合差 定义：同步环闭合差是由同步观测基线所组成的闭合环的闭合差。 实质：由于同步观测基线间具有一定的内在联系，从而使得同步环闭合差在理论上应总是为0的，如果同步环闭合差超限，则说明组成同步环的基线中至少存在一条基线向量是错误的，但反过来，如果同步环闭合差没有超限，还不能说明组成同步环的所有基线在质量上均合格。 限值：,第四节 基线解算（续）,异步环闭合差 定义：由独立基线所组成的闭合环称为异步闭合环，简称异步环异步环的闭合差称为异步环闭合差。 实质：当异步环闭合差满足限差要求时，则表明组成异步环的基线向量的质量是合格的；当异步环闭合差不满足限差要求时，则表明组成异步环的基线向量中至少有一条基线向量的质量不合格，要确定出哪些基线向量的质量不合格，可以通过多个相邻的异步环或重复基线来进行。 限值：,第四节 基线解算（续）,重复基线较（互）差 定义：不同观测时段，对同一条基线的观测结果，就是所谓重复基线。这些观测结果之间的差异，就是重复基线较（互）差。 实质：当重复基线较（互）差满足限差要求时，则表明这些基线向量的质量是合格的；否则，则表明这些基线向量中至少有一条基线向量的质量不合格，要确定出哪些基线向量的质量不合格，可以通