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GPS测量原理及应用GIS.洋2017/12/21 星期四目录第一章 绪论21.GPS全球定位系统的建立：22.GPS全球定位系统组成：23.GPS系统的特点：24.*GPS、GALILEO、GLONASS（P10表1-4）3第一章坐标系统和时间系统32.1坐标系统：32.2时间系统：4第三章 卫星运动及星历43.1无摄运动43.2受摄运动53.3GPS卫星星历5第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号64.1卫星导航电文6第五章 GPS卫星定位基本原理65.1GPS卫星定位的基本原理65.2定位方法65.3整周未知数No的确定95.4整周跳变的修复9第七章 GPS测量误差107.1 GPS测量误差源107.2与信号传播有关的误差10第八章 GPS测量设计与实施118.1 GPS测量的技术设计118.2 GPS测量外业准备138.3GPS测量外业实施138.4数据处理及测量结果的检核14第九章 GPS测量数据处理179.1数据处理17第一章 绪论1.GPS全球定位系统的建立：GPS：Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System,卫星测时测距导航/全球定位系统，是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能型、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能。（原理：空间距离后方交汇）2.GPS全球定位系统组成：2.1 GPS卫星星座*基本参数：基本的卫星数为21+3（21颗工作卫星+3颗备用卫星）卫星轨道面的个数为6卫星高度为20200Km轨道倾角为55运行周期为11h58min载波频率为1575.42MHZ和1227.60 MHZ GPS卫星作用：1.向广大用户发送导航定位信息。 2、接收注入站发送到卫星的导航电文和其他相关信息，并通过GPS信号电路，适时的发送给广大用户。 3、接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，适时的改正运行偏差和启用备用时钟等。 2.2地面监控系统： 地面监控系统：包括1个主控站，3个注入站和5个监测站 作用：1、监测和控制卫星上的设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行。 2、保持各卫星处于同一时间。 2.3 GPS信号接收机（用户设备）3.GPS系统的特点：1、定位精度高 2、观测时间短 3、测站间无需通视 4、可提供三维坐标 5、操作简单6、全天候作业7、功能多，应用广4.*GPS、GALILEO、GLONASS（P10表1-4） 注：北斗导航卫星系统（其组成：空间部分、地面控制部分和用户接收部分，其定位原理为主动式二维导航双向测距。）第一章 坐标系统和时间系统2.1坐标系统：1. 坐标系必须明确：坐标原点的位置 三个坐标轴的指向长度单位（尺度）。2. *春分点：当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时，黄道与地球赤道的交点。在天文学和卫星大地测量学中，春分点和天球赤道面，是建立参考系的重要基准点和基准面。3. *天球赤道面：通过地球质心并与天轴垂直的平面，称为天球赤道面。这时天球赤道面与地球赤道面相重。该赤道面与天球相交的大圆称为天球赤道。4. *岁差：平北天极绕黄的运动 称为岁差。5. *章动：瞬时北天极绕顺针的转动即为章。6. *极移：地球瞬时自转轴在地球上随时间变，称为极移。7. WGS-84大地坐标系：WGS-84的几何定义：原地位于地球质心，Z轴指向 BIH 1984.0定义的协议地球极（CTP）方向，X轴指向BIH 1984.0的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z、X轴构成右手坐标系，其采用WGS84椭球（基本参数：长半轴 a=6378137+-2m，=1/298.257223563，地心引力常数，地球自转角速度，正常化二阶带谐系数）。8. 国家大地坐标系：1954年北京坐标系和1980年国家大地坐标系为二维参心系、2000国家大地坐标系为三维地心系。9. ITRF坐标框架：由空间大地测量观测站的坐标和运动速度来定义，是国际地球自转服务IERS的地面参考框架，其实质为地固坐标系，原点位于地球体系的质心，以WGS-84椭球为参考框架。2.2时间系统：1. 恒星时（ST）：以春分点为差你参考点，由春分点的周日视运动所定义的时间系统。2. 平太阳时（MT）：以平太阳为参考点，由平太阳的周日视运动所定义的时间系统（假设 一个平太阳以真太阳周年运动的平均速度在天球赤道上作周年视运 动，其周期与真太阳一致）3. 世界时（UT）：以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时。4. 原子时（ATI）：以物质内部原子运动的特征为基础的时间系统。5. 协调世界时（UTC）：采用原子时秒长，采用跳变的方法是协调时与世界时的时刻相接近，其差不超过一秒。6. GPS时间系统：采用原子时ATI秒长作为时间基准，起算原点定义在1980年1月6日UTC 0时。GPS时是用周数+周内时间（秒）来表示。即为1980年1月6日0时0分0秒内第0周0秒。7. 时间尺度：连续运动、周期恒定、可观测、可用实验复现的周期运动。第三章 卫星运动及星历3.1无摄运动 1. 无摄运动：只考虑地球质心引力作用的卫星运动称为无摄运动。 2.*卫星运动的轨道参数（开普勒轨道参数）： a:椭圆的长半径 e:椭圆偏心率 V：真近点角（在轨道平面上卫星与近地点之间的地心角距） ：升交点的赤径（在地球轨道平面上，升交点N与春分点之间的地心夹角） ：轨道面倾角（卫星轨道面与赤道面之间的夹角） ：近地点角距（在轨道平面上近地点A与升交点N之间的地心角距） 3. 开普勒定律：开普勒第一定律：卫星运行的轨道是一个椭圆，而该椭圆的一个焦点与 地球的质心相重合。开普勒第二定律：卫星的地心向径，即地球质心与卫星质心间的距离向量，在相同的时间内所扫过的面积相等。开普勒第三定律：卫星运动周期的平方与轨道椭圆长半径的立方之比为一常量，而该常量等于地球引力常数GM的倒数。3.2受摄运动1.受摄运动：考虑摄动力（地球引力场摄动力、日月摄动力、大气阻力、太阳辐射压力等）作用的卫星运动称为受摄运动。3.3GPS卫星星历1.卫星星历：描述卫星运动轨道的信息，一组对应某一时刻的轨道参数及其变率，其分为广播星历（预报星历）和精密星历。2.*广播星历：通常包括相对某一参考历元的开普勒轨道参数和必要的轨道摄动改正项参数，广播星历参数共有16个，包括1个参考时刻toe，6个对应参考时刻的开普勒轨道参数和9个反映摄动力影响的参数，其格式为RINIX。3.精密星历：一些国家某些部门，根据各自建立的卫星跟踪站所获得的对GPS卫星的精密观测资料，应用与确定广播星历相似的方法而计算的卫星星历。第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号4.1卫星导航电文1卫星导航电文：是用户用来定位和导航的数据基础。它主要包括：卫星星历、时钟改正、电离层延迟改正、工作状态信息C/A码转换到捕获P码。2GPS卫星信号：是用于导航定位的调制波，它包含有：载波、距码和数据码。 3调制：将频率较低的信号加载在频率较高的载波上的过程。第五章 GPS卫星定位基本原理5.1GPS卫星定位的基本原理 原理：将无线电信号发射台从地面点搬到卫星上，组成卫星导航定位系统，应用无线电测距交会原理，便可由三个以上地面已知点（控制站）交会出卫星的位置，反之利用三颗以上卫星的已知空间位置又可交会出地面未知点（用户接收机）的位置。5.2定位方法1. 依据测距的原理：伪距测量法定位，载波相位测量定位和差分GPS定位等。 伪距测量法：由GPS接收机在哦某一时刻测出得到四颗以上GPS卫星的位居及已知的卫星位置，采用距离交会的方法求定接收机天线所在点的三维坐标。（所测伪距就是有卫星发射的测距码信号到达接收机的传播时间乘以光速所得的量测值。 伪距观测方程： 载波相位测量：测量接收机接收到的、具有多普勒频移的载波信号，与接收机产生的参考载波信号之间的相位差。 载波相位观测方程： 差分GPS定位原理（单站GPS差分、区域差分、广域差分） 定义：利用设置在坐标已知的点（基准站）上的GPS接收机测定GPS测量定位误差，用以提高在一定范围内其它GPS接收机测量定位精度的方法。 原理：将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测，根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时地将这一改正数发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站的改正数，并对其定位结果进行改正，进而提高精度。 GPS差分的类型：单站差分（位置差分、伪距差分、载波相位差分）、局域差分、广域差分。补充：多基站RTK技术（网络RTK）-基于多基站网络的实时差分定位系统，其基础是建立多个GPS基准站，即建立多个基准站连续运行卫星定位导航系统（CORS） CORS系统组成：连续运行的GPS基准站 数据处理控制中心 数据传输与发播系统 移动站（用户）：双差相位观测可达厘米级；静态相对定位可获取毫米级三维坐标。2. 根据运动状态：静态定和动态定位 *静态定位：对于固定不动的待定点，将GPS接收机安置与其上测，观测数分钟乃至更长的时间，以确定待定点坐标。 *动态定位：至少有一台接收机处于运动状态，测定的是各观测时刻（观测历元）运动中的接收机的点位。3. *相对定位：至少用两台GPS接收机，同步观测相同的GPS卫星，确定两台接收机天线之间的相对位置。 4. *绝对定位（单点定位）：用GPS卫星和用户接收机之间的距离观测值直接确定用户接收机天线在WGS-84坐标系中相对于坐标原点-地球质心的绝对位置。5.*静态绝对定位：接收机天线处于静止状态下，确定观测站坐标的方法。6.*动态绝对定位：在用户接收机安置在运动的载体上并处于动态情况下，确定载体瞬时绝对位置的定位方法。8. 绝对定位精度的评价（精度因子）平面位置精度因子HDOP 高程精度因子VDOP 空间位置精度因子PDOP 接收机钟差精度因子TDOP 几何精度因子GDOP注：精度因子的数值与所测卫星的几何分布图形有关。假设由观测站与四颗观测卫星所构成的六面体体积为V，则精度因子GDOP与该六面体体积V的倒数成正比（GDOP 1/V）9. 观测值的线性组合（单差S、双差D、三差T）单差S：将载波相位观测值直接相减求一次差过程。 作用：可以消除与卫星有关的载波相位及其钟差项，削弱大部分对流层、电离层影响。 SD12jti=p2j ti-p1j ti双差D：对一次差分观测值继续求差，所得的结果仍可以当作虚拟观测值。（接收机间求差、卫星间求差）作用：消除与接收机有关的载波相位及其钟差项，削弱大部分对流层、电离层影响。DD12kjti=SD12jti-SD12kti 三差T：对二次差分值继续求差。（接收机间求差、卫星间求差、不同历元间求差） 作用：消除出事整周模糊度项，削弱大部分电离层、对流层的影响。 TD12kjti,ti+1=DD12kiti+1-DD12kjti 5.3整周未知数No的确定确定方法（五种）： 1、 伪距法：在进行载波相位的同时又进行伪距测量，将伪距测量值减去载波相位测量的实际观测值。2、 将整周未知数当作平差中的待定参数-经典方法：把整周未知数当做平差计算中的待定参数来加以估计和确定。实数解：由于各种误差的影响，解算得到的整周未知数往往不是一个整数，称为实数解。整数解：将实数解固定为整数，称为整数解。固定解：整周未知数解算后，不再为整数，可将其调整为整数，解算出的观测站坐标称为固定解，否则称为实数解。3、多普勒法（三差法）4、快速确定整周未知数5、最小二乘法降相关5.4整周跳变的修复1周跳：受无线电信号干扰造成失锁，整周计数无法连续进行而造成整周计数不正确，但是不到一个整周的相位观测值仍是正确的。2.产生周跳的原因：1、建筑物或树木等障碍物的遮挡 2、电离层电子活动剧烈 3、多路径效应的影响 4、卫星噪声比太低 5、接收机的高动态 6、接收机内置软件设计不合理。3.周跳修复方法： 1、屏幕扫描法 2、用高次差或多项式拟合法 3、在卫星间求差 4、用双频观测值修复周跳 5、根据平差后的残差发现和修复整周跳变4. 用双频观测值修复周跳的方法优点是：双频载波相位观测值的组合中个参数之涉及频率，取决于电离层残差影响，无需事先知道测站和卫星的坐标。缺点是：不能顾及多路径效应和测量噪声的影响，另外如果两个载波相位观测值中都出现周跳，则不可用此方法。第七章 GPS测量误差7.1 GPS测量误差源1) 卫星部分（对距离测量的影响：1.5 15m）：星历误差，钟误差，相对论效应。 误差源2) 信号传播（对距离测量的影响：1.5 15m）：电离层，对流层，多路径效应。3) 信号接收（对距离测量的影响：1.5 5m ）：接收机钟差，位置误差，天线相位中心。4) 其他影响（对距离测量的影响：1.0m）：地球潮汐，负荷潮。7.2与信号传播有关的误差（1）电离层折射误差 影响：GPS信号穿过电离层时，信号路径发生弯曲，传播速度也会发生变化，从而使测量距离产生偏差，这种偏差叫电离层折射误差 措施：a利用双频观测 b、利用电离层改正模型加以修正 c、利用同步观测值求差（2)对流层折射误差 影响：GPS信号穿过对流层时，信号路径发生弯曲，传播速度也会发生变化，从而使测量距离产生偏差，这种现象叫做对流层折射误差。 措施：a、采用对流层模型加以改正 b、映入附加待估参数 c、利用同步观测量求差 d、利用水汽辐射计直接测定信号传播的影响(3)*多路径效应 影响：测站周围的反射物锁反射的卫星信号进入接收机天线，这就和直接来自卫星的信号产生干涉，从而使观测值偏离真值产生的偏差，由于多路径信号传播锁引起的干涉时延效应被称为多路径效应。 措施：（1）、选择合适站址 a、测站应远离大面积平静水面 b、测站不宜选择在山坡、山谷和盆地中 c、 测站应离开高层建筑物。 （2）、对接手机天线的要求 a、在天线中设置抑径板 b、接收机天线对于极化特性不同的反射信号应该有较强的抑制作用。第八章 GPS测量设计与实施8.1 GPS测量的技术设计 1.GPS网技术：其设计的主要依据是GPS测量规范和测量任务书。（GPS网按级别分可分为AA、A、B、C、D、E；按等级分为二、三、四、一级、二级） *GPS测量规范：国家测绘管理部门或行业部门制定的技术法规。*测量任务书（合同）：测量施工单位上级主管部门或者合同甲方下达的技术要求文件。 2. *GPS 网的基准设计 基准设计：明确GPS网所采用的坐标系统和起算数据（包括位置基准、方位基准、尺度基准）。 方位基准：一般以给定的起算方位角确定，也可以由GPS基线向量的方位作为基准。 尺度基准：一般由地面的地磁波测距边确定，也可由两个起算点间的距离确定，同时也可以由GPS基线向量的距离确定。 位置基准：一般是由给定的起算点坐标确定。 3.*GPS网构成的基本概念 观测时段：测站上从开始接受卫星信号到观测停止，连续的工作时间段。 同步观测：两台或两台以上的接收机同时对一组卫星进行观测。 同步观测环：三天或三台以上接收机同步观测获得的基线向量构成的闭合环。 独立观测环：由独立观测所获得的基线向量构成的闭合环。 异步观测环：在构成多边形环路中的所有基线向量中，只要有非同步观测基 线向量，则该多边形环路叫异步观测环。 独立基线：对于N台GPS接收机构成的同步观测环，有J条同步观测基线，其中独立基线数为（N-1）。 非独立基线：除独立基线外的基线。4.*GPS 网特征条件计算 设某一城市D级GPS控制网，由12个GPS点组成，准备用5台接收机进行观测，每点平均观测1.8个时段，试完成下述内容：1）一个时段的同步基线数和独立基线数；2）该GPS总的观测时段数；3）该GPS网的总基线数、必要基线数、独立基线数、多余基线数；解：由题可知：N=5，n=121） 同步基线数: J=n*(n-1)2 = 66条独立基线数：J独=n-1*1.8=20条2） 总的观测时段数：C=12*1.8=21.622个3） 总基线数：J总=C*NN-12=220条，J必=n-1=11条 J独=C*N-1=88条，J多=J独-J必=77条5.GPS 网的图形设计 *网形主要有：点连式、边连式、网连式、边点混合连接四种。 点连式: 相邻同步图形间仅有一个公共点的连接。 边连式:相邻同步图形间由一条公共基线连接。 网连式:相邻同步图形间由两个以上公共点相连接。 边点混合连接：把点连式和边连式有机结合起来，组成GPS网，既能保证网的几何强度。提高网的可靠指标，有能减少外业工作量，降低成本。 网形的选择：主要取决与工程的精度要求、野外条件和GPS接收机台数等因素. 布网原则： a、GPS点间尽管不需要通视，但考虑到利用常规测量加密时的需要，每点应有一个方向以上通视。 b、为了估计原有城市的测绘成果资料以及各种大比例尺地形图的沿用，应采用原有城市坐标系统。对凡符合GPS网点要求的旧点，应该充分利用其标石。 c、GPS网必须由非同步独立观测边构成若干个闭合环或符合路线。8.2 GPS测量外业准备 1.测量准备：测区踏勘、资料收集、器材筹备、观测计划拟定、GPS仪器检校及设计书编写等工作2.*外业观测计划的内容 a、任务来源及工作量 b、测区概况 c、布网方案 d、选点与埋标 e、观测 d、数据处理 e、完成任务措施8.3GPS测量外业实施 1.GPS测量外业实施：GPS点的选埋、观测、数据传输、数据预处理等。 2.*选点原则：（至少6条） 1) 点位应安置在视野开阔，易安装仪器的地方；2) 点位目标明显，视场周围15以上没有障碍物的地方；3) 点位应远离大功率无线电用电器大于200m；远离高压电线，不小于50m；4) 点位附近无大面积水域，无强烈信号干扰，以免造成信号衰减；5) 点位应选在交通便利、有利于其它观测手段扩展和联测；6) 地面基础稳定易于点的保存；7) 图形应有利于同步观测边、点联测；8) 利用旧点时应对旧点的稳定性、完好性和站标的安全性进行检查。3.*GPS测量的作业模式 GPS不同的测量方案，称为作业模式。 经典静态定位模式: 两台或两台以上接收机别放置在基线的两端观测四颗以上卫星，时段长45120分钟。 l 快速静态定位：选测区中部安置一个基准 站，另一接收机作为流动站，每站观测数分钟。 l 准动态定位：在基准站上安置接收机，连续观测可见卫星，将流动站接收机置于1号点观测，在保证卫星不失锁的情况下，分别观测2、3、4 各点数秒钟。 l 往返式重复设站：在基准站上安置接收机，连续观测可见卫星，流动站接收机置于每站观测12分钟，1h后，逆序观测各点12分钟。 l 动态定位：在基准站上安置接收机，连续观测可见卫星，流动站接收机先在出发点上观测数分钟，然后，流动站接收机自出发点连续观测。 l 实时动态测量RTK：RTK定位技术精度高，可以全天候作业，可以实时的给出观测站的定位结果和定位精度。 *基本思想是：在基准站上安置一台GPS接收机，对所有可见GPS卫星进行连续地观测，并将其观测数据，通过无线电传输设备，实时地发送给用户观测站。在用户站上，GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时，通过无线电传输设备，接收基准站传输的观测数据，然后根据相对定位原理，实时地计算并显示用户站的三维坐标及其精度。8.4数据处理及测量结果的检核 1.数据预处理 处理软件：GAMIT/GLOBK，BERNESE，GIPSY，GFZ 目的：对原始数据进行编辑、加工整理、分流并产生各种专用信息文件，为进一步的平差计算作准备。 内容：数据传输 数据分流 统一数据文件格式 卫星轨道的标准化 探测周跳、修复载波相位观测值 对观测值进行必要改正 2. *观测成果的外业检核 1) 每个时段同步观测数据的检核数据剔除率：剔除的观测值个数与应获取的观测值个数的比值称为数据剔除率。同一时段观测值的数据剔除率，其值应小于10。2) 重复观测边的检核对于重复观测边任意两个时段的互差，均应小于相应等级规定精度（按平均边长计算）的22倍。设某一GPS网中有一条重复基线向量，其观测值分别为8570.274m，8570.280m，8570.282m，8570.284m，8570.278m，若接收机的标称精度为5mm1ppm，通过计算说明该基线的观测值是否合格？解：GPS相邻点弦长精度为： =a2+(b*d)2上述中：a=5mm，b=1ppm，d为平均基线长（KM） d=i=15di5=8570.2796m=8.5702796KM =9.9222mm max=dmax-dmin=8570.284-8570.274=10mm由于：max=10mm 22=28.0642mm 该基线的观测值合格3) 同步环观测检核（相对指标）n 边同步环中闭合差应小于下列数值：下图为某一小型GPS控制网，采用三台标称精度为5mm5ppm的接收机观测了三个时段，观测计划和基线解算结果如下图所示，通过计算说明第二时段的同步环是否合格？ 注：x=i=1nxi，y=i=1nyi，z=i=1nzi解：GPS相邻点弦长精度为： =a2+(b*d)2上述中：a=5mm，b=5ppm，d为平均基线长（KM）由：Si=Xi2+Yi2+Zi2(i=1,2,3) S1=2844.8982M S2=4632.8614M S3=1913.1563Md=i=13Si3=3130.3053M=3.1303053KM =16.4308mm，35*=5.69mm=限x=i=13Xi=-1.8mm，y=i=13Yi=6.9mm，z=i=13Zi=5.7mm=(x2+y2+z2)12=9.129mm由于：x限，z限, 35*=9.8585mm因此：该同步环不合格4) 异步观测环检核（绝对指标） 无论采用单基线模式或多基线模式解算基线，都应在整个GPS网中选取一组完全的独立基线构独立环，各独立环的坐标分量闭合差和全长闭合差应符合：上图中异步环是否合格？解：GPS网