测量教案8章_GPS测量

第8章GPS测量的原理与方法 8 1GPS概述73年12月 美国国防部组织开始研制新一代军用卫星导航系统 GPS89年2月14日发射第一颗GPS卫星94年3月28日发射完第24颗卫星目前在轨卫星数 32颗均匀分布在6个与赤道倾角为55 近似圆形轨道上每个轨道4颗卫星运行 距地表平均高度20200km速度为3800m s 运行周期为11h58min每颗卫星覆盖全球38 面积保证地球上任何地点 任何时刻 高度15 以上天空能同时观测到4颗以上卫星 GPS定位 空间测距交会P点安置GPS接收机 接收卫星发射的测距码信号在接收机时钟控制下解出测距码从卫星 接收机的时间 t乘光速c 加卫星时钟与接收机时钟不同步改正算出卫星 接收机的空间距离 vt 卫星钟差 vT 接收机钟差GPS用单程测距方式接收机接收到的测距信号不再返回卫星接收机直接解算传播时间 t并算出卫星 接收机的距离 要求卫星和接收机时钟严格同步卫星在严格同步时钟控制下发射测距信号实际上 卫星钟与接收机钟不可能严格同步产生钟误差两个时钟不同步对测距结果的影响 c vT vt 卫星广播含卫星钟差vT 已知接收机钟差vT未知 观测方程解算卫星 接收机的空间距离 没有考虑大气电离层和对流层折射误差影响不是卫星 接收机的几何距离 伪距 距离测定原理 距离测定原理 距离测定原理 距离 传播时间x光速 距离测定原理 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 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 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 测距时刻 ti接收卫星Si广播星历解算出 Si在WGS 84坐标系的三维坐标 xi yi zi 则Si卫星 P点的空间距离 伪距观测方程 有xP yP zP vT四个未知数为了解算这四个未知数 应同时锁定4颗卫星观测 观测A B C D四颗卫星的伪距方程 解方程算出P点坐标 xP yP zP 8 2GPS的组成工作卫星 地面监控系统 用户设备 8 2 1地面监控系统卫星广播星历包含描述卫星运动及其轨道的参数每颗卫星广播星历由地面监控系统提供地面监控系统 1个主控站 3个注入站 5个监测站 1 监测站主控站控制下的数据自动采集中心有双频GPS接收机 高精度原子钟 气象参数测试仪计算机等设备完成对GPS卫星信号连续观测 搜集当地气象数据观测数据经计算机处理后传送到主控站 2 主控站协调和管理所有地面监控系统工作 根据观测数据 推算编制各卫星星历 卫星钟差大气层修正参数 数据传送到注入站 提供时间基准 各监测站和GPS卫星原子钟应与主控站原子钟同步 或测量出其间钟差将钟差信息编入导航电文 送到注入站 调整偏离轨道的卫星 使之沿预定的轨道运行 启动备用卫星 以代替失效的工作卫星 3 注入站主控站控制下将主控站推算和编制的卫星星历 钟差 导航电文其它控制指令注入卫星存储器监测注入信息的正确性除主控站外 整个地面监控系统无人值守 8 2 2用户设备GPS接收机和相应的数据处理软件GPS接收机包括接收天线 主机 电源 GPS接收机任务捕获卫星信号 跟踪并锁定卫星信号处理接收到的信号测量测距信号从卫星传播到接收机天线的时间间隔译出卫星广播的导航电文实时计算接收机天线三维坐标 速度和时间用途 导航型 测地型和授时型载波频率 单频接收机 用1个载波频率 双频接收机 用2个载波频率 南方测绘NGS9600测地型单频静态GPS接收机 8 3GPS定位的基本原理测距原理 伪距 载波相位测量 GPS差分定位待定点位运动状态 静态定位 动态定位 8 3 1卫星信号载波 测距码 C A码P码 数据码 导航电文或称D码 同一原子钟频率f0 10 23MHz下产生 1 载波信号频率用无线电波段两种不同频率电磁波L1载波 f1 154 f0 1575 42MHz 1 19 03cmL2载波 f2 120 f0 1227 60MHz 2 24 42cm载波L1 调制有C A码 P码 数据码载波L2 调制有P码 数据码测距码由0 1组成的二进制编码一位二进制数 比特 bit 每秒钟传输比特数称为数码率卫星的两种测距码C A码和P码属于伪随机码具有良好自相关特性和周期性 容易复制 测距码 测距原理卫星时钟控制发射某结构测距码经 t时间传播后到达GPS接收机接收机产生同结构测距码 复制码复制码延迟时间 后与接收的卫星测距码比较调整延迟时间 使两个测距码完全对齐复制码延迟时间 tC A码码元宽度对应距离 293 1m卫星与接收机测距码对齐精度1 100 测距精度2 9mP码码元宽度对应距离 29 3m卫星与接收机测距码对齐精度1 100 测距精度0 29mP码测距精度高于C A码10倍C A码 粗码 P码 精码P码受美国军方控制 一般用户只能用C A码测距 2 数据码导航电文 D码含卫星星历 卫星工作状态 时间系统 卫星时钟运行状态 轨道摄动改正 大气折射改正由C A码捕获P码信息导航电文 二进制码依规定格式按帧发射每帧电文长度 1500bit 播送速率 50bit s 8 3 2伪距定位1 单点定位GPS接收机安置于测点 锁定4颗以上卫星将收到的卫星测距码与接收机产生的复制码对齐测量与锁定卫星测距码到接收机传播时间 ti求出卫星至接收机的伪距从锁定卫星广播星历获取卫星空间坐标距离交会原理解算天线点三维坐标伪距观测方程有4个未知数锁定4颗卫星时方程有唯一解没考虑大气电离层和对流层折射误差 星历误差影响 单点定位精度不高C A码定位精度 25m P码定位精度 10m 2 多点定位多台GPS接收机 2 3台 安置在不同测点同时锁定相同卫星进行伪距测量大气电离层和对流层折射误差 星历误差影响基本相同计算各测点间坐标差 x y z 时可消除上述误差影响测点之间的点位相对精度大大提高 8 3 3载波相位定位载波L1 L2频率比测距码 C A码和P码 频率高波长比测距码短很多 1 19 03cm 2 24 42cm使用载波L1或L2作测距信号将卫星传播到接收机天线的余弦载波信号与接收机基准信号比相求出相位延迟计算伪距可获得很高测距精度如测量L1载波相位移误差为1 100伪距测量精度可达19 03cm 100 1 9mm 1 载波相位绝对定位相位测量只能测出不足一整周期相位移 存在整周数N0不确定问题 N0 整周模糊度t0时刻 历元t0 某卫星发射载波信号到接收机相位移 2 N0 该卫星 接收机距离 载波波长对卫星连续跟踪观测 接收机内有多普勒计数器只要卫星信号不失锁 N0不变故在tk时刻 该卫星发射载波信号到接收机相位移变成 2 N0 int int 接收机内多普勒计数器自动累计求出 考虑钟差改正 c vT vt 大气电离层折射改正 ion对流层折射改正 trop的载波相位观测方程 虽然对锁定卫星进行连续跟踪观测可修正 ion和 trop但整周模糊度N0始终未知能否准确求出N0成为载波相位定位的关键问题 2 载波相位相对定位两台GPS接收机分别安置在两测点两测点连线 基线同步接收卫星信号相同卫星相位观测值线性组合解算基线向量在WGS 84坐标系的增量 x y z 确定它们的相对位置一个测点坐标已知 可推算出另一个测点坐标按相位观测的线性组合形式载波相位相对定位 单差法 双差法 三差法只介绍前两种 1 单差法基线两端点安置两台GPS接收机对同一颗卫星同步观测 观测方程 设基线两端点的电离层改正 ion对流层改正 trop相等得单差观测方程 单差方程消除了卫星钟差改正数vT 2 双差法安置在基线端点上的两台GPS接收机同时对两颗卫星进行同步观测观测Sj卫星的单差观测方程 求差 双差观测方程 消除了基线端点两台接收机相对钟差改正数vt1 vt2差分法可减少计算中的未知数数量消除或减弱测站共同误差影响 提高定位精度 将化算为基线端点坐标增量 x12 y12 z12 的函数有3个坐标增量未知数如两台GPS接收机同步观测了n颗卫星则有n 1个整周模糊度 未知数总数 3 n 1当每颗卫星观测了m个历元时就有m n 1 个双差方程为求出3 n 1个未知数要求双差方程数 未知数个数 m n 1 3 n 1一般取m 2 也即每颗卫星观测2个历元为提高相对定位精度 同步观测的时间应比较长具体时间与基线长 所用接收机类型 单频 双频 和解算方法有关在 15km短基线上使用双频机观测用快速处理软件野外每个测点同步观测时间只需 10 15分钟即可使测量基线长度达到 5mm 1ppm 8 3 4实时差分定位已知点安置一台GPS接收机 基准站已知坐标和卫星星历算出观测值的校正值通过无线电通讯设备 数据链将校正值发送给运动中的GPS接收机 移动站移动站用收到的校正值对自身GPS观测值进行改正消除卫星钟差 接收机钟差 大气电离层和对流层折射误差应用带实时差分功能的GPS接收机才能进行 南方测绘灵锐S82双频蓝牙通讯RTKGPS接收机 8 4GPS测量的实施方案设计 外业观测 内业数据处理 全球定位系统城市测量技术规程 1 精度指标载波相位静态相对定位法两台或两台以上GPS接收机同时对一组卫星进行同步观测控制网精度指标是以网中基线观测误差定义mD a b 10 6Da 固定误差 b 比例误差 D 基线长 2 观测要求同步观测测站从开始接收卫星信号到停止数据记录 观测时段卫星与接收机天线连线与水平面夹角 卫星高度角点位图形强度因子PDOP 一组卫星与测站构成的几何图形形状与定位精度关系数PDOP与观测卫星高度角及观测卫星空间分布有关观测卫星高度角越小 分布范围越大 PDOP值越小卫星高度角设为 15 点位PDOP值 6GPS接收机锁定一组卫星后自动计算出PDOP值并显示于屏幕上 NGS 9600GPS单频机 3 网形要求GPS接收机观测 不要求各站点间相互通视网形设计 根据控制网用途 现有GPS接收机台数分两台接收机同步观测 多台接收机同步观测 多台接收机异步观测三种方案介绍两台接收机同步观测方案1 静态定位两台接收机轮流安置在各基线端点同步观测4颗卫星1h左右或同步观测5颗卫星20min左右用于精度要求较高的控制网如桥梁控制网或隧道控制网 2 快速静态定位测区中部选一测点为基准站安置一台接收机连续跟踪观测5颗以上卫星另一台接收机依次到其余各点流动设站观测不必保持对所测卫星连续跟踪每点观测1 2min用于控制网加密和一般工程测量控制点 天空视野开阔 交通便利 远离高压线 变电所及微波辐射干扰源的地点 WGS 84坐标系与测区坐标系的坐标转换至少有2个及以上GPS控制网点与测区坐标系已知控制网点重合坐标转换计算由GPS附带数据软件自动完成 8 5南方测绘灵锐S82双频GPSRTK操作简介灵锐S82GPSRTK 南方测绘2005年10月产品标准配置 一个基准站 一个移动站可根据需要购买任意个移动站基准站由主机 数传电台 发射天线与电瓶组成每个移动站的设备 一个主机与一个JETT手簿移动站电台模块放置在主机内通过主机顶部的数据链天线接发数据手簿与接收机间通过内置的蓝牙卡进行数据通讯 技术参数独立24通道 L1 L2双频跟踪信号静态测量模式的平面精度5mm 1ppm高程精度为10mm 2ppm静态作用距离 80公里 静态内存32MRTK测量模式平面精度 2cm 1ppm高程精度为5cm 1ppm数传电台的发射功率为25W 15W H L 3 基本操作静态与动态两种工作模式等级控制测量 静态模式碎部点坐标采集与工程放样 动态模式静态模式仪器采集卫星数据自动存在主机32MB闪存数据采集间隔设为1s时 连续采集时间可达40h数据采集完后 数据线连接主机USB口与PC机USB口操作Gpsadj软件下载数据在Gpsadj中完成基线向量解算与网平差获得测点坐标动态模式JETT手簿操作南方测绘工程之星软件完成 3 工程之星2 0动态数据采集操作简介基准站安置在已知点也可安置在测区范围地势较高的任意点连接好电缆 打开基准站主机与数传电台电源打开移动站主机与JETT电源量取基准站和移动站的仪器高双击 工程之星2 0 桌面图标 打开工程之星执行下拉菜单 工具 其它 查看卫星图 命令观看当前接收到的卫星状态 仪器开机后 数传电台频道设置 移动站与手簿间蓝牙通讯及卫星搜索与锁定均由工程之星自动完成 无须用户干预有4颗及以上数量的卫星信号时能很快进入 固定解 状态显示三维坐标为移动站在前次测量时所设坐标系 新建工程执行 工程 新建工程 命令按提示输入新建工程名 选择椭球参数与高斯投影参数 SystemCF Jobs 路径下建立 051124 文件夹保存本次新建工程051124的全部数据 校正GPS所测坐标 WGS 84坐标应将其变换 用户坐标系坐标坐标测量前应先求坐标变换参数执行 工具 校正向导 命令按屏幕提示完成校正操作有1点 2点和3点校正法 最好选3点校正法为提高校正的精度 3已知点均匀分布在测区外围 野外数据采集移动站安置在需要采集的碎部点状态为 固定解 HRMS与VRMS值较小时按键输入点名 移动站天线高与点编码点击 确定 按钮将图示坐标存入 SystemCF Jobs 051124 data 051124 RTK 文件 野外采集数据的坐标变换与输出采集碎部点坐标数据以经纬度数据格式保存在051124 RTK文件应执行下拉菜单 工具