GPS接收机及其应用(rtk)

GPS接收机及其应用,测绘工程08-3班王浩07083067,一、为什么要向大家推荐GPS接收机,GPS测量与传统测量方法的对比:,不需要相互通视观测作业不受天气条件的影响网的质量与点位的分布情况无关能达到大地测量所需要的精度水平白天和夜间均可作业经济效益显著（1）GPS测量速度比传统方法有极为显著的提高（2）无论作大面积控制和局部测量都是理想的工具（3）任何条件下都有充分把握提供足够的精度,所有这一切优越性在GPS测量系统都得到了显著证实！,GPS接收机价格相对陀螺经纬仪、激光扫描仪等仪器低廉，且常用，容易掌握。在以后的学习与工作中接触的概率大。,N个GPS接收机,一个陀螺经纬仪,价格,N10,二、GPS接收机及其基本工作原理,GPS接收机是可以接收全球定位系统卫星信号以确定地面空间位置的仪器。GPS卫星发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户，只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备，即GPS信号接收机。,1、国外品牌,GNSS集成OEM板卡Trimble（美国天宝）天宝Leica（瑞士莱卡）NovAtelMagellan(美国麦哲伦）AshtechTOPCON（日本拓普康）JavadSOKKIA(日本索佳)NavCOM,天宝GPS接收机主要型号,R3,R4,R5,R6,R7GNSS,R8GNSS,LeicaGRX1200系列参考站接收机,2、国内品牌,华测南方中海达易测（合众思壮）,GNSS理论部分,光谱中纬,博飞苏光中翰（励精科技）,1.按接收机的用途分类按用途接收机可分为：(1)导航型接收机此类型接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。这类接收机一般采用C/A码伪距测量，单点实时定位精度较低一般为25m,有SA影响时为100m。这类接收机价格便宜，应用广泛。根据应用领域的不同，此类接收机可以进一步分为：车载型用于车辆导航定位；航海型用于船舶导航定位；航空型用于飞机导航定位。由于飞机运行速度快，因此，在航空用的接收机要求能适应高速运动。星载型用于卫星的导航定位。由于卫星的运动速度高达7公里/s以上，因此对接收机的要求更高。,3、GPS接收机的分类,(2)测地型接收机测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精度高。仪器结构复杂，价格较贵。(3)授时型接收机这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通讯中时间同步。,2.按接收机的载波频率分类(1)单频接收机单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线（15km）的精密定位。(2)双频接收机双频接收机可以同时接收，载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样，可以消除电离层对电磁波信号延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。,3.按接收机通道数分类GPS接收机能同时接收多颗GPS卫星的信号，为了分离接收到的不同卫星的信号，以实现对卫星信号的跟踪、处理和量测，具有这样功能的器件称为天线信号通道。根据接收机所具有的通道种类可分为：(1)多通道接收机(2)序贯通道接收机(3)多路多用通道接收机,4.按接收机工作原理分类(1)码相关型接收机码相关型接收机是利用码相关技术得到伪距观测值。(2)平方型接收机平方型接收机是利用载波信号的平方技术去掉调制信号，来恢复完整的载波信号，通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差，测定伪距观测值。(3)混合型接收机这种仪器是综合上述两种接收机的优点，既可以得到码相位伪距，也可以得到载波相位观测值。(4)干涉型接收机这种接收机是将GPS卫星作为射电源，采用干涉测量方法，测定两个测站间距离。,GPS接收机主要由1、GPS接收机天线单元；2、GPS接收机主机单元；3、电源三部分组成。接收机主机由变频器、信号通道、微处理器、存贮器及显示器组成。,4GPS接收机的组成及工作原理,1.GPS接收机天线天线由接收机天线和前置放大器两部分所组成。天线的作用是将GPS卫星信号的极微弱的电磁波能转化为相应的电流，而前置放大器则是将GPS信号电流予以放大。为便于接收机对信号进行跟踪、处理和量测，对天线部分有以下要求：天线与前置放大器应密封一体，以保障其正常工作，减少信号损失；能够接收来自任何方向的卫星信号，不产生死角；有防护与屏蔽多路径疚的措施；天线的相位中心保持高度的稳定，并与其几何中心昼一致。,2.接收机主机(1)变频器及中频接收放大器经过GPS前置放大器的信号仍然很微弱，为了使接收机通道得到稳定的高增益，并且使L频段的射频信号变成低频信号，必须采用变频器。(2)信号通道信号通道是接收机的核心部分，GPS信号通道是硬软件结合的电路。不同类型的接收机其通道是不同的。GPS信号通道的作用有三：搜索卫星，索引并跟踪卫星；对广播电文数据信号衽解扩，解调出广播电文；进行伪距测量、载波相位测量及多普勒频移测量。从卫星接收到的信号是扩频的调制信号，所以要经过解扩、解调才能得到导航电文。为了达到此目的，在相关通道电路中设有伪码相位跟踪环和载波相位跟踪环。,(3)存贮器接收机内设有存贮器或存贮卡以存贮卫星星历、卫星历书、接收机采集到的码相位伪距观测值、载波相位观测值及多普勒频移。目前，GPS接收机都装有半导体存贮器（简称内存），接收机内存数据可以通过数据口传到微机上，以便进行数据处理和数据保存。在存贮器内还装有多种工作软件，如：自测试软件；卫星预报软件；导航电文解码软件；GPS单点定位软件等。(4)微处理器微处理器是GPS接收机工作的灵魂，GPS接收机工作都是在微机指令统一协同下进行的。(5)显示器GPS接收机都有液晶显示屏以提供GPS接收机工作信息。并配有一个控制键盘。用户可通过键盘控制接收机工作，对于导航接收机，有的还配有大显示屏，在屏幕上直接显示导航的信息甚至显示数字地图,3.电源GPS接收机电源有两种，一种为内电源，一般采用锂电池，主要用于RAM存贮器供电，以防止数据丢失。另一种为外接电源，这种电源常用可充电的12V直流镉镍电池组，或采用汽车电瓶。当用交流电时，要经过稳压电源或专用电流交换器。综上所述，接收机的主要任务是：当GPS卫星在用户视界升起时，接收机能够捕获到按一不定期卫星高度截止角所选择的待测卫星，并能够跟踪这些卫星的运行；对所接收到的GPS信号，具有变换、放大和处理的功能，以便测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。GPS信号接收机不仅需要功能较强有力的机内软件，而且需要一个多功能的GPS数据测后处理软件包。接收机加处理软件包，才是完整的GPS信号用户设备。,R3静态GPS控制测量理想选择,小型、轻巧的TrimbleR3系统承受坠落、极端温度并且防水的性能使其成为坚固的L1GPS解决方案；并且节省了您购买单独的GPS接收机的费用。TrimbleDigitalFieldbook外业软件在野外控制TrimbleR3GPS系统。它可以在短和中等长度的基线上进行静态、快速静态、动态和连续动态测量，快速、简单并且高效。静态和快速静态GPS测量水平.(5mm+0.5ppm)RMS竖直.(5mm+1ppm)RMS,五、天宝系列GPS接收机,R5GPS新品适用于单基站建设,TrimbleR-Track技术高级TrimbleMaxwellCustomSurveyGNSS芯片72通道，256M数据存储卡一种接收机多种配置TrimbleR5设计轻巧，坚固耐用，可以固定在三脚架或流动站标杆上，也可以放在舒适的背包里，可以满足最苛刻的应用需求。如果你担心安全问题，甚至可以把模块化GPS接收机锁在车里，只要把它连接到外部天线即可。这种多通道多频接收机便于你把最佳解决方案与天线和数据连接组合在一起，最好地满足手头作业的需求。具备高级TrimbleGNSS技术和高性能RTK引擎，只要进行升级，就能跟踪更多卫星，即使在富有挑战性的环境下也能更成功地进行测量。,R8GNSS世界顶级GPS,带220通道的TrimbleMaxwell6芯片超强卫星信号接收，抗干扰能力强兼容欧洲伽利略导航卫星系统57MB内存的数据存储IP67防尘、防水初始化时间小于10秒无线蓝牙技术内置发射/接收超高频电台,R8GNSS在市场的位置,R8GNSS处在GNSS技术的领先位置,是目前GNSS的领头羊!,更快、更抗干扰、更可靠！,TrimbleTSC2控制器,工作温度30C+60C(22F+140F)存储温度40C+70C(22F+140F)防尘防湿/防水符合军标MIL-STD810跌落可经受从1.22m(4.0ft)跌落到坚硬表面IP67:防尘,意外入水（带上帽子）CPU：IntelPXA270XScale无线网卡：WLAN802.11b无线蓝牙技术可以直插U盘电源：6600mA可充电锂电池，常温下可以使用30小时。266mm*131mm*48mm（手握76mm）重量0.95kg极其结实，坚固到足以满足你最恶劣的环境,Recon控制器-坚固实用,MicrosoftWindowsMobile6系统坚固耐用，可靠性高军标设计IPX7全封闭设计内置蓝牙功能400MHzIntelXscale处理器256MB高性能闪存3.5寸240*320像素的TFT屏幕内置3800毫安电池，正常使用15小时左右,常规的GPS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。,六、RTK实时动态测量,1、RTK基本工作原理RTK（RealTimeKinematic）实时动态测量技术，是以载波相位观测为根据的实时差分GPS（RTDGPS）技术，它是测量技术发展里程中的一个突破，它由基准站接收机、数据链、流动站接收机三部分组成。RTK基本工作原理：在已知高等级点上（基准站）安置1台接收机为参考站，对卫星进行连续观测，并将其观测数据和测站信息，通过无线电传输设备，实时地发送给流动站，流动站GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时，通过无线接收设备，接收基准站传输的数据，然后根据相对定位的原理，实时解算出流动站的三维坐标及其精度（即基准站和流动站坐标差X、Y、H，加上基准坐标得到的每个点的WGS84坐标，通过坐标转换参数得出流动站每个点的平面坐标X、Y和海拔高H）。,用户在距离基站5公里的范围以内设置作业区域，在区域内选定各个作业点，其中一个作业点可标定为初始化点。用户在初始点上完成了初始化后，就可以沿着作业轨迹在每个作业点上依次标定，在这些作业点上，用户只需停留一个历元即可完成对该点坐标的精确测定。,数据链通讯：,电台模式：,2.传统RTK的数据链,传统RTK以及仪器操作,UHF(UltraHighFrequency)超高频率，频率300MHz-300KMHz（波长属微波：波长1M-1MM，空间波，小容量微波中继通信）410-430MHz/450-470MHzVHF(VeryHighFrequency)甚高频（3MHz30MHz属短波：波长100M-10M，空间波）220-240MHz,2.网络模式：,GPRS（GeneralPacketRadioService）中文是通用分组无线业务，是在现有的GSM系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务；CDMA为码分多址数字无线技术,电台模式,载波相位,传统RTK以及仪器操作,基准站,移动站,电台模式特点,作业距离一般距离为：0-28公里，特别是山区或城区传播距离就会受到影响；电台信号容易受干扰，所以要远离大功率干扰源；电台的架设对环境有非常高的要求，一般选在比较空旷，周围没有遮挡，且要基站架设的越高距离越远；对于电瓶的电量要求较高，出外业之前电瓶一定要充满或有足够的电量；,传统RTK以及仪器操作,1.网络通讯模式：GPRS或CDMA,Internet互联网,Internet互联网,GPRS/CDMA拨号上网Internet服务器InternetGPRS/CDMA拨号上网,服务器,2.网络模式及具体操作,传统RTK以及仪器操作,3.网络通讯模式特点,距离远携带方便,优点：,缺点：,容易造成差分数据延迟2-5秒在没有手机信号的地方无法使用需要一定的费用、手机卡一般一个月都要流量100200元费用,传统RTK以及仪器操作,3.RTK作业流程,1收集测区控制成果，含控制点的坐标，等级，中央子午线，坐标系及控制点是属常规控制网还是GPS控制网。2求定测区转换参数，对于RTK测量，要求实时得出待测点在实用坐标系（1980西安坐标系、1954年北京坐标系或地方独立坐标系等）中的坐标，因此，坐标转换问题就显得尤为重要。实际需要将GPS观测的84坐标转换为国家平面坐标（如北京54坐标）或者工程施工坐标。对于WGS84到国家平面坐标（如北京54坐标）的转换，我们可以采用高斯投影的方法，这时需要确定WGS84与国家平面坐标（如北京54坐标）两个大地测量基准之间的转换参数（三参数或七参数），需要定义三维空间直角坐标轴的偏移量和（或）旋转角度并确定尺度差。但通常情况下，对于一定区域内的工程测量应用，我们往往利用以往的控制点成果求取“区域性”的地方转换参数。,3选择基准站及设置，GPSRTK定位的数据处理过程是基准站和流动站之间的单基线处理过程，基准站和流动站的观测数据质量好坏、无线电的信号传播质量好坏对定位结果的影响很大，基准站位置的有利选择非常重要。RTK测量中，流动站随着基准站距离增大，初始化时间增长，精度将会降低，所以流动站与基准站之间距离不能太大，一般不超过10Km范围。同时要考虑基准站上空无卫星信号的大面积遮盖和影响RTK数据链通讯的无线电干扰，以及提高基准站无线架设高度。基准站的设置含建立项目和坐标系统管理、基准站电台频率选择、GPSRTK工作方式选择，基准站坐标输入、基准站工作启动等，以上设置完成后，可以启动GPSRTK基准站，开始测量并通过电台传送数据。,4流动站设置包括建立项目和坐标系统管理、流动站电台频率选择、有关坐标的输入、GPSRTK工作方式选择，流动站工作启动等。以上设置完成后，可以启动GPSRTK流动站，开始测量作业。5测量前的质量检查，为了保证RTK的实测精度和可靠性，必须进行已知点的检核，避免出现作业盲点。研究表明，RTK确定整周模糊度的可靠性最高为95%，RTK比静态GPS还多出一些误差因素如数据链传输误差等。因此，和GPS静态测量相比，RTK测量更容易出错，必须进行质量控制。我们一般采用了以下两种方法：（1）已知点检核比较法用RTK测出已知控制点的坐标进行比较检核，发现问题即采取措施改正。（2）重测比较法每次初始化成功后，先重测1-2个已测过的RTK点或高精度控制点，确认无误后才进行RTK测量。最可靠的是已知点检核比较法，但控制点的数量总是有限的，所以没有控制点的地方需要用重测比较法来检验测量成果。经过以上已知点的检核后，符合要求后开始作业。,6、内业数据处理，数据传输就是在接收机与计算机之间进行数据交换。GPSRTK测量数据处理相对于GPS静态测量简单得多，如用TGO软件处理接收机导入的测量数据（*.dc），直接可以将坐标值以文件的形式输出和打印，得到控制点成果。,七GPS网络RTK技术,1、概述,GPS实时差分定位RTK技术是目前广泛使用的测量技术之一，但它的应用受到电离层延迟和对流层延迟的影响，使原始数据产生了系统误差并导致以下缺点：（1）用户需要架设本地参考站；（2）误差随距离的增加而增长；（3）误差增长使流动站和参考站的距离受到限制，一般小于15公里；（4）精度为1cm+1ppm，可靠性随距离增大而降低。GPS网络RTK技术的出现，弥补了GPS实时差分定位RTK技术的缺点，它代表了未来GPS发展的方向，由此可带来巨大的社会效益和经济效益。目前应用于GPS网络RTK数据处理的方法有：虚拟参考站法（VirtualReferenceStationVRS）、偏导数法、线性内插法和条件平差法，其中虚拟参考站法VRS技术最为成熟。,网络RTK,网络RTK原理VRS,概述,虚拟参考站方案中VRS的特点与技术优势：虚拟参考站方案中，VRS的实施将使一个地区的测绘工作成为一个有机的整体，这改变了以往GPS作业“单打独斗”的局面，同时它使GPS技术的应用更为广泛，使其精度和可靠性得到进一步提高，最重要的是建立GPS网络的成本降低了很多。,我国深圳市第一个建成了VRS技术卫星定位服务系统,VRS测量技术工作原理,在某一大区域（或某一城市）建立若干个连续运行的GPS基准站；数据处理控制中心根据这些GPS基准站的观测值，建立区域内GPS主要误差模型，系统运行时将这些误差从基准站观测值中减去，形成无误差的观测值。在VRS网络中，各固定参考站不直接向移动用户发送任何改正信息，而是将所有的原始数据通过数据通讯线发给控制中心。同时，移动用户在工作前，先通过GSM的短信息功能向控制中心发送一个概略坐标，控制中心收到这个位置信息后，根据用户位置，由计算机自动选择最佳的一组固定基准站，根据这些站发来的信息，整体的改正GPS的轨道误差，电离层，对流层和大气折射引起的误差，将高精度的差分信号发给移动站。这个差分信号的效果相当于在移动站旁边，生成一个虚拟的参考基站，移动站与虚拟参考站进行载波相位差分改正，实现实时RTK。从而解决了RTK作业距离上的限制问题，并保证了用户的精度。,VRS,3流动站通过标准的RTK作业方式接收其改正信息，并进行超短基线的RTK，获得较高精度位置信息,2VRS软件基于该虚拟的位置生成实时RTCM改正数据,1流动站发送单点定位解给数据处理中心,RTCM,NMEA,控制中心,固定站,用户部分,整个系统的核心,固定参考站是固定的GPS接收系统，分布在整个网络中，一个VRS网络可包括无数个站,用户部分就是用户的接收机，加上无线通讯的调制解调器。,系统构成,VRS的优势,VRS覆盖范围：VRS网络可以有多个站，但最少需要3个,VRS的主要优势,费用将大幅度降低,相对传统RTK，提高了精度，精度始终在12cm。,提高可靠性,成都市的VRS现状,成都VRS系统是我国目前结构合理、功能完善、覆盖范围较大的实时型VRS系统，该系统是在接收机城域网上建立的现代化城市综合定位服务系统，有卫星跟踪基准站、系统控制中心、数据通信网络和用户服务中心等组成，可全天候向成都及邻区的用户提供米级、分米级、厘米级实时快速定位和毫米级事后精密定位服务。,现在已经开通的CDVRS系统的7个基准站分布在成都、仁寿、郫县、中江、简阳、邛崃、雅安等，构成了覆盖成都市的VRS基准网。,成都VRS系统是我国目前结构合理、功能完善、覆盖范围较大的实时型VRS系统，该系统是在接收机城域网上建立的现代化城市综合定位服务系统，有卫星跟踪基准站、系统控制中心、数据通信网络和用户服务中心等组成，可全天候向成都及邻区的用户提供米级、分米级、厘米级实时快速定位和毫米级事后精密定位服务。,VRS测量需要的设备,GPS设备上网模块,无线上网设备及上网账号,VRS的接入账号,网络RTK技术实际上是一种多基站技术，它在处理上利用了多个参考站的联合数据。该系统不仅仅是GPS产品，而是集internet技术，无线通讯技术，计算机网络管理和GPS定位技术于一身的系统，包括，通讯控制中心，固定站，用户部分。,网络RTK以及仪器操作,1.天宝的VRS(VirtualReferenceStation)GPSnet2.莱卡的MAX(主辅站技术)（SpiderNET软件）3.FKP区域差分改正(FKP广播方式：Geo+公司产品，GNSMART软件实现组网)4.华测的APIS,网络RTK的