GPS列车振动测定器在轨道养护管理的应用.ppt

1、1,GPS列車振動測定器在軌道養護管理之應用,指導教授：鄭明淵 教授 學生：吳慶芳,論文進度報告(3),2,英文全稱Navigation Satellite Timing and Ranging GPS 簡稱NAVSTAR，翻譯成中文導航星 一般使用英文字GPS代表這系統 GPS為Global Positioning System簡稱 直接翻譯為全球(衛星)定位系統 利用此系統精確定義空間一個點的坐標,GPS系統意義說明,3,全球衛星定位系統簡介,GPS系統意義、架構 GPS定位基本觀念 GPS的組成、頻率、訊號 GPS座標系統 WGS84 1984世界大地基準TWD67 1967台灣大地基準

2、 TWD97 1997台灣大地基準,4,GPS衛星在空中的運行軌道,5,6,一、太空部分： 衛星 二、控制部分：追蹤衛星、控制衛星 運轉軌道、傳送數據給 衛星(5個衛星監測站、1個主控站及3個發射站組成) 三、使用者部分：接收儀,GPS定位系統包括三部份,7,GPS定位系統之架構,8,一、太空部分,GPS目前共用24顆工作衛星及3顆備用衛星 配置於六個軌道面上，每個軌道布放四顆衛星 高度20,200公里，每顆衛星可覆蓋地面38% 運轉一週要11小時58分，故一天繞地球運行二圈。 衛星軌道相對於地球赤道面的傾角為 55 軌道平面升交點的赤經相差 60 精確定位要能收到至少四顆衛星的訊號 衛星數量

3、越多，定位精度越高,9,二、控制部分,一個主控制站 科羅拉多斯普林斯（Colorado Springs） 三個地面天線 五個監控站 科羅拉多斯普林斯（Colorado Springs）、夏威夷（Hawaii）、關島（Kwajalein）、阿森松島（Ascension Island）及迪戈加西亞（Diego Garcia）等五處,10,主控制站及五個監控站分布,11,監控站之功能,每個監測站均有一部GPS雙頻接收儀（L1、L2）、標準原子鐘、氣象感測器及資料處理器 監測站座標均經前美國國防製圖局精密測量而得。 每個監測站24小時連續追蹤觀測每一顆衛星，並將每1.5秒之虛擬距離觀測量及觀測所得的氣

4、象資料及電離層資料聯合求解得每15分鐘一組之勻化數據（Smoothed measurements），再將資料傳送回主控制站。,12,蒐集數據：蒐集各監測站所測得的虛擬距離與積分都卜勒觀測值、氣象要素、衛星時鐘和工作狀態的數據及監測站本身的狀態數據。 計算導航訊息：計算每一顆衛星的星曆、時鐘改正、狀態數據、衛星信號的大氣傳播改正數據，依一定的格式編制成導航訊息，傳遞給地面天線。,主控制站之功能(一),13,診斷狀態：監測整個地面監測系統是否正常運作，檢查傳遞到地面天線將發送給衛星的導航訊息是否正確，監測衛星是否正常傳送導航訊息給使用者。 調度衛星：當GPS衛星偏離軌道位置太遠時，主控制站可以對它

5、進行軌道修正，當某顆衛星失效時，主控制站可以調度備用衛星來取代。,主控制站之功能(二),14,三、使用者部份,使用者部份所指的就是能接收GPS衛星訊號及資料處理的接收儀 依其組成部分及功能可分 軟體部分 硬體部分,15,GPS衛星測量乃利用GPS衛星發射之無線電訊號，以測定點位的三度空間座標之定位系統，基本上為距離的量測，即量測未知點（接收儀）與已知位置的衛星之間的瞬時距離 ( 即所謂後方交會的原理 ) ，並依據 差分法 平差計算座標進行定位。,GPS定位基本觀念,16,GPS組成的頻率,GPS組成的頻率： L1 、 L 2 兩種。 L1 ：波長 19.03公分 頻率 1575.42 MHz(

6、10.23MHz*154) L2 ：波長 24.42公分 頻率 1227.60 MHz (10.23MHz*120),17,GPS的訊號,L1和L2上又分別調製成多種信號 C/A碼：調製在L1載波上，可用其PRN號來區分衛 星它們。C/A碼是普通用戶用以測定測站 到衛星間的距離的一種主要的信號。 P碼：調製在L1和L2載波上，在實施AS(ANTI-SPOOFING)時，P碼加W碼成為保密的Y碼，此時，一般用戶無法利用P碼來進行導航定位。 導航訊息：調製在L1載波上，包含有GPS衛星的軌道參數、衛星時鐘改正數和其他一些系統參數。用戶一般需要利用此導航資訊來計算某一時刻GPS衛星在地球軌道上的位置

7、，導航訊息也被稱爲廣播星曆。,18,GPS的訊號,19,虛擬距離觀測量：使用PRN電碼來進行距離的量測；C/A code、P code 優點：處理簡單，定位要求低，不存 在整數週波未定值問題，即時 定位。 缺點：精度低，C/A 碼的精度爲3 m， P碼精度在30 cm左右。,GPS觀測量,20,載波相位觀測量：即 L1、L2及其各種線性組合 優點：精度高，優於 2mm 缺點：處理過程複雜，存在整數週波 未定值問題。,GPS觀測量,21,衛星軌道誤差、衛星時鐘誤差； 電離層遲延誤差、對流層遲延誤差、多路徑效應 ( GPS天線於訊號接收時，影響最大者 ) 觀測誤差、接收儀時鐘誤差、週波未定值與週波

8、脫落、相位中心位置偏差、天線高量測誤差； SA及AS效應,GPS之誤差來源,22,SA效應,SA (Selective Availability)擇用性效應 在廣播星曆中加入誤差，即人為降低星曆的精度。 在衛星時鐘的信號中加入誤差，使鐘頻產生快速變化(即所謂鐘頻抖動)，即人為降低星曆的精度。 1990年3月25日開始實施，故意降低導航精度。 使得平面精度100 m ，高程精度100170 m 軍事用接收儀可以克服SA 利用差分定位模式(DGPS)可以克服SA 已解除SA(2000年5月2日),23,AS效應,AS (Anti-spoofing)反電子干擾和電子欺騙技術 對精密碼的碼結構進行保密

9、，以防敵方進行電子干擾和電子欺騙的技術。 將P碼與保密的W碼相加而成Y碼。 當AS實施時P碼無法使用。 唯有“key”的接收儀才能使用。 GPS接收儀廠商利用各種方法找回P碼，提供使用。 於1994年1月31日開始實施。,24,單點定位：GPS單點定位的基礎，即為空間距離的後方交會；測站座標X、Y、Z及接收儀時鐘誤差dT，共四個未知數，因此單點必須觀測四個以上的衛星。 相對定位：其基本原理乃使用兩部接收儀，其中一部設置於已知座標的點上，稱為主站，另一部稱為待測站或移動站。,單點定位與相對定位,25,單點定位,26,相對定位,27,GPS座標系統,WGS84座標系統：GPS之全球性座標系統 台灣

10、地區二度分帶座標系統： TWD67二度分帶 TWD97二度分帶,28,WGS84、TWD97、TWD67座標,29,座標轉換流程,GPS接收器採用的座標系統是WGS 84座標系統，台灣是以GRS 67、GRS80做為橢球參考體，採橫麥卡脫投影座標系統。因此需要藉著數學模式來進行座標轉換的工作，以便將GPS接收到的座標投射在地圖上,30,WGS84和TWD67座標轉換流程圖,（備註：因TWD97和WGS84視同一樣，因此WS84經緯度直接經由橫麥卡脫投影即轉換TWD97 N，E座標,31,橢球座標與卡氏座標示意圖,N為卯酉圈之曲率半徑,a、b為橢球體之長半徑與短半徑,分別為橢球座標中的緯度、經度與幾何高度,32,（一）橢球座標轉換成卡氏座標,GPS收到的座標是WGS 84系統的經、緯度，它是屬於橢球座標系統(Ellipsoidal coordinate)，表示成，其轉換成卡氏座標系統(Cartesian coordinate)，表示成(X, Y, Z)的公式如下,33,其中a、b為橢球體之長半徑與短半徑， 分別為橢球座標中的緯度、經度與幾何高度。N為卯酉圈之曲率半徑(radius of curvature in prime vertic