第七章 测量学.ppt

1、第七章 GPS技术及应用,7-1 概述 7-2 GPS系统组成 7-3 GPS定位原理 7-4 GPS定位误差 7-5 GPS测量的实施,7-1 概述,GPS是Global Positioning System英文,全球定位系统的简称。 GPS是美国国防部于1973年批准建立的新一代卫星导航系统，它是一种可以授时和测距的空间交会定点的导航系统； 可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置、三维速度和时间信息。,7-2 GPS系统组成,GPS系统主要由三个部分组成：空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。,一、空间系统,GPS卫星的主体呈圆柱形，直径约为1.5m，重约774kg，两侧各安装两

2、块双叶太阳能电池板，能自动对日定向，GPS卫星带有4台高精度原子钟，其中2台为铷钟，2台为铯钟。原子钟为GPS定位提供高精度的时间标准。此外，每颗卫星上装有微型计算机、电文接收存储和信号发射设备，并由太阳能电池提供电源。还备有少量燃料，用来调节卫星的轨道和姿态。,GPS卫星的主要作用,接收地面各注入站发送来的卫星星历（卫星在某时刻的位置）、钟差信息和信号的大气传播改正等信息，并连续不断地向用户发送含有上述信息的导航定位电文。每颗卫星用两个L波段频率发射载波无线电信号（L1=1575.42MHZ，L1=19cm，L2=1227.60MHZ，L2=24cm），向用户发送P码（精码，码长约30cm）

3、和C/A码（粗码，码长约300m），P码只供美国军方和受权用户使用。C/A码的测距精度可达到2040m。,二、地面监控系统,地面监控部分由1个主控站，5个监控站和3个注入站组成。,1主控站,卫星操控中心位于美国本土佛肯空军基地,其任务是收集各监控站送来的所跟踪卫星的数据，并据此计算卫星轨道、钟差参数和外推出未来24h的卫星轨道和卫星钟参数，然后送至各注入站，此外还诊断卫星工作状态，调整卫星姿态和调度卫星。,2监控站,5个监控站分别建立在佛肯空军基地、夏威夷群岛、太平洋的长瓦加兰岛、印度洋的狄哥伽西亚岛和大西洋的阿森松岛。 每个监控站装配有双频GPS接收机、气象元素传感器、原子钟和微机。监控站是

4、无人值守的GPS卫星跟踪站，在微机控制下，对视场中所有GPS卫星进行伪距测量，为了对观测值进行对流层延时改正，借助气象传感器自动采集当地的温度、气压和相对温度，并将每隔1.5s的观测结果，根据电离层和气象数据，采取平滑方法，获得每15min的结果数据，并将这些数据发送到主控站。,3注入站,分布在长瓦加兰岛、狄哥伽西亚岛和阿森松岛的3个注入站，接收主控站发送来的卫星星历和钟差信息。 当某颗GPS卫星飞越注入站上空时，用10cm（s）波段的微波作载波，将该卫星的导航电文发给该卫星。每天注入三次，每次注入14天的星历。此外，注入站能定时自动向主控站报告自己的工作状态。,三、用户系统（接收机）,GPS

5、接收机的主要任务,当GPS卫星从用户的地平线升起时，能够捕获跟踪所选择的待测卫星，对所接收到的微弱卫星信号，进行变换、放大和处理，以测量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，实时计算出测站（天线相位中心）的三维坐标，并根据预设置的更新率，不断更新计算点位坐标，通过面板键盘的控制，可以显示所需要数据信息。 按接机的卫星信号频率来分，有单频（L1）和双频（L1、L2）接收机,手持式GPS,7-3 GPS定位原理,GPS坐标系(WGS-84),伪距观测量,二、载波相位测量原理,三、相对定位,相对定位是用两台GPS接收机分别安置在基线的两端，同步观测相同的GPS卫星，

6、以确定基线端点的相对位置或基线向量。在一个端点坐标已知的情况下，可以用基线向量推求另一待定点的坐标。 进行相对定位，可有效地消除或减弱卫星轨道误差、卫星钟表、接收机钟差、电离层延迟误差和对流层折射误等相关误差的影响，从而提高定位的精度。相对定位是目前GPS测量中精度最高的一种定位方法，它广泛用于高精度测量工作中。,四、载波相位实时差分技术,载波相位实时差分技术又称为RTK（Real Time Kinematic）技术，它将GPS测量技术与数据传输技术相结合，通过实时处理两个测站的载波相位来实时确定观测点的三维坐标，并能达到厘米级的精度。,7-4 GPS定位误差,GPS定位测量的各种误差可归纳为三类： 第1类：同卫星有关的误差，包括卫星轨道误差和卫星钟差； 第2类：同信号传播有关的误差，包括电离层误差、对流层误差、周跳、接收机噪声和多路径误差； 第3类：同测站有关的误差，包括接收钟差和基地站（起算点）WGS-84坐标的