GPS控制測(cè)量PPT課件

6.1 GPS概述,第六章 GPS控制測(cè)量,全球定位系統(tǒng)(GPS-Global Positioning System)是利用人造衛(wèi)星進(jìn)行地面定位的定位系統(tǒng)，是美國(guó)軍方于1994年建立的第二代全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),速度快、精度高；(110-6 110-8) 全天候作業(yè)： 不需要點(diǎn)間通視； 能同時(shí)獲得點(diǎn)的三維坐標(biāo)； 觀測(cè)時(shí)間短，儀器操作簡(jiǎn)單,其它全球定位系統(tǒng)：俄羅斯的GLONASS、歐空局的Galileo、我國(guó)的“北斗”雙星定位系統(tǒng)等,GPS測(cè)量的優(yōu)點(diǎn),第六章 GPS控制測(cè)量,一、GPS的系統(tǒng)組成,GPS由空間部分、監(jiān)控部分和用戶接收機(jī)三部分組成,1空間部分,21+3顆（現(xiàn)有27顆）衛(wèi)星組成； 六個(gè)軌道面，高度約2萬(wàn)km； 運(yùn)行周期11h58m； 任意時(shí)刻、任意地點(diǎn)均可觀測(cè)4顆以上衛(wèi)星,第六章 GPS控制測(cè)量,衛(wèi)星上裝有原子鐘（銣鐘和銫鐘）提供GPST時(shí)間系統(tǒng)； 發(fā)送兩個(gè)頻率載波信號(hào)，即：L1=1575.42MHz，其上帶有1.023MHz的偽隨機(jī)躁聲碼，稱CA碼（粗碼，Coarse Code），10.23MHz的偽隨機(jī)躁聲碼，稱P碼（精碼，Precision Code）及每秒50bit的導(dǎo)航電文；L2=1227.6MHz載波,其上只調(diào)制精碼和導(dǎo)航電文,作用： 接收和儲(chǔ)存由地面監(jiān)控站發(fā)來(lái)的導(dǎo)航信息； 接收并執(zhí)行地面監(jiān)控站的控制指令，并經(jīng)處理后控制自身軌道和工作狀態(tài)； 連續(xù)不斷地發(fā)送導(dǎo)航定位的GPS信號(hào),第六章 GPS控制測(cè)量,2監(jiān)控部分,第六章 GPS控制測(cè)量,監(jiān)控站 監(jiān)測(cè)衛(wèi)星取得觀測(cè)資料，算出每顆衛(wèi)星的有關(guān)數(shù)據(jù)，傳送給主控站,主控站 根據(jù)監(jiān)控站觀測(cè)資料，計(jì)算每顆衛(wèi)星的軌道參數(shù)和衛(wèi)星鐘改正數(shù)，推算一天以上的衛(wèi)星星歷和鐘差，并轉(zhuǎn)化為導(dǎo)航電文發(fā)給注入站,注入站 在每顆衛(wèi)星運(yùn)行到上空時(shí)，把衛(wèi)星星歷、控制參數(shù)和指令注入到衛(wèi)星存貯器,第六章 GPS控制測(cè)量,3用戶接收機(jī),第六章 GPS控制測(cè)量,組成：天線、控制顯示器、電纜、電源等部分組成。天線安放在整置于控制點(diǎn)的腳架上，接收衛(wèi)星信號(hào)，在控制顯示器上獲得的是天線相位中心的三維坐標(biāo),功能：是接受衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)和導(dǎo)航電文，根據(jù)導(dǎo)航電文提供的衛(wèi)星位置和鐘差信息計(jì)算接收機(jī)的位置,種類：有單頻和雙頻，導(dǎo)航型和定位型、低動(dòng)態(tài)和高動(dòng)態(tài)、偽距型和相位測(cè)量型等,第六章 GPS控制測(cè)量,三部分關(guān)系,第六章 GPS控制測(cè)量,二、GPS坐標(biāo)系統(tǒng),GPS所用的坐標(biāo)系統(tǒng)是WGS-84（Geodetic System1984）坐標(biāo)系。 WGS-84坐標(biāo)系與我國(guó)采用的坐標(biāo)系定義不同。為了使用方便，一般要將GPS的WGS-84坐標(biāo)系測(cè)量成果轉(zhuǎn)換到54年北京坐標(biāo)系或1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系,三、GPS時(shí)間系統(tǒng),由于GPS衛(wèi)星的位置是隨時(shí)間變化的。時(shí)間是GPS的一個(gè)重要觀測(cè)量。為了精密導(dǎo)航和測(cè)量的需要，GPS建立了專用的時(shí)間系統(tǒng)，該系統(tǒng)可簡(jiǎn)寫(xiě)為GPST，由GPS主控站的原子鐘控制,1、隨機(jī)噪聲碼 ：為一二進(jìn)制序列，每位1、0機(jī)率相等。 特點(diǎn)：具有良好的自相關(guān)性。相關(guān)系數(shù),2、偽隨機(jī)噪聲碼：具有一定規(guī)則的二進(jìn)制序列。 特點(diǎn)：接近隨機(jī)噪聲碼特性?？梢詮?fù)制,3、C/A碼：屬偽隨機(jī)噪聲碼。 碼長(zhǎng)：1023bit,碼元寬0.97752us(293.1m)，碼率1.023Mbit/s,GPS的測(cè)距碼信號(hào),4、P碼：屬偽隨機(jī)噪聲碼。 碼長(zhǎng)：2.35*1014bit,碼元寬0.097752us(29.31m)， 碼率 10.23Mbit/s,周期267天,四、GPS測(cè)距碼信號(hào),五、導(dǎo)航電文 包括衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星工作狀態(tài)、時(shí)間系統(tǒng)、軌道攝動(dòng)參數(shù)、大氣改正參數(shù)、P碼捕獲信息等。傳輸一次完整的導(dǎo)航電文約需12.5分,第六章 GPS控制測(cè)量,按測(cè)定偽距的觀測(cè)量有測(cè)碼偽距法和測(cè)相偽距法。 1、測(cè)碼偽距法,6.2 GPS絕對(duì)定位的基本原理：亦稱偽距法定位，單點(diǎn)定位,2、測(cè)相偽距法原理,6.3 GPS相對(duì)定位,亦稱差分定位，是通過(guò)測(cè)定兩臺(tái)接收機(jī)間的空間向量（即基線向量）實(shí)現(xiàn)的。兩臺(tái)（多臺(tái)）接收機(jī)同時(shí)觀測(cè)（相位法測(cè)量）相同的衛(wèi)星，通過(guò)在觀測(cè)量間求差，以消除衛(wèi)星鐘鐘差、接收機(jī)鐘差、整周整周未知數(shù)、氣象誤差等。 單差：兩臺(tái)接收機(jī)對(duì)同一衛(wèi)星 的觀測(cè)量之差。 雙差：兩個(gè)單差之差。 三差：兩個(gè)雙差之差,第六章 GPS控制測(cè)量,6.4 GPS控制網(wǎng)的布設(shè)要求,用GPS布網(wǎng)具有速度快、精度高，不要求控制點(diǎn)間通視，對(duì)邊長(zhǎng)和圖形結(jié)構(gòu)沒(méi)有限制，所獲得點(diǎn)位的精度是均勻的等優(yōu)點(diǎn)。所以GPS網(wǎng)的布設(shè)與常規(guī)控制網(wǎng)的布設(shè)有較大區(qū)別，布設(shè)中應(yīng)注意下列問(wèn)題,一有足夠的檢核條件,GPS網(wǎng)的檢核是通過(guò)同步環(huán)、重復(fù)基線和異步環(huán)的閉合差來(lái)實(shí)現(xiàn)的,第六章 GPS控制測(cè)量,例：有6個(gè)控制點(diǎn)，用3臺(tái)接收機(jī),觀測(cè)一個(gè)時(shí)段，則可以構(gòu)成三個(gè)同步環(huán)和多個(gè)異步環(huán)。 若在某一邊上，進(jìn)行多個(gè)時(shí)段的觀測(cè)還可以構(gòu)成重復(fù)邊,第六章 GPS控制測(cè)量,二幾何精度衰減因子要小,GPS定位精度與衛(wèi)星的分布有關(guān)，即與幾何精度衰減因子GDOP(Geometric Dilution of Precision)有關(guān)。 GDOP是個(gè)綜合精度衰減因子，包括以下參數(shù),HDOP水平位置幾何精度衰減因子； VDOP高程位置幾何精度衰減因子； PDOP三維位置幾何精度衰減因子； TDOP時(shí)鐘幾何精度衰減因子,關(guān)系：GDOP2 = PDOP2 + TDOP2,PDOP2 = HDOP2 + VDOP2,第六章 GPS控制測(cè)量,GDOP與接收機(jī)和衛(wèi)星組成的多面錐體的體積V有關(guān)， V愈大則PDOP越小，定位精度就越高。 GDOP值可根據(jù)觀測(cè)地點(diǎn)和時(shí)間進(jìn)行預(yù)報(bào)。 作業(yè)時(shí)接收機(jī)也可實(shí)時(shí)計(jì)算顯示GDOP，一般要求GDOP8,第六章 GPS控制測(cè)量,三GPS網(wǎng)與地面網(wǎng)應(yīng)有一定數(shù)量的重合點(diǎn),為把GPS測(cè)得的坐標(biāo)換算到當(dāng)?shù)氐淖鴺?biāo)系中，在GPS網(wǎng)中至少要有三個(gè)控制點(diǎn)與地面網(wǎng)點(diǎn)重合，重合點(diǎn)最好均勻地分布在網(wǎng)的邊緣,GPS可同時(shí)測(cè)定點(diǎn)的三維坐標(biāo)，其所得高程為大地高，而我國(guó)采用的是正常高，為了統(tǒng)一到正常高高程系統(tǒng)，GPS網(wǎng)中要有一定數(shù)量的水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)高程點(diǎn),第六章 GPS控制測(cè)量,四點(diǎn)位要避開(kāi)產(chǎn)生多路徑效應(yīng)的地區(qū),避開(kāi)有反射作用的地形和物體，如光滑的墻壁和水面，以免產(chǎn)生多路徑效應(yīng)。 （能夠抑制多路徑效應(yīng)的天線,第六章 GPS控制測(cè)量,五防止信號(hào)受電磁波干擾和減弱大氣折射的影響,任何強(qiáng)電磁場(chǎng)變化和強(qiáng)無(wú)線電信號(hào)，都會(huì)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)產(chǎn)生干擾，致使觀測(cè)值信噪比降低和接收信號(hào)失鎖，影響測(cè)量精度。由于環(huán)路失鎖而引起的信號(hào)周數(shù)丟失現(xiàn)象，叫做整周跳變，簡(jiǎn)稱周跳。測(cè)站應(yīng)離開(kāi)高壓電線200米以上，離大功率變電站、電視塔等在400米以上,衛(wèi)星信號(hào)穿過(guò)電離層和對(duì)流層時(shí)，會(huì)產(chǎn)生時(shí)間延遲。對(duì)于較長(zhǎng)的基線，最好采用雙頻接收機(jī)，對(duì)于短基線用單頻接收機(jī)測(cè)量，也能達(dá)到一定的精度,高度太低的衛(wèi)星信號(hào)受大氣層折射影響很大，為了選擇有利的星座位置，測(cè)站周圍垂直角大于15的障礙物應(yīng)該避開(kāi),第六章 GPS控制測(cè)量,六其它要求,GPS網(wǎng)的邊長(zhǎng)視控制網(wǎng)要求而定，通常按國(guó)家E級(jí)網(wǎng)布設(shè)，邊長(zhǎng)變通范圍為110km。相鄰點(diǎn)間不要求通視，但為了用常規(guī)測(cè)量方法進(jìn)行加密的需要，每點(diǎn)一般應(yīng)與12個(gè)方向通視，通視的方向不一定是同步網(wǎng)的方向。有條件時(shí)，可用電磁波測(cè)距儀測(cè)定幾條邊，以資檢核,第六章 GPS控制測(cè)量,6.6 GPS控制網(wǎng)的作業(yè),技術(shù)設(shè)計(jì),選點(diǎn),埋石,儀器的檢驗(yàn)和維護(hù),觀測(cè)實(shí)施,收集資料,上交資料,圖上設(shè)計(jì),一般檢視,儀器檢驗(yàn),通電檢驗(yàn),儀器維護(hù),第六章 GPS控制測(cè)量,觀測(cè)實(shí)施,觀測(cè)準(zhǔn)備,連接接收機(jī)電纜，開(kāi)機(jī)，初始化。 填寫(xiě)手簿項(xiàng)目，量取天線高。 天線定向標(biāo)志線應(yīng)指向正北，圓水準(zhǔn)器氣泡居中,第六章 GPS控制測(cè)量,觀測(cè)作業(yè),1）按操作說(shuō)明設(shè)置接收機(jī)，于預(yù)定時(shí)刻開(kāi)始觀測(cè)。 （2）觀測(cè)期間，操作員注意查看并記錄儀器工作狀態(tài)、測(cè)站信息、接收衛(wèi)星數(shù)量等情況。 （3）觀測(cè)時(shí)在測(cè)站附近不要發(fā)動(dòng)汽車、發(fā)電機(jī)、使用電臺(tái)，避免人員、牲畜在天線附近走動(dòng),4）觀測(cè)結(jié)束后認(rèn)真檢查所有規(guī)定作業(yè)項(xiàng)目，合限方可遷站,第六章 GPS控制測(cè)量,上交資料,1）儀器檢驗(yàn)資料、觀測(cè)計(jì)劃等。 （2）觀測(cè)記錄。主要有觀測(cè)記錄文件等。 （3）測(cè)量手簿。 （4）平差計(jì)算報(bào)表,1、數(shù)據(jù)下載：將接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中； 2、基線向量的解算：利用載波相位觀測(cè)量求解基線邊的三維坐標(biāo)增量。 軟件通常由廠家提供。 3、三維自由網(wǎng)平差：取網(wǎng)中一點(diǎn)的單點(diǎn)定位結(jié)果作為網(wǎng)的必要起算數(shù) 據(jù)，以基線向量解算結(jié)果為觀測(cè)量，進(jìn)行平差計(jì)算，可得到點(diǎn)的W84坐標(biāo)和基線向量。其主要目的是檢驗(yàn)網(wǎng)的內(nèi)部符合精度。 4、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換或約束平差：經(jīng)過(guò)自由網(wǎng)平差后，可到了點(diǎn)的W84三維坐標(biāo)。為了得到地方坐標(biāo)，必須求定兩個(gè)坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，參數(shù)有三個(gè)平移量、三個(gè)旋轉(zhuǎn)量和一個(gè)尺度因子。轉(zhuǎn)換模型常用布爾沙沃爾夫模型,6.7 GPS網(wǎng)平差計(jì)算,參數(shù)的求定方法：利用網(wǎng)中一定數(shù)量的已知地方坐標(biāo)點(diǎn)，按布爾沙沃爾夫模型建立誤差方程式，按最小二乘法求解。 轉(zhuǎn)換參數(shù)求定后，再將網(wǎng)中的其它點(diǎn)轉(zhuǎn)換到地方坐標(biāo)系中。 也可直接以基線向量為觀測(cè)量，以地方已知坐標(biāo)為起算數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維約束平差，直接解算出點(diǎn)的地方坐標(biāo)和轉(zhuǎn)換參數(shù),6.7 GPS網(wǎng)平差計(jì)算,實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)RTK（Real Time Kinematic）作業(yè)介紹,1、系統(tǒng)組成：GPS接收設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、軟件。 2、工作原理：當(dāng)基準(zhǔn)站W(wǎng)84坐標(biāo)已知時(shí)，基準(zhǔn)站將載波相位觀測(cè)量及基站坐標(biāo)等信息，通過(guò)數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)搅鲃?dòng)站，在流動(dòng)站解算出兩站間的基線向量和流動(dòng)站的坐標(biāo)，通過(guò)預(yù)置的轉(zhuǎn)換參數(shù)，轉(zhuǎn)換為地方坐標(biāo)。 當(dāng)基準(zhǔn)站W(wǎng)84坐標(biāo)未知時(shí)可采用其單點(diǎn)定位結(jié)果。此時(shí)，流動(dòng)站應(yīng)先在幾個(gè)已知點(diǎn)上安置，測(cè)定出各點(diǎn)的W84坐標(biāo)，計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù),參考站,參考站GPS天線和電臺(tái),參考站GPS接收機(jī),移動(dòng)站,移動(dòng)站接收機(jī)和天線