GPS控制測量PPT課件

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1、6.1 GPS概述,第六章 GPS控制測量,全球定位系統(tǒng)(GPS-Global Positioning System)是利用人造衛(wèi)星進行地面定位的定位系統(tǒng)，是美國軍方于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)： 不需要點間通視； 能同時獲得點的三維坐標(biāo)； 觀測時間短，儀器操作簡單,其它全球定位系統(tǒng)：俄羅斯的GLONASS、歐空局的Galileo、我國的“北斗”雙星定位系統(tǒng)等,GPS測量的優(yōu)點,第六章 GPS控制測量,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； 六個軌

2、道面，高度約2萬km； 運行周期11h58m； 任意時刻、任意地點均可觀測4顆以上衛(wèi)星,第六章 GPS控制測量,衛(wèi)星上裝有原子鐘（銣鐘和銫鐘）提供GPST時間系統(tǒng)； 發(fā)送兩個頻率載波信號，即：L1=1575.42MHz，其上帶有1.023MHz的偽隨機躁聲碼，稱CA碼（粗碼，Coarse Code），10.23MHz的偽隨機躁聲碼，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： 接收和儲存由地面監(jiān)控站發(fā)來的導(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

3、的GPS信號,第六章 GPS控制測量,2監(jiān)控部分,第六章 GPS控制測量,監(jiān)控站 監(jiān)測衛(wèi)星取得觀測資料，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)控站觀測資料，計算每顆衛(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)星運行到上空時，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控制測量,3用戶接收機,第六章 GPS控制測量,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的腳架上，接收衛(wèi)星信號，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)射的信號和導(dǎo)航電文，根據(jù)導(dǎo)航電文提供的衛(wèi)

4、星位置和鐘差信息計算接收機的位置,種類：有單頻和雙頻，導(dǎo)航型和定位型、低動態(tài)和高動態(tài)、偽距型和相位測量型等,第六章 GPS控制測量,三部分關(guān)系,第六章 GPS控制測量,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)系測量成果轉(zhuǎn)換到54年北京坐標(biāo)系或1980年國家大地坐標(biāo)系,三、GPS時間系統(tǒng),由于GPS衛(wèi)星的位置是隨時間變化的。時間是GPS的一個重要觀測量。為了精密導(dǎo)航和測量的需要，GPS建立了專用的時間系統(tǒng)，該系統(tǒng)可簡寫為GPST，由GPS主

5、控站的原子鐘控制,1、隨機噪聲碼 ：為一二進制序列，每位1、0機率相等。 特點：具有良好的自相關(guān)性。相關(guān)系數(shù),2、偽隨機噪聲碼：具有一定規(guī)則的二進制序列。 特點：接近隨機噪聲碼特性?？梢詮?fù)制,3、C/A碼：屬偽隨機噪聲碼。 碼長：1023bit,碼元寬0.97752us(293.1m)，碼率1.023Mbit/s,GPS的測距碼信號,4、P碼：屬偽隨機噪聲碼。 碼長：2.35*1014bit,碼元寬0.097752us(29.31m)， 碼率 10.23Mbit/s,周期267天,四、GPS測距碼信號,五、導(dǎo)航電文 包括衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星工作狀態(tài)、時間系統(tǒng)、軌道攝動參數(shù)、大氣改正參數(shù)、P碼捕獲信息

6、等。傳輸一次完整的導(dǎo)航電文約需12.5分,第六章 GPS控制測量,按測定偽距的觀測量有測碼偽距法和測相偽距法。 1、測碼偽距法,6.2 GPS絕對定位的基本原理：亦稱偽距法定位，單點定位,2、測相偽距法原理,6.3 GPS相對定位,亦稱差分定位，是通過測定兩臺接收機間的空間向量（即基線向量）實現(xiàn)的。兩臺（多臺）接收機同時觀測（相位法測量）相同的衛(wèi)星，通過在觀測量間求差，以消除衛(wèi)星鐘鐘差、接收機鐘差、整周整周未知數(shù)、氣象誤差等。 單差：兩臺接收機對同一衛(wèi)星 的觀測量之差。 雙差：兩個單差之差。 三差：兩個雙差之差,第六章 GPS控制測量,6.4 GPS控制網(wǎng)的布設(shè)要求,用GPS布網(wǎng)具有速度快、精

7、度高，不要求控制點間通視，對邊長和圖形結(jié)構(gòu)沒有限制，所獲得點位的精度是均勻的等優(yōu)點。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)注意下列問題,一有足夠的檢核條件,GPS網(wǎng)的檢核是通過同步環(huán)、重復(fù)基線和異步環(huán)的閉合差來實現(xiàn)的,第六章 GPS控制測量,例：有6個控制點，用3臺接收機,觀測一個時段，則可以構(gòu)成三個同步環(huán)和多個異步環(huán)。 若在某一邊上，進行多個時段的觀測還可以構(gòu)成重復(fù)邊,第六章 GPS控制測量,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是個綜合精度衰減因

8、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控制測量,GDOP與接收機和衛(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)觀測地點和時間進行預(yù)報。 作業(yè)時接收機也可實時計算顯示GDOP，一般要求GDOP8,第六章 GPS控制測量,三GPS網(wǎng)與地面網(wǎng)應(yīng)有一定數(shù)量的重合點,為把GPS測得的坐標(biāo)換算到當(dāng)?shù)氐淖鴺?biāo)系中，在GPS網(wǎng)中至少要有三個控制

9、點與地面網(wǎng)點重合，重合點最好均勻地分布在網(wǎng)的邊緣,GPS可同時測定點的三維坐標(biāo)，其所得高程為大地高，而我國采用的是正常高，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)測高程點,第六章 GPS控制測量,四點位要避開產(chǎn)生多路徑效應(yīng)的地區(qū),避開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控制測量,五防止信號受電磁波干擾和減弱大氣折射的影響,任何強電磁場變化和強無線電信號，都會對衛(wèi)星信號產(chǎn)生干擾，致使觀測值信噪比降低和接收信號失鎖，影響測量精度。由于環(huán)路失鎖而引起的信號周數(shù)丟失現(xiàn)象，叫做整周跳變，簡稱周跳。測站應(yīng)離開高壓電線2

10、00米以上，離大功率變電站、電視塔等在400米以上,衛(wèi)星信號穿過電離層和對流層時，會產(chǎn)生時間延遲。對于較長的基線，最好采用雙頻接收機，對于短基線用單頻接收機測量，也能達到一定的精度,高度太低的衛(wèi)星信號受大氣層折射影響很大，為了選擇有利的星座位置，測站周圍垂直角大于15的障礙物應(yīng)該避開,第六章 GPS控制測量,六其它要求,GPS網(wǎng)的邊長視控制網(wǎng)要求而定，通常按國家E級網(wǎng)布設(shè)，邊長變通范圍為110km。相鄰點間不要求通視，但為了用常規(guī)測量方法進行加密的需要，每點一般應(yīng)與12個方向通視，通視的方向不一定是同步網(wǎng)的方向。有條件時，可用電磁波測距儀測定幾條邊，以資檢核,第六章 GPS控制測量,6.6 G

11、PS控制網(wǎng)的作業(yè),技術(shù)設(shè)計,選點,埋石,儀器的檢驗和維護,觀測實施,收集資料,上交資料,圖上設(shè)計,一般檢視,儀器檢驗,通電檢驗,儀器維護,第六章 GPS控制測量,觀測實施,觀測準(zhǔn)備,連接接收機電纜，開機，初始化。 填寫手簿項目，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控制測量,觀測作業(yè),1）按操作說明設(shè)置接收機，于預(yù)定時刻開始觀測。 （2）觀測期間，操作員注意查看并記錄儀器工作狀態(tài)、測站信息、接收衛(wèi)星數(shù)量等情況。 （3）觀測時在測站附近不要發(fā)動汽車、發(fā)電機、使用電臺，避免人員、牲畜在天線附近走動,4）觀測結(jié)束后認(rèn)真檢查所有規(guī)定作業(yè)項目，合限方可遷站,第六章 GP

12、S控制測量,上交資料,1）儀器檢驗資料、觀測計劃等。 （2）觀測記錄。主要有觀測記錄文件等。 （3）測量手簿。 （4）平差計算報表,1、數(shù)據(jù)下載：將接收機的觀測數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中； 2、基線向量的解算：利用載波相位觀測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)中一點的單點定位結(jié)果作為網(wǎng)的必要起算數(shù) 據(jù)，以基線向量解算結(jié)果為觀測量，進行平差計算，可得到點的W84坐標(biāo)和基線向量。其主要目的是檢驗網(wǎng)的內(nèi)部符合精度。 4、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換或約束平差：經(jīng)過自由網(wǎng)平差后，可到了點的W84三維坐標(biāo)。為了得到地方坐標(biāo)，必須求定兩個坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，參數(shù)有三個平移量、三個旋轉(zhuǎn)量和一個

13、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，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)中的其它點轉(zhuǎn)換到地方坐標(biāo)系中。 也可直接以基線向量為觀測量，以地方已知坐標(biāo)為起算數(shù)據(jù)，進行三維約束平差，直接解算出點的地方坐標(biāo)和轉(zhuǎn)換參數(shù),6.7 GPS網(wǎng)平差計算,實時動態(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，基準(zhǔn)站將載波相位觀測量及基站坐標(biāo)等信息，通過數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)搅鲃诱荆诹鲃诱窘馑愠鰞烧鹃g的基線向量和流動站的坐標(biāo)，通過預(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)未知時可采用其單點定位結(jié)果。此時，流動站應(yīng)先在幾個已知點上安置，測定出各點的W84坐標(biāo)，計算轉(zhuǎn)換參數(shù),參考站,參考站GPS天線和電臺,參考站GPS接收機,移動站,移動站接收機和天線