《GPS控制測量》PPT課件.ppt

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1、現代測量技術室 M o d e r n S u r v e y 現代測量學 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； 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 ： 現代測量技術室 M o d e r n S u

2、 r v e y 現代測量學 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（現有 27顆）衛(wèi)星組成； 六個軌道面，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。 現代測量技術室 M o d e r n S u r v e y 現代測量學 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）， 10.2

3、3MHz的偽隨機躁聲碼，稱 P碼 （精碼， Precision Code）及每秒 50bit的導航電文； L2=1227.6MHz載波 ,其上只調制精碼和導航電文。 作用 ： 接收和儲存由地面監(jiān)控站發(fā)來的導航信息； 接收并執(zhí)行地面監(jiān)控站的控制指令，并經處理后控 制自身軌道和工作狀態(tài)； 連續(xù)不斷地發(fā)送導航定位的 GPS信號 。 現代測量技術室 M o d e r n S u r v e y 現代測量學 現代測量技術室 M o d e r n S u r v e y 現代測量學 第六章 GPS控制測量 2監(jiān)控部分 現代測量技術室 M o d e r n S u r v e y 現代測量學 第六章

4、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 關數據，傳送給主控站。 主控站 根據監(jiān)控站觀測資料，計算每顆衛(wèi)星的軌道 參數和衛(wèi)星鐘改正數，推算一天以上的衛(wèi)星星歷和鐘 差，并轉化為導航電文發(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 制參數和指令注入到衛(wèi)星存貯器。 現代測量技術室 M o d e r n S u r v e y 現代測量學 第六章 GPS控制測量 3 用戶接收機 雙頻 GPS用戶接收機 基準站 移動站 現代測量技術室 M o d e r n S u r v e y 現代測量學 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

5、。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 。 功能： 是接受衛(wèi)星發(fā)射的信號和導航電文，根據導航電 文提供的衛(wèi)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。 現代測量技術室 M o d e r n S u r v e y 現代測量學 第六章 GPS控制測量 三部分關系 現代測量技術室 M o d e r n S u r v e y 現代測量學 第六章 GPS控制測量 二 、 GPS坐標系統(tǒng) GPS所用的坐標系統(tǒng)是 WGS-84（ Geodetic System1984）坐

6、 標系。 WGS-84坐標系與我國采用的坐標系定義不同。為了 使用方便，一般要將 GPS的 WGS-84坐標系測量成果轉換到 54 年北京坐標系或 1980年國家大地坐標系。 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主控站的原子鐘控制 。 現代測量技術室 M o d e r n S u r v e y 現代測量學 1、隨機噪聲碼 ：為一二進制序列，每位 1、 0機率相等。 特點：具有良好的自相關性。相關系數： uu uu BA B

7、AR 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。可以復制。 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 現代測量技術室 M o d e r n S u r v e y 現代測量學 五、導航電文 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、大氣改正參數、 P碼捕獲信

8、息等。傳輸一 次完整的導航電文約需 12.5分。 現代測量技術室 M o d e r n S u r v e y 現代測量學 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。 現代測量技術室 M o d e r n S u r v e y 現代測量學 2、測相偽距法原理 ： 現代測量技術室 M o d e r n S u r v e y 現代測量學 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）實現的。兩臺（多臺）接收機同時觀測（相位法測量） 相同的衛(wèi)星，

9、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、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。 現代測量技術室 M o d e r n S u r v e y 現代測量學 第六章 GPS控制測量 6.4 GPS控制網的布設要求 用 GPS布網具有速度快、精度高，不要求控制點間通視， 對邊長和圖形結構沒有限制，所獲得點位的精度是均勻 的等優(yōu)點。所以 GPS網的布設與常規(guī)控制網的布設有較 大區(qū)別，布設中應注意下列問題。 一有足夠的檢核條件 GPS網的檢核是通過同步環(huán)、重復基線和異步環(huán)的閉合差來 實現的。 現代測量技術室 M

10、o d e r n S u r v e y 現代測量學 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 觀測還可以構成重復邊。 現代測量技術室 M o d e r n S u r v e y 現代測量學 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，即與幾何精度衰減因子 GDOP(Geometric Dilution of Precision)有關。 GDOP是個綜合精度衰減因子，包括以下參數： 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

11、； PDOP 三維位置幾何精度衰減因子； TDOP 時鐘幾何精度衰減因子。 關系： GDOP2 = PDOP2 + TDOP2 PDOP2 = HDOP2 + VDOP2 現代測量技術室 M o d e r n S u r v e y 現代測量學 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， V愈大則 PDOP越小，定位精度就越高。 GDOP值可根據觀測地點和時間進 行預報。 作業(yè)時接收機也可實時計算顯示 GDOP，一般要求 GDOP8。 現代測量技術室 M o d e r n S u r v e y 現代測量學 第六章 GPS控制測量 三 GPS網與地面網應

12、有一定數量的重合點 為把 GPS測得的坐標換算到當地的坐標系中，在 GPS網中至 少要有三個控制點與地面網點重合，重合點最好均勻地分布 在網的邊緣。 GPS可同時測定點的三維坐標，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 中要有一定數量的水準聯(lián)測高程點。 現代測量技術室 M o d e r n S u r v e y 現代測量學 第六章 GPS控制測量 四點位要避開產生多路徑效應的地區(qū) 避開有反射作用的地形和物體，如光 滑的墻壁和水面，以免產生多路徑效應。 （能夠抑制多路徑效應的天線） 現代測量技術室 M o d e r n S u r v e y 現代

13、測量學 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丟失現象，叫做整周跳 變，簡稱 周跳 。測站應離開高壓電線 200米以上，離大功率 變電站、電視塔等在 400米以上。 衛(wèi)星信號穿過電離層和對流層時，會產生時間延遲。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 應該避開。 現代測量技術

14、室 M o d e r n S u r v e y 現代測量學 第六章 GPS控制測量 六其它要求 GPS網的邊長視控制網要求而定，通常按國家 E級網布設，邊 長變通范圍為 1 10km。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，每點一般應與 1 2個方向通視， 通視的方向不一定是同步網的方向。有條件時，可用電磁波 測距儀測定幾條邊，以資檢核。 現代測量技術室 M o d e r n S u r v e y 現代測量學 第六章 GPS控制測量 6.6 GPS控制 網的作業(yè) 技術設計 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 計 一 般

15、檢 視 儀 器 檢 驗 通 電 檢 驗 儀 器 維 護 現代測量技術室 M o d e r n S u r v e y 現代測量學 第六章 GPS控制測量 觀測實施 觀測準備 連接 接收機電纜 ， 開機 ， 初始化 。 填寫手簿項目 ， 量取天線高 。 天線定向標志線應指向正北，圓水準器氣泡居中。 現代測量技術室 M o d e r n S u r v e y 現代測量學 第六章 GPS控制測量 觀測作業(yè) （ 1） 按操作說明設置接收機 ， 于預定時刻開始觀測 。 （ 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)星數量等情況 。 （ 3）觀測時在測站附近不要

16、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） 觀測結束后認真檢查所有規(guī)定作業(yè)項目 ， 合限方可遷站 。 現代測量技術室 M o d e r n S u r v e y 現代測量學 第六章 GPS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 現代測量技術室 M o d e r n S u r v e y 現代測量學 1、數據下載： 將接收機的觀測數據傳輸到計算機中； 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增量。 軟件通常由廠家提供。

17、3、三維自由網平差： 取網中一點的單點定位結果作為網的必要起算數 據，以基線向量解算結果為觀測量，進行平差計算，可得到點的 W84坐 標和基線向量。其主要目的是檢驗網的內部符合精度。 4、坐標轉換或約束平差： 經過自由網平差后，可到了點的 W84三維坐 標。為了得到地方坐標，必須求定兩個坐標系間的轉換參數，參數有 三個平移量、三個旋轉量和一個尺度因子。轉換模型常用布爾沙沃 爾夫模型： 0 y- 0 - 0 0 0 0 z y x m x -xz yz dz dy dx zz yy xx z y x 6.7 GPS網平差計算 現代測量技術室 M o d e r n S u r v e y 現代測

18、量學 參數的求定方法 ：利用網中一定數量的已知地方坐標點， 按布爾沙沃爾夫模型建立誤差方程式，按最小二乘法求 解。 轉換參數求定后，再將網中的其它點轉換到地方坐標系中。 也可直接以基線向量為觀測量，以地方已知坐標為起算數 據，進行三維約束平差，直接解算出點的地方坐標和轉換 參數。 6.7 GPS網平差計算 現代測量技術室 M o d e r n S u r v e y 現代測量學 實時動態(tài) RTK（ Real Time Kinematic）作業(yè)介紹 1、 系統(tǒng)組成： GPS接收設備 、 數 據傳輸設備 、 軟件 。 2、 工作原理：當基準站 W84坐標 已知時 ， 基準站將載波相位 觀測量及基

19、站坐標等信息 ， 通過數據鏈傳輸到流動站 ， 在流動站解算出兩站間的基 線向量和流動站的坐標 ， 通 過預置的轉換參數 ， 轉換為 地方坐標 。 當基準站 W84坐標未知時可采 用其單點定位結果 。 此時 ， 流動站應先在幾個已知點上 安置 ， 測定出各點的 W84坐標 ， 計算轉換參數 。 現代測量技術室 M o d e r n S u r v e y 現代測量學 參考站 現代測量技術室 M o d e r n S u r v e y 現代測量學 現代測量技術室 M o d e r n S u r v e y 現代測量學 參考站 GPS天線和電臺 現代測量技術室 M o d e r n S u r v e y 現代測量學 參考站 GPS接收機 現代測量技術室 M o d e r n S u r v e y 現代測量學 移動站 現代測量技術室 M o d e r n S u r v e y 現代測量學 移動站接收機和天線