测量学课件(八)

第8章全球定位系统的定位技术测量学（一）GPS及其背景1.它的全称是卫星授时测距导航系统/全球定位系统（NAVSTAR/GPS；NavigationSystemtimingAndRanging/GlobalPositioningSystem）2.GPS是美国军方研制的第二代卫星导航系统(1)全球通用，24小时可以定位，测速和授时(2)确保美国军事安全，服务于全球战略(3)导航精度可达10—20m(4)1994年3月28日建成，取代其它导航系统05000100001500001000200030000500010000150000100020003000GPS用于军事飞行高度9,840英尺/3,000米系统特征NNSSGPS载波频率GHz0.15,0.401.23,1.58卫星高度km107020200卫星数621+3卫星周期min1:4711:58卫星钟稳定度10-1110-12GPS与NNSS的主要特征比较注：NNSS是美国于1964年建成的海军导航系统系统特征GLONASSGPS载波频率GHz1.61,1.251.23,1.58卫星高度km1910020200卫星数21+321+3卫星周期h11:1511:58卫星钟稳定度10-1110-12GPS与GLONASS的主要特征比较注：GLONASS是俄罗斯于1996年建成的全球定位系统（二）GPS的特点全球性，全天候，高精度，保密性GPS测量与经典测量方法的对比：不需要相互通视观测作业不受天气条件的影响网的质量与点位的分布情况无关能达到大地测量所需要的精度水平白天和夜间均可作业经济效益显著GPS用于大地测量（三）GPS的系统组成空间部分24颗GPS卫星组成用户部分GPS接收机控制部分1个主控站5个监控站3个注入站注入站监控站主控站注入站空间星座部分：提供星历和时间信息发射伪距和载波信号提供其它辅助信息地面控制部分：中心控制系统实现时间同步跟踪卫星进行定轨用户部分：接收卫星信号记录处理数据提供导航定位信息GPS空间星座部分•24颗卫星(21+3)•6个轨道平面•55º轨道倾角•20200km轨道高度(地面高度)•11小时58分(恒星时)轨道周期•5个多小时出现在地平线以上(每颗星)•在全球各处能观测到高度角15°的卫星4颗以上GPS卫星（目前轨道上实际运行的卫星个数已经超过了32颗）GPS卫星在轨道上的分布GPS地面监控部分控制部分1个主控站3个注入站5个监控站GSP地面控制站一个主控站：科罗拉多•斯必灵司三个注入站：阿松森(Ascencion)—大西洋迭哥•伽西亚(DiegoGarcia)—印度洋卡瓦加兰(kwajalein)—太平洋五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii)55HawaiiAscencionDiegoGarciakwajaleinColoradospringsGPS用户部分1.GPS接收机的功能•跟踪、接收、放大、处理卫星信号，测量出信号从卫星到天线的传播时间。•解译导航电文，实时解算测站三维位置。2.GPS接收机的类型3.GPS接收机的发展•1981年GPS接收机问世•测地型已从第一代发展到第三代,目前还在飞速发展。（2）按信号频率分：•单频（L1）•双频（L1和L2）（1）按用途分：•导航型•授时型•测地型GPS天线部分将微弱的卫星电磁波信号转变为电信号,并放大GPS主机部分1.变频器2.信号通道3.微处理器4.存储器5.显示器GPS电源部分测地型GPS接收机导航型GPS接收机一般情况下无数据输出的记录存储设备(手持机)天线前置放大器电源部分射电部分微处理器数据存器显示控制器供电信号信息命令数据供电，控制供电数据控制（四）GPS的功能•导航–海空导航、车辆引行、导弹制导等•测速–其精度可达0.1m/s•测时与授时–其精度可达340ns（1纳秒=10-9秒）•定位Time(0)AmbiguityTime(i)AmbiguityCountedCyclesPhaseMeasurement（一）GPS坐标系1.WGS-84坐标系WorldGeodeticSystem-1984坐标是GPS所采用的坐标系统，GPS发布的星历参数都是基于此坐标系的。WGS-84的椭球参数：a=6378137m,1/f=298.2572.1954北京坐标系(C54)克拉索夫斯基椭球参数：a=6378245m,1/f=298.33.1980西安坐标系(C80)IUGG1975椭球参数：a=6378140m,1/f=298.257Y轴=东经90度Y轴在赤道平面内地心坐标为（0，0，0）Z轴=旋转轴（极轴—BIH1984.0）地球质心为原点的坐标系统（空间直角坐标系）依定位时的状态动态定位静态定位依定位模式绝对定位（单点定位）相对定位差分定位依定位采用的观测值伪距测量（伪距定位）载波相位测量依时效实时定位事后定位（二）GPS测量定位的分类(三)GPS定位原理卫星信号结构基准频率10.23MHZL11575.42MHZC/A码1.023MHZP•码10.23MHZL21227.60MHZP•码10.23MHZ1015412050比特/S卫星信息电文(D码)每颗卫星都发射一系列无线电信号(基准频率ƒ):两种载波(L1和L2)两种码信号(C/A码和P码)一组导航电文(信息码，D码)对卫星进行测距GPS定位的各种常用观测量地心SiPijPjriRjRj=ri+Pij有关各观测量及已知数据如下：r—为已知的卫地矢量P—为观测量(伪距)R—为未知的测站点位矢量距离观测值的计算接收机至卫星的距离借助于卫星发射的码信号量测并计算得到的接收机本身按同一公式复制码信号比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟时间t传播延迟时间乘以光速就得到距离观测值=C•ttt(三)单点定位结果的获取•单点定位解可以理解为一个测边后方交会问题•卫星充当轨道上运动的控制点，观测值为测站至卫星的伪距(由时间延迟计算得到)•由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差，所以要同步观测4颗卫星，解算四个未知参数：纬度,经度,大地高程h,钟差t伪距单点定位原理)()Z(Z)Y(Y)X(Xρ2Si2Si2SiiSSiTTC伪距单点定位的应用特点既能用于静态定位，也可进行动态定位而用于导航定位速度快、实时性好对信号的强度要求不高但定位精度较低（理论上为10米~30米，在SA和AS技术作用下误差达100米以上）GPS定位的误差来源与GPS卫星有关的因素SA技术：人为的降低广播星历精度(ε技术，2000年5月取消),AS技术：防电子欺骗技术；卫星星历误差；卫星钟差与传播途径有关的因素电离层延迟；对流层延迟；多路径效应与接收机有关的因素接收机钟差；天线相位中心误差；接收机软件和硬件误差另外有接收机的对中、整平误差等（四）GPS载波相位测量1.采用载波相位观测值卫星广播的电磁波信号：•信号量测精度优于波长的1/100•载波波长比C/A码波长短得多•所以，GPS测量采用载波相位观测值可以获得比伪距(C/A码或P码)定位高得多的测距精度L1载波L2载波C/A码P-码p=29.3mL2=24cmL1=19cmC/A=293m载波相位测量的特点•定位精度比伪距定位精度高•可用于进行–静态绝对定位、–静态相对定位、–差分动态定位设法解算出初始整周未知数•测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成(1)初始整周未知数n；(2)t0至ti时刻的整周记数Ci；(3)相位尾数i•如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初始整周未知数n•为了利用载波相位进行定位，必须设法先解算出初始整周未知数，取得总观测值n+Ci+iTime(0)AmbiguityTime(i)AmbiguityCountedCyclesPhaseMeasurement初始整周未知数的确定与定位精度的关系精度m1.000.100.01整周未知数确定后整周未知数确定前经典静态定位00308058时间(分)•如果无法准确解出初始整周未知数，则定位精度难以优于±1m•随着初始整周未知数解算精度的提高，定位精度也相应提高•一旦初始整周未知数精确获得，定位精度不再随时间延长而提高•经典静态定位需要30-80分钟观测才能求定初始整周未知数快速静态定位将这个过程缩短到5-8分钟(双频接收机)快速静态定位（五）GPS相对定位–相对定位的原理•相对定位是用两台（或多台）接收机分别安置在一条（或多条）基线的两端，同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点的相对位置或基线向量•在相对定位时，通过对观测量求差，可以消除卫星钟差、接收机钟差，削弱电离层和对流层折射的影响，提高测量精度•可以消去卫星钟的系统偏差•可以消去接收机时钟的误差PikPljPijPjPlkPkSlSi•可以消去轨道(星历)误差的影响•可以削弱大气折射对观测值的影响组成星际站际两次差分观测值•伪距差分测量精度可达0.5m-5m•此种测量形式一般称为DGPSBA伪距差分定位技术RTD测量原理图测深仪电脑发射电台GPS主机基准站移动站GPS主机接收电台•如果使用载波差分或同时使用载波差分及伪距差分则定位精度可达5-10mm+1ppmBA载波相位差分定位技术常规GPS的测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分(Real-TimeKinematic)方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据(伪距观测值，相位观测值)及已知数据传输给流动站接收机。什么是RTK技术发射电台GPS主机基准站移动站GPS主机RTK测量原理图采集器接收电台GPS静态定位主要用于建立各级测量控制网，其优点为：定位精度高，其基线的相对精度非常高选点灵活、不需要造标、费用低全天候作业观测时间短观测数据处理自动化(一)GPS用于大地测量1、GPS静态定位的主要应用领域在15º截止高度角以上不存在障碍物周围没有反射面，不致引起多路径效应安全避开过往行人和车辆附近不应该有强辐射源(如无线电台、电视发射天线等)可靠的电源供应足够的内存容量正确的配置参数(观测类型、记录速率)检查天线高和偏差仪器的正确检测2、GPS测量前注意事项GPS网的精度指标，通常以网中相邻点之间的距离误差来表示的，其具体形式如下：=±a2+(b·d)2—距离中误差(mm)a—固定误差(mm)b—比例误差系数(ppm)d—相邻点的距离(Km)3、GPS布网方法充分考虑建立GPS控制网的应用范围采用分级布网的原则GPS测量的精度标准国家测绘局1992年制订的我国第一部“GPS测量规范”将GPS的精度分为A—E五级(见下表)。其中A、B两级一般是国家GPS控制网。C、D、E三级是针对局部性GPS网规定的。级别项目ABCDE固定误差a(mm)=5=8=10=10=10比例误差系数b(ppm)=0.1=1=5=10=20相邻点最小距离(Km)10015521相邻点最大距离(Km)2000250401510相邻点平均距离(Km)3007015~1010~55~2GPS网设计的一般原则应通过独立观测边构成闭合图形，以增加检核条件，提高网的可靠性。应尽量与原有地面控制网相重合，重合点一般不少于3个，且分布均匀。应考虑与水准点相重合，或在网中布设一定密度的水准联测点。点应设在视野开阔和容易到达的地方，联测方向。可在网点附近布设一通视良好的方位点，以建立联测方向。根据GPS测量的不同用途，GPS网的独立观测边均应构成一定的几何图形，基本形式有：1.三角形网2.环形网3.星形网(1)、三角形网优点：图形几何结构强，具有较多的检核条件，平差后网中相邻点间基线向量的精度比较均匀。缺点：观测工作量大。一般只有在网的精度和可靠性要