GPS测量

GPS原理及使用简介内容概要一GPS基础知识（一）GPS及其背景（二）GPS的特点（三）GPS的系统组成（四）GPS的功能二GPS定位原理三GPS实施步骤第一章GPS基础知识第一节GPS及其背景1957年10月第一颗人造卫星发射成功以后，1958年底，美国海军武器实验室就着手建立为美国军方军用舰艇导航服务的卫星系统，即“海军导航卫星系统”（NavyNavigationSatelliteSystem）。但是由于该系统的卫星数目较少（5～6）、运行高度较低（平均约1000km)、从地面站观测到卫星的时间间隔较长（平均约1.5小时），因而它无法提供连续的实时三维导航。加上获得一次导航解的时间较长，所以难以充分满足军事方面的需要，尤其是高动态目标（飞机、导弹）。为了满足军事和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求，1973年美国国防部便开始组织海陆空三军，共同研究建立新一代的卫星导航系统。这就是目前所称的“授时与测距导航系统/全球定位系统”（navigationsystemtimingandranging/globalpositioningsystem,简称NAVSTAR/GPS),通常简称为“全球定位系统”。（三代卫星）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第二节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定位精度高(小于50km基线，精度可达mm级）观测时间短白天和夜间均可作业提供三维坐标操作简单第三节GPS的系统组成空间部分GPS卫星组成用户部分GPS接收机控制部分1个主控站3个注入站5个监控站注入站监控站主控站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包括数据采集和注入接收卫星信号记录处理数据提供导航定位信息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(4~11)GPS卫星空间分布（目前轨道上实际运行的卫星个数已经超过了32颗）GSP地面控制站分布一个主控站：科罗拉多•斯必灵司(推遍星历及修正参数、时间基准、轨道纠偏、启动备用卫星）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用户部分用户设备主要包括GPS接收机和数据处理软件，以及计算机和其他终端设备（车船导航）。包括我们日常所见的单频和双拼接收机以及手持GPS接收机等。软件主要包括数据预处理软件、基线向量处理软件、网平差软件、联合平差软件和数据库处理软件等。GPS用户部分的应用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）定位第二章GPS定位原理依定位时的状态动态定位：接收机处于运动状态静态定位：接收机固定，相对静止依定位模式绝对定位（单点定位）：确定观测站相对于地球质心的位置相对定位（差分定位）：确定接收机之间的相对位置依定位采用的观测值测码伪距测量（观测对象为数据码）载波相位测量（观察对象为载波）依时效实时定位事后定位第一节GPS测量定位模式相对定位的模式静态模式：两套以上的接受设备，分别安置在基线的端点，同步观测一组卫星一定的时段。该模式基线精度约为5mm+1ppm。快速静态模式：在测区中部安置一台基准站，另一台接收机依次到各点流动设站，并且在每一个测站观测1～2分钟。该模式要求卫星数不少于5个，流动站和基准站距离不大于15公里。该模式的基线精度约为5mm+1ppm。动态模式:在测区选择基准站安置接收机，连续跟踪可见卫星，另一台接收机安置在移动载体上，在出发点静态定位观测1～2分钟，运动的接收机从出发点开始观测。一般该模式要求卫星数不少于5个，流动站和基准站距离不大于15公里。该模式基线精度1～2厘米。实时动态模式：在测区选择基准站安置接收机，连续跟踪可见卫星，并将其观测量通过无线电设备实时传输给流动站。流动站接受卫星信号的同时也接受基准站信号，然后解算流动站的三维坐标。其精度可达厘米级。第二节GPS伪距定位原理信号构成基本频率：f0=10.23MHz1、载波：L1=154f0=1575.42MHz波长=19.03cmL2=120f0=1227.60MHz波长=24.42cm2、测距码：C/A码频率=f0/10=1.023MHz对应时间1ms，码元宽度对应的波长=293mP码频率=f0=10.23MHz码长235469592765000位、对应时间266.4天码元宽度对应的波长=29.3mL1载波调制有C/A码和P码L2载波仅调制有P码3、导航电文：包含了有关卫星星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获P码等导航信息的数据码（D码）。GPS卫星信号结构每颗GPS卫星发射一组无线电信号每组信号包括两个载波(L1与L2)及两种码，L1上调制的C/A码，L1和L2上的P码或Y码，还有卫星轨道信息所有信号均由同一个震荡器产生基准频率10.23MHzL11575.42MHzC/A码1.023MHzP或Y-码10.23MHzL21227.60P或Y码10.23MHz信息码50Hzx120x154÷10第二节GPS伪距定位原理导航点位是按空间后方距离交会的方法计算出来卫星是“沿轨道运动的控制点”采用码相关技术测定接收机至每颗卫星的距离(伪距)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）第三节GPS载波相位定位原理采用载波相位观测值卫星广播的电磁波信号：由于测距码的码元长度较长，导致伪距的测量精度不高。而卫星发射的载波波长比测距码要短很多，将载波作为一个测量对象，就可以得到高精度的星站距离。其原理就是在接收机在对卫星进行跟踪测量的时候，本身也产生一个与载波相同的基准信号。接收机接收到载波信号，先进行解调，恢复成单纯的余弦波，在于基准信号混频，得到一个新的差频信号，差频信号的相位就是基准信号与接受信号的相位差值。所谓的载波相位测量就是混频后的差频信号的相位值。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、差分动态定位第四节GPS相对定位原理（差分定位）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•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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第三章GPS实施步骤静态GPS测量动态GPS测量第一节GPS静态测量作业步骤•GPS控制网的技术设计•GPS控制网网形设计•踏勘选点，修改网形，设置点位标志•编制作业进度计划，进行星历预报•外业观测和概算•内业处理和检验•坐标系统转换和高程拟合•成果报告的编制和资料验收一.控制网的应用范围二.分级布网大城市可分3级,中小城市可分2级三.GPS测量的精度标准σ=四.坐标系统与起算数据椭球参数,中央子午线,纵横坐标加常数,投影面高程,起算点的坐标及其精度五.GPS高程六.选点原则和点位标志262)10**(dba级别a(mm)b平均距离(km)AA≤3≤0.011000A≤5≤0.1300B≤8≤170C≤10≤510~15D≤10≤105~10E≤10≤200.2~5连测部分水准点(C、D、E级应按四等水准进行连测)1.GPS控制网的技术设计一.各级GPS控制网必须布设成由独立基线构成的闭合图形或附合路线二.最简独立闭合环或符合路线边数应符合下表规定≤10≤8≤6≤6≤5边数EDCBA级别三.N台接收机同步观测时的特点有N*(N-1)/2条同步基线，但只有N-1条基线是独立的。2.GPS控制网的网形设计N=4N=2N=3仪器台数同步图形独立基线N=5GPS控制网的观测基线GPS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求较高时，才单独采用这种图形。(2)、环形网优点：观测工作量较小，且具有较好的自检性和可靠性。缺点：非直接观测基线边(或间接边)精度较直接观测边低，相邻点间的基线精度分布不均匀。是大地测量和精密工程测量中普遍采用的图形，通常采用上述两种图形的混合图形。(3)、星形网优点：观测中只需要两台GPS接收机，作业简单。缺点：几何图形简单，检验和发现粗差能力差。广泛用于工程测量、边界测量、地籍测量和碎部测量等。•典型的布网形式1.点连2.边连3.混连点连边连混连GPS控制网的网形发展形式3、GPS的数据处理数据传输基线向量解算闭合环检核(同步环和异步环)重复基线检核WGS-84自由网平差和三维约束平差二维约束平差(在C80或C54坐标系)高程拟合注意事项一般静态控制测量对技术、人员和设备要求较高，多为专业测绘机构完成。但是上交资料要齐备，上交资料成果：测量任务书、技术设计；点之记、环视图、选点埋石资料；接收设备及其他仪器的检定材料；外业观测手簿及其他记录；数据处理生成的文件、资料、成果表；gps网点图；技术总结报告和成果验收报告。一般小范围的控制网，使用前要进行复测。主要复测检核方法就是全站仪测距检核网的基线长度和基线边的角度。第二节动态GPS的测量作业定位原理划分单点动态定位相对动态定位差分动态定位实时性划分实时动态定位后处理动态定位定位的载体伪距动态定位载波相位动态定位1、动态GPS的划分误差源及其特征：卫星轨道误差：影响大小与测站位置有关，距离较近时，影响大小相近（误差的空间位置相关性）卫星钟差：影响大小与测站无关（时间相关性）大气折射（电离层、对流层折射）：影响具有空间位置相关性多路径：与测站有关，测站间无关2、差分GPS(DGPS)基本思路：利用设于坐标已知的参考站，计算各类改正数、影响GPS测量定位的误差.40差分