GPS测量数据处理

GPS测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤GPS测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤目录前言第一章GPS定位原理概要第二章坐标系、基准和参考框架第三章GPS静态定位在测量中的应用第四章技术设计第五章布网和作业方法第六章GPS测量常用数据格式第七章GPS基线解算第八章GPS基线向量网平差第九章GPS高程测量第十章技术总结GPS测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤前言GPS应用概述课程目的教学内容教学要求及学习方法GPS测量数据处理GPS测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤什么是GPS？GPS的英文全称是NavigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositioningSystem，简称GPS，有时也被称作NAVSTARGPS。其意为“导航星测时与测距全球定位系统”,或简称全球定位系统。全球定位系统（GPS）是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性（陆地、海洋、航空和航天）、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能。能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。GPS测量数据处理前言GPS测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤课程目的了解和掌握利用GPS定位技术建立控制网的基本原理和方法了解和掌握GPS数据处理的基本原理和过程了解商用数据处理软件及其使用如：TGO软件（TrimbleGeomaticsOffice）GPS测量数据处理前言课程目的GPS测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤教学内容教学内容GPS定位原理概述坐标系、基准和坐标系统GPS静态定位在测量中的应用GPS网的技术设计及布网方法GPS测量数据处理基线解算GPS高程GPS基线向量网平差GPS测量数据处理前言教学内容GPS测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤要求掌握基本概念、基本理论了解软件的操作使用方法学习方法注意理论与实践相结合GPS测量数据处理前言教学要求及学习方法教学要求及学习方法GPS测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤第一章GPS定位原理概述第一节GPS系统的组成第二节GPS信号第三节SPS和PPS第四节GPS定位的常用观测值第五节GPS定位的误差源第六节GPS定位方法GPS测量数据处理GPS测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤第一节GPS的系统组成GPS系统由三部分组成空间部分（SpaceSegment）地面部分（GroundSegment）用户部分（UserSegment）GPS测量数据处理第一章GPS定位原理概述GPS测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤GPS的系统组成——空间部分GPS卫星星座–设计星座：21+3•21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星•6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55，周期11h58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次）•保证在每天24小时的任何时刻，在高度角15以上，能够同时观测到4颗以上卫星–当前星座：28颗GPS测量数据处理第一章第一节GPS的系统组成GPS测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤GPS的系统组成——地面控制部分GPS的地面控制部分组成：主控站（1个）监测站（5个）注入站（3个）作用：监测和控制卫星运行编算卫星星历（导航电文）保持系统时间。主控站监测站注入站大西洋太平洋印度洋GPS测量数据处理第一章第一节GPS的系统组成GPS测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤GPS系统的用户设备部分组成GPS信号接收机及辅助设备作用跟踪、捕获卫星信号进行信号处理测定位置、速度和时间GPS信号接收机的构成天线单元接收单元GPS信号接收机天线单元接收单元GPS测量数据处理第一章第一节GPS的系统组成GPS测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤GPS信号的基本组成部分（信号分量）载波（CarrierPhase）测距码（RangingCode）导航电文（NavigationMessage/DataMessage）第二节GPS信号GPS测量数据处理第一章GPS定位原理概述GPS测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤GPS信号的生成基准频率卫星电文卫星电文GPS测量数据处理第一章第二节GPS信号GPS测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤载波作用：搭载其它信号，也可用于测量（测距）。类型目前L1：频率：1575.43MHz，波长：19cmL2：频率：1227.60MHz，波长：24cm现代化后增加L5：频率：1176.45MHz，波长：26cmGPS卫星信号结构——载波GPS测量数据处理第一章第二节GPS信号GPS测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤GPS卫星信号结构——测距码测距码属于伪随机噪声码–PRN码（PseudoRandomNoise）类型（目前）C/A（C1）码速：1.023MHz码元长度：293mP(Y)1、P(Y)2码速：10.23MHz码元长度：29.3m现代化后增加C2M1、M2(军用码)GPS测量数据处理第一章第二节GPS信号GPS测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤GPS卫星信号结构——导航电文导航电文码速：50bps内容：广播星历（导航信息）卫星钟改正历书（概略星历）电离层信息卫星健康状况GPS测量数据处理第一章第二节GPS信号GPS测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤第三节SPS和PPSSPS与PPSSPS–标准定位服务使用C/A码，民用2DRMS水平=100m2DRMS垂直=150-170m2DRMS时间=340nsPPS–精密定位服务可使用P码，军用2DRMS水平=22m2DRMS垂直=27.7m2DRMS时间=100nsGPS测量数据处理第一章GPS定位原理概述GPS测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤第四节GPS定位的常用观测值伪距调制在L1载波上的C/A码伪距调制在L1、L2载波上的P码伪距载波L1载波相位观测值L2载波相位观测值（半波或全波）多普勒L1、L2载波上的多普勒频移GPS测量数据处理第一章GPS定位原理概述GPS测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤第五节GPS定位的误差源与GPS卫星有关的因素与传播途径有关的因素与接收机有关的因素其它因素GPS测量数据处理第一章GPS定位原理概述GPS测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤误差的分类（按误差来源）与卫星有关的误差卫星星历（轨道）误差卫星钟差相对论效应与传播途径有关的误差电离层延迟误差对流层延迟误差多路径效应与接收设备有关的误差接收机钟差接收机天线相位中心偏差其它因素GPS测量数据处理第一章第五节GPS定位的误差源GPS测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤第六节GPS定位方法GPS测量定位的分类依定位时待定物体的运动状态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（伪距法定位）载波相位测量依时效实时定位事后定位GPS测量数据处理第一章GPS定位原理概述GPS测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤第二章坐标系、基准和参考框架第一节坐标系第二节基准和参考框架第三节坐标系变换与基准变换第四节GPS测量中常用的坐标系统GPS测量与数据处理GPS测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤第一节坐标系一、概述二、参考系三、基本测量坐标系GPS测量数据处理第二章坐标系、基准和参考框架GPS测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤一、概述测量工作的基本任务是确定物体（某一个点）的空间位置。而对位置的描述是建立在某一个特定的空间框架之上的。所谓的空间框架就是通常所说的坐标系统。一个完整的坐标系统是由坐标系和基准两方面要素所构成的。GPS测量数据处理第二章第一节坐标系GPS测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤坐标系指的是描述空间位置的表达形式，即采用什么方法来表示空间位置。基准指的是为描述空间位置而定义的一系列点、线、面。在大地测量中的基准一般是指为确定点在空间中的位置，而采用的地球椭球或参考椭球的几何参数和物理参数，及其在空间的定位、定向方式，以及在描述空间位置时所采用的单位长度的定义。GPS测量数据处理第二章第一节坐标系GPS测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤二、参考系点的位置是由以相对于一个预先定义的数学表面的坐标值所确定的。在大地测量中，该数学表面被称为基准，而相对于该基准的点位置由其坐标来确定。所以基准就是用作确定点位置的参考的坐标面。这样的参考系可以建立在大地水准面、参考椭球面或一个平面上。GPS测量数据处理第二章第一节坐标系GPS测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤地球的自然表面地球的自然表面：地球的自然表面高低起伏，其形状十分复杂，如珠穆朗玛峰高达8848.13m，马里亚纳海沟深达11022m。海洋的面积占71%，陆地的面积占29%。可以用静止的海水面向陆地延伸而形成一个封闭的曲面，得到包围地球的形体来代表地球的形体。GPS测量数据处理第二章第一节坐标系GPS测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤水准面水准面：任何静止的液体表面称为水准面，是一个处处与重力方向垂直的连续曲面。铅垂线和水准面是测量工作所依据的线和面。随着高度的不同，水准面有无数个。平均海水面是其中的一个。P离心力重力垂球铅垂线GPS测量数据处理第二章第一节坐标系GPS测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤大地水准面大地水准面：平均海水面向陆地、岛屿延伸而形成的封闭曲面。它所包围的形体叫大地体。由于地球内部质量分布不均匀，使得地面上各点的铅垂线方向产生不规则的变化，因而大地水准面实际上是一个连续的封闭的但有微小起伏的不规则曲面，无法用数学模型来表示。地球自然表面大地水准面GPS测量数据处理第二章第一节坐标系GPS测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤地球形状的认识公元前6世纪毕达哥拉斯提公元前4世纪亚里士多德用物理方法验证了地圆说18世纪证实的扁球说。长半轴a=6378140米短半轴b=6356755米a-b=21385米扁度=298.2571baa方远古？圆球扁球现代椭球GPS测量数据处理第二章第一节坐标系GPS测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤参考椭球面参考椭球面：一个以椭圆的短轴为旋转轴的旋转椭球体的表面。椭球体的大小和大地体十分接近。参考椭球面可用数学模型表示。1、代表地球的数学表面；2、大地测量计算的基准面；3、研究大地水准面的参考面；4、地图投影的参考面。GPS测量数据处理第二章第一节坐标系GPS测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤参考椭球面参考椭球的定位：为了将以大地水准面为基准的野外观测结果化算到这个表面上，必须将参考椭球面与大地水准面在位置上的关系确定下来，这个工作叫椭球定位。世界各国都根据本国的地面测量成果选择一种适合本国要求的参考椭球。与各国领域内的局部大地水准面最为接近。定大地原点：定向：短轴平行于地轴定位：大地体与椭球体相切定大小：椭球的基本元素一定ab参考椭球面GPS测量数据处理第二章第一节坐标系GPS测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤为了准确描述地球椭球的形状，国际上综合了天文、大地、重力、人卫等资料，给出了