工程测量GPS测量的原理与应用课件-PPT课件

2020年5月19日1GPS测量的原理与应用2020年5月19日2基本原理GPS基础教程2020年5月19日3GPS基础教程•传统测量技术的缺陷•GPS优势•GPS的主要特性•GPS系统的组成•距离测定的基本原理•点位测定的基本原理•GPS的信号结构•测距码伪距测量•载波相位测量•选择可用性技术SelectiveAvailability(SA)•误差来源•差分GPS•(初始)整周未知数•整周未知数的解算•精度因子•要点小结索引——第一部分2020年5月19日4•与传统的陆上测量技术相比GPS具有许多优势•传统大地测量技术依赖于测站点至目标点的通视情况–如果视线方向有障碍物，则必须绕道测量•一般来说传统方式的距离测量被限制在5Km左右•气候因素限制着传统测量的运作。如雾，雨等传统测量技术的缺陷GPS基础教程2020年5月19日5•不受气候条件的限制•无须通视要求•可进行高精度大地测量•能实现全天候测量运作•省时省力–经济效益明显•坐标系统通用•应用领域广泛•具有竞争力的价格GPS优势GPS基础教程2020年5月19日6•GPS系统的完善受控于美国国防部•GPS系统可提供–精确导航•导航精度约为10-20m–全球信号覆盖–24小时工作服务–普通座标系统中的测量工作•计划用GPS系统取代现有的导航系统•GPS系统可应用于民用及军事领域GPS的主要特性GPS基础教程2020年5月19日7控制部分1个主控站5个监控站空间部分导航卫星:导航信息卫星时和卫星钟24颗卫星20200Km用户设备部分接受卫星信号GPS系统的组成`GPS基础教程2020年5月19日8空间部分•24颗卫星•分布在互为55度交角的6个轨道平面上，每个轨道面上布有4颗卫星•卫星高约20200Km•12小时绕轨道一周–可见时间为4-5小时•设计寿命为7.5年•卫星种类区分–Block1(一代),Block2,2A(二代),Block2R，2F(三代)赤道55GPS基础教程2020年5月19日9•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)•12小时(恒星时)轨道周期•5个多小时出现在地平线以上(每颗星)•目前在轨实际运行的卫星个数已经超过32颗4GPS卫星2020年5月19日10控制部分•主控站–负责收集由监控站传来的卫星跟踪数据并计算卫星星历和时间参数•5个监控站–负责对卫星伪距数据的观测，这一卫星跟踪监测网用于确定卫星广播星历及卫星钟模式–地面控制站–负责向卫星注入信号GPS基础教程2020年5月19日115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)迭哥•伽西亚(DiegoGarcia)卡瓦加兰(kwajalein)五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii)55HawaiiAscencionDiegoGarciakwajaleinColoradosprings2020年5月19日12距离测定原理XllVlGPS基础教程2020年5月19日13XllVl距离测定原理GPS基础教程2020年5月19日14XllVl距离测定原理GPS基础教程2020年5月19日15XllVl距离=传播时间x光速距离测定原理GPS基础教程2020年5月19日16我们必定在以R1为半径的球面的某个点上R1点位测定原理GPS基础教程2020年5月19日172个球面相交成一个圆弧点位被限制在一曲线上R1R2点位测定原理GPS基础教程2020年5月19日183个球面相交成一个点3个距离段可以确定纬度，经度，和高程点的空间位置被确定R1R2R3点位测定原理GPS基础教程2020年5月19日19•卫星可被看作是在固定的轨道上运动空中观测目标•每颗卫星播发独立的时间码进行距离测量•常规GPS接收仪内置较为廉价的钟，这些钟的计时精度比卫星上内置钟的精度低得多•无线电电波以光速传播•(距离=光速x时间)–设想一下接收仪上钟的误差对距离测定的影响•1/10秒的测时误差将引起30,000Km的距离误差•1/1,000,000秒的测时误差将引起300m的距离误差点位测定原理GPS基础教程2020年5月19日204段距离解决了纬度，经度，高程和时间四个未知数这就类似于测边交会问题的解决原理点位确定GPS基础教程2020年5月19日21GPS的信号结构•每个GPS卫星播发一组信号•每组信号包括两个不同频率的载波信号(L1和L2)、两个不同的测距码信号(C/A码调制在L1载波上，P码或Y码同时调制在L1及L2载波上)以及卫星的轨道信息基准频率10.23MHzx154x120L11575.42MHzL21227.60MHzC/A码1.023MHzP(Y)码10.23MHzP(Y)-Code10.23MHz/1050bit/s卫星信悉(状态信悉和星历)GPS基础教程2020年5月19日22测距码伪距测定D=V(dT)•测距伪随机码•每一卫星播发一个伪随机测距码信号，该信号大约每1毫秒播发一次–接收仪同时复制出一个同样结构的信号并与接收到的卫星信号进行比较–由信号的延迟时间(dT)推算出卫星至接收仪的距离–接收仪时钟应与卫星钟校时dT接收到的卫星测距码接收仪复制出的测距码GPS基础教程2020年5月19日23D=cTN载波相位测距•载波相位观测–载波L1的波长为19cm，L2的波长为24cm–接收仪将接收到的卫星载波信号的相位与其自身产生的参考载波信号的相位进行比较–接收仪开机后，相位整周数未知(带有整周模糊度)–跟踪卫星时间较长时距离的变化可以测定(整周数保持不变)T接收到的卫星相位接收仪复制出的相位GPS基础教程2020年5月19日24点位测定精度10-30m单机定位用于导航，其定位精度大约在10到30m左右GPS基础教程2020年5月19日25P=正确位置P防电子欺骗技术(AS)选择性服务政策(SA)*SA技术已经于2000年5月取消•理论上利用C/A码可获取10-30m的定位精度30m100mGPS基础教程2020年5月19日26+/-100m(95%)•美国防部人为降低卫星广播信息的精度，限制非许可用户的非法使用–在基准信号上人为加入一个高频抖动信号(δ技术)–人为降低卫星星历精度(ε技术)•此项技术称为选择可用性技术–点位精度为100m(95%)P=正确位置P•理论上基于C/A码的定位精度约为10-30m选择可用性技术(SA)30m100mGPS基础教程2020年5月19日27点位测定精度10-100m防电子欺骗技术(AS)选择性服务政策(SA)*SA技术已经于2000年5月取消GPS基础教程2020年5月19日28－－GPS定位的误差源8GPS定位原理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)卫星星历误差卫星钟差卫星信号发射天线相位中心偏差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接收机天线相位中心误差接收机软件和硬件造成的误差2020年5月19日29如何提高GPS的测量精度?使用差分GPS技术GPS基础教程2020年5月19日30差分定位技术•在测定流动站的座标时与之相关联的参考站的设置是必须的–参考站(A)的座标须已知–卫星必须同时被跟踪•差分定位–削减卫星及接收仪钟的误差影响–大气影响削减至最小–精度达0.5cm-5mBAGPS基础教程2020年5月19日31•伪距差分测量精度可达0.5m-5m•此种测量形式一般称为DGPS差分定位技术BAGPS基础教程2020年5月19日32RTD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2020年5月19日33测深仪电脑信标台站移动站GPS主机信标机测量原理图信标天线2020年5月19日34•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+1ppm差分定位技术BAGPS基础教程2020年5月19日35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2020年5月19日36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2020年5月19日372020年5月19日38时间(0)整周数时间(i)整周数整周变化数相位差测量整周模糊度•在使用载波相位观测时整周数应被解算出来相位差测量GPS基础教程2020年5月19日39精度(m)1.000.100.01静态测量0120快速静态测量025时间(mins)未解算出整周模糊度时的测量精度已解算出整周模糊度时的测量精度解算整周模糊度•整周模糊度的解算效果如下所示•注意到一旦模糊度被解出，测量精度将不随时间有明显增长GPS基础教程2020年5月19日40•一种描述纯粹因卫星几何因素对定点精度的影响•精度因子指出在测量时被跟踪卫星几何结构上的强度–GDOP(Geometrical)包括经度,纬度,高程和时间等因子，称为几何精度因子–PDOP(Positional)包括经度,纬度和高程等因子，称为空间位置精度因子–HDOP(Horizontal)包括经度和纬度等因子，称为平面位置精度因子–VDOP(Vertical)仅包括高程因子，称为高程精度因子精度因子(DOP)较好的DOPGPS基础教程2020年5月19日41精度因子(DOP)较差的DOP•一种描述纯粹因卫星几何因素对定点精度的影响•精度因子指出在测量时被跟踪卫星几何结构上的强度–GDOP(Geometrical)包括经度,纬度,高程和时间等因子，称为几何精度因子–PDOP(Positional)包括经度,纬度和高程等因子，称为空间位置精度因子–HDOP(Horizontal)包括经度和纬度等因子，称为平面位置精度因子–VDOP(Vertical)仅包括高程因子，称为高程精度因子GPS基础教程