GPS数据采集与处理

13S？3SGIS：地理信息系统RS：遥感GPS：全球定位系统2第九章GPS数据采集与处理3GPS概述1GPS定位方法2GPS数据及其处理3GPS静态测量的实施4GPS数据采集与处理GPS基线向量网与高程平差5RTK技术及其应用64第一节GPS概述GPS是全球定位系统(GlobalPositionSysterm)的简称5GPS相对经典测量技术特点观测站点之间无需通视定位精度高观测时间短提供三维坐标操作简便全天候作业：白天黑夜6例如：GPS用于大地测量78一、GPS的组成GPS由三个独立的部分组成How手机？GPS空间星座部分地面监控系统用户设备部分9一、GPS的组成空间部分24颗GPS卫星组成用户部分GPS接收机控制部分1个主控站3个注入站5个监控站注入站监控站主控站10（一）GPS空间星座部分它由24颗卫星组成，其中包括3颗可随时启用的备用卫星。分布在6个轨道面上，每个轨道面上布放4颗卫星。这种配置保障了在地球上任意地点，任意时刻，至少同时可见到4颗卫星。11（一）GPS空间星座部分GPS卫星图片12（一）GPS空间星座部分接收、储存和处理地面监控系统发射来的导航电文及其它有关信息；向用户连续不断地发送导航与定位信息，并提供时间标准、卫星本身的空间实时位置及其它在轨卫星的概略位置；接收并执行地面监控系统发送的控制指令，如调整卫星姿态和启用备用时钟、备用卫星等。GPS卫星的主要功能：13（二）GPS地面监控系统它由分布在全球的5个地面站组成，按其功能分为主控站(MCS)、注入站(GA)和监测站(MS)三种。14（二）GPS地面监控系统（1）主控站：1个，设在美国的科罗拉多的斯普林斯(ColoradoSprings)的空军基地。主控站负责协调和管理所有地面监控系统的工作15（二）GPS地面监控系统（2）注入站（又称地面天线站）：3个，分别设在南大西洋的阿松森群岛、印度洋的迪哥加西亚和南太平洋的卡瓦加兰。将来自主控站的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。16（二）GPS地面监控系统（3）监测站：共5个，除上述4个地面站具有监测站功能外，还在夏威夷(Hawaii)设有一个监测站。高度自动化：GPS地面监控系统除主控站外均由计算机自动控制，而勿需人工操作。17（三）GPS用户设备部分GPS用户设备部分，包括GPS接收机硬件、数据处理软件和微处理机及其终端设备。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。18GPS的组成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19二、GPS的信号GPS卫星发射两种频率的载波信号：L1载波、L2载波。在L1和L2上又分别调制着多种信号，这些信号主要有：C/A码（粗捕获码）、P码（精码）它们的频率分别是基本频率10.23MHz的154倍和120倍，它们的波长分别为19.03cm和24.42cm。20三、GPS定位系统的坐标系统任何测量都离不开一个基准，都需要一个特定的坐标系统。GPS是全球性的定位导航系统，因此它采用国际协议确定的协议地球坐标系（CTS），即WGS-84世界大地坐标系。21四、GPS的服务GPS服务SPS服务PPS服务标准定位服务：面向全世界民用用户精密定位服务：面向美国及其盟国的军事部门以及民用特许用户Back22第二节GPS定位方法23一、GPS定位方法的分类(一)根据定位所采用的观测值伪距法+载波定位法(二)根据定位的模式绝对定位+相对定位(三)根据获取定位结果的时间实时定位+非实时定位(四)根据定位时接收机的状态静态定位+动态定位24一、GPS定位方法的分类(一)根据定位所采用的观测值伪距法载波定位法GPS伪距观测值GPS载波相位观测值，即L1、L2或其线性组合25一、GPS定位方法的分类(二)根据定位的模式绝对定位(单点定位)相对定位(差分定位)是利用GPS独立确定用户接收机天线(观测站)在WGS-84坐标系中的绝对位置(单机)在WGS-84坐标系中确定收机天线(观测站)与某一地面参考点之间的相对位置，或两观测站之间相对位置(多机)26一、GPS定位方法的分类(二)根据定位的模式绝对定位(单点定位)相对定位(差分定位)27一、GPS定位方法的分类(三)根据获取定位结果的时间实时定位非实时定位根据接收机观测到的数据，实时地解算出接收机天线所在的位置通过对接收机接收到的数据进行处理后进行定位28一、GPS定位方法的分类(四)根据定位时接收机的状态静态定位动态定位GPS接受机在整个观测进程中的位置固定不动GPS接收机在整个观测进程中的位置是变化的29GPS定位方法①根据定位所采用的观测值伪距法+载波相位法②根据定位的模式绝对定位+相对定位③根据获取定位结果的时间实时定位+非实时定位④根据定位时接收机的状态静态定位+动态定位相互结合30二、GPS测量方法实时动态定位静态(准动态)相对定位事后处理动态定位GPS定位Back内容略，有兴趣的同学请自学。31第三节GPS数据及其处理32一、GPS基本定位原理伪距测量定位载波相位测量定位GPS基本定位方法：33一、GPS基本定位原理(一)伪距测量定位原理伪距观测量：是通过测量卫星信号从发射时刻到接收机接收时刻的时延，然后乘以光速得到的距离观测量。伪距定位观测方程式坐标推算：观测4颗以上卫星→列出4个以上方程式→4个未知数34接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距地心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对卫星进行测距35坐标推算距离交会法36一、GPS基本定位原理(二)载波相位测量定位原理载波相位观测量：是接收机测量得到的卫星信号载波与测量时刻接收机产生的本振载波相位的差值。通过测量载波的相位而求得接收机到GPS卫星的距离。37二、GPS数据数据采集数据传输数据预处理基线解算GPS网平差GPS数据处理基本流程38二、GPS数据(一)GPS测量的误差源卫星钟差：某时刻原子钟与GPS时之差（系统误差）星历误差：卫星轨道误差（系统误差）接收机钟差：某时刻石英钟与GPS时之差（系统误差）多路径效应影响：多路反射波（系统误差）电离层、对流层延迟：群折射路径延长（系统误差）强电波干扰：广播发射台、强辐射源（系统性、随机性）操作误差：对中、整平、量天线高（随机误差）GPS测量的误差源多数表现出系统性特点39二、GPS数据(二)GPS测量误差消减对策（1）系统误差对策求差（单差、双差）法：消除卫星与接收机的钟差消减星历误差、电离层与对流层延迟模型改正法：卫星钟差改正模型、电离层改正模型、对流层改正模型选点回避法：远离干扰源、反射源（2）随机误差对策精心操作：对中、整平、量天线高多余观测：复测基线、多时段观测、延长观测时间Back40第四节GPS静态测量的实施GPS静态定位有着广泛的应用。例如：大地测量、工程测量、地籍测量、变形监测、…41一、GPS静态定位测量特点精度高：＞常规测量手段选点灵活、费用低：不需通视全天候：黑夜、刮风下雨观测时间短：特别是快速静态定位42二、GPS布网方法(一)GPS基线向量网的等级我国2001年颁布的GPS测量规范：六个级别：AA、A、B、C、D、EAA、A级网可作为地心参考框架的基础；AA、A、B一般可作为国家空间大地测量控制网的基础；C级网为地方控制网和工程网；D级网为工程控制网；E级网为测图网。43二、GPS布网方法(二)GPS基线向量网的布网形式跟踪站式会战式单基准站式多基准站式同步图形扩展式44二、GPS布网方法(二)GPS基线向量网的布网形式①跟踪站式若干GPS接收机固定，365×24不间断观测②会战式不太长时间内一次集中多台GPS接收机，共同作业。45二、GPS布网方法(二)GPS基线向量网的布网形式③单基准站式一台接收机作为基准站连续观测,其余接收机在基准站观测期间在其周围流动，每到一点就进行观测。④多基准站式多台GPS接收机构成多个基准站，另外接收机在基准站周围进行同步观测。流动站基准站46二、GPS布网方法(二)GPS基线向量网的布网形式⑤同步图形扩展式多台接收机在不同测站上进行同步观测，在完成一个时段的同步观测后，又迁移到其它的测站上进行同步观测，每次同步观测都可以形成一个同步图形。在测量过程中，不同的同步图形间一般有若干个公共点相连，整个GPS网由这些同步图形构成。（下页图）47二、GPS布网方法(二)GPS基线向量网的布网形式⑤同步图形扩展式点连式（7个三角形）边连式（14个三角形）混连式（10个三角形）48三、GPS基线解算过程①原始观测数据的读入：数据处理软件②外业输入数据的检查与修改③设定基线解算的控制参数④基线解算⑤基线质量的检验⑥平差⑦成果转化BackGPS基线解算：是利用GPS观测值，通过数据处理，得到测站的坐标或测站间的基线向量值。49第五节GPS基线向量网与高程平差50一、坐标系变换2()coscos()cossin[(1)]sinXNHBLYNHBLZNeHB2222arctan()()arctan()[(1)](1)sinYLXZNHBXYNeHZHNeB(,,)(,,)XYZLBH2222221sin(,)aNeBabeaba分别为长、短半轴51二、GPS基线向量网平差(一)网平差的分类根据平差所进行的坐标空间：三维平差、二维平差根据平差时所采用的观测值和起算数据的数量和类型：无约束平差、约束平差、联合平差GPS网平差的类型有多种：52二、GPS基线向量网平差①提取基线向量，构建GPS基线向量网②三维无约束平差③约束平差/联合平差④质量分析与控制(二)网平差的过程53③正常高系统：以似大地水准面为基准，HrBack②正高系统：以大地水准面为基准，Hg①大地高系统：以参考椭球面为基准，H三、GPS高程系统GPS？54第六节GPS实时动态（RTK）技术及其应用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cm级的精度，而RTK技术是能够在野外实时得到cm级定位精度的测量方法。55RTK是载波相位动态实时差分(Real-TimeKinematic)方法的缩写。RTK是GPS应用的重大里程碑，大大提高了外业测量的效率。56移动站基准站5758一、RTK技术原理基准站流动站电子手簿GPS接收机发射电台GPS接收机RTK动画演示GPS接收机发射电台GPS接收机基准站流动站电子手簿接收电台5960一、RTK技术原理61移动站基准站基准站移动站64二、RTK技术应用各种控制测量公路控制测量、水利工程控制测量、大地测量地形测图普通地图…（1人操作，无需通视）工程放样指引至放样点（1人操作）航摄飞机导航三、网络RTK特点：相对传统RTK而言，网络RTK定位精度与距离的远近无关。应用：南方CORS(连续运行参考站)RTK能否共用一个基准站？南方CORS基准站移动站南方CORS网络CORS多基站CORS单基站CORSCORS：①单基站CORS②多基站CORS原理与单基站CORS一致。找寻并使用距移动站最近的那个基站。③网络CORS③网络CORSCORS基站CORS移动站72