GPS测量的原理与应用电子教案

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1、*1GPSGPS测量的测量的原原理理 与与 应应用用*2基基 本本 原原理理GPS基础教程*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 Selective Availability(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 结索引索引 第一部分第一部分*4与

2、 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 5 Km 左 右气 候 因 素 限 制 着 传 统 测 量 的 运 作。如 雾，雨 等传传统统测测量量技技术术的的缺缺陷陷GPS基础教程*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

3、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 GPS 优优势势GPS基础教程*6GPS 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1 0-2 0m 全球信号覆盖 2 4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 GPS 的的主主要要特特性性GPS基础教程*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

4、时 和 卫 星 钟24 颗 卫 星20200 Km用 户 设 备 部 分接 受 卫 星 信 号GPS GPS 系统的组成系统的组成GPS基础教程*8空空间间部部分分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 20200 Km 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 Block 1(一 代),Block 2, 2A(二 代), Block 2R，2 F(三 代)赤赤道道55GPS基础教程*9 24颗卫星(21+3

5、) 6个轨道平面 55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4 GPS卫星*10控控制制部部分分主 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*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(Diego Garcia)卡瓦加兰(kwajalein) 五个监测站

6、=1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii)55Hawaii AscencionDiego GarciakwajaleinColorado springs*12距距离离测测定定原原理理XllVlXl lllGPS基础教程*13XllVlXllllllllVVVll VlllXlX距距离离测测定定原原理理GPS基础教程*14XllVlXllllVll距距离离测测定定原原理理GPS基础教程*15XllVlXllllllllVVVll VlllXlX距离 = 传播时间 x 光速距距离离测测定定原原理理GPS基础教程*16我 们 必 定 在 以 R1 为 半 径 的 球 面 的 某 个 点 上R1

7、点点位位测测定定原原理理GPS基础教程*172 个 球 面 相 交 成 一 个 圆 弧点 位 被 限 制 在 一 曲 线 上R1R2点点位位测测定定原原理理GPS基础教程*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点点位位测测定定原原理理GPS基础教程*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

8、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 30,000 Km 的 距 离 误 差 1 /1,000,000 秒 的 测 时 误 差 将 引 起 300 m 的 距 离 误 差点点位位测测定定原原理理GPS基础教程*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 理点点位位确确定定GPS基础教程*21GPS GPS

9、的的信信号号结结构构每 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 10.23 MHzx 154x 120L1 1575.42 MHzL2 1227.60 MHzC/A 码 1.023 MHzP (Y) 码 10.23 MHzP (Y)-Code 10.23 MHz/1050 bit/s卫 星 信 悉 (

10、 状 态 信 悉 和 星 历 )GPS基础教程*22测测距距码码伪伪距距测测定定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( d T )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*23D = c T N载载波波相相位位测测距距载 波 相 位 观 测载波L 1的波长为1 9c m， L 2的波长 为2

11、4c m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*24点点位位测测定定精精度度 10 - 30 10 - 30 mm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*25P = 正确位置P防电子欺骗技术(AS) 选择服务政策(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 -

12、 30m 的 定 位 精 度30m100mGPS基础教程*26+/- 100+/- 100m (95%)m (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 ( 技 术 ) 人为降低卫星星历精度( 技术 ) 此 项 技 术 称 为 选 择 可 用 性 技 术 点位精度为1 0 0m( 9 5 % )P = P = 正正确确位位置置P理 论 上 基 于 C/A 码 的 定 位 精 度 约 为 10 - 30m 选选择择可可用用性性技技术术 ( (SA) SA) 30m100mGPS基础教

13、程*27点点位位测测定定精精度度 10 10 - 100 - 100 mm防电子欺骗技术(AS)选择服务政策(SA)* SA技术已经于2000年5月取消GPS基础教程*28GPS定位的误差源8 GPS 定位原理v 与GPS卫星有关的因素SA技术 人为的降低广播星历精度(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v 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v 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*29如如何何提提高高 GPSGPS的测的测量量精精度度 ? ?使使用用 差差分分 GPS GPS 技技术术GPS基础教程*30差差分分定定位

14、位技技术术在 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 0.5 cm - 5 mBaseline VectorBaseline VectorBA AGPS基础教程*31伪 距 差 分 测 量 精 度 可 达 0.5m - 5 m 此 种 测 量 形 式 一 般 称 为 DGPS基基线线向向量量差差分分定定位位技技术术BA AGPS基础教程*3

15、2RTD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*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*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 - 10 mm + 1ppm基基线线向向量量差差分分定定位位技技术术BA AGPS基础教程*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 - time kinematic)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*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*37*38时间 (0)整周数时间 (i)整周数整周变化数相位差测量整整周周模模糊糊度度在 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*39精度 (m)1.000.100.01静态测量静态测量0 120快速静态测量快速静态测量0 2