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1、2018/9/24,1,1、原理 2、我国GPS测量的常用坐标系 3、GPS静态定位在测量中的应用 4、南方测绘NG100一体化测量系统 5、GPS高程,GPS测量教学电子教案,2018/9/24,2,第一部分 原理,1 GPS测量的特点 2 GPS的历史和背景 3 GPS系统的组成 4 GPS卫星 5 GPS地面控制站 6 GPS用户设备 7 GPS系统现状 8 GPS定位原理 9 GPS测量 10 小结,2018/9/24,3,1 GPS测量的特点,GPS测量与经典测量方法的对比1：,不需要相互通视 观测作业不受天气条件的影响 网的质量与点位的分布情况无关 能达到大地测量所需要的精度水平
2、白天和夜间均可作业 经济效益显著,2018/9/24,4,(1) GPS测量效率比传统方法有极大的提高 (2)无论作大面积控制和局部测量都是理想的仪器 (3)价格上具有更强的市场竞争能力 (4)任何条件下都有充分把握提供足够的精度,GPS测量与经典测量方法的对比2：,2018/9/24,5,2 GPS的历史和背景,GPS是美国军方研制的第二代卫星导航系统(1)全球通用(2)24小时可以定位，测速和授时(3)用户设备成本低廉(4)确保美国军事安全，服务于全球战略(5)导航精度可达1020m(6)取代现存各种导航系统这种设备可以用来武装战车，舰船和飞机，提高其作战能力，并可广泛用于地面部队，其作用
3、已经在海湾战争中得到充分展示。,2018/9/24,6,GPS与NNSS的主要特征比较,2018/9/24,7,GPS与GLONASSS的主要特征比较,2018/9/24,8,技术背景(信号组成)：C/A 码 L1P码和Y码 L2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,2018/9/24,9,3 GPS 系统的组成,全球定位系统(GPS)由三个主要部分组成,空间部分：提供星历和时间信息发射伪距和载表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：接收并测卫星信号记录处理数据提供导航定位信息,2018/9/24,10
4、,24颗卫星(21+3) 6个轨道平面 55轨道倾角 2万km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),4 GPS卫星,目前轨道上实际运行的卫星个数已经超过了32颗,2018/9/24,11,5 GSP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=1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii),2018/9/24,12,6 GPS用户设备,测地型GPS接收机,导航型GSP接收机一般情况下无数据输出的记录存储设备(手持机),2018/
5、9/24,13,8 GPS定位原理,卫星信号结构,基准频率 10.23MHZ,L1 1575.42MHZ,C/A码1.023MHZ,P码10 . 23MHZ,L2 1227.60MHZ,P码 10.23MHZ,10,154,120,50比特/S,卫星信息电文(D码),每颗卫星都发射一系列无线电信号(基准频率)两种载波(L1和L2) 两种码信号(C/A码和P码)一组导航电文(信息码，D码),2018/9/24,14,L1载波相位观测值 L2载波相位观测值 调制在L1上的C/A-code伪距 调制在L2上的P-code伪距 Dopple(多普勒)观测值,2018/9/24,15,对卫星进行测距,G
6、PS定位的各种常用观测量,接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距,地心,Si,Pij,Pj,ri,Rj,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,2018/9/24,16,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,2018/9/24,17,单点定位结果的获取,单点定位解可以理解为一个测边后方交会问题 卫星充当轨道上运动的控制点，观测值为测站至卫星的伪距(由时间延迟计算得到) 由于接收机时钟
7、与卫星钟存在同步误差，所以要同步观测4颗卫星，解算四个未知参数：纬度 , 经度 , 大地高程 h , 钟差 t,2018/9/24,18,GPS定位的误差源,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，2000年5月取消) 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,2018/9/24,19,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
8、号确定传播延迟的时间t 传播延迟时间乘以光速就是距离观测值=C t,2018/9/24,20,9 GPS 测量,(1)采用载波相位观测值,卫星广播 的电磁波 信号：,信号量测精度优于波长的1/100 载波波长(L1=19cm, L2=24cm)比C/A码波长 (C/A=293m)短得多 所以，GPS测量采用载波相位观测值可以获得比伪距(C/A码或P码)定位高得多的测距精度,L1载波,L2载波,C/A码,P-码, p=29.3 m, L2=24 cm, L1=19c m, C/A=293 m,2018/9/24,21,可以消去卫星钟的系统偏差 可以消去接收机时钟的误差,可以消去轨道(星历)误差的
9、影响 可以削弱大气折射对观测值的影响,(2)组成星际站际两次差分观测值,2018/9/24,22,(3)设法解算出初始整周未知数,测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成(1)初始整周未知数n；(2) t 0至t i 时刻的整周记数Ci；(3)相位尾数i 如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初始整周未知数n 为了利用载波相位进行定位，必须设法先解算出初始整周未知数，取得总观测值n+Ci+ i,2018/9/24,23,(4)弄清楚初始整周未知数的确定与定位精度的关系,精度,m,1.00,0.10,0.01,整周未知数确定后,整周未知数确定前,经典静态定位,0,0,30,80,5,8,时
10、间(分),如果无法准确解出初始整周未知数，则定位精度难以优于1m 随着初始整周未知数解算精度的提高，定位精度也相应提高 一旦初始整周未知数精确获得，定位精度不再随时间延长而提高 经典静态定位需要30-80分钟观测才能求定初始整周未知数快速静态定位将这个过程缩短到5-8分钟(双频接收机),快速静态定位,2018/9/24,24,伪距差分,这是应用最广的一种差分。在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较，得出伪距改正数，将其传输至用户接收机，提高定位精度。 这种差分，能得到米级定位精度，如沿海广泛使用的“信标差分”,20
11、18/9/24,25,载波相位差分,载波相位差分技术又称RTK(Real Time Kinematic)技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。即是将基准站采集的载波相位发送给用户接收机，进行求差解算坐标。 载波相位差分可使定位精度达到厘米级，已经大量应用于需要点位高精度的动态测量领域。,2018/9/24,26,第二部分 我国GPS测量的常用坐标系,1.WGS-84 WGS-84坐标是GPS所采用的坐标系统，GPS发布的 星历参数都是基于此坐标系的。WGS-84的椭球参数：a=6378137m1/f=298.257223563 2. 1954北京坐标系1954北京坐标系是目前我国使
12、用比较广泛的大地测量坐标系，参考椭球是克拉索夫斯基椭球。其高程是以1956年黄海平均海水面为基准。克拉索夫斯基椭球参数：a=6378245m1/f=298.3,2018/9/24,27,3.1980西安坐标系1980西安坐标系是我国新建的大地测量坐标系，参考椭球是IUGG1975椭球，其高程是以1956年黄海平均海水面为基准。IUGG1975椭球参数：a=6378140m1/f=298.257,2018/9/24,28,GPS培训教案,GPS静态定位在测量中的应用,2018/9/24,29,GPS静态定位主要用于建立各级测量控制网，其优点为： 定位精度高，其基线的相对精度非常高 选点灵活、不需
13、要造标、费用低 全天候作业 观测时间短 观测处理自动化,第三部分 GPS静态定位在测量中的应用,1、GPS静态定位的主要应用领域,2018/9/24,30,在 15 截止高度角以上不存在障碍物 周围没有反射面，不致引起多路径效应 安全避开过往行人和车辆，尽可能将接收机设置在毋须人员照看的地方 附近不应该有强辐射源(如无线电台、电视发射天线等) 可靠的电源供应 足够的内存容量 正确的配置参数 (观测类型、记录速率) 检查天线高和偏差 仪器的正确检测,2、GPS测量前注意事项,2018/9/24,31,3、GPS布网方法,充分考虑建立GPS控制网的应用范围采用分级布网的原则 GPS测量的精度标准,
14、2018/9/24,32,国家测绘局1992年制订的我国第一部“GPS测量规范”将GPS的精度分为AE五级(见下表)。其中A、B两级一般是国家GPS控制网。C、D、E三级是针对局部性GPS网规定的。,2018/9/24,33,坐标系统与起算数据 包括位置基准、方位基准和尺度基准。GPS点的高程 应使一定数量的GPS点与水准点重合或对部分GPS点联测水准。选点原则与点位标志,2018/9/24,34,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
15、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： 三角形网 环形网 星形网,2018/9/24,35,(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比较高时，才单独采用这种图形。,2018/9/24,36,(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。,2018/9/24,37,(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。,2018/9/24,38,特点： 单键操作，简单明了 质量可靠，基于国内首台静态 GPS 数据传输采用标准化RS-232C接口 野外性能极佳，防水耐低温 可与各种GPS进行联测解算 数据存储可靠，可长期断电保存数据 数据存储量大，可长期连续进行数据采集,第四部分 NGS100一体化测量系统,2018/9/24,
