GSP全球卫星定位系统简介教学课件.ppt

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1、建筑工程测量普通高等教育“十一五”国家级规划教材郭玉珍 制作周建郑 审核教育部高职高专规划教材第十六章 GPS全球卫星定位系统简介第一节 GSP定位系统的建立第二节 GPS定位的基本原理第三节 GPS定位测量的设计第四节 GPS测量的外业实施第五节 GPS测量的内业计算第六节 实时动态（RTK）定位技术简介第一节 GSP定位系统的建立全球定位系统(Global Positioning System- GPS)；美国国防部研制；全球性、全天候、连续的卫星无线电导航系统；在1994年3月28日全面建成；提供实时的三维位置、三维速度和高精度的时间信息。GPS的英文全称是Navigation Sate

2、llite Timing And Ranging Global Position System简称GPS，有时也被称作NAVSTAR/GPS。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。一、一、GPSGPS卫星及星座卫星及星座 什么是GPS？GPS发展简史：方案论证（19741978）系统论证（19791987）生产实验（19881993）总投资超过300亿美元。整个系统组成：卫星星座、地面控制和监测站、用户设备。 24 24颗卫星颗卫星(21+3)(21+3) 6 6个轨道平面个轨道平面 55 55轨道倾角轨道倾角 2 2万万kmkm轨道高度轨道高度( (地面高度地面高度)

3、) 12 12小时小时( (恒星时恒星时) )轨道周期轨道周期 5 5个多小时出现在地平线以个多小时出现在地平线以上上( (每颗星每颗星) )（一）（一）GPSGPS卫星星座卫星星座顺序顺序卫星类型卫星类型卫星数量卫星数量/颗颗发射时间发射时间/年年用途用途第一代第一代BLOCKBLOCK1111197819781985试验试验第二代第二代BLOCK BLOCK 、AA9 9、15198919891996正式工作正式工作第三代第三代BLOCK RBLOCK R、FF3333199719972010改进改进GPS系统系统第四代第四代BLOCK BLOCK 未知未知20102010增强增强GPS系

4、统系统GPSGPS卫星的发射情况卫星的发射情况GPSGPS工作卫星的主体呈圆柱形，直径为工作卫星的主体呈圆柱形，直径为1.5m1.5m，在轨重量为在轨重量为843.68kg843.68kg，两侧安装有，两侧安装有4 4片拼接成的双片拼接成的双叶太阳能电池翼板，总面积为叶太阳能电池翼板，总面积为7.27.2，设计寿命为，设计寿命为7.57.5年年。GPS卫星 作用： 接收、存储导航电文 生成用于导航定位的信号（测距码、载波） 发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文） 接受地面指令，进行相应操作 主要设备 太阳能电池板 原子钟（2台铯钟、2台铷钟） 信号生成与发射装置

5、 地面监控部分 （Ground Segment） 组成 主控站：1个 监测站：5个 注入站：3个 通讯与辅助系统GPS卫星注入站监测站主控站二、二、 GPSGPS地面监控系统地面监控系统GPSGPS的地面监控部分的地面监控部分主控站（1个）作用：地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地。(A)根据所有观测资料编算各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数;(B)提供全球定位系统的时间基准;(C)调整卫星运行姿态;(D)启用备用卫星。注入站（注入站（3 3个）个）作用：在主控站的控下，将主控站编算的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注入到相应的卫星存储系统，并监测注入信息的正确性。监测站（监测站

6、（5 5个）个）作用：对GPS卫星进行连续观测，以采集数据和监测卫星的工作状况，经计算机初步处理后，将数据传输到主控站。GPSGPS信号接收机信号接收机 供电供电信号信号信息信息命令命令数据数据供电，控制供电，控制供电供电数据数据控制控制 按用途按用途按携带形式按携带形式 按工作原理按工作原理 按载波频率按载波频率 GPSGPS信号接收机分类信号接收机分类 导航型、测地型和授时型导航型、测地型和授时型 码接收机和无码接收机码接收机和无码接收机 单频接收机和双频接收机单频接收机和双频接收机 袖珍式、背负式、车载式、袖珍式、背负式、车载式、舰用式、空（飞机）载式、舰用式、空（飞机）载式、弹载式和星

7、载式弹载式和星载式 四、四、GPSGPS现代化现代化GPS现代化的主要目的军民分离，强化军用。其政策是保护战区内的美方军用；防止敌方开拓GPS军用；保护战区外的GPS民用。已知数据：卫星瞬时位置观测数据：卫星至接收机天线相位中心的距离待求值：地面点（接收机所处位置的）的三维位置第二节第二节 GPSGPS定位的基本原理定位的基本原理GPSGPS测量定位方法分类测量定位方法分类v 定位模式 绝对定位（单点定位） 相对定位 差分定位v 定位时接收机天线的运动状态 静态定位天线相对于地固坐标系静止 动态定位天线相对于地固坐标系运动v 获得定位结果的时效 事后定位 实时定位v 观测值类型 伪距测量 载波

8、相位测量一、静态定位与动态定位 静态定位是指GPS接收机在进行定位时，待定点的位置相对其周围的点位没有发生变化，其天线位置处于固定不动的静止状态。动态定位是指在定位过程中，接收机位于运动着的载体上，天线也处于运动状态的定位，动态定位是用GPS信号实时地测得运动载体的位置。二、单点定位和相对定位二、单点定位和相对定位1.单点定位v定义 单独利用一台接收机确定待定点在地固坐标系中绝对位置的方法v定位结果与所用星历同属一坐标系的绝对坐标 采用广播星历时属WGS-84 采用IGS International GPS Service精密星历时为ITRF International Terrestrial

9、 Reference Framesv特点 优点：一台接收机单独定位，观测简单，可瞬时定位 缺点：精度主要受系统性偏差的影响，定位精度低v应用领域 低精度导航、资源普查、军事.v定义 确定进行同步观测的接收机之间相对位置的定位方法，称为相对定位。v定位结果 与所用星历同属一坐标系的基线向量（坐标差）及其精度信息 采用广播星历时属WGS-84 采用IGS International GPS Service精密星历时为ITRF International Terrestrial Reference Frame 基线向量中含有：2个方位基准（一个水平方法，一个垂直方位）和1个尺度基准，不含有位置基准2

10、.2.相对定位相对定位v特点 优点：定位精度高 缺点： 多台接收共同作业，作业复杂 数据处理复杂 不能直接获取绝对坐标v应用 高精度测量定位及导航相对定位相对定位相对定位的类型相对定位的类型v静态定位 普通静态定位 快速静态定位v动态定位 动态定位中整周未知数的确定实时动态定位（RTK Real Time Kinematic）三、用GPS定位的基本方法1.卫星射电干涉测量2.多普勒定位法3.伪距定位法4.载波相位测量第三节 GPS定位测量的设计一、GPS定位测量的技术设计 GPS测量的技术设计是进行GPS定位的基本工作，它是依据国家有关规范及GPS网的用途、用户的要求等对测量工作的网形、精度及

11、基准等的具体设计。 GPSGPS测量的仪器和方法与常规测量的仪器测量的仪器和方法与常规测量的仪器和方法显著不同，所以反映其技术规格的主和方法显著不同，所以反映其技术规格的主要指标亦不相同。为此先介绍一下有关技术要指标亦不相同。为此先介绍一下有关技术指标的概念。指标的概念。二、二、规范规范和和规程规程规定的技术指标规定的技术指标 各级各级GPSGPS测量作业的基本技术规定列于表测量作业的基本技术规定列于表 级别级别项目项目A AB BC CD DE E卫星高度角（卫星高度角（）10101515151515151515有效观测卫星总有效观测卫星总数数12129 96 64 43 3时段中任一卫星时

12、段中任一卫星有效观测时间（有效观测时间（minmin）30303030202015151515观测时段数（个）观测时段数（个）8 86 62 22 22 2时段长度（时段长度（minmin）180180120120909060606060数 据 采 样 间 隔数 据 采 样 间 隔（S S）1515606015156060151560601515606015156060卫星观测值象限卫星观测值象限分布分布（25255 5）% %（25251010）% %（252520)%20)%（25252020）% %2525）% %（25252020）% %2525）% % 由多个同步网相互连接的由多个同

13、步网相互连接的GPSGPS网，称作异步网。网，称作异步网。 同步网之间的连接方式有以下三种。同步网之间的连接方式有以下三种。 1 1点连式；点连式；2 2边连式；边连式；3 3混连式。混连式。 在上述三种连接方案中：第在上述三种连接方案中：第1 1种工作量最小，但种工作量最小，但无重复基线检核；第无重复基线检核；第2 2种工作量最大，检核条件亦最种工作量最大，检核条件亦最多；第多；第3 3种比较灵活，工作量与检核条件比较适中。种比较灵活，工作量与检核条件比较适中。 三、三、GPSGPS控制网的图形设计控制网的图形设计12345678910 点连式异步网点连式异步网: : 同步网之间仅有一点相连

14、接的异步同步网之间仅有一点相连接的异步 网称为点连式异步网。网称为点连式异步网。 边连式异步网边连式异步网: : 同步网之间由一条基线边相连接的同步网之间由一条基线边相连接的 异步网称为边连式异步网。异步网称为边连式异步网。 混连式异步网混连式异步网: : 点连式与边连式的一种混合连点连式与边连式的一种混合连 接方式。接方式。第四节 GPS测量的外业实施一、外业选点与埋石 1 1对点位的基本要求对点位的基本要求 （1 1）点位应选设在易于安置接收设备和便于操作的地）点位应选设在易于安置接收设备和便于操作的地方，且视野开阔。视场内障碍物的高度角一般应大于方，且视野开阔。视场内障碍物的高度角一般应

15、大于10101515，以减弱对流层折射的影响。，以减弱对流层折射的影响。 （2 2）点位应远离大功率无线电发射源，以避免周围磁）点位应远离大功率无线电发射源，以避免周围磁场对场对GPSGPS卫星信号的干扰。卫星信号的干扰。 （3 3）点位附近不应有强烈干扰卫星信号接收的物）点位附近不应有强烈干扰卫星信号接收的物体，并尽量避免大面积水域，以减弱多路径误差的影体，并尽量避免大面积水域，以减弱多路径误差的影响。响。 （4 4）点位应选在交通方便的地方，有利于用其他）点位应选在交通方便的地方，有利于用其他测量手段联测或扩展。测量手段联测或扩展。 （5 5）地面基础稳定，利于点位保存。）地面基础稳定，利

16、于点位保存。 中心标石是地面中心标石是地面GPSGPS点的永久性标志，为了长期使点的永久性标志，为了长期使用用GPSGPS测量成果，点的标石必须稳定、坚固以利长期保测量成果，点的标石必须稳定、坚固以利长期保存和利用。目前，存和利用。目前，GPSGPS点的标石类型及其适用范围如课点的标石类型及其适用范围如课本表本表6 67 7所列。其中普通标石的规格，如图所列。其中普通标石的规格，如图6 62 2所示。所示。2.标石埋设标石埋设 图图6-26-2 各级各级GPSGPS点的标石用混凝土灌制。一般普通标石分上标点的标石用混凝土灌制。一般普通标石分上标石和下标石两层，其上均设有金属的中心标志。石和下标

17、石两层，其上均设有金属的中心标志。 埋设标石时，须使各层标志中心在同一铅垂线上，埋设标石时，须使各层标志中心在同一铅垂线上， 其偏差不得大于其偏差不得大于2mm2mm。 新埋标石时，应依法办理征地手续和测量标志委托保管新埋标石时，应依法办理征地手续和测量标志委托保管手续。手续。 接收机的选用及检验接收机的选用及检验 制定实施方案制定实施方案 选择最佳观测时段选择最佳观测时段 编排作业调度表编排作业调度表 天线安置天线安置 观测记簿观测记簿二、外业观测工作1. 1. 接收设备的选择接收设备的选择 2. 2. 接收设备的检验接收设备的检验 新购置的新购置的GPSGPS接收机或经过维修后的接收接收机

18、或经过维修后的接收机应按规定进行全面检验，合格后方能参加作机应按规定进行全面检验，合格后方能参加作业。检验项目包括：业。检验项目包括： 一般检视一般检视 通电检验通电检验 实测检验实测检验3.3.制定实测方案制定实测方案接收机的台数和点位的分布特点接收机的台数和点位的分布特点充分考虑到测区交通和地理环境充分考虑到测区交通和地理环境 设计设计GPSGPS控制网控制网 安排同步观测计划安排同步观测计划某测区某测区GPSGPS实测方案实测方案3.3.制定实测方案制定实测方案 4.4.选择最佳观测时段选择最佳观测时段 观测前的准备工作：观测前的准备工作： 首先进行星历预报，首先进行星历预报， 星历预报

19、在数据处理软件中进行，由于不同时间，星历预报在数据处理软件中进行，由于不同时间，测区上空的卫星个数、分布和测区上空的卫星个数、分布和PDOPPDOP值是变化的，为了值是变化的，为了保证野外数据采集的质量，必须进行星历预报。通过保证野外数据采集的质量，必须进行星历预报。通过星历预报我们可以确定最佳观测时段，指导星历预报我们可以确定最佳观测时段，指导GPSGPS野外野外作业。作业。 5.5.编排作业调度表编排作业调度表 作业小组应在观测前根据测区地形、交通状况、作业小组应在观测前根据测区地形、交通状况、控制网的大小、精度的高低、仪器的数量、控制网的大小、精度的高低、仪器的数量、GPSGPS网的设网

20、的设计、星历预报表和测区的天气、地理环境等编制作业计、星历预报表和测区的天气、地理环境等编制作业调度表，以提高工作效益。调度表，以提高工作效益。 312456 6. 6. 观测作业观测作业 观测作业的主要任务是捕获观测作业的主要任务是捕获GPSGPS卫星信卫星信号，并对其进行跟踪、处理和量测，以获号，并对其进行跟踪、处理和量测，以获得所需要的定位信息和观测数据。得所需要的定位信息和观测数据。GPSGPS外业观测手簿外业观测手簿 第五节 GPS测量的内业计算GPS测量的内业计算分基线解算和网平差两个阶段。一、基线解算基线解算过程：数据传输、按顺序输入点名和天线高。二、GPS网平差分自由网平差和约

21、束平差。一、一、RTK的工作原理的工作原理 基准站接收机基准站接收机 流动站接收机流动站接收机 GPS卫星卫星 如下页图所示如下页图所示第六节 实时动态（RTK）定位技术简介 RTK（Real-Time-Kinematic）技术是GPS实时载波相位差分的简称。 RTK的工作原理的工作原理二、二、RTKRTK的系统组成和优点的系统组成和优点1. RTK的系统组成基准站流动站基准站GPS接收机接收天线无线电数据链电台及发射天线直流电源流动站GPS接收机及卫星接收天线无线电数据链接收机及天线电子手簿控制器 RTK的系统组成 基准站主机基准站UHF电台UHF电台天线电子手簿流动站三、三、RTKRTK的

22、作业方法的作业方法（一）架设基准站 对于任意架站，选择环境相对空旷的地方，地势相对较高的地方且周围没有干扰的地方架设； 架设仪器，架设时，注意仪器的安装以及各种线的连接； 发射天线最好远离基准站主机3米以上；二、基准站的启动：二、基准站的启动：如果是自启动，则开机即可如果用手簿去启动，具体操作如下： 打开测地通软件，通过蓝牙或串口线与基准站主机连接； 新建并保存任务； 在“配置” “基准站选项”； 1. 在“测量” “启动基准站接收机” 。三、查看基准站是否已经正常发射三、查看基准站是否已经正常发射 查看DL3电台的电台灯是否一秒闪烁一次； 注意DL3电台面板上的电压是否在跳动，发射功率越大，电压跳动的幅度也越大；如果显示“太低”，注意更换电瓶或降低发射功率； 查看流动站电台灯是否闪烁，能否差分。四、流动站的启动： 移动站与手簿测地通通过串口线或蓝牙进行连接； 移动站电台灯如果一秒钟闪烁一次表示收到电台信号，在“单点定位”的情况下，直接点“测量” “启动移动站接收机”即可，大约十多秒后就可差分，达到固定解； 固定后可进行其他测量了。注意：注意： 在基准站正常发射时，但移动站没有信号，注意频率是否统一，对移动站进行读写频率。基准站基准站移动站移动站