土规测量第七章.ppt

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1、测 量 学主讲：郭朝霞surveying第七章 GPS技术及应用第一节第一节 GPS概述概述第二节第二节 GPS系统的构成系统的构成第三节第三节 GPS定位技术定位技术第四节第四节 GPS测量的实施测量的实施GPSGPS全称为全称为“导航卫星导航卫星授时测距授时测距/全球定位系全球定位系统统”（Navigation Satellite Timing Navigation Satellite Timing and ranging/Global Positioning and ranging/Global Positioning SystemSystem）简称全球定位系统（简称全球定位系统（GPS

2、GPS）。）。是美国研制的新一代卫星导航定位是美国研制的新一代卫星导航定位系统，可向全球用户提供连续、实时、系统，可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置，三维速度和时间信高精度的三维位置，三维速度和时间信息。息。第一节第一节 GPS概述概述 GPSGPS优势优势 l不受气候条件的限制不受气候条件的限制l无通视要求无通视要求l可进行高精度大地测量可进行高精度大地测量l能实现全天候测量运作能实现全天候测量运作l操作简单，省时省力操作简单，省时省力l坐标系统全球通用坐标系统全球通用l应用领域广泛应用领域广泛同类导航卫星系统同类导航卫星系统 lGLONASSGLONASS全球导航卫星系统全球导航

3、卫星系统lGALILEOGALILEO全球导航卫星系统全球导航卫星系统l北斗导航定位系统北斗导航定位系统第二节第二节 GPSGPS系统的系统的构成构成控控 制制 部部 分分 1 个个 主主 控控 站站 5 个个 监监 控控 站站空空 间间 部部 分分 导导 航航 卫卫 星星 :导导 航航 信信 息息 卫卫 星星 时时 和和 卫卫 星星 钟钟 24 颗颗 卫卫 星星 20200 Km用用 户户 设设 备备 部部 分分 接接 受受 卫卫 星星 信信 号号 GPS GPS定位技术是利用高空中的定位技术是利用高空中的GPSGPS卫星，向卫星，向地面发射地面发射L L波段的载频无线电测距信号，由地波段的

4、载频无线电测距信号，由地面上用户接收机实时地连续接收，并计算出接面上用户接收机实时地连续接收，并计算出接收机天线所在的位置。因此，收机天线所在的位置。因此，GPSGPS定位系统是定位系统是由以下三个部分组成：由以下三个部分组成：（1 1）GPSGPS卫星星座（空间部分）卫星星座（空间部分）（2 2）地面监控系统（地面控制部分）地面监控系统（地面控制部分）（3 3）GPSGPS信号接收机（用户设备部分）信号接收机（用户设备部分）GPS GPS系统的空间部分由系统的空间部分由GPSGPS卫星组成，称卫星组成，称为卫星星座。为卫星星座。空间部分空间部分l2424颗卫星颗卫星(21+3)(21+3)l

5、6 6个轨道平面个轨道平面l5555 轨道倾角轨道倾角l20200km20200km轨道高度轨道高度(地面地面高度高度)l1212小时小时(恒星时恒星时)轨道周轨道周期期l5 5个多小时出现在地平个多小时出现在地平线以上线以上(每颗星每颗星)GPS卫星卫星l铯原子钟，铷原子钟铯原子钟，铷原子钟l计算机计算机l2 2块块7 7m m2 2的太阳能翼板的太阳能翼板l无线电收发两用机无线电收发两用机l导航荷载（接收数据，导航荷载（接收数据，发射测距和导航数据）发射测距和导航数据）l姿态控制和太阳能板指姿态控制和太阳能板指向系统向系统1 1、接收和存储由地面监控站发来的导航信息，、接收和存储由地面监控

6、站发来的导航信息，接收并执行监控站的控制指令。接收并执行监控站的控制指令。2 2、利用卫星上的微处理机，对部分必要的数据、利用卫星上的微处理机，对部分必要的数据进行处理。进行处理。3 3、通过星载的原子钟提供精密的时间标准。、通过星载的原子钟提供精密的时间标准。4 4、向用户发送定位信息。、向用户发送定位信息。GPSGPS卫星的基本功能卫星的基本功能GPSGPS地面监控部分地面监控部分 GPS GPS的地面监控部分由分布在全球的的地面监控部分由分布在全球的5 5个地个地面站组成，其中包括卫星监测站（面站组成，其中包括卫星监测站（5 5个）、主个）、主控站（控站（1 1个）和注入站（个）和注入站

7、（3 3个）个）负责监控全球定位系统的工作：负责监控全球定位系统的工作：l监测卫星是否正常工作，是否沿预定的轨监测卫星是否正常工作，是否沿预定的轨道运行。道运行。l跟踪计算卫星的轨道参数并发送给卫星，跟踪计算卫星的轨道参数并发送给卫星，由卫星通过导航电文发送给用户。由卫星通过导航电文发送给用户。l保持各颗卫星的时间同步。保持各颗卫星的时间同步。l必要时对卫星进行调度。必要时对卫星进行调度。GPSGPS用户设备部分用户设备部分u用户部分组成用户部分组成 GPS GPS信号接收机及相关数据处理软、硬件。信号接收机及相关数据处理软、硬件。uGPSGPS接收机接收机 接收、跟踪、变换和测量接收、跟踪、

8、变换和测量GPSGPS信号的无线电设备。信号的无线电设备。uGPSGPS接收机的组成接收机的组成 天线、接收机、处理器、控制显示单元、电源天线、接收机、处理器、控制显示单元、电源uGPSGPS接收机的分类接收机的分类 导航型、测地型、授时型导航型、测地型、授时型 单频接收机、双频接收机单频接收机、双频接收机uGPSGPS接收机任务接收机任务 1 1、捕获卫星信号，跟踪并锁定卫星信号，、捕获卫星信号，跟踪并锁定卫星信号，2 2、对接收到的信号进行处理，、对接收到的信号进行处理，3 3、测量出测距信号从卫星传播到接收机天线的、测量出测距信号从卫星传播到接收机天线的 时间间隔，时间间隔，4 4、译出

9、卫星广播的导航电文，、译出卫星广播的导航电文，5 5、实时计算接收机天线的三维坐标、速度和时间。、实时计算接收机天线的三维坐标、速度和时间。7.3.1 GPS7.3.1 GPS定位的基本原理定位的基本原理 第三节第三节 GPS定位技术定位技术接收机必定在以接收机必定在以A为半径的球面的某个点上。为半径的球面的某个点上。A2 2个球面相交成弧，点位被限制在一条曲线上。个球面相交成弧，点位被限制在一条曲线上。AB3 3 个球面相交成一个点个球面相交成一个点BCA 把卫星看成移动的控制点，根据测量的把卫星看成移动的控制点，根据测量的星站距离进行空间距离后方交会，确定地面星站距离进行空间距离后方交会，

10、确定地面接收机的位置。接收机的位置。GPS GPS是测时测距系统，时间在是测时测距系统，时间在GPSGPS测量中测量中是一个基本的观测量。是一个基本的观测量。GPSGPS时间系统采用原子时作为时间基准，时间系统采用原子时作为时间基准，时间起算的原点定义在时间起算的原点定义在19801980年年1 1月月6 6日日0 0时。时。GPSGPS的时间系统的时间系统 l载波载波l测距码测距码(C/A(C/A码和码和P P码码)l数据码数据码(导航电文或称导航电文或称D D码码)在同一个原子钟频率在同一个原子钟频率f f0 0=10.23MHz=10.23MHz下产生。下产生。GPSGPS的卫星信号的卫

11、星信号 l每一卫星播发一个伪随机测距码每一卫星播发一个伪随机测距码信号，该信号大约每信号，该信号大约每1 1毫秒播发一毫秒播发一 次次l接收机同时复制出一个同样结构接收机同时复制出一个同样结构的信号并与接到的卫星信号进行的信号并与接到的卫星信号进行比较比较l由信号的延迟时间由信号的延迟时间 ()推算出推算出卫星至接收机的距离卫星至接收机的距离7.3.2 7.3.2 伪距法定位原理伪距法定位原理 接收到的卫接收到的卫星测距码星测距码 接收仪接收仪复制出的复制出的测距码测距码 此时求得的距离包含多方面的误差，所此时求得的距离包含多方面的误差，所以称为以称为伪距伪距。真正的距离必须对误差进行各。真正

12、的距离必须对误差进行各项修正：项修正：分别为电离层和对流层的折射改正；卫分别为电离层和对流层的折射改正；卫星时钟和接收机的钟差改正。星时钟和接收机的钟差改正。l使用载波使用载波L L1 1或或L L2 2作测距信号，比较载波在卫星处和在作测距信号，比较载波在卫星处和在接收机处的相位差（接收机处的相位差（），也可求取距离：），也可求取距离：l实际测量时是将卫星传播到接收机天线的余弦载波信实际测量时是将卫星传播到接收机天线的余弦载波信号与接收机基准信号比相求出相位延迟（号与接收机基准信号比相求出相位延迟（）计算伪）计算伪距。距。l载波载波L L1 1，L L2 2的频率比测距码的频率比测距码(C/

13、A(C/A码和码和P P码码)频率高。测频率高。测距可获得更高的测距精度。距可获得更高的测距精度。7.3.3 7.3.3 载波相位测量法定位原理载波相位测量法定位原理 整周未知数整周未知数包括整波段和不足一波段的小包括整波段和不足一波段的小数。实际测量时只能测量不足一整周的部分，数。实际测量时只能测量不足一整周的部分，整段波数整段波数N0无法确定，无法确定，N0称为整周未知数或称为整周未知数或整周模糊度。整周模糊度。载波相位观测值的周跳和整周未知数载波相位观测值的周跳和整周未知数 对卫星进行连续跟踪观测时，接收机内设有对卫星进行连续跟踪观测时，接收机内设有计数器，计算锁定卫星时间计数器，计算锁

14、定卫星时间t0后的所有整周期后的所有整周期数直至时间数直至时间tk，则：，则：如果信号没有失锁，则每一个观测值包含如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初始整周未知数同一个初始整周未知数N0 ，必须设法先解算，必须设法先解算出初始整周未知数，取得总观测值。出初始整周未知数，取得总观测值。如果在观测过程中，卫星信号暂时受阻或如果在观测过程中，卫星信号暂时受阻或计时器暂时故障，计数中断，使得计时器暂时故障，计数中断，使得 将将丢失某一量耳边的不正确，这种现象叫做丢失某一量耳边的不正确，这种现象叫做整周整周跳变跳变，简称周跳。，简称周跳。求取整周未知数和消除整周跳变是载波相求取整周未知数和消除整

15、周跳变是载波相位定位的关键问题。位定位的关键问题。将一台将一台GPSGPS接收机安置在基准站上进行接收机安置在基准站上进行观测。根据基准站已知精密坐标，计算出基观测。根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行将这一数据发送出去。用户接收机在进行GPSGPS观测的同时，也接收到基准站发出的改观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。定位精度。7.3.4 7.3.4 差分法定位差分法定位 绝对定位和绝对定位和相对定位相对

16、定位l绝对定位又称为单点定位，这是一种采用一台接收绝对定位又称为单点定位，这是一种采用一台接收机进行定位的模式，它所确定的是接收机天线的绝机进行定位的模式，它所确定的是接收机天线的绝对坐标。对坐标。l用用两两台台GPSGPS接接收收机机，分分别别安安置置在在两两测测点点，两两测测点点的的连连线线称称为为基基线线。接接收收机机同同步步接接收收卫卫星星信信号号，用用相相同同卫卫星星相相位位观观测测值值的的线线性性组组合合解解算算基基线线向向量量在在WGS-84WGS-84坐坐标标系系中中的的坐坐标标增增量量(x x,y y,z z)，确确定定它它们们的的相相对对位置。位置。7.3.5 GPS7.3.5 GPS定位方式定位方式 静态定位和动态定位静态定位和动态定位南南 方方 测测 绘绘灵灵锐锐S82S82双双频频 蓝蓝 牙牙 通通讯讯RTK RTK GPSGPS接收机接收机第四节第四节 GPS定位技术的实施定位技术的实施