第六章第1次(GPS控制测量).ppt

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1、现现代代测测量量技技术术室室M o d e r n M o d e r n S u r v e y现现代代测测量量学学66.1 1 GPSGPS概述概述 第六章第六章 GPSGPS控制测量控制测量 全球定位系统全球定位系统(GPS-Global Positioning System)是是利用利用人造卫星进行地面定位的定位系统，是美国军方于人造卫星进行地面定位的定位系统，是美国军方于19941994年建年建立的第二代全球卫星导航系统。立的第二代全球卫星导航系统。速度快、精度高；速度快、精度高；(1 10-6 1 10-8)全天候作业：全天候作业：不需要点间通视；不需要点间通视；能同时获得点的三维

2、坐标；能同时获得点的三维坐标；观测时间短，仪器操作简单。观测时间短，仪器操作简单。其它全球定位系统其它全球定位系统：俄罗斯的：俄罗斯的GLONASS、欧空局的欧空局的Galileo、我国的我国的“北斗北斗”双星定位系统等。双星定位系统等。GPS测量的优点测量的优点：现现代代测测量量技技术术室室M o d e r n M o d e r n S u r v e y现现代代测测量量学学第六章第六章 GPSGPS控制测量控制测量一、一、GPS的系统组成的系统组成 GPS由空间部分、监控部分和用户接收机三部分组成。由空间部分、监控部分和用户接收机三部分组成。1 1空间部分空间部分 q21+3颗（现有颗

3、（现有2727颗）卫星组成；颗）卫星组成；q六个轨道面，高度约六个轨道面，高度约2 2万万kmkm；q运行周期运行周期1111h58mh58m；q任意时刻、任意地点均可观测任意时刻、任意地点均可观测4 4颗以上卫星。颗以上卫星。现现代代测测量量技技术术室室M o d e r n M o d e r n S u r v e y现现代代测测量量学学第六章第六章 GPSGPS控制测量控制测量q卫星上装有原子钟（铷钟和铯钟）提供卫星上装有原子钟（铷钟和铯钟）提供GPSTGPST时间系统；时间系统；q发送两个频率载波信号，即：发送两个频率载波信号，即：L1=1575.42MHz，其上带其上带有有1.02

4、3MHz的伪随机躁声码，称的伪随机躁声码，称CA码码（粗码，（粗码，Coarse Code），），10.23MHz的伪随机躁声码，称的伪随机躁声码，称P码码（精码，（精码，Precision Code）及每秒及每秒50bit的导航电文；的导航电文；L2=1227.6MHz载波载波,其上只调制精码和导航电文。其上只调制精码和导航电文。作用作用：接收和储存由地面监控站发来的导航信息；接收和储存由地面监控站发来的导航信息；接收并执行地面监控站的控制指令，并经处理后控接收并执行地面监控站的控制指令，并经处理后控制自身轨道和工作状态；制自身轨道和工作状态；连续不断地发送导航定位的连续不断地发送导航定位的

5、GPSGPS信号。信号。现现代代测测量量技技术术室室M o d e r n M o d e r n S u r v e y现现代代测测量量学学现现代代测测量量技技术术室室M o d e r n M o d e r n S u r v e y现现代代测测量量学学第六章第六章 GPSGPS控制测量控制测量2 2监控部分监控部分 现现代代测测量量技技术术室室M o d e r n M o d e r n S u r v e y现现代代测测量量学学第六章第六章 GPSGPS控制测量控制测量监控站监控站 监测卫星取得观测资料，算出每颗卫星的有监测卫星取得观测资料，算出每颗卫星的有关数据，传送给主控站。关

6、数据，传送给主控站。主控站主控站 根据监控站观测资料，计算每颗卫星的轨道根据监控站观测资料，计算每颗卫星的轨道参数和卫星钟改正数，推算一天以上的卫星星历和钟参数和卫星钟改正数，推算一天以上的卫星星历和钟差，并转化为导航电文发给注入站。差，并转化为导航电文发给注入站。注入站注入站 在每颗卫星运行到上空时，把卫星星历、控在每颗卫星运行到上空时，把卫星星历、控制参数和指令注入到卫星存贮器。制参数和指令注入到卫星存贮器。现现代代测测量量技技术术室室M o d e r n M o d e r n S u r v e y现现代代测测量量学学第六章第六章 GPSGPS控制测量控制测量3用户接收机用户接收机

7、双频GPS用户接收机基准站移动站现现代代测测量量技技术术室室M o d e r n M o d e r n S u r v e y现现代代测测量量学学第六章第六章 GPSGPS控制测量控制测量组成：组成：天线、控制显示器、电缆、电源等部分组成。天天线、控制显示器、电缆、电源等部分组成。天线安放在整置于控制点的脚架上，接收卫星信号，在控线安放在整置于控制点的脚架上，接收卫星信号，在控制显示器上获得的是制显示器上获得的是天线相位中心的三维坐标天线相位中心的三维坐标。功能：功能：是接受卫星发射的信号和导航电文，根据导航电是接受卫星发射的信号和导航电文，根据导航电文提供的卫星位置和钟差信息计算接收机的

8、位置。文提供的卫星位置和钟差信息计算接收机的位置。种类种类：有单频和双频，导航型和定位型、低动态和高动：有单频和双频，导航型和定位型、低动态和高动态、伪距型和相位测量型等。态、伪距型和相位测量型等。现现代代测测量量技技术术室室M o d e r n M o d e r n S u r v e y现现代代测测量量学学第六章第六章 GPSGPS控制测量控制测量三三部分关系部分关系现现代代测测量量技技术术室室M o d e r n M o d e r n S u r v e y现现代代测测量量学学第六章第六章 GPSGPS控制测量控制测量二二、GPS坐标系统坐标系统 GPSGPS所用的坐标系统是所用

9、的坐标系统是WGS-84WGS-84（Geodetic System1984Geodetic System1984）坐坐标系。标系。WGS-84WGS-84坐标系与我国采用的坐标系定义不同。为了坐标系与我国采用的坐标系定义不同。为了使用方便，一般要将使用方便，一般要将GPSGPS的的WGS-84WGS-84坐标系测量成果转换到坐标系测量成果转换到5454年北京坐标系或年北京坐标系或19801980年国家大地坐标系。年国家大地坐标系。三三、GPS时间系统时间系统 由由于于GPS卫卫星星的的位位置置是是随随时时间间变变化化的的。时时间间是是GPS的的一一个个重重要要观观测测量量。为为了了精精密密导

10、导航航和和测测量量的的需需要要，GPSGPS建建立立了了专专用用的的时时间间系统，该系统可简写为系统，该系统可简写为GPSTGPST，由由GPSGPS主控站的原子钟控制。主控站的原子钟控制。现现代代测测量量技技术术室室M o d e r n M o d e r n S u r v e y现现代代测测量量学学1、随机噪声码、随机噪声码：为一二进制序列，每位：为一二进制序列，每位1、0机率相等。机率相等。特点：具有良好的自相关性。相关系数：特点：具有良好的自相关性。相关系数：2 2、伪随机噪声码：具有一定规则的二进制序列。、伪随机噪声码：具有一定规则的二进制序列。特点：接近随机噪声码特性。可以复制

11、。特点：接近随机噪声码特性。可以复制。3 3、C/AC/A码：属伪随机噪声码。码：属伪随机噪声码。码长：码长：10231023bit,bit,码元宽码元宽0.977520.97752us(293.1m)us(293.1m)，码率码率1.0231.023Mbit/sMbit/sGPS的测距码信号：的测距码信号：4 4、P P码：属伪随机噪声码。码：属伪随机噪声码。码长：码长：2.35*102.35*101414bit,bit,码元宽码元宽0.0977520.097752us(29.31m)us(29.31m)，码率码率 10.2310.23Mbit/s,Mbit/s,周期周期267267天。天。

12、四四、GPSGPS测距码信号测距码信号现现代代测测量量技技术术室室M o d e r n M o d e r n S u r v e y现现代代测测量量学学五、导航电文五、导航电文 包括卫星星历、卫星工作状态、时间系统、轨道包括卫星星历、卫星工作状态、时间系统、轨道摄动参数、大气改正参数、摄动参数、大气改正参数、P P码捕获信息等。传输一码捕获信息等。传输一次完整的导航电文约需次完整的导航电文约需12.512.5分。分。现现代代测测量量技技术术室室M o d e r n M o d e r n S u r v e y现现代代测测量量学学第六章第六章 GPSGPS控制测量控制测量按测定伪距的观测

13、量有测码伪距法和测相伪距法。按测定伪距的观测量有测码伪距法和测相伪距法。1 1、测码伪距法、测码伪距法6.2 GPS6.2 GPS绝对绝对定位的基本原理：定位的基本原理：亦称伪距法定位，单点定位。亦称伪距法定位，单点定位。现现代代测测量量技技术术室室M o d e r n M o d e r n S u r v e y现现代代测测量量学学2 2、测相伪距法原理、测相伪距法原理：现现代代测测量量技技术术室室M o d e r n M o d e r n S u r v e y现现代代测测量量学学6.3 GPS6.3 GPS相对定位相对定位亦称差分定位，是通过测定两台接收机间的空间向量（即基线向量

14、）实现的。两台（多台）接收机同时观测（相位法测量）相同的卫星，通过在观测量间求差，以消除卫星钟钟差、接收机钟差、整周整周未知数、气象误差等。单差：两台接收机对同一卫星的观测量之差。双差：两个单差之差。三差：两个双差之差。现现代代测测量量技技术术室室M o d e r n M o d e r n S u r v e y现现代代测测量量学学第六章第六章 GPSGPS控制测量控制测量66.4 4 GPS控制网的布设要求控制网的布设要求 用用GPSGPS布网具有速度快、精度高，不要求控制点间通视，布网具有速度快、精度高，不要求控制点间通视，对边长和图形结构没有限制，所获得点位的精度是均匀对边长和图形结

15、构没有限制，所获得点位的精度是均匀的等优点。所以的等优点。所以GPSGPS网的布设与常规控制网的布设有较大网的布设与常规控制网的布设有较大区别，布设中应注意下列问题。区别，布设中应注意下列问题。一有足够的检核条件一有足够的检核条件 GPSGPS网的检核是通过同步环、重复基线和异步环的闭合差来网的检核是通过同步环、重复基线和异步环的闭合差来实现的。实现的。现现代代测测量量技技术术室室M o d e r n M o d e r n S u r v e y现现代代测测量量学学第六章第六章 GPSGPS控制测量控制测量 例：有例：有6 6个控制点，用个控制点，用3 3台接收机台接收机 观测一个时段，则

16、可以构成三个观测一个时段，则可以构成三个同步环和多个异步环。同步环和多个异步环。若在某一边上，进行多个时段的若在某一边上，进行多个时段的观测还可以构成重复边。观测还可以构成重复边。现现代代测测量量技技术术室室M o d e r n M o d e r n S u r v e y现现代代测测量量学学第六章第六章 GPSGPS控制测量控制测量二几何精度衰减因子要小二几何精度衰减因子要小 GPSGPS定位精度与卫星的分布有关，即与几何精度衰减因子定位精度与卫星的分布有关，即与几何精度衰减因子GDOP(Geometric Dilution of Precision)(Geometric Dilutio

17、n of Precision)有关。有关。GDOP是个综合精度衰减因子，包括以下参数：是个综合精度衰减因子，包括以下参数：HDOP水平位置几何精度衰减因子；水平位置几何精度衰减因子；VDOP高程位置几何精度衰减因子；高程位置几何精度衰减因子；PDOP三维位置几何精度衰减因子；三维位置几何精度衰减因子；TDOP时钟几何精度衰减因子。时钟几何精度衰减因子。关系：关系：GDOP2=PDOP2+TDOP2 PDOP2=HDOP2+VDOP2现现代代测测量量技技术术室室M o d e r n M o d e r n S u r v e y现现代代测测量量学学第六章第六章 GPSGPS控制测量控制测量 G

18、DOPGDOP与接收机和卫星组成的多面与接收机和卫星组成的多面锥体的体积锥体的体积V V有关，有关，V V愈大则愈大则PDOPPDOP越小，定位精度就越高。越小，定位精度就越高。GDOPGDOP值可根据观测地点和时间进值可根据观测地点和时间进行预报。行预报。作业时接收机也可实时计算显示作业时接收机也可实时计算显示GDOPGDOP，一般要求一般要求GDOP8GDOP8。现现代代测测量量技技术术室室M o d e r n M o d e r n S u r v e y现现代代测测量量学学第六章第六章 GPSGPS控制测量控制测量三三GPSGPS网与地面网应有一定数量的重合点网与地面网应有一定数量的

19、重合点 q 为把为把GPSGPS测得的坐标换算到当地的坐标系中，在测得的坐标换算到当地的坐标系中，在GPSGPS网中至网中至少要有三个控制点与地面网点重合，重合点最好均匀地分布少要有三个控制点与地面网点重合，重合点最好均匀地分布在网的边缘。在网的边缘。q GPSGPS可同时测定点的三维坐标，其所得高程为大地高，而可同时测定点的三维坐标，其所得高程为大地高，而我国采用的是正常高，为了统一到正常高高程系统，我国采用的是正常高，为了统一到正常高高程系统，GPSGPS网网中要有一定数量的水准联测高程点。中要有一定数量的水准联测高程点。现现代代测测量量技技术术室室M o d e r n M o d e

20、r n S u r v e y现现代代测测量量学学第六章第六章 GPSGPS控制测量控制测量 四点位要避开产生多路径效应的地区四点位要避开产生多路径效应的地区 q 避开有反射作用的地形和物体，如光滑避开有反射作用的地形和物体，如光滑的墙壁和水面，以免产生多路径效应。的墙壁和水面，以免产生多路径效应。（能够抑制多路径效应的天线）（能够抑制多路径效应的天线）现现代代测测量量技技术术室室M o d e r n M o d e r n S u r v e y现现代代测测量量学学第六章第六章 GPSGPS控制测量控制测量 五防止信号受电磁波干扰和减弱大气折射的影响五防止信号受电磁波干扰和减弱大气折射的影

21、响 q 任何强电磁场变化和强无线电信号，都会对卫星信号产生任何强电磁场变化和强无线电信号，都会对卫星信号产生干扰，致使观测值信噪比降低和干扰，致使观测值信噪比降低和接收信号失锁接收信号失锁，影响测量精，影响测量精度。由于环路失锁而引起的信号周数丢失现象，叫做整周跳度。由于环路失锁而引起的信号周数丢失现象，叫做整周跳变，简称变，简称周跳周跳。测站应离开高压电线。测站应离开高压电线200200米以上，离大功率米以上，离大功率变电站、电视塔等在变电站、电视塔等在400400米以上。米以上。q 卫星信号穿过电离层和对流层时，会产生时间延迟。对于卫星信号穿过电离层和对流层时，会产生时间延迟。对于较长的基

22、线，最好采用双频接收机，对于短基线用单频接收较长的基线，最好采用双频接收机，对于短基线用单频接收机测量，也能达到一定的精度。机测量，也能达到一定的精度。q 高度太低的卫星信号受大气层折射影响很大，为了选高度太低的卫星信号受大气层折射影响很大，为了选择有利的星座位置，测站周围垂直角大于择有利的星座位置，测站周围垂直角大于1515的障碍物的障碍物应该避开。应该避开。现现代代测测量量技技术术室室M o d e r n M o d e r n S u r v e y现现代代测测量量学学第六章第六章 GPSGPS控制测量控制测量六其它要求六其它要求 GPSGPS网的边长视控制网要求而定，通常按国家网的边

23、长视控制网要求而定，通常按国家E E级网布设，边级网布设，边长变通范围为长变通范围为1 11010kmkm。相邻点间不要求通视，但为了用常相邻点间不要求通视，但为了用常规测量方法进行加密的需要，每点一般应与规测量方法进行加密的需要，每点一般应与1 12 2个方向通视，个方向通视，通视的方向不一定是同步网的方向。有条件时，可用电磁波通视的方向不一定是同步网的方向。有条件时，可用电磁波测距仪测定几条边，以资检核。测距仪测定几条边，以资检核。现现代代测测量量技技术术室室M o d e r n M o d e r n S u r v e y现现代代测测量量学学第六章第六章 GPSGPS控制测量控制测量

24、66.6 6 GPS控制控制网的作业网的作业 技术设计技术设计 选点选点埋石埋石仪器的检验和维护仪器的检验和维护 观测实施观测实施收收集集资资料料 上上交交资资料料 图图上上设设计计 一一般般检检视视 仪仪器器检检验验 通通电电检检验验 仪仪器器维维护护 现现代代测测量量技技术术室室M o d e r n M o d e r n S u r v e y现现代代测测量量学学第六章第六章 GPSGPS控制测量控制测量观测实施观测实施 观测准备观测准备 连接连接接收机电缆，开机，初始化。接收机电缆，开机，初始化。填写手簿项目，量取天线高填写手簿项目，量取天线高。天线定向标志线应指向正北，圆水准器气泡

25、居中。天线定向标志线应指向正北，圆水准器气泡居中。现现代代测测量量技技术术室室M o d e r n M o d e r n S u r v e y现现代代测测量量学学第六章第六章 GPSGPS控制测量控制测量观测作业观测作业 （1 1）按操作说明设置接收机，于预定时刻开始观测。）按操作说明设置接收机，于预定时刻开始观测。（2 2）观观测测期期间间，操操作作员员注注意意查查看看并并记记录录仪仪器器工工作作状状态态、测测站站信息、接收卫星数量等情况。信息、接收卫星数量等情况。（3 3）观测时在测站附近不要发动汽车、发电机、使用电台，）观测时在测站附近不要发动汽车、发电机、使用电台，避免人员、牲畜

26、在天线附近走动。避免人员、牲畜在天线附近走动。（4 4）观测结束后认真检查所有规定作业项目，合限方可迁站。）观测结束后认真检查所有规定作业项目，合限方可迁站。现现代代测测量量技技术术室室M o d e r n M o d e r n S u r v e y现现代代测测量量学学第六章第六章 GPSGPS控制测量控制测量上交资料上交资料 （1 1）仪器检验资料、观测计划等。）仪器检验资料、观测计划等。（2）观测记录。主要有观测记录文件等。观测记录。主要有观测记录文件等。（3）测量手簿。）测量手簿。（4）平差计算报表）平差计算报表现现代代测测量量技技术术室室M o d e r n M o d e r

27、 n S u r v e y现现代代测测量量学学1 1、数据下载：、数据下载：将接收机的观测数据传输到计算机中；将接收机的观测数据传输到计算机中；2 2、基线向量的解算：、基线向量的解算：利用载波相位观测量求解基线边的三维坐标增量。利用载波相位观测量求解基线边的三维坐标增量。软件通常由厂家提供。软件通常由厂家提供。3 3、三维自由网平差：、三维自由网平差：取网中一点的单点定位结果作为网的必要起算数取网中一点的单点定位结果作为网的必要起算数 据，以基线向量解算结果为观测量，进行平差计算，可得到点的据，以基线向量解算结果为观测量，进行平差计算，可得到点的W84W84坐坐标和基线向量。其主要目的是检

28、验网的内部符合精度。标和基线向量。其主要目的是检验网的内部符合精度。4 4、坐标转换或约束平差：、坐标转换或约束平差：经过自由网平差后，可到了点的经过自由网平差后，可到了点的W84W84三维坐三维坐标。为了得到地方坐标，必须求定两个坐标系间的转换参数，参数有标。为了得到地方坐标，必须求定两个坐标系间的转换参数，参数有三个平移量、三个旋转量和一个尺度因子。转换模型常用布尔沙沃三个平移量、三个旋转量和一个尺度因子。转换模型常用布尔沙沃尔夫模型：尔夫模型：66.7.7 GPS网平差计算网平差计算现现代代测测量量技技术术室室M o d e r n M o d e r n S u r v e y现现代代

29、测测量量学学参数的求定方法参数的求定方法：利用网中一定数量的已知地方坐标点，：利用网中一定数量的已知地方坐标点，按布尔沙沃尔夫模型建立误差方程式，按最小二乘法求按布尔沙沃尔夫模型建立误差方程式，按最小二乘法求解。解。转换参数求定后，再将网中的其它点转换到地方坐标系中。转换参数求定后，再将网中的其它点转换到地方坐标系中。也可直接以基线向量为观测量，以地方已知坐标为起算数也可直接以基线向量为观测量，以地方已知坐标为起算数据，进行三维约束平差，直接解算出点的地方坐标和转换据，进行三维约束平差，直接解算出点的地方坐标和转换参数。参数。66.7.7 GPS网平差计算网平差计算现现代代测测量量技技术术室室

30、M o d e r n M o d e r n S u r v e y现现代代测测量量学学实时动态实时动态实时动态实时动态RTKRTKRTKRTK（Real Time Real Time Real Time Real Time KinematicKinematicKinematicKinematic）作业介绍作业介绍作业介绍作业介绍1 1、系系统统组组成成：GPSGPS接接收收设设备备、数数据传输设备、软件。据传输设备、软件。2 2、工工作作原原理理：当当基基准准站站W84W84坐坐标标已已知知时时，基基准准站站将将载载波波相相位位观观测测量量及及基基站站坐坐标标等等信信息息，通通过过数数据据

31、链链传传输输到到流流动动站站，在在流流动动站站解解算算出出两两站站间间的的基基线线向向量量和和流流动动站站的的坐坐标标，通通过过预预置置的的转转换换参参数数，转转换换为为地方坐标。地方坐标。当当基基准准站站W84W84坐坐标标未未知知时时可可采采用用其其单单点点定定位位结结果果。此此时时，流流动动站站应应先先在在几几个个已已知知点点上上安安置置，测测定定出出各各点点的的W84W84坐坐标标，计算转换参数。计算转换参数。现现代代测测量量技技术术室室M o d e r n M o d e r n S u r v e y现现代代测测量量学学参考站参考站参考站参考站现现代代测测量量技技术术室室M o

32、d e r n M o d e r n S u r v e y现现代代测测量量学学现现代代测测量量技技术术室室M o d e r n M o d e r n S u r v e y现现代代测测量量学学参考站参考站参考站参考站GPSGPS天线和电台天线和电台天线和电台天线和电台现现代代测测量量技技术术室室M o d e r n M o d e r n S u r v e y现现代代测测量量学学参考站参考站参考站参考站GPSGPS接收机接收机接收机接收机现现代代测测量量技技术术室室M o d e r n M o d e r n S u r v e y现现代代测测量量学学移动站移动站移动站移动站现现代代测测量量技技术术室室M o d e r n M o d e r n S u r v e y现现代代测测量量学学移动站接收机和天线移动站接收机和天线移动站接收机和天线移动站接收机和天线