南方测绘仪器有限公司南方数码GPS产品部产品培训.ppt
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1、致力测绘数字化原理部分原理部分GPSGPS培训教材南方测绘仪器有限公司 南方数码GPS产品部11/23/20221南方测绘仪器有限公司概论1 为什么要了解GPS?2 历史和背景3 系统的组成4 GPS卫星5 地面控制站6 用户设备7 系统现状8 GPS定位原理9 GPS测量10 小结第一部分第一部分11/23/20222南方测绘仪器有限公司1 为什么要向您推荐 GPSGPSGPS测量与经典测量方法的对比:测量与经典测量方法的对比: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白天和夜间均可作业经济效益显著11/23/20223南方测绘仪器有限
2、公司(1 1)GPSGPS测量速度比传统方法有极为显著的提高测量速度比传统方法有极为显著的提高(2 2)无论作大面积控制和局部测量都是理想的工具)无论作大面积控制和局部测量都是理想的工具 (3 3)从价格上说,她具有更强的市场竞争能力)从价格上说,她具有更强的市场竞争能力(4 4)任何条件下都有充分把握提供足够的精度)任何条件下都有充分把握提供足够的精度 所有这一切优越性南方 GPS 测量系统都得到了显著证实!GPSGPS测量与经典测量方法的对比:测量与经典测量方法的对比:1 为什么要向您推荐 GPS11/23/20224南方测绘仪器有限公司 2 历史和背景GPS是美国军方研制的第二代卫星导航
3、系统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。其作用在海湾战争中已得到相当充分的显示。11/23/20225南方测绘仪器有限公司2 历史和背景系统特征NNSSGPS载波频率GHz0.15,0.401.23,1.58卫星高度km100020200卫星数5-621+3卫星周期min1:4711:58卫星钟稳定度10-1110-13GPS与NNSS的主要特征1
4、1/23/20226南方测绘仪器有限公司系统特征GLONASSGPS载波频率GHz1.61,1.251.23,1.58卫星高度km1910020200卫星数21+321+3卫星周期h11:1511:58卫星钟稳定度10-1110-13GPS与GLONASSS的主要特征2 历史和背景11/23/20227南方测绘仪器有限公司技术背景(信号组成)技术背景(信号组成):C/A 码 L1 P码和Y码 L2 防电子欺骗技术(AS)选择性服务政策(SA)*SA技术已经于2000年5月取消2 历史和背景11/23/20228南方测绘仪器有限公司3 GPS 系统的组成全球定位系统(全球定位系统(GPS)由三个
5、主要部分组成由三个主要部分组成空间部分:空间部分:空间部分:提供星历和时间信息提供星历和时间信息提供星历和时间信息 发射伪距和载表信号发射伪距和载表信号发射伪距和载表信号 提供其它辅助信息提供其它辅助信息提供其它辅助信息地面控制部分:地面控制部分:地面控制部分:中心控制系统中心控制系统中心控制系统 实现时间同步实现时间同步实现时间同步 跟踪卫星进行定轨跟踪卫星进行定轨跟踪卫星进行定轨用户部分用户部分用户部分:接收并测卫星信号接收并测卫星信号接收并测卫星信号 记录处理数据记录处理数据记录处理数据 提供导航定位信息提供导航定位信息提供导航定位信息11/23/20229南方测绘仪器有限公司24颗卫星
6、(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卫星现在在轨道实际运行的卫星个数超过32个11/23/202210南方测绘仪器有限公司5 地面控制站一个主控站一个主控站:科罗拉多斯必灵司三个注入站:三个注入站:阿松森(Ascencion)迭哥伽西亚(Diego Garcia)卡瓦加兰(kwajalein)五个监测站五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii)5555HawaiiAscencionDiego GarciakwajaleinColorado springs11/23/202211南
7、方测绘仪器有限公司 6 用户设备1 通用接收机(定位型):导航型接收机一般情况下无数据输出的记录存储设备(手持机)天线天线天线天线前置放大器前置放大器前置放大器前置放大器电源部分电源部分电源部分电源部分射电部分射电部分射电部分射电部分微处理器微处理器微处理器微处理器数据存器数据存器数据存器数据存器显示控制器显示控制器显示控制器显示控制器供电信号信息命令数据供电,控制供电数据控制 11/23/202212南方测绘仪器有限公司 8 GPS 定位原理(1)卫星信号结构基准频率基准频率10.23MHZ L1L11575.42 MHZ C/AC/A码码 1.023MHZ P P码码 10.23MHZL2
8、L21227.60MHZP P码码10.23MHZ101541205050比特比特/S/S卫星信息电文(卫星信息电文(D D码)码)每颗卫星都发射一系列无线电信号(基准频率每颗卫星都发射一系列无线电信号(基准频率)两种载波(两种载波(L1L1和和L2L2)两种码信号(两种码信号(C/AC/A码和码和P P码)码)一组导航电文(信息码,一组导航电文(信息码,D D码)码)11/23/202213南方测绘仪器有限公司 GPS定位的各种常用的观测量8 GPS 定位原理-2qL1载波相位观测值载波相位观测值qL2载波相位观测值载波相位观测值q调制在调制在L1上的上的C/A-code伪距伪距q调制在调制
9、在L2上的上的P-code伪距伪距qDopple观测值观测值11/23/202214南方测绘仪器有限公司 对卫星进行测距8 GPS 定位原理3接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距地心SiPijPj riRjR Rjj =r rii +P Piijj有关各观测量及已知数据如下: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11/23/202215南方测绘仪器有限公司距离观测值的计算8 GPS 定位原理v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v接收机本身按同一公式复制码信号v比较本机码信号及到达的码信号确定传播
10、延迟的时间tv传播延迟时间乘以光速就是距离观测值=C t卫星钟调制的码信号接收机时钟复制的码信号tt11/23/202216南方测绘仪器有限公司8 GPS 定位原理单点定位结果的获取单点定位解可以理解为一个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(由时延值推算得到)由于接收机时钟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 ,高程 h,钟差 t11/23/202217南方测绘仪器有限公司GPS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
11、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11/23/202218南方测绘仪器有限公司9 GPS 测量采用载波相位观测值发自卫星的电磁波信号: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)定位高得多的成果精度L1载波载波L2载波载波C/A码码P-码码 p=29.3 m L2=24 cm L1=19c m C/A=293 m11/23/202219南方测绘仪器有限公司 9 GPS
12、测量可以消去卫星钟的系统偏差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接收机时钟的误差PikPljPijPjPlkPkSlSi可以消去轨道(星历)误差的影响可以消去轨道(星历)误差的影响可以削弱大气折射对观测值的影响可以削弱大气折射对观测值的影响 组成星际站际两次差分观测值11/23/202220南方测绘仪器有限公司9 GPS 测量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
13、始整周未知数,取得总观测值n+Ci+iTime(0)AmbiguityTime(i)AmbiguityCounted CyclesPhase Measurement11/23/202221南方测绘仪器有限公司9 GPS 测量弄清楚初始整周未知数的确定与定位精度的关系精精度度m1.000.10 0.01整周未知数确定后整周未知数确定前经典静态定位经典静态定位00308058时间(分)时间(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随着初始整周未知数解算精度的提高,定位精度也相应提
14、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快速静态定位将这个过程缩短到5-8分钟分钟(双频接收机双频接收机)快速静态定位快速静态定位11/23/202222南方测绘仪器有限公司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
15、米级定位精度,如沿海广泛使用的“信标差分”11/23/202223南方测绘仪器有限公司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。大量应用于动态需要高精度位置的领域。11/23/202224南方测绘仪器有限公司谢谢大家!11/23/202225南方测绘仪器有限公司GPSGPS用户培训教材GPS测量常用坐标介绍11/23/202226南方测绘仪器有限公司1.WGS-84 WGS-84坐标是GPS所采用的坐标系统,GP
16、S发布的星历参数是基于此坐标系的WGS-84的椭球参数:a=6378137m 1/f=298.25722356311/23/202227南方测绘仪器有限公司2.北京-54 北京-54坐标是目前我国使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。北京-54的椭球参数:a=6378245m 1/f=298.311/23/202228南方测绘仪器有限公司3.CHINA-80 CHINA-80坐标是目前我国新建的大地测量坐标系,其高程是以1956年黄海平均海水面为基准。CHINA-80的椭球参数:a=6378140m 1/f=298.25711/23
17、/202229南方测绘仪器有限公司GPSGPS用户培训教材GPS静态定位在测量中的应用11/23/202230南方测绘仪器有限公司 GPS静态定位主要用于建立各级控制网其优点如下:定位精度高,其基线的相对精度非常高选点灵活、不需要造标、费用低全天候作业观测时间短观测处理自动化GPS静态定位de主要应用领域:11/23/202231南方测绘仪器有限公司在在 15 15 截止高度角以上不存在障碍物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安全避开过往行人和车辆,尽可能将接收机设置在毋须
18、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)附近不应该有强辐射源(如无线电台、电视发射天线等)可靠的电源供应可靠的电源供应足够的内存容量足够的内存容量正确的配置参数正确的配置参数(观测类型、记录速率观测类型、记录速率)检查天线高和偏差检查天线高和偏差仪器的正确检测仪器的正确检测GPS测量前应该考虑的问题:11/23/202232南方测绘仪器有限公司布网方法:GPS网的精度指标,通常以网中相邻点之间的距离误差来表示的,其具体形式如下:=a2 +(bd)2距离中误差(mm)a固定误差(mm)b比例误差系数(ppm)d相邻点的距离(Km)充分考虑建立GPS控制网的应用范围 采用分
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