輔助電子GPS測量的原理與應(yīng)用PPT課件

1、 GPS基礎(chǔ)教程 傳 統(tǒng) 測 量 技 術(shù) 的 缺 陷 GPS 優(yōu) 勢 GPS 的 主 要 特 性 GPS 系 統(tǒng) 的 組 成 距 離 測 定 的 基 本 原 理 點(diǎn) 位 測 定 的 基 本 原 理 GPS 的 信 號(hào) 結(jié) 構(gòu) 測 距 碼 偽 距 測 量 載 波相 位 測 量 選 擇 可 用 性 技 術(shù) Selective Availability(SA) 誤 差 來 源 差 分 GPS (初始)整 周 未 知 數(shù) 整 周 未 知 數(shù) 的 解 算 精 度 因 子 要 點(diǎn) 小 結(jié)第1頁/共40頁 與 傳 統(tǒng) 的 陸 上 測 量 技 術(shù) 相 比 GPS 具 有 許 多 優(yōu) 勢 傳 統(tǒng) 大 地 測 量

2、 技 術(shù) 依 賴 于 測 站 點(diǎn) 至 目 標(biāo) 點(diǎn) 的 通 視 情 況 如 果 視 線 方 向 有 障 礙 物， 則 必 須 繞 道 測 量 一 般來說 傳 統(tǒng) 方 式 的 距 離 測 量 被 限 制 在 5 Km 左 右 氣 候 因 素 限 制 著 傳 統(tǒng) 測 量 的 運(yùn) 作。如 霧，雨 等 GPS基礎(chǔ)教程第2頁/共40頁 不 受 氣 候 條 件 的 限 制 無 須 通 視 要 求 可 進(jìn) 行 高 精 度 大 地 測 量 能 實(shí) 現(xiàn) 全 天 候 測 量 運(yùn) 作 省 時(shí) 省 力 經(jīng) 濟(jì) 效 益 明 顯 坐 標(biāo) 系 統(tǒng) 通 用 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 廣 泛 具 有 競 爭 力 的 價(jià) 格 GPS基礎(chǔ)教程

3、第3頁/共40頁 GPS 系 統(tǒng) 的 完 善 受 控 于美 國 國 防 部 GPS 系 統(tǒng) 可 提 供 精 確 導(dǎo) 航 導(dǎo) 航 精 度 約 為 10 - 20 m 全 球 信 號(hào) 覆 蓋 24 小 時(shí) 工 作 服 務(wù) 普 通 座 標(biāo) 系 統(tǒng) 中 的 測 量 工作 計(jì) 劃 用 GPS 系 統(tǒng) 取 代 現(xiàn) 有 的 導(dǎo) 航 系 統(tǒng) GPS 系 統(tǒng) 可 應(yīng) 用 于 民 用 及軍 事 領(lǐng) 域 GPS基礎(chǔ)教程第4頁/共40頁控 制 部 分 1 個(gè) 主 控 站 5 個(gè) 監(jiān) 控 站空 間 部 分 導(dǎo) 航 衛(wèi) 星 : 導(dǎo) 航 信 息 衛(wèi) 星 時(shí) 和 衛(wèi) 星 鐘 24 顆 衛(wèi) 星 20200 Km用 戶 設(shè) 備

4、部 分 接 受 衛(wèi) 星 信 號(hào) GPS基礎(chǔ)教程第5頁/共40頁 24 顆 衛(wèi) 星 分 布 在 互 為 55 度 交 角 的 6 個(gè) 軌 道 平 面 上， 每 個(gè) 軌 道 面 上 布 有 4 顆 衛(wèi) 星 衛(wèi) 星 高 約 20200 Km 12 小 時(shí) 繞 軌 道 一 周 可 見 時(shí) 間 為 4-5 小 時(shí)設(shè)計(jì)壽命為 7.5 年衛(wèi) 星 種類 區(qū) 分 Block 1(一 代),Block 2, 2A(二 代), Block 2R，2 F(三 代)55 GPS基礎(chǔ)教程第6頁/共40頁24顆衛(wèi)星(21+3)6個(gè)軌道平面55軌道傾角20200km軌道高度(地面高度)12小時(shí)(恒星時(shí))軌道周期5個(gè)多小時(shí)出現(xiàn)

5、在地平線以上(每顆星)目前在軌實(shí)際運(yùn)行的衛(wèi)星個(gè)數(shù)已經(jīng)超過32顆4 GPS衛(wèi)星第7頁/共40頁 主 控 站 負(fù) 責(zé) 收 集 由 監(jiān) 控 站 傳 來 的 衛(wèi) 星 跟 蹤 數(shù) 據(jù) 并 計(jì) 算 衛(wèi) 星 星 歷 和 時(shí) 間 參 數(shù) 5 個(gè) 監(jiān) 控 站 負(fù) 責(zé) 對(duì) 衛(wèi) 星 偽 距 數(shù) 據(jù) 的 觀 測，這 一 衛(wèi) 星 跟 蹤 監(jiān) 測 網(wǎng) 用 于 確 定 衛(wèi) 星 廣 播 星 歷 及 衛(wèi) 星 鐘 模 式 地 面 控 制 站 負(fù) 責(zé) 向 衛(wèi) 星 注入信 號(hào) GPS基礎(chǔ)教程第8頁/共40頁5 5 地面控制站地面控制站一個(gè)主控站：科羅拉多斯必靈司三個(gè)注入站：阿松森(Ascencion) 迭哥伽西亞(Diego Gar

6、cia) 卡瓦加蘭(kwajalein)五個(gè)監(jiān)測站=1個(gè)主控站+3個(gè)注入站+夏威夷(Hawaii)55HawaiiAscencionDiego GarciakwajaleinColorado springs第9頁/共40頁XllVl Xl lll GPS基礎(chǔ)教程第10頁/共40頁XllVlXllllllllVVVllVlllXlXGPS基礎(chǔ)教程第11頁/共40頁XllVlXllllVll GPS基礎(chǔ)教程第12頁/共40頁XllVlXllllllllVVVllVlllXlX距離 = 傳播時(shí)間 x 光速 GPS基礎(chǔ)教程第13頁/共40頁我 們 必 定 在 以 R1 為 半 徑 的 球 面 的 某

7、個(gè) 點(diǎn) 上R1 GPS基礎(chǔ)教程第14頁/共40頁2 個(gè) 球 面 相 交 成 一 個(gè) 圓 弧點(diǎn) 位 被 限 制 在 一 曲 線 上R1R2 GPS基礎(chǔ)教程第15頁/共40頁3 個(gè)球面相交成一個(gè)點(diǎn)3 個(gè)距離段可以確定緯度，經(jīng)度，和高程點(diǎn) 的 空 間 位 置 被 確 定R1R2R3 GPS基礎(chǔ)教程第16頁/共40頁 衛(wèi) 星 可 被 看 作 是 在 固 定 的 軌 道 上 運(yùn) 動(dòng) 空 中 觀 測 目 標(biāo) 每 顆 衛(wèi) 星 播 發(fā) 獨(dú) 立 的 時(shí) 間 碼 進(jìn) 行 距 離 測 量 常 規(guī) GPS 接 收 儀 內(nèi) 置 較 為 廉 價(jià) 的 鐘，這 些 鐘 的 計(jì) 時(shí) 精度 比 衛(wèi) 星 上 內(nèi) 置 鐘 的 精 度

8、 低 得 多 無 線 電 電 波 以 光 速 傳 播 ( 距 離 = 光 速 x 時(shí) 間) 設(shè) 想 一 下 接 收 儀 上 鐘 的 誤 差 對(duì) 距 離 測 定 的 影 響 1/10 秒 的 測 時(shí) 誤 差 將 引 起 30,000 Km 的 距 離 誤 差 1/1,000,000 秒 的 測 時(shí) 誤 差 將 引 起 300 m 的 距 離 誤 差 GPS基礎(chǔ)教程第17頁/共40頁4 段 距 離 解 決 了 緯 度，經(jīng) 度，高 程 和 時(shí) 間 四 個(gè) 未 知 數(shù)這 就 類 似 于 測 邊 交 會(huì) 問 題 的 解 決 原 理GPS基礎(chǔ)教程第18頁/共40頁 每 個(gè) GPS 衛(wèi) 星 播 發(fā) 一 組

9、信 號(hào) 每 組 信 號(hào) 包 括 兩 個(gè) 不 同 頻 率 的 載 波 信 號(hào) (L1 和 L2)、兩 個(gè) 不 同 的 測 距 碼 信 號(hào) (C/A 碼 調(diào) 制 在 L1 載 波 上，P 碼 或 Y 碼 同 時(shí) 調(diào) 制 在 L1 及 L2 載 波 上) 以 及 衛(wèi) 星 的 軌 道 信 息 基 準(zhǔn) 頻 率10.23 MHzx 154x 120L11575.42 MHzL21227.60 MHzC/A 碼1.023 MHzP (Y) 碼10.23 MHzP (Y)-Code10.23 MHz/1050 bit/s衛(wèi) 星 信 悉 ( 狀 態(tài) 信 悉 和 星 歷 ) GPS基礎(chǔ)教程第19頁/共40頁D =

10、 V (dT) 測 距 偽 隨 機(jī) 碼 每 一 衛(wèi) 星 播 發(fā) 一 個(gè) 偽 隨 機(jī) 測 距 碼 信 號(hào)，該 信 號(hào) 大 約 每 1 毫 秒 播 發(fā) 一 次 接 收 儀 同 時(shí) 復(fù) 制 出 一 個(gè) 同 樣 結(jié) 構(gòu)的 信 號(hào) 并 與 接 收 到 的 衛(wèi) 星 信 號(hào) 進(jìn)行 比 較 由 信 號(hào) 的 延 遲 時(shí) 間 (dT) 推 算 出 衛(wèi) 星 至 接 收 儀 的 距 離 接 收 儀 時(shí) 鐘 應(yīng) 與 衛(wèi) 星 鐘 校 時(shí)dT 接 收 到 的衛(wèi) 星 測 距 碼 接 收 儀復(fù) 制 出 的 測 距 碼 GPS基礎(chǔ)教程第20頁/共40頁D = c TN 載 波 相 位 觀 測 載 波 L1 的 波 長 為 19

11、cm ，L2 的 波 長為 24 cm 接 收 儀 將 接 收 到 的 衛(wèi) 星 載 波 信 號(hào)的 相 位 與 其 自 身 產(chǎn) 生 的 參 考 載 波信 號(hào) 的 相 位 進(jìn) 行 比 較 接 收 儀 開 機(jī) 后，相 位 整 周 數(shù) 未 知 (帶 有 整 周 模 糊 度 ) 跟 蹤 衛(wèi) 星 時(shí) 間 較 長 時(shí) 距 離 的 變 化可 以 測 定 ( 整 周 數(shù) 保 持 不 變 )T接 收 到 的 衛(wèi) 星 相 位接 收 儀 復(fù) 制 出 的 相 位 GPS基礎(chǔ)教程第21頁/共40頁單 機(jī) 定 位 用 于 導(dǎo) 航，其 定 位 精 度 大 約 在 10 到 30m 左 右 GPS基礎(chǔ)教程第22頁/共40頁P(yáng)

12、= 正確位置P防電子欺騙技術(shù)(AS)選擇性服務(wù)政策(SA)*SA技術(shù)已經(jīng)于2000年5月取消 理 論 上 利 用 C/A 碼 可 獲 取 10 - 30m 的 定 位 精 度30m100m GPS基礎(chǔ)教程第23頁/共40頁 美 國 防 部 人為 降 低 衛(wèi) 星 廣 播 信 息的 精 度，限 制 非 許 可 用 戶的 非 法 使 用 在 基 準(zhǔn) 信 號(hào) 上 人 為 加 入 一 個(gè) 高 頻 抖 動(dòng) 信 號(hào)(技術(shù)) 人 為 降 低 衛(wèi) 星 星 歷 精 度 (技 術(shù)) 此 項(xiàng) 技 術(shù) 稱 為 選 擇 可 用 性 技 術(shù) 點(diǎn) 位 精 度 為 100 m (95%)P理 論 上 基 于 C/A 碼 的 定

13、 位 精 度約 為 10 - 30m 30m100m GPS基礎(chǔ)教程第24頁/共40頁防電子欺騙技術(shù)(AS) 選擇性服務(wù)政策(SA)*SA技術(shù)已經(jīng)于2000年5月取消GPS基礎(chǔ)教程第25頁/共40頁GPS定位的誤差源8 GPS GPS 定位原理定位原理v 與GPS衛(wèi)星有關(guān)的因素SA技術(shù) 人為的降低廣播星歷精度(技術(shù))衛(wèi)星星歷誤差衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射天線相位中心偏差v 與傳播途徑有關(guān)的因素電離層延遲對(duì)流層延遲多路徑效應(yīng)v 與接收機(jī)有關(guān)的因素接收機(jī)鐘差接收機(jī)天線相位中心誤差接收機(jī)軟件和硬件造成的誤差第26頁/共40頁 GPS基礎(chǔ)教程第27頁/共40頁 在 測 定 流 動(dòng) 站 的 座 標(biāo) 時(shí) 與 之

14、 相 關(guān) 聯(lián) 的 參 考 站 的 設(shè) 置 是 必 須 的 參 考 站 (A) 的 座 標(biāo) 須 已知 衛(wèi) 星 必 須 同 時(shí) 被 跟 蹤差 分 定 位 削 減 衛(wèi) 星 及 接 收 儀 鐘的 誤 差 影 響 大 氣 影 響 削 減 至 最 小 精 度 達(dá) 0.5 cm - 5 mB GPS基礎(chǔ)教程第28頁/共40頁 偽 距 差 分 測 量 精 度 可 達(dá) 0.5m - 5 m 此 種 測 量 形 式 一 般 稱 為 DGPSB GPS基礎(chǔ)教程第29頁/共40頁RTD測量原理圖測深儀電腦發(fā)射電臺(tái)GPS主機(jī)基準(zhǔn)站基準(zhǔn)站移動(dòng)站移動(dòng)站GPS主機(jī)接收電臺(tái)第30頁/共40頁測深儀電腦信標(biāo)臺(tái)站信標(biāo)臺(tái)站移動(dòng)站移動(dòng)

15、站GPS主機(jī)信標(biāo)機(jī)測量原理圖信標(biāo)天線第31頁/共40頁 如 果 使 用 載 波 差 分 或 同 時(shí) 使 用 載 波 差分 及 偽 距 差 分 則 定位 精 度 可 達(dá) 5 - 10 mm + 1ppmB GPS基礎(chǔ)教程第32頁/共40頁常規(guī)GPS的測量方法，如靜態(tài)、快速靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測量都需要事后進(jìn)行解算才能獲得厘米級(jí)的精度，而RTK是能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)定位精度的測量方法，它采用了載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分(Real - time kinematic)方法，是GPS應(yīng)用的重大里程碑，它的出現(xiàn)為工程放樣、地形測圖，各種控制測量帶來了新曙光，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。RTK定位時(shí)要求基準(zhǔn)站接收機(jī)實(shí)時(shí)地

16、把觀測數(shù)據(jù)(偽距觀測值，相位觀測值)及已知數(shù)據(jù)傳輸給流動(dòng)站接收機(jī)。什么是什么是RTK技術(shù)技術(shù)第33頁/共40頁發(fā)射電臺(tái)GPS主機(jī)基準(zhǔn)站基準(zhǔn)站移動(dòng)站移動(dòng)站GPS主機(jī)RTK測量原理圖采集器接收電臺(tái)第34頁/共40頁第35頁/共40頁時(shí)間 (0)整周數(shù)時(shí)間 (i)整周數(shù)整周變化數(shù)相位差測量 在 使 用 載 波 相 位 觀 測 時(shí) 整 周 數(shù) 應(yīng) 被 解 算 出 來相位差測量GPS基礎(chǔ)教程第36頁/共40頁精度 (m)1.000.100.01 0 120 0 2 5 時(shí)間 (mins) 未解算出整周模糊度時(shí)的測量精度 已解算出整周模糊度時(shí)的測量精度 整 周 模 糊 度 的 解 算 效 果 如 下 所

17、示 注 意 到 一 旦 模 糊 度 被 解 出，測 量 精 度 將 不 隨 時(shí) 間 有 明顯 增 長 GPS基礎(chǔ)教程第37頁/共40頁一 種 描 述 純 粹 因 衛(wèi) 星 幾 何 因 素 對(duì) 定 點(diǎn) 精 度 的 影 響精 度 因 子 指 出 在 測 量 時(shí) 被 跟 蹤 衛(wèi) 星 幾 何 結(jié) 構(gòu) 上 的 強(qiáng) 度(Geometrical) 包 括 經(jīng) 度, 緯 度, 高 程 和 時(shí) 間 等 因 子， 稱 為 幾 何 精 度 因 子(Positional)包 括 經(jīng) 度, 緯 度 和 高 程 等 因 子，稱 為 空 間 位 置 精 度 因 子(Horizontal)包 括 經(jīng) 度 和 緯 度 等 因 子，稱 為平 面 位 置 精 度 因 子(Vertical)僅 包 括 高 程 因 子，稱 為 高 程 精 度 因 子 GPS基礎(chǔ)教程 第38頁/共40頁一 種 描 述 純 粹 因 衛(wèi) 星 幾 何 因 素 對(duì) 定 點(diǎn) 精 度 的 影 響精 度 因 子 指