工程測量-GPS測量的原理與應(yīng)用PPT課件

1、2022年6月27日12022年6月27日2 GPS基礎(chǔ)教程基礎(chǔ)教程2022年6月27日3 GPS基礎(chǔ)教程基礎(chǔ)教程傳傳 統(tǒng)統(tǒng) 測測 量量 技技 術(shù)術(shù) 的的 缺缺 陷陷GPS 優(yōu)優(yōu) 勢勢GPS 的的 主主 要要 特特 性性 GPS 系系 統(tǒng)統(tǒng) 的的 組組 成成距距 離離 測測 定定 的的 基基 本本 原原 理理點(diǎn)點(diǎn) 位位 測測 定定 的的 基基 本本 原原 理理GPS 的的 信信 號號 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu)測測 距距 碼碼 偽偽 距距 測測 量量載載 波相波相 位位 測測 量量選選 擇擇 可可 用用 性性 技技 術(shù)術(shù) Selective Availability(SA)誤誤 差差 來來 源源差差 分分 G

2、PS(初始初始)整整 周周 未未 知知 數(shù)數(shù)整整 周周 未未 知知 數(shù)數(shù) 的的 解解 算算 精精 度度 因因 子子要要 點(diǎn)點(diǎn) 小小 結(jié)結(jié)2022年6月27日4與與 傳傳 統(tǒng)統(tǒng) 的的 陸陸 上上 測測 量量 技技 術(shù)術(shù) 相相 比比 GPS 具具 有有 許許 多多 優(yōu)優(yōu) 勢勢 傳傳 統(tǒng)統(tǒng) 大大 地地 測測 量量 技技 術(shù)術(shù) 依依 賴賴 于于 測測 站站 點(diǎn)點(diǎn) 至至 目目 標(biāo)標(biāo) 點(diǎn)點(diǎn) 的的 通通 視視 情情 況況 如如 果果 視視 線線 方方 向向 有有 障障 礙礙 物，物， 則則 必必 須須 繞繞 道道 測測 量量 一一 般來說般來說 傳傳 統(tǒng)統(tǒng) 方方 式式 的的 距距 離離 測測 量量 被被 限

3、限 制制 在在 5 Km 左左 右右氣氣 候候 因因 素素 限限 制制 著著 傳傳 統(tǒng)統(tǒng) 測測 量量 的的 運(yùn)運(yùn) 作。如作。如 霧，雨霧，雨 等等 GPS基礎(chǔ)教程基礎(chǔ)教程2022年6月27日5不不 受受 氣氣 候候 條條 件件 的的 限限 制制無無 須須 通通 視視 要要 求求可可 進(jìn)進(jìn) 行行 高高 精精 度度 大大 地地 測測 量量能能 實(shí)實(shí) 現(xiàn)現(xiàn) 全全 天天 候候 測測 量量 運(yùn)運(yùn) 作作省省 時(shí)時(shí) 省省 力力 經(jīng)經(jīng) 濟(jì)濟(jì) 效效 益益 明明 顯顯坐坐 標(biāo)標(biāo) 系系 統(tǒng)統(tǒng) 通通 用用應(yīng)應(yīng) 用用 領(lǐng)領(lǐng) 域域 廣廣 泛泛具具 有有 競競 爭爭 力力 的的 價(jià)價(jià) 格格 GPS基礎(chǔ)教程基礎(chǔ)教程2022年

4、6月27日6GPS 系系 統(tǒng)統(tǒng) 的的 完完 善善 受受 控控 于美于美 國國 國國 防防 部部GPS 系系 統(tǒng)統(tǒng) 可可 提提 供供 精精 確確 導(dǎo)導(dǎo) 航航 導(dǎo)導(dǎo) 航航 精精 度度 約約 為為 10 - 20 m 全全 球球 信信 號號 覆覆 蓋蓋 24 小小 時(shí)時(shí) 工工 作作 服服 務(wù)務(wù) 普普 通通 座座 標(biāo)標(biāo) 系系 統(tǒng)統(tǒng) 中中 的的 測測 量量 工作工作計(jì)計(jì) 劃劃 用用 GPS 系系 統(tǒng)統(tǒng) 取取 代代 現(xiàn)現(xiàn) 有有 的的 導(dǎo)導(dǎo) 航航 系系 統(tǒng)統(tǒng)GPS 系系 統(tǒng)統(tǒng) 可可 應(yīng)應(yīng) 用用 于于 民民 用用 及軍及軍 事事 領(lǐng)領(lǐng) 域域 GPS基礎(chǔ)教程基礎(chǔ)教程2022年6月27日7控控 制制 部部 分分

5、1 個個 主主 控控 站站 5 個個 監(jiān)監(jiān) 控控 站站空空 間間 部部 分分 導(dǎo)導(dǎo) 航航 衛(wèi)衛(wèi) 星星 : 導(dǎo)導(dǎo) 航航 信信 息息 衛(wèi)衛(wèi) 星星 時(shí)時(shí) 和和 衛(wèi)衛(wèi) 星星 鐘鐘 24 顆顆 衛(wèi)衛(wèi) 星星 20200 Km用用 戶戶 設(shè)設(shè) 備備 部部 分分 接接 受受 衛(wèi)衛(wèi) 星星 信信 號號 GPS基礎(chǔ)教程基礎(chǔ)教程2022年6月27日824 顆顆 衛(wèi)衛(wèi) 星星分分 布布 在在 互互 為為 55 度度 交交 角角 的的 6 個個 軌軌 道道 平平 面面 上，上， 每每 個個 軌軌 道道 面面 上上 布布 有有 4 顆顆 衛(wèi)衛(wèi) 星星衛(wèi)衛(wèi) 星星 高高 約約 20200 Km 12 小小 時(shí)時(shí) 繞繞 軌軌 道道

6、一一 周周 可可 見見 時(shí)時(shí) 間間 為為 4-5 小小 時(shí)時(shí)設(shè)計(jì)壽命為設(shè)計(jì)壽命為 7.5 年年衛(wèi)衛(wèi) 星星 種類種類 區(qū)區(qū) 分分 Block 1(一一 代代),Block 2, 2A(二二 代代), Block 2R，2 F(三三 代代)55 GPS基礎(chǔ)教程基礎(chǔ)教程2022年6月27日92424顆衛(wèi)星顆衛(wèi)星(21+3)(21+3)6 6個軌道平面?zhèn)€軌道平面5555軌道傾角軌道傾角20200km20200km軌道高度軌道高度( (地面高度地面高度) )1212小時(shí)小時(shí)( (恒星時(shí)恒星時(shí)) )軌道周期軌道周期5 5個多小時(shí)出現(xiàn)在地平線以上個多小時(shí)出現(xiàn)在地平線以上( (每顆星每顆星)目前在軌實(shí)際運(yùn)行的

7、衛(wèi)星個數(shù)已經(jīng)超過目前在軌實(shí)際運(yùn)行的衛(wèi)星個數(shù)已經(jīng)超過3232顆顆4 GPS衛(wèi)星衛(wèi)星2022年6月27日10主主 控控 站站 負(fù)負(fù) 責(zé)責(zé) 收收 集集 由由 監(jiān)監(jiān) 控控 站站 傳傳 來來 的的 衛(wèi)衛(wèi) 星星 跟跟 蹤蹤 數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù) 并并 計(jì)計(jì) 算算 衛(wèi)衛(wèi) 星星 星星 歷歷 和和 時(shí)時(shí) 間間 參參 數(shù)數(shù)5 個個 監(jiān)監(jiān) 控控 站站 負(fù)負(fù) 責(zé)責(zé) 對對 衛(wèi)衛(wèi) 星星 偽偽 距距 數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù) 的的 觀觀 測，測，這這 一一 衛(wèi)衛(wèi) 星星 跟跟 蹤蹤 監(jiān)監(jiān) 測測 網(wǎng)網(wǎng) 用用 于于 確確 定定 衛(wèi)衛(wèi) 星星 廣廣 播播 星星 歷歷 及及 衛(wèi)衛(wèi) 星星 鐘鐘 模模 式式 地地 面面 控控 制制 站站 負(fù)負(fù) 責(zé)責(zé) 向向 衛(wèi)衛(wèi)

8、星星 注入信注入信 號號 GPS基礎(chǔ)教程基礎(chǔ)教程2022年6月27日115 5 地面控制站地面控制站一個主控站：科羅拉多：科羅拉多斯必靈司斯必靈司三個注入站：阿松森阿松森(Ascencion)(Ascencion) 迭哥迭哥伽西亞伽西亞(Diego Garcia)(Diego Garcia) 卡瓦加蘭卡瓦加蘭(kwajalein)(kwajalein)五個監(jiān)測站=1=1個主控站個主控站+3+3個注入站個注入站+ +夏威夷夏威夷(Hawaii)(Hawaii)55HawaiiAscencionDiego GarciakwajaleinColorado springs2022年6月27日12Xll

9、Vl Xl lll GPS基礎(chǔ)教程基礎(chǔ)教程2022年6月27日13XllVlXllllllllVVVllVlllXlXGPS基礎(chǔ)教程基礎(chǔ)教程2022年6月27日14XllVlXllllVll GPS基礎(chǔ)教程基礎(chǔ)教程2022年6月27日15XllVlXllllllllVVVllVlllXlX距離 = 傳播時(shí)間 x 光速 GPS基礎(chǔ)教程基礎(chǔ)教程2022年6月27日16我我 們們 必必 定定 在在 以以 R1 為為 半半 徑徑 的的 球球 面面 的的 某某 個個 點(diǎn)點(diǎn) 上上R1 GPS基礎(chǔ)教程基礎(chǔ)教程2022年6月27日172 個個 球球 面面 相相 交交 成成 一一 個個 圓圓 弧弧點(diǎn)點(diǎn) 位位 被

10、被 限限 制制 在在 一一 曲曲 線線 上上R1R2 GPS基礎(chǔ)教程基礎(chǔ)教程2022年6月27日183 個球面相交成一個點(diǎn)個球面相交成一個點(diǎn)3 個距離段可以確定緯度，經(jīng)度，和高程個距離段可以確定緯度，經(jīng)度，和高程點(diǎn)點(diǎn) 的的 空空 間間 位位 置置 被被 確確 定定R1R2R3 GPS基礎(chǔ)教程基礎(chǔ)教程2022年6月27日19衛(wèi)衛(wèi) 星星 可可 被被 看看 作作 是是 在在 固固 定定 的的 軌軌 道道 上上 運(yùn)運(yùn) 動動 空空 中中 觀觀 測測 目目 標(biāo)標(biāo)每每 顆顆 衛(wèi)衛(wèi) 星星 播播 發(fā)發(fā) 獨(dú)獨(dú) 立立 的的 時(shí)時(shí) 間間 碼碼 進(jìn)進(jìn) 行行 距距 離離 測測 量量常常 規(guī)規(guī) GPS 接接 收收 儀儀 內(nèi)

11、內(nèi) 置置 較較 為為 廉廉 價(jià)價(jià) 的的 鐘，這鐘，這 些些 鐘鐘 的的 計(jì)計(jì) 時(shí)時(shí) 精度精度 比比 衛(wèi)衛(wèi) 星星 上上 內(nèi)內(nèi) 置置 鐘鐘 的的 精精 度度 低低 得得 多多無無 線線 電電 電電 波波 以以 光光 速速 傳傳 播播 ( 距距 離離 = 光光 速速 x 時(shí)時(shí) 間間) 設(shè)設(shè) 想想 一一 下下 接接 收收 儀儀 上上 鐘鐘 的的 誤誤 差差 對對 距距 離離 測測 定定 的的 影影 響響 1/10 秒秒 的的 測測 時(shí)時(shí) 誤誤 差差 將將 引引 起起 30,000 Km 的的 距距 離離 誤誤 差差 1/1,000,000 秒秒 的的 測測 時(shí)時(shí) 誤誤 差差 將將 引引 起起 300

12、m 的的 距距 離離 誤誤 差差 GPS基礎(chǔ)教程基礎(chǔ)教程2022年6月27日204 段段 距距 離離 解解 決決 了了 緯緯 度，經(jīng)度，經(jīng) 度，高度，高 程程 和和 時(shí)時(shí) 間間 四四 個個 未未 知知 數(shù)數(shù)這這 就就 類類 似似 于于 測測 邊邊 交交 會會 問問 題題 的的 解解 決決 原原 理理GPS基礎(chǔ)教程基礎(chǔ)教程2022年6月27日21每每 個個 GPS 衛(wèi)衛(wèi) 星星 播播 發(fā)發(fā) 一一 組組 信信 號號每每 組組 信信 號號 包包 括括 兩兩 個個 不不 同同 頻頻 率率 的的 載載 波波 信信 號號 (L1 和和 L2)、兩、兩 個個 不不 同同 的的 測測 距距 碼碼 信信 號號 (

13、C/A 碼碼 調(diào)調(diào) 制制 在在 L1 載載 波波 上，上，P 碼碼 或或 Y 碼碼 同同 時(shí)時(shí) 調(diào)調(diào) 制制 在在 L1 及及 L2 載載 波波 上上) 以以 及及 衛(wèi)衛(wèi) 星星 的的 軌軌 道道 信信 息息 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)教程基礎(chǔ)教程2022年6月27日22D = V (dT)測測 距距 偽偽 隨隨 機(jī)機(jī) 碼碼 每每 一一 衛(wèi)衛(wèi)

14、 星星 播播 發(fā)發(fā) 一一 個個 偽偽 隨隨 機(jī)機(jī) 測測 距距 碼碼 信信 號，該號，該 信信 號號 大大 約約 每每 1 毫毫 秒秒 播播 發(fā)發(fā) 一一 次次 接接 收收 儀儀 同同 時(shí)時(shí) 復(fù)復(fù) 制制 出出 一一 個個 同同 樣樣 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu)的的 信信 號號 并并 與與 接接 收收 到到 的的 衛(wèi)衛(wèi) 星星 信信 號號 進(jìn)進(jìn)行行 比比 較較 由由 信信 號號 的的 延延 遲遲 時(shí)時(shí) 間間 (dT) 推推 算算 出出 衛(wèi)衛(wèi) 星星 至至 接接 收收 儀儀 的的 距距 離離 接接 收收 儀儀 時(shí)時(shí) 鐘鐘 應(yīng)應(yīng) 與與 衛(wèi)衛(wèi) 星星 鐘鐘 校校 時(shí)時(shí)dT 接 收 到 的衛(wèi) 星 測 距 碼 接 收 儀復(fù) 制 出

15、 的 測 距 碼 GPS基礎(chǔ)教程基礎(chǔ)教程2022年6月27日23D = c TN載載 波波 相相 位位 觀觀 測測 載載 波波 L1 的的 波波 長長 為為 19 cm ，L2 的的 波波 長長為為 24 cm 接接 收收 儀儀 將將 接接 收收 到到 的的 衛(wèi)衛(wèi) 星星 載載 波波 信信 號號的的 相相 位位 與與 其其 自自 身身 產(chǎn)產(chǎn) 生生 的的 參參 考考 載載 波波信信 號號 的的 相相 位位 進(jìn)進(jìn) 行行 比比 較較 接接 收收 儀儀 開開 機(jī)機(jī) 后，相后，相 位位 整整 周周 數(shù)數(shù) 未未 知知 (帶帶 有有 整整 周周 模模 糊糊 度度 ) 跟跟 蹤蹤 衛(wèi)衛(wèi) 星星 時(shí)時(shí) 間間 較較

16、長長 時(shí)時(shí) 距距 離離 的的 變變 化化可可 以以 測測 定定 ( 整整 周周 數(shù)數(shù) 保保 持持 不不 變變 )T接 收 到 的 衛(wèi) 星 相 位接 收 儀 復(fù) 制 出 的 相 位 GPS基礎(chǔ)教程基礎(chǔ)教程2022年6月27日24單單 機(jī)機(jī) 定定 位位 用用 于于 導(dǎo)導(dǎo) 航，其航，其 定定 位位 精精 度度 大大 約約 在在 10 到到 30m 左左 右右 GPS基礎(chǔ)教程基礎(chǔ)教程2022年6月27日25P = 正確位置正確位置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月取消理理 論論 上上 利利 用用 C/A 碼碼 可可 獲獲 取取 10 - 30m 的的 定定 位

17、位 精精 度度30m100m GPS基礎(chǔ)教程基礎(chǔ)教程2022年6月27日26美美 國國 防防 部部 人為人為 降降 低低 衛(wèi)衛(wèi) 星星 廣廣 播播 信信 息息的的 精精 度，限度，限 制制 非非 許許 可可 用用 戶的戶的 非非 法法 使使 用用在在 基基 準(zhǔn)準(zhǔn) 信信 號號 上上 人人 為為 加加 入入 一一 個個 高高 頻頻 抖抖 動動 信信 號號(技術(shù)技術(shù)) )人人 為為 降降 低低 衛(wèi)衛(wèi) 星星 星星 歷歷 精精 度度 (技技 術(shù)術(shù)) )此此 項(xiàng)項(xiàng) 技技 術(shù)術(shù) 稱稱 為為 選選 擇擇 可可 用用 性性 技技 術(shù)術(shù)點(diǎn)點(diǎn) 位位 精精 度度 為為 100 m (95%)P理理 論論 上上 基基 于

18、于 C/A 碼碼 的的 定定 位位 精精 度度約約 為為 10 - 30m 30m100m GPS基礎(chǔ)教程基礎(chǔ)教程2022年6月27日27防電子欺騙技術(shù)防電子欺騙技術(shù)(AS) 選擇性服務(wù)政策選擇性服務(wù)政策(SA)*SA技術(shù)已經(jīng)于技術(shù)已經(jīng)于2000年年5月取消月取消GPS基礎(chǔ)教程基礎(chǔ)教程2022年6月27日28GPS定位的誤差源定位的誤差源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

19、收機(jī)軟件和硬件造成的誤差2022年6月27日29 GPS基礎(chǔ)教程基礎(chǔ)教程2022年6月27日30在在 測測 定定 流流 動動 站站 的的 座座 標(biāo)標(biāo) 時(shí)時(shí) 與與 之之 相相 關(guān)關(guān) 聯(lián)聯(lián) 的的 參參 考考 站站 的的 設(shè)設(shè) 置置 是是 必必 須須 的的 參參 考考 站站 (A) 的的 座座 標(biāo)標(biāo) 須須 已已知知 衛(wèi)衛(wèi) 星星 必必 須須 同同 時(shí)時(shí) 被被 跟跟 蹤蹤差差 分分 定定 位位 削削 減減 衛(wèi)衛(wèi) 星星 及及 接接 收收 儀儀 鐘鐘的的 誤誤 差差 影影 響響 大大 氣氣 影影 響響 削削 減減 至至 最最 小小 精精 度度 達(dá)達(dá) 0.5 cm - 5 mB GPS基礎(chǔ)教程基礎(chǔ)教程2022

20、年6月27日31偽偽 距距 差差 分分 測測 量量 精精 度度 可可 達(dá)達(dá) 0.5m - 5 m 此此 種種 測測 量量 形形 式式 一一 般般 稱稱 為為 DGPSB GPS基礎(chǔ)教程基礎(chǔ)教程2022年6月27日32RTD測量原理圖測量原理圖測深儀電腦發(fā)射電臺GPS主機(jī)基準(zhǔn)站基準(zhǔn)站移動站移動站GPS主機(jī)接收電臺2022年6月27日33測深儀電腦信標(biāo)臺站信標(biāo)臺站移動站移動站GPS主機(jī)信標(biāo)機(jī)測量原理圖信標(biāo)機(jī)測量原理圖信標(biāo)天線2022年6月27日34如如 果果 使使 用用 載載 波波 差差 分分 或或 同同 時(shí)時(shí) 使使 用用 載載 波波 差差分分 及及 偽偽 距距 差差 分分 則則 定定位位 精精

21、度度 可可 達(dá)達(dá) 5 - 10 mm + 1ppmB GPS基礎(chǔ)教程基礎(chǔ)教程2022年6月27日35常規(guī)常規(guī)GPS的測量方法，如靜態(tài)、快速靜態(tài)、動態(tài)測的測量方法，如靜態(tài)、快速靜態(tài)、動態(tài)測量都需要事后進(jìn)行解算才能獲得厘米級的精度，而量都需要事后進(jìn)行解算才能獲得厘米級的精度，而RTK是能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級定位精度的測量方法，它是能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級定位精度的測量方法，它采用了載波相位動態(tài)實(shí)時(shí)差分采用了載波相位動態(tài)實(shí)時(shí)差分(Real - time kinematic)方法，是方法，是GPS應(yīng)用的重大里程碑，它的出現(xiàn)為工程放樣、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

22、新曙光，極大地提高了地形測圖，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。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)地把定位時(shí)要求基準(zhǔn)站接收機(jī)實(shí)時(shí)地把觀測數(shù)據(jù)觀測數(shù)據(jù)(偽距觀測值，相位觀測值偽距觀測值，相位觀測值)及已知數(shù)據(jù)傳輸給及已知數(shù)據(jù)傳輸給流動站接收機(jī)。流動站接收機(jī)。什么是什么是RTK技術(shù)技術(shù)2022年6月27日36發(fā)射電臺GPS主機(jī)基準(zhǔn)站基準(zhǔn)站移動站移動站GPS主機(jī)RTK測量原理圖測量原理圖采集器接收電臺2022年6月27日372022年6月27日38時(shí)間 (0)整周數(shù)時(shí)間 (i)整周數(shù)整周變化數(shù)相位差測量在在 使使 用用 載載 波波 相相 位位 觀觀 測測 時(shí)時(shí) 整整 周

23、周 數(shù)數(shù) 應(yīng)應(yīng) 被被 解解 算算 出出 來來相位差測量GPS基礎(chǔ)教程基礎(chǔ)教程2022年6月27日39精度精度 (m)1.000.100.01 0 120 0 2 5 時(shí)間時(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)的測量精度整整 周周 模模 糊糊 度度 的的 解解 算算 效效 果果 如如 下下 所所 示示注注 意意 到到 一一 旦旦 模模 糊糊 度度 被被 解解 出，測出，測 量量 精精 度度 將將 不不 隨隨 時(shí)時(shí) 間間 有有 明明顯顯 增增 長長 GPS基礎(chǔ)教程基礎(chǔ)教程2022年6月27日40一一 種種 描描 述述 純純 粹粹 因因 衛(wèi)衛(wèi) 星星 幾幾 何何 因因 素素 對對 定定 點(diǎn)點(diǎn) 精精 度度 的的 影影 響響精精 度度 因因 子子 指指 出出 在在 測測 量量 時(shí)時(shí) 被被 跟跟 蹤蹤