最新-第十講GPS數(shù)據(jù)處理2-PPT課件

1、第十五章 GPS高程測(cè)量1水準(zhǔn)面：它是一個(gè)重力等位能面，是進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量的基準(zhǔn)面。如圖，由于地面上的重力加速度和物質(zhì)的分布情況有關(guān)，因此重力加速度并不是處處相等的，這就造成水準(zhǔn)面之間是不平行的。在進(jìn)行實(shí)地的水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)，都是以垂線為基準(zhǔn)進(jìn)行整平的，因此所測(cè)得的高差就是各相鄰水準(zhǔn)面之間的距離。2由于相鄰水準(zhǔn)面的不平行性，導(dǎo)致水準(zhǔn)測(cè)量所經(jīng)路線不同，水準(zhǔn)測(cè)量的結(jié)果也將不同。34高程系統(tǒng) 在測(cè)量中常用的高程系統(tǒng)有大地高系統(tǒng)、正高系統(tǒng)和正常高系統(tǒng)。 一、大地高系統(tǒng)：大地高系統(tǒng)是以參考橢球面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)。某點(diǎn)的大地高是該點(diǎn)到通過該點(diǎn)的參考橢球的法線與參考橢球面的交點(diǎn)間的距離。大地高也稱為橢球高，大地高一

2、般用符號(hào)H表示。大地高是一個(gè)純幾何量，不具有物理意義，同一個(gè)點(diǎn)，在不同的基準(zhǔn)下，具有不同的大地高。 二、正高系統(tǒng)：正高系統(tǒng)是以大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)。某點(diǎn)的正高是該點(diǎn)到通過該點(diǎn)的鉛垂線與大地水準(zhǔn)面的交點(diǎn)之間的距離，正高用符號(hào)Hg表示。 三、正常高：正常高系統(tǒng)是以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的高程系統(tǒng)。某點(diǎn)的正常高是該點(diǎn)到通過該點(diǎn)的鉛垂線與似大地水準(zhǔn)面的交點(diǎn)之間的距離，正常高用Hr表示。 5四、 高程系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系 大地水準(zhǔn)面到參考橢球面的距離，稱為大地水準(zhǔn)面差距，記為hg。似大地水準(zhǔn)面到參考橢球面的距離，稱為高程異常，記為。大地高與正高之間的關(guān)系可以表示為：大地高與正常高之間的關(guān)系可以表示為：

3、 6 GPS 測(cè)高程的方法 由于采用GPS觀測(cè)所得到的是大地高，為了確定出正高或正常高，需要有大地水準(zhǔn)面差距hg或高程異常數(shù)據(jù) 。一、 等值線圖法：從高程異常圖或大地水準(zhǔn)面差距圖分別查出各點(diǎn)的高程異?；虼蟮厮疁?zhǔn)面差距hg ，然后分別采用下面兩式可計(jì)算出正常高Hr和正高Hg 。 7在采用等值線圖法確定點(diǎn)的正常高和正高時(shí)要注意以下幾個(gè)問題：1、注意等值線圖所適用的坐標(biāo)系統(tǒng)，在求解正常高或正高時(shí)，要采用相應(yīng)坐標(biāo)系統(tǒng)的大地高數(shù)據(jù)。2、采用等值線圖法確定正常高或正高，其結(jié)果的精度在很大程度上取決于等值線圖的精度。 8二、 多項(xiàng)式平面擬合法 1、基本原理：所謂高程擬合法就是利用在范圍不大的區(qū)域中，高程異常

4、具有一定的幾何相關(guān)性這一原理，采用數(shù)學(xué)方法，求解正高、正常高或高程異常。將高程異常表示為下面多項(xiàng)式的形式： 零次多項(xiàng)式： 一次多項(xiàng)式： 二次多項(xiàng)式： 其中：n為GPS網(wǎng)的點(diǎn)數(shù)。 9利用公共點(diǎn)上GPS測(cè)定的大地高和水準(zhǔn)測(cè)量測(cè)定的正常高計(jì)算出該點(diǎn)上的高程異常，存在一個(gè)這樣的公共點(diǎn)，就可以依據(jù)上式列出一個(gè)方程： 若共存在m個(gè)這樣的公共點(diǎn)，則可列出m個(gè)方程。 若m的個(gè)數(shù)大于3個(gè)，則可以列出相應(yīng)的誤差方程為10從而組成誤差方程組通過最小二乘法可以求解出多項(xiàng)式的系數(shù)： P為權(quán)陣，它可以根據(jù)水準(zhǔn)高程和GPS所測(cè)得的大地高的精度來加以確定。 112、注意事項(xiàng) （1）適用范圍：上面介紹的高程擬合的方法，是一種純

5、幾何的方法，因此，一般僅適用于高程異常變化較為平緩的地區(qū)（如平原地區(qū)），其擬合的準(zhǔn)確度可達(dá)到一個(gè)分米以內(nèi)。對(duì)于高程異常變化劇烈的地區(qū)（如山區(qū)），這種方法的準(zhǔn)確度有限，這主要是因?yàn)樵谶@些地區(qū)，高程異常的已知點(diǎn)很難將高程異常的特征表示出來。（2）選擇合適的高程異常已知點(diǎn)：所謂高程異常的已知點(diǎn)的高程異常值一般是通過水準(zhǔn)測(cè)量測(cè)定正常高、通過GPS測(cè)量測(cè)定大地高后獲得的。在實(shí)際工作中，一般采用在水準(zhǔn)點(diǎn)上布設(shè)GPS點(diǎn)或?qū)PS點(diǎn)進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)的方法來實(shí)現(xiàn)，為了獲得好的擬合結(jié)果要求采用數(shù)量盡量多的已知點(diǎn)，它們應(yīng)均勻分布，并且最好能夠?qū)⒄麄€(gè)GPS網(wǎng)包圍起來。 12（3）高程異常已知點(diǎn)的數(shù)量：若要用零次多項(xiàng)式進(jìn)行

6、高程擬合時(shí)，要確定1個(gè)參數(shù)，因此，需要1個(gè)以上的已知點(diǎn)；若要采用一次多項(xiàng)式進(jìn)行高程擬合，要確定3個(gè)參數(shù)，需要3個(gè)以上的已知點(diǎn)；若要采用二次多項(xiàng)式進(jìn)行高程擬合，要確定6個(gè)參數(shù)，則需要6個(gè)以上的已知點(diǎn)。（4）分區(qū)擬合法：若擬合區(qū)域較大，可采用分區(qū)擬合的方法，即將整個(gè)GPS網(wǎng)劃分為若干區(qū)域，利用位于各個(gè)區(qū)域中的已知點(diǎn)分別擬合出該區(qū)域中的各點(diǎn)的高程異常值，從而確定出它們的正常高。下圖是一個(gè)分區(qū)擬合的示意圖，擬合分兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行，以虛線為界，位于虛線上的已知點(diǎn)兩個(gè)區(qū)域都采用。13四、移動(dòng)曲面法 對(duì)待插點(diǎn)建立權(quán)函數(shù)： 權(quán)的引入是為了在移動(dòng)時(shí)根據(jù)待插點(diǎn)到已知點(diǎn)的距離給出各已知點(diǎn)的不同的影響程度，兩點(diǎn)越近影響越

7、大、它并不像測(cè)量平差中的權(quán)是由誤差定義的。目前在DEM中廣泛使用的權(quán)函數(shù)有： 14一般對(duì)某一待插點(diǎn) ， 若已知點(diǎn)滿足可利用用這些已知點(diǎn)參加內(nèi)插，則稱以待插點(diǎn)為圓心，半徑為R的圓形移動(dòng)窗口曲面內(nèi)插。 設(shè)移動(dòng)到第J個(gè)內(nèi)插點(diǎn)時(shí)，欲利用落入該點(diǎn)移動(dòng)窗口內(nèi)的m個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的高程異常（ i 1,2,m），以下列多項(xiàng)式計(jì)算第j個(gè)待插點(diǎn)的高程異常值。15在m個(gè)已知點(diǎn)上建立誤差方程 式中，令： 16應(yīng)用最小二乘原理 可得法方程 據(jù)此求出各個(gè)系數(shù)，進(jìn)而求得高程異常。 17三、地球重力場(chǎng)模型法 地球重力場(chǎng)模型是根據(jù)衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)。地面重力數(shù)據(jù)、衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)等重力場(chǎng)信息、由地球擾動(dòng)位的球諧函數(shù)級(jí)數(shù)展開式求高程異常。 由物理

8、大地測(cè)量學(xué)地面點(diǎn)擾動(dòng)位T與該點(diǎn)引力位V和正常引力位U之間的關(guān)系為 TVU 式中， 為地面點(diǎn)的正常重力值。正常重力值和正常引力位U可以精確計(jì)算，因此只耍給出地面點(diǎn)的引力位V，就可求出地面點(diǎn)的高程異常 V一般用球諧級(jí)數(shù)展開式計(jì)算。18四、重力場(chǎng)模型與GPS水準(zhǔn)相結(jié)合 這方法的基本思路是：在GPS水準(zhǔn)點(diǎn)上，將由GPS大地高程和水準(zhǔn)正常求得的高程異常與由重力場(chǎng)模型求得的高程異常進(jìn)行比較，求出該地面點(diǎn)的兩種高程異常的差值然后再采用曲面擬合方法，由公井點(diǎn)的平面坐標(biāo)和 求其他點(diǎn)的 ；由此計(jì)算GPS網(wǎng)中未測(cè)水準(zhǔn)點(diǎn)的正常高程實(shí)驗(yàn)表明：這種重力場(chǎng)模型與GPS水準(zhǔn)相結(jié)合的方法是提高高程精度的一條有效途徑。 19第八

9、章 GPS接收機(jī)208.1GPS接收機(jī)及其分類1.GPS接收機(jī)的基本概念GPS用戶設(shè)備主要包括GPS接收機(jī)及其天線、微處理機(jī)及其終端設(shè)備以及電源等。其中接收機(jī)和天線是核心部分，習(xí)慣上統(tǒng)稱為GPS接收機(jī)。主要功能是接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，并進(jìn)行處理，獲取導(dǎo)航電文和必要的觀測(cè)量。21GPS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖所示天線前置放大器信號(hào)處理器微處理器導(dǎo)航計(jì)算機(jī)震蕩器用戶信息傳輸數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器外部傳輸電源22GPS接收機(jī)的主要結(jié)構(gòu)組成：天線（帶前置放大器）信號(hào)處理器：用于信號(hào)識(shí)別與處理微處理器：用于接收機(jī)的控制、數(shù)據(jù)采集和導(dǎo)航計(jì)算用戶信息傳輸：包括操作板、顯示板等精密震蕩器：產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)頻率電源23GPS接收機(jī)按構(gòu)

10、成部分的性質(zhì)和功能劃分：硬件部分：上述的各種設(shè)備。軟件部分：支持接收機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)其功能，并完成各種導(dǎo)航和測(cè)量任務(wù)的程序。包括內(nèi)軟件和外軟件。所謂內(nèi)軟件是指諸如控制接收機(jī)信號(hào)通道，按時(shí)序?qū)Ω餍l(wèi)星信號(hào)進(jìn)行量測(cè)的軟件，以及固化在中央處理器中自動(dòng)操作程序等。此類軟件已與接收機(jī)融為一體。外軟件是指處理觀測(cè)數(shù)據(jù)的軟件系統(tǒng)，一般以磁盤方式提供。無特別說明，通常所指的軟件均指外軟件。242.接收機(jī)類型（1）按工作原理劃分：碼相關(guān)型接收機(jī)：能夠產(chǎn)生與所測(cè)衛(wèi)星測(cè)距碼結(jié)構(gòu)完全相同的復(fù)制碼。利用的是C/A碼或P碼，條件是掌握測(cè)距碼結(jié)構(gòu)，也稱有碼接收機(jī)。平方型接收機(jī)：利用載波信號(hào)的平方技術(shù)去掉調(diào)制碼，獲得載波相位測(cè)量所必

11、需的載波信號(hào)。該機(jī)只利用衛(wèi)星信號(hào)，無需解碼，不必掌握測(cè)距碼結(jié)構(gòu)，稱無碼接收機(jī)?；旌闲徒邮諜C(jī)：綜合利用了碼相關(guān)技術(shù)和平方技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)獲得碼相位和精密載波相位觀測(cè)量。目前廣泛使用。25（2）根據(jù)接收機(jī)信號(hào)通道類型劃分：多通道接收機(jī)：具有多個(gè)衛(wèi)星信號(hào)通道，每個(gè)通道只連續(xù)跟蹤一個(gè)衛(wèi)星信號(hào)。也稱連續(xù)跟蹤型接收機(jī)。序貫通道接收機(jī)：只有1-2個(gè)信號(hào)通道，為了跟蹤多個(gè)衛(wèi)星，在相應(yīng)軟件控制下按時(shí)序依次對(duì)各衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行跟蹤量測(cè)。依次量測(cè)一個(gè)循環(huán)所需時(shí)間較長(zhǎng)（大于20ms），對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤是不連續(xù)的。多路復(fù)用通道接收機(jī)：與序貫通道接收機(jī)相似，也只有1-2個(gè)信號(hào)通道，在相應(yīng)軟件控制下按時(shí)序依次對(duì)各衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行跟

12、蹤量測(cè)。依次量測(cè)一個(gè)循環(huán)所需時(shí)間較短（小于20ms），可保持對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的連續(xù)跟蹤。26（3）根據(jù)所接收的衛(wèi)星信號(hào)頻率劃分：?jiǎn)晤l接收機(jī)（L1）：只接收調(diào)制的L1信號(hào)，雖然可利用導(dǎo)航電文提供的參數(shù)，對(duì)觀測(cè)量進(jìn)行電離層影響修正，但由于修正模型尚不完善，精度較差，主要用于小于20km的短基線精密定位。雙頻接收機(jī)（L1+L2）：同時(shí)接受L1、L2兩種信號(hào)，利用雙頻技術(shù)，可消除或減弱電離層折射對(duì)觀測(cè)量的影響，定位精度較高。27（4）按接收機(jī)用途劃分：導(dǎo)航型：用于確定船舶、車輛、飛機(jī)等運(yùn)載體的實(shí)時(shí)位置和速度，保障按預(yù)定路線航行或選擇最佳路線。一般采用測(cè)碼偽距為觀測(cè)量的單點(diǎn)實(shí)時(shí)定位或差分GPS（RTDGPS）

13、定位，精度低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛。測(cè)量型接收機(jī)：采用載波相位觀測(cè)量進(jìn)行相對(duì)定位，精度高。觀測(cè)數(shù)據(jù)可測(cè)后處理或?qū)崟r(shí)處理（RTK），需配備功能完善的數(shù)據(jù)處理軟件。與導(dǎo)航型相比，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。授時(shí)型接收機(jī)：主要用于天文臺(tái)或地面監(jiān)控站，進(jìn)行時(shí)頻同步測(cè)定。288.2GPS接收機(jī)通道的概念接收機(jī)信號(hào)通道可理解為GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)經(jīng)由天線進(jìn)入接收機(jī)的路徑。當(dāng)接收機(jī)的全向天線接收到所有來自天線水平面以上的衛(wèi)星信號(hào)之后，必須首先將這些信號(hào)隔離開來，以便進(jìn)行處理和量測(cè)通過接收機(jī)內(nèi)若干分離信號(hào)的通道來實(shí)現(xiàn)。通道是由硬件和相應(yīng)的軟件組成。每個(gè)通道在某一時(shí)刻只能跟蹤一顆衛(wèi)星的一種頻率信號(hào)，當(dāng)接收機(jī)需同

14、時(shí)跟蹤多個(gè)衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，原則上可采用兩種跟蹤方式：29一是接收機(jī)具有多個(gè)分離的硬件通道，每個(gè)通道都可連續(xù)的跟蹤一個(gè)衛(wèi)星信號(hào)；二是一個(gè)信號(hào)通道在相應(yīng)軟件的作用下，跟蹤多個(gè)衛(wèi)星信號(hào)。根據(jù)跟蹤衛(wèi)星信號(hào)的方式不同，通道的類型分為：序貫通道（sequencing channel）多路復(fù)用通道（multiplexing channel）多通道（multi-channel）30根據(jù)通道的工作原理，即對(duì)信號(hào)處理和量測(cè)的不同方法，分為：碼相關(guān)型通道（correlation channel）平方型通道（squaring channel）碼相位型通道（code phase channel）8.3 接收機(jī)天線1.天線的

15、作用與要求天線的基本作用是把來自于衛(wèi)星信號(hào)的能量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流，并經(jīng)前置放大器進(jìn)行頻率變換，以便對(duì)信號(hào)進(jìn)行跟蹤、處理和量測(cè)。31天線的基本要求：天線與前置放大器應(yīng)密封為一體，保障在惡劣氣象環(huán)境下正常工作。天線應(yīng)呈全圓極化：要求天線的作用范圍為整個(gè)上半球，天頂處不產(chǎn)生死角，保障能接收來自天空任何方向的衛(wèi)星信號(hào)。天線必須采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)與屏蔽措施：例如加一塊基板，盡可能地減弱信號(hào)的多路徑效應(yīng)，防止信號(hào)干擾。天線的相位中心與其幾何中心的偏差應(yīng)盡量小，且保持穩(wěn)定。322. 天線的類型：接收機(jī)天線有多種類型，其基本類型如下:33（1）單極或偶極天線：屬于單頻天線，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，通常安裝在一塊基板上，

16、減弱多路徑影響。（2）四線螺旋形或螺旋形結(jié)構(gòu)天線：屬于單頻天線，結(jié)構(gòu)較單極天線復(fù)雜，生產(chǎn)中難以調(diào)整，但增益性好，一般不需底板。（3）微波傳輸帶型天線：簡(jiǎn)稱微帶天線。結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單和堅(jiān)固，即可用于單頻，也可用于雙頻，天線高度低，是安裝在飛機(jī)上的理想天線。缺點(diǎn)是增益性低，但可采用低噪聲前置放大器加以彌補(bǔ)。34（4）錐形天線：也稱盤旋螺線型天線?？赏瑫r(shí)在兩個(gè)頻道上工作，優(yōu)點(diǎn)是增益性好，但天線較高，螺旋線在水平方向上不完全對(duì)稱，天線的相位中心和幾何中心不完全重合。（5）帶扼流圈的振子天線：簡(jiǎn)稱扼流圈天線。1987年由美國(guó)航空航天局（NASA）研制。主要特點(diǎn)是可有效地抑制多路徑誤差的影響。缺點(diǎn)是體積大，重量重。35天線的品質(zhì)對(duì)于減少信號(hào)損失，防止信號(hào)干擾和提高定位精度具有重要意義。為不斷完善天線性能，當(dāng)前天線設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是：改善天線對(duì)不同GPS定位工作的適應(yīng)性。提高相位中心的穩(wěn)定性。加強(qiáng)抗干擾能力，減弱多路徑影響。進(jìn)一步小型化、輕型化。改進(jìn)天線生產(chǎn)工藝。36幾種測(cè)量型雙頻GPS接收機(jī)的主要參數(shù)Wild200STrimble4000SEAshtech DimensionNovAtelRPK-3151產(chǎn)地瑞士美國(guó)美國(guó)加拿大首產(chǎn)年代1994199219912019通道數(shù)691212體積cm31000478418811085重量kg1.62.51.61.0天