GPS理論測量原理

理論篇GPS測量基本理論概要引言1.GPS系統(tǒng)的組成2.GPS定位的基本原理3.GPS定位測量的方式4.GPS常用測量坐標(biāo)系5.GPS定位技術(shù)的應(yīng)用

衛(wèi)星定位技術(shù)發(fā)展概況-衛(wèi)星幾何大地測量（衛(wèi)星三角網(wǎng)與測距網(wǎng)）-海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（NNSS）

-測時(shí)測距導(dǎo)航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)（NAVSTAR/GPS）GPS，GLONASS，NAVSAT，INMARSAT，GNSS

全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)-GNSS-GNSS是基于衛(wèi)星無線電定位系統(tǒng)-可向全球用戶提供高精度定位、速度和時(shí)間數(shù)據(jù)，具有很強(qiáng)的抗干擾功能-世界范圍,連續(xù)覆蓋,全天候工作-被動(dòng)式定位系統(tǒng),可供無數(shù)用戶同時(shí)使用

GNSS導(dǎo)航定位的顯著特點(diǎn)是：全球性、全天候、高精度、自動(dòng)化、高效率、應(yīng)用廣泛控制部分空間部分

用戶部分雙向信息

單向信息

GNSS組成部分

GNSS組成部分

1. 空間部分

-GNSS衛(wèi)星星座.用于接收地面控制站發(fā)送來的信息。發(fā)射調(diào)制有多種信息的無線電信號(hào)供用戶定位、導(dǎo)航和收時(shí)用。2. 控制部分

-GNSS用于跟蹤和管理衛(wèi)星的主控站和監(jiān)控站

3. 用戶部分 -用于接收,解碼,處理GNSS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收機(jī)

-24顆衛(wèi)星(21顆工作衛(wèi)星+3顆備用衛(wèi)星)-6個(gè)軌道平面,其傾角均為55度-運(yùn)行周期為12個(gè)恒星時(shí)(11小時(shí)58分)-高度為20,051公里(12,532miles)-衛(wèi)星是以發(fā)射順序或偽隨機(jī)碼命名

GPS空間部分

GPS控制站KWAJALEINDIEGOGARCIAASCENSIONHAWAIICOLORADOSPRINGSMCS

GPS控制部分5個(gè)監(jiān)控站同時(shí)跟蹤衛(wèi)星用以預(yù)報(bào)軌道和改正時(shí)鐘,并將數(shù)據(jù)發(fā)送到主控站主控站(MCS)位于

ColoradoSprings附近Falcon空軍基地.

MCS處理監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)以及來自USNO的時(shí)間數(shù)據(jù)和來自DMA的地球數(shù)據(jù)

MCS生成導(dǎo)航信息上裝到衛(wèi)星(如:星歷和時(shí)鐘改正),它也是唯一控制衛(wèi)星隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的地面站3個(gè)注入站具有地面天線來發(fā)送上載信息和控制數(shù)據(jù)-廣播星歷(用于定位計(jì)算)-歷書(概略星歷-做觀測計(jì)劃)

導(dǎo)航信息

GPS信號(hào)結(jié)構(gòu)基本頻率

f0

=10.23MHz載波

L1=154f0=1575.42MHz波長=19cm L2=120f0=1227.60MHz波長=24cm測距碼

C/ACode=f0/10=1MHz波長=297m(GLONASS586.7)PCode=f0=10MHz波長=29.7m(GLONASS58.67)L1載波調(diào)制有

C/A碼和

P碼L2載波僅調(diào)制有

P碼

(

2003年前將加載C/A碼)(2005年前BlockIIFGPS衛(wèi)星將增加第3民用頻率--1176MHz)GLONASS和GPS的比較

用戶部分=用戶部分觀測和記錄由若干衛(wèi)星發(fā)送的數(shù)據(jù),并運(yùn)用數(shù)學(xué)方法求得三維空間位置以及時(shí)間和速度1.偽距觀測與單點(diǎn)定位觀測量ρ’=cΔt觀測方程ρ’(k,j)=ρ(k,j)-cδtk+cδtj+δρtrop+δρion觀測4顆以上衛(wèi)星即可解算觀測站位置X,Y,Z和接收機(jī)的鐘差δtkGPS定位基本原理觀測方程φ’(k,j,i)=(f/c)ρjk

-fδtk+fδtj+(f/c)δρtrop+(f/c)δρion-N(k,j,1)

GPS定位基本原理

ΔφiN（k，j，1）ΔφRkInt（φ）

Sj（ti）Sj（t1）2.載波相位觀測與相對定位觀測量φ’(k,j,i)=Int(φ)+ΔφiN(k,j,1)稱為初始整周模糊度

EDManalogy...如何進(jìn)行差分測量

單差觀測量-消除衛(wèi)星鐘誤差

雙差觀測量-消除衛(wèi)星鐘差-消除接收機(jī)鐘差三差觀測量

SV1(t1)SV2(t1)SV1(t2)SV2(t2)-消除接收機(jī)和衛(wèi)星誤差-消除整周模糊度-允許探測周跳雙差觀測量DDpq12(ti)=[φ’(2,q,i)-φ’(1,q,i)]-[φ’(2,p,i)-φ’(1,p,i)]雙差觀測方程DDpq12(ti)=(f/c)ρpq12(ti)+(f/c)δρpq12trop(f/c)δρpq12ion-

Npq12(t1)通過多個(gè)衛(wèi)星,多個(gè)歷元的觀測,即可解算兩個(gè)觀測站之間的三維坐標(biāo)差及初始整周模糊度

GPS定位基本原理R1R2pq偽距定位與載波相位定位絕對定位（單點(diǎn)定位）與相對定位（差分定位）靜態(tài)定位與動(dòng)態(tài)定位實(shí)時(shí)定位與后處理定位GPS定位方式絕對定位(單點(diǎn)定位)相對定位(基線向量)DX,DY,DZ解求：解求:

X,Y,Z靜態(tài)測量測量模式快速靜態(tài)測量動(dòng)態(tài)（停-走）測量連續(xù)動(dòng)態(tài)測量實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量ＲＴＫ靜態(tài)測量：精度水平：

+/-(5mm+1ppmxD)

垂直：+/-(10mm+2ppmxD)

45分鐘/15秒采樣率觀測5顆衛(wèi)星60分鐘/15秒采樣率觀測4顆衛(wèi)星快速靜態(tài)測量：精度水平：

+/-(5mm+1ppmxD)

垂直：+/-(10mm+2ppmxD)20分鐘/5秒采樣率觀測6顆衛(wèi)星30分鐘/5秒采樣率觀測4顆衛(wèi)星測量模式動(dòng)態(tài)（停-走）測量精度水平：+/-(10mm+2ppmxD)

垂直：+/-(20mm+2ppmxD)

初始化（20-60分鐘）

已知點(diǎn)?.未知點(diǎn)A

.未知點(diǎn)B

.未知點(diǎn)C

.未知點(diǎn)D測量模式

初始化（20-60分鐘）

已知點(diǎn)?.未知點(diǎn)

未知點(diǎn)

記錄數(shù)據(jù)不需停留連續(xù)動(dòng)態(tài)測量精度水平：+/-(10mm+2ppmxD)

垂直：+/-(20mm+2ppmxD)測量模式實(shí)時(shí)差分

GNSS

-測距碼偽距差分定位RTD-載波相位差分定位RTK

RTK概念RTK流動(dòng)站天線基準(zhǔn)站電臺(tái)

動(dòng)態(tài)RTK測量

LEGACY-E、H已知點(diǎn)初始化方式已知點(diǎn)初始化初始化儀初始化已知點(diǎn)或基線已知基線初始化已知點(diǎn)新測點(diǎn)測點(diǎn)單頻未知點(diǎn)初始化大約10分鐘左右雙頻OTF初始化一般幾秒鐘--1分鐘動(dòng)態(tài)初始化

GNSS的統(tǒng)計(jì)特性“FATPOINT”理論誤差圓精度因子(DOP)幾何圖形弱

PDOP=1/V~幾何圖形強(qiáng)GPS常用坐標(biāo)系及其變換空間坐標(biāo)系空間大地坐標(biāo)系B,L,H空間直角坐標(biāo)系X,Y,ZX=(N+H)cosBcosLY=(N+H)cosBsinLZ=[N(1-e2)+H]sinBXZYzxyoLBNGPS常用坐標(biāo)系地心坐標(biāo)系WGS84坐標(biāo)系原點(diǎn)位于地球質(zhì)心,Z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議地球極(CTP)方向,X軸指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交點(diǎn),Y軸與Z,X軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系,采用WGS84橢球.參心坐標(biāo)系(坐標(biāo)系原點(diǎn)一般不在地球質(zhì)心)1954北京坐標(biāo)系由前蘇聯(lián)1942年普爾科沃坐標(biāo)系的坐標(biāo)延伸到我國而建立的,采用克拉索夫斯基橢球1980西安坐標(biāo)系Z軸平行與地球質(zhì)心指向1968.0地極原點(diǎn)(JYD)的方向,大地起始子午面平行于格林尼治平均天文臺(tái)子午面,X軸指向經(jīng)度零方向,Y軸與X,Z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系,采用IAG1975橢球地方獨(dú)立坐標(biāo)系（地方參考橢球）坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換空間直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換參數(shù)(利用3個(gè)以上重合點(diǎn)坐標(biāo)即可解算)大地坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換(BI,LI,HI)(XI,YI,ZI)(XII,YII,ZII)(BII,LII,HII)可應(yīng)用于WGS84與BJ54,CH80之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換Y2Z1O1Y1X1O2Z2X2211地圖投影與地圖制作EduardoF.Falcon?Copyright1997AllRightsReserved平面圓柱圓錐地圖投影橫軸墨卡托投影(高斯投影)通用橫軸墨卡托投影(UTM)LAMBERT投影(圓錐投影)球面投影(StereographicMappingProjection)投影平面K=1.0K>1.0K>1.0橢球面球面投影高斯投影帶坐標(biāo)YX0500KM中央子午線（長度比=1.0）

TDS局部平面坐標(biāo)系定義局部坐標(biāo)系平面:-球面投影-原點(diǎn)：基準(zhǔn)站-假定北坐標(biāo)和假定東坐標(biāo)=100,000.00m-長度比=1(投影中心)將海平面距離歸算至格網(wǎng)平面(UTM)比例因子=1投影平面海平面推上推上擠壓比例因子<1比例因子>1比例因子>1105.33mi26.33mi26.33mi中央子午線比例因子=0.9996比例因子=1海平面RR地面距離海平面距離HAHBAB至地球中心地表面假設(shè):

海平面=橢球面高程歸算因子R+HR=R=

地球半徑H=(HA+HB)/2將地面距離歸算至海平面R+H地面

R海平面=N=Kcosα-sinαn+dE sinαcosαec

=a-bn+dbaec轉(zhuǎn)換參數(shù)a,b,c,d(利用2個(gè)以上重合點(diǎn)坐標(biāo)即可解算)可應(yīng)用于地方平面坐標(biāo)系與地圖投影平面坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換cEO

Ndenα

GNSS高程測量垂線偏差大地水準(zhǔn)面橢球面地表面

垂直于橢球面垂直于大地水準(zhǔn)面垂線偏差似大地水準(zhǔn)面高程大地水準(zhǔn)面橢球面橢球高h(yuǎn)正高H

h=N+H地表面NN=大地水準(zhǔn)面起伏大地水準(zhǔn)面橢球面H1地表面N1h1h2H2N2

h1=H1+N1

h2=H2+N2(h1-

h2)=(H1-H2)+(N1-

N2)(j2,l2,0)(j1,l1,0)(j3