GPS測量綜合教案課件

1、原理2、我國GPS測量的常用坐標系3、GPS靜態(tài)定位在測量中的應(yīng)用4、南方測繪NG100一體化測量系統(tǒng)5、GPS高程GPS測量教學(xué)電子教案3/14/20231第一部分原理1GPS測量的特點2GPS的歷史和背景3GPS系統(tǒng)的組成4GPS衛(wèi)星5GPS地面控制站6GPS用戶設(shè)備7GPS系統(tǒng)現(xiàn)狀8GPS定位原理9GPS測量10小結(jié)3/14/202321GPS測量的特點GPS測量與經(jīng)典測量方法的對比1：不需要相互通視觀測作業(yè)不受天氣條件的影響網(wǎng)的質(zhì)量與點位的分布情況無關(guān)能達到大地測量所需要的精度水平白天和夜間均可作業(yè)經(jīng)濟效益顯著3/14/20233

2GPS的歷史和背景GPS是美國軍方研制的第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

(1)全球通用(2)24小時可以定位，測速和授時(3)用戶設(shè)備成本低廉(4)確保美國軍事安全，服務(wù)于全球戰(zhàn)略(5)導(dǎo)航精度可達10—20m(6)取代現(xiàn)存各種導(dǎo)航系統(tǒng)

這種設(shè)備可以用來武裝戰(zhàn)車，艦船和飛機，提高其作戰(zhàn)能力，并可廣泛用于地面部隊，其作用已經(jīng)在海灣戰(zhàn)爭中得到充分展示。3/14/20235系統(tǒng)特征NNSSGPS載波頻率GHz0.15,0.401.23,1.58衛(wèi)星高度km100020200衛(wèi)星數(shù)5-621+3衛(wèi)星周期min1:4711:58衛(wèi)星鐘穩(wěn)定度10-1110-12GPS與NNSS的主要特征比較3/14/20236系統(tǒng)特征GLONASSGPS載波頻率GHz1.61,1.251.23,1.58衛(wèi)星高度km1910020200衛(wèi)星數(shù)21+321+3衛(wèi)星周期h11:1511:58衛(wèi)星鐘穩(wěn)定度10-1110-13GPS與GLONASSS的主要特征比較3/14/202373GPS系統(tǒng)的組成全球定位系統(tǒng)(GPS)由三個主要部分組成空間部分：提供星歷和時間信息發(fā)射偽距和載表信號提供其它輔助信息地面控制部分：

中心控制系統(tǒng)實現(xiàn)時間同步跟蹤衛(wèi)星進行定軌用戶部分：

接收并測衛(wèi)星信號記錄處理數(shù)據(jù)提供導(dǎo)航定位信息3/14/2023924顆衛(wèi)星(21+3)6個軌道平面55o軌道傾角2萬km軌道高度(地面高度)12小時(恒星時)軌道周期5個多小時出現(xiàn)在地平線以上(每顆星)4GPS衛(wèi)星目前軌道上實際運行的衛(wèi)星個數(shù)已經(jīng)超過了32顆3/14/2023105GSP地面控制站一個主控站：科羅拉多?斯必靈司三個注入站：阿松森(Ascencion)

迭哥?伽西亞(DiegoGarcia)

卡瓦加蘭(kwajalein)五個監(jiān)測站=1個主控站+3個注入站+夏威夷(Hawaii)55HawaiiAscencionDiegoGarciakwajaleinColoradosprings3/14/202311

8GPS定位原理衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)基準頻率10.23MHZ

L11575.42MHZC/A碼

1.023MHZP?碼10.23MHZL21227.60MHZP?碼10.23MHZ1015412050比特/S衛(wèi)星信息電文(D碼)每顆衛(wèi)星都發(fā)射一系列無線電信號(基準頻率?)兩種載波(L1和L2)兩種碼信號(C/A碼和P碼)一組導(dǎo)航電文(信息碼，D碼)3/14/202313L1載波相位觀測值L2載波相位觀測值調(diào)制在L1上的C/A-code偽距調(diào)制在L2上的P-code偽距Dopple(多普勒)觀測值3/14/202314

對衛(wèi)星進行測距

GPS定位的各種常用觀測量接收機對跟蹤的每一顆衛(wèi)星進行測距地心SiPijPj

riRjRj=ri+Pij有關(guān)各觀測量及已知數(shù)據(jù)如下：r—為已知的衛(wèi)地矢量P—為觀測量(偽距)R—為未知的測站點位矢量3/14/202315單點定位結(jié)果的獲取單點定位解可以理解為一個測邊后方交會問題衛(wèi)星充當軌道上運動的控制點，觀測值為測站至衛(wèi)星的偽距(由時間延遲計算得到)由于接收機時鐘與衛(wèi)星鐘存在同步誤差，所以要同步觀測4顆衛(wèi)星，解算四個未知參數(shù)：緯度

,經(jīng)度

,大地高程h,鐘差t3/14/202317GPS定位的誤差源與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(ε技術(shù)，2000年5月取消)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)與接收機有關(guān)的因素接收機鐘差接收機天線相位中心誤差接收機軟件和硬件造成的誤差3/14/202318距離觀測值的計算接收機至衛(wèi)星的距離借助于衛(wèi)星發(fā)射的碼信號量測并計算得到的接收機本身按同一公式復(fù)制碼信號比較本機碼信號及到達的碼信號確定傳播延遲的時間t傳播延遲時間乘以光速就是距離觀測值=C?t衛(wèi)星鐘調(diào)制的碼信號接收機時鐘復(fù)制的碼信號tt3/14/202319可以消去衛(wèi)星鐘的系統(tǒng)偏差可以消去接收機時鐘的誤差PikPljPijPjPlkPkSlSi可以消去軌道(星歷)誤差的影響可以削弱大氣折射對觀測值的影響(2)組成星際站際兩次差分觀測值3/14/202321(3)設(shè)法解算出初始整周未知數(shù)測站對某一衛(wèi)星的載波相位觀測值由三部分組成

(1)初始整周未知數(shù)n；(2)t0至ti時刻的整周記數(shù)Ci；(3)相位尾數(shù)i如果信號沒有失鎖，則每一個觀測值包含同一個初始整周未知數(shù)n為了利用載波相位進行定位，必須設(shè)法先解算出初始整周未知數(shù)，取得總觀測值n+Ci+iTime(0)AmbiguityTime(i)AmbiguityCountedCyclesPhaseMeasurement3/14/202322(4)弄清楚初始整周未知數(shù)的確定與定位精度的關(guān)系精度m1.000.100.01整周未知數(shù)確定后整周未知數(shù)確定前經(jīng)典靜態(tài)定位00308058時間(分)如果無法準確解出初始整周未知數(shù)，則定位精度難以優(yōu)于±1m隨著初始整周未知數(shù)解算精度的提高，定位精度也相應(yīng)提高一旦初始整周未知數(shù)精確獲得，定位精度不再隨時間延長而提高經(jīng)典靜態(tài)定位需要30-80分鐘觀測才能求定初始整周未知數(shù)快速靜態(tài)定位將這個過程縮短到5-8分鐘(雙頻接收機)快速靜態(tài)定位3/14/202323載波相位差分載波相位差分技術(shù)又稱RTK(RealTimeKinematic)技術(shù)，是實時處理兩個測站載波相位觀測量的差分方法。即是將基準站采集的載波相位發(fā)送給用戶接收機，進行求差解算坐標。載波相位差分可使定位精度達到厘米級，已經(jīng)大量應(yīng)用于需要點位高精度的動態(tài)測量領(lǐng)域。3/14/202325第二部分我國GPS測量的常用坐標系1.WGS-84WGS-84坐標是GPS所采用的坐標系統(tǒng)，GPS發(fā)布的星歷參數(shù)都是基于此坐標系的。WGS-84的橢球參數(shù)：a=6378137m1/f=298.2572235632.1954北京坐標系1954北京坐標系是目前我國使用比較廣泛的大地測量坐標系，參考橢球是克拉索夫斯基橢球。其高程是以1956年黃海平均海水面為基準。克拉索夫斯基橢球參數(shù)：a=6378245m1/f=298.33/14/202326

GPS靜態(tài)定位主要用于建立各級測量控制網(wǎng)，其優(yōu)點為：定位精度高，其基線的相對精度非常高選點靈活、不需要造標、費用低全天候作業(yè)觀測時間短觀測處理自動化第三部分GPS靜態(tài)定位在測量中的應(yīng)用1、GPS靜態(tài)定位的主要應(yīng)用領(lǐng)域3/14/202329在15o截止高度角以上不存在障礙物周圍沒有反射面，不致引起多路徑效應(yīng)安全避開過往行人和車輛，盡可能將接收機設(shè)置在毋須人員照看的地方附近不應(yīng)該有強輻射源(如無線電臺、電視發(fā)射天線等)可靠的電源供應(yīng)足夠的內(nèi)存容量正確的配置參數(shù)(觀測類型、記錄速率)檢查天線高和偏差儀器的正確檢測2、GPS測量前注意事項3/14/2023303、GPS布網(wǎng)方法

GPS網(wǎng)的精度指標，通常以網(wǎng)中相鄰點之間的距離誤差來表示的，其具體形式如下：=±a2+(b·d)2—距離中誤差(mm)a—固定誤差(mm)b—比例誤差系數(shù)(ppm)d—相鄰點的距離(Km)充分考慮建立GPS控制網(wǎng)的應(yīng)用范圍采用分級布網(wǎng)的原則

GPS測量的精度標準3/14/202331國家測繪局1992年制訂的我國第一部“GPS測量規(guī)范”將GPS的精度分為A—E五級(見下表)。其中A、B兩級一般是國家GPS控制網(wǎng)。C、D、E三級是針對局部性GPS網(wǎng)規(guī)定的。3/14/202332

坐標系統(tǒng)與起算數(shù)據(jù)包括位置基準、方位基準和尺度基準。

GPS點的高程應(yīng)使一定數(shù)量的GPS點與水準點重合或?qū)Σ糠諫PS點聯(lián)測水準。選點原則與點位標志

3/14/202333

GPS網(wǎng)設(shè)計的一般原則

應(yīng)通過獨立觀測邊構(gòu)成閉合圖形，以增加檢核條件，提高網(wǎng)的可靠性。

應(yīng)盡量與原有地面控制網(wǎng)相重合，重合點一般不少于3個，且分布均勻。

應(yīng)考慮與水準點相重合，或在網(wǎng)中布設(shè)一定密度的水準聯(lián)測點。

點應(yīng)設(shè)在視野開闊和容易到達的地方，聯(lián)測方向。

可在網(wǎng)點附近布設(shè)一通視良好的方位點，以建立聯(lián)測方向。根據(jù)GPS測量的不同用途，GPS網(wǎng)的獨立觀測邊均應(yīng)構(gòu)成一定的幾何圖形，基本形式有：三角形網(wǎng)環(huán)形網(wǎng)星形網(wǎng)3/14/202334(1)、三角形網(wǎng)優(yōu)點：

圖形幾何結(jié)構(gòu)強，具有較多的檢核條件，平差后網(wǎng)中相鄰點間基線向量的精度比較均勻。缺點：

觀測工作量大。一般只有在網(wǎng)的精度和可靠性要求比較高時，才單獨采用這種圖形。3/14/202335(2)、環(huán)形網(wǎng)優(yōu)點：

觀測工作量較小，且具有較好的自檢性和可靠性。缺點：

非直接觀測基線邊(或間接邊)精度較直接觀測邊低，相鄰點間的基線精度分布不均勻。是大地測量和精密工程測量中普遍采用的圖形，通常采用上述兩種圖形的混合圖形。3/14/202336(3)、星形網(wǎng)優(yōu)點：

觀測中只需要兩臺GPS接收機，作業(yè)簡單。缺點：

幾何圖形簡單，檢驗和發(fā)現(xiàn)粗差能力差。廣泛用于工程測量、邊界測量、地籍測量和碎部測量等。3/14/202337特點：單鍵操作，簡單明了質(zhì)量可靠，基于國內(nèi)首臺靜態(tài)GPS數(shù)據(jù)傳輸采用標準化RS-232C接口野外性能極佳，防水耐低溫可與各種GPS進行聯(lián)測解算數(shù)據(jù)存儲可靠，可長期斷電保存數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)存儲量大，可長期連續(xù)進行數(shù)據(jù)采集第四部分

NGS100一體化測量系統(tǒng)3/14/202338對工程進行仔細的全面規(guī)劃設(shè)計

考慮作業(yè)過程中應(yīng)設(shè)點的數(shù)量以及所需的精度

考慮聯(lián)測已有的控制點

考慮將結(jié)果轉(zhuǎn)換成地方坐標

考慮最佳的觀測路線和計算路線

對于高精度的測量，應(yīng)將路線布設(shè)得盡可能的短

使用臨時參考站

考慮獨立檢核的需要:

在不同的觀測時段中在一個點上設(shè)站兩次

閉合環(huán)

在點間觀測獨立基線

考慮使用兩個參考站

在良好的觀測窗口下觀測

考慮可在夜間觀測較長的路線1、全面規(guī)劃設(shè)計3/14/2023392、參考站周圍沒有反射面，不致引起多路徑效應(yīng)在15o截止高度角以上不存在障礙物安全避開過往行人和車輛，盡可能將接收機設(shè)置在毋須人員照看的地方附近不應(yīng)該有強輻射源(如無線電臺、電視發(fā)射天線等)可靠的電源供應(yīng)足夠的內(nèi)存容量正確的配置參數(shù)(觀測類型、記錄速率)檢查天線高和偏差3/14/2023403、流動站在15o截止高度角以上不存在障礙物障礙物應(yīng)不遮擋信號周圍沒有反射面，不致引起多路徑效應(yīng)附近不應(yīng)該有強輻射源可靠的電源供應(yīng)足夠的內(nèi)存容量正確的配置參數(shù)(觀測類型、記錄速率)檢查天線高和偏差在良好的窗口下觀測衛(wèi)星幾何強度因子

GDOP≤8使用準動態(tài)指示器作為指南填寫外業(yè)手簿3/14/2023414、經(jīng)驗提示認真檢查基座的整平和對中設(shè)施是否完好正確地整平和對中檢查高度讀數(shù)和天線偏差高程出錯將影響整個測量結(jié)果!用無線電通訊設(shè)備保持參考站和流動站之間的聯(lián)系為了取得最高的精度指標，應(yīng)考慮傳感器的定向3/14/2023425、野外記錄手簿內(nèi)容點標識:日期:傳感器序列號:作業(yè)員：控制器序列號:記憶卡編號:設(shè)站類型:天線高讀數(shù):天線高偏差:跟蹤開始時間:跟蹤結(jié)束時間:觀測歷元數(shù):觀測衛(wèi)星數(shù):GDOP:導(dǎo)航定位解:經(jīng)度.緯度.高程3/14/2023436、解釋和存儲結(jié)果對于不超過限值(20Km)的基線,整周未知數(shù)應(yīng)能成功解算出來對于超過限值(20Km)的基線,不解算整周未知數(shù)而采用L3解對于不超過限值(20Km)的基線:

使用FARA整周未知數(shù)搜索技術(shù)

進行快速靜態(tài)測量

已解算出整周未知數(shù)(A=Y): FARA找到最或然解，結(jié)果一般應(yīng)滿足技術(shù)指標

未解算出整周未知數(shù)(A=N):提供浮點解

結(jié)果若超出技術(shù)指標,檢查記錄文件，考慮增加先驗標準差并重新計算3/14/202344對于超過限值(20Km)的基線:

采用靜態(tài)法而不用FARAL3解, 不解算整周未知數(shù)，若采集足夠的觀測數(shù)據(jù)，結(jié)果一般應(yīng)滿足技術(shù)指標

長基線需要長時間觀測檢查兩次定位解,獨立基線等存儲滿足精度要求的結(jié)果若有多組解時坐標取中數(shù)3/14/2023457、臨時參考站從效率和精度出發(fā)，最好從幾個臨時參考站觀測短基線而不要從一個中心點觀測長基線。例子R….臨時參考站舉例:用靜態(tài)或或快速靜態(tài)的方法建立6個臨時參考站采用兩次定位或互相獨立的基線檢核臨時參考站組成的網(wǎng)從臨時參考站出發(fā)用快速靜態(tài)輻射狀基線測定的新點考慮關(guān)鍵點的檢核3/14/2023468、數(shù)據(jù)輸入和計算數(shù)據(jù)傳輸時檢查和編輯修改: 點標識 高度讀數(shù)和天線偏差 起始點的WGS84坐標備份原始數(shù)據(jù)和項目仔細考慮以下的因素: 如何最佳計算網(wǎng) 至少需要一個點的WGS84精度在10米左右 同現(xiàn)有的控制網(wǎng)的聯(lián)接 轉(zhuǎn)換地方坐標的需求 計算臨時參考點構(gòu)成的網(wǎng) 計算從臨時參考站出發(fā)的新點 長基線 短基線 數(shù)據(jù)處理參數(shù)3/14/2023479、選擇良好的窗口適合快速靜態(tài)的窗口4顆以上的衛(wèi)星，高度角大于15oGDOP≤8當可能時:5顆以上的衛(wèi)星GDOP≤4高度角大于20o避免峰值期間觀測用衛(wèi)星的空間軌跡圖檢查障礙物，若某顆衛(wèi)星被擋住重新計算小心4顆或5顆衛(wèi)星中高度角小于20o的兩顆衛(wèi)星3/14/20234810、時間和基線長度觀測時間取決于: 基線長度 衛(wèi)星數(shù) 衛(wèi)星幾何圖形(GDOP) 電離層電離層擾動隨時間、日夜、月、年、地點而變化，靜態(tài)或快速靜態(tài)最短觀測時間不要少于15分鐘。根據(jù)實踐經(jīng)驗，基線觀測時間應(yīng)該是基線長度每公里5分鐘加上最短15分鐘。若(快速)靜態(tài)單頻數(shù)據(jù)只有9分鐘，SKI-Pro缺省情況下不解算整周未知數(shù)。一旦正確解算出整周未知數(shù)，通常基線精度在5-10mm+2ppm左右。3/14/20234911、基線長與同步觀測時間

長短的關(guān)系根據(jù)經(jīng)驗，不同基線長所需同步觀測時間如下：1~2公里45~60分鐘2~5公里60~90分鐘5~10公里90~120分鐘10~20公里120分鐘以上單頻GPS一般只測20公里以內(nèi)的基線3/14/202350

采用相對定位方法

GPS測量不要求各點之間相互通視

GPS測量可以全天候進行觀測時間短

GPS測量的數(shù)據(jù)是自動記錄的12、采用相對定位方法3/14/202351在計算基線向量時，除根據(jù)一定的指標對計算結(jié)果進行檢查外，一般還進行以下幾項檢核：1.同步多邊形閉合差的檢查 n邊形環(huán)閉合差應(yīng)滿足： WX=Xi≤—n

Wy

=Yi≤—n

Wz

=Zi≤—n

W=WX2+

Wy2+Wz

2≤為相應(yīng)級別規(guī)定的觀測精度(按平均邊長算)2.重復(fù)觀測邊的檢查同一條邊任意兩個時段的結(jié)果互差應(yīng)小于GPS接收機標稱精度的22倍。13、同步多邊形閉合差的檢查3/14/2023523.非同步觀測多邊形閉合差的檢查由若干條獨立的GPS邊構(gòu)成的非同步觀測n邊形環(huán)閉合差的檢查。 Wx

3n

Wy

3n

Wz

3n4.GPS測量的外部檢查3/14/202353

基線解算時所設(shè)定的起點坐標不準確起點坐標不準確，會導(dǎo)致基線出現(xiàn)尺度和方向上的偏差。

少數(shù)衛(wèi)星的觀測時間太短，導(dǎo)致這些衛(wèi)星的整周未知數(shù)無法準確確定當衛(wèi)星的觀測時間太短時，會導(dǎo)致與該顆衛(wèi)星有關(guān)的整周未知數(shù)無法準確確定，而對與基線解算來講，對于參與計算的衛(wèi)星，如果與其相關(guān)的整周未知數(shù)沒有準確確定的話，就將影響整個在整個觀測時段里，有個別時間段里周跳太多，致使周跳修復(fù)不完善在觀測時段內(nèi)，多路徑效應(yīng)比較嚴重，觀測值的改正數(shù)普遍較大對流層或電離層折射影響過大14、影響基線解算結(jié)果的因素

主要有以下幾條：3/14/202354影響GPS基線解算結(jié)果的判別

概述對于影響GPS基線解算結(jié)果因素，有些是較容易判別的，如衛(wèi)星觀測時間太短、周跳太多、多路徑效應(yīng)嚴重、對流層或電離層折射影響過大等；但對于另外一些因素卻不好判斷了，如起點坐標不準確?；€起點坐標不準確的判別對于由起點坐標不準確所對基線解算質(zhì)量造成的影響，目前還沒有較容易的方法來加以判別，因此，在實際工作中，只有盡量提高起點坐標的準確度，以避免這種情況的發(fā)生。3/14/202355衛(wèi)星觀測時間短的判別關(guān)于衛(wèi)星觀測時間太短這類問題的判斷比較簡單，只要查看觀測數(shù)據(jù)的記錄文件中有關(guān)對與每個衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)的數(shù)量就可以了。周跳太多的判別對于衛(wèi)星觀測值中周跳太多的情況，可以從基線解算后所獲得的觀測值殘差上來分析。處理軟件采用的是雙差觀測值，當在某測站對某顆衛(wèi)星的觀測值中含有未修復(fù)的周跳時，與此相關(guān)的所有雙差觀測值的殘差都會出現(xiàn)顯著的整數(shù)倍的增大。3/14/202356

多路徑效應(yīng)嚴重、對流層或電離層折射影響過大的判別對于多路徑效應(yīng)、對流層或電離層折射影響的判別，我們也是通過觀測值殘差來進行的。不過與整周跳變不同的是，當多路徑效應(yīng)嚴重、對流層或電離層折射影響過大時，觀測值殘差不是象周跳未修復(fù)那樣出現(xiàn)整數(shù)倍的增大，而只是出現(xiàn)非整數(shù)倍的增大，一般不超過1周，但卻又明顯地大于正常觀測值的殘差。3/14/202357應(yīng)對措施

基線起點坐標不準確的應(yīng)對方法要解決基線起點坐標不準確的問題，可以在進行基線解算時，使用坐標準確度較高的點作為基線解算的起點，較為準確的起點坐標可以通過進行較長時間的單點定位或通過與WGS-84坐標較準確的點聯(lián)測得到；也可以采用在進行整網(wǎng)的基線解算時，所有基線起點的坐標均由一個點坐標衍生而來，使得基線結(jié)果均具有某一系統(tǒng)偏差，然后，再在GPS網(wǎng)平差處理時，引入