基于GPS的數(shù)據(jù)采集技術(shù)

二.基于GPS的數(shù)據(jù)采集技術(shù)GPS的英文全稱是NavigationSatelliteTimingAndRanging/GlobalPositionSystem，簡稱GPS，有時也被稱作NAVSTAR/GPS。其意為“導航星測時與測距全球定位系統(tǒng)”，或簡稱全球定位系統(tǒng)。什么是GPS？1.概述建立國家美國目的在全球范圍內(nèi)，提供實時、連續(xù)、全天候的導航定位及授時服務開始籌建時間1973年完全建成時間1995年總投資200億GPS的概況GPS系統(tǒng)的特點全球連續(xù)覆蓋高精度抗干擾能力強被動式全天候?qū)Ш綔y站間無需通視空間部分：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)提供導航定位信息2.GPS組成部分GPS衛(wèi)星星座：設計21+3顆，實際27～28顆。

衛(wèi)星高度：20200km；衛(wèi)星軌道周期：11h58min；衛(wèi)星軌道面：6個，每個軌道至少4顆衛(wèi)星；軌道傾角：55°GPS衛(wèi)星可見性：至少可見4顆，一般6～8顆。GPS衛(wèi)星信號：

載波頻率：L波段雙頻衛(wèi)星識別：碼分多址測距碼：C/A碼，P碼導航數(shù)據(jù)：廣播星歷（衛(wèi)星軌道坐標、鐘差、電離層延遲修正）(1)空間部分(2)地面控制部分一個主控站：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)55HawaiiAscencionDiegoGarciakwajaleinColoradosprings

(3)用戶部分

通用接收機（定位型）：導航型接收機一般情況下無數(shù)據(jù)輸出的記錄存儲設備天線前置放大器電源部分射電部分微處理器

數(shù)據(jù)存器

顯示控制器供電信號信息命令數(shù)據(jù)供電，控制供電數(shù)據(jù)控制

由三部分組成：①載波；②測距碼；③數(shù)據(jù)碼(4)GPS衛(wèi)星信號①載波作用搭載其它調(diào)制信號測距測定多普勒頻移類型目前GPS使用L波段的兩種載頻L1–頻率：154f0=1575.43MHz；波長：19.03cmL2–頻率：120f0=1227.60MHz；波長：24.42cm現(xiàn)代化后增加L5–頻率：115f0=1176.45MHz；波長：25.48cm②測距碼作用測距性質(zhì)為偽隨機噪聲碼（PRN－PseudoRandomNoise）不同的碼（包括未對齊的同一組碼）間的相關(guān)系數(shù)為0或1/n（n為碼元數(shù)）對齊的同一組碼間的相關(guān)系數(shù)為1③數(shù)據(jù)碼（導航電文）作用向用戶提供包含導航信息的數(shù)據(jù)碼導航信息主要包括衛(wèi)星星歷時鐘改正電離層時延改正軌道攝動改正。。。。(5)GPS坐標系——WGS-84坐標系WGS-84坐標系是目前GPS所采用的坐標系統(tǒng)，GPS所發(fā)布的星歷參數(shù)和歷書參數(shù)等都是基于此坐標系統(tǒng)的。WGS-84坐標系統(tǒng)的全稱是WorldGeodicalSystem-84(世界大地坐標系-84),由美國國防部制圖局建立，它是一個地心坐標系統(tǒng)。于1987年取代了當時GPS所采用的坐標系統(tǒng)WGS-72坐標系統(tǒng)而成為現(xiàn)在GPS所使用的坐標系統(tǒng)。WGS-84坐標系的坐標原點位于地球的質(zhì)心，Z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議地球極方向，X軸指向BIH1984.0的啟始子午面和赤道的交點，Y軸與X軸和Z軸構(gòu)成右手系。需解決的兩個關(guān)鍵問題：如何確定衛(wèi)星的位置？如何測量出站星距離？3.GPS定位原理(1)測距原理1）測碼偽距測量：2）測相偽距測量：理想情況載波相位觀測值單點定位結(jié)果的獲取單點定位解可以理解為一個后方交會問題衛(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（由時延值推算得到）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)：精度

,經(jīng)度

,高程h,鐘差

t與衛(wèi)星相關(guān)的誤差軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星幾何中心與相位中心偏差與接收機相關(guān)的誤差接收機安置誤差、接收機鐘差、接收機信道誤差、多路徑誤差、觀測量誤差與大氣傳輸有關(guān)的誤差電離層誤差、對流層誤差絕對定位精度不高，主要是由于觀測數(shù)據(jù)含有大量誤差：(2)衛(wèi)星相對定位原理

GNSS相對定位原理

差分GPS定位原理

誤差的空間相關(guān)性差分GPS的基本原理利用在坐標精確已知的基準站，測定具有空間相關(guān)性的誤差或其對測量定位結(jié)果的影響，發(fā)送給流動站，供流動站改正觀測值或定位結(jié)果差分改正數(shù)的類型位置差分偽距差分載波相位差分（RTK）位置差分距離差分距離改正坐標改正

組成星際站際兩次差分觀測值可以消去衛(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1）單基準站差分GPS系統(tǒng)基準站數(shù)據(jù)通訊鏈流動站（用戶）結(jié)構(gòu)：基準站（一個），數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶特點優(yōu)點：結(jié)構(gòu)、模型簡單缺點：差分范圍小，精度隨距基準站距離的增加而下降，可靠性低2）多基準站局域差分GPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基準站（多個）、數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶數(shù)學模型加權(quán)平均偏導數(shù)法最小方差法特點優(yōu)點：差分精度高、可靠性高，差分范圍增大缺點：差分范圍仍然有限，模型不完善多基準站差分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3）廣域差分GPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基準站（多個）、數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶數(shù)學模型（差分改正數(shù)的計算方法）與普通差分不相同普通差分考慮的是誤差的綜合影響廣域差分對各項誤差加以分離，建立各自的改正模型用戶根據(jù)自身的位置，對觀測值進行改正特點優(yōu)點：差分精度高、差分精度與距離無關(guān)、差分范圍大缺點：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、建設費用高差分GPS的新進展①廣域增強系統(tǒng)（WAAS）特點偽衛(wèi)星技術(shù)衛(wèi)星通訊技術(shù)網(wǎng)絡RTK

工作原理也叫多基準站RTK，在一定區(qū)域內(nèi)建立多個坐標為已知的GPS基準站，對該地區(qū)構(gòu)成網(wǎng)狀覆蓋，并以這些基準站為基準，計算和發(fā)播相位觀測值誤差改正信息，對該地區(qū)內(nèi)的衛(wèi)星定位用戶進行實時改正的定位方式。特點覆蓋面廣，定位精度高，可靠性高，可實時提供厘米級定位。我國已經(jīng)建成的深圳市連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務系統(tǒng)就是網(wǎng)絡RTK技術(shù)的實現(xiàn)。

差分GPS的新進展②4.GPS測量的實施（1）測前工作對于一項GPS測量工程項目，一般有如下一些要求：測區(qū)位置及其范圍用途和精度等級。點位分布及點的數(shù)量提交成果的內(nèi)容時限要求、投資經(jīng)費技術(shù)設計測繪資料的搜集與整理儀器的檢驗：踏勘、選點埋石（2）測量實施實地了解測區(qū)情況衛(wèi)星狀況預報確定作業(yè)方案：根據(jù)衛(wèi)星狀況、測量作業(yè)的進展情況、以及測區(qū)的實際情況，確定出具體的作業(yè)方案外業(yè)觀測數(shù)據(jù)傳輸與轉(zhuǎn)儲基線處理與質(zhì)量評估重復確定作業(yè)方案、外業(yè)觀測、數(shù)據(jù)傳輸與轉(zhuǎn)儲與基線處理與質(zhì)量評估四步，直至完成所有GPS觀測工作。（3）測后工作

結(jié)果分析（網(wǎng)平差處理與質(zhì)量評估）：,對外業(yè)觀測所得到的基線向量進行質(zhì)量檢驗，并對由合格的基線向量所構(gòu)建成的GPS基線向量網(wǎng)進行平差解算，得出網(wǎng)中各點的坐標成果。如果需要利用GPS測定網(wǎng)中各點的正高或正常高，還需要進行高程擬合。技術(shù)總結(jié)：根據(jù)整個GPS網(wǎng)的布設及數(shù)據(jù)處理情況，進行全面的技術(shù)總結(jié)。成果驗收（4）布網(wǎng)方法國家測繪局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。

應通過獨立觀測邊構(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。應考慮與水準點相重合，或在網(wǎng)中布設一定密度的水準聯(lián)測點。點應設在視野開