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第 8 章 GPS 测量的原理与方法

第 8 章 GPS 测量的原理与方法. §8.1 GPS 概述 73 年 12 月，美国国防部组织 开始研制新一代军用卫星导航系统 ——GPS ， 89 年 2 月 14 日发射第一颗 GPS 卫星， 94 年 3 月 28 日发射完第 24 颗卫星， 目前在轨卫星数超过 32 颗。 均匀分布在 6 个与赤道倾角为 55° 的近似圆形轨道上， 每个轨道 4 颗卫星运行，距地表平均高度 20200km ， 速度为 3800m/s ，运行周期为 11h58min 。 每颗卫星覆盖全球 38 ％的面积， 保证在地球上任何地点、任何时刻、高度 15° 以上天空

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第 8 章 GPS 测量的原理与方法

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  1. 第8章 GPS测量的原理与方法 • §8.1 GPS概述 • 73年12月，美国国防部组织 • 开始研制新一代军用卫星导航系统——GPS， • 89年2月14日发射第一颗GPS卫星， • 94年3月28日发射完第24颗卫星， • 目前在轨卫星数超过32颗。 • 均匀分布在6个与赤道倾角为55°的近似圆形轨道上， • 每个轨道4颗卫星运行，距地表平均高度20200km， • 速度为3800m/s，运行周期为11h58min。 • 每颗卫星覆盖全球38％的面积， • 保证在地球上任何地点、任何时刻、高度15°以上天空 • 能同时观测到4颗以上卫星。

  2. Xll lll Xl Vl 距 离 测 定 原 理

  3. lX Xll l ll X lll Xl lV Vlll V Vl Vll 距 离 测 定 原 理

  4. Xll lll Xl Vl Vll 距 离 测 定 原 理

  5. lX Xll l ll X lll Xl lV Vlll V Vl Vll 距 离 测 定 原 理 距离 = 传播时间 x 光速

  6. 点 位 测 定 原 理 R1 我 们 必 定 在 以 R1 为 半 径 的 球 面 的 某 个 点 上

  7. 点 位 测 定 原 理 R1 R2 2 个 球 面 相 交 成 一 个 圆 弧 点 位 被 限 制 在 一 曲 线 上

  8. 点 位 测 定 原 理 R1 R3 R2 3 个球面相交成一个点 3 个距离段可以确定纬度，经度，和高程 点 的 空 间 位 置 被 确 定

  9. §8.2 GPS的组成 • 工作卫星、地面监控系统、用户设备。 • §8.2.1 地面监控系统 • 卫星广播星历包含描述卫星运动及其轨道的参数， • 每颗卫星广播星历由地面监控系统提供。 • 地面监控系统——1个主控站、3个注入站和5个监测站。

  10. (1) 监测站 • 在主控站控制下的数据自动采集中心， • 设有双频GPS接收机、高精度原子钟、气象参数测试仪 • 计算机等设备。 • 完成对GPS卫星信号的连续观测，搜集当地气象数据， • 观测数据经计算机处理后传送到主控站。 • (2) 主控站 • 协调和管理所有地面监控系统工作。 • ① 根据观测数据，推算编制各卫星星历、卫星钟差 • 大气层修正参数，数据传送到注入站。 • ② 提供时间基准。各监测站和GPS卫星原子钟应与 • 主控站原子钟同步，或测量出其间钟差， • 将钟差信息编入导航电文，送到注入站。 • ③ 调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行。 • ④ 启动备用卫星，以代替失效的工作卫星。

  11. (3) 注入站 • 在主控站控制下， • 将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文 • 其它控制指令注入卫星存储器 • 监测注入信息的正确性。 • 除主控站外，整个地面监控系统无人值守。 • §8.2.2 用户设备 • GPS接收机和相应的数据处理软件。 • GPS接收机包括接收天线、主机、电源。

  12. GPS接收机任务 • 捕获卫星信号，跟踪并锁定卫星信号， • 对接收到的信号进行处理， • 测量出测距信号从卫星传播到接收机天线的时间间隔， • 译出卫星广播的导航电文， • 实时计算接收机天线的三维坐标、速度和时间。 • 用途——导航型、测地型和授时型； • 载波频率——单频接收机(用1个载波频率) • 双频接收机(用2个载波频率)。

  13. 南方测绘NGS9600测地型单频静态GPS接收机

  14. §8.3 GPS定位的基本原理 • 根据测距原理，GPS定位方式分为 • 伪距定位、载波相位测量定位、GPS差分定位。 • 根据待定点位的运动状态分为：静态定位和动态定位。 • §8.3.1 卫星信号 • 载波、测距码(C/A码和P码)、数据码(导航电文或称D码)， • 在同一个原子钟频率f0=10.23MHz下产生。

  15. (1) 载波信号 • 载波信号频率用无线电波段的两种不同频率电磁波。 • L1载波：f1=154×f0=1575.42MHz，λ1=19.03cm • L2载波：f2=120×f0=1227.60MHz，λ2=24.42cm • 载波L1上调制有C/A码、P码和数据码， • 载波L2上只调制有P码和数据码。 • 测距码由0，1组成的二进制编码。 • 一位二进制数——比特(bit)， • 每秒钟传输比特数称为数码率。 • 卫星的两种测距码C/A码和P码属于伪随机码， • 具有良好的自相关特性和周期性，容易复制。

  16. 测距码测距原理 • 卫星时钟控制发射某一结构测距码， • 经Δt时间传播后到达GPS接收机； • GPS接收机产生结构相同的测距码——复制码 • 复制码延迟时间τ后与接收的卫星测距码比较， • 调整延迟时间τ使两个测距码完全对齐 • 复制码延迟时间τ=Δt。 • C/A码码元宽度对应的距离值293.1m， • 卫星与接收机测距码对齐精度1/100，测距精度2.9m； • P码码元宽度对应距离29.3m， • 卫星与接收机测距码对齐精度1/100，测距精度0.29m。 • P码测距精度高于C/A码10倍， • C/A码为粗码，P码为精码。 • P码受美国军方控制，一般用户只能用C/A码测距。

  17. (2) 数据码 • 导航电文，也称为D码， • 包含了卫星星历、卫星工作状态、时间系统、 • 卫星时钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正 • 由C/A码捕获P码的信息。 • 导航电文是二进制码， • 依规定的格式按帧发射， • 每帧电文的长度为1500bit，播送速率为50bit/s。

  18. §8.3.2 伪距定位 • 单点定位和多点定位。 • 单点定位——GPS接收机安置在测点上 • 锁定4颗以上的卫星， • 将接收到的卫星测距码与接收机产生的复制码对齐 • 测量与锁定卫星测距码到接收机的传播时间Δti • 求出卫星至接收机的伪距， • 从锁定卫星广播星历获取卫星的空间坐标， • 用距离交会原理解算出天线所在点的三维坐标。 • 伪距观测方程有4个未知数，锁定4颗卫星时方程有唯一解 • 伪距观测方程没有考虑大气电离层和对流层折射误差、 • 星历误差影响，单点定位精度不高。 • C/A码定位的精度为25m，P码定位的精度为10m。

  19. 多点定位——多台GPS接收机(2~3台)安置在不同测点上，多点定位——多台GPS接收机(2~3台)安置在不同测点上， • 同时锁定相同卫星进行伪距测量， • 大气电离层和对流层折射误差、 • 星历误差的影响基本相同， • 计算各测点间的坐标差(Δx,Δy,Δz)时， • 可消除上述误差影响， • 使测点之间的点位相对精度大大提高。

  20. §8.3.3 载波相位定位 • 载波L1，L2的频率比测距码(C/A码和P码)频率高， • 波长比测距码短很多,λ1=19.03 cm,λ2=24.42cm。 • 使用载波L1或L2作测距信号， • 将卫星传播到接收机天线的余弦载波信号 • 与接收机基准信号比相求出相位延迟计算伪距， • 可获得很高的测距精度。 • 如果测量L1载波相位移误差为1/100， • 伪距测量精度可达19.03cm/100=1.9mm。

  21. (2) 载波相位相对定位 • 用两台GPS接收机，分别安置在两测点， • 两测点的连线——基线。 • 同步接收卫星信号， • 用相同卫星相位观测值的线性组合 • 解算基线向量在WGS-84坐标系中的坐标增量(Δx,Δy,Δz)， • 确定它们的相对位置。 • 若一个测点坐标已知，就可推算出另一个测点坐标。 • 根据相位观测的线性组合形式， • 载波相位相对定位——单差法、双差法和三差法。 • 介绍前两种。

  22. §8.3.4 实时差分定位 • 在已知坐标点上安置一台GPS接收机——基准站 • 用已知坐标和卫星星历算出观测值的校正值， • 通过无线电通讯设备——数据链， • 将校正值发送给运动中的GPS接收机——移动站 • 移动站用接收到的校正值对自身GPS观测值进行改正， • 消除卫星钟差、接收机钟差、 • 大气电离层和对流层折射误差。 • 应用带实时差分功能的GPS接收机才能够进行。

  23. 南方测绘灵锐S82双频蓝牙通讯RTK GPS接收机

  24. §8.4 GPS测量的实施 • 方案设计、外业观测和内业数据处理。 • 《全球定位系统城市测量技术规程》 • (1) 精度指标 • 使用载波相位静态相对定位法， • 用两台或两台以上GPS接收机 • 同时对一组卫星进行同步观测。 • 控制网精度指标是以网中基线观测误差定义。 • mD=a+b×10-6D • a——固定误差， b——比例误差， D——基线长。

  25. (2) 观测要求 • 同步观测时， • 测站从开始接收卫星信号到停止数据记录——观测时段， • 卫星与接收机天线连线与水平面的夹角——卫星高度角， • 点位图形强度因子PDOP—— • 一组卫星与测站构成的几何图形形状与定位精度关系数 • PDOP与观测卫星高度角及观测卫星空间分布有关。 • 观测卫星高度角越小，分布范围越大，PDOP值越小。 • 当卫星高度角设置为≥15°时，点位PDOP值不宜大于6。 • GPS接收机锁定一组卫星后， • 将自动计算出PDOP值并显示在屏幕上。

  26. (3) 网形要求 • GPS接收机观测，不要求各站点间相互通视。 • 网形设计，根据控制网用途、现有GPS接收机台数 • 分两台接收机同步观测、多台接收机同步观测、 • 多台接收机异步观测三种方案。 • 介绍两台接收机同步观测方案。 • 1) 静态定位 • 两台接收机轮流安置在每条基线端点 • 同步观测4颗卫星1h左右， • 或同步观测5颗卫星20min左右。 • 用于精度要求较高的控制网， • 如桥梁控制网或隧道控制网。

  27. 2) 快速静态定位 • 测区中部选一测点为基准站 • 安置一台接收机， • 连续跟踪观测5颗以上卫星； • 另一台接收机 • 依次到其余各点流动设站观测， • 不必保持对所测卫星连续跟踪， • 每点观测1~2min。 • 用于控制网加密和一般工程测量 • 控制点选在——天空视野开阔、 • 交通便利、远离高压线、 • 变电所及微波辐射干扰源的地点

  28. WGS-84坐标系 • 与测区坐标系的坐标转换 • 至少有2个及以上的GPS控制网点 • 与测区坐标系的已知控制网点重合。 • 坐标转换计算由GPS附带数据软件自动完成。

  29. §8.5 南方测绘灵锐S82双频GPS RTK操作简介 • 灵锐S82 GPS RTK——南方测绘2005年10月产品， • 标准配置——一个基准站+一个移动站， • 可根据需要购买任意个移动站。 • 基准站由主机、数传电台、发射天线与电瓶组成； • 每个移动站的设备——一个主机与一个JETT手簿， • 移动站电台模块放置在主机内， • 通过主机顶部的数据链天线接发数据， • 手簿与接收机间通过内置的蓝牙卡进行数据通讯。

  30. 技术参数 • 独立24通道，L1/L2双频跟踪信号， • 静态测量模式的平面精度5mm+1ppm， • 高程精度为10mm+2ppm， • 静态作用距离≤80公里，静态内存32M； • RTK测量模式平面精度——2cm+1ppm， • 高程精度为5cm+1ppm， • 数传电台的发射功率为25W/15W(H/L)。

  31. (3) 基本操作 • 静态与动态两种工作模式 • 等级控制测量选择静态模式， • 碎部点坐标采集与工程放样选择动态模式。 • 静态模式 • 仪器采集的卫星数据自动存储在主机内的32MB闪存中， • 数据采集间隔设为1s时，连续采集时间可达40h。 • 外业数据采集完后， • 数据线连接主机USB口与PC机USB口， • 操作Gpsadj软件下载数据， • 在Gpsadj中完成基线向量解算与网平差，获得测点坐标。 • 动态模式 • 在JETT手簿上操作南方测绘工程之星软件完成。

  32. 3) 使用工程之星2.0进行动态数据采集操作简介 • 基准站安置在已知点， • 也可安置在测区范围地势较高的任意点 • 连接好电缆，打开基准站主机与数传电台电源， • 打开移动站主机与JETT电源， • 量取基准站和移动站的仪器高。 • 双击“工程之星2.0”桌面图标，打开工程之星， • 执行下拉菜单“工具/其它/查看卫星图”命令， • 观看当前接收到的卫星状态。

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