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GPS 测量的 原 理 与 应 用

GPS 测量的 原 理 与 应 用. GPS 基础教程. 基 本 原 理. 传 统 测 量 技 术 的 缺 陷 GPS 优 势 GPS 的 主 要 特 性 GPS 系 统 的 组 成 距 离 测 定 的 基 本 原 理 点 位 测 定 的 基 本 原 理 GPS 的 信 号 结 构 测 距 码 伪 距 测 量. 载 波相 位 测 量 选 择 可 用 性 技 术 Selective Availability(SA) 误 差 来 源 差 分 GPS ( 初始 ) 整 周 未 知 数 整 周 未 知 数 的 解 算

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GPS 测量的 原 理 与 应 用

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Presentation Transcript

  1. GPS测量的原 理与应 用

  2. GPS基础教程 基 本 原 理

  3. 传 统 测 量 技 术 的 缺 陷 GPS 优 势 GPS 的 主 要 特 性 GPS 系 统 的 组 成 距 离 测 定 的 基 本 原 理 点 位 测 定 的 基 本 原 理 GPS 的 信 号 结 构 测 距 码 伪 距 测 量 载 波相 位 测 量 选 择 可 用 性 技 术 Selective Availability(SA) 误 差 来 源 差 分 GPS (初始)整 周 未 知 数 整 周 未 知 数 的 解 算 精 度 因 子 要 点 小 结 GPS基础教程 索引 ——第一部分

  4. GPS基础教程 传 统 测 量 技 术 的 缺 陷 • 与 传 统 的 陆 上 测 量 技 术 相 比 GPS 具 有 许 多 优 势 • 传 统 大 地 测 量 技 术 依 赖 于 测 站 点 至 目 标 点 的 通 视 情 况 • 如 果 视 线 方 向 有 障 碍 物， 则 必 须 绕 道 测 量 • 一 般来说 传 统 方 式 的 距 离 测 量 被 限 制 在 5 Km 左 右 • 气 候 因 素 限 制 着 传 统 测 量 的 运 作。如 雾，雨 等

  5. GPS基础教程 GPS 优 势 • 不 受 气 候 条 件 的 限 制 • 无 须 通 视 要 求 • 可 进 行 高 精 度 大 地 测 量 • 能 实 现 全 天 候 测 量 运 作 • 省 时 省 力 • 经 济 效 益 明 显 • 坐 标 系 统 通 用 • 应 用 领 域 广 泛 • 具 有 竞 争 力 的 价 格

  6. GPS基础教程 GPS 的 主 要 特 性 • GPS 系 统 的 完 善 受 控 于美 国 国 防 部 • GPS 系 统 可 提 供 • 精 确 导 航 • 导 航 精 度 约 为 10 - 20 m • 全 球 信 号 覆 盖 • 24 小 时 工 作 服 务 • 普 通 座 标 系 统 中 的 测 量 工作 • 计 划 用 GPS 系 统 取 代 现 有 的 导 航 系 统 • GPS 系 统 可 应 用 于 民 用 及军 事 领 域

  7. 空 间 部 分 导 航 卫 星 : 导 航 信 息 卫 星 时 和 卫 星 钟 24 颗 卫 星 20200 Km 控 制 部 分 1 个 主 控 站 5 个 监 控 站 用 户 设 备 部 分 接 受 卫 星 信 号 GPS基础教程 GPS 系统的组成 `

  8. GPS基础教程 空 间 部 分 • 12 小 时 绕 轨 道 一 周 • 可 见 时 间 为 4-5 小 时 • 设计寿命为 7.5 年 • 卫 星 种类 区 分 • Block 1(一 代),Block 2, 2A(二 代), Block 2R，2 F(三 代) • 24 颗 卫 星 • 分 布 在 互 为 55 度 交 角 的 6 个 轨 道 平 面 上， 每 个 轨 道 面 上 布 有 4 颗 卫 星 • 卫 星 高 约 20200 Km 55 赤 道

  9. 4 GPS卫星 • 24颗卫星(21+3) • 6个轨道平面 • 55º轨道倾角 • 20200km轨道高度(地面高度) • 12小时(恒星时)轨道周期 • 5个多小时出现在地平线以上(每颗星) • 目前在轨实际运行的卫星个数已经超过32颗

  10. GPS基础教程 控 制 部 分 • 主 控 站 • 负 责 收 集 由 监 控 站 传 来 的 卫 星 跟 踪 数 据 并 计 算 卫 星 星 历 和 时 间 参 数 • 5 个 监 控 站 • 负 责 对 卫 星 伪 距 数 据 的 观 测，这 一 卫 星 跟 踪 监 测 网 用 于 确 定 卫 星 广 播 星 历 及 卫 星 钟 模 式 • 地 面 控 制 站 • 负 责 向 卫 星 注入信 号

  11. 5 地面控制站 Colorado springs 一个主控站：科罗拉多•斯必灵司 三个注入站：阿松森(Ascencion) 迭哥•伽西亚(Diego Garcia) 卡瓦加兰(kwajalein) 五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii) 55 kwajalein Hawaii Ascencion Diego Garcia

  12. Xll lll Xl Vl GPS基础教程 距 离 测 定 原 理

  13. lX Xll l ll X lll Xl lV Vlll V Vl Vll GPS基础教程 距 离 测 定 原 理

  14. Xll lll Xl Vl Vll GPS基础教程 距 离 测 定 原 理

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

  16. GPS基础教程 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

  17. GPS基础教程 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

  18. GPS基础教程 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

  19. GPS基础教程 点 位 测 定 原 理 • 卫 星 可 被 看 作 是 在 固 定 的 轨 道 上 运 动 空 中 观 测 目 标 • 每 颗 卫 星 播 发 独 立 的 时 间 码 进 行 距 离 测 量 • 常 规 GPS 接 收 仪 内 置 较 为 廉 价 的 钟，这 些 钟 的 计 时 精度 比 卫 星 上 内 置 钟 的 精 度 低 得 多 • 无 线 电 电 波 以 光 速 传 播 • ( 距 离 = 光 速 x 时 间) • 设 想 一 下 接 收 仪 上 钟 的 误 差 对 距 离 测 定 的 影 响 • 1/10 秒 的 测 时 误 差 将 引 起 30,000 Km 的 距 离 误 差 • 1/1,000,000 秒 的 测 时 误 差 将 引 起 300 m 的 距 离 误 差

  20. GPS基础教程 点 位 确 定 4 段 距 离 解 决 了 纬 度，经 度，高 程 和 时 间 四 个 未 知 数 这 就 类 似 于 测 边 交 会 问 题 的 解 决 原 理

  21. 基 准 频 率10.23 MHz /10 L11575.42 MHz C/A 码1.023 MHz P (Y) 码10.23 MHz x 154 L21227.60 MHz P (Y)-Code10.23 MHz x 120 50 bit/s 卫 星 信 悉 ( 状 态 信 悉 和 星 历 ) GPS基础教程 GPS 的 信 号 结 构 • 每 个 GPS 卫 星 播 发 一 组 信 号 • 每 组 信 号 包 括 两 个 不 同 频 率 的 载 波 信 号 (L1 和 L2)、两 个 不 同 的 测 距 码 信 号 (C/A 码 调 制 在 L1 载 波 上，P 码 或 Y 码 同 时 调 制 在 L1 及 L2 载 波 上) 以 及 卫 星 的 轨 道 信 息

  22. D = V (dT) GPS基础教程 测 距 码 伪 距 测 定 • 测 距 伪 随 机 码 • 每 一 卫 星 播 发 一 个 伪 随 机 测 距 码 信 号，该 信 号 大 约 每 1 毫 秒 播 发 一 次 • 接 收 仪 同 时 复 制 出 一 个 同 样 结 构的 信 号 并 与 接 收 到 的 卫 星 信 号 进行 比 较 • 由 信 号 的 延 迟 时 间 (dT) 推 算 出 卫 星 至 接 收 仪 的 距 离 • 接 收 仪 时 钟 应 与 卫 星 钟 校 时 接 收 到 的 卫 星 测 距 码 接 收 仪 复 制 出 的 测 距 码 dT

  23. GPS基础教程 载 波 相 位 测 距 • 载 波 相 位 观 测 • 载 波 L1 的 波 长 为 19 cm ，L2 的 波 长为 24 cm • 接 收 仪 将 接 收 到 的 卫 星 载 波 信 号的 相 位 与 其 自 身 产 生 的 参 考 载 波信 号 的 相 位 进 行 比 较 • 接 收 仪 开 机 后，相 位 整 周 数 未 知 (带 有 整 周 模 糊 度 ) • 跟 踪 卫 星 时 间 较 长 时 距 离 的 变 化可 以 测 定 ( 整 周 数 保 持 不 变 ) 接 收 到 的 卫 星 相 位 接 收 仪 复 制 出 的 相 位 T D = cTN

  24. 精 度 10 - 30 m GPS基础教程 点 位 测 定 单 机 定 位 用 于 导 航，其 定 位 精 度 大 约 在 10 到 30m 左 右

  25. 100m 30m GPS基础教程 防电子欺骗技术(AS) 选择性服务政策(SA)* SA技术已经于2000年5月取消 • 理 论 上 利 用 C/A 码 可 获 取 10 - 30m 的 定 位 精 度 P P = 正确位置

  26. 100m 30m GPS基础教程 选 择 可 用 性 技 术 (SA) • 美 国 防 部 人为 降 低 卫 星 广 播 信 息的 精 度，限 制 非 许 可 用 户的 非 法 使 用 • 在 基 准 信 号 上 人 为 加 入 一 个 高 频 抖 动 信 号(δ技术) • 人 为 降 低 卫 星 星 历 精 度 (ε技 术) • 此 项 技 术 称 为 选 择 可 用 性 技 术 • 点 位 精 度 为 100 m (95%) • 理 论 上 基 于 C/A 码 的 定 位 精 度约 为 10 - 30m P +/- 100m (95%) P = 正 确 位 置

  27. GPS基础教程 点 位 测 定 防电子欺骗技术(AS) 选择性服务政策(SA)* SA技术已经于2000年5月取消 精 度 10 - 100 m

  28. 8 GPS 定位原理 • 与GPS卫星有关的因素 • SA技术 人为的降低广播星历精度(ε技术) • 卫星星历误差 • 卫星钟差 • 卫星信号发射天线相位中心偏差 • 与传播途径有关的因素 • 电离层延迟 • 对流层延迟 • 多路径效应 • 与接收机有关的因素 • 接收机钟差 • 接收机天线相位中心误差 • 接收机软件和硬件造成的误差 －－GPS定位的误差源

  29. GPS基础教程 如 何 提 高 GPS的测 量 精 度 ? 使 用 差 分 GPS 技 术

  30. GPS基础教程 差 分 定 位 技 术 • 在 测 定 流 动 站 的 座 标 时 与 之 相 关 联 的 参 考 站 的 设 置 是 必 须 的 • 参 考 站 (A) 的 座 标 须 已知 • 卫 星 必 须 同 时 被 跟 踪 • 差 分 定 位 • 削 减 卫 星 及 接 收 仪 钟的 误 差 影 响 • 大 气 影 响 削 减 至 最 小 • 精 度 达 0.5 cm - 5 m Baseline Vector A B

  31. GPS基础教程 差 分 定 位 技 术 • 伪 距 差 分 测 量 精 度 可 达 0.5m - 5 m • 此 种 测 量 形 式 一 般 称 为 DGPS 基 线 向 量 A B

  32. RTD测量原理图 发射电台 测深仪 移动站 接收电台 GPS主机 GPS主机 电脑 基准站

  33. 信标机测量原理图 测深仪 信标天线 移动站 GPS主机 电脑 信标台站

  34. GPS基础教程 差 分 定 位 技 术 • 如 果 使 用 载 波 差 分 或 同 时 使 用 载 波 差分 及 伪 距 差 分 则 定位 精 度 可 达 5 - 10 mm + 1ppm 基 线 向 量 A B

  35. 什么是RTK技术 常规GPS的测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分(Real - time kinematic)方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据(伪距观测值，相位观测值)及已知数据传输给流动站接收机。　　　　　　　　　　　　

  36. RTK测量原理图 发射电台 接收电台 移动站 GPS主机 GPS主机 采集器 基准站

  37. GPS基础教程 整 周 模 糊 度 • 在 使 用 载 波 相 位 观 测 时 整 周 数 应 被 解 算 出 来 时间 (0) 时间 (i) 整周数 整周数 相位差测量 整周变化数 相位差测量

  38. GPS基础教程 解 算 整 周 模 糊 度 • 整 周 模 糊 度 的 解 算 效 果 如 下 所 示 • 注 意 到 一 旦 模 糊 度 被 解 出，测 量 精 度 将 不 随 时 间 有 明显 增 长 精度 (m) 1.00 未解算出整周 模糊度时的测量精度 0.10 已解算出整周 模糊度时的测量精度 0.01 时间 (mins) 0 120 静态测量 0 2 5 快速静态测量

  39. GPS基础教程 精 度 因 子 (DOP) • 一 种 描 述 纯 粹 因 卫 星 几 何 因 素 对 定 点 精 度 的 影 响 • 精 度 因 子 指 出 在 测 量 时 被 跟 踪 卫 星 几 何 结 构 上 的 强 度 • GDOP (Geometrical) • 包 括 经 度, 纬 度, 高 程 和 时 间 等 • 因 子， 称 为 几 何 精 度 因 子 • PDOP (Positional) • 包 括 经 度, 纬 度 和 高 程 等 因 子， • 称 为 空 间 位 置 精 度 因 子 • HDOP (Horizontal) • 包 括 经 度 和 纬 度 等 因 子，称 为 • 平 面 位 置 精 度 因 子 • VDOP (Vertical) • 仅 包 括 高 程 因 子，称 为 高 程 精 度 因 子 较好的 DOP

  40. 较差的 DOP GPS基础教程 精 度 因 子 (DOP) • 一 种 描 述 纯 粹 因 卫 星 几 何 因 素 对 定 点 精 度 的 影 响 • 精 度 因 子 指 出 在 测 量 时 被 跟 踪 卫 星 几 何 结 构 上 的 强 度 • GDOP (Geometrical) • 包 括 经 度, 纬 度, 高 程 和 时 间 等 • 因 子， 称 为 几 何 精 度 因 子 • PDOP (Positional) • 包 括 经 度, 纬 度 和 高 程 等 因 子， • 称 为 空 间 位 置 精 度 因 子 • HDOP (Horizontal) • 包 括 经 度 和 纬 度 等 因 子，称 为 • 平 面 位 置 精 度 因 子 • VDOP (Vertical) • 仅 包 括 高 程 因 子，称 为 高 程 精 度 因 子

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