gps培训课件解析.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,全球定位系统（,GPS,）,内容概要,一,GPS,基础知识,（一）,GPS,及其背景,（二）,GPS,的特点,（三）,GPS,的系统组成,（四）,GPS,的功能,二,GPS,定位原理,三,GPS,实施步骤,第一章,GPS基础知识,第一节 GPS及其背景,1957年10月第一颗人造卫星发射成功以后，,1958年底，美国海军武器实验室就着手建立为美国军方军用舰艇导航服务的卫星系统，即“海军导航卫星系统”,（,N,avy,N,avigation,S,atellite,S,ystem）。,但是由于该系统的卫星数目较少（56）、运行高度较低（平均约1000km)、从地面站观测到卫星的时间间隔较长（平均约1.5小时），因而它无法提供连续的实时三维导航。加上获得一次导航解的时间较长，所以难以充分满足军事方面的需要，尤其是高动态目标（飞机、导弹）。,为了满足军事和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求，1973年美国国防部便开始组织海陆空三军，共同研究建立新一代的卫星导航系统。这就是目前所称的,“授时与测距导航系统/全球定位系统”（navigation system timing and ranging/global positioning system,简称NAVSTAR/GPS),通常简称为“全球定位系统”。,（三代卫星）,系统特征,NNSS,GPS,载波频率,GHz,0.15,0.40,1.23,1.58,卫星高度,km,1070,20200,卫星数,6,21+3,卫星周期,min,1:47,11:58,卫星钟稳定度,10,-11,10,-12,GPS,与,NNSS,的主要特征比较,注：,NNSS,是美国于,1964,年建成的海军导航系统,第二节,GPS的特点,全球性，全天候，高精度，保密性,GPS测量与经典测量方法的对比,：,不需要相互通视,定位精度高(小于50km基线，精度可达mm级）,观测时间短,白天和夜间均可作业,提供三维坐标,操作简单,第三节,GPS,的系统组成,空间部分,GPS,卫星组成,用户部分,GPS,接收机,控制部分,1,个主控站,3,个注入站,5,个监控站,注入站,监控站,主控站,提供星历和时间信息,发射伪距和载波信号,提供其它辅助信息,地面控制部分：,中心控制系统,实现时间同步,跟踪卫星进行定轨,包括数据采集和注入,接收卫星信号,记录处理数据,提供导航定位信息,24颗卫星(21+3),6个轨道平面,55轨道倾角,20200,km,轨道高度(地面高度),11小时58分(恒星时)轨道周期,5个多小时出现在地平线以上(每颗星),在全球各处能观测到高度角15的卫星 4 颗以上,(411),GPS,卫星空间分布,（,目前轨道上实际运行的卫星个数已经超过了,32,颗,）,GSP,地面控制站分布,一个主控站,：,科罗拉多斯必灵司,(推遍星历及修正参数、时间基准、轨道纠偏、启动备用卫星）,三个注入站：,阿松森(Ascencion)大西洋,迭哥伽西亚(Diego Garcia)印度洋,卡瓦加兰(kwajalein)太平洋,五个监测站,=1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii),55,H,awaii,A,scencion,Diego Garcia,kwajalei,n,Colorado springs,GPS,用户部分,用户设备主要包括,GPS,接收机和数据处理软件，以及计算机和其他终端设备（车船导航）。包括我们日常所见的单频和双拼接收机以及手持,GPS,接收机等。软件主要包括数据预处理软件、基线向量处理软件、网平差软件、联合平差软件和数据库处理软件等。,GPS,用户部分的应用,导航,海空导航、车辆引行、导弹制导等,测速,其精度可达,0.1m/s,测时与授时,其精度可达,340ns,（,1,纳秒,=10,-9,秒）,定位,第二 章,GPS,定位原理,依定位时的状态,动态定位：接收机处于运动状态,静态定位：接收机固定，相对静止,依定位模式,绝对定位（单点定位）：确定观测站相对于地球质心的位置,相对定位（差分定位）：确定接收机之间的相对位置,依定位采用的观测值,测码,伪距测量,（观测对象为数据码）,载波相位测量,（观察对象为载波）,依时效,实时定位,事后定位,第一节,GPS,测量定位,模式,相对定位的模式,静态模式：,两套以上,的接受设备，分别安置在基线的端点，同步观测一组卫星一定的时段。该模式基线精度约为,5mm+1ppm,。,快速静态模式,：,在,测区中部,安置一台基准站，另一台接收机依次到各点流动设站，并且在每一个测站观测,1,2,分钟。该模式要求卫星数不少于,5,个，流动站和基准站距离不大于,15,公里。该模式的基线精度约为,5mm+1ppm,。,动态模式,:,在测区选择基准站安置接收机，连续跟踪可见卫星，另一台接收机安置在移动载体上，在出发点静态定位观测,1,2,分钟，运动的接收机从出发点开始观测。一般该模式要求卫星数不少于,5,个，流动站和基准站距离不大于,15,公里。该模式基线精度,1,2,厘米。,实时动态模式：,在测区选择基准站安置接收机，连续跟踪可见卫星，并将其观测量通过无线电设备实时传输给流动站。流动站接受卫星信号的同时也接受基准站信号，然后解算流动站的三维坐标。其精度可达厘米级。,第二节,GPS,伪距定位原理,信号构成,基本频率：f0=10.23 MHz,1、载波：L1=154 f0=1575.42 MHz 波长=19.03 cm,L2=120 f0=1227.60 MHz 波长=24.42 cm,2、测距码：C/A码频率 =f0/10=1.023 MHz 对应时间1ms，码元宽度对应的波长=293 m,P 码频率=f0=10.23 MHz 码长235469592765000位、对应时间266.4天 码元宽度对应的波长=29.3 m,L1 载波调制有 C/A 码和 P 码,L2 载波仅调制有 P 码,3、导航电文：包含了有关卫星星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获P码等导航信息的数据码（D码）。,GPS,卫星信号结构,每颗,GPS,卫星发射一组无线电信号,每组信号包括两个载波,(L1,与,L2),及两种码，,L1,上调制的,C/A,码，,L1,和,L2,上的,P,码或,Y,码，还有卫星轨道信息,所有信号均由同一个震荡器产生,基准频率,10.23 MHz,L1,1575.42,MHz,C/A,码,1.023 MHz,P,或,Y-,码,10.23 MHz,L2,1227.60,P,或,Y,码,10.23 MHz,信息码,50 Hz,x 120,x154,10,第二节 GPS伪距定位原理,导航点位是按,空间后方距离交会,的方法计算出来,卫星是“沿轨道运动的控制点”,采用码相关技术测定接收机至每颗卫星的距离(伪距),距离观测值的计算,接收机至卫星的距离借助于卫星发射的码信号量测并计算得到的,接收机本身按同一公式复制码信号,比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟时间,t,传播延迟时间乘以光速就得到距离观测值,=C,t,卫星钟调制的码信号,接收机时钟复制的码信号,t,t,伪距单点定位的应用特点,既能用于静态定位，也可进行动态定位而用于导航,定位速度快、实时性好,对信号的强度要求不高,但定位精度较低,（,理论上为,10,米,30,米，在,SA,和,AS,技术作用下误差达,100,米以上,）,第三节,GPS,载波相位定位原理,采用载波相位观测值,卫星广播,的电磁波,信号：,由于测距码的码元长度较长，导致伪距的测量精度不高。而卫星发射的载波波长比测距码要短很多，将载波作为一个测量对象，就可以得到高精度的星站距离。其原理就是在接收机在对卫星进行跟踪测量的时候，本身也产生一个与载波相同的基准信号。接,收,机接,收,到载波信号，先进行解调，恢复成单纯的余弦波，在于基准信号混频，得到一个新的差频信号，差频信号的相位就是基准信号与接受信号的相位差值。所谓的载波相位测量就是混频后的差频信号的相位值。,L1载波,L2,载波,C/A,码,P-,码,p=29.3,m,L2=24,cm,L1=19c,m,C/A=293,m,载波相位测量的特点,定位精度比伪距定位精度高,可用于进行,静态绝对定位、,静态相对定位、,差分动态定位,第四节 GPS相对定位,原理,（差分定位）,相对定位是用两台（或多台）接收机分别安置在一条（或多条）基线的两端，同步观测相同的,GPS,卫星，以确定基线端点的相对位置或基线向量,可以消去卫星钟的系统偏差,可以消去接收机时钟的误差,P,i,k,P,l,j,P,i,j,P,j,P,l,k,P,k,S,l,S,i,可以消去轨道,(,星历,),误差的影响,可以削弱大气折射对观测值的影响,组成星际站际两次差分观测值,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,B,A,伪 距 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,B,A,载 波 相 位 差 分 定 位 技 术,第三章,GPS,实施步骤,静态,GPS,测量,动态,GPS,测量,第一节 GPS静态测量作业步骤,GPS,控制网的技术设计,GPS,控制网网形设计,踏勘选点，修改网形，设置点位标志,编制作业进度计划，进行星历预报,外业观测和概算,内业处理和检验,坐标系统转换和高程拟合,成果报告的编制和资料验收,一,.,控制网的应用范围,二,.,分级布网,大城市可分,3,级,中小城市可分,2,级,三,.GPS,测量的精度标准,=,四,.,坐标系统与起算数据,椭球参数,中央子午线,纵横坐标加常数,投影面高程,起算点的坐标及其精度,五,.GPS,高程,六,.,选点原则和点位标志,级别,a(mm)b,平均距离,(km),AA 3 0.01 1000,A 5 0.1 300,B 8 1 70,C 10 5 1015,D 10 10 510,E 10 20 0.25,连测部分水准点,(C,、,D,、,E,级应按四等水准进行连测,),1.,GPS,控制网的技术设计,一,.,各级,GPS,控制网必须布设成由独立基线构成的闭合图形或附合路线,二,.,最简独立闭合环或符合路线边数应符合下表规定,10,8,6,6,5,边数,E,D,C,B,A,级别,三,.N,台接收机同步观测时的特点,有,N*(N-1)/2,条同步基线，但只有,N-1,条基线是独立的。,2.,GPS,控制网的网形设计,N=4,N=2,N=3,仪器台数 同步图形 独立基线,N=5,GPS,控制网的观测基线,GPS,网设计的一般原则,应,通过独立观测边构成闭合图形，以增加检核条件，提高网的可靠性。,应尽量与原有地面控制网相重合，重合点一般不少于3个，且分布均匀。,应考虑与水准点相重合，或在网中布设一定密度的水准联测点。,点应设在视野开阔和容易到达的地方，联测方向。,可在网点附近布设一通视良好的方位点，以建立联测方向。,根据GPS测量的不同用途，GPS网的独立观测边均应构成一定的几何图形，基本形式有：,1.三角形网 2.环形网 3.星形网,(1),、三角形网,优点：,图形几何结构强，具有较多的检核条件，平差后网中相邻点间基线向量的精度比较均匀。,缺点：,观测工作量大。一般只有在网的精度和可靠性要求较高时，才单独采用这种图形,。,(2),、环形网,优点：,观测工作量较小，且具有较好的自检性和可靠性,。,缺点：,非直接观测基线边,(,或间接边,),精度较直接观测边低，相邻点间的基线精度分布不均匀。,是大地测量和精密工程测量中普遍采用的图形，通常采用上述两种图形的混合图形。,(3),、星形网,优点：,观测中只需要两台,GPS,接收机，作业简单。,缺点：,几何图形简单，检验和发现粗差能力差。,广泛用于工程测量、边界测量、地籍测量和碎部测量等。,典型的布网形式,1.,点连,2.,边连,3.,混连,点连,边连,混连,GPS,控制网的网形发展形式,3,、,GPS,的数据处理,数据传输,基线向量解算,闭合环检核,(,同步环和异步环,),重复基线检核,WGS-84,自由网平差和三维约束平差,二维约束平差,(,在,C80,或,C54,坐标系,),高程拟合,注意事项,一般静态控制测量对技术、人员和设备要求较高，多为专业测绘机构完成。但是上交资料要齐备，上交资料成果：,测量任务书、技术设计；点之记、环视图、选点埋石资料；接收设备及其他仪器的检定材料；外业观测手簿及其他记录；数据处理生成的文件、资料、成果表；gps网点图；技术总结报告和成果验收报告。,一般小范围的控制网，使用前要进行复测。主要复测检核方法就是全站仪测距检核网的基线长度和基线边的角度。,第二节 动态,GPS,的测量作业,定位原理划分,单点动态定位,相对动态定位,差分动态定位,实时性划分,实时动态定位,后处理动态定位,定位的载体,伪距动态定位,载波相位动态定位,1,、动态,GPS,的划分,误差源及其特征：,卫星轨道误差：影响大小与测站位置有关，,距离较近时，影响大小相近,（误差的空间位置相关性）,卫星钟差：影响大小与测站无关,（时间相关性）,大气折射（电离层、对流层折射）：,影响具有空间位置相关性,多路径：与测站有关，测站间无关,2,、差分,GPS(DGPS),基本思路：,利用设于坐标已知的参考站，计算各类改正数、影响,GPS,测量定位的误差,.,40,差分,GPS,系统的构成,基准站（,Reference/Base Station,）,流动站（,Mobile/Rover Station,）,差分改正数,41,RTK-,实时动态差分,系统构成,参考站,流动站,数据链,特点,高精度动态测量，提供厘米级的平面和垂直定位解,应用,工程测量,地形测量,GPS,潮位等高精度测量。,42,发射电台,GPS,主机,基准站,移动站,GPS,主机,RTK,测量原理图,采集器,接收电台,传统,RTK,：,RTK,技术在应用中遇到的最大问题就是参考站校正数据的有效作用距离,。,网络,RTK,的兴起,网络,RTK,特点,:,线性衰减的单点,GPS,误差模型,被区域型的,GPS,网络误差模型,所取代，即用多个参考站组成,的,GPS,网络来估计一个地区的,GPS,误差模型，并为网络覆盖地区的用户提供校正数据。,用户收到的不是某个实际参考站的观测数据，而是一个虚拟参考站的数据，和距离自己位置较近的某个参考网格的校正数据，这就是,VRS,技术。,45,VRS,概念与特点,虚拟参考站技术（,VRS,）是,GPS,网络,RTK,中一种比较成熟的、可实时提供高精度导航定位信息的技术。它主要是利用网络内所有基准站原始观测数据，在流动站附近实时模拟一组参考站数据，实现对“参考站数据的模拟和重建”。,覆盖范围更广,成本更低,精度和可靠性更高,应用范围更广,改进了,OTF,初始化时间,46,VRS,工作原理,47,利用基准站网计算出用户附近某点（虚拟参考站）各项误差改正，再将它们加到利用虚拟参考站坐标和卫星坐标所计算出的距离之上，得出虚拟参考站上的虚拟观测值，将其发送给用户，进行实时相对定位。,利用多基站网络RTK技术建立的连续运行卫星定位服务综合系统（Continuous,Operational Reference,System，缩写为CORS,）,连续运行参考站（,CORS),48,3,、动态,GPS,的测量精度,类型,精度,适合对象,GPS,导航仪,30-50m,海上航行导航,信标,GPS,接收机,1-3m,中小比例尺水上测量,RTK,、ppk,厘米级,大比例尺水下地形测量,49,4,、,RTK,的测量实施步骤,架设基准站、设置好,GPS,主机工作模式,打开手簿软件、连接基准站、新建项目、设置坐标系统参数、设置好基准站参数，使基准站发射差分信号。,连接移动站，设置移动站，使得移动站接收到基准站的差分数据，并达到窄带固定解。,移动站到测区已知点上测量出窄带固定解状态下的已知点原始坐标。,根据已知点的原始坐标和当地坐标求解出两个坐标系之间的转换参数。,打开坐标转换参数，则,RTK,测出的原始坐标会自动转换成当地坐标。,到另外你至少一个已知点检查所得到的当地坐标是否正确。,在当地坐标系下进行测量，放样等操作，得到当地坐标系下的坐标数据。,将坐标数据在手簿中进行坐标格式转换，得到想要的坐标数据格式。,注意事项,1、良好的卫星状态,2、控制测量的技术要求,3、转换参数求解,当测区已有转换参数时，可直接利用。,当没有已知参数时，要自行求解，须有不少于三个已知控制点且分布均匀，多方案取优应用。,控制测量不能采用现场单点校正。,4、基准站要求,应设在高一级控制点上，如需长期使用应建立带,强制对中,装置的观测墩。,尽量远离电磁波发射源。,使用电台传输时，应保证发射天线有一定的,高度,。,使用通信网络时，应保证网络能够完全覆盖。,应正确设置软件及电台相关技术参数（投影参数、电台频率、数据端口等），避免出现,串频现象,。,5、流动站要求,不宜设在成片水域、隐蔽地带、强电磁干扰源附近,作业范围不能超出规范规定范围（5km),流动站要保持与基准站的通讯连接及对卫星的连续锁定。,数据采集时一定要是固定解。主要检查数据状态、卫星分布情况及精度因子。,卫星失锁后要到已知点进行检核无误后方可继续工作。,对中整平尽量采用三角架，多次观测求取平均值。,中海达RTK工作流程,1、,新建项目,坐标系统,2、,基准站链接,设置基准站,3、,流动站设置和基准站基本相同数据采集,4、,转换参数求解,及应用,5、,点放样,6、,线放样,第四章,GPS,精度影响因素,（一）与卫星有关的误差,（二）卫星信号的传播误差,（三）与接受设备有关的误差,（四）其他误差,与卫星有关的误差,1,、卫星钟差：尽管设有高精度的原子钟，但是和理想的,GPS,之间，仍存在难以避免的偏差或飘逸，这种偏差总量约在,1ms,以内，但由此引起的等效距离误差，约可达,300km,。针对这种偏差一般可以通过对卫星钟的运行状态连续监测，采用钟差模型改正，卫星钟同步差在,20ns,以内，有效距离偏差在,6,米以内。,2,、卫星轨道偏差：处理方法为忽略轨道误差；采用轨道改进法处理观测数据；同步观测求差。,卫星信号的传播误差,电离层折射的影响,：当卫星信号通过电离层时，和其他电磁波信号一样受到这一介质的弥散特性影响，使信号的传播途径发生变化。对于卫星信号来说，在夜间当卫星处于天顶方向时，电离层折射对信号传播路径的影响，将小于,5,米；而在正午前后，当卫星接近地平线时，其影响可能大于,150,米。为了减弱电离层的影响一般采取以下措施：利用双频观测；电离层模型加以修正；同步观测值求差。,对流层折射影响：,对流层没有弥散效应，其对信号的影响主要是大气的温度和压力有关。一般处理措施：精度要求不高时忽略不计；采用对流层模型改正；观测量求差等。,多路径效应：,接收机天线出接受到卫星发射的信号外，还可接受到经天线周围地物一次或多次反射的信号。两种信号叠加会影响参考的位置的变化，从而影响观测精度。减弱措施：安置天线环境应尽量避免较强反射面，如水面，平坦光滑的地面和平整的建筑物表面等；选择造型适宜且屏蔽良好的天线；适当延长观测时间；改善接收机电路设计。,与接受设备有关的误差：,观测误差：接收机天线相对观测站中心的安置 误差。,接收机钟差,载波相位的整周未知数,天线相位中心的偏差,其他误差：地球自转的影响及相对论效应的影响。（狭义的相对论影响，时钟安置在卫星上，将变慢）,谢谢大家！祝大家工作顺利！,