GPS原理及其在测量中的应用精讲.pptx

,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,Globle Positioning System,主讲教师,:,苏安玉,资源与环境学院,:0451-55190745,概 述,全球定位系统（,Global Positioning System,）,是由美国历时,20,多年，耗资,200,多亿美元建立的一个卫星导航定位系统，利用该系统，用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速；另外，利用该系统，用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。,GPS,计划始于,1973,年，已于,1994,年进入完全运行状态,。,作为新一代的卫星导航定位系统，它,的应用领域和应用前景已远远超出了该,系统设计者当初的设想，目前，它在航,空、航天、军事、交通、运输、资源勘探、通信、气象等,几乎所有的领域中，都被作为一项非常重要的技术手段和,方法，用来进行导航、定时、定位、地球物理参数测定和,大气物理参数测定等。,在测量中，它最初主要用于高精度大地测量和控制测量，建立各种类型和等级的测量控制网；现在，它还在测量领域的其它方面得到充分的应用，如用于各种类型的施工放样、测图、变形观测、航空摄影测量、海上测量和地理信息系统中地理数据的采集等。尤其是在各种类型的测量控制网的建立这一方面，,GPS,定位技术已基本上取代了常规测量手段，成为了主要的技术手段。现在，在我国采用,GPS,技术布设了新的国家大地测量控制网，很多城市也都采用,GPS,技术建立了城市控制网。,GPS,应用举例,佩带,GPS,的士兵,航空器定位与导航,海上导航,坦克导航,导弹导航,军 事,精确着陆系统,科学研究,森林调查、资源管理,生态研究给动物戴的项圈,圣母峰的隆起研究,农业监控,测绘领域,GPS,控制测量,RTK,地形测图及施工放样,其他应用,车辆导航管理,配备,GPS,的巡警,自助旅游,车辆导航,第一节,GPS,定位原理概述,1.,GPS,的组成,GPS,系统由三大部分组成：,空间部分,地面控制部分,用户部分,空间部分,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）,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）,每颗,GPS,工作卫星都发出用于导航定位的信号。,GPS,用户正是利用这些信号来进行工作的。,GPS,卫星,地面控制部分,GPS,的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构成，根据其作用的不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。,一个主控站,：科罗拉多,(Kolorado),法尔孔,(Falcon),空军基地,三个注入站：,阿松森,群岛,（A,scencion),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,（H,awaii),主控站,它的作用是根据各监控站对,GPS,的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时，它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作；另外，主控站也具有监控站的功能。,注入站,与,监控站,注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。,监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星的工作状态。,55,H,awaii,A,scencion,Diego Garcia,kwajalein,Colorado Falcon,地面控制部分分布,用户部分,GPS,的用户部分由,GPS,接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机气象仪器等所组成。它的作用是接收,GPS,卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。,通用接收机（定位型）,天线,前置放大器,电源部分,放大部分,微处理器,数据存器,显示控制器,供电,信号,信息,命令,数据,供电，控制,供电,数据,控制,GPS,接收机,(9600),2.GPS,信号,GPS,卫星发射两种频率的载波信号，即频率为,1575.42MHz,的,L1,载波和频率为,1227.60MHz,的,L2,载波。,它们的频率分别是基本频率,10.23MHz,的,154,倍和,120,倍，它们的波长分别为,19.03cm,和,24.42cm,。在,L1,和,L2,上又分别调制着多种信号。,卫星信号结构,L1,1575.42 MHZ,P,码,10,.,23MHZ,基准频率,10.23MHZ,L2,1227.60,MHZ,P,码,10.23MHZ,C/A,码,1,.023,MHZ,154,120,卫星信息电文（,D,码）,50 byte/S,每颗卫星都发射一系列无线电信号（基准频率,）,两种载波（,L1,和,L2,）,(,测量出或消除电离层效应而引起的延迟误差,),两种码信号（,C/A,码和,P,码,(Pseudo-randomNoise,伪随机噪声,),）,一组导航电文（信息码，,D,码）,C/A,码与,P,码,C/A,码又被称为粗捕获码，它被调制在,L1,载波上，每颗卫星的,C/A,码都不一样，用来分离各卫星信号。,C/A,码是普通用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号。用,C/A,码的,测距,误差在,29.3,2.93,米。单点定位精度为,2030,米。,P,码又被称为精码，它被调制在,L1,和,L2,载波上，在实施,AS,政策时，,P,码与,W,码进行模二相加生成保密的,Y,码，此时，一般用户无法利用,P,码来进行导航定位。用,P,码的,测距,误差在,2.93,0.293,米。单点定位精度优于,10,米。,导航信息,导航信息被调制在,L1,载波上，其信号频率为,50Hz,，包含有,GPS,卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻,GPS,卫星在地球轨道上的位置，导航信息也被称为广播星历。,3.GPS,定位原理与方法,二维定位,雾号角,1,R1,单一信号源测距,两个信号源测距,产生位置多值性,雾号角,1,R1,雾号角,2,R2,用附加测量消,除位置多值性,雾号角,3,R3,雾号角,1,R1,雾号角,2,R2,三维定位,卫星,1,S1,卫星,1,S1,卫星,2,S2,用户位置在球面上,用户位置两球相交的圆周上,卫星,1,S1,卫星,2,S2,卫星,3,S3,用户位于圆周两点之一上,卫星,3,相交的圆,距离观测值的计算,卫星钟调制的码信号,接收机时钟复制的码信号,t,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的时间,t,传播延迟时间乘以光速就是距离观测值,=C,t,采用载波相位观测值测距,发自卫星,的电磁波,信号：,信号量测精度优于波长的,1/100,载波波长（,L1=19cm,L2=24cm),比C/A码波长 (,C/A=293m),短得多,所以，,GPS,测量采用载波相位观测值可以获得比伪距（,C/A,码或,P,码）定位高得多的成果精度,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,解算出初始整周未知数,测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成,（,1,）初始整周未知数,n,；（,2,）,t 0,至,t i,时刻的整周记数,Ci,；（,3,）相位尾数,i,如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初始整周未知数,n,为了利用载波相位进行定位，必须先解算出初始整周未知数，取得总观,测值,n+C,i,+,i,Time(0),Ambiguity,Time(i),Ambiguity,Counted Cycles,Phase Measurement,初始整周未知数的确定与定位精度的关系,如果无法准确解出初始整周未知数，则定位精度难以优于,1,m,随着初始整周未知数解算精度的提高，定位精度也相应提高,一旦初始整周未知数精确获得，定位精度不再随时间延长而提高,经典静态定位需要,30-80,分钟观测才能求定初始整周未知数,快速静态定位将这个过程缩短到,2-5,分钟,精度,m,1.00,0.10,0.01,整周未知数确定后,整周未知数确定前,经典静态定位,0,0,30,80,2,5,时间（分）,快速静态定位,单点定位结果的获取,单点定位解可以理解为一个后方交会问题,卫星充当轨道上运动的控制点，观测值为测站至卫星的伪距（由时延值推算得到）,由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差,所以要同步观测,4,颗卫星，解算四个未知参数：纬度,经度,高程,h,钟差,t,4.GPS,定位的误差源,（,1,）与,GPS,卫星有关的因素,SA,：,（,Selective Availability,）,选择性定位能力。,美国政府从其国家利益出发，通过降低广播星历精度技术、在,GPS,基准信号中加入高频抖动 技术等方法，人为降低普通用户利用,GPS,进行导航定位的精度。,卫星星历误差：在进行,GPS,定位时，计算在某时刻,GPS,卫星位置所需的卫星轨道参数是通过各种类型的星历提供的，但不论采用哪种类型的星历，所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异，这就是所谓的星历误差。,卫星钟差：卫星钟差是,GPS,卫星上所安装的原子钟的钟面时与,GPS,标准时间之间的误差。,卫星信号发射天线相位中心偏差：卫星信号发射天线相位中心偏差是,GPS,卫星上信号发射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。,与,GPS,卫星有关的因素,（,2,）与传播途径有关的因素。,电离层延迟：大气层的电离层对电磁波的折射效应，使得,GPS,信号的传播速度发生变化，这种变化称为电离层延迟。,对流层延迟：对流层对电磁波的折射效应，使得,GPS,信号的传播速度发生变化，这种变化称为对流层延迟。,多路径效应：由于接收机周围环境的影响，使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有各种反射和折射信号的影响，这就是所谓的多路径效应。,（,3,）与接收机有关的因素,接收机钟差：接收机钟差是,GPS,接收机所使用的时钟的钟面时与,GPS,标准时之间的差异。,接收机天线相位中心偏差：接收机天线相位中心偏差是,GPS,接收机天线的标称相位中心与其真实的相位中心之间的差异。,接收机软件和硬件造成的误差：在进行,GPS,定位时，定位结果还会受到诸如处理与控制软件和硬件等的影响。,（,4,）其它,GPS,控制部分人为或计算机造成的影响：由于,GPS,控制部分的问题或用户在进行数据处理时引入的误差等。,数据处理软件的影响：数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响。,第二节,坐标系、基准和坐标系统,测量的基本任务：,就是确定物体在空间中的位置、姿态及其运动轨迹。而对这些特征的描述都是建立在某一个特定的空间框架和时间框架之上的。所谓空间框架就是我们常说的坐标系统，而时间框架就是我们常说的时间系统。,1.,坐标系统,一个完整的坐标系统是由坐标系和基准两方面要素所构成的。坐标系指的是描述空间位置的表达形式，而基准指的是为描述空间位置而定义的一系列点、线、面。,在大地测量中的基准一般是指为确定点在空间中的位置，而采用的地球椭球或参考椭球的几何参数和物理参数，及其在空间的定位、定向方式，以及在描述空间位置时所采用的单位长度的定义。,空间直角坐标系,空间直角坐标系的坐标系原点位于参考椭球的中心，,Z,轴指向参考椭球的北极，,X,轴指向起始子午面与赤道的交点，,Y,轴位于赤道面上，且按右手系与,X,轴呈,90,夹角。某点在空间中的坐标可用该点在此坐标系的各个坐标轴上的投影来表示。,图,1,空间直角坐标系,空间大地坐标系,空间大地坐标系是采用大地经、纬度和大地高来描述空间位置的。纬度是空间的点与参考椭球面的法线与赤道面的夹角，经度是空间中的点与参考椭球的自转轴所在的面与参考椭球的起始子午面的夹角，大地高是空间点沿参考椭球的法线方向到参考椭球面的距离。,图,2,空间大地坐标系,2.,坐标系变换与基准变换,在,GPS,测量中，经常进行坐标系变换与基准变换。,坐标系的变换方法,空间直角坐标系与空间大地坐标系间的转换 空间坐标系与平面直角坐标系间的转换,基准变换,七参数转换法,（,1,）在相同的基准下，空间大地坐标系向空间直角坐标系的转换方法为,a,为地球椭球长半轴；,b,为地球椭球的短半轴。,其中：,，为卯酉圈的半径；,（,2,）在相同的基准下，空间直角坐标系向空间大地坐标系的转换方法为：,（,3,）坐标系统转换,七个转换参数转换法：设两空间直角坐标系间有七个转换参数,3,个平移参数、,3,个旋转参数和,1,个尺度参数。,m,为空间直角坐标系,A,转换到空间直角坐标系,B,的尺度参数。,若：,为某点在空间直角坐标系,A,的坐标；,为该点在空间直角坐标系,B,的坐标；,为空间直角坐标系,A,转换到空间,直角坐标系,B,的平移参数；,为空间直角坐标系,A,转换到空间直角,坐标系,B,的旋转参数；,则由空间直角坐标系,A,到空间直角坐标系,B,的转换关系为：,其中：,3.,GPS,测量中常用的坐标系统,WGS-84:,World Geodical System,（世界大地坐标系,-84,）,由美国国防部制图局建立。,WGS-84,坐标系是目前,GPS,所采用的坐标系统，,GPS,所发布的星历参数就是基于此坐标系统的。,WGS-84,坐标系的坐标原点位于地球的质心，,Z,轴指向地球北极方向，,X,轴指向起始子午面和赤道的交点，,Y,轴与,X,轴和,Z,轴构成右手系。,WGS-84,系所采用椭球参数为：,1954,年北京坐标系,1954,年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系。该坐标系源自于原苏联采用过的,1942,年普尔科夫坐标系。,建国前，我国没有统一的大地坐标系统，建国初期，在苏联专家的建议下，我国根据当时的具体情况，建立起了全国统一的,1954,年北京坐标系。该坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球，该椭球的参数为：,1954,年北京坐标系存在以下缺点,克拉索夫斯基椭球参数同现代精确的椭球参数的差异较大。,参考椭球面与我国大地水准面呈西高东低的系统性倾斜，东部高程异常达,60,余米，最大达,67,米。,该坐标系统的大地点坐标是经过局部分区平差得到的，因此，全国的天文大地控制点实际上不能形成一个整体，区与区之间有较大的隙距，如在有的接合部中，同一点在不同区的坐标值相差,1-2,米，因而一等锁具有明显的坐标积累误差。,1980,年西安大地坐标系,1978,年，我国决定重新对全国天文大地网施行整体平差，并且建立新的国家大地坐标系统，整体平差在新大地坐标系统中进行，这个坐标系统就是,1980,年西安大地坐标系统。,椭球的短轴平行于地球的自转轴，起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面，椭球面同似大地水准面在我国境内符合最好，高程系统以,1956,年黄海平均海水面为高程起算基准,。,第三节,GPS,静态定位在测量中的应用,目前，,GPS,静态定位在测量中被广泛地用于大地测量、工程测量、地籍测量、物探测量及各种类型的变形监测等，在以上这些应用中，其主要还是用于建立各种级别、不同用途的控制网。,1.GPS,相关术语,卫星高度截止角,:elevation mask,接收机所跟踪卫星的最低高度角，一般在,10,以上。较高的截止高度角有利于防止大气层的影响及附近物体和多路径的影响。,历元间隔,:,GPS,接收机连续接收两个历元的时间间隔,一般可选,5,秒、,10,秒或,15,秒。,PDOP,值：,三维几何精度因子，指卫星与测站点所构成的空间几何图形精度，一般小于,8,，最好小于,4,。,年积日：,表示某天是一年中的第几天。,从每年的,1,月,1,日北京时间,8:00,开始为,001,天,到第二年的,1,月,1,日北京时间,8:00,为,365,天结束。,时段：,observing session,观测时段,两台或多台接收机进行同步观测，同时接收数据的时间段。,基线（,Baseline,）：两测量点的连线，在此两点上同时接收,GPS,信号并收集其观测数据。,方差比：同一组数据的残差比即次小残差的方差与最小残差的方差之比。,中误差：一组真误差平方的平均值的平方根。,同步环：同一时段观测的基线所形成的环。,异步环：不同时段观测的基线所形成的环。,重复基线：不同时间段观测的同一条基线。,同步时间：同步环中各条基线公共观测的时间段。,2.GPS,静态定位在测量中的应用,GPS,静态定位在测量中主要用于测定各种用途的控制点。其中，较为常见的方面是利用,GPS,建立各种类型和等级的控制网，在这些方面，,GPS,技术已基本上取代了常规的测量方法，成为了主要手段。,较之于常规方法，,GPS,在布设控制网方面具有以下一些特点：,测量精度高,:GPS,基线向量的相对精度一般在,10,-5,10,-9,之间，是普通测量方法很难达到的。,选点灵活、不要求测站间相互通视,不需要造标、费用低。,全天侯作业：任何时间、任何气候条件下观测。,观测时间短：每站观测时间一般在,1,2,个小时左右，采用快速静态定位，观测时间更短。,观测、处理自动化。,GPS,的特点：,3.,布设,GPS,基线向量网的工作步骤,布设,GPS,基线向量网主要分测前、测中和测后三个阶段进行。,（,1,）,测前工作,项目的提出,一项,GPS,测量工程项目，往往是由工程发包方、上级主管部门或其他单位或部门提出，由,GPS,测量队伍具体实施。,测区位置及其范围,测区的地理位置、范围，控制网的控制面积。,用途和精度等级,控制网将用于何种目的，其精度要求是多少，要求达到何种等级。,点位分布及点的数量,控制网的点位分布、点的数量及密度要求，是否有对点位分布有特殊要求的区域。,提交成果的内容,用户需要提交哪些成果，所提交的坐标成果分别属于哪些坐标系，所提交的高程成果分别属于哪些高程系统，除了提交最终的结果外，是否还需要提交原始数据或中间数据等。,测前工作,时限要求,对提交成果的时限要求，即何时是提交成果的最后期限。,投资经费,对工程的经费投入数量。,技术设计,负责,GPS,测量的单位在获得了测量任务后，需要根据项目要求和相关技术规范进行测量工程的技术设计。关于技术设计的具体内容将在第四章中作详细介绍。,仪器的检验,对将用于测量的各种仪器包括,GPS,接收机及相关设备、气象仪器等进行检验，以确保它们能够正常工作。,测前工作,测绘资料的搜集与整理,在开始进行外业测量之前，现有测绘资料的搜集与整理也是一项极其重要的工作。需要收集整理的资料主要包括测区及周边地区可利用的已知点的相关资料（点志记、坐标等）和测区的地形图等。,踏勘、选点埋石,在完成技术设计和测绘资料的搜集与整理后，需要根据技术设计的要求对测区进行踏勘，并进行选点埋石工作。,测前工作,（,2,）,测量实施,实地了解测区情况,由于在很多情况下，选点埋石和测量是分别由两个不同的队伍或两批不同的人员完成的，因此，当负责,GPS,测量作业的队伍到达测区后，需要先对测区的情况作一个详细的了解。主要需要了解的内容包括点位情况（点的位置、上点的难度等）、测区内经济发展状况、民风民俗、交通状况、测量人员生活安排等。这些对于今后测量工作的开展是非常重要的。,卫星状况预报,根据测区的地理位置，以及最新的卫星星历，对卫星状况进行预报，作为选择合适的观测时间段的依据。所需预报的卫星状况有卫星的可见性、可供观测的卫星星座、随时间变化的,PDOP,值、随时间变化的,TDOP,值等。,确定作业方案,根据卫星状况、测量作业的进展情况、以及测区的实际情况，确定出具体的作业方案，以作业指令的形式下达给各个作业小组，根据情况，作业指令可逐天下达，也可一次下达多天的指令。作业方案的内容包括作业小组的分组情况，,GPS,观测的时间段以及测站等。,测量实施,外业观测,各,GPS,观测小组在得到作业指挥员所下达的作业指令后，应严格按照作业指令的要求进行外业观测。在进行外业观测时，外业观测人员除了严格按照作业规范、作业指令进行操作外，还要根据一些特殊情况，灵活地采取应对措施。在外业中常见的情况有不能按时开机、仪器故障和电源故障等。,数据传输与转储,在一段外业观测结束后，应及时地将观测数据传输到计算机中，并根据要求进行备份，在数据传输时需要对照外业观测记录手簿，检查所输入的记录是否正确。数据传输与转储应根据条件，及时进行。,测量实施,基线处理与质量评估,对所获得的外业数据及时地进行处理，解算出基线向量，并对解算结果进行质量评估。作业指挥员需要根据基线解算情况作下一步,GPS,观测作业的安排。,重复确定作业方案、外业观测、数据传输与转储与基线处理与质量评估四步，直至完成所有,GPS,观测工作。,测量实施,（,3,）,测后工作,结果分析（网平差处理与质量评估）,对外业观测所得到的基线向量进行质量检验，并对由合格的基线向量所构建成的,GPS,基线向量网进行平差解算，得出网中各点的坐标成果。,技术总结,根据整个,GPS,网的布设及数据处理情况，进行全面的技术总结。,成果验收,第四节,技术设计,在布设,GPS,网时，技术设计是非常重要的。这是因为技术设计提供了布设,GPS,网的技术准则，在布设,GPS,网时所遇到的所有技术问题，都需要从技术设计中寻找答案。因此，在进行每一项,GPS,工程时，都必须首先进行技术设计,技术设计的内容,一个完整的技术设计，主要应包含如下内容：,项目来源,介绍项目的来源、性质。,测区概况,介绍测区的地理位置、气候、人文、经济发展状况、交通条件、通讯条件等。,工程概况,介绍工程的目的、作用、要求、,GPS,网等级（精度）、完成时间等。,技术依据,介绍作业所依据的测量规范、工程规范、行业标准等。,施测方案,介绍测量所采用的仪器、采取的布网方法等。,作业要求,介绍外业观测时的具体操作规程、技术要求等，包括仪器参数的设置（如采样率、截止高度角等）、对中精度、整平精度、天线高的量测方法及精度要求等。,观测质量控制,介绍外业观测的质量要求，包括质量控制方法及各项限差要求等。,数据处理方案,详细的数据处理方案，包括基线解算和网平差处理所采用的软件和处理方法等内容。,技术设计的内容,第五节 布网方法,1.GPS,基线向量网的等级,根据我国,1992,年所颁布的全球定位系统测量规范，,GPS,基线向量网被分成了,A,、,B,、,C,、,D,、,E,五个级别。,测量分类,固定误差,(mm),比例误差,(ppm),相邻点距离,(km),A,5,0.1,100,2000,E,B,C,D,8,10,10,10,1,5,10,20,15,250,5,40,2,15,1,10,A,级网一般为区域或国家框架网；,B,级网为国家大地控制网或地方框架网；,C,级网为地方控制网和工程控制网；,D,级网为工程控制网；,E,级网为测图网。,2.,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便于联测方向。,3.GPS,基线向量网的布网形式,GPS,网常用的布网形式很多，根据不同用途和等级要求可采取不同的形式。,在工程测量和地形测图布设控制网时,，,最常用的布网形式是,同步图形扩展式。,同步图形扩展式具有作业效率高，图形强度好且作业方法简单的特点，是目前在,GPS,测量中普遍采用的一种布网形式。,同步图形扩展式主要以下几种方式：,点连式、边连式、网连式、混连式,布网形式,所谓同步图形扩展式的布网形式，就是多台接收机在不同测站上进行同步观测，在完成一个时段的同步观测后，又迁移到其它的测站上进行同步观测，每次同步观测都可以形成一个同步图形，在测量过程中，不同的同步图形间一般有若干个公共点相连，整个,GPS,网由这些同步图形构成。,点连式,观测作业方式,所谓点连式就是在观测作业时，相邻的同步图形间只通过一个公共点相连。这样，当有,m,台仪器共同作业时，每观测一个时段，就可以测得,m-1,个新点，当这些仪器观测了,s,个时段后，就可以测得,1+s(m-1),个点。,特点,点连式观测作业方式的优点是作业效率高，图形扩展迅速；它的缺点是图形强度低，如果连接点发生问题，将影响到后面的同步图形。,图,5,点连式,边连式,观测作业方式,所谓边连式就是在观测作业时，相邻的同步图形间有一条边（即两个公共点）相连。这样，当有,m,台仪器共同同作业时，每观测一个时段，就可以测得,m-2,个新点，当这些仪器观测了,s,个时段后，就可以测得,2+s(m-2),个点。,特点,边连式观测作业方式具有较好的图形强度和较高的作业效率。,图,6,边连式,网连式,观测作业方式,所谓网连式就是在作业时，相邻的同步图形间有,3,个（含,3,个）以上的公共点相连。这样，当有,m,台仪器共同作业时，每观测一个时段，就可以测得,m-3,个新点，当这些仪器观测了,s,个时段后，就可以测得,k+s(m-3),个点。,特点,采用网连式观测作业方式所测设的,GPS,网具有很强的图形强度，但网连式观测作业方式的作业效率很低。,4.,选点,点位远离大功率的无线电发射台和高压输电线，以避免其周围磁场对,GPS,卫星信号的干扰。接收机天线与其距离，一般不得小于,200m,；,附近不应有大面积的水域，或对电磁波反射（或吸收）强烈的物体，以减弱多路径效应的影响；,观测站应设在易于安置接收设备的地方，且视场开阔。在视场内周围障碍物的高度角，根据情况一般应小于,10,15,；,观测站应选在交通方便的地方，并且便于用其它测量手段联测和扩展；,绘制点之记。,5.,GPS,外业观测,:,仪器安置,:,对中与整平,量取天线高,按技术设计与作业指令同时开机,GPS,接收机的操作,记录接收机观测时段与相应点号,同步观测时间达到相应等级的时间要求后,关机,进行下一时段观测,直至完成所有测量任务,数据传输与备份。,1.,基线解算质量控制指标,中误差,方差比,数据删除率,同步环闭合差,异步环闭合差,重复基线较差,第六节,GPS,基线解算,2.GPS,基线解算的过程,接收机都配备相应的数据处理软件，可自动进行,GPS,基线解算,解算过程是：,原始观测数据的读入,(RINEX,格式,),外业输入数据的检查与修改,设定基线解算的控制参数,基线解算,基线质量的检验,(,同步环闭和差、异步环闭和差和重复基线较差,),结束,.,1.GPS,网平差的过程,提取基线向量，构建,GPS,基线向量网,选取相互独立的边长较短的质量好的基线构成闭合的几何图形。,三维无约束平差,在,WGS-84,三维空间直角坐标系下进行,得到,GPS,网中各个点在,WGS-84,系下经过了平差处理的三维空间直角坐标或地理坐标。,第七节,GPS,基线向量网平差,约束平差,/,联合平差,约束平差,/,联合平差实际上是坐标系的转换问题,指定进行平差的基准和坐标系统。,指定起算数据。,检验约束条件的质量。,进行平差解算。,质量分析与控制,利用基线质量控制指标对基线解算与平差的结果进行分析,发现有质量问题，需要根据具体情况进行处理。,第八节 技术总结,1.,技术总结的作用,在完成了,GPS,网的布设后，应该认真完成技术总结。,每项,GPS,工程的技术总结是工程一系列必要文档的主要组成部分。,它能够使各方面对工程的各个细节有完整而充分的了解，便于今后对成果的充分而全面地加以利用。,通过对整个工程的总结，测量作业单位还能够总结经验，发现不足，为今后进行新的工程提供参考。,2.,技术总结的内容,技术设计需要包含以下内容：,项目来源：介绍项目的来源、性质。,测区概况：介绍测区的地理位置、气候、人文、经济发展状况、交通条件、通讯条件等。,工程概况：介绍工程目的、作用、要求、等级（精度）、完成时间等。,技术依据：介绍作业所依据的测量规范、工程规范、行业标准等。,施测方案：介绍测量所采用的仪器、采取的布网方法等。,作业要求：介绍外业观测时的具体操作规程、技术要求等，包括仪器参数的设置（如采样率、截止高度角等）、对中精度、整平精度、天线高的量测方法及精度要求等。,观测质量控制：介绍外业观测的质量要求，包括质量控制方法及各项限差要求等。,数据处理方案：说明详细的数据处理方案，包括基线解算方法、网平差处理方法等。,结论：对整个工程的质量及成果作出结论。,RTK,技术,RTK,（,real-time-kinematic,）技术是,GPS,实时载波相位差分的简称。这是一种将,GPS,与数传技术相结合，实时解算进行数据处理，在,1-2,秒的时间里得到测站点在制定坐标系中的三维定位结果，并达到,cm,级的精度。自,90,年代初，,RTK,技术一经问世，极大的拓展了,GPS,的使用空间，使,GPS,只能做控制测量的局面中摆脱出来，而开始广泛运用于工程测量。直到今天，,RTK,技术仍代表着高精度,GPS,的高端水平。,RTK,技术系统构成,RTK,系统构成：,1.,基准站,2.,移动站,3.,数据链,RTK,技术工作原理,差分数据,1.,x,y,z,2.,载波相位观测值,3.,伪距观测值,参数设置,坐标存储,基准站,移动站,采集器,数据处理与数据传输,RTK,技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术。,数据处理：,RTK,的数据处理是在移动站上进行的，处理的数据量比较大，依靠功能强大的便携的计算工具，,RTK,才能得以实现。,数据传输：,RTK,定位时要求基准站实时地把大量的差分数据传输给移动站，一般都是通过民用无线电台来实现，特殊的也可以通过无线通讯网络传递或者有线网络进行中继。,RTK,技术的优点,定位速度快：可在,1-2,秒内确定待测点坐标。,精度较高：可以达到,cm,级。与静态,GPS,测量（,mm,级）相比精度略低，但完全可以满足测绘要求。,应用范围广：广泛应用于城市、矿山等区域性的控制测量，工程测量和地籍测量等。,作业简单，自动化程度高。,作业成本低，时间短。,RTK,技术的局限性,GPS,误差的空间相关性随参考站和移动站距离的增加而逐渐失去线性，因此在较长距离下（单频大于,10km,双频大于,30km,），经过差分处理后的用户数据仍然含有很大的观测误差，从而导致定位精度的降低。,用户需要架设本地的参考站。,误差随距离增长。,误差增长使流动站和参考站距离受到限制,(15KM),可靠性和可行性随距离降低。,VRS-GPS,网络,RTK,技术,为了克服传统,RTK,技术的缺陷，在,20,世纪,90,年代中期，人们提出了网络,RTK,技术。在网络,RTK,技术中，线性衰减的单点,GPS,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。而用户收到的也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，因此网络,RTK,技术又被称为,虚拟参考站技术,（,virtual reference station,）。,它的出现将使一个地区的所有测绘工作成为一个有机的整体，结束以前,GPS,作业单打独斗的局面。同时，它将大大扩展,RTK,的作业范围，使,GPS,的应用更广泛，精度和可靠性将进一步提高，使从前许多,GPS,无法完成的任务成为可能。最重要的是，在具备了上述优点的同时，建立,GPS,网络成本反而会极大的降低。,网络,RTK,技术示意图,网络,RTK,技术系统结构,基准站网,移动站,75km,控,制,中,心,双向数据通讯,VRS,系统是集,internet,技术，无线通讯技术，计算机,网络管理和,GPS,定位技术一身的系统。,包括,3,个部分：控制中心，基准站网和用户部分。,控制中心（,Control center,）,控制中心是整个系统的核心。它即是通讯控制中心，也是数据处理中心。它通过通讯线（光缆，,ISDN,，电话线）与所有的基准站通讯；通过无线网络（,GSM,，,CDMA,，,GPRS.,）与移动用户通讯。由计算机实时系统控制整个系统的运行，所以控制中心的软件,GPSNET,即是数据处理软件，也是系统管理软件。,基准站网,基准站网是固定的,GPS,接收系统，分布在整个网络中，一个,VRS,网络可包括无数个站，但最少要,3,个站，站与站之间的距离可达,70,公里，（传统高精度,GPS,网络，站间距离不过,10-20,公里）。固定站与控制中心之间有通讯线相连，数据实时的传送到控制中心。,用户部分（移动站）,用户部分就是用户的接收机，加上无线通讯的调制解调器。根据自己的不同需求，放置在不同的载体上，如：汽车，飞机，农业机器，挖掘机等等，当然测量用户也可以把它背在肩上。接收机通过无线网络将自己初始位置发给控制中心，并接收中心的差分信号，生成厘米级的位置信息。,VRS,工作原理及流程：,VRS,网络中，各固定参考站不直接向移动用户发送任何改正信息，而是将所有的原始数据通过数据通讯线发给控制中心。,移动用户在工作前，先通过,GSM,的短信息功能向控制中心发送一个概略坐标，控制中心收到这个位置信息后，根据用户位置，由计算机自动选择最佳的一组固定基准站，根据这些站发来的信息，整体的改正,GPS,的轨道误差，电离层，对流层和大气折射引起的误差，将高精度的差分信号发给移动站。这个差分信号的效果相当于在移动站旁边，生成一个虚拟的参考基站，从而解决了,RTK,作业距离上的限制问题，并保证了用户的精度。,VRS,优势,VRS,覆盖范围,:,VRS,网络可以有多个站，但最少需要,3,个。按边长,70,公里计算，一个三角形可覆盖面积为,2200,多平方公里。,如北京市区面积,900,多平方公里，一个三角形（,3,个站）就可以控制整个北京市区。（图）,北京全市面积,1.68,万平方公里，,10,个站就可以完全控制北京全市。（图）,降低成本,（,1,）与传统的,GPS,网络相比,VRS,节约成本近,70%,。,（,2,）,VRS,系统可提供两种不同精度的差分信号，分别为厘米级和亚米级。这里所论述的是,1-2,个厘米的高精度，而若是用低精度，这个距离（,70KM,）可以拓展到几百公里，成本将大幅度降低。,（,3,）,用户不再架设自己的基准站，节约购置设备与管理成本。,相对传统,RTK,，提高了精度,1PPM,的概念没有了，在,VRS,网络控制范围内，精度始终在,1-2,个厘米。,可靠性也随之提高,采用了多个参考站的联合数据，大大提高可靠性。,更广的应用范围,城市规划，市政建设，交通管理，机械控制，气象，环保，农业以及所有在室外进行的勘测工作。,美国的连续运行参考站网系统,（,CORS,）,由美国国家大地测量局（,NGS,）牵头，包括,NGS,的跟踪网、美国海岸警备队（,USCG,）差分网、美国联邦航空局（,FAA,）的,WAAS,网、美国工程兵团（,USACE,）的跟踪网等,137,个,GPS,基准站组成了所谓连续运行参考站网系统（,Continuous Operation Reference Stations-CORS,）,.,该系统计划发展到,250,个基准站左右，平均站距为,100-200km,（个别,400km,），覆盖全美（包括阿拉斯加），构成美国新一带动态国家参考系统。,系统的所有基准站都配置双频全波型,GPS,接收机和抑径圈天线。每一天卸载当天的数据，数据记录格式为,RINEX,格式。通过因特网向全美和全球用户提供基准站坐标和,GPS,卫星跟踪观测站数据。此外，还提供其它如大地水准面、坐标系转换等服务。用户用一台,GPS,接收机在美国任一位置观测，然后通过因特网卸载,CORS,若干基准站数据，即可进行事后精密定位。,目前，,NGS,地学实验室正在研究长距离动态定位软件，其目标是,100-200km,距离上的,GPS,相对定位，几分钟或更短的时间即可达到,1cm,级的相对定位精度水平。,CORS,是一个多功能网，除满足用户精密定位要求外，还可满足气象、