輔助電子GPS測量的原理與應用PPT課件

1、 GPS基礎(chǔ)教程 傳 統(tǒng) 測 量 技 術(shù) 的 缺 陷 GPS 優(yōu) 勢 GPS 的 主 要 特 性 GPS 系 統(tǒng) 的 組 成 距 離 測 定 的 基 本 原 理 點 位 測 定 的 基 本 原 理 GPS 的 信 號 結(jié) 構(gòu) 測 距 碼 偽 距 測 量 載 波相 位 測 量 選 擇 可 用 性 技 術(shù) Selective Availability(SA) 誤 差 來 源 差 分 GPS (初始)整 周 未 知 數(shù) 整 周 未 知 數(shù) 的 解 算 精 度 因 子 要 點 小 結(jié)第1頁/共40頁 與 傳 統(tǒng) 的 陸 上 測 量 技 術(shù) 相 比 GPS 具 有 許 多 優(yōu) 勢 傳 統(tǒng) 大 地 測 量

2、 技 術(shù) 依 賴 于 測 站 點 至 目 標 點 的 通 視 情 況 如 果 視 線 方 向 有 障 礙 物， 則 必 須 繞 道 測 量 一 般來說 傳 統(tǒng) 方 式 的 距 離 測 量 被 限 制 在 5 Km 左 右 氣 候 因 素 限 制 著 傳 統(tǒng) 測 量 的 運 作。如 霧，雨 等 GPS基礎(chǔ)教程第2頁/共40頁 不 受 氣 候 條 件 的 限 制 無 須 通 視 要 求 可 進 行 高 精 度 大 地 測 量 能 實 現(xiàn) 全 天 候 測 量 運 作 省 時 省 力 經(jīng) 濟 效 益 明 顯 坐 標 系 統(tǒng) 通 用 應 用 領(lǐng) 域 廣 泛 具 有 競 爭 力 的 價 格 GPS基礎(chǔ)教程

3、第3頁/共40頁 GPS 系 統(tǒng) 的 完 善 受 控 于美 國 國 防 部 GPS 系 統(tǒng) 可 提 供 精 確 導 航 導 航 精 度 約 為 10 - 20 m 全 球 信 號 覆 蓋 24 小 時 工 作 服 務 普 通 座 標 系 統(tǒng) 中 的 測 量 工作 計 劃 用 GPS 系 統(tǒng) 取 代 現(xiàn) 有 的 導 航 系 統(tǒng) GPS 系 統(tǒng) 可 應 用 于 民 用 及軍 事 領(lǐng) 域 GPS基礎(chǔ)教程第4頁/共40頁控 制 部 分 1 個 主 控 站 5 個 監(jiān) 控 站空 間 部 分 導 航 衛(wèi) 星 : 導 航 信 息 衛(wèi) 星 時 和 衛(wèi) 星 鐘 24 顆 衛(wèi) 星 20200 Km用 戶 設 備

4、部 分 接 受 衛(wèi) 星 信 號 GPS基礎(chǔ)教程第5頁/共40頁 24 顆 衛(wèi) 星 分 布 在 互 為 55 度 交 角 的 6 個 軌 道 平 面 上， 每 個 軌 道 面 上 布 有 4 顆 衛(wèi) 星 衛(wèi) 星 高 約 20200 Km 12 小 時 繞 軌 道 一 周 可 見 時 間 為 4-5 小 時設計壽命為 7.5 年衛(wèi) 星 種類 區(qū) 分 Block 1(一 代),Block 2, 2A(二 代), Block 2R，2 F(三 代)55 GPS基礎(chǔ)教程第6頁/共40頁24顆衛(wèi)星(21+3)6個軌道平面55軌道傾角20200km軌道高度(地面高度)12小時(恒星時)軌道周期5個多小時出現(xiàn)

5、在地平線以上(每顆星)目前在軌實際運行的衛(wèi)星個數(shù)已經(jīng)超過32顆4 GPS衛(wèi)星第7頁/共40頁 主 控 站 負 責 收 集 由 監(jiān) 控 站 傳 來 的 衛(wèi) 星 跟 蹤 數(shù) 據(jù) 并 計 算 衛(wèi) 星 星 歷 和 時 間 參 數(shù) 5 個 監(jiān) 控 站 負 責 對 衛(wèi) 星 偽 距 數(shù) 據(jù) 的 觀 測，這 一 衛(wèi) 星 跟 蹤 監(jiān) 測 網(wǎng) 用 于 確 定 衛(wèi) 星 廣 播 星 歷 及 衛(wèi) 星 鐘 模 式 地 面 控 制 站 負 責 向 衛(wèi) 星 注入信 號 GPS基礎(chǔ)教程第8頁/共40頁5 5 地面控制站地面控制站一個主控站：科羅拉多斯必靈司三個注入站：阿松森(Ascencion) 迭哥伽西亞(Diego Gar

6、cia) 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)55HawaiiAscencionDiego GarciakwajaleinColorado springs第9頁/共40頁XllVl Xl lll GPS基礎(chǔ)教程第10頁/共40頁XllVlXllllllllVVVllVlllXlXGPS基礎(chǔ)教程第11頁/共40頁XllVlXllllVll GPS基礎(chǔ)教程第12頁/共40頁XllVlXllllllllVVVllVlllXlX距離 = 傳播時間 x 光速 GPS基礎(chǔ)教程第13頁/共40頁我 們 必 定 在 以 R1 為 半 徑 的 球 面 的 某

7、個 點 上R1 GPS基礎(chǔ)教程第14頁/共40頁2 個 球 面 相 交 成 一 個 圓 弧點 位 被 限 制 在 一 曲 線 上R1R2 GPS基礎(chǔ)教程第15頁/共40頁3 個球面相交成一個點3 個距離段可以確定緯度，經(jīng)度，和高程點 的 空 間 位 置 被 確 定R1R2R3 GPS基礎(chǔ)教程第16頁/共40頁 衛(wèi) 星 可 被 看 作 是 在 固 定 的 軌 道 上 運 動 空 中 觀 測 目 標 每 顆 衛(wèi) 星 播 發(fā) 獨 立 的 時 間 碼 進 行 距 離 測 量 常 規(guī) GPS 接 收 儀 內(nèi) 置 較 為 廉 價 的 鐘，這 些 鐘 的 計 時 精度 比 衛(wèi) 星 上 內(nèi) 置 鐘 的 精 度

8、 低 得 多 無 線 電 電 波 以 光 速 傳 播 ( 距 離 = 光 速 x 時 間) 設 想 一 下 接 收 儀 上 鐘 的 誤 差 對 距 離 測 定 的 影 響 1/10 秒 的 測 時 誤 差 將 引 起 30,000 Km 的 距 離 誤 差 1/1,000,000 秒 的 測 時 誤 差 將 引 起 300 m 的 距 離 誤 差 GPS基礎(chǔ)教程第17頁/共40頁4 段 距 離 解 決 了 緯 度，經(jīng) 度，高 程 和 時 間 四 個 未 知 數(shù)這 就 類 似 于 測 邊 交 會 問 題 的 解 決 原 理GPS基礎(chǔ)教程第18頁/共40頁 每 個 GPS 衛(wèi) 星 播 發(fā) 一 組

9、信 號 每 組 信 號 包 括 兩 個 不 同 頻 率 的 載 波 信 號 (L1 和 L2)、兩 個 不 同 的 測 距 碼 信 號 (C/A 碼 調(diào) 制 在 L1 載 波 上，P 碼 或 Y 碼 同 時 調(diào) 制 在 L1 及 L2 載 波 上) 以 及 衛(wèi) 星 的 軌 道 信 息 基 準 頻 率10.23 MHzx 154x 120L11575.42 MHzL21227.60 MHzC/A 碼1.023 MHzP (Y) 碼10.23 MHzP (Y)-Code10.23 MHz/1050 bit/s衛(wèi) 星 信 悉 ( 狀 態(tài) 信 悉 和 星 歷 ) GPS基礎(chǔ)教程第19頁/共40頁D =

10、 V (dT) 測 距 偽 隨 機 碼 每 一 衛(wèi) 星 播 發(fā) 一 個 偽 隨 機 測 距 碼 信 號，該 信 號 大 約 每 1 毫 秒 播 發(fā) 一 次 接 收 儀 同 時 復 制 出 一 個 同 樣 結(jié) 構(gòu)的 信 號 并 與 接 收 到 的 衛(wèi) 星 信 號 進行 比 較 由 信 號 的 延 遲 時 間 (dT) 推 算 出 衛(wèi) 星 至 接 收 儀 的 距 離 接 收 儀 時 鐘 應 與 衛(wèi) 星 鐘 校 時dT 接 收 到 的衛(wèi) 星 測 距 碼 接 收 儀復 制 出 的 測 距 碼 GPS基礎(chǔ)教程第20頁/共40頁D = c TN 載 波 相 位 觀 測 載 波 L1 的 波 長 為 19

11、cm ，L2 的 波 長為 24 cm 接 收 儀 將 接 收 到 的 衛(wèi) 星 載 波 信 號的 相 位 與 其 自 身 產(chǎn) 生 的 參 考 載 波信 號 的 相 位 進 行 比 較 接 收 儀 開 機 后，相 位 整 周 數(shù) 未 知 (帶 有 整 周 模 糊 度 ) 跟 蹤 衛(wèi) 星 時 間 較 長 時 距 離 的 變 化可 以 測 定 ( 整 周 數(shù) 保 持 不 變 )T接 收 到 的 衛(wèi) 星 相 位接 收 儀 復 制 出 的 相 位 GPS基礎(chǔ)教程第21頁/共40頁單 機 定 位 用 于 導 航，其 定 位 精 度 大 約 在 10 到 30m 左 右 GPS基礎(chǔ)教程第22頁/共40頁P

12、= 正確位置P防電子欺騙技術(shù)(AS)選擇性服務政策(SA)*SA技術(shù)已經(jīng)于2000年5月取消 理 論 上 利 用 C/A 碼 可 獲 取 10 - 30m 的 定 位 精 度30m100m GPS基礎(chǔ)教程第23頁/共40頁 美 國 防 部 人為 降 低 衛(wèi) 星 廣 播 信 息的 精 度，限 制 非 許 可 用 戶的 非 法 使 用 在 基 準 信 號 上 人 為 加 入 一 個 高 頻 抖 動 信 號(技術(shù)) 人 為 降 低 衛(wèi) 星 星 歷 精 度 (技 術(shù)) 此 項 技 術(shù) 稱 為 選 擇 可 用 性 技 術(shù) 點 位 精 度 為 100 m (95%)P理 論 上 基 于 C/A 碼 的 定

13、 位 精 度約 為 10 - 30m 30m100m GPS基礎(chǔ)教程第24頁/共40頁防電子欺騙技術(shù)(AS) 選擇性服務政策(SA)*SA技術(shù)已經(jīng)于2000年5月取消GPS基礎(chǔ)教程第25頁/共40頁GPS定位的誤差源8 GPS GPS 定位原理定位原理v 與GPS衛(wèi)星有關(guān)的因素SA技術(shù) 人為的降低廣播星歷精度(技術(shù))衛(wèi)星星歷誤差衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星信號發(fā)射天線相位中心偏差v 與傳播途徑有關(guān)的因素電離層延遲對流層延遲多路徑效應v 與接收機有關(guān)的因素接收機鐘差接收機天線相位中心誤差接收機軟件和硬件造成的誤差第26頁/共40頁 GPS基礎(chǔ)教程第27頁/共40頁 在 測 定 流 動 站 的 座 標 時 與 之

14、 相 關(guān) 聯(lián) 的 參 考 站 的 設 置 是 必 須 的 參 考 站 (A) 的 座 標 須 已知 衛(wèi) 星 必 須 同 時 被 跟 蹤差 分 定 位 削 減 衛(wèi) 星 及 接 收 儀 鐘的 誤 差 影 響 大 氣 影 響 削 減 至 最 小 精 度 達 0.5 cm - 5 mB GPS基礎(chǔ)教程第28頁/共40頁 偽 距 差 分 測 量 精 度 可 達 0.5m - 5 m 此 種 測 量 形 式 一 般 稱 為 DGPSB GPS基礎(chǔ)教程第29頁/共40頁RTD測量原理圖測深儀電腦發(fā)射電臺GPS主機基準站基準站移動站移動站GPS主機接收電臺第30頁/共40頁測深儀電腦信標臺站信標臺站移動站移動

15、站GPS主機信標機測量原理圖信標天線第31頁/共40頁 如 果 使 用 載 波 差 分 或 同 時 使 用 載 波 差分 及 偽 距 差 分 則 定位 精 度 可 達 5 - 10 mm + 1ppmB GPS基礎(chǔ)教程第32頁/共40頁常規(guī)GPS的測量方法，如靜態(tài)、快速靜態(tài)、動態(tài)測量都需要事后進行解算才能獲得厘米級的精度，而RTK是能夠在野外實時得到厘米級定位精度的測量方法，它采用了載波相位動態(tài)實時差分(Real - time kinematic)方法，是GPS應用的重大里程碑，它的出現(xiàn)為工程放樣、地形測圖，各種控制測量帶來了新曙光，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。RTK定位時要求基準站接收機實時地

16、把觀測數(shù)據(jù)(偽距觀測值，相位觀測值)及已知數(shù)據(jù)傳輸給流動站接收機。什么是什么是RTK技術(shù)技術(shù)第33頁/共40頁發(fā)射電臺GPS主機基準站基準站移動站移動站GPS主機RTK測量原理圖采集器接收電臺第34頁/共40頁第35頁/共40頁時間 (0)整周數(shù)時間 (i)整周數(shù)整周變化數(shù)相位差測量 在 使 用 載 波 相 位 觀 測 時 整 周 數(shù) 應 被 解 算 出 來相位差測量GPS基礎(chǔ)教程第36頁/共40頁精度 (m)1.000.100.01 0 120 0 2 5 時間 (mins) 未解算出整周模糊度時的測量精度 已解算出整周模糊度時的測量精度 整 周 模 糊 度 的 解 算 效 果 如 下 所

17、示 注 意 到 一 旦 模 糊 度 被 解 出，測 量 精 度 將 不 隨 時 間 有 明顯 增 長 GPS基礎(chǔ)教程第37頁/共40頁一 種 描 述 純 粹 因 衛(wèi) 星 幾 何 因 素 對 定 點 精 度 的 影 響精 度 因 子 指 出 在 測 量 時 被 跟 蹤 衛(wèi) 星 幾 何 結(jié) 構(gòu) 上 的 強 度(Geometrical) 包 括 經(jīng) 度, 緯 度, 高 程 和 時 間 等 因 子， 稱 為 幾 何 精 度 因 子(Positional)包 括 經(jīng) 度, 緯 度 和 高 程 等 因 子，稱 為 空 間 位 置 精 度 因 子(Horizontal)包 括 經(jīng) 度 和 緯 度 等 因 子，稱 為平 面 位 置 精 度 因 子(Vertical)僅 包 括 高 程 因 子，稱 為 高 程 精 度 因 子 GPS基礎(chǔ)教程 第38頁/共40頁一 種 描 述 純 粹 因 衛(wèi) 星 幾 何 因 素 對 定 點 精 度 的 影 響精 度 因 子 指