GPS理論測量原理

理論篇GPS測量基本理論概要引言1.GPS系統(tǒng)的組成2.GPS定位的基本原理3.GPS定位測量的方式4.GPS常用測量坐標系5.GPS定位技術(shù)的應(yīng)用

衛(wèi)星定位技術(shù)發(fā)展概況-衛(wèi)星幾何大地測量（衛(wèi)星三角網(wǎng)與測距網(wǎng)）-海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（NNSS）

-測時測距導(dǎo)航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)（NAVSTAR/GPS）GPS，GLONASS，NAVSAT，INMARSAT，GNSS

全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)-GNSS-GNSS是基于衛(wèi)星無線電定位系統(tǒng)-可向全球用戶提供高精度定位、速度和時間數(shù)據(jù)，具有很強的抗干擾功能-世界范圍,連續(xù)覆蓋,全天候工作-被動式定位系統(tǒng),可供無數(shù)用戶同時使用

GNSS導(dǎo)航定位的顯著特點是：全球性、全天候、高精度、自動化、高效率、應(yīng)用廣泛控制部分空間部分

用戶部分雙向信息

單向信息

GNSS組成部分

GNSS組成部分

1. 空間部分

-GNSS衛(wèi)星星座.用于接收地面控制站發(fā)送來的信息。發(fā)射調(diào)制有多種信息的無線電信號供用戶定位、導(dǎo)航和收時用。2. 控制部分

-GNSS用于跟蹤和管理衛(wèi)星的主控站和監(jiān)控站

3. 用戶部分 -用于接收,解碼,處理GNSS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收機

-24顆衛(wèi)星(21顆工作衛(wèi)星+3顆備用衛(wèi)星)-6個軌道平面,其傾角均為55度-運行周期為12個恒星時(11小時58分)-高度為20,051公里(12,532miles)-衛(wèi)星是以發(fā)射順序或偽隨機碼命名

GPS空間部分

GPS控制站KWAJALEINDIEGOGARCIAASCENSIONHAWAIICOLORADOSPRINGSMCS

GPS控制部分5個監(jiān)控站同時跟蹤衛(wèi)星用以預(yù)報軌道和改正時鐘,并將數(shù)據(jù)發(fā)送到主控站主控站(MCS)位于

ColoradoSprings附近Falcon空軍基地.

MCS處理監(jiān)控數(shù)據(jù)以及來自USNO的時間數(shù)據(jù)和來自DMA的地球數(shù)據(jù)

MCS生成導(dǎo)航信息上裝到衛(wèi)星(如:星歷和時鐘改正),它也是唯一控制衛(wèi)星隨機運動的地面站3個注入站具有地面天線來發(fā)送上載信息和控制數(shù)據(jù)-廣播星歷(用于定位計算)-歷書(概略星歷-做觀測計劃)

導(dǎo)航信息

GPS信號結(jié)構(gòu)基本頻率

f0

=10.23MHz載波

L1=154f0=1575.42MHz波長=19cm L2=120f0=1227.60MHz波長=24cm測距碼

C/ACode=f0/10=1MHz波長=297m(GLONASS586.7)PCode=f0=10MHz波長=29.7m(GLONASS58.67)L1載波調(diào)制有

C/A碼和

P碼L2載波僅調(diào)制有

P碼

(

2003年前將加載C/A碼)(2005年前BlockIIFGPS衛(wèi)星將增加第3民用頻率--1176MHz)GLONASS和GPS的比較

用戶部分=用戶部分觀測和記錄由若干衛(wèi)星發(fā)送的數(shù)據(jù),并運用數(shù)學(xué)方法求得三維空間位置以及時間和速度1.偽距觀測與單點定位觀測量ρ’=cΔt觀測方程ρ’(k,j)=ρ(k,j)-cδtk+cδtj+δρtrop+δρion觀測4顆以上衛(wèi)星即可解算觀測站位置X,Y,Z和接收機的鐘差δtkGPS定位基本原理觀測方程φ’(k,j,i)=(f/c)ρjk

-fδtk+fδtj+(f/c)δρtrop+(f/c)δρion-N(k,j,1)

GPS定位基本原理

ΔφiN（k，j，1）ΔφRkInt（φ）

Sj（ti）Sj（t1）2.載波相位觀測與相對定位觀測量φ’(k,j,i)=Int(φ)+ΔφiN(k,j,1)稱為初始整周模糊度

EDManalogy...如何進行差分測量

單差觀測量-消除衛(wèi)星鐘誤差

雙差觀測量-消除衛(wèi)星鐘差-消除接收機鐘差三差觀測量

SV1(t1)SV2(t1)SV1(t2)SV2(t2)-消除接收機和衛(wèi)星誤差-消除整周模糊度-允許探測周跳雙差觀測量DDpq12(ti)=[φ’(2,q,i)-φ’(1,q,i)]-[φ’(2,p,i)-φ’(1,p,i)]雙差觀測方程DDpq12(ti)=(f/c)ρpq12(ti)+(f/c)δρpq12trop(f/c)δρpq12ion-

Npq12(t1)通過多個衛(wèi)星,多個歷元的觀測,即可解算兩個觀測站之間的三維坐標差及初始整周模糊度

GPS定位基本原理R1R2pq偽距定位與載波相位定位絕對定位（單點定位）與相對定位（差分定位）靜態(tài)定位與動態(tài)定位實時定位與后處理定位GPS定位方式絕對定位(單點定位)相對定位(基線向量)DX,DY,DZ解求：解求:

X,Y,Z靜態(tài)測量測量模式快速靜態(tài)測量動態(tài)（停-走）測量連續(xù)動態(tài)測量實時動態(tài)測量ＲＴＫ靜態(tài)測量：精度水平：

+/-(5mm+1ppmxD)

垂直：+/-(10mm+2ppmxD)

45分鐘/15秒采樣率觀測5顆衛(wèi)星60分鐘/15秒采樣率觀測4顆衛(wèi)星快速靜態(tài)測量：精度水平：

+/-(5mm+1ppmxD)

垂直：+/-(10mm+2ppmxD)20分鐘/5秒采樣率觀測6顆衛(wèi)星30分鐘/5秒采樣率觀測4顆衛(wèi)星測量模式動態(tài)（停-走）測量精度水平：+/-(10mm+2ppmxD)

垂直：+/-(20mm+2ppmxD)

初始化（20-60分鐘）

已知點?.未知點A

.未知點B

.未知點C

.未知點D測量模式

初始化（20-60分鐘）

已知點?.未知點

未知點

記錄數(shù)據(jù)不需停留連續(xù)動態(tài)測量精度水平：+/-(10mm+2ppmxD)

垂直：+/-(20mm+2ppmxD)測量模式實時差分

GNSS

-測距碼偽距差分定位RTD-載波相位差分定位RTK

RTK概念RTK流動站天線基準站電臺

動態(tài)RTK測量

LEGACY-E、H已知點初始化方式已知點初始化初始化儀初始化已知點或基線已知基線初始化已知點新測點測點單頻未知點初始化大約10分鐘左右雙頻OTF初始化一般幾秒鐘--1分鐘動態(tài)初始化

GNSS的統(tǒng)計特性“FATPOINT”理論誤差圓精度因子(DOP)幾何圖形弱

PDOP=1/V~幾何圖形強GPS常用坐標系及其變換空間坐標系空間大地坐標系B,L,H空間直角坐標系X,Y,ZX=(N+H)cosBcosLY=(N+H)cosBsinLZ=[N(1-e2)+H]sinBXZYzxyoLBNGPS常用坐標系地心坐標系WGS84坐標系原點位于地球質(zhì)心,Z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議地球極(CTP)方向,X軸指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交點,Y軸與Z,X軸構(gòu)成右手坐標系,采用WGS84橢球.參心坐標系(坐標系原點一般不在地球質(zhì)心)1954北京坐標系由前蘇聯(lián)1942年普爾科沃坐標系的坐標延伸到我國而建立的,采用克拉索夫斯基橢球1980西安坐標系Z軸平行與地球質(zhì)心指向1968.0地極原點(JYD)的方向,大地起始子午面平行于格林尼治平均天文臺子午面,X軸指向經(jīng)度零方向,Y軸與X,Z軸構(gòu)成右手坐標系,采用IAG1975橢球地方獨立坐標系（地方參考橢球）坐標系轉(zhuǎn)換空間直角坐標系之間的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換參數(shù)(利用3個以上重合點坐標即可解算)大地坐標系之間的轉(zhuǎn)換(BI,LI,HI)(XI,YI,ZI)(XII,YII,ZII)(BII,LII,HII)可應(yīng)用于WGS84與BJ54,CH80之間的坐標轉(zhuǎn)換Y2Z1O1Y1X1O2Z2X2211地圖投影與地圖制作EduardoF.Falcon?Copyright1997AllRightsReserved平面圓柱圓錐地圖投影橫軸墨卡托投影(高斯投影)通用橫軸墨卡托投影(UTM)LAMBERT投影(圓錐投影)球面投影(StereographicMappingProjection)投影平面K=1.0K>1.0K>1.0橢球面球面投影高斯投影帶坐標YX0500KM中央子午線（長度比=1.0）

TDS局部平面坐標系定義局部坐標系平面:-球面投影-原點：基準站-假定北坐標和假定東坐標=100,000.00m-長度比=1(投影中心)將海平面距離歸算至格網(wǎng)平面(UTM)比例因子=1投影平面海平面推上推上擠壓比例因子<1比例因子>1比例因子>1105.33mi26.33mi26.33mi中央子午線比例因子=0.9996比例因子=1海平面RR地面距離海平面距離HAHBAB至地球中心地表面假設(shè):

海平面=橢球面高程歸算因子R+HR=R=

地球半徑H=(HA+HB)/2將地面距離歸算至海平面R+H地面

R海平面=N=Kcosα-sinαn+dE sinαcosαec

=a-bn+dbaec轉(zhuǎn)換參數(shù)a,b,c,d(利用2個以上重合點坐標即可解算)可應(yīng)用于地方平面坐標系與地圖投影平面坐標系之間的轉(zhuǎn)換平面坐標轉(zhuǎn)換cEO

Ndenα

GNSS高程測量垂線偏差大地水準面橢球面地表面

垂直于橢球面垂直于大地水準面垂線偏差似大地水準面高程大地水準面橢球面橢球高h正高H

h=N+H地表面NN=大地水準面起伏大地水準面橢球面H1地表面N1h1h2H2N2

h1=H1+N1

h2=H2+N2(h1-

h2)=(H1-H2)+(N1-

N2)(j2,l2,0)(j1,l1,0)(j3