GPS數(shù)據(jù)采集與處理

3S？3SGIS：地理信息系統(tǒng)RS：遙感GPS：全球定位系統(tǒng)1GPS數(shù)據(jù)采集與處理

第九章

GPS數(shù)據(jù)采集與處理2GPS數(shù)據(jù)采集與處理GPS概述1GPS定位方法2GPS數(shù)據(jù)及其處理3GPS靜態(tài)測(cè)量的實(shí)施4GPS數(shù)據(jù)采集與處理GPS基線向量網(wǎng)與高程平差5RTK技術(shù)及其應(yīng)用63GPS數(shù)據(jù)采集與處理第一節(jié)GPS概述GPS是全球定位系統(tǒng)(GlobalPositionSysterm)的簡(jiǎn)稱4GPS數(shù)據(jù)采集與處理GPS相對(duì)經(jīng)典測(cè)量技術(shù)特點(diǎn)觀測(cè)站點(diǎn)之間無需通視定位精度高觀測(cè)時(shí)間短提供三維坐標(biāo)操作簡(jiǎn)便全天候作業(yè)：白天黑夜5GPS數(shù)據(jù)采集與處理例如：GPS用于大地測(cè)量6GPS數(shù)據(jù)采集與處理7GPS數(shù)據(jù)采集與處理一、GPS的組成GPS由三個(gè)獨(dú)立的部分組成How手機(jī)？GPS空間星座部分地面監(jiān)控系統(tǒng)用戶設(shè)備部分8GPS數(shù)據(jù)采集與處理一、GPS的組成

空間部分24顆GPS衛(wèi)星組成用戶部分

GPS接收機(jī)控制部分

1個(gè)主控站

3個(gè)注入站

5個(gè)監(jiān)控站

注入站

監(jiān)控站主控站9GPS數(shù)據(jù)采集與處理（一）GPS空間星座部分它由24顆衛(wèi)星組成，其中包括3顆可隨時(shí)啟用的備用衛(wèi)星。分布在6個(gè)軌道面上，每個(gè)軌道面上布放4顆衛(wèi)星。這種配置保障了在地球上任意地點(diǎn)，任意時(shí)刻，至少同時(shí)可見到4顆衛(wèi)星。10GPS數(shù)據(jù)采集與處理（一）GPS空間星座部分GPS衛(wèi)星圖片11GPS數(shù)據(jù)采集與處理（一）GPS空間星座部分接收、儲(chǔ)存和處理地面監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)射來的導(dǎo)航電文及其它有關(guān)信息；向用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導(dǎo)航與定位信息，并提供時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)、衛(wèi)星本身的空間實(shí)時(shí)位置及其它在軌衛(wèi)星的概略位置；接收并執(zhí)行地面監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送的控制指令，如調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)和啟用備用時(shí)鐘、備用衛(wèi)星等。GPS衛(wèi)星的主要功能：12GPS數(shù)據(jù)采集與處理（二）GPS地面監(jiān)控系統(tǒng)它由分布在全球的5個(gè)地面站組成，按其功能分為主控站(MCS)、注入站(GA)和監(jiān)測(cè)站(MS)三種。13GPS數(shù)據(jù)采集與處理（二）GPS地面監(jiān)控系統(tǒng)（1）主控站：1個(gè)，設(shè)在美國(guó)的科羅拉多的斯普林斯(ColoradoSprings)的空軍基地。主控站負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和管理所有地面監(jiān)控系統(tǒng)的工作14GPS數(shù)據(jù)采集與處理（二）GPS地面監(jiān)控系統(tǒng)（2）注入站（又稱地面天線站）：3個(gè)，分別設(shè)在南大西洋的阿松森群島、印度洋的迪哥加西亞和南太平洋的卡瓦加蘭。將來自主控站的衛(wèi)星星歷、鐘差、導(dǎo)航電文和其它控制指令注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲(chǔ)系統(tǒng)，并監(jiān)測(cè)注入信息的正確性。15GPS數(shù)據(jù)采集與處理（二）GPS地面監(jiān)控系統(tǒng)（3）監(jiān)測(cè)站：共5個(gè)，除上述4個(gè)地面站具有監(jiān)測(cè)站功能外，還在夏威夷(Hawaii)設(shè)有一個(gè)監(jiān)測(cè)站。高度自動(dòng)化：GPS地面監(jiān)控系統(tǒng)除主控站外均由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，而勿需人工操作。16GPS數(shù)據(jù)采集與處理（三）GPS用戶設(shè)備部分GPS用戶設(shè)備部分，包括GPS接收機(jī)硬件、數(shù)據(jù)處理軟件和微處理機(jī)及其終端設(shè)備。

跟蹤、接收、放大、處理衛(wèi)星信號(hào)，測(cè)量出信號(hào)從衛(wèi)星到天線的傳播時(shí)間。解譯導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)解算測(cè)站三維位置。17GPS數(shù)據(jù)采集與處理GPS的組成注入站空間星座部分：

提供星歷和時(shí)間信息發(fā)射偽距和載波信號(hào)提供其它輔助信息地面控制部分：

中心控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步跟蹤衛(wèi)星進(jìn)行定軌用戶部分：

接收衛(wèi)星信號(hào)記錄處理數(shù)據(jù)提供導(dǎo)航定位信息18GPS數(shù)據(jù)采集與處理二、GPS的信號(hào)GPS衛(wèi)星發(fā)射兩種頻率的載波信號(hào)：L1載波、L2載波。在L1和L2上又分別調(diào)制著多種信號(hào)，這些信號(hào)主要有：C/A碼（粗捕獲碼）、P碼（精碼）它們的頻率分別是基本頻率10.23MHz的154倍和120倍，它們的波長(zhǎng)分別為19.03cm和24.42cm。19GPS數(shù)據(jù)采集與處理三、GPS定位系統(tǒng)的坐標(biāo)系統(tǒng)任何測(cè)量都離不開一個(gè)基準(zhǔn)，都需要一個(gè)特定的坐標(biāo)系統(tǒng)。GPS是全球性的定位導(dǎo)航系統(tǒng)，因此它采用國(guó)際協(xié)議確定的協(xié)議地球坐標(biāo)系（CTS），即WGS-84世界大地坐標(biāo)系。20GPS數(shù)據(jù)采集與處理四、GPS的服務(wù)GPS服務(wù)SPS服務(wù)PPS服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)：面向全世界民用用戶精密定位服務(wù)：面向美國(guó)及其盟國(guó)的軍事部門以及民用特許用戶Back21GPS數(shù)據(jù)采集與處理第二節(jié)GPS定位方法22GPS數(shù)據(jù)采集與處理一、GPS定位方法的分類(一)根據(jù)定位所采用的觀測(cè)值偽距法+載波定位法(二)根據(jù)定位的模式絕對(duì)定位+相對(duì)定位(三)根據(jù)獲取定位結(jié)果的時(shí)間實(shí)時(shí)定位+非實(shí)時(shí)定位(四)根據(jù)定位時(shí)接收機(jī)的狀態(tài)靜態(tài)定位+動(dòng)態(tài)定位23GPS數(shù)據(jù)采集與處理一、GPS定位方法的分類(一)根據(jù)定位所采用的觀測(cè)值偽距法載波定位法GPS偽距觀測(cè)值GPS載波相位觀測(cè)值，即L1、L2或其線性組合24GPS數(shù)據(jù)采集與處理一、GPS定位方法的分類(二)根據(jù)定位的模式絕對(duì)定位(單點(diǎn)定位)相對(duì)定位(差分定位)是利用GPS獨(dú)立確定用戶接收機(jī)天線(觀測(cè)站)在WGS-84坐標(biāo)系中的絕對(duì)位置(單機(jī))在WGS-84坐標(biāo)系中確定收機(jī)天線(觀測(cè)站)與某一地面參考點(diǎn)之間的相對(duì)位置，或兩觀測(cè)站之間相對(duì)位置(多機(jī))25GPS數(shù)據(jù)采集與處理一、GPS定位方法的分類(二)根據(jù)定位的模式絕對(duì)定位(單點(diǎn)定位)相對(duì)定位(差分定位)26GPS數(shù)據(jù)采集與處理一、GPS定位方法的分類(三)根據(jù)獲取定位結(jié)果的時(shí)間實(shí)時(shí)定位非實(shí)時(shí)定位根據(jù)接收機(jī)觀測(cè)到的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)地解算出接收機(jī)天線所在的位置通過對(duì)接收機(jī)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后進(jìn)行定位27GPS數(shù)據(jù)采集與處理一、GPS定位方法的分類(四)根據(jù)定位時(shí)接收機(jī)的狀態(tài)靜態(tài)定位動(dòng)態(tài)定位GPS接受機(jī)在整個(gè)觀測(cè)進(jìn)程中的位置固定不動(dòng)GPS接收機(jī)在整個(gè)觀測(cè)進(jìn)程中的位置是變化的28GPS數(shù)據(jù)采集與處理GPS定位方法①根據(jù)定位所采用的觀測(cè)值偽距法+載波相位法②根據(jù)定位的模式絕對(duì)定位+相對(duì)定位③根據(jù)獲取定位結(jié)果的時(shí)間實(shí)時(shí)定位+非實(shí)時(shí)定位④根據(jù)定位時(shí)接收機(jī)的狀態(tài)靜態(tài)定位+動(dòng)態(tài)定位相互結(jié)合29GPS數(shù)據(jù)采集與處理二、GPS測(cè)量方法實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位靜態(tài)(準(zhǔn)動(dòng)態(tài))相對(duì)定位事后處理動(dòng)態(tài)定位GPS定位Back內(nèi)容略，有興趣的同學(xué)請(qǐng)自學(xué)。30GPS數(shù)據(jù)采集與處理第三節(jié)GPS數(shù)據(jù)及其處理31GPS數(shù)據(jù)采集與處理一、GPS基本定位原理偽距測(cè)量定位載波相位測(cè)量定位GPS基本定位方法：32GPS數(shù)據(jù)采集與處理一、GPS基本定位原理(一)偽距測(cè)量定位原理偽距觀測(cè)量：是通過測(cè)量衛(wèi)星信號(hào)從發(fā)射時(shí)刻到接收機(jī)接收時(shí)刻的時(shí)延，然后乘以光速得到的距離觀測(cè)量。偽距定位觀測(cè)方程式坐標(biāo)推算：觀測(cè)4顆以上衛(wèi)星→列出4個(gè)以上方程式→4個(gè)未知數(shù)33GPS數(shù)據(jù)采集與處理接收機(jī)對(duì)跟蹤的每一顆衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)距地心SiPijPj

riRjRj=ri+Pij有關(guān)各觀測(cè)量及已知數(shù)據(jù)如下：r—為已知的衛(wèi)地矢量P—為觀測(cè)量（偽距）R—為未知的測(cè)站點(diǎn)位矢量對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)距34GPS數(shù)據(jù)采集與處理坐標(biāo)推算距離交會(huì)法35GPS數(shù)據(jù)采集與處理一、GPS基本定位原理(二)載波相位測(cè)量定位原理載波相位觀測(cè)量：是接收機(jī)測(cè)量得到的衛(wèi)星信號(hào)載波與測(cè)量時(shí)刻接收機(jī)產(chǎn)生的本振載波相位的差值。通過測(cè)量載波的相位而求得接收機(jī)到GPS衛(wèi)星的距離。36GPS數(shù)據(jù)采集與處理二、GPS數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)預(yù)處理基線解算GPS網(wǎng)平差GPS數(shù)據(jù)處理基本流程37GPS數(shù)據(jù)采集與處理二、GPS數(shù)據(jù)(一)GPS測(cè)量的誤差源衛(wèi)星鐘差：某時(shí)刻原子鐘與GPS時(shí)之差（系統(tǒng)誤差）

星歷誤差：衛(wèi)星軌道誤差（系統(tǒng)誤差）接收機(jī)鐘差：某時(shí)刻石英鐘與GPS時(shí)之差（系統(tǒng)誤差）

多路徑效應(yīng)影響：多路反射波（系統(tǒng)誤差）電離層、對(duì)流層延遲：群折射路徑延長(zhǎng)（系統(tǒng)誤差）強(qiáng)電波干擾：廣播發(fā)射臺(tái)、強(qiáng)輻射源（系統(tǒng)性、隨機(jī)性）操作誤差：對(duì)中、整平、量天線高（隨機(jī)誤差）GPS測(cè)量的誤差源多數(shù)表現(xiàn)出系統(tǒng)性特點(diǎn)38GPS數(shù)據(jù)采集與處理二、GPS數(shù)據(jù)(二)GPS測(cè)量誤差消減對(duì)策（1）系統(tǒng)誤差對(duì)策求差（單差、雙差）法：消除衛(wèi)星與接收機(jī)的鐘差消減星歷誤差、電離層與對(duì)流層延遲模型改正法：衛(wèi)星鐘差改正模型、電離層改正模型、對(duì)流層改正模型選點(diǎn)回避法：遠(yuǎn)離干擾源、反射源（2）隨機(jī)誤差對(duì)策精心操作：對(duì)中、整平、量天線高多余觀測(cè)：復(fù)測(cè)基線、多時(shí)段觀測(cè)、延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間Back39GPS數(shù)據(jù)采集與處理

第四節(jié)

GPS靜態(tài)測(cè)量的實(shí)施GPS靜態(tài)定位有著廣泛的應(yīng)用。例如：大地測(cè)量、工程測(cè)量、地籍測(cè)量、變形監(jiān)測(cè)、…40GPS數(shù)據(jù)采集與處理一、GPS靜態(tài)定位測(cè)量特點(diǎn)精度高：＞常規(guī)測(cè)量手段選點(diǎn)靈活、費(fèi)用低：不需通視全天候：黑夜、刮風(fēng)下雨觀測(cè)時(shí)間短：特別是快速靜態(tài)定位41GPS數(shù)據(jù)采集與處理二、GPS布網(wǎng)方法(一)GPS基線向量網(wǎng)的等級(jí)我國(guó)2001年頒布的GPS測(cè)量規(guī)范：六個(gè)級(jí)別：AA、A、B、C、D、EAA、A級(jí)網(wǎng)可作為地心參考框架的基礎(chǔ)；AA、A、B一般可作為國(guó)家空間大地測(cè)量控制網(wǎng)的基礎(chǔ)；C級(jí)網(wǎng)為地方控制網(wǎng)和工程網(wǎng)；D級(jí)網(wǎng)為工程控制網(wǎng)；E級(jí)網(wǎng)為測(cè)圖網(wǎng)。42GPS數(shù)據(jù)采集與處理二、GPS布網(wǎng)方法(二)GPS基線向量網(wǎng)的布網(wǎng)形式跟蹤站式會(huì)戰(zhàn)式單基準(zhǔn)站式多基準(zhǔn)站式同步圖形擴(kuò)展式43GPS數(shù)據(jù)采集與處理二、GPS布網(wǎng)方法(二)GPS基線向量網(wǎng)的布網(wǎng)形式①跟蹤站式若干GPS接收機(jī)固定，365×24不間斷觀測(cè)②會(huì)戰(zhàn)式不太長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)一次集中多臺(tái)GPS接收機(jī)，共同作業(yè)。44GPS數(shù)據(jù)采集與處理二、GPS布網(wǎng)方法(二)GPS基線向量網(wǎng)的布網(wǎng)形式③單基準(zhǔn)站式一臺(tái)接收機(jī)作為基準(zhǔn)站連續(xù)觀測(cè),其余接收機(jī)在基準(zhǔn)站觀測(cè)期間在其周圍流動(dòng)，每到一點(diǎn)就進(jìn)行觀測(cè)。④多基準(zhǔn)站式多臺(tái)GPS接收機(jī)構(gòu)成多個(gè)基準(zhǔn)站，另外接收機(jī)在基準(zhǔn)站周圍進(jìn)行同步觀測(cè)。流動(dòng)站基準(zhǔn)站45GPS數(shù)據(jù)采集與處理二、GPS布網(wǎng)方法(二)GPS基線向量網(wǎng)的布網(wǎng)形式⑤同步圖形擴(kuò)展式多臺(tái)接收機(jī)在不同測(cè)站上進(jìn)行同步觀測(cè)，在完成一個(gè)時(shí)段的同步觀測(cè)后，又遷移到其它的測(cè)站上進(jìn)行同步觀測(cè)，每次同步觀測(cè)都可以形成一個(gè)同步圖形。在測(cè)量過程中，不同的同步圖形間一般有若干個(gè)公共點(diǎn)相連，整個(gè)GPS網(wǎng)由這些同步圖形構(gòu)成。（下頁(yè)圖）

46GPS數(shù)據(jù)采集與處理二、GPS布網(wǎng)方法(二)GPS基線向量網(wǎng)的布網(wǎng)形式⑤同步圖形擴(kuò)展式點(diǎn)連式（7個(gè)三角形）邊連式（14個(gè)三角形）混連式（10個(gè)三角形）47GPS數(shù)據(jù)采集與處理三、GPS基線解算過程①原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的讀入：數(shù)據(jù)處理軟件②外業(yè)輸入數(shù)據(jù)的檢查與修改③設(shè)定基線解算的控制參數(shù)④基線解算⑤基線質(zhì)量的檢驗(yàn)⑥平差⑦成果轉(zhuǎn)化Back

GPS基線解算：是利用GPS觀測(cè)值，通過數(shù)據(jù)處理，得到測(cè)站的坐標(biāo)或測(cè)站間的基線向量值。48GPS數(shù)據(jù)采集與處理

第五節(jié)

GPS基線向量網(wǎng)與高程平差49GPS數(shù)據(jù)采集與處理一、坐標(biāo)系變換50GPS數(shù)據(jù)采集與處理二、GPS基線向量網(wǎng)平差(一)網(wǎng)平差的分類根據(jù)平差所進(jìn)行的坐標(biāo)空間：

三維平差、二維平差根據(jù)平差時(shí)所采用的觀測(cè)值和起算數(shù)據(jù)的數(shù)量和類型：

無約束平差、約束平差、聯(lián)合平差GPS網(wǎng)平差的類型有多種：51GPS數(shù)據(jù)采集與處理二、GPS基線向量網(wǎng)平差①提取基線向量，構(gòu)建GPS基線向量網(wǎng)②三維無約束平差③約束平差/聯(lián)合平差④質(zhì)量分析與控制(二)網(wǎng)平差的過程52GPS數(shù)據(jù)采集與處理③正常高系統(tǒng)：以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)，HrBack②正高系統(tǒng)：以大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)，Hg①大地高系統(tǒng)：以參考橢球面為基準(zhǔn)，H三、GPS高程系統(tǒng)GPS？53GPS數(shù)據(jù)采集與處理

第六節(jié)

GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）技術(shù)及其應(yīng)用

常規(guī)GPS的測(cè)量方法，如靜態(tài)、快速靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量，都需要事后進(jìn)行解算才能獲得cm級(jí)的精度，而RTK技術(shù)是能夠在野外實(shí)時(shí)得到cm級(jí)定位精度的測(cè)量方法。54GPS數(shù)據(jù)采集與處理RTK是載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分(Real-TimeKinematic)方法的縮寫。RTK是GPS應(yīng)用的重大里程碑，大大提高了外業(yè)測(cè)量的效率。55GPS數(shù)據(jù)采集與處理移動(dòng)站基準(zhǔn)站56GPS數(shù)據(jù)采集與處理57GPS數(shù)據(jù)采集與處理一