GPS測(cè)量的原理與應(yīng)用電子教案

GPS測(cè)量的

原理

與

應(yīng)用基本原理 GPS根底教程 GPS根底教程傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的缺陷GPS優(yōu)勢(shì)GPS的主要特性GPS系統(tǒng)的組成距離測(cè)定的基本原理點(diǎn)位測(cè)定的基本原理GPS的信號(hào)結(jié)構(gòu)測(cè)距碼偽距測(cè)量載波相位測(cè)量選擇可用性技術(shù)SelectiveAvailability(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(diǎn)小結(jié)索引——第一局部與傳統(tǒng)的陸上測(cè)量技術(shù)相比GPS具有許多優(yōu)勢(shì)傳統(tǒng)大地測(cè)量技術(shù)依賴于測(cè)站點(diǎn)至目標(biāo)點(diǎn)的通視情況如果視線方向有障礙物，那么必須繞道測(cè)量 一般來說傳統(tǒng)方式的距離測(cè)量被限制在5Km左右氣候因素限制著傳統(tǒng)測(cè)量的運(yùn)作。如霧，雨等傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的缺陷 GPS根底教程不受氣候條件的限制無須通視要求可進(jìn)行高精度大地測(cè)量能實(shí)現(xiàn)全天候測(cè)量運(yùn)作省時(shí)省力經(jīng)濟(jì)效益明顯坐標(biāo)系統(tǒng)通用應(yīng)用領(lǐng)域廣泛具有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格GPS優(yōu)勢(shì) GPS根底教程GPS系統(tǒng)的完善受控于美國(guó)國(guó)防部GPS系統(tǒng)可提供精確導(dǎo)航導(dǎo)航精度約為10-20m全球信號(hào)覆蓋24小時(shí)工作服務(wù)普通座標(biāo)系統(tǒng)中的測(cè)量工作計(jì)劃用GPS系統(tǒng)取代現(xiàn)有的導(dǎo)航系統(tǒng)GPS系統(tǒng)可應(yīng)用于民用及軍事領(lǐng)域GPS的主要特性 GPS根底教程控制部分1個(gè)主控站5個(gè)監(jiān)控站空間部分導(dǎo)航衛(wèi)星:導(dǎo)航信息衛(wèi)星時(shí)和衛(wèi)星鐘24顆衛(wèi)星20200Km用戶設(shè)備部分接受衛(wèi)星信號(hào)GPS系統(tǒng)的組成` GPS根底教程空間部分24顆衛(wèi)星分布在互為55度交角的6個(gè)軌道平面上，每個(gè)軌道面上布有4顆衛(wèi)星衛(wèi)星高約20200Km12小時(shí)繞軌道一周

可見時(shí)間為4-5小時(shí)設(shè)計(jì)壽命為7.5年衛(wèi)星種類區(qū)分Block1(一代),Block2,2A(二代),Block2R，2F(三代)赤道55 GPS根底教程24顆衛(wèi)星(21+3)6個(gè)軌道平面55o軌道傾角20200km軌道高度(地面高度)12小時(shí)(恒星時(shí))軌道周期5個(gè)多小時(shí)出現(xiàn)在地平線以上(每顆星)目前在軌實(shí)際運(yùn)行的衛(wèi)星個(gè)數(shù)已經(jīng)超過32顆4GPS衛(wèi)星控制部分主控站負(fù)責(zé)收集由監(jiān)控站傳來的衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)并計(jì)算衛(wèi)星星歷和時(shí)間參數(shù)5個(gè)監(jiān)控站負(fù)責(zé)對(duì)衛(wèi)星偽距數(shù)據(jù)的觀測(cè)，這一衛(wèi)星跟蹤監(jiān)測(cè)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(fù)責(zé)向衛(wèi)星注入信號(hào) GPS根底教程5地面控制站一個(gè)主控站：科羅拉多?斯必靈司三個(gè)注入站：阿松森(Ascencion)

迭哥?伽西亞(DiegoGarcia)

卡瓦加蘭(kwajalein)五個(gè)監(jiān)測(cè)站=1個(gè)主控站+3個(gè)注入站+夏威夷(Hawaii)55HawaiiAscencionDiegoGarciakwajaleinColoradosprings距離測(cè)定原理XllVlXllll GPS根底教程XllVlXllllllllVVVllVlllXlX距離測(cè)定原理 GPS根底教程XllVlXllllVll距離測(cè)定原理 GPS根底教程XllVlXllllllllVVVllVlllXlX距離=傳播時(shí)間x光速距離測(cè)定原理 GPS根底教程我們必定在以R1為半徑的球面的某個(gè)點(diǎn)上R1點(diǎn)位測(cè)定原理 GPS根底教程2個(gè)球面相交成一個(gè)圓弧點(diǎn)位被限制在一曲線上R1R2點(diǎn)位測(cè)定原理 GPS根底教程3個(gè)球面相交成一個(gè)點(diǎn)3個(gè)距離段可以確定緯度，經(jīng)度，和高程點(diǎn)的空間位置被確定R1R2R3點(diǎn)位測(cè)定原理 GPS根底教程衛(wèi)星可被看作是在固定的軌道上運(yùn)動(dòng)空中觀測(cè)目標(biāo)每顆衛(wèi)星播發(fā)獨(dú)立的時(shí)間碼進(jìn)行距離測(cè)量常規(guī)GPS接收儀內(nèi)置較為廉價(jià)的鐘，這些鐘的計(jì)時(shí)精度比衛(wèi)星上內(nèi)置鐘的精度低得多無線電電波以光速傳播(距離=光速x時(shí)間)設(shè)想一下接收儀上鐘的誤差對(duì)距離測(cè)定的影響1/10秒的測(cè)時(shí)誤差將引起30,000Km的距離誤差1/1,000,000秒的測(cè)時(shí)誤差將引起300m的距離誤差點(diǎn)位測(cè)定原理 GPS根底教程4段距離解決了緯度，經(jīng)度，高程和時(shí)間四個(gè)未知數(shù)這就類似于測(cè)邊交會(huì)問題的解決原理點(diǎn)位確定 GPS根底教程GPS的信號(hào)結(jié)構(gòu)每個(gè)GPS衛(wèi)星播發(fā)一組信號(hào)每組信號(hào)包括兩個(gè)不同頻率的載波信號(hào)(L1和L2)、兩個(gè)不同的測(cè)距碼信號(hào)(C/A碼調(diào)制在L1載波上，P碼或Y碼同時(shí)調(diào)制在L1及L2載波上)以及衛(wèi)星的軌道信息基準(zhǔn)頻率

10.23MHzx154x120L1

1575.42MHzL2

1227.60MHzC/A碼

1.023MHzP(Y)碼

10.23MHzP(Y)-Code

10.23MHz/1050bit/s衛(wèi)星信悉(狀態(tài)信悉和星歷) GPS根底教程測(cè)距碼偽距測(cè)定D=V(dT)測(cè)距偽隨機(jī)碼每一衛(wèi)星播發(fā)一個(gè)偽隨機(jī)測(cè)距碼信號(hào)，該信號(hào)大約每1毫秒播發(fā)一次接收儀同時(shí)復(fù)制出一個(gè)同樣結(jié)構(gòu)的信號(hào)并與接收到的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行比較由信號(hào)的延遲時(shí)間(dT)推算出衛(wèi)星至接收儀的距離接收儀時(shí)鐘應(yīng)與衛(wèi)星鐘校時(shí)dT接收到的衛(wèi)星測(cè)距碼接收儀復(fù)制出的測(cè)距碼 GPS根底教程D=c

T

N載波相位測(cè)距載波相位觀測(cè)載波L1的波長(zhǎng)為19cm，L2的波長(zhǎng)為24cm接收儀將接收到的衛(wèi)星載波信號(hào)的相位與其自身產(chǎn)生的參考載波信號(hào)的相位進(jìn)行比較接收儀開機(jī)后，相位整周數(shù)未知(帶有整周模糊度)跟蹤衛(wèi)星時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)距離的變化可以測(cè)定(整周數(shù)保持不變)

T接收到的衛(wèi)星相位接收儀復(fù)制出的相位 GPS根底教程點(diǎn)位測(cè)定精度10-30m單機(jī)定位用于導(dǎo)航，其定位精度大約在10到30m左右 GPS根底教程P=正確位置P防電子欺騙技術(shù)(AS)選擇性效勞政策(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根底教程+/-100m(95%)美國(guó)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(zhǔn)信號(hào)上人為加入一個(gè)高頻抖動(dòng)信號(hào)(δ技術(shù))人為降低衛(wèi)星星歷精度(ε技術(shù))此項(xiàng)技術(shù)稱為選擇可用性技術(shù)點(diǎn)位精度為100m(95%)P=正確位置P理論上基于C/A碼的定位精度約為10-30m選擇可用性技術(shù)(SA)30m100m GPS根底教程點(diǎn)位測(cè)定精度10-100m防電子欺騙技術(shù)(AS)選擇性效勞政策(SA)*SA技術(shù)已經(jīng)于2000年5月取消 GPS根底教程－－GPS定位的誤差源8GPS定位原理與GPS衛(wèi)星有關(guān)的因素SA技術(shù)人為的降低播送星歷精度(ε技術(shù))衛(wèi)星星歷誤差衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射天線相位中心偏差與傳播途徑有關(guān)的因素電離層延遲對(duì)流層延遲多路徑效應(yīng)與接收機(jī)有關(guān)的因素接收機(jī)鐘差接收機(jī)天線相位中心誤差接收機(jī)軟件和硬件造成的誤差如何提高GPS的測(cè)量精度?使用差分GPS技術(shù) GPS根底教程差分定位技術(shù)在測(cè)定流動(dòng)站的座標(biāo)時(shí)與之相關(guān)聯(lián)的參考站的設(shè)置是必須的參考站(A)的座標(biāo)須衛(wèi)星必須同時(shí)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(dá)0.5cm-5mBaselineVectorBA GPS根底教程偽距差分測(cè)量精度可達(dá)0.5m-5m此種測(cè)量形式一般稱為DGPS基線向量差分定位技術(shù)BA GPS根底教程RTD測(cè)量原理圖測(cè)深儀電腦發(fā)射電臺(tái)GPS主機(jī)基準(zhǔn)站移動(dòng)站GPS主機(jī)接收電臺(tái)測(cè)深儀電腦信標(biāo)臺(tái)站移動(dòng)站GPS主機(jī)信標(biāo)機(jī)測(cè)量原理圖信標(biāo)天線如果使用載波差分或同時(shí)使用載波差分及偽距差分那么定位精度可達(dá)5-10mm+1ppm基線向量差分定位技術(shù)BA GPS根底教程常規(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)行解算才能獲得厘米級(jí)的精度，而RTK是能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)定位精度的測(cè)量方法，它采用了載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分(Real-timekinematic)方法，是GPS應(yīng)用的重大里程碑，它的出現(xiàn)為工程放樣、地形測(cè)圖，各種控制測(cè)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(shí)要求基準(zhǔn)站接收機(jī)實(shí)時(shí)地把觀測(cè)數(shù)據(jù)(偽距觀測(cè)值，相位觀測(cè)值)及數(shù)據(jù)傳輸給流動(dòng)站接收機(jī)。什么是RTK技術(shù)發(fā)射電臺(tái)GPS主機(jī)基準(zhǔn)站移動(dòng)站GPS主機(jī)RTK測(cè)量原理圖采集器接收電臺(tái)時(shí)間(0)整周數(shù)時(shí)間(i)整周數(shù)整周變化數(shù)相位差測(cè)量整周模糊度在使用載波相位觀測(cè)時(shí)整周數(shù)應(yīng)被解算出來相位差測(cè)量 GPS根底教程精度(m)1.000.100.01靜態(tài)測(cè)量0120快速靜態(tài)測(cè)量025時(shí)間(mins)未解算出整周模糊度時(shí)的測(cè)量精度已解算出整周模糊度時(shí)的測(cè)量精度解算整周模糊度整周模糊度的解算效果如下所示注意到一旦模糊度被解出，測(cè)量精度將不隨時(shí)間有明顯增長(zhǎng) GPS根底教程一種描述純粹因衛(wèi)星幾何因素對(duì)定點(diǎn)精度的影響精度因子指出在測(cè)量時(shí)被跟蹤衛(wèi)星幾何結(jié)構(gòu)上的強(qiáng)度GDOP(G