《GPS控制測量》PPT課件

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1、現(xiàn) 代 測 量 技 術(shù) 室S u r v e y 現(xiàn) 代 測 量 學(xué) 6.1 GPS概 述 全 球 定 位 系 統(tǒng) (G PS-G lobal Positioning System)是 利 用人 造 衛(wèi) 星 進 行 地 面 定 位 的 定 位 系 統(tǒng) ， 是 美 國 軍 方 于 1994年 建立 的 第 二 代 全 球 衛(wèi) 星 導(dǎo) 航 系 統(tǒng) 。 速 度 快 、 精 度 高 ； (110-6 110-8) 全 天 候 作 業(yè) ： 不 需 要 點 間 通 視 ； 能 同 時 獲 得 點 的 三 維 坐 標(biāo) ； 觀 測 時 間 短 ， 儀 器 操 作 簡 單 。 其 它 全 球 定 位 系 統(tǒng) ：

2、 俄 羅 斯 的 G LONASS、 歐 空 局 的G alileo、 我 國 的 “ 北 斗 ” 雙 星 定 位 系 統(tǒng) 等 。 G PS測 量 的 優(yōu) 點 ： 現(xiàn) 代 測 量 技 術(shù) 室S u r v e y 現(xiàn) 代 測 量 學(xué)一 、 G PS的 系 統(tǒng) 組 成 G PS由 空 間 部 分 、 監(jiān) 控 部 分 和 用 戶 接 收 機 三 部 分 組 成 。 1 空 間 部 分 q21+3顆 （ 現(xiàn) 有 27顆 ） 衛(wèi) 星 組 成 ；q六 個 軌 道 面 ， 高 度 約 2萬 km；q運 行 周 期 11h58m；q任 意 時 刻 、 任 意 地 點 均 可 觀 測 4顆 以 上 衛(wèi) 星 。

3、 現(xiàn) 代 測 量 技 術(shù) 室S u r v e y 現(xiàn) 代 測 量 學(xué) q衛(wèi) 星 上 裝 有 原 子 鐘 （ 銣 鐘 和 銫 鐘 ） 提 供 GPST時 間 系 統(tǒng) ；q發(fā) 送 兩 個 頻 率 載 波 信 號 ， 即 ： L1=1575.42MHz， 其 上 帶有 1.023MHz的 偽 隨 機 躁 聲 碼 ， 稱 CA碼 （ 粗 碼 ， Coarse Code） ， 10.23MHz的 偽 隨 機 躁 聲 碼 ， 稱 P碼 （ 精 碼 ，Precision Code） 及 每 秒 50bit的 導(dǎo) 航 電 文 ；L2=1227.6MHz載 波 ,其 上 只 調(diào) 制 精 碼 和 導(dǎo) 航 電 文

4、 。作 用 ： 接 收 和 儲 存 由 地 面 監(jiān) 控 站 發(fā) 來 的 導(dǎo) 航 信 息 ； 接 收 并 執(zhí) 行 地 面 監(jiān) 控 站 的 控 制 指 令 ， 并 經(jīng) 處 理 后 控制 自 身 軌 道 和 工 作 狀 態(tài) ； 連 續(xù) 不 斷 地 發(fā) 送 導(dǎo) 航 定 位 的 GPS信 號 。 現(xiàn) 代 測 量 技 術(shù) 室S u r v e y 現(xiàn) 代 測 量 學(xué) 現(xiàn) 代 測 量 技 術(shù) 室S u r v e y 現(xiàn) 代 測 量 學(xué)2 監(jiān) 控 部 分 現(xiàn) 代 測 量 技 術(shù) 室S u r v e y 現(xiàn) 代 測 量 學(xué) 監(jiān) 控 站 監(jiān) 測 衛(wèi) 星 取 得 觀 測 資 料 ， 算 出 每 顆 衛(wèi) 星 的

5、有關(guān) 數(shù) 據(jù) ， 傳 送 給 主 控 站 。 主 控 站 根 據(jù) 監(jiān) 控 站 觀 測 資 料 ， 計 算 每 顆 衛(wèi) 星 的 軌 道參 數(shù) 和 衛(wèi) 星 鐘 改 正 數(shù) ， 推 算 一 天 以 上 的 衛(wèi) 星 星 歷 和 鐘差 ， 并 轉(zhuǎn) 化 為 導(dǎo) 航 電 文 發(fā) 給 注 入 站 。 注 入 站 在 每 顆 衛(wèi) 星 運 行 到 上 空 時 ， 把 衛(wèi) 星 星 歷 、 控制 參 數(shù) 和 指 令 注 入 到 衛(wèi) 星 存 貯 器 。 現(xiàn) 代 測 量 技 術(shù) 室S u r v e y 現(xiàn) 代 測 量 學(xué)3 用 戶 接 收 機 雙 頻 GPS用 戶 接 收 機基 準(zhǔn) 站 移 動 站 現(xiàn) 代 測 量 技

6、術(shù) 室S u r v e y 現(xiàn) 代 測 量 學(xué)組 成 ： 天 線 、 控 制 顯 示 器 、 電 纜 、 電 源 等 部 分 組 成 。 天線 安 放 在 整 置 于 控 制 點 的 腳 架 上 ， 接 收 衛(wèi) 星 信 號 ， 在 控制 顯 示 器 上 獲 得 的 是 天 線 相 位 中 心 的 三 維 坐 標(biāo) 。 功 能 ： 是 接 受 衛(wèi) 星 發(fā) 射 的 信 號 和 導(dǎo) 航 電 文 ， 根 據(jù) 導(dǎo) 航 電文 提 供 的 衛(wèi) 星 位 置 和 鐘 差 信 息 計 算 接 收 機 的 位 置 。 種 類 ： 有 單 頻 和 雙 頻 ， 導(dǎo) 航 型 和 定 位 型 、 低 動 態(tài) 和 高 動態(tài)

7、、 偽 距 型 和 相 位 測 量 型 等 。 現(xiàn) 代 測 量 技 術(shù) 室S u r v e y 現(xiàn) 代 測 量 學(xué)三 部 分 關(guān) 系 現(xiàn) 代 測 量 技 術(shù) 室S u r v e y 現(xiàn) 代 測 量 學(xué)二 、 GPS坐 標(biāo) 系 統(tǒng) GPS所 用 的 坐 標(biāo) 系 統(tǒng) 是 WGS-84（ Geodetic System1984） 坐標(biāo) 系 。 WGS-84坐 標(biāo) 系 與 我 國 采 用 的 坐 標(biāo) 系 定 義 不 同 。 為 了使 用 方 便 ， 一 般 要 將 GPS的 WGS-84坐 標(biāo) 系 測 量 成 果 轉(zhuǎn) 換 到 54年 北 京 坐 標(biāo) 系 或 1980年 國 家 大 地 坐 標(biāo) 系

8、。 三 、 GPS時 間 系 統(tǒng) 由 于 G PS衛(wèi) 星 的 位 置 是 隨 時 間 變 化 的 。 時 間 是 G PS的 一 個 重 要觀 測 量 。 為 了 精 密 導(dǎo) 航 和 測 量 的 需 要 ， GPS建 立 了 專 用 的 時 間系 統(tǒng) ， 該 系 統(tǒng) 可 簡 寫 為 GPST， 由 GPS主 控 站 的 原 子 鐘 控 制 。 現(xiàn) 代 測 量 技 術(shù) 室S u r v e y 現(xiàn) 代 測 量 學(xué)1、 隨 機 噪 聲 碼 ： 為 一 二 進 制 序 列 ， 每 位 1、 0機 率 相 等 。 特 點 ： 具 有 良 好 的 自 相 關(guān) 性 。 相 關(guān) 系 數(shù) ： uu uu BA

9、 BAR 2、 偽 隨 機 噪 聲 碼 ： 具 有 一 定 規(guī) 則 的 二 進 制 序 列 。 特 點 ： 接 近 隨 機 噪 聲 碼 特 性 。 可 以 復(fù) 制 。3、 C/A碼 ： 屬 偽 隨 機 噪 聲 碼 。 碼 長 ： 1023bit,碼 元 寬 0.97752us(293.1m)， 碼 率1.023Mbit/s G PS的 測 距 碼 信 號 ：4、 P碼 ： 屬 偽 隨 機 噪 聲 碼 。 碼 長 ： 2.35*10 14bit,碼 元 寬 0.097752us(29.31m)， 碼 率 10.23Mbit/s,周 期 267天 。 四 、 GPS測 距 碼 信 號 現(xiàn) 代 測

10、量 技 術(shù) 室S u r v e y 現(xiàn) 代 測 量 學(xué)五 、 導(dǎo) 航 電 文 包 括 衛(wèi) 星 星 歷 、 衛(wèi) 星 工 作 狀 態(tài) 、 時 間 系 統(tǒng) 、 軌 道攝 動 參 數(shù) 、 大 氣 改 正 參 數(shù) 、 P碼 捕 獲 信 息 等 。 傳 輸 一次 完 整 的 導(dǎo) 航 電 文 約 需 12.5分 。 現(xiàn) 代 測 量 技 術(shù) 室S u r v e y 現(xiàn) 代 測 量 學(xué)按 測 定 偽 距 的 觀 測 量 有 測 碼 偽 距 法 和 測 相 偽 距 法 。1、 測 碼 偽 距 法6.2 GPS絕 對 定 位 的 基 本 原 理 ： 亦 稱 偽 距 法 定 位 ， 單 點 定 位 。 現(xiàn) 代 測

11、 量 技 術(shù) 室S u r v e y 現(xiàn) 代 測 量 學(xué)2、 測 相 偽 距 法 原 理 ： 現(xiàn) 代 測 量 技 術(shù) 室S u r v e y 現(xiàn) 代 測 量 學(xué)亦 稱 差 分 定 位 ， 是 通 過 測 定 兩 臺 接 收 機 間 的 空 間 向 量 （ 即 基 線向 量 ） 實 現(xiàn) 的 。 兩 臺 （ 多 臺 ） 接 收 機 同 時 觀 測 （ 相 位 法 測 量 ）相 同 的 衛(wèi) 星 ， 通 過 在 觀 測 量 間 求 差 ， 以 消 除 衛(wèi) 星 鐘 鐘 差 、 接 收機 鐘 差 、 整 周 整 周 未 知 數(shù) 、 氣 象 誤 差 等 。單 差 ： 兩 臺 接 收 機 對 同 一 衛(wèi)

12、星的 觀 測 量 之 差 。雙 差 ： 兩 個 單 差 之 差 。三 差 ： 兩 個 雙 差 之 差 。 現(xiàn) 代 測 量 技 術(shù) 室S u r v e y 現(xiàn) 代 測 量 學(xué) 6.4 GPS控 制 網(wǎng) 的 布 設(shè) 要 求 用 GPS布 網(wǎng) 具 有 速 度 快 、 精 度 高 ， 不 要 求 控 制 點 間 通 視 ，對 邊 長 和 圖 形 結(jié) 構(gòu) 沒 有 限 制 ， 所 獲 得 點 位 的 精 度 是 均 勻的 等 優(yōu) 點 。 所 以 GPS網(wǎng) 的 布 設(shè) 與 常 規(guī) 控 制 網(wǎng) 的 布 設(shè) 有 較大 區(qū) 別 ， 布 設(shè) 中 應(yīng) 注 意 下 列 問 題 。 一 有 足 夠 的 檢 核 條 件

13、GPS網(wǎng) 的 檢 核 是 通 過 同 步 環(huán) 、 重 復(fù) 基 線 和 異 步 環(huán) 的 閉 合 差 來實 現(xiàn) 的 。 現(xiàn) 代 測 量 技 術(shù) 室S u r v e y 現(xiàn) 代 測 量 學(xué) 例 ： 有 6個 控 制 點 ， 用 3臺 接 收 機 觀 測 一 個 時 段 ， 則 可 以 構(gòu) 成 三 個同 步 環(huán) 和 多 個 異 步 環(huán) 。 若 在 某 一 邊 上 ， 進 行 多 個 時 段 的觀 測 還 可 以 構(gòu) 成 重 復(fù) 邊 。 現(xiàn) 代 測 量 技 術(shù) 室S u r v e y 現(xiàn) 代 測 量 學(xué)二 幾 何 精 度 衰 減 因 子 要 小 GPS定 位 精 度 與 衛(wèi) 星 的 分 布 有 關(guān)

14、， 即 與 幾 何 精 度 衰 減 因 子G DOP(Geometric Dilution of Precision)有 關(guān) 。 G DOP是 個 綜 合 精 度 衰 減 因 子 ， 包 括 以 下 參 數(shù) ： H DOP 水 平 位 置 幾 何 精 度 衰 減 因 子 ； VDOP 高 程 位 置 幾 何 精 度 衰 減 因 子 ； PDOP 三 維 位 置 幾 何 精 度 衰 減 因 子 ； TDOP 時 鐘 幾 何 精 度 衰 減 因 子 。 關(guān) 系 ： G DOP 2 = PDOP2 + TDOP2 PDOP2 = H DOP2 + VDOP2 現(xiàn) 代 測 量 技 術(shù) 室S u r v

15、 e y 現(xiàn) 代 測 量 學(xué) GDOP與 接 收 機 和 衛(wèi) 星 組 成 的 多 面錐 體 的 體 積 V有 關(guān) ， V愈 大 則PDOP越 小 ， 定 位 精 度 就 越 高 。 GDOP值 可 根 據(jù) 觀 測 地 點 和 時 間 進行 預(yù) 報 。 作 業(yè) 時 接 收 機 也 可 實 時 計 算 顯 示GDOP， 一 般 要 求 GDOP8。 現(xiàn) 代 測 量 技 術(shù) 室S u r v e y 現(xiàn) 代 測 量 學(xué)三 GPS網(wǎng) 與 地 面 網(wǎng) 應(yīng) 有 一 定 數(shù) 量 的 重 合 點 q 為 把 GPS測 得 的 坐 標(biāo) 換 算 到 當(dāng) 地 的 坐 標(biāo) 系 中 ， 在 GPS網(wǎng) 中 至少 要 有

16、三 個 控 制 點 與 地 面 網(wǎng) 點 重 合 ， 重 合 點 最 好 均 勻 地 分 布在 網(wǎng) 的 邊 緣 。 q GPS可 同 時 測 定 點 的 三 維 坐 標(biāo) ， 其 所 得 高 程 為 大 地 高 ， 而我 國 采 用 的 是 正 常 高 ， 為 了 統(tǒng) 一 到 正 常 高 高 程 系 統(tǒng) ， GPS網(wǎng)中 要 有 一 定 數(shù) 量 的 水 準(zhǔn) 聯(lián) 測 高 程 點 。 現(xiàn) 代 測 量 技 術(shù) 室S u r v e y 現(xiàn) 代 測 量 學(xué) 四 點 位 要 避 開 產(chǎn) 生 多 路 徑 效 應(yīng) 的 地 區(qū) q 避 開 有 反 射 作 用 的 地 形 和 物 體 ， 如 光滑 的 墻 壁 和 水

17、 面 ， 以 免 產(chǎn) 生 多 路 徑 效 應(yīng) 。 （ 能 夠 抑 制 多 路 徑 效 應(yīng) 的 天 線 ） 現(xiàn) 代 測 量 技 術(shù) 室S u r v e y 現(xiàn) 代 測 量 學(xué) 五 防 止 信 號 受 電 磁 波 干 擾 和 減 弱 大 氣 折 射 的 影 響 q 任 何 強 電 磁 場 變 化 和 強 無 線 電 信 號 ， 都 會 對 衛(wèi) 星 信 號 產(chǎn) 生干 擾 ， 致 使 觀 測 值 信 噪 比 降 低 和 接 收 信 號 失 鎖 ， 影 響 測 量 精度 。 由 于 環(huán) 路 失 鎖 而 引 起 的 信 號 周 數(shù) 丟 失 現(xiàn) 象 ， 叫 做 整 周 跳變 ， 簡 稱 周 跳 。 測 站

18、 應(yīng) 離 開 高 壓 電 線 200米 以 上 ， 離 大 功 率變 電 站 、 電 視 塔 等 在 400米 以 上 。 q 衛(wèi) 星 信 號 穿 過 電 離 層 和 對 流 層 時 ， 會 產(chǎn) 生 時 間 延 遲 。 對 于較 長 的 基 線 ， 最 好 采 用 雙 頻 接 收 機 ， 對 于 短 基 線 用 單 頻 接 收機 測 量 ， 也 能 達 到 一 定 的 精 度 。 q 高 度 太 低 的 衛(wèi) 星 信 號 受 大 氣 層 折 射 影 響 很 大 ， 為 了 選擇 有 利 的 星 座 位 置 ， 測 站 周 圍 垂 直 角 大 于 15 的 障 礙 物應(yīng) 該 避 開 。 現(xiàn) 代 測

19、 量 技 術(shù) 室S u r v e y 現(xiàn) 代 測 量 學(xué)六 其 它 要 求 GPS網(wǎng) 的 邊 長 視 控 制 網(wǎng) 要 求 而 定 ， 通 常 按 國 家 E級 網(wǎng) 布 設(shè) ， 邊長 變 通 范 圍 為 1 10km。 相 鄰 點 間 不 要 求 通 視 ， 但 為 了 用 常規(guī) 測 量 方 法 進 行 加 密 的 需 要 ， 每 點 一 般 應(yīng) 與 1 2個 方 向 通 視 ，通 視 的 方 向 不 一 定 是 同 步 網(wǎng) 的 方 向 。 有 條 件 時 ， 可 用 電 磁 波測 距 儀 測 定 幾 條 邊 ， 以 資 檢 核 。 現(xiàn) 代 測 量 技 術(shù) 室S u r v e y 現(xiàn) 代 測

20、 量 學(xué) 6.6 GPS控 制 網(wǎng) 的 作 業(yè) 技 術(shù) 設(shè) 計 選 點 埋 石 儀 器 的 檢 驗 和 維 護 觀 測 實 施收集資料 上交資料 圖上設(shè)計 一般檢視 儀器檢驗 通電檢驗 儀器維護 現(xiàn) 代 測 量 技 術(shù) 室S u r v e y 現(xiàn) 代 測 量 學(xué)觀 測 實 施 觀 測 準(zhǔn) 備 連 接 接 收 機 電 纜 ， 開 機 ， 初 始 化 。 填 寫 手 簿 項 目 ， 量 取 天 線 高 。 天 線 定 向 標(biāo) 志 線 應(yīng) 指 向 正 北 ， 圓 水 準(zhǔn) 器 氣 泡 居 中 。 現(xiàn) 代 測 量 技 術(shù) 室S u r v e y 現(xiàn) 代 測 量 學(xué) 觀 測 作 業(yè) （ 1） 按 操

21、作 說 明 設(shè) 置 接 收 機 ， 于 預(yù) 定 時 刻 開 始 觀 測 。 （ 2） 觀 測 期 間 ， 操 作 員 注 意 查 看 并 記 錄 儀 器 工 作 狀 態(tài) 、 測 站信 息 、 接 收 衛(wèi) 星 數(shù) 量 等 情 況 。 （ 3） 觀 測 時 在 測 站 附 近 不 要 發(fā) 動 汽 車 、 發(fā) 電 機 、 使 用 電 臺 ，避 免 人 員 、 牲 畜 在 天 線 附 近 走 動 。 （ 4） 觀 測 結(jié) 束 后 認(rèn) 真 檢 查 所 有 規(guī) 定 作 業(yè) 項 目 ， 合 限 方 可 遷 站 。 現(xiàn) 代 測 量 技 術(shù) 室S u r v e y 現(xiàn) 代 測 量 學(xué) 上 交 資 料 （ 1）

22、 儀 器 檢 驗 資 料 、 觀 測 計 劃 等 。 （ 2） 觀 測 記 錄 。 主 要 有 觀 測 記 錄 文 件 等 。（ 3） 測 量 手 簿 。（ 4） 平 差 計 算 報 表 現(xiàn) 代 測 量 技 術(shù) 室S u r v e y 現(xiàn) 代 測 量 學(xué)1、 數(shù) 據(jù) 下 載 ： 將 接 收 機 的 觀 測 數(shù) 據(jù) 傳 輸 到 計 算 機 中 ；2、 基 線 向 量 的 解 算 ： 利 用 載 波 相 位 觀 測 量 求 解 基 線 邊 的 三 維 坐 標(biāo) 增 量 。 軟 件 通 常 由 廠 家 提 供 。3、 三 維 自 由 網(wǎng) 平 差 ： 取 網(wǎng) 中 一 點 的 單 點 定 位 結(jié) 果 作

23、 為 網(wǎng) 的 必 要 起 算 數(shù) 據(jù) ， 以 基 線 向 量 解 算 結(jié) 果 為 觀 測 量 ， 進 行 平 差 計 算 ， 可 得 到 點 的 W84坐標(biāo) 和 基 線 向 量 。 其 主 要 目 的 是 檢 驗 網(wǎng) 的 內(nèi) 部 符 合 精 度 。4、 坐 標(biāo) 轉(zhuǎn) 換 或 約 束 平 差 ： 經(jīng) 過 自 由 網(wǎng) 平 差 后 ， 可 到 了 點 的 W84三 維 坐標(biāo) 。 為 了 得 到 地 方 坐 標(biāo) ， 必 須 求 定 兩 個 坐 標(biāo) 系 間 的 轉(zhuǎn) 換 參 數(shù) ， 參 數(shù) 有三 個 平 移 量 、 三 個 旋 轉(zhuǎn) 量 和 一 個 尺 度 因 子 。 轉(zhuǎn) 換 模 型 常 用 布 爾 沙 沃爾

24、 夫 模 型 ： 0 y- 0 - 0 000 zyxmx -xz yzdzdydxzz yy xx zyx 6.7 GPS網(wǎng) 平 差 計 算 現(xiàn) 代 測 量 技 術(shù) 室S u r v e y 現(xiàn) 代 測 量 學(xué)參 數(shù) 的 求 定 方 法 ： 利 用 網(wǎng) 中 一 定 數(shù) 量 的 已 知 地 方 坐 標(biāo) 點 ，按 布 爾 沙 沃 爾 夫 模 型 建 立 誤 差 方 程 式 ， 按 最 小 二 乘 法 求解 。轉(zhuǎn) 換 參 數(shù) 求 定 后 ， 再 將 網(wǎng) 中 的 其 它 點 轉(zhuǎn) 換 到 地 方 坐 標(biāo) 系 中 。也 可 直 接 以 基 線 向 量 為 觀 測 量 ， 以 地 方 已 知 坐 標(biāo) 為

25、起 算 數(shù)據(jù) ， 進 行 三 維 約 束 平 差 ， 直 接 解 算 出 點 的 地 方 坐 標(biāo) 和 轉(zhuǎn) 換參 數(shù) 。 6.7 GPS網(wǎng) 平 差 計 算 現(xiàn) 代 測 量 技 術(shù) 室S u r v e y 現(xiàn) 代 測 量 學(xué)1、 系 統(tǒng) 組 成 ： GPS接 收 設(shè) 備 、 數(shù)據(jù) 傳 輸 設(shè) 備 、 軟 件 。2、 工 作 原 理 ： 當(dāng) 基 準(zhǔn) 站 W84坐 標(biāo)已 知 時 ， 基 準(zhǔn) 站 將 載 波 相 位觀 測 量 及 基 站 坐 標(biāo) 等 信 息 ，通 過 數(shù) 據(jù) 鏈 傳 輸 到 流 動 站 ，在 流 動 站 解 算 出 兩 站 間 的 基線 向 量 和 流 動 站 的 坐 標(biāo) ， 通過 預(yù)

26、 置 的 轉(zhuǎn) 換 參 數(shù) ， 轉(zhuǎn) 換 為地 方 坐 標(biāo) 。 當(dāng) 基 準(zhǔn) 站 W84坐 標(biāo) 未 知 時 可 采 用 其 單 點 定 位 結(jié) 果 。 此 時 ，流 動 站 應(yīng) 先 在 幾 個 已 知 點 上安 置 ， 測 定 出 各 點 的 W84坐 標(biāo) ，計 算 轉(zhuǎn) 換 參 數(shù) 。 現(xiàn) 代 測 量 技 術(shù) 室S u r v e y 現(xiàn) 代 測 量 學(xué) 現(xiàn) 代 測 量 技 術(shù) 室S u r v e y 現(xiàn) 代 測 量 學(xué) 現(xiàn) 代 測 量 技 術(shù) 室S u r v e y 現(xiàn) 代 測 量 學(xué) 現(xiàn) 代 測 量 技 術(shù) 室S u r v e y 現(xiàn) 代 測 量 學(xué) 現(xiàn) 代 測 量 技 術(shù) 室S u r v e y 現(xiàn) 代 測 量 學(xué) 現(xiàn) 代 測 量 技 術(shù) 室S u r v e y 現(xiàn) 代 測 量 學(xué)