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1、現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)室 M o d e r n S u r v e y 現(xiàn)代測(cè)量學(xué) 6.1 GPS概述 第六章 GPS控制測(cè)量 全球定位系統(tǒng) (GPS-Global Positioning System)是 利用 人造衛(wèi)星進(jìn)行地面定位的定位系統(tǒng)，是美國(guó)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(diǎn)間通視； 能同時(shí)獲得點(diǎn)的三維坐標(biāo)； 觀測(cè)時(shí)間短，儀器操作簡(jiǎn)單。 其它全球定位系統(tǒng) ：俄羅斯的 GLONASS、歐空局的 Galileo、我國(guó)的“北斗”雙星定位系統(tǒng)等。 GPS測(cè)量的優(yōu)點(diǎn) ： 現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)室 M o d e r n S u
2、 r v e y 現(xiàn)代測(cè)量學(xué) 第六章 GPS控制測(cè)量 一、 GPS的系統(tǒng)組成 GPS由空間部分、監(jiān)控部分和用戶接收機(jī)三部分組成。 1空間部分 21+3顆（現(xiàn)有 27顆）衛(wèi)星組成； 六個(gè)軌道面，高度約 2萬(wàn) km； 運(yùn)行周期 11h58m； 任意時(shí)刻、任意地點(diǎn)均可觀測(cè) 4 顆以上衛(wèi)星。 現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)室 M o d e r n S u r v e y 現(xiàn)代測(cè)量學(xué) 第六章 GPS控制測(cè)量 衛(wèi)星上裝有原子鐘（銣鐘和銫鐘）提供 GPST時(shí)間系統(tǒng)； 發(fā)送兩個(gè)頻率載波信號(hào)，即： L1=1575.42MHz，其上 帶有 1.023MHz的偽隨機(jī)躁聲碼，稱 CA碼 （粗碼， Coarse Code）， 10.2
3、3MHz的偽隨機(jī)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。 作用 ： 接收和儲(chǔ)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(hào) 。 現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)室 M o d e r n S u r v e y 現(xiàn)代測(cè)量學(xué) 現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)室 M o d e r n S u r v e y 現(xiàn)代測(cè)量學(xué) 第六章 GPS控制測(cè)量 2監(jiān)控部分 現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)室 M o d e r n S u r v e y 現(xiàn)代測(cè)量學(xué) 第六章
4、GPS控制測(cè)量 監(jiān)控站 監(jiān)測(cè)衛(wèi)星取得觀測(cè)資料，算出每顆衛(wèi)星的有 關(guān)數(shù)據(jù)，傳送給主控站。 主控站 根據(jù)監(jiān)控站觀測(cè)資料，計(jì)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(yùn)行到上空時(shí)，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(cè)量技術(shù)室 M o d e r n S u r v e y 現(xiàn)代測(cè)量學(xué) 第六章 GPS控制測(cè)量 3 用戶接收機(jī) 雙頻 GPS用戶接收機(jī) 基準(zhǔn)站 移動(dòng)站 現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)室 M o d e r n S u r v e y 現(xiàn)代測(cè)量學(xué) 第六章 GPS控制測(cè)量 組成： 天線、控制顯示器、電纜、電源等部分組成
5、。天 線安放在整置于控制點(diǎn)的腳架上，接收衛(wèi)星信號(hào)，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(hào)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(jì)算接收機(jī)的位置。 種類 ：有單頻和雙頻，導(dǎo)航型和定位型、低動(dòng)態(tài)和高動(dòng) 態(tài)、偽距型和相位測(cè)量型等。 現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)室 M o d e r n S u r v e y 現(xiàn)代測(cè)量學(xué) 第六章 GPS控制測(cè)量 三部分關(guān)系 現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)室 M o d e r n S u r v e y 現(xiàn)代測(cè)量學(xué) 第六章 GPS控制測(cè)量 二 、 GPS坐標(biāo)系統(tǒng) GPS所用的坐標(biāo)系統(tǒng)是 WGS-84（ Geodetic System1984）坐
6、 標(biāo)系。 WGS-84坐標(biāo)系與我國(guó)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(cè)量成果轉(zhuǎn)換到 54 年北京坐標(biāo)系或 1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系。 三 、 GPS時(shí)間系統(tǒng) 由于 GPS衛(wèi)星的位置是隨時(shí)間變化的 。 時(shí)間是 GPS的一個(gè)重要 觀測(cè)量 。 為了精密導(dǎo)航和測(cè)量的需要 ， GPS建立了專用的時(shí)間 系統(tǒng) ， 該系統(tǒng)可簡(jiǎn)寫為 GPST， 由 GPS主控站的原子鐘控制 。 現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)室 M o d e r n S u r v e y 現(xiàn)代測(cè)量學(xué) 1、隨機(jī)噪聲碼 ：為一二進(jìn)制序列，每位 1、 0機(jī)率相等。 特點(diǎn)：具有良好的自相關(guān)性。相關(guān)系數(shù)： uu uu BA B
7、AR 2、偽隨機(jī)噪聲碼：具有一定規(guī)則的二進(jìn)制序列。 特點(diǎn)：接近隨機(jī)噪聲碼特性?？梢詮?fù)制。 3、 C/A碼：屬偽隨機(jī)噪聲碼。 碼長(zhǎng)： 1023bit,碼元寬 0.97752us(293.1m)，碼率 1.023Mbit/s GPS的測(cè)距碼信號(hào)： 4、 P碼：屬偽隨機(jī)噪聲碼。 碼長(zhǎng)： 2.35*1014bit,碼元寬 0.097752us(29.31m)， 碼率 10.23Mbit/s,周期 267天。 四 、 GPS測(cè)距碼信號(hào) 現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)室 M o d e r n S u r v e y 現(xiàn)代測(cè)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(shí)間系統(tǒng)、軌道 攝動(dòng)參數(shù)、大氣改正參數(shù)、 P碼捕獲信
8、息等。傳輸一 次完整的導(dǎo)航電文約需 12.5分。 現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)室 M o d e r n S u r v e y 現(xiàn)代測(cè)量學(xué) 第六章 GPS控制測(cè)量 按測(cè)定偽距的觀測(cè)量有測(cè)碼偽距法和測(cè)相偽距法。 1、測(cè)碼偽距法 6.2 GPS絕對(duì)定位的基本原理： 亦稱偽距法定位，單點(diǎn)定位。 現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)室 M o d e r n S u r v e y 現(xiàn)代測(cè)量學(xué) 2、測(cè)相偽距法原理 ： 現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)室 M o d e r n S u r v e y 現(xiàn)代測(cè)量學(xué) 6.3 GPS相對(duì)定位 亦稱差分定位，是通過測(cè)定兩臺(tái)接收機(jī)間的空間向量（即基線 向量）實(shí)現(xiàn)的。兩臺(tái)（多臺(tái)）接收機(jī)同時(shí)觀測(cè)（相位法測(cè)量） 相同的衛(wèi)星，
9、通過在觀測(cè)量間求差，以消除衛(wèi)星鐘鐘差、接收 機(jī)鐘差、整周整周未知數(shù)、氣象誤差等。 單差：兩臺(tái)接收機(jī)對(duì)同一衛(wèi)星 的觀測(cè)量之差。 雙差：兩個(gè)單差之差。 三差：兩個(gè)雙差之差。 現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)室 M o d e r n S u r v e y 現(xiàn)代測(cè)量學(xué) 第六章 GPS控制測(cè)量 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(diǎn)間通視， 對(duì)邊長(zhǎng)和圖形結(jié)構(gòu)沒有限制，所獲得點(diǎn)位的精度是均勻 的等優(yōu)點(diǎn)。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 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(shí)現(xiàn)的。 現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)室 M
10、o d e r n S u r v e y 現(xiàn)代測(cè)量學(xué) 第六章 GPS控制測(cè)量 例：有 6個(gè)控制點(diǎn)，用 3臺(tái)接收機(jī) 觀測(cè)一個(gè)時(shí)段，則可以構(gòu)成三個(gè) 同步環(huán)和多個(gè)異步環(huán)。 若在某一邊上，進(jìn)行多個(gè)時(shí)段的 觀測(cè)還可以構(gòu)成重復(fù)邊。 現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)室 M o d e r n S u r v e y 現(xiàn)代測(cè)量學(xué) 第六章 GPS控制測(cè)量 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)，即與幾何精度衰減因子 GDOP(Geometric Dilution of Precision)有關(guān)。 GDOP是個(gè)綜合精度衰減因子，包括以下參數(shù)： HDOP 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
11、； PDOP 三維位置幾何精度衰減因子； TDOP 時(shí)鐘幾何精度衰減因子。 關(guān)系： GDOP2 = PDOP2 + TDOP2 PDOP2 = HDOP2 + VDOP2 現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)室 M o d e r n S u r v e y 現(xiàn)代測(cè)量學(xué) 第六章 GPS控制測(cè)量 GDOP與接收機(jī)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(cè)地點(diǎn)和時(shí)間進(jìn) 行預(yù)報(bào)。 作業(yè)時(shí)接收機(jī)也可實(shí)時(shí)計(jì)算顯示 GDOP，一般要求 GDOP8。 現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)室 M o d e r n S u r v e y 現(xiàn)代測(cè)量學(xué) 第六章 GPS控制測(cè)量 三 GPS網(wǎng)與地面網(wǎng)應(yīng)
12、有一定數(shù)量的重合點(diǎn) 為把 GPS測(cè)得的坐標(biāo)換算到當(dāng)?shù)氐淖鴺?biāo)系中，在 GPS網(wǎng)中至 少要有三個(gè)控制點(diǎn)與地面網(wǎng)點(diǎn)重合，重合點(diǎn)最好均勻地分布 在網(wǎng)的邊緣。 GPS可同時(shí)測(cè)定點(diǎn)的三維坐標(biāo)，其所得高程為大地高，而 我國(guó)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(cè)高程點(diǎn)。 現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)室 M o d e r n S u r v e y 現(xiàn)代測(cè)量學(xué) 第六章 GPS控制測(cè)量 四點(diǎn)位要避開產(chǎn)生多路徑效應(yīng)的地區(qū) 避開有反射作用的地形和物體，如光 滑的墻壁和水面，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(cè)量技術(shù)室 M o d e r n S u r v e y 現(xiàn)代
13、測(cè)量學(xué) 第六章 GPS控制測(cè)量 五防止信號(hào)受電磁波干擾和減弱大氣折射的影響 任何強(qiáng)電磁場(chǎng)變化和強(qiáng)無(wú)線電信號(hào)，都會(huì)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)產(chǎn)生 干擾，致使觀測(cè)值信噪比降低和 接收信號(hào)失鎖 ，影響測(cè)量精 度。由于環(huán)路失鎖而引起的信號(hào)周數(shù)丟失現(xiàn)象，叫做整周跳 變，簡(jiǎn)稱 周跳 。測(cè)站應(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。 衛(wèi)星信號(hào)穿過電離層和對(duì)流層時(shí)，會(huì)產(chǎn)生時(shí)間延遲。對(duì)于 較長(zhǎng)的基線，最好采用雙頻接收機(jī)，對(duì)于短基線用單頻接收 機(jī)測(cè)量，也能達(dá)到一定的精度。 高度太低的衛(wèi)星信號(hào)受大氣層折射影響很大，為了選 擇有利的星座位置，測(cè)站周圍垂直角大于 15 的障礙物 應(yīng)該避開。 現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)
14、室 M o d e r n S u r v e y 現(xiàn)代測(cè)量學(xué) 第六章 GPS控制測(cè)量 六其它要求 GPS網(wǎng)的邊長(zhǎng)視控制網(wǎng)要求而定，通常按國(guó)家 E級(jí)網(wǎng)布設(shè)，邊 長(zhǎng)變通范圍為 1 10km。相鄰點(diǎn)間不要求通視，但為了用常 規(guī)測(cè)量方法進(jìn)行加密的需要，每點(diǎn)一般應(yīng)與 1 2個(gè)方向通視， 通視的方向不一定是同步網(wǎng)的方向。有條件時(shí)，可用電磁波 測(cè)距儀測(cè)定幾條邊，以資檢核。 現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)室 M o d e r n S u r v e y 現(xiàn)代測(cè)量學(xué) 第六章 GPS控制測(cè)量 6.6 GPS控制 網(wǎng)的作業(yè) 技術(shù)設(shè)計(jì) 選點(diǎn) 埋石 儀器的檢驗(yàn)和維護(hù) 觀測(cè)實(shí)施 收 集 資 料 上 交 資 料 圖 上 設(shè) 計(jì) 一 般
15、檢 視 儀 器 檢 驗(yàn) 通 電 檢 驗(yàn) 儀 器 維 護(hù) 現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)室 M o d e r n S u r v e y 現(xiàn)代測(cè)量學(xué) 第六章 GPS控制測(cè)量 觀測(cè)實(shí)施 觀測(cè)準(zhǔn)備 連接 接收機(jī)電纜 ， 開機(jī) ， 初始化 。 填寫手簿項(xiàng)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(cè)量技術(shù)室 M o d e r n S u r v e y 現(xiàn)代測(cè)量學(xué) 第六章 GPS控制測(cè)量 觀測(cè)作業(yè) （ 1） 按操作說明設(shè)置接收機(jī) ， 于預(yù)定時(shí)刻開始觀測(cè) 。 （ 2） 觀測(cè)期間 ， 操作員注意查看并記錄儀器工作狀態(tài) 、 測(cè)站 信息 、 接收衛(wèi)星數(shù)量等情況 。 （ 3）觀測(cè)時(shí)在測(cè)站附近不要
16、發(fā)動(dòng)汽車、發(fā)電機(jī)、使用電臺(tái)， 避免人員、牲畜在天線附近走動(dòng)。 （ 4） 觀測(cè)結(jié)束后認(rèn)真檢查所有規(guī)定作業(yè)項(xiàng)目 ， 合限方可遷站 。 現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)室 M o d e r n S u r v e y 現(xiàn)代測(cè)量學(xué) 第六章 GPS控制測(cè)量 上交資料 （ 1） 儀器檢驗(yàn)資料 、 觀測(cè)計(jì)劃等 。 （ 2） 觀測(cè)記錄 。 主要有觀測(cè)記錄文件等 。 （ 3） 測(cè)量手簿 。 （ 4） 平差計(jì)算報(bào)表 現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)室 M o d e r n S u r v e y 現(xiàn)代測(cè)量學(xué) 1、數(shù)據(jù)下載： 將接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中； 2、基線向量的解算： 利用載波相位觀測(cè)量求解基線邊的三維坐標(biāo)增量。 軟件通常由廠家提供。
17、3、三維自由網(wǎng)平差： 取網(wǎng)中一點(diǎn)的單點(diǎn)定位結(jié)果作為網(wǎng)的必要起算數(shù) 據(jù)，以基線向量解算結(jié)果為觀測(cè)量，進(jìn)行平差計(jì)算，可得到點(diǎn)的 W84坐 標(biāo)和基線向量。其主要目的是檢驗(yàn)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(diǎn)的 W84三維坐 標(biāo)。為了得到地方坐標(biāo)，必須求定兩個(gè)坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，參數(shù)有 三個(gè)平移量、三個(gè)旋轉(zhuǎn)量和一個(gè)尺度因子。轉(zhuǎn)換模型常用布爾沙沃 爾夫模型： 0 y- 0 - 0 0 0 0 z y x m x -xz yz dz dy dx zz yy xx z y x 6.7 GPS網(wǎng)平差計(jì)算 現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)室 M o d e r n S u r v e y 現(xiàn)代測(cè)
18、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(diǎn)， 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(diǎn)轉(zhuǎn)換到地方坐標(biāo)系中。 也可直接以基線向量為觀測(cè)量，以地方已知坐標(biāo)為起算數(shù) 據(jù)，進(jìn)行三維約束平差，直接解算出點(diǎn)的地方坐標(biāo)和轉(zhuǎn)換 參數(shù)。 6.7 GPS網(wǎng)平差計(jì)算 現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)室 M o d e r n S u r v e y 現(xiàn)代測(cè)量學(xué) 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài) RTK（ Real Time Kinematic）作業(yè)介紹 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(shí) ， 基準(zhǔn)站將載波相位 觀測(cè)量及基
19、站坐標(biāo)等信息 ， 通過數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)搅鲃?dòng)站 ， 在流動(dòng)站解算出兩站間的基 線向量和流動(dòng)站的坐標(biāo) ， 通 過預(yù)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(shí)可采 用其單點(diǎn)定位結(jié)果 。 此時(shí) ， 流動(dòng)站應(yīng)先在幾個(gè)已知點(diǎn)上 安置 ， 測(cè)定出各點(diǎn)的 W84坐標(biāo) ， 計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù) 。 現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)室 M o d e r n S u r v e y 現(xiàn)代測(cè)量學(xué) 參考站 現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)室 M o d e r n S u r v e y 現(xiàn)代測(cè)量學(xué) 現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)室 M o d e r n S u r v e y 現(xiàn)代測(cè)量學(xué) 參考站 GPS天線和電臺(tái) 現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)室 M o d e r n S u r v e y 現(xiàn)代測(cè)量學(xué) 參考站 GPS接收機(jī) 現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)室 M o d e r n S u r v e y 現(xiàn)代測(cè)量學(xué) 移動(dòng)站 現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)室 M o d e r n S u r v e y 現(xiàn)代測(cè)量學(xué) 移動(dòng)站接收機(jī)和天線
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