辅助电子教案GPS测量原理与应用教案

GPS基础教程
• 载 波相 位 测 量 • 选 择 可 用 性 技 术 Selective
Availability(SA) • 误差来源 • 差 分 GPS • (初始)整 周 未 知 数 • 整周未知数的解算 • 精度因子 • 要点小结
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传统测量技术的缺陷
– Block 1(一 代),Block 2, 2A(二 代), Block 2R，2 F(三 代)
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赤道
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4 GPS卫星
• 24颗卫星(21+3) • 6个轨道平面 • 55º轨道倾角 • 20200km轨道高度(地面高度) • 12小时(恒星时)轨道周期 • 5个多小时出现在地平线以上(每颗星) • 目前在轨实际运行的卫星个数已经超过32颗
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点位确定
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4 段 距 离 解 决 了 纬 度，经 度，高 程 和 时 间 四 个 未 知 数 这就类似于测边交会问题的解决原理
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GPS 的 信 号 结 构
• 每 个 GPS 卫 星 播 发 一 组 信 号
• 每颗卫星播发独立的时间码进行距离测量
• 常 规 GPS 接 收 仪 内 置 较 为 廉 价 的 钟，这 些 钟 的 计 时 精度 比卫星上内置钟的精度低得多
• 无线电电波以光速传播
• ( 距 离 = 光 速 x 时 间) – 设想一下接收仪上钟的误差对距离测定的影响
• 1/10 秒 的 测 时 误 差 将 引 起 30,000 Km 的 距 离 误 差 • 1/1,000,000 秒 的 测 时 误 差 将 引 起 300 m 的 距 离 误 差
• 每 组 信 号 包 括 两 个 不 同 频 率 的 载 波 信 号 (L1 和 L2)、两 个 不 同 的 测 距 码 信 号 (C/A 码 调 制 在 L1 载 波 上，P 码 或 Y 码 同 时 调 制 在 L1 及 L2 载 波 上) 以 及 卫 星 的 轨 道 信 息
基准频率
10.23 MHz
– 参 考 站 (A) 的 座 标 须 已 知
– 卫星必须同时被跟踪
• 差分定位
– 削减卫星及接收仪钟
的误差影响
A
– 大气影响削减至最小
– 精 度 达 0.5 cm - 5 m
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B
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差分定位技术
• 伪距差分测量精度可达 0.5m - 5 m
• 理 论 上 基 于 C/A 码 的 定 位 精 度 约 为 10 - 30m
• 美 国 防 部 人为 降 低 卫 星 广 播 信 息 的 精 度，限 制 非 许 可 用 户的 非 法 使用
– 在基准信号上人为加入一个高频 抖 动 信 号(δ技术)
– 人 为 降 低 卫 星 星 历 精 度 (ε技 术)
• GPS 系 统 可 应 用 于 民 用 及军 事领域
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GPS 系统的组成
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空间部分
导航卫星 :导航信息 卫星时和卫星钟 24 颗 卫 星 20200 Km
用户设备部分
接受卫 星信号
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控制部分
1 个主控站
5 个监控站
`
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• 此项技术称为选择可用性技术
– 点 位 精 度 为 100 m (95%)
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100m
30m
P
+/- 100m (95%)
P=正确位置
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点位测定
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精 度 10 - 100 m
防电子欺骗技术(AS) 选择性服务政策(SA)*
SA技术已经于2000年5月取消
– 跟踪卫星时间较长时距离的变化 可以测定 (整周数保持不变)
D = c TN
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接收到的 卫星相位
接收仪复制 出的相位
T
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点位测定
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精 度 10 - 30 m
单 机 定 位 用 于 导 航，其 定 位 精 度 大 约 在 10 到 30m 左 右
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差分定位技术
• 如果使用载波差分 或同时使用载波差 分及伪距差分则定 位 精 度 可 达 5 - 10 mm + 1ppm
A
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B
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什么是RTK技术
常规GPS的测量方法，如静态、快速静态、动态测 量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK 是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它 采用了载波相位动态实时差分(Real - time kinematic) 方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、 地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了 外业作业效率。RTK定位时要求基准站接收机实时地把 观测数据(伪距观测值，相位观测值)及已知数据传输给 流动站接收机。
时间 (i)
整周数 相位差测量
整周数
整周变化数 相位差测量
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信 号，该 信 号 大 约 每 1 毫 秒 播 发 一 次
– 接收仪同时复制出一个同样结构 的信号并与接收到的卫星信号进 行比较
– 由 信 号 的 延 迟 时 间 (dT) 推 算 出 卫 星至接收仪的距离
– 接收仪时钟应与卫星钟校时
D = V (dT)
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接收到的 卫星测距码
接收仪 复制出的 测距码
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距离测定原理
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Vl
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Xll
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距离测定原理
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Vl
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Xll
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距离测定原理
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Vl
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Xll
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/10
x 154
L1
C/A 码
P (Y) 码
1575.42 MHz 1.023 MHz 10.23 MHz
x 120
L2 1227.60 MHz
P (Y)-Code 10.23 MHz
50 bit/s
卫星信悉 ( 状态信悉和星历)
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测距码伪距测定
• 测距伪随机码 • 每一卫星播发一个伪随机测 距码
GPS测量的
原理 与
应用
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基 本 原理
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索引 ——第一部分
• 传统测量技术的缺陷 • GPS 优 势 • GPS 的 主 要 特 性 • GPS 系 统 的 组 成 • 距离测定的基本原理 • 点位测定的基本原理 • GPS 的 信 号 结 构 • 测距码伪距测量
距离测定原理
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Xll
Vl
距离 = 传播时间 x 光速
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点位测定原理
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R1
我 们 必 定 在 以 R1 为 半 径 的 球 面 的 某 个 点 上
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点位测定原理
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R1 R2
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RTK测量原理图
发射电台 GPS主机
接收电台 GPS主机
基准站
采集器
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移 动 站
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GPS基础教程 整周模糊度
• 在使用载波相位观测时整周数应被解算出来
时间 (0)
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－－GPS定位的误差源 ❖ 与GPS卫星有关的因素
▪ SA技术 人为的降低广播星历精度(ε技术) ▪ 卫星星历误差 ▪ 卫星钟差 ▪ 卫星信号发射天线相位中心偏差
❖ 与传播途径有关的因素
▪ 电离层延迟 ▪ 对流层延迟 ▪ 多路径效应
❖ 与接收机有关的因素
• 此种测量形式一般称为 DGPS
A
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B
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RTD测量原理图
发射电台
测深仪
移
GPS主机
接收电台 GPS主机
动
电脑
站
基准站
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信标机测量原理图
测深仪
信标天线
移
GPS主机
动
电脑
站
信标台站
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GPS 优 势
• 不受气候条件的限制 • 无须通视要求 • 可进行高精度大地测量 • 能实现全天候测量运作 • 省时省力
– 经济效益明显
• 坐标系统通用 • 应用领域广泛 • 具有竞争力的价格
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GPS 的 主 要 特 性
• GPS 系 统 的 完 善 受 控 于美 国 国防部
• GPS 系 统 可 提 供
– 精确导航 • 导 航 精 度 约 为 10 - 20 m
– 全球 信号覆盖 – 24 小 时 工 作 服 务 – 普 通 座 标 系 统 中 的 测 量 工作
• 计 划 用 GPS 系 统 取 代 现 有 的 导航系统
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控制部分
• 主控站
– 负责收集由监控站传来的卫星 跟踪数据并计算卫星星历和时 间参数
• 5个监控站
– 负 责 对 卫 星 伪 距 数 据 的 观 测， 这一卫星跟踪监测网用于确定 卫星广播星历及卫星钟模式
– 地面控制站 – 负 责 向 卫 星 注入信 号
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• 与 传 统 的 陆 上 测 量 技 术 相 比 GPS 具 有 许 多 优 势 • 传统大地测量技术依赖于测站点至目标点的通视情况
– 如 果 视 线 方 向 有 障 碍 物， 则 必 须 绕 道 测 量
• 一 般来说 传 统 方 式 的 距 离 测 量 被 限 制 在 5 Km 左 右 • 气 候 因 素 限 制 着 传 统 测 量 的 运 作。如 雾，雨 等
2 个球面相交成一个圆弧 点位被限制在一曲线上
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点位测定原理
R3
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R1 R2
3 个球面相交成一个点 3 个距离段可以确定纬度，经度，和高程
点的空间位置被确定
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点位测定原理
• 卫星可被看作是在固定的轨道上运动空中观测目标
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Colorado springs
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Hawaii
5 地面控制站
Ascencion
Diego Garcia
kwajalein
一个主控站：科罗拉多•斯必灵司 三个注入站：阿松森(Ascencion)
迭哥•伽西亚(Diego Garcia) 卡瓦加兰(kwajalein) 五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii)
dT
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载波相位测距
• 载波相位观测
– 载 波 L1 的 波 长 为 19 cm ，L2 的 波 长 为 24 cm
– 接收仪将接收到的卫星载波信号 的相位与其自身产生的参考载波 信号的相位进行比较
– 接 收 仪 开 机 后，相 位 整 周 数 未 知 ( 带有整周模糊度)
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空间部分
• 12 小 时 绕 轨 道 一 周
• 24 颗 卫 星
– 可 见 时 间 为 4-5 小 时
• 分 布 在 互 为 55 度 交 角 的 6 • 设计寿命为 7.5 年
个 轨 道 平 面 上， 每 个 轨 道 • 卫 星 种类 区 分
面上布有4颗卫星 • 卫 星 高 约 20200 Km
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防电子欺骗技术(AS)
选择性服务政策(SA)*
SA技术已经于2000年5月取消
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100m
30m
P
• 理 论 上 利 用 C/A 码 可 获 取 10 30m 的 定 位 精 度
P = 正确位置
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选 择 可 用 性 技 术 (SA)
▪ 接收机钟差 ▪ 接收机天线相位中心误差 ▪ 接收机软件和硬件造成的误差
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8 GPS 定位原理
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如 何 提 高 GPS的测 量 精 度 ?
使用 差 分 GPS 技 术
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差分定位技术
• 在测定流动站的座标时与 之相关联的参考站的设置 是必须的