工程测量-GPS测量的原理与应用选编课件

GPS原理与海上定位,Klicken Sie,um die Formate des Vorlagentextes zu bearbeiten,Zweite Ebene,Dritte Ebene,Vierte Ebene,F黱fte Ebene,*,*,2023年10月17日,1,GPS原理与海上定位,Klicken Sie,um die Formate des Vorlagentextes zu bearbeiten,Zweite Ebene,Dritte Ebene,Vierte Ebene,F黱fte Ebene,*,*,GPS原理与海上定位,Klicken Sie,um die Formate des Vorlagentextes zu bearbeiten,Zweite Ebene,Dritte Ebene,Vierte Ebene,F黱fte Ebene,*,GPS,测量的,原 理与应 用,基 本 原 理,GPS,基础教程,GPS,基础教程,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,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,索引,第一部分,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,传 统 测 量 技 术 的 缺 陷,GPS,基础教程,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,GPS,优 势,GPS,基础教程,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,GPS,系 统 可 应 用 于 民 用 及军 事 领 域,GPS,的 主 要 特 性,GPS,基础教程,控 制 部 分,1,个 主 控 站,5,个 监 控 站,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,GPS,系统的组成,GPS,基础教程,空 间 部 分,24,颗 卫 星,分 布 在 互 为,55,度 交 角 的,6,个 轨 道 平 面 上，每 个 轨 道 面 上 布 有,4,颗 卫 星,卫 星 高 约,20200 Km,12,小 时 绕 轨 道 一 周,可 见 时 间 为,4-5,小 时,设计寿命为,7.5,年,卫 星 种类 区 分,Block 1(,一 代,),Block 2,2A(,二 代,),Block 2R,，,2 F(,三 代,),赤 道,55,GPS,基础教程,24,颗卫星,(21+3),6,个轨道平面,55,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,4 GPS,卫星,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,GPS,基础教程,5,地面控制站,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),55,Hawaii,Ascencion,Diego Garcia,kwajalein,Colorado springs,距 离 测 定 原 理,Xll,Vl,Xl,lll,GPS,基础教程,Xll,Vl,Xl,lll,l,ll,lV,V,Vll,Vlll,X,lX,距 离 测 定 原 理,GPS,基础教程,Xll,Vl,Xl,lll,Vll,距 离 测 定 原 理,GPS,基础教程,Xll,Vl,Xl,lll,l,ll,lV,V,Vll,Vlll,X,lX,距离,=,传播时间,x,光速,距 离 测 定 原 理,GPS,基础教程,我 们 必 定 在 以,R1,为 半 径 的 球 面 的 某 个 点 上,R1,点 位 测 定 原 理,GPS,基础教程,2,个 球 面 相 交 成 一 个 圆 弧,点 位 被 限 制 在 一 曲 线 上,R1,R2,点 位 测 定 原 理,GPS,基础教程,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,R1,R2,R3,点 位 测 定 原 理,GPS,基础教程,卫 星 可 被 看 作 是 在 固 定 的 轨 道 上 运 动 空 中 观 测 目 标,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,点 位 测 定 原 理,GPS,基础教程,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,点 位 确 定,GPS,基础教程,GPS,的 信 号 结 构,每 个 GPS 卫 星 播 发 一 组 信 号,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,x 154,x 120,L11575.42 MHz,L21227.60 MHz,C/A,码,1.023 MHz,P(Y),码,10.23 MHz,P(Y)-Code10.23 MHz,/10,50 bit/s,卫 星 信 悉,(,状 态 信 悉 和 星 历,),GPS,基础教程,测 距 码 伪 距 测 定,D=V(dT),测 距 伪 随 机 码,每 一 卫 星 播 发 一 个 伪 随 机 测 距 码 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,T,接 收 到 的,卫 星 测 距 码,接 收 仪,复 制 出 的,测 距 码,GPS,基础教程,D,=,c,T,N,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,),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,),T,接 收 到 的,卫 星 相 位,接 收 仪 复 制,出 的 相 位,GPS,基础教程,点 位 测 定,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,GPS,基础教程,P=,正确位置,P,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,理 论 上 利 用 C/A 码 可 获 取 10-30m 的 定 位 精 度,30m,100m,GPS,基础教程,+/-100m(95%),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,(,技术,),人 为 降 低 卫 星 星 历 精 度,(,技 术,),此 项 技 术 称 为 选 择 可 用 性 技 术,点 位 精 度 为,100 m(95%),P=,正 确 位 置,P,理 论 上 基 于,C/A,码 的 定 位 精 度约 为,10-30m,选 择 可 用 性 技 术,(SA),30m,100m,GPS,基础教程,点 位 测 定,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,GPS,基础教程,GPS,定位的误差源,8,GPS,定位原理,与,GPS,卫星有关的因素,SA,技术 人为的降低广播星历精度,(,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,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,如 何 提 高,GPS,的测 量 精 度,?,使 用,差 分,GPS,技 术,GPS,基础教程,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,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,大 气 影 响 削 减 至 最 小,精 度 达,0.5 cm-5 m,Baseline Vector,B,A,GPS,基础教程,伪 距 差 分 测 量 精 度 可 达 0.5m-5 m,此 种 测 量 形 式 一 般 称 为 DGPS,基 线 向 量,差 分 定 位 技 术,B,A,GPS,基础教程,RTD,测量原理图,测深仪,电脑,发射电台,GPS,主机,基准站,移动站,GPS,主机,接收电台,测深仪,电脑,信标台站,移动站,GPS,主机,信标机测量原理图,信标天线,如 果 使 用 载 波 差 分 或 同 时 使 用 载 波 差分 及 伪 距