1、第8章 GPS測量的原理與方法 n8.1 GPS概述n73年12月，美國國防部組織開始研制n新一代軍用衛星導航系統GPSn89年2月14日發射第一顆GPS衛星n94年3月28日發射完第24顆衛星n目前在軌衛星數32顆n均勻分布在6個與赤道傾角為55近似圓形軌道上n每個軌道4顆衛星運行，距地表平均高度20200kmn速度為3800m/s，運行周期為11h58minn每顆衛星覆蓋全球38面積n保證地球上任何地點、任何時刻、高度15以上天空n能同時觀測到4顆以上衛星。 nGPS定位空間測距交會nP點安置GPS接收機，接收衛星發射的測距碼信號n在接收機時鐘控制下n解出測距碼從衛星接收機的時間tn乘光速

2、c、加衛星時鐘與接收機時鐘不同步改正n算出衛星接收機的空間距離nvt衛星鐘差，vT接收機鐘差nGPS用單程測距方式n接收機接收到的測距信號不再返回衛星n接收機直接解算傳播時間tn并算出衛星接收機的距離)(tTvvctcn要求衛星和接收機時鐘嚴格同步n衛星在嚴格同步時鐘控制下發射測距信號n實際上，衛星鐘與接收機鐘不可能嚴格同步n產生鐘誤差n兩個時鐘不同步對測距結果的影響c(vTvt)n衛星廣播含衛星鐘差vT已知n接收機鐘差vT未知觀測方程解算n衛星接收機的空間距離n沒有考慮大氣電離層和對流層折射誤差影響n不是衛星接收機的幾何距離偽距)(tTvvctcXllVl Xl lllXllVlXlllll

3、lllVVVllVlllXlXXllVlXllllVllXllVlXllllllllVVVllVlllXlX距離 = 傳播時間 x 光速我我 們們 必必 定定 在在 以以 R1 為為 半半 徑徑 的的 球球 面面 的的 某某 個個 點點 上上R12 個個 球球 面面 相相 交交 成成 一一 個個 圓圓 弧弧點點 位位 被被 限限 制制 在在 一一 曲曲 線線 上上R1R23 個球面相交成一個點個球面相交成一個點3 個距離段可以確定緯度，經度，和高程個距離段可以確定緯度，經度，和高程點點 的的 空空 間間 位位 置置 被被 確確 定定R1R2R3n測距時刻tin接收衛星Si廣播星歷解算出nSi在

4、WGS-84坐標系的三維坐標(xi，yi，zi)n則Si衛星P點的空間距離n偽距觀測方程n有xP，yP，zP，vT四個未知數n為了解算這四個未知數，應同時鎖定4顆衛星觀測222)()()(iPiPiPiPzzyyxxR222)()()()(iPiPiPiPTitiPiPzzyyxxRvvctcn觀測A，B，C，D四顆衛星的偽距方程n解方程算出P點坐標(xP，yP，zP) 222222222222)()()()()()()()()()()()()()()()(DPDPDPTDtDPDPCPCPCPTCtCPCPBPBPBPTBtBPBPAPAPAPTAtAPAPzzyyxxvvctczzyyxx

5、vvctczzyyxxvvctczzyyxxvvctcn8.2 GPS的組成n工作衛星、地面監控系統、用戶設備n8.2.1 地面監控系統n衛星廣播星歷包含描述衛星運動及其軌道的參數n每顆衛星廣播星歷由地面監控系統提供n地面監控系統1個主控站、3個注入站、5個監測站n(1) 監測站n主控站控制下的數據自動采集中心n有雙頻GPS接收機、高精度原子鐘、氣象參數測試儀n計算機等設備n完成對GPS衛星信號連續觀測，搜集當地氣象數據n觀測數據經計算機處理后傳送到主控站n(2) 主控站n協調和管理所有地面監控系統工作n 根據觀測數據，推算編制各衛星星歷、衛星鐘差n大氣層修正參數，數據傳送到注入站n 提供時間

6、基準。各監測站和GPS衛星原子鐘應與n主控站原子鐘同步，或測量出其間鐘差n將鐘差信息編入導航電文，送到注入站n 調整偏離軌道的衛星，使之沿預定的軌道運行n 啟動備用衛星，以代替失效的工作衛星n(3) 注入站n主控站控制下n將主控站推算和編制的衛星星歷、鐘差、導航電文n其它控制指令注入衛星存儲器n監測注入信息的正確性n除主控站外，整個地面監控系統無人值守n8.2.2 用戶設備nGPS接收機和相應的數據處理軟件nGPS接收機包括接收天線、主機、電源nGPS接收機任務n捕獲衛星信號，跟蹤并鎖定衛星信號n處理接收到的信號n測量測距信號從衛星傳播到接收機天線的時間間隔n譯出衛星廣播的導航電文n實時計算接

7、收機天線三維坐標、速度和時間n用途導航型、測地型和授時型n載波頻率單頻接收機(用1個載波頻率)n雙頻接收機(用2個載波頻率)南方測繪NGS9600測地型單頻靜態GPS接收機 n8.3 GPS定位的基本原理 n測距原理偽距、載波相位測量、GPS差分定位n待定點位運動狀態靜態定位、動態定位n8.3.1 衛星信號n載波、測距碼(C/A碼P碼)、數據碼(導航電文或稱D碼)n同一原子鐘頻率f0=10.23MHz下產生n(1) 載波信號n頻率用無線電波段兩種不同頻率電磁波nL1載波：f1=154f0=1575.42MHz，1=19.03cmnL2載波：f2=120f0=1227.60MHz，2=24.42

8、cmn載波L1調制有C/A碼、P碼、數據碼n載波L2調制有P碼、數據碼n測距碼由0，1組成的二進制編碼n一位二進制數比特(bit)n每秒鐘傳輸比特數稱為數碼率n衛星的兩種測距碼C/A碼和P碼屬于偽隨機碼n具有良好自相關特性和周期性，容易復制n測距碼測距原理n衛星時鐘控制發射某結構測距碼n經t時間傳播后到達GPS接收機n接收機產生同結構測距碼復制碼n復制碼延遲時間后與接收的衛星測距碼比較n調整延遲時間使兩個測距碼完全對齊n復制碼延遲時間=tnC/A碼碼元寬度對應距離293.1mn衛星與接收機測距碼對齊精度1/100，測距精度2.9mnP碼碼元寬度對應距離29.3mn衛星與接收機測距碼對齊精度1/

9、100，測距精度0.29mnP碼測距精度高于C/A碼10倍nC/A碼粗碼，P碼精碼nP碼受美國軍方控制，一般用戶只能用C/A碼測距n(2) 數據碼n導航電文D碼n含衛星星歷、衛星工作狀態、時間系統、n衛星時鐘運行狀態、軌道攝動改正、大氣折射改正n由C/A碼捕獲P碼信息n導航電文二進制碼n依規定格式按幀發射n每幀電文長度1500bit，播送速率50bit/sn8.3.2 偽距定位n1) 單點定位nGPS接收機安置于測點，鎖定4顆以上衛星n將收到的衛星測距碼與接收機產生的復制碼對齊n測量與鎖定衛星測距碼到接收機傳播時間tin求出衛星至接收機的偽距n從鎖定衛星廣播星歷獲取衛星空間坐標n距離交會原理解

10、算天線點三維坐標n偽距觀測方程有4個未知數n鎖定4顆衛星時方程有唯一解n沒考慮大氣電離層和對流層折射誤差、n星歷誤差影響，單點定位精度不高nC/A碼定位精度25m，P碼定位精度10mn2) 多點定位n多臺GPS接收機(23臺)安置在不同測點n同時鎖定相同衛星進行偽距測量n大氣電離層和對流層折射誤差、星歷誤差n影響基本相同n計算各測點間坐標差(x,y,z)時n可消除上述誤差影響n測點之間的點位相對精度大大提高n8.3.3 載波相位定位n載波L1，L2頻率比測距碼(C/A碼和P碼)頻率高n波長比測距碼短很多,1=19.03 cm,2=24.42cmn使用載波L1或L2作測距信號n將衛星傳播到接收機

11、天線的余弦載波信號n與接收機基準信號比相求出相位延遲計算偽距n可獲得很高測距精度n如測量L1載波相位移誤差為1/100n偽距測量精度可達19.03cm/100=1.9mmn(1) 載波相位絕對定位載波相位絕對定位n相位測量只能測出不足一整周期相位移n存在整周數N0不確定問題，N0整周模糊度nt0時刻(歷元t0)，某衛星發射載波信號n到接收機相位移2N0+n該衛星接收機距離n載波波長n對衛星連續跟蹤觀測，接收機內有多普勒計數器n只要衛星信號不失鎖，N0不變n故在tk時刻，該衛星發射載波信號到接收機相位移n變成2N0+int()+nint()接收機內多普勒計數器自動累計求出22200NNn考慮鐘差

12、改正c(vTvt)n大氣電離層折射改正ionn對流層折射改正tropn的載波相位觀測方程n雖然對鎖定衛星進行連續跟蹤觀測n可修正ion和tropn但整周模糊度N0始終未知n能否準確求出N0成為載波相位定位的關鍵問題 RvvcNtropiontT)(20n(2) 載波相位相對定位n兩臺GPS接收機分別安置在兩測點n兩測點連線基線n同步接收衛星信號n相同衛星相位觀測值線性組合n解算基線向量在WGS-84坐標系的增量(x,y,z)n確定它們的相對位置n一個測點坐標已知，可推算出另一個測點坐標n按相位觀測的線性組合形式n載波相位相對定位單差法、雙差法、三差法n只介紹前兩種n1) 單差法單差法n基線兩端

13、點安置兩臺GPS接收機n對同一顆衛星同步觀測，觀測方程n設基線兩端點的電離層改正ionn對流層改正trop相等n得單差觀測方程n單差方程消除了衛星鐘差改正數vTitropiontiTiiitropiontiTiiRvvcNRvvcN2222020211110101)(2)(2ittiiRvvcN12211212)(2n2) 雙差法雙差法n安置在基線端點上的兩臺GPS接收機n同時對兩顆衛星進行同步觀測n觀測Sj衛星的單差觀測方程n求差雙差觀測方程n消除了基線端點兩臺接收機相對鐘差改正數vt1vt2n差分法可減少計算中的未知數數量n消除或減弱測站共同誤差影響，提高定位精度jttjjRvvcN122

14、11212)(2ijijijRN1212122n將 化算為基線端點n坐標增量(x12,y12,z12)的函數n有3個坐標增量未知數n如兩臺GPS接收機同步觀測了n顆衛星n則有n1個整周模糊度，未知數總數3+n1n當每顆衛星觀測了m個歷元時n就有m(n1)個雙差方程n為求出3+n1個未知數n要求雙差方程數未知數個數ijR12ijijijRN1212122nm(n1)3+n1n一般取m=2，也即每顆衛星觀測2個歷元n為提高相對定位精度，同步觀測的時間應比較長n具體時間與基線長、所用接收機類型(單頻/雙頻)n和解算方法有關n在15km短基線上使用雙頻機觀測n用快速處理軟件n野外每個測點同步觀測時間只

15、需1015分鐘n即可使測量基線長度達到5mm+1ppmn8.3.4 實時差分定位n已知點安置一臺GPS接收機基準站n已知坐標和衛星星歷算出觀測值的校正值n通過無線電通訊設備數據鏈n將校正值發送給運動中的GPS接收機移動站n移動站用收到的校正值對自身GPS觀測值進行改正n消除衛星鐘差、接收機鐘差、n大氣電離層和對流層折射誤差n應用帶實時差分功能的GPS接收機才能進行南方測繪靈銳S82雙頻藍牙通訊RTK GPS接收機 n8.4 GPS測量的實施n方案設計、外業觀測、內業數據處理n全球定位系統城市測量技術規程n(1) 精度指標n載波相位靜態相對定位法n兩臺或兩臺以上GPS接收機n同時對一組衛星進行同

16、步觀測n控制網精度指標是以網中基線觀測誤差定義nmD=a+b10-6Dna固定誤差， b比例誤差， D基線長n(2) 觀測要求n同步觀測n測站從開始接收衛星信號到停止數據記錄觀測時段n衛星與接收機天線連線與水平面夾角衛星高度角n點位圖形強度因子PDOPn一組衛星與測站構成的幾何圖形形狀與定位精度關系數nPDOP與觀測衛星高度角及觀測衛星空間分布有關n觀測衛星高度角越小，分布范圍越大，PDOP值越小n衛星高度角設為15，點位PDOP值6nGPS接收機鎖定一組衛星后n自動計算出PDOP值并顯示于屏幕上NGS-9600 GPS單頻機n(3) 網形要求nGPS接收機觀測，不要求各站點間相互通視n網形設

17、計，根據控制網用途、現有GPS接收機臺數n分兩臺接收機同步觀測、多臺接收機同步觀測、n多臺接收機異步觀測三種方案n介紹兩臺接收機同步觀測方案n1) 靜態定位n兩臺接收機輪流安置在各基線端點n同步觀測4顆衛星1h左右n或同步觀測5顆衛星20min左右n用于精度要求較高的控制網n如橋梁控制網或隧道控制網n2) 快速靜態定位n測區中部選一測點為基準站n安置一臺接收機n連續跟蹤觀測5顆以上衛星n另一臺接收機n依次到其余各點流動設站觀測n不必保持對所測衛星連續跟蹤n每點觀測12minn用于控制網加密和一般工程測量n控制點天空視野開闊、n交通便利、遠離高壓線、n變電所及微波輻射干擾源的地點nWGS-84坐

18、標系n與測區坐標系的坐標轉換n至少有2個及以上GPS控制網點n與測區坐標系已知控制網點重合n坐標轉換計算由GPS附帶數據軟件自動完成n8.5 南方測繪靈銳S82雙頻GPS RTK操作簡介n靈銳S82 GPS RTK南方測繪2005年10月產品n標準配置一個基準站+一個移動站n可根據需要購買任意個移動站n基準站由主機、數傳電臺、發射天線與電瓶組成n每個移動站的設備一個主機與一個JETT手簿n移動站電臺模塊放置在主機內n通過主機頂部的數據鏈天線接發數據n手簿與接收機間通過內置的藍牙卡進行數據通訊n技術參數n獨立24通道，L1/L2雙頻跟蹤信號n靜態測量模式的平面精度5mm+1ppmn高程精度為10

19、mm+2ppmn靜態作用距離80公里，靜態內存32MnRTK測量模式平面精度2cm+1ppmn高程精度為5cm+1ppmn數傳電臺的發射功率為25W/15W(H/L)n(3) 基本操作基本操作n靜態與動態兩種工作模式n等級控制測量靜態模式n碎部點坐標采集與工程放樣動態模式n靜態模式n儀器采集衛星數據自動存在主機32MB閃存n數據采集間隔設為1s時，連續采集時間可達40hn數據采集完后，數據線連接主機USB口與PC機USB口n操作Gpsadj軟件下載數據n在Gpsadj中完成基線向量解算與網平差n獲得測點坐標n動態模式nJETT手簿操作南方測繪工程之星軟件完成n3) 工程之星2.0動態數據采集操作簡介n基準站安置在已知點n也可安置在測區范圍地勢較高的任意點n連接好電纜，打開基準站主機與數傳電臺電源n打開移動站主機與JETT電源n量取基準站和移動站的儀器高n雙擊“工程之星2.0”桌面圖標，打開工程之星n執行下拉菜單“工具/其它/查看衛星圖”命令n觀看當前接收到的衛星狀態n儀器開機后，數傳電臺頻道設置、n移動站與手簿間藍牙通訊及衛星搜索與鎖定n均由工程之星自動完成，無須用戶干預n有4顆及以上數量的衛星信號時n能很快進入“固定解”狀態n顯示三維坐標為移動站在前次測量時所設坐標系固定解數據鏈信號n 新建工程n執行“工程/新建工程”命令n按提示輸入新建工程名、選擇