測量教案章測量第1頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二第2頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二GPS定位——空間測距交會P點安置GPS接收機，接收衛星發射的測距碼信號在接收機時鐘控制下解出測距碼從衛星→接收機的時間——Δt乘光速c、加衛星時鐘與接收機時鐘不同步改正算出衛星→接收機的空間距離——vt——衛星鐘差，vT——接收機鐘差GPS用單程測距方式接收機接收到的測距信號不再返回衛星接收機直接解算傳播時間Δt并算出衛星→接收機的距離第3頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二要求衛星和接收機時鐘嚴格同步衛星在嚴格同步時鐘控制下發射測距信號實際上，衛星鐘與接收機鐘不可能嚴格同步產生鐘誤差兩個時鐘不同步對測距結果的影響——c(vT－vt)衛星廣播含衛星鐘差vT——已知接收機鐘差vT未知——觀測方程解算衛星→接收機的空間距離——沒有考慮大氣電離層和對流層折射誤差影響不是衛星→接收機的幾何距離——偽距第4頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二

距離測定原理XllVlXllll第5頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二XllVlXllllllllVVVllVlllXlX距離測定原理第6頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二XllVlXllllVll距離測定原理第7頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二XllVlXllllllllVVVllVlllXlX距離=傳播時間x光速距離測定原理第8頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二我們必定在以R1為半徑的球面的某個點上R1

點位測定原理第9頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二2個球面相交成一個圓弧點位被限制在一曲線上R1R2點位測定原理第10頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二3個球面相交成一個點3個距離段可以確定緯度，經度，和高程點的空間位置被確定R1R2R3點位測定原理第11頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二測距時刻——ti接收衛星Si廣播星歷解算出——Si在WGS-84坐標系的三維坐標(xi，yi，zi)則Si衛星→P點的空間距離——偽距觀測方程——有xP，yP，zP，vT四個未知數為了解算這四個未知數，應同時鎖定4顆衛星觀測第12頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二觀測A，B，C，D四顆衛星的偽距方程——解方程算出P點坐標——(xP，yP，zP)第13頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二§8.2GPS的組成工作衛星、地面監控系統、用戶設備§8.2.1地面監控系統衛星廣播星歷包含描述衛星運動及其軌道的參數每顆衛星廣播星歷由地面監控系統提供地面監控系統——1個主控站、3個注入站、5個監測站第14頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二(1)監測站主控站控制下的數據自動采集中心有雙頻GPS接收機、高精度原子鐘、氣象參數測試儀計算機等設備完成對GPS衛星信號連續觀測，搜集當地氣象數據觀測數據經計算機處理后傳送到主控站(2)主控站協調和管理所有地面監控系統工作①根據觀測數據，推算編制各衛星星歷、衛星鐘差大氣層修正參數，數據傳送到注入站②提供時間基準。各監測站和GPS衛星原子鐘應與主控站原子鐘同步，或測量出其間鐘差將鐘差信息編入導航電文，送到注入站③調整偏離軌道的衛星，使之沿預定的軌道運行④啟動備用衛星，以代替失效的工作衛星第15頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二(3)注入站主控站控制下將主控站推算和編制的衛星星歷、鐘差、導航電文其它控制指令注入衛星存儲器監測注入信息的正確性除主控站外，整個地面監控系統無人值守§8.2.2用戶設備GPS接收機和相應的數據處理軟件GPS接收機包括接收天線、主機、電源第16頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二GPS接收機任務捕獲衛星信號，跟蹤并鎖定衛星信號處理接收到的信號測量測距信號從衛星傳播到接收機天線的時間間隔譯出衛星廣播的導航電文實時計算接收機天線三維坐標、速度和時間用途——導航型、測地型和授時型載波頻率——單頻接收機(用1個載波頻率)雙頻接收機(用2個載波頻率)第17頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二南方測繪NGS9600測地型單頻靜態GPS接收機

第18頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二§8.3GPS定位的基本原理

測距原理——偽距、載波相位測量、GPS差分定位待定點位運動狀態——靜態定位、動態定位§8.3.1衛星信號載波、測距碼(C/A碼P碼)、數據碼(導航電文或稱D碼)同一原子鐘頻率f0=10.23MHz下產生第19頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二(1)載波信號頻率用無線電波段兩種不同頻率電磁波L1載波：f1=154×f0=1575.42MHz，λ1=19.03cmL2載波：f2=120×f0=1227.60MHz，λ2=24.42cm載波L1——調制有C/A碼、P碼、數據碼載波L2——調制有P碼、數據碼測距碼由0，1組成的二進制編碼一位二進制數——比特(bit)每秒鐘傳輸比特數稱為數碼率衛星的兩種測距碼C/A碼和P碼屬于偽隨機碼具有良好自相關特性和周期性，容易復制第20頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二第21頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二測距碼——測距原理衛星時鐘控制發射某結構測距碼經Δt時間傳播后到達GPS接收機接收機產生同結構測距碼——復制碼復制碼延遲時間τ后與接收的衛星測距碼比較調整延遲時間τ使兩個測距碼完全對齊復制碼延遲時間τ=ΔtC/A碼碼元寬度對應距離——293.1m衛星與接收機測距碼對齊精度1/100，測距精度2.9mP碼碼元寬度對應距離——29.3m衛星與接收機測距碼對齊精度1/100，測距精度0.29mP碼測距精度高于C/A碼10倍C/A碼——粗碼，P碼——精碼P碼受美國軍方控制，一般用戶只能用C/A碼測距第22頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二(2)數據碼導航電文——D碼含衛星星歷、衛星工作狀態、時間系統、衛星時鐘運行狀態、軌道攝動改正、大氣折射改正由C/A碼捕獲P碼信息導航電文——二進制碼依規定格式按幀發射每幀電文長度——1500bit，播送速率——50bit/s第23頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二§8.3.2偽距定位1)單點定位GPS接收機安置于測點，鎖定4顆以上衛星將收到的衛星測距碼與接收機產生的復制碼對齊測量與鎖定衛星測距碼到接收機傳播時間Δti求出衛星至接收機的偽距從鎖定衛星廣播星歷獲取衛星空間坐標距離交會原理解算天線點三維坐標偽距觀測方程有4個未知數鎖定4顆衛星時方程有唯一解沒考慮大氣電離層和對流層折射誤差、星歷誤差影響，單點定位精度不高C/A碼定位精度——25m，P碼定位精度——10m第24頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二2)多點定位多臺GPS接收機(2~3臺)安置在不同測點同時鎖定相同衛星進行偽距測量大氣電離層和對流層折射誤差、星歷誤差影響基本相同計算各測點間坐標差(Δx,Δy,Δz)時可消除上述誤差影響測點之間的點位相對精度大大提高第25頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二§8.3.3載波相位定位載波L1，L2頻率比測距碼(C/A碼和P碼)頻率高波長比測距碼短很多,λ1=19.03cm,λ2=24.42cm使用載波L1或L2作測距信號將衛星傳播到接收機天線的余弦載波信號與接收機基準信號比相求出相位延遲計算偽距可獲得很高測距精度如測量L1載波相位移誤差為1/100偽距測量精度可達19.03cm/100=1.9mm第26頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二(1)載波相位絕對定位相位測量只能測出不足一整周期相位移——Δφ存在整周數N0不確定問題，N0——整周模糊度t0時刻(歷元t0)，某衛星發射載波信號到接收機相位移——2πN0+Δφ該衛星→接收機距離——λ——載波波長對衛星連續跟蹤觀測，接收機內有多普勒計數器只要衛星信號不失鎖，N0不變故在tk時刻，該衛星發射載波信號到接收機相位移變成——2πN0+int(φ)+Δφint(φ)——接收機內多普勒計數器自動累計求出第27頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二考慮鐘差改正——c(vT－vt)大氣電離層折射改正——δρion對流層折射改正——δρtrop的載波相位觀測方程——雖然對鎖定衛星進行連續跟蹤觀測可修正δρion和δρtrop但整周模糊度N0始終未知能否準確求出N0成為載波相位定位的關鍵問題第28頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二(2)載波相位相對定位兩臺GPS接收機分別安置在兩測點兩測點連線——基線同步接收衛星信號相同衛星相位觀測值線性組合解算基線向量在WGS-84坐標系的增量(Δx,Δy,Δz)確定它們的相對位置一個測點坐標已知，可推算出另一個測點坐標按相位觀測的線性組合形式載波相位相對定位——單差法、雙差法、三差法只介紹前兩種第29頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二第30頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二1)單差法基線兩端點安置兩臺GPS接收機對同一顆衛星同步觀測，觀測方程——設基線兩端點的電離層改正——δρion對流層改正——δρtrop相等得單差觀測方程——單差方程消除了衛星鐘差改正數vT第31頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二2)雙差法安置在基線端點上的兩臺GPS接收機同時對兩顆衛星進行同步觀測觀測Sj衛星的單差觀測方程——求差→雙差觀測方程——消除了基線端點兩臺接收機相對鐘差改正數vt1－vt2差分法可減少計算中的未知數數量消除或減弱測站共同誤差影響，提高定位精度第32頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二第33頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二將化算為基線端點坐標增量(Δx12,Δy12,Δz12)的函數有3個坐標增量未知數如兩臺GPS接收機同步觀測了n顆衛星則有n－1個整周模糊度，未知數總數——3+n－1當每顆衛星觀測了m個歷元時就有m(n－1)個雙差方程為求出3+n－1個未知數要求雙差方程數>未知數個數第34頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二m(n－1)≥3+n－1一般取m=2，也即每顆衛星觀測2個歷元為提高相對定位精度，同步觀測的時間應比較長具體時間與基線長、所用接收機類型(單頻/雙頻)和解算方法有關在＜15km短基線上使用雙頻機觀測用快速處理軟件野外每個測點同步觀測時間只需——10~15分鐘即可使測量基線長度達到——5mm+1ppm第35頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二§8.3.4實時差分定位已知點安置一臺GPS接收機——基準站已知坐標和衛星星歷算出觀測值的校正值通過無線電通訊設備——數據鏈將校正值發送給運動中的GPS接收機——移動站移動站用收到的校正值對自身GPS觀測值進行改正消除衛星鐘差、接收機鐘差、大氣電離層和對流層折射誤差應用帶實時差分功能的GPS接收機才能進行第36頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二第37頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二南方測繪靈銳S82雙頻藍牙通訊RTKGPS接收機第38頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二§8.4GPS測量的實施方案設計、外業觀測、內業數據處理《全球定位系統城市測量技術規程》(1)精度指標載波相位靜態相對定位法兩臺或兩臺以上GPS接收機同時對一組衛星進行同步觀測控制網精度指標是以網中基線觀測誤差定義mD=a+b×10-6Da——固定誤差，b——比例誤差，D——基線長第39頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二第40頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二(2)觀測要求同步觀測測站從開始接收衛星信號到停止數據記錄——觀測時段衛星與接收機天線連線與水平面夾角——衛星高度角點位圖形強度因子PDOP——一組衛星與測站構成的幾何圖形形狀與定位精度關系數PDOP與觀測衛星高度角及觀測衛星空間分布有關觀測衛星高度角越小，分布范圍越大，PDOP值越小衛星高度角設為≥15°，點位PDOP值<6GPS接收機鎖定一組衛星后自動計算出PDOP值并顯示于屏幕上第41頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二第42頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二NGS-9600GPS單頻機第43頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二第44頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二(3)網形要求GPS接收機觀測，不要求各站點間相互通視網形設計，根據控制網用途、現有GPS接收機臺數分兩臺接收機同步觀測、多臺接收機同步觀測、多臺接收機異步觀測三種方案介紹兩臺接收機同步觀測方案1)靜態定位兩臺接收機輪流安置在各基線端點同步觀測4顆衛星1h左右或同步觀測5顆衛星20min左右用于精度要求較高的控制網如橋梁控制網或隧道控制網第45頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二2)快速靜態定位測區中部選一測點為基準站安置一臺接收機連續跟蹤觀測5顆以上衛星另一臺接收機依次到其余各點流動設站觀測不必保持對所測衛星連續跟蹤每點觀測1~2min用于控制網加密和一般工程測量控制點——天空視野開闊、交通便利、遠離高壓線、變電所及微波輻射干擾源的地點第46頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二WGS-84坐標系與測區坐標系的坐標轉換至少有2個及以上GPS控制網點與測區坐標系已知控制網點重合坐標轉換計算由GPS附帶數據軟件自動完成第47頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二§8.5南方測繪靈銳S82雙頻GPSRTK操作簡介靈銳S82GPSRTK——南方測繪2005年10月產品標準配置——一個基準站+一個移動站可根據需要購買任意個移動站基準站由主機、數傳電臺、發射天線與電瓶組成每個移動站的設備——一個主機與一個JETT手簿移動站電臺模塊放置在主機內通過主機頂部的數據鏈天線接發數據手簿與接收機間通過內置的藍牙卡進行數據通訊第48頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二技術參數獨立24通道，L1/L2雙頻跟蹤信號靜態測量模式的平面精度5mm+1ppm高程精度為10mm+2ppm靜態作用距離≤80公里，靜態內存32MRTK測量模式平面精度——2cm+1ppm高程精度為5cm+1ppm數傳電臺的發射功率為25W/15W(H/L)第49頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二第50頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二第51頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二(3)基本操作靜態與動態兩種工作模式等級控制測量——靜態模式碎部點坐標采集與工程放樣——動態模式靜態模式儀器采集衛星數據自動存在主機32MB閃存數據采集間隔設為1s時，連續采集時間可達40h數據采集完后，數據線連接主機USB口與PC機USB口操作Gpsadj軟件下載數據在Gpsadj中完成基線向量解算與網平差獲得測點坐標動態模式JETT手簿操作南方測繪工程之星軟件完成第52頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二3)工程之星2.0動態數據采集操作簡介基準站安置在已知點也可安置在測區范圍地勢較高的任意點連接好電纜，打開基準站主機與數傳電臺電源打開移動站主機與JETT電源量取基準站和移動站的儀器高雙擊“工程之星2.0”桌面圖標，打開工程之星執行下拉菜單“工具/其它/查看衛星圖”命令觀看當前接收到的衛星狀態第53頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二儀器開機后，數傳電臺頻道設置、移動站與手簿間藍牙通訊及衛星搜索與鎖定均由工程之星自動完成，無須用戶干預有4顆及以上數量的衛星信號時能很快進入“固定解”狀態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第54頁，共61頁，2023年，2月20日，星期二①新建工程執行“工程/新建工程”命令按提示輸入新建工程名、選擇橢球參數與高斯投影參數“\SystemCF\Jobs\”路徑下建立“051124”文件夾保存本次新建工程051124的全部數據