《GPS原理与应用》课程实验.ppt

1、GPS原理与应用 课程实验,主讲人：马运涛,实验一 GPS接收机的认识试验,、目的要求 1 认识了解GPS接收机的基本组成、认清各部件的名称、性能和作用。 2 练习GPS各部件的连接顺序、方法及各项注意事项。 3 掌握GPS接收机的安置、开机、观察、记录、关机，掌握各种指示灯闪烁的意义。,实验一 GPS接收机的认识试验,二、计划与设备 1 实验时数 安排4学时，每小组安排2人为宜，两人轮换操作、互相考换、互相协作。 2 每小组的设备为：一台GPS主机一个GPS天线一条主机至天线的电览（MARK ） 充满电的电池两块PC 数据记录本一个基座连接器一套脚架一个量高尺一把,实验一 GPS接收机的认识

2、试验,三、方法与步骤 1 安置仪器：先将三角架张开使其高度适中。架头大致水平，并用脚踩实后，再开机。取出基座连接器，固定再三角架上后，再取出GPS 连接器连接到基座连接器上。 2 认识仪器： 指出仪器各部件的名称、作用和功能。 3 仪器连接：熟练掌握主机与天线的连接方法及注意事项。电磁安装方法、卸掉方法，PC机安卸方法及注意事项。仪器高的量取方法及注意事项。 4 GPS开机观测：熟练掌握开机方法，开机后注意观察各指示灯闪烁的方式及对应的意义（电源灯、卫星灯、记录灯以及观测时间灯等）。 5 观测记录：熟练掌握GPS观测记录器上各项内容的意义，记录方法并没人独立完成一站的观测记录。,实验一 GPS

3、接收机的认识试验,四、Z-MAX仪器的认识Z-MAX测量系统是 Ashtech 先进的后处理静、动态测量系统。该系统包含进行后处理 GPS测量所必需的全部部件。Z-Xtreme 测量系统的核心是 Ashtech Z-MAX 双频 GPS 接收机（利用L1 和 L2 频率的卫星信号），它比单频 GPS 接收机通用性更好，生产率更高。双频测量系统的静态测量观测时间较短，动态初始化要求时间也较短，测量覆盖半径可达二十公里及以上。基于Z-MAX 双频 GPS 接收机的后处理测量系统确实具有无与伦比的先进性能。 1 GPS 接收机 GPS 接收机是接收、处理和储存卫星信号的系统部件。一个 GPS 后处理

4、测量系统至少需要两套 GPS 接收机。,实验一 GPS接收机的认识试验,四、Z-MAX仪器的认识 1 GPS 接收机 GPS 接收机是接收、处理和储存卫星信号的系统部件。一个 GPS 后处理测量系统至少需要两套 GPS 接收机。如下图,正面 侧面,实验一 GPS接收机的认识试验,四、Z-MAX仪器的认识 2 GPS 天线 GPS 接收机必须配用天线才能接收卫星信号。GPS 接收机天线是卫星信号的实际采集点。它也是据以计算流动站系统定位的点位。因此，要确定一个观测点的位置，就必须把GPS 接收机天线安放在观测目标点的上方。测点的平面位置就是天线中心点的水平投影位置；测点的高程就是由天线的中心点高

5、程减去天线高而得。有两种不同的 GPS 接收机天线作为选择：Geodetic IV 天线和扼流圈天线。,Geodetic IV 天线，不带/带抑径盘,实验一 GPS接收机的认识试验,四、Z-MAX仪器的认识 3 掌上电脑（数据采集器）掌上电脑是 Z-MAX 测量系统的选件。它作为 Z-MAX GPS 接收机的高级介面。虽然 Z-MAX 有一个单行显示器，但其功能有限。掌上电脑应用软件扩展了接收机的介面，并提供更多的控制和应用功能。如果采用动态数据采集方法，则建议选配掌上电脑作为系统部件。,掌上电脑,实验一 GPS接收机的认识试验,四、Z-MAX仪器的认识 4 其他附件内置电池 外接电源 电源连

6、接线手簿连接线充电器下载线等,实验一 GPS接收机的认识试验,五、Z-MAX仪器的连接,天线和主机相连,仪器和脚架相连,实验一 GPS接收机的认识试验,六、各种指示灯闪烁的意义。接收机上有四个彩色 LED 指示灯,实验二 GPS静态、快速静态作业试验,一、目的与要求 1 了解掌握GPS各种作业模式及使用范围。 2 掌握静态、快速静态作业方法及作业步骤。 3 熟练掌握GPS的操作方法、操作步骤。掌握GPS接收机各指示灯各种闪烁方式的意义。,实验二 GPS静态、快速静态作业试验,二、计划与设备 1试验实数为8学时时，每实验小组由2人组成，每次试验由4组同时完成，2人轮换操作，互相交换，互相协助。

7、2每2组设备：一台GPS主机一个GPS天线一条主机至天线的电览线充满电的电池两块PC 数据记录本一个基座连接器一套脚架一个量尺一把,实验二 GPS静态、快速静态作业试验,三、方法与步骤 1 了解实验所需静态点位的分布及网形设计、点位标识，并到各组观测 点上。 2 仪器安置与连接，并量取仪器高。仪器安置于连接与认识试验相应部 分相同，量仪器高一定要记住量的位置，并按规范要求开机关各量一 次，合格后取平均值。 3 开机观测 按开关按钮开机观测.开机后注意观测各指示灯闪烁方式，了解仪器接收 信号是否正常进行判断，如果不正常及时通知其他各组。 4 记录 仪器开始正常接收卫星信号后，便开始观测记录，要按

8、试验指导书上的 格式一一记清。清楚并掌握观测进度及观测时间。 5 关机与搬站 关机时间到后，各站联系好并检查观测记录无误后，再一次量取仪器高 无差后便开始关机，并按照安置与连接相反的秩序将仪器卸掉，装箱， 搬往下一指定侧站。,实验二 GPS静态、快速静态作业试验,四、仪器的操作 1. 仪器的菜单,实验二 GPS静态、快速静态作业试验,四、仪器的操作 2. 静态采集数据时，每一台 Z-Xtreme 接收机都将严格遵循同样的设备配置和测量实施步骤进行：确认测站点的位置是否适宜于 GPS 观测。 把 GPS 天线安置在测站点的上方。 测量、记录 GPS 天线高(HI),实验二 GPS静态、快速静态作

9、业试验,四、仪器的操作 GPS接收机观测记录,试验三 GPS静态作业数据处理,一、目的与要求 1 掌握数据处理的原理与方法。 2 掌握GPS系统软件的安装调试。 3 掌握GPS数据下载、分流、处理、分析、输出全过程。,试验三 GPS静态作业数据处理,二、计划与设备 1 计划学时8学时，在实验室进行上课。 2 实验设备 每人一台装有win98以上版本操作系统的微机，一张数据盘，一张系统盘。,试验三 GPS静态作业数据处理,三、方法与步骤1 首先练习在微机上装GPS系统软件，并试运行。2 打开GPS系统软件界面后逐项操作。 1）打开文件栏逐次练习。 2）打开功能栏，主要练习planning 项目，

10、输入沈阳地区大概经纬度，纬度41度44分21秒 和度经123度13分 45秒，并输入不同日期，显示卫星各种预图，掌握它的运用。 3） 进行建立新项目 ，打开旧项目练习。 4) 进行数据导入练习。 5） 进行GPS基线处理练习。 6) 进行基线闭合差处理练习。 7）进行GPS网平差练习。含坐标系统选择练习高程系统选择练习投影方式及投影后选择练习 8）平差成果分析。 9）成果输出练习。,试验三 GPS静态作业数据处理,四、软件使用（Ashtech Solutions软件）1. 窗口介绍 “Time View” 视窗的功能有： 查看接收机信息。 查看原始数据文件信息。 查看和设置设站信息。 处理数据

11、时，对设站的取舍。 打印“Time View”视窗。 从设站时段中，左时间裁剪。 视窗网图有多种模式功能： “Normal“（一般） 显示未经QA检测的站点和基线向量。 “process“（处理）自动显示经基线处理后的站点与向量，失败的基线呈红色。 “Adjustment“（平差）自动显示经平差后的 站点与向量，“ “检验失败呈红色。 “Repeat Vector“（复测基线） 显示复测基线，QA检测失败者呈红色。 “Control Tie“（控制联测点）显示控制点坐标与闭合差，QA检测失败者呈红色。 “Loop closure“（环路闭合差）在网图上顺序单击所选闭合环基线向量边，以检测环路闭

12、合差 ,闭合差，QA检测失败的环路呈红色。 “Network Precision“（网精度）显示平差后的“点对“的误差椭圆，网精度，A检测失败者呈红色。,试验三 GPS静态作业数据处理,四、软件使用（Ashtech Solutions软件）1. 窗口介绍 c)工作薄视窗 “Files”（文件卡页）装入项目中的原始数据文件。在此页可从项目中删文件。 “Occupations”（设站卡页）列有项目中、各设站信息。 “Control Sites”（控制点卡页）控制点的坐标、精度、固定状态信息。 “Vectors”（向量卡页）列出基线处理后的向量信息。 “Repeat Vectors”（复制向量卡页）

13、列有复测多时段向量信息。此页仅供查看。 “Loop Closure”（环路闭合差卡页）列出环路闭合差计算的信息。 “Control Tie”（控制点卡页）比对平差后的控制点坐标与已知值较差的信息。“Adjustment Analysis”（平差分析卡页）列有平差后所有基本等信息，此页仅供查看。“Network Rel.Accuracy“（极限相对精度卡页）列有平差后所有基线相对精度等信息，,试验三 GPS静态作业数据处理,四、软件使用（Ashtech Solutions软件） 2. 数据解算步骤： 下载GPS原始数据 建立项目 设置为大地坐标系 设置其它参数 给项目添加数据 求解基线向量 自由

14、网平差计算 GPS网约束平差 具体操作和使用方法参见软件使用说明书。,试验三 GPS静态作业数据处理,四、软件使用（Ashtech Solutions软件） 3.首次练习使用本操作手册各章节的顺序与关联,试验四 GPSRTK 认识与操作试验,一、目的与要求1 认识了解GPSRTK系统的基本组成，认识个部分的名称性能和作用。2 掌握GPSRTK系统的组装与连接方法，顺序及注意事项。3 掌握GPSRTK系统基准站设置方法，流动站设置方法。坐标转换参数的求值方法、数据采集方法。,试验四 GPSRTK 认识与操作试验,二、计划与设备1 计划学时4学时，每小时安排6人。2设备每小组一套 1+1 GPSR

15、TK系统， GPS基准站主机一台 GPS流动站主机一台 GPS主机到天线电缆一条 充电的主机内置电池2块 pc数据纪录卡一个 充电基准站电台电瓶一个 基座及连接器2套 脚架2个 量高尺一把 基准站电台一套 基准站电台升降杆一套 GPSRTK观测手簿一个 GPS基站电台天线电缆一套 GPS基准站电台天线一根 手簿到主机电缆一个,试验四 GPSRTK 认识与操作试验,三、方法与步骤1 了解掌握GPSRTK系统的组成2 认识掌握GPSRTK系统个部件的名称作用功能3 掌握GPSRTK的连接方法和步骤主机 天线主机 手簿主机 电台电台 天线,试验四 GPSRTK 认识与操作试验,三、方法与步骤 4 用

16、手簿设置GPSRTK系统基准站 以上4部每组6人共同完成， 每人独立完成一遍 ，相互帮助 ，相互检查，达到熟练掌握为止。 5 用手簿设置GPSRTK系统流动站 1）输入已知点WGS84坐标和地方坐标系坐标（54）求解转变参数并检查其质量。以上操作必须每人至少独立操作2次以上，达到熟练掌握求解转换参数的意义目的及方法。 2）进行粹部点坐标系采集的练习，在手簿上设置数据采集的操作步骤。首先共同选择采集数据的点位，进行粹部坐标采集练习，每人均在制定的点上采集各点坐标数据，每人采集不少于10个点并且每人都到相同点上进行数据采集，然后比较其互差， 3）进行已知点放样练习，掌握在手簿上进行已知点放的设置及

17、操作步骤。 每人进行不少于10点的已知点放样练习，轮换练习，相互提醒帮助。,试验四 GPSRTK 认识与操作试验,四、FDC简明操作步骤 FDC是GPS RTK的使用软件，安装在掌上电脑上。下面介绍一下FDC的使用方法。 a) 建立一个项目(参数设置、编译控制点) 项目不要存储在“主内存”里，以免“软复位”时丢失数据 b) 基准站设置 1.点击点号，选取或输入当前基准站坐标(已知坐标)读当前WGS 84坐标； 2.天线（1）型号：ZMAX+GPS（2）高度（用原厂配备的卷尺量取）；斜高（3）半径 0.09 偏移 0.327 3.设置基准站 注意：必须保证基准站WGS 84坐标和控制点所对应的W

18、GS 84坐标在同一个WGS 84坐标系统内。 c) 流动站设置 （1）型号：ZMAX+GPS+VHF vortex（2）高度2米；垂高（3）半径 0.09 偏移 0 将仪器的工作模式设为RTK流动站模式，建立差分关系，让流动站认知基准站的已知位置。 此步骤有两种操作方法： 1. 在流动站主机上，点击COM PAN 回车“串口D” 回车上翻，翻至LOAD，回车加载参数。 2. 点击“设置”“GPS”点击”高级选项”按钮，设置基准站电台,试验四 GPSRTK 认识与操作试验,四、FDC简明操作步骤 d) 求解转换参数。 将仪器解算出的WGS 84坐标转换为我们所需要的地方坐标。（标准的BJ 54

19、坐标也可看作是地方坐标来求转换参数） 求取转换参数的方法主要有如下几种： 1、 控制点联测求（常用）：使用控制点的WGS 84坐标和地方坐标两套坐标建立关系求得。具体操作流程如下：（点击“控制点联测”，选取点号，在三个小方框上打,点击”采集”, ”开始” “接受”,在弹出的界面小方框上打”设置”。关闭后问是否参加投影转换,点”是”，“解算”“接受”后，将弹出两个对话框，都点“否”）。 2、 人工输入转换参数：使用已知的转换参数。 3、 地图投影确定转换参数：使用已知的投影方式，从而确定转换参数。 注意：使用方法2和3时基准站的坐标必须放在已知点上，而且基准站的WGS 84坐标必须是已知的地方坐

20、标通过已知的转换参数和投影方式反算得到。 进行点采集、放样等作业。 具体操作见RTK简明操作手册,试验五 GPS RTK 高程拟合 -开放性实验,一、目的与要求1 掌握GPSRTK系统基准站设置方法，流动站设置方法。坐标转换参数的求值方法、数据采集方法。2了解GPS RTK高程的含义，了解正常高、大地高，将大地高向正常高转换的方法。3了解GPS RTK 高程拟合的方法-平面拟合法、曲面拟合法、多面函数拟合法等。,试验五 GPS RTK 高程拟合,二、计划与设备1 计划学时60学时。2设备每小组一套 1+1 GPSRTK系统， DS1水准仪一套。,试验五 GPS RTK 高程拟合,三、实验步骤1

21、 .实验区的选择和控制点的布设（16学时）试验区域位于沈阳市，沈阳建筑大学学校附近为平原地带，最大高差为10m,面积约10平方km，共布设了50个以上的图根控制点。2.图根控制点的高程的采集 图根控制点的高程的GPS RTK采集（8学时）GPS外业测量时联测了外围及内部3个以上均分布的已知控制点，利用这些控制点求解出该区域的平面坐标转换模型及高程转换模型。 图根控制点的高程的水准测量采集（16学时）图根控制点中进行了四等水准测量，四等水准测量采用结点网布设施测。3.试验数据分析 验证GPSRTK高程的精度-将GPSRTK高程测量点与四等水准高程进行比较。（2学时） 将GPSRTK高程进行平面高

22、程拟合。（16学时） GPSRTK拟合高程四等水准高程进行比较，并进行精度分析。（2学时）,试验五 GPS RTK 高程拟合,四、高程拟合1 . 高程异常用GPS可测定地面点的大地高Hg,用水准测量可测定该点的正常高Hr,则可求得该点的高程异常：=Hg-Hr (1)2.高程拟合的数学模型函数拟合法的基本思想是:在小区域GPS网内,将似大地水准面看成曲面或平面,将高程异常表示为平面坐标(x,y)的函数,通过网中起算点(既进行了GPS测量又进行了几何水准联测的点)已知的高程异常确定测区的似大地水准面形状,求出其余各点的高程异常,然后根据式(1)求出其他点的正常高,其数学模型为=f(x,y)+ (2

23、)式中,f(x,y)是拟合的似大地水准面;是拟合误差。 而f(x,y)=a0+a1x+a2y+a3x2+a4xy+a5y2+ (3)式中,a0,a1,a2,a3,a4,a5,为拟合待定参数;x,y为各GPS点的平面坐标。,试验五 GPS RTK 高程拟合,四、高程拟合3 .拟合函数的选取 1.模型误差要小,通过函数的系数结构作用后的二次型函数 要小。 2.精度2给定时,拟合函数中引入的参数要尽可能地少,亦即要引入在观测数据中占主要成分的那些主参数,次要参数尽可能地排除在拟合函数之外,理论上已经证明。 3.如果在拟合函数中引入次要的或不必要的参数,会影响和降低主参数的精度,所以不应该认为拟合函数的阶数越高越好。最后确定的拟合函数,其参数必须按最优的准则确定,即采用最小二乘估计。,试验五 GPS RTK 高程拟合,四、高程拟合4 .高程拟合的实施根据沈阳地势的特点我们选择平面拟合的方法进行GPS RTK 高程的拟合。,试验五 GPS RTK 高程拟合,四、高程拟合5 .高程拟合后的精度分析GPS RTK拟合高程相对中误差计算公式为：,式中，为GPS RTK拟合高程与四等水准高程较差，N为个数。,