GPS测量原理及应用.ppt

1、GPS测量原理及应用,第一部分 GPS原理概要,发展简史 系统组成 工作原理 信号结构 误差来源 定位类型,第一章 GPS发展简史,“哪儿？”与“怎么去？”,现代卫星导航定位系统,TRANSIT 与CICADA 多普勒导航定位系统 GPS与GLONASS NAVSTAR-GPS: NAVigation System with Time And Ranging - Global Positioning System. （美国） GLONASS: GLObal NAvigation Satellite System. （俄罗斯）,第二章 GPS的系统及其信号,第一节 GPS的系统构成,空间部分 控

2、制部分 用户部分 （地面部分）,一、GPS的空间部分,GPS的空间部分是由由GPS卫星所组成的卫星星座所构成。 GPS卫星的类型： Block （实验卫星） Block （正式工作卫星） Block A（正式工作卫星） Block R（正式工作卫星） Block F（正式工作卫星）,一、GPS的空间部分（续）,GPS卫星的组成： 原子钟 无线电发射器 计算机,一、GPS的空间部分（续）,Block 卫星,一、GPS的空间部分（续）,Block 卫星,一、GPS的空间部分（续）,Block R卫星,一、GPS的空间部分（续）,GPS星座 设计星座：21+3 21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫

3、星 6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55 ，周期11h 58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次） 保证在15高度角以上，能够同时观测到4至8颗卫星 当前星座：26颗,一、GPS的空间部分（续）,GPS卫星星座（=35 ，=90）,一、GPS的空间部分（续）,作用 发送导航定位信息 其他特殊用途（如通讯、检测核暴等）,二、GPS的控制部分,组成：主控站、注入站和监测站。 主控站 作用： 收集各检测站的数据，编制导航电文，监控卫星状态 通过注入站将卫星星历注入卫星，向卫星发送控制指令 卫星维护与异常情况的处理,二、 GPS的控制部分（续）,数量：1

4、分布：美国克罗拉多州法尔孔空军基地 注入站 作用：将导航电文注入GPS卫星 数量：3 分布：阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）,二、 GPS的控制部分（续）,监测站 作用：接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站 数量：5 分布：夏威夷、主控站及三个注入站,二、 GPS的控制部分（续）,GPS的控制部分,二、 GPS的控制部分（续）,GPS的控制部分,三、GPS的用户部分,GPS信号接收机 采用石英钟 GPS信号接收机的类型 依用途：大地型（测地型）、导航型与授（守）时型 依能否接收测距码（伪距码）：有码与无码 依接收伪距码的种类：P码与C/A码

5、依接收不同频率载波的数量：单频与双频,第二节 GPS的位置基准与时间基准,一、位置基准,概述 坐标系统 原点、坐标轴指向、长度基准 惯性系与非惯性系 地心系与参心系,一、位置基准（续）,类型 习/惯用天体参照系（Conventional Celestial Reference System） 例：ICRF，IERS (International Earth Rotation Service)制定，由500颗河外星系的天体所构成 习/惯用地面参照系（Conventional Terrestrial Reference System） 例：ITRF， IERS (International Ear

6、th Rotation Service)制定，由全球数百个SLR、VLBI和GPS站所构成,一、位置基准（续）,GPS应用中所采用的位置基准 WGS84（World Geodetic System 1984） 广播星历 由美国国防部研制确定，其原点在地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极（CTP），X轴指向BIH1984.0的零子午面与CTP赤道的交点，Y轴与Z、X轴构成右手系。椭球采用IUGG在第17届大会给出的推荐值：长半轴为6378137，扁率为1/298.257223563。大地水准面模型采用EGM。 ITRFyy IGS精密星历 Z轴指向CIO ，利用SLR、VLBI和

7、GPS等技术维持。 提供站坐标及速度场信息,一、位置基准（续）,GPS应用中所采用的位置基准（续） WGS84与ITRF的关系 WGS84地面站坐标精度为1m到2m的精度，ITRF则为厘米级精度 引力常数不同,一、位置基准（续）,GPS应用中所采用的位置基准（续） WGS84与ITRF的关系（续） 转换关系,二、时间基准（系统）,时间的起点和时间的长度 时间系统 太阳时与恒星时 力学时 原子时 GPS时 为原子时 1980年1月6日0时与UTC一致 GPS时用GPS周+一周内的秒数来表示,三、GPS信号的结构,1. GPS信号的组成,用于导航定位的GPS信号由三部分组成： 载波（L1和L2）

8、导航电文 测距码（C/A码和P(Y)码）,2. 载波,两种频率的正弦波 L1： L2：,3. 导航电文,方波 码速：50bps 内容： 广播星历（导航信息） 卫星钟改正 历书（概略星历） 电离层信息 卫星健康状况,4. 测距码,方波 伪随机噪声码 两种测距码： C/A码 - 粗码 码速：1.023MHz 码元长度：300m P(Y)码 - 精码 码速：10.23MHz 码元长度：30m,4. 测距码（续）,测距码的调制,5. GPS信号的构成示意图,美国降低普通用户导航定位精度的措施,SA - Selective Availability（选择可用性） -技术：轨道信息加绕（长周期，慢变化）

9、-技术：卫星钟抖动（高频，短周期，快变化） AS - Anti-Spoofing（反欺骗） P码加密，成为Y码,第四节 GPS的工作原理,一、本质,距离后方交会,二、工作流程,三、距离测定方法,利用测距码测距（伪距测量） 利用载波测距（载波相位测量）,第五节 伪距测量与载波相位测量,伪距的测定,测定伪距的示意图,一、伪距测量,测距码 伪距的测定,1. 测距码,伪随机噪声码（PRN） 模二和 二进制信号 码元、时间周期（TP）与长度周期（LP） 运算规则： 相关系数 随机噪声的自相关性,1. 测距码（续）,伪随机噪声码（续） 伪随机噪声码 可复制性 生成方式 GPS的测距码 C/A码：码速1.0

10、23MHz, TP=1ms, LP=1023, 码元长度293.052m P码： 码速10.23MHz, TP=266天9小时45分55.5秒, LP=235469592765000, 码元长度29.3052m。 实际被截为7天一个周期，共38段，每一段赋予不同的卫星，卫星的PRN号也由此得到。,2. 利用测距码测距,测距原理,2. 利用测距码测距（续）,利用测距码测距的优点 精度高 无多值性 抗干扰 区分不同卫星,3. 伪距观测值,伪距观测值,二、载波相位测量,载波的结构 载波相位的测定 整周模糊度与周跳 载波相位观测值,1. 载波的结构,正弦波,2. 载波相位的测定,基本物理原理测定方法,

11、3. 整周模糊度与周跳,整周模糊度 整周跳变（周跳）,4. 载波相位观测值,载波相位观测值,第六节 导航电文,导航电文的内容 导航电文的结构,一、导航电文（D码）的内容,卫星星历 时钟改正 电离层时延改正 卫星状态 转换码,二、导航电文的结构,基本构成 遥测码与转换码（交接字） 第一数据块 第二数据块 第三数据块,1. 基本构成,1. 基本构成（续）,2. 遥测码与转换码（交接字）,遥测码（字） 同步码：第18bit 遥测电文：第922bit 无意义连接比特：第2324bit 检校：第2530bit 转换码 Z计数：第117bit 特殊标识1：第18bit 特殊标识2：第19bit，同步标识，

12、AS标识 子帧标识：第2022bit，第几子帧 无意义连接比特：第2324bit 检校：第2530bit,3. 第一数据块,第1子帧 URA系数N URA：用户测距精度 URA=2N(m) 卫星健康状态 钟龄（IODC）：IODC=toc-tl 群时延Tgd： (tsv)L1= tsv- Tgd 星钟改正参数：toc, a0 a1 a2 ts=a0+a1(t-toc)+a2(t-toc)2,4. 第二数据块,第2、3子帧 星历参数 开普勒轨道根数（6个） 轨道摄动参数（9个） 星历参考时刻toe 星历龄期IODE,5. 第三数据块,第4、5子帧 历书（概略卫星轨道） 卫星健康状态,第七节 美国

13、政府的GPS政策,原则 措施,一、原则,保障国家利益不受损害,二、措施,SA Selective Availability 对卫星轨道参数加扰的技术（低频） 对卫星基准频率加扰的技术（高频） 已于2000年5月1日停止。 AS Anti-Spoofing P+WY,第8节 卫星信号的调制,第9节 GPS接收机,定义 结构 类型 接收通道 天线,一、定义,能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的卫星信号接收设备。,二、结构,天线前置放大器,信号处理器,微处理器,振荡器,控制、显示及存储设备,电源,二、结构（续）,天线（含前置放大器） 信号处理器 微处理器 显示、控制及存储设备 振荡器 电源,三、接

14、收机的类型,根据工作原理： 码相关型 平方型 码相位型 混合型,根据信号通道类型： 多通道 序贯通道 多路复用通道,根据接收信号的频率： 单频 双频,根据测定测距码的类型： C/A码 P（Y）码,根据能否从信号中提取导航电文： 有码 无码,根据用途： 导航型 测量型 守（授）时型,四、GPS接收机的信号通道,什么是GPS接收机的信号通道 信号通道的类型 序贯通道、多路复用通道和多通道 码相关型通道、平方型通道和码相位型通道,1. 什么是GPS的信号通道,是GPS卫星信号经由天线进入接收机的路径 是软硬件的结合体 作用是跟踪、处理和量测卫星信号，获取工作所需的数据和信息,2. 信号通道的类型,根

15、据跟踪方式 序贯通道 多路复用通道 多通道 根据工作原理 码相关型通道 平方型通道 码相位型通道,3. 序贯通道、多路复用通道和多通道,序贯通道 1个通道跟踪多颗卫星/频率的信号 1个跟踪周期大于20ms 成本低，无通道间的延迟误差，无法提取导航电文，无法保持对载波的连续跟踪，控制软件复杂 多路复用通道 1个通道跟踪多颗卫星/频率的信号 一个跟踪周期小于20ms 成本低，无通道间的延迟误差，可提取导航电文，可保持对载波的连续跟踪，控制软件复杂 多通道 1个通道跟踪1颗卫星/频率的信号 性能好 成本高、有通道间的延迟误差,4. 码相关型通道、平方型通道和码相位型通道,码相关型通道 优点：可以进行

16、伪距和载波相位测量，信号质量好，可获取导航电文 缺点：要了解码的结构 平方型通道 优点：不需要了解码的结构 缺点：信号质量差，无法测定伪距，无法提取导航电文 码相位型通道 优点：不需要了解码的结构 确定：精度低,5. 全波与半波,五、GPS接收机的天线,作用 天线的相位中心,1. 作用,接收来自卫星的信号 放大 经（频率变换） 用于（跟踪、处理、量测）,2. 天线的相位中心,天线的几何中心与相位中心 几何中心 相位中心 相位中心偏差 天线相位中心的变化 与信号的高度角有关 与信号的方位角有关 相同类型的天线具有相同的相位中心特性,思考题,GPS由哪几部分组成，各部分的功能是什么？ GPS信号包

17、括哪些成分？ 什么是伪随机噪声码，它有什么特性？ 采用测距码测距，有哪些优点？ 什么是伪距？ 什么是周跳，什么是整周模糊度？ GPS的导航电文中包括哪些内容？ 什么是GPS接收机，它由哪几部分构成？ 什么是信号通道？ 什么是SA，什么是AS？,第三章 GPS测量定位误差,概述 与卫星有关的误差 与传播途径有关的误差 与接收机有关的误差 其它误差,第一节 概述,系统误差（影响） 与卫星有关的误差 星历误差 卫星钟差 相对论效应 与传播途径有关的误差 对流层折射 电离层折射 多路径效应 与接收机有关的误差 接收机钟差 天线相位中心的偏差及变化 各通道间的信号延迟误差 其它 偶然误差,第一节 概述（

18、续）,消除、削弱上述系统误差（影响）的措施和方法 引入参数 建立模型 同步观测值求差 忽略,第二节 与卫星有关的误差（影响）,卫星星历（轨道）误差 卫星钟差 相对论效应,一、卫星星历（轨道）误差,什么是卫星星历（轨道）误差 预报星历（广播星历）与实测星历（精密星历） 应对方法 精密定轨 轨道松驰 相对定位,二、卫星钟差,什么是卫星钟差 物理同步误差与数学同步误差,三、相对论效应,什么是相对论效应 广义相对论效应与狭义相对论效应 相对论效应对卫星钟的影响 应对方法,第三节 与传播途径有关的误差,对流层延迟 电离层延迟 多路径效应,一、电磁波的传播特性,基本特性,一、电磁波的传播特性（续）,传播速

19、度与大气折射 光速：折射率n与折射系（指）数N：相速与群速：,二、大气的结构,对流层 0km40km 各种气体元素、水蒸气和尘埃等 非色（弥）散型介质 电离层 （50）70km以上 带电粒子 色（弥）散型介质,三、对流层折射影响及改正,干分量与湿分量,三、对流层折射影响及改正（续）,对流层改正模型 霍普菲尔德模型,三、对流层折射影响及改正（续）,三、对流层折射影响及改正（续）,其它模型 萨斯塔莫宁模型（Saastamoinen） 勃兰克模型（Black） 气象元素的测定 气象元素：气压、干温、湿温、相对湿度,四、电离层折射影响及改正,电离层折射 对载波的影响对伪距的影响,四、电离层折射影响及改

20、正（续）,四、电离层折射影响及改正（续）,电子密度 与高度有关 与地方时有关 与太阳活动有关 与季节有关 与位置有关,四、电离层折射影响及改正（续）,电离层折射改正 单频改正 Klobuchar模型双频改正,五、多路径效应,什么是多路径效应,五、多路径效应（续）,多路径效应与以下一些因素有关 卫星、接收机、信号反射体三者间的相对位置关系 反射信号的强度（信号反射体的反射率） 接收机处理信号的方法 应对方法 选择测站 避开易发生多路径的环境，如建构筑物、山坡、成片水域等。 长时间观测 改进接收设备硬件 接收机天线 抑径板，Choke Ring 信号处理方法 窄相关技术,五、多路径效应（续）,其它

21、数据处理的方法 模型法 滤波,第四节 与接收设备有关的误差,接收机钟差 天线相位中心偏差和变化 不同信号通道间的信号延迟偏差,一、接收机钟差,什么是接收机钟差 应对方法 模型法 模型的有效性受限于接收机钟的稳定度 参数法 差分法 星间差分,二、天线相位中心偏差和变化,天线相位中心偏差和变化 天线相位中心偏差,二、天线相位中心偏差和变化（续）,天线相位中心的变化 主要随信号的高度角的变化而变化 与信号的方位角关系角小,三、不同信号通道间的信号延迟偏差,信号通道间的信号延迟偏差 如果通道间的信号延迟偏差都相同时，可被钟差吸收。 如果通道间的信号延迟偏差都不相同时，将影响定位精度，以及电离层折射影响

22、的确定。 应对方法 参数法,第五节 其它误差（因素）,地球潮汐 固体潮 负荷潮 海洋负荷潮 大气负荷潮 软件,第四章 GPS静态定位基础,第一节 概述,GPS测量定位的类型,根据定位模式： 单点定位（绝对定位） 相对定位 差分定位,根据定位时接收机天线的运动状态： 静态定位 动态定位,根据定位时效： 实时定位 事后定位,根据观测值类型： 伪距测量 载波相位测量,GPS工作的基本原理（续）,伪距观测方程：,已知值： 卫星位置： 卫星钟差： 待定值： 接收机位置： 接收机钟差：,GPS工作的基本原理（续）,DOP值 GDOP值：,PDOP值：,定位精度：,为等效距离误差,GPS工作的基本原理（续）

23、,载波相位的测定 载波相位观测值,L2载波的测定 半波和全波,GPS工作的基本原理（续）,周跳 整周模糊度 整周模糊度的确定 RATIO值,GPS工作的基本原理（续）,参考系 定位基准：WGS-84 长半轴：6378137m 扁率：1/298.257223563 时间基准：GPS时 GPS周+GPS秒 起点：1980年1月6日,第五节 GPS测量的误差源,GPS测量的误差源,偶然误差 观测误差 C/A码伪距：0.3m 3m P(Y)码伪距：3cm 0.3m 载波相位：0.2mm 2mm,GPS测量的误差源（续）,系统误差 与卫星有关的误差 卫星星历误差 卫星钟差 与传播途径有关的误差 电离层折

24、射 对流层折射 多路径效应,GPS测量的误差源（续）,与接收设备有关的误差 接收机钟差 天线相位中心的偏差,载波相位观测方程,简化的观测方程,：载波相位观测值（cycle）：载波波长（m）：站星距（m）：真空中的光速（m/s）：接收机钟差（s）：卫星钟差（s）,载波相位观测方程（续）,：对流层折射（m）：电离层折射（m）：卫星星历误差（m）：整周模糊度 （cycle）：观测历元时刻,差分观测值,差分方式 站间差分： 消除卫星钟差影响，减弱电离层折射、对流层折射和卫星星历误差的影响 星间差分： 消除接收机钟差影响 历元间差分： 不含整周模糊度参数,差分观测值（续）,差分观测值 单差： 双差： 三

25、差： 实际工作中通常采用双差观测值,第六节 GPS测量定位的类型,GPS测量定位的类型,依定位时的状态 动态定位 静态定位 依定位模式 绝对定位 相对定位 差分定位,GPS测量定位的类型（续）,依定位采用的观测值 伪距测量 载波相位测量 依时效 实时定位 事后定位 依确定整周模糊度的方法及观测时段的长短 常规静态定位 快速静态定位,GPS载波相位相对定位,原始观测值 载波相位 一般方法 观测：同步观测 处理：双差 结果 基线向量： 基线向量的方差协方差阵：,第二部分 GPS测量,第一节 概述,主要内容,布设各类GPS网 放样 测图 地理信息要素的采集 辅助其它测量工作 .,布设GPS网的工作步

26、骤,测前 立项：目的、范围、点位数量与分布、精度要求、成果内容、时限、经费. 技术设计 测绘资料的收集 仪器检定 踏勘、选点埋石,布设GPS网的工作步骤（续）,测中 实地了解测区情况 观测期间卫星状态的预报 确定作业方案 外业观测 内业处理 数据传输、转储 基线解算 质量评估,布设GPS网的工作步骤（续）,测后 结果分析 网平差 质量评估 技术总结 成果验收,第二节 GPS测量规范,目的,指导规范GPS测量工作,内容,精度分级 网的设计要求 选点与埋石的要求 仪器设备 类型要求 检定内容 外业观测及记录要求 数据处理 成果验收与上交资料,规范的种类,全球定位系统GPS测量规范，1992，国家测

27、绘局 全球定位系统城市测量规程，1997，建设部 .,规范的种类（续）,第三节 GPS网的布设,一、概述,GPS网 GPS基线向量网 同步观测：多台接收机同时对同一组卫星进行观测 同步观测基线与独立基线 布设GPS网的目的 提高GPS测量结果的精度和可靠性 进行坐标系统的转换,二、GPS网的类型,根据用途分 大地控制网 城市控制网 工程控制网 测图控制网 形变监测网 . 根据精度划分,1. 精度指标,：网中相邻点弦长精度(mm)； a：固定误差(mm)； b：比例误差(ppm)； D：相邻点间的距离(km)。,2. GPS网的等级,A级网一般为区域或国家框架网、区域动力学网；B级网为国家大地控

28、制网或地方框架网；C级网为地方控制网和工程控制网；D级网为工程控制网；E级网为测图网。 美国联邦大地测量分管委员会（Federal Geodetic Control Subcommittee-FGCS）在1988年公布的GPS相对定位的精度标准中有一个AA级的等级，其要求固定误差3mm，比例误差0.01ppm，此等级的网一般为全球性的坐标框架和地球动力学测量。,三、GPS网的布网形式,跟踪站式 会战式 多基准站式 同步图形扩展式 单基准站式,1. 跟踪站式的布网,形式：若干台接收机长期固定安放在测站上，进行常年、不间断的观测，即一年观测365天，一天观测24小时，这种观测方式很象是跟踪站，因此

29、，这种布网形式被称为跟踪站式（实际上就是跟踪站）。数据处理通常采用精密星历。 优点：精度极高，具有框架基准特性。 缺点：需建立专门的永久性建筑即跟踪站，观测成本很高。 适用范围：一般用于建立GPS跟踪站（AA级网），永久性的的监测网（ 如用于监测地壳形变、大气物理参数等的永久性监测网络）。,2. 会战式的布网,形式：在布设GPS网时，一次组织多台GPS接收机，集中在一段不太长的时间内，共同作业。在作业时，观测分阶段进行，在同一阶段中，所有的接收机，在若干天的时间里分别各自在同一批点上进行多天、长时段的同步观测，在完成一批点的测量后，所有接收机又都迁移到另外一批点上采用相同方式，进行另一阶段的观

30、测，直至所有点观测完毕。 优点：可以较好地消除SA等因素的影响，因而具有特高的尺度精度。 适用范围：用于布设A、B级网。,3.多基准站式的布网,形式：若干台接收机在一段时间里长期固定在某几个点上进行长时间的观测，这些测站称为基准站，在基准站进行观测的同时，另外一些接收机则在这些基准站周围相互之间进行同步观测。 优点：各个基准站之间进行了长时间的观测，因此，可以获得较高精度的定位结果，这些高精度的基线向量可以作为整个GPS网的骨架。另外一方面，其余的进行了同步观测的接收机间除了自身间有基线向量相连外，它们与各个基准站之间也存在有同步观测，因此，也有同步观测基线相连，这样可以获得更强的图形结构。

31、适用范围：C，D。,4.同步图形扩展式的布网,形式：多台接收机在不同测站上进行同步观测，在完成一个时段的同步观测后，又迁移到其它的测站上进行同步观测，每次同步观测都可以形成一个同步图形，在测量过程中，不同的同步图形间一般有若干个公共点相连，整个GPS网由这些同步图形构成。 一个由n台仪器测定的同步图形中： 独立基线的数量为：n-1条总的基线数量为：优点：扩展速度快，图形强度较高，且作业方法简单。 适用范围：C，D。,5.单基准站（星形网）式的布网,形式：以一台接收机作为基准站，在某个测站上连续开机观测，其余的接收机在此基准站观测期间，在其周围流动，每到一点就进行观测，流动的接收机之间一般不要求

32、同步，这样，流动的接收机每观测一个时段，就与基准站间测得一条同步观测基线，所有这样测得的同步基线就形成了一个以基准站为中心得星形。 优点：效率高。 缺点：图形强度弱 适用范围：D，E。,四、同步图形的连接方式,点连式 边连式 网连式 混连式,1. 点连式,形式：相邻的同步图形间只通过一个公共点相连。 优点：作业效率高，图形扩展迅速。 缺点：图形强度低，如果连接点发生问题，将影响到后面的同步图形。,2. 边连式,形式：相邻的同步图形间有一条边（即两个公共点）相连。 优点：作业效率较高，图形强度较强。,3. 网连式,形式：相邻的同步图形间有3个（含3个）以上的公共点相连。 优点：图形强度最强。 缺

33、点：作业效率低。,4. 边点混连式,形式：将点连式与边连式有机结合。 优点：既能保证网的几何强度，提高网的可靠性，又能减少外业工作量，降低成本，因而是一种较为理想的布网方法。 。,五、GPS基线向量网的设计原则,1. 选点的原则,为保证对卫星的连续跟踪观测和卫星信号的质量，要求测站上空应尽可能的开阔，在1015高度角以上不能有成片的障碍物。 为减少各种电磁波对GPS卫星信号的干扰，在测站周围约200m的范围内不能有强电磁波干扰源，如大功率无线电发射设施、高压输电线等。 为避免或减少多路径效应的发生，测站应远离对电磁波信号反射强烈的地形、地物，如高层建筑、成片水域等。 为便于观测作业和今后的应用，测站应选在交通便利，上点方便的地方。 测站应选择在易于保存的地方。,2. 提高可靠性的原则,增加观测期数（增加独立基线数）。 保证一定的重复设站次数。 保证每点与三条以上的独立基线相连。 最小异步环边数不大于6。,3. 提高精度的原则,网中距离较近的点一定要进行同步观测，以获得它们间的直接观测基线。 建立框架网。 最小异步环边数不大于6 。 适当引入高精度测距边。 若要进行高程拟合，水准点密度要高，分布要均匀，且要将拟合区域包围起来。 适当延长观测时间，增加观测时段。 选取适当数量的已知点，已知点分布均匀。,