1、1、原理、原理2、我国、我国GPS测量的常用坐标系测量的常用坐标系3、GPS静态定位在测量中的应用静态定位在测量中的应用4、南方测绘、南方测绘NG100一体化测量系一体化测量系统统5、GPS高程高程GPSGPS测量教学电子教案12/8/20221第一部分 原理1 GPS测量的特点2 GPS的历史和背景3 GPS系统的组成4 GPS卫星5 GPS地面控制站6 GPS用户设备7 GPS系统现状8 GPS定位原理9 GPS测量10 小结12/8/202221 GPS测量的特点GPSGPS测量与经典测量方法的对比测量与经典测量方法的对比1 1：不需要相互通视观测作业不受天气条件的影响网的质量与点位的分
2、布情况无关能达到大地测量所需要的精度水平白天和夜间均可作业经济效益显著12/8/20223(1)(1)GPSGPS测量效率比传统方法有极大的提高测量效率比传统方法有极大的提高(2)(2)无论作大面积控制和局部测量都是理想的仪器无论作大面积控制和局部测量都是理想的仪器 (3)(3)价格上具有更强的市场竞争能力价格上具有更强的市场竞争能力(4)(4)任何条件下都有充分把握提供足够的精度任何条件下都有充分把握提供足够的精度GPSGPS测量与经典测量方法的对比测量与经典测量方法的对比2 2：12/8/20224 2 GPS的历史和背景GPS是美国军方研制的第二代卫星导航系统是美国军方研制的第二代卫星导
3、航系统 (1)全球通用 (2)24小时可以定位，测速和授时 (3)用户设备成本低廉 (4)确保美国军事安全，服务于全球战略 (5)导航精度可达1020m (6)取代现存各种导航系统 这种设备可以用来武装战车，舰船和飞机，提高其作战能力，并可广泛用于地面部队，其作用已经在海湾战争中得到充分展示。12/8/20225系统特征NNSSGPS载波频率GHz0.15,0.401.23,1.58卫星高度km100020200卫星数5-621+3卫星周期min1:4711:58卫星钟稳定度10-1110-12GPS与NNSS的主要特征比较12/8/20226系统特征GLONASSGPS载波频率GHz1.61
4、,1.251.23,1.58卫星高度km1910020200卫星数21+321+3卫星周期h11:1511:58卫星钟稳定度10-1110-13GPS与GLONASSS的主要特征比较12/8/20227技术背景技术背景(信号组成信号组成)：C/A 码 L1 P码和Y码 L2 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12/8/202283 GPS 系统的组成全球定位系统全球定位系统(GPS)由三个主要部分组成由三个主要部分组成12/8/20229 24颗卫星(21+3)6个轨道平面 55轨道倾角 2万km轨道高度(地面高度)12小时(恒星时)轨道周期 5个多
5、小时出现在地平线以上(每颗星)4 GPS卫星目前轨道上实际运行的卫星个数已经超过了32颗12/8/2022105 GSP地面控制站一个主控站一个主控站：科罗拉多斯必灵司三个注入站：三个注入站：阿松森(Ascencion)迭哥伽西亚(Diego Garcia)卡瓦加兰(kwajalein)五个监测站五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii)5555HawaiiAscencionDiego GarciakwajaleinColorado springs12/8/202211 6 GPS用户设备测地型GPS接收机导航型GSP接收机一般情况下无数据输出的记录存储设备(手持机)供电信号信
6、息命令数据供电，控制供电数据控制 12/8/202212 8 GPS定位原理 卫星信号结构基准频率基准频率10.23MHZ L1L11575.42MHZ C/AC/A码码 1.023MHZ P P码码 10.23MHZL2L21227.60MHZP P码码10.23MHZ101541205050比特比特/S S卫星信息电文卫星信息电文(D D码码)每颗卫星都发射一系列无线电信号每颗卫星都发射一系列无线电信号(基准频率基准频率)两种载波两种载波(L1L1和和L2)L2)两种码信号两种码信号(C/AC/A码和码和P P码码)一组导航电文一组导航电文(信息码，信息码，D D码码)12/8/20221
7、3qL1载波相位观测值载波相位观测值qL2载波相位观测值载波相位观测值q调制在调制在L1上的上的C/A-code伪距伪距q调制在调制在L2上的上的P-code伪距伪距qDopple(多普勒多普勒)观测值观测值12/8/202214 对卫星进行测距 GPS定位的各种常用观测量接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距地心SiPijPj riRjRj=ri+Pij有关各观测量及已知数据如下：有关各观测量及已知数据如下：r 为已知的卫地矢量P为观测量(伪距)R为未知的测站点位矢量12/8/202215距离观测值的计算v 接收机至卫星的距离借助于卫星发射的码信号量测并计算得到的v
8、 接收机本身按同一公式复制码信号v 比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟时间tv 传播延迟时间乘以光速就得到距离观测值=C t卫星钟调制的码信号接收机时钟复制的码信号tt12/8/202216单点定位结果的获取单点定位解可以理解为一个测边后方交会问题卫星充当轨道上运动的控制点，观测值为测站至卫星的伪距(由时间延迟计算得到)由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差，所以要同步观测4颗卫星，解算四个未知参数：纬度 ,经度 ,大地高程 h,钟差 t12/8/202217GPS定位的误差源v 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，2000年5月取消)卫星星历误差卫星钟差卫星信号发
9、射天线相位中心偏差v 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v 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12/8/202218距离观测值的计算v 接收机至卫星的距离借助于卫星发射的码信号量测并计算得到的v 接收机本身按同一公式复制码信号v 比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟的时间tv 传播延迟时间乘以光速就是距离观测值=C t卫星钟调制的码信号接收机时钟复制的码信号tt12/8/2022199 GPS 测量(1)采用载波相位观测值卫星广播的电磁波信号：信号量测精度优于波长的1/100载波波长(L1=19cm,L2=24cm)比C/A码波长
10、(C/A=293m)短得多所以，GPS测量采用载波相位观测值可以获得比伪距(C/A码或P码)定位高得多的测距精度L1载波载波L2载波载波C/A码码P-码码 p=29.3 m L2=24 cm L1=19c m C/A=293 m12/8/202220可以消去卫星钟的系统偏差可以消去卫星钟的系统偏差可以消去接收机时钟的误差可以消去接收机时钟的误差PikPljPijPjPlkPkSlSi可以消去轨道可以消去轨道(星历星历)误差的影响误差的影响可以削弱大气折射对观测值的影响可以削弱大气折射对观测值的影响(2)组成星际站际两次差分观测值12/8/202221(3)设法解算出初始整周未知数测站对某一卫星
11、的载波相位观测值由三部分组成测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成 (1)(1)初始整周未知数初始整周未知数n n；(2)t 0(2)t 0至至t i t i 时刻的整周记数时刻的整周记数CiCi；(3)(3)相位尾数相位尾数 i i如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初始整周未知数如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初始整周未知数n n为了利用载波相位进行定位，必须设法先解算出初始整周未知数，取为了利用载波相位进行定位，必须设法先解算出初始整周未知数，取得总观测值得总观测值n+n+C Ci i+i iTime(0)AmbiguityTime(i)AmbiguityCounte
12、d CyclesPhase Measurement12/8/202222(4)弄清楚初始整周未知数的确定与定位精度的关系精精度度m1.000.10 0.01整周未知数确定后整周未知数确定前经典静态定位经典静态定位00308058时间时间(分分)如果无法准确解出初始整周未知数，则定位精度难以优于如果无法准确解出初始整周未知数，则定位精度难以优于1m随着初始整周未知数解算精度的提高，定位精度也相应提高随着初始整周未知数解算精度的提高，定位精度也相应提高一旦初始整周未知数精确获得，定位精度不再随时间延长而提高一旦初始整周未知数精确获得，定位精度不再随时间延长而提高经典静态定位需要经典静态定位需要30
13、-80分钟观测才能求定初始整周未知数分钟观测才能求定初始整周未知数 快速静态定位将这个过程缩短到快速静态定位将这个过程缩短到5-8分钟分钟(双频接收机双频接收机)快速静态定位快速静态定位12/8/202223伪距差分这是应用最广的一种差分。在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较，得出伪距改正数，将其传输至用户接收机，提高定位精度。这种差分，能得到米级定位精度，如沿海广泛使用的“信标差分”12/8/202224载波相位差分 载波相位差分技术又称RTK(Real Time Kinematic)技术，是实时处理两个测站载
14、波相位观测量的差分方法。即是将基准站采集的载波相位发送给用户接收机，进行求差解算坐标。载波相位差分可使定位精度达到厘米级，已经大量应用于需要点位高精度的动态测量领域。12/8/202225第二部分 我国GPS测量的常用坐标系1.WGS-84 WGS-84坐标是GPS所采用的坐标系统，GPS发布的星历参数都是基于此坐标系的。WGS-84的椭球参数：a=6378137m 1/f=298.2572235632.1954北京坐标系 1954北京坐标系是目前我国使用比较广泛的大地测量坐标系，参考椭球是克拉索夫斯基椭球。其高程是以1956年黄海平均海水面为基准。克拉索夫斯基椭球参数：a=6378245m
15、1/f=298.312/8/2022263.1980西安坐标系 1980西安坐标系是我国新建的大地测量坐标系，参考椭球是IUGG1975椭球，其高程是以1956年黄海平均海水面为基准。IUGG1975椭球参数：a=6378140m 1/f=298.25712/8/202227GPSGPS培训教案GPS静态定位在测量中的应用12/8/202228 GPS静态定位主要用于建立各级测量控制网，其优点为：定位精度高，其基线的相对精度非常高选点灵活、不需要造标、费用低全天候作业观测时间短观测处理自动化第三部分 GPS静态定位在测量中的应用1、GPS静态定位的主要应用领域12/8/2022292、GPS测
16、量前注意事项12/8/2022303、GPS布网方法 GPS网的精度指标，通常以网中相邻点之间的距离误差来表示的，其具体形式如下：=a2 +(bd)2距离中误差(mm)a固定误差(mm)b比例误差系数(ppm)d相邻点的距离(Km)充分考虑建立GPS控制网的应用范围 采用分级布网的原则 GPS测量的精度标准12/8/202231 国家测绘局1992年制订的我国第一部“GPS测量规范”将GPS的精度分为AE五级(见下表)。其中A、B两级一般是国家GPS控制网。C、D、E三级是针对局部性GPS网规定的。级别 项目ABCDE固定误差 a(mm)=5=8=10=10=10比例误差系数 b(ppm)=0
17、.1=1=5=10=20相邻点最小距离(Km)10015521相邻点最大距离(Km)2000250401510相邻点平均距离(Km)300701510 1055212/8/202232 坐标系统与起算数据包括位置基准、方位基准和尺度基准。GPS点的高程应使一定数量的GPS点与水准点重合或对部分GPS点联测水准。选点原则与点位标志12/8/202233 GPS网设计的一般原则网设计的一般原则J 应通过独立观测边构成闭合图形，以增加检核条件，提高网的可靠性。J 应尽量与原有地面控制网相重合，重合点一般不少于3个，且分布均匀。J 应考虑与水准点相重合，或在网中布设一定密度的水准联测点。J 点应设在视
18、野开阔和容易到达的地方，联测方向。J 可在网点附近布设一通视良好的方位点，以建立联测方向。根据GPS测量的不同用途，GPS网的独立观测边均应构成一定的几何图形，基本形式有：I三角形网I环形网I星形网12/8/202234(1)、三角形、三角形网网优点：优点：图形几何结构强，具有较多的检核条件，平差后网中相邻点间基线向量的精度比较均匀。缺点：缺点：观测工作量大。一般只有在网的精度和可靠性要求比较高时，才单独采用这种图形。12/8/202235(2)、环形网、环形网优点：优点：观测工作量较小，且具有较好的自检性和可靠性。缺点：缺点：非直接观测基线边(或间接边)精度较直接观测边低，相邻点间的基线精度
19、分布不均匀。是大地测量和精密工程测量中普遍采用的图形，通常采用上述两种图形的混合图形。12/8/202236(3)、星形网、星形网优点：优点：观测中只需要两台GPS接收机，作业简单。缺点：缺点：几何图形简单，检验和发现粗差能力差。广泛用于工程测量、边界测量、地籍测量和碎部测量等。12/8/202237q特点：q单键操作，简单明了q质量可靠，基于国内首台静态 GPSq数据传输采用标准化RS-232C接口q野外性能极佳，防水耐低温q可与各种GPS进行联测解算q数据存储可靠，可长期断电保存数据q数据存储量大，可长期连续进行数据采集v第四部分 NGS100一体化测量系统12/8/202238_ 对工程
20、进行仔细的全面规划设计_ 考虑作业过程中应设点的数量以及所需的精度_ 考虑联测已有的控制点_ 考虑将结果转换成地方坐标_ 考虑最佳的观测路线和计算路线_ 对于高精度的测量，应将路线布设得尽可能的短_ 使用临时参考站_ 考虑独立检核的需要:在不同的观测时段中在一个点上设站两次 闭合环 在点间观测独立基线_ 考虑使用两个参考站_ 在良好的观测窗口下观测_ 考虑可在夜间观测较长的路线1、全面规划设计、全面规划设计12/8/2022392、参考站、参考站 周围没有反射面，不致引起多路径效应 在 15 截止高度角以上不存在障碍物 安全避开过往行人和车辆，尽可能将接收机设置在毋须人员照看的地方 附近不应该
21、有强辐射源(如无线电台、电视发射天线等)可靠的电源供应 足够的内存容量 正确的配置参数(观测类型、记录速率)检查天线高和偏差12/8/2022403、流动站、流动站F在 15 截止高度角以上不存在障碍物F障碍物应不遮挡信号F周围没有反射面，不致引起多路径效应F附近不应该有强辐射源F可靠的电源供应F足够的内存容量F正确的配置参数(观测类型、记录速率)F检查天线高和偏差F在良好的窗口下观测F卫星几何强度因子 GDOP8F使用准动态指示器作为指南F填写外业手簿12/8/2022414、经验提示、经验提示认真检查基座的整平和对中设施是否完好正确地整平和对中检查高度读数和天线偏差高程出错将影响整个测量结
22、果!用无线电通讯设备保持参考站和流动站之间的联系为了取得最高的精度指标，应考虑传感器的定向12/8/2022425、野外记录手簿内容、野外记录手簿内容点标识:日期:传感器序列号:作业员：控制器序列号:记忆卡编号:设站类型:天线高读数:天线高偏差:跟踪开始时间:跟踪结束时间:观测历元数:观测卫星数:GDOP:导航定位解:经度.纬度.高程12/8/2022436、解释和存储结果对于不超过限值(20Km)的基线,整周未知数应能成功解算出来对于超过限值(20Km)的基线,不解算整周未知数而采用L3解对于不超过限值(20Km)的基线:使用FARA整周未知数搜索技术进行快速静态测量 已解算出整周未知数(A
23、=Y):FARA 找到最或然解，结果一般应满足技术指标 未解算出整周未知数(A=N):提供浮点解 结果若超出技术指标,检查记录文件，考虑增加先验标准差并重新计算12/8/202244对于超过限值(20Km)的基线:采用静态法而不用FARA L3 解,不解算整周未知数，若采集足够的观测数据，结果一般应满足技术指标 长基线需要长时间观测检查两次定位解,独立基线等存储满足精度要求的结果若有多组解时坐标取中数12/8/2022457、临时参考站从效率和精度出发，最好从几个临时参考站观测短基线而不要从一个中心点观测长基线。例子R.临时参考站举例:用静态或或快速静态的方法建立6个临时参考站采用两次定位或互
24、相独立的基线检核临时参考站组成的网从临时参考站出发用快速静态辐射状基线测定的新点考虑关键点的检核12/8/2022468、数据输入和计算数据传输时检查和编辑修改:点标识高度读数和天线偏差起始点的 WGS 84 坐标备份原始数据和项目仔细考虑以下的因素:如何最佳计算网至少需要一个点的 WGS 84 精度在10米左右同现有的控制网的联接转换地方坐标的需求计算临时参考点构成的网计算从临时参考站出发的新点长基线短基线数据处理参数12/8/2022479、选择良好的窗口适合快速静态的窗口 4 颗以上的卫星，高度角大于 15 GDOP8当可能时:5 颗以上的卫星 GDOP 4 高度角大于20 避免峰值期间
25、观测用卫星的空间轨迹图检查障碍物，若某颗卫星被挡住重新计算小心4颗或5颗卫星中高度角小于 20 的两颗卫星12/8/20224810、时间和基线长度观测时间取决于:基线长度卫星数卫星几何图形(GDOP)电离层电离层扰动随时间、日夜、月、年、地点而变化，静态或快速静态最短观测时间不要少于15分钟。根据实践经验，基线观测时间应该是基线长度每公里5分钟加上最短15分钟。若(快速)静态单频数据只有9分钟，SKI-Pro缺省情况下不解算整周未知数。一旦正确解算出整周未知数，通常基线精度在5-10mm+2ppm左右。12/8/20224911、基线长与同步观测时间长短的关系根据经验，不同基线长所需同步观测
26、时间如下：12公里 4560分钟25公里 6090分钟510公里 90120分钟1020公里 120分钟以上单频GPS一般只测20公里以内的基线12/8/202250v 采用相对定位方法采用相对定位方法v GPS测量不要求各点之间相互通视测量不要求各点之间相互通视v GPS测量可以全天候进行测量可以全天候进行v 观测时间短观测时间短v GPS测量的数据是自动记录的测量的数据是自动记录的1212、采用相对定位方法、采用相对定位方法12/8/202251在计算基线向量时，除根据一定的指标对计算结果进行检查外，一般还进 行以下几项检核：1.同步多边形闭合差的检查同步多边形闭合差的检查 n边形环闭合差
27、应满足：WX =Xi n Wy =Yi n Wz =Zi n W=WX2+Wy 2+Wz 2 为相应级别规定的观测精度(按平均边长算)2.重复观测边的检查重复观测边的检查 同一条边任意两个时段的结果互差应小于GPS接收机标称精度的 2 2 倍。1313、同步多边形闭合差的检查、同步多边形闭合差的检查12/8/2022523.非同步观测多边形闭合差的检查非同步观测多边形闭合差的检查由若干条独立的GPS边构成的非同步观测 n 边形环闭合差的检查。Wx 3 n Wy 3 n Wz 3 n 4.GPS测量的外部检查12/8/202253 基线解算时所设定的起点坐标不准确a 起点坐标不准确，会导致基线出
28、现尺度和方向上的偏差。a 少数卫星的观测时间太短，导致这些卫星的整周未知数无法准确确定a 当卫星的观测时间太短时，会导致与该颗卫星有关的整周未知数无法准确确定，而对与基线解算来讲，对于参与计算的卫星，如果与其相关的整周未知数没有准确确定的话，就将影响整个a 在整个观测时段里，有个别时间段里周跳太多，致使周跳修复不完善a 在观测时段内，多路径效应比较严重，观测值的改正数普遍较大对流层或电离层折射影响过大14、影响基线解算结果的因素主要有以下几条：12/8/202254影响影响GPS基线解算结果的判别基线解算结果的判别b 概述概述对于影响GPS基线解算结果因素，有些是较容易判别的，如卫星观测时间太
29、短、周跳太多、多路径效应严重、对流层或电离层折射影响过大等；但对于另外一些因素却不好判断了，如起点坐标不准确。b 基线起点坐标不准确的判别基线起点坐标不准确的判别对于由起点坐标不准确所对基线解算质量造成的影响，目前还没有较容易的方法来加以判别，因此，在实际工作中，只有尽量提高起点坐标的准确度，以避免这种情况的发生。12/8/202255b 卫星观测时间短的判别卫星观测时间短的判别关于卫星观测时间太短这类问题的判断比较简单，只要查看观测数据的记录文件中有关对与每个卫星的观测数据的数量就可以了。b 周跳太多的判别周跳太多的判别对于卫星观测值中周跳太多的情况，可以从基线解算后所获得的观测值残差上来分
30、析。处理软件采用的是双差观测值，当在某测站对某颗卫星的观测值中含有未修复的周跳时，与此相关的所有双差观测值的残差都会出现显著的整数倍的增大。12/8/202256b 多路径效应严重、对流层或电离层折射影响过大的判多路径效应严重、对流层或电离层折射影响过大的判别别对于多路径效应、对流层或电离层折射影响的判别，我们也是通过观测值残差来进行的。不过与整周跳变不同的是，当多路径效应严重、对流层或电离层折射影响过大时，观测值残差不是象周跳未修复那样出现整数倍的增大，而只是出现非整数倍的增大，一般不超过1周，但却又明显地大于正常观测值的残差。12/8/202257应对措施应对措施b 基线起点坐标不准确的应
31、对方法基线起点坐标不准确的应对方法要解决基线起点坐标不准确的问题，可以在进行基线解算时，使用坐标准确度较高的点作为基线解算的起点，较为准确的起点坐标可以通过进行较长时间的单点定位或通过与WGS-84坐标较准确的点联测得到；也可以采用在进行整网的基线解算时，所有基线起点的坐标均由一个点坐标衍生而来，使得基线结果均具有某一系统偏差，然后，再在GPS网平差处理时，引入系统参数的方法加以解决。b 卫星观测时间短的应对方法卫星观测时间短的应对方法若某颗卫星的观测时间太短，则可以删除该卫星的观测数据，不让它们参加基线解算，这样可以保证基线解算结果的质量。12/8/202258b 周跳太多的的应对方法周跳太
32、多的的应对方法若多颗卫星在相同的时间段内经常发生周跳时，则可采用删除周跳严重的时间段的方法，来尝试改善基线解算结果的质量；若只是个别卫星经常发生周跳，则可采用删除经常发生周跳的卫星的观测值的方法，来尝试改善基线解算结果的质量。b 多路径效应严重多路径效应严重由于多路径效应往往造成观测值残差较大，因此，可以通过缩小编辑因子的方法来剔除残差较大的观测值；另外，也可以采用删除多路径效应严重的时间段或卫星的方法。12/8/202259b 对流层或电离层折射影响过大的应对方法对流层或电离层折射影响过大的应对方法 对于对流层或电离层折射影响过大的问题，可以采用下列方法：提高截止高度角，剔除易受对流层或电离
33、层影响的低高度角观测数据。但这种方法，具有一定的盲目性，因为，高度角低的信号，不一定受对流层或电离层的影响就大。分别采用模型对对流层和电离层延迟进行改正。如果观测值是双频观测值，则可以使用消除了电离层折射影响的观测值来进行基线解算。12/8/202260第四部分GPS高程q 1、测量中常用的高程系统有大地高系统、正高系统、正常高系统大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统。某点的大地高是该点到参考椭球面的垂直距离。大地高也称为椭球高。一般用H 表示正高系统是以大地水准面为基准面的高程系统。某点的正高是该点到大地水准面的垂直距离，一般用符号Hg 表示。正常高系统是以似大地水准面为基准面的高程系统。某点的正常高是该点到似大地水准面的垂直距离12/8/2022612、高程系统间的转换 似大地水准面到参考椭球面的距离称为高程异常，似大地水准面不规则，造成了各地高程异常值的不确定性。12/8/2022623、GPS高程的方法在国内一般适用高程拟合法求水准高。已知点为一个把已知点上的高程异常改正到其它点上去已知点为两个定义了高程平差面，此平面沿着直线方向前进已知点为三个定义了高程平差面多于三个二次曲面拟合定义了曲面12/8/202263
