1、1原理部分原理部分GPSGPS培訓教材勵精科技（上海）有限公司GPS產品部2概論1 為什么要了解GPS？2 歷史和背景3 系統的組成4 GPS衛星5 地面控制站6 用戶設備7 系統現狀8 GPS定位原理9 GPS測量10 小結第一部分第一部分31 為什么要向您推薦 GPSGPSGPS測量與經典測量方法的對比：測量與經典測量方法的對比：不需要相互通視觀測作業不受天氣條件的影響網的質量與點位的分布情況無關能達到大地測量所需要的精度水平白天和夜間均可作業經濟效益顯著4（1 1） GPSGPS測量速度比傳統方法有極為顯著的提高測量速度比傳統方法有極為顯著的提高（2 2）無論作大面積控制和局部測量都是理

2、想的工具）無論作大面積控制和局部測量都是理想的工具 （3 3）從價格上說，她具有更強的市場競爭能力）從價格上說，她具有更強的市場競爭能力（4 4）任何條件下都有充分把握提供足夠的精度）任何條件下都有充分把握提供足夠的精度 所有這一切優越性賓得 GPS 測量系統都得到了顯著證實！GPSGPS測量與經典測量方法的對比：測量與經典測量方法的對比：1 為什么要向您推薦 GPS5 2 歷史和背景GPS是美國軍方研制的第二代衛星導航系統是美國軍方研制的第二代衛星導航系統（1）全球通用（2）24小時可以定位，測速和授時（3）用戶設備成本低廉（4）確保美國軍事安全，服務于全球戰略（5）導航精度可達1020m（

3、6）取代現存各種導航系統 這種設備可以用來武裝戰車，艦船和飛機，提高其作戰能力，并可廣泛用于地面部隊。其作用在海灣戰爭中已得到相當充分的顯示。62 歷史和背景系統特征NNSSGPS載波頻率GHz0.15,0.401.23,1.58衛星高度km100020200衛星數5-621+3衛星周期min1:4711:58衛星鐘穩定度10-1110-13GPS與NNSS的主要特征7系統特征GLONASSGPS載波頻率GHz1.61,1.251.23,1.58衛星高度km1910020200衛星數21+321+3衛星周期h11:1511:58衛星鐘穩定度10-1110-13GPS與GLONASSS的主要特征

4、2 歷史和背景8技術背景（信號組成）技術背景（信號組成）： C/A 碼 L1 P碼和Y碼 L2 防電子欺騙技術（AS） 選擇性服務政策（SA）*SA技術已經于2000年5月取消2 歷史和背景93 GPS 系統的組成全球定位系統（全球定位系統（GPS）由三個主要部分組成）由三個主要部分組成10v24顆衛星（21+3）v6個軌道平面v55軌道傾角v2萬km軌道高度（地面高度）v12小時（恒星時）軌道周期v5個多小時出現在地平線以上（每顆星）4 GPS衛星現在在軌道實際運行的衛星個數超過32個115 地面控制站一個主控站一個主控站：科羅拉多斯必靈司三個注入站：三個注入站：阿松森（Ascencion)

5、 迭哥伽西亞(Diego Garcia) 卡瓦加蘭(kwajalein)五個監測站五個監測站=1個主控站+3個注入站+夏威夷（Hawaii)5555HawaiiAscencionDiego GarciakwajaleinColorado springs12 6 用戶設備1 通用接收機（定位型）：導航型接收機一般情況下無數據輸出的記錄存儲設備（手持機）供電信號信息命令數據供電，控制供電數據控制 13 8 GPS 定位原理（1） 衛星信號結構基準頻率基準頻率10.23MHZ L1L11575 . 42 MHZ C/AC/A碼碼 1.023MHZ P P碼碼 10 . 23MHZL2L21227.6

6、0MHZP P碼碼10.23MHZ101541205050比特比特/S/S衛星信息電文（衛星信息電文（D D碼）碼） 每顆衛星都發射一系列無線電信號（基準頻率每顆衛星都發射一系列無線電信號（基準頻率 ） 兩種載波（兩種載波（L1L1和和L2L2） 兩種碼信號（兩種碼信號（C/AC/A碼和碼和P P碼）碼） 一組導航電文（信息碼，一組導航電文（信息碼，D D碼）碼）14 GPS定位的各種常用的觀測量8 GPS 定位原理-2qL1載波相位觀測值載波相位觀測值qL2載波相位觀測值載波相位觀測值q調制在調制在L1上的上的C/A-code偽距偽距q調制在調制在L2上的上的P-code偽距偽距qDoppl

7、e觀測值觀測值15 對衛星進行測距8 GPS 定位原理3接收機對跟蹤的每一顆衛星進行測距接收機對跟蹤的每一顆衛星進行測距地心SiPijPj riRjRj = ri +Pij有關各觀測量及已知數據如下：有關各觀測量及已知數據如下：r 為已知的衛地矢量P為觀測量（偽距）R為未知的測站點位矢量16-距離觀測值的計算8 GPS 定位原理v 接收機至衛星的距離借助于衛星發射的碼信號量測并計算得到的v 接收機本身按同一公式復制碼信號v 比較本機碼信號及到達的碼信號確定傳播延遲的時間tv 傳播延遲時間乘以光速就是距離觀測值=C t衛星鐘調制的碼信號接收機時鐘復制的碼信號tt178 GPS 定位原理單點定位結

8、果的獲取單點定位解可以理解為一個后方交會問題衛星充當軌道上運動的控制點，觀測值為測站至衛星的偽距（由時延值推算得到）由于接收機時鐘與衛星鐘存在同步誤差所以要同步觀測4顆衛星，解算四個未知參數：緯度 , 經度 , 高程 h , 鐘差 t18GPS定位的誤差源8 GPS 定位原理v 與與GPSGPS衛星有關的因素衛星有關的因素SA技術技術 人為的降低廣播星歷精度（人為的降低廣播星歷精度（技術）技術）衛星星歷誤差衛星星歷誤差衛星鐘差衛星鐘差衛星信號發射天線相位中心偏差衛星信號發射天線相位中心偏差v 與傳播途徑有關的因素與傳播途徑有關的因素電離層延遲電離層延遲對流層延遲對流層延遲多路徑效應多路徑效應v

9、 與接收機有關的因素與接收機有關的因素接收機鐘差接收機鐘差接收機天線相位中心誤差接收機天線相位中心誤差接收機軟件和硬件造成的誤差接收機軟件和硬件造成的誤差199 GPS 測量采用載波相位觀測值發自衛星的電磁波信號：信號量測精度優于波長的1/100載波波長（L1=19cm, L2=24cm)比C/A碼波長 (C/A=293m)短得多所以，GPS測量采用載波相位觀測值可以獲得比偽距（C/A碼或P碼）定位高得多的成果精度L1載波載波L2載波載波C/A碼碼P-碼碼 p=29.3 m L2=24 cm L1=19c m C/A=293 m20 9 GPS 測量可以消去衛星鐘的系統偏差可以消去衛星鐘的系統

10、偏差可以消去接收機時鐘的誤差可以消去接收機時鐘的誤差PikPljPijPjPlkPkSlSi可以消去軌道（星歷）誤差的影響可以消去軌道（星歷）誤差的影響可以削弱大氣折射對觀測值的影響可以削弱大氣折射對觀測值的影響 組成星際站際兩次差分觀測值219 GPS 測量設法解算出初始整周未知數測站對某一衛星的載波相位觀測值由三部分組成 （1）初始整周未知數n；（2） t 0至t i 時刻的整周記數Ci；（3）相位尾數i如果信號沒有失鎖，則每一個觀測值包含同一個初始整周未知數n為了利用載波相位進行定位，必須設法先解算出初始整周未知數，取得總觀測值n+Ci+ iTime (0)AmbiguityTime (

11、i)AmbiguityCounted CyclesPhase Measurement229 GPS 測量弄清楚初始整周未知數的確定與定位精度的關系精精度度m1.000.10 0.01整周未知數確定后整周未知數確定前經典靜態定位經典靜態定位00308058時間（分）時間（分）如果無法準確解出初始整周未知數，則定位精度難以優于如果無法準確解出初始整周未知數，則定位精度難以優于1m隨著初始整周未知數解算精度的提高，定位精度也相應提高隨著初始整周未知數解算精度的提高，定位精度也相應提高一旦初始整周未知數精確獲得，定位精度不再隨時間延長而提高一旦初始整周未知數精確獲得，定位精度不再隨時間延長而提高經典靜

12、態定位需要經典靜態定位需要30-80分鐘觀測才能求定初始整周未知數分鐘觀測才能求定初始整周未知數 快速靜態定位將這個過程縮短到快速靜態定位將這個過程縮短到5-8分鐘分鐘(雙頻接收機雙頻接收機)快速靜態定位快速靜態定位23偽距差分這是應用最廣的一種差分。在基準站上，觀測所有衛星，根據基準站已知坐標和各衛星的坐標，求出每顆衛星每一時刻到基準站的真實距離。再與測得的偽距比較，得出偽距改正數，將其傳輸至用戶接收機，提高定位精度。這種差分，能得到米級定位精度，如沿海廣泛使用的“信標差分”24載波相位差分v載波相位差分技術又稱RTK（Real Time Kinematic）技術，是實時處理兩個測站載波相位

13、觀測量的差分方法。即是將基準站采集的載波相位發給用戶接收機，進行求差解算坐標。v載波相位差分可使定位精度達到厘米級。大量應用于動態需要高精度位置的領域。2526GPSGPS用戶培訓教材GPS測量常用坐標介紹271.WGS-84 WGS-84坐標是GPS所采用的坐標系統，GPS發布的星歷參數是基于此坐標系的WGS-84的橢球參數： a=6378137m 1/f=298.257223563282.北京-54 北京-54坐標是目前我國使用比較廣泛的大地測量坐標系，參考橢球是克拉索夫斯基橢球。其高程是以1956年黃海平均海水面為基準。北京-54的橢球參數： a=6378245m 1/f=298.329

14、3.CHINA-80 CHINA-80坐標是目前我國新建的大地測量坐標系，其高程是以1956年黃海平均海水面為基準。CHINA-80的橢球參數： a=6378140m 1/f=298.25730GPSGPS用戶培訓教材GPS靜態定位在測量中的應用31 GPS靜態定位主要用于建立各級控制網其優點如下：定位精度高，其基線的相對精度非常高選點靈活、不需要造標、費用低全天候作業觀測時間短觀測處理自動化GPS靜態定位的主要應用領域：32GPS測量前應該考慮的問題：33布網方法： GPS網的精度指標，通常以網中相鄰點之間的距離誤差來表示的，其具體形式如下：=a2 + (bd)2距離中誤差（mm） a固定誤

15、差(mm)b比例誤差系數(ppm) d相鄰點的距離（Km）充分考慮建立GPS控制網的應用范圍 采用分級布網的原則 GPS測量的精度標準34v國家測繪局制訂的我國國家測繪局制訂的我國“GPS測量規范測量規范”將將GPS的的精度分為精度分為AE五級（見下表）。其中五級（見下表）。其中A、B兩級一兩級一般是國家般是國家GPS控制網。控制網。C、D、E三級是針對局部性三級是針對局部性GPS網規定的。網規定的。35表一表一GPS測量精度分級測量精度分級36表二表二GPS測量精度分級測量精度分級37表三GPS網中相鄰點間距離 38 坐標系統與起算數據包括位置基準、方位基準和尺度基準。 GPS點的高程應使一

16、定數量的GPS點與水準點重合或對部分GPS點聯測水準。 選點原則與點位標志39 設計的一般原則：設計的一般原則：J 應通過獨立觀測邊構成閉合圖形，以增加檢核條件，提高網的可靠性。應通過獨立觀測邊構成閉合圖形，以增加檢核條件，提高網的可靠性。J 應盡量與原有地面控制網相重合，重合點一般不少于應盡量與原有地面控制網相重合，重合點一般不少于3個，且分布均勻。個，且分布均勻。J 應考慮與水準點相重合應考慮與水準點相重合 ，或在網中布設一定密度的水準聯測點。，或在網中布設一定密度的水準聯測點。J 點應設在視野開闊和容易到達的地方，聯測方向。點應設在視野開闊和容易到達的地方，聯測方向。J 可在網點附近布設

17、一通視良好的方位點，以建立聯測方向。可在網點附近布設一通視良好的方位點，以建立聯測方向。 根據根據GPS測量的不同用途，測量的不同用途，GPS網的獨立觀測邊均應構成一定的幾網的獨立觀測邊均應構成一定的幾何圖形，基本形式有：何圖形，基本形式有：I三角形網三角形網I環形網環形網I星形網星形網40三角形網三角形網優點：優點： 圖形幾何結構強，具有良好的自檢能力，經平差后網中相鄰點間基線向量的精度均勻。缺點：缺點： 觀測工作量大。 只有在網的精度和可靠性要求比較高時，才單獨采用這種圖形。41環形網環形網優點：優點： 觀測工作量較小，且具有較好的自檢性和可靠性。缺點：缺點： 非直接觀測基線邊（或間接邊）

18、精度較直接觀測邊低，相鄰點間的基線精度分布不均勻。是大地測量和精密工程測量中普遍采用的圖形。通常采用上述兩種圖形的混合圖形。42星形網星形網優點：優點： 觀測中只需要兩臺GPS接收機，作業簡單。缺點：缺點： 幾何圖形簡單，檢驗和發現粗差能力差。 廣泛用于工程測量、邊界測量、地籍測量和碎部測量等。43GPSGPS用戶培訓教材RTK野外實測操作44_ 對這項工程進行仔細的全面規劃設計對這項工程進行仔細的全面規劃設計_ 考慮作業過程中應設點的數量以及所需的精度考慮作業過程中應設點的數量以及所需的精度_ 考慮聯測已有的控制點考慮聯測已有的控制點_ 考慮將結果轉換成地方坐標考慮將結果轉換成地方坐標_ 考

19、慮最佳的觀測路線和計算路線考慮最佳的觀測路線和計算路線_ 對于高精度的測量，應將路線布設得盡可能的短對于高精度的測量，應將路線布設得盡可能的短_ 使用臨時參考站使用臨時參考站_ 考慮獨立檢核的需要考慮獨立檢核的需要: 在不同的觀測時段中在一個點上設站兩次在不同的觀測時段中在一個點上設站兩次 閉合環閉合環 在點間觀測獨立基線在點間觀測獨立基線_ 考慮使用兩個參考站考慮使用兩個參考站_ 在良好的觀測窗口下觀測在良好的觀測窗口下觀測_ 考慮可在夜間觀測較長的路線考慮可在夜間觀測較長的路線全面規劃設計全面規劃設計45參考站參考站周圍沒有反射面，不致引起多路徑效應在 15 截止高度角以上不存在障礙物安全

20、避開過往行人和車輛，盡可能將接收機設置在毋須人員照看的地方附近不應該有強輻射源（如無線電臺、電視發射天線等）可靠的電源供應足夠的內存容量正確的配置參數 (觀測類型、記錄速率)檢查天線高和偏差46流動站流動站F在 15 截止高度角以上不存在障礙物F障礙物應不遮擋信號F周圍沒有反射面，不致引起多路徑效應F附近不應該有強輻射源F可靠的電源供應F足夠的內存容量F正確的配置參數 (觀測類型、記錄速率)F檢查天線高和偏差F在良好的窗口下觀測F觀察 GDOP = 8F使用準動態指示器作為指南F填寫外業手簿47經驗提示經驗提示v認真檢查基座的整平和對中設施是否完好v正確地整平和對中v檢查高度讀數和天線偏差v高

21、程出錯將影響整個測量結果!v用無線電通訊設備保持參考站和流動站之間的聯系v為了取得最高的精度指標，應考慮傳感器的定向48野外手簿野外手簿v點標識: 日期:v傳感器序列號: 作業員：v控制器序列號:v記憶卡編號:v設站類型:v天線高讀數:v天線高偏差:v跟蹤開始時間:v跟蹤結束時間:v觀測歷元數:v觀測衛星數:vGDOP:v導航定位解: 經度. 緯度. 高程v備注:49解釋和存儲結果v對于不超過限值(20Km)的基線,整周未知數應能成功解算出來v對于超過限值(20Km)的基線,不解算整周未知數而采用L3解v對于不超過限值(20Km)的基線:v使用FARA整周未知數搜索技術v進行快速靜態測量v已解

22、算出整周未知數(A=Y):vFARA 找到最或然解，結果一般應滿足技術指標v未解算出整周未知數(A=N):提供浮點解v結果若超出技術指標, 檢查記錄文件，考慮增加先驗標準差并重新計算50解釋和存儲成果（續）v對于超過限值(20Km)的基線:v采用靜態法而不用FARA L3 解, v不解算整周未知數，若采集足夠的觀測數據，結果一般應滿足技術指標v長基線需要長時間觀測v檢查兩次定位解, 獨立基線等v存儲滿足精度要求的結果v若有多組解時坐標取中數51臨時參考站v從效率和精度出發，最好從幾個臨時參考站觀測短基線而不要從一個中心點觀測長基線。v 例子vR.臨時參考站v舉例:v用靜態或或快速靜態的方法建立

23、6個臨時參考站v采用兩次定位或互相獨立的基線檢核臨時參考站組成的網v從臨時參考站出發用快速靜態輻射狀基線測定的新點v考慮關鍵點的檢核52數據輸入和計算v數據傳輸時檢查和編輯修改:v點標識v高度讀數和天線偏差v起始點的 WGS 84 坐標v備份原始數據和項目v仔細考慮以下的因素:v如何最佳計算網v至少需要一個點的 WGS 84 精度在10米左右v同現有的控制網的聯接v轉換地方坐標的需求v計算臨時參考點構成的網v計算從臨時參考站出發的新點v長基線v短基線v數據處理參數53選擇良好的窗口v適合快速靜態的窗口v4 顆以上的衛星，高度角大于 15 vGDOP = 8v當可能時:v5 顆以上的衛星vGDO

24、P = 4v高度角大于20 v避免峰值期間觀測v用衛星的空間軌跡圖檢查障礙物，若某顆衛星被擋住重新計算v小心4顆或5顆衛星中高度角小于 20 的兩顆衛星54時間和基線長度v觀測時間取決于:v基線長度v衛星數v衛星幾何圖形(GDOP)v電離層v電離層擾動隨時間、日夜、月、年、地點而變化v靜態或快速靜態最短觀測時間不要少于15分鐘。v作為一個經驗，基線觀測時間應該是基線長度每公里5分鐘加上最短15分鐘。v若（快速）靜態單頻數據只有9分鐘，SKI-Pro缺省情況下不解算整周未知數。v一旦正確解算出整周未知數，通常基線精度在5-10mm+2ppm左右。55基線長與同步觀測時間長短的關系大概不同基線長所

25、需時間如下v12公里 4560分鐘v25公里 6090分鐘v510公里 90120分鐘v1020公里 120分鐘以上v單頻GPS一般只測20公里以內的基線56v 采用相對定位方法采用相對定位方法v GPS測量不要求各點之間互相通視測量不要求各點之間互相通視v GPS測量可以全天候進行測量可以全天候進行v 觀測時間短觀測時間短v GPS測量的數據是自動記錄的測量的數據是自動記錄的采用相對定位方法采用相對定位方法57在計算基線向量時，除根據一定的指標對計算結果進行檢查外，一般還進 行以下幾項檢核：1. 同步多邊形閉合差的檢查同步多邊形閉合差的檢查 n邊形環閉合差應滿足：WX = Xi n Wy =

26、 Yi n Wz = Zi n W = WX2 + Wy 2+ Wz 2 為相應級別規定的觀測精度（按平均邊長算）同步多邊形閉合差的檢查同步多邊形閉合差的檢查582.重復觀測邊的檢查重復觀測邊的檢查 同一條邊任意兩個時段的結果互差應小于GPS接收機標稱精度的 2 2 倍。593.非同步觀測多邊形閉合差的檢查非同步觀測多邊形閉合差的檢查由若干條獨立的GPS邊構成的非同步觀測 n 邊形環閉合差的檢查 。Wx 3 n Wy 3 n Wz 3 n 4. GPS測量的外部檢查60 影響基線解算結果的因素主要有以下幾條：a 基線解算時所設定的起點坐標不準確a 起點坐標不準確，會導致基線出現尺度和方向上的偏

27、差。a 少數衛星的觀測時間太短，導致這些衛星的整周未知數無法準確確定a 當衛星的觀測時間太短時，會導致與該顆衛星有關的整周未知數無法準確確定，而對與基線解算來講，對于參與計算的衛星，如果與其相關的整周未知數沒有準確確定的話，就將影響整個a 在整個觀測時段里，有個別時間段里周跳太多，致使周跳修復不完善a 在觀測時段內，多路徑效應比較嚴重，觀測值的改正數普遍較大對流層或電離層折射影響過大影響基線解算結果的因素主要有以下幾條：61影響影響GPS基線解算結果的判別基線解算結果的判別b 概述概述對于影響GPS基線解算結果因素，有些是較容易判別的，如衛星觀測時間太短、周跳太多、多路徑效應嚴重、對流層或電離

28、層折射影響過大等；但對于另外一些因素卻不好判斷了，如起點坐標不準確。b 基線起點坐標不準確的判別基線起點坐標不準確的判別對于由起點坐標不準確所對基線解算質量造成的影響，目前還沒有較容易的方法來加以判別，因此，在實際工作中，只有盡量提高起點坐標的準確度，以避免這種情況的發生。62b 衛星觀測時間短的判別衛星觀測時間短的判別關于衛星觀測時間太短這類問題的判斷比較簡單，只要查看觀測數據的記錄文件中有關對與每個衛星的觀測數據的數量就可以了。b 周跳太多的判別周跳太多的判別對于衛星觀測值中周跳太多的情況，可以從基線解算后所獲得的觀測值殘差上來分析。處理軟件采用的是雙差觀測值，當在某測站對某顆衛星的觀測值

29、中含有未修復的周跳時，與此相關的所有雙差觀測值的殘差都會出現顯著的整數倍的增大。63b 多路徑效應嚴重、對流層或電離層折射影響過大的判多路徑效應嚴重、對流層或電離層折射影響過大的判別別對于多路徑效應、對流層或電離層折射影響的判別，我們也是通過觀測值殘差來進行的。不過與整周跳變不同的是，當多路徑效應嚴重、對流層或電離層折射影響過大時，觀測值殘差不是象周跳未修復那樣出現整數倍的增大，而只是出現非整數倍的增大，一般不超過1周，但卻又明顯地大于正常觀測值的殘差。64應對措施應對措施b 基線起點坐標不準確的應對方法基線起點坐標不準確的應對方法要解決基線起點坐標不準確的問題，可以在進行基線解算時，使用坐標準確度較高的點作為基線解