1、GPS測量的 原 理與應 用基 本 原 理 GPS基礎教程 GPS基礎教程傳 統 測 量 技 術 的 缺 陷GPS 優 勢GPS 的 主 要 特 性 GPS 系 統 的 組 成距 離 測 定 的 基 本 原 理點 位 測 定 的 基 本 原 理GPS 的 信 號 結 構測 距 碼 偽 距 測 量載 波相 位 測 量選 擇 可 用 性 技 術 Selective Availability(SA)誤 差 來 源差 分 GPS(初始)整 周 未 知 數整 周 未 知 數 的 解 算 精 度 因 子要 點 小 結索引 第一部分與 傳 統 的 陸 上 測 量 技 術 相 比 GPS 具 有 許 多 優

2、勢 傳 統 大 地 測 量 技 術 依 賴 于 測 站 點 至 目 標 點 的 通 視 情 況如 果 視 線 方 向 有 障 礙 物， 則 必 須 繞 道 測 量 一 般來說 傳 統 方 式 的 距 離 測 量 被 限 制 在 5 Km 左 右氣 候 因 素 限 制 著 傳 統 測 量 的 運 作。如 霧，雨 等 傳 統 測 量 技 術 的 缺 陷 GPS基礎教程不 受 氣 候 條 件 的 限 制無 須 通 視 要 求可 進 行 高 精 度 大 地 測 量能 實 現 全 天 候 測 量 運 作省 時 省 力經 濟 效 益 明 顯坐 標 系 統 通 用應 用 領 域 廣 泛具 有 競 爭 力 的

3、 價 格 GPS 優 勢 GPS基礎教程GPS 系 統 的 完 善 受 控 于美 國 國 防 部GPS 系 統 可 提 供精 確 導 航導 航 精 度 約 為 10 - 20 m全 球 信 號 覆 蓋24 小 時 工 作 服 務普 通 座 標 系 統 中 的 測 量 工作計 劃 用 GPS 系 統 取 代 現 有 的 導 航 系 統GPS 系 統 可 應 用 于 民 用 及軍 事 領 域GPS 的 主 要 特 性 GPS基礎教程控 制 部 分 1 個 主 控 站 5 個 監 控 站空 間 部 分 導 航 衛 星 : 導 航 信 息 衛 星 時 和 衛 星 鐘 24 顆 衛 星 20200 Km

4、用 戶 設 備 部 分 接 受 衛 星 信 號GPS 系統的組成 GPS基礎教程 空 間 部 分 24 顆 衛 星分 布 在 互 為 55 度 交 角 的 6 個 軌 道 平 面 上， 每 個 軌 道 面 上 布 有 4 顆 衛 星衛 星 高 約 20200 Km 12 小 時 繞 軌 道 一 周 可 見 時 間 為 4-5 小 時設計壽命為 7.5 年衛 星 種類 區 分Block 1(一 代),Block 2, 2A(二 代), Block 2R，2 F(三 代)赤 道 55 GPS基礎教程24顆衛星(21+3)6個軌道平面55軌道傾角20200km軌道高度(地面高度)12小時(恒星時)軌

5、道周期5個多小時出現在地平線以上(每顆星)目前在軌實際運行的衛星個數已經超過32顆4 GPS衛星 控 制 部 分 主 控 站負 責 收 集 由 監 控 站 傳 來 的 衛 星 跟 蹤 數 據 并 計 算 衛 星 星 歷 和 時 間 參 數5 個 監 控 站負 責 對 衛 星 偽 距 數 據 的 觀 測，這 一 衛 星 跟 蹤 監 測 網 用 于 確 定 衛 星 廣 播 星 歷 及 衛 星 鐘 模 式地 面 控 制 站負 責 向 衛 星 注入信 號 GPS基礎教程5 地面控制站一個主控站：科羅拉多斯必靈司三個注入站：阿松森(Ascencion) 迭哥伽西亞(Diego Garcia) 卡瓦加蘭(

6、kwajalein)五個監測站=1個主控站+3個注入站+夏威夷(Hawaii)55HawaiiAscencionDiego GarciakwajaleinColorado springs 距 離 測 定 原 理 XllVl Xl lll GPS基礎教程XllVlXllllllllVVVllVlllXlX距 離 測 定 原 理 GPS基礎教程XllVlXllllVll距 離 測 定 原 理 GPS基礎教程XllVlXllllllllVVVllVlllXlX距離 = 傳播時間 x 光速距 離 測 定 原 理 GPS基礎教程我 們 必 定 在 以 R1 為 半 徑 的 球 面 的 某 個 點 上R1

7、 點 位 測 定 原 理 GPS基礎教程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 GPS基礎教程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 GPS基礎教程衛 星 可 被 看 作 是 在 固 定 的 軌 道 上 運 動 空 中 觀 測 目 標每 顆 衛 星 播 發 獨 立 的 時 間 碼 進 行 距 離 測 量常 規 GPS 接 收 儀 內 置 較 為 廉 價 的 鐘，這 些 鐘 的 計 時 精度 比 衛 星 上 內 置 鐘 的 精 度 低

8、得 多無 線 電 電 波 以 光 速 傳 播( 距 離 = 光 速 x 時 間)設 想 一 下 接 收 儀 上 鐘 的 誤 差 對 距 離 測 定 的 影 響1/10 秒 的 測 時 誤 差 將 引 起 30,000 Km 的 距 離 誤 差1/1,000,000 秒 的 測 時 誤 差 將 引 起 300 m 的 距 離 誤 差點 位 測 定 原 理 GPS基礎教程4 段 距 離 解 決 了 緯 度，經 度，高 程 和 時 間 四 個 未 知 數這 就 類 似 于 測 邊 交 會 問 題 的 解 決 原 理 點 位 確 定 GPS基礎教程 GPS 的 信 號 結 構 每 個 GPS 衛 星

9、播 發 一 組 信 號每 組 信 號 包 括 兩 個 不 同 頻 率 的 載 波 信 號 (L1 和 L2)、兩 個 不 同 的 測 距 碼 信 號 (C/A 碼 調 制 在 L1 載 波 上，P 碼 或 Y 碼 同 時 調 制 在 L1 及 L2 載 波 上) 以 及 衛 星 的 軌 道 信 息 基 準 頻 率10.23 MHzx 154x 120L11575.42 MHzL21227.60 MHzC/A 碼1.023 MHzP (Y) 碼10.23 MHzP (Y)-Code10.23 MHz/1050 bit/s衛 星 信 悉 ( 狀 態 信 悉 和 星 歷 ) GPS基礎教程 測 距

10、碼 偽 距 測 定 D = V (dT)測 距 偽 隨 機 碼 每 一 衛 星 播 發 一 個 偽 隨 機 測 距 碼 信 號，該 信 號 大 約 每 1 毫 秒 播 發 一 次接 收 儀 同 時 復 制 出 一 個 同 樣 結 構的 信 號 并 與 接 收 到 的 衛 星 信 號 進行 比 較由 信 號 的 延 遲 時 間 (dT) 推 算 出 衛 星 至 接 收 儀 的 距 離接 收 儀 時 鐘 應 與 衛 星 鐘 校 時dT 接 收 到 的衛 星 測 距 碼 接 收 儀復 制 出 的 測 距 碼 GPS基礎教程D = c TN 載 波 相 位 測 距 載 波 相 位 觀 測載 波 L1

11、的 波 長 為 19 cm ，L2 的 波 長為 24 cm 接 收 儀 將 接 收 到 的 衛 星 載 波 信 號的 相 位 與 其 自 身 產 生 的 參 考 載 波信 號 的 相 位 進 行 比 較接 收 儀 開 機 后，相 位 整 周 數 未 知 (帶 有 整 周 模 糊 度 )跟 蹤 衛 星 時 間 較 長 時 距 離 的 變 化可 以 測 定 ( 整 周 數 保 持 不 變 )T接 收 到 的 衛 星 相 位接 收 儀 復 制 出 的 相 位 GPS基礎教程 點 位 測 定 精 度 10 - 30 m單 機 定 位 用 于 導 航，其 定 位 精 度 大 約 在 10 到 30m

12、左 右 GPS基礎教程P = 正確位置P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月取消理 論 上 利 用 C/A 碼 可 獲 取 10 - 30m 的 定 位 精 度30m100m GPS基礎教程+/- 100m (95%)美 國 防 部 人為 降 低 衛 星 廣 播 信 息的 精 度，限 制 非 許 可 用 戶的 非 法 使 用在 基 準 信 號 上 人 為 加 入 一 個 高 頻 抖 動 信 號(技術)人 為 降 低 衛 星 星 歷 精 度 (技 術)此 項 技 術 稱 為 選 擇 可 用 性 技 術點 位 精 度 為 100 m (95%)P = 正 確

13、位 置 P理 論 上 基 于 C/A 碼 的 定 位 精 度約 為 10 - 30m 選 擇 可 用 性 技 術 (SA) 30m100m GPS基礎教程 點 位 測 定 精 度 10 - 100 m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GPS基礎教程GPS定位的誤差源8 GPS 定位原理與GPS衛星有關的因素SA技術 人為的降低廣播星歷精度(技術)衛星星歷誤差衛星鐘差衛星信號發射天線相位中心偏差與傳播途徑有關的因素電離層延遲對流層延遲多路徑效應與接收機有關的因素接收機鐘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如 何 提 高 GPS的測 量

14、精 度 ?使 用差 分 GPS 技 術 GPS基礎教程 差 分 定 位 技 術 在 測 定 流 動 站 的 座 標 時 與 之 相 關 聯 的 參 考 站 的 設 置 是 必 須 的 參 考 站 (A) 的 座 標 須 已知衛 星 必 須 同 時 被 跟 蹤差 分 定 位削 減 衛 星 及 接 收 儀 鐘的 誤 差 影 響大 氣 影 響 削 減 至 最 小精 度 達 0.5 cm - 5 mBaseline VectorBA GPS基礎教程偽 距 差 分 測 量 精 度 可 達 0.5m - 5 m 此 種 測 量 形 式 一 般 稱 為 DGPS基 線 向 量 差 分 定 位 技 術 BA

15、GPS基礎教程RTD測量原理圖測深儀電腦發射電臺GPS主機基準站移動站GPS主機接收電臺測深儀電腦信標臺站移動站GPS主機信標機測量原理圖信標天線如 果 使 用 載 波 差 分 或 同 時 使 用 載 波 差分 及 偽 距 差 分 則 定位 精 度 可 達 5 - 10 mm + 1ppm基 線 向 量差 分 定 位 技 術 BA GPS基礎教程常規GPS的測量方法，如靜態、快速靜態、動態測量都需要事后進行解算才能獲得厘米級的精度，而RTK是能夠在野外實時得到厘米級定位精度的測量方法，它采用了載波相位動態實時差分(Real - time kinematic)方法，是GPS應用的重大里程碑，它的

16、出現為工程放樣、地形測圖，各種控制測量帶來了新曙光，極大地提高了外業作業效率。RTK定位時要求基準站接收機實時地把觀測數據(偽距觀測值，相位觀測值)及已知數據傳輸給流動站接收機。什么是RTK技術發射電臺GPS主機基準站移動站GPS主機RTK測量原理圖采集器接收電臺時間 (0)整周數時間 (i)整周數整周變化數相位差測量 整 周 模 糊 度 在 使 用 載 波 相 位 觀 測 時 整 周 數 應 被 解 算 出 來相位差測量GPS基礎教程精度 (m)1.000.100.01靜態測量 0 120快速靜態測量 0 2 5 時間 (mins) 未解算出整周模糊度時的測量精度 已解算出整周模糊度時的測量

17、精度 解 算 整 周 模 糊 度 整 周 模 糊 度 的 解 算 效 果 如 下 所 示注 意 到 一 旦 模 糊 度 被 解 出，測 量 精 度 將 不 隨 時 間 有 明顯 增 長 GPS基礎教程一 種 描 述 純 粹 因 衛 星 幾 何 因 素 對 定 點 精 度 的 影 響精 度 因 子 指 出 在 測 量 時 被 跟 蹤 衛 星 幾 何 結 構 上 的 強 度GDOP (Geometrical) 包 括 經 度, 緯 度, 高 程 和 時 間 等 因 子， 稱 為 幾 何 精 度 因 子PDOP (Positional)包 括 經 度, 緯 度 和 高 程 等 因 子，稱 為 空 間 位 置 精 度 因 子HDOP (Horizontal)包 括 經 度 和 緯 度 等 因 子，稱 為平 面 位 置 精 度 因 子VDOP (Vertical)僅 包 括 高 程 因 子，稱 為 高 程 精 度 因 子精 度 因 子 (DOP)較好的 DOP GPS基礎教程 精 度 因 子 (DOP) 較差的 DOP一 種 描 述 純 粹 因 衛 星 幾 何 因 素 對 定 點 精 度 的 影