1、原理2、我國GPS測量的常用坐標系3、GPS靜態定位在測量中的應用4、南方測繪NG100一體化測量系統5、GPS高程GPS測量教學電子教案2/4/20231第一部分原理1GPS測量的特點2GPS的歷史和背景3GPS系統的組成4GPS衛星5GPS地面控制站6GPS用戶設備7GPS系統現狀8GPS定位原理9GPS測量10

小結2/4/202321GPS測量的特點GPS測量與經典測量方法的對比1：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2/4/20233(1)

GPS測量效率比傳統方法有極大的提高(2)無論作大面積控制和局部測量都是理想的儀器(3)價格上具有更強的市場競爭能力(4)任何條件下都有充分把握提供足夠的精度GPS測量與經典測量方法的對比2：2/4/20234

2GPS的歷史和背景GPS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10—20m(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，其作用已經在海灣戰爭中得到充分展示。2/4/20235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10-1110-12GPS與NNSS的主要特征比較2/4/20236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的主要特征比較2/4/20237技術背景(信號組成)：

C/A碼L1P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2/4/202383GPS系統的組成全球定位系統(GPS)由三個主要部分組成空間部分：提供星歷和時間信息發射偽距和載表信號提供其它輔助信息地面控制部分：

中心控制系統實現時間同步跟蹤衛星進行定軌用戶部分：

接收并測衛星信號記錄處理數據提供導航定位信息2/4/2023924顆衛星(21+3)6個軌道平面55o軌道傾角2萬km軌道高度(地面高度)12小時(恒星時)軌道周期5個多小時出現在地平線以上(每顆星)4GPS衛星目前軌道上實際運行的衛星個數已經超過了32顆2/4/2023105GSP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(DiegoGarcia)

卡瓦加蘭(kwajalein)五個監測站=1個主控站+3個注入站+夏威夷(Hawaii)55HawaiiAscencionDiegoGarciakwajaleinColoradosprings2/4/202311

6GPS用戶設備測地型GPS接收機導航型GSP接收機一般情況下無數據輸出的記錄存儲設備(手持機)天線前置放大器電源部分射電部分微處理器數據存器顯示控制器供電信號信息命令數據供電，控制供電數據控制2/4/202312

8GPS定位原理

衛星信號結構基準頻率10.23MHZ

L11575.42MHZ

C/A碼

1.023MHZP?碼

10.23MHZL21227.60MHZP?碼10.23MHZ1015412050比特/S衛星信息電文(D碼)每顆衛星都發射一系列無線電信號(基準頻率?)

兩種載波(L1和L2)

兩種碼信號(C/A碼和P碼)一組導航電文(信息碼，D碼)2/4/202313L1載波相位觀測值L2載波相位觀測值調制在L1上的C/A-code偽距調制在L2上的P-code偽距Dopple(多普勒)觀測值2/4/202314

對衛星進行測距

GPS定位的各種常用觀測量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：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2/4/202315距離觀測值的計算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接收機本身按同一公式復制碼信號比較本機碼信號及到達的碼信號確定傳播延遲時間t傳播延遲時間乘以光速就得到距離觀測值=C?t衛星鐘調制的碼信號接收機時鐘復制的碼信號tt2/4/202316單點定位結果的獲取單點定位解可以理解為一個測邊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(由時間延遲計算得到)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

,大地高程h,鐘差t2/4/202317GPS定位的誤差源與GPS衛星有關的因素SA技術：人為的降低廣播星歷精度(ε技術，2000年5月取消)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2/4/202318距離觀測值的計算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接收機本身按同一公式復制碼信號比較本機碼信號及到達的碼信號確定傳播延遲的時間t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tt2/4/2023199GPS測量(1)采用載波相位觀測值衛星廣播的電磁波信號：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)定位高得多的測距精度L1載波L2載波C/A碼P-碼

p=29.3

m

L2=24

cm

L1=19c

m

C/A=293

m2/4/202320可以消去衛星鐘的系統偏差可以消去接收機時鐘的誤差PikPljPijPjPlkPkSlSi可以消去軌道(星歷)誤差的影響可以削弱大氣折射對觀測值的影響(2)組成星際站際兩次差分觀測值2/4/202321(3)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)t0至ti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(i)AmbiguityCountedCyclesPhaseMeasurement2/4/202322(4)弄清楚初始整周未知數的確定與定位精度的關系精度m1.000.100.01整周未知數確定后整周未知數確定前經典靜態定位00308058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±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態定位需要30-80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5-8分鐘(雙頻接收機)快速靜態定位2/4/202323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”2/4/202324載波相位差分載波相位差分技術又稱RTK(RealTimeKinematic)技術，是實時處理兩個測站載波相位觀測量的差分方法。即是將基準站采集的載波相位發送給用戶接收機，進行求差解算坐標。載波相位差分可使定位精度達到厘米級，已經大量應用于需要點位高精度的動態測量領域。2/4/202325第二部分我國GPS測量的常用坐標系1.WGS-84WGS-84坐標是GPS所采用的坐標系統，GPS發布的星歷參數都是基于此坐標系的。

WGS-84的橢球參數：

a=6378137m1/f=298.2572235632.1954北京坐標系1954北京坐標系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。克拉索夫斯基橢球參數：

a=6378245m

1/f=298.32/4/2023263.1980西安坐標系1980西安坐標系是我國新建的大地測量坐標系，參考橢球是IUGG1975橢球，其高程是以1956年黃海平均海水面為基準。

IUGG1975橢球參數：

a=6378140m1/f=298.2572/4/202327GPS培訓教案－－GPS靜態定位在測量中的應用2/4/202328

GPS靜態定位主要用于建立各級測量控制網，其優點為：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第三部分GPS靜態定位在測量中的應用1、GPS靜態定位的主要應用領域2/4/202329在15o截止高度角以上不存在障礙物周圍沒有反射面，不致引起多路徑效應安全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)檢查天線高和偏差儀器的正確檢測2、GPS測量前注意事項2/4/2023303、GPS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+(b·d)2—距離中誤差(mm)a—固定誤差(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2/4/202331國家測繪局1992年制訂的我國第一部“GPS測量規范”將GPS的精度分為A—E五級(見下表)。其中A、B兩級一般是國家GPS控制網。C、D、E三級是針對局部性GPS網規定的。2/4/202332

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

2/4/202333

GPS網設計的一般原則

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。

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。

點應設在視野開闊和容易到達的地方，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GPS測量的不同用途，GPS網的獨立觀測邊均應構成一定的幾何圖形，基本形式有：三角形網環形網星形網2/4/202334(1)、三角形網優點：

圖形幾何結構強，具有較多的檢核條件，平差后網中相鄰點間基線向量的精度比較均勻。缺點：

觀測工作量大。一般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。2/4/202335(2)、環形網優點：

觀測工作量較小，且具有較好的自檢性和可靠性。缺點：

非直接觀測基線邊(或間接邊)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。2/4/202336(3)、星形網優點：

觀測中只需要兩臺GPS接收機，作業簡單。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。2/4/202337特點：單鍵操作，簡單明了質量可靠，基于國內首臺靜態GPS數據傳輸采用標準化RS-232C接口野外性能極佳，防水耐低溫可與各種GPS進行聯測解算數據存儲可靠，可長期斷電保存數據數據存儲量大，可長期連續進行數據采集第四部分

NGS100一體化測量系統2/4/202338對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

考慮聯測已有的控制點

考慮將結果轉換成地方坐標

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

使用臨時參考站

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

閉合環

在點間觀測獨立基線

考慮使用兩個參考站

在良好的觀測窗口下觀測

考慮可在夜間觀測較長的路線1、全面規劃設計2/4/2023392、參考站周圍沒有反射面，不致引起多路徑效應在15o截止高度角以上不存在障礙物安全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2/4/2023403、流動站在15o截止高度角以上不存在障礙物障礙物應不遮擋信號周圍沒有反射面，不致引起多路徑效應附近不應該有強輻射源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)檢查天線高和偏差在良好的窗口下觀測衛星幾何強度因子

GDOP≤8使用準動態指示器作為指南填寫外業手簿2/4/2023414、經驗提示認真檢查基座的整平和對中設施是否完好正確地整平和對中檢查高度讀數和天線偏差高程出錯將影響整個測量結果!用無線電通訊設備保持參考站和流動站之間的聯系為了取得最高的精度指標，應考慮傳感器的定向2/4/2023425、野外記錄手簿內容點標識:日期:傳感器序列號:作業員：控制器序列號:記憶卡編號:設站類型:天線高讀數:天線高偏差:跟蹤開始時間:跟蹤結束時間:觀測歷元數:觀測衛星數:GDOP:導航定位解:經度.緯度.高程2/4/2023436、解釋和存儲結果對于不超過限值(20Km)的基線,整周未知數應能成功解算出來對于超過限值(20Km)的基線,不解算整周未知數而采用L3解對于不超過限值(20Km)的基線:

使用FARA整周未知數搜索技術

進行快速靜態測量

已解算出整周未知數(A=Y):

FARA找到最或然解，結果一般應滿足技術指標

未解算出整周未知數(A=N):提供浮點解

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2/4/202344對于超過限值(20Km)的基線:

采用靜態法而不用FARAL3解, 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

長基線需要長時間觀測檢查兩次定位解,獨立基線等存儲滿足精度要求的結果若有多組解時坐標取中數2/4/2023457、臨時參考站從效率和精度出發，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。例子R….臨時參考站舉例:用靜態或或快速靜態的方法建立6個臨時參考站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從臨時參考站出發用快速靜態輻射狀基線測定的新點考慮關鍵點的檢核2/4/2023468、數據輸入和計算數據傳輸時檢查和編輯修改:

點標識

高度讀數和天線偏差

起始點的WGS84坐標備份原始數據和項目仔細考慮以下的因素:

如何最佳計算網

至少需要一個點的

WGS84精度在10米左右

同現有的控制網的聯接

轉換地方坐標的需求

計算臨時參考點構成的網

計算從臨時參考站出發的新點

長基線

短基線

數據處理參數2/4/2023479、選擇良好的窗口適合快速靜態的窗口4顆以上的衛星，高度角大于15o

GDOP≤8當可能時:5顆以上的衛星

GDOP≤4

高度角大于20o避免峰值期間觀測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小心4顆或5顆衛星中高度角小于20o的兩顆衛星2/4/20234810、時間和基線長度觀測時間取決于:

基線長度

衛星數

衛星幾何圖形(GDOP)

電離層電離層擾動隨時間、日夜、月、年、地點而變化，靜態或快速靜態最短觀測時間不要少于15分鐘。根據實踐經驗，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。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。一旦正確解算出整周未知數，通常基線精度在5-10mm+2ppm左右。2/4/20234911、基線長與同步觀測時間

長短的關系根據經驗，不同基線長所需同步觀測時間如下：1~2公里45~60分鐘2~5公里60~90分鐘5~10公里90~120分鐘10~20公里120分鐘以上單頻GPS一般只測20公里以內的基線2/4/202350

采用相對定位方法

GPS測量不要求各點之間相互通視

GPS測量可以全天候進行觀測時間短

GPS測量的數據是自動記錄的12、采用相對定位方法2/4/202351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

n邊形環閉合差應滿足：

WX=Xi

≤—n

Wy

=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)2.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22倍。13、同步多邊形閉合差的檢查2/4/2023523.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

3n

Wy

3n

Wz

3n4.GPS測量的外部檢查2/4/202353

基線解算時所設定的起點坐標不準確起點坐標不準確，會導致基線出現尺度和方向上的偏差。

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14、影響基線解算結果的因素

主要有以下幾條：2/4/202354影響GPS基線解算結果的判別

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。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。2/4/202355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。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。2/4/202356

多路徑效應嚴重、對流層或電離層折射影響過大的判別對于多路徑效應、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。2/4/202357應對措施

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