最新-第十讲GPS数据处理2-PPT课件.ppt

1、1第十五章 GPS高程测量2水准面：它是一个重力等位能面，是进行水准测量的基准面。如图，由于地面上的重力加速度和物质的分布情况有关，因此重力加速度并不是处处相等的，这就造成水准面之间是不平行的。在进行实地的水准测量时，都是以垂线为基准进行整平的，因此所测得的高差就是各相邻水准面之间的距离。3由于相邻水准面的不平行性，导致水准测量所经路线不同，水准测量的结果也将不同。4gHmggdHgH1gHmrgdHrH15高程系统高程系统 在测量中常用的高程系统有大地高系统、正高系统和正常高系统。一、大地高系统一、大地高系统：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通过该点的参考椭球

2、的法线与参考椭球面的交点间的距离。大地高也称为椭球高，大地高一般用符号H表示。大地高是一个纯几何量，不具有物理意义，同一个点，在不同的基准下，具有不同的大地高。二、正高系统二、正高系统：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通过该点的铅垂线与大地水准面的交点之间的距离，正高用符号Hg表示。三、正常高三、正常高：正常高系统是以似大地水准面为基准的高程系统。某点的正常高是该点到通过该点的铅垂线与似大地水准面的交点之间的距离，正常高用Hr表示。6四、四、高程系统之间的转换关系高程系统之间的转换关系 大地水准面到参考椭球面的距离，称为大地水准面差距，记为hg。似大地水准面到参考椭

3、球面的距离，称为高程异常，记为。v大地高与正高之间的关系可以表示为：v大地高与正常高之间的关系可以表示为：gghHHrHH7 GPS 测高程的方法测高程的方法 由于采用GPS观测所得到的是大地高，为了确定出正高或正常高，需要有大地水准面差距hg或高程异常数据。一、一、等值线图法等值线图法：从高程异常图或大地水准面差距图分别查出各点的高程异常或大地水准面差距hg，然后分别采用下面两式可计算出正常高Hr和正高Hg。HHhHHrgg8在采用等值线图法确定点的正常高和正高时要注意以下几个问题：1、注意等值线图所适用的坐标系统，在求解正常高或正高时，要采用相应坐标系统的大地高数据。2、采用等值线图法确定

4、正常高或正高，其结果的精度在很大程度上取决于等值线图的精度。9二、二、多项式平面拟合法多项式平面拟合法 1 1、基本原理基本原理：所谓高程拟合法就是利用在范围不大的区域中，高程异常具有一定的几何相关性这一原理，采用数学方法，求解正高、正常高或高程异常。将高程异常表示为下面多项式的形式：零次多项式：一次多项式：二次多项式：其中：n为GPS网的点数。10利用公共点上GPS测定的大地高和水准测量测定的正常高计算出该点上的高程异常，存在一个这样的公共点，就可以依据上式列出一个方程：若共存在m个这样的公共点，则可列出m个方程。dLdBadLadBadLadBaammmmmm52423210若m的个数大于

5、3个，则可以列出相应的误差方程为iiiiiiiidLdBadLadBadLadBaaV5242321011从而组成误差方程组通过最小二乘法可以求解出多项式的系数：P为权阵，它可以根据水准高程和GPS所测得的大地高的精度来加以确定。TmvvvV.21TmL.21122 2、注意事项、注意事项（1）适用范围：上面介绍的高程拟合的方法，是一种纯几何的方法，因此，一般仅适用于高程异常变化较为平缓的地区（如平原地区），其拟合的准确度可达到一个分米以内。对于高程异常变化剧烈的地区（如山区），这种方法的准确度有限，这主要是因为在这些地区，高程异常的已知点很难将高程异常的特征表示出来。（2）选择合适的高程异常

6、已知点：所谓高程异常的已知点的高程异常值一般是通过水准测量测定正常高、通过GPS测量测定大地高后获得的。在实际工作中，一般采用在水准点上布设GPS点或对GPS点进行水准联测的方法来实现，为了获得好的拟合结果要求采用数量尽量多的已知点，它们应均匀分布，并且最好能够将整个GPS网包围起来。13（3）高程异常已知点的数量：若要用零次多项式进行高程拟合时，要确定1个参数，因此，需要1个以上的已知点；若要采用一次多项式进行高程拟合，要确定3个参数，需要3个以上的已知点；若要采用二次多项式进行高程拟合，要确定6个参数，则需要6个以上的已知点。（4）分区拟合法：若拟合区域较大，可采用分区拟合的方法，即将整个

7、GPS网划分为若干区域，利用位于各个区域中的已知点分别拟合出该区域中的各点的高程异常值，从而确定出它们的正常高。下图是一个分区拟合的示意图，拟合分两个区域进行，以虚线为界，位于虚线上的已知点两个区域都采用。14四、移动曲面法 对待插点建立权函数：权的引入是为了在移动时根据待插点到已知点的距离给出各已知点的不同的影响程度，两点越近影响越大、它并不像测量平差中的权是由误差定义的。目前在DEM中广泛使用的权函数有：15一般对某一待插点 ，若已知点满足可利用用这些已知点参加内插，则称以待插点为圆心，半径为R的圆形移动窗口曲面内插。设移动到第J个内插点时，欲利用落入该点移动窗口内的m个数据点的高程异常（

8、i 1,2,m），以下列多项式计算第j个待插点的高程异常值。16在m个已知点上建立误差方程 式中，令：17应用最小二乘原理 可得法方程 据此求出各个系数，进而求得高程异常。18三、地球重力场模型法 地球重力场模型是根据卫星跟踪数据。地面重力数据、卫星测高数据等重力场信息、由地球扰动位的球谐函数级数展开式求高程异常。由物理大地测量学地面点扰动位T与该点引力位V和正常引力位U之间的关系为 TVU 式中，为地面点的正常重力值。正常重力值和正常引力位U可以精确计算，因此只耍给出地面点的引力位V，就可求出地面点的高程异常 V一般用球谐级数展开式计算。/T19四、重力场模型与GPS水准相结合 这方法的基本

9、思路是：在GPS水准点上，将由GPS大地高程和水准正常求得的高程异常与由重力场模型求得的高程异常进行比较，求出该地面点的两种高程异常的差值然后再采用曲面拟合方法，由公井点的平面坐标和 求其他点的 ；由此计算GPS网中未测水准点的正常高程实验表明：这种重力场模型与GPS水准相结合的方法是提高高程精度的一条有效途径。mmrHH20第八章 GPS接收机218.1GPS接收机及其分类1.GPS接收机的基本概念GPS用户设备主要包括GPS接收机及其天线、微处理机及其终端设备以及电源等。其中接收机和天线是核心部分，习惯上统称为GPS接收机。主要功能是接收GPS卫星发射的信号，并进行处理，获取导航电文和必要

10、的观测量。22GPS接收机的结构如图所示天线前置放大器信号处理器微处理器导航计算机震荡器用户信息传输数据存储器外部传输电源23GPS接收机的主要结构组成：天线（带前置放大器）信号处理器：用于信号识别与处理微处理器：用于接收机的控制、数据采集和导航计算用户信息传输：包括操作板、显示板等精密震荡器：产生标准频率电源24GPS接收机按构成部分的性质和功能划分：硬件部分：上述的各种设备。软件部分：支持接收机硬件实现其功能，并完成各种导航和测量任务的程序。包括内软件和外软件。所谓内软件是指诸如控制接收机信号通道，按时序对各卫星信号进行量测的软件，以及固化在中央处理器中自动操作程序等。此类软件已与接收机融

11、为一体。外软件是指处理观测数据的软件系统，一般以磁盘方式提供。无特别说明，通常所指的软件均指外软件。252.接收机类型（1）按工作原理划分：码相关型接收机：能够产生与所测卫星测距码结构完全相同的复制码。利用的是C/A码或P码，条件是掌握测距码结构，也称有码接收机。平方型接收机：利用载波信号的平方技术去掉调制码，获得载波相位测量所必需的载波信号。该机只利用卫星信号，无需解码，不必掌握测距码结构，称无码接收机。混合型接收机：综合利用了码相关技术和平方技术的优点，同时获得码相位和精密载波相位观测量。目前广泛使用。26（2）根据接收机信号通道类型划分：多通道接收机：具有多个卫星信号通道，每个通道只连续

12、跟踪一个卫星信号。也称连续跟踪型接收机。序贯通道接收机：只有1-2个信号通道，为了跟踪多个卫星，在相应软件控制下按时序依次对各卫星信号进行跟踪量测。依次量测一个循环所需时间较长（大于20ms），对卫星信号的跟踪是不连续的。多路复用通道接收机：与序贯通道接收机相似，也只有1-2个信号通道，在相应软件控制下按时序依次对各卫星信号进行跟踪量测。依次量测一个循环所需时间较短（小于20ms），可保持对卫星信号的连续跟踪。27（3）根据所接收的卫星信号频率划分：单频接收机（L1）：只接收调制的L1信号，虽然可利用导航电文提供的参数，对观测量进行电离层影响修正，但由于修正模型尚不完善，精度较差，主要用于小于

13、20km的短基线精密定位。双频接收机（L1+L2）：同时接受L1、L2两种信号，利用双频技术，可消除或减弱电离层折射对观测量的影响，定位精度较高。28（4）按接收机用途划分：导航型：用于确定船舶、车辆、飞机等运载体的实时位置和速度，保障按预定路线航行或选择最佳路线。一般采用测码伪距为观测量的单点实时定位或差分GPS（RTDGPS）定位，精度低，结构简单，价格便宜，应用广泛。测量型接收机：采用载波相位观测量进行相对定位，精度高。观测数据可测后处理或实时处理（RTK），需配备功能完善的数据处理软件。与导航型相比，结构复杂，价格昂贵。授时型接收机：主要用于天文台或地面监控站，进行时频同步测定。298

14、.2GPS接收机通道的概念接收机信号通道可理解为GPS卫星发射的信号经由天线进入接收机的路径。当接收机的全向天线接收到所有来自天线水平面以上的卫星信号之后，必须首先将这些信号隔离开来，以便进行处理和量测通过接收机内若干分离信号的通道来实现。通道是由硬件和相应的软件组成。每个通道在某一时刻只能跟踪一颗卫星的一种频率信号，当接收机需同时跟踪多个卫星信号时，原则上可采用两种跟踪方式：30一是接收机具有多个分离的硬件通道，每个通道都可连续的跟踪一个卫星信号；二是一个信号通道在相应软件的作用下，跟踪多个卫星信号。根据跟踪卫星信号的方式不同，通道的类型分为：序贯通道（sequencing channel）

15、多路复用通道（multiplexing channel）多通道（multi-channel）31根据通道的工作原理，即对信号处理和量测的不同方法，分为：码相关型通道（correlation channel）平方型通道（squaring channel）码相位型通道（code phase channel）8.3 接收机天线1.天线的作用与要求天线的基本作用是把来自于卫星信号的能量转化为相应的电流，并经前置放大器进行频率变换，以便对信号进行跟踪、处理和量测。32天线的基本要求：天线与前置放大器应密封为一体，保障在恶劣气象环境下正常工作。天线应呈全圆极化：要求天线的作用范围为整个上半球，天顶处不产生

16、死角，保障能接收来自天空任何方向的卫星信号。天线必须采取适当的防护与屏蔽措施：例如加一块基板，尽可能地减弱信号的多路径效应，防止信号干扰。天线的相位中心与其几何中心的偏差应尽量小，且保持稳定。332.天线的类型：接收机天线有多种类型，其基本类型如下:34（1）单极或偶极天线：属于单频天线，结构简单，体积小，通常安装在一块基板上，减弱多路径影响。（2）四线螺旋形或螺旋形结构天线：属于单频天线，结构较单极天线复杂，生产中难以调整，但增益性好，一般不需底板。（3）微波传输带型天线：简称微带天线。结构最为简单和坚固，即可用于单频，也可用于双频，天线高度低，是安装在飞机上的理想天线。缺点是增益性低，但可

17、采用低噪声前置放大器加以弥补。35（4）锥形天线：也称盘旋螺线型天线。可同时在两个频道上工作，优点是增益性好，但天线较高，螺旋线在水平方向上不完全对称，天线的相位中心和几何中心不完全重合。（5）带扼流圈的振子天线：简称扼流圈天线。1987年由美国航空航天局（NASA）研制。主要特点是可有效地抑制多路径误差的影响。缺点是体积大，重量重。36天线的品质对于减少信号损失，防止信号干扰和提高定位精度具有重要意义。为不断完善天线性能，当前天线设计的主要任务是：改善天线对不同GPS定位工作的适应性。提高相位中心的稳定性。加强抗干扰能力，减弱多路径影响。进一步小型化、轻型化。改进天线生产工艺。37几种测量型

18、双频GPS接收机的主要参数Wild200STrimble4000SEAshtech DimensionNovAtelRPK-3151产地瑞士美国美国加拿大首产年代1994199219912019通道数691212体积cm31000478418811085重量kg1.62.51.61.0天线类型微带微带微带扼流圈，微带功耗W1054.15工作温度 0C-20-50-20-55-20-60-40-65标称精度5-10mm+2ppmD10mm+2ppmD10mm+2ppmD5mm+2ppmD38国外比较知名的品牌有：国外比较知名的品牌有：1、天宝（Trimble）GPS系列 2、泰雷斯（Thales）GPS(阿什泰克(Ashtech)/麦哲伦(Magellan)系列 3、徕卡（Leica）GPS系列 4、拓普康（Topcon）GPS系列国内的国内的GPSGPS品牌有：品牌有：1、南方GPS系列 2、中海达GPS系列 3、深圳因泰克（intech）GPS系列