GPS测量的原理与应用电子教案解析课件.ppt

1、Friday,November 18,20221Friday,November 18,20222 GPS基础教程基础教程Friday,November 18,20223 GPS基础教程基础教程传传 统统 测测 量量 技技 术术 的的 缺缺 陷陷GPS 优优 势势GPS 的的 主主 要要 特特 性性 GPS 系系 统统 的的 组组 成成距距 离离 测测 定定 的的 基基 本本 原原 理理点点 位位 测测 定定 的的 基基 本本 原原 理理GPS 的的 信信 号号 结结 构构测测 距距 码码 伪伪 距距 测测 量量载载 波相波相 位位 测测 量量选选 择择 可可 用用 性性 技技 术术 Selec

2、tive Availability(SA)误误 差差 来来 源源差差 分分 GPS(初始初始)整整 周周 未未 知知 数数整整 周周 未未 知知 数数 的的 解解 算算 精精 度度 因因 子子要要 点点 小小 结结Friday,November 18,20224与与 传传 统统 的的 陆陆 上上 测测 量量 技技 术术 相相 比比 GPS 具具 有有 许许 多多 优优 势势 传传 统统 大大 地地 测测 量量 技技 术术 依依 赖赖 于于 测测 站站 点点 至至 目目 标标 点点 的的 通通 视视 情情 况况 如如 果果 视视 线线 方方 向向 有有 障障 碍碍 物，物，则则 必必 须须 绕绕

3、 道道 测测 量量 一一 般来说般来说 传传 统统 方方 式式 的的 距距 离离 测测 量量 被被 限限 制制 在在 5 Km 左左 右右气气 候候 因因 素素 限限 制制 着着 传传 统统 测测 量量 的的 运运 作。如作。如 雾，雨雾，雨 等等 GPS基础教程基础教程Friday,November 18,20225不不 受受 气气 候候 条条 件件 的的 限限 制制无无 须须 通通 视视 要要 求求可可 进进 行行 高高 精精 度度 大大 地地 测测 量量能能 实实 现现 全全 天天 候候 测测 量量 运运 作作省省 时时 省省 力力 经经 济济 效效 益益 明明 显显坐坐 标标 系系 统

4、统 通通 用用应应 用用 领领 域域 广广 泛泛具具 有有 竞竞 争争 力力 的的 价价 格格 GPS基础教程基础教程Friday,November 18,20226GPS 系系 统统 的的 完完 善善 受受 控控 于美于美 国国 国国 防防 部部GPS 系系 统统 可可 提提 供供 精精 确确 导导 航航 导导 航航 精精 度度 约约 为为 10-20 m 全全 球球 信信 号号 覆覆 盖盖 24 小小 时时 工工 作作 服服 务务 普普 通通 座座 标标 系系 统统 中中 的的 测测 量量 工作工作计计 划划 用用 GPS 系系 统统 取取 代代 现现 有有 的的 导导 航航 系系 统统G

5、PS 系系 统统 可可 应应 用用 于于 民民 用用 及军及军 事事 领领 域域 GPS基础教程基础教程Friday,November 18,20227控控 制制 部部 分分 1 个个 主主 控控 站站 5 个个 监监 控控 站站空空 间间 部部 分分 导导 航航 卫卫 星星 :导导 航航 信信 息息 卫卫 星星 时时 和和 卫卫 星星 钟钟 24 颗颗 卫卫 星星 20200 Km用用 户户 设设 备备 部部 分分 接接 受受 卫卫 星星 信信 号号 GPS基础教程基础教程Friday,November 18,2022824 颗颗 卫卫 星星分分 布布 在在 互互 为为 55 度度 交交 角

6、角 的的 6 个个 轨轨 道道 平平 面面 上，上，每每 个个 轨轨 道道 面面 上上 布布 有有 4 颗颗 卫卫 星星卫卫 星星 高高 约约 20200 Km 12 小小 时时 绕绕 轨轨 道道 一一 周周 可可 见见 时时 间间 为为 4-5 小小 时时设计寿命为设计寿命为 7.5 年年卫卫 星星 种类种类 区区 分分 Block 1(一一 代代),Block 2,2A(二二 代代),Block 2R，2 F(三三 代代)55 GPS基础教程基础教程Friday,November 18,202292424颗卫星颗卫星(21(21+3)3)6 6个轨道平面个轨道平面5555轨道倾角轨道倾角2

7、020020200kmkm轨道高度轨道高度(地面高度地面高度)1212小时小时(恒星时恒星时)轨道周期轨道周期5 5个多小时出现在地平线以上个多小时出现在地平线以上(每颗星每颗星)目前在轨实际运行的卫星个数已经超过目前在轨实际运行的卫星个数已经超过3232颗颗4 GPS卫星卫星Friday,November 18,202210主主 控控 站站 负负 责责 收收 集集 由由 监监 控控 站站 传传 来来 的的 卫卫 星星 跟跟 踪踪 数数 据据 并并 计计 算算 卫卫 星星 星星 历历 和和 时时 间间 参参 数数5 个个 监监 控控 站站 负负 责责 对对 卫卫 星星 伪伪 距距 数数 据据

8、的的 观观 测，测，这这 一一 卫卫 星星 跟跟 踪踪 监监 测测 网网 用用 于于 确确 定定 卫卫 星星 广广 播播 星星 历历 及及 卫卫 星星 钟钟 模模 式式 地地 面面 控控 制制 站站 负负 责责 向向 卫卫 星星 注入信注入信 号号 GPS基础教程基础教程Friday,November 18,2022115 5 地面控制站地面控制站一个主控站：科罗拉多：科罗拉多斯必灵司斯必灵司三个注入站：阿松森阿松森(A Ascencionscencion)迭哥迭哥伽西亚伽西亚(Diego Garcia)Diego Garcia)卡瓦加兰卡瓦加兰(kwajaleinkwajalein)五个监测

9、站=1=1个主控站个主控站+3+3个注入站个注入站+夏威夷夏威夷(H Hawaiiawaii)55HawaiiAscencionDiego GarciakwajaleinColorado springsFriday,November 18,202212XllVl Xl lll GPS基础教程基础教程Friday,November 18,202213XllVlXllllllllVVVllVlllXlXGPS基础教程基础教程Friday,November 18,202214XllVlXllllVll GPS基础教程基础教程Friday,November 18,202215XllVlXlllllll

10、lVVVllVlllXlX距离=传播时间 x 光速 GPS基础教程基础教程Friday,November 18,202216我我 们们 必必 定定 在在 以以 R1 为为 半半 径径 的的 球球 面面 的的 某某 个个 点点 上上R1 GPS基础教程基础教程Friday,November 18,2022172 个个 球球 面面 相相 交交 成成 一一 个个 圆圆 弧弧点点 位位 被被 限限 制制 在在 一一 曲曲 线线 上上R1R2 GPS基础教程基础教程Friday,November 18,2022183 个球面相交成一个点个球面相交成一个点3 个距离段可以确定纬度，经度，和高程个距离段可以

11、确定纬度，经度，和高程点点 的的 空空 间间 位位 置置 被被 确确 定定R1R2R3 GPS基础教程基础教程Friday,November 18,202219卫卫 星星 可可 被被 看看 作作 是是 在在 固固 定定 的的 轨轨 道道 上上 运运 动动 空空 中中 观观 测测 目目 标标每每 颗颗 卫卫 星星 播播 发发 独独 立立 的的 时时 间间 码码 进进 行行 距距 离离 测测 量量常常 规规 GPS 接接 收收 仪仪 内内 置置 较较 为为 廉廉 价价 的的 钟，这钟，这 些些 钟钟 的的 计计 时时 精度精度 比比 卫卫 星星 上上 内内 置置 钟钟 的的 精精 度度 低低 得得

12、 多多无无 线线 电电 电电 波波 以以 光光 速速 传传 播播(距距 离离 =光光 速速 x 时时 间间)设设 想想 一一 下下 接接 收收 仪仪 上上 钟钟 的的 误误 差差 对对 距距 离离 测测 定定 的的 影影 响响 1/10 秒秒 的的 测测 时时 误误 差差 将将 引引 起起 30,000 Km 的的 距距 离离 误误 差差 1/1,000,000 秒秒 的的 测测 时时 误误 差差 将将 引引 起起 300 m 的的 距距 离离 误误 差差 GPS基础教程基础教程Friday,November 18,2022204 段段 距距 离离 解解 决决 了了 纬纬 度，经度，经 度，高

13、度，高 程程 和和 时时 间间 四四 个个 未未 知知 数数这这 就就 类类 似似 于于 测测 边边 交交 会会 问问 题题 的的 解解 决决 原原 理理GPS基础教程基础教程Friday,November 18,202221每每 个个 GPS 卫卫 星星 播播 发发 一一 组组 信信 号号每每 组组 信信 号号 包包 括括 两两 个个 不不 同同 频频 率率 的的 载载 波波 信信 号号(L1 和和 L2)、两两 个个 不不 同同 的的 测测 距距 码码 信信 号号(C/A 码码 调调 制制 在在 L1 载载 波波 上，上，P 码码 或或 Y 码码 同同 时时 调调 制制 在在 L1 及及

14、L2 载载 波波 上上)以以 及及 卫卫 星星 的的 轨轨 道道 信信 息息 基 准 频 率10.23 MHzx 154x 120L11575.42 MHzL21227.60 MHzC/A 码1.023 MHzP(Y)码10.23 MHzP(Y)-Code10.23 MHz/1050 bit/s卫 星 信 悉 (状 态 信 悉 和 星 历)GPS基础教程基础教程Friday,November 18,202222D=V(dT)测测 距距 伪伪 随随 机机 码码 每每 一一 卫卫 星星 播播 发发 一一 个个 伪伪 随随 机机 测测 距距 码码 信信 号，该号，该 信信 号号 大大 约约 每每 1

15、 毫毫 秒秒 播播 发发 一一 次次 接接 收收 仪仪 同同 时时 复复 制制 出出 一一 个个 同同 样样 结结 构构的的 信信 号号 并并 与与 接接 收收 到到 的的 卫卫 星星 信信 号号 进进行行 比比 较较 由由 信信 号号 的的 延延 迟迟 时时 间间(dT)推推 算算 出出 卫卫 星星 至至 接接 收收 仪仪 的的 距距 离离 接接 收收 仪仪 时时 钟钟 应应 与与 卫卫 星星 钟钟 校校 时时dT 接 收 到 的卫 星 测 距 码 接 收 仪复 制 出 的 测 距 码 GPS基础教程基础教程Friday,November 18,202223D=c TN载载 波波 相相 位位

16、 观观 测测 载载 波波 L1 的的 波波 长长 为为 19 cm，L2 的的 波波 长长为为 24 cm 接接 收收 仪仪 将将 接接 收收 到到 的的 卫卫 星星 载载 波波 信信 号号的的 相相 位位 与与 其其 自自 身身 产产 生生 的的 参参 考考 载载 波波信信 号号 的的 相相 位位 进进 行行 比比 较较 接接 收收 仪仪 开开 机机 后，相后，相 位位 整整 周周 数数 未未 知知(带带 有有 整整 周周 模模 糊糊 度度)跟跟 踪踪 卫卫 星星 时时 间间 较较 长长 时时 距距 离离 的的 变变 化化可可 以以 测测 定定 (整整 周周 数数 保保 持持 不不 变变)T

17、接 收 到 的 卫 星 相 位接 收 仪 复 制 出 的 相 位 GPS基础教程基础教程Friday,November 18,202224单单 机机 定定 位位 用用 于于 导导 航，其航，其 定定 位位 精精 度度 大大 约约 在在 10 到到 30m 左左 右右 GPS基础教程基础教程Friday,November 18,202225P=正确位置正确位置P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月取消理理 论论 上上 利利 用用 C/A 码码 可可 获获 取取 10-30m 的的 定定 位位 精精 度度30m100m GPS基础教程基础教程Friday,No

18、vember 18,202226美美 国国 防防 部部 人为人为 降降 低低 卫卫 星星 广广 播播 信信 息息的的 精精 度，限度，限 制制 非非 许许 可可 用用 户的户的 非非 法法 使使 用用在在 基基 准准 信信 号号 上上 人人 为为 加加 入入 一一 个个 高高 频频 抖抖 动动 信信 号号(技术技术)人人 为为 降降 低低 卫卫 星星 星星 历历 精精 度度(技技 术术)此此 项项 技技 术术 称称 为为 选选 择择 可可 用用 性性 技技 术术点点 位位 精精 度度 为为 100 m(95%)P理理 论论 上上 基基 于于 C/A 码码 的的 定定 位位 精精 度度约约 为为

19、 10-30m 30m100m GPS基础教程基础教程Friday,November 18,202227防电子欺骗技术防电子欺骗技术(AS)选择性服务政策选择性服务政策(SA)*SA技术已经于技术已经于2000年年5月取消月取消GPS基础教程基础教程Friday,November 18,202228GPS定位的误差源定位的误差源8 GPS GPS 定位原理定位原理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)卫星星历误差卫星钟差卫星信号发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

20、硬件造成的误差Friday,November 18,202229 GPS基础教程基础教程Friday,November 18,202230在在 测测 定定 流流 动动 站站 的的 座座 标标 时时 与与 之之 相相 关关 联联 的的 参参 考考 站站 的的 设设 置置 是是 必必 须须 的的 参参 考考 站站 (A)的的 座座 标标 须须 已已知知 卫卫 星星 必必 须须 同同 时时 被被 跟跟 踪踪差差 分分 定定 位位 削削 减减 卫卫 星星 及及 接接 收收 仪仪 钟钟的的 误误 差差 影影 响响 大大 气气 影影 响响 削削 减减 至至 最最 小小 精精 度度 达达 0.5 cm-5

21、mB GPS基础教程基础教程Friday,November 18,202231伪伪 距距 差差 分分 测测 量量 精精 度度 可可 达达 0.5m-5 m 此此 种种 测测 量量 形形 式式 一一 般般 称称 为为 DGPSB GPS基础教程基础教程Friday,November 18,202232RTD测量原理图测量原理图测深仪电脑发射电台GPS主机基准站基准站移动站移动站GPS主机接收电台Friday,November 18,202233测深仪电脑信标台站信标台站移动站移动站GPS主机信标机测量原理图信标机测量原理图信标天线Friday,November 18,202234如如 果果 使使

22、 用用 载载 波波 差差 分分 或或 同同 时时 使使 用用 载载 波波 差差分分 及及 伪伪 距距 差差 分分 则则 定定位位 精精 度度 可可 达达 5-10 mm+1ppmB GPS基础教程基础教程Friday,November 18,202235常规常规GPS的测量方法，如静态、快速静态、动态测的测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分采用了载波相位动态实时差分(Real-tim

23、e kinematic)方法，是方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。外业作业效率。RTK定位时要求基准站接收机实时地把定位时要求基准站接收机实时地把观测数据观测数据(伪距观测值，相位观测值伪距观测值，相位观测值)及已知数据传输给及已知数据传输给流动站接收机。流动站接收机。什么是什么是RTK技术技术Friday,November 18,202236发射电台GPS主机基准站基准站移动站移动站GPS主机RTK测量原理图测量原理图采集器接收

24、电台Friday,November 18,202237Friday,November 18,202238时间(0)整周数时间(i)整周数整周变化数相位差测量在在 使使 用用 载载 波波 相相 位位 观观 测测 时时 整整 周周 数数 应应 被被 解解 算算 出出 来来相位差测量GPS基础教程基础教程Friday,November 18,202239精度精度(m)1.000.100.01 0 120 0 2 5 时间时间(mins)未解算出整周模糊度时的测量精度 已解算出整周模糊度时的测量精度整整 周周 模模 糊糊 度度 的的 解解 算算 效效 果果 如如 下下 所所 示示注注 意意 到到 一一

25、 旦旦 模模 糊糊 度度 被被 解解 出，测出，测 量量 精精 度度 将将 不不 随随 时时 间间 有有 明明显显 增增 长长 GPS基础教程基础教程Friday,November 18,202240一一 种种 描描 述述 纯纯 粹粹 因因 卫卫 星星 几几 何何 因因 素素 对对 定定 点点 精精 度度 的的 影影 响响精精 度度 因因 子子 指指 出出 在在 测测 量量 时时 被被 跟跟 踪踪 卫卫 星星 几几 何何 结结 构构 上上 的的 强强 度度(Geometrical)包包 括括 经经 度度,纬纬 度度,高高 程程 和和 时时 间间 等等 因因 子，子，称称 为为 几几 何何 精精

26、 度度 因因 子子(Positional)包包 括括 经经 度度,纬纬 度度 和和 高高 程程 等等 因因 子，子，称称 为为 空空 间间 位位 置置 精精 度度 因因 子子(Horizontal)包包 括括 经经 度度 和和 纬纬 度度 等等 因因 子，称子，称 为为平平 面面 位位 置置 精精 度度 因因 子子(Vertical)仅仅 包包 括括 高高 程程 因因 子，称子，称 为为 高高 程程 精精 度度 因因 子子 GPS基础教程基础教程 Friday,November 18,202241一一 种种 描描 述述 纯纯 粹粹 因因 卫卫 星星 几几 何何 因因 素素 对对 定定 点点 精

27、精 度度 的的 影影 响响精精 度度 因因 子子 指指 出出 在在 测测 量量 时时 被被 跟跟 踪踪 卫卫 星星 几几 何何 结结 构构 上上 的的 强强 度度(Geometrical)包包 括括 经经 度度,纬纬 度度,高高 程程 和和 时时 间间 等等 因因 子，子，称称 为为 几几 何何 精精 度度 因因 子子(Positional)包包 括括 经经 度度,纬纬 度度 和和 高高 程程 等等 因因 子，子，称称 为为 空空 间间 位位 置置 精精 度度 因因 子子(Horizontal)包包 括括 经经 度度 和和 纬纬 度度 等等 因因 子，称子，称 为为平平 面面 位位 置置 精精 度度 因因 子子(Vertical)仅仅 包包 括括 高高 程程 因因 子，称子，称 为为 高高 程程 精精 度度 因因 子子 GPS基础教程基础教程