GPS课件

作业题：下列图形有多少同步环、异步环、重复基线、重复设站点（每点设站数的平均数）？
1。上图两台接收机同步观测了5个时段。 2。中图三台接收机同步观测了5个时段。 3。下图四台接收机同步观测了3个时段。
网形设计例：对某工程控制点（四个已知高级点，四个新布设GPS点）设计GPS观测网。
基准设计：四个已知点的坐标系统和高程系统。 网形设计： 1。用两台GPS接收机； 2。用三台GPS接收机； 3。用四台GPS接收机。 分别设计出观测时段数，说明有几个同步环、异步环、重复基线、重复设站数。
（3） GPS测量成果中高程是大地高系统高程，为了得到GPS点的正常高，应使一定数量的GPS点与水准点重合，或者对部分GPS点联测水准，以便进行高程转换。联测的高程点需均匀的分布于网中，对丘陵或山区高程点应按照高程拟合曲面的要求进行布设。 （4）要求GPS点的WGS84坐标，同样要联测具有WGS84坐标的高级GPS点。 （5）联测的公共点最好位于GPS网的外围和中心均匀分布。
9条基线，4个异步环
5条基线，无异步环
6条基线，无重复
9条基线，两条重复
2：边连式 相邻同步图形由一条公共基线连接。 这种布网方式几何强度较高，抗粗差能力较强，有较多的复测边和非同步图形闭合条件，在相同的仪器个数的条件下，观测时段将比点连接方式大大增加。
3：混连式 该方式是把点连式和边连式有机地结合在一起，这种方式既可以提高网的几何强度和可靠性指标，有减少了外业工作量，式一种较为理想的布网方法。
三台以上接收机构成的同步环个数(N-1)(N-2)/2 N台接收机同步观测环如右图：分别为N=2，3，4，5。
同步环与独立基线
同步环与独立基线
N 台接收机一个观测时段所构成的同步基线T=N(N-1)/2中，有N-1条基线是独立的基线。 独立基线的选择如右图：分别为N=2，3，4，5

现代测量学
第六章 GPS控制测量
一、GPS的系统组成 GPS由空间部分、监控部分和用户接收机三部分组成。
1．空间部分 21+3颗（现有27颗）卫星组成；
六个轨道面，高度约2万km；
运行周期11h58m；
任意时刻、任意地点均可观测4 颗以上卫星。
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现代测量技术室
现代测量学
第六章 GPS控制测量
码长：2.35*1014bit,码元宽0.097752us(29.31m)，
码率 10.23Mbit/s,周期267天。
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现代测量学
五、导航电文 包括卫星星历、卫星工作状态、时间系统、轨道
摄动参数、大气改正参数、P码捕获信息等。传输一 次完整的导航电文约需12.5分。
注入站 在每颗卫星运行到上空时，把卫星星历、控 制参数和指令注入到卫星存贮器。
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现代测量学
第六章 GPS控制测量
3．用户接收机
基准站
移动站
双频GPS用户接收机
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现代测量学
第六章 GPS控制测量
组成：天线、控制显示器、电缆、电源等部分组成。天 线安放在整置于控制点的脚架上，接收卫星信号，在控 制显示器上获得的是天线相位中心的三维坐标。
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现代测量学
参考站GPS接收机
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现代测量学
移动站
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现代测量学
移动站接收机和天线

2）、特点：同步图形扩展式的布网形式具有扩展速度快， 图形强度较高，且作业方法简单的优点。同步图形扩展 式是布设GPS网最常用的一种布网形式。也是我们需要 重点掌握的一种布网形式。
3）、作业方式：主要以下几种式：点连式、边连式、网 连式、混连式。
22
（1）点连式：
观测作业方式 所谓点连式就是在观测作业时， 相邻的同步图形间只通过一个公 共点相连。这样，当有3台仪器 共同作业时，每观测一个时段， 就可以测得2个新点，当这些仪 器观测观测了n个时段后，就可 以最多测得2n个新点。
7
一）、选点： • 为保证对卫星的连续跟踪观测和卫星信号的质
量，要求测站上空应尽可能的开阔，在10~15 高度角以上不能有成片的障碍物。 • 为减少各种电磁波对GPS卫星信号的干扰，在 测站周围约200m的范围内不能有强电磁波干扰 源，如大功率无线电发射设施、高压输电线等。 • 为避免或减少多路径效应的发生，测站应远离 对电磁波信号反射强烈的地形、地物，如高层 建筑、成片水域等。 • 为便于观测作业和今后的应用，测站应选在交 通便利，上点方便的地方。 • 测站应选择在易于保存的地方
没有多余基线
多余1条
16
（三）、GPS基线向量网的布网形式
GPS网常用的布网形式有以下几种：跟踪站式、会 战式、多基准站式、同步图形扩展式、单基准站式 1、跟踪站式： 1）、布网形式：若干台接收机长期固定安放在测站上， 进行常年、不间断的观测，即一年观测365天，一天 观测24小时，这种观测方式很象是跟踪站，因此，这 种布网形式被称为跟踪站式。 2）、特点：采用跟踪站式的布网形式布设GPS网时， 接收机在各个测站上进行了不间断的连续观测，观测 时间长、数据量大，而且在处理采用这种方式所采集 的数据时，一般采用精密星历，因此，采用此种形式 布设的GPS网具有很高的精度和框架基准特性。

u0
1 1
es es
12Βιβλιοθήκη cos2 cos2
fs 2 Es
E s
2
E s
n n 1 es cosEs
载波相位中心差分测速法
利用历元t - h 和t + h 的载波相位观测值 φ1 和φ3 ,作中心差分, 可以获得历元t 多普勒频移 观测值：
其中, h 为采样间隔。然后用它代替原始多普勒 频移观测值
优点：不需要新的观测值，直接利用定位结果计，简单方便
缺点：是平均速度，时间间隔过长时不准确，不稳定
应用场合：低速载体的速度测定
多普勒频移测速法
fd
fi
2g cos
c
fi
2r
c
fi为多普勒测速仪所发射的微波频率； υg 是载体在运动方向上的速度分量，称之为地速（沿着地球表 面运动的速度）； 为运动方向和回波方向之间的夹角； υr是载体相对回波方向的径向速度； c为电磁波的传播速度。 如果测得多普勒频移fd，便可解算出载体的航行速度υg或υr
则接收机钟差为
ti
(t)
1 c
[ ~i j
(t)
ij
(t)]
t
j (t)
1 c
[ij I (t)
ijT
(t)]
4、GPS测时技术
➢ 当观测站坐标已知时，只需观测1颗卫星，即可确定 未知钟差差数；
➢ 如果观测站坐标未知，则至少同步观测4颗卫星，以 便在确定观测站位置的同时，确定接收机钟差；
➢ 单站单机测时的目的在于确定用户时钟相对GPS时 的偏差，进一步根据导航电文给出的信息，计算相 应的协调时（UTC）。
“GPS陀螺仪”：单GPS天线测姿技术

(f0=10.23Mz)经倍频和分频产生。154和120倍频后，分别 形成L波段的两个载波频率信号 (L1=1575.42Mz,L2=12227.60Mz), 波 长 分 别 为 19.03cm 和 24.42cm。
• 调制在L载波上的信号包括的C/A码，P码和D码,其中：
• C/A码 (粗码，对应的波长为293.1m)。
(1)选取网中一点的坐标值并加以固定，或给以适当的权； (2)网中的点均不固定，通过自由网伪逆平差或拟稳平差，确 定网的位置基准；
(3)在网中选若干点的坐标值并加以固定； (4)选网中若干点(直至全部点)的坐标值并给以适当的权。
二、外业观测方法
1、外业观测计划设计
(1)编制GPS卫星可见性预报图：利用卫星预报软件，输入测区 中心点概略坐标、作业时间、卫星截止高度角≥15°等，利用不 超过20天的星历文件即可编制卫星预报图。
(2)编制作业调度表：应根据仪器数量、交通工具状况、测区 交通环境及卫星预报状况制定作业调度表。作业表应包括：
• 观测时段(测站上开始接收卫星信号到停止观测，连续工 作的时间段)，注明开、关机时间；
• 测站号、测站名；接收机号、作业员；
二、外业观测方法
1、外业观测计划设计
2、野外观测
野外观测应严格按照GPS测量规范的技术设计要求进行。
3 GPS卫星定位的基本原理
GPS卫星定位原理是测量学中的空间距离交会方法。
S1
SS22：
• 按观测值的不同，分为伪距观测定位 和载波相位测量定位；
• 按使用同步观测的接收机数和定位解算方法来分，有单点定位 (绝对定位)和差分定位(相对定位)； • 根据接收机的运动状态可分为静态定位 和动态定位。
网的图形设计

静态定位与动态定位的不同点
静态定位
动态定位
可靠性强，定位精度 高，在大地测量、工 程测量中得到了广泛 的应用，是精密定位 中的基本模式。
可测定一个动点 的实时位置、运 动载体的状态参 数。如速度、时 间和方位等。
二、单点定位与相对定位
1. 单点定位(绝对定位) 独立确定待定点在坐标系中的绝对位置的方法称为单点定位或绝对定位。由
均为已知值。待定点P即为需要确定的船舶位置。用户用专用的无线电接收机按被
动式测距方式测定了至A点的距离RA和至B点的距离RB。于是我们就能根据以A为 圆心，以RA为半径的定位圆和以B为圆心以RB为半径的定位圆交出待定点P的位置.
A （圆心）
B（圆心）
当然两圆相交一般有两个交点，但根据待定点的概略位置通常是不难加以判断 和取舍的。而且为了提高解的精度和可靠性，实际上使用的已知信号发射台也往 往不止两个。也就是说实际上我们往往是从三个或三个以上已知点来交会P点的。 在这种情况下便不再存在多值性问题。
后到达接收机，接收机在自己的时钟控制下产生一组结构完全相同的测距码（复制 码），并通过时延器使其延迟时间 。将这两组测距码进行相关处理，若自相关系
数已和接收，到则的继来续自调卫整星延的迟测时距间码对，齐直，到复自制相t码关的系延数迟时间或趋就近等于于1卫为星止信。号此的时传复播制时码
间 。 将 乘 上光速c后即可求得卫星至接收机的伪距。
播时间 ，它还包含了两台钟不同步的影响在内。此外，由于信号并不是完全在真
空中传播的，因而观测值 中也包含了大气传播延迟误差。在伪距测量中，一般把
在
的条件下求得的时延 和真空中的光速c的乘积 当作观测值，下面我
们将建立卫星与接收机之间R(的t) 几 m何a距x 离 与观测值 之间的关系式。

可见出现在方程右端的未知数只有观测站T2 的坐标，三 差模型的优点是消除了整周未知数的影响，但使观测 方知程参的考数点量可进得一未步知减参少数。总当量观为测3(n站i-1数)，为此ni，外相，对在某组一成已三 差观测方程时，若取一观测卫星为参考卫星，并取某 一11))((历nntt--元11))为。 参为3(n考确i-1历定)，元观即，测(则站nj-三未1)(差知nt-观数1)测，方必3，程须或总满n数足t 为((nni(-jn+1i)2-1)(/n)(jn(-nj-j1-)。 说明为确定未知参数所必需的观测历元数与观测站数 无关，只与同步观测卫星数有关。
则观测站Ti至所测卫星sj的距离按泰勒级数展开并取其
一次微小项，
GPS相对定位原理
可得
ij(t)ij0lij(t)
mij(t)
Xi nij(t)Yi
Zi
j i0
Xj(t)Xi0 2Yj(t)Yi0 2Zj(t)Zi0 212
上式中Xj(t), Yj(t), Zj(t)为卫星sj于历元t的瞬时坐标。
方程，一般取一个观测站为参考点，同时取一颗观测 卫星为参考卫星。
GPS相对定位原理
如果以ni表示观测站数，以nj和nt表示所测卫星数和观测 历元数，则双差观测方程总数为(ni-1) (nj-1) nt。而待定 参数总数为3(ni-1)+ (ni-1)(nj-1)，式中第一项为待定点 坐标未知数，第二项为双差模型中出现的整周未知数
(3+nj+nt)，为了通过数据处理得到确定的解，必须满足
条件： (ni-1) nj nt (ni-1) (3+nj+nt)，由于(ni-1) 1，则
有nj nt (3+nj+nt)，即

在GPS观测量中包含了卫星和接收机的 钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差 ，在定位计算时还要受到卫星广播星历误 差的影响，在进行相对定位时大部分公共 误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大 提高，双频接收机可以根据两个频率的观 测量抵消大气中电离层误差的主要部分， 能够大大提升定位精度。
Si
Sl
• 地面部分
– 主控站：1个 – 监测站：5个 – 注入站：3个 – 通讯与辅助系统
系统组成
– 主控站 • 管理、协调地面监控系统各部分的工作 • 编算广播星历 － 轨道参数、卫星钟改正数等 • 调整卫星状态 • 调度卫星
– 监测站 • 对卫星进行跟踪观测 • 记录气象数据 • 将数据传送到主控站
i
Pk
i
Pj
l
Pj
l
Pk
Pj
•可以消去卫星钟的系统偏差 •可以消去接收机时钟的误差 •可以解算出整周模糊度
Pk
•可以消去轨道（星历）误差的影响 •可以削弱大气折射对观测值的影响
RTK 工作原理图解
（Real Time Kinematic）
为什么要向您推荐 GPS
GPS测量与经典测量方法的对比：
➢不需要相互通视 ➢观测作业不受天气条件的影响 ➢网的质量与点位的分布情况无关 ➢能达到大地测量所需要的精度水平 ➢白天和夜间均可作业 ➢经济效益显著
各卫星系统的特点
系统特征
GPS
载波频率GHz
1.23,1.58
卫星高度km
20200
卫星数
21+3
GLONASS 1.61,1.25
19100 21+3
COMPASS 2491.75
21500 30+5

4.1)接收机 k 对卫星 j 的载波相位测量的观测方程：
kj k kj N0j In( t )Nkj cf ftaftbcf 1cf 2
• f：接收机产生的固定参考频率
• c: 光速
• ρ：卫星至接收机之间的距离 （未知数）
•δρ1：电离层影响 •δρ2：对流层影响 •δta ：卫星钟差 •δtb ：接收机钟差（未知数）
编辑版pppt
2
测角交会法
B
P
P
A
C
A
B
前方交会
A
B
侧方交会
P
后方交会
A、B和C点坐标已知，P点坐标未知
编辑版pppt
3
测边（距）交会法
3. 无线电接收机或卫星
▪ 无线电导航定位 ▪ 卫星激光测距定位
P
1)ABC为三个无线电信号发射台,坐标已
知
d1
d3
2)P为用户接收机
d2 A
C 3)采用无线电测距方法测得PA PB PC
整周数为
N
j 0
，则此时的相位观测值为：
kj(t0)0N0j k(t0)kj(t0)N0j
编辑版pppt
23
▪ 任一时刻ti卫星Sj 到k接收机的相位差：
k j(ti)k(ti)k j(ti) N 0 j I( n )t
整周模糊度（常数） 整周数变化量
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三差法
24
5.3.2 载波相位测量的观测方程(1)
4.特点 1)适用于导航和低精度测量
2) 定位速度快；
3)可作为载波相位测量中解决整波数不确定问题（模
糊度）的辅助资料。
编辑版pppt
8
5.2 伪距测量 5.2.1伪距测量

• 该系统由5个监测站、1个主控站和3个注入站组成，设在美 国本土的科罗拉多和三大洋的美国军事基地中。
Colorado springs
55
Hawaii
Ascencion
Diego Garcia
kwajalein
一个主控站：科罗拉多•斯必灵司 三个注入站：阿松森(Ascencion)、迭哥•伽西亚(Diego Garcia)和卡瓦
• GPS静态定位方法主要用于建立各级测量控制网，其优点 如下：
• 定位精度高，其基线的相对精度非常高 • 选点灵活、不需要造标、费用低
• 可全天候作业
• 观测处理自动化
• GPS测量工作包括控制网设计、选点埋石、野外观测和内业处 理等。
第二十九页，共40页。
一. 构建GPS控制网（网形设计、选点埋石）
2.网形设计
• 根据不同的用途，GPS网的基本形式有点连式、边连式、网 连式和边点混合连接四种（见教材P204～205）。除点连式 外，其它形式的GPS网形应用都较多。
• GPS网的设计原则
• 应通过独立观测边构成闭合图形，以增加检核条件，提高网的 可靠性。
• 应尽量与原有地面控制网相重合，重合点一般不少于3个， 且分布均匀。
第四页，共40页。
• GPS卫星的主要功能
• 连续不断地向地球发送 导航定位的GPS信号， 以导航电文的形式向用 户提供卫星星历表（其 中包含卫星现时的位置 及其它卫星的概略位 置）、时钟校正参数、 传播延迟参数及其它信 息。
（最主要的信息是“时间” 和“位置”）
第五页，共40页。
2.地面监控系统
相对定位?相对定位是通过测量卫星发送的电波到达两台接收机的时间差来完成的用两台同类型的接收机同步跟踪相同的4颗卫星信号对两台接收机接收到的电波信号作合成处理即可求出接收机之间的相对位置三维坐标差或基线向量只要给出了一个站点的坐标便能求得另一点的坐标