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简易测量 第四节GPS测量概述_图文

第四节 4.1 GPS 测量概述

GPS 测量概述

所谓全球卫星定位测量,就是指利用空间飞行的卫星来 实现地面点位的测定。目前正在运行的全球卫星定位系统有 美 国 的 GPS 和 俄 罗 斯 的 GLONASS 。 正 在 建 设 中 的 欧 盟 GALILEO,还未投入使用。全球卫星定定位系统,一般指美 国的 GPS。GPS 具有全球性、全天候、连续的三维定位、导 航、测速和授时能力,广泛应用于航空航天、海陆空三军导 航、地球物理、大地测量、交通管理以及城镇建设等各个领 域,并已渗透到人们的日常工作、学习和生活之中。 1957 年 10 月世界上第一颗人造地球卫星发射成功,使 空间科学技术的发展,迅速跨入一个崭新的时代。人造地球 卫星的出现, 首先引起各国军事部门的高度重视。 1958 年底, 美国海军武器实验室着手建立为美国军舰导航服务的卫星 系统,即海军导航卫星系统(Navy Navigation Satellite System-NNSS) ,NNSS 系统中,卫星轨道都通过地极,故也 称“子午(Transit)卫星系统” ,1964 年该系统建成。但是 系统卫星数目较少(5~6 颗) ,运行高度较低(平均约 1000km) ,因此无法提供连续地实时三维导航。 为了满足军事部门和民用部门,对连续实时三维导航的 迫切要求,1973 年美国防部组织海陆空三军,共同研究建立 新代卫星导航系统,即目前所称的“授时与测距导航系统/

全 球 定 位 系 统 ” Navigation Satellite Timing and ( Ranging/Global Positioning System-NAVSTAR/GPS) ,通 常简称为全球定位系统(GPS) 。GPS 具有高精度连续实时三 维导航能力, 并有良好的抗干拢性, 因此 GPS 大大超过 NNSS。 GPS 的主要特点是: (1)全球全天候实时定位。GPS 卫星数目多,分布合理, 所以地球上任何地点都可以连续同步观测到至少 4 颗卫星, 从而保证了全球、全天候、实时三维定位。 (2)自动化程度高。用 GPS 接收机测量时,只要将天线 精确安置在测站上,主机可安放在测站不远处,也可放在室 内,通过专用的通讯线和天线连接,接通电源,启动接收机, 仪器就自动开始工作。结束测量时,仅需关闭电源,取下接 收机,便完成野外数据采集任务。 (3)观测速度快,精度高。目前,20km 以内相对静态定 位仅需 15~20 分钟。GPS 相对定位精度可达 10-6,100~ 500km 可达 10-7。在 300~1500m 工程精密定位中,观测 1 小时以上,解算平面位置误差小于 1mm。 (4)应用领域非常广泛。由于 GPS 提供精确的位置、速 度和时间信息,对现代战争成败至关重要,极大改变了未来 战争的作战方式。在导航方面,GPS 不仅供用于海上、空中 和陆地运动目标的导航,而且可对运动目标实施监控、管理 和救援。实时监视和修正航行路,可以保障运动物体沿预定

航线运行,并可选择最佳航线。在地球物理方面,精确测定 地球板块的位移和运动速速率,预测地震灾害提供重要数 据。在测绘方面,目前 GPS 己成大地测量测定控点的主要方 法,在工程测量以及城市测绘己广泛采用 GPS 先进的定位技 术。在交通运输方面,实施运输监控、调度管理、事故处理 和紧急救援都起到非常重要作用。 随着 GPS 定位技术的发展, 应用领域还会不断拓宽。 4.2 GPS 卫星系统的组成

空间星座部分(空间部分) 地面支撑系统(地面监控部分) GPS 接收机 (用户部分)

空间部 分 由24颗GPS卫星组 成 用户部 分 由GPS接收机组 成

注入 站

监测 站 主控 站 地面监控系 统 由监测站、主控站、注入站组成

一、空间星座部分 (1)GPS 卫星星座 ? 卫星高度:20200 公里 ? 运行周期:11 小时 58 分 ? 卫星分布在六条升交点相隔 60 度的轨道面上,轨道倾 角为 55 度。? ? 每条轨道上分布四颗卫星,相临两轨道上的卫星相隔 40 度。? 地球上任何地方至少同时可看到四颗卫星。其发射信号 能覆盖地面面积 38%。 卫星在轨道的任何位置,对地面的距离和波束覆盖面积 基本不变。在波束覆盖区域内,用户接收到的卫星信号强度 近似相等。这对提高定位精度十分有利。在全球任何地方、 任何恶劣的气候条件下,为用户提供二十四小时不间断的免 费服务。 (2)在 GPS 系统中卫星的作用 ①用 L 波段的两个无线载波(19cm 和 24cm 波)向广大用 户连续不断地发送导航定位信号。 ②在卫星飞越注入站上空时,接收由地面注入站不断发 送到卫星的导航电文和其它有关信息, 并通过 GPS 信号电路, 适时地和发送给广大用户。 ③接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令,

适时地改正运行偏差或启用备用时钟等。 二、GPS 地面监控部分 1 个主控站(斯平士) 3 个注入站(阿松森岛、狄哥伽西亚、卡瓦迦兰) 5 个监测站(夏威夷岛) 1.主控站 地点:位于科罗拉多的斯平士(Colorado Springs)的联合空 间执行中心(CSOC) 设备:主控站拥有大型电子计算机,用作数据采集、计算、 传输、诊断、编辑等。

( 一 ) 采 集数 据 ( 二 ) 编 辑电 文 作用: ( 三 ) 诊 断功 能 ( 四 ) 调 整卫 星
2.注入站 地点:三个站分别设大西洋的阿松森(Ascension)岛、印度 洋 的 狄 哥 〃 伽 西 亚 (Diego Garcia) 和 太 平 洋 的 卡 瓦 迦 兰 (Kwajalein)的三个美国军事基地上。 设备:一台直径 3.6m 的天线,一台 S 波段发射机和一台计

算机。 作用:主控站将编辑的卫星电文传送到位于三大洋的三个注 入站,定时将这些信息注入各个卫星,然后由 GPS 卫星发送 给广大用户,这就是所用的广播星历。此外,注入站能主动 向主控站发射信号,每分钟报告一次自己的工作状态。 3.监测站 地点:五个监测站:除一个主控站、三个注入站兼作外,还 有一个在夏威夷岛。 设备:监控站有双频 GPS 接收机,对每颗卫星长年连续不断 地进行观测,每 6 秒进行一次伪距测量和积分多普勒观测, 采集气象要素等数据。 作用:对每颗卫星进行观测,精确测定卫星在空间的位置, 并向主控站提供观测数据。 监测站是一种无人值守的数据采集中心,受主控站的控制, 定时将观测数据送往主控站。五个监测站分布在美国本土和 三大洋的美军基地上,保证了全球 GPS 定轨的精度要求。由 这五个监测站提供的观测数据形成了 GPS 卫星实时发布的广 播星历。 三、GPS 用户部分 用户部分观测和记录由若干卫星发送的数据,并运用数学方 法求得三维空间位置以及时间和速度。

= 用户部分包括用户组织系统和根据要求安装相应的设备,但 其中心设备是 GPS 接收机。它是一种特制的无线电接收机, 用来接收导航卫星发射的信号,并以此计算出定位数据。

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GPS 系统的特点 1、全球,全天候工作 2、功能多,应用广 3、测站之间无需通视 4、定位精度高,隐蔽性好 5、观测时间短 6、提供三维坐标 7、操作简便 8、免费、容易 4.3 GPS 小区域控制测量

GPS 控制网的技术设计 1.充分考虑建立控制网的应用范围 根据工程的近期、中长期的需求确定控制网的范围。

2.采用的布网方案及网形设计 适当地分级布设 GPS 网。 顾及测站选址、仪器设备装置与后勤交通保障等因素。 设计各观测时段的时间及接收机的搬站顺序。 GPS 网一般由一个或若干个独立观测环组成,也可采用 路线形式。 3.GPS 测量的精度标准 国家测绘局 1992 年制订的我国第一部“GPS 测量规范” 将 GPS 的测量精度分为 A~E 五级,以适应于不同范围、不 同用途要求的 GPS 工程。 4.坐标系统与起算数据 在 GPS 网的技术设计中,必须说明 GPS 网的成果所采用 的坐标系统和起算数据。空间相似变换求得七个待定系数: 3 个平移参数、3 个旋转参数和 1 个缩放参数。 5.GPS 点的高程 GPS 测定的高程是 WGS-84 坐标系中的大地高, 与我国采 用的 1985 年黄海国家高程基准正常高之间也需要进行转换。 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。若需要进行水准联测, 则在进行 GPS 布点时应对此加以考虑。 选点与建立点位标志 选定 GPS 点点位时,应遵守以下的几点原则:

1.周围应便于安置接收设备,便于操作,视野开阔,视 场内周围障碍物的高度角一般应小于 15°; 2.远离大功率无线电发射源(如电视台、微波站等) , 其距离不小于 400m;远离高压输电线,其距离不小于 200m; 3.点位附近不应有强烈干扰卫星信号接收的物体,并尽 量避开大面积水域; 4.交通方便,有利于其它测量手段扩展和联测; 5.地面基础稳定,易于点的保存 为了较长期地保存点位,GPS 控制点一般应设置具有中 心标志的标石, 精确地标志点位, 点的标石和标志必须稳定、 坚固。最后,应绘制点之记、测站环视图和 GPS 网图、作为 提交的选点技术资料。 4.4 GPS 外业观测 1.GPS 观测准备工作 (1)GPS 接收仪的一般性检视 主要检查接收机给部件是否齐全、完好,紧固部件是否松动 与脱落,设备的使用手册及资料是否齐全等。 (2)通电检验 检验的主要项目包括:设备通电后有关信号灯、按键、 显示系统和仪表工作情况,以及自测试系统工作情况。当自 测试正常后,按操作步骤进行卫星捕获与跟踪,以检验其工 作情况。

(3)试测检验 主要是检验接收机精度及其稳定性。两台 GPS 接收机所 测的基线长与标准值比较,以确定接收机的精度和稳定性。 (4)编制 GPS 卫星可见性预报及观测时段的选择 GPS 定位精度与观测卫星的几何图形有密切关系。卫星 几何图形的强度越好,定位精度越高。从观测站观测卫星的 高度角越小,卫星分布范围越大,则几何精度因子 GDOP 值 越小,定位精度越高,一般要求 GDOP 值小于 6。因此,观测 前要编制卫星可见性预报,选择最佳观测时段,拟定观测计 划。 一般 GPS 接收机的商用数据处理系统都带有卫星可见预 报软件。使用软件时,需在当前子目录下存有前期观测卫星 星历文件;调入预报软件后,输入预计观测站的概略坐标、 预计观测日期和观测卫星的高度的截止角(例如 10°或 15°) 。软件首先读取前期卫星星历文件的卫星日程表(即 含有所有 GPS 卫星的概略星历) ,软件按预计观测日期计算 卫星位置,再利用测站坐标计算卫星高度角,选取高度角大 于高度的截止角的所有卫星进行预报,按时间顺序列出所有 可见卫星信息。 根据卫星的几何精度 GDOP 的变化情况,可以选择最佳 时间段。进一步安排观测卫作的进程表及接收机的调度计 划。

2.观测工作 观测工作包括:天线安置,GPS 接收仪安置与操作,气 象参数测定,测站记录等。 (1)天线安置 天线的精确安置是实现精密定位的前提条件之一。一般 情况下,天线应尽量利用三脚架安置在标志中心的垂线方向 上,直接对中;天线的圆水准泡必须居中;天线定向标志线 应指向正北。 天线安置后,应在各观测时段的前后各量取天线高一 次。两次量高取平均值作为最后天线高。 (2)安置 GPS 接收仪 在离天线的适当位置的地面上安放接收仪,用电缆把接 收仪与电源、天线及控制器连接好,确认无无误后,打开电 源开关,进行预热和静置。 (3)开机观测 观测的主要任务, 是捕获 GPS 卫星信号并对其进行跟踪、 接收和处理信号,以获取所需的定位观测数据。其主要步骤 如下: (a)开机后检查各指示灯与仪表显示是否正常,若正常 开始自测试。 (b)按测量功能键,接收机开始搜索卫星,输入测站参 数,等待开测命令。

(c)按测量键开始同步观测,并注意有关信息。 按测量键显示测站的地理坐标、累计数据采集时间、 PDOP 值、可视卫星和锁定卫星的数量。观测过程中,通过显 示屏随时了解作业进程。 (4)观测记录与测量手簿 观测记录由 GPS 接收机自动形成,自动记录在存储介质 (如 PCMCIA 卡等)上,其内容有 GPS 卫星星历及卫星钟差 参数、伪距观测值等。至于测站的信息,包括测站点点号、 时段号、天线高等,通常是由观测人员手工输入接收机。 测量手簿在观测过程中由观测人员填写,不得测后补 记。手簿的内容还包括天气状况、气象元素、观测人员等内 容。 3.成果检核与数据处理 (1)将观测数据下载到计算机中,并计算 GPS 基线向 量,基线向量的解算软件一般采用仪器厂家提供的软件。 (2)对解算成果进行检核,常见的有同步环和异步环 的检测。根据规范要求的精度,剔除误差大的数据,必要时 还需要进行重测。 (3)将基线向量组网进行平差。平差软件可以采用仪 器厂家提供的软件,也可以采用通用数据格式的第三方软件 或自编软件。 (4)通过平差计算,最终得到各观测点在指定坐标系

中的坐标,并对坐标值的精度进行评定。


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