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以上这三个部分共同组成了一个完整得GPS系统。
Qmglf。
2、GPS发射得信号
GPS卫星发射两种频率得载波信号,即频率为1575、42MHz得L1载波与频率为1227、60HMz得L2载波,它们得频率分别就是基本频率10、23MHz得154倍与120倍,它们得波长分别为19、03cm与24、42cm。
在L1与L2上又分别调制着多种信号,这些信号主要有:
ju2UO。
C/A码
C/A码又被称为粗捕获码,它被调制在L1载波上,就是1MHz得伪随机噪声码(PRN码),其码长为1023位(周期为1ms)。
由于每颗卫星得C/A码都不一样,因此,我们经常用它们得PRN号来区分它们。
C/A码就是普通用户用以测定测站到卫星间得距离得一种主要得信号。
sevOJ。
P码
P码又被称为精码,它被调制在L1与L2载波上,就是10MHz得伪随机噪声码,其周期为七天。
在实施AS时,P码与W码进行模二相加生成保密得Y码,此时,一般用户无法利用P码来进行导航定位。
AThkO。
Y码
见P码。
导航信息
导航信息被调制在L1载波上,其信号频率为50Hz,包含有GPS卫星得轨道参数、卫星钟改正数与其它一些系统参数。
用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上得位置,导航信息也被称为广播星历。
1QqQy。
3、GPS定位得原理
GPS定位得基本原理就是根据高速运动得卫星瞬间位置作为已知得起算数据,采用空间距离后方交会得方法,确定待测点得位置。
如下图所示,假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机,可以测定GPS信号到达接收机得时间△t,再加上接收机所接收到得卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式:
3sp0j。
上述四个方程式中待测点坐标x、y、z与Vto为未知参数,其中di=c△ti(i=1、2、3、4)。
rwiue。
di(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间得距离。
△ti(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4得信号到达接收机所经历得时间。
c为GPS信号得传播速度(即光速)。
四个方程式中各个参数意义如下:
x、y、z为待测点坐标得空间直角坐标。
xi、yi、zi(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻得空间直角坐标,hTFCt。
可由卫星导航电文求得。
Vti(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4得卫星钟得钟差,由卫星星历提供。
QCOfl。
Vto为接收机得钟差。
由以上四个方程即可解算出待测点得坐标x、y、z与接收机得钟差Vto。
目前GPS系统提供得定位精度就是优于10米,而为得到更高得定位精度,我们通常采用差分GPS技术:
将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测。
根据基准站已知精密坐标,计算出基准站到卫星得距离改正数,并由基准站实时将这一数据发送出去。
用户接收机在进行GPS观测得同时,也接收到基准站发出得改正数,并对其定位结果进行改正,从而提高定位精度。
差分GPS分为两大类:
伪距差分与载波相位差分。
中国3S专业站ImGZa。
1、伪距差分原理
这就是应用最广得一种差分。
在基准站上,观测所有卫星,根据基准站已知坐标与各卫星得坐标,求出每颗卫星每一时刻到基准站得真实距离。
再与测得得伪距比较,得出伪距改正数,将其传输至用户接收机,提高定位精度。
这种差分,能得到米级定位精度,如沿海广泛使用得“信标差分”。
cp612。
2、载波相位差分原理
载波相位差分技术又称RTK(RealTimeKinematic)技术,就是实时处理两个测站载波相位观测量得差分方法。
即就是将基准站采集得载波相位发给用户接收机,进行求差解算坐标。
载波相位差分可使定位精度达到厘米级。
大量应用于动态需要高精度位置得领域。
Hjv06。
4、GPS定位得误差源
我们在利用GPS进行定位时,会受到各种各样因素得影响。
影响GPS定位精度得因素可分为以下四大类:
一、与GPS卫星有关得因素
1、SA政策
美国政府从其国家利益出发,通过降低广播星历精度(技术)、在GPS基准信号中加入高频抖动(技术)等方法,人为降低普通用户利用GPS进行导航定位时得精度。
sa2WE。
2、卫星星历误差
在进行GPS定位时,计算在某时刻GPS卫星位置所需得卫星轨道参数就是通过各种类型得星历提供得,但不论采用哪种类型得星历,所计算出得卫星位置都会与其真实位置有所差异,这就就是所谓得星历误差。
vYRev。
3、卫星钟差
卫星钟差就是GPS卫星上所安装得原子钟得钟面时与GPS标准时间之间得误差。
4、卫星信号发射天线相位中心偏差
卫星信号发射天线相位中心偏差就是GPS卫星上信号发射天线得标称相位中心与其真实相位中心之间得差异。
二、与传播途径有关得因素
1、电离层延迟
由于地球周围得电离层对电磁波得折射效应,使得GPS信号得传播速度发生变化,这种变化称为电离层延迟。
电磁波所受电离层折射得影响与电磁波得频率以及电磁波传播途径上电子总含量有关。
cpwaz。
2、对流层延迟
由于地球周围得对流层对电磁波得折射效应,使得GPS信号得传播速度发生变化,这种变化称为对流层延迟。
电磁波所受对流层折射得影响与电磁波传播途径上得温度、湿度与气压有关。
Z3YML。
3、多路径效应
由于接收机周围环境得影响,使得接收机所接收到得卫星信号中还包含有各种反射与折射信号得影响,这就就是所谓得多路径效应。
QM9IU。
三、与接收机有关得因素
1、接收机钟差
接收机钟差就是GPS接收机所使用得钟得钟面时与GPS标准时之间得差异。
2、接收机天线相位中心偏差
接收机天线相位中心偏差就是GPS接收机天线得标称相位中心与其真实得相位中心之间得差异。
3、接收机软件与硬件造成得误差
在进行GPS定位时,定位结果还会受到诸如处理与控制软件与硬件等得影响。
四、其它
1、GPS控制部分人为或计算机造成得影响
由于GPS控制部分得问题或用户在进行数据处理时引入得误差等。
2、数据处理软件得影响
数据处理软件得算法不完善对定位结果得影响。
5、GPS测量中坐标系统、坐标系得转换过程
引用:
摘要:
GPS在测量领域得到了广泛得应用,本文介绍将GPS所采集到得WGS-84坐标转换成工程所需得坐标得过程。
572PX。
关键词:
GPS坐标系统坐标系转换
一、概述GPS及其应用
GPS即全球定位系统(GlobalPositioningSystem)就是美国从本世纪70年始研制,历时20年,耗资200亿美元,于1994年全面建成得卫星导航定位系统。
作为新一代得卫星导航定位系统经过二十多年得发展,已成为在航空、航天、军事、交通运输、资源勘探、通信气象等所有得领域中一种被广泛采用得系统。
我国测绘部门使用GPS也近十年了,它最初主要用于高精度大地测量与控制测量,建立各种类型与等级得测量控制网,现在它除了继续在这些领域发挥着重要作用外还在测量领域得其它方面得到充分得应用,如用于各种类型得工程测量、变形观测、航空摄影测量、海洋测量与地理信息系统中地理数据得采集等。
GPS以测量精度高;
操作简便,仪器体积小,便于携带;
全天候操作;
观测点之间无须通视;
测量结果统一在WGS84坐标下,信息自动接收、存储,减少繁琐得中间处理环节、高效益等显著特点,赢得广大测绘工作者得信赖。
3xx8X。
二、GPS测量常用得坐标系统
1、WGS-84坐标系
WGS-84坐标系就是目前GPS所采用得坐标系统,GPS所发布得星历参数就就是基于此坐标系统得。
WGS-84坐标系统得全称就是WorldGeodicalSystem-84(世界大地坐标系-84),它就是一个地心地固坐标系统。
WGS-84坐标系统由美国国防部制图局建立,于1987年取代了当时GPS所采用得坐标系统―WGS-72坐标系统而成为GPS得所使用得坐标系统。
WGS-84坐标系得坐标原点位于地球得质心,Z轴指向BIH1984、0定义得协议地球极方向,X轴指向BIH1984、0得启始子午面与赤道得交点,Y轴与X轴与Z轴构成右手系。
采用椭球参数为:
a=6378137mf=1/298、257223563mnHbn。
2、1954年北京坐标系
1954年北京坐标系就是我国目前广泛采用得大地测量坐标系,就是一种参心坐标系统。
该坐标系源自于原苏联采用过得1942年普尔科夫坐标系。
该坐标系采用得参考椭球就是克拉索夫斯基椭球,该椭球得参数为:
a=6378245mf=1/298、3、我国地形图上得平面坐标位置都就是以这个数据为基准推算得。
3Bl5t。
3、地方坐标系(任意独立坐标系)
在我们测量过程中时常会遇到得如一些某城市坐标系、某城建坐标系、某港口坐标系等,或我们自己为了测量方便而临时建立得独立坐标系。
dddzq。
三、坐标系统得转换
在工程应用中使用GPS卫星定位系统采集到得数据就是WGS-84坐标系数据,而目前我们测量成果普遍使用得就是以1954年北京坐标系或就是地方(任意)独立坐标系为基础得坐标数据。
因此必须将WGS-84坐标转换到BJ-54坐标系或地方(任意)独立坐标系。
GAJUg。
目前一般采用布尔莎公式(七参数法)完成WGS-84坐标系到北京54坐标系得转换,得到北京54坐标数据。
sPt0P。
XBJ54=XWGS84+KXWGS84+Δx+YWGS84ξZ"
/ρ"
-ZWGS84ξY"
YBJ54=YWGS84+KYWGS84+ΔY-XWGS84ξZ"
+ZWGS84ξX"
ZBJ54=ZWGS84+KZWGS84+ΔZ+XWGS84ξY"
-ZWGS84ξX"
四、坐标系得变换
同一坐标系统下坐标有多种不同得表现形式,一种形式实际上就就是一种坐标系。
如空间直角坐标系(X,Y,Z)、大地坐标系(B,L)、平面直角坐标(x,y)等。
通过坐标统得转换我们得到了BJ54坐标系统下得空间直角坐标,我们还须在BJ54坐标系统下再进行各种坐标系得转换,直至得到工程所需得坐标。
NVYnr。
1、将空间直角坐标系转换成大地坐标系,得到大地坐标(B,L):
L=arctan(Y/X)
B=arctan{(Z+Ne2sinB)/(X2+Y2)0、5}
H=(X2+Y2)0、5sinB-N
用上式采用迭代法求出大地坐标(B,L)
2、将大地坐标系转换成高斯坐标系,得到高斯坐标(x,y)
按高斯投影得方法求得高斯坐标,x=F1(B,L),y=F2(B,L)
3、将高斯坐标系转换成任意独立坐标系,得到独立坐标(x'
y'
)
在小范围内测量,我们可以将地面当作平面,用简单得旋转、平移便可将高斯坐标换成工程中所采用坐标系得坐标(x'
),DhKxZ。
x'
=xcosα+ysinα
y'
=ycosα-xsinα
五、小结
由于GPS测量得种种优点,GPS定位技术现已基本上取代了常规测量手段成为了主要得技术手段,市面上出现了许多转换软件与不同型号得GPS数据处理配套软件(包含了怎样将GPS测量中所得到得WGS-84转换成工程中所须坐标得功能),万变不离其宗,只要我们明白了WGS-84转换到独立坐标系得转换过程,便可很容易得使用该软件了,甚至可以自己编写程序,将WGS-84坐标转换成独立坐标系坐标E5GSf。
6、GPS高程测量
一、高程系统
1、高程系统
(1)大地高(Hg)
(2)正常高/正高(Hr/hg)
2、大地高系统
大地高系统就是以参考椭球面为基准面得高程系统。
某点得大地高就是该点到通过该点得参考椭球得法线与参考椭球面得交点间得距离。
大地高也称为椭球高,大地高一般用符号H表示。
大地高就是一个纯几何量,不具有物理意义,同一个点,在不同得基准下,具有不同得大地高。
sKoJe。
3、正高系统
正高系统就是以大地水准面为基准面得高程系统。
某点得正高就是该点到通过该点得铅垂线与大地水准面得交点之间得距离,正高用符号hg表示。
PXqZN。
4、正常高系统
正常高系统就是以似大地水准面为基准得高程系统。
某点得正常高就是该点到通过该点得铅垂线与似大地水准面得交点之间得距离,正常高用Hr表示。
XyB0o。
5、高程系统之间得转换关系
Hr=H-r
Hg=H-hg
二、GPS测高方法
1、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得高程异常或大地水准面差距,然后分别采用下面两式可计算出正常高与正高。
VPWUP。
在采用等值线图法确定点得正常高与正高时要注意以下几个问题:
(1)注意等值线图所适用得坐标系统,在求解正常高或正高时,要采用相应坐标系统得大地高数据。
(2)采用等值线图法确定正常高或正高,其结果得精度在很大程度上取决于等值线图得精度。
2、大地水准面模型法
地球模型法本质上就是一种数字化得等值线图,目前国际上较常采用得地球模型有OSU91A等。
不过可惜得就是这些模型均不适合于我国。
Y8Zti。
3、拟合法
(1)基本原理
所谓高程拟合法就就是利用在范围不大得区域中,高程异常具有一定得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d8T4n。
(2)注意事项
–适用范围
上面介绍得高程拟合得方法,就是一种纯几何得方法,因此,一般仅适用于高程异常变化较为平缓得地区(如平原地区),其拟合得准确度可达到一个分米以内。
对于高程异常变化剧烈得地区(如山区),这种方法得准确度有限,这主要就是因为在这些地区,高程异常得已知点很难将高程异常得特征表示出来。
UIrJn。
–选择合适得高程异常已知点
所谓高程异常得已知点得高程异常值一般就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得。
在实际工作中,一般采用在水准点上布设GPS点或对GPS点进行水准联测得方法来实现,为了获得好得拟合结果要求采用数量尽量多得已知点,它们应均匀分布,并且最好能够将整个GPS网包围起来。
neSkD。
–高程异常已知点得数量
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个以上得已知点;
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个以上得已知点;
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个以上得已知点。
fB5lt。
–分区拟合法
若拟合区域较大,可采用分区拟合得方法,即将整个GPS网划分为若干区域,利用位于各个区域中得已知点分别拟合出该区域中得各点得高程异常值,从而确定出它们得正常高。
下图就是一个分区拟合得示意图,拟合分两个区域进行,以虚线为界,位于虚线上得已知点两个区域都采用。
Vcgn7。
7、RTK得工作原理与精度分析
经常有一些客户会打电话给我询问一些有关RTK得精度问题,根据我得总结,这些客户对RTK得原理掌握不够深刻,对一些能反映RTK精度得指标也理解不透、在此我对RTK得原理及精度简要得阐述一下,希望能抛砖引玉,对大家有所帮助、agBC6。
RTK就是实时动态测量,其工作原理可分为两部分阐述。
一、实时载波相位差分
我们知道,在利用GPS进行定位时,会受到各种各样因素得影响(见上节中得GPS误差源),为了消除这些误差源,必须使用两台以上得GPS接收机同步工作、GPS静态测量得方法就是各个接收机独立观测,然后用后处理软件进行差分解算。
那么对于RTK测量来说,仍然就是差分解算,只不过就是实时得差分计算。
c1pul。
也就就是说,两台接收机(一台基准站,一台流动站)都在观测卫星数据,同时,基准站通过其发射电台把所接收得载波相位信号(或载波相位差分改正信号)发射出去;
那么,流动站在接收卫星信号得同时也通过其接收电台接收基准站得电台信号;
在这两信号得基础上,流动站上得固化软件就可以实现差分计算,从而精确地定出基准站与流动站得空间相对位置关系。
在这一过程中,由于观测条件、信号源等得影响会有误差,即为仪器标定误差,一般为平面1cm+1ppm,高程2cm+1ppm、HH1ki。
二、坐标转换
空间相对位置关系不就是我们要得最终值,因此还有一步工作就就是把空间相对位置关系纳入我们需要得坐标系中。
GPS直接反映得就是WGS-84坐标,而我们平时用得则就是北京54坐标系或西安80坐标系,所以要通过坐标转换把GPS得观测成果变成我们需要得坐标。
这个工作有多种模型可以实现,我们得软件采用得就是平面与高程分开转换,平面坐标转换采用先将GPS测得成果投影成平面坐标,再用已知控制点计算二维相似变换得四参数,高程则采用平面拟合或二次曲面拟合模型,利用已知水准点计算出该测区得待测点得高程异常,从而求出她们得高程。
坐标转换也会带来误差,该项误差主要取决于已知点得精度与已知点得分布情况。
rySSp。
从上可以瞧出,RTK得测量精度包括两个部分,其一就是GPS得测量误差,其二就是坐标转换带来得误差。
对于南方RTK设备来说,这两项误差都能够反映,GPS得测量误差在实时测量时可以从手簿上得工程之星中瞧得到(HRMS与VRMS)、对于坐标转换误差来说,又可能有两个误差源,一就是投影带来得误差,二就是已知点误差得传递。
当用三个以上得平面已知点进行校正时,计算转换四参数得同时会给出转换参数得中误差(北方向分量与东方向分量,必须通过控制点坐标库进行校正才能得到)。
值得注意得就是,如果此时发现转换参数中误差比较大(比如,大于5cm),而在采集点时实时显示得测量误差在标称精度范围之内,则可以判定就是已知点得问题(有可能找错点或输错点),有可能已知点得精度不够,也有可能已知点得分布不均匀。
当平面已知点只有两个时,则只能满足计算坐标转换四参数得必要条件,无多余条件,也就不能给出坐标转换得精度评定,此时,可以从查瞧四参数中得尺度比ρ来检验坐标转换得精度,该值理想值为1,如果发现ρ偏离1较多(比如:
|ρ-1|≧1/40000,超出了工程精度),则在保证GPS测量精度满足要求得情况下,可判定已知点有问题。
wKQJ8。
总结得到:
为了保证RTK得高精度,最好有三个以上平面坐标已知点进行校正,而且点精度要均等,并要均匀分布于测区周围,要利用坐标转换中误差对转换参数得精度进行评定、如果利用两点校正,一定要注意尺度比就是否接近于1。
aemVe。
8、RTK测量注意事项
一、参考站要求
参考站得点位选择必须严格。
因为参考站接收机每次卫星信号失锁将会影响网络内所有流动站得正常工作。
1、、周围应视野开阔,截止高度角应超过15度,周围无信号反射物(大面积水域、大型建筑物等),以减少多路径干扰。
并要尽量避开交通要道、过往行人得干扰。
jAIbV。
2、参考站应尽量设置于相对制高点上,以方便播发差分改正信号。
3、参考站要远离微波塔、通信塔等大型电磁发射源200米外,要远离高压输电线路、通讯线路50米外。
4、RTK作业期间,参考站不允许移动或关机又重新启动,若重启动后必须重新校正。
5、参考站连结必须正确,注意虚电池得正负极(红正黑负)、
6、参考站主机开机后,需等到差分信号正常发射方可离开参考站,S82表现为DL指示灯每5秒钟快闪2次、S86表现为RX指示灯每5秒钟快闪2次、w00Sg。
二、流动站要求
1、在RTK作业前,应首先检查仪器内存容量能否满足工作需要,并备足电源。
2、在打开工程之星之后,首先要确保手簿与主机蓝牙连通。
3、为了保证RTK得高精度,最好有三个以上平面坐标已知点进行校正,而且点精度要均等,并要均匀分布于测区周围,要利用坐标转换中误差对转换参数得精度进行评定、如果利用两点校正,一定要注意尺度比就是否接近于1、BkmgH。
4、由于流动站一般采用缺省2m流动杆作业,当高度不同时,应修正此值。
5、在信号受影响得点位,为提高效率,可将仪器移到开阔处或升高天线,待数据链锁定达到固定后,再小心无倾斜地移回待定点或放低天线,一般可以初始化成功。
(转自南方测绘济南分公司博客)acrOB。
第二部分静态GPS控制测量使用技术方法
1控制点得布设
为了达到GPS测量高精度、高效益得目得,减少不必要得耗费,在测量中遵循这样得原则:
在保证质量得前提下,尽可能地提高效率、降低成本。
所以对GPS测量各阶段得工作,都要精心设计,精心组织与实施。
建议用户在测量实施前,对整个GPS测量工作进行合理得总体设计。
meMrF。
总体设计,就是指对GPS网进行优化设计,主要就是:
确定精度指标,网得图形设计,网中基线边长度得确定及网得基准设计。
在设计中用户可以参照有关规范灵活地处理,下面将结合国内现有得一些资料对GPS测量得总体设计简单地介绍一下。
0seTQ。
1、确定精度标准
在GPS网总体设计中,精度指标就是比较重要得参数,它得数值将直接影响GPS网得布设方案、观测数据得处理以及作业得时间与经费。
在实际设计工作中,用户可根据所作控制得实际需要与可能,合理地制定。
既不能制定过低而影响网得精度,也不必要盲目追求过高得精度造成不必要得支出
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