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GPS 测量与数据处理.pdf

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：2.36M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    用 GPS 测量数据处理 教程 www.eshuba.com E书吧 武汉测绘科技大学 地球科学与测量工程学院
    ii
    目录 目录 概述 I 1 第一章 GPS 定 位 原 理 概 述 ........................................................................................................................2 第 1 节 第 2 节 第 3 节 第 4 节 第 5 节 第 6 节 GPS 的组成 ..........................................................................................................................2 GPS 信号...............................................................................................................................2 SPS 和 PPS ...........................................................................................................................3 GPS 定位的常用观测值....................................................................................................3 GPS 定位的误差源.............................................................................................................3 GPS 定位方法......................................................................................................................4 第二章 坐 标 系 基 准 和 坐 标 系 统 ............................................................................................................7 第 1 节 一 二 三 四 五 第 2 节 一 二 三 四 地球的形状 ..........................................................................................................................7 地球的自然表面 ............................................................................................................ 7 地球的质量和重力 ....................................................................................................... 7 大地水准面..................................................................................................................... 7 参考椭球 ......................................................................................................................... 7 投影 .................................................................................................................................. 7 坐标系统 ...............................................................................................................................7 坐标系的分类 ................................................................................................................ 7 基准 .................................................................................................................................. 8 坐标系变换与基准变换............................................................................................... 8 GPS 测量中常用的坐标系统 ................................................................................... 11 第三章 GPS 静 态 定 位 在 测 量 中 的 应 用 ............................................................................................... 15 第 1 节 第 2 节 一 二 三 GPS 静态定位在测量中的应用 ....................................................................................15 布设 GPS 基线向量网的工作步骤 ...............................................................................15 测前工作 .......................................................................................................................15 测量实施 .......................................................................................................................16 测后工作 .......................................................................................................................17 第四章 技 术 设 计 ........................................................................................................................................ 19 第 1 节 第 2 节 技术设计的作用................................................................................................................19 技术设计的内容................................................................................................................19 第五章 布 网 方 法 ........................................................................................................................................ 21 第 1 节 第 2 节 一 二 三 四 五 第 3 节 GPS 基线向量网的等级..................................................................................................21 GPS 基线向量网的布网形式 .........................................................................................21 跟踪站式 .......................................................................................................................22 会战式............................................................................................................................22 多基准站式...................................................................................................................22 同步图形扩展式 ..........................................................................................................23 单基准站式...................................................................................................................24 采用同步图形扩展的布网形式布设 GPS 基线向量网时的观测作业方式........24 i
    一 二 三 四 第 4 节 一 二 三 第 5 节 一 二 点连式 ............................................................................................................................25 边连式 ............................................................................................................................25 网连式 ............................................................................................................................26 混连式 ............................................................................................................................26 布设 GPS 基线向量网时的设计指标.......................................................................... 26 效率指标........................................................................................................................27 可靠性指标...................................................................................................................27 精度指标........................................................................................................................28 GPS 网的设计准则.......................................................................................................... 28 出发点 ............................................................................................................................28 GPS 网布网作业准则 .................................................................................................28 第六章 GPS 基 线 解 算 ..............................................................................................................................30 第 1 节 一 二 第 2 节 一 二 第 3 节 一 二 第 4 节 一 二 第 5 节 GPS 基线解算的基本原理............................................................................................. 30 观测值 ............................................................................................................................30 基线解算 平差 ......................................................................................................30 GPS 基线解算的分类...................................................................................................... 32 单基线解算...................................................................................................................32 多基线解........................................................................................................................32 基线解算阶段的质量控制............................................................................................. 33 质量控制指标及其应用 .............................................................................................33 应用 ................................................................................................................................35 影响 GPS 基线解算结果的几个因素及其应对方法............................................... 35 影响 GPS 基线解算结果的几个因素.....................................................................35 影响 GPS 基线解算结果因素的判别及应对措施 ...............................................36 GPS 基线解算的过程...................................................................................................... 41 第七章 GPS 基 线 向 量 网 平 差 .................................................................................................................43 第 1 节 一 二 第 2 节 一 二 三 第 3 节 一 二 三 四 第 4 节 一 二 三 GPS 网平差的分类.......................................................................................................... 43 三维平差和二维平差 .................................................................................................43 无约束平差 约束平差和联合平差.......................................................................43 GPS 网平差原理............................................................................................................... 44 三维无约束平差 ..........................................................................................................44 三维联合平差...............................................................................................................46 二维联合平差...............................................................................................................46 GPS 网平差的过程.......................................................................................................... 46 提取基线向量 构建 GPS 基线向量网.................................................................47 三维无约束平差 ..........................................................................................................47 约束平差/联合平差.....................................................................................................47 质量分析与控制 ..........................................................................................................47 GPS 网平差中起算数据的检验.................................................................................... 48 方差检验法...................................................................................................................48 符合路线法...................................................................................................................48 检查点法........................................................................................................................48 第八章 GPS 高 程 .......................................................................................................................................51 第 1 节 一 二 高程系统 ............................................................................................................................ 51 大地高系统...................................................................................................................51 正高系统........................................................................................................................51 ii
    三 四 第 2 节 一 二 三 正常高............................................................................................................................51 高程系统之间的转换关系........................................................................................52 GPS 高程的方法 ...............................................................................................................52 等值线图法...................................................................................................................52 地球模型法...................................................................................................................53 高程拟合法...................................................................................................................53 第九章 技 术 总 结 ........................................................................................................................................ 57 第 1 节 第 2 节 技术总结的作用................................................................................................................57 技术总结的内容................................................................................................................57 附录 61 第 1 节 第 2 节 一 二 三 四 五 第 3 节 RINEX 格式 .......................................................................................................................61 GPSURVEY 软件使用 ........................................................................................................82 GPSurvey 软件概述....................................................................................................82 建立项目 .......................................................................................................................87 数据传输 .......................................................................................................................89 基线解算 .......................................................................................................................92 基线向量网平差 TRIMNET PLUS ...................................................................98 词汇表 ...............................................................................................................................106 iii
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    概述 全球定位系统 Global Positioning System-GPS 作为新一代的卫星导航定位系统 经过二 十多年的发展 已发展成为一种被广泛采用的系统 它的应用领域和应用前景已远远超出了该 系统设计者当初的设想 目前 它在航空 航天 军事 交通 运输 资源勘探 通信 气象 等几乎所有的领域中 都被作为一项非常重要的技术手段和方法 用来进行导航 定时 定位 地球物理参数测定和大气物理参数测定等 作为较早采用 GPS 技术的领域 在测量中 它最初主要用于高精度大地测量和控制测量 建立各种类型和等级的测量控制网 现在 它除了继续在这些领域发挥着重要作用外 还在测 量领域的其它方面得到充分的应用 如用于各种类型的施工放样 测图 变形观测 航空摄影 测量 海测和地理信息系统中地理数据的采集等 尤其是在各种类型的测量控制网的建立这一 方面 GPS 定位技术已基本上取代了常规测量手段 成为了主要的技术手段 现在 在我国采 用 GPS 技术布设了新的国家大地测量控制网 很多城市也都采用 GPS 技术建立了城市控制网 为了使大家能充分了解和掌握利用 GPS 定位技术建立控制网的基本原理和方法 本书将 围绕着利用 GPS 定位技术布设控制网的全过程 介绍在布网过程中所设及到的大量理论与技 术问题 内容将包括从技术设计 外业观测 基线解算 直到网平差和提交成果进行验收等各 个环节 具体有以下一些内容 n GPS 定位原理概述 在这一部分里 将简要介绍 GPS 系统和 GPS 定位的基本原理 如果读者已对此有较全面 的了解 可以跳过此部分 n 坐标系 基准和坐标系统 介绍在采用 GPS 布设控制网时常用的坐标系统及各坐标系统间的转换关系 n GPS 静态定位在测量中的应用 介绍 GPS 静态定位在测量中的主要应用方式及作业步骤 n 技术设计 介绍在布设 GPS 网时 进行技术设计的作用 原则和内容 n 布网方法 介绍 GPS 网的类型和布网方法 n GPS 基线解算 介绍基线解算的原理 步骤 精化处理方法和质量控制方法 n GPS 基线向量网平差 介绍 GPS 网平差的类型 原理 步骤和质量控制方法 n GPS 高程 介绍采用 GPS 进行测定高程的方法 n 技术总结 介绍布设 GPS 网时 技术总结的作用和内容 本书的目的是使读者能够了解 GPS 数据处理的基本原理和过程 掌握布设 GPS 网及数据 处理的方法 因此全书侧重于方法的介绍 对于理论问题未做过多叙述 对于这些问题 读者 若感兴趣 可阅读其它有关书籍1 1 本书附录中将提供一些参考文献 供读者选读
    第一章 GPS 定位原理概述 第1节 GPS 的组成 GPS Global Positioning System 即全球定位系统 是由美国建立的一个卫星导航定位系 统 利用该系统 用户可以在全球范围内实现全天候 连续 实时的三维导航定位和测速 另 外 利用该系统 用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位 GPS 计划始于 1973 年 已于 1994 年进入完全运行状态(FOC1) GPS 的整个系统由空间部 分 地面控制部分和用户部分所组成 n 空间部分 GPS 的空间部分是由 24 颗 GPS 工作卫星所组成 这些 GPS 工作卫星共同组成了 GPS 卫 星星座 其中 21 颗为可用于导航的卫星 3 颗为活动的备用卫星2 这 24 颗卫星分布在 6 个倾角为 55 的轨道上绕地球运行 卫星的运行周期约为 12 恒星时 每颗 GPS 工作卫星 都发出用于导航定位的信号 GPS 用户正是利用这些信号来进行工作的 n 控制部分 GPS 的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构成 根据其作用的 不同 这些跟踪站又被分为主控站 监控站和注入站 主控站有一个 位于美国克罗拉多 Colorado 的法尔孔 Falcon 空军基地 它的作用是根据各监控站对 GPS 的观测数据 计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等 并将这些数据通过注入站注入到卫星中去 同 时 它还对卫星进行控制 向卫星发布指令 当工作卫星出现故障时 调度备用卫星 替 代失效的工作卫星工作 另外 主控站也具有监控站的功能 监控站有五个 除了主控站 外 其它四个分别位于夏威夷 Hawaii 阿松森群岛 Ascencion 迭哥伽西亚 Diego Garcia 卡瓦加兰 Kwajalein 监控站的作用是接收卫星信号 监测卫星的工作状态 注入站有三个 它们分别位于阿松森群岛 Ascencion 迭哥伽西亚 Diego Garcia 卡 瓦加兰 Kwajalein 注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注 入到卫星中去 n 用户部分 GPS 的用户部分由 GPS 接收机 数据处理软件及相应的用户设备如计算机气象仪器等所 组成 它的作用是接收 GPS 卫星所发出的信号 利用这些信号进行导航定位等工作 以上这三个部分共同组成了一个完整的 GPS 系统 第2节 GPS 信号 GPS 卫星发射两种频率的载波信号 即频率为 1575.42MHz 的 L1 载波和频率为 1227.60HMz 的 L2 载波 它们的频率分别是基本频率 10.23MHz 的 154 倍和 120 倍 它们的波长分别为 19.03cm 和 24.42cm 在 L1 和 L2 上又分别调制着多种信号 这些信号主要有 n C/A 码 C/A 码又被称为粗捕获码 它被调制在 L1 载波上 是 1MHz 的伪随机噪声码 PRN 码 其码长为 1023 位 周期为 1ms 由于每颗卫星的 C/A 码都不一样 因此 我们经常用它 1 FOC – Full Operational Capability 2 实际上这 3 颗备用卫星同样可用于导航定位 2
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