大地形变测量仪器.ppt
第三章 大地形变测量仪器,目前主要使用的仪器有：一、水准测量和数字水准仪二、GPS定位技术和GPS接收机,第一节 GPS接收机,一、工作原理与结构任一时刻t，在地面上的某个观测站同时观测到四颗卫星，这些卫星在t时刻的空间位置为已知，观测站的GPS接收机卫星发出的信号，根据电磁波信号在空间传播的时间测得卫星至GPS接收机的距离，就可以确定GPS接收机的空间位置和钟差。这种方法类似于经典测量中的“后方距离交会法”。,GPS接收机主要由GPS接收机天线单元、GPS接收机主机单元和电源三部组成。天线单元的主要功能是将GPS卫星信号非常微弱的电磁波转化为电流，并对这种信号电流进行放大和变频处理。而接收机单元的主要功能是对经过放大和变频处理的信号电源进行跟踪、处理和测量，描述了GPS信号接收机的基本结构。,GPS接收机的基本结构,如果把GPS接收机作为用户测量系统，那么按其构成部分的性质和功能，可分为硬件部分和软件部分。硬件部分，主要系指上述天线单元、接收单元的硬件设备。而软件部分是支持接收机硬件实现其功能，并完成各种导航与定位任务的重要条件。所谓内软件是指诸如控制接收机信号通道按时序对各卫星信号进行量测的软件以及内存或固化在中央处理器中的自动操作程序等。,天线单元由接收天线和前置放大器两个部件组成，如图所示。其基本功能，是接收GPS卫星信号，并把卫星信号的能量转化为相应的电流量，经过前置放大器，将微弱的GPS信号电流予以放大，送入频率变换器进行频率变换，以便接收机对信号进行跟踪和量测。,对天线的要求(1)天线与前置放大器一般应密封为一体。以保障其在恶劣的气象环境中能正常工作，并减少信号损失。(2)天线均应成全圆极化。使天线的作用范围为整个上半球，在天顶处不产生死角，以保证能接收来自天空任何方向的卫星信号。(3)天线必须采取适当的防护和屏蔽措施。以最大限度地减弱信号的多路径效应，防止信号被干扰。(4)天线的相位中心与几何中心之间的偏差应尽量小，且保持稳定。由于GPS测量的观测量，是以天线的相位中心为准的，而在作业过程中，应尽可能保持两个中心的一致性和相位中心的稳定。,目前，GPS接收机的天线有多种类型，其基本类型如下图所示。,(1)单极天线。这种天线属单频天线，具有结构简单，体积小的优点。需要安装在一块基板上，以利于减弱多路径的影响。(2)螺旋形天线。这种天线频带宽，全圆极化性能好，可接收来自任何方向的卫星信号。常用作导航型接收机天线。(3)微带天线。微带天线是在一块介质板的两面贴以金属片，其结构简单且坚固，重量轻，高度低。既可用于单频机，也可用于双频机。这种天线更适用于飞机、火箭等高速飞行物上。(4)锥形天线。这种天线是在介质锥体上，利用印刷电路技术在其上制成导电圆锥螺旋表面，也称盘旋螺线型天线。这种天线可同时在两个频道上工作，主要优点是增益性好。但由于天线较高，而且螺旋线在水平方向上不完全对称，因此天线的相位中心与几何中心不完全一致。(5)带扼流圈的振子天线，也称扼流圈天线。这种天线的主要优点是，可以有效地抑制多路径误差的影响。,接收单元GPS信号接收机的接收单元主要由信号通道单元、存储单元、计算和显示控制单元、电源等4个部分组成。,信号通道信号通道是接收单元的核心部件，它不是一种简单的信号通道，而是一种由硬件和相应的控制软件相结合的有机体。,若根据通道的工作原理，即对信号处理和量测的不同方式，则可分为码相关型通道、平方型通道和码相位型通道，它们分别采用不同的解调技术，三者的基本特点如下：(1)相关型波道：用伪噪声码互相关电路，实现对扩频信号的解扩，解译出卫星导航电文。(2)平方型波道：用GPS信号自乘电路，仅能获取二倍于原载频的重建载波，抑制了数据码，无法获取卫星导航电文。(3)码相位波道：用GPS信号时延电路和自乘电路相结合的方法，获取P码或C/A码的码率正弦波，仅能测量码相位，而无法获取卫星导航电文。若根据跟踪卫星信号的不同方式，则可分为序贯通道、多路复用通道和多通道。,存储器 接收机内设有存储器，以存储一小时一次的卫星星历、卫星历书，接收机采集到的码相位伪距观测值、载波相位观测值及人工测量数据。,计算与显控 图7-1中的显控器，通常包括一个视屏显示窗和一组控制键盘，它们有的安设在接收单元的面板上，有的作为一个独立的终端设备。它是人机对话的窗口，通过它，可对接收机进行配置，让接收设备按照配置的要求去工作。,电源 GPS接收机的电源有两种：一种是内电源，一般采用锂电池，主要用于为RAM存储器供电，以防止数据丢失；另一种为外接电源，这种电源常采用可充电的12V直流镉镍电池组或锂电池，有的也可采用汽车电瓶。,技术要求与参数设定,GPS连续站GPS接收机主要技术要求接收机天线的技术要求辅助设施技术要求GPS连续观测站技术参数设定要求,GPS连续站GPS接收机主要技术要求：1、伪码距测量精度优于 m，载波相位测量精度优于 Hz2、有足够的通道能同时接收不少于8个GPS卫星的L1C/A伪码距、L1与L2的P码伪距，L1与L2全波长载波相位观测值。3、最小数据采样间隔小于或等于0.5秒4、接收机晶振的稳定性不低于 5、数据纯属介质至少能存储30s采样间隔不少于8个卫星240小时的连续观测数据6、可连接计算机，数据能以压缩格式以不低于19.2kbps的速率下载，数据下载时仍能进行卫星连续跟踪、数据记录7、在-30C+55C及相对湿度0%100%的环境下能长期连续正常工作。8、可用直流电供电并且可同时用电压200240V交流电供电,接收机天线技术要求：1、抗多路径效应干扰2、在-40C+65C及相对湿度0%100%的环境下能长期连续正常工作3、天线相位中心稳定，非零相位中心天线有方向标志线4、抗AS，即在AS条件下仍可接收L1、L2的P码伪距5、在电离层活动强时或其他强无线电干扰时能正常工作,辅助设施技术要求：1、数字气象仪2、计算机3、电源（不间断电源、太阳能电源）,GPS连续观测站技术参数设定要求：1、测站名：4位英文大写字符、数字组合缩写名2、时段定义：开始时间GPS Time0：00：00，结束时间GPS Time23：59：593、采样间隔：30s，应急状态采样间隔不低于1s4、截止高度角：5。5、最少卫星数：1。6、有循环记录缓冲区的接收机，缓冲区设定：5MB，缓冲区采样间隔1s7、气象数据采样间隔：30分钟。,在GPS测量中，为了屏蔽遮挡物（如建筑物、树木等）及多路径效应的影响所设定的蔽遮高度角，低于此角视空域的卫星不予跟踪。,晶振一般采用如图a电容三端式(考毕兹)交流等效振荡电路；实际的晶振交流等效电路如图b，其中Cv是用来调节振荡频率，一般用变容二极管加上不同的反偏电压来实现，这也是压控作用的机理；把晶体的等效电路代替晶体后如图c。其中Co，C1，L1，RR是晶体的等效电路。,检验与维护,一、天线相位中心稳定性检测二、GPS接收机内部噪声水平检测三、GPS仪器野外作业性能检测,试验采用相对测定法进行，试验时将接收天线安置在基线端点上，强制对中、整平后，将天线定向标志指向正北，观测一个时段（1小时）；然后固定一个天线，另一个天线依次旋转90、180、270，再测三个时段；接着原固定不动的天线相对于原来转动的天线依次旋转0、90、180、270，再测四个时段。分别求出各时段基线值，同一基线观测值最大互差不能超过2倍固定误差,一、天线相位中心稳定性检测,相对测定法各方向基线长度,同样我们得到了天线相位中心偏离校准结果：平面偏差Px=+1.37 mm 标准不确定度U=1.22 mm平面偏差Py=+1.68 mm 标准不确定度U=0.51 mm,检测采用超短基线法进行，检验基线长约5米，基线端点为钢筋混凝土水泥墩，上面安有强制对中盘，确保对中误差小于0.2mm，观测墩上方无强干扰源和遮挡物，可保证良好的观测条件，基线长度采用铟钢带尺丈量。试验采用同步观测1小时,共观测2个时段,显然，二个时段所得的距离与标准长度之差远小于仪器标称的固定误差。根据GPS检定规程我们得到该接收机内部噪声水平如下：内部噪声偏差分量x=+0.15 mm内部噪声偏差分量y=-0.85 mm内部噪声偏差分量z=+0.05 mm内部噪声偏差=-0.15 mm,二、GPS接收机内部噪声水平检测,二、GPS接收机内部噪声水平检测,一般采用零基线检验接收机内部噪声水平。零基线是检验接收机钟差、信号通道时延，延迟锁相环误差及机内噪声等电性能锁引起的定位误差的一种有效方法。零基线测试方法：1、选择周围高度角10以上无障碍物地方安放天线，连接功分器2、连接电源3、2台仪器同步接收卫星两小时（一个时段）4、交换接收机天线接口，按要求再观测一个时段5、用静态定位软件计算基线分量和基线长度,三、GPS仪器野外作业性能检测,野外作业性能检测包括:（一）短基线检测（二）长基线检测,（一）短基线检测GPS仪器的短基线实测检验必须在国家技术监督局授权的比长基线场进行检测方法：将仪器依次至于不同的观测墩上，构成4条不同长度的基线（242000m），每条基线测量4小时。观测基线与真值之差应符合仪器的标称精度。（二）长基线检测GPS仪器的长基线实测检验可在专门的GPS比长基线网或在适当的场地进行（1001000km）。,检测方法：可多台仪器同测。仪器分别置于基线两端，观测4昼夜，每1昼夜为1个单解日。可用下列公式计算各基线的重复精度。基线水平分量的重复精度优于5mm，垂直分量优于15mm。,其中：,比长基线场是野外长度计量检定标准，其相对精度为，主要用于全站仪、测距仪和GPS接收机（测量用）的检定。比长基线场的选址要求地势平坦、地质结构稳定、无强电磁波辐射，长度须在10001200米，基线延长方向无重大建筑物。,设备安装与调试,GPS连续观测站设备，由观测设备、电源设备和下载存储通信传输设备三个部分组成,1 伪距差分原理这是应用最广的一种差分。在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较，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，如沿海广泛使用的“信标差分”2载波相位差分原理载波相位差分技术又称RTK（Real Time Kinematic）技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。即是将基准站采集的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的领域。,上海思增的GPS车辆监控调度系统是由GPS移动终端GPRS/GSM（CDMA1X/CDMA）、传输系统和监控中心三部分组成。（1）GPS 移动终端 GPS 移动终端包括GPS汽车防盗跟踪器，它将接收到的GPS 定位信息经过处理后，计算出车辆的经度、纬度、速度、方向。（2）传输系统传输系统由GPRS/GSM网络、短信中心、GSM前置机、交换机、网络电缆组成，它负责GPS移动终端与监控中心之间的数据传输。（3）监控中心监控中心是整个系统的核心，直接影响系统的稳定、有效运行。它将GPS移动终端通过GPRS/GSM传输系统传来的数据与电子地图匹配，即可实现车辆的位置显示、跟踪，同时，监控中心的调度、控制指令等通过GPRS/GS（CDMA1X/CDMA）传输系统下达给GPS 移动终端。监控中心在硬件上由三部分组成：通讯服务器、GIS 服务器和监控终端（或监控显示屏）。通讯服务器负责处理系统与GPS 移动终端的双向通讯（通过GSM 短信中心、TCP/IP或GSM 前置机）。GIS 服务器又称数据库服务器，完成各种数据记录和与电子地图的匹配，系统采用的是SQL Server7.0 数据库、MapInfo 电子地图。监控终端用于中心服务人员对车辆的监视、控制操作。,
