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第八章GPS测量GPS：NAVSTARGPS--NavigationSystemwithTimeandRanging/GlobalPositioningSystem导航授时测距全球定位系统。是一个基于卫星的无线电导航定位系统，为用户提供精密的三维坐标，导航与时间信息。一、历史和背景GNSS：GlobalNavigationSatelliteSystem全球导航卫星系统。目前包括有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的北斗以及欧洲的Galileo等。GPS(GlobalPositioningSystems)美国国防部开发的第二代空间定位系统特点•由21+3颗卫星组成•分布在6个轨道平面上•轨道高度20200Km•运行周期11小时58分•民用定位精度为10m左右•导航精度10-20m•坐标系统为WGS-84•全球、全天候工作，•定位精度高，功能多，应用广格洛纳斯（GLONASS）由前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的卫星定位系统，现在由俄罗斯空间局管理。GLONASS的整体结构类似于GPS系统，其主要不同之处在于星座设计和信号载波频率和卫星识别方法的设计不同。由24颗卫星组成，分布在3个轨道平面上，每个轨道面有8颗卫星轨道高度19100Km，运行周期11小时15分定位精度可达1米，速度误差仅为15厘米/秒前苏联地心坐标系（PE-90）卫星平均在轨寿命较短,没有开发民用市场欧盟伽利略（GALILEO）全球定位系统GALILEO系统是欧洲自主的、独立的全球多模式卫星定位导航系统，提供高精度、高可靠性的定位服务，同时它实现完全非军方控制、管理，可与美国的GPS和俄罗斯的GLONASS兼容，但比后两者更安全、更准确。计划将于2008年完成，但从目前的情况来看，整个系统的建立还是遥遥无期系统组成GALILEO系统由30颗卫星组成，其中27颗工作星，3颗备份星。卫星分布在3个中地球轨道（MEO）上，轨道高度为23616千米，轨道倾角56度。每个轨道上部署9颗工作星和1颗备份星。中国北斗定位系统５颗静止轨道卫星+３０颗非静止轨道卫星采用中国2000大地坐标系（CGS2000）开放服务：•定位精度:10m•测速精度:0.2m/s•授时精度:20ns预计2020年完成全球覆盖7GPS测量与经典测量方法的对比：不需要相互通视全天候作业，操作简单选点灵活、网的质量与点位的分布情况无关可同时提供三维坐标能达到大地测量所需要的精度水平观测、处理自动化军事测绘林业农业地质电力水利交通环保气象地震石油通讯海洋城建科研院校医疗消防国土……GNSS的应用行业9基于北斗的珠峰气象监测站北斗/GPS高精度电力授时服务器基于北斗的汶川地震救灾现场基于北斗系统的新疆公众交通卫星监控系统广泛的应用领域地震监测与研究东西向位移：13mm南北向位移：8mm国防测绘保障导航兵力部署通信网络定时武器制导瞄准摄影成图坐标测定军队定位卫星定位二、GPS系统的组成13空间部分：提供星历和时间信息发射伪距和载波信号提供其它辅助信息地面控制部分：中心控制系统实现时间同步跟踪卫星进行定轨用户部分：接收并测卫星信号记录处理数据提供导航定位信息GPS卫星运行示意图24颗卫星（21+3）6个轨道平面55º轨道倾角2万km轨道高度（地面高度）12小时（恒星时）轨道周期5个多小时出现在地平线以上（每颗星）14现在在轨道实际运行的卫星个数超过32个空间部分地面控制站一个主控站：科罗拉多•斯必灵司三个注入站：阿松森（Ascencion)迭哥•伽西亚(DiegoGarcia)卡瓦加兰(kwajalein)五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷（Hawaii)1555HawaiiAscencionDiegoGarciakwajaleinColoradospringsGPS系统组成——地面控制部分主控站: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。3个注入站: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。5个监控站：接收卫星信号，监测卫星的接收卫星信号，监测卫星的工作状态，传送到主控站。GPS系统组成——用户设备部分按照原理、用途、功能等来分类导航型接收机用途测地型接收机工作原理平方型接收机混合型接收机干涉型接收机载波频率单频接收机双频接收机通道种类多通道接收机序贯通道接收机信号来源单星系统接收机双星系统接收机多星系统接收机GPS系统组成——用户设备部分手持导航型GPS机，精度5-15mCASIOGPS手表产品介绍功能描述技术特点野外应用参数指标返回新品推荐ThenewGPSPATHFINDERistheworld'sfirstwristwatchdesignedtoreceiveandprocessdatafromtheGlobalPositioningSystem(GPS)satellitesthatringtheglobe.MadepossiblebyanumberoforiginalCASIOtechnologicalbreakthroughs,thenewGPSPATHFINDERpackspowerful,low-powerGPScapabilitiesintoacompact,wristwatchsizeconfiguration.Thepressofabuttondisplaysyourcurrentlatitudeandlongitude,headinganddistancetoadestination,currentspeed,waypoints,progressbetweenwaypoints,andmore.Youcanevenstoreinformationaboutyourmovementsinmemoryforlaterrecall.AllthismakesthenewGPSPATHFINDERanessentialnavigationtoolforthemodernoutdooradventurer.Copyright(C)1999-2003bySting,Allrightsreserved.版权所有测绘世界网站Email:surveying@china.com2021CORS天线GNSS接收机OEM板卡Trimble（美国天宝）天宝Leica（瑞士莱卡）NovAtelMagellan(美国麦哲伦）AshtechTOPCON（日本拓普康）Javad国外品牌国内品牌华测南方中海达易测（合众思壮）光谱中纬博飞苏光R1R2R3三、GPS点位测定原理空间距离后方交会：3个球面相交于一个点，即3个距离观测值可以解算出一个点的纬度、经度与高程.GPS定位-----空间距离后方交会25对卫星进行测距26接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距地心SiPijPjriRjRj=ri+Pij有关各观测量及已知数据如下：r—为已知的卫地矢量P—为观测量（伪距）R—为未知的测站点位矢量1、卫星信号结构27基准频率10.23MHZL11575.42MHZC/A码1.023MHZP•码10.23MHZL21227.60MHZP•码10.23MHZ15412050比特/S卫星信息电文（D码）每颗卫星都发射一系列无线电信号（基准频率ƒ）包括：∵两种载波（L1和L2）即载波∵两种码信号（C/A码和P码）即测距玛∵一组导航电文（信息码，D码）即数据码÷204600÷101、卫星信号结构GPS卫星取L的不同频率的电磁波为载波，即L1载波（频率为1575.2MHZ，波长为19.03cm）和L2载波（频率为1227.60MHZ波长为24.42cm）。测距码有两种：C/A码和P码。C/A码的码长很短，易于捕捉，但其精度较低故称粗码；P码码长很长，周期长，用于精确定位，称为精码。在L1载波上调制有C/A码、P码和数据码，在L2载波上调制有P码和数据码。导航电文，也称为D码，就是有关卫星的星历、卫星的工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕捉P码等导航信息的数据码。导航电文是利用GPS进行定位的数据基础。28根据测距原理，GPS定位方式分为：伪距定位、载波相位测量定位和GPS差分定位。根据待定点位的运动状态分为：静态定位和动态定位。根据使用接收机数量的不同分为：单点定位（绝对定位）和多点定位（相对定位）。29伪距：卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得到的量测距离。每一卫星播发一个伪随机测距码信号，该信号大约每1毫秒播发一次,接收仪同时复制出一个同样结构的信号并与接收到的卫星信号进行比较,由信号的延迟时间(dT)推算出卫星至接收仪的距离2、伪距定位31卫星PRN接收机PRN时间差323334•卫星充当轨道上运动的控制点，观测值为测站至卫星的伪距（由时延值推算得到）•由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差所以要同步观测4颗卫星，解算四个未知参数：X\Y\Z,接收机钟差t•伪距观测方程没有考虑大气电离层和对流层折射误差、星历误差影响，单点定位精度不高。C/A码定位的精度为25m，P码定位的精度为10m。•但伪距定位定位速度快，经几小时的定位也可达米级。3、载波相位定位载波相位测量是利用GPS卫星发射的载波为测距信号。发自卫星的电磁波信号：L1载波C/A码P-码p=29.3mL2=24cmL1=19cmC/A=293mL2载波•信号量测精度优于波长的1/100•载波波长（L1=19cm,L2=24cm)比C/A码波长(C/A=293m)短得多,所以，GPS测量采用载波相位观测值可以获得比伪距（C/A码或P码）定位高得多的成果精度整周未知数N的确定是载波相位测量中特有的问题，也是进一步提高GPS定位精度、提高作业速度的关键所在。确定整周未知数的方法：伪距法、N作为未知数参与平差法和三差法。考虑到GPS定位时的误差来源，当前普遍采用的观测量线性组合方法称之为差分法，其具体形式有三种，即所谓的单差法、双差法和三差法。•如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初始整周未知数n；为了利用载波相位进行定位，必须设法先解算出初始整周未知数，取得总观测值N0+Int()+⊿i测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成：（1）初始整周未知数N0；（2）t0至ti时刻的整周记数Int()；（3）相位尾数⊿i4、单点定位与相对定位相对定位足够长的观测时段基线相对精度达10-8－10-9两站同步观测，公共误差得以消除严密复杂的数据后处理D1D4D3D2同步观测4颗卫星，解算4个未知数：坐标（、、H）、接收机钟差（t）广播精确时间与轨道数据GPS相对定位38•可以消去卫星钟的系统偏差PikPljPijPjPlkPkSlSi•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39GPS测量误差除多路径效外均有较强的空间相关性，从而定位结果也有一定的空间相关性------相对定位求差方法。实时差分定位：在已知坐标点上安置一台GPS接收机——基准站用已知坐标和卫星星历算出观测值的校正值，通过无线电通讯设备——数据链，将校正值发送给运动中的GPS接收机——移动站移动站用接收到的校正值对自身GPS观测值进行改正，消除卫星钟差、接收机钟差、大气电离层和对流层折射误差。应用带实时差分功能的GPS接收机才能够进行。5、差分GPS的基本原理40差分GPS的基本原理：利用基准站（设在坐标精确已知点上）测定具有空间相关性的误差或其对测量定位结果的影响，供流动站改正其观测值或定位结果。41差分改正数的类型位置差分（坐标差分）：基准站上的接收机对GPS卫星进行观测，确定出测站的观测坐标，测站的已知坐标与观测坐标之差即为位置的改正数。距离差分(伪距、载波相位)：利用基准站坐标和卫