GPS原理与应用

全球定位系统GloblePositioningSystemGlobalPositioningSystem概述全球定位系统（GlobalPositioningSystem）是由美国历时20多年，耗资200多亿美元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。作为新一代的卫星导航定位系统，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。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、海上测量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。GPS应用举例佩带GPS的士兵航空器定位与导航海上导航坦克导航导弹导航军事精确着陆系统科学研究森林调查、资源管理生态研究给动物戴的项圈圣母峰的隆起研究精准农业测绘领域GPS控制测量RTK地形测图及施工放样其他应用车辆导航管理配备GPS的巡警自助旅游车辆导航GPS测量学的定义：早期定义:是研究地球的形状与大小以及确定地面点位的科学.当前的定义：研究三维空间中各种物体的形状、大小、位置、方向和其分布的学科。GPS的测量学基础测量学的任务1.测绘:是指使用测量仪器和工具,通过测量和计算，得到一系列测量数据，或把地球表面的地形缩绘成地形图。2.测设：是指把图纸上规划设计好的建筑物、构筑物的位置在地面上标定出来，作为施工的依据。3、监测：（变形观测）一、地球的形状与大小水准面：自由静止的海水面，有无数个。大地水准面：与平均海水面吻合并向大陆、岛屿内延伸而形成的闭合曲面。大地体：由大地水准面所包围起来的形体。水准面的特性：物理特性几何特性水准面不是规则曲面水准面参考椭球用一个非常接近于大地水准面，并可用数学式表示的几何形体(即地球椭球)来代替地球的形状作为测量计算工作的基准面称。baNWES参考椭球a=6378140mb=6356752m=(a-b)/a=1/298.257当测区面积不大时将地球作为圆球看待:R=（2a+b)/3=6371km地面点位的表示方法数学中：A（x,y,z)Axyz0测量学中:平面坐标+高程平面坐标:平面直角坐标A（x,y)地理坐标A（，）高程:HA相对于某一参考面的铅垂距离或法线长度点的平面坐标1.地图投影平面坐标系为了简化计算，要将（椭）球面上的元素归算（投影）到平面上。我国采用高斯投影。2.独立平面直角坐标系xy0AA(x,y)xy3.地理坐标系:以点的地理经纬度表示点的平面坐标（，）NSWE赤道首子午线oPmn地球点的高程点的高程是指地面点到大地水准面的铅垂距离,用H表示。BHAHB大地水准面A高差：hAB=HB-HA控制测量本课程主要内容第一章GPS定位原理概述第二章坐标系、基准和坐标系统第三章GPS静态定位在测量中的应用第四章技术设计第五章布网方法第六章GPS基线解算第七章GPS基线向量网平差第八章GPS高程第九章技术总结第十章RTK测量第一章GPS定位原理概述第1节GPS的组成GPS系统由三大部分组成：•空间部分•地面控制部分•用户部分GPS的组成空间部分地面监控部分用户部分•提供星历和时间信息•发射伪距和载表信号•提供其它辅助信息•接收并测卫星信号•记录处理数据•提供导航定位信息•中心控制系统•实现时间同步•跟踪卫星进行定轨1.空间部分24颗卫星（21+3）6个轨道平面55º轨道倾角20200km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）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。GPS卫星2.地面控制部分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。一个主控站：科罗拉多(Kolorado)•法尔孔(Falcon)空军基地三个注入站：阿松森群岛（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)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；另外，主控站也具有监控站的功能。注入站与监控站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。监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星的工作状态。55HawaiiAscencionDiegoGarciakwajaleinColoradoFalcon地面控制部分分布3.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。通用接收机（定位型）天线前置放大器电源部分放大部分微处理器数据存器显示控制器供电信号信息命令数据供电，控制供电数据控制GPS接收机(S80)GPS接收机(S80)GPS接收机(9600)第二节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1227.60MHz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。卫星信号结构L11575.42MHZP•码10.23MHZ基准频率10.23MHZL21227.60MHZP•码10.23MHZC/A码1.023MHZ154120卫星信息电文（D码）50byte/S每颗卫星都发射一系列无线电信号（基准频率ƒ）两种载波（L1和L2）(测量出或消除电离层效应而引起的延迟误差)两种码信号（C/A码和P码(Pseudo-randomNoise伪随机噪声)）一组导航电文（信息码，D码）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（Pseudo-randomNoise-PRN码），其码长为1023bit(周期为1ms)。由于每颗卫星的C/A码都不一样，因此，我们经常用它们的PRN码来区分它们,分离各卫星信号。C/A码是普通用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号。用C/A码的测距误差在29.3~2.93米。单点定位精度为20~30米。P码又被称为精码，它被调制在L1和L2载波上，是10MHz的伪随机噪声码，其周期为7天。在实施AS政策时，P码与W码进行模二相加生成保密的Y码，此时，一般用户无法利用P码来进行导航定位。用P码的测距误差在2.93~0.293米。单点定位精度优于10米。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卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置，导航信息也被称为广播星历。第3节SPS和PPSGPS系统针对不同用户提供两种不同类型的服务。一种是标准定位服务(SPS–StandardPositioningService)，另一种是精密定位服务(PPS–PrecisionPositioningService)。这两种不同类型的服务分别由两种不同的子系统提供，标准定位服务由标准定位子系统(SPS–StandardPositioningSystem)提供，精密定位服务则由精密定位子系统(PPS–PrecisionPositioningSystem)提供。SPS主要面向全世界的民用用户。PPS主要面向美国及其盟国的军事部门以及民用的特许用户第4节GPS定位的常用观测值在GPS定位中，经常采用下列观测值中的一种或几种进行数据处理，以确定出待定点的坐标或待定点之间的基线向量：1.L1载波相位观测值2.L2载波相位观测值（半波或全波）3.调制在L1上的C/A码伪距4.调制在L1上的P码伪距5.调制在L2上的P码伪距第5节GPS定位原理与方法二维定位1.GPS定位原理雾号角1R1单一信号源测距两个信号源测距产生位置多值性雾号角1R1雾号角2R2••用附加测量消除位置多值性雾号角3R3雾号角1R1雾号角2R2•三维定位卫星1S1卫星1S1卫星2S2用户位置在球面上用户位置两球相交的圆周上卫星1S1卫星2S2卫星3S3••用户位于圆周两点之一上卫星3相交的圆单点定位结果的获取距离观测值的计算t•接收机至卫星的距离借助于卫星发射的码信号量测并计算得到的•接收机本身按同一公式复制码信号•比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟的时间t•传播延迟时间乘以光速就是距离观测值=C•t•单点定位解可以理解为一个后方交会问题•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：纬度,经度,高程h,钟差t采用载波相位观测值测距发自卫星的电磁波信号：•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L1载波L2载波C/A码P-码p=29.3mL2=24cmL1=19cmC/A=293m解算出初始整周未知数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n；（2）t0至ti时刻的整周记数Ci；（3）相位尾数i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，必须先解算出初始整周未知数，取得总观测值n+Ci+iTime(0)AmbiguityTime(i)AmbiguityCountedCyclesPhaseMeasurement初始整周未知数的确定与定位精度的关系•如果无法准确解出初始整周未知数，则定位精度难以优于±1m•随着初始整周未知数解算精度的提高，定位精度也相应提高•一旦初始整周未知数精确获得，定位精度不再随时间延长而提高•经典静态定位需要30-80分钟观测才能求定初始整周未知数快速静态定位将这个过程缩短到2-5分钟精度m1.000.100.01整周未知数确定后整周未知数确定前经典静态定位00308025时间（分）快速静态定位组成星际站际两次差分观测值•可以消去卫星钟的系统偏差•可以消去接收机时钟的误差•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PikPljPijPjPlkPkSlSi2.GPS定位方法GPS定位的方法是多种多样的，用户可以根据不同的用途采用不同的定位方法。GPS定位方法可依据不同的分类标准，作如下划分：根据定位所采用的观测值根据定位的模式根据获取定位结果的时间根据定位时接收机的运动状态•根据定位所采用的观测值伪距定位：伪距定位所采用的观测值为GPS伪距观测值，所采用的伪距观测值既可以是C/A码伪距，也可以是P码伪距。优点：数据处理简单，对定位条件的要求低，不存在整周模糊度的问题，可以非常容易地实现实时定位；缺点：是观测值精度低，C/A码伪距观测值的精度一般为3米，而P码伪距观测值的精度一般也在30个厘米