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第七章GPS定位技术7.1概述•GPS全球定位系统（GlobalPositioningSystem）是美国从1973年开始研制，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。•GPS是一种全球性、全天候连续实时定位系统。•GPS定位系统可用于测量、导航，还可用于高精度测速(0.1m/s)和测时(几十毫微秒)。可为用户连续提供动态目标的三维位置、三维速度及时间信息。•俄罗斯的GLONASS卫星定位系统•欧空局的伽利略系统等•我国自行设计的“北斗一号”卫星导航定位系统•GPS定位技术特点：–观测站之间无需通视；–定位精度高；–观测时间短；–提供三维坐标；–操作简便；–全天候作业。GPS定位系统GPS卫星（空间星座部分）地面监控系统（地面监控部分）GPS接收机（用户设备部分）24颗卫星1个主控站3个注入站5个监测站各型GPS接收机7.2GPS系统的组成1.空间星座部分•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)•11h58min(恒星时)轨道周期•5个多小时出现在地平线以上(每颗星)•位于地平线上的卫星数目：4～11颗GPS卫星的主体呈圆柱形，直径约为1.5m，重774kg，两侧有两块双叶太阳能板，以保证工作用电；每颗卫星装有4台高精度原子钟，为GPS提供高精度时间标准。卫星的设计寿命为7.5年GPS卫星图片GPS卫星及其功能•功能1）接收和存储由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的控制指令；2）卫星上设有微处理机，进行部分必要的数据处理工作；3）通过星载的高精度铷钟、铯钟产生基准信号和提供精密的时间标准；4）向用户发送导航定位信号；5）在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星。2、地面监控部分地面监控部分主要包括：一个主控站：科罗拉多•斯平土三个注入站：阿森松岛（Ascencion)迪戈•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)55夏威夷阿森松迭哥•伽西亚卡瓦加兰科罗拉多•地面监控站的作用－采集数据监控站伪距导航数据气象数据卫星状态数据主控站测传送•地面主控站的作用－处理数据、协调、管理监控系统和卫星–协调和管理地面监控系统–根据监测站的所有观测资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数等，并把这些数据送到注入站–提供全球定位系统的时间基准–调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行–启用备用卫星，以代替失效的工作卫星注入站的作用将主控站需传输给卫星的资料以既定的方式注入到卫星存储器中，供卫星向用户发送。3、用户接收部分GPS接收机硬件用户设备数据处理软件主机天线电源接收卫星信号导航、定位功能功能数据处理按用途按携带形式按工作原理按载波频率GPS信号接收机分类导航型、测量型和授时型码接收机和无码接收机单频接收机和双频接收机袖珍式、背负式、车载式、舰用式、空（飞机）载式、弹载式和星载式导航型GPS机手持型GPS机车载型GPS机测量型GPS接收机单频机双频机GPS的应用海上应用•海上测量制图方面，探油平台定位、海上重力点位置测量、浮标位置测量、鱼群位置测量、港湾及码头測量等•海上运输导航方面，轮船在河流及海上导航、海洋科学研究、海难搜巡与救护等海上测量海上导航空中应用•空中测量制图方面，航空摄影测量内方位测定及空中重力点位置测量等•空中运输导航方面，飞机飞行导航、着陆导航及空中喷洒农药控制等空中测量空中导航太空应用•低空卫星(GPS为高空卫星)或其他太空飞行体的定位及导航、等高测量等休闲娱乐应用•应用于登山、探险定位及湖泊游乐区遊艇的导航等用途7.3GPS定位原理1.GPS绝对定位原理•绝对定位参考点：地球质心•坐标系：WGS-84坐标•接收机数量：一台，故又称为单点定位•定位原理：以GPS卫星和接收机天线之间的距离观测量为基准，根据已知的卫星瞬时坐标，来确定用户接收机天线所在的位置。•定位实质：空间距离后方交会，即至少需同步观测3颗卫星，以求解1个点坐标(x,y,z)的3个未知数。•由于卫星钟和接收钟之间存在同步差，故得到的解有误差，因而也叫伪距离测量。–卫星钟钟差可以通过参数加以修正，而接收机钟差无法测定，但可以作为一个未知参数与观测站坐标在数据处理中一并解出，故需要实时求解4个未知参数（3个点位坐标分量及1个钟差参数），至少应有4个同步伪距观测量，即至少必须同步观测4颗卫星。•GPS绝对定位分类(根据用户接收天线所处的状态)：–动态绝对定位：用户设备安装在运动的载体上，即确定载体瞬时绝对位置的定位方法，如飞机、船舶、车辆导航。–静态绝对定位：接收机天线处于静止状态，确定观测站绝对坐标的方法，主要用于大地测量。•GPS绝对定位误差：–卫星轨道误差；–钟差；–信号传播误差。最终所依据的观测量均是卫星至观测站的伪距，故又称为伪距定位法。伪距有测码伪距和测相伪距，故绝对定位又分为测码伪距绝对定位和测相伪距绝对定位。2.GPS相对定位原理•GPS相对定位，也叫差分GPS定位，是目前GPS测量中定位精度最高的定位方法，广泛应用于大地测量、精密工程测量、地球动力学的研究及精密导航。•分类：–静态相对定位–动态相对定位1）GPS静态相对定位概念•静态相对定位：用两台接收机分别安置在基线的两端点，其位置静止不动，同步观测相同的4颗以上GPS卫星，确定基线两端点在WGS-84坐标系中的相对位置。•实际工作中，常将接收机数目扩展到3台以上，同时测定若干条基线向量，以提高工作效率和精度。•静态相对定位优点：以载波相位为基本观测量，同时采用不同载波相位观测量的线性组合可以有效削弱卫星星历误差、信号传播误差以及接收机时钟误差对定位的影响，且天线长时间固定，可获得足够多的观测数据，故观测精度高。•静态相对定位缺点：观测时间长，1～1.5h。•目前发展的整周快速逼近技术，大大缩短了观测时间，为GPS定位技术开辟了更广泛的应用前景。2）GPS动态相对定位概念•以解决动态绝对定位定位精度不高的缺点•动态相对定位：用两台接收机，将一台安置在基准站上固定不动，另一台安置在运动的载体上，同步观测相同的卫星。也叫差分GPS定位。•特点：定位精度高7.5GPS卫星信号接收机•GPS信号接收机是用来接收、记录和处理GPS卫星信号的专门设备。1.GPS卫星信号接收机的分类•按接收机工作原理：–码相关型接收机：采用码相关技术获得伪距观测量。分为C/A码接收机（供一般用户使用）和P码接收机（专供特许用户使用）。–平方型接收机：利用载波信号的平方技术测定伪距，这种接收机无需指导测距码的结构，又称无码接收机。–混合型接收机：综合以上两类优点，应用广泛。•按接收机的用途：–导航型接收机：•用来确定飞机、船舶、导弹等运动载体的实时位置和速度，主要用于导航。•采用C/A码伪距单点实时定位，精度较低(5～10m)，但结构简单、操作方便、价格便宜，故应用广泛。•低动态型：用于车载和船载导航•中动态型：用于飞行速度低于400km/h的民用机载•高动态型：用于飞行速度高于400km/h的飞机、导弹的机载，拥有这类的用户一般均为特许用户，可利用P码，定位精度可高达±2m。–测量型接收机：•早期用于大地测量和工程控制测量，一般均采用载波相位，定位精度可高达厘米以上级。•近年开发的实时差分动态定位(RTD-GPS)可用于精密导航和海上定位，开发的实时相位差分动态定位(RTK-GPS)主要用于精密导航、工程测量、三维动态放样、一步法成图等诸多方面，并成为地理信息系统采集数据的重要手段。扩展了使用用途。•测量型接收机结构复杂，常配备功能完善的数据处理软件，价格昂贵。–授时型接收机：主要用于天文台或地面检测站进行时间频标的同步测定。•按接收机接收的载波频率：–单频接收机：•只能接收L1载波信号，测定载波相位观测值进行定位•单频载波不能消除电离层延迟影响，只适用于短基线(小于15km)的精密定位。–双频接收机：•可以同时接收L1、L2载波信号，利用双频信号对电离层延迟的不同，可以消除电离层对电磁波信号延迟的影响，提高定位精度。•可用于长达几千公里的精密定位。•按接收机的通道数：–多通道接收机：•具有多个信号通道，且每个信号通道只连续跟踪一颗卫星信号。–序贯通道接收机：•只有一个通道。在相应软件的控制下，可按时序顺次跟踪各颗卫星信号。这类接收机对卫星信号的跟踪是不连续的。–多路复用通道接收机：•通道数目也仅设置1～2个，也是在相应软件控制下按顺序测量卫星信号，但它测量一个循环的时间短，可保持对卫星信号的连续跟踪。2.GPS接收机的组成•主机天线单元•主机接收单元–信号通道－接收信号–存储单元－存储信息–计算和显示控制单元－控制GPS接收机、处理数据、显示和记录信息•电源RS(遥感)技术概述•RS的概念•RS技术的特点•RS技术发展简史•RS系统的组成•RS技术的应用遥感•遥感技术（RemoteSensing）–是指通过某种传感器装置，在不与被研究对象直接接触的情况下，获取其特征信息，并对这些信息进行提取、加工、表达和应用的一门科学和技术。–依其遥感仪器所选用的波谱性质可分为：电磁波遥感技术、声学遥感技术、物理场遥感技术。–按照遥感目标的能源作用可分为：主动式遥感和被动式遥感。–按照记录信息的表现形式可分为：图像和非图像方式。–按照成像方式可分为：摄影成像遥感技术和扫描成像遥感技术。遥感的特点•宏观性–遥感技术扩大了人类的视野范围和感知能力，为人类进行大面积的科学研究提供了条件。•光谱性–现代的遥感仪器采用从可见光到微波的各个不同波段去探测和记录信息。微波遥感可以全天时、全天候地进行探测，而且具有一定的穿透能力，可以揭示被冰雪、干沙所覆盖的一些自然和人文现象。•时相性–遥感卫星可以在短时间内对同一目标进行重复探测，获取该目标的多时相信息，为人们长期、系统和动态地研究地球表面的变化及规律提供了可能性。•经济性–与传统的方法相比，遥感技术可以大大地节省人力、物力、财力和时间，具有很高的经济效益和社会效益。–遥感数据可供反复使用，而且精度毫无损失。•综合性–遥感技术是一门综合性的科学技术，包括传感器技术、信息传输技术、信息处理、提取和应用技术，目标信息特征的分析与测量技术等。–遥感数据广泛涉及到军事、测绘、地质、农林、气象、水文、海洋及环境保护等领域。遥感技术发展简史•1957年，前苏联发射了第一颗人造地球卫星，从此开始了航天遥感的历史。•美国于1967年制定了地球资源技术卫星（ERTS）计划，后更名为陆地卫星（LANDSAT）计划。•20世纪80年代后，法国相继发射了SPOT系列卫星，欧空局相继发射了ERS系列卫星，日本发射了JERS系列卫星，印度相继发射了IRS-1系列卫星，俄罗斯发射了ALMA22卫星（1996年）和RESOURS-02卫星（1995年），加拿大1995年11月发射了RADARSAT雷达卫星。•我国–可以直接接收、处理和提供美国LANDSAT卫星和法国的SPOT卫星的遥感数据。–能够自行设计制造航空航天遥感仪器和用于地物波谱测定的仪器。–1988年9月我国成功地发射了“风云一号”气象卫星。–1999年10月14日，中国－巴西地球资源遥感卫星CBERS-1的成功发射。遥感技术系统组成•空间信息采集系统–主要包括遥感平台和遥感器两部分，主要完成遥感信息的采集、记录和传输工作。遥感器是整个遥感技术系统的核心，体现着遥感技术的水平。•地面接收和预处理系统–航天遥感获取的信息一般都是以无线电的形式进行实时或非实时发送并被地面接收站接收和进行预处理。预处理的主要作用是对信息所含有的噪声和误差进行辐射校正和几何校正、图像分幅和标注地理坐标等，为用户提供光学图像或数字图像等信息产品。•地面实况调查系统–主要包括在空间遥感信息获取前进行的地物波谱特征（地物反射电磁波及发射电磁波的特性）测量，在空间遥感信息获取的同时进行的与遥感目的有关的各种遥测数据的采集（如区域的环境和气象等数据）。•信息分