GPS技术定位技术原理

GPS定位原理及其在测量中的应用现状目录一.概述二.GPS定位概述三.GPS定位及GNSS定位四.CGSC2000国家坐标系介绍1.近、现代的常规（地面）定位方法•采用的仪器设备–尺：铟钢尺–光学仪器：经纬仪，水准仪–激光和红外仪器：测距仪–综合多种技术的仪器：全站仪–无线电、微波仪器：Loran-C，雷达•观测方法–角度或方向观测–距离观测–距离差观测一.概述2.常规（地面）定位方法的局限性•观测点之间需要保证通视•需要事先布设大量的地面控制点/地面站•无法同时精确确定点的三维坐标•难以确定地心坐标•平面、高程控制网破坏严重、很多点位难以寻找观测受气候、环境条件限制•控制网存在误差积累、精度不高•控制网点位分布不均匀•平面点多在山顶并远离测区•平面与高程控制分离、没有统一的控制系统一.概述一.概述3.GPS技术的广泛应用。全球定位系统(GlobalPositioningSystemGPS)是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。在通信行业，交通、运输部门，地理信息系统，电子商务领域，电脑制造商、通信设备商均有长足的应用被誉为即通讯、互联网之后的第三个信息技术增长点。GPS优点：测站间无需通视•数学模型简单，且能同时确定点的三维坐标•易于实现全天候观测•在长距离上仍能获得高精度的定位结果目前GPS应用现状：•绝大部分的控制测量用GPS实现•RTK测量技术全面普及•高智能亚米级手持GPS应用展开•前景：•高精度、智能化、小巧化、网络化。4.GPS定位技术的优点和应用一.概述•什么是全球定位系统–全球定位系统GPS的英文全称是NAVigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositionSystem（导航星测时与测距全球定位系统），简称GPS有时也被称作NAVSTARGPS。根据Wooden1985年所给出的定义：NAVSTAR全球定位系统（GPS）是一个空基全天侯导航系统，它由美国国防部开发，用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速度和时间信息的要求。1.GPS定位系统的概述二.GPS定位概述2.GPS发展简史–1957年10月4日第一颗人造卫星SputnikI（苏）发射成功。–1958年12月开始设计NNSS(NavyNavigationSatelliteSystem)–TRANSIT，即子午卫星系统。1964年1月该系统正式运行。1967年7月系统解密以供民用。–1973年12月，美国国防部（DOD）批准研制GPS。–1978年2月22日，第1颗GPS试验卫星发射成功。–1989年2月14日，第1颗GPS工作卫星发射成功。–1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战。–1993年，IGS成立。–1995年7月17日，GPS达到FOC–完全运行能力（FullOperationalCapability）。–1999年1月25日，美国副总统戈尔宣布，将斥资40亿美圆，进行GPS现代化。–1999年8月21/22日子夜，GPS发生GPS周结束翻转(EOW)问题。–2000年1月1日，Y2K问题。–2000年5月1日，美国总统克林顿宣布，GPS停止实施SA。（实际停止实施SA是5月2日）二.GPS定位概述3.GPS的系统组成由空间部分、地面部分和用户部分等组成二.GPS定位概述3.1空间部分（SpaceSegment）–GPS卫星星座•设计星座：21+3•21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星•6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55，周期11h58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次）•保证在24小时，在高度角15°以上，能够同时观测到4至8颗卫星•当前星座：28颗二.GPS定位概述–GPS卫星•作用：–接收、存储导航电文–生成用于导航定位的信号（测距码、载波）–发送用于导航定位的信号（采用双向调制法调制在载波上的测距码和导航电文）–接受地面指令，进行相应操作–其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。•主要设备–太阳能电池板–原子钟（2台铯钟、2台铷钟）–信号生成与发射装置二.GPS定位概述–GPS卫星•类型试验卫星：BlockⅠ工作卫星：BlockⅡBlockⅡ：存储星历能力为14天，具有SA和ASBlockⅡA（Advanced）：卫星间可相互通讯，存储星历能力为180天，SV35和SV36带有激光反BlockⅡR（Replacement/Replenishment）：卫星间可相互跟踪相互通讯BlockⅡF（FollowOn）：新一代的GPS卫星,增设第三民用频率BlockIIABlockIIRBlockIIABlockIIF二.GPS定位概述3.2地面监控部分（GroundSegment）–主控站：1个–监测站：5个–注入站：3个–通讯与辅助系统二.GPS定位概述–主控站：协调和管理地面监控系统:1）根据观测资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气修正参数，并将数据传送到注入站。2）提供全球定位系统的时间基准。3）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。4）启用备用卫星代替失效工作卫星–监测站：观测资料由计算机进行初步处理，存储并传输到主控站，以确定卫星轨道。1）对卫星进行跟踪观测2）记录气象数据3）将数据传送到主控站–注入站：主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。二.GPS定位概述二.GPS定位概述3.3用户部分（UserSegment）–组成•用户接收设备•接收GPS发射的无线电信号，获得必要的定位i信息和观测量，经数据处理完成定位工作。•GPS接收机和数据处理软件、微处理机和终端设备组成。。二.GPS定位概述前置放大器信号通道天线观测值1.GPS的定位原理卫星不间断地发送自身地星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机地三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息。•GPS测量定位方法分类–定位模式•绝对定位（单点定位）•相对定位•差分定位–定位时接收机天线的运动状态•静态定位－天线相对于地固坐标系静止•动态定位－天线相对于地固坐标系运动–获得定位结果的时效•事后定位•实时定位–观测值类型•伪距测量•载波相位测量。三.GPS定位原理信号传播时间测距码测距原理•距离测定的基本思路•信号（测距码）传播时间的测定dtTutTuTRT)()(1相关系数：ctc信号传播时间的测定三.GPS定位原理双程测距(主动测距)用于电磁波测距仪单程测距用于GPS（被动测距）测距码测距的观测方程对流层折射延迟改正电离层折射延迟改正接收机钟的改正数卫星钟的改正数信号离开卫星的时刻（由卫星钟测定）信号到达接收机的时刻（由接收机钟测定）RSRSsRRStttropiontropionabttabtatbSRtRbtSaSRVcVcVVVVcVcVccVVcttcVtVtttc~故：)(站星真实)()]()[()(~则：；设：)(~伪距：距离三.GPS定位原理2.单点定位绝对定位也叫单点定位，通常是指在WGS84坐标系中，直接确定观测站相对于坐标系原点绝对坐标地一种定位方法。相应接收机为手持GPS。三.GPS定位原理2.GPS载波相位测量的基本原理SRSR)SR()tR()tS接收机根据自身的钟在时刻复制信号的相位tR接收机根据自身的钟在时刻所接收到卫星在时刻所发送信号的相位tRtStRtS理想情况实际情况三.GPS定位原理•基于载波相位的定位特点：•精度高（毫米或厘米级）•需要求解模糊度•不可瞬间定位（即不可实时定位）•作用范围有限（相对模式，PPP不在此列）3.相对定位•概述–定义：确定进行同步观测的接收机之间相对位置的定位方法，称为相对定位。–定位结果－与所用星历同属一坐标系的基线向量（坐标差）–采用广播星历时属WGS-84–采用IGS–InternationalGPSService精密星历时为ITRF–InternationalTerrestrialReferenceFrames–特点•优点：精度高•缺点：多台接收共同作业，作业复杂–应用：高精度测量定位三.GPS定位原理相对定位原理–相对定位的最基本情况，是两台GPS接收机，分别安置在基线的两端，并同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点，在协议地球坐标系中的相对位置或基线向量。–因为在两个观测站或多个观测站，同步观测相同卫星的情况下，卫星的轨道误差，卫星钟差，接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差等，对观测量的影响具有一定的相关性，所以利用这些观测量的不同组合，进行相对定位，便可有效地消除或者减弱上述误差的影响，从而提高相对定位的精度。三.GPS定位原理载波相位测量相对定位的应用•1.GPS静态测量：静态相对定位，一般采用载波相位观测值（或测相伪距）为基本观测量。这一定位方法是当前GPS定位中精度最高的一种方法，在精度要求较高的测量工作中，均采用这种方法。在载波相位观测的数据处理中，为了可靠地确定载波相位的整周未知数，静态相对定位一般需要较长的观测时间（1小时到3小时不等），此种方法一般也被称为经典静态相对定位法。•2.利用起始基线向量确定初始整周未知数或称初始化，之后，一台接收机在参考点（基准站）上固定不动，并对所有可见卫星进行连续观测；而另一台接收机在其周围的观测站上流动，并在每一流动站上静止进行观测，确定流动站与基准站之间的相对位置。通常称为准动态相对定位，在一些文献中称走走停停（StopandGo）定位法。三.GPS定位原理3.（1）测码伪距动态相对定位法目前进行实时定位的精度可达米级，是以相对定位原理为基础的实时差分GPS，由于可以有效地减弱卫星轨道误差，钟差，大气折射误差以及SA政策的影响，其定位精度，远较测码伪距动态绝对定位的精度要高，所以这一方法获得了迅速的发展。（2）测相动态相对定位法测相动态相对定位法，是以预先初始化或动态解算载波相位整周未知数为基础的一种高精度动态相对定位法。目前在较小的范围内（例如20km），获得了成功的应用，其定位精度可达1～2厘米。流动站和基准站之间，必须实时地传输观测数据或观测量的修正数据。三.GPS定位原理GLONASS全球定位系统•拥有者–俄罗斯•发展简史–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。目前因经济问题，星座中卫星缺失太多，暂时不能连续实时定位。•系统组成–卫星星座–地面监测控制站–用户设备伽利略（GALILEO）全球定位系统•拥有者–欧盟，中国参与•发展简史–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•由三颗地球同步轨道卫星组成，投资较少不具备全球覆盖能力，只能以地区为主。•先发射卫星，再进行终端设备研发，不像GPS是军民应用一起开发。•北斗系统需要接收机的返回信息，不像GPS属于被动系统。•”二代北斗导航系统“计划包括4颗静止星、12颗中轨星和9颗高轨星。原定2006年开始组网，2010年实现全球精确覆盖。目前时间推迟了，真正实现还没有时间表。GPS现代化GPS现代化计划•保护–采用一系列措施保护GPS系统不受