《GPS使用方法》PPT課件

1、一、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS (Global Navigation Satellite System) 依靠數(shù)十顆導(dǎo)航衛(wèi)星組成的導(dǎo)航星座，對(duì)地面、海面、空中的物體包括低軌航天器進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)、全天候的精確導(dǎo)航、定位和定時(shí)的技術(shù)系統(tǒng),5.4 全球定位系統(tǒng),二、全球的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 1美國的全球定位系統(tǒng)GPS （Global Positioning System） 19601964年：美國先后發(fā)射了4顆“子午儀”軍用導(dǎo)航衛(wèi)星，組成“子午儀”衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)只提供經(jīng)緯度，不能給出高度和速度，誤差較大 60年代末開始：美國開始研究時(shí)間間隔衛(wèi)星定位導(dǎo)航原理,19731993年：1973年美國國防部

2、批準(zhǔn)陸海空三軍聯(lián)合研制新的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，簡稱GPS。成為美國第二代衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)。 70年代規(guī)劃，80年代實(shí)施，90年代運(yùn)營，耗資300億美元，僅次于阿波羅登月計(jì)劃和航天飛機(jī)計(jì)劃的美國第三大航天工程,2俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)（GLONASS） 前蘇聯(lián)于1982年10月發(fā)射第一顆衛(wèi)星，到1995年初只有16顆衛(wèi)星在軌工作。95年成功發(fā)射三次共9顆，完成24顆工作衛(wèi)星加1顆備用衛(wèi)星的布局。1996年1月投入運(yùn)行。 系統(tǒng)組成和工作原理與GPS相似 供國防與民間使用，不帶任何限制。 衛(wèi)星平均壽命4.5年，現(xiàn)衛(wèi)星系統(tǒng)不完備,3歐洲空間局伽利略（Galileo）系統(tǒng) 1994年開始，歐盟進(jìn)行了論證，200

3、0年在世界無線電大會(huì)上獲得L頻段的資源。 計(jì)劃2008年完成全系統(tǒng)部署，共30顆衛(wèi)星（273） 完全從民用出發(fā)，與GPS/GLONASS有機(jī)的兼容，建設(shè)資金36億歐元，由各國和企業(yè)共同投資。我國計(jì)劃投資2億歐元，已投入7000萬歐元,2004年1月10日中國與歐洲合作對(duì)伽俐略系統(tǒng)進(jìn)行初次測試，精度可達(dá)5cm 美國的GPS系統(tǒng)精度說明書可達(dá)10m，實(shí)際上大于15米或更大。 GPS定位可到街道，而可Galileo，則可找到家門。 目前，伽俐略系統(tǒng)的建設(shè)還未完成，進(jìn)展緩慢,4我國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng) 2000年，首先建成北斗導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)，使我國成為繼美、俄之后的世界上第三個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。 已

4、成功應(yīng)用于測繪、電信、水利、漁業(yè)、交通運(yùn)輸、森林防火、減災(zāi)救災(zāi)和公共安全等諸多領(lǐng)域 在2008年北京奧運(yùn)會(huì)、汶川抗震救災(zāi)中發(fā)揮了重要作用。 (可通訊,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由三部分組成 空間段 包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星， 地面段 包括主控站、注入站和監(jiān)測站等若干個(gè)地面站， 用戶段 包括北斗用戶終端以及與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端。 北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)從根本上打破GPS壟斷局面,我國已成功發(fā)射兩顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。 2008年02月22日，國內(nèi)首款中國北斗導(dǎo)航核心芯片“領(lǐng)航一號(hào)”正式誕生。 系統(tǒng)建設(shè)總體規(guī)劃 2012年左右，系統(tǒng)將首先具備覆蓋亞太地區(qū)的定位、導(dǎo)航和授時(shí)以及短報(bào)文通信服務(wù)能力

5、 2020年左右，建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)致力于向全球用戶提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。 開放服務(wù) 向全球免費(fèi)提供定位、測速和授時(shí)服務(wù)，定位精度10米，測速精度0.2米/秒，授時(shí)精度10納秒。 授權(quán)服務(wù) 為有高精度、高可靠衛(wèi)星導(dǎo)航需求的用戶，提供定位、測速、授時(shí)和通信服務(wù)以及系統(tǒng)完好性信息,三、GPS組成 空間部分 地面控制部分 用戶設(shè)備,GPS圖示,空間衛(wèi)星星座 24顆衛(wèi)星發(fā)射信號(hào) 衛(wèi)星軌道、時(shí)間數(shù)據(jù)及 輔助資料信息,用戶設(shè)備 接收設(shè)備 接收衛(wèi)星信號(hào),地面監(jiān)控 中央控制系統(tǒng) 時(shí)間同步 跟蹤衛(wèi)星定位,空間部分 由24顆衛(wèi)星（21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星）組成，分布在

6、6個(gè)軌道面內(nèi)，每個(gè)軌道4顆衛(wèi)星。每條軌道與赤道面的夾角是55，軌道平均高度為 20183km。每顆衛(wèi)星每天約有5小時(shí)在地平線以上，同時(shí)位于地平線以上的衛(wèi)星 數(shù)隨時(shí)間和地點(diǎn)而異，最少4顆，最多11顆。 主要設(shè)備：衛(wèi)星上有原子鐘、微處理器、電文存儲(chǔ)和信號(hào)發(fā)射設(shè)備， 由太陽能電池提供電源,GPS衛(wèi)星作用 飛越注入站上空時(shí)，接收注入的導(dǎo)航電文和其他信息，并發(fā)送給廣大用戶。 接收地面主控站通過注入站發(fā)送到衛(wèi)星的調(diào)度命令，改正運(yùn)行偏差或啟用備用時(shí)鐘等,工作衛(wèi)星以L11575.42兆赫和L21227.6兆赫兩種頻率發(fā)送導(dǎo)航信號(hào)，導(dǎo)航信號(hào)采用偽隨機(jī)碼調(diào)制，向用戶不斷發(fā)送導(dǎo)航定位信息，L1用C/A碼和P碼調(diào)制，

7、L2用P碼調(diào)制。 用于捕獲信號(hào)及粗略定位的偽隨機(jī)碼叫C/A碼 精密測距碼叫P碼,星歷：描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)及其軌道的參數(shù)。 星的位置是由星歷算得的。 重要作用是保持衛(wèi)星同一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)GPS時(shí)間系統(tǒng)，需要地面站監(jiān)測各顆衛(wèi)星的時(shí)間，求出鐘差，再由地面注入站發(fā)送給衛(wèi)星，衛(wèi)星再由導(dǎo)航電文發(fā)給用戶設(shè)備,衛(wèi)星星座空間圖,地面監(jiān)控系統(tǒng) 組成：由1個(gè)主控站、3個(gè)注入站、5個(gè)監(jiān)測站組成。主控站位于美國本土科羅拉多，為數(shù)據(jù)自動(dòng)采集處理中心。三個(gè)注入站分別位于印度洋的Diego Garcia，大西洋的Ascencion，太平洋的Kwajalein。5個(gè)監(jiān)測站除了上述4個(gè)地點(diǎn)外，在夏威夷另設(shè)1個(gè)。 功能：監(jiān)測并控制衛(wèi)星，確定其

8、軌道和星上原子鐘的工作狀態(tài)，傳送信息到各衛(wèi)星上。 主要設(shè)備：配有雙頻GPS接受機(jī)、高精度原子鐘、環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器和計(jì)算設(shè)備,用戶設(shè)備 功能：接受衛(wèi)星信號(hào)，計(jì)算接收機(jī)天線所在的三維地心坐標(biāo)。 主要設(shè)備：由GPS接受機(jī)主機(jī)、天線、電源和數(shù)據(jù)處理軟件組成,四、定位原理 衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時(shí)間信息，用戶接收到這些信息后，經(jīng)過計(jì)算求出接收機(jī)的三維位置，三維方向以及運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間信息。 采用空間距離后方交會(huì)的方法 采用WGS84坐標(biāo)系統(tǒng),五 GPS的加密措施與技術(shù)改進(jìn),1.精密定位服務(wù)與標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù) 1）精密定位服務(wù)（510m）PPS 美國軍方使用，包括： L1：C/A碼，P碼 L2：P碼 2

9、）標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（100m）SPS 出于經(jīng)濟(jì)考慮，83年提供民用。 L1：C/A， 導(dǎo)航電文,2.A-S措施 P碼保密，只有美國軍方可用，后來被解密。 美國引入W碼，并將P碼與W碼進(jìn)行模二相加得Y碼，難以破解,3.SA政策 84年民用，精度遠(yuǎn)高于100m，美國為保證自身安全，1990年起對(duì)民用信號(hào)進(jìn)行干擾 技術(shù)：干擾衛(wèi)星星歷 技術(shù)：干擾定位信號(hào) 因美國國內(nèi)的就業(yè)壓力及國際競爭，2000年5月2日終止，但可隨時(shí)在區(qū)域內(nèi)恢復(fù),4、政策調(diào)整與技術(shù)更新 1）政策調(diào)整 1983年提供民用 1990年實(shí)施SA政策 1999年決定既保證軍用安全，又提高民用精度 2000年5月取消SA,2）技術(shù)改進(jìn),5、GPS

10、應(yīng)用的最新發(fā)展 1）精密單點(diǎn)定位ppp 2）GPS測高程 因精確的大地水準(zhǔn)面模型已建立，目前GPS可代替三等水準(zhǔn) 3）室內(nèi)GPS接收機(jī) 發(fā)展趨勢：高精度，快速，小型，自動(dòng)，抗遮擋，抗電磁干擾,六、GPS定位,GPS開機(jī)定位分為冷啟動(dòng)、溫啟動(dòng)和熱啟動(dòng)三種： 冷啟動(dòng) 以下幾種情況開機(jī)均屬冷啟動(dòng)。初次使用時(shí)；電池耗盡導(dǎo)致星歷信息丟失時(shí)；關(guān)機(jī)狀態(tài)下將接收機(jī)移動(dòng)1000公里以上距離。 溫啟動(dòng) 距離上次定位的時(shí)間超過兩個(gè)小時(shí)的啟動(dòng)。 熱啟動(dòng) 距離上次定位的時(shí)間小于兩個(gè)小時(shí)的啟動(dòng),一、根據(jù)定位所采用的觀測值,偽距定位 采用偽距觀測值，既可以是C/A碼偽距，也可以是P碼偽距。 優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)處理簡單，對(duì)定位條件的

11、要求低，可以非常容易地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位； 缺點(diǎn)是觀測值精度低，C/A 碼偽距觀測值的精度一般為3米，而P碼偽距觀測值的精度一般也在30個(gè)厘米左右 載波相位定位 采用載波相位觀測值，即L1、L2或它們的某種線性組合。 優(yōu)點(diǎn)是觀測值的精度高，一般優(yōu)于2個(gè)毫米 缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)處理過程復(fù)雜，存在整周模糊度的問題,二、根據(jù)定位的模式分,絕對(duì)定位 又稱為單點(diǎn)定位，是一種采用一臺(tái)接收機(jī)進(jìn)行定位的模式，它所確定的是接收機(jī)天線的絕對(duì)坐標(biāo)。 特點(diǎn)是作業(yè)方式簡單，可以單機(jī)作業(yè)。絕對(duì)定位一般用于導(dǎo)航和精度要求不高的應(yīng)用。 相對(duì)定位 又稱為差分定位，是采用兩臺(tái)以上的接收機(jī)，同時(shí)對(duì)一組相同的衛(wèi)星進(jìn)行觀測，以確定接收機(jī)天線間的相互

12、位置關(guān)系,三、根據(jù)獲取定位結(jié)果的時(shí)間,實(shí)時(shí)定位 是根據(jù)接收機(jī)觀測到的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)地解算出接收機(jī)天線所在的位置。 非實(shí)時(shí)定位 又稱后處理定位，是通過對(duì)接收機(jī)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理以進(jìn)行定位的方法,四、根據(jù)定位時(shí)接收機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),動(dòng)態(tài)定位 是在進(jìn)行定位時(shí)，接收機(jī)的天線在整個(gè)觀測過程中的位置是變化的。即在數(shù)據(jù)處理時(shí)，將接收機(jī)天線的位置作為一個(gè)隨時(shí)間的改變而改變的量。 靜態(tài)定位 是在進(jìn)行定位時(shí)，接收機(jī)的天線在整個(gè)觀測過程中的位置是保持不變的。即在數(shù)據(jù)處理時(shí)，將接收機(jī)天線的位置作為一個(gè)不隨時(shí)間的改變而改變的量。在測量中，靜態(tài)定位一般用于高精度的測量定位，時(shí)間由幾分鐘、幾小時(shí)甚至數(shù)十小時(shí)不等,七、特點(diǎn) 1.

13、定位精度高 相對(duì)定位精度50KM可達(dá)106，平面位置誤差小于1mm。 2.觀測時(shí)間短 20KM以內(nèi)靜態(tài)相對(duì)定位僅需1520分鐘；快速靜態(tài)相對(duì)定位時(shí)，只需12分鐘；動(dòng)態(tài)相對(duì)定位可隨時(shí)定位，僅需幾秒鐘,3.測站間無需通視 只要上空開闊，布點(diǎn)靈活、效率高，可省去造標(biāo)費(fèi)用。 4.可提供三維坐標(biāo) 經(jīng)典的大地測量將平面與高程分別觀測，GPS可同時(shí)觀測三維坐標(biāo)，目前GPS水準(zhǔn)可滿足四等水準(zhǔn)測量的精度,5.操作簡便 GPS接收機(jī)不斷改進(jìn)，自動(dòng)化程度越來越高，有的已達(dá)“傻瓜化”的程度。接收機(jī)更輕便，體積越來越小。 6.全天候作業(yè) 可在一天24小時(shí)進(jìn)行，不受陰天黑夜、起霧刮風(fēng)、下雨下雪等氣候影響。 7.功能多、用

14、途廣 不僅可用于測量、導(dǎo)航，還可用于測速、測時(shí)。測速的精度可達(dá)0.1m/s，測時(shí)的精度可達(dá)幾十毫秒,八、應(yīng)用前景 1.GPS應(yīng)用 航攝飛機(jī)的導(dǎo)航：過去用羅盤配合地圖、相片進(jìn)行目視導(dǎo)航，主要用于確定飛機(jī)的位置、飛行航線及航速。 測定外業(yè)控制點(diǎn)，取代常規(guī)的大地測量。 為RS提供精確的幾何校正數(shù)據(jù)。 為數(shù)字化地圖的野外測繪提供基礎(chǔ)控制數(shù)據(jù),2.其它應(yīng)用舉例 大地控制測量 1992年GPS大會(huì)戰(zhàn)，我國已建立平均邊長為100km的 GPSA級(jí)網(wǎng)，亞米級(jí)精度。在A級(jí)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，又建立了30100km的GPSB級(jí)網(wǎng)。 地理動(dòng)力學(xué)監(jiān)測板塊運(yùn)動(dòng) 海洋測繪南沙群島，以前無數(shù)據(jù)，建GPS后則可聯(lián)測,精密工程和工程變

15、形觀測 電子對(duì)撞機(jī)、三峽工程、地鐵控制網(wǎng)，大型建筑如樓房、大壩在水平、垂直方向的變形。 導(dǎo)航方面導(dǎo)彈、運(yùn)鈔車 GPS產(chǎn)業(yè)：1995年美國車載GPS系統(tǒng)銷售量為3.1億美元，到2000年為30億美元。我國已在武漢成立GPS工程技術(shù)研究中心。 GPS應(yīng)用進(jìn)入日常生活：手表式接收機(jī)用于導(dǎo)游，所有運(yùn)載器，都將依賴于GPS。手機(jī)上已有GPS定位系統(tǒng),九、GPS測量的誤差來源,1與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差 電離層折射誤差 由于地球周圍的電離層對(duì)電磁波的折射效應(yīng)，使得GPS信號(hào)的傳播速度發(fā)生變化，這種變化稱為電離層延遲。 對(duì)流層折射誤差 由于地球周圍的對(duì)流層對(duì)電磁波的折射效應(yīng)，使得GPS信號(hào)的傳播速度發(fā)生變化，這

16、種變化稱為對(duì)流層延遲。 多路徑效應(yīng)誤差 在GPS測量中，測站周圍的反射物所反射的衛(wèi)星信號(hào)(反射波)進(jìn)入接收機(jī)天線，會(huì)和來自衛(wèi)星的信號(hào)(直接波)產(chǎn)生干涉，從而使觀測值偏離真值產(chǎn)生所謂的“多路徑效應(yīng)誤差,2與衛(wèi)星有關(guān)的誤差 衛(wèi)星星歷誤差 由星歷所給出的衛(wèi)星在空間的位置與實(shí)際位置之差稱為衛(wèi)星星歷誤差 衛(wèi)星鐘的鐘誤差 包括由鐘差、頻偏、頻漂等產(chǎn)生的誤差，也包含鐘的隨機(jī)誤差。 衛(wèi)星鐘要嚴(yán)格同步，偏差在1ms以內(nèi)，引起的等效距離誤差約為300km。 相對(duì)論效應(yīng) 由于衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘所處的狀態(tài)（運(yùn)動(dòng)速度和重力位）不同而引起衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘之間產(chǎn)生相對(duì)鐘誤差的現(xiàn)象,3與接收機(jī)有關(guān)的誤差 接收機(jī)鐘誤差 GPS接

17、收機(jī)采用高精度的石英鐘，穩(wěn)定度約為109，接收機(jī)與石英鐘間的同步差為1us，引起等效距離誤差約為300m。 接收機(jī)位置誤差 接收機(jī)天線相位中心相對(duì)測站標(biāo)石中心位置的誤差。包括天線的置平和對(duì)中誤差。 天線相位中心位置的偏差 由于天線的相位中心隨信號(hào)輸入的強(qiáng)度和方向不同而變化，相位中心與幾何中心不一致,4其他誤差 地球自轉(zhuǎn)的影響 地球潮汐改正,十、GARMIN的eTrex接收機(jī),如機(jī)器已移動(dòng)上百公里，此時(shí)為收星正常狀態(tài)，初始化后重新定位,坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換及校正,GPS衛(wèi)星星歷是以WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)為根據(jù)建立的。而我國目前應(yīng)用的地形圖卻屬于1954年北京坐標(biāo)系或1980年國家大地坐標(biāo)系；不同坐標(biāo)系之間存在著平移和旋轉(zhuǎn)關(guān)系（WGS84坐標(biāo)系與我國應(yīng)用的坐標(biāo)系之間的誤差約為80120米），所以進(jìn)行絕對(duì)定位必須進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的絕對(duì)定位精度可由80120米提高到510米。 WGS84坐標(biāo)系是以度、分、秒為標(biāo)準(zhǔn)的坐標(biāo)格式，而我國的BJ54與西安80坐標(biāo)系統(tǒng)是以公里網(wǎng)格的形式來表示。通常輸入中央子午線經(jīng)度為東經(jīng)1170，比例為1.0000000，F(xiàn)ALSES輸入為500000.00，F(xiàn)ALSEN輸入為0.0,坐標(biāo)參數(shù)計(jì)算,參數(shù)計(jì)算是提高手持GPS的關(guān)鍵，可使手持機(jī)的穩(wěn)定性和精度有一定的提高。 1.搜集應(yīng)用區(qū)域內(nèi)GPS“B”級(jí)網(wǎng)三個(gè)以上WGS84坐標(biāo)系的B、L、H值及我國坐標(biāo)系B、L、H、