GPS原理教程

1、 GPS發(fā)展概況 GPS系統(tǒng)構(gòu)成 GPS測距原理 GPS定位模式 常見問題 早期導(dǎo)航系統(tǒng)及其特點(diǎn)Landmarks:僅在當(dāng)?shù)貐^(qū)域工作，易受環(huán)境因素移動或破壞。Dead Reckoning:非常復(fù)雜，精度決定于通常相對粗糙的測量工具。Celestial:復(fù)雜，僅在好天氣情況下晚間工作，有限精度。OMEGA:基于相對很少的電臺指示信標(biāo)，精度有限且易受電臺干擾。LORAN:覆蓋區(qū)域有限（大多在海岸），精度可變，受地理位置影響，容易堵塞或受干擾。SatNav:基于低頻多普勒測量，因此對接收機(jī)微小的運(yùn)動都很敏感。軍備競賽時期，洲際導(dǎo)彈系統(tǒng)成為各國極為推崇的東西，美國與前蘇聯(lián)的軍事對抗為GPS的誕生提供了

2、很好的理由，另外，GPS能夠在陸海空三個領(lǐng)域提供實(shí)時、全天候、全球性的導(dǎo)航服務(wù)，于是在美國國防部（DOD）的主持下，耗費(fèi)120億美元，歷時20年，終于在1994年完成了這項偉大的工程！在研發(fā)過程中，他們還發(fā)現(xiàn)GPS信號還能進(jìn)行厘米級甚至毫米級定位，還可以進(jìn)行時間測量，民用GPS呈現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。 可能在系統(tǒng)建成以后，前蘇聯(lián)不存在了，DOD感到一絲郁悶，就把它的部分信號開放，轉(zhuǎn)給了民用，從此，民用GPS隊伍越來越壯大，其接收機(jī)數(shù)量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了軍方使用的數(shù)量！然后，我們公司誕生了！同時，我們也有了這份工作.來之不易呀！ GPS能提供接收機(jī)天線相位中心的位置，不管在什么天氣條件下，也不管在地球上

3、任何位置！ GPS天線必須有最少觀測衛(wèi)星數(shù)（直線路徑） 用途廣泛：導(dǎo)航、測量、授時、測圖等 觀測簡便，減少野外工作時間和勞動強(qiáng)度 定位精度好：靜態(tài)可達(dá)毫米級，動態(tài)可達(dá)厘米級 經(jīng)濟(jì)效益高 GLONASS（前蘇聯(lián)建造， 24顆衛(wèi)星） NAVSTA（歐洲空間局ESA，6顆地球同步衛(wèi)星，12顆高橢圓軌道衛(wèi)星） GNSS：全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，當(dāng)前沒有，只是計劃，GPS是它的一個子集 美國FAA開發(fā)的一個差分GPS系統(tǒng)，它利用一些分散在美國的參考站，類似美國海岸護(hù)衛(wèi)隊航事DGPS系統(tǒng)的差分改正站，但系統(tǒng)自己不傳送改正信號。它們監(jiān)控GPS信號、電離層狀況和WAAS改正信號，并把這些數(shù)據(jù)傳送給WAAS主控站，主

4、控站收集參考站的數(shù)據(jù)，并驗證，生成新的WAAS改正信號，然后把這些信號傳送到InMarSat同步地球通訊衛(wèi)星，通過衛(wèi)星把這些信號再傳送給整個美國。這些衛(wèi)星以GPS的L1頻率傳送改正信號，但使用與GPS衛(wèi)星不同的偽隨機(jī)碼。 WAAS信標(biāo)接收機(jī)很容易集成到GPS接收機(jī)里 WAAS試驗系統(tǒng)1996年投入使用 L5載波 BLOCK 的發(fā)射Your location is:37o 23.323 N122o 02.162 W整個系統(tǒng)有三部分構(gòu)成： GPS星座 地面監(jiān)控站 用戶接收機(jī) 向用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導(dǎo)航定位信號，并用導(dǎo)航電文報告自己的位置以及其它在軌衛(wèi)星的位置 接收地面注入站發(fā)送到衛(wèi)星的導(dǎo)航電文和其它

5、信息，并通過GPS信號發(fā)送給用戶 接收地面主控站發(fā)送到衛(wèi)星的調(diào)度指令。一個主控站： 位于科羅拉多三個注入站： 大西洋的阿松森、印度洋的迭戈伽西亞、太平洋的卡瓦加蘭五個監(jiān)控站： 除以上四個，還有在夏威夷一個 收集數(shù)據(jù)：監(jiān)控站、氣象、衛(wèi)星時鐘、衛(wèi)星工作狀態(tài) 編算導(dǎo)航電文：計算衛(wèi)星衛(wèi)星星歷、時鐘改正、狀態(tài)數(shù)據(jù)、信號傳播改正 診斷狀態(tài)：監(jiān)測地面系統(tǒng)、檢驗導(dǎo)航電文 調(diào)度衛(wèi)星：軌道改正、啟用備用衛(wèi)星 基本部分：GPS接收機(jī)、GPS天線你的位置：你的位置：37o 23.323 N122o 02.162 W 輔助部分：電源,固定和對中裝置等 捕獲、跟蹤衛(wèi)星，接收GPS信號并將它變換、放大和處理，測量信號傳播時

6、間進(jìn)以計算三維坐標(biāo)甚至速度、時間 接收機(jī)不僅需要機(jī)內(nèi)軟件，還需要GPS數(shù)據(jù)后處理軟件包才完整 按接收的載波頻率類別多少，分為單頻（L1）和雙頻（L1、L2） 載波：調(diào)制有導(dǎo)航電文和偽隨機(jī)碼，有兩種：L1（19cm，1575.42MHz）；L2（24cm，1227.60MHz） 偽隨機(jī)碼：是一個“開”、“關(guān)”脈沖的序列，由衛(wèi)星產(chǎn)生并發(fā)送至用戶接收機(jī)，調(diào)制導(dǎo)航電文形成組合碼，C/A碼和P碼兩種 導(dǎo)航電文：關(guān)于衛(wèi)星軌道、時鐘改正和其它系統(tǒng)狀態(tài)信息的低頻信號aba = 長半軸b = 短半軸ab)(af 扁率balfH橢球高經(jīng)度緯度 H lf橢球模型NNNhhhHHH地面地面橢球橢球大地水準(zhǔn)面大地水準(zhǔn)面

7、海拔高海拔高h(yuǎn) = H - Nh = 正高正高H = 橢球高橢球高N = 大地水準(zhǔn)面高大地水準(zhǔn)面高 橢球參數(shù)：a=6378245，f=1/298.3 這個參數(shù)決定了橢球形狀，但橢球位置尤其是中心原點(diǎn)的位置需要我們用已知54坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行校正求出 我們的采用高程是海拔高，以黃海平均海平面為起點(diǎn)，所以有了大地水準(zhǔn)面的問題 五個邏輯步驟： 三角測量 測量距離 精確定時 衛(wèi)星監(jiān)控 誤差剔除 別急！衛(wèi)星和我們接收機(jī)的距離怎么得來的呢？ 很簡單，衛(wèi)星信號傳播的速度可以光速計，那么：速度x時間=距離 ，多么簡單的 公式！. 關(guān)鍵是時間怎么測量 假設(shè)衛(wèi)星和接收機(jī)同時產(chǎn)生同樣的偽隨機(jī)碼 對比這兩個碼得出GPS信號傳

8、播的延遲就是傳播歷經(jīng)的時間（通常很短） 再用這個時間乘以光速得出距離 時間測量的精確與否關(guān)系重大，誤差千分之一秒，距離誤差可達(dá)200m！ 原子鐘：原子鐘不是依靠原子能工作的，之所以得名是因為它們使用一種特殊原子的振動作為它們的節(jié)拍器。這種定時形式比人們開發(fā)出來的時鐘更穩(wěn)定、更精確。 這么高精度的東西價值510萬美元！不可能作為民用接收機(jī)的配件！ 通過對第四顆衛(wèi)星進(jìn)行距離的測量，就不用安裝那么昂貴的東西了！ 不過這要求接收機(jī)至少有4個通道，而我們5700接收機(jī)的零頭就夠了！ 衛(wèi)星的確切位置DOD事先已經(jīng)確定好了，坐標(biāo)系也是確定的，這樣就能定出我們接收機(jī)的位置 DOD還會連續(xù)不斷地監(jiān)控衛(wèi)星軌道的誤

9、差，并把這些誤差傳到接收機(jī)里，我們不用擔(dān)心衛(wèi)星方面的問題！ GPS誤差源：衛(wèi)星時鐘影響小軌道誤差影響小電離層影響大對流層影響大接收機(jī)噪音影響較小多路徑影響較大 用了差分GPS以后，搞定！ 衛(wèi)星信號波段數(shù)（整周數(shù)）需要幾顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)共同確定 GPS定位所需時間就是正確確定整周未知數(shù)所需時間，快速解算它對提高GPS定位速度和效率起決定性作用 整周模糊度解算成功稱為初始化 靜態(tài)定位和動態(tài)定位： 一般，待定點(diǎn)相對周圍固定點(diǎn)沒有可察覺的運(yùn)動稱為靜態(tài)定位；否則，動態(tài)。 單點(diǎn)定位和相對定位： 獨(dú)立確定待定點(diǎn)在坐標(biāo)系中的位置稱為單點(diǎn)定位；確定同步跟蹤相同GPS衛(wèi)星信號的若干臺接收機(jī)之間相對位置的方法稱為相對定

10、位。 建立在WGS84坐標(biāo)系下 消除SA影響以后，水平精度10m，垂直精度15m 多臺接收機(jī)在不同測站進(jìn)行靜止同步觀測，時間由幾分鐘、幾小時、甚至數(shù)十小時不等 接收機(jī)接收偽距、載波相位等信號觀測值 必須下載觀測值到計算機(jī)進(jìn)行后處理 主要應(yīng)用于各等級大地測量跟蹤網(wǎng)、基準(zhǔn)網(wǎng)、工程控制網(wǎng)、變形監(jiān)測網(wǎng)等 三個過程： 測前工作 實(shí)施測量 數(shù)據(jù)處理 測前的準(zhǔn)備工作： 測區(qū)位置及其范圍 用途和精度等級 點(diǎn)位分布及點(diǎn)的數(shù)量 提交成果的內(nèi)容 時限和經(jīng)費(fèi) 交通及通訊條件 星歷預(yù)報 選點(diǎn)、埋石 布網(wǎng) 點(diǎn)連式 邊連式 混連式 測量 數(shù)據(jù)處理 基線處理同步觀測的兩個點(diǎn)之間才能構(gòu)成基線 網(wǎng)平差 無約束平差 約束平差 二維

11、約束 三維約束 基準(zhǔn)站實(shí)時地將測量的載波相位觀測值、偽距觀測值、基準(zhǔn)站坐標(biāo)等用無線電傳送給運(yùn)動中的流動站，流動站接收后將載波相位觀測值實(shí)時進(jìn)行差分處理得到兩站相對坐標(biāo)； 加上基準(zhǔn)站坐標(biāo)得出流動站W(wǎng)GS84坐標(biāo) 通過轉(zhuǎn)換參數(shù)求出當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系下的三維坐標(biāo)也可以分為三步： 點(diǎn)位選擇： 測量實(shí)施 數(shù)據(jù)處理 基準(zhǔn)站上空開闊，以保證對衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤和衛(wèi)星信號的質(zhì)量 基準(zhǔn)站周圍200m內(nèi)無大功率無線電發(fā)射設(shè)施、高壓輸電線，減少電磁波對衛(wèi)星信號的干擾 基準(zhǔn)站遠(yuǎn)離高層建筑、大片水域等，減少多路徑影響 基準(zhǔn)站應(yīng)該交通便利、易于保存 星歷預(yù)報 基準(zhǔn)站架設(shè) 流動站測量 所謂RTK技術(shù)就是載波相位動態(tài)實(shí)時差分（Real Time Kinematic）技術(shù)，它能夠?qū)崟r地提供測站指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達(dá)到厘米級精度。在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值（偽距和載波相位觀測值）和測站坐標(biāo)信息（如