GPS基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)ppt課件

1、GPS根底知識(shí) 北京合眾思?jí)沿?zé)任 長(zhǎng)沙辦事處 左文君 目 錄第一節(jié) GPS系統(tǒng)的開(kāi)展過(guò)程及系統(tǒng)組成第二節(jié) GPS的測(cè)距原理及實(shí)現(xiàn)第三節(jié) GPS的現(xiàn)代化 第一節(jié) GPS系統(tǒng)的開(kāi)展過(guò)程及 系統(tǒng)組成 什么是GPSGPS: NAVSTAR GPS-Navigation System with Time and Ranging Global Positioning System 導(dǎo)航授時(shí)測(cè)距全球定位系統(tǒng)。 是一個(gè)基于衛(wèi)星的無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，為有適當(dāng)儀器的用戶提供精細(xì)的三維坐標(biāo)，導(dǎo)航與時(shí)間信息。 1.1.GPS系統(tǒng)的開(kāi)展過(guò)程 GPS系統(tǒng)由美國(guó)從1973年開(kāi)場(chǎng)研制，起初完全是一個(gè)軍用導(dǎo)航系統(tǒng)，從1983年

2、開(kāi)場(chǎng)用于處理大地丈量問(wèn)題。系統(tǒng)的最終構(gòu)成在1993/1994年間完成。1.2.GPS系統(tǒng)的組成GPS系統(tǒng)由三部分組成： 空間部分-自動(dòng)式任務(wù)衛(wèi)星； 控制部分-一個(gè)主控站，三個(gè)注入站，五個(gè)監(jiān) 測(cè)站組成 用戶部分-不同類型的接納機(jī)和相關(guān)設(shè)備及軟件等。 空間部分： 由24顆衛(wèi)星加N顆自動(dòng)式備用衛(wèi)星組成。衛(wèi)星分布在軌道傾角為55度的六個(gè)近似圓形的軌道面上。軌道運(yùn)轉(zhuǎn)的周期為準(zhǔn)確的11小時(shí)58分恒星時(shí)。 最終的衛(wèi)星分布能保證在地球上任何一個(gè)地方任何時(shí)間至少可以同時(shí)看到4顆衛(wèi)星。 控制部分： 包括一個(gè)主控站，三個(gè)注入站，五個(gè)監(jiān)測(cè)站組成。它們的作用在于：延續(xù)的監(jiān) 測(cè)與控制衛(wèi)星系統(tǒng)；確定GPS系統(tǒng)時(shí)間；預(yù)告衛(wèi)星

3、星歷與衛(wèi)星鐘形狀；周期性的更新每顆衛(wèi)星上的導(dǎo)航電文。 用戶部分： 各種類型的用戶接納機(jī)和相關(guān)設(shè)備等。其作用是捕獲衛(wèi)星信號(hào)，并對(duì)接納到的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)展變換、放大和處置，丈量出衛(wèi)星信號(hào)從衛(wèi)星到接納機(jī)天線的傳播時(shí)間，解譯出衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地解算出丈量點(diǎn)的三維坐標(biāo)、速度和時(shí)間。 1.3.GPS信號(hào) GPS信號(hào)： GPS信號(hào)衛(wèi)星向?qū)拸V用戶發(fā)送的用于導(dǎo)航定位的已調(diào)波，其載波處于L波段。 L1載波：1575.42MHZ , 波長(zhǎng)為9.03cm L2載波：1227.60MHZ , 波長(zhǎng)為24.42cm 其中L1載波攜帶偽碼(C/A碼)、P碼Y碼和導(dǎo)航信息, L2主要攜帶P碼Y碼。而導(dǎo)航信息也被稱為廣播

4、星歷, 包含GPS衛(wèi)星的軌道參數(shù)、衛(wèi)星鐘矯正數(shù)和其它系統(tǒng)參數(shù)。1.4.GPS定位 定位根本原理： 以用戶至4顆衛(wèi)星的偽距的觀測(cè)值，在適當(dāng)?shù)膮⒖甲鴺?biāo)系中根據(jù)知的衛(wèi)星坐標(biāo)確定用戶天線的坐標(biāo)。定位方程GPS系統(tǒng)目的衛(wèi)星顆數(shù)： 24+7軌道面數(shù)： 6軌道傾角： 55軌道高度： 20,183公里運(yùn)轉(zhuǎn)周期： 11小時(shí)58分載波頻率： L1:1575.42 Mhz, L2:1224.60 Mhz傳輸方式： 碼分多址調(diào)制碼： C/A, P第二節(jié) GPS的測(cè)距原理及實(shí)現(xiàn)2.1 GPS 定位步驟 要解算用戶的三維坐標(biāo)位置，必需有假設(shè)干個(gè)知參考點(diǎn) 要解算出用戶到參考點(diǎn)的基線結(jié)果，必需解空間三角形 要解三角形，必需丈

5、量用戶接納機(jī)到衛(wèi)星的間隔 要丈量間隔，必需丈量衛(wèi)星信號(hào)到用戶接納機(jī)的傳輸時(shí)間 用丈量衛(wèi)星信號(hào)的傳輸時(shí)間，需求運(yùn)用“碼相位技術(shù) 要得到準(zhǔn)確結(jié)果，還要消除信號(hào)在傳輸途徑上的誤差丈量用戶接納機(jī)到衛(wèi)星的間隔衛(wèi)星離地球的平均間隔為 20200 公里；如何實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、快速測(cè)距 ?丈量衛(wèi)星信號(hào)到用戶接納機(jī)的傳輸時(shí)間 判別閃電離我們有多遠(yuǎn) 判別綻放的禮花離我們有多遠(yuǎn)我們得到的啟示：經(jīng)過(guò)丈量時(shí)間延遲來(lái)計(jì)算間隔生活中的測(cè)距實(shí)例：我們舉例闡明如何丈量?jī)蓚€(gè)人之間的間隔運(yùn)用“同步技術(shù)，利用聲波來(lái)丈量?jī)蓚€(gè)人之間的間隔。同步聲波特點(diǎn)：頻率一樣，構(gòu)造一致初始形狀經(jīng)過(guò)參與1/4拍延時(shí)經(jīng)過(guò)參與 (1/4 + 1/8) 拍延時(shí)紅色信

6、號(hào)部分是經(jīng)過(guò)“等待了 (1/4 + 1/8) 拍來(lái)得到和綠色信號(hào)同步的，即二者的時(shí)延就是 (1/4 + 1/8) 拍。從傾聽(tīng)者的角度來(lái)說(shuō)，當(dāng)兩首歌曲聽(tīng)起來(lái)覺(jué)得沒(méi)有一前一后的效果時(shí)，就可以以為兩首歌曲曾經(jīng)到達(dá)同步效果了，是同時(shí)到達(dá)傾聽(tīng)者的耳朵里。這個(gè)效果是由紅色信號(hào)部分人為地加上延時(shí)呵斥的。傾聽(tīng)者經(jīng)過(guò)測(cè)定紅色信號(hào)的延時(shí)值，可以得到兩點(diǎn)間的間隔。間隔 = t 聲速 2.2 誤差來(lái)源： 單一偽距丈量誤差； 衛(wèi)星幾何圖形構(gòu)造。單一偽距丈量誤差： 1、與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差 衛(wèi)星星歷誤差；衛(wèi)星鐘誤差 2、與信號(hào)傳播途徑有關(guān)的誤差 電離層衰減、畸變；對(duì)流層時(shí)移；多徑 效應(yīng) 3、與接納機(jī)有關(guān)的誤差 接納機(jī)鐘

7、誤差；模型算法誤差。衛(wèi)星幾何圖形構(gòu)造： 在GPS定位中，常采用幾何誤差放大因子來(lái)表示幾何圖形強(qiáng)度。 RDOP：相對(duì)定位幾何精度因子，取決于定位星座的幾何構(gòu)造 GDOP：幾何精度因子，描畫空間位置誤差和時(shí)間誤差綜合影響的精度因子 GPS定位時(shí)的誤差可以用總的等效間隔誤差和幾何誤差放大因子GDOP的乘積來(lái)表示。消除、減弱上述誤差影響的方法有以下幾種： 1、建立誤差矯正模型 2、求差法差分 3、選擇較好的硬件和較好的觀測(cè)條件 4、是設(shè)法加強(qiáng)幾何強(qiáng)度，減小DOP值。差分定位 在丈量上，由于導(dǎo)航方式的定位精度太低，因此，我們主要利用差分定位的方式進(jìn)展丈量，引入差分的目的就是為了消除GPS丈量中的系統(tǒng)誤差

8、。 根據(jù)對(duì)誤差的分析，我們可以知道，在一定間隔范圍內(nèi)的兩個(gè)觀測(cè)站同時(shí)進(jìn)展單點(diǎn)定位時(shí)，系統(tǒng)誤差對(duì)兩個(gè)觀測(cè)站的影響大體上一樣。因此，差分的根本原理是同時(shí)運(yùn)用兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的GPS接納機(jī)進(jìn)展丈量，通常一臺(tái)接納機(jī)固定不動(dòng)，架設(shè)在知點(diǎn)上作為基準(zhǔn)站Base Station，另一臺(tái)作為游動(dòng)站Rover Station，以固定靜態(tài)的方式或流動(dòng)動(dòng)態(tài)的方式放置在待測(cè)點(diǎn)上。 基準(zhǔn)站與游動(dòng)站同時(shí)觀測(cè)一樣的衛(wèi)星，基準(zhǔn)站利用接納到的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)展單點(diǎn)定位解算，然后用解算結(jié)果與知點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)展比較，從而獲得誤差的矯正值，再利用無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路或后處置軟件將矯正值傳給游動(dòng)站，流動(dòng)站將該數(shù)據(jù)與本身觀測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)展差分解算，從而得到流動(dòng)站

9、與基準(zhǔn)站之間的具有較高精度的相對(duì)位置。 第三節(jié) GPS的現(xiàn)代化 3、GPS的現(xiàn)代化1) 在L1和L2上加發(fā)新的軍用M碼；2) 在L2上加發(fā)民用的 L2C 碼；3) 添加第三民用頻率L5 (1176.45MHZ)；4) 加強(qiáng)抗干擾才干，其中包括提高信號(hào)的強(qiáng)度；5) 采用軍民信號(hào)分別技術(shù)。3.2 當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)WAAS系統(tǒng) - 廣域差分系統(tǒng)，又稱地基系統(tǒng)該系統(tǒng)是在“差分定位根底上開(kāi)展起來(lái)的，但它不是簡(jiǎn)單播發(fā)“偽距差分信息，而是播發(fā)： 各GPS衛(wèi)星的星歷矯正 各GPS衛(wèi)星的鐘差矯正 控制區(qū)內(nèi)假設(shè)干網(wǎng)點(diǎn)的電離層延遲矯正參數(shù)該系統(tǒng)是：(1) 在全球或地域內(nèi)布設(shè)假設(shè)干個(gè)基準(zhǔn)站；(2) 各基準(zhǔn)站延續(xù)跟

10、蹤觀測(cè)視野內(nèi)的GPS衛(wèi)星；(3) 將觀測(cè)數(shù)據(jù)傳送給地面中心站； 中心站延續(xù)進(jìn)展數(shù)據(jù)處置，計(jì)算出以上各差分矯正， 然后將差分矯正參數(shù)經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或通訊衛(wèi)星進(jìn)展 廣播；(6) GPS接納機(jī)在觀測(cè)衛(wèi)星的同時(shí)接納廣域差分矯正參數(shù)， 進(jìn)展定位解算。其碼定位精度可達(dá)：程度位置12M ，高程精度可達(dá) 2 3 M。WAAS 表示圖 目前各主要國(guó)家和地域都已建立或正在建立 WAAS 系統(tǒng)，如美國(guó)、歐洲、日本等。中國(guó)也已由總參測(cè)繪局建立了WAAS系統(tǒng)，并于今年開(kāi)場(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)，其定位精度為 5.00 米。CROS系統(tǒng) - 延續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)站網(wǎng)系統(tǒng)該系統(tǒng)是一個(gè)高精度定位系統(tǒng)，是在 RTK 根底上開(kāi)展起來(lái)的。其根本原理是： 在全球或

11、區(qū)域內(nèi)，布設(shè)密集的基準(zhǔn)站網(wǎng) 各基準(zhǔn)站設(shè)置高精度雙頻接納機(jī)，24小時(shí)延續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，觀測(cè) 載波相位和偽距 經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)，向各用戶提供延續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)觀測(cè)站觀測(cè)的載波、相 位和碼距；也可以提供IGS精細(xì)衛(wèi)星星歷和預(yù)告星歷； 用戶選擇相鄰的三個(gè)CORS基準(zhǔn)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)展準(zhǔn)實(shí) 時(shí)或后處置 該系統(tǒng)的定位精度可達(dá)：程度1.0cm, 高程3.7cm 該系統(tǒng)還可以提供大地高轉(zhuǎn)換成正高的參數(shù)，以進(jìn)展高程 轉(zhuǎn)換。我國(guó)也預(yù)備建立由300多個(gè)延續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)基準(zhǔn)點(diǎn)組成的CORS系統(tǒng)。現(xiàn)已由國(guó)家地震局、總參測(cè)繪局、國(guó)家測(cè)繪局組成的班子進(jìn)展論證謀劃。星基定位系統(tǒng)該系統(tǒng)也是由RTK開(kāi)展起來(lái)。其特點(diǎn)是：(1) 經(jīng)過(guò)通訊衛(wèi)星Inmarsat廣播差分

12、矯正參數(shù)；(2) 其定位精度為15cm 30cm該系統(tǒng)的根本組成和功能為：1) 基準(zhǔn)站：在全球建立幾十個(gè)5070延續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)基準(zhǔn)站，設(shè)置高精度雙頻接納機(jī)進(jìn)展延續(xù)觀測(cè)。2) 中心站2個(gè)一切基準(zhǔn)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)經(jīng)過(guò) Inmarsat 衛(wèi)星傳送給中心站，中心站根據(jù)各觀測(cè)站的數(shù)據(jù)，進(jìn)展實(shí)時(shí)計(jì)算和預(yù)推。計(jì)算GPS衛(wèi)星的精細(xì)星歷和星歷矯正數(shù)、衛(wèi)星鐘差矯正數(shù)。 3) 差分矯正參數(shù)的廣播差分矯正參數(shù)經(jīng)過(guò) Inmarsat 衛(wèi)星向全球廣播。其廣播的差分矯正參數(shù)為： 衛(wèi)星軌道矯正數(shù) 衛(wèi)星鐘差矯正參數(shù)4) 用戶站用戶站必需配有雙頻GPS接納機(jī)，既可進(jìn)展載波相位觀測(cè)，偽距觀測(cè)；又可接納差分矯正數(shù)。5) 用戶定位解算 用

13、衛(wèi)星軌道矯正參數(shù)，求得精細(xì)星歷坐標(biāo)和速度 用衛(wèi)星鐘鐘差矯正數(shù)，求得準(zhǔn)確時(shí)間 用雙頻觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算電離層延遲矯正 用模型計(jì)算對(duì)流層延遲矯正目前國(guó)際上，有幾家公司推出上述產(chǎn)品，如： NAVCOM 公司 OmniSTAR 公司 SeaSTAR 系統(tǒng) Skyfix 系統(tǒng) NASA 的 GDGPS 系統(tǒng)定位解算方法觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)以上修正后，用L1載波相位值進(jìn)展準(zhǔn)確定位，其定位精度可到15厘米。由于采用以上方法，所以開(kāi)場(chǎng)觀測(cè)后，要經(jīng)過(guò)一段初始化時(shí)間，才干穩(wěn)定到達(dá)以上精度。除了以上幾個(gè)外，在以下幾個(gè)方面也值得我們關(guān)注。 1) 新型接納機(jī)的研制據(jù)悉有的公司已開(kāi)場(chǎng)研制跟蹤觀測(cè)L1 C/A和L2 C碼的接納機(jī)，可以進(jìn)展雙頻載波相位和偽碼間隔觀測(cè)，這樣就可以有效地消除電離層延遲和多途徑效應(yīng)的影響，大大地提高定位精度。聽(tīng)說(shuō)其最好定位精度可以到達(dá)1.0毫米，這樣其用途就可極大地?cái)U(kuò)展。2) 干擾和抗干擾的研討目前，GPS信號(hào)較易遭到無(wú)線電信號(hào)的干擾。如1