GPS應(yīng)用原理和組成

GPS原理概述北京麥格天寶科技發(fā)展有限公司技術(shù)支持部MAG集團(tuán)內(nèi)容綱要GPS發(fā)展概況GPS系統(tǒng)構(gòu)成GPS測(cè)距原理GPS定位模式常見問題第一部分GPS發(fā)展概況早期導(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(dòng)或破壞。DeadReckoning:非常復(fù)雜，精度決定于通常相對(duì)粗糙的測(cè)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(duì)很少的電臺(tái)指示信標(biāo)，精度有限且易受電臺(tái)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(cè)量，因此對(duì)接收機(jī)微小的運(yùn)動(dòng)都很敏感。GPS的誕生

軍備競賽時(shí)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(duì)抗為GPS的誕生提供了很好的理由，另外，GPS能夠在陸?？杖齻€(gè)領(lǐng)域提供實(shí)時(shí)、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(shí)20年，終于在1994年完成了這項(xiàng)偉大的工程！在研發(fā)過程中，他們還發(fā)現(xiàn)GPS信號(hào)還能進(jìn)行厘米級(jí)甚至毫米級(jí)定位，還可以進(jìn)行時(shí)間測(cè)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(hào)開放，轉(zhuǎn)給了民用，從此，民用GPS隊(duì)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(shí)，我們也有了這份工作………….來之不易呀！GPS的基本知識(shí)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，也不管在地球上任何位置！GPS天線必須有最少觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)（直線路徑）GPS給測(cè)繪行業(yè)帶來了深刻的技術(shù)革命用途廣泛：導(dǎo)航、測(cè)量、授時(shí)、測(cè)圖等觀測(cè)簡便，減少野外工作時(shí)間和勞動(dòng)強(qiáng)度定位精度好：靜態(tài)可達(dá)毫米級(jí)，動(dòng)態(tài)可達(dá)厘米級(jí)經(jīng)濟(jì)效益高其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)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(jì)劃，GPS是它的一個(gè)子集關(guān)于WAAS美國FAA開發(fā)的一個(gè)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(duì)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(hào)。它們監(jiān)控GPS信號(hào)、電離層狀況和WAAS改正信號(hào)，并把這些數(shù)據(jù)傳送給WAAS主控站，主控站收集參考站的數(shù)據(jù)，并驗(yàn)證，生成新的WAAS改正信號(hào)，然后把這些信號(hào)傳送到InMarSat同步地球通訊衛(wèi)星，通過衛(wèi)星把這些信號(hào)再傳送給整個(gè)美國。這些衛(wèi)星以GPS的L1頻率傳送改正信號(hào)，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(yàn)系統(tǒng)1996年投入使用GPS的未來L5載波BLOCKⅢ的發(fā)射Yourlocationis:37o23.323’N122o02.162’W第二部分GPS系統(tǒng)構(gòu)成整個(gè)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)GPS星座

24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面，軌道間交角60°，其中兩個(gè)與赤道面交角55°

衛(wèi)星距地面20200km

繞近圓軌道一周12恒星時(shí)，人們每天提前4分鐘見到同一顆衛(wèi)星

地平線上最少可見4顆，最多可見11顆

GPS衛(wèi)星的作用向用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導(dǎo)航定位信號(hào)，并用導(dǎo)航電文報(bào)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)航電文和其它信息，并通過GPS信號(hào)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。地面監(jiān)控站一個(gè)主控站：位于科羅拉多三個(gè)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(gè)監(jiān)控站：除以上四個(gè)，還有在夏威夷一個(gè)地面監(jiān)控站的作用收集數(shù)據(jù)：監(jiān)控站、氣象、衛(wèi)星時(shí)鐘、衛(wèi)星工作狀態(tài)編算導(dǎo)航電文：計(jì)算衛(wèi)星衛(wèi)星星歷、時(shí)鐘改正、狀態(tài)數(shù)據(jù)、信號(hào)傳播改正診斷狀態(tài)：監(jiān)測(cè)地面系統(tǒng)、檢驗(yàn)導(dǎo)航電文調(diào)度衛(wèi)星：軌道改正、啟用備用衛(wèi)星用戶接收機(jī)部分基本部分：GPS接收機(jī)、GPS天線你的位置：37o23.323’N122o02.162’W輔助部分：電源,固定和對(duì)中裝置等GPS接收機(jī)捕獲、跟蹤衛(wèi)星，接收GPS信號(hào)并將它變換、放大和處理，測(cè)量信號(hào)傳播時(shí)間進(jìn)以計(jì)算三維坐標(biāo)甚至速度、時(shí)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）GPS信號(hào)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(gè)“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(shí)鐘改正和其它系統(tǒng)狀態(tài)信息的低頻信號(hào)GPS坐標(biāo)系WGS-84：a=6378137m，f=1/298.257223563aba=長半軸b=短半軸balfH橢球模型GPS高程和海拔高NNNhhhHHH地面橢球大地水準(zhǔn)面海拔高h(yuǎn)=H-Nh=正高H=橢球高N=大地水準(zhǔn)面高北京54坐標(biāo)系統(tǒng)橢球參數(shù)：a=6378245，f=1/298.3這個(gè)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)面的問題第三部分GPS測(cè)距原理五個(gè)邏輯步驟：三角測(cè)量測(cè)量距離精確定時(shí)衛(wèi)星監(jiān)控誤差剔除第一步：三角測(cè)量衛(wèi)星位置已知，我們的位置未知。

我們接收機(jī)位于以衛(wèi)星為中心，以我們離衛(wèi)星的距離為半徑的球面上。兩個(gè)衛(wèi)星球面相交成一個(gè)圓，我們就在這個(gè)圓上。

如果又測(cè)得了第三顆衛(wèi)星的距離，那我們的位置范圍就縮小到了兩個(gè)點(diǎn)上。

由于技術(shù)原因，還需要測(cè)第四顆衛(wèi)星，啊，終于知道我們的位置了！第二步距離測(cè)量別急！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(hào)傳播的速度可以光速計(jì)，那么：速度x時(shí)間=距離，多么簡單的公式！.關(guān)鍵是時(shí)間怎么測(cè)量信號(hào)傳播時(shí)間怎么得來？假設(shè)衛(wèi)星和接收機(jī)同時(shí)產(chǎn)生同樣的偽隨機(jī)碼對(duì)比這兩個(gè)碼得出GPS信號(hào)傳播的延遲就是傳播歷經(jīng)的時(shí)間（通常很短）再用這個(gè)時(shí)間乘以光速得出距離第三步精確定時(shí)時(shí)間測(cè)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！?。≡隅姡涸隅姴皇且揽吭幽芄ぷ鞯?，之所以得名是因?yàn)樗鼈兪褂靡环N特殊原子的振動(dòng)作為它們的節(jié)拍器。這種定時(shí)形式比人們開發(fā)出來的時(shí)鐘更穩(wěn)定、更精確。這么高精度的東西價(jià)值5～10萬美元！不可能作為民用接收機(jī)的配件！聰明的接收機(jī)通過對(duì)第四顆衛(wèi)星進(jìn)行距離的測(cè)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(gè)通道，而我們5700接收機(jī)的零頭就夠了！第四步衛(wèi)星監(jiān)控衛(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(huì)連續(xù)不斷地監(jiān)控衛(wèi)星軌道的誤差，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！第五步誤差剔除GPS誤差源：衛(wèi)星時(shí)鐘影響小軌道誤差影響小電離層影響大對(duì)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！整周模糊度衛(wèi)星信號(hào)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(shí)間就是正確確定整周未知數(shù)所需時(shí)間，快速解算它對(duì)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第四部分GPS定位模式靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位：一般，待定點(diǎn)相對(duì)周圍固定點(diǎn)沒有可察覺的運(yùn)動(dòng)稱為靜態(tài)定位；否則，動(dòng)態(tài)。單點(diǎn)定位和相對(duì)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(hào)的若干臺(tái)接收機(jī)之間相對(duì)位置的方法稱為相對(duì)定位。單點(diǎn)定位建立在WGS－84坐標(biāo)系下消除SA影響以后，水平精度10m，垂直精度15m差分GPS差分GPS屬于相對(duì)定位，需要至少兩臺(tái)接收機(jī)進(jìn)行合作，一臺(tái)固定，另一臺(tái)在移動(dòng)中進(jìn)行定位測(cè)量。固定的接收機(jī)很關(guān)鍵，它匯集所有測(cè)得的衛(wèi)星信息，作為固定的本地參考站。

靜態(tài)測(cè)量的概念多臺(tái)接收機(jī)在不同測(cè)站進(jìn)行靜止同步觀測(cè)，時(shí)間由幾分鐘、幾小時(shí)、甚至數(shù)十小時(shí)不等接收機(jī)接收偽距、載波相位等信號(hào)觀測(cè)值必須下載觀測(cè)值到計(jì)算機(jī)進(jìn)行后處理主要應(yīng)用于各等級(jí)大地測(cè)量跟蹤網(wǎng)、基準(zhǔn)網(wǎng)、工程控制網(wǎng)、變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)等靜態(tài)測(cè)量的過程三個(gè)過程：測(cè)前工作實(shí)施測(cè)量數(shù)據(jù)處理靜態(tài)測(cè)前工作測(cè)前的準(zhǔn)備工作：測(cè)區(qū)位置及其范圍用途和精度等級(jí)點(diǎn)位分布及點(diǎn)的數(shù)量提交成果的內(nèi)容時(shí)限和經(jīng)費(fèi)交通及通訊條件靜態(tài)測(cè)量的實(shí)施星歷預(yù)報(bào)選點(diǎn)、埋石布網(wǎng)點(diǎn)連式邊連式混連式測(cè)量數(shù)據(jù)處理靜態(tài)數(shù)據(jù)后處理基線處理同步觀測(cè)的兩個(gè)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約束三維約束RTK測(cè)量的概念基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)地將測(cè)量的載波相位觀測(cè)值、偽距觀測(cè)值、基準(zhǔn)站坐標(biāo)等用無線電傳送給運(yùn)動(dòng)中的流動(dòng)站，流動(dòng)站接收后將載波相位觀測(cè)值實(shí)時(shí)進(jìn)行差分處理得到兩站相對(duì)坐標(biāo)；加上基準(zhǔn)站坐標(biāo)得出流動(dòng)站W(wǎng)GS－84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)RTK測(cè)量的過程也可以分為三步：點(diǎn)位選擇：測(cè)量實(shí)施數(shù)據(jù)處理RTK點(diǎn)位選擇基準(zhǔn)站上空開闊，以保證對(duì)衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤和衛(wèi)星信號(hào)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(duì)衛(wèi)星信號(hào)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RTK測(cè)量實(shí)施星歷預(yù)報(bào)基準(zhǔn)站架設(shè)流動(dòng)站測(cè)量RTK的概念所謂RTK技術(shù)就是載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分（RealTimeKinematic）技術(shù)，它能夠?qū)崟r(shí)地提供測(cè)站指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達(dá)到厘米級(jí)精