GPS原理及應(yīng)用nd課件

什么是GPS概念美國從19世紀(jì)70年代開始研制，歷時(shí)20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。GPS–英文全稱GlobalPositioningSystem中文翻譯:全球定位系統(tǒng)7/23/2023控制部分1個(gè)主控站5個(gè)監(jiān)控站空間部分導(dǎo)航衛(wèi)星:導(dǎo)航信息衛(wèi)星時(shí)和衛(wèi)星鐘24顆衛(wèi)星20200Km用戶部分接受衛(wèi)星信號(hào)GPS系統(tǒng)的組成`什么是GPS7/23/202324顆衛(wèi)星（21+3）6個(gè)軌道平面55o軌道傾角2萬km軌道高度（地面高度）12小時(shí)（恒星時(shí)）軌道周期5個(gè)多小時(shí)出現(xiàn)在地平線以上（每顆星）空間部分-GPS衛(wèi)星現(xiàn)在在軌道實(shí)際運(yùn)行的衛(wèi)星個(gè)數(shù)超過32個(gè)什么是GPS7/23/2023地面控制站一個(gè)主控站：科羅拉多?斯必靈司三個(gè)注入站：阿松森（Ascencion)

迭哥?伽西亞(DiegoGarcia)

卡瓦加蘭(kwajalein)五個(gè)監(jiān)測(cè)站=1個(gè)主控站+3個(gè)注入站+夏威夷（Hawaii)55HawaiiAscencionDiegoGarciakwajaleinColoradosprings什么是GPS7/23/2023控制部分

一個(gè)主控站負(fù)責(zé)收集由監(jiān)控站傳來的衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)并計(jì)算衛(wèi)星星歷和時(shí)間參數(shù)5個(gè)監(jiān)控站負(fù)責(zé)對(duì)衛(wèi)星偽距數(shù)據(jù)的觀測(cè)，這一衛(wèi)星跟蹤監(jiān)測(cè)網(wǎng)用于確定衛(wèi)星廣播星歷及衛(wèi)星鐘模

式3個(gè)注入站負(fù)責(zé)向衛(wèi)星注入信號(hào)什么是GPS7/23/2023用戶設(shè)備

通用接收機(jī)（定位型）：導(dǎo)航型接收機(jī)一般情況下無數(shù)據(jù)輸出的記錄存儲(chǔ)設(shè)備（手持機(jī)）天線前置放大器電源部分射電部分微處理器數(shù)據(jù)存器顯示控制器供電信號(hào)信息命令數(shù)據(jù)供電，控制供電數(shù)據(jù)控制什么是GPS7/23/2023不需要相互通視觀測(cè)作業(yè)不受天氣條件的影響網(wǎng)的質(zhì)量與點(diǎn)位的分布情況無關(guān)能達(dá)到大地測(cè)量所需要的精度水平白天和夜間均可作業(yè)經(jīng)濟(jì)效益顯著GPS測(cè)量與經(jīng)典測(cè)量方法的對(duì)比什么是GPS7/23/2023GPS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。

GPS的基本定位原理7/23/2023GPS定位原理

衛(wèi)星信號(hào)結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)頻率10.23MHZ

L11575.42MHZC/A碼

1.023MHZP?碼10.23MHZL21227.60MHZP?碼10.23MHZ1015412050比特/S衛(wèi)星信息電文（D碼）每顆衛(wèi)星都發(fā)射一系列無線電信號(hào)（基準(zhǔn)頻率?）兩種載波（L1和L2）兩種碼信號(hào)（C/A碼和P碼）一組導(dǎo)航電文（信息碼，D碼）7/23/2023GPS定位原理L1載波相位觀測(cè)值L2載波相位觀測(cè)值調(diào)制在L1上的C/A-code偽距調(diào)制在L2上的P-code偽距Dopple觀測(cè)值GPS定位的各種常用的觀測(cè)量7/23/2023對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)距GPS定位原理接收機(jī)對(duì)跟蹤的每一顆衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)距地心SiPijPj

riRjRj=ri+Pij有關(guān)各觀測(cè)量及已知數(shù)據(jù)如下：r—為已知的衛(wèi)地矢量P—為觀測(cè)量（偽距）R—為未知的測(cè)站點(diǎn)位矢量7/23/2023距離觀測(cè)值的計(jì)算GPS定位原理接收機(jī)至衛(wèi)星的距離借助于衛(wèi)星發(fā)射的碼信號(hào)量測(cè)并計(jì)算得到的接收機(jī)本身按同一公式復(fù)制碼信號(hào)比較本機(jī)碼信號(hào)及到達(dá)的碼信號(hào)確定傳播延遲的時(shí)間t傳播延遲時(shí)間乘以光速就是距離觀測(cè)值=C?t衛(wèi)星鐘調(diào)制的碼信號(hào)接收機(jī)時(shí)鐘復(fù)制的碼信號(hào)tt7/23/2023GPS定位原理單點(diǎn)定位結(jié)果的獲取單點(diǎn)定位解可以理解為一個(gè)后方交會(huì)問題衛(wèi)星充當(dāng)軌道上運(yùn)動(dòng)的控制點(diǎn)，觀測(cè)值為測(cè)站至衛(wèi)星的偽距（由時(shí)延值推算得到）由于接收機(jī)時(shí)鐘與衛(wèi)星鐘存在同步誤差所以要同步觀測(cè)4顆衛(wèi)星，解算四個(gè)未知參數(shù)：緯度

,經(jīng)度

,高程h,鐘差t7/23/2023GPS定位原理定位公式7/23/2023GPS定位的誤差源GPS定位原理與GPS衛(wèi)星有關(guān)的因素SA技術(shù)人為的降低廣播星歷精度（ε技術(shù)）衛(wèi)星星歷誤差衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射天線相位中心偏差與傳播途徑有關(guān)的因素電離層延遲對(duì)流層延遲多路徑效應(yīng)與接收機(jī)有關(guān)的因素接收機(jī)鐘差接收機(jī)天線相位中心誤差接收機(jī)軟件和硬件造成的誤差偽距差分這是應(yīng)用最廣的一種差分。在基準(zhǔn)站上，觀測(cè)所有衛(wèi)星，根據(jù)基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)和各衛(wèi)星的坐標(biāo)，求出每顆衛(wèi)星每一時(shí)刻到基準(zhǔn)站的真實(shí)距離。再與測(cè)得的偽距比較，得出偽距改正數(shù)，將其傳輸至用戶接收機(jī)，提高定位精度。這種差分，能得到米級(jí)定位精度，如沿海廣泛使用的“信標(biāo)差分”7/23/2023GPS觀測(cè)量采用載波相位觀測(cè)值發(fā)自衛(wèi)星的電磁波信號(hào)：信號(hào)量測(cè)精度優(yōu)于波長(zhǎng)的1/100載波波長(zhǎng)（L1=19cm,L2=24cm)比C/A碼波長(zhǎng)(C/A=293m)短得多所以，GPS測(cè)量采用載波相位觀測(cè)值可以獲得比偽距（C/A碼或P碼）定位高得多的成果精度L1載波L2載波C/A碼P-碼

p=29.3

m

L2=24

cm

L1=19c

m

C/A=293

m7/23/2023載波相位差分設(shè)法解算出初始整周未知數(shù)測(cè)站對(duì)某一衛(wèi)星的載波相位觀測(cè)值由三部分組成（1）初始整周未知數(shù)n；（2）

t0至ti時(shí)刻的整周記數(shù)Ci；（3）相位尾數(shù)i如果信號(hào)沒有失鎖，則每一個(gè)觀測(cè)值包含同一個(gè)初始整周未知數(shù)n為了利用載波相位進(jìn)行定位，必須設(shè)法先解算出初始整周未知數(shù)，取得總觀測(cè)值n+Ci+iTime(0)AmbiguityTime(i)AmbiguityCountedCyclesPhaseMeasurement7/23/2023

GPS觀測(cè)量可以消去衛(wèi)星鐘的系統(tǒng)偏差可以消去接收機(jī)時(shí)鐘的誤差PikPljPijPjPlkPkSlSi可以消去軌道（星歷）誤差的影響可以削弱大氣折射對(duì)觀測(cè)值的影響組成星際站際兩次差分觀測(cè)值7/23/2023GPS觀測(cè)量弄清楚初始整周未知數(shù)的確定與定位精度的關(guān)系精度m1.000.100.01整周未知數(shù)確定后整周未知數(shù)確定前經(jīng)典靜態(tài)定位00308025時(shí)間（分）如果無法準(zhǔn)確解出初始整周未知數(shù)，則定位精度難以優(yōu)于±1m隨著初始整周未知數(shù)解算精度的提高，定位精度也相應(yīng)提高一旦初始整周未知數(shù)精確獲得，定位精度不再隨時(shí)間延長(zhǎng)而提高經(jīng)典靜態(tài)定位需要30-80分鐘觀測(cè)才能求定初始整周未知數(shù)快速靜態(tài)定位將這個(gè)過程縮短到2-5分鐘快速靜態(tài)定位7/23/2023GPS定位方法按定位方式分：?jiǎn)吸c(diǎn)定位（絕對(duì)定位）相對(duì)定位（差分定位）

7/23/2023GPS定位方法單點(diǎn)定位（絕對(duì)定位）：根據(jù)一臺(tái)接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來確定接收機(jī)位置的方式，它只能采用偽距觀測(cè)量，可用于車船等的概略導(dǎo)航定位。在地球協(xié)議坐標(biāo)中，確定觀測(cè)站相對(duì)地球質(zhì)心的位置。7/23/2023GPS定位方法相對(duì)定位（差分定位）：根據(jù)兩臺(tái)以上接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來確定觀測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)位置的方法，它既可采用偽距觀測(cè)量也可采用相位觀測(cè)量，大地測(cè)量或工程測(cè)量均應(yīng)采用相位觀測(cè)值進(jìn)行相對(duì)定位。在地球協(xié)議坐標(biāo)中，確定觀測(cè)與地面某一參考點(diǎn)之間的相對(duì)位置。

7/23/2023GPS定位方法按接收機(jī)狀態(tài)分：靜態(tài)定位動(dòng)態(tài)定位在靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位中，又包含單點(diǎn)定位和多點(diǎn)定位。7/23/2023GPS定位方法靜態(tài)定位：

在定位觀測(cè)時(shí)，若接收機(jī)相對(duì)于地球表面靜止，則稱為靜態(tài)定位。在進(jìn)行控制網(wǎng)觀測(cè)時(shí)，一般均采用這種方式由幾臺(tái)接收機(jī)同時(shí)觀測(cè)，它能最太限度地發(fā)揮GPS的定位精度，專用于這種目的的接收機(jī)被稱為大地型接收機(jī)，是接收機(jī)中性能最好的一類。

7/23/2023GPS定位方法動(dòng)態(tài)定位在定位觀測(cè)時(shí)，若接收機(jī)相對(duì)于地球表面運(yùn)動(dòng)，則稱為動(dòng)態(tài)定位，如用于車船等概略導(dǎo)航定位的精度為30一100米的偽距單點(diǎn)定位，或用于城市車輛導(dǎo)航定位的米級(jí)精度的偽距差分定位，或用于測(cè)量放樣等的厘米級(jí)的相位差分定位（RTK），實(shí)時(shí)差分定位需要數(shù)據(jù)鏈將兩個(gè)或多個(gè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)揭黄鹩?jì)算。

7/23/2023載波相位差分載波相位差分技術(shù)又稱RTK（RealTimeKinematic）技術(shù)，是實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)站載波相位觀測(cè)量的差分方法。即是將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)給用戶接收機(jī)，進(jìn)行求差解算坐標(biāo)。7/23/2023GPS測(cè)量常用坐標(biāo)介紹7/23/20231.WGS-84WGS-84坐標(biāo)是GPS所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)，GPS發(fā)布的星歷參數(shù)是基于此坐標(biāo)系的WGS-84的橢球參數(shù)：a=6378137m1/f=298.2572235637/23/20232.北京-54北京-54坐標(biāo)是目前我國使用比較廣泛的大地測(cè)量坐標(biāo)系，參