GPS全球定位系統(tǒng)教學(xué)課件

全球定位系統(tǒng)GlobalPositionSystem第1頁，共60頁。概述

GPS是英文NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem的縮寫,意為利用衛(wèi)星導(dǎo)航進(jìn)行測時和測距,以構(gòu)成全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。是美國國防部主要為滿足軍事部門對海上、陸地和空中設(shè)施進(jìn)行高精度導(dǎo)航和定位的需要而建立的。自1973年美國軍方批準(zhǔn)成立聯(lián)合計劃局開始GPS的研究工作到1993年系統(tǒng)建成,該工程歷時20年，耗資300億美元，成為繼阿波羅登月計劃和航天飛機計劃之后的第三項龐大空間計劃。它從根本上解決了人類在地球上的導(dǎo)航和定位問題，在軍事和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。給導(dǎo)航和定位技術(shù)帶來了巨大的變化。第2頁，共60頁。第3頁，共60頁。 GPS系統(tǒng)由三部分構(gòu)成，分別為空間星座部分、地面監(jiān)控部分、用戶設(shè)備部分?？臻g星座和地面監(jiān)控部分由美國國防部控制，用戶使用GPS接收機接收衛(wèi)星信號進(jìn)行高精度的精密定位以及高精度的時間傳遞。目前，二十多顆GPS衛(wèi)星已覆蓋了全球，每顆衛(wèi)星均在不間斷地向地球播發(fā)調(diào)制在兩個頻段上的衛(wèi)星信號。在地球上任何一點，均可連續(xù)地同步觀測至少4顆GPS衛(wèi)星，從而保障了全球、全天候的連續(xù)地三維定位，而且具有良好的抗干擾性和保密性。因此，全球定位系統(tǒng)已成為美國導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)代化的最重要標(biāo)志，并且被視為本世紀(jì)美國繼阿波羅登月計劃和航天飛機計劃之后的又一重大科技成就。第4頁，共60頁。第5頁，共60頁。GPS系統(tǒng)的特點1、全球，全天候工作：能為用戶提供連續(xù)，實時的三維位置，三維速度和精密時間。不受天氣的影響。

2、定位精度高：單機定位精度優(yōu)于10米，采用差分定位，精度可達(dá)厘米級和毫米級。

3、功能多，應(yīng)用廣：隨著人們對GPS認(rèn)識的加深，GPS不僅在測量，導(dǎo)航，測速，測時等方面得到更廣泛的應(yīng)用，而且其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大第6頁，共60頁。GPS發(fā)展歷程無線電導(dǎo)航系統(tǒng)

●羅蘭--C

●Omega（奧米茄）

●多卜勒系統(tǒng)衛(wèi)星定位系統(tǒng)

●NNSS子午儀系統(tǒng) ●GPS ●GLONASS系統(tǒng) ●雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（北斗一號） ●GNSS加俐略系統(tǒng)第7頁，共60頁。GPS發(fā)展歷程 GPS實施計劃共分三個階段：

第一階段為方案論證和初步設(shè)計階段。從1973年到1979年，共發(fā)射了4顆試驗衛(wèi)星。研制了地面接收機及建立地面跟蹤網(wǎng)。

第二階段為全面研制和試驗階段。從1979年到1984年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗衛(wèi)星，研制了各種用途接收機。實驗表明，GPS定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

第三階段為實用組網(wǎng)階段。1989年2月4日第一顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功，表明GPS系統(tǒng)進(jìn)入工程建設(shè)階段。1993年底實用的GPS網(wǎng)即（21+3）GPS星座已經(jīng)建成，之后根據(jù)計劃更換失效的衛(wèi)星。

第8頁，共60頁。GPS發(fā)展歷程無線電導(dǎo)航系統(tǒng)

●羅蘭--C

●Omega（奧米茄）

●多卜勒系統(tǒng)衛(wèi)星定位系統(tǒng)

●NNSS子午儀系統(tǒng) ●GPS ●GLONASS系統(tǒng) ●雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（北斗一號） ●GNSS加俐略系統(tǒng)第9頁，共60頁。GLONASS系統(tǒng)

GLONASS是GLObalNAvigationSatelliteSystem(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))的字頭縮寫，是前蘇聯(lián)從80年代初開始建設(shè)的與美國GPS系統(tǒng)相類似的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，也由衛(wèi)星星座、地面監(jiān)測控制站和用戶設(shè)備三部分組成?，F(xiàn)在由俄羅斯空間局管理。

GLONASS系統(tǒng)的衛(wèi)星星座由24顆衛(wèi)星組成，均勻分布在3個近圓形的軌道平面上，每個軌道面8顆衛(wèi)星，軌道高度19100公里，運行周期11小時15分，軌道傾角64.8°。

與美國的GPS系統(tǒng)不同的是GLONASS系統(tǒng)采用頻分多址(FDMA)方式，根據(jù)載波頻率來區(qū)分不同衛(wèi)星（GPS是碼分多址（CDMA），根據(jù)調(diào)制碼來區(qū)分衛(wèi)星）。每顆GLONASS衛(wèi)星發(fā)播的兩種載波的頻率分別為L1=1,602+0.5625k(MHz)和L2=1,246+0.4375k(MHz)，其中k=1～24為每顆衛(wèi)星的頻率編號。所有GPS衛(wèi)星的載波的頻率是相同，均為L1=1575.42MHz和L2=1227.6MHz。

GLONASS衛(wèi)星的載波上也調(diào)制了兩種偽隨機噪聲碼：S碼和P碼。

GLONASS系統(tǒng)從理論上有24顆衛(wèi)星，但由于衛(wèi)星使用壽命和資金緊張等問題，實際上目前只有8顆。

GLONASS系統(tǒng)單點定位精度水平方向為16m，垂直方向為25m。

第10頁，共60頁。第11頁，共60頁。GPS發(fā)展歷程無線電導(dǎo)航系統(tǒng)

●羅蘭--C

●Omega（奧米茄）

●多卜勒系統(tǒng)衛(wèi)星定位系統(tǒng)

●NNSS子午儀系統(tǒng) ●GPS ●GLONASS系統(tǒng) ●雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（北斗一號） ●GNSS加俐略系統(tǒng)第12頁，共60頁。加俐略系統(tǒng)系統(tǒng)組成：①衛(wèi)星星座：由3個獨立的圓形軌道，30顆GNSS衛(wèi)星組成（27顆工作衛(wèi)星，3顆備用衛(wèi)星）。衛(wèi)星的軌道傾角i=56°；衛(wèi)星的公轉(zhuǎn)周期T=14h23m14S恒星時；軌道高度H=23616km。②地面系統(tǒng)：在歐洲建立2個控制中心；在全球構(gòu)建監(jiān)控網(wǎng)。③定位原理：與GPS相同。④定位精度：導(dǎo)航定位精度比目前任何系統(tǒng)都高。計劃實施：①1994年開始進(jìn)入方案論證階段；②2003年開始發(fā)射兩顆試驗衛(wèi)星進(jìn)入試驗階段；③2008年整個伽利略（GNSS）系統(tǒng)建成并投入使用；第13頁，共60頁。GPS系統(tǒng)的組成 GPS由三個獨立的部分組成：

●空間部分：21顆工作衛(wèi)星，3顆備用衛(wèi)星。

●地面控制系統(tǒng)：1個主控站，3個注入站，5個監(jiān)測站。

●用戶設(shè)備部分：接收GPS衛(wèi)星發(fā)射信號，以獲得必要的導(dǎo)航和定位信息，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，完成導(dǎo)航和定位工作。GPS接收機硬件一般由主機、天線和電源組成。第14頁，共60頁。第15頁，共60頁?？臻g部分 GPS的空間部分是由24顆GPS工作衛(wèi)星所組成的。其中21顆為可用于導(dǎo)航的衛(wèi)星，3顆為活動的備用衛(wèi)星。24顆衛(wèi)星分布在6個傾角為55°的軌道上繞地球運行。衛(wèi)星的運行周期約為12恒星時，每顆GPS工作衛(wèi)星都發(fā)出用于導(dǎo)航定位的信號，GPS用戶正是利用這些信號來進(jìn)行工作的。

目前可用的衛(wèi)星通常有28顆之多。第16頁，共60頁。衛(wèi)星信號L1-Frequenz(1575.42MHz)=19.05cm C/A-Code P-Code 衛(wèi)星星歷L2-Frequenz(1227.60MHz)=24.45cm P-Code 衛(wèi)星星歷第17頁，共60頁。地面控制系統(tǒng)GPS的控制部分由分布在全球的由若干個跟蹤站所組成。分為主控站、監(jiān)控站和注入站。主控站位于美國克羅拉多Colorado的法爾孔Falcon空軍基地。它的作用是根據(jù)各監(jiān)控站根據(jù)GPS的觀測數(shù)據(jù)，計算出衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)通過注入站注入到衛(wèi)星中去。同時它還對衛(wèi)星進(jìn)行控制，向衛(wèi)星發(fā)布指令，當(dāng)工作衛(wèi)星出現(xiàn)故障時調(diào)度備用衛(wèi)星替代失效的工作衛(wèi)星工作。主控站也具有監(jiān)控站的功能。監(jiān)控站有五個。除了主控站外其它四個分別位于夏威夷(Hawaii)、阿松森群島(Ascencion)、迭哥伽西亞(DiegoGarcia)、卡瓦加蘭(Kwajalein)。監(jiān)控站的作用是接收衛(wèi)星信號、監(jiān)測衛(wèi)星的工作狀態(tài)。注入站有三個。分別位于阿松森群島、迭哥伽西亞、卡瓦加蘭。注入站的作用是將主控站計算出的衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘的改正數(shù)等注入到衛(wèi)星中去。第18頁，共60頁。第19頁，共60頁。用戶部分GPS的用戶部分由GPS接收機、數(shù)據(jù)處理軟件及相應(yīng)的用戶設(shè)備如計算機等組成。作用是接收GPS衛(wèi)星所發(fā)出的信號，利用這些信號進(jìn)行導(dǎo)航定位等工作。第20頁，共60頁。GPS定位原理第21頁，共60頁。偽距測量原理偽距：衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號到達(dá)GPS接收機的傳播時間乘以光速所得到的量測距離。D=c·△t△t=t2-t1第22頁，共60頁。第23頁，共60頁。單點定位 首先我們可以得到GPS衛(wèi)星的位置；其次，我們又能準(zhǔn)確測定我們所在地點A至衛(wèi)星之間的距離，那么A點一定是位于以衛(wèi)星為中心、所測得距離為半徑的圓球上。進(jìn)一步，我們又測得點A至另一衛(wèi)星的距離，則A點一定處在前后兩個圓球相交的圓環(huán)上。我們還可測得與第三個衛(wèi)星的距離，就可以確定A點只能是在三個圓球相交的兩個點上。根據(jù)一些地理知識，可以很容易排除其中一個不合理的位置。第24頁，共60頁。第25頁，共60頁。 GPS系統(tǒng)在每顆衛(wèi)星上裝置有十分精密的原子鐘，并由監(jiān)測站經(jīng)常進(jìn)行校準(zhǔn)。衛(wèi)星發(fā)送導(dǎo)航信息，同時也發(fā)送精確時間信息。GPS接收機接收此信息，使之與自身的時鐘同步，就可獲得準(zhǔn)確的時間。GPS接收機中的時鐘，不可能象在衛(wèi)星上那樣，設(shè)置昂貴的原子鐘，所以就利用測定第四顆衛(wèi)星，在計算過程中校準(zhǔn)GPS接收機的時鐘。第26頁，共60頁。單點定位精度±15～30米第27頁，共60頁。測量型GPS定位原理載波相位精密測距差分技術(shù)相對定位第28頁，共60頁。第29頁，共60頁。差分GPS定位技術(shù)差分技術(shù)很早就被人們所應(yīng)用。它實際上是在一個測站對兩個目標(biāo)的觀測量、兩個測站對一個目標(biāo)的觀測量或一個測站對一個目標(biāo)的兩次觀測量之間進(jìn)行求差。其目的在于消除公共項，包括公共誤差和公共參數(shù)。隨著GPS技術(shù)的發(fā)展和完善，應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步開拓，人們越來越重視利用差分GPS技術(shù)來改善定位性能。它使用一臺GPS基準(zhǔn)接收機和一臺用戶接收機，利用實時或事后處理技術(shù)，就可以使用戶測量時消去公共的誤差源——電離層和對流層效應(yīng)，并能將衛(wèi)星鐘誤差和星歷誤差消除，因此，現(xiàn)在發(fā)展差分GPS技術(shù)就顯得越來越重要。第30頁，共60頁。差分GPS定位技術(shù)在GPS定位過程中，存在三部分誤差。一部分是對每一個用戶接收機所共有的，例如：衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差、對流層誤差等；第二部分為不能由用戶測量或由校正模型來計算的傳播延遲誤差；第三部分為各用戶接收機所固有的誤差，例如內(nèi)部噪聲、通道延遲、多徑效應(yīng)等。利用差分技術(shù)第一部分誤差可完全消除，第二部分誤差大部分可以消除。第三部分誤差則無法消除，只能靠提高GPS接收機本身的技術(shù)指標(biāo)載波相位和差分定位技術(shù)的應(yīng)用使測量定位精度可以達(dá)到毫米級精度第31頁，共60頁?？臻g星座和地面監(jiān)控部分由美國國防部控制，用戶使用GPS接收機接收衛(wèi)星信號進(jìn)行高精度的精密定位以及高精度的時間傳遞。我國目前廣泛采用的大地測量坐標(biāo)系。L1-Frequenz(1575.42MHz)=19.實驗表明，GPS定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。1978年我國決定重新對全國天文大地網(wǎng)施行整體平差，并且建立新的國家大地坐標(biāo)系統(tǒng)。1978年我國決定重新對全國天文大地網(wǎng)施行整體平差，并且建立新的國家大地坐標(biāo)系統(tǒng)。所有GPS衛(wèi)星的載波的頻率是相同，均為L1=1575.空間星座和地面監(jiān)控部分由美國國防部控制，用戶使用GPS接收機接收衛(wèi)星信號進(jìn)行高精度的精密定位以及高精度的時間傳遞。④定位精度：導(dǎo)航定位精度比目前任何系統(tǒng)都高。第二部分為不能由用戶測量或由校正模型來計算的傳播延遲誤差；GLONASS是GLObalNAvigationSatelliteSystem(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))的字頭縮寫，是前蘇聯(lián)從80年代初開始建設(shè)的與美國GPS系統(tǒng)相類似的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，也由衛(wèi)星星座、地面監(jiān)測控制站和用戶設(shè)備三部分組成。同時它還對衛(wèi)星進(jìn)行控制，向衛(wèi)星發(fā)布指令，當(dāng)工作衛(wèi)星出現(xiàn)故障時調(diào)度備用衛(wèi)星替代失效的工作衛(wèi)星工作。第32頁，共60頁。GPS接收機分類導(dǎo)航型測量型授時型單頻L1雙頻L1L2第33頁，共60頁。測量型接收機靜態(tài)接收機RTD實時差分 RealTimeDifferenceDGPS信標(biāo)機RTK實時動態(tài) RealTimeKinematicRTG第34頁，共60頁。第35頁，共60頁。主要特點觀測站之間無需通視

定位精度高

提供三維坐標(biāo)

操作簡便

全天候作業(yè)

測量時間短

第36頁，共60頁。GPS測量中常用的坐標(biāo)系統(tǒng)世界大地坐標(biāo)系WGS-84UTM坐標(biāo)系統(tǒng)1954年北京坐標(biāo)系1980年西安大地坐標(biāo)系第37頁，共60頁。WGS-84坐標(biāo)系WGS-84坐標(biāo)系是目前GPS所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)，GPS所發(fā)布的星歷參數(shù)和歷書參數(shù)等都是基于此坐標(biāo)系統(tǒng)的。WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)的全稱是WorldGeodicalSystem-84(世界大地坐標(biāo)系-84),它是一個地心地固坐標(biāo)系統(tǒng)。WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)由美國國防部制圖局建立，于1987年取代了當(dāng)時GPS所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)WGS-72坐標(biāo)系統(tǒng)而成為現(xiàn)在GPS所使用的坐標(biāo)系統(tǒng)。WGS-84坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點位于地球的質(zhì)心，Z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議地球極方向，X軸指向BIH1984.0的啟始子午面和赤道的交點，Y軸與X軸和Z軸構(gòu)成右手系。第38頁，共60頁。UTM坐標(biāo)系統(tǒng) 通用橫墨卡脫投影第39頁，共60頁。1954年北京坐標(biāo)系 我國目前廣泛采用的大地測量坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系源自于原蘇聯(lián)采用過的1942年普爾科夫坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系采用的參考橢球是克拉索夫斯基橢球。第40頁，共60頁。它的作用是根據(jù)各監(jiān)控站根據(jù)GPS的觀測數(shù)據(jù)，計算出衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)通過注入站注入到衛(wèi)星中去。RealTimeDifference與美國的GPS系統(tǒng)不同的是GLONASS系統(tǒng)采用頻分多址(FDMA)方式，根據(jù)載波頻率來區(qū)分不同衛(wèi)星（GPS是碼分多址（CDMA），根據(jù)調(diào)制碼來區(qū)分衛(wèi)星）。差分技術(shù)很早就被人們所應(yīng)用。①1994年開始進(jìn)入方案論證階段；大地高一般用符號H表示。1989年2月4日第一顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功，表明GPS系統(tǒng)進(jìn)入工程建設(shè)階段。同時它還對衛(wèi)星進(jìn)行控制，向衛(wèi)星發(fā)布指令，當(dāng)工作衛(wèi)星出現(xiàn)故障時調(diào)度備用衛(wèi)星替代失效的工作衛(wèi)星工作。同時它還對衛(wèi)星進(jìn)行控制，向衛(wèi)星發(fā)布指令，當(dāng)工作衛(wèi)星出現(xiàn)故障時調(diào)度備用衛(wèi)星替代失效的工作衛(wèi)星工作。目前可用的衛(wèi)星通常有28顆之多。0的啟始子午面和赤道的交點，Y軸與X軸和Z軸構(gòu)成右手系。監(jiān)控站的作用是接收衛(wèi)星信號、監(jiān)測衛(wèi)星的工作狀態(tài)?？臻g星座和地面監(jiān)控部分由美國國防部控制，用戶使用GPS接收機接收衛(wèi)星信號進(jìn)行高精度的精密定位以及高精度的時間傳遞。GPS網(wǎng)應(yīng)盡量采用獨立觀測邊構(gòu)成閉合圖形，如三角形、多邊形或附合線路，這樣來增加檢核條件以提高網(wǎng)的可靠性。同時它還對衛(wèi)星進(jìn)行控制，向衛(wèi)星發(fā)布指令，當(dāng)工作衛(wèi)星出現(xiàn)故障時調(diào)度備用衛(wèi)星替代失效的工作衛(wèi)星工作。1980年西安大地坐標(biāo)系 1978年我國決定重新對全國天文大地網(wǎng)施行整體平差，并且建立新的國家大地坐標(biāo)系統(tǒng)。整體平差在新大地坐標(biāo)系統(tǒng)中進(jìn)行，這個坐標(biāo)系統(tǒng)就是1980年西安大地坐標(biāo)系統(tǒng)。1980年西安大地坐標(biāo)系統(tǒng)所采用的地球橢球參數(shù)的四個幾何和物理參數(shù)采用了IAG1975年的推薦值第41頁，共60頁。第42頁，共60頁。GPS高程系統(tǒng)大地高系統(tǒng)正常高系統(tǒng)第43頁，共60頁。大地高系統(tǒng)大地高系統(tǒng)是以參考橢球面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)，某點的大地高是該點到通過該點的參考橢球的法線與參考橢球面的交點間的距離。大地高也稱為橢球高。大地高一般用符號H表示。大地高是一個純幾何量，不具有物理意義，同一個點在不同的基準(zhǔn)下具有不同的大地高。第44頁，共60頁。正常高系統(tǒng) 正常高系統(tǒng)是以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的高程系統(tǒng)，某點的正常高是該點到通過該點的鉛垂線與似大地水準(zhǔn)面的交點之間的距離。第45頁，共60頁。第46頁，共60頁。第47頁，共60頁。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換七參數(shù)方法 (x,y,H)>>(BLh)>>(XYZ) | (x,y,H)<<(BLh)<<(XYZ)四參數(shù)方法 (x,y,H)>>(x,y,H)第48頁，共60頁。影響GPS測量的誤差因素大氣層的影響多路徑效應(yīng)衛(wèi)星軌道誤差衛(wèi)星鐘差地球自轉(zhuǎn)相對論效應(yīng)已知點坐標(biāo)偏差天線相位中心第49頁，共60頁。多路徑效應(yīng) 在GPS測量中，如果測站周圍的反射物所反射的衛(wèi)星信號（反射波）進(jìn)入接收機天線，這就將和直接來自衛(wèi)星的信號（直接波）產(chǎn)生干涉，從而使測量值偏離真值產(chǎn)生所謂的"多路徑誤差"。這種由于多路徑的信號傳播所引起的干涉時延效應(yīng)被稱作多路徑效應(yīng)。第50頁，共60頁。第51頁，共60頁。靜態(tài)測量建立國家大地控制網(wǎng)（二等或二等以下）；建立精密工程控制網(wǎng)，如橋梁測量、隧道測量等；建立各種加密控制網(wǎng)，如城市測量、圖根點測量、道路測量、勘界測量等；各種類型的變形監(jiān)測等。第52頁，共60頁。靜態(tài)測量的步驟搜集資料實地踏勘檢驗儀器方案設(shè)計外業(yè)觀測內(nèi)業(yè)處理技術(shù)總結(jié)成果上交第53頁，共60頁?？刂凭W(wǎng)的設(shè)計第54頁，共60頁。圖形設(shè)計的原則GPS網(wǎng)應(yīng)盡量采用獨立觀測邊構(gòu)成閉合圖形，如三角形、多邊形或附合線路，這樣來增加檢核條件以提高網(wǎng)的可靠性。觀測站點網(wǎng)點應(yīng)盡量與原有的地面控制網(wǎng)點相重合，重合點一般不應(yīng)少于3個（不足時應(yīng)聯(lián)測），且在網(wǎng)中應(yīng)分布均勻，以利于可靠地確定GPS網(wǎng)與地面網(wǎng)的之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)。同時亦應(yīng)考慮與水準(zhǔn)點相重合，而非重合點應(yīng)根據(jù)要求以水準(zhǔn)測量方法（