GPS測量原理及應(yīng)用

GPS原理及其應(yīng)用2021/6/271第1部分原理1GPS測量的特點2GPS的歷史和背景3GPS系統(tǒng)的組成4GPS衛(wèi)星5GPS地面控制站6GPS用戶設(shè)備7GPS系統(tǒng)現(xiàn)狀8GPS定位原理9GPS測量2021/6/272GPS定義GPS的英文全稱是：NavigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositionSystem測量用戶的PVT：Position(三維位置)Velocity(三維速度)Time(時間)2021/6/273日常生活中的GPS42021/6/274日常生活中的GPS車載手機52021/6/2751GPS測量的特點不需要相互通視觀測作業(yè)不受天氣條件的影響能達(dá)到大地測量所需要的精度水平全天候白天和夜間均可作業(yè)效率高提供三維坐標(biāo)2021/6/2762GPS的歷史和背景GPS是美國軍方研制的第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

(1)全球覆蓋

(2)24小時可以定位，測速和授時

(3)用戶設(shè)備成本低廉

(4)確保美國軍事安全，服務(wù)于全球戰(zhàn)略

(5)導(dǎo)航精度可達(dá)10-20m(6)取代現(xiàn)存各種導(dǎo)航系統(tǒng)

這種設(shè)備可以用來武裝戰(zhàn)車，艦船和飛機，提高其作戰(zhàn)能力，并可廣泛用于地面部隊，其作用已經(jīng)在海灣戰(zhàn)爭中得到充分展示。2021/6/277系統(tǒng)特征第一代NNSSNavyNavigationSatelliteSystem(海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)）GPS載波頻率GHz0.15,0.401.23,1.58衛(wèi)星高度km100020200衛(wèi)星數(shù)5-621+3衛(wèi)星周期min1:4711:58衛(wèi)星鐘穩(wěn)定度10-1110-12GPS與NNSS的主要特征比較2021/6/278系統(tǒng)特征GLONASSGPS載波頻率GHz1.61,1.251.23,1.58衛(wèi)星高度km1910020200衛(wèi)星數(shù)21+321+3衛(wèi)星周期h11:1511:58衛(wèi)星鐘穩(wěn)定度10-1110-13GPS與GLONASS的主要特征比較2021/6/2793GPS系統(tǒng)的組成空間部分：提供星歷和時間信息發(fā)射偽距和載波信號提供其它輔助信息地面控制部分：

中心控制系統(tǒng)實現(xiàn)時間同步跟蹤衛(wèi)星進行定軌用戶部分：

接收并測量衛(wèi)星信號記錄處理數(shù)據(jù)提供導(dǎo)航定位信息2021/6/27104GPS衛(wèi)星24顆衛(wèi)星(21+3)6個軌道平面55o軌道傾角2萬km軌道高度(地面高度)12小時（恒星時）軌道周期5個多小時出現(xiàn)在地平線以上(每顆星)目前軌道上實際運行的衛(wèi)星個數(shù)已經(jīng)超過了32顆2021/6/27115GSP地面控制站一個主控站：科羅拉多?斯必靈司三個注入站：阿松森(Ascencion)

迭哥?伽西亞(DiegoGarcia)

卡瓦加蘭(kwajalein)五個監(jiān)測站=1個主控站+3個注入站+夏威夷(Hawaii)55HawaiiAscencionDiegoGarciakwajaleinColoradosprings2021/6/27126GPS用戶設(shè)備

GPS接收機導(dǎo)航型GSP接收機一般情況下無數(shù)據(jù)輸出的記錄存儲設(shè)備(手持機)天線前置放大器電源部分射電部分微處理器數(shù)據(jù)存儲顯示控制器供電信號信息命令數(shù)據(jù)供電，控制供電數(shù)據(jù)控制2021/6/2713TOPCON產(chǎn)品2021/6/27142021/6/2715LeicaGPS接收機2021/6/2716南方儀器廠2021/6/27172021/6/2718圖片：導(dǎo)航型GPS機手持型GPS機車載型GPS機2021/6/2719圖片：大地型GPS接收機單頻機雙頻機2021/6/2720

7

GPS定位原理

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

L11575.42MHZ

C/A碼

1.023MHZP?碼

10.23MHZL21227.60MHZP?碼10.23MHZ

10

154

12050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(基準(zhǔn)頻率?

)

兩種載波(L1和L2)

兩種碼信號(C/A碼和P碼)

一組導(dǎo)航電文(信息碼，D碼)2021/6/2721GPS衛(wèi)星信號的組成衛(wèi)星信號載波信號(L1，L2)測距碼(P碼,C/A碼)數(shù)據(jù)碼(導(dǎo)航電文或D碼)

（1）載波信號L1載波，波長λ=19.03cm，頻率f1=1575.42MHZL2載波，波長λ=24.42cm，頻率f2=1227.6OMHZ。（2）測距碼C/A碼（粗碼/捕獲碼）：調(diào)制在L1載波上。結(jié)構(gòu)公開，不同的衛(wèi)星有不同的C/A碼。P碼（精碼）：調(diào)制在L1和L2載波上。（3）數(shù)據(jù)碼（D碼）（導(dǎo)航電文）

提供有關(guān)衛(wèi)星位置，衛(wèi)星鐘的性能、發(fā)射機的狀態(tài)等數(shù)據(jù)和信息。用戶利用觀測值以及這些信息和數(shù)據(jù)就能進行導(dǎo)航和定位。2021/6/2722

GPS定位的各種常用觀測量

對衛(wèi)星進行測距接收機對跟蹤的每一顆衛(wèi)星進行測距地心SiρijPj

riRjRj=ri+ρij有關(guān)各觀測量及已知數(shù)據(jù)如下：r—為已知的衛(wèi)地矢量P—為觀測量(偽距)ρ—為未知的測站點位矢量2021/6/2723偽距測量偽距——由衛(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出的量測距離。由于衛(wèi)星鐘、接收機鐘的誤差以及無線電通過電離層和對流層中的延遲，實際測出的距離

與衛(wèi)星到接收機的幾何距離

有一定的差值，因此一般稱量測出的距離為偽距。

用C/A碼進行測量的偽距為C/A碼偽距；用P碼進行測量的偽距為P碼偽距。2021/6/2724測距碼偽距測量接收機至衛(wèi)星的距離借助于衛(wèi)星發(fā)射的碼信號量測并計算得到的接收機本身按同一公式復(fù)制碼信號比較本機碼信號及到達(dá)的碼信號確定傳播延遲時間

t傳播延遲時間乘以光速就得到距離觀測值

=C?t

t

接收到的衛(wèi)星測距碼

接收儀復(fù)制出的測距碼2021/6/2725偽距測量的優(yōu)缺點1)定位速度快。2)無多值性問題。3)可作為載波相位測量中整波數(shù)不確定問題（模糊度）的輔助資料。4)一次定位精度不高，（P碼定位誤差約為10m，C/A碼定位誤差約為20～30m）。2021/6/2726D=c

T

N

載波相位觀測載波L1的波長為19cm

，L2的波長為24cm接收儀將接收到的衛(wèi)星載波信號的相位與其自身產(chǎn)生的參考載波信號的相位進行比較接收儀開機后，相位整周數(shù)未知(帶有整周模糊度)跟蹤衛(wèi)星時間較長時距離的變化可以測定(整周數(shù)保持不變)

T接收到的衛(wèi)星相位接收儀復(fù)制出的相位2021/6/2727

載波相位觀測

T整周模糊度的確定可通過衛(wèi)星和測站的先驗信息或偽距觀測值，估算其近似值并在平差計算中解算其最佳估值。采用通常的方法解算時，需隨觀測時間的延長使衛(wèi)星的幾何構(gòu)形發(fā)生較大的變化，使電離層折射效應(yīng)和多路徑效應(yīng)等系統(tǒng)性偏差的影響被逐漸削弱以至消除，從而保證其確定的可靠性。在通常的靜態(tài)定位中，為確保確定的可靠性，至少要觀測1小時左右。2021/6/2728衛(wèi)星廣播的電磁波信號：信號量測精度優(yōu)于波長的1/100載波波長(

L1=19cm,L2=24cm)比C/A碼波長(C/A=293m)短得多所以，GPS測量采用載波相位觀測值可以獲得比偽距(C/A碼或P碼)定位高得多的測距精度L1載波L2載波C/A碼P-碼

p=29.3

m

L2=24

cm

L1=19c

m

C/A=293

m

載波相位觀測2021/6/2729載波相位測距的優(yōu)缺點載波相位測量屬于非碼信號測量系統(tǒng)優(yōu)點：把載波作為量測信號，對載波進行相位測量可以達(dá)到很高的精度，目前可達(dá)到1～2mm。缺點：載波信號是一種周期性的正弦信號，相位測量只能測定不足一個波長的小數(shù)部分，無法測定其整波長個數(shù)。因而存在著整周數(shù)的不確定性問題，使解算過程比較復(fù)雜。2021/6/2730單點定位結(jié)果的獲取單點定位解可以理解為一個測邊后方交會問題衛(wèi)星充當(dāng)軌道上運動的控制點，觀測值為測站至衛(wèi)星的偽距(由時間延遲計算得到)由于接收機時鐘與衛(wèi)星鐘存在同步誤差，所以要同步觀測4顆衛(wèi)星，解算四個未知參數(shù)：緯度

,經(jīng)度

,大地高程h,鐘差

t2021/6/27318GPS定位的誤差源與GPS衛(wèi)星有關(guān)的因素SA(對精密星歷進行加密）技術(shù)：人為的降低廣播星歷精度2000年5月2日4時終止實施衛(wèi)星星歷（定軌）誤差衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星信號發(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流層延遲多路徑效應(yīng)與接收機有關(guān)的因素接收機鐘差接收機天線相位中心誤差接收機軟件和硬件造成的誤差2021/6/27329GPS測量(1)采用載波相位觀測值衛(wèi)星廣播的電磁波信號：信號量測精度優(yōu)于波長的1/100載波波長(

L1=19cm,L2=24cm)比C/A碼波長(C/A=293m)短得多所以，GPS測量采用載波相位觀測值可以獲得比偽距(C/A碼或P碼)定位高得多的測距精度L1載波L2載波C/A碼P-碼

p=29.3

m

L2=24

cm

L1=19c

m

C/A=293

m2021/6/2733(2)組成星際站際兩次差分觀測值可以消去衛(wèi)星鐘的系統(tǒng)偏差可以消去接收機時鐘的誤差PikPljPijPjPlkPkSlSi可以削弱大氣折射對觀測值的影響可以削弱軌道(星歷)誤差的影響2021/6/2734(3)設(shè)法解算出初始整周未知數(shù)測站對某一衛(wèi)星的載波相位觀測值由三部分組成

(1)初始整周未知數(shù)n；(2)t0至ti時刻的整周記數(shù)Ci；(3)相位尾數(shù)

i如果信號沒有失鎖，則每一個觀測值包含同一個初始整周未知數(shù)n為了利用載波相位進行定位，必須設(shè)法先解算出初始整周未知數(shù)，取得總觀測值n+Ci+

iTime(0)AmbiguityTime(i)AmbiguityCountedCyclesPhaseMeasurement2021/6/2735(4)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00308058時間(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，定位精度不再隨時間延長而提高經(jīng)典靜態(tài)定位需要30-80分鐘觀測才能求定初始整周未知數(shù)快速靜態(tài)定位將這個過程縮短到5-8分鐘(雙頻接收機)快速靜態(tài)定位2021/6/2736偽距差分這是應(yīng)用最廣的一種差分。在基準(zhǔn)站上，觀測所有衛(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)星每一時刻到基準(zhǔn)站的真實距離。再與測得的偽距比較，得出偽距改正數(shù)，將其傳輸至用戶接收機，提高定位精度。這種差分，能得到米級定位精度，如沿海廣泛使用的“信標(biāo)差分”2021/6/2737載波相位差分載波相位差分技術(shù)又稱RTK(RealTimeKinematic)技術(shù)，是實時處理兩個測站載波相位觀測量的差分方法。即是將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)送給用戶接收機，進行求差解算坐標(biāo)。載波相位差分可使定位精度達(dá)到厘米級，已經(jīng)大量應(yīng)用于需要點位高精度的動態(tài)測量領(lǐng)域。2021/6/2738第2部分我國GPS測量的常用坐標(biāo)系1.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)都是基于此坐標(biāo)系的。

WGS-84的橢球參數(shù)：

a=6378137m1/f=298.2572235632.1954北京坐標(biāo)系

1954北京坐標(biāo)系是目前我國使用比較廣泛的大地測量坐標(biāo)系，參考橢球是克拉索夫斯基橢球。其高程是以1956年黃海平均海水面為基準(zhǔn)?？死鞣蛩够鶛E球參數(shù)：

a=6378245m1/f=298.32021/6/27393.1980西安坐標(biāo)系

1980西安坐標(biāo)系是我國新建的大地測量坐標(biāo)系，參考橢球是IUGG1975橢球，其高程是以1956年黃海平均海水面為基準(zhǔn)。

IUGG1975橢球參數(shù)：

a=6378140m1/f=298.2572021/6/2740第3部分GPS靜態(tài)定位

GPS靜態(tài)定位主要用于建立各級測量控制網(wǎng)，其優(yōu)點為：定位精度高，其基線的相對精度非常高選點靈活、不需要造標(biāo)、費用低全天候作業(yè)觀測時間短觀測處理自動化2021/6/2741第4部分GPS高程測量中常用的高程系統(tǒng)有大地高系統(tǒng)、正高系統(tǒng)、正常高系統(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參考橢球面的垂直距離。大地高也稱為橢球高。一般用H表示。正高系統(tǒng)是以大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)。某點的正高是該點到大地水準(zhǔn)面的垂直距離。正常高系統(tǒng)是以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)。某點的正常高是該點到似大地水準(zhǔn)面的垂直距離。2021/6/2742高程系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換EllipsoidhPTopographyHGeoidN

似大地水準(zhǔn)面到參考橢球面的距離稱為高程異常，似大地水準(zhǔn)面不規(guī)則，造成了各地高程異常值的不確定性。2021/6/2743GPS高程的方法在國內(nèi)一般適用高程擬合法求水準(zhǔn)高。已知點為一個把已知點上的高程異常改正到其它點上去已知點為兩個定義了高程平差面，此平面沿著直線方向前進已知點為三個定義了高程平差面多于三個二次曲面擬合定義了曲面2021/6/2744第5部分GPS在軍事中的應(yīng)用1GPS在戰(zhàn)場上的應(yīng)用2GPS在電子戰(zhàn)爭中的應(yīng)用3GPS在武器試驗中的應(yīng)用2021/6/2745

1GPS在戰(zhàn)場上的應(yīng)用

在1990年的海灣戰(zhàn)爭中，雖然當(dāng)時GPS系統(tǒng)還未全面建成，空間只有部分GPS衛(wèi)星在運行，但它在多國部隊多兵種應(yīng)用，顯示了它的優(yōu)越性，發(fā)揮了很大的作用。戰(zhàn)爭初期，美國裝備了900套GPS接收機，在戰(zhàn)爭中迅速增加，到戰(zhàn)爭后期裝備了5,000多套。連同它的盟國部隊共裝備了10,000多套。直到戰(zhàn)爭結(jié)束還有數(shù)千套合同產(chǎn)品還在生產(chǎn)中。2021/6/27461GPS在戰(zhàn)場上的應(yīng)用

因為當(dāng)時多國部隊是跨國界、跨地區(qū)作戰(zhàn)，地理環(huán)境相當(dāng)陌生，僅依靠地圖是實在有限的，據(jù)說正是因為有了手持型GPS的幫助，才使許多美國士兵得以生還。事實證明它最適合單兵及快速反應(yīng)部隊行動，因為它滿足快速、靈活、多變的戰(zhàn)時環(huán)境，功效是傳統(tǒng)導(dǎo)航工具無法達(dá)到的。目前已成為許多國外士兵的標(biāo)準(zhǔn)裝備之一。

2021/6/2747空中轟炸

安裝GPS接收機的飛機，不僅改善了導(dǎo)航精度，并且由于把要轟炸的目標(biāo)作為一個“航路點”，有效改善炸彈投放精度。利用GPS導(dǎo)航功能，戰(zhàn)斗機的飛行與投彈不受白天黑夜、可視距離的影響，可以避開敵方雷達(dá)視距低空穿越飛行，減少損失，重創(chuàng)敵人。2021/6/2748戰(zhàn)場偵察

無論山區(qū)密林、沙漠田野，帶著GPS接收機，偵察員們掌握自己位置，記錄敵方位置，再不會犯方向和路線的錯誤?？罩袀刹?，多架飛機，利用GPS連續(xù)測定自身位置，利用無線電測向、空中攝影等方法確定敵方地面部署、防空雷達(dá)的位置，快速有效的獲得戰(zhàn)時地圖。2021/6/2749精密制導(dǎo)

導(dǎo)彈彈頭上安裝GPS接收機，隨時測定導(dǎo)彈位置，進行彈道偏差修正，準(zhǔn)確命中目標(biāo)。命中目標(biāo)的誤差可達(dá)到1米，并且命中目標(biāo)的誤差不受導(dǎo)彈射程（即使為數(shù)千公里）的影響。2021/6/2750搜索救援

主動式搜索救援：始終監(jiān)視救援范圍內(nèi)的情況，跟蹤目標(biāo)，根據(jù)GPS測定的位置組織救援，提高救援成功率。被動式搜索救援：配備帶有GPS接收機的緊急求救無線發(fā)信裝置（一般放在頭盔上）的指戰(zhàn)員們主動求救。2021/6/2751

法國的ASCA公司已為美海軍開發(fā)了利用水下全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)進行搜索與救援以及對抗水雷的系統(tǒng)，它可以利用水下的GPS信號確定目標(biāo)的經(jīng)、緯度和深度坐標(biāo)。海軍海上系統(tǒng)司令部已于2001年8月購買了一套該系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于跟蹤沉在水下的飛機或潛艇中釋放的移動黑匣子聲波發(fā)送器，只需要不到半天的時間就能尋找到目標(biāo)。在2001年夏天進