1、全球定位系统-GPSGlobal Positioning System,agenda,GPS概念、 发展历程、系统的组成 GPS系统的特点 GPS定位原理精确农业用GPS设备,什么是GPS？,全球定位系统（Global Positioning System - GPS）是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。它的全称为“导航卫星授时和测距全球定位系统”(Navigation Satellite Timing And Ranging /Global Positioning Sy
2、stem)，简称为GPS。,GPS手表,GPS应用于导航,主要是为船舶,汽车,飞机等运动物体进行定位导航。例如：1.船舶远洋导航和进港引水2.飞机航路引导和进场降落3.汽车自主导航4.地面车辆跟踪和城市智能交通管理5.紧急救生6.个人旅游及野外探险7.个人通讯终端(与手机，PDA，电子地图等集成一体),GPS应用于授时校频,1.电力，邮电，通讯等网络的时间同步2.准确时间的授入3.准确频率的授入,GPS应用于高精度测量,1.各种等级的大地测量，控制测量2.道路和各种线路放样3.水下地形测量4.地壳形变测量，大坝和大型建筑物变形监测5.GIS应用6.工程机械（轮胎吊，推土机等）控制7.精细农业,
3、GPS系统的特点,高精度全天候高效率多功能操作简便应用广泛,定位精度高,GPS相对定位精度在50KM以内可达10-6，100-500KM可达10-7，1000KM可达10-9。在300-1500M工程精密定位中，1小时以上观测的解其平面其平面位置误差小于1mm，与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较，其边长较差最大为0.5mm,校差中误差为0.3mm。,观测时间短,目前，20KM以内相对静态定位，仅需15-20分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15KM以内时，流动站观测时间只需1-2分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。,测站间无须通视,GPS测量不要求测站之间互
4、相通视，只需测站上空开阔即可，因此可节省大量的造标费用。由于无需点间通视，点位位置可根据需要，可稀可密，使选点工作甚为灵活，也可省去经典大地网中的传算点、过渡点的测量工作。,可提供三维坐标,经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测。GPS可同时精确测定测站点的三维坐标。目前GPS水准可满足四等水准测量的精度。,操作简便,随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“傻瓜化”的程度；接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。使野外工作变得轻松愉快。,全天候作业,目前GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行,不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等
5、气候的影响。,功能多、应用广,GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1M/S，测时的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。GPS系统的应用前景当初，设计GPS系统的主要目的是用于导航，收集情报等军事目的。但是，后来的应用开发表明，GPS系统不仅能够达到上述目的，而且用GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位，米级至亚米级精度的动态定位，亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量。因此，GPS系统展现了极其广阔的应用前景。,GPS定位系统的发展历史,无线电导航系统卫星定位系统,无线电导航系统,罗兰-C：工作在100KHZ，
6、由三个地面导航台组成，导航工作区域2000KM，一般精度200-300M。 Omega（奥米茄）：工作在十几千赫。由八个地面导航台组成，可覆盖全球。精度几英里。 多卜勒系统：利用多卜勒频移原理，通过测量其频移得到运动物参数（地速和偏流角），推算出飞行器位置，属自备式航位推算系统。误差随航程增加而累加。缺点：覆盖的工作区域小；电波传播受大气影响；定位精度不高,卫星定位系统,最早的卫星定位系统是美国的子午仪系统（Transit），1958年研制，64年正式投入使用。由于该系统卫星数目较小（5-6颗），运行高度较低（平均1000KM），从地面站观测到卫星的时间隔较长（平均1.5h），因而它无法提供连
7、续的实时三维导航，而且精度较低。为满足军事部门和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求。1973年美国国防部制定了GPS计划。,GPS发展历程,GPS实施计划共分三个阶段：第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1988年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，表明GPS系统进入工程建设阶段。1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，今
8、后将根据计划更换失效的卫星。,初期应用-测绘,GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。,GPS系统的组成Segments of GPS,GPS由三个独立的部分组成： 空间部分(Space)：21颗工作卫星，3颗备用卫星。共多少个？地面支撑系统(Control)：1个主控站，3个注入站，5个监测站。共多少个？ 用户设备部分(User)：接收GPS卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完
9、成导航和定位工作。,GPS组成图示,空间部分,GPS卫星,圆柱形，直径约为1.5m，重约774kg(包括310kg燃料)两块双叶太阳能板，自动对日定向，保证电力4台高精度原子钟(2台铷钟和2台铯钟)，为定位提供高精度的时间标准提供两个波段的无线广播信号： L1 = 1575.42 MHz L2 = 1227.60 MHz,GPS卫星星座的构成,全球3D分布轨道高度：20,200公里绕地一周： 11小时58分卫星数：21+3颗/ 6轨道轨道傾角：55坐标系統：WGS 84,轨道倾角,前苏联GLONASS系统Global Navigation Satellite System-GLONASS,轨道
10、高度： 19100公里运行周期： 11小时15分卫星数：21+3颗/ 3轨道轨道傾角：64.8坐标系統：SGS 85,地面支撑系统,地面监控部分,监测站MONITOR STATIONS,HAWAII夏威夷 KWAJALEIN卡瓦加兰 ASCENSION ISLAND阿松森群岛 DIEGO GARCIA迭戈加西亚COLORADO SPRINGS克罗拉多,监测站功能,在主控站直接控制下的数据自动采集中心。双频GPS接收机高精度原子钟计算机环境数据传感器,接收机,原子钟,Modem,数据处理机,气象传感器,主控站MASTER CONTROL STATION,位置：科罗拉多(ColoradoSprin
11、gs)协调和管理地面监控站系统推算编制星历、卫星钟差和大气层参数修正，传输数据到注入站提供GPS的时间基准调整卫星轨道，启用备用卫星,注入站Upload Station,位置：迭哥加西亚(Diego Garcia)、阿松森岛(Ascencion)卡瓦加兰(Kwajalein) 主要设备：二台直径为3.6m的天线、一台C波段发射机和一台计算机。主要任务：在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。,用户设备User Equipment,构成：GPS接收机硬件、数据处理软件、微处理机、终端设备GPS接收硬件：主机
12、、天线和电源主要任务：接收GPS卫星信号，以获得必要的定位信息及观测量，并经数据处理而完成定位工作。,地面监控系统,Observeephemerisand clock,Computeerrors,Create newnavigationmessage,uploadnavigationmessage,Correct orbit and clock frequency,Monitor Station Master Control Station Upload Station,新型GPS接收机GPS/GLONASS双系统,在一块接收板上既具有接收GPS卫星的能力，同时也具有接受GLONASS卫星的能
13、力，二者相辅相成，互为补充，既提高了接收系统的稳定性，可靠性，又在一定程度上提高了定位解算精度。 GPS/GLONASS双系统是军用及其他高档次产品研发应用的首选。,GPS绝对定位原理,卫星不间断地发送自身的星历参数(位置)和时间信息GPS(接收机用户) 接收到这些信息后(四颗以上的卫星)可以测量每颗卫星信号到接收机的时间延迟，经过计算求出接收机的三维位置（经度、纬度、高度） ，三维方向航向以及运动速度和时间信息。,Global Positioning System (GPS),Your location is:101o 42.323 E3o 02.162 N,24 Satellites20,
14、200 km Altitude11 h 58 minAnywhere (world)Free, 24 hours,Source: Trimble,GPS的坐標框架,XWGS84,YWGS84,ZWGS84,Geocenter,绝对定位（单点定位）,s1,s2,s3,s4,R1,R2,R3,R4,x0,y0,z0,1、空间距离后方交会 空间距离方程,X0、Y0 、Z0 测点点位坐标Xi、Yi、Zi 卫星星历（坐标）Ri 观测所得伪距 C*(t0-ti),卫星发送什么信息？,卫星信息包括三种信号分量：采用两个频率发送的载波（运载工具）：L1=1575.42MHz,L2=1227.6MHz测距码分为
15、粗码C/A码（民间用户）和精码（军方用户），都采用伪随机码；数据码的内容包括遥测码、转换码和三个数据块，数据块中含标志码、卫星时钟改正系数、卫星星历以及其他卫星的概略情况等。,L1 1575.42 MHzC/A-Code 1.023 Mcps,P-Code 10.23 McpsData 50 bpsL2 1227.6 MHzP-Code 10.23 McpsData 50 bps,GPS绝对定位的原理,i: 接收到的卫星颗数编号, i =14； Ri:卫星到接收点的距离； C:电波传播速度； t:时钟误差； X0, Y0, Z0, t:未知量，分别为经度、纬度、高程和时间。所以，接收到4颗以上
16、卫星信号就可定位。,动态绝对定位,当用户接收设备安置在运动的载体上而处于动态的情况下，确定载体瞬时绝对位置的定位方法，称为动态绝动定位。被广泛地应用于飞机，船舶以及陆地车辆等运动物体的导航。另外，在航空物探和卫星遥感等领域也有着广泛的应用前景。动态绝对定位的精度仅为10-30m。,静态绝对定位,在接收机天线处于静止状态的情况下，用以确定观测站绝对坐标的方法称为静态绝对定位。由于可以连续地测定卫星至观测站的伪距，所以可获得充分的多余观测量，以便在测后通过数据处理提高定位的精度。静态绝对定位主要用于大地测量，以精确测定观测站在协议地球坐标系中的绝对坐标。目前静态绝对定位的精度，约可达米级,GPS相
17、对定位原理,GPS相对定位示意图,s1,s2,s3,s4,T1,T2,静态相对定位,设置在基线端点的接收机是固定不动的，通过连续观测，取得充分的多余观测数据，以改善定位的精度。当前GPS定位中精度最高的一种方法，对中等长度的基线(100km - 500km)，其相对定位精度可达10-6 -10-7，甚至更好。需要较长的观测时间，例如1.0 - 3.0小时。也称为经典静态相对定位法,快速相对定位法,准动态相对定位法的主要缺点,接收机在移动过程中，必须保持对观测卫星的连续跟踪一旦发生失锁，便需重新进行上述初始化工作,动态相对定位,一台接收机安设在基准站上固定不动另一台接收机安设在运动的载体上两台接
18、收机同步观测相同的卫星,差分GPS定位原理,DGPS的起因,由于GPS存在100米的误差，在相当多的应用中此误差难以接受，所以人们越来越重视差分GPS的研究。差分GPS可以消除卫星钟差、星历误差、电离层和对流层延迟误差等，特别可以消除SA引起的误差，另外可以消除部分传播误差，使得定位精度大幅提高。,DGPS原理,将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测。根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。,DGPS分类,根据差分GPS基准站发送的信息方式
19、，差分GPS可分为四类 ： 1、位置差分，基站覆盖范围100KM。2、伪距差分，基站覆盖范围200KM，修正后精度可达1-5米。3、相位平滑伪距差分，基站覆盖范围200KM。4、相位差分，一般用于测量型GPS应用，能达到厘米级精度。,位置差分原理,误差 :X=X-Xo Y=Y-Yo Z=Z-Zo式中，X，Y，Z为GPS实测的坐标Xo ，Yo，Zo为采用其他方法求得的基准站精确坐标。X，Y，Z为坐标改正数。基准站利用数据链将此改正数发送出去，由用户站接收，并且对其解算的用户站坐标进行改正：XU=X+X YU=YU+Y ZU=ZU+Z,用户站位置改正值瞬间变化,t0为校正的有效时刻。,位置差分方式
20、的优缺点,优点：计算简单 。只需要在解算的坐标中加改正数即可。能适用于一切GPS接收机，包括最简单的接收机。缺点：必须严格保持基准站与用户台观测同一组卫星。如果有8颗可观测卫星，将组成70个组合，基准站和流动台观测环境也不能保证完全相同，因此无法保证两站观测同一组卫星。,伪距差分-应用最广的一种差分,在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较，得出伪距改正数，将其传输至用户接收机，提高定位精度。这种差分能得到米级定位精度，如沿海广泛使用的“信标差分”,伪距差分原理,基准站的GPS接收机测量出全部卫星的伪距口和收集全部卫
21、星的星历文件。利用已采集的轨道根数计算出各个卫星的地心坐标X，Y，Zi ,同时，可采用各种方法精确求出基准站的地心坐标X Y Z。这样，利用每一时刻计算的卫星地心坐标和基准站的已知地心坐标反求出每一时刻到基准站的真距Ri,基准站的GPS接收机测量伪距包括各种误差，与真距不同。这样可以求出伪距的改正数：同时可求出伪距改正数的变化率 ：基准站将 和 传送给用户台，用户台测量出伪距 再加上以上的改正数，便求得经过改正的伪距：,利用改正后的伪距，只要观测4颗卫星就可以按下式计算用户站的坐标。,伪距差分的优缺点,计算的伪距改正数是直接在WGS-84坐标系上进行的，不用先变换为地坐标，因此能达到很高的精度
22、。这种改正数能提供伪距改正数的变化率，这使得在未得到改正数的空隙内，继续进行精密定位。 基准站能提供所有卫星的改正数，而用户可允许接收任意4颗卫星进行改正，不必担心两者完全相同。因此，用户可采用具有差分功能的简易接收机即可。与位置差分相似，伪距差分能将两站公共误差抵消，但随着用户到基准站距离的增加又出现了系统误差，这种误差用任何差分法都是不能消除的。,扩展伪距差分(广域差分),为了在一个广阔的地区内提供高精度的差分GPS服务，将一个差分基准站与一个或多个主站组网。主差分站接收来自各监测站的差分GPS改正信号，然后将其组合，以形成在扩展区域内的有效差分GPS改正电文。通过卫星通信线路或无线电数据
23、链把扩展GPS改正信号传送给用户。这就形成了扩展的差分GPS。它不仅加大了差分GPS的有效工作范围，而且保证了在该区域的定位精度。,载波相位差分原理,载波相位差分技术又称RTK（Real Time Kinematic）技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。载波相位差分可使定位精度达到厘米级。大量应用于动态需要高精度位置的领域。,与伪距差分原理相同，由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站。用户站接收GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行实时处理，能实时给出厘米级的定位结果。
24、,实现载波相位差分GPS的方法分为两类：修正法：与伪距差分相同，基准站将载波相位修正量发送给用户站，以改正其载波相位，然后求解坐标。-为准RTK技术差分法：将基准站采集 的载波相位发送给用户台进行求差解算坐标。-为真正的RTK技术。,误差,GPS 测量的误差源,卫 星 钟 差某时刻原子钟与GPS时之差星 历 误 差卫 星 轨 道 误 差 接收机钟差某时刻石英钟与GPS时之差操 作 误 差对 中 、 整 平、量 天 线高电离层、对流层延迟群 折射路径延长多 路 径 效 应 影 响多 路 反 射 波,误差的分类,影响观测量精度的主要误差来源：与GPS卫星有关的误差与信号传播有关的误差与接收设备有关
25、的误差根据误差的性质分类：系统误差偶然误差,系统误差,系统性的误差：卫星的轨道误差卫星钟差接收机钟差大气折射的误差,减弱和修正系统误差影响措施,引入相应的未知参数，在数据处理中联同其它未知参数一并解算建立系统误差模型，对观测量加以修正将不同观测站，对相同卫星的同步观测值求差，以减弱或消除系统误差的影响简单地忽略某些系统误差的影响,偶然误差,偶然误差：主要包括信号的多路径效应引起的误差和观测误差等。,与卫星有关的误差,卫星钟差尽管GPS卫星均设有高精度的原子钟，但它们与理想的GPS时之间，仍存在着难以避免的偏差或漂移。这种偏差的总量约在1ms以内，由此引起的等效距离误差约可达300km。 轨道偏
26、差卫星在运行中要受到多种摄动力的复杂影响，通过地面监测站，又难以充分可靠地测定这些作用力，并掌握它们的作用规律，电文中的卫星轨道信息的相应位置误差约为20m-40m,卫星信号的传播误差,电离层折射的影响 GPS 卫星信号和其它电磁波信号一样，当其通过电离层时，将受到这一介质弥散特性的影响，使信号的传播路径发生变化。 解决方法：利用双频观测/利用电离层模型加以修正 /利用同步观测值求差,对流层折射的影响,处理方法：定位精度要求不高时，可以简单地忽略。 采用对流层模型加以改正。引入描述对流层影响的附加待估参数，在数据处理中一并求解。观测量求差。,多路径效应影响,通常也叫多路径误差，即接收机天线，除
27、直接收到卫星发射的信号外，尚可能收到经天线周围地物一次或多次反射的卫星信号。两种信号叠加，将会引起测量参考点(相位中心)位置的变化，从而使观测量产生误差。而且这种误差随天线周围反射面的性质而异，难以控制。,减弱多路径效应影响的措施,安置接收机天线的环境，应避开较强的反射面，如水面，平坦光滑的地面和平整的建筑物表面等；选择造型适宜且屏蔽良好的天线，例如，采用扼流圈天线等；适当延长观测时间，削弱多路径效应的周期性影响；改善GPS接收机的电路设计，以减弱多路径效应的影响。,Signal Blocked,Signal Blocked,Source: Trimble,GPS设备,Trimble产品,Ag
28、GPS132AgGPS122AgGPS Parallel Swathing OptionAgGPS Field PackAgGPS Flightbar System,Trimble AgGPS 114,Submeter-accurate L-band DGPS and WAAS DGPS smart antenna亚米级精度的L波段卫星差分和WAAS差分集成接收机,Trimble AgGPS 214,厘米级精度的双频RTK精确农业导航产品,Trimble AgGPS 124,集成显示器、键盘的高性能精准农业GPS接收机,Trimble AgGPS 132,-信标差分、卫星差分双差分通道集成GP
29、S接收机Trimble AgGPS 132差分GPS接收机采用了The Choice 技术。该技术将一个GPS接收机，一个信标差分接收机和一个卫星差分接收机集成在一个外壳里.这些接收机通过一根电缆共用一个组合天线。这一配置极大的提高了差分GPS改正的精度、可靠性和可用性。,The Trimble AgGPS 252 receiver,The Trimble AgGPS 252 receiver is the next generation of innovative high performance GPS receivers,Trimble AgGPS 132 FlightBar,-农业航空
30、应用选件,Trimble AgGPS 170,-功能强大的Trimble Ag GPS专用野外数据采集系统,Trimble AgGPS 160,-便携式野外数据采集器,Trimble AgGPS 70 Remote Display & Logger,-坚固、经济的野外遥控数据采集器,Trimble AgGPS MultiPlane 软件,-农业GIS成图与处理软件系统,Trimble AgGPS TrimFlight,-精确的农业航空导航,Trimble AgGPS EZ-Map,数据采集软件 -专业精准农业野外数据采集软,Trimble AgGPS AutoPilot,-精确自动导航、自动驾驶辅助系统,AgGPS EZ-Guide,-专业的农业平行收割、播种选项,AgGPS Parallel Swathing Option and AgGPS Parallel Swathing Option Plus,-平行收割选件,Thanks!,
