1、GPS知识讲座,一.Navigation Satellites Timing and Ranging/Global Positioning System1. 子午仪卫星导航系统定位原理: 多普勒效应“单星 低轨 测速”体制1964年投入使用，系统由6颗卫星组成,轨道倾角90度，间隔1.5小时定位一次,观测8分钟,二维位置精度优于40米。应用: 潜艇,船舶导航;大地测量,石油物探,地球监测,高精度授时等领域。 2. GPS全球定位系统,“621B”和“TIMATION”计划1973年DOD正式批准陆海空共同研制国防卫星导航系统全球定位系统 “多星 高轨 测距”体制。 GPS系统组成：空间部分：2
2、4颗卫星等间距分布在A B C D E F六个轨道面上，轨道倾角55度，轨道近圆形，周期11小时58分，卫星重464千克，主体呈圆形，直径1.5米。地面部分：四个监控站 一个上行注入站和一个主控站。监控站的主要任务是取得卫星观测数据并将数据传送到主控站；主控站收集各监控站对GPS卫星的全部数据，利用这些数据计算每颗GPS卫星的轨道和卫星钟差改正值；外推一天以上的卫星星历及钟差并按一定的格式转化成导航电文。上行注入站在每颗卫星运行到上空时把这类导,航数据及主控站的指令注入卫星，每天进行一次。用户接收机 接收卫星信号获得伪距和导航电文以及接收机本振产生的信号相位与卫星信号的相位之差。 1973年始
3、建至1994年结束，历经二十年耗资三百多亿美元，共发射39颗卫星（Block I 15颗，Block II 24颗）保证在世界任何地方至少同时看到4颗卫星。 3. GLONASS全球定位系统GLONASS是GLObal NAvigation Satellite System(全球导航卫星系统)的字头缩写，是前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的卫星定位系统，也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。现在由俄罗斯空间局管理。GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组成，均匀分布在3个近圆形的轨道平面上，每个轨道面8颗卫星，轨道高度19100公里，运行周期11小时15分，轨道
4、倾角64.8。,与美国的GPS系统不同的是GLONASS系统采用频分多址(FDMA)方式，根据载波频率来区分不同卫星,GPS是码分多址（CDMA），根据调制码来区分卫星）。截止2001年1月10日为止尚有10颗GLONASS卫星正在运行。每颗GLONASS 卫星发播的两种载波的频率分别为: L1=1,602+0.5625k(MHz)和L2=1,246+0.4375k(MHz)，其中:k=124为每颗卫星的频率编号。所有GPS卫星的载波的频率是相同，均为L1=1575.42MHz和L2=1227.6MHz。GLONASS卫星的载波上也调制了两种伪随机噪声码：S码和P码。俄罗斯对GLONASS系统
5、采用了军民合用、不加密的开放政策,GLONASS系统单点定位精度水平方向为16m，垂直方向为25m。整量质量1400kg，设计轨道寿命5年。第一颗GLONASS卫星于1982年10月12日发射升空。到目前为止,共发射了80余颗GLONASS卫星，最近一次是2000年10月13日发射了三颗卫星。截止2001年1月10日为止尚有10颗GLONASS卫星正在运行。为进一步提高Glonass系统的定位能力，开拓广大的民用市场，俄政府计划用4年时间将其更新为Glonass-M系统。内容有：改进一些地面测控站设施；延长卫星的在轨寿命到8年；实现系统高的定位精度：位置精度提高到1015m，定时精度提高到20
6、30ns，速度精度达到0.01ms。,GPS+GLONASS系统对纯GPS系统的改进1) 可见卫星数增加一倍 2) 缩短解载波相位整周模糊度求解时间,提高生产效率3) 提高观测结果的可靠性4) 提高观测结果的精度,二.美国的政策,1. SPS和PPS的定义及其政策标准定位服务SPS 包括定位服务和定时服务 ,这一服务是全天候,全球性的。对一切用户开放， 不直接向用户收费。水平定位精度（实施SA技术）为 100米（95置信度）或300米（ 99置信度）。高程精度为 140米（95%置信度）；定时精度为340ns（ 99置信度）。 和平时期SPS的终止,将提前48小时由DOD通知美国海岸警 卫队(
7、GPSIC),恢复由GPSIC通告民用用户。高精度定位服务PPS由DOD控制，连续在全球范围内提供 定位 定时和测速服务，服务对象限于美军以及DOD有专门 协定的盟军。未经批准的民用部门不得使用，对美国批准的用,户可以获得三维分量上约8米的精度。2.SA AS技术SA技术: GPS设计 预计C/A码的定位精度为400米,但实 测的定位精度达1540米,测速精度高达每秒零点几米,美 DOD认为这样的精度提供给用户危及到美国的安全,不能接 受,决定使用所谓的选择使用性(SA)措施来拒绝未经批准的 用户使用高的定位精度。(卫星基准频率 技术,导航电文 技术)(克服措施：GPS测轨，DGPS技术，GL
8、ONASS卫星） AS(Anti-Spoofing)抗窃密技术或电子欺骗技术,在P码 上采用编码技术,防止敌方播发假的P码信号干扰,将P码变成Y 码。在精密测量中，P码的作用很重要，如码的平滑 数据的 联合处理，实时模糊度解算等。,1.GPS信号L1 载波 f1=1575.42MHz P码 C/A码 电文L2 载波 f2=1227.60MHz P码 电文C/A码 1.023MHz 码元宽 293.052米 周期 1ms P码 10.23MHz 码元宽 29.3052米 周期 266天D码 50BPS 导航电文P码和C/A码属伪随机噪声码:预先确定,可以重复产生和复制,有随机统计特性的二进制码序
9、列。,三.GPS基本观测量,图（一）,2.GPS基本观测量早在GPS系统研制阶段,测绘界和其他学科就对GPS在本学科的应用进行了大量的研究,并取得了成功,如GPS精密定位技术。伪距观测量：通过测量卫星信号从发射时刻到接收时刻之间的时延 ，然后乘以光速得到距离观测量。C(dt-dT)+d+dion+dtrop+ (1)传播时间由接收机内部码跟踪环路通过比较卫星时钟产生的测距码和接收机复制的结构完全一致的码之间相关最大。含有卫星和接收机钟差，大气延迟。不是卫星到接收机的实际距离，称为伪距。,相位观测值相位测量原理：麦可斯维电磁理论，电磁波在传播过程中相位保持不变。载波相位观测值是接收机测得卫星信号
10、的载波相位与本 振产生的相位的差值。GPS卫星信号含有多种定位信息,除以上两种观测量以外，有的接收机如Trimble 4000SST 还可以给出载波相位变化率（即多普勒频移）用于动态用户测速。,3.GPS主要误差源 观测噪声 : 多路径效应, 接收机内部噪声,相位中心偏差 接收机钟差和钟漂 电离层延迟(50km-1000km),对流层延迟(50km以内) 轨道误差 卫星钟差,四.GPS定位原理,一.伪距导航与定位,s1,s2,s3,s4,本振信号,卫星信号,定位原理与精度(1)式中不考虑电离层和对流层的影响以及卫星轨道误差,由于卫星的钟漂移稳定,也不考虑其影响。 (1)式为: P=dTC+p
11、（4）其中： Xj，Yj，Zj为卫星的位置，由星历解出，剩下4个参数点位（X，Y，Z）和接收机钟差dT ，必须观测四颗卫星。定位精度与接收机和卫星构成的几何图形有关，用 精度衰减因子（GDOP，PDOP，HDOP，TDOP）表示。 衰减因子越大精度越差。,伪距差分(DGPS)方法: 伪距改正法和坐标改正法前者基准站先根据其已知坐标和卫星星历计算伪距观测量的该正数(包括钟差、轨道误差、大气折射误差），将这些改正数加到流动站的伪距中。后者基准站和流动站独立地用绝对定位数学模型结算各自的坐标，根据基准站已知坐标与解算坐标求得的坐标改正，将改正数加到流动站结算的坐标上。DGPS可以获得1-5m实时定位
12、精度。,广域差分定位（Wide Area Differential GPS）单一基准站的DGPS具有许多缺陷，主要差分定位范围太小。 用户应置身于基准站200-300公里，距离增加电离层延迟增大。WADGPS工作原理。,基准站n,中心控制站,用户,监控站,伪距改,正信息,WADGPS,改正信息,近年来，广域差分GPS技术已发展成为GPS的主要应用之一，如美国联邦航空局（FAA）的广域增强系统(WAAS)、欧洲地球静止卫星导航重叠服务(EGNOS)、日本的多功能卫星增强系统(MSAS)均是广域增强系统。参考站参考站的主要功能是跟踪视野内的GPS卫星，将经预处理的数据通过数据链传送到主站。参考站配
13、备2-3台双频GPS接收机、数据处理设备和通讯设备。参考站的数量和分布与广域差分GPS系统的服务范围及精度有关，覆盖我国这样区域的广域差分GPS系统需要建立25个参考站左右。主站主站的功能是接收参考站传送来的数据，对数据进行分析处理，产生系统输出数据。主站配置实时高性能数据处理设备和通讯设备。,数据通讯链数据通讯链是广域增强系统的关键成分。有参考站至主站、主站至用户两种数据传输链路。参考站到主站的链路主要由卫星通信、电话和有线网等构成。为保证系统的可用性通常需要配置两路以上通讯链路。主站至用户的链路在服务范围较大时多采用卫星广播的形式构成，服务范围较小时可以用FM电台、无线电指向标等进行广播。
14、用户设备用户设备的功能是接收广域增强系统广播的差分改正数和完好性信 息，以通用的格式（如RTCM104）输出给具有差分功能的GPS接收机。用户利用广域差分改正数和GPS数据进行导航与定位。DGPS类型： 扩展差分EDGPS局部区域差分LADGPS广域差分WADGPS全球差分WWDGPS,二、载波相位法精密定位,本振信号,卫星信号,1,OBS1=2 *N1+ 1,2,本振信号,卫星信号,OBS2=2 *N2+ 1,(X Y Z),基线矢量,D1(X1,Y1,Z1),D2(X2,Y2,Z2),+,=,静态和快速静态基线解算方法：1、单差 Dobs=OBS2-OBS1= 2 *(N2-N1)+ (2
15、- 1)= 2 *N+ N-成为整周模糊度 -不足2 的相位2、双差固定解，浮点解不同卫星同一历元单差之差DDobs=Dobs2-Dobs1,= 2 *(N2-N1)+ (2- 1)= 2 *N+ 其中:1,2卫星编号, N-成为整周模糊度 , -不足2 的相位。当模糊度参数为整数时为固定解，当模糊度参数为实数时为浮点解。3、三差不同历元双差之差 动态相对定位（Kinematic Relative Position）将一台接收机安置在已知参考点上固定不动，另一台接收机设置在运动载体上，两台接收机同步观测相同的卫星以确定运动物体相对参考点的位置。有实时处理（RTK）和测后处理（Post Proc
16、essing Kinematic）。虚拟参考站(VRS),集高新技术于一身的系统 代表未来GPS发展的方向,VRS结构示意图,三个站控制北京市区,一个70KM北京市区面积900多平方公里 ，最大跨度30KM。边长的三角形可控制2200多平方公里。 3个站可控整个北京市区,10个站可控制整个北京,VRS - 先进的算法,应用多个参考站的观测数据 连续监测多参考站的联合数据 系统误差改正模型: 电离层 对流层 卫星轨道误差 多路径 在每一个用户的指定地点建立唯一的虚拟参考站 向用户发送RTCM 或 CMR+ 格式差分数据,原始数据,CMR+ / RTCM,NMEA 位置,VRS网络中的数据流,五、
17、GPS定位测量特点及前景,一、GPS特点： 1 、定位精度高应用实践已经证明，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。 2 、观测时间短随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，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。3、 测站间无须通视4 、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
18、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。,5、 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。 6 、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、下雨下雪等气候的影响。 7 、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。,二、应用前景1 、GPS系统用途广泛2 、多元化空间
19、资源环境的出现（GPS/GLONASS/GNSS）3、发展GPS产业4、GPS 的应用将进入人们的日常生活有人说过，只有我们想不到的，没有GPS做不到的。GPS 信号接收机在人们生活中的应用，是一个难以用数字预测的广阔天地，手表式的GPS 接收机，将成为旅游者的忠实导游。尽管目前大多数人还不知道什麽是GPS，但有人预言， GPS将改变我们的生活方式。今后，所有运载器，都将依赖于GPS。GPS就象移动电话、传真机、 计算机互联网对我们生活的影响一样，人们日常生活将离不开它。,六、GPS技术应用,一、GPS在大地控制测量中的应用GPS定位技术以其精度高、速度快、费用省、操作简便等优良特性被广泛应用
20、于大地控制测量中 。时至今日，可以说GPS定位技术已完全取代了用常规测角、测距手段建立大地控制网。 我们一般将应用GPS卫星定位技术建立的控制网叫GPS网。归纳起来大致可以将GPS网分为两大类： 一类是全球或全国性的高精度GPS网，这类GPS网中相邻点的距离在数千公里至上万公里， 其主要任务是做为全球高精度坐标框架或全国高精度坐标框架，为全球性地球动力学和空间科学方面的科学研究工作服务，或用以研究地区性的板块运动或地壳形变规律等问题。另一类是区域性的 GPS网，包括城市或矿区GPS网，GPS工程网等，这类网中的相邻点间的距离为几公里至 几十公里，其主要任务是直接为国民经济建设服务,二、GPS在
21、地形、地籍及房地产测量中的应用用常规的测图方法（如用经纬仪、测距仪等）通常是先布设控制网点，这种控制网 一般是在国家高等级控制网点的基础上加密次级控制网点。最后依据加密的控制点和 图根控制点，测定地物点和地形点在图上的位置并按照一定的规律和符号绘制成平面图。GPS新技术的出现，可以高精度并快速地测定各级控制点的坐标。特别是应用RTK新技术， 甚至可以不布设各级控制点，仅依据一定数量的基准控制点，便可以高精度并快速地测定界址点、 地形点、地物点的坐标，利用测图软件可以在野外一次测绘成电子地图，然后通过计算机和绘图仪、 打印机输出各种比例尺的图件。应用RTK技术进行定位时要求基准站接收机实时地把观
22、测数据（如伪距或相位观测值）及已知数据 （如基准站点坐标）实时传输给流动站GPS接收机，流动站快速求解整周模糊度，在观测到 四颗卫星后，可以实时地求解出厘米级的流动站动态位置。这比GPS静态、快速静态定位 需要事后进行处理来说，其定位效率会大大提高。故RTK技术一出现，其在测量中的 应用立刻受到人们的重视和青睐。,三、GPS在海洋测绘中的应用,海洋测绘主要包括海上定位、海洋大地测量和水下地形测量。海上定位通常指在海上确定船位的工作。 主要用于舰船导航，同时又是海洋大地测量不可缺少的工作。海洋大地测量主要包括在海洋 范围内布设大地控制网，进行海洋重力测量。在此基础上进行水下地形测量，测绘水下地形
23、图， 测定海洋大地水准面。此外海洋测绘的工作还包括海洋划界、航道测量以及海洋资源勘探 与开采（如海洋渔业、海上石油工业、大陆架以及专属经济区的开发）、海底管道的敷设、 近海工程（如海港工程等）、打捞、疏浚等海洋工程测量、平均海面测量、海面地形测量以外， 还有海流、海面变化、板快运动以及海啸等测量。,四、GPS在航海航空导航中的应用1. GPS航海导航应用若按照航路类型划分、GPS航海导航可以分为五大类： 远洋导航；海岸导航；港口导航；内河导航；湖泊导航。2.GPS航空导航应用洋区空域航路 内陆空域航路 终端区导引 进场/着陆 机场场面监视和管理 特殊区域导航，如农业、林业等。,五、GPS在航空
24、摄影测量中的应用近年来，GPS动态定位技术的飞速发展导致了GPS辅助航空摄影测量技术的出现和发展。从根本上解决常规方法 “第一年航空摄影，第二年野外控制联测，第三年航测成图”的作业周期长，成本高的缺点目前该技术已进入实用阶段，在国际和国内已用于大规模的航空摄影测量生产。实际表明 该技术可以极大地减少地面控制点得数目，缩短成图周期，降低成本。,六、GPS在公安、交通系统中的应用1、车辆GPS定位与无线通信系统相结合的指挥 管理系统；2、应用GPS差分技术的指挥管理系统。,七、GPS在军事领域的应用手持机在军队领域的应用 GPS在基地的应用 导弹跟踪测量 中、低轨卫星的轨道测量 航天器的轨道测量及返回控制 航天器的交会对接 靶场多目标测量 大地精确位置确定 测量设备的精度鉴定 高精度的时频基准 高精度测量数据的电离数据的电离误差校正常规武器和电子靶场,八、GPS在其他领域中的应用 农业领域中的应用林业管理方面的应用旅游及野外考察中的应用,
