全球卫星定位系统

null全球定位系统间介全球定位系统间介nullnull（一）GPS及其背景 它的全称是卫星授时测距导航系统/全球定位系统（NAVSTAR/GPS；Navigation System timing And Ranging/Global Positioning System） 是一种可以授时和测距的空间交会定点的导航系统,可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置，三维速度和时间信息。 GPS是美国军方研制的第二代卫星导航系统 (1)全球通用，24小时可以定位，测速和授时 (2)确保美国军事安全，服务于全球战略 (3)导航精度可达10—20m (4)1994年3月28日建成，取代其它导航系统 4．GPS的产生与发展——由TRANSIT到GPS 4．GPS的产生与发展——由TRANSIT到GPS 1957年10月第一颗人造地球卫星上天，天基电子导航应运而生 利用多普勒频移原理1964年建成子午卫星导航定位系统(TRANSIT)。 美国从1973年开始筹建全球定位系统，1994年投入使用。 经历20年，耗资300亿美元，是继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的第三项庞大空间计划。 nullGPS用于军事 飞行高度 9,840 英尺/ 3,000米 nullGPS与NNSS的主要特征比较注：NNSS是美国于1964年建成的海军导航系统nullGPS与GLONASS的主要特征比较注：GLONASS是俄罗斯于1996年建成的全球定位系统（二）GPS的特点 全球性，全天候，高精度，保密性 （二）GPS的特点 全球性，全天候，高精度，保密性 GPS测量与经典测量方法的对比：不需要相互通视 观测作业不受天气条件的影响 网的质量与点位的分布情况无关 能达到大地测量所需要的精度水平 白天和夜间均可作业 经济效益显著nullGPS用于大地测量（三）GPS 的系统组成（三）GPS 的系统组成 空间部分 24颗GPS卫星组成用户部分 GPS接收机控制部分 1个主控站 5个监控站 3个注入站 注入站 监控站主控站null空间星座部分： 提供星历和时间信息 发射伪距和载波信号 提供其它辅助信息地面控制部分： 中心控制系统 实现时间同步 跟踪卫星进行定轨用户部分： 接收卫星信号 记录处理数据 提供导航定位信息nullGPS 空间星座部分由21颗工作卫星 和3颗备用卫星。 由21颗工作卫星 和3颗备用卫星。 GPS卫星图片1nullGPS卫星图片2GPS卫星GPS卫星24颗卫星(21+3) 6个轨道平面 55º轨道倾角 20200km轨道高度(地面高度) 11小时58分(恒星时)轨道周期 5个多小时出现在地平线以上(每颗星) 在全球各处能观测到高度角>15°的卫星 4 颗以上 （目前轨道上实际运行的卫星个数已经超过了32颗）nullGPS 卫星在轨道上的分布nullnullGPS 地面监控部分GSP地面控制站GSP地面控制站一个主控站：科罗拉多•斯必灵司 三个注入站：阿松森(Ascencion)—大西洋 迭哥•伽西亚(Diego Garcia)—印度洋 卡瓦加兰(kwajalein)—太平洋 五个监测站 = 1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii)null GPS 用户部分null 1. GPS接收机的功能 跟踪、接收、放大、处理卫星信号，测量出信号从卫星到天线的传播时间。 解译导航电文，实时解算测站三维位置。 2. GPS接收机的类型 3. GPS接收机的发展 1981年GPS接收机问世 测地型已从第一代发展到第三代,目前还在飞速发展。 （2）按信号频率分： 单频（L1） 双频（L1和L2）（1）按用途分： 导航型 授时型 测地型图片：导航型GPS机图片：导航型GPS机图片：大地型GPS接收机图片：大地型GPS接收机nullGPS天线部分 将微弱的卫星电磁波信号转变为电信号,并放大GPS主机部分 1.变频器 2.信号通道 3.微处理器 4.存储器 5.显示器GPS电源部分测地型GPS接收机测地型GPS接收机导航型GPS接收机一般情况下无数据输出的记录存储设备(手持机)null（四）GPS的功能 导航 海空导航、车辆引行、导弹制导等 测速 其精度可达0.1m/s 测时与授时 其精度可达340ns（1纳秒=10-9秒） 定位null（一） GPS 坐 标 系（一） GPS 坐 标 系WGS-84坐标系 World Geodetic System-1984坐标是GPS所采用的坐标系统， GPS发布的星历参数都是基于此坐标系的。 WGS-84的椭球参数：a=6378137m, 1/f=298.257 2.1954北京坐标系(C54) 克拉索夫斯基椭球参数： a=6378245m, 1/f=298.3 3.1980西安坐标系(C80) IUGG1975椭球参数： a=6378140m, 1/f=298.257nullX轴=0经度 X轴在赤道平面内Y轴=东经90度 Y轴在赤道平面内地心坐标为（0，0，0）Z轴=旋转轴（极轴—BIH1984.0）地球质心为原点的坐标系统 （空间直角坐标系）null1．静态测量(static surveying) （1）方法：将几台GPS接收机安置在基线端点上，保持固定不动，同步观测4颗以上卫星。可观测数个时段，每时段观测十几分钟至1小时左右。最后将观测数据输入计算机，经软件解算得各点坐标。null （2）用途 是精度最高的作业模式。主要用于大地测量、控制测量、变形测量、工程测量。 （3）精度 可达到（5mm+1ppm） 2．动态测量(kinematic surveying)2．动态测量(kinematic surveying)（1）方法：先建立一个基准站，并在其上安置接收机连续观测可见卫星，另一台接收机在第1点静止观测数分钟后，在其他点依次观测数秒。最后将观测数据输入计算机，经软件解算得各点坐标。动态相对定位的作业范围一般不能超过15km。 （2）用途：适用于精度要求不高的碎部测量。 （3）精度：可达到（10~20mm+1ppm） 依定位时的状态 动态定位 静态定位 依定位模式 绝对定位（单点定位） 相对定位 差分定位 依定位采用的观测值 伪距测量（伪距定位） 载波相位测量 依时效 实时定位 事后定位 （二）GPS测量定位的分类图形：相对定位模式图形：相对定位模式静态相对定位模式动态相对定位模式 (三)GPS定位原理 (三)GPS定位原理 卫星信号结构基准频率 10.23MHZ L1 1575.42MHZ C/A码 1.023MHZ P•码 10 . 23MHZL2 1227.60MHZP•码 10.23MHZ1015412050比特/S卫星信息电文(D码) 每颗卫星都发射一系列无线电信号(基准频率ƒ): 两种载波(L1和L2) 两种码信号(C/A码和P码) 一组导航电文(信息码，D码) GPS定位的各种常用观测量 GPS定位的各种常用观测量 对卫星进行测距地心SiPijPj riRj有关各观测量及已知数据如下： r— 为已知的卫地矢量 P—为观测量(伪距) R—为未知的测站点位矢量null距离观测值的计算接收机至卫星的距离借助于卫星发射的码信号量测并计算得到的 接收机本身按同一公式复制码信号 比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟时间t 传播延迟时间乘以光速就得到距离观测值 =C• tnull(三) 单点定位结果的获取单点定位解可以理解为一个测边后方交会问题 卫星充当轨道上运动的控制点，观测值为测站至卫星的伪距(由时间延迟计算得到) 由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差，所以要同步观测4颗卫星，解算四个未知参数：纬度 , 经度 , 大地高程 h , 钟差 t伪距单点定位原理伪距单点定位原理null 伪距单点定位的应用特点 既能用于静态定位，也可进行动态定位而用于导航 定位速度快、实时性好 对信号的强度要求不高 但定位精度较低（理论上为10米~30米，在SA和AS技术作用下误差达100米以上） nullGPS定位的误差来源与GPS卫星有关的因素 SA技术：人为的降低广播星历精度(ε技术，2000年5月取消), AS技术：防电子欺骗技术；卫星星历误差； 卫星钟差 与传播途径有关的因素 电离层延迟； 对流层延迟； 多路径效应 与接收机有关的因素 接收机钟差； 天线相位中心误差； 接收机软件和硬件误差 另外有接收机的对中、整平误差等（四）GPS载波相位测量（四）GPS载波相位测量1.采用载波相位观测值卫星广播 的电磁波 信号：信号量测精度优于波长的1/100 载波波长比C/A码波长 短得多 所以，GPS测量采用载波相位观测值可以获得比伪距(C/A码或P码)定位高得多的测距精度L1载波L2载波C/A码P-码  p=29.3 m  L2=24 cm  L1=19c m  C/A=293 mnull 载波相位测量的特点 定位精度比伪距定位精度高 可用于进行 静态绝对定位、 静态相对定位、 差分动态定位 null设法解算出初始整周未知数测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成 (1)初始整周未知数n；(2) t 0至t i 时刻的整周记数Ci；(3)相位尾数i 如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初始整周未知数n 为了利用载波相位进行定位，必须设法先解算出初始整周未知数，取得总观测值n+Ci+  inull初始整周未知数的确定与定位精度的关系精度m1.000.10 0.01整周未知数确定后整周未知数确定前经典静态定位00308058时间(分)如果无法准确解出初始整周未知数，则定位精度难以优于±1m 随着初始整周未知数解算精度的提高，定位精度也相应提高 一旦初始整周未知数精确获得，定位精度不再随时间延长而提高 经典静态定位需要30-80分钟观测才能求定初始整周未知数 快速静态定位将这个过程缩短到5-8分钟(双频接收机)快速静态定位null（五）GPS相对定位 相对定位的原理 相对定位是用两台（或多台）接收机分别安置在一条（或多条）基线的两端，同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点的相对位置或基线向量 在相对定位时，通过对观测量求差，可以消除卫星钟差、接收机钟差，削弱电离层和对流层折射的影响，提高测量精度null 组成星际站际两次差分观测值可以消去卫星钟的系统偏差 可以消去接收机时钟的误差可以消去轨道(星历)误差的影响 可以削弱大气折射对观测值的影响伪 距 差 分 定 位 技 术伪 距 差 分 定 位 技 术伪 距 差 分 测 量 精 度 可 达 0.5m - 5 m 此 种 测 量 形 式 一 般 称 为 DGPS基 线 向 量 BAnullRTD测量原理图测深仪电脑发射电台GPS主机基准站移动站GPS主机接收电台载 波 相 位 差 分 定 位 技 术 载 波 相 位 差 分 定 位 技 术 如 果 使 用 载 波 差 分 或 同 时 使 用 载 波 差分 及 伪 距 差 分 则 定位 精 度 可 达 5 - 10 mm + 1ppm基 线 向 量BAnull　　　常规GPS的测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分(Real - Time Kinematic)方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。 RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据(伪距观测值，相位观测值)及已知数据传输给流动站接收机。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　什么是RTK技术nullRTK(real-time kinematic)及方法 与动态相对定位方法相比，定位模式相同，仅要在基准站和流动站间增加一套数据链，实现各点坐标的实时计算、实时输出。 2．RTK用途：适用于精度要求不高的施工放样及碎部测量。 2．RTK用途：适用于精度要求不高的施工放样及碎部测量。 3．作业范围：目前一般为10km左右。 4．精度：可达到（10~20mm+1ppm） null发射电台GPS主机基准站移动站GPS主机RTK测量原理图采集器接收电台nullnull(一) GPS用于大地测量 1、GPS静态定位的主要应用领域(一) GPS用于大地测量 1、GPS静态定位的主要应用领域 GPS静态定位主要用于建立各级测量控制网，其优点为： 定位精度高，其基线的相对精度非常高 选点灵活、不需要造标、费用低 全天候作业 观测时间短 观测数据处理自动化2、GPS测量前注意事项2、GPS测量前注意事项在 15º 截止高度角以上不存在障碍物 周围没有反射面，不致引起多路径效应 安全避开过往行人和车辆 附近不应该有强辐射源(如无线电台、电视发射天线等) 可靠的电源供应 足够的内存容量 正确的配置参数 (观测类型、记录速率) 检查天线高和偏差 仪器的正确null3、GPS布网方法充分考虑建立GPS控制网的应用范围 采用分级布网的原则 GPS测量的精度标准null 国家测绘局1992年制订的我国第一部“GPS测量规范”将GPS的精度分为A—E五级(见下表)。其中A、B两级一般是国家GPS控制网。C、D、E三级是针对局部性GPS网规定的。null GPS网的一般原则 应通过独立观测边构成闭合图形，以增加检核条件，提高网的可靠性。 应尽量与原有地面控制网相重合，重合点一般不少于3个，且分布均匀。 应考虑与水准点相重合 ，或在网中布设一定密度的水准联测点。 点应设在视野开阔和容易到达的地方，联测方向。 可在网点附近布设一通视良好的方位点，以建立联测方向。 根据GPS测量的不同用途，GPS网的独立观测边均应构成一定的几何图形，基本形式有： 1. 三角形网 2. 环形网 3. 星形网null(1)、三角形网优点： 图形几何结构强，具有较多的检核条件，平差后网中相邻点间基线向量的精度比较均匀。 缺点： 观测工作量大。一般只有在网的精度和可靠性要求较高时，才单独采用这种图形。null(2)、环形网优点： 观测工作量较小，且具有较好的自检性和可靠性。 缺点： 非直接观测基线边(或间接边)精度较直接观测边低，相邻点间的基线精度分布不均匀。 是大地测量和精密工程测量中普遍采用的图形，通常采用上述两种图形的混合图形。null(3)、星形网优点： 观测中只需要两台GPS接收机，作业简单。 缺点： 几何图形简单，检验和发现粗差能力差。 广泛用于工程测量、边界测量、地籍测量和碎部测量等。4、野外记录手簿内容4、野外记录手簿内容点标识: 日期: 天气: 接收机序列号: 设站类型: 天线高读数: 天线高偏差: 跟踪开始时间: 跟踪结束时间: 观测历元数: 观测卫星数(卫星号): GDOP: 导航定位解: 经度. 纬度. 高程 作业员：5、时间和基线长度5、时间和基线长度观测时间取决于: 基线长度 卫星数 卫星几何图形(GDOP) 电离层 电离层扰动随时间、日夜、月、年、地点而变化，静态或快速静态最短观测时间不要少于15分钟。 根据实践经验，基线观测时间应该是基线长度每公里5分钟加上最短15分钟。基线长与同步观测时间 长短的关系基线长与同步观测时间 长短的关系根据经验，不同基线长所需同步观测时间如下： 1~2公里 30~60分钟 2~5公里 40~90分钟 5~10公里 90~120分钟 10~20公里 120分钟以上 单频GPS一般只测20公里以内的基线精 度 因 子 (DOP) 精 度 因 子 (DOP) 一 种 描 述 纯 粹 因 卫 星 几 何 因 素 对 定 点 精 度 的 影 响 精 度 因 子 指 出 在 测 量 时 被 跟 踪 卫 星 几 何 结 构 上 的 强 度 GDOP (Geometrical) 包 括 经 度, 纬 度, 高 程 和 时 间 等 因 子， 称 为 几 何 精 度 因 子 PDOP (Positional) 包 括 经 度, 纬 度 和 高 程 等 因 子， 称 为 空 间 位 置 精 度 因 子 HDOP (Horizontal) 包 括 经 度 和 纬 度 等 因 子，称 为 平 面 位 置 精 度 因 子 VDOP (Vertical) 仅 包 括 高 程 因 子，称 为 高 程 精 度 因 子较好的 DOP 精 度 因 子 (DOP) 精 度 因 子 (DOP) 一 种 描 述 纯 粹 因 卫 星 几 何 因 素 对 定 点 精 度 的 影 响 精 度 因 子 指 出 在 测 量 时 被 跟 踪 卫 星 几 何 结 构 上 的 强 度 GDOP (Geometrical) 包 括 经 度, 纬 度, 高 程 和 时 间 等 因 子， 称 为 几 何 精 度 因 子 PDOP (Positional) 包 括 经 度, 纬 度 和 高 程 等 因 子， 称 为 空 间 位 置 精 度 因 子 HDOP (Horizontal) 包 括 经 度 和 纬 度 等 因 子，称 为 平 面 位 置 精 度 因 子 VDOP (Vertical) 仅 包 括 高 程 因 子，称 为 高 程 精 度 因 子6. GPS的数据处理6. GPS的数据处理数据传输 基线向量解算 闭合环检核(同步环和异步环) 重复基线检核 WGS-84自由网平差和三维约束平差 二维约束平差(在C80或C54坐标系) 高程拟合7. GPS高程拟合7. GPS高程拟合测量中常用的高程系统有大地高系统、正高系统、正常高系统 大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统。某点的大地高是该点到参考椭球面的垂直距离。大地高也称为椭球高，一般用H 表示。 正高系统是以大地水准面为基准面的高程系统。某点的正高是该点到大地水准面的垂直距离，一般用符号Hg 表示。 正常高系统是以似大地水准面为基准面的高程系统。某点的正常高是该点到似大地水准面的垂直距离高程系统间的转换高程系统间的转换 似大地水准面到参考椭球面 的距离称为高程异常，似大地水准面不规则，造成了各地高程异常值的不确定性。GPS高程拟合的方法GPS高程拟合的方法在国内一般适用高程拟合法求水准高。（二）GPS技术在其它工程测量中的应用 （二）GPS技术在其它工程测量中的应用 建立精密工程控制网 用于道路施工放样 建立工程或滑坡变形自动化监测系统 建立超长隧道的施工控制网 海洋测量与水下地形测量null香港青马大桥GPS监测系统nullnull(三) 其它全球卫星定位系统 GLONASS全球导航卫星系统 由前苏联和俄罗斯从1982年开始至1996年建成 NAVSAT系统 由欧洲空间局联合中国筹建 我国北斗导航定位系统 是一个双星系统 (四) GPS应用未来发展趋势与其他导航定位系统联合导航定位 与地理信息系统GIS、遥感RS等组成一个综合应用系统，即“3S”集成技术 (四) GPS应用未来发展趋势谢 谢谢 谢