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1、2019/6/16,GPS 定位原理及应用,2019/6/16,什么是GPS,概念,美国从19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。,GPS 英文全称Global Positioning System 中文翻译:全球定位系统,2019/6/16,GPS 系统的组成,什么是GPS,2019/6/16,24颗卫星（21+3） 6个轨道平面 55轨道倾角 2万km轨道高度（地面高度） 12小时（恒星时）轨道周期 5个多小时出现在地平线以上（每颗星）,空间部分-GPS卫星,现在在轨道实
2、际运行的卫星个数超过32个,什么是GPS,2019/6/16,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) 迭哥伽西亚(Diego Garcia) 卡瓦加兰(kwajalein) 五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷（Hawaii),55,Hawaii,Ascencion,Diego Garcia,kwajalein,Colorado springs,什么是GPS,2019/6/16,控 制 部 分,一个主 控 站 负 责 收 集 由 监 控 站 传 来 的 卫 星 跟 踪 数 据 并 计 算 卫 星 星 历 和 时 间 参 数 5 个 监 控 站
3、负 责 对 卫 星 伪 距 数 据 的 观 测，这 一 卫 星 跟 踪 监 测 网 用 于 确 定 卫 星 广 播 星 历 及 卫 星 钟 模 式 3个注入站 负 责 向 卫 星 注入信 号,什么是GPS,2019/6/16,用户设备,通用接收机（定位型）：,导航型接收机一般情况下无数据输出的记录存储设备（手持机）,什么是GPS,2019/6/16,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,GPS测量与经典测量方法的对比,什么是GPS,2019/6/16,GPS 定位原理,卫星不间断地发送自身的星
4、历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信息。,GPS的基本定位原理,2019/6/16,GPS 定位原理,卫星信号结构,基准频率 10.23MHZ,L1 1575 . 42 MHZ,C/A码 1.023MHZ,P码 10 . 23MHZ,L2 1227.60 MHZ,P码 10.23MHZ,10,154,120,50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） 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）,2019/6/16,GPS 定位原理,L1载波相位观测值 L2载
5、波相位观测值 调制在L1上的C/A-code伪距 调制在L2上的P-code伪距 Dopple观测值,GPS定位的各种常用的观测量,2019/6/16,对卫星进行测距,GPS 定位原理,接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距,地心,Si,Pij,Pj,ri,Rj,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,2019/6/16,距离观测值的计算,GPS 定位原理,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的时间t 传播延迟时间乘以光速就是距离观测值=C t,201
6、9/6/16,GPS 定位原理,单点定位结果的获取,单点定位解可以理解为一个后方交会问题 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（由时延值推算得到） 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 , 高程 h , 钟差 t,2019/6/16,GPS 定位原理,定位公式,GPS定位的误差源,GPS 定位原理,与GPS卫星有关的因素 SA技术 人为的降低广播星历精度（技术） 卫星星历误差 卫星钟差 卫星信号发射天线相位中心偏差 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 接收机天线相位中心
7、误差 接收机软件和硬件造成的误差,2019/6/16,伪距差分,这是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”,2019/6/16,GPS 观测量,采用载波相位观测值,发自卫星 的电磁波 信号：,信号量测精度优于波长的1/100 载波波长（L1=19cm, L2=24cm)比C/A码波长 (C/A=293m)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
8、得多的成果精度,L1载波,L2载波,C/A码,P-码, p=29.3 m, L2=24 cm, L1=19c m, C/A=293 m,2019/6/16,载波相位差分,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+ i,2019/6/16,GPS观测量,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
9、气折射对观测值的影响,组成星际站际两次差分观测值,2019/6/16,GPS 观测量,弄清楚初始整周未知数的确定与定位精度的关系,精度,m,1.00,0.10,0.01,整周未知数确定后,整周未知数确定前,经典静态定位,0,0,30,80,2,5,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2-5分钟,快速静态定位,2019/6/16,GPS定位方法,按定位方式分： 单点定位
10、（绝对定位） 相对定位（差分定位）,2019/6/16,GPS定位方法,单点定位（绝对定位）： 根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。 在地球协议坐标中，确定观测站相对地球质心的位置。,2019/6/16,GPS定位方法,相对定位（差分定位）： 根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。 在地球协议坐标中，确定观测与地面某一参考点之间的相对位置。,2019/6/16,GPS定位方法,按接收机状态分： 静态定位 动态定位 在静态
11、定位和动态定位中，又包含单点定位和多点定位。,2019/6/16,GPS定位方法,静态定位： 在定位观测时，若接收机相对于地球表面静止，则称为静态定位。 在进行控制网观测时，一般均采用这种 方式由几台接收机同时观测，它能最太限度地发挥GPS的定位精度，专用于 这种目的的接收机被称为大地型接 收机，是接收机中性能最好的一类。,2019/6/16,GPS定位方法,动态定位 在定位观测时，若接收机相对于地球表面运动，则称为动态定位，如用于车船等概略导航定位的精度为30一100米的伪距单点定位，或用于城市车辆导航定位的米级精度的伪距差分定位，或用于测量放样等的厘米级 的相位差分定位（RTK），实时差分
12、定位需要数据链将 两个或多个站的观测数据实时传输到一起计算。,2019/6/16,载波相位差分,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。即是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。,2019/6/16,GPS测量常用坐标介绍,2019/6/16,1.WGS-84,WGS-84坐标是GPS所采用的坐标系统，GPS发布的 星历参数是基于此坐标系的,WGS-84的椭球参数： a=6378137m 1/f=298.257223563,2019/6/16,2.北京-54,北京-54坐标是目前我国使用比较广泛的大地测量坐标 系，参考椭球是克拉索夫斯基椭球。其高程是以1956年黄海 平均海水面为基准。,北京-54的椭球参数： a=6378245m 1/f=298.3,2019/6/16,3.CHINA-80,CHINA-80坐标是目前我国新建的大地测量坐标系 ，其高程是以1956年黄海平均海水面为基准。,CHINA-80的椭球参数： a=6378140m 1/f=298.257,