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1、南方测绘GNSS客户培训教材之 GPS组成及原理,沈阳南方GNSS小组 2009年6月,一、什么是GNSS,GLONASS、Galileo、GPS、北斗这些导航卫星系统统称GNSS(Global Navigation Satellite System 其中目前的导航卫星系统主要有： GPS美国的卫星导航系统 GLONASS俄罗斯 Galileo欧盟（中国有20%研发权） 北斗中国 （中国自己的定位系统）,GPS发展简史 1957年10月4日 第一颗人造卫星 Sputnik I （苏）发射成功。 1958年12月开始设计 NNSS(Navy Navigation Satellite System
2、) TRANSIT，即子午卫星系统。1964年1月该系统正式运行。1967年7月系统解密以供民用。 1973年12月，美国国防部（DOD）批准研制GPS。 1978年2月22日，第1颗GPS试验卫星发射成功。 1989年2月14日，第1颗GPS工作卫星发射成功。 1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战。 1993年，IGS成立。 1995年7月17日，GPS达到FOC 完全运行能力（Full Operational Capability）。 1999年1月25日，美国副总统戈尔宣布，将斥资40亿美圆，进行GPS现代化。 1999年8月21/22日子夜，GPS发生GPS周结束翻转(E
3、OW)问题。 2000年1月1日，Y2K问题。 2000年5月1日，美国总统克林顿宣布，GPS停止实施SA。（实际停止实施SA是5月2日）,美国GPS系统组成,目前各种GNSS产品中，使用最广泛的仍然是美国的GPS系统。 GPS系统组成：1、空间卫星部分2、地面控制部分3、用户使用部分,空间部分 （Space Segment） GPS卫星星座 设计星座：21+3 21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星 6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55，周期11h 58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次） 保证在24小时，在高度角15以上，能够同时观测到4至
4、8颗卫星 当前星座：28颗,GPS卫星 作用： 接收、存储导航电文 生成用于导航定位的信号（测距码、载波） 发送用于导航定位的信号（采用双向调制法调制在载波上的测距码和导航电文） 接受地面指令，进行相应操作 其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。 主要设备 太阳能电池板 原子钟（2台铯钟、2台铷钟） 信号生成与发射装置,地面监控部分 （Ground Segment） 主控站：1个 监测站：5个 注入站：3个 通讯与辅助系统,地面监控部分各组成单位的作用 主控站 管理、协调地面监控系统各部分的工作 编算广播星历 轨道参数、卫星钟改正数等 调整卫星状态 调度卫星 监测站 对卫星进行跟踪观测 记录气象数
5、据 将数据传送到主控站 注入站 向卫星注入导航电文和指令等 通讯与辅助系统,用户部分 （User Segment） GPS信号接收机及其它仪器设备,GPS信号接收机 组成： 天线单元、带前置放大器、接收天线、接收单元 信号通道、存储器、微处理器、输入输出设备、电源,GPS定位方法分类,定位模式 绝对定位（单点定位） 相对定位 差分定位 定位时接收机天线的运动状态 静态定位天线相对于地固坐标系静止 动态定位天线相对于地固坐标系运动 获得定位结果的时效 事后定位 实时定位 观测值类型 伪距测量 载波相位测量,GPS定位模式,绝对定位 也叫单点定位，通常是指在WGS84坐标系中，直接确定观测站相对于
6、坐标系原点绝对坐标地一种定位方法。相应接收机为手持GPS。,相对定位 相对定位的最基本情况，是两台GPS接收机，分别安置在基线的两端，并同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点，在协议地球坐标系中的相对位置或基线向量。,差分GPS（DGPS Differential GPS） 利用设置在坐标已知的点（基准站）上测定GPS测量定位误差，用以提高在一定范围内其它GPS接收机（流动站）测量定位精度的方法,差分GPS的分类 根据时效性 实时差分 事后差分 根据观测值类型 伪距差分 载波相位差分 根据差分改正数 位置差分（坐标差分） 距离差分 根据工作原理和差分模型 局域差分（LADGPS Local
7、Area DGPS） 单基准站差分 多基准站差分 广域差分（WADGPS Wide Area DGPS）,GPS定位原理,定位原理： 典型的后方交会：把卫星作为已知点，把待测点作为未知点来观测解算。,GPS测量中常用的几个坐标系统 WGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统，GPS所发布的星历参数就是基于此坐标系统的。 2) 1954年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系。该坐标系源自于原苏联采用过的1942年普尔科夫坐标系。(BEIJING-54) 3）1980年西安大地坐标系（XIAN-80) 1978年，我国决定重新对全国天文大地网施行整体平差，并且建立新的国家大地坐标系统，
8、整体平差在新大地坐标系统中进行，这个坐标系统就是1980年西安大地坐标系统。 4）2000国家坐标系统（CGS2000 ）,根据中华人民共和国测绘法，经国务院批准，我国自2008年7月1日起，启用2000国家大地坐标系。现公告如下： 2000国家大地坐标系是全球地心坐标系在我国的具体体现，其原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心。2000国家大地坐标系采用的地球椭球参数如下： 长半轴 a6378137m 扁率f1/298.257222101 地心引力常数GM3.9860044181014m3s-2 自转角速度7.29211510-5rad s-1,坐标系统的分类,地心坐标系,参心坐标系,主要
9、代表： WGS-84 坐标系 CGS2000坐标系,主要代表： BEIJING-54 坐标系 XIAN80 坐标系,常用坐标系定义及分类 （地心）空间直角坐标系的定义： 原点与地球质心重合，z轴指向地球北极，x轴指向格林尼治平子午面与赤道的交点E，y轴垂直于xoz平面构成右手坐标系。,（地心）大地坐标系的定义： 地球椭球的中心与地球质心重合，椭球短轴与地球自转轴重合，大地纬度B为过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角，大地经度L为过地面点的椭球子午面与格林尼治平大地子午面之间的夹角，大地高H为地面点沿椭球法线至椭球面的距离。任一地面点在地球坐标系中可表示为（X，Y，Z）和（B，L，H），两者可进
10、行互换。,标准平面直角坐标系： 平面直角坐标系是利用投影变换，将空间坐标（空间直角坐标或空间大地坐标）通过某种数学变换映射到平面上，这种变换又称为投影变换。 投影变换的方法很多，如UTM投影，Lambert投影等，在我国采用的是高斯克吕格投影，也称为高斯投影。,地方坐标系： 地方坐标系是由平面直角坐标系经过平移和旋转得来得。,投 影,正形投影有许多方法，其中一种是高斯-克吕格投影，简称高斯投影。为了简单说明高斯投影的概念，我们把地球看作一个圆球。在地球表面上选择其中一个子午圈，把投影面卷成一个圆柱，使圆柱与该子午圈相切，这条切线即轴子午线。这样，球面上的轴子午线就毫无改变地转移到圆柱面上，即投
11、影面上。,中央子午线,高斯克里格投影分带是按一定经差将地球椭球面划分成为若干个投影带,这是高斯投影中限制长度变形的最有效的方法。分带时既要控制长度变形使其不大于测图误差，又要使带数不致于过多从而减少换带计算工作，据此原则将地球椭球面沿子午线划分成经差相等的瓜瓣形地带,以便于分带投影。 通常按经差6度或3度分为六度带或三度带。六度带自0度子午线起每隔经差6度自西向东分带，带号依次编为第 1、260带。三度带是在六度带的基础上分成的，它的中央子午线与六度带的中央子午线和分带子午线重合，即自1.5度子午线起每隔经差3度自西向东分带，带号依次编为三度带第 1、2120带。,坐标系转换,WGS-84地心坐标系与标准Beijing-54(或Xian-80)坐标系之间的转换 这种转换可以通过两种方法： 方法一：通过七参数转换 方法二：通过四参数转换,参数应用,七参数 （用于椭球之间的转换） DX:108.448 DY:-83.373 DZ:23.465 Rot X:5.5569859 Rot Y:12.239543 Rot Z:8.999644 Scale:0.99996548 以具体数据为例,四参数 （用于地方坐标系之间的转换） DX:108.998 DY:-83.3344 Rot :5.5569859 Scale:0.99996548 以具体数据为例,谢 谢！,
