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1、原理部分 GPS培训教材 励精科技（上海）有限公司GPS产品部 1 概论 1 为什么要了解GPS？ 2 历史和背景 3 系统的组成 4 GPS卫星 5 地面控制站 6 用户设备 7 系统现状 8 GPS定位原理 9 GPS测量 10 小结 第一部分 2 1 为什么要向您推荐 GPS 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 3 （1） GPS测量速度比传统方法有极为显著的提高 （2）无论作大面积控制和局部测量都是理想的工 具 （3）从价格上说，她具有更强的市场竞争
2、能力 （4）任何条件下都有充分把握提供足够的精度 所有这一切优越性宾得 GPS 测量系统都得到了显著 证实！ GPS测量与经典测量方法的对比： 1 为什么要向您推荐 GPS 4 2 历史和背景 GPS是美国军方研制的第二代卫星导航系 统 （1）全球通用 （2）24小时可以定位，测速和授时 （3）用户设备成本低廉 （4）确保美国军事安全，服务于全球战略 （5）导航精度可达1020m （6）取代现存各种导航系统 这种设备可以用来武装战车，舰船和飞机，提高其作战能力， 并可广泛用于地面部队。其作用在海湾战争中已得到相当充分的显示。 5 2 历史和背景 系统特征NNSSGPS 载波频率GHz0.15,
3、0.401.23,1.58 卫星高度km100020200 卫星数5-621+3 卫星周期min1:4711:58 卫星钟稳定度10-1110-13 GPS与NNSS的主要特征 6 系统特征GLONASSGPS 载波频率GHz1.61,1.251.23,1.58 卫星高度km1910020200 卫星数21+321+3 卫星周期h11:1511:58 卫星钟稳定度10-1110-13 GPS与GLONASSS的主要特征 2 历史和背景 7 技术背景（信号组成）： C/A 码 L1 P码和Y码 L2 防电子欺骗技术（AS） 选择服务政策（SA）* SA技术已经于2000年5月取消 2 历史和背景
4、 8 3 GPS 系统的组成 全球定位系统（GPS）由三个主要部 分组成 空间部分：空间部分： 提供星历和时间信息提供星历和时间信息 发射伪距和载表信号发射伪距和载表信号 提供其它辅助信息提供其它辅助信息 地面控制部分：地面控制部分： 中心控制系统中心控制系统 实现时间同步实现时间同步 跟踪卫星进行定轨跟踪卫星进行定轨 用户部分用户部分： 接收并测卫星信号接收并测卫星信号 记录处理数据记录处理数据 提供导航定位信息提供导航定位信息 9 v24颗卫星（21+3） v6个轨道平面 v55轨道倾角 v2万km轨道高度（地面高度） v12小时（恒星时）轨道周期 v5个多小时出现在地平线以上（每颗星 ）
5、 4 GPS卫星 现在在轨道实际运行的卫星个数超过32个 10 5 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 AscencionDiego Garcia kwajalei n Colorado springs 11 6 用户设备1 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） 天线天线 前置放大器前置放大器 电源部分电源部分 射电部分射电部分 微处理器微处理器数
6、据存器数据存器显示控制器显示控制器 供电信号 信息 命令 数据供电，控制 供电 数据 控制 12 8 GPS 定位原理（1） 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） 13 GPS定位的各种常用的观测量 8 GPS 定位原理-2 qL1载波相位观测值 qL2载波相位观测值
7、 q调制在L1上的C/A-code伪距 q调制在L2上的P-code伪距 qDopple观测值 14 对卫星进行测 距 8 GPS 定位原理3 接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距 地心 S i P i j Pj ri Rj Rj = r i +Pij 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 15 -距离观测值的 计算 8 GPS 定位原理 v 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 v 接收机本身按同一公式复制码信号 v 比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟的时间t v 传播延迟时间乘以光速就是距离观测值=C t
8、卫星钟调制的码信号 接收机时钟复制的码信号 t t 16 8 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 17 GPS定位的 误差源 8 GPS 定位原理 v 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 v 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 v 与接收机有关的因素 接
9、收机钟差 接收机天线相位中心误差 接收机软件和硬件造成的误差 18 9 GPS 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 19 9 GPS 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 P i k P l j P i j Pj P l k Pk Sl
10、 S i 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 组成星际站际两次差分观测 值 20 9 GPS 测量 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 Time (0) Ambiguity Time (i) Ambiguity Counted Cycles Phase Measurement 21 9 GPS 测量
11、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 3080 58 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 22 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
12、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” 23 载波相位差分 v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。 v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。 24 谢谢大家谢谢大家 ！ 25 GPS用户培训教材 GPS测量常用坐标介绍 26 1.WGS-84 WGS-84坐标是GPS所采用的坐标系统，GPS发布的 星历参
13、数是基于此坐标系的 WGS-84的椭球参数： a=6378137m 1/f=298.257223563 27 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 28 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 29 GPS用户培训教材 GPS静态定位在测量中的应用 30 GPS静态定位
14、主要用于建立各级控制网 其优点如下： 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 观测处理自动化 GPS静态定位的主要应用领域： 31 在在 15 15 截止高度角以上不存在障碍物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，尽可能将接收机设置在毋须人员照看的安全避开过往行人和车辆，尽可能将接收机设置在毋须人员照看的 地方地方 附近不应该有强辐射源（如无线电台、电视发射天线等）附近不应该有强辐射源（如无线电台、电视发射天线等） 可靠的电源供应可靠的电源供应 足够的内存容量足
15、够的内存容量 正确的配置参数正确的配置参数 ( (观测类型、记录速率观测类型、记录速率) ) 检查天线高和偏差检查天线高和偏差 仪器的正确检测仪器的正确检测 GPS测量前应该考虑的问题 ： 32 布网方法： GPS网的精度指标，通常以网中相邻点之间的距离 误差来表示的，其具体形式如下： =a2 + (bd)2 距离中误差（mm） a固定误差(mm) b比例误差系数(ppm) d相邻点的距离（Km） 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 33 v国家测绘局制订的我国“GPS测量规范”将GPS的 精度分为AE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。 34 表一GPS测量精度分级 35 表二GPS测量精度分级 36 表三GPS网中相邻点间距离 37 坐标系统与起算数据 包括位置基准、方位基准和尺度基准。 GPS点的高程 应使一定数量的GPS点与水准点重合或对部分GPS点联测水准。 选点原则与点位标志 38 设计的一般原则： J 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。 J 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。 J 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。 J 点应设在视野开阔和容易到达的地方，联测方向。 J 可
