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1、GPS定位原理及其在测量中的应用现状,目录,一.概述 二. GPS系统介绍 三.GPS原理 四. GPS在测量中的应用,1.近、现代的常规（地面）定位方法,采用的仪器设备 尺：铟钢尺 光学仪器：经纬仪，水准仪 激光和红外仪器：测距仪 综合多种技术的仪器：全站仪 无线电、微波仪器：Loran-C，雷达 观测方法 角度或方向观测 距离观测 距离差观测,一.概述,2. 常规（地面）定位方法的局限性,观测点之间需要保证通视 需要事先布设大量的地面控制点/地面站 无法同时精确确定点的三维坐标 难以确定地心坐标 平面、高程控制网破坏严重、很多点位难以寻找观测受气候、环境条件限制 控制网存在误差积累、精度不
2、高 控制网点位分布不均匀 平面点多在山顶并远离测区 平面与高程控制分离、没有统一的控制系统,一.概述,一.概述,3.GPS 技术的广泛应用。,全球定位系统( Global Positioning System GPS) 是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。 在通信行业 ，交通、运输部门，地理信息系统 ，电子商务领域，电脑制造商、通信设备商 均有长足的应用 被誉为即通讯、互联网之后的第三个信息技术增长点。,GPS优点：测站间无需通视 数学模型简单，且能同时确定点的三维坐标 易于实现全天候观测 在长距离上仍能获得高精度的定位结果 目前GPS应用现状： 绝大部分的控制测量用G
3、PS实现 RTK测量技术全面普及 高智能亚米级手持GPS应用展开 前景： 高精度、智能化、小巧化、网络化。,4.GPS定位技术的优点和应用,一.概述,什么是全球定位系统 全球定位系统 GPS 的英文全称是 NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Position System（导航星测时与测距全球定位系统），简称 GPS 有时也被称作NAVSTAR GPS。根据Wooden 1985年所给出的定义：NAVSTAR全球定位系统（GPS）是一个空基全天侯导航系统，它由美国国防部开发，用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速
4、度和时间信息的要求。,GPS定位系统的概述,二.GPS系统介绍,1. GPS的产生、发展及前景,二.GPS系统介绍,1957年10月，前苏联成功发射第一颗人造地球卫星。 美国约翰霍普金斯大学应用物理实验室研究发现，利用地面跟踪站上的多普勒测量资料可以精确度确定卫星轨道，而对一颗轨道已被准确确定的卫星进行多普勒测量的话，可以确定用户的位置。 上述发现为卫星定位系统的诞生奠定了基础。,第一颗人造地球卫星,二.GPS系统介绍,1958年12月美国设计了子午卫星系统， 1964年1月该系统正式运行。1967年7月系统解密以供民用。 由于子午卫星系统存在上述局限性，1973年，美国国防部开始开发新的卫星
5、导航定位系统，并将其称为GPS（Navigation Satellite Timing And Ranging/ Global Positioning System），即导航星测时与测距全球定位系统。 1993年，系统具备了初步工作能力，开始投入使用。1995年7月17日，GPS达到完全运行能力。 到目前为止，依托GPS系统已经形成了一个巨大 的市场，尽管其他国家都在积极发展自己的定位系统，但GPS已经在卫星导航定位领域取得了霸主地位。,2、发展及前景,二.GPS系统介绍,建立和维持全球性的参考框架 板块运动和监测 建立各级国家平面控制网 城市控制网、工程测量控制网、工程测量 航空摄影测量、地
6、籍测量、海洋测量,3. GPS在各个领域中的应用,军事 交通 测量 农业、林业 资源调查、环境监测 移动通信 物理研究（监测电离层延迟） 气象,二.GPS系统介绍,GLONASS全球卫星系统 前苏联研制，现由俄罗斯维护。目前该系统在轨卫星总数为颗，其中颗正常工作，颗正接受技术维护，另有颗处于“预备役”状态。 伽利略卫星导航定位系统 欧盟开发研制，目前仍在组建及试运行阶段预计2014年正式投入运营。 北斗卫星导航定位系统 北斗卫星导航系统是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统，目前仍在组建中， 到2012年发射了第13颗导航卫星。,4. 其他卫星导航定位系统,5. 美国政府的GPS
7、政策,最初， GPS的属于美国国防部，只对军方开放高精度定位服务，民用精度非常低（400米），后来由于形势的需要，GPS开放为军民共用高精度定位服务，但加入了AS(反电子欺骗 )和SA(可用性选择政策 ) 。海湾战争后，俄罗斯也开始组建自己的导航定位系统，为了抢占市场，美国取消AS(反电子欺骗 )和SA(可用性选择政策 )政策，进一步开放GPS系统，并组建了专门的管理委员会，保证民用用户的需求。 由于SA码的取消，GPS的民用进入爆发阶段，1996年全世界GPS相关的产值只有25亿美金，到现在已经超过1000亿美金。现在，GPS在民用领域已经取得了非常广泛的应用。面对如此巨大的利润，美国已公开
8、承诺绝不关闭GPS。,二.GPS系统介绍,GPS的系统组成 由空间部分、地面部分和用户部分等组成,二.GPS系统介绍,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8颗卫星 当前星座：32颗,二.GPS系统介绍,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
9、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,二.GPS系统介绍,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,二.GPS系统介绍,主控站： 协调和管理地面监控系统: 1）根据观测资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟 差和大气修正参数，并将数据传送到注入站。 2）提供全球定位系统的时间基准。 3）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。 4）启用备用卫星代替失效工作卫星 监测站：观测资料由计算机进行初步处理，存储并
10、传输到主控站，以确定卫星轨道。 1）对卫星进行跟踪观测 2）记录气象数据 3）将数据传送到主控站 注入站：主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。,二.GPS系统介绍,二.GPS系统介绍,二.GPS系统介绍,用户部分 组成： GPS接收机 数据处理软件 其它辅助设备,用户部分,GPS的定位原理 卫星不间断地发送自身地星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机地三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息。 GPS测量定位方法分类 定位模式 绝对定位（单点定位） 相对定位 定位时接收
11、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,三.GPS定位原理,三.GPS定位原理,GPS的定位方法,根据模式的定位 绝对定位 ： 绝对定位又称为单点定位，这是一种采用一台接收机进行定位的模式。它所确定的是接收机天线的绝对坐标。这种定位模式的特点是作业方式简单，可以单机作业。绝对定位一般用于导航和精度要求不高的应用中。 相对定位 ： 相对定位又称为差分定位，这种定位模式采用两台以上的接收机，同时对一组相同的卫星进行观测，以确定接收机天线间的相互位置关系。 ：,三.GPS定位原理
12、,GPS的定位方法,根据获取定位结果的时间定位 实时定位： 实时定位是根据接收机观测到的数据，实时地解算出接收机天线所在的位置。 非实时定位： 非实时定位又称后处理定位，它是通过对接收机接收到的数据进行处理后进行定位的方法。,三.GPS定位原理,GPS的定位方法,根据定位时接收机的运动状态定位 动态定位 所谓动态定位，就是在进行 GPS 定位时，认为接收机的天线在整个观测进程中的位置是变化的。也就是说，在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个随时间的改变而改变的量。 静态定位 所谓静态定位，就是在进行 GPS 定位时，认为接收机的天线在整个观测进程中的位置是保持不变的。也就是说，在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个不随时间的改变而改变的量。在测量中，静态定位一般用于高精度的测量定位，其具体观测模式是多台接收机在不同的观测站上进行静止同步观测，观察时间有几分钟、几小时到数十小时不等。,三.GPS定位原理,5. GPS的误差,与卫星有关的误差 卫星轨道误差 卫星钟差 相对论效应 与传播途径有关的误差 电离层延迟 对流层延迟 多路径效应 与接收设备有关的误差 接收机天线相位中心的偏移和变化 接收机钟差 收机内部噪声,四、GPS在测量中的应用,GPS的主要作业方式有静态测量、RTK、CORS、网络RTK、后差分,静态测量,动态测量,CORS,谢 谢！,
