GPS基本原理

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1、,GPS用户培训讲座= 原理部分 武汉天宝耐特科技有限公司,GPS概述,系统组成定位原理GPS测量投影与坐标系统GPS局限性,1 为什么要向您推荐GPS,GPS测量与传统测量方法的对比:,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 （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）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Trimble GPS 测量系统都得到了显著证实！,2 历史与背景,无线电导航系统 罗兰-C Omega（奥米茄）

2、 多卜勒系统 卫星定位系统 NNSS子午仪系统GPS GLONASS系统双星导航定位系统（北斗一号） GNSS加俐略系统,GPS是美国军方研制的第二代导航系统（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全球定位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。,2 历史和背景,Glonass系统概述,GLONASS（俄） - Global Navigation Satellite System 卫星：21+3

3、 3个轨道面，倾角64.8度 轨道高度：19100km 信号频率：频分多址 16021616MHz、12461256MHz 坐标系 PZ90, 时间系统 UTC,2 历史和背景,Galileo(加俐略)系统,系统组成： 卫星星座：由3个独立的圆形轨道，30颗GNSS卫星组成（27颗工作卫星，3颗备用卫星） 。卫星的轨道倾角i =56；卫星的公转周期T=14h23m14S恒星时；轨道高度H=23616km 。 地面系统：在欧洲建立2个控制中心；在全球构建监控网。 定位原理：与GPS相同。 定位精度：导航定位精度比目前任何系统都高。计划实施： 1994年开始进入方案论证阶段； 2003年开始发射两

4、颗试验卫星进入试验阶段； 2008年整个伽利略（GNSS）系统建成并投入使用；,历史和背景,GPS卫星系统组成,全球定位系统(GPS)由三个部分组成,空间部分: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,用户部分:接收并测卫星信号,记录处理数据,提供导航定位信息,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,GPS卫星系统组成,星座：24颗 GPS工作卫星目前天空可用的卫星总有30颗分布： 6 轨道 运行周期： 11 小时 58 分 主要功能：播发 GPS信号,空间卫星部分,GPS 卫 星,GPS 卫星在轨道上的分布,地面控制部分,注入站,主控站,监控站 监控

5、站,一个主控站:科罗拉多.斯必灵司 三个注入站:阿松森;迭哥伽西亚;卡瓦加兰 五个监控站=1个主控站+3个主控站+夏威夷,用户部分,通用接收机(定位型),天线前置放大器,射电部分,微处理器,电源部分,显示控控器,数据存储,信号,供电,数据,命令,信息,控制,供电,供电、,控制,数据,二、GPS定位原理,X、Y 、Z 测点点位坐标 Xi、Yi、Zi卫星星历（坐标） 1、 2、 3、4 观测所得伪距,1,2,3,4,S1,S3,S4,S2,（X、Y、Z）,-GPS单点定位使用空间距离后方交会的方法,空间距离方程,GPS的测距信号,P 码 军用精密导航定位测距码（保密） C/A码捕获 P 码的工具，

6、用于民用导航定位D 码数据码(包含卫星星历)L1载波 频率 1575 MHz=19.05cm，运载工具。加载:C/A码,P码,D码 L2载波 频率 1227 MHz=24.45cm，运载工具，加载 电离层延迟探测工具。,GPS以精确测时实现精确测距,C/A 码是伪随机二进制码，也是卫星的标识符。 在接收机上可同步复制与卫星同结构的C/A 码，比对测时。,复 制:,来自卫星:,t, 复制码与接收来自卫星的C/A码比对基于时间同步。 码相位测距类似于脉冲式光电测距。 P 码测距与 C/A 码测距原理相同码相位式。,t 信号传播时间 站星距离 = c t,绝对定位和相对定位1、绝对定位：GPS使用绝

7、对定位直接获得点位坐标，其精度：1530米，适合于一般的导航民用2、相对定位三要素:距离、水平角度、高差。测量型的GPS测量，高精度。常见RTD、RTK,三、GPS 测 量,同步观测是生产基线向量的工艺,相对定位至少需要使用两台（多则不限）接收机同步观测，观测处理后的成果是基线向量。两台或两台以上接收机同时对同一卫星进行的观测。 观测中要求各接收机的采样率一致，也是时间同步的体现。,B A,实时动态（RTK）定位技术实时动态测量技术 以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量技术 实时动态测量的基本思想 基准站接收机连续观测所有可见卫星，并将其观测数据通过数据传输链实时地发送给用户站，用户利用

8、这些数据对用户接收机同步观测的数据按相对定位原理实时地计算并显示用户站的三维坐标及其精度 实时动态测量技术的应用范围 地籍测量、地形测量、工程放样航空摄影测量、航空物探、航道测量、线路中线测量、运动目标的精密导航等,三、GPS 测 量,求解整周模糊度,测量:差分思想,测量：差分类型,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” 载波相位差分：载波相位差分技术又称RTK（Re

9、al 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。 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。,基线向量的数学描述,基线向量的几何原型是两观测站点之间的直线（弦线）。 基线向量在地心地固直角坐标系下的数学描述：坐标差 X、 Y、 Z 基线向量在大地坐标系下的数学描述：大地线长度 S、大地方位角 A、大地高差 h 或， L、 B、 h 基线向量在高斯投影直角坐标下的数学描述：平距 D、坐标方位角 基线向量在地平坐标系下的的数学描述：平距 DP、坐标方位角P、天顶距 ZP,

10、GPS基线向量的解算,相对定位的原始观测量主体是载波相位数据。具有同步观测时间段是获得基线解的先决条件。基线向量一般由厂商提供的专用软件解算。基线向量解是 GPS 相对定位几何三要素。GPS测地型接收机是定位三要素数据采集器。,基线质量可靠性检核,静态模式基线向量以求差法解算。 基线固定解可靠性高，可大胆取用。 基线浮动解约有 1/3 可靠。 同步环闭合差检核是判定基线可靠性的参考，闭合差超限的同步环中可能有合格的基线。 异步环闭合差检核是判定基线向量的有效手段。,什么是整周模糊度,载波相位观测量 (t0) =(t0)/(2)+N (t1) = (t1) /(2)+ I(t1)+N 波长N整周

11、模糊度,S(t0),S(t1),N N(整周模糊度),(t0),(t1),I(t1),墨卡托投影K=0. 9996,高斯投影K=1. 0000,高斯投影与墨卡托投影,四、投影与坐标系统,带区投影直角坐标系,带区投影直角坐标：Ni 、 Ei 标准分带：有3带、6 带之分，规定中央子午线经度 带区投影参数：中央子午线经度（带号）中央子午线尺度比原点纬度原点北移值原点西移值 按投影参数的选定：有标准带区自定义带区,N,E赤道,中央子午线,Ei INi,O,500 km,与北京54有联系的自定义坐标系,测区高程面,参考椭球面,O A o a,R,H,参考椭球及其定位、定向与标准 BJ54系一致。自定义

12、投影参数： 中央子午线 、原点纬度 投影高程面(或中央子午线尺度比) 坐标原点西移 、北（南）移值取一个坐标参考点，其坐标与标准BJ54一致.No=NO；Eo=EO自定义坐标与标准BJ54坐标的关系：Na=k NA；Ea=k EAK= （R+H）/R, 1954北京坐标系, 1954北京坐标标系 克拉索夫斯基椭球几何参数长半径 a = 6378245m 短半径 b = 6356863.0188 m 扁 率 = 1 / 298. 3,ba,我国当前的实用坐标系, 1980西安坐标系, 1980西安坐标系IAG-75 椭球的几何参数长半径 a = 6378140m 短半径 b = 6356755.

13、2882 m 扁 率 = 1 / 298.257,ba,我国采用的坐标系,GPS的局限性,G P S 定位误差源 期望值与环境条件多 路 径 效 应遮 挡 条 件,GPS测量的误差源,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误差 接收机软件和硬件造成的误差,期望值与环境条件,GPS定位技术的兴起引发测地技术的重大变革 GPS接收设备基于无线电通信、电子技术 GPS接收机是测地采数工具（仪器） 测量精度取决于设

14、备状况、环境条件、操作技术 电离层、多路径效应是 GPS 测量的天灾 SA / AS 政策的启用是 GPS 定位的人祸 不能期望GPS测量完美无缺 GPS应用重视技术观念与技术措施,多路径效应,GPS 电磁波经地面物体反射 水域、建筑物、车辆和栏珊有强反射作用 对GPS相对定位影响达分米级 硬件措施有扼流圈天线、抑径盘 软件措施有边缘相关技术、窄相关技术 选好点位，减少多路径影响,遮挡条件,接收来自天空卫星的信号，要求对空通视 而常规测量则要求横向通视 越接近天顶方向的卫星信号质量越好 高大建筑物、山体、树干是GPS信号的硬遮挡，无法穿透 能否收到足够的卫星是GPS定位的原理要求 隐蔽地段定位条件的改善有赖于多星座系统 GPS在城区与密林区的应用有一定局限性,谢 谢！,