GPS原理及其应用,主讲 陈志高,第1部分 原理,1 GPS测量的特点 2 GPS的历史和背景 3 GPS系统的组成 4 GPS卫星 5 GPS地面控制站 6 GPS用户设备 7 GPS系统现状 8 GPS定位原理 9 GPS测量,2020/10/7,2,GPS定义,GPS的英文全称是：Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System 测量用户的 PVT： Position(三维位置) Velocity (三维速度) Time(时间),日常生活中的GPS,4,日常生活中的GPS,车载 手机,5,1 GPS测量的特点,2020/10/7,6,不需要相互通视 观测作业不受天气条件的影响 能达到大地测量所需要的精度水平 全天候白天和夜间均可作业 效率高 提供三维坐标,2 GPS的历史和背景,GPS是美国军方研制的第二代卫星导航系统 (1)全球覆盖 (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10-20m (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，其作用已经在海湾战争中得到充分展示。,2020/10/7,7,2020/10/7,8,GPS与NNSS的主要特征比较,2020/10/7,9,GPS与GLONASS的主要特征比较,3 GPS系统的组成,2020/10/7,10,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,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,用户部分： 接收并测量卫星信号 记录处理数据 提供导航定位信息,4 GPS卫星,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),2020/10/7,11,目前轨道上实际运行的卫星个数已经超过了32颗,5 GSP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),2020/10/7,12,6 GPS用户设备,GPS接收机,2020/10/7,13,导航型GSP接收机一般情况下无数据输出的记录存储设备(手持机),TOPCON产品,Leica GPS接收机,南方仪器厂,图片：导航型GPS机,手持型GPS机,车载型GPS机,图片：大地型GPS接收机,单频机,双频机,7 GPS定位原理,卫星信号结构,2020/10/7,21,基准频率 10.23MHZ,L1 1575.42MHZ,C/A码 1.023MHZ,P码 10.23MHZ,L2 1227.60MHZ,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),GPS卫星信号的组成,（1）载波信号 L1载波，波长=19.03cm，频率f1=1575.42MHZ L2载波，波长=24.42cm，频率f2=1227.6OMHZ。 （2）测距码 C/A码（粗码/捕获码）：调制在L1载波上。结构公开，不同的卫星有不同的C/A码。 P码（精码）：调制在L1和L2载波上。 （3）数据码（D码）（导航电文） 提供有关卫星位置，卫星钟的性能、发射机的状态等数据和信息。用户利用观测值以及这些信息和数据就能进行导航和定位。,GPS定位的各种常用观测量,对卫星进行测距,2020/10/7,23,接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距,地心,Si,ij,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) 为未知的测站点位矢量,伪距测量,伪距由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得出的量测距离。由于卫星钟、接收机钟的误差以及无线电通过电离层和对流层中的延迟，实际测出的距离与卫星到接收机的几何距离有一定的差值，因此一般称量测出的距离为伪距。 用C/A码进行测量的伪距为C/A码伪距；用P码进行测量的伪距为P码伪距。,测距码伪距测量,2020/10/7,25,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时间t 传播延迟时间乘以光速就得到距离观测值=C t,t,接收到的卫星测距码,接收仪复制出的测距码,伪距测量的优缺点,1)定位速度快。 2)无多值性问题。 3)可作为载波相位测量中整波数不确定问题（模糊度）的辅助资料。 4)一次定位精度不高，（P码定位误差约为10 m，C/A码定位误差约为 2030 m）。,D = c TN,载波相位观测,载波L1的波长为19cm ，L2的波长为24 cm 接收仪将接收到的卫星载波信号的相位与其自身产生 的参考载波信号的相位进行比较 接收仪开机后，相位整周数未知 (带有整周模糊度) 跟踪卫星时间较长时距离的变化可以测定(整周数保持 不变 ),T,接收到的卫星相位,接收仪复制出的相位,载波相位观测,T,整周模糊度的确定,可通过卫星和测站的先验信息或伪距观测值，估算其近似值并在平差计算中解算其最佳估值。采用通常的方法解算时，需随观测时间的延长使卫星的几何构形发生较大的变化，使电离层折射效应和多路径效应等系统性偏差的影响被逐渐削弱以至消除，从而保证其确定的可靠性。 在通常的静态定位中，为确保确定的可靠性，至少要观测1小时左右。,2020/10/7,29,卫星广播 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)定位高得多的测距精度,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,载波相位观测,载波相位测距的优缺点,载波相位测量属于非码信号测量系统,优点：把载波作为量测信号，对载波进行相位测量可以达到很高的精度，目前可达到12mm。,缺点：载波信号是一种周期性的正弦信号，相位测量只能测定不足一个波长的小数部分，无法测定其整波长个数。因而存在着整周数的不确定性问题，使解算过程比较复杂。,单点定位结果的获取,2020/10/7,31,单点定位解可以理解为一个测边后方交会问题 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(由时间延迟计算得到) 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 , 大地高程 h , 钟差 t,8 GPS定位的误差源,2020/10/7,32,与GPS卫星有关的因素 SA(对精密星历进行加密）技术：人为的降低广播星历精度2000年5月2日4时终止实施 卫星星历（定轨）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,9 GPS 测量,(1)采用载波相位观测值,2020/10/7,33,卫星广播 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)定位高得多的测距精度,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,(2)组成星际站际两次差分观测值,2020/10/7,34,可以消去卫星钟的系统偏差 可以消去接收机时钟的误差,可以削弱大气折射对观测值的影响 可以削弱轨道(星历)误差的影响,(3)设法解算出初始整周未知数,2020/10/7,35,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,(4)弄清楚初始整周未知数的确定与定位精度的关系,2020/10/7,36,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,0,0,30,80,5,8,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,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”,2020/10/7,37,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送给用户接收机，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，已经大量应用于需要点位高精度的动态测量领域。,2020/10/7,38,2020/10/7,39,第2部分 我国GPS测量的常用坐标系,1.WGS-84 WGS-84坐标是GPS所采用的坐标系统，GPS发布的 星历参数都是基于此坐标系的。 WGS-84的椭球参数： a=6378137m 1/f=298.257223563 2.1954北京坐标系 1954北京坐标系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。 克拉索夫斯基椭球参数： a=6378245m 1/f=298.3,2020/10/7,40,3.1980西安坐标系 1980西安坐标系是我国新建的大地测量坐标系，参考椭球是IUGG1975椭球，其高程是以1956年黄海平均海水面为基准。 IUGG1975椭球参数： a=6378140m 1/f=298.257,第3部分 GPS静态定位,2020/10/7,41,GPS静态定位主要用于建立各级测量控制网，其优点为： 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,第4部分 GPS高程,测量中常用的高程系统有大地高系统、正高系统、正常高系统 大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统。某点的大地高是该点到参考椭球面的垂直距离。大地高也称为椭球高。一般用H 表示。 正高系统是以大地水准面为基准面的高程系统。某点的正高是该点到大地水准面的垂直距离。 正常高系统是以似大地水准面为基准面的高程系统。某点的正常高是该点到似大地水准面的垂直距离。,2020/10/