《GPS使用方法》PPT课件.ppt

一、全球卫星导航系统GNSS (Global Navigation Satellite System) 依靠数十颗导航卫星组成的导航星座，对地面、海面、空中的物体包括低轨航天器进行实时、连续、全天候的精确导航、定位和定时的技术系统。,5.4 全球定位系统,二、全球的卫星导航系统 1美国的全球定位系统GPS （Global Positioning System） 19601964年：美国先后发射了4颗“子午仪”军用导航卫星，组成“子午仪”卫星定位导航系统。该系统只提供经纬度，不能给出高度和速度，误差较大 60年代末开始：美国开始研究时间间隔卫星定位导航原理,19731993年：1973年美国国防部批准陆海空三军联合研制新的卫星导航系统，简称GPS。成为美国第二代卫星定位导航系统。 70年代规划，80年代实施，90年代运营，耗资300亿美元，仅次于阿波罗登月计划和航天飞机计划的美国第三大航天工程,2俄罗斯的格洛纳斯系统（GLONASS） 前苏联于1982年10月发射第一颗卫星，到1995年初只有16颗卫星在轨工作。95年成功发射三次共9颗，完成24颗工作卫星加1颗备用卫星的布局。1996年1月投入运行。 系统组成和工作原理与GPS相似 供国防与民间使用，不带任何限制。 卫星平均寿命4.5年，现卫星系统不完备。,3欧洲空间局伽利略（Galileo）系统 1994年开始，欧盟进行了论证，2000年在世界无线电大会上获得L频段的资源。 计划2008年完成全系统部署，共30颗卫星（273） 完全从民用出发，与GPS/GLONASS有机的兼容，建设资金36亿欧元，由各国和企业共同投资。我国计划投资2亿欧元，已投入7000万欧元。,2004年1月10日中国与欧洲合作对伽俐略系统进行初次测试，精度可达5cm 美国的GPS系统精度说明书可达10m，实际上大于15米或更大。 GPS定位可到街道，而可Galileo，则可找到家门。 目前，伽俐略系统的建设还未完成，进展缓慢。,4我国的北斗导航系统 2000年，首先建成北斗导航试验系统，使我国成为继美、俄之后的世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。 已成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域 在2008年北京奥运会、汶川抗震救灾中发挥了重要作用。 (可通讯),北斗卫星导航系统由三部分组成 空间段 包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星， 地面段 包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站， 用户段 包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。 北斗导航定位系统从根本上打破GPS垄断局面,我国已成功发射两颗北斗导航卫星。 2008年02月22日，国内首款中国北斗导航核心芯片“领航一号”正式诞生。 系统建设总体规划 2012年左右，系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力 2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。,北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务。 开放服务 向全球免费提供定位、测速和授时服务，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。 授权服务 为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户，提供定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。,三、GPS组成 空间部分 地面控制部分 用户设备,GPS图示,空间卫星星座 24颗卫星发射信号 卫星轨道、时间数据及 辅助资料信息,用户设备 接收设备 接收卫星信号,地面监控 中央控制系统 时间同步 跟踪卫星定位,空间部分 由24颗卫星（21颗工作卫星和3颗备用卫星）组成，分布在6个轨道面内，每个轨道4颗卫星。每条轨道与赤道面的夹角是55，轨道平均高度为 20183km。每颗卫星每天约有5小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星 数随时间和地点而异，最少4颗，最多11颗。 主要设备：卫星上有原子钟、微处理器、电文存储和信号发射设备， 由太阳能电池提供电源。,GPS卫星作用 飞越注入站上空时，接收注入的导航电文和其他信息，并发送给广大用户。 接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，改正运行偏差或启用备用时钟等。,工作卫星以L11575.42兆赫和L21227.6兆赫两种频率发送导航信号，导航信号采用伪随机码调制，向用户不断发送导航定位信息，L1用C/A码和P码调制，L2用P码调制。 用于捕获信号及粗略定位的伪随机码叫C/A码 精密测距码叫P码,星历：描述卫星运动及其轨道的参数。 星的位置是由星历算得的。 重要作用是保持卫星同一时间标准GPS时间系统，需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差，再由地面注入站发送给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。,卫星星座空间图,地面监控系统 组成：由1个主控站、3个注入站、5个监测站组成。主控站位于美国本土科罗拉多，为数据自动采集处理中心。三个注入站分别位于印度洋的Diego Garcia，大西洋的Ascencion，太平洋的Kwajalein。5个监测站除了上述4个地点外，在夏威夷另设1个。 功能：监测并控制卫星，确定其轨道和星上原子钟的工作状态，传送信息到各卫星上。 主要设备：配有双频GPS接受机、高精度原子钟、环境数据传感器和计算设备。,用户设备 功能：接受卫星信号，计算接收机天线所在的三维地心坐标。 主要设备：由GPS接受机主机、天线、电源和数据处理软件组成。,四、定位原理 卫星不间断地发送自身的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的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信息。 采用空间距离后方交会的方法 采用WGS84坐标系统,五 GPS的加密措施与技术改进,1.精密定位服务与标准定位服务 1）精密定位服务（510m）PPS 美国军方使用，包括： L1：C/A码，P码 L2：P码 2）标准定位服务（100m）SPS 出于经济考虑，83年提供民用。 L1：C/A， 导航电文,2.A-S措施 P码保密，只有美国军方可用，后来被解密。 美国引入W码，并将P码与W码进行模二相加得Y码，难以破解,3.SA政策 84年民用，精度远高于100m，美国为保证自身安全，1990年起对民用信号进行干扰 技术：干扰卫星星历 技术：干扰定位信号 因美国国内的就业压力及国际竞争，2000年5月2日终止，但可随时在区域内恢复,4、政策调整与技术更新 1）政策调整 1983年提供民用 1990年实施SA政策 1999年决定既保证军用安全，又提高民用精度 2000年5月取消SA,2）技术改进,5、GPS应用的最新发展 1）精密单点定位ppp 2）GPS测高程 因精确的大地水准面模型已建立，目前GPS可代替三等水准 3）室内GPS接收机 发展趋势：高精度，快速，小型，自动，抗遮挡，抗电磁干扰,六、GPS定位,GPS开机定位分为冷启动、温启动和热启动三种： 冷启动 以下几种情况开机均属冷启动。初次使用时；电池耗尽导致星历信息丢失时；关机状态下将接收机移动1000公里以上距离。 温启动 距离上次定位的时间超过两个小时的启动。 热启动 距离上次定位的时间小于两个小时的启动。,一、根据定位所采用的观测值,伪距定位 采用伪距观测值，既可以是C/A码伪距，也可以是P码伪距。 优点是数据处理简单，对定位条件的要求低，可以非常容易地实现实时定位； 缺点是观测值精度低，C/A 码伪距观测值的精度一般为3米，而P码伪距观测值的精度一般也在30个厘米左右 载波相位定位 采用载波相位观测值，即L1、L2或它们的某种线性组合。 优点是观测值的精度高，一般优于2个毫米 缺点是数据处理过程复杂，存在整周模糊度的问题,二、根据定位的模式分,绝对定位 又称为单点定位，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。 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。 相对定位 又称为差分定位，是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、根据获取定位结果的时间,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 又称后处理定位，是通过对接收机接收到的数据进行后处理以进行定位的方法。,四、根据定位时接收机的运动状态,动态定位 是在进行定位时，接收机的天线在整个观测过程中的位置是变化的。即在数据处理时，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 是在进行定位时，接收机的天线在整个观测过程中的位置是保持不变的。即在数据处理时，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，时间由几分钟、几小时甚至数十小时不等。,七、特点 1.定位精度高 相对定位精度50KM可达106，平面位置误差小于1mm。 2.观测时间短 20KM以内静态相对定位仅需1520分钟；快速静态相对定位时，只需12分钟；动态相对定位可随时定位，仅需几秒钟。,3.测站间无需通视 只要上空开阔，布点灵活、效率高，可省去造标费用。 4.可提供三维坐标 经典的大地测量将平面与高程分别观测，GPS可同时观测三维坐标，目前GPS水准可满足四等水准测量的精度。,5.操作简便 GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“傻瓜化”的程度。接收机更轻便，体积越来越小。 6.全天候作业 可在一天24小时进行，不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候影响。 7.功能多、用途广 不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1m/s，测时的精度可达几十毫秒。,八、应用前景 1.GPS应用 航摄飞机的导航：过去用罗盘配合地图、相片进行目视导航，主要用于确定飞机的位置、飞行航线及航速。 测定外业控制点，取代常规的大地测量。 为RS提供精确的几何校正数据。 为数字化地图的野外测绘提供基础控制数据,2.其它应用举例 大地控制测量 1992年GPS大会战，我国已建立平均边长为100km的 GPS A级网，亚米级精度。在A级网的基础上，又建立了30100km的GPS B级网。 地理动力学 监测板块运动 海洋测绘 南沙群岛，以前无数据，建GPS后则可联测,精密工程和工程变形观测 电子对撞机、三峡工程、地铁控制网，大型建筑如楼房、大坝在水平、垂直方向的变形。 导航方面 导弹、运钞车 GPS产业：1995年美国车载GPS系统销售量为3.1亿美元，到2000年为30亿美元。我国已在武汉成立GPS工程技术研究中心。 GPS应用进入日常生活：手表式接收机用于导游，所有运载器，都将依赖于GPS。手机上已有GPS定位系统。,九、GPS测量的误差来源,1与信号传播有关的误差 电离层折射误差 由于地球周围的电离层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为电离层延迟。 对流层折射误差 由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为对流层延迟。 多路径效应误差 在GPS测量中，测站周围的反射物所反射的卫星信号(反射波)进入接收机天线，会和来自卫星的信号(直接波)产生干涉，从而使观测值偏离真值产生所谓的“多路径效应误差”,2与卫星有关的误差 卫星星历误差 由星历所给出的卫星在空间的位置与实际位置之差称为卫星星历误差 卫星钟的钟误差 包括由钟差、频偏、频漂等产生的误差，也包含钟的随机误差。 卫星钟要严格同步，偏差在1ms以内，引起的等效距离误差约为300km。 相对论效应 由于卫星钟和接收机钟所处的状态（运动速度和重力位）不同而引起卫星钟和接收机钟之间产生相对钟误差的现象。,3与接收机有关的误差 接收机钟误差 GPS接收机采用高精度的石英钟，稳定度约为109，接收机与石英钟间的同步差为1us，引起等效距离误差约为300m。 接收机位置误差 接收机天线相位中心相对测站标石中心位置的误差。包括天线的置平和对中误差。 天线相位中心位置的偏差 由于天线的相位中心随信号输入的强度和方向不同而变化，相位中心与几何中心不一致。,4其他误差 地球自转的影响 地球潮汐改正,十、GARMIN的eTrex接收机,如机器已移动上百公里，此时为收星正常状态，初始化后重新定位。,坐标系统的转换及校正,GPS卫星星历是以WGS84坐标系统为根据建立的。而我国目前应用的地形图却属于1954年北京坐标系或1980年国家大地坐标系；不同坐标系之间存在着平移和旋转关系（WGS84坐标系与我国应用的坐标系之间的误差约为80120米），所以进行绝对定位必须进行坐标转换。转换后的绝对定位精度可由80120米提高到510米。 WGS84坐标系是以度、分、秒为标准的坐标格式，而我国的BJ54与西安80坐标系统是以公里网格的形式来表示。通常输入中央子午线经度为东经1170，比例为1.0000000，FALSES输入为500000.00，FALSEN输入为0.0,坐标参数计算,参数计算是提高手持GPS的关键，可使手持机的稳定性和精度有一定的提高。 1.搜集应用区域内GPS“B”级网三个以上WGS84坐标系的B、L、H值及我国坐标系B、L、H、