GPS定位基础知识介绍-GPS定位技术及应用.ppt

学习计划及工作任务,GPS定位技术及应用,1：加强测量和GPS基础知识方面的学习。2：注意扩大跟公司业务相关的其他知识的学习（数字地球，GIS信息GPS应用领域和台站的最新发展等等。）3：掌握常规GPS，基础设施产品的性能特点和基础软件以及常规的应用方法，进一步加强光学产品的学习。4：熟悉的应用VRS台站网知识并了解其行业信息和其他CORS的比较。5：尽全力做好自己的技术支持本职工作，为前线的兄弟们奉献自己的能量，为销售工作做全方面的支持。6：涉猎广泛的学习其他知识，开阔自己的眼界，拓展自己的知识领域，为进一步的技术支持工作和与客户交往能力的提高而努力学习。7：学习没有尽头，努力不会停止，为全面支持公司销售工作和提高自己的业务技术能力而奋斗。,GPS定位技术及应用,GPS定位技术及应用,第一章绪论,GPS定位技术及应用绪论,什么是定位,确定点在某一坐标系中的位置相关的英语单词PositioningLocationOrientationNavigationGuidanceTracking,GPS定位技术及应用绪论常规（地面）定位方法及其局限性什么是定位,1.1常规（地面）定位方法及其局限性,原始的定位方法,利用天体进行定向：日、月、特别的星体利用自然景观利用自然现象：树木的生长态势，植物的生长态势（如苔藓）采用人造的器械：司南，指南针利用人工建筑：烽火台,GPS定位技术及应用绪论常规定位方法及其局限性原始的定位方法,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,GPS定位技术及应用绪论常规定位方法及其局限性近、现代的常规（地面）定位方法,观测点之间需要保证通视需要修建觇标/架设高大的天线边长受到限制观测难度大效率低：无用的中间过渡点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观测受气候、环境条件限制受系统误差影响大，如地球旁折光难以确定地心坐标,GPS定位技术及应用绪论常规定位方法及其局限性常规定位方法的局限性,常规（地面）定位方法的局限性,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,GPS定位技术及应用绪论常规定位方法及其局限性常规定位方法的局限性,传统大地控制网和水准网的缺陷：,1.2空间定位技术,GPS定位技术及应用绪论空间定位技术定义,什么是空间定位技术（定义）,利用自然天体或人造天体来精确确定地面点的位置及其随时间变化状况的一整套方法、理论和技术称为空间定位技术。,GPS定位技术及应用绪论空间定位技术定义,观测值方向、距距离差观测目标位置已知的空间目标，包括自然天体和人造天体基本原理交会方向交会距离交会距离差交会,GPS定位技术及应用绪论空间定位技术空间定位的一般原理,空间定位的一般原理,需要提供全球统一的地心坐标航空、航天技术的要求需要在长距离上进行高精度定位的技术全球性问题研究的要求要求具有全天候的特点，且快速简便的定位技术快速、实时定位应用的要求,GPS定位技术及应用绪论空间定位技术空间定位技术的产生,空间定位技术的产生必要性,空间技术的发展计算能力的加强电子技术的提高通信技术的进步通信设备和手段的进步通信技术,GPS定位技术及应用绪论空间定位技术空间定位技术的产生,空间定位技术的产生可能性,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,GPS定位技术及应用绪论空间定位技术空间定位技术的优点,空间定位技术的优点,1.3常见空间定位技术,目前的几种卫星导航定位系统美国的GPS系统俄罗斯的GLONASS系统中国的北斗系统欧盟的伽利略系统,GPS定位技术及应用绪论空间定位技术定义,空间测量方法和技术主要有甚长基线干涉测量、激光测月、激光测卫、卫星测高卫星导航定位等。其中卫星导航定位测量方法和技术已广泛应用于大地测量和工程测量的各个领域而前面的几种方法和技术则用于全球性测量、如建立与维持全球参考框架、测定地球的形状、大小外部重力场、地球极移等。,第二章GPS定位系统的概述,什么是全球定位系统全球定位系统GPS的英文全称是NavigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositionSystem（导航星测时与测距全球定位系统），简称GPS有时也被称作NAVSTARGPS。根据Wooden1985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、速度和时间信息的要求。,GPS定位技术及应用,GPS发展简史1957年10月4日第一颗人造卫星SputnikI（苏）发射成功。1958年12月开始设计NNSS(NavyNavigationSatelliteSystem)TRANSIT，即子午卫星系统。1964年1月该系统正式运行。1967年7月系统解密以供民用。1973年12月，美国国防部（DOD）批准研制GPS。1978年2月22日，第1颗GPS试验卫星发射成功。1989年2月14日，第1颗GPS工作卫星发射成功。1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战。1993年，IGS成立。1995年7月17日，GPS达到FOC完全运行能力（FullOperationalCapability）。1999年1月25日，美国副总统戈尔宣布，将斥资40亿美元，进行GPS现代化。1999年8月21/22日子夜，GPS发生GPS周结束翻转(EOW)问题。2000年1月1日，Y2K问题。2000年5月1日，美国总统克林顿宣布，GPS停止实施SA。（实际停止实施SA是5月2日）,GPS定位技术及应用全球定位系统概述全球定位系统的发展史,GPS的系统组成由空间部分、地面部分和用户部分等组成,GPS定位技术及应用全球定位系统的组成,空间部分（SpaceSegment）GPS卫星星座设计星座：21+321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11h58min（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9颗卫星当前星座：28颗,GPS定位技术及应用全球定位系统的组成空间部分,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,GPS定位技术及应用全球定位系统的组成空间部分,GPS卫星类型试验卫星：Block工作卫星：BlockBlock：存储星历能力为14天，具有SA和AS地能力BlockA（Advanced）：卫星间可相互通讯，存储星历能力为180天，SV35和SV36带有激光反射棱镜BlockR（Replacement/Replenishment）：卫星间可相互跟踪相互通讯BlockF（FollowOn）：新一代的GPS卫星,增设第三民用频率,GPS定位技术及应用全球定位系统的组成空间部分,GPS定位技术及应用全球定位系统的组成空间部分,BlockIIR,BlockIIA,BlockIIA,BlockIIR,BlockIIF,BlockIIR,地面监控部分（GroundSegment）主控站：1个监测站：5个注入站：3个通讯与辅助系统,GPS定位技术及应用全球定位系统的组成地面监控部分,GPS定位技术及应用全球定位系统的组成地面监控部分,GPS的地面监控部分,主控站：除协调和管理地面监控系统外，主要任务：1）根据本站和其它监测站的观测资料，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。各监测站和GPS卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，测出其间的钟差，将钟差信息编入导航电文，送入注入站。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管理、协调地面监控系统各部分的工作编算广播星历轨道参数、卫星钟改正数等调整卫星状态调度卫星,GPS定位技术及应用全球定位系统的组成地面监控部分,监测站：是主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双频GPS接收机、高精度原子钟、计算机1台和若干台环境数据传感器。观测资料由计算机进行初步处理，存储并传输到主控站，以确定卫星轨道。对卫星进行跟踪观测记录气象数据将数据传送到主控站注入站主要设备为1台直径3.6m的天线、1台c波段发射机和1台计算机。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。整个GPS系统的地面监控部分，除主控站外均无人值守。各站间用现代化通讯网络联系，在原子钟和计算机的驱动和控制下，实现高度的自动化标准化。,GPS定位技术及应用全球定位系统的组成地面监控部分,GPS定位技术及应用全球定位系统的组成地面监控部分,用户部分（UserSegment）组成用户接收设备接收GPS发射的无线电信号，获得必要的定位i信息和观测量，经数据处理完成定位工作。GPS接收机和数据处理软件、微处理机和终端设备组成。,GPS定位技术及应用全球定位系统的组成用户部分,。,美国政府的GPS限制性政策1.美国对GPS用户的主要限制性政策为保障美国的利益和安全，该系统在设计时采取了一些措施来限定非特许用户获取GPS观测量的精度。（1）对不同的用户提供不同的服务方式GPS卫星发射的无线电信号含有两种不同精度的测距码，即P码（精码）和C/A码（粗码）。相应两种码提供两种定位服务方式，即精密定位服务（PrecisePositioningServicePPS）和标准定位服务（StandardPositioningServiceSPS）。PPS可提供L1、L2载波上的P码（不公开的保密码），L1载波上的C/A码、导航电文和消除SA影响的密匙，服务对象是美国军事部门和其它特许用户。利用P码能获得较高精度的观测量，且通过两种频率测距可消除电离层折射的影响，单点实时定位精度5-10m。SPS只能利用L1载波上的C/A码和导航电文，获得精度较低的观测量，无法利用双频技术消除电离层的影响，单点实时定位精度20-40m。,GPS定位技术及应用全球定位系统的组成美国政策,（2）精密测距码的加密措施（AS）P码的加密措施也称反电子欺骗措施。当P码被解密，或在战时，对方如果知道了特许用户接收机所接收的卫星信号的频率和相位，便可以发射适当频率的干扰信号，诱使特许用户的接收机锁错信号，产生错误的导航信息。为防止这种电子欺骗，进一步加密P码，美国将在必要时引入机密码W，通过P码和W码的模2相加，将P码转换成Y码。,GPS定位技术及应用全球定位系统的组成用户部分,GPS定位技术及应用GPS定位系统的基础知识,第三章GPS定位系统的基础知识,GPS系统的基础知识包括几方面的内容：1.GPS定位的坐标系统合和时间系统2.GPS的卫星星历3.电池波介绍4.GPS卫星信号及信号的传播5.GPS卫星的导航电文6.GPS定位的观测量及误差分析,3.1GPS定位的坐标系统和时间系统,坐标系统与时间系统是描述卫星运动、处理观测数据和卫星观测位置的数学与物力基础。1.坐标系统各国建立和保持各自独立的地区性大地坐标系统1）.我国惯用的北京54经典大地测量基准a=6378245（m）f=1/298.3常规的全站仪测量很少接触和使用到，很多测量人员都忽略或没有注意此概念。,GPS定位技术及应用GPS定位系统的基础知识坐标系统和时间系统,2）.卫星大地测量基准在全球定位系统中，卫星主要被视为位置已知的高空观测目标。所以，为了确定用户接收机的位置，GPS卫星的瞬时位置，通常应划算到同一的地球坐标系统中。目前GPS卫星瞬时位置的计算采用大地坐标系统WGS-84：a=6378137（m）f=1/298.25,GPS定位技术及应用GPS定位系统的基础知识坐标系统和时间系统,2.时间系统GPS卫星作为一个高空观测目标，其位置是不断变化的，因此在给出卫星位置的同时，必须给出相应的瞬时时刻。,GPS定位技术及应用GPS定位系统的基础知识坐标系统和时间系统,2.5时间系统1.有关时间的基本概念在天文学和空间科学技术中，时间系统是精确描述天体和卫星运行位置及其相互关系的重要基准，也是利用卫星进行定位的重要基准。在GPS卫星定位中，时间系统的重要性表现在：GPS卫星作为高空观测目标，位置不断变化，在给出卫星运行位置同时，必须给出相应的瞬间时刻。例如当要求GPS卫星的位置误差小于1cm，则相应的时刻误差应小于2.610-6s。准确地测定观测站至卫星的距离，必须精密地测定信号的传播时间。若要距离误差小于1cm，则信号传播时间的测定误差应小于310-11s,GPS定位技术及应用GPS定位系统的基础知识坐标系统和时间系统,基本概念,时间间隔、时刻和历元相对时间测量与绝对时间测量时间基准时间量测通常采用一个可观测到的周期性运动作为时间基准。作为时间基准所要满足的条件：运动是连续的、周期性的运动周期必须充分稳定运动周期具有复现性常用建立时间基准的基础地球自转：世界时时间基准的基础，稳定度10-8；行星绕太阳的公转：力学时时间基准的基础；电子、原子的谐波振荡：原子时时间基准的基础，稳定度10-13。单位：国际标准单位-秒；派生出的单位毫秒（10-3秒）、微秒（10-6秒）、纳秒（10-9秒）,GPS定位技术及应用GPS定位系统的基础知识基本概念,3.2GPS卫星星历,卫星在空间进行的轨迹称为轨道，而描述卫星轨道位置和状态的参数称为轨道参数。卫星的轨道误差直接影响绝定位时用户接收机位置的精度。因此，卫星的轨道必须满足足够的精度。对于用户来说，理解和运用GPS卫星的轨道信息是非常必要的，而卫星的轨道信息都包含在GPS卫星的星历中。,GPS定位技术及应用GPS定位系统的基础知识GPS卫星星历,1.预报星历预报星历是通过卫星发射的还有轨道信息的导航电文传递给用户的，经过解码便可以获得所需要的星历。卫星的预报星历是用跟踪站以往时间的观测资料推求的参考轨道参数为基础，并加入轨道摄动项改正而外推的星历。用户在观测时可以通过导航电文实时得到，对导航和实时定位十分重要。但对精密定位服务则难以满足精度要求。2.精密星历是一些国家的某些部门根据各自建立的跟踪站所获得的精密观测资料，应用与确定预报星历相似的方法，计算的卫星星历。这种星历通常是在事后向用户提供的在用户观测时的卫星精密轨道信息，因此称后处理星历或精密星历。该星历的精度目前可达分米。,GPS定位技术及应用GPS定位系统的基础知识GPS卫星星历,3.3电磁波的传播,GPS定位的基本观测量是观测站（用户接收天线）至GPS卫星（信号发射天线）的距离（或称信号传播路径），它是通过测定卫星信号在该路径上的传播时间（时间延迟）或测定卫星载波信号相位在该路径上的变化周数（相位延迟）来导出的。1.电磁波及其参数电磁波是一种随时间t变化的正弦或余弦波。如果设电磁波初相角为0，角频率，振幅为Ae，则电磁波的数学表达式为y=Aesin(t+0),GPS定位技术及应用GPS定位系统的基础知识电磁波的传播,设电磁波的频率为f，周期为T，相位为，且当t=0时有初相位0，则它们与相位角及角频率有如下关系：=2f；f=1/T，=t/T+0，0=20。由此可得y=Aesin2(t/T+0)。利用电磁波测距除了精确测定电磁波的传播时间或相位变化外，还应准确地测定电磁波的传播速度v。若设电磁波的波长为，相位常数为k，则有k=2/=/v，v=f=/T=/k。2.电磁波的传播速度与大气折射假设电磁波在真空中的传播速度为cvac，则有cvac=vacf=vac/T=/kvac。在卫星大地测量中，国际上当前采用的真空光速为c=2.99782458108(m/s)。对GPS而言，卫星发射信号传播到接收机天线的时间约0.1秒，当光速值的最后一位含有一个单位的误差，将会引起0.1m的距离误差。表明准确确定电磁波传播速度的重要意义。实际的电磁波传播是在大气介质中，在到达地面接收机前要穿过性质、状态各异且不稳定的若干大气层，这些因素可能改变电磁波传播的方向、速度和强度，这种现象称为大气折射。,GPS定位技术及应用GPS定位系统的基础知识电磁波的传播,大气折射对GPS观测结果的影响，往往超过了GPS精密定位所容许的精度范围。如何在数据处理过程中通过模型加以改正，或在观测中通过适当的方法来减弱，以提高定位精度，已经成为广大用户普遍关注的重要问题。电磁波在大气中的传播速度可以用折射率n来表示，n=c/v。折射率与大气的组成和结构密切相关，其实际值接近于1，故常用折射数N0来表示，N0=(n-1)106。,3.4大气折射对电磁波的影响,GPS定位技术及应用GPS定位系统的基础知识电磁波的传播,大气层的结构与性质地球表面被一层很厚的大气所包围，大气的总质量约为3.91018（kg），约为地球总质量的百万分之一。由于地球引力的作用，大气质量在垂直方向上分布极不均匀，主要集中在大气底部，其中75%的质量分布在10km以下，90%的以上质量分布在30km以下。同时大气在垂直方向上的物理性质差异也很大，根据温度、成分和荷电等物理性质的不同，大气可分为性质各异的若干大气层。按不同标准有不同的分层方法，根据对电磁波传播的不同影响，一般分为对流层和电离层。对流层是指从地面向上约40km范围内的大气底层，占整个大气质量的99%。对流层与地面接触，从地面得到辐射热能，温度随高度的上升而降低，平均每升高1km降低6.50C，而在水平方向（南北方向）上，温差每100km一般不超过10C。对流层虽仅有少量带电离子，但却具有很强的对流作用，云、雾、雨、雪、风等主要天气现象均出现其中。该层大气中除了含有各种气体元素外，还含水滴、冰晶和尘埃等杂质，对电磁波的传播有很大影响。,GPS定位技术及应用GPS定位系统的基础知识电磁波的传播,电离层分布于地球大气层的顶部，约在地面向上70km以上范围。由于原子氧吸收了太阳紫外线的能量，该大气层的温度随高度上升而迅速升高，同时由于太阳和其它天体的各种射线作用，使大部分大气分子发生电离，具有密度较高的带电粒子。电离层中电子的密度决定于太阳辐射强度和大气密度，因而导致电离层的电子密度不仅随高度而异，而且与太阳黑子的活动密切相关。电磁波在电离层中的传播速度与频率相关，电离层属于弥散性介质。,GPS定位技术及应用GPS定位系统的基础知识电磁波的传播,由于影响电离层电子密度的因素复杂（时间、高度、太阳辐射及黑子活动、季节和地区等），难以可靠地确定观测时刻沿电磁波传播路线的电子总量。对GPS单频接收用户，一般均利用电离层模型来近似计算改正量，但目前有效性不会优于75%。即当电离层的延迟为50m，经过模型改正后，仍含有约12.5m的残差。为减弱电离层的影响，比较有效的措施为：（1）利用两种不同的频率进行观测;(2)两观测站同步观测量求差用两台接收机在基线的两端进行同步观测，取其观测量之差。因为当两观测站相距不太远时，卫星至两观测站电磁波传播路径上的大气状况相似，大气状况的系统影响可通过同步观测量的差分而减弱。该方法对小于20km的短基线效果尤为明显，经过电离层折射改正后，基线长度的相对残差约为10-6。故在短基线相对定位中，即使使用单频接收机也能达到相当高精度。但随着基线长度的增加，精度将明显降低。,GPS定位技术及应用GPS定位系统的基础知识电磁波的传播,1.关于GPS卫星信号GPS卫星所发射的信号包括载波信号、P码（或Y码）、C/A码和数据码（或D码）等多种信号分量，其中P码和C/A码统称为测距码。GPS卫星信号的产生与构成主要考虑了如下因素；（1）适应多用户系统要求。（2）满足实时定位要求。（3）满足高精度定位需要。（4）满足军事保密要求。,3.5GPS卫星的测距码信号,GPS定位技术及应用GPS定位系统的基础知识电磁波的传播,2.码与码的产生（1）码的概念在现代数字通信中，广泛使用二进制数（0和1）及其组合，来表示各种信息。表达不同信息的二进制数及其组合，称为码。一位二进制数叫一个码元或一比特。比特为码和信息量的度量单位。如果将各种信息例如声音、图象和文字等通过量化，并按某种预定规则，表示成二进制数的组合形式，则这一过程称为编码。在二进制数字化信息的传输中，每秒传输的比特数称为数码率，表示数字化信息的传输速度，单位为bit/s。通过一个时间延迟器来调整使码元相互完全对齐，则可以从接收机的时间延迟器中测出卫星信号到达用户接收机的准确传播时间，从而准确测定站星距离。,3.GPS的测距码GPS卫星所采用的两种测距码，即C/A码和P码（或Y码），均属于伪随机码。（1）C/A码：是由两个10级反馈移位寄存器组合而产生。码长Nu=210-1=1023比特，码元宽为tu=1/f1=0.97752s,（f1为基准频率f0的10分之1，1.023MHz）,相应的距离为293.1m。周期为Tu=Nutu=1ms，数码率为1.023Mbit/s。C/A码的码长短，共1023个码元，若以每秒50码元的速度搜索，只需20.5s，易于捕获，称捕获码。码元宽度大，假设两序列的码元对齐误差为为码元宽度的100分之1，则相应的测距误差为2.9m。由于精度低，又称粗码。,（2）P码P码产生的原理与C/A码相似，但更复杂。发生电路采用的是两组各由12级反馈移位寄存器构成。码长Nu2.351014比特，码元宽为tu=1/f0=0.097752s，