《GPS定位系统》PPT课件

第8章全球定位系统的定位技术,一、GPS概述,（一）GPS及其背景它的全称是卫星授时测距导航系统/全球定位系统（NAVSTAR/GPS；NavigationSystemtimingAndRanging/GlobalPositioningSystem）GPS是美国军方研制的第二代卫星导航系统(1)全球通用，24小时可以定位，测速和授时(2)确保美国军事安全，服务于全球战略(3)导航精度可达1020m(4)1994年3月28日建成，取代其它导航系统,GPS用于军事,飞行高度9,840英尺/3,000米,GPS与NNSS的主要特征比较,注：NNSS是美国于1964年建成的海军导航系统,GPS与GLONASS的主要特征比较,注：GLONASS是俄罗斯于1996年建成的全球定位系统,（二）GPS的特点覆盖面广、精度高、实时定位速度快、无需测站间通视、可提供三维坐标、操作简便、全天候作业、功能多、保密性,GPS测量与经典测量方法的对比：,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,GPS用于大地测量,（三）GPS的系统组成,空间部分24颗GPS卫星组成,用户部分GPS接收机,控制部分1个主控站5个监控站3个注入站,注入站,监控站,主控站,空间星座部分：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：接收卫星信号记录处理数据提供导航定位信息,GPS空间星座部分,24颗卫星(21+3)6个轨道平面55轨道倾角20200km轨道高度(地面高度)11小时58分(恒星时)轨道周期5个多小时出现在地平线以上(每颗星)在全球各处能观测到高度角15的卫星4颗以上,GPS卫星,（目前轨道上实际运行的卫星个数已经超过了32颗）,GPS卫星在轨道上的分布,GPS地面监控部分,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)大西洋迭哥伽西亚(DiegoGarcia)印度洋卡瓦加兰(kwajalein)太平洋五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii),GPS用户部分,1.GPS接收机的功能跟踪、接收、放大、处理卫星信号，测量出信号从卫星到天线的传播时间。解译导航电文，实时解算测站三维位置。2.GPS接收机的类型3.GPS接收机的发展1981年GPS接收机问世测地型已从第一代发展到第三代,目前还在飞速发展。,（2）按信号频率分：单频（L1）双频（L1和L2）,（1）按用途分：导航型授时型测地型,GPS天线部分:将微弱的卫星电磁波信号转变为电信号,并放大,GPS主机部分:1.变频器2.信号通道3.微处理器4.存储器5.显示器,GPS电源部分:,测地型GPS接收机,导航型GPS接收机一般情况下无数据输出的记录存储设备(手持机),（四）GPS的功能导航海空导航、车辆引行、导弹制导等测速其精度可达0.1m/s测时与授时其精度可达340ns（1纳秒=10-9秒）定位,二、GPS定位原理,（一）GPS坐标系,WGS-84坐标系WorldGeodeticSystem-1984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=298.2572.1954北京坐标系(C54)克拉索夫斯基椭球参数：a=6378245m,1/f=298.33.1980西安坐标系(C80)IUGG1975椭球参数：a=6378140m,1/f=298.257,X轴=0经度X轴在赤道平面内,Y轴=东经90度Y轴在赤道平面内,地心坐标为（0，0，0）,Z轴=旋转轴（极轴BIH1984.0）,地球质心为原点的坐标系统（空间直角坐标系）,依定位时的状态动态定位静态定位依定位模式绝对定位（单点定位）相对定位差分定位,依定位采用的观测值伪距测量（伪距定位）载波相位测量依时效实时定位事后定位,（二）GPS测量定位的分类,(三)GPS定位原理,卫星信号结构,基准频率10.23MHZ,L11575.42MHZ,C/A码1.023MHZ,P码10.23MHZ,L21227.60MHZ,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),对卫星进行测距,GPS定位的各种常用观测量,地心,Si,Pij,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)R为未知的测站点位矢量,距离观测值的计算,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=Ct,(三)单点定位结果的获取,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,伪距单点定位原理,伪距单点定位的应用特点既能用于静态定位，也可进行动态定位而用于导航定位速度快、实时性好对信号的强度要求不高但定位精度较低（理论上为10米30米，在SA和AS技术作用下误差达100米以上）,GPS定位的误差来源,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，2000年5月取消),AS技术：防电子欺骗技术；卫星星历误差；卫星钟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；天线相位中心误差；接收机软件和硬件误差另外有接收机的对中、整平误差等,（四）GPS载波相位测量,1.采用载波相位观测值,卫星广播的电磁波信号：,信号量测精度优于波长的1/100载波波长比C/A码波长短得多所以，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=29.3m,L2=24cm,L1=19cm,C/A=293m,载波相位测量的特点定位精度比伪距定位精度高可用于进行静态绝对定位、静态相对定位、差分动态定位,设法解算出初始整周未知数,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)t0至ti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,初始整周未知数的确定与定位精度的关系,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,（五）GPS相对定位相对定位的原理相对定位是用两台（或多台）接收机分别安置在一条（或多条）基线的两端，同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点的相对位置或基线向量在相对定位时，通过对观测量求差，可以消除卫星钟差、接收机钟差，削弱电离层和对流层折射的影响，提高测量精度,可以消去卫星钟的系统偏差可以消去接收机时钟的误差,可以消去轨道(星历)误差的影响可以削弱大气折射对观测值的影响,组成星际站际两次差分观测值,伪距差分测量精度可达0.5m-5m此种测量形式一般称为DGPS,基线向量,B,A,伪距差分定位技术,RTD测量原理图,测深仪,电脑,发射电台,GPS主机,基准站,移动站,GPS主机,接收电台,如果使用载波差分或同时使用载波差分及伪距差分则定位精度可达5-10mm+1ppm,基线向量,B,A,载波相位差分定位技术,常规GPS的测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分(Real-TimeKinematic)方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据(伪距观测值，相位观测值)及已知数据传输给流动站接收机。,什么是RTK技术,发射电台,GPS主机,基准站,移动站,GPS主机,RTK测量原理图,采集器,接收电台,三、GPS在测量中的应用,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数据处理自动化,(一)GPS用于大地测量1、GPS静态定位的主要应用领域,在15截止高度角以上不存在障碍物周围没有反射面，不致引起多路径效应安全避开过往行人和车辆附近不应该有强辐射源(如无线电台、电视发射天线等)可靠的电源供应足够的内存容量正确的配置参数(观测类型、记录速率)检查天线高和偏差仪器的正确检测,2、GPS测量前注意事项,3、GPS布网方法,充分考虑建立GPS控制网的应用范围采用分级布网的原则GPS测量的精度标准,国家测绘局1992年制订的我国第一部“GPS测量规范”将GPS的精度分为AE五级(见下表)。其中A、B两级一般是国家GPS控制网。C、D、E三级是针对局部性GPS网规定的。,GPS网设计的一般原则应通过独立观测边构成闭合图形，以增加检核条件，提高网的可靠性。应尽量与原有地面控制网相重合，重合点一般不少于3个，且分布均匀。应考虑与水准点相重合，或在网中布设一定密度的水准联测点。点应设在视野开阔和容易到达的地方，联测方向。可在网点附近布设一通视良好的方位点，以建立联测方向。根据GPS测量的不同用途，GPS网的独立观测边均应构成一定的几何图形，基本形式有：1.三角形网2.环形网3.星形网,(1)三角形网,优点：图形几何结构强，具有较多的检核条件，平差后网中相邻点间基线向量的精度比较均匀。缺点：观测工作量大。一般只有在网的精度和可靠性要求较高时，才单独采用这种图形。,(2)环形网,优点：观测工作量较小，且具有较好的自检性和可靠性。缺点：非直接观测基线相邻点间的基线精度分布不均匀。边(或间接边)精度较直接观测边低，是大地测量和精密工程测量中普遍采用的图形，通常采用上述两种图形的混合图形。,(3)星形网,优点：观测中只需要两台GPS接收机，作业简单。缺点：几何图形简单，检验和发现粗差能力差。广泛用于工程测量、边界测量、地籍测量和碎部测量等。,4、野外记录手簿内容,点标识:日期:天气:接收机序列号:设站类型:天线高读数:天线高偏差:跟踪开始时间:跟踪结束时间:观测历元数:观测卫星数(卫星号):GDOP:导航定位解:经度.纬度.高程作业员：,5、时间和基线长度,观测时间取决于:基线长度卫星数卫星几何图形(GDOP)电离层电离层扰动随时间、日夜、月、年、地点而变化，静态或快速静态最短观测时间不要少于15分钟。根据实践经验，基线观测时间应该是基线长度每公里5分钟加上最短15分钟。,基线长与同步观测时间长短的关系,根据经验，不同基线长所需同步观测时间如下：12公里3060分钟25公里4090分钟510公里90120分钟1020公里120分钟以上单频GPS一般只测20公里以内的基线,一种描述纯粹因卫星几何因素对定点精度的影响精度因子指出在测量时被跟踪卫星几何结构上的强度GDOP(Geometrical)包括经度,纬度,高程和时间等因子，称为几何精度因子PDOP(Positional)包括经度,纬度和高程等因子，称为空间位置精度因子HDOP(Horizontal)包括经度和纬度等因子，称为平面位置精度因子VDOP(Vertical)仅包括高程因子，称为高程精度因子,较好的DOP,精度因子(DOP),一种描述纯粹因卫星几何因素对定点精度的影响精度因子指出在测量时被跟踪卫星几何结构上的强度GDOP(Geometrical)包括经度,纬度,高程和时间等因子，称为几何精度因子PDOP(Positional)包括经度,纬度和高程等因子，称为空间位置精度因子HDOP(Horizontal)包括经度和纬度等因子，称为平面位置精度因子VDOP(Vertical)仅包括高程因子，称为高程精度因子,精度因子(DOP),6.GPS的数据处理,数据传输基线向量解算闭合环检核(同步环和异步环)重复基线检核WGS-84自由网平差和三维约束平差二维约束平差(在C80或C54坐标系)高程拟合,7.GPS高程拟合,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，一般用符号Hg表示。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,高程系统间的转换,似大地水准面到参考椭球面的距离称为高程异常，似大地水准面不规则，造成了各地