第5章 GPS定位技术(更新)

1、定位：测量和表达信息、事件或目标发生在什 么时间、什么相关的空间位置的理论方 法和技术。导航：指对运动的目标（通常指运载工具如飞 船、飞机、船舶、汽车等）的实时、动态 定位。 定位是导航的基础，导航是目标或物体在动态环境下的位置与姿态的确定。 全球四大定位系统 美国GPS 俄罗斯“格洛纳斯” GLONASS 欧洲“伽利略”GALILEO 中国“北斗-双星”导航定位系统 其中，GPS导航卫星定位系统最实用，也是应用最为广泛的全球精密导航与定位、指挥、调度系统。1、全球全天候定位全球全天候定位 GPS卫星的数目较多，且分布均匀，保证了地球上任何地方任何时间至少可以同时观测到4颗GPS卫星，确保实现

2、全球全天候连续的导航定位服务（除打雷闪电不宜观测外）。2、定位精度高、定位精度高 应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50km以内可达10-6m，100-500km可达10-7m，1000km可达10-9m。在300-1500m工程精密定位中，1小时以上观测时解其平面位置误差小于1mm，与ME-5000电磁波测距仪测定的边长比较，其边长较差最大为0.5mm，校差中误差为0.3mm。 实时单点定位实时单点定位(用于导航)：P码12m ；C/A码510m。 静态相对定位静态相对定位：50km之内误差为几mm+(12ppm*D)；50km以上可达0.10.01ppm。 实时伪距差分实时伪距差分(R

3、TD)(RTD)：精度达分米级。 实时相位差分实时相位差分(RTK)(RTK)：精度达12cm。3、观测时间短、观测时间短 随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20km以内相对静态定位，仅需15-20分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15KM以内时，流动站观测时间只需1-2分钟；采取实时动态定位模式时，每站观测仅需几秒钟。 因而使用GPS技术建立控制网，可以大大提高作业效率4、测站间无需通视、测站间无需通视 GPS测量只要求测站上空开阔，不要求测站之间互相通视，因而不再需要建造觇标。这一优点既可大大减少测量工作的经费和时间（一般造标费用约占总经费的30%50%

4、），同时也使选点工作变得非常灵活，也可省去经典测量中的传算点、过渡点的测量工作。5、仪器操作简便、仪器操作简便 随着GPS接收机的不断改进，GPS测量的自动化程度越来越高，有的已趋于“傻瓜化”。在观测中测量员只需安置仪器，连接电缆线，量取天线高，监视仪器的工作状态，而其它观测工作，如卫星的捕获，跟踪观测和记录等均由仪器自动完成。结束测量时，仅需关闭电源，收好接收机，便完成了野外数据采集任务。 如果在一个测站上需作长时间的连续观测，还可以通过数据通讯方式，将所采集的数据传送到数据处理中心，实现全自动化的数据采集与处理。另外，现在的接收机体积也越来越小，相应的重量也越来越轻，极大地减轻了测量工作者

5、的劳动强度。6、可提供全球统一的三维地心坐标、可提供全球统一的三维地心坐标 GPS测量可同时精确测定测站平面位置和大地高程。目前GPS水准可满足四等水准测量的精度，另外，GPS定位是在全球统一的WGS-84坐标系统中计算的，因此全球不同地点的测量成果是相互关联的。7、应用广泛、应用广泛 美国的全球定位系统（GPS）计划自1973年起步，1978年首次发射卫星，1994年完成24颗中等高度圆轨道卫星组网，历时16年，耗资200亿美元。至今已先后发展了三代卫星。 整个系统由空间部分、控制三部分和用户部分组成。一、空间部分 GPS卫星星座：21颗卫星加3颗轨道备用卫星，实际已有2728在轨运行卫星。

6、卫星高度：20 200km卫星轨道周期：11h 58min卫星轨道面：6个，每个轨 道至少4颗卫星轨道倾角：55，为轨道 面与地球赤道面的夹角GPS系统星座系统星座GPS卫星GPS卫星可见性：地球上或近地空间任何时间至少可见4颗，一般可见68颗。GPS卫星信号： 载波频率：L波段双频L1为1575.42MHz，L2 为1227.60MHz； 卫星识别：码分多址（CDMA），即根据 调制码来区分卫星； 测距码：C/A码伪距（民用），P1、P2码 伪距（军用）； 导航数据：卫星轨道坐标、卫星钟差方 程式参数、电离层延迟修 正，以上数据成为广播星历。 它相当于向用户提供了定位 的已知参考点的（卫星）

7、起 算坐标和系统参考时间以及 相关信号传播误差修正。地面控制部分地面控制部分GPSGPS一个主控站一个主控站：科罗拉多科罗拉多斯必灵司斯必灵司三个注入站三个注入站：大西洋的大西洋的阿松森(Ascencion)岛 印度洋的印度洋的迪戈伽西亚(Diego Garcia)岛 太平洋的太平洋的卡瓦加兰(kwajalein)岛五个监测站五个监测站 ： 1个主控站个主控站+3个注入站个注入站+夏威夷夏威夷(Hawaii)HawaiiAscencionDiego GarciakwajaleinColorado springsColorado springsHawaiiAscencion二、控制部分 GPS地

8、面监控站的分布示意图地面监控站的分布示意图Ascension Island:阿松森群岛阿松森群岛 注入站、监控站注入站、监控站Diego Garcia: 迭哥伽西亚迭哥伽西亚 注入站、监控站注入站、监控站Kwajalein: 卡瓦兰卡瓦兰 注入站、监控站注入站、监控站Colorado : 科罗拉多科罗拉多 主控站主控站、监控站、监控站Hawaii： 夏威夷夏威夷 监控站监控站监控站监控站 主控站主控站 注入站注入站 夏威夷夏威夷 科罗拉多科罗拉多 阿松森阿松森 迭哥加西亚迭哥加西亚 卡瓦加兰卡瓦加兰 地面控制部分地面控制部分GPSGPS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

9、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。HawaiiAscencionDiego GarciakwajaleinColorado springs地面控制部分地面控制部分GPSGPS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。HawaiiAscencionDiego GarciakwajaleinColorado springs地面控制部分地面控制部分GPSGPS除协调和管理地面监控系统外，主要任务：2）提供全球定位系统

10、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。HawaiiAscencionDiego GarciakwajaleinColorado springs地面控制部分地面控制部分GPSGPS除协调和管理地面监控系统外，主要任务：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。HawaiiAscencionDiego GarciakwajaleinColorado springs地面控制部分地面控制部分GPSGPS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

11、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。HawaiiAscencionDiego GarciakwajaleinColorado springs地面控制部分地面控制部分GPSGPS 整个整个GPS系统的地面监控部分，除主控站外均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钟和计算机的驱动和控制下，实现高度的自动化标准化。准化。HawaiiAscencionDiego Garciakwajalein

12、Colorado springs三、用户部分 GPS接收机由接收天线和信号处理运算显示两大部件组成。其主要作用是从GPS卫星收到信号并利用传来的信息计算用户的三维位置及时间。 按用途分：导航型、测地型、授时型导航型、测地型、授时型 按载波频率分：单频接收机、双频接收机单频接收机、双频接收机 GPSGPS用户设备部分用户设备部分按用途分：按用途分：导航型、测地型、授时型导航型、测地型、授时型按载波频率分：按载波频率分：单频接收机、双频接收机单频接收机、双频接收机北京博飞北京博飞GPSGPS接收机接收机轻巧的主机轻巧的主机 GPS导航系统的基本原理导航系统的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为

13、已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。 要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到。 由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）。 当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。 由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个t即卫星与接收机之间的时间差作为

14、未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。 如图所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式： 由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z 和接收机的钟差Vto 。 上述四个方程式中待测点坐标x、 y、 z 和Vto为未知参数，其中di=cti (i=1、2、3、4)。 di (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。 ti (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的

15、信号到达接收机所经历的时间。 c为GPS信号的传播速度（即光速）。四个方程式中各个参数意义如下：x、y、z 为待测点坐标的空间直角坐标。xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。Vt i (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。Vto为接收机的钟差。 根据定位时接收机的运动状态分：动态定位、静态定位； 根据定位的模式分：绝对定位（单点定位）、相对定位（差分定位）； 根据获取定位结果的时间分：实时定位、非实时定位（后处理定位). 单点定位就是根据一台接收机的观

16、测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。 相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。 在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，。 GPS是一种全天候、高精度的连续定位系统，它被广泛的应用于各个领域。 (1)陆地应用，主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测

17、量、变形监测、地壳运动监测、 市政规划控制等； (2)海洋应用，包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等； (3)航空航天应用，包括飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。 GPS技术也同样应用于特大桥梁的控制测量中。由于无需通视，可构成较强的网形，提高点位精度，同时对检测常规测量的支点也非常有效。GPS技术在隧道测量中也具有广泛的应用前景，GPS测量无需通视，减少了常规方法的中间环节，因此，速度快、精度高，具有明显的经济和社会效益 全球GPS产品销售及服务年度总收入0 02,

18、 0002, 0004, 0004, 0006, 0006, 0008, 0008, 00010, 00010, 00012, 00012, 00014, 00014, 00016, 00016, 00018, 00018, 000$ M i l l i ons$ M i l l i ons1996199619971997199819981999199920002000200120012002200220032003（2003年达16亿美元）0 02, 0002, 0004, 0004, 0006, 0006, 0008, 0008, 00010, 00010, 00012, 00012, 0

19、0014, 00014, 00016, 00016, 00018, 00018, 0001996199619971997199819981999199920002000200120012002200220032003$ M i l l i ons$ M i l l i onsM i l i taryM i l i taryM ari neM ari neAvi ati onAvi ati onSurvey/ M appi ng/ G I SSurvey/ M appi ng/ G I SO EMO EMTracki ng/ M achi ne C ontrolTracki ng/ M achi

20、 ne C ontrolC onsum erC onsum erC ar navi gati on C ar navi gati on 全球运用GPS各行业的收入统计图 (Worldwide GPS Revenues By Market Segment)GPSGPS系统的建立给导航和定位技术带来了巨大的变化，系统的建立给导航和定位技术带来了巨大的变化，它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，可以满它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，可以满足不同用户的需要。足不同用户的需要。 GPS Navigation in the AirPilots on long distance fli

21、ghts without GPS rely on navigational beacons located across the country. Using GPS, aircraft can fly the most direct routes between airports. 对飞机而言对飞机而言，它可以在飞机进，它可以在飞机进场、着陆，中途导航，飞机会合场、着陆，中途导航，飞机会合和空中加油，武器准确投掷及空和空中加油，武器准确投掷及空中交通管制等方面进行服务。中交通管制等方面进行服务。 没有没有GPSGPS，飞机远距离的飞行依靠的是地面的导航站，而，飞机远距离的飞行依靠的是地面的导

22、航站，而运用运用GPSGPS导航，飞机就可在机场间最直接的航线上飞行。导航，飞机就可在机场间最直接的航线上飞行。 航空航空 Aviationw GPSGPS被允许用于飞行途被允许用于飞行途中的导航；中的导航； w 更加便捷的航线可节约更加便捷的航线可节约燃料；燃料； w 更好对飞行器跟踪可提更好对飞行器跟踪可提高飞行安全；高飞行安全； w 精确定位与导航可提高精确定位与导航可提高航线的容量航线的容量 在陆地上，在陆地上，可用于各种车辆、可用于各种车辆、坦克、陆军部队、炮兵、空降兵坦克、陆军部队、炮兵、空降兵和步兵等的定位，还可用于大地和步兵等的定位，还可用于大地测量、摄影测量、野外调查和勘测量

23、、摄影测量、野外调查和勘探的定位，甚至可以深入到每个探的定位，甚至可以深入到每个人的生活中去，如用于汽车、旅人的生活中去，如用于汽车、旅行、探险、狩猎等方面。行、探险、狩猎等方面。 MANPACK GPS Receiver第一台可供军方在野外使用的便第一台可供军方在野外使用的便携式接收机是携式接收机是PSN-8 “ManpackPSN-8 “Manpack” ” 接收机，从接收机，从19881988至至19931993年共计生年共计生产产14001400台。台。用户用户/娱乐娱乐 Consumer/Recreationalw Portable receivers for fishermen,

24、hunters, hikers, cyclists, etc. w Recreational facilities - golf courses, ski resorts w Integration of GPS into cellular phones nE-911 requirement汽车导航汽车导航Car Navigationw 提供出行路线的规划和导航提供出行路线的规划和导航 w 车辆管理、信息查询车辆管理、信息查询 w 紧急援助、话务指挥紧急援助、话务指挥 w 车辆跟踪车辆跟踪 w 日本占领了大部分市场日本占领了大部分市场 20012001年汽车导航芯片销售年汽车导航芯片销售达达1

25、1301130万美元，万美元，20032003年达年达到到4.74.7亿美元亿美元 对舰船而言，对舰船而言，它能在海上协同作战，海洋交通管制，它能在海上协同作战，海洋交通管制，海洋测量，石油勘探，海洋捕鱼，浮标建立，管道铺设，海洋测量，石油勘探，海洋捕鱼，浮标建立，管道铺设，浅滩测量，暗礁定位，海港领航等方面作出贡献。浅滩测量，暗礁定位，海港领航等方面作出贡献。 Nautical Chart ErrorThe data collected from satellite navigation systems provide more accurate information for maps a

26、nd nautical and aeronautical charts. This example demonstrates how charts are updated to prevent navigational mishaps. 从卫星导航系统收集来的数据能为陆地、航海、航天的从卫星导航系统收集来的数据能为陆地、航海、航天的各种地图提供更加精确的信息，图中示例展示了运用各种地图提供更加精确的信息，图中示例展示了运用GPSGPS精精确定位为航海地图进行暗礁位置更新以防止发生不幸事故。确定位为航海地图进行暗礁位置更新以防止发生不幸事故。DGPS长江流域多基准站导航网w 从宜宾至长江口从宜宾

27、至长江口2800余公里的航道上，余公里的航道上，可在南京、武汉、宜可在南京、武汉、宜昌、重庆、宜宾等地昌、重庆、宜宾等地设置五个基准站。在设置五个基准站。在该基准站网的覆盖范该基准站网的覆盖范围内（见图），如采围内（见图），如采用中波数据链，其导用中波数据链，其导航精度将优于航精度将优于10m。 勘测勘测/制图制图/GIS Surveying/Mapping/GISw GPSGPS控制测量可达到控制测量可达到mmmm级精度级精度 w 可达到可达到100%-300% 100%-300% 的节约人力、财的节约人力、财力和时间。力和时间。 w 国内已采用国内已采用GPSGPS技术建立线路首级高技术建

28、立线路首级高精度控制网，如沪宁、沪杭高速公精度控制网，如沪宁、沪杭高速公路的上海段就是利用路的上海段就是利用GPSGPS建立了首级建立了首级控制网，然后用常规方法布设导线控制网，然后用常规方法布设导线加密。加密。 w GPSGPS技术应用于特大桥梁的控制测技术应用于特大桥梁的控制测量中。由于无需通视，可构成较强量中。由于无需通视，可构成较强的网形，提高点位精度，如在江阴的网形，提高点位精度，如在江阴长江大桥的建设中，首先用常规方长江大桥的建设中，首先用常规方法建立了高精度边角网，然后利用法建立了高精度边角网，然后利用GPSGPS对该网进行了检测，对该网进行了检测，GPSGPS检测网检测网达到了

29、毫米级精度，与常规精度网达到了毫米级精度，与常规精度网的比较符合较好。的比较符合较好。 隧道贯通测量 w 横跨英法海峡的欧洲海底隧道工程 科学研究科学研究Scientific Researchw 不间断的监测地质的变不间断的监测地质的变化情况，如冰川、河床、化情况，如冰川、河床、地震、火山等地震、火山等 w 追踪野生动物迁徙活动追踪野生动物迁徙活动 w 研制气象模型，测定大研制气象模型，测定大气中水蒸气的含量气中水蒸气的含量 w 海洋研究海洋研究 n洋流洋流 n海底形状海底形状Trimble AgGPS AutoPilot -精确自动导航、自动驾驶辅助系统 AgGPS EZ-Guide -专业的农业平行收割、播种 农业应用农业应用 Agricultural ApplicationsTrimble AgGPS 170 -功能强大的Trimble Ag GPS专用野外数据采集系统 GPSGPS技术已发展成技术已发展成多领域多领域（陆地、海洋、航空航天）、（陆地、海洋、航空航天）、多模式多模式（GPSGPS、DGPSDGPS、LADGPSLADGPS、WADGPSWADGPS）、）、多用途多用途（在途导（在途导航、精密定位、精确定时、航、精密定位、精确定时、卫星定轨、灾害监测、