GPS基础知识培训(共46张)

1、GPS基础知识基础知识n 北京合众思壮责任有限公司北京合众思壮责任有限公司n 长沙办事处长沙办事处n 左文君左文君 目目 录录第一节第一节 GPS系统的发展过程及系统组成系统的发展过程及系统组成第二节第二节 GPS的测距原理及实现的测距原理及实现第三节第三节 GPS的现代化的现代化 第一节第一节 GPS GPS系统的发展过程及系统的发展过程及 系统组成系统组成 什么是什么是GPSGPSGPS: NAVSTAR GPS-Navigation System with Time and Ranging Global Positioning System 导航授时测距全球定位系统导航授时测距全球定位系

2、统。 是一个基于卫星的无线电导航定位系统，是一个基于卫星的无线电导航定位系统，为有适当仪器的用户提供精密的三维坐标，导航为有适当仪器的用户提供精密的三维坐标，导航与时间信息与时间信息。 1.1.GPS1.1.GPS系统的发展过程系统的发展过程 GPS系统由美国从1973年开始研制，起初完全是一个军用导航系统，从1983年开始用于解决大地测量问题。系统的最终构成在1993/1994年间完成。1.2.GPS1.2.GPS系统的组成系统的组成GPSGPS系统由三部分组成：系统由三部分组成： 空间部分空间部分-主动式工作卫星； 控制部分控制部分-一个主控站，三个注入站，五个监 测站组成 用户部分用户部

3、分-不同类型的接收机和相关设备及软件等。 空间部分空间部分： 由24颗卫星加N颗主动式备用卫星组成。卫星分布在轨道倾角为55度的六个近似圆形的轨道面上。轨道运行的周期为精确的11小时58分恒星时。 最终的卫星分布能保证在地球上任何一个地方任何时间至少可以同时看到4颗卫星。 控制部分：控制部分： 包括一个主控站，三个注入站，五个监测站组成。它们的作用在于：连续的监 测与控制卫星系统；确定GPS系统时间；预报卫星星历与卫星钟状态；周期性的更新每颗卫星上的导航电文。 用户部分：用户部分： 各种类型的用户接收机和相关设备等。其作用是捕获卫星信号，并对接收到的卫星信号进行变换、放大和处理，测量出卫星信号

4、从卫星到接收机天线的传播时间，解译出卫星所发送的导航电文，实时地解算出测量点的三维坐标、速度和时间。 1.3.GPS1.3.GPS信号信号 GPSGPS信号：信号： GPS信号卫星向广大用户发送的用于导航定位的已调波，其载波处于L波段。 L1载波：1575.42MHZ , 波长为9.03cm L2载波：1227.60MHZ , 波长为24.42cm 其中L1载波携带伪码(C/A码)、P码（Y码）和导航信息, L2主要携带P码（Y码）。而导航信息也被称为广播星历, 包含GPS卫星的轨道参数、卫星轨道参数、卫星钟改正数和其它系统参数钟改正数和其它系统参数。1.4.GPS1.4.GPS定位定位 定位

5、基本原理：定位基本原理： 以用户至4颗卫星的伪距的观测值，在适当的参考坐标系中根据已知的卫星坐标确定用户天线的坐标。)()()()(222tczzyyxxiiiGPSGPS系统指标系统指标卫星颗数：卫星颗数： 24+7 24+7轨道面数：轨道面数： 6 6轨道倾角：轨道倾角： 55 55轨道高度：轨道高度： 20,183 20,183公里公里运行周期：运行周期： 11 11小时小时5858分分载波频率：载波频率： L1:1575.42 Mhz, L1:1575.42 Mhz, L2:1224.60 Mhz L2:1224.60 Mhz传输方式：传输方式： 码分多址码分多址调制码：调制码： C/

6、A, P C/A, P第二节第二节 GPS GPS的测距原理及实现的测距原理及实现)()()()(222tczzyyxxiii2.1 GPS 2.1 GPS 定位步定位步骤骤 要解算用户的三维坐标位置，必须有若干个已知参考点要解算用户的三维坐标位置，必须有若干个已知参考点 要解算出用户到参考点的基线结果，必须解空间三角形要解算出用户到参考点的基线结果，必须解空间三角形 要解三角形，必须测量用户接收机到卫星的距离要解三角形，必须测量用户接收机到卫星的距离 要测量距离，必须测量卫星信号到用户接收机的传输时间要测量距离，必须测量卫星信号到用户接收机的传输时间 用测量卫星信号的传输时间，需要使用用测量

7、卫星信号的传输时间，需要使用“码相位技术码相位技术” 要得到精确结果，还要消除信号在传输路径上的误差要得到精确结果，还要消除信号在传输路径上的误差测量用户接收机到卫星的距离测量用户接收机到卫星的距离卫星离地球的平均距离为卫星离地球的平均距离为 20200 20200 公里；公里；如何实现精确、快速测距如何实现精确、快速测距 ? ?测量卫星信号到用户接收机的传输时间测量卫星信号到用户接收机的传输时间 判断闪电离我们有多远判断闪电离我们有多远 判断绽放的礼花离我们有多远判断绽放的礼花离我们有多远我们得到的启示：通过测量时间延迟来计算距离我们得到的启示：通过测量时间延迟来计算距离生活中的测距实例：生

8、活中的测距实例：我们举例说明如何测量两个人之间的距离我们举例说明如何测量两个人之间的距离使用使用“同步技术同步技术”，利用声波来测量两个人之间的，利用声波来测量两个人之间的距离。距离。同步声波特点：频率一样，结构一致同步声波特点：频率一样，结构一致初始状态初始状态通过加入通过加入1/41/4拍延时拍延时通过加入通过加入 (1/4 + 1/8) (1/4 + 1/8) 拍延时拍延时红色信号部分是通过红色信号部分是通过“等待等待”了了 (1/4 + 1/8) (1/4 + 1/8) 拍来得到和拍来得到和绿色信号同步的，即二者的时延就是绿色信号同步的，即二者的时延就是 (1/4 + 1/8) (1/

9、4 + 1/8) 拍。拍。从聆听者的角度来说，当两首歌曲听起来感觉没有一从聆听者的角度来说，当两首歌曲听起来感觉没有一前一后的效果时，就可以认为两首歌曲已经达到同步前一后的效果时，就可以认为两首歌曲已经达到同步效果了，是同时到达聆听者的耳朵里。这个效果是由效果了，是同时到达聆听者的耳朵里。这个效果是由红色信号部分人为地加上延时造成的。红色信号部分人为地加上延时造成的。聆聆听听者者通过测定红色信号的延时值，可以得到通过测定红色信号的延时值，可以得到两点间的距离。两点间的距离。距离距离 = = t t 声速声速 2.2 2.2 误差来源：误差来源： 单一伪距测量误差；单一伪距测量误差； 卫星几何图

10、形结构。卫星几何图形结构。单一伪距测量误差：单一伪距测量误差： 1 1、与、与GPSGPS卫星有关的误差卫星有关的误差 卫星星历误差；卫星钟误差 2 2、与信号传播路径有关的误差、与信号传播路径有关的误差 电离层衰减、畸变；对流层时移；多径 效应 3 3、与接收机有关的误差、与接收机有关的误差 接收机钟误差；模型算法误差。卫星几何图形结构：卫星几何图形结构： 在GPS定位中，常采用几何误差放大因子来表示几何图形强度。 RDOP：相对定位几何精度因子，取决于定位星座的几何结构 GDOP：几何精度因子，描述空间位置误差和时间误差综合影响的精度因子 GPS定位时的误差可以用总的等效距离误差和几何误差

11、放大因子GDOP的乘积来表示。消除、削弱上述误差影响的方法有以下几种：消除、削弱上述误差影响的方法有以下几种： 1、建立误差改正模型 2、求差法（差分） 3、选择较好的硬件和较好的观测条件 4、是设法增强几何强度，减小DOP值。差分定位差分定位 在测量上，由于导航方式的定位精度太低，因此，我们主要利用差分定位的方式进行测量，引入差分的目的就是为了消除GPS测量中的系统误差。 根据对误差的分析，我们可以知道，在一定距离范围内的两个观测站同时进行单点定位时，系统误差对两个观测站的影响大体上相同。因此，差分的基本原理是同时使用两台或两台以上的GPS接收机进行测量，通常一台接收机固定不动，架设在已知点

12、上作为基准站（Base Station），另一台作为游动站（Rover Station），以固定（静态）的方式或流动（动态）的方式放置在待测点上。 基准站与游动站同时观测相同的卫星，基准站利用接收到的卫星信号进行单点定位解算，然后用解算结果与已知点坐标进行比较，从而获得误差的改正值，再利用无线数据链路（或后处理软件）将改正值传给游动站，流动站将该数据与本身观测到的数据进行差分解算，从而得到流动站与基准站之间的具有较高精度的相对位置。 第三节第三节 GPS GPS的现代化的现代化 3、GPS的现代化1) 在L1和L2上加发新的军用M码；2) 在L2上加发民用的 L2C 码；3) 增加第三民用频率

13、L5 (1176.45MHZ)；4) 增强抗干扰能力，其中包括提高信号的强度；5) 采用军民信号分离技术。3.2 3.2 当前卫星导航定位技术当前卫星导航定位技术WAAS系统 - 广域差分系统，又称地基系统该系统是在“差分定位”基础上发展起来的，但它不是简单播发“伪距差分”信息，而是播发： 各GPS卫星的星历改正 各GPS卫星的钟差改正 控制区内若干网点的电离层延迟改正参数该系统是：(1) 在全球或地区内布设若干个基准站；(2) 各基准站连续跟踪观测视野内的GPS卫星；(3) 将观测数据传送给地面中心站；(4) 中心站连续进行数据处理，计算出以上各差分改正，(5) 然后将差分改正参数通过网络系

14、统或通信卫星进行 广播；(6) GPS接收机在观测卫星的同时接收广域差分改正参数， 进行定位解算。其码定位精度可达：水平位置12M ，高程精度可达 2 3 M。WAAS 示意图 目前各主要国家和地区都已建立或正在建立 WAAS 系统，如美国、欧洲、日本等。中国也已由总参测绘局建立了WAAS系统，并于今年开始运行，其定位精度为 5.00 米。CROS系统 - 连续运行站网系统该系统是一个高精度定位系统，是在 RTK 基础上发展起来的。其基本原理是： 在全球或区域内，布设密集的基准站网 各基准站设置高精度双频接收机，24小时连续运行，观测 载波相位和伪距 通过网络，向各用户提供连续运行观测站观测的

15、载波、相 位和码距；也可以提供IGS精密卫星星历和预报星历； 用户选择相邻的三个CORS基准站的观测数据，进行准实 时或后处理 该系统的定位精度可达：水平1.0cm, 高程3.7cm 该系统还可以提供大地高转换成正高的参数，以进行高程 转换。我国也准备建立由300多个连续运行基准点组成的CORS系统。现已由国家地震局、总参测绘局、国家测绘局组成的班子进行论证筹划。星基定位系统该系统也是由RTK发展起来。其特点是：(1) 通过通讯卫星Inmarsat广播差分改正参数；(2) 其定位精度为15cm 30cm该系统的基本组成和功能为：1) 基准站：在全球建立几十个（5070）连续运行基准站，设置高精

16、度双频接收机进行连续观测。2) 中心站（2个）所有基准站的观测数据，实时通过 Inmarsat 卫星传送给中心站，中心站根据各观测站的数据，进行实时计算和预推。计算GPS卫星的精密星历和星历改正数、卫星钟差改正数。 3) 差分改正参数的广播差分改正参数通过 Inmarsat 卫星向全球广播。其广播的差分改正参数为： 卫星轨道改正数 卫星钟差改正参数4) 用户站用户站必须配有双频GPS接收机，既可进行载波相位观测，伪距观测；又可接收差分改正数。5) 用户定位解算 用卫星轨道改正参数，求得精密星历坐标和速度 用卫星钟钟差改正数，求得准确时间 用双频观测数据，计算电离层延迟改正 用模型计算对流层延迟

17、改正目前国际上，有几家公司推出上述产品，如： NAVCOM 公司 OmniSTAR 公司 SeaSTAR 系统 Skyfix 系统 NASA 的 GDGPS 系统定位解算方法定位解算方法观测数据经以上修正后，用L1载波相位值进行精确定位，其定位精度可到15厘米。由于采用以上方法，所以开始观测后，要经过一段初始化时间，才能稳定达到以上精度。除了以上几个外，在以下几个方面也值得我们关注。 1) 新型接收机的研制据悉有的公司已开始研制跟踪观测L1 C/A和L2 C码的接收机，可以进行双频载波相位和伪码距离观测，这样就可以有效地消除电离层延迟和多路径效应的影响，大大地提高定位精度。据说其最好定位精度可以达到1.0毫米，这样其用途就可极大地扩展。2) 干扰和抗干扰的研究