全球定位系统GPS及其应用-精确农业-课件-02

精确农业概论

PrecisionAgricultureconspectus

第二章全球定位系统GPS及其应用

1999年3月27日，北约部队一架F-117A隐形战斗机被南联盟防空部队击落。飞行员跳伞后在脚触地的一刹那，通过手持型信号发射器发出紧急呼救信号，当间谍卫星把呼救信号传送到北约空袭南联盟指挥所后，美军立即安排了救援行动。6小时后，当一架EA-6B电子干扰机发现飞行员的准确位置时，一架MH-6oG搜索与救援直升机降落在飞行员面前，把飞行员接上直升机并安全返回基地。飞行员发出的呼救信号是(）A.GIS系统信号B.GPS系统信号C.RS系统信号D.以上都不对B在伊拉克战争中，曾经有记者问一位飞行员：“你知道去轰炸哪个城市吗？”

飞行员回答：“不知道。”“那你怎么去轰炸呢？”

“容易，上级给我一个坐标，我按计算机的指引，投下采用GPS导航的炸弹掉头就走，跟我玩游戏机没什么两样。”

这个例子是现代战争中引用GPS系统的典型案例。我们反对战争，但要想能更好的维护世界和平，我们也需要了解GPS——全球定位系统这种现代地理信息技术。全球定位系统(GPS)，是随着现代科学技术的迅速发展而建立起来的新一代精密卫星定位系统。本章主要介绍该系统的发展历史及其特点、系统的组成概况、系统定位原理以及GPS的接收原理与应用。1.全球定位系统概述全球定位系统含义GPS是英文GlobalPositioningSystem的缩写，即全球定位系统，它是利用由导航卫星构成的全球卫星定位系统，进行测时和测距。GPS能对静态、动态对象进行动态空间信息的获取，快速、精度均匀、不受天气和时间的限制反馈空间信息。随着信息技术的发展,GPS已经成为定位和导航的一种崭新的手段，它在导航、测绘、地学、交通、农业现代化等领域得到了广泛的应用。全球定位系统的发展历史1957年世界上第一颗人造地球卫星发射成功，40年来，人造地球卫星技术在通信、气象、资源勘察、导航、遥感、大地测量、地球动力学、天文学和军事科学等众多领域，得到了极广泛应用。人造地球卫星的出现，首先引起了各国军事部门的高度重视。1958年底，美国海军武器实验室，开始着手建立为美国海军舰艇导航的卫星系统，即“海军导航卫星系统”（NavyNavigationSatelliteSystem—NNSS）。由于该系统卫星都通过地极，也称“子午（Transit）卫星系统”。1964年该系统建成，并在美国军方启用。1967年美国政府批准该系统解密，提供民用。该系统不受气象条件的限制，自动化程度高，具有良好的定位精度。尽管NNSS在导航技术的发展中具有划时代的意义，但由于该系统卫星数目少（5-6颗），运行轨道低（1000km）,观测时间长（1.5小时），无法提供连续实时三维导航，同时获得一次导航解的时间长，难以满足军事要求，尤其是高动态目标（飞机、导弹等）导航要求。而从大地测量看，定位速度慢，一个测站一般平均观测1-2天；精度低，单点定位精度3-5m，相对定位精度1m，使得在大地测量和地球动力学研究方面的应用，也受到很大限制。为满足军事和民用对连续实时和三维导航的迫切要求，1973年美国国防部开始组织陆海空三军，共同研究建立新一代卫星导航系统的计划，这就是目前所称的“导航卫星授时测距/全球定位系统”（NavigationSatelliteTimingandranging/GlobalPositioningSystem）简称全球定位系统（GPS）。为使GPS具有高精度连续实时三维导航和定位能力，以及良好的抗干扰性能，在设计上采取了若干改善措施。GPS实施计划共分三个阶段：第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到1978年，共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1988年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。第三阶段为实用组网阶段。1989年2月第一颗GPS工作卫星发射成功，表明GPS系统进入工程建设阶段。1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。美国政府的GPS政策SPS与PPSSPS–标准定位服务，使用C/A码，民用PPS–精密定位服务，可使用P码，军用SA（已于2000年5月1日取消）SelectiveAvailability–选择可用性：人为降低普通用户的测量精度。方法ε技术：轨道加绕（长周期，慢变化）δ技术：星钟加绕（高频抖动，短周期，快变化）AS–Anti-Spoofing反电子欺骗–P码加密，P+W->Y其他独立卫星导航与定位系统

GLONASS全球导航卫星系统

EGNOS系统

Galileo系统北斗系统：我国的第一代卫星导航系统类似于GPS，是俄罗斯以空间为基础的无线电导航系统；其前身CICADA与子午系统同期，于1965年设计，有12颗卫星；20世纪70年代中期开始启动GLONASS计划1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星1996年1月18日，完成24颗卫星的布局，卫星具备完全工作能力由于经济原因，现在天空上的GLONASS卫星仅为8颗。GLONASS全球导航卫星系统GLONASSGPSGLONASS卫星星座21+321+3轨道平面6个轨道面3个轨道面轨道倾角55。64.8。轨道高度20,200km19,123km运行周期11小时58分钟11小时15分钟星历数据轨道开普勒根数地心直角坐标卫星寻址CDMA（码分多址）不同的卫星采用不同的PRN码加以区分FDMA（频分多址）（L1）1602+k?/16MHz（L2）1246+k?/16MHz载波频率L1：1575.42MHzL2：1227.6MHz1602.5625MHz~1615.5MHz1246.4375MHz~1256.5MHz基准坐标系WGS-84PZ-90测距码伪随机噪声码伪随机噪声码码元数1023bit511bit码周期1ms1ms码频率1.023MHz0.511MHz时间基准GPS时统，与UTC保持一定的差值，无跳秒GLONASS时统，经常调整与UTC保持一致，有跳秒导航电文37500bits，持续750秒7500bits，持续150秒GPS/GLONASS系统参数比较EGNOS系统欧洲国家正在欧洲空间局（EuropeanSpaceAgency—ESA）的统一协调下，发展欧洲自己的卫星导航系统。这是一个基于GPS，采用Inmarsat地球静止通信卫星作为数据链的广域增强系统（EGNOS），也是一种以民用为主的卫星定位系统（简称NAVSAT）。该系统计划包括6颗地球同步卫星和12颗高椭圆轨道卫星。它具有测距服务、完善性广播和差分修正等三种功能，计划于2002年实现全运行能力，届时可以向欧洲范围提供航空、航海及陆上导航服务。背景：GLONASS在轨卫星缺失，GPS独霸市场

GLONASS、GPS均由军方控制欧盟：要建立国际民间控制的或欧盟自己的民用导航系统特点：共享的独立于GPS的无增强条件下的适于海陆空的系统。参股共建，收费。阶段：（一）2000年前，可行性评估或定义（二）2001~2005，开发和检测（三）2006~2007，部署（四）2008，商业运行Galileo系统欧盟为何重视伽利略计划首先，打破美国在这方面的垄断地位，为欧盟赢得可观的市场份额。权威部门预计：伽利略计划将为欧盟创造15万个高技术含量的就业岗位；每年经济收益有100亿欧元之多；仅出售航空和航海终端设备一项就可在2008年至2020年将获得150亿欧元收入。第二，欧盟开发此项目可为欧盟现在极力提倡的欧洲共同安全防御政策服务。第三，欧盟认为，没有科技上的领先地位，欧盟在将来许多事务中就没有主导权。

主要面临的困难：投资巨大：“伽利略系统”高达36亿欧元的造价美国政府的极力反对：美国的干扰在一定程度上推迟了“伽利略”计划的通过各国的态度:

美国：美国说“伽利略”是个很坏的计划法国：对美国的垄断感到不满德国、荷兰、英国：经济历程：阿基米德-GEO-HEO-MEO-LEO---GalileoGalileo计划的历程伽利略计划的资金预计为32亿到36亿欧元系统由30颗高轨道卫星组成，分布在轨道高度为2.4万千米、倾角为56度的3个轨道面上。基础设施包括天基和地基两部分。卫星将为用户提供精确的时间和误差不超过一米的全球精确定位服务，与美国GPS和俄罗斯的GLONASS争夺市场。Galileo计划的概况北斗系统目的：快速定位、实时导航，简短通讯，精密授时由两颗地球同步轨道卫星组成星座，卫星结构简单定位工作主要在中心站完成，属于主动式导航定位系统；二维导航和定位，高程结果需要由其他途径获得；主要的优势在于军用、通讯、集团用户的调度和派遣。北斗系统定位的特点地面中心站用户S1S2DS1DS2D1D2美国太空评论网2009年2月中旬刊载纽约记者泰勒·迪纳曼文章称，考虑到席卷全球的经济危机及欧盟方面决策和预算编制效率的低下，中国“北斗”卫星导航系统可能会先于“伽利略”卫星导航系统运行。而且，中国“北斗”的精度或许能够与美国GPS相媲美，而“伽利略”则很难达到这一水平。中国“北斗”定位导航系统示意图

“北斗”卫星的战略运用GPS定位系统的特点GPS相对于其它导航与定位系统的特点全球地面连续覆盖

由于GPS卫星的数目较多且分布合理，所以地球上任何地点均可连续同步地观测到至少4颗卫星，从而保障了全球、全天候连续地实时导航与定位。功能多，精度高

GPS可为各类用户连续地提供动态目标的三维位置，三维速度和时间信息。随着GPS测量技术和数据处理技术的发展，其定位、测速和测时的精度将进一步提高。实时定位速度快

利用全球定位系统一次定位和测速工作在一秒至数秒钟内便可完成（NNSS约需8-10分钟），这对高动态用户来说尤为重要。被动式全天候导航定位

这种导航定位不仅隐蔽性好，而且可以容纳无数多用户。抗干扰性能好，保密性强

由于GPS采用了数字通讯的特殊编码技术，即伪随机噪声码技术，因而GPS卫星所发送的信号，具有良好的抗干扰性和保密性。GPS应用于测量的特点几种定位方法的精度比较观测站之间无需通视GPS测量不要求观测站之间相互通视，因而不再需要建造坐标，同时也使点位的选择变得甚为灵活。定位精度高观测时间短目前完成一条基线的精密相对定位所需要的观测时间，根据要求的精度不同一般约为1~3小时，为了进一步缩短观测时间，提高作业速度，对于快速定位方法的研究正受到广泛的重视。近年来发展的短基线（例如不超过20km）快速相对定位法，其观测时间仅需数分钟。提供三维坐标GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。操作简单GPS测量的自动化程度很高，在观测中测量员的主要任务只是安装并开关仪器、量取仪器和监视仪器的工作状态，而其它观测工作如卫星的捕获、跟踪观测等均由仪器自动完成。全天候作业观测工作可以在任何地点、时间连续地进行，一般不受天气状况的影响。2.GPS的组成概况全球定位系统（GPS）主要有三大组成部分，即由GPS卫星组成的空间部分、由若干地面站组成的控制部分和以接收机为主体的用户设备部分。三者有各自独立的功能和作用，但又是有机地配合而缺一不可的整体系统。空间部分GPS空间卫星星座的构成全球定位系统的空间卫星星座，由24颗卫星组成，其中包括3颗备用卫星。卫星分布在6个轨道面内，每个轨道面上分布有4颗卫星。卫星轨道面相对地球赤道面的倾角约为55º，各轨道平面升交点（与赤道的交点）之间的赤经相差60º。相邻轨道之间的卫星还要彼此叉开40º。轨道平均高度约为20200km，卫星运行周期为11小时58分。因此，同一观测站上，每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前约4分钟。每颗卫星每天约有5个小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目，随时间和地点而异，最少为4颗，最多可达11颗。55。GPS卫星在空间的上述配置，保障了在地球上任何地点、任何时刻均至少可以同时观测到4颗卫星，加之卫星信号的传播和接收不受天气的影响，因此GPS是一种全球性、全天候的连续实时定位系统。不过也应指出，GPS卫星的上述分布，在个别地区仍可能在某一短时间内（例如数分钟），只能观测到4颗图形结构较差的卫星，因此无法达到必要的定位精度。空间部分的3颗备用卫星，可在必要时根据指令代替发生故障的卫星，这对于保障GPS空间部分正常而高效地工作是极其重要的。迄今，GPS卫星已设计了三代，分别为BlockI、BlockⅡ和BlockⅢ。第一代(Blockl)卫星，用于全球定位系统的实验，通常称为GPS实验卫星。这一代卫星共研制和发射了1l颗，卫星的设计寿命为5年，卫星分布在两个轨道面内，轨道倾角约为63º，现已停止工作。第二代(BlockⅡ，ⅡA)卫星用于组成的GPS工作卫星星座，通常称为GPS作卫星。第二代卫星共研制了28颗，卫星的设计寿命为7.5年，从1989年初开始，至1994年上半年已发射完毕。第三代(BlockⅡR，ⅡF)卫星90年代末期发射，以取代第二代卫星，改善全球定位系统。GPS卫星概况GPS卫星及其功能GPS卫星的主体呈圆柱形，直径约为1.5m，重约774kg（包括310kg燃料），两侧设有两块双叶太阳能板，能自动对日定向，以保证卫星正常工作用电。每颗卫星装有4台高精度原子钟（2台铷钟和2台铯钟），这是卫星的核心设备。它将发射标准频率信号，为GPS定位提供高精度的时间标准。一般来说，在卫星大地测量学和大地重力学中，或者把人造地球卫星作为一个高空观测目标，通过测定用户接收机与卫星之间的距离，或距离差来完成定位任务；或者把卫星作为一个传感器，通过观测卫星运行轨道的摄动，来研究地球重力场的影响和模型。不过，对于后一种应用，通常要求卫星轨道较低，而GPS卫星的轨道高度平均达20200km，对地球重力异常的反应灵敏度较低。所以它主要是作为具有精确位置信息的高空目标，被广泛地用于导航和测量。多波束定向天线，这是一种由12个单元构成的成形波束螺旋天线阵，能发射L1和L2波段的信号，其波束方向图能覆盖约半个地球。双叶对日定向太阳能电池帆板，全长5.33m，接受日光面积7.2m2。GPS卫星结构采用铝蜂巢结构，主体呈柱形，直径1.5m。在星体两端面上装有全向遥测遥控天线，用于与地面监控网通信。GPS卫星的基本功能接收和存储由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的控制指令。利用卫星上的微处理机，对部分必要的数据进行处理。通过星载的原子钟提供精密的时间标准。向用户发送定位信息。在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星姿态和启用备用卫星。地面监控部分GPS的地面监控部分，目前主要由分布在全球的5个地面站所组成，其中包括卫星监测站、主控站和信息注入站。

监测站现有5个地面站均具有监测站的功能。监测站，是在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、计算机各一台和若干台环境数据传感器。接收机对GPS卫星进行连续观测，以采集数据和监测卫星的工作状况。原子钟提供时间标准，而环境传感器收集有关当地的气象数据。所有观测资料由计算机进行初步处理，并存储和传送到主控站，用以确定卫星的轨道。主控站主控站一个，设在科罗拉多（ColoradoSprings）。主控站除协调和管理地面监控系统的工作外，其主要任务是:根据本站和其它监测站的所有观测资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数等，并把这些数据传送到注入站。提供全球定位系统的时间基准。各监测站和GPS卫星的原于钟，均应与主控站的原子钟同步，或测出其间的钟差，并把这些钟差信息编入导航电文，送到注入站。调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行。启用备用卫星以代替失效的工作卫星。注入站注入站现有3个，分别设在印度洋的迭哥加西亚(DiegoGarcia)；南大西洋的阿松森岛(Ascencion)和南太平洋的卡瓦加兰(Kwajalein)。注入站的主要设备，包括二台直径为3.6m的天线、一台C波段发射机和一台计算机。其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的地面监控部分，除主控站外均无人值守。各站间用现代化的通信网络联系起来，在原子钟和计算机的驱动和精确控制下，各项工作实现了高度的自动化和标准化。数据处理机铯钟气象传感器调制解调器接收机观测星历与时钟计算误差编算注入导航电文调制解调器数据处理机数据存储器和外部设备指令发生器指令发生器用户设备部分全球定位系统的空间部分和地面监控部分，是用户应用该系统进行定位的基础，而用户只有通过用户设备，才能实现应用GPS定位的目的。用户设备的主要任务是，接收GPS卫星发射的无线电信号，以获得必要的定位信息及观测量，并经数据处理而完成定位工作。根据GPS用户的不同要求，所需的接收设备各异。随着GPS定位技术的迅速发展和应用领域的日益扩大，许多国家都在积极研制、开发适用于不同要求的GPS接收机及相应的数据处理软件。

用户设备，主要由GPS接收机硬件和数据处理软件，以及微处理机及其终端设备组成，而GPS接收机的硬件，一般包括主机、天线和电源。目前，国际上适于测量工作的GPS接收机，已有众多产品问世，且产品的更新很快。在我国，许多测量单位也拥有了一些不同型号的GPS接收机。精密型掌上型航海型晶片型手表型GPS模组3.全球定位系统的定位原理GPS的定位原理

GPS的定位原理比较复杂，一般可分为绝对定位法与相对定位法两种。绝对定位法即利用GPS确定用户接收机天线在WGS84中的绝对位置，它广泛地应用于导航和大地测量中的单点定位工作。绝对定位也叫单点定位，通常是指在协议地球坐标系中，直接确定观测站相对于坐标系原点(地球质心)绝对坐标的一种定位方法。“绝对”一词主要是为了区别下面要讲的相对定位法。绝对定位与相对定位在观测方式、数据处理、定位精度以及应用范围等方面均有原则区别。

GPS绝对定位方法的实质，即是空间距离后方交会。为此，在1个观测站上，原则上有3个独立的距离观测量便够了，这时观测站应位于以3颗卫星为球心，相应距离为半径的球与地面交线的交点。GPS绝对定位或单点定位利用GPS进行定位的基本原理，是以GPS卫星和用户接收机天线之间距离(或距离差)的观测量为基础，并根据已知的卫星瞬时坐标，来确定用户接收机天线所对应的点位，即观测站的位置。

GPS绝对定位方法的实质，即是空间距离后方交会。为此，在1个观测站上，原则上有3个独立的距离观测量便够了，这时观测站应位于以3颗卫星为球心，相应距离为半径的球与地面交线的交点。但是，由于GPS采用了单程测距原理，同时卫星钟与用户接收机钟难以保持严格同步，所以实际观测的测站至卫星之间的距离，均含有卫星钟和接收机钟同步差的影响(故习惯上称之为伪距)。关于卫星钟差我们可以应用导航电文中所给出的有关钟差参数加以修正，而接收机的钟差一般难以预先准确的确定，所以通常均把它作为一个未知参数，与观测站的坐标在数据处理中一并求解。因此，在1个观测站上为了实时求解4个未知参数(3个点位坐标分量和1个钟差系数)，便至少需要4个同步伪距观测值。也就是说，至少必须同时观测４颗卫星。应用GPS进行绝对定位，根据用户接收机天线所处的状态，又可分为动态绝对定位和静态绝对定位。当用户接收设备安置在运动的载体上而处于动态的情况下，确定载体瞬时绝对位置的定位方法，称为动态绝对定位。在接收机天线处于静止状态的情况下，用以确定观测站绝对坐标的方法称为静态绝对定位。目前，无论是动态绝对定位或静态绝对定位，所依据的观测量都是所测卫星至观测站的伪距，所以，相应的定位方法通常也称为伪距法。BACGPS的定位原理2个球面相交——圆环；3个球面相交——两交点；4个球面相交——唯一交点DABC

3颗卫星：

可确定地面物体的位置（经度、纬度）；

4颗卫星：

可确定物体（如飞行器）位置（经度、纬度、高度）；

地面运动物体的位置和速度；卫星越多,定位越准确：

一般,GPS接收机可同时收到的4-8颗卫星的位置信息。洋山港海底打桩定位，中国用了7颗卫星定位！上海洋山深水港区工程GPS相对定位原理利用GPS进行绝对定位时，其定位精度将受到卫星轨道误差，钟同步误差及信号传播误差等诸多因素的影响，尽管其中一些系统性误差可以通过模型加以削弱，但其残差仍是不可忽略的。实践表明，目前静态绝对定位的精度，约可达米级，而动态绝对定位的精度仅为10-30m。这一精度远不能满足大地测量精密定位的要求。

GPS相对定位，是目前GPS测量中精度最高的一种定位方法，它广泛地应用于大地测量，精密工程测量和地球动力学的研究。相对定位的最基本情况是用两台接收机分别安置在基线的两端，并同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点在协议地球坐标系中的相对位置或基线向量。这种方法一般可推广到多台接收机安置在若干条基线的端点，通过同步观测GPS卫星以确定多条基线向量的情况。因为在两个观测站或多个观测站同步观测相同卫星的情况下，卫星的轨道误差、卫星钟差，接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差等对观测量的影响具有一定的相关性，所以利用这些观测量的不同组合进行相对定位，便可能有效地消除或减弱上述误差的影响，从而提高相对定位的精度。根据用户接收机在测量过程中所处的状态不同，相对定位有静态和动态之分。静态相对定位法

静态相对定位，即设置在基线端点的接收机是固定不动的，这样便可能通过连续观测，取得充分的多余观测数据，以改善定位的精度。静态相对定位，一般均采用载波相位观测值(或测相伪距)为基本观测量。这一定位方法，是当前GPS定位中精度最高的一种方法，广泛地应用于工程测量、大地测量和地球动力学研究等项工作。实践表明，对中等长度的基线(100km-500km)，其相对定位精度可达10-6-10-7，甚至更好些。所以，在精度要求较高的测量工作中，均普遍采用这一方法。在载波相位观测的数据处理中，为了可靠地确定载波相位的整周未知数，静态相对定位，一般需要较长的观测时间(例如1.0-3.0小时)，因此如何缩短观测时间，以提高作业效率，便成为广大GPS用户普遍关心的问题。相对以下将介绍的快速静态相对定位法，上述定位方法，一般也称为经典静态相对定位法。理论分析与实践经验表明，在载波相位观测中，如果整周未知数已经确定，那么相对定位的精度，将不会随观测时间的延长而明显提高。在较短的观测时间内，若忽略所测卫星分布图形变化的影响，则定位的精度，近似地与观测历元数的方根成反比，如图示。因此，缩短静态相对定位的观测时间，其关键在于快速而可靠地确定整周未知数。当整周未知数确实后，相对定位精度随观测历元数的变化

据此，1985年美国里蒙迪(Remondi，B．W．)发展了一种快速相对定位模式，其基本思想是：首先，利用起始基线向量确定初始整周未知数或称初始化之后，一台接收机在参考点(或基准站)上固定不动，并对所有可见的GPS卫星进行连续的观测，而另一台接收机在其周围的观测站流动，并在每一流动站上静止地进行观测，以确定流动站与基准站之间的相对位置。这一定位方法，在形式上与动态相对定位法相似，但是实际上其在每一流动观测站上，仍需静止地观测，只是停留的时间很短(例如数分钟)。所以，这种方法通常称之为准动态相对定位法。流动站基准站准动态相对定位法的主要缺点是，接收机在移动过程中，必须保持对观测卫星的连续跟踪。一旦发生失锁，便需重新进行上述初始化工作。动态相对定位法动态相对定位，是用一台接收机安设在基准站上固定不动，另一台接收机安设在运动的载体上，两台接收机同步观测相同的卫星，以确定运动点相对基准站的实时位置。动态相对定位，根据其采用的观测量不同，通常可分为以测码伪距为观测量的动态相对定位和以测相伪距为观测量的动态相对定位。

测码伪距动态相对定位法，目前进行实时定位的精度可达米级。以相对定位原理为基础的实时差分GPS，由于可以有效地减弱卫星轨道误差、钟差、大气折射误差以及SA政策的影响，其定位精度，远较测码伪距动态绝对定位的精度为高，所以这一方法获得了迅速发展，并在运动目标的导航、监测和管理方面得到了普遍地应用。另外，在地球物理勘探、航空与海洋重力测量，以及海洋采矿等领域也有着广泛的应用。测相伪距动态相对定位法，是以预先初始化或动态解算载波相位整周未知数为基础的一种高精度动态相对定位法。目前在较小的范围内（例如<20km），获得了成功的应用，其定位精度可达1-2厘米。动态相对定位中，根据数据处理的方式不同，通常可分为实时处理和测后处理。数据的实时处理，要求在观测过程中实时地获得定位的结果，无需存储观测数据。但在流动站与基准站之间，必需实时地传输观测数据或观测量的修正数据。这种处理方式，对于运动目标的导航、监测和管理具有重要意义。数据的测后处理，要求在观测工作结束后，通过数据处理而获得定位的结果。这种处理数据的方法，可能对观测数据进行详细的分析，易于发现粗差，也不需要实时地传输数据。但需要存储观测数据。观测数据的测后处理方式，主要应用于基线较长，不需实时获得定位结果的测量工作，如航空摄影测量和地球物理勘探等。因为建立和维持一个数据实时传输系统（主要包括无线电信号的发射与接收设备），不仅在技术上较为复杂，花费也较大。所以，一般除非必须实时获得定位结果外，均应采用观测数据的测后处理方式。1、全球定位系统概述全球定位系统含义全球定位系统的发展历史其他独立卫星导航与定位系统课程回顾利用由导航卫星构成的全球卫星定位系统，进行测时和测距。1957年世界上第一颗人造地球卫星发射成功，50年来，人造地球卫星技术在通信、气象、资源勘察、导航、遥感、大地测量、地球动力学、天文学和军事科学等众多领域，得到了极广泛应用。GLONASS全球导航卫星系统、EGNOS系统、Galileo系统、北斗系统GPS相对于其它导航与定位系统的特点全球地面连续覆盖

功能多，精度高

实时定位速度快

被动式全天候导航定位

抗干扰性能好，保密性强

2、GPS定位系统的特点GPS应用于测量的特点观测站之间无需通视定位精度高观测时间短提供三维坐标操作简单全天候作业GPS的组成概况空间部分控制部分用户设备部分3、全球定位系统的定位原理绝对定位法动态绝对定位静态绝对定位动态相对定位静态相对定位相对定位差分GPS（DGPS）的定位原理差分GPS可分为:1.位置差分；2.伪距差分

3.相位平滑伪距差分；4.相位差分根据差分GPS基准站发送的信息方式这4类差分方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。所不同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。位置差分原理这是一种最简单的差分方法，任何一种GPS接收机均可改装和组成这种差分系统。安装在基准站I的GPS接收机观测4颗卫星后便可进行三维定位，解算出基准站的坐标。由于存在着轨道误差、时钟误差、SA影响、大气影响、多径效应以及其他误差，解算出坐标与基准站的已知坐标是不一样的，存在误差。ΔX=X﹡-XoΔY=Y﹡-YoΔZ=Z﹡-Zo基准站利用数据链将此改正数发送出去，由用户站接收，并且对其解算的用户站坐标进行改正。XU=XU﹡+ΔXYU=YU﹡+ΔYZU=ZU﹡+ΔZ基站流动站计算坐标值已知坐标值坐标偏差坐标改正考虑到用户站的位置改正值瞬间变化1、两站观测同一组卫星2、消去了基准站和用户站的共同误差,提高了定位精度3、站间距离在100km以内

这种差分方式的优点是计算简单。只需要在解算的坐标中加改正数即可。能适用于一切GPS接收机，包括最简单的接收机。缺点是必须严格保持基准站与用户站观测同一组卫星。如果有8颗可观测卫星，将组成70个组合，基准站和流动站观测环境也不能保证完全相同，因此无法保证两站观测同一组卫星。伪距差分原理伪距差分是目前用途最广的一种技术。几乎所有的商用差分GPS接收机均采用这种技术。国际海事无线电委员会推荐的RTCMSC-104也采用了这种技术。在基准站上的接收机要求得它至可见卫星的距离，并将此计算出的距离与含有误差的测量值加以比较。利用一个α-β滤波器将此差值滤波并求出其偏差。然后将所有卫星的测距误差传输给用户，用户利用此测距误差来改正测量的伪距。最后，用户利用改正后的伪距求解出本身的位置，就可消去公共误差，提高定位精度。基准站的GPS接收机测量出全部卫星的伪距口和收集全部卫星的星历文件(A、e、ω、Ω、i、t等)。利用已采集的轨道根数计算出各个卫星的地心坐标[XYZ]i,同时，可采用各种方法精确求出基准站的地心坐标[XYZ]。这样，利用每一时刻计算的卫星地心坐标和基准站的已知地心坐标反求出每一时刻到基准站的真距Ri。基准站的GPS接收机测量伪距包括各种误差，与真距不同。可以求出伪距的改正数。同时可求出伪距改正数的变化率。

基准站将和传送给用户台，用户台测量出伪距再加上以上的改正数，便求得经过改正的伪距。利用改正后的伪距，只要观测4颗卫星就可以按下式计算用户站的坐标。流动站计算伪距值伪距观测值伪距偏差伪距改正基站伪距差分的优点：(1)由于计算的伪距改正数是直接在WGS-84坐标系上进行的，这就是说得到的是直接改正数，不用先变换为地坐标，因此能达到很高的精度。(2)这种改正数能提供，这使得在未得到改正数的空隙内，继续进行精密定位。这达到了RTCM-104所制定的标准。(3)基准站能提供所有卫星的改正数，而用户可允许接收任意4颗卫星进行改正，不必担心两者完全相同。因此，用户可采用具有差分功能的简易接收机即可。基站提供所有可见卫星的Δρj（伪距改正数的变化率）和dρj（伪距改正数差），消去公共误差，提高定位精度，但随着用户到基准站距离的增加又出现了系统误差。用户和基准站之间的距离对精度有绝对性影响。差分伪距差分原理（广域差分）为了在一个广阔的地区内提供高精度的差分GPS服务，将一个差分基准站与一个或多个主站组网。主差分站接收来自各监测站的差分GPS改正信号，然后将其组合，以形成在扩展区域内的有效差分GPS改正电文。通过卫星通信线路或无线电数据链把扩展GPS改正信号传送给用户。这就形成了扩展的差分GPS。它不仅加大了差分GPS的有效工作范围，而且保证了在该区域的定位精度。广域差分（WideAreaDGPS，WADGPS）技术的基本思想：

是对GPS观测量的误差源加以区分，并对每一个误差源分别加以“模型化”，然后将计算出来的每一个误差源的误差修正值（差分改正值），通过数据通讯链传输给用户，对用户GPS接收机的观测误差加以改正，以达到削弱这些误差源的影响，改善用户GPS定位精度的目的。差分GPS误差随距离的变化距离（km）030150300600扩展差分GPS600卫星时钟误差(m)卫星星历误差(m)电离层效应(m)对流层效应(m)接收机噪声(m)0000000.12.72100.55.321017.021029.0210120.71UERE(RMS)导航精度dRMS(HDOP=1.5)133.510.55.817.47.422.29.527.52.78从表中可以看出，当离基准站的距离增加时，各种误差源限制了差分GPS的精度。最大的误差源是电离层延迟。当离基准站的距离大于30km时，此项误差便起了决定作用。下一个最大的误差源便是对流层误差。1、在已知的多个监测站上，跟踪观测GPS卫星的伪距、相位等信息；2、监测站将所接受的信息全部传输到中心站；3、中心站计算出三项误差改正；4、将这些误差改正用数据通讯链传输给用户；5、用户根据这些误差改正自己观测到的伪距、相位、星历等信息，计算出高精度结果。广域差分GPS系统的具体工作流程1、用户的定位精度对空间距离的敏感程度比较小；2、投资少，经济效益好；3、定位精度较高，且分布均匀；4、可扩展性好；5、技术复杂，维护费用高，可靠性及安全性稍差。广域差分GPS系统的特点载波相位差分原理测地型接收机利用GPS卫星载波相位进行的静态基线测量获得了很高的精度（10-6-10-8）。但为了可靠地求解出相位模糊度，要求静止观测一两个小时或更长时间。这样就限制了在工程作业中的应用。于是探求快速测量的方法应运而生。例如，采用整周模糊度快速逼近技术（FARA）使基线观测时间缩短到5分钟，采用准动态（StopandGo），往返重复设站（Re-occup

ation）和动态（Kinematic）来提高GPS作业效率。这些技术的应用对推动精密GPS测量起了促进作用。但是，上述这些作业方式都是事后进行数据处理，不能实时提交成果和实时评定成果质量，很难避免出现事后检查不合格造成的返工现象。差分GPS的出现，能实时给定载体的位置，精度为米级，满足了引航、水下测量等工程的要求。位置差分、伪距差分、伪距差分相位平滑等技术已成功地用于各种作业中。随之而来的是更加精密的测量技术一载波相位差分技术。载波相位差分技术又称为RTK技术（RealTimeKinematic），是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。与伪距差分原理相同，由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站。用户站接收GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行实时处理，能实时给出厘米级的定位结果。实现载波相位差分GPS的方法分为两类：修正法和差分法。前者与伪距差分相同，基准站将载波相位修正量发送给用户站，以改正其载波相位，然后求解坐标。后者将基准站采集的载波相位发送给用户台进行求差解算坐标。前者为准RTK技术，后者为真正的RTK技术。基站流动站流动站的坐标相位观测值差分法(RTK)

相位观测值差分计算消去公共误差，能实时给出厘米级高精度的定位结果电台的功率限制了用户到基准站距离，作用范围几十公里。广泛用于工程测量中4.GPS测量的误差来源及其影响误差的分类系统误差

在GPS定位中，影响观测量精度的主要误差来源，可分为三类：①与GPS卫星有关的误差；②与信号传播有关的误差；③与接收设备有关的误差。根据误差的性质，上述误差，尚可分为系统误差与偶然误差两类。系统性的误差，主要包括卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及大气折射的误差等。引入相应的未知参数，在数据处理中联同其它未知参数一并解算；建立系统误差模型，对观测量加以修正；将不同观测站，对相同卫星的同步观测值求差，以减弱或消除系统误差的影响；简单地忽略某些系统误差的影响。为了减弱和修正系统误差对观测量的影响，一般根据系统误差产生的原因而采取不同的措施，其中包括：偶然误差

偶然误差，主要包括信号的多路径效应引起的误差和观测误差等。与卫星有关的误差与GPS卫星有关的误差，主要包括卫星的轨道误差和卫星钟的误差。卫星钟差

由于卫星的位置是时间的函数，所以GPS的观测量，均以精密测时为依据。而与卫星位置相应的时间信息，是通过卫星信号的编码信息传送给用户的。在GPS定位中，无论是码相位观测或载波相位观测，均要求卫星钟与接收机钟保持严格同步。实际上，尽管GPS卫星均设有高精度的原子钟（铷钟和铯钟），但它们与理想的GPS时之间，仍存在着难以避免的偏差或漂移。这种偏差的总量约在1ms以内，由此引起的等效距离误差，约可达300km。卫星轨道偏差

估计与处理卫星的轨道误差一般比较困难，其主要原因是，卫星在运行中要受到多种摄动力的复杂影响，而通过地面监测站，又难以充分可靠地测定这些作用力，并掌握它们的作用规律。目前，用户通过导航电文，所得到的卫星轨道信息，其相应的位置误差约为20m-40m。但随着摄动力模型和定轨技术的不断完善，上述卫星的位置精度，将可提高到5m-10m。卫星的轨道误差，是当前利用GPS定位的重要误差来源之一。在相对定位中，随着基线长度的增加，卫星轨道误差，将成为影响定位精度的主要因素。卫星信号的传播误差与卫星信号传播有关的误差，主要包括大气折射误差和多路径效应。电离层折射的影响

GPS卫星信号和其它电磁波信号一样，当其通过电离层时，将受到这一介质弥散特性的影响，使信号的传播路径发生变化。电离层对信号传播路径影响的大小，主要取决于电子总量和信号的频率。对于GPS卫星信号来说，在夜间当卫星处于天顶方向时，电离层折射对信号传播路径的影响，将小于5m；而在日间正午前后，当卫星接近地平线时，其影响可能大于150m。为了减弱电离层的影响，在GPS定位中通常采取以下措施：由于电离层的影响是信号频率的函数，所以，利用不同频率的电磁波信号进行观测，便可能确定其影响的大小，以便对观测量加以修正。利用双频观测利用电离层模型加以修正对于单频GPS接收机的用户，为了减弱电离层的影响，一般是采用由导航电文所提供的电离层模型，或其它适宜的电离层模型对观测量加以改正。但是，这种模型至今仍在完善中。目前模型改正的有效性约为75％，也就是说，当电离层对距离观测值的影响为20m时，修正后的残差仍可达5m。利用同步观测值求差这一方法，是利用两台或多台接收机，对同一组卫星的同步观测值求差，以减弱电离层折射的影响。尤其当观测站的距离较近时(例如<20km)，由于卫星信号到达不同观测站的路径相近，所经过的介质状况相似，所以，通过不同观测站对相同卫星的同步观测值求差，便可显著地减弱电离层折射影响。

对流层折射的影响

由于对流层的介质对GPS信号没有弥散效应，所以其群折射率与相折射率可认为相等。我们知道，对流层折射对观测值的影响，可分为干分量与湿分量两部分，干分量主要与大气的温度与压力有关，而湿分量主要与信号传播路径上的大气湿度和高度有关。当卫星处于天顶方向时，对流层干分量对距离观测值的影响，约占对流层影响的90％，且这种影响可以应用地面的大气资料计算。若地面平均大气压为1013mbar，则在天顶方向，干分量对所测距离的影响约为2.3m，而当高度角为10º时，其影响约为20m。湿分量的影响虽数值不大，但由于难以可靠地确定信号传播路径上的大气物理参数，所以湿分量尚无法准确地测定。因此，当要求定位精度较高，或基线较长时（例如>50km），它将成为误差的主要来源之一。目前虽可用水汽辐射计，比较精确地测定信号传播路径的大气水汽含量，但由于设备过于庞大和昂贵，尚不能普遍采用。对流层（Troposphere）关于对流层折射的影响，一般有以下几种处理方法：定位精度要求不高时，可以简单地忽略。采用对流层模型加以改正。①霍普菲尔德（Hopfield）改正模型②萨斯塔莫宁（Saastamoinen）改正模型③勃兰克（Black）改正模型引入描述对流层影响的附加待估参数，在数据处理中一并求解。观测量求差与电离层的影响相类似，当两观测站相距不太远时（例如<20km），由于信号通过对流层的路径相近，对流层的物理特性相似，所以，对同一卫星的同步观测值求差，可以明显地减弱对流层折射的影响。因此，这一方法在精密相对定位中，应用甚为广泛。不过，随着同步观测站之间距离的增大，地区大气状况的相关性很快减弱，这一方法的有效性也将随之降低。根据经验，当距离>100km时，对流层折射对GPS定位精度的影响，将成为决定性的因素之一。

多路径效应影响

多路径效应，通常也叫多路径误差，即接收机天线，除直接收到卫星发射的信号外，尚可能收到经天线周围地物一次或多次反射的卫星信号。两种信号叠加，将会引起测量参考点(相位中心)位置的变化，从而使观测量产生误差。而且这种误差随天线周围反射面的性质而异，难以控制。根据实验资料的分析表明，在一般反射环境下，多路径效应对测码伪距的影响可达米级，对测相伪距的影响可达厘米级；而在高反射环境下，不仅其影响将显著增大，而且常常导致接收的卫星信号失锁和使载波相位观测量产生周跳。因比,在精密GPS导航和测量中，多路径效应的影响是不可忽视的。多路径误差的特点与测站环境有关与反射体性质有关与接收机结构、性能有关减弱多路径效应影响的措施观测上安置接收机天线的环境，应避开较强的反射面，如水面，平坦光滑的地面和平整的建筑物表面等；硬件上选择造型适宜且屏蔽良好的天线，例如，采用带抑径板或抑径圈的天线、抗多路径的接收机等；抗多路径效应的天线带抑径板带抑径圈抗多路径的接收机适当延长观测时间，削弱多路径效应的周期性影响；改善GPS接收机的电路设计，以减弱多路径效应的影响。减弱多路径效应影响的其他措施数据处理上加权法参数法滤波法信号分析法与接收设备有关的误差与用户接收设备有关的误差，主要包括观测误差、接收机钟差、天线相位中心误差和载波相位观测的整周不定性影响。其他误差来源除上述三类误差的影响外，还有其它一些可能的误差来源，如地球自转以及相对论效应对GPS定位的影响。GPS接收机的应用关于GPS接收机的应用，在这里主要介绍一下几个方面。经纬度值表示经纬度在NMEA语句中是以度、分、秒的形式出现。经纬度在NMEA-0183语句中的出现的格式分别是：纬度格式：ddmm.mmmm

经度格式：dddmm.mmmm

经度与纬度的方向数据（North，South，East，West）单独定义一个区域。方向的一种简单表示“N”，“S”，“E”，“W”分别表示North，South，East，West。GPS系统接收数据坐标转换GPS接收的数据往往是三维坐标，而在科学研究中我们通常用二维坐标。因此必须进行坐标转换，比如把WGS84坐标转换为高斯-克吕格坐标系。为减少投影变形，按经度把椭球分为许多带，各带分别投影，经常采用的是3度和6度带。为使y值不为负值，通常在y轴上加上500km。纬度经度海拔XY35°42′078〞N111°39′889〞E560.5395258256012535°41′912〞N111°40′541〞E533.3395228156111135°42′393〞N111°40′513〞E542.0395317056106335°42′946〞N111°41′157〞E549.1395420056202635°43′182〞N111°45′830〞E609.4395468856907035°43′376〞N111°46′092〞E626.2395504956946235°49′604〞N111°34′663〞E821.7396644955216035°49′330〞N111°34′489〞E784.9396594055190235°39′735〞N111°28′219〞E416.0394814854254435°40′234〞N111°28′265〞E407.3394907154260835°40′274〞N111°29′118〞E416.5394915054389535°40′088〞N111°29′307〞E422.1394880954418035°39′860〞N111°29′175〞E422.8394838554398535°37′721〞N111°24′135〞E405.9394439553639535°40′568〞N111°22′261〞E380.8394964953354635°41′001〞N111°22′102〞E371.1395044853330335°40′907〞N111°22′261〞E378.13950276533545GPS的发展趋势随着GPS定位技术的不断完善和普及，新一代GPS测量系统的开发和生产，也在迅速地发展。当前，在硬件方面的发展趋势主要是：GPS在硬件方面的发展趋势①继续向小型化、轻型化发展；②结构模块化，减少易损的接口；③控制器小型化，以便用户操作，提高自动化程度；④降低功率消耗；⑤改善存储器管理，增大存储容量；⑥增加接收机的通道数，以便同时跟踪全部GPS可见卫星；⑦信号接收、跟踪、量测与处理单元一体化，以减少信号损失；⑧改善接收机的耐用性，提高量测结果的可靠性和延长无故障工作时间；⑨改善接收机内部的电路设计，减弱多路径误差的影响；⑩改善信号处理技术（如采用窄距相关技术），以提高信号的量测精度。GPS的应用如今GPS已经广泛地应用到了各行各业，例如船舶远洋导航和进港引水、飞机航路引导和进场降落、汽车自主导航、地面车辆跟踪和城市智能交通管理、紧急就生、个人旅游及野外探险、道路和各种线路放样、水下地形测量、地壳形变测量、大坝和大型建筑物变形监测、GIS应用，其中车辆监控调度系统的应用最为人们所熟知。计价器设备GPS设备系统原理及总体结构出租车智能管理信息服务系统智能调度管理系统GPS车辆监控系统营运信息分析系统企业行业管理系统110处警指挥系统网上招车与投诉系统GPS系统平台营运数据库平台营运监控平台Internet/DDN中国移动GPRS出租车智能管理信息服务系统

系统组成GPS车载终端设备GPS湖州网控中心110接/处警系统GPS车载终端设备出租车调度中心调度中心服务器