工程测量52-GPS的基本知识(1)GPS概述和定位原理课件

第七章

GPS的基本知识

概述

GPS定位系统的组成

GPS卫星定位的基本原理

GPS测量的实施

GPS测量的作业模式*121概述全球定位系统（GPS）:

“授时、测距导航系统/全球定位系统（NavigationSystemTimingandRanging/GlobalPositioningSystem）”的简称。该系统是由美国从上世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星无线电导航与定位系统。特点：具有全天候、高精度、自动化、高效率等，即：（1）全球覆盖；（2）自动化，精度高；（3）实时三维动态定位、测速和定时；（4）高效率，无用户数量限制，应用广泛。应用：工程测量、大地测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等领域。应用领域还在不断地拓展，遍及国民经济各种部门，并逐步深入人们的日常生活,从而给测绘学科带来了一场深刻的技术革命。*3GPS卫星*4相对于经典的测量技术（全站仪）来说，GPS的特点

如下：测站之间无需通视。因而不再需要建造觇标，可减少测量工作经费和时间，同时也使点位的选择变得非常灵活。b)

高精度三维定位。GPS可以精密测定平面位置和大地高。c)

观测时间短。近年来发展的快速相对定位法，观测时间仅需数分钟；实时动态定位技术（RTK）可提供厘米级的实时三维定位结果。d)

操作简便。GPS测量自动化程度很高，操作员的主要任务只是安置并开关仪器，量取仪器高，监视仪器的工作状态等。接收机自动完成观测工作，如卫星捕获，跟踪观测和记录等。GPS接收机重量轻，体积小，携带方便。e)

全天侯作业。GPS接收机可以在任何地点（卫星信号不被遮挡的情况下），任何时间连续地进行，一般也不受天气状况的影响。*5全球定位系统（GPS）构成示意图

2GPS定位系统的组成GPS定位技术：空中GPS卫星向地面发射信号，地面用户接收机实时地连续接收，并计算出接收机位置。GPS三个部分组成：（1）GPS卫星星座（空间部分）、（2）地面监控系统（地面控制部分）、（3）GPS用户接收机（用户部分）。*6

共有24颗GPS工作卫星，构成GPS工作卫星星座，分布在6个近圆形轨道面，高度在地面上约20200km，轨道面相对于地球赤道面倾斜55角,周期11小时58分。地球上任何地方可以同时观测到4-12颗、高度角15

以上的卫星。2.1空间部分（GPS卫星星座）近地点升交点*7空间段的基本功能：--接收和储存由地面监控站发来的跟踪监测信息；--在地面监控站的指令下，调整卫星姿态或启用备用卫星；--进行必要的数据处理工作；--通过星载的高精度铯钟和铷钟提供精密的时间标准；--向用户广播GPS信号。

GPS卫星广播的GPS信号是定位基础，它由基准频率(f0=10.23Mz)经倍频产生。154倍120倍倍频后，分别形成两个载波（L1=154×f0=1575.42Mz,L2=120×f0=1227.60Mz）,波长分别为19.03cm和24.42cm。调制在L载波上的信号包括C/A码、P码和D码。C/A码（粗码）：频率为1.023MHz的伪随机码。

P码（精码）：载波频率为10.23MHz的伪随机码。测距码：粗码和精码；D码（导航电文）：卫星向用户提供为计算卫星坐标的卫星星历、系统时间、卫星钟性能及电离层改正参数等信息。*8图3：GPS信号的结构

基本频率10.23MHzL1载波1575.42MHzC/A码1.023MHzP码10.23MHz数据码50BPS

154

120

10

204600L2载波1227.60MHzP码10.23MHz数据码50BPS*92.2地面监控部分地面监控系统：由一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。主控站：

收集各个监测站所测观测值、环境要素等数据，计算每颗GPS卫星的星历、时钟改正量、状态数据、以及信号的大气层传播改正，并按一定的形式编制成导航电文，传送到主控站：此外还控制和监视其余站的工作情况并管理调度GPS卫星。注入站：

将主控站传来的导航电文，分别注入到相应的GPS卫星中，通过卫星将导航电文传递给地面上的广大用户。监测站：

为主控站编算导航电文提供原始观测数据。每个监测站上都有GPS接收机对所见卫星观测，采集环境要素等数据，经初步处理后发往主控站。导航电文：GPS用户所需要的一项重要信息，通过导航电文能确定GPS卫星在各时刻的具体位置。*102.3用户设备部分用户要实现利用GPS进行导航和定位的目的，还需要GPS接收机，即用户设备部分。用户设备部分作用：接收GPS卫星发射的信号，获得必要的导航和定位信息及观测量，经数据处理后获得观测时刻接收机的位置坐标。用户设备部分主要由GPS接收机硬件和数据处理软件组成。GPS接收机分类方法：较精密的双频接收机，稍为便宜的单频接收机。所有GPS接收机生产厂家一般都随机提供数据处理软件包，通常只用于较小区域（100km）数据处理，其作用是有限的。国际上有一些科研机构为了克服商用数据处理软件的不足，已经开发研制了多种精密的GPS数据后处理软件包。

*11GPS卫星定位的基本原理原理：测量学中的空间（距离）后方交会方法。Sat2Sat1Sat3Sat4User

必要条件：（观测卫星数>=4)时间星历距离（观测值）*12GPS定位方法：按观测值不同分为：码伪距观测定位

、载波相位测量定位；按使用同步观测的接收机数和定位解算方法来分：单点定位（绝对定位）、差分定位（相对定位）；

根据接收机的运动状态可分为静态定位

、动态定位。

单点定位：确定接收机在世界坐标系（WGS-84）中三维坐标。

相对定位：确定接收机相对地面上另一参考点的空间基线向量。

静态定位：接收机是静止不动的。

动态定位：确定接收机载体的三维坐标和速度。绝对定位和相对定位中，均包含静态和动态两种方式。比较有代表性的定位模式，即为伪距单点定位

、载波相位相对定位，其他的定位模式均为依此衍生而来。*13

*14GPS卫星

伪距单点定位示意图*153.2、载波相位相对定位载波相位：载波是指被调制以传输信号的波形，一般为正弦波。

*163.2、载波相位相对定位

为了克服关于大气折射延迟改正不够准确，以及减少未知数等原因，常对以上观测量作差分处理，所以叫相对定位。

一般要两台接收机同步观测相同的卫星。

一般用到的有单差、双差、三差法。单差观测量：不同观测站同步观测相同卫星所得观测量之差。双差观测量：在单差法基础上，对不同测站同步观测一组卫星所得单差之差。测站间同步观测量的单差示意图

测站间同步观测量的双差示意图

S1S2*17

三差法：在双差法基础上，不同测站同步观测的同一组卫星所得双差观测量作差分。