GPS测量原理及应用

1、全球定位系统的原理和应用，陈志高，2020/7/10，2，第1部分：原理，1全球定位系统测量的特点2全球定位系统的历史和背景3全球定位系统的组成4全球定位系统卫星5全球定位系统地面控制站6全球定位系统用户设备7全球定位系统状态8全球定位系统定位原理9全球定位系统测量，全球定位系统定义，全球定位系统的英文全称是：导航卫星计时和全球定位系统变化测量PVT:位置，速度，时间，全球定位系统在日常生活中的作用，4， 全球定位系统在日常生活中，车载手机，5，2020/7/10，6，1全球定位系统的测量特点，不需要相互能见度观测操作，不受天气条件的影响，可以达到大地测量所需的精度水平，并且可以提供全天候、昼

2、夜、7，2全球定位系统历史和背景的高运行效率的三维坐标，全球定位系统是美国军方开发的第二代卫星导航系统。 (1)覆盖全球。(2)它能在24小时内定位、测量速度和时间。(3)用户设备成本低。(4)确保美国军事安全，服务全球战略。(5)导航精度可达10-20m。(6)它可以取代现有的各种导航系统。该设备可用于武装战车、舰船和飞机，提高其作战能力，并可广泛使用，2020/7/10，8，全球定位系统与NNSS的主要特征比较，2020/7/10，9，全球定位系统与GLONASS的主要特征比较，2020/7/10，10，3全球定位系统系统组成，空间部分：提供星历和时间信息，传输伪距和载波信号，提供其他辅助

3、信息，地面控制部分：中央控制系统实现时间同步跟踪卫星定轨；用户部分：接收和测量卫星信号记录处理数据，以提供导航和定位信息；2020/7/10，11，4全球定位系统卫星；24颗卫星(21颗3)，6个轨道平面，55个轨道倾角，20，000公里轨道高度(地面高度)，12小时(恒星时间)，以及超过5小时的轨道周期出现在地平线上(每颗恒星)。目前，实际运行在轨道上的卫星数量已经超过32颗。2020年7月10日，12月5日，全球定位系统地面控制站，一个主控制站：科罗拉多州斯普林菲尔德的三个注射站：阿森松岛、迪戈加西亚岛、夸贾林岛，五个监测站=一个主控制站，三个注射站，夏威夷，2020年7月10日，13日，

4、6个全球定位系统用户设备，全球定位系统接收器，通常，导航全球定位系统接收器没有带数据输出的记录存储设备(手机)，TOPCON产品，徕卡全球定位系统接收器，南方仪器厂，图片：导航全球定位系统，手持全球定位系统，车载全球定位系统，图片：地面，参考频率10.23兆赫兹，L1 1575.42兆赫兹，C/A码1.023兆赫兹，P码10.23兆赫兹，L2 1227.60兆赫兹，P码10.23兆赫兹，10，154，120，50位/秒，卫星信息消息(D码)每个卫星发射一系列无线电信号(参考频率)，两个载波(L1和L2)，两个码信号(C/A码和P码)，一组导航信息(信息码，D码)结构是开放的，不同的卫星有不同的

5、碳/碳码。p码(精码):调制在L1和L2载波上。(3)数据码(D码)(导航信息)提供关于卫星位置、卫星时钟性能、发射机状态等的数据和信息。用户可以通过使用观察值以及这些信息和数据来导航和定位。2020/7/10/23，各种常用的GPS定位观测，测距卫星，接收机测距每一颗被跟踪卫星，地心，Si，ij，Pj，ri，Rj，相关观测值和已知数据如下：r是已知卫星矢量p是观测值(伪距)未知由于卫星时钟和接收机时钟的误差，以及无线电通过电离层和对流层的延迟，实际测量距离与卫星和接收机之间的几何距离有一定的差异，所以测量距离一般是伪距码测得的伪距就是码的伪距。用伪码测量的伪距是伪码距离。，2020/7/10

6、/25，测距码伪距测量，通过卫星发射的码信号测量和计算从接收机到卫星的距离。接收器根据相同的公式复制代码信号，将本地代码信号与到达的代码信号进行比较，确定传播延迟时间T，并将传播延迟时间乘以光速，以获得距离观测值=C、T、T、接收的卫星测距代码、接收器复制的测距代码、伪距测量。2)没有多值问题。3)可以作为载波相位测量中整波数(模糊度)不确定度的辅助数据。4)一次定位精度不高(P码定位误差约10 m，C/A码定位误差约2030 m)。D=c TN，载波相位观测，载波L1波长为19厘米，L2波长为24厘米。接收器将接收到的卫星载波信号的相位与其自身的参考载波信号的相位进行比较。打开接收器后，当相

7、位未知(整个周期模糊)并且卫星被跟踪很长时间(整个周期保持不变)时，可以测量距离的变化。接收到的卫星相位、接收机复制的相位、载波相位观测值以及t整周模糊度的确定可以通过卫星和台站的先验信息或伪距观测值来估计，最佳估计可以在平差计算中求解。当用通常的方法解决问题时，卫星的几何构型需要随着观测时间的延长而发生很大变化，从而使电离层折射效应和多径效应等系统偏差的影响逐渐减弱甚至消除，从而保证其确定的可靠性。在正常的静态定位中，为了保证测定的可靠性，需要观察至少1小时。2020/7/10/29/，卫星广播电磁波信号：信号测量精度优于波长的1/100。载波波长(L1=19厘米，L2=24厘米)比码波长(

8、码长=293米)短得多。因此，利用载波相位观测值进行全球定位系统测量可以获得比伪距(C/)更好的L1载波、L2载波、C/A码、P码、p=29.3m米、L2=29.3米。缺点：载波信号是周期性正弦信号，相位测量只能测量小于一个波长的小数部分，但不能测量整个波长数。因此，整个周期存在不确定性，这使得计算过程更加复杂。，2020/7/10/31，单点定位结果的获取，单点定位解决方案可以理解为作为轨道运动控制点的卫星，观测值是从站到卫星的伪距离(通过时间延迟计算)。由于接收机时钟与卫星时钟之间存在同步误差，需要同步观测四颗卫星，并解算出四个未知参数：纬度、经度、大地高程h和钟差t。2020年7月10日

9、、32日和8日全球定位系统定位误差源。 与全球定位系统卫星sa(精确星历加密)技术相关的因素：广播星历精度的人工降低卫星星历(轨道确定)误差卫星时钟差卫星信号发射天线相位中心偏差传播路径相关因素电离层延迟对流层延迟多径效应接收器相关因素接收器时钟差接收器天线相位中心误差接收器软件和硬件2020年7月10日、33日、9日由全球定位系统测量引起的误差，(1)使用载波相位观测值，以及卫星广播的电磁波信号。 信号测量精度优于载波波长的1/100(L1=19厘米，L2=24厘米)，优于码波长的1/100(码波长=293米)。 C/A=293 m，2020/7/10，34，(2)组成两个站间差分观测，可以

10、消除卫星时钟的系统偏差，消除接收机时钟的误差，减弱大气折射对观测的影响，减弱轨道(星历)误差的影响，2020/7/10，35，(3)。(2)从t 0到t1的整周计数ci；(3)相位尾数1如果信号没有失锁，那么每个观测值包含相同的初始未知值。为了利用载波相位进行定位，必须先尝试求解初始未知量，得到总观测值NCI，2020/7/10，36。(4)找出初始未知量的确定与定位精度之间的关系。经典的静态定位是0，0，30，80，5，8，并且确定整个星期未知之后的时间(分钟)。如果最初的整周未知无法精确求解，定位精度很难优于1米。随着初始整周未知解精度的提高，定位精度也相应提高。一旦准确获得了最初的整周未

11、知，定位精度就不再随时间而提高。经典的静态定位需要30-80分钟才能找到最初的未知。快速静态定位将过程缩短至5-8分钟(双频接收器)。快速静态定位、2020/7/10，37、伪距差，这是使用最广泛的差。在基站上，观察所有卫星，根据已知的基站坐标和每个卫星的坐标，计算每个时刻每个卫星到基站的真实距离。与测量的伪距相比，伪距校正数被获得并被发送到用户接收机以提高定位精度。这种差异可以得到米定位精度，如“信标差”，2020/7/10，38，载波相位差，这也称为RTK(实时运动学)技术。这是一种差分方法，用于实时处理两个站的载波相位观测值。也就是说，由参考站收集的载波相位被发送到用户接收机，并且坐标通

12、过差来计算。载波相位差可以使定位精度达到厘米级，已广泛应用于要求高精度点的动态测量领域。2020/7/10/39，第2部分中国全球定位系统测量的通用坐标系，1。WGS-84 WGS-84坐标是全球定位系统采用的坐标系，全球定位系统发布的星历参数都基于该坐标系。WGS-84的椭球参数：a=6378137 m1/f=298.257223563 2.1954北京坐标系1954是目前中国广泛使用的大地坐标系，参考椭球为克拉索夫斯基椭球。它的海拔是基于1956年黄海的平均海面。克拉索夫斯基椭球参数：a=6378245 m 1/f=298.3，2020/7/10，40，3.1980 Xi安坐标系，1980

13、 Xi安坐标系是我国新建的大地坐标系，参考椭球为IUGG1975椭球，其高程基于1956年黄海平均海面。IUGG1975椭球参数：A=6378140 m 1/f=298.257，2020/7/10，41，第3部分，GPS静态定位，GPS静态定位主要用于建立各级测量控制网，其优点是：定位精度高，其基线的相对精度很高，点的选择灵活，不需要标记，成本低，全天候运行的观测时间短。2020/7/10/42，第4部分全球定位系统高度，测量中常用的高度系统是大地测量高度系统、正高度系统和正常高度系统，它们是以参考椭球为基准面的高度系统。点的大地测量高度是从点到参考椭球的垂直距离。地球高度也称为椭球高度。通常

14、用H表示.正射系统是基于大地水准面的高度系统。点的真实高度是从点到大地水准面的垂直距离。正常高度系统是以似大地水准面为基准面的高度系统。点的正常高度是从点到似大地水准面的垂直距离。2020/7/10/43，高程系统之间的转换，从似大地水准面到参考椭球面的距离称为高程异常，而似大地水准面是不规则的，这就造成了各地高程异常值的不确定性。2020/7/10/44，全球定位系统高程法和高程拟合法在中国普遍适用于寻找高水准。2020/7/10，45，第5部分：全球定位系统在军事上的应用，全球定位系统在战场上的应用，全球定位系统在电子战中的应用，全球定位系统在武器试验中的应用以及全球定位系统在战场上的应用

15、。在1990年海湾战争中，虽然当时全球定位系统还没有完全建成，只有一些全球定位系统卫星在太空中运行，但它在多国部队中的应用显示了它的优越性。战争开始时，美国装备了900套全球定位系统接收器，这在战争中迅速增加，战争后期装备了5000多套。连同它的盟军，它已经装备了10，000多套。直到战争结束，成千上万的合同产品仍在生产。全球定位系统在战场上的应用，因为当时多国部队跨越国界和地域作战，地理环境相当陌生，对地图的依赖非常有限。据说许多美国士兵是在手持全球定位系统的帮助下幸存下来的。事实证明，它最适合单兵和快速反应部队，因为它满足了快速、灵活、多变的战时环境，其效率是传统导航工具无法达到的。目前，它已经成为许多外国士兵的标准装备之一。带全球定位系统接收机的飞机不仅提高了导航精度，而且由于将被轰炸目标作为“航路点”，有效地提高了投弹精度。利用全球定位系统导航功能，战斗机的飞行和轰炸不受昼夜和可视距离的影响，可以避免敌人雷达视距低空飞行，减少损失，严重损害敌人。战场侦察，无论是高山、密林还是沙漠，有了全球定位系统接收器，侦察兵就能掌握自己的位置，记录敌人的位置，再也不会在方向和路线上出错。空中侦察，多架飞机，利用全球定位系统连续确定自