GPS原理与应用

1、全球定位系统(GPS)是美国建立了20多年的卫星导航和定位系统，耗资超过200亿美元。通过该系统，用户可以在全球范围内实现全天候、连续实时的三维导航定位和测速。此外，利用该系统，用户还可以进行高精度的时间传递和高精度的精确定位。全球定位系统项目始于1973年，自1994年开始全面运行。作为新一代卫星导航定位系统，其应用领域和应用前景已经远远超出了系统设计者的初衷。目前，在航空、航天、军事、交通、资源勘探、通信和气象等几乎所有领域，它都被用作导航、授时、定位、地球物理参数测量和大气物理参数测量的一种非常重要的技术手段和方法。在测量中，最初主要用于高精度大地测量和控制测量，建立了各种类型和等级的测

2、量控制网；现在，它已经充分应用于测量的其他方面，如各种类型的施工放样、测绘、变形观测、航空摄影测量、海上测量和地理信息系统中的地理数据采集。特别是在各类测量控制网的建立中，全球定位系统定位技术已经基本取代了传统的测量手段，成为主要的技术手段。目前，我国利用全球定位系统技术建立了新的国家大地控制网，许多城市也利用全球定位系统技术建立了城市控制网。全球定位系统应用的例子包括士兵佩戴全球定位系统、飞机定位和导航、海上导航、坦克导航、导弹导航、军事事务、精确着陆系统、科学研究中的动物项圈、森林调查、资源管理、生态研究、珠穆朗玛峰的隆起研究、精确农业、测绘领域、全球定位系统控制测量、RTK地形测绘和建筑

3、放样、其他应用、车辆导航管理、配备全球定位系统的巡逻、车辆导航的自助定义、全球定位系统、测量：早期定义：是研究地球的形状和大小以及确定地面点的科学。当前的定义是研究三维空间中各种物体的形状、大小、位置、方向和分布的学科。1.测绘：是指使用测量仪器和工具，通过测量和计算获得一系列测量数据，或将地球表面的地形缩小成地形图。2.布局：是指在地面上标明图纸上规划设计的建筑物和构筑物的位置，作为施工的依据。3.监测：(变形观测)。首先，地球水平面的形状和大小：有无数自由和静止的海面。大地水准面：与平均海面重合并延伸至大陆和岛屿的封闭表面。大地水准面：被大地水准面包围的物体。水准面的特征：物理特征几何特征

4、水准面不是一个规则的曲面、参考椭球体，一个非常接近大地水准面的几何图形(即地球椭球体)可以用数学方法表示，代替地球的形状作为测量和计算的基准面。a=6378140m，b=6356752m=(a-b)/a=1/298.257，当测量面积很小时，地球被视为一个球体， R=(2a b)/3=6371km，地面点的表示方法，在数学上，平面坐标高程在测量中。)高程：HA相对于某一参考平面的垂直距离或正常长度，点的平面坐标，1。地图投影的平面坐标系为了简化计算，(椭圆)球面上的元素应该被简化(投影)到平面上。中国采用高斯投影。2。独立平面直角坐标系。地理坐标系：表示一个点的平面坐标(，)及其地理纬度和经度

5、，以及一个点的高程，高程是指从地面点到大地水准面的垂直距离，用h表示。、b、ha、HB、大地水准面、a、高差：hAB=HB-HA，控制测量，本课程的主要内容，第1章全球定位系统定位原理概述第2章坐标系、基准和坐标系第3章全球定位系统静态定位在测量中的应用第4章技术设计第5章布局方法第6章全球定位系统基线解算第7章全球定位系统基线矢量网平差第8章全球定位系统高程第9章技术总结第10章全球定位系统定位原理概述第1节全球定位系统组成，全球定位系统由三部分组成：空间部分、地面控制部分、用户部分、全球定位系统组成空间部分，24颗卫星(21颗3)，6个轨道平面，55轨道倾角，20200公里，轨道高度(地面

6、高度)，12小时(恒星时间)，轨道周期，5小时以上，出现在地平线上(每颗卫星)，每个全球定位系统工作卫星发出导航和定位信号。全球定位系统用户使用这些信号工作。全球定位系统卫星，2。地面控制部分，全球定位系统控制部分是由一个监测系统组成的几个跟踪站分布在世界各地。根据其不同的功能，这些跟踪站分为主控站、监控站和注射站。一个主控制站：科拉多猎鹰空军基地的三个注射站：阿森松岛、迪戈加西亚岛、夸贾林岛的五个监测站=一个主控制站，夏威夷的三个注射站，主控制站，其基于每个监测站的全球定位系统观测数据。同时，它还控制卫星并向卫星发出指令。当工作卫星发生故障时，调度备用卫星替换发生故障的工作卫星；此外，主控站

7、还具有监控站的功能。注入站和监测站，注入站用于将主控制站计算的卫星星历和卫星时钟校正注入卫星。监测站的功能是接收卫星信号，监测卫星的工作状态。地面控制部分是分布式的。3.全球定位系统的用户部分由全球定位系统接收机、数据处理软件和相应的用户设备如计算机气象仪器组成。它的功能是接收来自全球定位系统卫星的信号，并将这些信号用于导航和定位。第二季度，全球定位系统卫星发射两种频率的载波信号，即频率为1575.42兆赫的L1载波和频率为1227.60兆赫的L2载波，它们的频率分别是基频10.23兆赫的154倍和120倍，它们的波长分别为19.03厘米和24.42厘米。各种信号分别在L1和L2进行调制。卫星

8、信号结构，每颗卫星发射一系列无线电信号(参考频率)、两种载波(L1和L2)(测量或消除电离层效应引起的延迟误差)、两种编码信号(C/A码和P码(伪随机噪声)、一组导航信息(信息码、D码)、C/A码，C/A码又称IS-伪随机噪声PRN码，1兆赫兹，码长1023位(周期1毫秒)。由于每颗卫星的C/A码不同，我们经常用它们的PRN码来区分它们，分离卫星信号。C/A码是普通用户用来测量站与卫星之间距离的主要信号。码的测距误差为29.32.93米。单点定位精度为2030米。p码，也称为精码，在L1和L2载波上调制，它是一个10兆赫兹的伪随机噪声码，周期为7天。在实施认证码策略时，P码和W码进行模加，生成

9、保密的Y码。此时，普通用户无法使用P代码进行导航和定位。P码的测距误差为2.930.293米。单点定位精度优于10m。在L1载波上调制P码、导航信息和导航信息，其信号频率为50Hz，包含全球定位系统卫星轨道参数、卫星时钟校正数和其他系统参数。用户通常需要利用这些导航信息来计算某一时刻全球定位系统卫星在地球轨道上的位置。导航信息也称为广播星历。全球定位系统为不同的用户提供两种不同类型的服务。一个是标准定位服务，另一个是专业定位服务。两种不同类型的服务由两个不同的子系统提供，标准定位服务由标准定位系统提供，精确定位服务由精密定位系统提供。SPS主要面向全世界的民用用户。PPS主要面向美国及其盟国的

10、军事部门和民用许可用户。第四节：全球定位系统定位的常用观测值。在全球定位系统定位中，以下一个或多个观测值通常用于数据处理。确定固定点的坐标或固定点之间的基线向量：1。L1载波相位观测2。L2载波相位观测(半波或全波)3。在L1 4上调制的伪距。L1 5上调制的伪距。L2调制伪距。第五节全球定位系统定位原理和方法，二维定位，1。全球定位系统定位原理，三维定位，用户在球面上的位置用户位于圆的两个点之一，卫星3，相交圆，单点定位结果的获取，距离观测值的计算，由卫星时钟调制的代码信号，由接收器时钟复制的代码信号，t。从接收器到卫星的距离是通过卫星发送的代码信号来测量和计算的。接收器根据相同的公式复制代

11、码信号，将本地代码信号与到达的代码信号进行比较，并确定传播延迟的时间。传播延迟时间乘以光速就是距离观测值=C，t，单点定位解可以理解为一颗卫星，交点后问题作为轨道运动的控制点。观测值是从站到卫星的伪距离(根据时间延迟值计算)。由于接收机时钟与卫星时钟之间存在同步误差，因此需要同步观测四颗卫星，并求解四个未知参数：纬度、经度、仰角h、时钟差t，利用载波相位观测值进行测距，以及来自卫星的电磁波信号。信号测量精度优于载波波长的1/100(L1=19厘米，L2=24厘米)，比码长(码长=293米)短得多。因此，全球定位系统测量可以获得比伪距(码或码)高得多的精度。p码，p=29.3米，L2=24厘米，

12、L1=19厘米，c/a=293米，计算未知的初始整数。站对卫星的载波相位观测值由三部分组成：(1)初始整数未知n；(2)从t 0到t1的整周计数ci；(3)相位尾数I如果信号没有失锁，那么每个观测值包含相同的初始未知整数n。为了使用载波相位进行定位，必须首先求解初始未知整数，并且必须获得总观测值n Ci i和初始未知整数的确定与定位精度之间的关系。如果初始整数未知不能精确求解，定位精度不能优于1m。随着初始整数未知解精度的提高，定位精度也相应提高。一旦准确获得初始未知，定位精度不再随时间延长而提高。经典的静态定位需要30-80分钟的观察来确定初始未知。快速静态定位将这一过程缩短到2-5分钟，并

13、在星际站之间形成两个差分观测，可以消除卫星时钟的系统偏差和接收机时钟的误差。可以消除轨道(星历)误差的影响，并且可以减弱大气折射对观测值的影响。2.全球定位系统的定位方法多种多样，用户可以根据不同的用途采用不同的定位方法。根据不同的分类标准，全球定位系统定位方法可分为：根据定位所用的观测值，根据定位方式，根据获得定位结果的时间，根据定位所用的观测值，伪距定位：伪距定位所用的观测值为全球定位系统伪距观测值，可以是C/A码伪距，也可以是P码伪距。优点：数据处理简单，对定位条件要求低，整个周期没有模糊性，很容易实现实时定位；缺点：观测值精度低，C/A码伪距观测值精度一般为3米，而P码伪距观测值精度一

14、般为30厘米左右，导致定位结果精度低。此外，如果使用高精度的伪距观测值，仍然存在伪距问题。载波相位定位：载波相位定位中使用的观测值是GPS载波相位的观测值，即L1、L2或它们的某种线性组合。优点：观测值精度高，一般优于2mm；缺点：数据处理过程复杂，整个周期存在模糊性问题。根据定位模式，绝对定位也称为单点定位，单点定位是使用一个接收器的定位模式，它确定接收器天线的绝对坐标。这种定位方式的特点是操作方式简单，可以在单台机器上工作。绝对定位通常用于导航和精度要求较低的应用中。相对定位：相对定位也称为差分定位。这种定位模式使用两个以上的接收器，同时观察一组相同的卫星，以确定接收器天线之间的相互位置关

15、系。根据获得定位结果的时间进行实时定位：实时定位是根据接收机观测到的数据实时计算接收机天线的位置。非实时定位：非实时定位，也称为后处理定位，是一种通过后处理接收器接收的数据进行定位的方法。根据接收机在定位时的运动状态，动态定位：在全球定位系统定位时，接收机天线的位置在整个观测过程中发生变化。静态定位：在全球定位系统定位过程中，接收机天线的位置在整个观测过程中保持不变。静态定位一般用于高精度的测量和定位，其具体的观测方式是多个接收机在不同的站进行静态同步观测，时间从几分钟到几个小时甚至几十个小时不等。第6节全球定位系统定位的误差来源，我们在使用全球定位系统进行定位时会受到各种因素的影响。影响全球定位系统定位精度的因素可分为以下四个方面：1 .与全球定位系统卫星有关的因素：从国家利益出发，美国政府通过降低广播星历的精度和在全球定位系统参考信号中增加高频抖动技术，人为地降低了普通用户的导航和定位精度。卫星星历误差：在全球定位系统定位中，计算某一时刻全球定位系统卫星位置所需的卫星轨道参数由各种类型的星历提供，但无论使用哪种类型的星历，计算出的卫星位置都会与其真实位置不同，这称为星历误差。卫星时钟差：卫星时钟差是安装在全球定位系统卫星上的原子钟的钟面时间与全球定位系统标准时间之间的误差。卫星信号发射天线相位中心偏差：卫星信号发射天线相位中心偏差是指GPS卫星上信号发射天线的标称相