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1、主要内容主要内容概述概述GPS定位系统的组成定位系统的组成GPS卫星定位的基本原理卫星定位的基本原理GPS测量的实施测量的实施GPS测量的作业模式测量的作业模式第1页/共28页21 概述概述全球定位系统(GPS)是“授时、测距导航系统全球定位系统Navigation System Timing and Ranging/Global PositioningSystem的简称。该系统是美国从70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有海、陆、空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：全球覆盖、全天候、高精度、自动化、实时三维动态定位、高效益
2、无用户数量限制、应用广泛等。应用：大地测量、工程测量、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。其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。第2页/共28页3GPS卫星第3页/共28页4相对于经典的测量技术来说，这一新技术的主要特点主要特点 如下：a)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甚为灵活。b)高精度三维定位：GPS可以精确测定测站的平面位置和大地高。c)观测时间短：快速静态相对定位法，观测时间可少至数分钟；实时动态定位
3、(RTK)可提供厘米级的实时三维定位。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数据处理也由软件自动完成。e)全天候作业：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。第4页/共28页5全球定位系统(GPS)构成示意图2 GPS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的组成：(1)GPS卫星星座(空间部分)；(2)地面监控系统(地面控制部
4、分)；(3)GPS用户接收机(信号接收处理部分)。第5页/共28页6控 制 部 分 1 个 主 控 站 5 个 监 控 站空 间 部 分 导 航 卫 星 :导 航 信 息 卫 星 时 和 卫 星 钟 24 颗 卫 星 20200 Km用 户 设 备 部 分 接 受 卫 星 信 号GPS GPS 系统的组成系统的组成 第6页/共28页7GPS星座示意图共有24颗GPS工作卫星构成GPS卫星星座。地球上任何地方、高度角在15以上的空间，可同时观测到412颗卫星,卫星分布在6个面相对于地球赤道面倾斜角为55的近圆形轨道面上，高度距地面约2.02万km。一、空间部分一、空间部分(GPS(GPS卫星星座
5、卫星星座)第7页/共28页8GPS卫星基本功能：接收和储存由地面监控站发来的跟踪监测信息；受地面监控站的指令，调整卫星姿态和启用备用卫星；进行必要的数据处理工作；通过星载的高精度原子钟提供精密的标准时间；向用户广播GPS信号。第8页/共28页9GPS信号GPS卫星广播的GPS信号是定位基础，它由基基准准频频率率(f0=10.23Mz)经倍频和分频产生。154和120倍频后，分别形成L波段的两个载波频率信号(L1=1575.42Mz,L2=12227.60Mz),波 长 分 别 为 19.03cm和24.42cm。调制在L载波上的信号包括的C/A码，P码和D码,其中：C/AC/A码码 (粗码，粗
6、码，对应的波长为293.1m)。P P码码(精码，精码，对应的波长为29.3m)。测距码测距码：粗码和精码；D D码码 为卫卫星星导导航航电电文文，数据率为50bps。若测距精度为波长的百分之一，则C/A码和P码的测距精度为2.93m和0.29m。第9页/共28页10图3：GPS信号的结构第10页/共28页11二、地面监控部分二、地面监控部分地面监控系统：由一个主主控控站站、三个注注入入站站 和五个监监测测站站 组成。主主控控站站作作用用：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
7、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。注注入入站站作作用用：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。导导航航电电文文：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。监监测测站站主主要要任任务务：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。第11页/共28页12三、用户设备部分三、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。用用户户设设备备部部分分作作用用：接收
8、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。GPSGPS接接收收机机分分类类方方法法：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，但其作用是有限的。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。第12页/共28页133 GPS卫星定位的基本原理GPS卫星定位原理是测量学中的空间距离交会方法。S1S3S4GPS接收机TiS2第13页/共28页14XllVlXllllllllVVVllV
9、lllXlX距离=传播时间 x 光速距距 离离 测测 定定 原原 理理 第14页/共28页15我 们 必 定 在 以 R1 为 半 径 的 球 面 的 某 个 点 上R1 点点 位位 测测 定定 原原 理理 第15页/共28页162 个 球 面 相 交 成 一 个 圆 弧点 位 被 限 制 在 一 曲 线 上R1R2点点 位位 测测 定定 原原 理理 第16页/共28页173 个球面相交成一个点3 个距离段可以确定纬度，经度，和高程点 的 空 间 位 置 被 确 定R1R2R3点点 位位 测测 定定 原原 理理 第17页/共28页18GPS定位方法：按观测值的不同，分为伪距观测定位伪距观测定位
10、 和载波相位测量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，有单点定位单点定位 (绝对定位)和差分定位差分定位(相对定位相对定位)；根据接收机的运动状态可分为静态定位静态定位 和动态定位动态定位。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。静态定位时接收机是静止不动的，动态定位是确定安置接收机的运动平台的三维坐标和速度。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，即为伪距单点定位伪距单点定位 和载波相位相对载波相位相对定位定位，其他的定位模式均为依此衍生而来。第18页/共28页
11、19一、伪距单点定位一、伪距单点定位 伪伪距距 就是卫星到接收机的距离观测量，即由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得的距离。由于伪距观测量所确定的卫星到测站的距离，都不可避免地会含有大气传播延迟、卫星钟和接收机同步误差等的影响。为了与卫星和接收机之间的真实几何距离相区别，这种含有误差影响项的距离观测，通常称为“伪伪距距 ”，并把它视为GPS定位的基本观测量。伪伪距距法法单单点点定定位位：就是利用GPS接收机在某一时刻，同步测定的至4颗以上GPS卫星的伪距，以及从卫星导航电文中获得的卫星位置，采用距离交会法求得接收机的三维坐标。第19页/共28页20GPS卫星伪距单点定位
12、示意图伪距单点定位示意图第20页/共28页21二、载波相位相对定位二、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。一般用到的有单差、双差、和三差法。单差：单差观测量通常是指不同观测站同步观测相同卫星所得观测量之差。双差观测量是在单差法基础上，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 T1 T2第21页/共28页22四、GPS测量误差GPS卫星在距离地面约20200公里的高空，向地面上的广大用户发送测距信号和导航电文等信息。GPS定位的观测量不可避免地会受到多种误差源影响。按照这些误
13、差源的来源，一般可分为三种情况：(一)与GPS卫星有关的误差(二)与信号传播有关的误差(三)与接收设备有关的误差第22页/共28页235 GPS测量的作业模式GPS测量的作业模式：利用GPS定位技术，确定观测站之间相对位置所采用的作业方式。不同的作业模式，因作业方法和观测时间的不同，而具有不同的应用范围。由于GPS测量数据处理软件系统的发展，为确定两点之间的相对位置，已有多种作业模式可供选择。目前，较为普遍采用的作业模式，主要有：1.1.静态相对定位静态相对定位2.2.快速静态相对定位快速静态相对定位3.3.准动态相对定位准动态相对定位4.4.动态相对定位动态相对定位 。第23页/共28页24
14、5.1静态相对定位模式作业方法：采用两套(或两套以上)接收设备，分别安置在一条(或数条)基线的端点，根据基线长度和要求的精度，同步观测4颗以上卫星数时段，每一时段长13小时。定位精度：基线测量的精度可达3mm+110-6D，D为基线长度。w特点：所观测的独立基线边，应构成某种闭合图形(如图)，以利于观测成果的检核，增强网的强度，提高成果的可靠性和精确性，基线长度可由数公里至上千公里。静态相对定位模式示意图第24页/共28页255.2快速静态相对定位模式作业方法在测区的中部选择一个基准站(或参考站)，并安置一台接收机，连续跟踪所有可见卫星；另一台接收机，依次到各点流动设站，静止观测数分钟。在观测
15、中至少跟踪4颗卫星，同时流动站与基准站相距不超过15km。特点接收机在流动站之间移动时，不必保持对所测卫星的连续跟踪，因而可关闭电源以降低能耗。该模式作业速度快，精度高。缺点是，在采用两台接收机作业时，直接观测边不构成闭合图形。快速静态相对定位模式示意图 基准站 观测基线 迁站路线 流动站 第25页/共28页265.3准动态相对定位模式作业方法在测区选一基准站，在其安置一台接收机，连续跟踪所有可见卫星；置另一台流动的接收机于起始点(如图中1号点)观测数分钟；在保持对所测卫星连续跟踪的情况下，流动的接收机依次迁到2，3号流动点各观测数分钟。该作业模式要求：作业时必须同时观测4颗卫星；在观测过程中
16、，流动接收机对所测卫星信号不能失锁；一旦发生失锁现象，应在失锁后的流动点上，将观测时间延长至数分钟；流动点与基准站相距，目前一般应不超过15km。特点：该作业模式效率高。第26页/共28页275.4动态相对定位模式作业方法：作业方法：w建立一个基准站，并在其上安置一台接收机，连续跟踪所有可见卫星；w另一台接收机，安置在运动的载体上(如图)，在出发点按快速静态相对定位法，静止观测数分钟，以进行初始化；w运动的接收机从出发点开始，在运动过程中按预定的采样间隔自动观测。w该作业模式要求：至少同步观测至少4颗卫星，并在运动过程中保持连续跟踪；同时，运动点与基准站的距离，目前应不超过15km。特点：特点：w速度快，精度高，连续实时定位。第27页/共28页28感谢您的观看！第28页/共28页