GPS原理与应用（简化版）

nullnull 全球定位系统 （ Global Positioning System - GPS） 的原理与应用概论概论 1 GPS测量与经典测量 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 的对比： 2 历史和背景 3 系统的组成 4 GPS卫星 5 地面控制站 6 用户设备 7 GPS定位原理 8 GPS测量 GPS测量与经典测量方法的对比： GPS测量与经典测量方法的对比： 不需要相互通视 观测作业不受天气条件的影响 网的质量与点位的分布情况无关 能达到大地测量所需要的精度水平 白天和夜间均可作业 经济效益显著 2 历史和背景 2 历史和背景GPS是美国军方研制的第二代卫星导航系统 （1）全球通用 （2）24小时可以定位，测速和授时 （3）用户设备成本低廉 （4）确保美国军事安全，服务于全球战略 （5）导航精度可达10—20m （6）取代现存各种导航系统 这种设备可以用来武装战车，舰船和飞机，提高其作战能力，并可广泛用于地面部队。其作用在海湾战争中已得到相当充分的显示。 2 历史和背景2 历史和背景GPS与NNSS的主要特征 2 历史和背景2 历史和背景GPS与GLONASSS的主要特征 null3 GPS 系统的组成全球定位系统（GPS）由三个主要部分组成空间部分： 提供星历和时间信息 发射伪距和载 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 信号 提供其它辅助信息 地面控制部分： 中心控制系统 实现时间同步 跟踪卫星进行定轨用户部分： 接收并测卫星信号 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 处理数据 提供导航定位信息4 GPS卫星4 GPS卫星24颗卫星（21+3） 6个轨道平面 55º轨道倾角 2万km轨道高度（地面高度） 12小时（恒星时）轨道周期 5个多小时出现在地平线以上（每颗星） 5 地面控制站5 地面控制站一个主控站：科罗拉多•斯必灵司 三个注入站：阿松森（Ascencion) 迭哥•伽西亚(Diego Garcia) 卡瓦加兰(kwajalein) 五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷（Hawaii) 6 用户设备－16 用户设备－1二、GPS卫星定位原理二、GPS卫星定位原理有源、被动式 无线电测距交会定位 GPS定位方法GPS定位方法伪距单点定位 精度15~20米 载波相位相对定位 广播星历：±（5mm+1ppm*D） 精密星历：长距离1*10-8 差分定位 位置差分 ±3-5m 可靠性差 伪距差分 ±3-5m 适用范围100海里 相位平滑伪距差分 ±1m 载波相位实时差分（RTK）1-2cm适用范围30公里 广域差分 ±3-5m 长距离大范围GPS卫星信号特点GPS卫星信号特点选用两个载波频率 fL1=1575.42MHz, λ1=19.05cm fL2=1227.60MHz, λ2=24.45 两个频率可测定电离层延迟，消除电离层延迟误差 采用伪随机躁声码扩频技术采用伪随机躁声码扩频技术C/A码： 捕获码，用于捕获卫星，每棵卫星有不同的C/A码； 粗码，可用于测距，但精度低,码元宽293m。 P码： 精码，用于快速精确定位,码元宽29.3m第二代GPS卫星BLOCKⅡ 将要采取措施第二代GPS卫星BLOCKⅡ 将要采取措施增大L1，L2信号功率，L2上加上C/A码，以提高C/A的定位精度。 采用稳定度更高的氢原子钟，日稳定度可达到1×10－15 增大太阳能帆板到13.4m2，提高供电功率1136w 提高抗核辐射和抗激光辐射能力，采用新设计天线提高抗干扰能力 将卫星增加到30颗，每颗卫星重1075kg，卫星寿命10年 增加卫星间通信能力和卫星间测距能力，加强了轨道调整能力二、GPS观测误差二、GPS观测误差一）、与卫星有关误差 卫星星历误差：轨道偏差 卫星钟差 相对论效应   二）、信号传送误差 电离层延时 对流层延时 多路径效应 null三）、观测及接收设备误差 接收机钟差 接收机噪声 天线相位中心误差 天线安置误差   四）、其它误差 地球固体潮 地球海潮 美国SA政策 一）与卫星有关误差 一）与卫星有关误差 1）、卫星星历误差 1. 广播星历：由地面监测站测定卫星轨道外 推轨道，精度25m。 精密历：实测后处理提供星历，＜5cm IGS站上取，中国地壳形变网null3. 解决方法 ①建立卫星跟踪网精密定轨 ②轨道松弛法：半短弧法：三个方向为未知数 短弧法：6个轨道根数为未知数 ③二站同步观测相对定位消除null2）、卫星钟误差 卫星钟有偏差和漂移，差1ms，相当于300KM。 l         导航电文中提供修正参数用模型改正。 t为参数历元。 改正后可达到20ns，6m误差 l         消除方法：二站同步观测相对定位消除二）与信号传播有关误差 二）与信号传播有关误差 1）、电离层延迟 由地面50-1000KM高空中由太阳幅射造成气体电离形成电离层。电磁波信号经过电离层速度发生变化。减弱电离层影响方法 减弱电离层影响方法 l   利用双频接收机： 令 A＝C×40.28nulll         模型改正：Klobachar 　　 DC：5ns，TP：14h 为地磁强度    null二站同步观测减弱 相距≦20KM null2）、对流层影响 从地面到高空40KM大气层为对流层。电磁波经过对流层会产生延迟，和温度、湿度、气压有关。 天顶方向可达2.3m， 高度角10o，可达13mnull l    模型改正：霍普菲尔德　　（Hopfield）l    差分方法可以消除null3）、多路径误差多路径影响结果 多路径影响结果 L1载波最大可达4.8cm L2载波最大可达6.1cm 码影响可达10m多路径消除方法多路径消除方法选择合适的站址：远离反射物、山坡、沙丘、水面等 带有抑制板的天线 长时间观测三）与接收机有关误差三）与接收机有关误差天线相位中心偏移：应小于5mm 接收机钟差：作为未知数求解 星间差消除 利用模型改正 内部噪声：小于0.1mm 天线安置误差：小于1mm三、GPS测量技术三、GPS测量技术1、定位方法 GPS定位方法有： ①单点定位； 单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它采用伪距观测量和载波相位观测量，可用于车船等的概略导航定位。 ②相对定位 相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。 null①静态定位 即设置在固定点上的接收机固定观测一段时间（时段），获得充分的观测数据。 ②动态定位 分为动态绝对定位和动态相对定位 动态绝对定位：接收机安置在运动的载体 上，处于运动的情况下确定瞬时绝对位置 动态相对定位（差分）： 将一台接收机安置在一个固定的观测站上,另一 台接收机安置在运动的载体上，处于运动的情况 下确定瞬时相对位置 null 2、差分：静态差分；动态差分 静态差分：单差、双差、三差 动态差分： ⑴　位置差分 ⑵　伪距差分 ⑶　相位差分 这三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。 null⑴　 位置差分原理         安装在基准站上的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，解算出的坐标与基准站的已知坐标是不一样的， 存在误差。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。最后得到的改正后的用户坐标已消去了基准站和用户站的共同误差，提高了定位精度。以上先决条件是基准站和用户站观测同一组卫星。null⑵　 伪距差分原理     伪距差分是目前用途最广的一种技术。    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来解出本身的位置， 就可消去公共误差，提高定位精度。     与位置差分相似，伪距差分能将两站公共误差抵消，但随着用户到基准站距离的增加又 出现了系统误差，这种误差用任何差分法都是不能消除的。用户和基准站之间的距离对精度有决定性影响。 null⑶　 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）。 但是，上述这些作业方式都是事后进行数据处理，不能实时显示测点 的成果。 上述差分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。随之而来的是更加精密的测量技术 — 载波相位差分技术。 null       载波相位差分技术又称为RTK技术（real time kinematic），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。 null 差分GPS定位系统是由一个基准站和多个用户台组成。基准站与用户台之间的联系，即由基准站计算出的改正数发送到用户台的手段是靠数据链完成的。数据链由调制解调器和电台组成。 null四、 GPS 基线向量的解算 把整周未知数作为待定参数在平差计算中与其它参数一并求解的方法，在静态相对定位中，尤其在长距离静态相对定位中，是一种常用的方法。仅就解算方法而言，这时也可采用观测量的三差模型，首先消去整周未知数，在观测站的坐标确定之后，再根据单差或双差模型求解相应的整周待定值。 在平差计算中，根据整周待定值解算结果的取值，一般又有两种情况： null ——整数解(或固定解)。 整周未知数具有整数的特性。但是，通过上述平差计算所得到的整周待定值，一般非为整数。这时可以将其取为相接近的整数，并作为已知数代入原观测方程更新解算其它的持定参数。当观测误差和外界误差(或其残差)对观测值的影响短小时，应用此法较为有效。整周待定值的整数解也叫固定解。这种方法一般主要应用于基线较短的相对定位中。 null ——非整数解(或实数解、浮动解) 这种处理方法，不考虑整周待定值的整数性质。通过平差计算所求整周持定值不再进行揍整和重新解算。这时虽然所求得的整周待定值非为整数，不满足其应有的整数特性，但是，如果外界误差的影响较大，求解的整周待定值精度较低时(例如误差影响大于半个波长)，将其再凑整为整数无助于提高解的精度。整周待定值非整数解也叫浮动解，这种方法一般常用于基线校长的相对定位中。 GPS高程(一)GPS高程(一)GPS测量得到的是大地高程，也即椭球高，实际应用中所采用的高程为海拔高程，两者之间存在高程异常值的差异，即：h=H-N，其中，h为一点的海拔高程，H为该点的大地高程，N为该点的高程异常值（又称大地水准面差距），要想从大地高程精确归算到海拔高程，就要获取准确的高程异常值。GPS高程（二）GPS高程（二）目前，高程异常值的获取方法大致有如下几种：1、从国家高程异常值图上查取；2、从全球高程异常模型中得到，如国际上广泛采用的OSU91A，EGM96模型等；3、从局部地区的精化大地水准面模型中得到，如：塔里木盆地、柴达木盆地和正在施工的华北部分地区精化大地水准面模型等；前两种方式的精度不高，一般在分米到米级之间，不能满足实际生产的需要；第三中方法精度较高，在几个厘米至十几个厘米之间，但是目前可供使用的地区很有限。