全球卫星定位系统原理及定位方法.ppt
全球定位系统,全球定位系统卫星导航系统，用于在全球 范围内获取物体的空间位置、速度和时间信息。全球定位系统 GPS 的英文全称 Global Positioning System，简称 GPS。,GPS概要,建立国家美国目的在全球范围内，提供实时、连续、全天候的导航定位及授时服务开始筹建时间1973年完全建成时间1994年,系统构成空间部分、地面控制部分、用户部分定位原理距离交会测距原理电磁波测距,GPS定位系统的特点,定位精度高（用载波相位法进行静态相对定位，在小于50km基线上，精度达1ppm；在100500km基线上，精度达0.1ppm。观测时间短（一小时到几秒钟），测量效率高。,测站间无需通视，因而测站可以设置在任何需要的地方，且不用建造觇标。仪器操作简便全球全天候定位可同时获得三维坐标应用广泛,GPS在测量中的应用,控制测量质量要求高（厘米至毫米级）,国家高精度GPS网,形变监测质量要求极高（毫米级）,GPS大坝变形监测系统,大桥安全监测,大型水利设施的安全监测,高层建筑的安全监测滑坡监测地面沉降监测,工程放样质量要求较高（分米至厘米级）,GPS RTK,GIS数据采集质量要求较低（分米级）,用于GIS数据采集的GPS接收机,踏勘、资源调查质量要求低（数十米至米级）,资源调查,GPS技术的其他应用领域,车船管理调度：在出租车行业、长途运输业、租车服务业等将能够对车辆进行跟踪、调度管理。在拥挤的停车场、火车调度场能够准确地确定车辆的位置，有效地调动车辆。车辆自导航,GPS用于航空航天器轨道的确定,民航运输：使飞机着陆时驾驶员通过仪表操作对准跑道。,公路水路维护：能准确地引导维护人员调查需维护的交通设施。,道路支持：车在路上坏了时，将提高救援车辆找到你的效率。,满足人们在资源勘探、遥感探测、勘探地形、森林实地自然资源调查、动物跟踪、生态环境保护、海洋生物调查、社会调查、防止动物威胁等诸多方面对定位精度的要求。,突发事件临战状态准备：如在洪水发生时，需要快速地为救灾工作做好准备，如绘制洪水边界图、排洪国界图、排洪通道、防洪大堤的调查。,E911：美国通讯委员会（FCC）要求将所有的移动电话安装无线电定位装置，以便用户在通过移动电话向911请求帮助时可找到用户位置，实现快速援助。GPS将是满足FCC要求的一种精确、成本低廉的方式。,搜索与求援：更加有效地对在人迹罕至、条件恶劣的航海、登山探险、滑雪、沙漠作业中失踪的人员进行求援搜索。,GPS的系统组成,空间部分,地面监控部分,用户部分,GPS,GPS的空间部分,GPS的空间部分的组成GPS卫星星座,设计星座21(工作卫星)+3(活动的备用卫星)6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55,保证在24小时，在高度角15以上，能够同时观测到4至8颗卫星当前星座：28颗,GPS卫星 作用：生成用于导航定位的信号（测距码、载波）发送用于导航定位的信号（调制在载波上的测距码和导航电文）接收、存储导航电文接受地面指令，进行相应操作其他特殊用途，如通讯等。,主要设备信号生成与发射装置原子钟（2台铯钟、2台铷钟）微处理机太阳能电池板,GPS的地面监控部分,地面监控部分（Ground Segment）组成监测站：5个主控站：1个注入站：3个通讯与辅助系统,监测站：5个,注入站：3个,主控站:1个,主控站:1个,收集监测数据编发导航电文监控系统状态,监测站：5个,对卫星进行跟踪观测记录距离、时间、气象数据将数据传送到主控站,注入站：3个,在卫星飞跃注入站上空时向卫星注入导航电文向卫星注入指令等,GPS用户部分,GPS信号接收机,GPS接收机的基本类型分导航型和大地型。大地型接收机又分单频型和双频型。,图片：导航型GPS接收机,手持型GPS机,车载型GPS机,图片：大地型GPS接收机,单频机,双频机,GPS卫星信号结构,概述,GPS卫星信号的组成部分卫星（导航）电文（数据码，D码）测距码（Ranging Code）C/A码（目前只被调制在L1上）P(Y)码（被分别调制在L1和L2上）载波（Carrier）L1L2,GPS卫星信号的频率,基准频率 f010.23MHz卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频,卫星（导航）电文（D码）,作用：向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参数、卫星状态信息及其它信息,测距码,作用测距性质伪随机噪声码（PRN Pseudo Random Noise）可复制。利用卫星发射的测距码和接收机复制的测距码进行比对，可确定卫星信号从卫星到目标的时间，从而确定卫星到目标的距离。,测距码,类型目前C/A码（Coarse/Acquisition Code）粗码/捕获码；码长N=2101=1023bit（小）码率f1.023Mbit/s 码元宽度t0 1/f 0.97752 对应距离为293.05m（大)由于C/A码码长较小，故易于捕获，（若以50bit/s的速度搜索，只需20.5秒便可），而且P码的捕获也需依靠C/A码的捕获，故称C/A码为捕获码。,由于C/A码的码元宽度较大，当两组码元对齐误差为码元宽度的1/1001/10时，引起GPS卫星至接收机的测距误差为2.9329.3m，精度较低，称C/A码为粗码。,测距码,P（Y）码（Precise Code）精码 码长N=6.1871041012bit（大）码率f10.23Mbit/s 码元宽度t01/f 0.097752 对应距离为29.305m（小)P码的测距误差为0.2932.93m（为C/A码的1/10），精度较高，称为精码。,载波,作用搭载其它调制信号测距类型目前 载波波长远远低于测距码码元长度（C/A码为293.1m，P码为29.31m，因此由载波测定卫星至目标间的距离更为精确。（目前，GPS接收机测定相位差的精度可以达到1/1001/1000，对应于L1与L2的波长，则测距精度可以达到cm，mm级别。）现代化后增加L5 频率：115f0=1176.45MHz；波长：25.48cm,载波,特点所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射延迟误差（电离层折射延迟与信号的频率有关）选择2个频率可以较好地消除信号的电离层折射,GPS测量定位原理,设GPS卫星Si在空间坐标系的坐标为（xi，yi，zi），（i1，2，3 n;n4)在目标点上安置GPS接收机，测得目标至可以收到信号卫星的距离为Di，则可列出数学方程组为：,解上述方程组，便可求得目标在空间坐标系中的坐标（x，y，z）,由于目标至可以收到信号卫星的距离需同时测得，要实现同步必须具有同一的时间基准，定位时，除了x,y,z外，还有时间t，共4个未知数，所以需测4颗以上卫星。,测距码伪距测量原理,距离测定的基本思路信号（测距码）传播时间的测定,信号传播时间的测定,载波相位测量原理,按定位时接收机天线的运动状态分:静态定位；动态定位按观测值类型分:伪距测量;载波相位测量按定位结果实效分:事后定位;实时定位按定位模式分:绝对定位;相对定位,GPS定位的方法,单点（绝对）定位用一台接收机单独定位测得绝对位置，即WGS84坐标系下的绝对坐标定位精度低,绝对定位,无SA时 C/A码单点定位精度 15-30m有SA时 C/A码单点定位精度 100 m 军用P码单点定位精度 3 m,相对定位(relative positioning)确定观测点在国家或地方独立坐标系中的坐标，即相对位置。,测得基线向量，即进行同步观测的两点间的坐标差定位精度高 静态mm级 动态cm级,相对定位(relative positioning)的分类,GPS的后处理测量方法,1静态测量(static surveying)（1）方法：将几台GPS接收机安置在基线端点上，保持固定不动，同步观测4颗以上卫星。可观测数个时段，每时段观测十几分钟至1小时左右。最后将观测数据输入计算机，经软件解算得各点坐标。（2）用途主要用于大地测量、控制测量、变形测量、工程测量。（3）精度 精度最高的作业模式，可达到（5mm+1ppm）,2动态测量(kinematic surveying),（1）方法：先建立一个基准站，并在其上安置接收机连续观测可见卫星，另一台接收机在第1点静止观测数分钟后，在其他点依次观测数秒。最后将观测数据输入计算机，经软件解算得各点坐标。动态相对定位的作业范围一般不能超过15km。,（2）用途：适用于精度要求不高的碎部测量。（3）精度：可达到（1020mm+1ppm）,相对定位模式动态模拟图,静态相对定位模式,动态相对定位模式,GPS实时动态定位（RTK）方法,1RTK(real-time kinematic)工作原理及方法与动态相对定位方法相比，定位模式相同，仅要在基准站和流动站间增加一套数据链，实现各点坐标的实时计算、实时输出。,GPS主机,GPS主机,发射电台,接收电台,基准站,移动站,RTk测量原理图,采集器,RTK相对定位：,2RTK用途：适用于精度要求不高的施工放样及碎部测量。,3作业范围：目前一般为10km左右。4精度：可达到（1020mm+1ppm）,GPS卫星测量的误差来源,（1）与GPS卫星有关的误差（2）与信号传播有关的误差（3）与接收设备有关的误差,(一)与GPS卫星有关的误差 1卫星星历误差:它是指 广播星历给出的卫星位置 与 卫星真实位置之间的差值。,一些国际性科学研究组织建立了全球范围大量分布的卫星跟踪站，对观测数据做精密的定轨计算，可以提供高精度的后处理用GPS星历，其中IGS精密星历，绝对定轨精度已达5cm。卫星星历误差可用相对定位，或由精密星历解算卫星位置来削弱其影响。,GPS的观测量均以精密测时为前提，虽然GPS卫星均配有高精度的原子钟，但卫星钟时与理想的GPS时之间仍会有偏差或漂移，难以避免,此偏差在导航电文中给出。卫星钟误差可用导航电文中的星钟误差参数改正；也可用相对定位来削弱。,2卫星钟误差,(二)与信号传播有关的误差,1、电离层折射：受电离层折射影响，GPS信号穿越电离层时，其路径弯曲及速度变化导致信号的传播距离与几何距离之差。通过模型改正或双频观测进行抵消。2、对流层折射：受对流层折射影响，GPS信号穿越对流层时，其路径弯曲及速度变化导致信号的传播距离与几何距离之差。通过模型改正或相对定位进行削弱。,3、多路径效应：是指接收机天线除直接收到来自GPS卫星的信号外，还可能收到天线周围地物反射来的信号。目前，还不能用模型进行改正。,可采用造型适宜且屏蔽良好的天线。这种天线一般装备有抑径板或抑径圈，可以阻挡来自水平面以下的多路径信号被接收。测站点附近避免反射物。远离大面积平静水面、建筑物（特别是高大建筑物），避免在山坡及谷地设站，汽车不要离测站太近。,(三)与接收设备有关的误差,1观测误差 一种为接收机对信号的分辨率，约为信号波长的1%，此误差消除不了。另一种为天线的安置误差包括天线的对中与置平误差及量取天线高的误差。只要在观测中认真操作（对中、整平、量取天线高）可以尽量减少这些误差的影响。,2接收机的钟差 对于这种误差，一般是在数据处理中作为未知数来解出，另外在作相对定位时，也可以通过在不同卫星之间求差来消除这部分影响。,3、天线的相位中心误差 指天线的相位中心与其几何中心的差值。若采用同种型号的接收机天线，可以近似认为相位中心与几何中心的偏离情况是一样的，用观测值的求差和相对定位能削弱这种影响。（有时要求统一按天线的标志方向安置，使各天线的指北极都指向正北方向。）,4、载波相位测量的整周不定性误差，主要是指观测中整周未知数的跳变现象（周跳）。周跳的发生是与多种因素有关的，如信号受阻挡失锁、接收机内部热噪声影响、电离层活动出现异常变化等。,（四）其他误差,包括地球自转引起的误差和地球潮汐引起的误差。可通过模型加以改正。,美国政府的GPS政策,限制非特许用户利用GPS进行导航定位的能力,SPS与PPSSPS 标准定位服务（Standard Positioning Service）单点实时定位精度2030m.实施SA时,定位精度降至：平面100m，竖直150mPPS 精密定位服务（Precision Positioning System）对象为美国军事部门何特许用户，单点实时定位精度可达510m,SA Selective Availability（选择可用性）技术 在广播星历中加入长周期的干扰技术 在卫星的基准频率中加入快速的抖动该技术已于2000年5月2日终止（但随时可在局部区域内恢复实施SA技术）AS Anti-Spoofing（反电子欺骗）P+WY（W码为一严格保密的二进制码，在紧急状态下才会启用，一般情况下，不会采用Y码）,GPS现代化,背景国际局势的变化，世界进入后冷战时代GPS产业为美国带来巨大的经济利益克服美国限制措施的技术日益完善成熟其它卫星导航定位系统的竞争内容L2上增加C/A码增加第三民用频率L5增加军队专用码M1，M2提高PPS信号质量局部SA,应对美国限制政策的措施,建立独立的GPS卫星测轨系统，获取精密星历发展差分GPS定位技术开发GPS与GLONASS兼容接收机建立独立的卫星导航与定位系统,GLONASS卫星定位,目前世界上已有的两大卫星导航定位系统在运行：一是美国的全球定位系统GPS，二是俄罗斯的GLONASS。这两个系统受到美、俄两国军方的严密控制，其信号的可靠性无法得到保证。欧盟将启动一个军民两用的且与现有的卫星导航系统相兼容的全球卫星导航计划“伽利略”（GALILEO）计划。,“伽利略”卫星导航计划,“伽利略”系统的基本结构包括星座与地面设施、服务中心、用户接收机等。卫星星座将由30颗卫星组成，卫星采用中等地球轨道，卫星均匀地分布在高度约为2.3万公里的3个轨道面上。,种类齐全的“伽利略”接收机不仅可以接收本系统信号，而且可以接收GPS、GLONASS系统的信号，并且实现导航功能和移动电话功能的结合，与其他飞行导航系统的结合。,
