GPS导航应用.doc

GPS导航应用第1章 绪论 引 子 河北王朝案 手机定位 iPod Touch iPod Touch iPod Touch的定位应用 iPod Touch的定位应用 iPod Touch中可能用于定位的传感器无线 * 802.11b/g/n WLAN (仅限于 802.11n 2.4GHz) * 蓝牙® 2.1 + EDR* 内置支持 Nike + iPod感应器 * 三轴陀螺仪 * 方向感应器 * 环境光线感应器光学传感器 * 前置摄像头 * 后置摄像头 iPod Touch所采用的定位技术 基于WIFI的定位 利用设备附近的WIFI接入点（AP）来进行定位 Skyhook 电子地图 导航定位的需求武器制导；航海、航空；陆路交通；航天；公共安全；个人 一点说明GPS导航应用不仅限于导航定位 第1节 GPS的应用 GPS的应用 基本应用定位（P）；测速（V）；授时（T） 延伸应用大气科学；海面高； 军事国防 GPS在军事国防中的应用特点 工作简单快速 不易受外界条件（烟、雾、雨、雪、光照等）的影响对军事行动的影响 攻击行动由地毯式、席卷式向远程、非接触式精确、快速打击转变单兵作战及人员搜救；战机、舰只、车辆导航；武器制导 交通运输民用航空 在航途中、导航、进场、着陆和地面引导飞行；空中交通管制水上运输 船载导航，包括海洋和沿岸导航；进港、港口调度；内陆水路导航；海事管理监控陆路交通运输 车载导航；出租车、货车、公共汽车的车队管理；辅助驾驶铁路运输 列车控制；列车管理；编组管理；跟踪测量和旅客信息服务物流 其他领域能源领域精密定时，优化电力输送；处线中断或网络故障的监测；水、陆地震勘探；精确确定井位及相关设施的位置及平台方向金融、银行和保险用于在线金融交易，如时间戳记、基于时间的加密。用于保险方面，如控制和追踪贵重货物的方法。农业与渔业监控化肥、除草剂和杀虫剂的施放（精细农业）。正常产量监控，用于维护农业环境。船舶导航、定位，鱼资源监视。确认渔船在指定水域作业，以防止侵入他国水域。农业用地管理登记个人导航基于位置的服务（LBS）。判定主叫者位置。人员跟踪搜救及危机处理人员搜救。危机处理。人道救援测量领域建立维持时空基准。测量定位。放样。形变监测。水道测量。GIS数据采集。航空摄影测量环境监测、减灾防灾污染范围确定、肇事船只追踪。地壳运动监测。地面沉降监测科学研究大气科学 高空物理（电离层） GPS气象（地、空基GPS气象、无线电掩星）地球重力场卫星定轨 GPS无法应用的领域室内、地下等封闭空间。生物体内部。深空。水体内部第2章 导航发展简史第1节 定位、测速与测时 时间、位置与运动状态何时？何地？是最常被提及的问题时间、位置与运动状态是物体的基本外在属性 测时、定位与测速确定时间、位置与运动状态的技术方法就是测时、定位与测速 定位与导航定位：确定目标的空间位置导航：获取载体的空间位置，并控制其从一点到另一点的运动的过程或技术方法定位与导航的关系：定位是导航的一项关键技术 朴素的导航方法 导航方法：天体位置；自然景观；人工建筑；自然现象；生物活动；指南针/罗盘 朴素的定位方法 定位方法 最邻近法：利用最相邻的目标进行定位 参照物法：根据相对于某一参照物的方位和距离进行定位 朴素的授时与测时 授时与测时方法 天体位置或形态：太阳高度（角）；月相 生物活动：鸡鸣 简单计时器：沙漏；燃香 科学的导航、定位与测时导航、定位 与参照物的几何关系，通过数学计算得出 科学的导航、定位与测时测时 与参照物的几何关系，通过数学计算得出 原子运动第2节 导航技术的发展 经典导航技术航位推算利用载体的航向和速度矢量，根据其在某一时刻的位置推算出另一时刻位置的导航方法（实际上是一种极坐标法）。地标领航利用地面或海上固定可视参照物进行目的地指引。天文导航利用天体进行导航：观测两个以上的不同天体可得多个天文船位圆，多圆相交，交点就是天文船位。经典导航技术的局限精度低；可用性差；无法进行全天候导航 无线电导航概况利用无线电信号进行导航；产生于20世纪30年代；在二战期间得到广泛应用根据信标台所处位置分类地基/陆基无线电导航；空基无线电导航；星基无线电导航根据工作方式分离无线电导航台；无线电导航系统地基无线电导航台（通过定向天线确定到发射天线的方向） 康索尔(CONSOL) VOR(VHF Omni-Range)地基无线电导系统（通过确定到多个发射天线间的距离差或距离） 罗兰C（Loran-C LOng RAnge Navigation) 奥米伽导航系统（ OMEGA Navigation System ） 塔康（TACAN Tactical Air Navigation，TACAN） 地基无线电导航的局限性工作范围小；精度低人造地球卫星人造卫星：由人类制造，并放置到围绕地球或其它天体的轨道上的物体。人类第一颗卫星 Sputnik 1 拥有国：前苏联 发射时间： 1957.10.04 意义：证明了卫星轨道运行的可行性，也开启了人类的空间时代卫星导航：利用星载无线电信标进行导航，即星基无线电导航 子午卫星系统子午卫星系统的产生与发展1. 1957年10月4日，前苏联成功发射第一颗人造地球卫星 Sputnik 12. 美国霍普金斯大学应用物理实验室 （JHU/APL）的吉尔（William Guier）博士和魏芬巴哈（George Weiffenbach）博士利用地面Sputnik 1信号多普勒测量资料对其进行了精确定轨3. JHU/APL的麦克卢尔（Frank McClure）博士和克什纳（Richard Kershner）博士提出了利用多普勒测量方法进行定位的思想4. 1958年，受美国海军委托，在克什纳博士领导下，开始开展子午卫星系统的研究5. 1964年1月，子午卫星系统建成并投入军用6. 1967年7月，子午卫星系统解密并提供民用子午卫星系统的概况名称 ：正式名称为海军导航系统（NNSS Navy Navigation Satellite System），由于卫星采用极轨道，故也称为Transit（子午卫星导航系统）子午卫星系统概况空间部分 卫星星座 ：6颗卫星；6个极轨道面；轨道高度1075km 信号频率1：149.988MHz（4.9996MHz ´ 30）频率2：399.968MHz（4.9996MHz ´ 80）星历（广播星历）子午卫星系统概况地面控制部分：跟踪站；计算中心；注入站；控制中心；海军天文台用户部分：多普勒接收机子午卫星定位的原理 双曲定位1. 利用接收机，采用多普勒测量的方法，测定其在不同时间至同一卫星的距离差2. 卫星轨道（位置）已知3. 距离差交会子午卫星系统的局限性一次定位时间过长（需要进行多普勒积分）无法进行连续定位（卫星数少，不同卫星信号频率相同）定位精度低第3节 全球定位系统的产生和发展全球定位系统的建立前期准备 美国海军Timation计划 始于1964年，利用卫星播发精确的时间参考信号进行测距和时间传递 1967年和1969年分别发射了Timation-1和Timation-2，搭载石英钟 1974年发射NTS-1（Navigation Technology Satellite 1），首次搭载原子钟（2台铷钟） 1977年发射NTS-2，首次搭载铯钟 美国空军621B计划 采用伪随机噪声（PRN Pseudo Random Noise）码进行距离测量 在1968至1971年间利用飞机进行试验项目开展 1973年，美国防部成立联合工作办公室（JPO Joint Program Office），JPO综合TRANSIT、Timation和621B等方案的优点，提出了NAVSTAR/GPS项目方案 1973年12月17日，正式批准NAVSTAR/GPS项目 1978年2月22日，第一颗GPS试验卫星的发射成功，标志着工程研制阶段的开始 1989年2月14日，第一颗GPS工作卫星的发射成功，宣告GPS系统进入了生产作业阶段 1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战 1993年12月8日，宣布系统具备初步工作能力（IOC Initial Operational Capability） 1995年4月27日，宣布系统具备完全工作能力（FOC Full Operational Capability） 1998年宣布开始GPS现代化计划全球定位系统概况 建立国家：美国名称：NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System NAVSTAR GPS卫星星座（设计方案）：24颗GPS卫星载波信号频率两个：L1，L2信号调制：载波信号上调制有测距码（L1上为C/A码和P码，L2上为P码）和导航电文系统基本功能：定位(P)、测速(V)、授时(T)全球定位系统的基本定位方式 :单点定位第4节 其他卫星导航系统的概况 GLONASSGLONASS Global Navigation Satellite System（全球导航卫星系统）开发者:俄罗斯（前苏联）系统构成:卫星星座;地面控制部分;用户设备GLONASS与GPS的比较运行状况 从1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星起，至1995年12月14日共发射了73颗卫星。 过去一段时期，由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间经济状况欠佳，无法及时补充新卫星，导致该系统不能维持正常工作。 目前上述状况已得到改善。到目前为止（2011年9月21日），GLONASS系统共有27颗卫星在轨。 伽俐略（Galileo）卫星导航定位系统 2002年3月24日，欧盟决定研制组建 卫星星座将：30颗卫星（27+3）；3个轨道面;轨道高度23616km；轨道倾角为56°。 信号频率：E5a，E5b，Eb，E2-L1-E1 服务内容：公开服务（公开）；安全服务（公开）；商业服务（特许）；政府服务（特许） 运行状况：GIOVE-A；GIOVE-B 中国北斗卫星导航定位系统概况 我国独立自主建立的导航卫星系统 系统由两颗地球静止卫星构成，故又被称为双星系统 2000年10月31日发射了第一颗试验卫星 2000年12月21日发射了第二颗试验卫星系统组成 空间卫星部分 ：23颗地球静止卫星（GEO） 地面部分（以地面控制中心站为主） 北斗用户终端中国新一代卫星导航定位系统名称：CNSS（Compass Satellite Navigation System）；也被称为北斗二代星座：30颗MEO + 5颗GEO信号频率：E1，E2，E5B和E6第3章 基础知识 大地坐标与WGS-84大地/椭球坐标系定义：以参考椭球为依据建立的坐标系被称为大地坐标系，又被称为椭球坐标系。大地坐标：大地纬度（B）；大地经度（L）；大地高/椭球高（H）WGS 84World Geodetic System 19841984年世界大地系统GPS系统内部所采用坐标参照系GPS卫星所发送的广播星历基于此系统 地图投影地图投影的产生：无法将地球表面的地形、地物毫无变形地表示到一个平面上通俗的地图投影定义：将球面坐标转换为平面坐标。（圆柱投影、圆锥投影、方位投影）地图投影的定义：投影是球面坐标与平面坐标间的映射关系，可以用下面的数学表达式表示： 式中：x，y为平面坐标系下的坐标；B， L为大地纬度和经度；f1， f2为单值、连续、有界的函数，也被称为投影函数。地图投影的类型 GPS时GPS时GPST秒长：原子时秒长起点：1980年1月6日0时特点：连续计时，无跳秒计时方法 GPS周数+周内秒数 GPS周数：从1980年1月6日起计的周数，从第0周起算 周内秒数：从当周周日0时起算的秒数第4章 GPS系统的组成与信号结构GPS定位的基本原理第1节 GPS坐标和时间系统GPS坐标和时间系统GPS坐标系统：1984年世界大地坐标系（WGS-84 World Geodetic System）GPS时间系统 GPS时（GPST） 秒长：原子时秒长 计时方法：GPS周（GPS Week）+周内秒数（TOW），每周以周日零时为起点 时间起点：1980年1月6日0时（在该时刻与UTC同步） 其他特点：无跳秒 目前：GPST UTC = 15（2011年3月16日）第2节 GPS的组成 GPS的组成GPS的空间部分构成：由GPS卫星所组成的GPS卫星星座GPS卫星星座(2011.03.15)GPS卫星的功能：接收、存储导航电文；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（采用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文）；接受地面指令，进行相应操作；其他特殊用途，如通讯、监测核暴等 地面监控部分GPS地面监控部分的组成：主控站：1个；监测站：5个；注入站：3个；通讯与辅助系统地面监控部分的功能：跟踪GPS卫星；确定卫星轨道及卫星钟改正数；预报卫星轨道，建立卫星钟改正模型；编制成导航电文，并通过注入站送往卫星；通过注入站向卫星发布各种指令 用户部分用户部分的组成：用户；接收设备用户部分的功能：测定从接收机至GPS卫星的距离；接收卫星星历；利用上述信息确定自己的三维位置、三维运动速度和钟差等参数第3节 GPS卫星的信号结构 GPS卫星信号的成分载波 可运载调制信号的高频振荡波 L1，L2测距码 用于测定从卫星至接收机间距离的二进制码 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）导航电文 由GPS卫星向用户播发的一组反映卫星空间位置、工作状态、卫星钟修正参数和电离层改正参数等重要数据的二进制码，也被称为数据码（D码） 载波的作用和类型作用：搭载其它调制信号；测距；测定多普勒频移类型目前：L1 频率： 154´f0 = 1575.43MHz；波长：19.03cmL2 频率： 120´f0 = 1227.60MHz；波长：24.42cm现代化后：增加L5 频率：115´f0 = 1176.45MHz；波长：25.48cm 选择两（多）个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟 电离层折射延迟与信号的频率有关 测距码测距码的作用和性质作用：测距性质 为伪随机噪声码（PRN Pseudo Random Noise），既具有随机噪声的特性，又可以精确定义 不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为0或1/n（n为码元数） 对齐的同一组码间的相关系数为1C/A码 名称：粗码/捕获码（Coarse/Acquisition Code） 码率：1.023MHz周期：1ms1周期含码元数：1023码元宽度：293.05m调制载波：L1P码 名称：精码（Precise Code）码率：10.23MHz周期：7天1周期含码元数：6187104000000码元宽度：29.30m调制载波：L1和L2现代化后测距码的变化在L2上调制C/A码在L1和L2增加调制M码（军用码） 导航电文导航电文的作用及基本结构形式：码率50Hz的比特流作用：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组织方式 字（30bit） 子帧（由10个字组成） （主）帧（由5个子帧组成） 导航电文（由25个（主）帧组成）第5章 GPS测量的基本原理和方法第1节 码伪距测量测距方法：离散脉冲信号测距、连续测距码或载波信号测距（在GPS中采用的是此类方法）距离测定的基本思路：通过某种方式测定卫星信号从卫星至接收机的传播时间。 ，其中 t卫星信号传播时间 信号（测距码）传播时间的测定卫星与接收机各自根据自身的时钟产生信号；卫星经过一段时间的传播到达接收机；接收机通过对本地信号在时间轴上平移，直至与所接收到的卫星信号对齐，所平移的时间即为所测定的信号传播时间。测距码测距的必要条件：必须了解测距码的结构测距码测距的特点：采用CDMA（码分多址）技术，可区分不同卫星信号；易于捕获微弱的卫星信号；可提高测距精度；便于对系统进行控制和管理（如AS）。码伪距的观测方程第2节 单点定位与测时 单点定位的定义单点定位：根据卫星星历以及一台GPS接收机的观测值独立确定该接收机在地球坐标系中的绝对坐标的方法，也被称为绝对定位测时单点测时（位置未知）：同时观测4颗以上卫星，求解位置和钟差参数单点测时（位置已知）：仅需观测1颗卫星，求解钟差参数共视法：利用2台接收机同时观测相同的卫星进行时间传递单点定位精度与用户等效距离误差用户等效距离误差（UERE）是将单点定位时可能发生的所有误差归化到站星距离上所得的结果。当卫星分布相同时，用户等效距离误差越小，定位精度越高。单点定位精度与卫星分布当用户等效距离误差相同时，卫星分布越好（数量多且分布均匀），定位精度越高。 DOP值DOP：精度衰减因子（Dilution of Precision）DOP值与定位精度-DOP值的性质 DOP值与单点定位时，所观测卫星的数量与分布有关，它所表示的是定位的几何条件 DOP值越小，定位的几何条件越好DOP值的类型 GDOP Geometry Dilution of Precision（几何精度衰减因子） PDOP Position Dilution of Precision （位置精度衰减因子） TDOP Time Dilution of Precision （时间精度衰减因子） HDOP Horizontal Dilution of Precision （水平精度衰减因子） VDOP Vertical Dilution of Precision （垂直精度衰减因子）第3节 多普勒测量信号锁定频率/码延迟搜索多普勒观测量多普勒观测量是接收信号与发射信号的频率差异 单点测速：据卫星星历以及一台GPS接收机的观测值独立确定该接收机在地球坐标系中的绝对速度的方法第4节 载波相位测量载波相位测量在GPS中，还可以将载波的相位作为站星间距离的观测量，载波相位测量的特点是精度高（可达毫米级），但存在模糊度和周跳问题广泛应用于测绘等对精度要求较高的领域第6章 GPS的误差源第1节 GPS测量的环节及影响因素GPS测量的环节 影响GPS测量的因素与卫星有关的因素：卫星轨道误差，卫星钟差，相对论效应与传播途径有关的因素：电离层（折射）延迟，对流层（折射）延迟，多路径效应与接收设备有关的因素：接收机天线相位中心的偏移和变化，接收机钟差，接收机内部噪声各因素影响GPS测量的方式使观测值产生偏差的因素：卫星钟差，相对论效应，电离层（折射）延迟，对流层（折射）延迟，多路径效应，接收机钟差，接收机内部噪声使参考点产生偏差的因素：卫星轨道误差；接收机天线相位中心的偏移和变化第2节 时钟误差 时钟特性及其对卫星测距的影响钟差：钟读数与真实系统时间之间的差异，在GPS中有卫星钟差和接收机钟差两类单点定位中卫星钟差的处理方法：利用导航电文中的钟差改正模型参数进行改正单点定位中接收机钟差的处理方法：作为未知数进行估计第3节 相对论效应狭义相对论和广义相对论狭义相对论：1905；运动将使时间、空间和物质的质量发生变化广义相对论：1915；将相对论与引力论进行了统一狭义相对论效应的影响狭义相对论效应 ：时钟在惯性空间中的运动速度不同所引起的时钟频率差异狭义相对论效应对卫星钟的影响：狭义相对论效应使卫星上钟的频率变慢广义相对论效应的影响广义相对论效应 ：时钟所处位置的地球引力位不同所引起的时钟频率差异广义相对论效应对GPS卫星钟的影响：广义相对论效应使卫星上钟的频率变快相对论效应对卫星钟的综合影响狭义相对论广义相对论：总体上将使得卫星的时钟相对于其在地面时加快应对相对论效应的方法方法（分两步）：首先考虑假定卫星轨道为圆轨道的情况；然后考虑卫星轨道为椭圆轨道的情况。第一步：地面调低钟频，入轨后由于相对论效应而大体接近标准频率第二步：改正第5节 卫星星历误差 卫星星历误差 定义：由星历所给出的卫星在空间中的位置与其实际位置之差。对单点定位的影响：主要取决于用于定位或导航的GPS卫星与接收机构成的几何图形，但总体上量级与星历误差相当。星历类型广播星历：由GPS的地面控制部分所确定和提供的，经GPS卫星向全球所有用户公开播发的一种预报星历。精密星历：为满足大地测量、地球动力学研究等精密应用领域的需要而研制、生产的一种高精度的事后星历。不同卫星星历的误差 第6节 大气折射大气折射效应 大气折射：信号在穿过大气时，速度将发生变化，传播路径也将发生弯曲。也称大气延迟。在GPS测量定位中，通常仅考虑信号传播速度的变化。 色散介质与非色散介质 色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应也不同 非色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应相同 对GPS信号来说，电离层是色散介质，对流层是非色散介质地球大气结构电离层延迟电离层延迟与下列因素有关：信号频率；信号传播途径上的总电子含量（TEC）。【总电子含量（TEC Total Electron Content）：底面积为一个单位面积沿信号传播路径贯穿整个电离层的一个柱体内所含的电子总数。】电子密度与大气高度的关系：电子含量与地方时的关系：太阳活动情况与电子含量 电子含量与太阳活动密切相关，太阳活动剧烈时，电子含量增加 太阳活动周期约为11年，上一高峰为2001年电子含量与地理位置的关系电离层延迟的应对（单点定位）双频改正：仅适用于双频接收机Klobuchar模型：利用导航电文中的模型参数进行改正对流层延迟对流层（Troposphere）（如图地球大气结构）对流层的色散效应折射指数与信号波长的关系：对流层对不同波长的波的折射效应结论：对于GPS卫星所发送的电磁波信号，对流层不具有色散效应对流层延迟的一般特性通常分为两部分：流体静力学延迟（干延迟）和湿延迟与信号传播途径上温度、湿度和气压有关与GPS信号的频率无关天顶方向上的延迟约为2.5m对流层延迟的模型改正 简化模型： （E为卫星高度角）霍普菲尔德（Hopfield）模型、萨斯塔莫宁（Saastamoinen）模型等 第7节 多路径效应多路径误差与多路径效应多路径（Multipath）误差：在GPS测量中，被测站附近的物体所反射的卫星信号（反射波）被接收机天线所接收，与直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏离真值产生所谓的“多路径误差”。多路径效应：由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应称为多路径效应。多路径误差的特点与测站环境有关：测站环境的不同将使得到达接收机天线的反射信号的数量、方向和反射信号的多余路径长度不同与反射体性质有关：反射体性质 不同将使得发射信号的强度不同与接收设备的性能有关：不同接收天线抑制多路径的性能具有差异；不同的信号处理方法抑制多路径的性能具有差异应对多路径误差的方法观测上：选择合适的观测地点，避开易产生多路径的环境硬件上：采用抗多路径误差的仪器设备1. 抗多路径的天线：带抑径板或抑径圈的天线，极化天线2. 抗多路径的接收机：窄相关技术MEDLL(Multipath Estimating Delay Lock Loop)等数据处理上：加权；参数法；滤波法；信号分析法；模板法第8节 其他误差其他误差源：引力延迟；地球自转改正；地球固体潮改正；天线相位中心偏差及变化改正；相位回旋第9节 误差评估GPS测量误差的大小SPS：PPS，双频，P/Y-码第7章 GPS定位模式与系统增强第1节 概述GPS测量定位方法分类定位模式：绝对定位（单点定位）；相对定位；差分定位定位时接收机天线的运动状态静态定位天线相对于地固坐标系静止动态定位天线相对于地固坐标系运动获得定位结果的时效：事后定位；实时定位观测值类型：伪距测量；载波相位测量第2节 单点定位单点定位的定义：根据卫星星历以及一台GPS接收机的观测值独立确定该接收机在地球坐标系中的绝对坐标的方法，也被称为绝对定位。单点定位的特点及应用领域特点：优点：观测简单，实施方便，数据处理简单缺点：精度主要受系统性偏差的影响，定位精度低应用领域：低精度导航、资源普查、军事.精密单点定位（PPP：PPP Precise Point Positioning）特点：主要观测值为载波相位；采用精密的卫星轨道和钟数据；采用严密的数学模型。定位精度：亚分米级用途：全球高精度测量；卫星定轨第3节 相对定位相对定位的定义及结果相对定位是确定进行同步观测的接收机之间相对位置（坐标差）的定位方法相对定位的结果被称为基线向量相对定位的特点及其应用领域特点：优点：定位精度高缺点：多台接收共同作业，作业复杂；数据处理复杂；不能直接获取绝对坐标。应用领域：高精度测量定位及导航第4节 差分定位差分GPS产生的诱因绝对定位精度不能满足要求：GPS绝对定位的精度受多种误差因素的影响，完全满足某些特殊应用的要求；美国的GPS政策对GPS绝对定位精度的影响（选择可用性SA）。差分GPS的基本原理误差的空间相关性：以上各类误差中除多路径效应均具有较强的空间相关性，从而定位结果也有一定的空间相关性。差分GPS的基本原理：利用基准站（设在坐标精确已知的点上）测定具有空间相关性的误差或其对测量定位结果的影响，供流动站改正其观测值或定位结果差分改正数的类型距离改正数：利用基准站坐标和卫星星历可计算出站星间的计算距离，计算距离减去观测距离即为距离改正数。位置（坐标改正数）改正数：基准站上的接收机对GPS卫星进行观测，确定出测站的观测坐标，测站的已知坐标与观测坐标之差即为位置的改正数。位置差分与距离差分：位置差分：坐标改正；距离差分：距离改正。位置差分和距离差分的特点位置差分：差分改正计算的数学模型简单；差分数据的数据量少；基准站与流动站要求观测完全相同的一组卫星。距离差分：差分改正计算的数学模型较复杂；差分数据的数据量较多；基准站与流动站不要求观测完全相同的一组卫星局域差分与广域差分局域差分结构：基准站（一个或多个）、数据通讯链和用户数学模型（差分改正数的计算方法）：流动站利用基准站所提供的距离改正和距离改正变率计算自身的差分改正数特点优点：结构、模型简单缺点：差分范围小，精度随距基准站距离的增加而下降，可靠性低广域差分结构：基准站（多个）、数据通讯链和用户数学模型（差分改正数的计算方法）与局域差分的差异：普通差分是考虑的是误差的综合影响广域差分对各项误差加以分离，建立各自的改正模型用户根据自身的位置，利用差分系统所提供的改正模型对观测值进行改正特点优点：差分精度高、差分精度与距离无关、差分范围大缺点：系统结构复杂、建设费用高第4节 增强系统增强型系统 目的：提高GPS定位精度、可靠性、可用性方法：提供差分改正信息；增加可观测卫星数技术要点：差分技术；卫星通讯技术；网络技术；伪卫星技术地基增强系统（GBAS）特点：地基增强系统（GBAS Ground-Based Augmentation System）；采用地面通信网络；采用地基伪卫星；通常用于机场等特殊场合。典型系统：LAAS（美，Local Area Augmentation System）星基增强型系统特点：空基增强系统（SBAS Satellite-Based Augmentation System）；采用空基伪卫星，利通讯卫星发送GPS信号和差分改正数典型系统WAAS（ 美，Wide Area Augmentation System）MSAS（日，Japanese Multi-Functional Satellite Augmentation System） EGNOS （欧，Euro Geostationary Navigation Overlay Service ）GAGAN （印，GPS Aided Geo Augmented Navigation 或 GPS and Geo Augmented Navigation system）第8章 GPS应用原理(同第一章)第9章 GPS导航仪及其使用GPS导航仪：GPS导航仪是能够帮助用户准确定位当前位置，并且根据既定的目的地计算行程，通过地图显示和语音提示两种方式引导用户行至目的地的设备。GPS导航仪的组成：芯片、天线、处理器、内存、显示屏、扬声器、按键、扩展功能插槽、电子地图、导航软件10个主要部分组成。GPS导航仪的外观GPS导航仪车载安装支架GPS导航仪的基本功能：定位及查看卫星状态；路径规划；导航；行程信息GPS导航系统的基本原理GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz,重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。 可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个t即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。 GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化）；以及GPS系统信息，如卫星状况等。 GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对0A码测得的伪距称为UA码伪距，精度约为20米左右，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2米左右。 GPS接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频 移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位 精度也只能采用相位观测值。 按定位方式，GPS定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。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，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。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。 在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离较远时（大气有明显差别），应选用双频接收机。 GPS定位原理   GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用