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GPS基本原理,2010.07,概 述,什么是GPSGPS的用途有哪些？GPS系统及信号GPS静态测量方式GPS动态定位,定义,GPS的英文全称是NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Position System（导航星测时与测距全球定位系统），简称GPS有时也被称作NAVSTAR GPS。根据Wooden 1985年所给出的定义：NAVSTAR全球定位系统（GPS）是一个空基全天侯导航系统，它由美国国防部开发，用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速度和时间信息的要求。,GPS的发展简史（一）,1957年10月4日 第一颗人造卫星 Sputnik I 发射成功。1958年12月开始设计 NNSS(Navy Navigation Satellite System)TRANSIT，即子午卫星系统。1964年1月该系统正式运行。1967年7月系统解密以供民用。TRANSIT系统卫星：6颗,极地轨道轨道高度：1100km信号频率：400MHz、150MHz绝对定位精度：1m相对定位精度：0.1m0.5m定位原理：多普勒定位存在问题：卫星少，无法实现实时定位；轨道低，难以精密定轨；频率低，难以消除电离层影响。,GPS的发展简史（二）,1973年12月，美国国防部批准研制GPS。1978年2月22日，第1颗GPS试验卫星发射成功。1989年2月14日，第1颗GPS工作卫星发射成功。,GPS的发展简史（三）,1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战。1995年7月17日，GPS达到FOC 完全运行能力（Full Operational Capability）。1999年1月25日，美国副总统戈尔宣布，将斥资40亿美圆，进行GPS现代化。1999年8月21/22日子夜，GPS发生GPS周结束翻转问题。2000年1月1日，Y2K问题。2000年5月1日，美国总统克林顿宣布，GPS停止实施SA。,其它卫星导航定位系统,GLONASS（俄）-Global Navigation Satellite System卫星：21+3 轨道高度：19100km信号频率：16021616MHz、12461256MHzGalileo（欧）,GPS的应用途,军事、国防陆路交通（车辆导航、监控）、航运、航空搜索、救援遥感测量卫星定轨资源勘探通讯广播、电视电力时间传递.,GPS系统及信号,系统构成 工作原理 信号结构 变化中的美国GPS政策 GPS接收机,GPS的系统组成（一）-系统组成,GPS系统由空间部分、地面控制部分和用户设备部分等三部分组成,GPS系统的组成,GPS的系统组成（二）-空间部分（1）,GPS的空间部分（GPS卫星星座）,GPS卫星星座设计星座：21+3 21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星 6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55，周期11h 58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次）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的系统组成（三）-空间部分（2）,GPS卫星 作用：发送用于导航定位的信号 其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。主要设备：原子钟（2台铯钟、2台铷钟）、信号生成与发射装置 类型 试验卫星：Block 工作卫星：Block Block Block A Block R Block F（新一代的GPS卫星）,GPS的系统组成（四）-地面控制部分（1）,GPS的地面控制部分（地面监测系统）组成：主控站（1个）、跟踪站（5个）和注入站（3个）作用：监测和控制卫星运行，编算卫星星历（导航电文），保持系统时间。,GPS的系统组成（四）-地面控制部分（2）,主控站（1个）作用：收集各检测站的数据，编制导航电文，监控卫星状态；通过注入站将卫星星历注入卫星，向卫星发送控制指令；卫星维护与异常情况的处理。地点：美国克罗拉多州法尔孔空军基地。跟踪站（5个）作用：接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站。地点：夏威夷、主控站及三个注入站。注入站（3个）作用：将导航电文注入GPS卫星。地点：阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）。,GPS的系统组成（四）-用户设备部分,用户设备部分-GPS信号接收机及相关设备接收、跟踪、变换和测量GPS信号的设备多数采用石英钟,GPS的位置基准与时间基准,位置基准 WGS-84（World Geodetic System-1984）广播星历采用建立：NIMA（DMA）参考椭球：长半轴：6378137m，扁率：1/298.257223563，大地水准面：EGMITRFIGS精密星历采用建立：IERS参考椭球：GRS80时间基准 GPS时间（GPS Time）原子时表示方法：GPS周+一周内的秒数起点：1980年1月6日0时与UTC的关系：1980年1月6日0时与UTC一至，目前由于跳秒的原因，相差32.0秒,武汉大学 测绘科学与技术学院 卫星应用研究所,GPS工作的基本原理（一）,GPS工作的基本原理 距离后方交会已知点：GPS卫星待定点：接收机（天线）,GPS工作的基本原理（二）,GPS工作的基本流程,GPS的信号结构（一）,GPS信号的基本组成部分（信号分量）载波（Carrier Phase）测距码（Ranging Code）导航电文（Navigation Message/Data Message）载波作用：搭载其它信号，也可用于测量（测距）。类型目前L1：频率：1575.43MHz，波长：19cmL2：频率：1227.60MHz，波长：24cm现代化后增加L5：1176.45MHz，波长：26cm,GPS的信号结构（二）,测距码伪随机噪声码 PRN码目前C/A（C1）码速：1.023MHz码元长度：300mP(Y)1、P(Y)2码速：10.23MHz码元长度：30m现代化后C2M1、M2军用码导航电文码速：50bps内容：广播星历（导航信息）卫星钟改正历书（概略星历）电离层信息卫星健康状况,GPS的信号结构（三）,码的调制（双相调制）,测距码的调制,GPS的信号结构（四）,GPS信号的生成,美国政府的GPS政策,SPS与PPSSPS 标准定位服务，使用C/A码，民用PPS 精密定位服务，可使用P码，军用SA（已于2000年5月1日取消）Selective Availability 选择可用性：人为降低普通用户的测量精度。方法技术：轨道加绕（长周期，慢变化）技术：星钟加绕（高频抖动，短周期，快变化）AS Anti-Spoofing反电子欺骗 P码加密，P+W-YGPS现代化提高信号质量在L2上增加C/A码增加第三民用频率L5增加2个军用码：M1，M2局部关闭,GPS接收机,作用基本单元天线单元接收单元（频率维持通常采用石英钟）信号通道类型：（多路复用，序惯，多通道）；（码相关通道，平方通道）存储器计算与显控电源类型依用途：大地型（测地型）、导航型与授（守）时型依能否接收测距码（伪距码）：有码与无码依接收伪距码的种类：P码与C/A码依接收不同频率载波的数量：单频与双频GPS接收机的几个重要的物理与几何特性天线相位中心接收钟差接收机信号通道间的延迟,GPS静态测量方式,静态测量基本方法及特点静态快速静态静态测量相关规范观测要求、解算要求、质量控制静态测量仪器设置PCCDU静态测量外业工作观测静态测量数据下载静态测量数据处理,静态测量基本方法及特点,静态测量通过在已知点、待测点上进行若干时段的同步观测，获取观测数据后进行事后处理，来确定各点之间相对位置的 GPS定位测量。观测时间一般为较长，几十分钟甚至几个小时。优点：定位精度高，可以达到厘米级甚至毫米级的精度 缺点：观测时间长快速静态测量通过在已知点、待测点上进行一个时段的同步观测，获取观测数据后也需要进行事后处理，来确定各点之间相对位置的 GPS定位测量。观测时间一般较短，根据有效卫星多少、观测环境情况，观测时间可为520分钟。优点：观测时间短缺点：定位精度稍低，但仍可达到厘米级甚至毫米级的精度，一般与RTK精度相当或更高,静态测量规范,GPS静态测量按其精度划分为 AA、A、B、C、D、E级。快速静态定位测量可用于C、D、E级 控制网的布设。,AA级主要用于全球性的地球动力学研究、地壳形变测量和精密定轨；A级主要用于区域性的地球动力学研究和地壳形变测量；B级主要用于局部形变监测和各种精密工程测量；C级主要用于大、中城市及工程测量的基本控制网；D、E级主要用于中、小城市、城镇及测图、地籍、土地信息、房产、物探、勘测、建筑施工等的控制测量。,GPS静态测量作业步骤,GPS控制网的技术设计GPS控制网网形设计踏勘选点，修改网形，设置点位标志编制作业进度计划，进行星历预报外业观测概算和观测质量检核正式计算，基线解算、网平差、坐标转换及高程拟合成果报告的编制和资料验收,一.控制网的应用范围二.分级布网 大城市可分3级,中小城市可分2级三.GPS测量的精度标准 四.坐标系统与起算数据 椭球参数,中央子午线,纵横坐标加常数,投影面高程,起算点的坐标及其精度五.GPS高程六.选点原则和点位标志,级别 a(mm)b 平均距离(km)AA 3 0.01 1000 A 5 0.1 300 B 8 1 70 C 10 5 1015 D 10 10 510 E 10 20 0.25,连测部分水准点(C、D、E级应按四等水准进行连测),1.GPS控制网的技术设计,一.各级GPS控制网必须布设成由独立基线构成的闭合图形或附合路线二.最简独立闭合环或附合路线边数应符合下表规定,三.N台接收机同步观测时的特点 有 N*(N-1)/2 条同步基线，但只有N-1条基线是独立的。,2.GPS控制网的网形设计,N=4,N=2,N=3,仪器台数 同步图形 独立基线,N=5,GPS控制网的网形设计,典型的布网形式 1.点连 2.边连 3.混连,点连,边连,混连,GPS控制网的网形设计,绵阳市城市控制网,3.踏勘选点，修改网形，设置点位标志,GPS测站的选址条件：对天通视良好，10以上无成片障碍物 附近无电磁波辐射源，并避开微波通道 注意大面积强信号反射体 交通便利、易于到达 有足够的设站空间,4.编制作业进度计划，进行星历预报,找出最有利的观测时间段，避开不利时间段少于5 颗卫星，GDOP6，卫星升降频繁的时段不宜进行RTK作业少于4 颗卫星，GDOP8，卫星升降频繁的时段不宜进行快速静态测量卫星预报的参数条件：截止高度角：15/12/10 近似坐标：误差3 日期：作业日中间值 星历表：不超过3个月,各级测量基本技术要求规定,5.GPS控制网的外业观测,每天进行外业观测后，建议当天进行各时段的基线处理，并根据规范对外业数据进行质量检核。,6.GPS控制网的概算和观测质量检核,7.正式计算，基线解算、网平差、坐标转换详见Pinnacle软件使用,8.提交成果报告，原始资料,GPS动态定位,GPS动态定位 GPS动态定位的应用 动态定位的类型（方法）,概述,什么是GPS动态定位GPS动态定位（测量），是利用GPS信号，测定相对于地球运动的用户天线的状态参数，这些状态参数包括三维坐标、三维速度和时间等七个。导航，是测得运动载体的状态参数，并导引运动载体准确的运动到预定的后续位置。GPS动态定位的应用导航 探险、车辆、船舶、航空器等跟踪、监控与调度 车辆、船舶、航空器等制导 武器制导、自动驾驶等定轨 卫星、航天器等姿态确定 卫星、航天器、航空器等测量 放样、监测等,概述,GPS动态定位的应用（续）,概述,GPS动态定位的应用,概述,GPS动态定位的应用,GPS动态定位的类型,单点动态定位、相对动态定位和差分动态定位实时动态定位与后处理动态定位伪距动态定位与载波相位动态定位,GPS动态定位的基本原理,单点伪距动态定位载波相位动态定位实时动态定位速度的测定时间的测定,
