GPS测量原理培训(精)

卫星定位的初步构想
地球表面 70% 都是海洋，无法建立永久性静态基准站。 由于地球是一个椭球，表面有曲率存在，普通的无线电 定位无法满足全球定位的需要。 我们可以考虑把基准站搬到太空，即发射通讯卫星，这 些卫星以一定的频率和编码向地球发播信号。为保证信 号按直线传播，且能穿透电离层(中长波信号遇电离层会 被反射)，应选择高频信号。为满足全球覆盖，必须考虑 一定数量的卫星，且按一定的轨道面分布。
GPS 卫星种类和性能
项 目 第一代 BlockⅠ 11 1978~1985 试验性 5 774 一台铯钟和二 台铷钟 无 无 14 无 无 3 第二代 BlockⅡ 9 1989~1990 正式工作 7.3 845 二台铯钟和二台 铷钟 有 有 14 无 无 1 BlockⅡA 19 1990~1997 正式工作 7.3 845 二台铯钟和二 台铷钟 有 有 180 有 无 <1 第三代 BlockⅡR 22 1997~ 改进 GPS 系统 7.8 1075 三台铷钟 有 有 180 有 有 <1
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人类最初的导航定位，只能通过石头，树，山脉等作为参 照物，渐渐发展到天文观测法，即通过天上的太阳，月亮 和星星来判断位置。而中国四大发明之一的指南针是人类 导航领域的一个里程碑。(我们在陌生地方迷路时有同感)
无线电导航 的发明，使导航系统成为航行中真正可以依 赖的工具，因此具有划时代的意义。它具有独立、封闭、 全天候等特点，对外界环境依赖性很小。现在，无线电导 航仍然在飞机进场着陆、区域性定位中发挥着重要作用。
当接收机捕获到多于4颗星时， 接收机会自动从卫星组中选择 几何分别最合理、信号强度最 好的 4 颗卫星进行定位求解。
x, y, z, t
• •
卫星充当轨道上运动的已知控制点，观测值为测站至卫星的 伪距 (由时延值推算得到) 由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差，所以要同步观测4颗 卫星，解算四个未知数：经度，纬度，高程，接收机钟差
卫星导航定位系统是以卫星为空间基准点，用户利用 接收设备测定至卫星的距离或多普勒频移等观测量来 确定其位置和速度的系统。卫星导航定位系统主要由 三大部分组成：空间卫星、地面监测网和用户设备。
空间部分： 提供星历和时间信息 发射伪距和载波信号 提供其它辅助信息
用户部分： 接收并测定卫星信号 记录原始数据 得到导航定位信息
两个球体相交为一个圆(可以想象两个篮球逐步靠近，它们 逐步相交于一点，然后是相交为一个圆)，第三个球体和这 个圆相交为两个点(可以想象一个圆环和一个篮球相交)。则 观测者必然处在这两个点中的一个上。
目 录
一.测量定位的目的、原理和方法 二.卫星定位的原理和方法 三.GPS 的组成及其功能 四.现有的其他卫星导航定位系统简介
GPS 的组成及作用
地面监控部分 主控站：科罗拉多•斯平士联合间执行中心监控站：5个
科罗拉多•斯平士 *阿森松岛
*狄哥•伽西亚
*卡瓦加兰 夏威夷
注入站：3个（带*）
GPS 卫星星座参数
目前的在轨卫星有 29 颗，其中有 5 颗 BLOCK II 卫星， 18 颗 BLOCK IIA卫星，6颗BLOCK IIR卫星。
02 17 15 23 24 25 26 27 01 29 22 31 07 09 05
89.6 89.12 90.10 90.11 91.7 92.2 92.7 92.9 92.11 92.12 93.2 93.3 93.5 93.6 93.8
如何确定我在地球上 的位置？
大地坐标系
纬度 (B) 经度 (L)
大地高 (H)
大地坐标系的定义
大地坐标和空间直角坐标之间的转换
(坐标转换时需要用到如下公式)
地球的运动
目 录
一.测量定位的目的、原理和方法 二.卫星定位的原理和方法 三.GPS 的组成及其功能 四.现有的其他卫星导航定位系统简介
美国全球定位系统 ---- GPS
1967年着手研制新一代卫星导航系统； 1973年12月正式批准研制GPS；
1973~1978年方案论证、总体设计；
1978~1988年工程研制，发射试验卫星，共发射11颗； 1989~1993年进行实用组网； 1995年4月宣布具有全运行能力（FOC）。
GPS 的主要特点：GPS具有全球覆盖、全天候、高精度、 实时导航定位等优点。
卫星数 发射时间 用途 寿命（年） 重量（kg） 时标 SA 能力 AS 能力 独立操作（天） 卫星通讯能力 星间通讯能力 每天注入次数
现有GPS卫星一览表
类型 序号 PRN 号 发射时间 类型 序号 PRN 号 发射时间
BLOCK 1 2 Ⅱ 3 4 5 6 7 8 BLOCK 9 ⅡA 10 11 12 13 14 15
A.
我的位置应该在这个红色的圆上。
通过测量到两个已知点的精确距离，可以精密地确定出 平面位置。在城市中、平原上，平面定位成果往往就够用 了，高程显得不是特别重要。
我的位置应该在P点或Q点
. .
P Q
如何在三维空间中得到位置坐标
如果能够精确测定出观测者到三个参考点的距离，那么观测 者必然处在以三个观测距离为半径的三个球体的交点上。
地面控制部分： 解算中心控制参数 实现时间同步 跟踪卫星并进行定规
卫星定位技术是通过GNSS 接收机同时接收 4 颗以上的 GNSS 卫星发出的信号来测定接收机在地球上的位置。
四颗卫星可以确定一个点坐标。
为什么必须是4 颗星才能定位 ？
用户的三维坐标 (X、Y、Z) 和接收机钟差 (t) 一共四个未 知数，所以需要四个联立方程才能求解。只有跟踪到 4 颗 卫星，才能建立四个联立方程求解。
测量与卫星定位的基本知识
目 录
一.测量定位的目的、原理和方法 二.卫星定位的原理和方法 三.GPS 的组成及其功能 四.现有的其他卫星导航定位系统简介
测量的基本任务就是确定物体在空间中的位置、姿态及其运
动轨迹。而对这些特征的描述都是建立在某一个特定的空间
框架和时间框架之上的。所谓空间框架就是我们常说的坐标 系统，而时间框架就是我们常说的时间系统。即在某一时 刻，我们在空间中的位置 (时空概念)。