GPS技术定位技术原理

三.GPS定位原理
载波相位测量相对定位的应用
• 1.GPS静态测量：静态相对定位，一般采用载波相位观测值（或测相伪距） 为基本观测量。这一定位方法是当前GPS定位中精度最高的一种方法，在精 度要求较高的测量工作中，均采用这种方法。在载波相位观测的数据处理中， 为了可靠地确定载波相位的整周未知数，静态相对定位一般需要较长的观测 时间（1小时到3小时不等），此种方法一般也被称为经典静态相对定位法。 2.利用起始基线向量确定初始整周未知数或称初始化，之后，一台接收机在 参考点（基准站）上固定不动，并对所有可见卫星进行连续观测；而另一台 接收机在其周围的观测站上流动，并在每一流动站上静止进行观测，确定流 动站与基准站之间的相对位置。通常称为准动态相对定位，在一些文献中称 走走停停（Stop and Go）定位法。
•
一.概述
2. 常规（地面）定位方法的局限性
• • • • • 观测点之间需要保证通视 需要事先布设大量的地面控制点/地面站 无法同时精确确定点的三维坐标 难以确定地心坐标 平面、高程控制网破坏严重、很多点位难以寻找 观测受气候、环境条件限制 控制网存在误差积累、精度不高 控制网点位分布不均匀 平面点多在山顶并远离测区 平面与高程控制分离、没有统一的控制系统
• • • • • 基于载波相位的定位特点： 精度高（毫米或厘米级） 需要求解模糊度 不可瞬间定位（即不可实时定位） 作用范围有限（相对模式，PPP不在此列）
S
S
接收机根据自身 的钟在tR 时刻所 S 接收到卫星在t 时刻所发送信号 的相位
(tR )
S R )
接收机根据自身 的钟在tR 时刻复 制信号的相位
• • • •
一.概述
3.GPS 技术的广泛应用。
全球定位系统( Global Positioning System GPS) 是全方位实时三维导航与定位能力 的新一代卫星 导航与定位系统。 在通信行业 ，交通、运输部门， 地理信息系统 ，电子商务领域，电 脑制造商、通信设备商 均有长足的 应用 被誉为即通讯、互联网之后的 第三个信息技术增长点。
Block IIA
Block IIF
二.GPS定位概述
3.2 地面监控部分 （Ground Segment）
– – – – 主控站：1个 监测站：5个 注入站：3个 通讯与辅助系统
二.GPS定位概述
– 主控站： 协调和管理地面监控系统: 1）根据观测资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟 差和大气修正参数，并将数据传送到注入站。 2）提供全球定位系统的时间基准。 3）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。 4）启用备用卫星代替失效工作卫星 – 监测站：观测资料由计算机进行初步处理，存储并 传输到主控站，以确定卫星轨道。 1）对卫星进行跟踪观测 2）记录气象数据 3）将数据传送到主控站 – 注入站：主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫 星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存 储系统，并监测注入信息的正确性。
(tS)
S
R
tR t
R
理想情况
实际情况
三.GPS定位原理
3.相对定位
• 概述 – 定义：确定进行同步观测的接收机之间相对位置的定位方法，称为相 对定位。 – 定位结果 －与所用星历同属一坐标系的基线向量（坐标差） – 采用广播星历时属WGS-84 – 采用IGS – International GPS Service精密星历时为ITRF – International Terrestrial Reference Frames – 特点 • 优点：精度高 • 缺点：多台接收共同作业，作业复杂 – 应用：高精度测量定位
1.GPS的定位原理
卫星不间断地发送自身地星历参数和时间信息，用户接收到 这些信息后，经过计算求出接收机地三维位置、三维方向以及运 动速度和时间信息。 • 。 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
二.GPS定位概述
3.GPS的系统组成
由空间部分、地面部分和用户部分等组成
二.GPS定位概述
3.1 空间部分 （Space Segment）
– 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
三.GPS定位原理
相对定位原理
– 相对定位的最基本情况，是两台GPS接收机， 分别安置在基线的两端，并同步观测相同的 GPS卫星，以确定基线端点，在协议地球坐 标系中的相对位置或基线向量。 – 因为在两个观测站或多个观测站，同步观测相 同卫星的情况下，卫星的轨道误差，卫星钟差， 接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差等， 对观测量的影响具有一定的相关性，所以利用 这些观测量的不同组合，进行相对定位，便可 有效地消除或者减弱上述误差的影响，从而提 高相对定位的精度。
GPS定位原理及其在测量中的 应用现状
目录
一.概述 二.GPS定位概述 三.GPS定位及GNSS定位
四. CGSC2000国家坐标系介绍
一.概述
1.近、现代的常规（地面）定位方法
• 采用的仪器设备 – 尺：铟钢尺 – 光学仪器：经纬仪，水准仪 – 激光和红外仪器：测距仪 – 综合多种技术的仪器：全站仪 – 无线电、微波仪器：Loran-C，雷达 观测方法 – 角度或方向观测 – 距离观测 – 距离差观测
一.概述
4.GPS定位技术的优点和应用
GPS优点：测站间无需通视 • 数学模型简单，且能同时确定点的三维坐 标 • 易于实现全天候观测 • 在长距离上仍能获得高精度的定位结果 目前GPS应用现状： • 绝大部分的控制测量用GPS实现 • RTK测量技术全面普及 • 高智能亚米级手持GPS应用展开 • 前景： • 高精度、智能化、小巧化、网络化。
二.GPS定位概述
1. GPS定位系统的概述
• 什么是全球定位系统 – 全球定位系统 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。
GLONASS全球定位系统
• 拥有者 –俄罗斯 • 发展简史 –由前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的 卫星定位系统，现在由俄罗斯空间局管理。GLONASS的整体 结构类似于GPS系统，其主要不同之处在于星座设计和信号 载波频率和卫星识别方法的设计不同。目前因经济问题， 星座中卫星缺失太多，暂时不能连续实时定位。 • 系统组成
二.GPS定位概述
二.GPS定位概述
3.3 用户部分 （User Segment）
– 组成 • 用户接收设备 。 • 接收GPS发射的无线电信号，获得必要的定位i信息和观测量， 经数据处理完成定位工作。 • GPS接收机和数据处理软件、微处理机和终端设备组成。
天线
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
信号通道
前置放大器 观测值
三.GPS定位原理
二.GPS定位概述
2.GPS发展简史
– 1957年10月4日 第一颗人造卫星 Sputnik I （苏）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。 – 1973年12月，美国国防部（DOD）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。 – 1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战。 – 1993年，IGS成立。 – 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(EOW)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。（实际 停止实施SA是5月2日）
二.GPS定位概述
– GPS卫星
•
作用：
– 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 向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。 • 主要设备 – 太阳能电池板 – 原子钟（2台铯钟、2台铷钟） – 信号生成与发射装置
信号传播时间的测定
三.GPS定位原理
测距码测距的观测方程
信号到达接收 机的时刻（由 接收机钟测定） 信号离开卫 星的时刻 （由卫星钟 测定）
~ c (t t S ) 伪 距： R 设 ： a t S Vt S ； b t R Vt R ~ c (t t S ) c [( V ) ( V )] c ( ) c V c V 则 ： R b tR a b a tR ts tS 站星真实距离 c ( b a ) Vion Vtrop ~ V V 故： c V c V
二.GPS定位概述
Block IIA – GPS卫星 • 类型 试验卫星：Block Ⅰ 工作卫星：Block Ⅱ Block Ⅱ：存储星历能力为14天，具有SA和AS Block ⅡA （Advanced）：卫星间可相互通讯，存 储星历能力为180天，SV35和SV36带有激光反 Block ⅡR （Replacement/Replenishment）：卫 星间可相互跟踪相互通讯 Block ⅡF（Follow On）：新一代的GPS卫星,增设 第三民用频率 Block IIR
– 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
三.GPS定位原理
测距码测距原理
• 距离测定的基本思路
信号传播 时间
双程测距(主动测距)用于电磁波测距仪
c t c
• 信号（测距码）传播时间的测定
单程测距用于GPS（被动测距）
相关系数： 1 R u (T t ) u (T )dt T T
ion trop tS tR
卫星钟的改正 数 接收机钟的改 正数
对流层折射延迟改 正 电离层折射延迟改 正
三.GPS定位原理
2.单点定位
绝对定位也叫单点定位，通 常是指在WGS84坐标系中， 直接确定观测站相对于坐标 系原点绝对坐标地一种定位 方法。相应接收机为手持 GPS。
三.GPS定位原理
2.GPS载波相位测量的基本原理
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三.GPS定位原理
3.（1）测码伪距动态相对定位法 目前进行实时定位的精度可达米级，是以相对定 位原理为基础的实时差分GPS，由于可以有效地减弱 卫星轨道误差，钟差，大气折射误差以及SA政策的影 响，其定位精度，远较测码伪距动态绝对定位的精度 要高，所以这一方法获得了迅速的发展。 （2）测相动态相对定位法 测相动态相对定位法，是以预先初始化或动态解 算载波相位整周未知数为基础的一种高精度动态相对 定位法。目前在较小的范围内（例如<20km），获得 了成功的应用，其定位精度可达1～2厘米。流动站和 基准站之间，必须实时地传输观测数据或观测量的修 正数据。