全球卫星定位系统原理及定位方法

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）

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1/100～1/1000，对应于L1与L2的波长，
则测距精来自百度文库可以达到cm，mm级别。）
现代化后
增加L5 – 频率：115f0 = 1176.45MHz；波长：25.48cm
(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。
P码的测距误差为0.293～2.93m（为C/A 码的1/10），精度较高，称为精码。
载波①
作用
搭载其它调制信号
测距
类型
目前
fL1 4575.42MHZ
fL2 1227.60MHZ
L1
19.03c m
L2
1 19.03cm 2 24.42cm
24.42c m
（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。
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
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）
L1 L2
GPS卫星信号的频率
基准频率 f0＝
10.23MHz
卫星信号的所有成分 均是该基准频率的倍 频或分频
fL1 154 f0 1575.42MHz; L1 19.03cm fL2 120 f0 1227.60MHz; L2 24.42 cm
§ 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
§ 单点（绝对）定位
l 用一台接收机单独定位
l 测得绝对位置，即WGS －84坐标系下的绝对坐标
l 定位精度低
无SA时 C/A码单点定位精度 有SA时 C/A码单点定位精度
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
可以收到信号卫星的距离为Di，则可列
出数学方程组为：
D1 (x1 x)2 ( y1 y)2 ( z1 z)2 D2 (x2 x)2 ( y2 y)2 (z2 z)2 D3 (x3 x)2 ( y3 y)2 (z3 z)2 Dn (xn x)2 ( yn y)2 ( zn z)2
码长N=210－1=1023bit（小）
码率f＝1.023Mbit/s
码元宽度t0 ＝1/f ≈ 0.97752 s
293.05m（大)
对应距离为
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。
C / A码码率 f0 10 1.023MHz; P码码率 f0 10.23MHz; 卫星（导航）电文码率 f0 20460000 50Hz
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①
作用
测距
性质
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
S
(tR )
接收机根据自身 的 钟 在tR 时 刻 复 制信号的相位
接收机根据自身 的 钟 在tR 时 刻 所 接 收 到 卫 星 在tS 时刻所发送信号 的相位
(tS )
tR tS R
GPS定位的方法
主控站:1个
监测站：5个
注入站：3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
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
注入站：3个
GPS用户部分
GPS信号接收机
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）
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
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100～500km基线上， 精度达0.1ppm 。
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
信号传 播时间
c t c
Block IIA
Block IIA
Block IIR
Block IIR
Block IIR
Block IIF
不同类型的GPS卫星
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
G P S卫 星
通讯与辅助系统
监测站
主控站
注入站
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
军用P码单点定位精度
绝 对 定 位
15-30m 100 m 3m
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。
S2
S4 S3
测得基线向量，
即进行同步观测的
S1
两点间的坐标差
定位精度高 静态mm级 动态cm级
A
B
相对定位(relative positioning)的分类
2．卫星钟误差
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。
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。
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：
载波②
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），（i＝1，2，3 …n; n≧4)
在目标点上安置GPS接收机，测得目标至
（2）用途：适用于精度 要求不高的碎部测量。
（3）精度：可达到 （10~20mm+1ppm）
相对定位模式动态模拟图
流动站
基准站
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
1．RTK(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。
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1/100~1/10时，引起GPS卫星至 接收机的测距误差为2.93～29.3m，精度较低，称 C/A码为粗码。
测距码③
•P（Y）码（Precise Code） – 精码 码长N=6.187104×1012bit（大） 码率f＝10.23Mbit/s 码元宽度t0＝1/f≈ 0.097752 s 对应距 离为29.305m（小)
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）
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②
类型
目前
C/A码（Coarse/Acquisition Code） – 粗码/捕获码；
RTk测量原理图
发射电台
GPS主机
接收电台 GPS主机
基准站
采集器
移动站
RTK相对定位：
2．RTK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（10~20mm+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
E－911：
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。