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1、全球定位系统（全球定位系统（GPSGPS） 内容概要内容概要 一 GPS基础知识 （一）GPS及其背景 （二）GPS的特点 （三）GPS的系统组成 （四）GPS的功能 二 GPS定位原理 三 GPS实施步骤第一章 GPS基础知识第一节 GPS及其背景 1957年10月第一颗人造卫星发射成功以后， 1958年底，美国海军武器实验室就着手建立为美国军方军用舰艇导航服务的卫星系统，即“海军导航卫星系统”（Navy Navigation Satellite System）。但是由于该系统的卫星数目较少（56）、运行高度较低（平均约1000km)、从地面站观测到卫星的时间间隔较长（平均约1.5小时），因
2、而它无法提供连续的实时三维导航。加上获得一次导航解的时间较长，所以难以充分满足军事方面的需要，尤其是高动态目标（飞机、导弹）。 为了满足军事和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求，1973年美国国防部便开始组织海陆空三军，共同研究建立新一代的卫星导航系统。这就是目前所称的“授时与测距导航系统授时与测距导航系统/全球定位系统全球定位系统”（navigation system timing and ranging/global positioning system,简称简称NAVSTAR/GPS),通常简称为通常简称为“全球定位系统全球定位系统”。（三代卫星）（三代卫星）系统特征NNSSNNSS
3、GPSGPS载波频率GHz0.15,0.401.23,1.58卫星高度km107020200卫星数621+3卫星周期min1:4711:58卫星钟稳定度10-1110-12GPS与NNSS的主要特征比较注：NNSS是美国于1964年建成的海军导航系统第二节 GPS的特点全球性，全天候，高精度，保密性GPSGPS测量与经典测量方法的对比测量与经典测量方法的对比：不需要相互通视定位精度高(小于50km基线，精度可达mm级）观测时间短白天和夜间均可作业提供三维坐标操作简单第三节 GPS 的系统组成 空间部分空间部分 GPS卫星组成卫星组成用户部分用户部分 GPS接收机接收机控制部分控制部分 1个主控
4、站个主控站 3 3个注入站个注入站 5个监控站个监控站 注入站 监控站监控站主控站 24颗卫星(21+3) 6个轨道平面 55轨道倾角 20200km轨道高度(地面高度) 11小时58分(恒星时)轨道周期 5个多小时出现在地平线以上(每颗星) 在全球各处能观测到高度角15的卫星 4 颗以上(411)GPS 卫星空间分布卫星空间分布（目前轨道上实际运行的卫星个数已经超过了32颗）GSP 地面控制站分布地面控制站分布一个主控站一个主控站：科罗拉多斯必灵司(推遍星历及修正参数、时间基准、轨道纠偏、启动备用卫星）三个注入站：三个注入站：阿松森(Ascencion)大西洋 迭哥伽西亚(Diego Gar
5、cia)印度洋 卡瓦加兰(kwajalein)太平洋五个监测站五个监测站 = 1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii)5555HawaiiAscencionDiego GarciakwajaleinColorado springs GPS 用户部分用户部分用户设备主要包括GPS接收机和数据处理软件，以及计算机和其他终端设备（车船导航）。包括我们日常所见的单频和双拼接收机以及手持GPS接收机等。软件主要包括数据预处理软件、基线向量处理软件、网平差软件、联合平差软件和数据库处理软件等。GPS 用户部分的应用导航 海空导航、车辆引行、导弹制导等测速 其精度可达0.1m/s测时与授时 其精度可达
6、340ns（1纳秒=10-9秒）定位第二 章 GPS定位原理 依定位时的状态依定位时的状态 动态定位：接收机处于运动状动态定位：接收机处于运动状态态 静态定位：接收机固定，相对静态定位：接收机固定，相对静止静止 依定位模式依定位模式 绝对定位（单点定位）：确定绝对定位（单点定位）：确定观测站相对于地球质心的位置观测站相对于地球质心的位置 相对定位（差分定位）：确定相对定位（差分定位）：确定接收机之间的相对位置接收机之间的相对位置 依定位采用的观测值依定位采用的观测值 测码伪距测量测码伪距测量（观测对象为数据码）（观测对象为数据码）载波相位测量载波相位测量（观察对象为载波）（观察对象为载波） 依
7、时效依时效 实时定位实时定位 事后定位事后定位第一节第一节 GPS测量定位模式测量定位模式相对定位的模式相对定位的模式静态模式：两套以上两套以上的接受设备，分别安置在基线的端点，同步观测一组卫星一定的时段。该模式基线精度约为5mm+1ppm。快速静态模式：在测区中部测区中部安置一台基准站，另一台接收机依次到各点流动设站，并且在每一个测站观测12分钟。该模式要求卫星数不少于5个，流动站和基准站距离不大于15公里。该模式的基线精度约为5mm+1ppm。动态模式:在测区选择基准站安置接收机，连续跟踪可见卫星，另一台接收机安置在移动载体上，在出发点静态定位观测12分钟，运动的接收机从出发点开始观测。一
8、般该模式要求卫星数不少于5个，流动站和基准站距离不大于15公里。该模式基线精度12厘米。实时动态模式：在测区选择基准站安置接收机，连续跟踪可见卫星，并将其观测量通过无线电设备实时传输给流动站。流动站接受卫星信号的同时也接受基准站信号，然后解算流动站的三维坐标。其精度可达厘米级。第二节 GPS伪距定位原理信号构成基本频率 ：f0 = 10.23 MHz 1、载波：L1 = 154 f0 = 1575.42 MHz 波长 = 19.03 cm L2 = 120 f0 = 1227.60 MHz 波长 = 24.42 cm 2、测距码：C/A码频率 = f0 /10 = 1.023 MHz 对应时间
9、1ms，码元宽度对应的波长 = 293 m P 码频率 = f0 = 10.23 MHz 码长235469592765000位、对应时间266.4天 码元宽度对应的波长 = 29.3 mL1 载波调制有 C/A 码和 P 码L2 载波仅调制有 P 码 3、导航电文： 包含了有关卫星星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获P码等导航信息的数据码（D码）。 GPS卫星信号结构卫星信号结构每颗GPS卫星发射一组无线电信号每组信号包括两个载波 (L1 与 L2) 及两种码，L1 上调制的C/A码，L1和L2上的 P 码或 Y 码，还有卫星轨道信息 所有信
10、号均由同一个震荡器产生基准频率10.23 MHz L1 1575.42 MHzC/A 码 1.023 MHzP 或 Y-码10.23 MHz L2 1227.60P 或 Y 码10.23 MHz信息码50 Hzx 120 x 120 x154x1541010第二节第二节 GPS GPS伪距定位原理伪距定位原理 导航点位是按空间后方距离交会的方法计算出来 卫星是“沿轨道运动的控制点” 采用码相关技术测定接收机至每颗卫星的距离(伪距)距离观测值的计算v 接收机至卫星的距离借助于卫星发射的码信号量测并计算得到的v 接收机本身按同一公式复制码信号v 比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟时间tv 传
11、播延迟时间乘以光速就得到距离观测值 =C t卫星钟调制的码信号接收机时钟复制的码信号tt 伪距单点定位的应用特点既能用于静态定位，也可进行动态定位而用于导航定位速度快、实时性好对信号的强度要求不高但定位精度较低（理论上为10米30米，在SA和AS技术作用下误差达100米以上）第三节 GPS载波相位定位原理载波相位定位原理采用载波相位观测值卫星广播的电磁波信号： 由于测距码的码元长度较长，导致伪距的测量精度不高。而卫星发射的载波波长比测距码要短很多，将载波作为一个测量对象，就可以得到高精度的星站距离。其原理就是在接收机在对卫星进行跟踪测量的时候，本身也产生一个与载波相同的基准信号。接收机接收到载
12、波信号，先进行解调，恢复成单纯的余弦波，在于基准信号混频，得到一个新的差频信号，差频信号的相位就是基准信号与接受信号的相位差值。所谓的载波相位测量就是混频后的差频信号的相位值。L1载波载波L2载波载波C/A码码P-码码 p=29.3 m L2=24 cm L1=19c m C/A=293 m 载波相位测量的特点定位精度比伪距定位精度高可用于进行静态绝对定位、 静态相对定位、差分动态定位第四节第四节 GPS GPS相对定位相对定位原理原理（差分定位） 相对定位是用两台（或多台）接收机分别安置在一条（或多条）基线的两端，同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点的相对位置或基线向量可以消去卫星钟的系
13、统偏差可以消去卫星钟的系统偏差可以消去接收机时钟的误差可以消去接收机时钟的误差PikPljPijPjPlkPkSlSi可以消去轨道可以消去轨道(星历星历)误差的影响误差的影响可以削弱大气折射对观测值的影响可以削弱大气折射对观测值的影响 组成星际站际两次差分观测值 伪 距 差 分 测 量 精 度 可 达 0.5m - 5 m 此 种 测 量 形 式 一 般 称 为 DGPSB 如 果 使 用 载 波 差 分 或 同 时 使 用 载 波 差分 及 伪 距 差 分 则 定位 精 度 可 达 5 - 10 mm + 1ppmB第三章 GPS实施步骤 静态GPS测量 动态GPS测量第一节第一节 GPS静
14、态测量作业步骤静态测量作业步骤 GPS控制网的技术设计控制网的技术设计 GPS控制网网形设计控制网网形设计 踏勘选点，修改网形，设置点位标踏勘选点，修改网形，设置点位标志志 编制作业进度计划，进行星历预报编制作业进度计划，进行星历预报 外业观测和概算外业观测和概算 内业处理和检验内业处理和检验 坐标系统转换和高程拟合坐标系统转换和高程拟合 成果报告的编制和资料验收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 大城市可分大城市可分3 3级级, ,中小城市可分中小城市可分2 2级级三. GPS测量的精度标准 = =四. 坐标系统与起算数据 椭球参数椭球参数, ,中央子午线中央子午线
15、, ,纵横坐标纵横坐标加常数加常数, ,投影面高程投影面高程, ,起算点的坐标及起算点的坐标及其精度其精度五. GPS高程六. 选点原则和点位标志262)10*(dba级别级别 a (mm) b 平均距离平均距离(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连测部分水准点连测部分水准点(C(C、D D、E E级应按四等水准进行连测级应按四等水准进行连测) )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. 最简独立闭合环或符合路线边数应符合下表规定108665边数边
16、数EDCBA级别级别三. 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。N=4N=2N=3仪器台数仪器台数 同步图形同步图形 独立基线独立基线N=5 GPS网设计的一般原则网设计的一般原则J 应通过独立观测边构成闭合图形，以增加检核条件，提高网的可靠性。J 应尽量与原有地面控制网相重合，重合点一般不少于3个，且分布均匀。J 应考虑与水准点相重合 ，或在网中布设一定密度的水准联测点。J 点应设在视野开阔和容易到达的地方，联测方向。J 可在网点附近布设一通视良好的方位点，以建立联测方向。 根据GPS测量的不同用途，GPS网的独立观测边均应构成一定的几何图形，基本形式有：1. 三角形网 2. 环形网 3. 星形网(1)、三角形网、三角形网优点：优点： 图形几何结构强，具有较多的检核条件，平差后网中相邻点间基线向量的精度比较均匀。缺点：缺点： 观测工作量大。一般只有在网的精度和可靠性要求较高时，才单独采用这种图形。(2)、环形网、环形网优点：优点： 观测工作量较小，且具有较好的自检性和可靠性。缺点：缺点：非直接观测基线边(或间接边)精度较直接观测边
