GPS技术的发展现状与应用课件

GPS技术的发展现状与应用GPS的定义、系统组成与功能的定义、系统组成与功能GPS的技术定义与政策的技术定义与政策GPS 接收机的类型与发展接收机的类型与发展GPS定位的原理与方法定位的原理与方法GPS高程测量高程测量GPS技术的应用技术的应用GPS技术的发展现状与应用1一、GPS的定义、系统组成与功能1.GPS的定义GPS是美国国防部为替代子午卫星系统（NNSS）于1973年12月批准研制的卫星导航系统。它的全称是卫星测时测距导航/全球定位系统（NAVSTAR/GPS；Navigation Satellite And Ranging/Global Positioning System）一、GPS的定义、系统组成与功能2 2.GPS的系统组成空间部分24（21+3）颗GPS卫星组成24颗卫星分布在20200km高空上的倾角为55的6个轨道上，运行周期为11h58min，以保证在全球各处能观测到高度角15的卫星4颗以上卫星以L1（1 575.42MHz)和L2（1 227.60MHz)两个波段发射载波无线电信号，内容包括测距码和导航电文测距玛有P码（精码）和C/A码（粗搜索码）。C/A码供民用的标准定位服务（SPS）；P码只供美国军方和授权用户使用导航电文内容包括卫星星历、电离层模型系数、时间信息、卫星状态信息、星钟改正数以及漂移信息等 2.GPS的系统组成3监控部分1个主控站（设在美国的科罗拉多）3个注入站（设在大西洋的阿森松岛、印度洋的迪戈加西亚岛和太平洋的卡瓦加兰岛）5个监控站（设在主控站、3个注入站和美国的夏威夷）用户部分GPS接收机监控部分4GPS卫星卫星GPS卫星5GPS 卫星在轨道上的分布卫星在轨道上的分布GPS 卫星在轨道上的分布6GPS 的系统组成 空间部分空间部分24颗颗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个主控站个主控站 5个监控站个监控站 3个注入站个注入站 注入站 监控站监控站主控站GPS 的系统组成 空间部分用户部分控制部分 注入站 73.GPS的功能导航 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340ns定位 C/A码 单点定位精度为2040m，P码单点定位精度为16m相对定位精度在50km以内可达10-6，100km500km可达10-7，1000km以上可达10-9。在3001500m的工程精密定位时观测1h以上定位精度可达1mm以内，与ME-5000电磁波测距仪测定的边长比较，其较差最大为0.5mm，较差中误差为0.3mmC/A码单点定位的高程精度为3060m，DGPS 高程精度目前最高可达到厘米级或亚毫米级3.GPS的功能8二、GPS的技术定义与政策1.IOC与FOC的定义IOC初始运作能力 24颗卫星（/A型）在预定的轨道上运行能按规定精度进行标准定位服务 1993年12月8日美国防部宣布达到IOCFOC 全部运作能力 24颗卫星（/A型）在预定的轨道上运行能全面满足军方的要求二、GPS的技术定义与政策92.SA政策和AS政策SA技术选择可用性技术包括技术技术水平定位精度从2030m降低到100mAS技术反电子欺骗技术将P码加密为Y码SA和AS实施的目的使非特许用户不能获得高精度定位信息用户的对策采用DGPS技术对付SA政策采用下面3种对付AS政策 P-W技术 L1、L2互相关技术 窄相关技术2.SA政策和AS政策103.GPS使用的安全性与完备性GPS使用的安全性安全性GPS的C/A码在战时是否会关闭GPS具有安全性的理由美国于1991年有言在先众多商业用户的强大阻力C/A码是P码的引导码美国必须混合使用民用GPS接收机GPS使用的完备性完备性发现精度不合格并能及时通知用户的能力完备性的要求能够及时检测出精度超限的情况能在规定的时间内通知用户美联邦航空管理局（FAA）要求精度限差为100m、时间为10s。直至今日美国国防部仍未宣布已达到完备性的要求3.GPS使用的安全性与完备性114.美国GPS政策的改变2000年5月美国国防部宣布取消SA政策，使得水平单点定位精度恢复到2030m将逐步开放L2的C/A码L2上的C/A码的开放，将使得GPS的精度和功能提高，且可使用户方便的利用双频进行电离层影响的改正。届时可使水平单点定位精度提高到2.5m将启用一个新的民用频率L5和和军队专用的M码L5将大大缩短整周模糊度的搜索时间，从而使得动态定位和快速静态定位技术有更大的发展4.美国GPS政策的改变125.GPS以外的全球定位系统GLONASS全球导航卫星系统由前苏联和俄罗斯从1982年开始至1996年建成INMARSAT系统由国际移动卫星组织（原名国际海事卫星组织（INMARSAT）筹建GNSS系统由国际民航组织筹建，将建成由GPS、GLONASS、MARSAT、GAIT、RAIM组成的混合系统5.GPS以外的全球定位系统13三、GPS接收机的类型与发展1.GPS接收机的类型导航型测地型授时型2.GPS接收机的发展1981年GPS接收机问世测地型已从第一代发展到第三代第三代的标志 采用扩波技术和精化软件等先进技术 精度有明显提高，相对可达到10-610-9 能进行多种模式作业 在体积、重量、功耗上均有较大改进目前还在飞速发展三、GPS接收机的类型与发展143.GPS接收机的发展趋势动态定位精度达到cm级更加轻便、灵活、小型化并大量使用嵌入机功耗减少、内存增大、平均无故障天数增加天线性能的改进，有望解决多路径效应的困扰向高集成、多功能、一体化发展G方式机单频单系统（GPS-L1）GG方式机单频双系统（GPS/GLONASS-L1）GD方式机双频单系统（GPS-L1+L2）GGD方式机双频双系统（GPS/GLONASS-L1+L2）3.GPS接收机的发展趋势15 依定位时的状态依定位时的状态动态定位动态定位静态定位静态定位依定位模式依定位模式绝对定位（单点定位）绝对定位（单点定位）相对定位相对定位差分定位差分定位依定位采用的观测值依定位采用的观测值伪距测量（伪距法定位）伪距测量（伪距法定位）载波相位测量载波相位测量依时效依时效实时定位实时定位事后定位事后定位依确定整周模糊度的依确定整周模糊度的方法方法及观测时段的长短及观测时段的长短常速静态或动态定位常速静态或动态定位快速静态或动态定位快速静态或动态定位1.GPS1.GPS测量定位的分类测量定位的分类四、四、GPS定位的原理与方法定位的原理与方法 依162.测距码伪距单点定位伪距单点定位原理2.测距码伪距单点定位伪距单点定位原理17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属于无模糊度（多值性）定位定位速度快、实时性好对信号的强度要求不高但定位精度较低伪距单点定位的应用特点18 3.载波相位测量载波相位测量原理载波相位测量的观测量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、差分动态定位但面临着两个问题：必须解求整周模糊度经常需要探测并修复周跳 3.载波相位测量194.GPS相对定位相对定位的原理相对定位是用两台（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在相对定位时，通过对观测量求差，可以消除卫星钟差、接收机钟差，削弱电离层和对流层折射的影响，消去整周模糊度参数等，使基线精度提高到10-6、10-7，甚至达到10-8、10-9。4.GPS相对定位20差分观测量一次差分观测量星际一次差分观测量历元间一次差分观测量站际一次差分观测量二次差分观测量站际星际二次差分（双差）观测量星际历元间二次差分观测量站际历元间二次差分观测量三次差分观测量上述三种二次差分观测量中的任一种再与第三要素求差差分观测量21 5.差分GPS定位差分GPS定位原理差分GPS定位属于GPS相对定位差分GPS定位是将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测，根据基准站的精密坐标计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时地将这一改正数发送出去。用户接收机在与基准站接收机进行同步观测的同时，也接收到基准站的改正数，用此对其定位结果进行改正，从而提高用户站的定位精度 5.差分GPS定位22差分方式与功能站间差分 同步观测值在接收机间求差可消除卫星钟差，削弱电离层、对流层折射影响星间差分 同步观测值在卫星间求差可消除接收机钟差和星历误差历元间差分 同步观测值在间历元求差可消去整周未知数参数多元差分还可消除大部分传播延迟误差，其程度视基准站至用户站的距离而定差分定位的关键技术是高波特率数据传输的可靠性和抗干扰问题差分方式与功能23差分GPS的类型单站差分GPS位置差分GPS直接利用基准站的坐标改正数去基准站站与用户站的公共误差其优点是计算简单，适用于各种型号的接收机其缺点是基准站与用户站必须观测同一组卫星，故位置差分只适用于100km以内能满足米级定位精度，广泛用于导航和水下测量等伪距差分其原理是在基准站上观测所有的卫星，利用基准站的已知坐标和测得的各卫星的地心坐标，计算出基准站至各卫星的距离，并求出它与相应伪距之差，用此改正数去改正用户站测得的伪距其优点是由于基准站提供了所有卫星的伪距改正数，用户接收机观测任意4颗卫星即可完成定位其缺点是差分精度随基准站到用户站的距离增加而降低能满足米级定位精度，广泛用于导航和水下测量等差分GPS的类型24载波相位差分载波相位差分技术又称实时动态（RTK，Real Time Kinematic）定位技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法载波相位差分方法分为修正法和乘法法两类。前者是将基准站的载波相位修正值发送给用户站，属于准RTK；后者是将基准站采集的载波相位发送给用户站，属于真正的RTK载波相位差分技术的关键是解求起始相位模糊度载波相位差分技术可使三维定位精度达到厘米级，应用于海上精密定位、地形测图和地籍测量等载波相位差分技术也同样受到基准站至用户站距离的限制载波相位差分25局域差分GPS系统（LADGPS）LADGPS的基础是在局域中建立一个差分GPS基准站网，该网由若干基准站组成，通常还包含一个或数个监控站，基准站之间和基准站与用户站之间均有无线电数据通讯链局域中的用户通常是采用加权平均法或最小二乘法对来自多个基准站的改正信息（坐标改正数或距离改正数）进行平差计算以求得自己的坐标改正数或距离改正数基准站与用户站间的距离通常在500km以内才能获得较好的精度局域差分GPS系统（LADGPS）26广域差分GPS系统（WADGPS）WADGPS由一个中心站、几个监测站、覆盖域内的用户站，以及其间的数据通讯网络所组成广域差分GPS的基本思想是对GPS观测量的各种误差源加以区分，再分别对每一种误差源加以“模型化”，并将计算出的数值通过数据链传输给用户，对用户的定位误差进行最有效的改正，以达到明显地提高用户站的定位精度广域差分GPS技术对误差进行区分的目的就是最大限度地降低监测站与用户站间定位误差的时空相关性，克服局域差分GPS技术对时空的强依赖性，以达到改善实时差分定位的精度和扩大监测站至用户站之间距离的限制WADGPS是一个定位精度均匀分布的系统，且覆盖范围广，定位精度比LADGPS高。采用广域差分GPS技术进行定位，在3000km范围内，利用C/A码伪距单点定位的分量精度一般优于2m，点位精度一般优于4mWADGPS使用的硬件设备及通讯工具昂贵，软件技术复杂，运行和维持费用高，且可靠性和安全性也不如单个的LADGPS广域差分GPS系统（WADGPS）276.GPS测量的作业模式经典静态定位作业方法 采用两台(或两台以上)接收机,分别安置在一条(或数条)基线的两端,同步观测4颗以上卫星,每时段长45分钟至2个小时或更多精度 基线的相对精度可达5mm+1ppmD适用范围 建立全球性或国家级大地控制网、地壳运动监测网、长距离检校基线，进行岛陆联测、钻井定位和精密工程控制网建立等注意事项 所有观测基线均组成一系列封闭图形，以利于外业检核，提高成果可靠性6.GPS测量的作业模式28快速静态定位作业方法 在测区中部的基准站上安置一台接收机，跟踪所有可见的卫星；另一台接收机依次到各点流动设站，每点观测数分钟精度 流动站相对基准站的基线中误差为5mm+1ppmD适用范围 控制网的建立与加密、工程测量、地籍测量等注意事项 在观测时段内应确保有5颗以上卫星可供观测；流动站与基准站间应不超过20km；流动站的接收机在迁站时可关机优缺点 左右速度快、精度高、能耗低；但在两台接收机工作时构不成闭合图形，可靠性较差快速静态定位29准动态定位作业方法 基准站接收机连续跟踪所有可见卫星，流动站接收机在起始站观测12分钟后，在对所测卫星不失锁的情况下，将流动站接收机分别置于各待定点观测数秒钟精度 观测基线的中误差约为12cm适用范围 开阔地区的控制网加密、工程定位、碎部测量、剖面测量、线路测量等注意事项 应确保在观测时段内有5颗以上卫星可供观测；流动站至基准站的距离不超过20km；观测过程中流动站接收机不能失锁，否则应在失锁的流动站上延长观测时间12分钟准动态定位30往返重复设站定位作业方法 基准站接收机连续跟踪所有可见卫星，流动站接收机依次到每个待定点观测12分钟；1小时后按逆序返测各流动站12分钟精度 相对基准站的基线中误差为5mm+1ppmD适用范围 控制网的建立与加密、工程测量、地籍测量等注意事项 应确保在观测时段内有3颗及其以上卫星可供观测；流动站至基准站的距离不超过20km往返重复设站定位31动态定位作业方法 基准站接收机连续跟踪所有可见卫星，流动站接收机在起始站观测数分钟后，流动站接收机开始沿预定的路线连续运动，按规定的间隔自动测定运动轨迹的实时坐标精度 相对基准站的瞬时点位精度为12cm适用范围 精密测定运动载体的运动轨迹、测定线路的中心线、剖面测量、航道测量等注意事项 需同步观测5颗卫星，其中至少要对4颗卫星进行连续跟踪；流动站至基准站的距离应不超过20km动态定位32实时动态（RTK）定位技术实时动态测量技术 以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量技术实时动态测量的基本思想 基准站接收机连续观测所有可见卫星，并将其观测数据通过数据传输链实时地发送给用户站，用户利用这些数据对用户接收机同步观测的数据按相对定位原理实时地计算并显示用户站的三维坐标及其精度实时动态测量的作业模式 快速静态定位、准动态定位、实时动态定位实时动态测量技术的应用范围航空摄影测量、航空物探、航道测量、线路中线测量、运动目标的精密导航等 实时动态（RTK）定位技术33五、GPS高程测量GPS高程测量的原理WGS-84大地坐标系下的大地高H84与相应的正常高H和高程异常之间存在下列关系 H=H84 或=H84HGPS高程测量的核心是根据测区内某些点的正常高（或重力资料）和GPS大地高计算出相应的高程异常值，进而拟合出测区的似大地水准面，然后以此为基础，再利用待测点的GPS大地高求出待测点的正常高五、GPS高程测量34GPS水准高程测量GPS水准高程测量是目前GPS高程测量作业中最常用的一种方法在GPS水准高程测量中,目前国内外用来进行似大地水准面拟合的方法主要有绘等值线图法适用于面状区域原理是：利用区域内若干已知点的平面坐标和高程异常，内插绘出测区的高程异常等值线图，利用该等值线图内插出待定点的高程异常，进而求出其正常高解析曲线内插法适用于GPS点布设成测线时根据测线上若干已知点的利用区域内若干已知点的平面坐标和高程异常，用数值法拟合出测线方向的似大地水准面曲线，再内插出待定点的高程异常，进而求出其正常高GPS水准高程测量35曲面拟合法适用于面状区域原理是：利用区域内若干已知点的平面坐标和高程异常，用数值拟合法拟合出测区的似大地水准面，再内插出待定点的高程异常，进而求出其正常高GPS水准高程的精度通常可达到厘米级精度，能代替四等水准测量在采用特殊措施的情况下可达到亚毫米级或毫米级的精度曲面拟合法36GPS重力高程测量GPS高程测量是用重力资料求定地面点的高程异常,再利用测定的GPS大地高求取地面点的正常高由于目前我国的重力GPS高程精度低于GPS水准高程故采用重力场模型与部分GPS水准相结合的方法是一条有效的途径GPS三角高程测量GPS三角高程测量是在GPS点上加测各GPS 点间的高度角，利用GPS边长，按三角高程测量公式计算GPS点间的高差，进而求取GPS点的正常高GPS重力高程测量37六、GPS技术的应用GPS技术在大地控制测量中的应用建立全球或全国性的高精度GPS控制网全球性的高精度GPS网目的是建立高精度（12m）的全球统一的动态坐标框架，为大地测量的科学研究及相关的地学研究打下坚实的基础1991年国际大地测量协会（LAG）决定在全球范围内建立一个IGS（国际GPS地球动力学服务）观测网，并于1992年69月间实施了第一期会战联测六、GPS技术的应用38我国的高精度GPS网目的是在全国范围内确定精确的地心坐标，建立起我国新一代的地心参考框架及其与国家大地坐标系统的转换参数，并奠定地壳运动及地球动力学研究的基础1992年组织了“中国92GPS会战”，布设了国家A级GPS网，随后在1993年和1995年又进行两次复测。A级网由28个点组成，其点位精度达到厘米级，边长相对精度达到310-9在A级GPS网的基础上建立了国家B级GPS网。B级网共布测730个左右GPS点，平均边长在东部为50km，在中部为100km，在西部为150km，点位地心坐标精度达到0.1m，边长相对中误差达到2.010-8，高程分量相对中误差为3.010-8我国的高精度GPS网39区域性GPS大地控制网区域GPS网是指国家C、D、E级GPS网或专为工程布设的工程GPS网由于GPS定位的高精度、快速度、省费用等优点，使得目前建立区域控制网的手段已基本被GPS技术所取代对于区域控制而言，GPS技术的作用主要在于建立新的地面控制网校核和改善已有的地面控制网对已有的地面控制网进行加密拟合区域大地水准面区域性GPS大地控制网40GPS技术在精密工程测量中的应用建立精密工程控制网用于工程变形监测建立工程或滑坡变形自动化监测系统建立长大或超长隧道的施工控制网建立超长精密线路的基础控制网GPS技术在航空摄影测量中的应用测定航空摄影测量的地面控制点GPS辅助航空摄影测量技术的出现与发展GPS技术在精密工程测量中的应用41GPS技术在海洋测绘中的应用用于高精度海洋定位用于建立海洋大地控制网用于水下地形的测绘建成了中国沿海RBN/DGPS系统RBN/DGPS系统是中国沿海无线电指向标差分GPS系统。该系统由20个RBN/DGPS基准站组成，形成从鸭绿江口到南沙群岛部分区域、覆盖我国沿海港口、重要水域和狭窄水道的差分GPS导航服务网GPS技术在海洋测绘中的应用42GPS技术在地球动力学研究中的应用建立中国地壳运动监测网建立青藏高原地球动力学监测网建立首都圈GPS地表形变监测网GPS技术在公安、交通系统中的应用建立车辆GPS定位管理系统GPS技术在地球动力学研究中的应用43 谢谢各位！再见 谢谢各位！44