GPS原理及应用课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,0,二,.GPS,定位的特点,定位时间短。,定位精度高。,野外观测时不受天气条件以及作业时间的限制。,无需考虑观测点之间的通视情况。,应用范围广。,缺点,（,1,）,.,在地下（如隧道、矿井内）、海底及建筑物内不能应用；,（,2,）,.,在高大建筑物近旁会受到干扰。,第1页/共40页,二.GPS定位的特点第1页/共40页,1,三,.,系统组成,GPS,系统主要由三大部分组成：卫星星座（空间部分）、地面监测系统（地面部分）和,GPS,接收机（用户设备部分）。,地面控 制 部 分,主 控 站、监 测 站、,注入站,空 间 部 分,导 航 卫 星,:,导 航 信 息,卫 星 时 和 卫 星 钟,24,颗 卫 星（,20200 Km,）,用 户 设 备 部 分,接 收 机,第2页/共40页,三.系统组成地面控 制 部 分空 间 部 分用 户 设 备,2,GPS,卫星星座,星座由,24,颗卫星组成，其中,21,颗工作卫星，,3,颗备用卫星，大致均匀地分布在,6,个轨道面上。轨道面相对于地球赤道面的倾角为,55,o,，各轨道平面之间的交角为,60,o,，卫星距地球约,20200,公里，运行周期为,11,小时,58,分。在世界任何地区任何时候至少可以同时接收,4,颗卫星信号，最多可以同时接收到,11,颗卫星发射的信号。每颗卫星上均装有,4,台高精度的原子钟（,2,台铯钟、,2,台铷钟），称为卫星钟，用以提供高精度的时间标准。,第3页/共40页,GPS卫星星座第3页/共40页,3,GPS,卫星的主要功能,连续不断地向地球发送导航定位的,GPS,信号，以导航电文的形式向用户提供卫星星历表（其中包含卫星现时的位置及其它卫星的概略位置）、时钟校正参数、传播延迟参数及其它信息。,（最主要的信息是,“,时间,”,和,“,位置,”,）,第4页/共40页,GPS卫星的主要功能第4页/共40页,4,2.,地面监控系统,该系统由,5,个监测站、,1,个主控站和,3,个注入站组成，设在美国本土的科罗拉多和三大洋的美国军事基地中。,55,Hawaii,Ascencion,Diego Garcia,kwajalein,Colorado springs,一个主控站,：科罗拉多,斯必灵司,三个注入站：,阿松森(,Ascencion),、,迭哥,伽西亚(,Diego Garcia),和,卡瓦加兰(,kwajalein),五个监测站,：在,主控站,和,3,个,注入站,各设一个，另一个设在,夏威夷(,Hawaii),第5页/共40页,2.地面监控系统55HawaiiAscencionDiego,5,地面站主要负责对卫星进行实时监测（包括卫星上设备是否正常工作、卫星是否沿轨道运行等）；向每颗卫星提供其编写并播发的导航电文，包括卫星星历（即描述卫星运动及其轨道参数的数据）、卫星钟差（时钟修正参数）和大气修正参数等，以保证卫星能够不间断地向地面用户发送准确可靠的导航信号。,监测站的任务是连续跟踪观测和接收,GPS,卫星的信号，并监测卫星的工作状态。,主控站负责收集由监测站传来的卫星跟踪数据并计算卫星星历和时间参数。,注入站的任务是将主控站发来的导航电文（卫星星历和时间参数）注入给卫星。,第6页/共40页,地面站主要负责对卫星进行实时监测（包括卫星上设备是否正常工作,6,3.GPS,接收机,GPS,接收机是能够接收、跟踪、解译和量测,GPS,信号的设备，由接收主机、天线、计算机以及控制显示设备等组成。,GPS,卫星发送的导航定位信号是一种全球共享的信息资源，只要用户掌握其解码，则各类用户在任何地点、任何时刻、任何气候均可用,GPS,接收机接收信号，进行导航定位测量。,第7页/共40页,3.GPS接收机第7页/共40页,7,本节内容回顾,GPS,的定义。,GPS,定位的特点。,GPS,系统由三部分组成。,第8页/共40页,本节内容回顾第8页/共40页,8,7,2,GPS,定位原理与方法,一,.GPS,定位原理,GPS,定位系统的基本观测量是距离（其实质是时间延迟），基本定位原理是空间后方交会。,1.,距离测量,在待定点上安置好,GPS,接收机，开机后即可接收到某颗卫星所发送的信号（随机码），经解译后可以获得卫星发送信号的时刻（以卫星钟为标准）以及发送信号时卫星的空间位置（即坐标）等有用信息。与此同时，在测站上需测定,GPS,信号的接收时刻（以用户钟即普通石英钟为标准）。设,GPS,信号的发射时刻为,t1,接收时刻为,t2,，并设卫星钟与用户钟同步，则,GPS,信号在空中传播的时间为：,T=t2-t1,第9页/共40页,72GPS定位原理与方法第9页/共40页,9,设电波在大气中的传播速度为,C,，则从卫星发送信号时的空中位置到接收机之间的空间距离为：,D=C T,t2,t1,D,Xll,Vl,Xl,lll,l,ll,lV,V,Vll,Vlll,X,lX,第10页/共40页,设电波在大气中的传播速度为C，则从卫星发送信号时的空中位置到,10,2.,空间后方交会,用,GPS,进行定位测量的目的是求出测站点的三维坐标（,x,y,z,）（现未知）。由传统的测量原理可知，欲求得三个未知数，至少需要三个观测量，即必要观测数为,3,。因此，必须同时测定三颗卫星的导航信号，即需测量接收机至三颗卫星的距离,D,1,、,D,2,和,D,3,。设这三颗卫星发送信号时所处位置的坐标分别为（,x,1,y,1,z,1,）、（,x,2,y,2,z,2,）和（,x,3,y,3,z,3,）,则有：,（,x,1,-x,）,2,+(y,1,-y),2,+(z,1,-z,)2,=D,1,2,（,x,2,-x,）,2,+(y,2,-y),2,+(z,2,-z),2,=D,2,2,（,x,3,-x,）,2,+(y,3,-y),2,+(z,3,-z),2,=D,3,2,解此方程组，即可求出测站的坐标（,x,y,z,）。,第11页/共40页,2.空间后方交会第11页/共40页,11,GPS,定位的原理也可通过三个球面相交来理解。,假设某颗卫星在空中的位置为,W1,，,GPS,接收机离,W1,的距离为,D1,，则接收机必定在以,W1,为圆心、以,D1,为半径的球面上。,D1,W1,第12页/共40页,GPS定位的原理也可通过三个球面相交来理解。D1W1第12,12,如果同时接收两颗卫星的信号，则两个球面相交成一条圆弧，点位被限制在这条曲线上。,D1,D2,W1,W2,第13页/共40页,如果同时接收两颗卫星的信号，则两个球面相交成一条圆弧，点位被,13,同理，三个球面相交在一点，即根据,3,段距离值可确定一点的空间位置（坐标）。,D1,D2,D3,W3,W1,W2,第14页/共40页,同理，三个球面相交在一点，即根据3段距离值可确定一点的空间位,14,事实上，由于用户钟（普通石英钟）的测时精度远低于卫星钟，因此，用户钟与卫星钟不可能同步，必然存在时钟差，用,tu,表示。正因为存在时钟差,tu,，所以按前述方法求得的卫星至接收机的距离也必然是一个包含误差的观测量，称之为伪距，用,D,表示。即：,Di=Di+Ctu,tu,主要是用户钟的测时误差，很难准确求得，所以一般视为未知数。,将含有未知数,tu,的伪距,Di,代入前面的方程组便可发现，三个方程求解四个未知数是不可能的，因此，实际工作中需同时观测四颗卫星，测得四个伪距，解四个方程才能求出待测点的坐标（,x,y,z,）。,第15页/共40页,事实上，由于用户钟（普通石英钟）的测时精度远低于卫星钟，因此,15,必须指出，卫星坐标（,x,i,y,i,z,i,）是其在地心坐标系（,WGS,84,坐标系，见教材,P139,）中的坐标，而实际测量中惯用的是以参考椭球面为基准的大地坐标，故按上述空间后方交会的方法求得的坐标（,x,y,z,）还需转换成当地常用的大地坐标系（如,1954,北京坐标系或,1980,西安坐标系），这是,GPS,测量成果处理的内容。,第16页/共40页,必须指出，卫星坐标（xi,yi,zi）是其在地心坐标系（WG,16,二,.GPS,定位方法,GPS,定位方法根据模式的不同可以分成单点定位、相对定位和差分定位。,1.,单点定位,单点定位又称绝对定位。在一个待测点上，用一台接收机独立跟踪,GPS,卫星，测定待测点（天线位置）的绝对坐标（地心坐标），其原理与方法跟上段介绍的完全相同。由于普通用户只知,C/A,码（粗码）而不知,P,码（精确码），导航电文所提供的卫星星历（卫星位置）存在误差，加上电波在空中传播时受到大气延迟误差影响等原因，因此绝对定位的精度较低，一般为,30,米左右，最高为,3-5,米。这样的定位精度显然不能满足一般工程测量的要求，但在船舶、飞机导航以及海洋勘探等领域却有着极为广泛的应用。,第17页/共40页,二.GPS定位方法第17页/共40页,17,单点定位的精度较低，一般为,10,30,米。,城市交通中的,“,车载,GPS,”,就是采用单点定位方法。,精 度,10-30 m,第18页/共40页,单点定位的精度较低，一般为1030米。精 度 10-,18,2.,相对定位,相对定位是通过测量卫星发送的电波到达两台接收机的时间差来完成的，用两台同类型的接收机同步跟踪相同的,4,颗卫星信号，对两台接收机接收到的电波信号作合成处理，即可求出接收机之间的相对位置（三维坐标差或基线向量），只要给出了一个站点的坐标，便能求得另一点的坐标。,P1,P2,S,第19页/共40页,2.相对定位P1P2S第19页/共40页,19,当两点相隔较近（如,10,公里以内），由于两机同步观测相同的卫星时的卫星星历误差、时钟误差以及电波在大气中传播的误差是相等或大致相同的，因而在相对定位过程中可以有效地抵消或大幅度削弱这些误差的影响，使定位精度得以大大地提高。一般相对定位的精度可达,（,5mm+1ppm.D,），完全可用于大地测量和工程测量之中。,相对定位分为单差法、双差法和三差法等（详见教材,P143,144,）。,第20页/共40页,当两点相隔较近（如10公里以内），由于两机同步观测相同的卫星,20,相对定位示意图。,T2,T1,S1,S2,S3,S4,采用相对定位方法确定一个点约需观测半小时至,1,小时。,第21页/共40页,相对定位示意图。T2T1S1S2S3S4采用相对定位方法确定,21,3.,差分定位,定位时采用两台以上的,GPS,接收机。将一台接收机安置在地面已知点上作为基准，其余接收机分别安置在其它待测点上。各接收机同时进行单点定位，根据基准站的测定坐标和已知坐标即可求出定位结果的改正数（位置差分）或伪距观测值改正数（伪距差分）。通过基准站与用户站间的数据链（由调制解调器和电台组成）将基准站的改正值实时传送给用户站，对用户接收机的定位结果进行改正，从而大大提高了定位精度。,差分定位方法兼容了单点定位和相对定位的优点，同时克服了二者的缺点。必须指出，采用差分定位时，各接收机的型号必须相同（其中一台配有电台作为基准站），而且须同时观测相同的,4,颗卫星。作为差分定位技术的典型代表，载波相位实时差分技术（,RTK,）目前正得到越来越广泛的应用。,第22页/共40页,3.差分定位第22页/共40页,22,差分定位示意图。,B,A,基准站,流动站,流动站,C,采用差分定位方法确定一个点只需几十秒钟。,第23页/共40页,差分定位示意图。BA基准站流动站流动站C 采用差分定位方法确,23,发射电台,GPS,主机,基准站,流动站,GPS,主机,RTK,测量原理图,采集器,接收电台,第24页/共40页,发射电台GPS主机基准站流动站GPS主机RTK测量原理图采集,24,第25页/共40页,第25页/共40页,25,常规,GPS,的测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的定位精度。,而,RTK,是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差