GPS知识讲座分析

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,*,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,达博测绘,不用编程的全中文的测量计算器,GPS学问讲座,一.,Navigation Satellites Timing and Ranging/Global Positioning System,1.子午仪卫星导航系统,定位原理,:多普勒效应,“单星 低轨 测速”,体制,1964年投入使用，系统由6颗卫星组成,轨道倾角90度，间隔1.5小时定位一次,观测8分钟,二维位置精度优于40米。,应用:潜艇,船舶导航;大地测量,石油物探,地球监测,高精度授时等领域。,2,.GPS全球定位系统,“621B”和“TIMATION”准备,1973年DOD正式批准陆海空共同研制国防卫星导航系统全球定位系统,“多星 高轨 测距”体制。,GPS系统组成：,空间局部：24颗卫星等间距分布在A B C D E F六个轨道面上，轨道倾角55度，轨道近圆形，周期11小时58分，卫星重464千克，主体呈圆形，直径1.5米。,地面局部：四个监控站 一个上行注入站和一个主控站。监控站的主要任务是取得卫星观测数据并将数据传送到主控站；主控站收集各监控站对GPS卫星的全部数据，利用这些数据计算每颗GPS卫星的轨道和卫星钟差改正值,；外推一天以上的卫星星历及钟差并按确定的格式转化成导航电文。上行注入站在每颗卫星运行到上空时把这类导,航数据及主控站的指令注入卫星，每天进展一次。,用户接收机 接收卫星信号获得伪距和导航电文以及接收机本振产生的信号相位与卫星信号的相位之差。,1973年始建至1994年完毕，历经二十年耗资三百多亿美元，共放射39颗卫星Block I 15颗，Block II 24颗保证在世界任何地方至少同时看到4颗卫星。,3.GLONASS全球定位系统,GLONASS是GLObal NAvigation Satellite System(全球导航卫星系统)的字头缩写，是前苏联从80年月初开头建设的与美国GPS系统相类似的卫星定位系统，也由卫星星座、地面监测把握站和用户设备三局部组成。现在由俄罗斯空间局治理。GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组成，均匀分布在3个近圆形的轨道平面上，每个轨道面8颗卫星，轨道高度19100公里，运行周期11小时15分，轨道倾角64.8。,与美国的GPS系统不同的是GLONASS系统承受频分多址(FDMA)方式，依据载波频率来区分不同卫星,GPS是码分多址CDMA，依据调制码来区分卫星。截止2023年1月10日为止尚有10颗GLONASS卫星正在运行。每颗GLONASS 卫星发播的两种载波的频率分别为:L1=1,602+0.5625k(MHz)和L2=1,246+0.4375k(MHz)，,其中:k=124为每颗卫星的频率编号。全部GPS卫星的载波的频率是一样，均为L1=1575.42MHz和L2=1227.6MHz。,GLONASS卫星的载波上也调制了两种伪随机噪声码：S码和P码。俄罗斯对GLONASS系统承受了军民合用、不加密的开放政策,GLONASS系统单点定位精度水平方向为16m，垂直方向为25m。整量质量1400kg，设计轨道寿命5年。第一颗GLONASS卫星于1982年10月12日放射升空。到目前为止,共放射了80余颗GLONASS卫星，最近一次是2023年10月13日放射了三颗卫星。截止2023年1月10日为止尚有10颗GLONASS卫星正在运行。为进一步提高Glonass系统的定位力气，开拓宽阔的民用市场，俄政府准备用4年时间将其更新为Glonass-M系统。内容有：改进一些地面测控站设施；延长卫星的在轨寿命到8年；实现系统高的定位精度：位置精度提高到1015m，定时精度提高到2030ns，速度精度到达0.01ms。,GPS+GLONASS系统对纯GPS系统的改进,1)可见卫星数增加一倍,2)缩短解载波相位整周模糊度求解时间,提高生产效率,3)提高观测结果的牢靠性,4)提高观测结果的精度,二.美国的政策,1.SPS和PPS的定义及其政策,标准定位效劳SPS 包括定位效劳和定时效劳,这一效劳是全天候,全球性的。对一切用户开放，,不直接向用户收费。水平定位精度实施SA技术为,100米95置信度或300米 99置信度。高程精度为,140米95%置信度；定时精度为340ns 99置信度。,和寻常期SPS的终止,将提前48小时由DOD通知美国海岸警,卫队(GPSIC),恢复由GPSIC通告民用用户。,高精度定位效劳PPS由DOD把握，连续在全球范围内供给,定位 定时和测速效劳，效劳对象限于美军以及DOD有特地,协定的盟军。未经批准的民用部门不得使用，对美国批准的用,户可以获得三维重量上约8米的精度。,2.SA AS技术,SA技术:GPS设计 估量C/A码的定位精度为400米,但实,测的定位精度达1540米,测速精度高达每秒零点几米,美,DOD认为这样的精度供给应用户危及到美国的安全,不能接,受,准备使用所谓的选择使用性(SA)措施来拒绝未经批准的,用户使用高的定位精度。(卫星基准频率 技术,导航电文,技术)(抑制措施：GPS测轨，DGPS技术，GLONASS卫星,AS(Anti-Spoofing)抗窃密技术或电子哄骗技术,在P码,上承受编码技术,防止敌方播发假的P码信号干扰,将P码变成Y,码。在周密测量中，P码的作用很重要，如码的平滑 数据的,联合处理，实时模糊度解算等。,1.GPS信号,L1 载波 f1=1575.42MHz P码 C/A码 电文,L2 载波 f2=1227.60MHz P码 电文,C/A码 1.023MHz 码元宽 293.052米 周期 1ms,P码 10.23MHz 码元宽 29.3052米 周期 266天,D码 50BPS 导航电文,P码和C/A码属伪随机噪声码:预先确定,可以重复产生和复制,有随机统计特性的二进制码序列。,三.GPS根本观测量,图一,2.GPS根本观测量,早在GPS系统研制阶段,测绘界和其他学科就对GPS在本学科的应用进展了大量的争论,并取得了成功,如GPS周密定位技术。,伪距观测量：,通过测量卫星信号从放射时刻到接收时刻之间的时延,，然后乘以光速得到距离观测量。,C(dt-dT)+d+dion+dtrop+(1),传播时间由接收机内部码跟踪环路通过比较卫星时钟,产生的测距码和接收机复制的构造完全全都的码之间相关,最大。含有卫星和接收机钟差，大气延迟。不是卫星到接,收机的实际距离，称为伪距。,相位观测值,相位测量原理：麦可斯维电磁理论，电磁波在传播过程中相位保持不变。,载波相位观测值是接收机测得卫星信号的载波相位与本 振产生的相位的差值。,GPS卫星信号含有多种定位信息,除以上两种观测量以外，有的接收机如Trimble 4000SST 还可以给出载波相位变化率即多普勒频移用于动态用户测速。,3.GPS主要误差源,观测噪声,:,多路径效应,接收机内部噪声,相位中心偏差,接收机钟差和钟漂,电离层延迟(50km-1000km),对流层延迟(50km以内),轨道误差,卫星钟差,四.GPS定位原理,一.伪距导航与定位,s,1,s,2,s,3,s,4,本振信号,卫星信号,定位原理与精度,(1)式中不考虑电离层和对流层的影响以及卫星轨道误差,由于卫星的钟漂移稳定,也不考虑其影响。(1)式为:,P=dTC+p 4,其中：Xj，Yj，Zj为卫星的位置，由星历解出，剩下4个参数点位X，Y，Z和接收机钟差dT，必需观测四颗卫星。,定位精度与接收机和卫星构成的几何图形有关，用 精度衰减因子GDOP，PDOP，HDOP，TDOP表示。衰减因子越大精度越差。,伪距差分(DGPS),方法:伪距改正法和坐标改正法,前者基准站先依据其坐标和卫星星历计算伪距观测量的该正数(包括钟差、轨道误差、大气折射误差，将这些改正数加到流淌站的伪距中。,后者基准站和流淌站独立地用确定定位数学模型结算各自的坐标，依据基准站坐标与解算坐标求得的坐标改正，将改正数加到流淌站结算的坐标上。,DGPS可以获得1-5m实时定位精度。,广域差分定位Wide Area Differential GPS,单一基准站的DGPS具有很多缺陷，主要差分定位范围太小。用户应置身于基准站200-300公里，距离增加电离层延迟增大。,WADGPS工作原理。,基准站n,中心把握站,用户,监控站,伪距改,正信息,WADGPS,改正信息,近年来，广域差分GPS技术已进展成为GPS的主要应用之一，如美国联邦航空局FAA的广域增加系统(WAAS)、欧洲地球静止卫星导航重叠效劳(EGNOS)、日本的多功能卫星增加系统(MSAS)均是广域增加系统。,参考站,参考站的主要功能是跟踪视野内的GPS卫星，将经预处理的数据通过数据链传送到主站。参考站配备2-3台双频GPS接收机、数据处理设备和通讯设备。参考站的数量和分布与广域差分GPS系统的效劳范围及精度有关，掩盖我国这样区域的广域差分GPS系统需要建立25个参考站左右。,主站,主站的功能是接收参考站传送来的数据，对数据进展分析处理，产生系统输出数据。主站配置实时高性能数据处理设备和通讯设备。,数据通讯链,数据通讯链是广域增加系统的关键成分。有参考站至主站、主站至用户两种数据传输链路。参考站到主站的链路主要由卫星通信、和有线网等构成。为保证系统的可用性通常需要配置两路以上通讯链路。主站至用户的链路在效劳范围较大时多承受卫星播送的形式构成，效劳范围较小时可以用FM电台、无线电指向标等进展播送。,用户设备,用户设备的功能是接收广域增加系统播送的差分改正数和完好性信 息，以通用的格式如RTCM104输出给具有差分功能的GPS接收机。用户利用广域差分改正数和GPS数据进展导航与定位。,DGPS类型：,扩展差分EDGPS,局部区域差分LADGPS,广域差分WADGPS,全球差分WWDGPS,二、载波相位法周密定位,本振信号,卫星信号,1,OBS1=2,*N1+,1,2,本振信号,卫星信号,OBS2=2,*N2+,1,(X Y Z),基线矢量,D1(X1,Y1,Z1),D2(X2,Y2,Z2),+,=,静态和快速静态,基线解算方法：,1、单差,Dobs=OBS2-OBS1,=2*(N2-N1)+(2-1),=2*N+,N-成为整周模糊度 -缺乏2 的相位,2、双差固定解，浮点解,不同卫星同一历元单差之差,DDobs=Dobs2-Dobs1,=2*(N2-N1)+(2-1),=2*N+,其中:1,2卫星编号,N-成为整周模糊度 ,-缺乏2 的相位。,当模糊度参数为整数时为固定解，,当模糊度参数为实数时为浮点解。,3、三差,不同历元双差之差,动态相对定位Kinematic Relative Position,将一台接收机安置在参考点上固定不动，另一台接收机设置在运动载体上，两台接收机同步观测一样的卫星以确定运动物体相对参考点的位置。有实时处理RTK和测后处理Post Processing Kinematic。,虚拟参考站(VRS),集高新技术于一身的系统代表将来GPS进展的方向,VRS构造示意图,三个站把握北京市区,一个70KM北京市区面积900多平方公里，最大跨度30KM。边长的三角形可把握2200多平方公里。3个站可控整个北京市区,10个站可把握整个北京,VRS,-,先进的算法,应用多个参考站的观测数据,连续监测多参考站的联合数据,系统误差改正模型:,电离层,对流层,卫星轨道误差,多路径,在每一个用户的指定地点建立唯一的虚拟参考站,向用户发送,RTCM,或,CMR+,格式差分数据,参考站,参考站,参考站,参考站,原始数据,GPS,Network,路由器,虚拟参考站,CMR+/,RTCM,NMEA 位置,VRS网络中的数据流,五、GPS定位测量特点及前景,一、GPS特点：,1、定位精度高,应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50KM以内可达10-6