GPS基础(PPT-44)

1、gps基础 v主要内容 v一、gps的发展 v二、gps系统的组成 v三、gps坐标系统 v四、 gps定位原理 v五、实时gps的应用 一、gps的发展 u全球定位系统（gps）是利用卫星发射的无线电信 号进行导航定位，具有全球性、全天候、高精度、 快速实时的三维导航、定位、测速和授时功能，以 及良好的保密性和抗干扰性。 ugps系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、 测时。测速的精度可达0.1m/s，测时的精度可达几 十毫微秒。 一、gps的发展 v 1957年10月4日，前苏联发射了有史以来第一颊人 造地球卫员斯普特尼克(sputnik-1)。 v1958年12月美国海军武器实验空(n

2、wlnaval weapon laboratory)委托美国约翰霍普金斯大学应 用物理实验宝(the johns hopkins university applied physics laboratory)研制为军用船舶提供导 航服务的卫星系统，即海军导航卫星系统(nnss navy navigation satellite system)。 v1964年nnss建成并投入使用 一、gps的发展 v nnss系统是6颗卫星组成。卫星轨道接近圆形， 轨道倾角为90度左右，轨道高度为1100km，周期 约为107min，每天卫星运行1315周。在每一个运 行周期内，地球相对卫星约转27。每颗卫星覆

3、盖 半径约为3000一3500km。对一个测站来说，一颗 卫星每次通过其上空时，仅有18min的跟踪观测弧 段。卫星连续发播400mhz和150mhz两种载波信号， 供用户对卫星进行观测。在400mhz的载波上调制 有导航电文，它向用户提供卫星位置和时间信息， 用于用户的位置解算。 一、gps的发展 vnnss系统的问题 v1)单星观测，不能实时定位和连续导航定位。用户 每次定位观测只能跟踪观测一颗卫星，需观测8 10min才能进行一次定位。而观测一颗卫星后，要 等0.81h，才能观测另一颗卫星，因此，不能连续 导航定位 v 2)低轨、低频定位精度低。由于卫星轨道高度只有 1000km，因此受

4、地球引力场模型和大气阻力模型 误差的影响大，定轨精度低，即卫星星历误差大。 又因其载波频率为50mhz和400mhz，频率较低， 电离层延迟误差大，从而多普勒定位精度较低。即 使连续观测2天，其定位精度也只能达到土10m左右。 一、gps的发展 v美国于1967年就着手研制新一代卫星导航系 统。 v于1973年12月，美国国防部正式批准陆海空 三军同研制导航星全球定位系统。全称为 “授时与测距导航系统全球定位系 统”(navigaion system timing and ranging global positioning systemnavstar gps)，简称为“全球定位系统(gps)

5、”。 一、gps的发展 v在1991年的海湾战争中，美国在海湾地区上 空部署了16颗gps导航星座，使海湾地区基 本实现全天24小时覆盖。用于侦察、通信、 指挥和气象观测 v1994年gps系统基本建成，成为全球共事的 空间信息资源，是空间信息系统的一个重要 组成部分。从1973年至今，美国政府还在不 断地研究和更新gps的软硬件设备，累计耗 贸超过200亿美元。 一、gps的发展 一、gps的发展 v在美国子午卫星系统的诱迫下，前苏联海军 于1965年开始也建立一个卫星导航系统，称 之为cicada。它与nnss系统相似，由12颗 宇宙卫星组成卫星星座，轨道高度为1000km， 运行周期为1

6、05min。每颗卫垦也发送 150mhz和400mhz载波信号，导航电文是调 制在150mhz的载波上。 二、 gps全球定位系统的组成 二、 gps全球定位系统的组成 全球定位系统（gps）主要由gps空间卫星部分（卫 星星座）、地面监控部分和用户设备部分三部分组 成。 v（一）空间星座部分 1.gps卫星星座 布设方案保证在世界任何地 方、任何时间，都可进 行实时三维定位。 二、gps全球定位系统的组成 v（一）空间星座部分 2.gps卫星功能 （1）接收并存储由地面监控站发来的导航信息； （2）接收并执行主控站发出的控制命令，如调整卫 星姿态，启用备用卫星等； （3）向用户连续发送卫星导

7、航定位所需信息，如卫 星轨道参数、卫星健康状态及卫星信号发射时间标 准等。 二、gps全球定位系统的组成 v（二）地面监控部分 地面监控部分是由分布在美国本土和三大洋的美军 基地上的五个地面站组成。 按功能可分为监测站、主控站和注入站三种。 地面监控系统的整个系统是由主控站控制，地面站 之间由现代化通信系统联系。 二、 gps全球定位系统的组成 v（三）用户设备部分 1.主要任务 捕获卫星信号，跟踪并锁定卫星信号（gps卫星是以 广播方式发送定位信息。） 2.分类 （1）按用途:导航型接收机、测地型接收机、授时型 接收机、姿态测量型接收机。 （2）按接收机通道数:多通道gps接收机、序贯通道

8、接收机、多路复用通道接收机。 二、gps全球定位系统的组成 v（三）用户设备部分 3.设备 用户设备是指用户gps接收机。gps接收机是一种 被动式无线电定位设备，在全球任何地方只要能接 收到4颗以上gps卫星的信号，实现三维定位、测 速、测时。 gps接收机组成：gps接收机天线、gps接收主机 和电源三部分组成。 主要功能是接收gps卫星信号并经过信号放大、变 频、锁相处理，测定出gps信号从卫星到接收机天 线间的传播时间，解释导航电文，实时计算gps天 线所在位置（三维坐标）及运行速度。 三、gps坐标系统 v（一）wgs-84坐标系 几何定义：wgs-84世界大地坐标系就是以国际时 间

9、局1984年第一次公布的瞬时地极（bih1984.0） 作为基准，建立的地球瞬时坐标系，严格来讲属准 协议地球坐标系。 物理定义：它拥有自己的重力场 模型和重力计算公式，可以算 出相对于wgs-84椭球的大地 水准面差距。 三、gps坐标系统 v（二）gps坐标转换 1. gps坐标转换意义 在城市、矿山等区域性的测量工作中，需要将gps测 量成果，换算到用户所采用的区域性坐标系统；或 者为了改善已有的经典地面控制网，确定gps网与经 典地面网之间的转换参数，需要进行两网的联合平 差。 三、 gps坐标系统 v（二）gps坐标转换 2.三维坐标系统中的转换模型 （1）转换模型 用于基准转换的模

10、型，主要有布尔沙沃尔夫 （bursa-wolf）模型、维斯（veis）模型和莫洛金 斯基巴代卡斯（molodensky-badekas）模型。这 些模型，虽表达形式略有差异，但它们都是等价的。 三、 gps坐标系统 v（二) gps坐标转换 2.三维坐标系统中的转换模型 （2）大地坐标、gps坐标 经典地面网三维坐标，通常都是在参心坐标系中, 以大地坐标的形式表示的，设为（b,l,h）t，其中 bt为大地纬度，lt为大地经度，ht为大地高。 gps网三维坐标，一般是在协议地球坐标系中，以 空间直角坐标或大地坐标的形式给出的，设为 （x,y,z)s或（b,l,h)s。 三、 gps坐标系统 v（

11、二）gps坐标转换 2.三维坐标系统中的转换模型 （3）网的三维联合平差 网的三维联合平差，原则上可以在空间直角坐标系 统中进行，也可以在三维大地坐标系统中进行。通 常以在空间直角坐标系统中进行为宜。将地面网的 已知大地坐标，按以一定系式转换为相应的空间直 角坐标。 一般包括两类参数：基准转换参数；网的配合参数. 四、 gps定位原理 gps定位方法主要有伪距法定位、载波相位测量定 位和gps差分定位。 对于待定点位，根据其运动状态可分为静态定位和 动态定位。 （一）伪距测量 伪距测量就是测定卫星到接收机的距离，即由卫星 发射的测距码信号到达gps接收机的传播时间乘以 光速所得的距离。 标准时

12、改正因素：卫星钟的改正数、接收机钟的改 正数、电离层折射改正与对流层折射改正。这样在 任何一个观测瞬间用户至少要同时测定四颗卫星的 距离，以便解算出四个未知数。 四、 gps定位原理 v绝对定位 v 在一个待定点上，利用gps接收机观测4颗以上的gps卫 星，独立确定待定点在地固坐标系的位置(目前为wgs一84 坐标系)，称之为绝对定位。绝对定位的优点是，只需用一 台接收机即可独立定位，观测的组织与实施简便，数据处理 简单。 v其主要问题是，受卫星星历误差和卫星信号在传播过程中的 大气延迟误差的影响显著，定位精度较低。特别是在美国实 施sa（selective availability)措施以

13、后，sps定位精度降至 100m。 v但这种定位模式在舰船、飞机、车辆导航、地质矿产勘探、 陆军、空降兵等作战中仍有着广泛的用途。 四、 gps定位原理 v（二）相对定位 gps相对定位，也叫差分gps定位，是目前gps定 位中精度最高的一种 定位方法。 根据用户接收机，在 定位过程中所处的状 态不同，相对定位有 静态和动态之分。 四、 gps定位原理 v（三）载波相位测量 载波相位测量是测定gps卫星载波信号到接收机天 线之间的相位延迟。对卫星载波与接收机基准信号 进行相位测量，即可得到卫星到接收机天线间用载 波相位表达的距离观测值。 载波相位相对定位普遍采用将相位观测值进行线性 组合的方法

14、。其具体方法有三种，即单差法、双差 法和三差法。 四、 gps定位原理 v（四）载波相位差分定位技术（rtk技术） rtk技术是建立在实时处理两个测站的载波相位基 础上，能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米 级的高精度观测成果。 五、实时gps的应用 v（一）实时gps的测量原理 基准站：接收gps卫星信号并实时向流动提供差分 修正信号。 流动站：接收gps卫星信号和基准站发送的差分修 正信号，对gps卫星信号进行修正，并进行实时定 位。 五、实时gps的应用 v（二）实时gps测量特点 gps动态差分定位方法有位置差分、伪距差分、载波 相位实时差分及广域差分，各自分别具有不同特点。 1.位

15、置差分 是将基准站gps接收机伪距单点定位得到的坐标值 与已知坐标作差分，无线电传送的是坐标修正值， 流动站用坐标修正值对其坐标进行修正。 位置差分精度可达510m。但是位置差分要求流动 站接收机单点定位所用的卫星与基准站求修正值时 所用的卫星完全一致。若有一颗卫星不一样就可能 产生45m以上的误差。 五、实时gps的应用 v（二）实时gps测量特点 2.伪距差分（rtd） 利用基准站已知坐标和卫星星历，求卫星到基准站 的几何距离作为距离精确值，将此值与基准站所测 的伪距值求差作为差分修正值，通过数据链传给流 动站。流动站接收差分信号后，对所接收的每颗卫 星的伪距观测值进行修正，然后再进行单点

16、定位。 由于伪距差分是对每颗卫星的伪距观测值进行修正， 所以不要求基准站和流动站接收的卫星完全一致， 只要有4颗以上相同卫星即可。 五、实时gps的应用 v（二）实时gps测量特点 3.载波相位实时差分（rtk） 由于载波相位观测值精度高，若通过数据链将基准 站载波相位观测值传到流动站，在流动站进行实时 载波相位数据处理，其定位精度可达到12cm。rtk 差分距离不可太远，目前最远可到30km。另外流动 站是否能进行rtk差分，取决于数据通信可靠性和流 动站载波相位观测值是否失锁。 五、实时gps的应用 v（二）实时gps测量特点 4.广域差分 广域差分是利用大范围内建立的卫星跟踪网跟踪卫 星

17、信号。利用跟踪网已知坐标和原子钟，求每颗卫 星的星历改正值、卫星钟改正值及电离层改正参 数，并通过无线电台向用户流动站发送。流动站接 收这些修正信息，并对观测值进行修正。差分修正 后的精度可达到13m。差分范围可达到1000km。 五、实时gps的应用 v（三）实时gps测量的应用 目前实时动态定位值采用的作业模式主要有： 1.快速静态测量 这种测量模式要求gps接收机在每一用户站上，静止 地进行观测，在观测过程中连同接收到的基准站的 同步观测数据，实时地解算整周未知数和用户站的 三维坐标。如果解算结果的变化趋于稳定，且其精 度已满足设计的要求，便可适时的结束观测工作。 采用这种模式作业时，用

18、户站的接收机在流动过程 中，可以不必保持对gps卫星的连续跟踪，其定位精 度可达12cm。这种方法可用于城市、矿山等区域性 的控制测量，工程测量和地籍测量等。 五、实时gps的应用 v（三）实时gps测量的应用 2.准动态测量 这种测量模式通常要求流动的接收机在观测工作 开始之前，首先在某一起始点上静止地进行观测， 以便使用快速解算整周未知数的方法实时地进行初始 化工作。初始化后，流动的接收机在每一观测站 上，只需静止观测数历元，并连同基准站的同步观 测数据，实时地解算流动站的三维坐标。这种方法 要求接收机在观测过程中，保持对所测量卫星的连 续跟踪。一旦发生失锁，便需重新进行初始化的工作 通常

19、主要应用于地籍测量、碎部测量、路线测量和 工程放样等。 五、实时gps的应用 v（三）实时gps测量的应用 3.动态测量 v动态测量模式一般需首先在某一起始点上静止地观 测数分钟，以便进行初始化工作。之后，运动的接 收机按预定的采样时间间隔自动地进行观测，并连 同基准站的同步观测数据，实时地确定采样点的空 间位置。 六、gps技术在农业中的应用 v农业生产的根本目的是增加产量、提高效益 与改善环境。要达到这一目的，除了适时调 整农业结构、引种优质高产新品种、科学施 肥与强化田间管理等传统措施外，还应从宏 观角度对农业资源进行全面、系统、有效的 监管和调配，以便使有限的资源发挥出最大 的效益，同

20、时又能确保资源实现可持续发展， 这就需要及时获取准确、适时、动态的农业 资源空间信息问。 v在制作农田电子地图中的应用 v制作农田电子地图是使用精准农业技术的农民首先必须做的 丁作。农民带着gps接收设备，绕农田行走一周，获得农田 边界位置数据。由于地形对土壤养分分布、作物生长、机器 作业和水土流失等有着直接影响，因此，常常要获取农田地 形参数。这时，需要在农田中地形变化比较大的地方，纵横 行走，并记录卫星定位信息(经度、纬度与高程)。对于农田 中分布的沟渠、水库、房屋、道路等要素，其制图方法与此 类似。在办公室，下载记录的农田边界和地形等数据，使用 相应的软件，便可以生成农田电子地图。 v3

21、2土壤养分及其分布调查 v土壤采样是目前获取田问状态信息的主要手段，是土壤养分 分布研究和变量施肥决策的前提。只有获得了足够的农田状 态信息，才有可能实现因地制宜和按需施肥。土壤采样需要 gps和相应的采样导航软件的支持。应用gps取样器按一定 的要求在农田中采集土壤样品，同时利用差分gps技术，精 确定位每个样品点，然后结合所取样品的土壤养分含量和该 调查样区的地形图，运用gis技术可绘制出样区土壤养分含 量分布图，为合理布局作物生产提供科学依据。在生长期间， 也可利用gps定位采集一定数量的土壤及作物样品进行分析， 结合rs与gis技术，可以绘制出作物不同时期的土壤状况的 系列分布图，为适

22、时调控田间养分与精确管理提供科学数据。 v位平滑 33 gps在现代农业机械上的应用 vgps在精细农业中的作用主要包括精确定位、田间 作业自动导航和测量地形起伏状况。为了实现以上 功能，gps接收机需要与农田机械结合，随着农田 机械在田间作业，同时进行精确定位、田间作业自 动导航和测量地形起伏。这种技术可以准确地告诉 农民，在什么时间、什么地点，应进行栽种庄稼、 还是补施肥料作业的信息，以及作物生长信息，并 可实现连续24 h农田作业，是人们利用信息技术和 现代农业科技经营农业的技术思想革命。 v331在联合收割机上的应用 v联合收割机安装全球定位系统接收机和地理信息系统。在作 物收获的时候

23、，利用dgps技术和产量传感器，获得农田小 区内不同地块的作物产量分布，将这些数据输入计算机，生 成产量分布图。然后将影响作物生产的各项因素数据输入计 算机，通过与产量数据对比，确定产量分布不均匀的原因， 并制订相应的措施，生成田间投入处方图，最后生成相应农 业机械的智能控制软件，根据按需投入的原则实施分布式投 入，包括控制耕整机械、播种机械、施肥机械、植保机械等 实施变量投入。在次年收获时，再按上述过程，分析农田小 区总产量是否提高，小区内作物产量差异是否减小，然后制 订新的田间投人处方图。如此经过几次循环，即可达到精细 种植的目的【4】。 v332在无人驾驶拖拉机上的应用 v无人驾驶拖拉机由固定操作站控制的无人驾驶农业 机械，在卫星全球定位系统或在田间附近地面系统 的导航下工作，具有很多优越性：可实现24 h内连 续精确作业；没有驾驶员，就没有必要安装驾驶室 和操纵机构；可增加空间来安装农具，并减少机器 重量，可提高机组工作效率。无人驾驶拖拉机已在 美国的纽荷兰2550型无人驾驶自走割晒机demeter 上实现。demeter已在地面不平且形状不规则