第十二章 GPS测量简介

1、2021年7月4日 1 2021年7月4日 2 GPS基础教程基础教程 GPS 历史历史 传传 统统 测测 量量 技技 术术 的的 缺缺 陷陷 GPS 优优 势势 GPS 的的 主主 要要 特特 性性 GPS 系系 统统 的的 组组 成成 距距 离离 测测 定定 的的 基基 本本 原原 理理 点点 位位 测测 定定 的的 基基 本本 原原 理理 GPS 的的 信信 号号 结结 构构 测测 距距 码码 伪伪 距距 测测 量量 载载 波相波相 位位 测测 量量 选选 择择 可可 用用 性性 技技 术术 Selective Availability(SA) 误误 差差 来来 源源 差差 分分 GPS

2、 (初始初始)整整 周周 未未 知知 数数 整整 周周 未未 知知 数数 的的 解解 算算 精精 度度 因因 子子 要要 点点 小小 结结 2021年7月4日 3 GPS基础教程基础教程 GPS 历史历史 1957年年10月，世界上第一颗人造地球卫星发射成功月，世界上第一颗人造地球卫星发射成功 1958年底，美国海军武器实验室开始建立为美国军用舰艇导航服务的年底，美国海军武器实验室开始建立为美国军用舰艇导航服务的“海军导海军导 航卫星系统航卫星系统”(Navy Navigation Satellite System，简称，简称NNSS) 计划计划,NNSS 于于1964年建成并在美国军方使用，

3、年建成并在美国军方使用，1967年年7月月29日美国政府宣布解密日美国政府宣布解密NNSS 部分导航电文供民用。部分导航电文供民用。 NNSS共有共有6颗工作卫星，距离地球表面的平均高度约为颗工作卫星，距离地球表面的平均高度约为1070km 因运行轨道面均通过地球南北极构成的子午面，又称为因运行轨道面均通过地球南北极构成的子午面，又称为“子午卫星导航系统子午卫星导航系统” 使用的卫星接收机称多普勒接收机使用的卫星接收机称多普勒接收机 与传统导航、定位方法比较，使用与传统导航、定位方法比较，使用NNSS导航和定位具有不受气象条件的影响、导航和定位具有不受气象条件的影响、 自动化程度较高和定位精度

4、高的优点自动化程度较高和定位精度高的优点 NNSS缺点：缺点：工作卫星少、运行高度较低，多普勒接收机的观测时间较长，工作卫星少、运行高度较低，多普勒接收机的观测时间较长， 不能为用户提供连续实时定位和导航服务不能为用户提供连续实时定位和导航服务 大地测量静态定位，一个测站平均观测时间大地测量静态定位，一个测站平均观测时间12天，不能达到天，不能达到cm级的定位精级的定位精 度度 2021年7月4日 4 GPS基础教程基础教程 为满足军事和民用部门对连续实时定位和导航的迫切要求为满足军事和民用部门对连续实时定位和导航的迫切要求 1973年年12月，美国国防部开始组织陆海空三军联合研制新一代军用卫

5、星导航月，美国国防部开始组织陆海空三军联合研制新一代军用卫星导航 系统系统 英文全称为英文全称为“Navigation by Satellite Timing And Ranging/Global Positioning System (NAVSTAR/GPS)” 中文意思是中文意思是“用卫星定时和测距进行导航用卫星定时和测距进行导航/全球定位系统全球定位系统”，简称，简称GPS 从从1989年年2月月14日第一颗工作卫星发射成功日第一颗工作卫星发射成功 到到1994年年3月月28日完成第日完成第24颗工作卫星的发射颗工作卫星的发射 GPS共发射了共发射了24颗颗，目前的卫星数已经超过，目前的

6、卫星数已经超过32颗颗 它们均匀分布在它们均匀分布在6个相对于赤道的倾角为个相对于赤道的倾角为55的近似圆形轨道上的近似圆形轨道上 每个轨道上有每个轨道上有4颗卫星运行，它们距地球表面的平均高度约为颗卫星运行，它们距地球表面的平均高度约为20200km 运行速度为运行速度为3800米米/秒秒，运行周期，运行周期 11小时小时58分分 每颗卫星可覆盖全球每颗卫星可覆盖全球38的面积，可保证在地球上任何地点、任何时刻、在的面积，可保证在地球上任何地点、任何时刻、在 高度高度15以上的天空同时能观测到以上的天空同时能观测到4颗以上卫星颗以上卫星 GPS投入使用，投入使用，NNSS 于于1996年年1

7、2月停止使用月停止使用 2021年7月4日 5 定位精度高定位精度高 GPS相对定位精度在相对定位精度在50km以内可达以内可达10-6 ，100-500km可可 达达10-7 ，1000km可达可达10-9 。在。在300-1500m工程精密定位工程精密定位 中，中，1小时以上观测的解其平面其平面位置误差小于小时以上观测的解其平面其平面位置误差小于1mm 。 观测时间短观测时间短 20KM以内快速静态相对定位，仅需以内快速静态相对定位，仅需15-20分钟；分钟；RTK测测 量时，当每个流动站与参考站相距在量时，当每个流动站与参考站相距在15KM以内时，流动以内时，流动 站观测时间只需站观测时

8、间只需1-2分钟。分钟。 测站间无须通视测站间无须通视 可节省大量的造标费用。由于无需点间通视，点位位置可可节省大量的造标费用。由于无需点间通视，点位位置可 根据需要，可稀可密，使选点工作甚为灵活，也可省去经根据需要，可稀可密，使选点工作甚为灵活，也可省去经 典大地网中的传算点、过渡点的测量工作。典大地网中的传算点、过渡点的测量工作。 GPS基础教程基础教程 2021年7月4日 6 GPS基础教程基础教程 可提供三维坐标可提供三维坐标 GPS可同时精确测定测站点的三维坐标可同时精确测定测站点的三维坐标(平面平面+大地高大地高)。通过局部大地水准面。通过局部大地水准面 精化，精化，GPS水准可满

9、足四等水准测量的精度。水准可满足四等水准测量的精度。 操作简便操作简便 全天候作业全天候作业 GPS观测可在一天观测可在一天24小时内的任何时间进行。小时内的任何时间进行。 功能多、应用广功能多、应用广 可用于测量、导航，精密工程的变形监测，还可用于测速、测时。可用于测量、导航，精密工程的变形监测，还可用于测速、测时。 GPS的应用的应用 （1）GPS应用于导航应用于导航 主要是为船舶、汽车、飞机等运动物体进行定位导航。主要是为船舶、汽车、飞机等运动物体进行定位导航。 船舶远洋导航和进港引水；船舶远洋导航和进港引水； 机航路引导和进场降落；机航路引导和进场降落； 汽车自主导航；汽车自主导航；

10、地面车辆跟踪和城市智能交通管理；地面车辆跟踪和城市智能交通管理； 紧急救生；个人旅游及野外探险；紧急救生；个人旅游及野外探险； 个人通讯终端（与手机，个人通讯终端（与手机，PDA，电子地图等集一体）。，电子地图等集一体）。 2021年7月4日 7 GPS基础教程基础教程 GPS应用于高精度测量应用于高精度测量 各种等级的大地测量，控制测量；各种等级的大地测量，控制测量； 道路和各种线路放样；道路和各种线路放样； 水下地形测量；水下地形测量； 地壳形变测量，大坝和大型建筑物变形监测；地壳形变测量，大坝和大型建筑物变形监测； GIS数据动态更新；工程机械（轮胎吊，推土机等）控制；精细农业数据动态更

11、新；工程机械（轮胎吊，推土机等）控制；精细农业 。 GPS应用于授时校频应用于授时校频 2021年7月4日 8 地地 面面 监监 控控 部部 分分 1 个个 主主 控控 站站 5 个个 监监 控控 站站 空空 间卫间卫 星星 部部 分分 导导 航航 卫卫 星星 : 导导 航航 信信 息息 卫卫 星星 时时 和和 卫卫 星星 钟钟 24 颗颗 卫卫 星星 20200 Km 用用 户户 设设 备备 部部 分分 接接 受受 卫卫 星星 信信 号号 GPS基础教程基础教程 三大部分组三大部分组 成成 2021年7月4日 9 24 颗颗 卫卫 星星 分分 布布 在相对于赤道的倾角为在相对于赤道的倾角为

12、55 度度 的的 6 个个 轨轨 道道 平平 面面 上，上， 每每 个个 轨轨 道道 面面 上上 布布 有有 4 颗颗 卫卫 星星 卫卫 星星 高高 约约 20200 Km 12 小小 时时 绕绕 轨轨 道道 一一 周周 可可 见见 时时 间间 为为 4-5 小小 时时 设计寿命为设计寿命为 7.5 年年 卫卫 星星 种类种类 区区 分分 Block 1(一一 代代),Block 2, 2A(二二 代代), Block 2R，2 F(三三 代代) 55 GPS基础教程基础教程 2021年7月4日 10 GPS卫星与星座卫星与星座 GPS卫星星座卫星星座 GPS卫星：卫星：卫星呈圆柱形，直径为卫

13、星呈圆柱形，直径为1.5m， 重约重约843kg两侧有由两侧有由4片拼接成的双叶太阳能电片拼接成的双叶太阳能电 池翼板，卫星装有池翼板，卫星装有4台频率稳定度为的高精度台频率稳定度为的高精度 原子钟为距离测量提供高精度的时间基准，有原子钟为距离测量提供高精度的时间基准，有 12根螺旋形天线始终对准地面根螺旋形天线始终对准地面 2021年7月4日 11 5 个个 监监 控控 站站 完成对完成对GPS卫星信号的连续观测，搜集当地卫星信号的连续观测，搜集当地 的气象数据，观测数据经计算机处理后传的气象数据，观测数据经计算机处理后传 送到主控站送到主控站 1个主个主 控控 站站 负负 责责 收收 集集

14、 由由 监监 控控 站站 传传 来来 的的 卫卫 星星 跟跟 踪踪 数数 据据 并并 计计 算算 卫卫 星星 星星 历历 和和 时时 间间 参参 数数 并将这些数据传送到注入站；并将这些数据传送到注入站； 提供时间基准提供时间基准 3个注入站个注入站 在主控站的控制下，将主控站推算和编制的在主控站的控制下，将主控站推算和编制的 卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指 令等，注入到相应卫星的存储系统中，并令等，注入到相应卫星的存储系统中，并 监测注入信息的正确性监测注入信息的正确性 除主控站外，整个地面监控系统均无人值守除主控站外，整个地面监控系统均无人值守 G

15、PS基础教程基础教程 2021年7月4日 12 1 1个主控站：科罗拉多个主控站：科罗拉多 斯必灵司斯必灵司 3 3个注入站：个注入站：大西洋的大西洋的阿松森阿松森群岛群岛(Ascencion)(Ascencion) 印度洋的印度洋的迭哥迭哥 伽西亚伽西亚(Diego Garcia)(Diego Garcia) 太平洋的太平洋的卡瓦加兰卡瓦加兰(kwajalein)(kwajalein) 5 5个监测站个监测站=1=1个主控站个主控站+3+3个注入站个注入站+ +夏威夷夏威夷(Hawaii)(Hawaii) 55 Hawaii AscencionDiego Garcia kwajalein C

16、olorado springs 2021年7月4日 13 GPS基础教程基础教程 GPS用户设备用户设备 用户设备包括用户设备包括GPS接收机和相应的数据处理软件接收机和相应的数据处理软件 GPS接收机包括接收天线、主机和电源接收机包括接收天线、主机和电源 GPS接收机的任务是捕获卫星信号，跟踪并锁定卫星信号，对接收到的接收机的任务是捕获卫星信号，跟踪并锁定卫星信号，对接收到的 信号进行处理，测量出测距信号从卫星传播到接收机天线的时间间隔信号进行处理，测量出测距信号从卫星传播到接收机天线的时间间隔 ，译出卫星广播的导航电文，实时计算接收机天线的三维坐标、速度，译出卫星广播的导航电文，实时计算接

17、收机天线的三维坐标、速度 和时间和时间。 2021年7月4日 14 GPS接收机的基本类型：大地型、导航型和授时型三种。大地型接收机的基本类型：大地型、导航型和授时型三种。大地型 接收机按接收载波信号的差异分为单频（接收机按接收载波信号的差异分为单频（L1）型和双频（）型和双频（L1， L2）型。）型。 RTKRTK系统系统导航型接收机导航型接收机 大地型接收机 2021年7月4日 15 GPS基础教程基础教程 供电信号 信息 命令 数据供电，控制 供电 数据 控制 测地型测地型GPSGPS接收机接收机 导航型导航型GPS接收机一般情况下无数据输出的记录存储设备接收机一般情况下无数据输出的记录

18、存储设备(手持机手持机) 2021年7月4日 16 Xll Vl Xl lll GPS基础教程基础教程 2021年7月4日 17 Xll Vl Xl lll l ll lV V Vll Vlll X lX GPS基础教程基础教程 2021年7月4日 18 Xll Vl Xl lll Vll GPS基础教程基础教程 2021年7月4日 19 Xll Vl Xl lll l ll lV V Vll Vlll X lX 距离 = 传播时间 x 光速 GPS基础教程基础教程 2021年7月4日 20 我我 们们 必必 定定 在在 以以 R1 为为 半半 径径 的的 球球 面面 的的 某某 个个 点点

19、上上 R1 GPS基础教程基础教程 2021年7月4日 21 2 个个 球球 面面 相相 交交 成成 一一 个个 圆圆 弧弧 点点 位位 被被 限限 制制 在在 一一 曲曲 线线 上上 R1 R2 GPS基础教程基础教程 2021年7月4日 22 3 个球面相交成一个点个球面相交成一个点 3 个距离段可以确定纬度，经度，和高程个距离段可以确定纬度，经度，和高程 点点 的的 空空 间间 位位 置置 被被 确确 定定 R1 R2 R3 GPS基础教程基础教程 2021年7月4日 23 卫卫 星星 可可 被被 看看 作作 是是 在在 固固 定定 的的 轨轨 道道 上上 运运 动动 空空 中中 观观

20、测测 目目 标标 每每 颗颗 卫卫 星星 播播 发发 独独 立立 的的 时时 间间 码码 进进 行行 距距 离离 测测 量量 常常 规规 GPS 接接 收收 仪仪 内内 置置 较较 为为 廉廉 价价 的的 钟，这钟，这 些些 钟钟 的的 计计 时时 精度精度 比比 卫卫 星星 上上 内内 置置 钟钟 的的 精精 度度 低低 得得 多多 无无 线线 电电 电电 波波 以以 光光 速速 传传 播播 ( 距距 离离 = 光光 速速 x 时时 间间) 设设 想想 一一 下下 接接 收收 仪仪 上上 钟钟 的的 误误 差差 对对 距距 离离 测测 定定 的的 影影 响响 1/10 秒秒 的的 测测 时时

21、 误误 差差 将将 引引 起起 30,000 Km 的的 距距 离离 误误 差差 1/1,000,000 秒秒 的的 测测 时时 误误 差差 将将 引引 起起 300 m 的的 距距 离离 误误 差差 GPS基础教程基础教程 2021年7月4日 24 GPS基础教程基础教程 2021年7月4日 25 GPS基础教程基础教程 2021年7月4日 26 4 段段 距距 离离 解解 决决 了了 纬纬 度，经度，经 度，高度，高 程程 和和 时时 间间 四四 个个 未未 知知 数数 这这 就就 类类 似似 于于 测测 边边 交交 会会 问问 题题 的的 解解 决决 原原 理理 GPS基础教程基础教程

22、2021年7月4日 27 每每 个个 GPS 卫卫 星星 播播 发发 一一 组组 信信 号号 每每 组组 信信 号号 包包 括括 两两 个个 不不 同同 频频 率率 的的 载载 波波 信信 号号 (L1 和和 L2)、两两 个个 不不 同同 的的 测测 距距 码码 信信 号号 (C/A 码码 调调 制制 在在 L1 载载 波波 上，上，P 码码 或或 Y 码码 同同 时时 调调 制制 在在 L1 及及 L2 载载 波波 上上) 以以 及及 卫卫 星星 的的 轨轨 道道 信信 息息数据码数据码（导航电（导航电 文或称文或称D码）码） 基 准 频 率 10.23 MHz x 154 x 120 L

23、1 1575.42 MHz L2 1227.60 MHz C/A 码 1.023 MHz P (Y) 码 10.23 MHz P (Y)-Code 10.23 MHz /10 50 bit/s卫 星 信 息 ( 状 态 信息和 星 历 ) GPS基础教程基础教程 2021年7月4日 28 D = V (dT) 测测 距距 伪伪 随随 机机 码码 每每 一一 卫卫 星星 播播 发发 一一 个个 伪伪 随随 机机 测测 距距 码码 信信 号，该号，该 信信 号号 大大 约约 每每 1 毫毫 秒秒 播播 发发 一一 次次 接接 收收 仪仪 同同 时时 复复 制制 出出 一一 个个 同同 样样 结结

24、构的构的 信信 号号 并并 与与 接接 收收 到到 的的 卫卫 星星 信信 号号 进行进行 比比 较较 由由 信信 号号 的的 延延 迟迟 时时 间间 (dT) 推推 算算 出出 卫卫 星星 至至 接接 收收 仪仪 的的 距距 离离 接接 收收 仪仪 时时 钟钟 应应 与与 卫卫 星星 钟钟 校校 时时 dT 接 收 到 的 卫 星 测 距 码 接 收 仪 复 制 出 的 测 距 码 GPS基础教程基础教程 根据测距原理不同，根据测距原理不同，GPS 定位方式可以分：伪距定位、载波相位测定位方式可以分：伪距定位、载波相位测 量定位和量定位和GPS差分定位。根据待定点位运动状态可以分为：静态定位

25、差分定位。根据待定点位运动状态可以分为：静态定位 与动态定位。与动态定位。 2021年7月4日 29 GPS基础教程基础教程 2021年7月4日 30 在计算各测点之间的坐标差（在计算各测点之间的坐标差（ x, y, z)时，可以消除上述误差的影响时，可以消除上述误差的影响 ，使测点之间的点位相对精度大大提高。，使测点之间的点位相对精度大大提高。 2021年7月4日 31 单单 机机 定定 位位 用用 于于 导导 航，其航，其 定定 位位 精精 度度 大大 约约 在在 10 到到 30m 左左 右右 GPS基础教程基础教程 2021年7月4日 32 P = 正确位置正确位置 P anti_-s

26、poofing 防电子欺骗技术(AS) Selective availability 选择性服务政策(SA)* SA技术已经于2000年5月取消 理理 论论 上上 利利 用用 C/A 码码 可可 获获 取取 10 - 30m 的的 定定 位位 精精 度度 30m 100m GPS基础教程基础教程 AS技术：对P码采用译密技术，使P码 与机密的W码模二和生成Y码，只有 PPS(精密定位业务）用户知道W码的 结构，可解译出P码，SPS（标准定位 业务）用户不能破译P码。 2021年7月4日 33 美美 国国 防防 部部 人为人为 降降 低低 卫卫 星星 广广 播播 信信 息息 的的 精精 度，限度

27、，限 制制 非非 许许 可可 用用 户的户的 非非 法法 使使 用用 在在 基基 准准 信信 号号 上上 人人 为为 加加 入入 一一 个个 高高 频频 抖抖 动动 信信 号号(技术技术) ) 人人 为为 降降 低低 卫卫 星星 星星 历历 精精 度度 (技技 术术) ) 此此 项项 技技 术术 称称 为为 选选 择择 可可 用用 性性 技技 术术 点点 位位 精精 度度 为为 100 m (95%) P 理理 论论 上上 基基 于于 C/A 码码 的的 定定 位位 精精 度度 约约 为为 10 - 30m 30m 100m GPS基础教程基础教程 2021年7月4日 34 D = c T N 载载 波波 相相 位位 观观 测测 载载 波波 L1 的的 波波 长长 为为 19 cm ，L2 的的 波波 长长 为为 24 cm 接接 收收 仪仪 将将 接接 收收 到到 的的 卫卫 星星 载载 波波 信信 号号 的的 相相 位位 与与 其其 自自 身身 产产 生生 的的 参参 考考 载载 波波 信信 号号 的的 相相 位位 进进 行行 比比 较较 接接 收收 仪仪 开开 机机 后，相后，相 位位 整整 周周 数数 未未 知知 ( 带带 有有 整整 周周 模模 糊糊 度