第六章全球定位系统定位技术

1、6 6 全球定位系统的定位技术全球定位系统的定位技术【本章知识要点】GPS的发展历程；GPS的组成；GPS测量的特点；GPS伪距测量；载波相位测量；静态定位和动态定位；绝对定位和相对定位；GPS卫星信号码；GPS测量实施分为方案设计、外业测量和内业计算三个步骤。6.1 GPS全球定位系统概述全球定位系统概述 GPS全球定位系统是英文全球定位系统是英文Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System的字头缩写词的字头缩写词NAVSTAR/GPS的简称。它的含义是的简称。它的含义是:利用利用导航卫星进行测时和测距，以

2、构成全球定导航卫星进行测时和测距，以构成全球定位系统。位系统。 GPS是以卫星为基础的第二代精密卫星导是以卫星为基础的第二代精密卫星导航与定位系统。第一代是子午卫星导航与航与定位系统。第一代是子午卫星导航与定位系统。定位系统。6.1.1子午卫星系统子午卫星系统 子午卫星子午卫星在几乎是圆形的极轨道上运行。卫星离地面的高度约为1075公里。卫星的运行周期为107分钟。子午卫星星座一般由6颗卫星组成。这6颗卫星应均匀地分布在地球四周，即相邻的卫星轨道平面之间的夹角均应为30度。用户接收到子午卫星信号，用户接收机接收卫星发播的信号，并根据多普勒效应原理，测定因卫星相对用户接收机不断运动而产生的多普勒

3、频移。6.1.2 GPS全球定位系统全球定位系统 GPS全球定位系统是美国从1973年开始研制，历时20年，耗资200亿美元，在进行了方案论证、系统试验阶段后，于1989年开始发射正式工作卫星，并于1993年12月全部建成并投入使用。具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能，能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。6.1.3 GPS的组成的组成 全球定位系统(GPS)包括三大组成部分，即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。 GPS 系 统 可 提 供 精 确 导 航 导 航 精 度 约 为 10 - 20 m 全 球 信 号 覆 盖 24 小 时 工 作 服

4、 务 普 通 座 标 系 统 中 的 测 量 工作 计 划 用 GPS 系 统 取 代 现 有 的 导 航 系 统 GPS 系 统 可 应 用 于 民 用 及军 事 领 域6.2 GPS定位原理及实施定位原理及实施 6.2.1 GPS坐标系统坐标系统 GPS是一个全球性的定位和导航系统，其坐标也是一个全球性的定位和导航系统，其坐标也是全球性的，为了使用的方便，通常通过国际协是全球性的，为了使用的方便，通常通过国际协议，确定一个协议地球坐标系议，确定一个协议地球坐标系CTS（Conventional Terrestrial System）。目前，）。目前，GPS测量中所使用的协议地球坐标系称为测

5、量中所使用的协议地球坐标系称为WGS-84世界大地坐标系（世界大地坐标系（World Geodetic System）。）。它由美国国防部在它由美国国防部在WGS-72相关的精密星历基础相关的精密星历基础上，采用上，采用80大地参数和大地参数和BIH 1984.0系统定向所建系统定向所建立的一种地心坐标系。立的一种地心坐标系。6.2.2 GPS卫星信号卫星信号 1）载波信号）载波信号 载波信号频率使用的是无线电中载波信号频率使用的是无线电中L波段的波段的2种不同频率的电磁波种不同频率的电磁波 L1载波：波长载波：波长1 =19.03cm，频率，频率f1=1575.442MHz； L2载波：波长

6、载波：波长2 =24.42cm，频率，频率f2=1227.600MHz。 2）测距码）测距码 GPS卫星信号中有两种测距码，即卫星信号中有两种测距码，即C/A 码和码和P（Y）码。码。 C/A 码：码：C/A 码是英文粗码码是英文粗码/捕获码捕获码（Coarse/Acquisition Code）的缩写。它被调）的缩写。它被调制在制在 L1载波上。载波上。C/A 码的结构公开，不同的卫星码的结构公开，不同的卫星有不同的有不同的C/A 码。码。C/A 码是普通用户用以测定测码是普通用户用以测定测站到卫星间距离的一种主要的信号。站到卫星间距离的一种主要的信号。 P码（码（Precise Code）

7、的测距精度高于）的测距精度高于C/A 码，码，又被称为精码，它被调制在又被称为精码，它被调制在L1和和 L2载波上。因载波上。因美国的美国的AS（反电子欺骗）技术，一般用户无法利（反电子欺骗）技术，一般用户无法利用用P码来进行导航定位。加密后的码来进行导航定位。加密后的P码又称为码又称为Y码。码。 3）数据码）数据码 数据码（数据码（D码）即导航电文。数据码是卫星码）即导航电文。数据码是卫星提供给用户的有关卫星的位置，卫星钟的提供给用户的有关卫星的位置，卫星钟的性能、发射机的状态、准确的性能、发射机的状态、准确的GPS时间以时间以及如何从及如何从C/A 码捕获码捕获 P码的数据和信息。码的数据

8、和信息。用户利用观测值以及这些信息和数据就能用户利用观测值以及这些信息和数据就能进行导航和定位。进行导航和定位。6.2.3 GPS定位原理定位原理 GPS的定位原理，是利用空间分布的卫星以及卫星与地面点间进行距离交会来确定地面点位置。 XllVl Xl lllXllVlXllllllllVVVllVlllXlXXllVlXllllVll XllVlXllllllllVVVllVlllXlX距离 = 传播时间 x 光速 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 上上R12 个个 球球 面面 相相 交交 成成 一一 个个 圆圆 弧弧点点

9、位位 被被 限限 制制 在在 一一 曲曲 线线 上上R1R2 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R1R2R3 如图67所示，用户用GPS接收机在某一时刻同时接收三颗以上的GPS卫星信号，测量出测站点（接收机天线中心）至卫星的距离i（i=1，2，3，），通过导航电文可获得卫星的坐标（xi，yi，zi）（i=1，2，3，），据此即可求出测站点的坐标（x，y，z）。 1)-(6 )()()(222zzyyxxiiii1）伪距测量）伪距测量cti大气电离卫星接收机cctzz

10、yyxxiiii)()()()(i222 由于卫星钟差、电离层折射和大气对流的影响，可以通过导航电文中所给的有关参数加以修正，而接收机的钟差却难以预先准确地确定，所以把接收机的钟差当作一个未知数，与测站坐标一起解算。这样，在一个观测站上要解出4个未知参数，即3个点位坐标分量和1个钟差参数，就至少同时观测4颗卫星。若观测卫星个数多于4个，用最小二乘法求得测站点坐标。2）载波相位测量）载波相位测量 载波相位测量就是利用GPS卫星发射的载波作为测距信号测出卫星的载波信号与接收机参考信号之间的相位差，乘上波长就是站星距离。 20 N3）载波相位差分定位）载波相位差分定位 在绝对定位中，测量结果会受到卫

11、星轨道误差、钟差及信号传播误差的影响，但这些误差对观测量的影响具有一定的相关性，因此，若利用这些观测量的不同线性组合进行相对定位，可有效地消除或减弱这些误差的影响，提高定位的精度。将观测量进行线性组合的方法称为差分法，当前普遍应用的重要组合形式有种，即单差法、双差法和三差法。图图69 载波相位单差法定位载波相位单差法定位图图610 载波相位双差法定位载波相位双差法定位图图611 载波相位双差法定位载波相位双差法定位4）GPS定位方法定位方法 GPS定位的方法有多种，根据接收机的运动状态可分为静态定位和动态定位，根据定位的模式又可分为绝对（单点）定位和相对定位（差分定位），按数据的处理方式可分为

12、实时定位和后处理定位。6.2.4 GPS测量的实施测量的实施 GPS测量实施的工作程序可分为： 技术设计 选点与建立标志外业观测成果检核GPS网型的平差计算技术总结）技术设计）技术设计（1）GPS测量的精度标准式中 m距离中误差，mma固定误差，mmb比例误差系数，ppmd相邻点间的距离，km262)10(dbamd表61 GPS网的分级精度指标类类级级测量类型测量类型固定误差固定误差a(mm)比例误差比例误差b(p pm)相邻点平均相邻点平均距离距离D(km)A全球性地球地壳形变、精密定轨30.011000A区域性地壳形变或国家高精度GPS网50.1300B国家基本控制测量、精密工程测量81

13、70C控制网加密、城市测量、工程测量1051015D工程控制网1010510E测图网10200.25（2）GPS网型的图形设计网型的图形设计 点连式、边连式、网连式和混连是构网的四种基本形式 （3）坐标系统与起算数据）坐标系统与起算数据 GPS测量得到的是GPS基线向量（两点的坐标差），其坐标基准为 WGS-84坐标系，而实际工程中，需要的是属于国家坐标系或地方独立坐标系中的坐标。为此，在GPS网的技术设计中，必须说明GPS网的成果所采用的坐标系统和起算数据。2）选点与建立标志）选点与建立标志 (1) 周围便于安置接收设备和操作，视野开阔，视场内障碍物的高度角不宜超过 15。 (2) 远离大功

14、率无线电发射源(如电视台、电台、微波站等)，其距离应大于 200m；远离高压电线和微波无线电传送通道，其距离应大于50m。 (3) 附近不应有强烈手反射卫星信号的物件(如大型建筑物、大面积水域等)。 (4) 交通方便，有利于其他测量手段扩展和联测。 (5) 地面基础稳定，易于点的保存。3）GPS外业观测外业观测 （1）GPS接收机的检查 （2）编制GPS卫星可见性预报及观测时段的选择 （3）天线安置 （4）安置GPS接收机并开机观测 （5）观测记录与测量手簿4）成果检核与数据处理）成果检核与数据处理 RTK定位时要求基准站接收机实时地把定位时要求基准站接收机实时地把观测数据观测数据(伪距观测值，相位观测值伪距观测值，相位观测值)及已知数据及已知数据传输给流动站接收机，然后根据相对定位的原传输给流动站接收机，然后根据相对定位的原理，实时地解算整周模糊度未知数，并计算显理，实时地解算整周模糊度未知数，并计算显示用户站的三维坐标和精度。示用户站的三维坐标和精度。6.3.1 GPS RTK定位原理定位原理6.3 GPS RTK定位原理及应用定位原理及应用RTK 作业流程发射电台GPS主机基