GPS定位原理（行业经验）

1、第一讲 GPS定位原理 中南大学测绘与国土信息工程系 1阳山书屋c一、什么是GPS？1、定义GPS的英文全称是Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System简称GPS，有时也被称作NAVSTAR GPS。其意为“导航星测时与测距全球定位系统”，或简称全球定位系统。2阳山书屋c建立国家美国。美国从1973年开始筹建全球定位系统，1994年投入使用。 经历20年，耗资200亿美元，是继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的第三项庞大空间计划。 目的在全球范围内，提供实时、连续、全天候的导航定位及授时服务开始筹建时间1973年

2、完全建成时间1995年2GPS的产生与发展3阳山书屋c系统构成空间部分、地面控制部分、用户部分服务方式通过由多颗卫星所组成的卫星星座提供导航定位服务定位原理距离交会测距原理被动式电磁波测距特点全球覆盖、全天候、不间断、精度高4阳山书屋c二、GPS的组成 GPS定位系统由GPS卫星空间部分、地面控制部分和用户GPS接收机三部分组成。 5阳山书屋c1、空间部分由21颗工作卫星和3颗备用卫星。 GPS卫星图片16阳山书屋c2、地面控制部分。Colorado springs55HawaiiAscencionDiego Garciakwajalein1个主控站:Colorado springs(科罗拉多

3、)。3个注入站:Ascencion(阿森松群岛)、 Diego Garcia(迭哥伽西亚)、kwajalein(卡瓦加兰)。5个监控站： 以上主控站、注入站及Hawaii(夏威夷)。7阳山书屋c主控站（1个）作用：管理、协调地面监控系统各部分的工作，收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站将卫星星历注入卫星，监控卫星状态，向卫星发送控制指令；卫星维护与异常情况的处理。地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地。8阳山书屋c注入站（3个）作用：将导航电文注入GPS卫星。地点：阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）9阳山书屋c3、用户接收机部分GPS接收机的基本类型分导航型和大

4、地型。大地型接收机又分单频型和双频型。10阳山书屋c图片：导航型GPS机手持型GPS机车载型GPS机11阳山书屋c图片：大地型GPS接收机单频机双频机12阳山书屋c三、其它卫星导航定位系统1、GLONASSGLONASS Global Navigation Satellite System（全球导航卫星系统）开发者俄罗斯（前苏联）系统构成卫星星座地面控制部分用户设备13阳山书屋cGLONASS constellationGLONASS satellite14阳山书屋cGLONASS与GPS的比较参 数GLONASSNAVSTAR GPS系统中的卫星数213213轨道平面数36轨道倾角64.8

5、55轨道高度19100km20180km轨道周期（恒星时）11h15min12h卫星信号的区分FDMACDMAL1频率16021615MHz频道间隔0.5625MHz1575MHzL2频率12461256MHz频道间隔0.4375MHz1228MHz15阳山书屋c卫星运行状况从1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星起，至1995年12月14日共发射了73颗卫星。由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间经济状况欠佳，无法及时补充新卫星，故该系统不能维持正常工作。到目前为止（2006年3月20日）,GLONASS系统共有17颗卫星在轨。其中有11颗卫星处于工作状态，2颗备用，4颗已过期而

6、停止使用。俄罗斯计划到2007年使GLONASS系统的工作卫星数量至少达到18颗，开始发挥导航定位功能。16阳山书屋c2、伽俐略（Galileo）卫星导航定位系统2002年3月24日欧盟决定研制组建自己的民用卫星导航定位系统 Galileo系统。Galileo卫星星座将由27颗工作卫星和3颗备用卫星组成，这30颗卫星将均匀分布在3个轨道平面上，卫星高度为23616km，轨道倾角为56。Galileo系统是一种多功能的卫星导航定位系统，具有公开服务、安全服务、商业服务和政府服务等功能，但只有前两种服务是自由公开的，后两种服务则需经过批准后才能使用。17阳山书屋cthe Galileo satel

7、lite constellation 18阳山书屋c2005年12月28日第一颗Galileo试验卫星（Galileo In-Orbit Validation Elements-GlOVE-A）成功进入高度为2.3万Km的预定轨道。2006年1月12日，GlOVE-A已开始向地面发送信号。这标志着总投资为34亿欧元（约合41亿美元）的计划已进入实施阶段。到2010年欧洲将发射30颗服役期约为20年的正式卫星，完成伽利略卫星星座的部署工作。伽利略系统建成后，美欧两大相互兼容的导航定位系统将大大有助于提供导航定位的精度和可靠性。19阳山书屋cGIOVE A GIOVE B the GIOVE Sa

8、telliteGIOVE的主要目标: 频率信号测试； 验证一些关键技术（比如铷原子钟、氢原子钟）； 轨道环境特征测试； 并行2或3通道信号传输测试。20阳山书屋c3、北斗卫星导航系统 我国自行研制的两颗北斗导航试验卫星分别于2000年10月31日和12月20日从西昌卫星发射中心升空并准确进入预定的地球同步轨道（东经80和140的赤道上空），此外另一颗备用卫星也被送入预定轨道（东经110.5的赤道上空），标志着我国拥有了自己的第一代卫星导航系统BD1。21阳山书屋c北斗1代卫星导航系统组成图“北斗卫星导航系统”系统是由空间卫星、地面控制中心站和北斗用户终端三部分构成。空间部分包括两颗地球同步轨道

9、卫星（GEO）组成。卫星上带有信号转发装置，完成地面控制中心站和用户终端之间的双向无线电信号的中继任务。22阳山书屋c用户终端分为定位通信终端集团用户管理站终端差分终端校时终端等23阳山书屋c与GPS系统不同，所有用户终端位置的计算都是在地面控制中心站完成。因此，控制中心可以保留全部北斗终端用户机的位置及时间信息。同时，地面控制中心站还负责整个系统的监控管理。与GPS、GLONASS、Galileo等国外的卫星导航系统相比，BD1有自己的优点。如投资少，组建快；具有通信功能；捕获信号快等。但也存在着明显的不足和差距，如用户隐蔽性差；无测高和测速功能；用户数量受限制；用户的设备体积大、重量重、能

10、耗大等。24阳山书屋cBD2为了使我国的卫星导航定位系统的性能有实质性的提高，中央已决定研制组建第二代北斗卫星导航定位系统（BD2）。从导航体制、测距方法、卫星星座、信号结构及接收机等方面进行全面改进。卫星星座计划由GEO卫星，IGSO卫星和MEO卫星组成。此项工作将成为”十一五”期间的一项重要工作。25阳山书屋c四、GPS定位基本原理1、GPS坐标系统-WGS84 WGS-84的定义：WGS-84坐标系的原点在地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协定地球极（CTP）方向，X轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点，Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。它是一个地固坐标系。26阳山

11、书屋c2、GPS定位方法（1）伪距单点定位(point positioning)确定观测点在WGS-84系中的坐标，即绝对位置。（2）相对定位(relative positioning)确定观测点相对另一已知点的相对坐标增量即相对位置。 27阳山书屋c（1）伪距单点定位基本原理Sat2Sat1Sat3Sat4User 28阳山书屋cr1r2r329阳山书屋c问题：距离观测量 ？30阳山书屋c GPS观测方程伪距观测量问题：既然是真实的信号传播时间，那么c是不是卫星和观测点间的真实距离 R 呢？IonosphereTroposphereUser 31阳山书屋c GPS观测方程及线性化、如何计算？

12、 （X,Y,Z）和tu 和是待求参数将上述方程在近似坐标（X0 ,Y0 ,Z0）处展开：32阳山书屋c是四个待求参数，需观测几颗卫星？ （X,Y,Z）和tu GPS观测方程及线性化 33阳山书屋c 观测多颗卫星的单点定位方程34阳山书屋c 载波相位测量的特点定位精度比伪距定位精度高可用于进行静态绝对定位、 静态相对定位、差分动态定位（2）GPS相对定位35阳山书屋c设法解算出初始整周未知数 测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成 (1)初始整周未知数n；(2) t 0至t i 时刻的整周记数Ci；(3)相位尾数i 如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初始整周未知数n 为了利用载波相位

13、进行定位，必须设法先解算出初始整周未知数，取得总观测值n+Ci+ iTime (0)整周模糊度Time (i)整周模糊度整周计数相位测量值36阳山书屋c相对定位的原理相对定位是用两台（或多台）接收机分别安置在一条（或多条）基线的两端，同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点的相对位置或基线向量在相对定位时，通过对观测量求差，可以消除观测量中相同的未知误差的影响，如卫星钟差、接收机钟差，削弱电离层和对流层折射的影响，提高测量精度37阳山书屋c伪 距 差 分 测 量 精 度 可 达 0.5m - 5 m 此 种 测 量 形 式 一 般 称 为 DGPS基 线 向 量 BA伪 距 差 分 定 位 技

14、 术38阳山书屋c如 果 使 用 载 波 差 分 或 同 时 使 用 载 波 差分 则 定位 精 度 可 达 5 - 10 mm + 1ppm基 线 向 量BA载 波 相 位 差 分 定 位 技 术 39阳山书屋c可以消去卫星钟的系统偏差可以消去接收机时钟的误差PikPljPijPjPlkPkSlSi可以消去轨道(星历)误差的影响可以削弱大气折射对观测值的影响 组成星际站际两次差分观测值40阳山书屋c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分(Real - Time

15、Kinematic)方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。 RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据(伪距观测值，相位观测值)及已知数据传输给流动站接收机。五、什么是RTK技术41阳山书屋c发射电台GPS主机基准站移动站GPS主机RTK测量原理图采集器接收电台42阳山书屋c43阳山书屋cRTD测量原理图测深仪电脑发射电台GPS主机基准站移动站GPS主机接收电台44阳山书屋c一、静态GPS观测方法 1、拟定外业观测计划 1）拟定观测计划的主要依据： （1）GPS网的规模大小； （2）点位精度要求； （3）GPS卫星星

16、座几何图形强度； （4）参加作业的接收机数量； （5）交通、通讯及后勤保障。 第二讲 GPS使用方法45阳山书屋c2）观测计划的主要内容： （1）编制GPS卫星的可见性预报图； （2）选择卫星的几何图形强度； （3）选择最佳观测时段； （4）观测区域的设计与划分； （5）编排作业调度表； （6）采用规定格式GPS测量外业观测通知 单进行调度。46阳山书屋c2、外业观测天线安置 （1）在正常点位，天线应架设在三脚架上，并安置在标志中心的上方直接对中，天线基座上的圆水准气泡必须整平。 （2）在特殊点位，当天线需要安置在三角点觇标的观测台或回光台上时应先将觇顶拆除，防止对GPS信号的遮挡。 （3）刮

17、风天气安置天线时，应将天线进行三向固定，以防倒地碰坏。雷雨天气安置时，应该注意将其底盘接地，以防雷击天线。47阳山书屋c（5）架设天线不宜过低，一般应距地1m以上。天线架设好后，在圆盘天线间隔120度的三个方向分别量取天线高，三次测量结果之差不应超过3mm，取其三次结果的平均值记入测量手薄中，天线高记录取值0.001m。 （6）测量气象参数：在高精度GPS测量中，要求测定气象元素。每时段气象观测应不少于3次（时段开始、中间、结束。）气压读至0.1mbar，气温读至0.1度，对一般城市及工程测量只记录天气状况。 （7）复查点名并记入测量手薄中，将天线电缆与仪器进行联接，经检查无误后，方能通电启动

18、仪器。48阳山书屋c开机观测 天线安置完成后，在离开天线适当位置的地面上安放GPS接收机，接通接收机与电源、天线、控制器的联接电缆，并经过预热和静置，即可启动接收机进行观测。（1）当确认外接电源电缆及天线等各项连接完全无误后，方可接通电源，启动接收机。（2）开机后接收机有关指示显示正常并通过自测后，方能输入有关测站和时段控制信息。 （3）接收机在开始记录数据后，应注意查看有关观测卫星数量、卫星号、相位测量残差、实时定位结果及其变化、存储介质记录等情况。 49阳山书屋c（4）一个时段观测过程中，不允许进行以下操作：关闭又重新启动；进行自测试（发现故障除外）；改变卫星高度角；改变天线位置；改变数据

19、采样间隔；按动关闭文件和删除文件等功能键。 （5）在观测过程中要特别注意供电情况，除在出测前认真检查电池容量是否充足外，作业中观测人员不要远离接收机，听到仪器的低电报警要及时予以处理，否则可能会造成仪器内部数据的破坏或丢失。对观测时段较长的观测工作，建议尽量采用太阳能电池或汽车瓶进行供电。（6）仪器高一定要按规定始、末各测一次，并及时输入及记入测量手薄之中。50阳山书屋c（7）接收机在观测过程中不要靠近接收机使用对讲机；雷雨季节架设天线要防止雷击，雷雨过境时应关机停测，并卸下天线。（8）观测站的全部预定作业项目，经检查均已按规定完成，且记录与资料完整无误后方可迁站。（9）观测过程中要随时查看仪

20、器内存或硬盘容量，每日观测结束后，应及时将数据转存至计算机硬、软盘上，确保观测数据不丢失。51阳山书屋c3、野外记录手簿内容点标识: 日期: 天气:接收机序列号:设站类型:天线高读数:天线高偏差:跟踪开始时间:跟踪结束时间:观测历元数:观测卫星数(卫星号):GDOP:导航定位解: 经度. 纬度. 高程作业员：52阳山书屋c53阳山书屋c在 15 截止高度角以上不存在障碍物周围没有反射面，不致引起多路径效应安全避开过往行人和车辆附近不应该有强辐射源(如无线电台、电视发射天线等)可靠的电源供应足够的内存容量正确的配置参数 (观测类型、记录速率)检查天线高和偏差GPS测量前注意事项54阳山书屋c G

21、PS网的精度指标，通常以网中相邻点之间的距离误差来表示的，其具体形式如下：=a2 + (bd)2距离中误差(mm) a固定误差(mm)b比例误差系数(ppm) d相邻点的距离(Km)4、GPS布网方法充分考虑建立GPS控制网的应用范围 采用分级布网的原则 GPS测量的精度标准55阳山书屋c 国家测绘局1992年制订的我国第一部“GPS测量规范”将GPS的精度分为AE五级(见下表)。其中A、B两级一般是国家GPS控制网。C、D、E三级是针对局部性GPS网规定的。56阳山书屋c GPS网设计的一般原则 应通过独立观测边构成闭合图形，以增加检核条件，提高网的可靠性。 应尽量与原有地面控制网相重合，重

22、合点一般不少于3个，且分布均匀。 应考虑与水准点相重合 ，或在网中布设一定密度的水准联测点。 点应设在视野开阔和容易到达的地方，联测方向。 可在网点附近布设一通视良好的方位点，以建立联测方向。 根据GPS测量的不同用途，GPS网的独立观测边均应构成一定的几何图形，基本形式有：1. 三角形网 2. 环形网 3. 星形网57阳山书屋c(1)、三角形网优点： 图形几何结构强，具有较多的检核条件，平差后网中相邻点间基线向量的精度比较均匀。缺点： 观测工作量大。一般只有在网的精度和可靠性要求较高时，才单独采用这种图形。58阳山书屋c(2)、环形网优点： 观测工作量较小，且具有较好的自检性和可靠性。缺点：

23、 非直接观测基线边(或间接边)精度较直接观测边低，相邻点间的基线精度分布不均匀。 是大地测量和精密工程测量中普遍采用的图形，通常采用上述两种图形的混合图形。59阳山书屋c(3)、星形网优点： 观测中只需要两台GPS接收机，作业简单。缺点： 几何图形简单，检验和发现粗差能力差。 广泛用于工程测量、边界测量、地籍测量和碎部测量等。60阳山书屋c5、时间和基线长度观测时间取决于:基线长度卫星数卫星几何图形(GDOP)电离层电离层扰动随时间、日夜、月、年、地点而变化，静态或快速静态最短观测时间不要少于15分钟。根据实践经验，基线观测时间应该是基线长度每公里5分钟加上最短15分钟。61阳山书屋c一 种

24、描 述 纯 粹 因 卫 星 几 何 因 素 对 定 点 精 度 的 影 响精 度 因 子 指 出 在 测 量 时 被 跟 踪 卫 星 几 何 结 构 上 的 强 度GDOP (Geometrical) 包 括 经 度, 纬 度, 高 程 和 时 间 等 因 子， 称 为 几 何 精 度 因 子PDOP (Positional)包 括 经 度, 纬 度 和 高 程 等 因 子，称 为 空 间 位 置 精 度 因 子HDOP (Horizontal)包 括 经 度 和 纬 度 等 因 子，称 为平 面 位 置 精 度 因 子VDOP (Vertical)仅 包 括 高 程 因 子，称 为 高 程

25、精 度 因 子较好的 DOP精 度 因 子 (DOP) 较差的 DOP62阳山书屋c6. GPS的数据处理数据传输基线向量解算闭合环检核(同步环和异步环)重复基线检核WGS-84自由网平差和三维约束平差二维约束平差(在C80或C54坐标系)高程拟合63阳山书屋c7. GPS高程拟合测量中常用的高程系统有大地高系统、正高系统、正常高系统大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统。某点的大地高是该点到参考椭球面的垂直距离。大地高也称为椭球高，一般用H 表示。正高系统是以大地水准面为基准面的高程系统。某点的正高是该点到大地水准面的垂直距离，一般用符号Hg 表示。正常高系统是以似大地水准面为基准面的高

26、程系统。某点的正常高是该点到似大地水准面的垂直距离64阳山书屋c高程系统间的转换EllipsoidhPTopographyHGeoidN 似大地水准面到参考椭球面的距离称为高程异常，似大地水准面不规则，造成了各地高程异常值的不确定性。65阳山书屋cGPS高程拟合的方法在国内一般适用高程拟合法求水准高。已知点为一个把已知点上的高程异常改正到其它点上去已知点为两个定义了高程平差面，此平面沿着直线方向前进已知点为三个定义了高程平差面多于三个二次曲面拟合定义了曲面66阳山书屋c二、实时动态测量（ RTK）的工作原理 1、实时动态测量（ RTK）的工作原理 RTK的工作原理是将一台接收机置于基准站上，另

27、一台或几台接收机置于载体(称为流动站)上，基准站和流动站同一时间、接收同一组GPS卫星发射的信号，基准站所获得的观测值与已知位置信息进行比较，得到GPS差分改正值。然后将这个改正值通过无线电数据链电台及时传递给共视卫星的流动站精化其GPS观测值，从而得到经差分改正后流动站较准确的实时位置。 67阳山书屋c2、 RTK的系统组成我们以美国天宝导航有限公司生产的4800GPS双频接收机为例介绍RTK系统组成。天宝RTK系统由两部分组成，如图所示。68阳山书屋c1）基准站组成和作用 RTK系统基准站由基准站GPS接收机及卫星接收天线、无线电数据链电台及发射天线、直流电源等组成，如图所示。 69阳山书

28、屋c其作用为流动站提供差分所需要的观测值和已知点基准参数信息70阳山书屋c2） RTK流动站的组成和作用流动站的UHF电台接收基准站的信号，同时也接收相同的卫星信号，用配备的控制器进行实时解算。流动站数据链电台的功率为2W，其电源和卫星接收机共用，不需另配电池。基准站GPS接收机与电台之间的数据传输波特率为38400，电台与流动站GPS接收机之间的数据传输波特率为4800，流动站中的UHF数据链电台与流动站GPS接收机之间的数据传输波特率为38400。 71阳山书屋c72阳山书屋c3、RTK野外操作方法 因轨道误差、钟差、电离层折射及对流层折射的影响在实际的数据处理中一般采用双差观测值方程来解

29、算。具体操作程序如下： 1）流动站的初始化 即运动载体处于静止状态时与地面基准站一起通过“初始化”来确定整周模糊度，然后运动载体开始运动，进行定位。 载体在运动过程中接收机必须保持对卫星信号的连续跟踪，一旦信号失锁又无法修复时，就需要重新进行初始化。73阳山书屋c2) 调试数据链 GPS-RTK作业能否顺利进行，关键因素是无线电数据链的稳定性和作用距离是否满足要求。它与无线电数据链电台本身的性能、发射天线类型、参考站的选址、设备架设情况以及无线电电磁环境等有关。一般数据链电台采用400MHz480MHz高频载波发送数据，而高频无线电信号是沿直线传播的，这就要求参考站发射天线和流动站接收天线之间

30、没有遮挡信号的障碍物。这些障碍物在陆地上主要是建筑物、无线电信号发射台等，在海上则主要是地球曲率的影响。为了尽量避免参考站设备之间的干扰，在GPS-RTK作业时，大于25W的数据链电台的发射天线，应距离GPS接收天线至少2m，最好在6m以上;发射天线与电台的连接电缆必须展开，以免形成新的干扰源。74阳山书屋cRTK数据链无线电发射机(TRIMMRK)的工作频率为UHF频段(400MHz480MHz)，当功率一定时，发射距离随天线高度增加而增加。75阳山书屋c3）基准站位置和已知点选择 为了保证流动站的测量精度和可靠性，应在整个测区选择高精度的控制点进行检测校对。选择的控制点应有代表性，并均匀地

31、分布在整个测量区。(1)若基准站安置在已知点上，则输入已知点的坐标，进行坐标的转换(WGS84转换成BJ54或其他坐标系)。(2)若基准站安置在未知点上，(在城市测量中，有时为了控制更远和更大的范围，根据RTK的特点，可将基准站架设在没有控制点的高楼顶上)，在启动基准站时，则需输入该点的WGS84坐标，进行坐标的转换(WGS84转换成BJ54或其他坐标系)。求得WGS84坐标的方法是：开机后，在控制器上进行初始化操作，然后按here键即可求得该点的WGS84坐标。76阳山书屋c(3)虽然RTK定位测量的基准站可以不放在已知点上，但测量区内必须有已知控制点，而且定位测量的精度和已知控制点的等级和

32、个数有关。在放置好基准站并启动流动站后，用流动站分别到已知点上进行定位测量，以求得该点坐标，然后与该点的原有坐标相比较，求出其差值，若差值很小(根据工程性质定)，则不需改正，否则，必须输入该点的原有坐标。77阳山书屋c4） 在开始测量前要设置参数 在选择坐标系统窗口中选用手工键入参数(Key in parameter)后。(1)在键入参数窗口中设置投影参数(Projection)。(2)在输入椭球参数窗口中选择：投影方式横轴墨卡托投影。False northing(北偏)0.000m (北偏为0)。False easting(东偏)500000.000m (东偏 500km)。origin lat(纬度)00000.0000N。central meridian1140000.0000E(当地中 央子午线经度)。scale(尺度比)1.000000。semi-major axis6378245.000m(BJ54椭球长半 轴)。78阳山书屋cFlattening(扁率分母)298.300000。在键入参数窗口中选择输入转换参数，有以下三种情况：a No transfo