8GPS测量系统简介

1、课时授课计戈y教学目的:了解全球卫星导航定位技术的相关知识授课日期（星期）班级序次8 GPS测量系统简介课 题:掌握GPS的动态定位与静态定位点：八、掌握GPS相关知识点：八、同重点基本能力:课的类型：传授新知识课教 具：多媒体教学过程与教学内容要点、教法、时间 教学过程与教学内容要点、教法、时间 I组织教学起立、问好、点名时间：5分钟II回顾知识与导入新课在伊拉克战争中，曾经有记者问一位飞行员：“你时间：5分钟知道去轰炸哪个城市吗？”飞行员回答：“不知道。”“那你怎么去轰炸呢？”“容易，上级给我一个坐标，我按计算机的指引, 投下采用GPS导航的炸弹掉头就走，跟我玩游戏机没哈 两样。”这个例子

2、是现代战争中引用 GPS系统的典型案例。我们反对战争，但要想能更好的维护世界和平，我们也 需要了解GPS这门技术。III讲授新课8 GPS测量系统简介8.1GPS概述及工作原理讲授法8.1.1全球卫星导航定位技术概述、定位与导航的概念定位：测量和表达信息、事件或目标发生在多少时时间：35分钟间、什么相关的空间位置的理论方法与技术。测绘的主要目的导航：指对运动目标，通常是指运载工具如飞船、的之一是对地球表面飞机、船舶、汽车、运载武器等的实时、动态定位，即的地物、地貌目标进三维位置、速度和包括航向偏转、纵向摇摆、横向摇摆行准确定位和一定的符号和图形方式将它定位是导航的基础，导航是目标或物体在动态环

3、境下位们描述出来。三个角度的姿态的确定。单）缺点：精度较差。用途：船舶（飞机）的导航；地质矿产勘探、暗礁标相对于参考坐标系定位、建立浮标、海洋捕鱼及低精度测量领域。统的坐标位置测量。2.相对定位:相对定位：确定优点：精度较高-消除许多相同或相近的误差（卫星信息、事件和目标相钟或星历、卫星信号传播误差等）。对于坐标系统内另缺点:已知或相关的信息、用途：大地（工程）测量、地壳形变监测等；精密事件和目标的坐标位置与姿态的确定。二、定位模式1.绝对定位（单点定位）：优点：一台（独立），外业、实测和数据处理（简绝对定位：直接 确定信息、事件和目置关系。定位领域。三、全球卫星导航定位系统1.全球定位系统全

4、球定位系统(Global positioning system,简称 GPS)是具有在海、陆、空进行全方位、实时三维导航与定位 功能的新一代卫星导航与定位系统。教学过程与教学内容要点、教法、时间 1957年世界上第一颗人造地球卫星发射成功，40年来，人造地球卫星技术在通信、气象、资源勘察、导航、遥感、大地测量、地球动力学、天文学和军事科学等众多领域，得到了极广泛应用。人造地球卫星的出现，首先引起了各国军事部门的高度重视。1958年底，美国海军武器实验室，开始着手NNSS）。建立为美国海车舰艇导航的卫星系统，即海车导航卫星系统 ”（Navy Navigation Satellite System

5、由于该系统卫星都通过地极，也称 子午（Transit）卫星系 统”1964年该系统建成，并在美国军方启用。1967年美国政府批准该系统解密，提供民用。该系统不受气象 条件的限制，自动化程度高，具有良好的定位精度。尽管NNSS在导航技术的发展中具有划时代的意义，但由于该系统卫星数目少（5-6颗），运行轨道低（1000km ），观测时间长（1.5小时），无法提供连续实 时三维导航，同时获得一次导航解的时间长，难以满足军事要求，尤其是高动态目标（飞机、导弹等）导航要求。而从大地测量看，定位速度慢，一个测站一般平均观测1-2天；精度低，单点定位精度3-5m,相对定位精度1m，使得在大地测量和地球动力学

6、研究方面的应用, 也受到很大限制。为满足军事和民用对连续实时和三维导航的迫切教学过程与教学内容要点、教法、时间要求，1973年美国国防部开始组织陆海空三军， 共同研究建立新 代卫星导航系统的计划， 这就疋目前所称的导航卫星授时测距/全球定位系统” Navigation SatelliteTiming and ranging / Global Positioning System) 简称全球定位系统（GPS）。2. GLONASS因经济问题，星座中类似于GPS,是俄罗斯以空间为基础的无线电导航系统；其前身CICADA与子午系统同期，于1965年设卫星缺失太多，暂时计，有12颗卫星；20世纪70年

7、代中期开始启动。不能连续实时定位。GLONASS计划；1982年10月12日发射第一颗。GLONASS卫星；1996年1月18 日，完成24颗卫星的布局，卫星具备完全工作能力；由于经济原因，现在天空上的GLONASS卫星仅为8颗。欧盟为何重视伽利略3. Galileo计划？背景：GLONASS在轨卫星缺失，GPS独霸市场首先，打破美国在这GLONASS、GPS均由军方控希y方面的垄断地位，为欧盟：要建立国际民间控制的或欧盟自己的民用欧盟赢得可观的市场导航系统份额。特点：共享的独立于GPS的无增强条件下的适第二，欧盟开发此项于海陆空的系统。参股共建，收费。目可为欧盟现在极力阶段：提倡的欧洲共同安

8、全a.2000年前，可行性评估或疋义；防御政策服务。b.20012005,开发和检测；c.20062007,部署;d.2008,商业运行。4.北斗系统大力参与伽利略计划的同时，始终没有放弃开发自己的卫星导航系统的努力。我国2003年5月发射了北斗一号”卫星的备份星,构成了完整的卫星导航系统。是世界上第三个拥有卫星导航系统的国家。中国已成功将4颗“北斗”导航实验卫星送入太空，由其组成的“北斗”导航试验系统工作稳定、状态良好，已在测绘、电信、水利、交通运输、勘探和国家安全等诸多领域发挥重要作用。据有关部门负责人介第三，欧盟认为，没 有科技上的领先地 位，欧盟在将来许多 事务中就没有主导权。中国北斗

9、卫星广域增强系统。实现中国及其海域的区域定航系统。导航周边位导绍，建成后的“北斗”卫星导航系统将主要用于国家经济建设，为中国的交通运输、气象等行业提供高效导航定位服务目的：快速定位、实时导航，简短通讯，精密授时由两颗地球同步轨道卫星组成星座，卫星结构简单。定位工作主要在中心站完成，属于主动式导航定位系统；二维导航和定位，高程结果需要由其他途径获得;主要的优势在于军用：通讯、集团用户的调度和派、虫遣; 教学过程与教学内容要点、教法、时间8.1.2 GPS、GPS系统的特点1.全球性连续覆盖，全天候工作；2.定位精度咼；3.观测时间短；4.测站间无需通视；5.可提供三维坐标；6.操作简便；7.功能

10、多，用途广；二、工作原理卫星定位系统都是利用在空间飞行的卫星不断向地面广播发送某种频率并加载了某些特殊定位信息的无线电信号来实现定位测量的定位系统。三、GPS定位系统的组成GPS疋位技术是利用咼空中的 GPS卫星，向地面GPS卫星迄今发射L波段的载频无线电测距信号，由地面上用户接收已设计了三代。第一机实时地连续接收，并计算出接收机天线所在的位置。代Blocki型用于系因此，GPS定位系统是由以下三个部分组成：统实验，称实验卫(1) GPS卫星星座(空间部分)；星，共研制和发射了GPS系统的空间部分由GPS卫星组成，称为卫星11颗，设计寿命5年，星座。共24颗卫星，其中3颗备用，分布在6个轨道现

11、已停止工作。第二面上。轨道面相对地球赤道面的倾角为550,各轨道平教学过程与教学内容要点、教法、时间线面升交点赤经相差600，相邻轨道上卫星的升交距角代Block2和2A型卫相差300。轨道平均高度约20200km,运行周期11h58m。星称为工作卫星，共因此，同一测站上每天出现卫星分布图形相同，只是每研制了 28颗，设计寿天提前约4分钟。每颗卫星每天约有5小时在地平以上，命7.5年，从1989年同时位于地平线以上的卫星数目，随时间地点而异，最初到1994年上半年少4颗，最多达11颗。卫星星座的分布设置要保证地发射完毕。第三代球上任何地点，任何时刻至少可以同时观测到四颗卫Block3和2R型卫

12、星星。尚在设计中，预计20（2）地面监控系统（地面控制部分）；颗，以取代第二代卫GPS的地面监控部分由分布在全球的5个地面站组星，改善全球定位系成，其中包括卫星监测站（5个）、主控站（1个）和注统。入站（3个） 监测站：是主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双频 GPS接收机、高精度原子钟、计算机1台和若干台环境数据传感器。观测资料由计算机GPS地面控制部分的进行初步处理，存储并传输到主控站，以确定卫星轨道。作用负责监控全球定主控站位系统的工作除协调和管理地面监控系统外，主要任务：a根据本站和其它监测站的观测资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气修正参数，并将数据传送到注入站。b提

13、供全球定位系统的时间基准。各监测站和 GPS卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，测出其间教学过程与教学内容要点、教法、时间的钟差，将钟差信息编入导航电文，送入注入站。c调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。d启用备用卫星代替失效工作卫星。（3）注入站:主要设备为1台直径3.6m的天线、1台c波段发射机和1台计算机。主要任务是在主控站的控制下，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令等，注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。整个GPS系统的地面监控部分，除主控站外均无人值守。各站间用现代化通讯网络联系，在原子钟和计算机的驱动和控制下，实现高度的自动化标准化。（

14、3）GPS信号接收机（用户设备部分）；用户部分组成：GPS信号接收机及相关设备;GPS接收机：接收、跟踪、变换和测量 GPS信号的无线电设备;GPS接收机的组成：天线、接收机、处理器、控制显示单元、电源;GPS接收机的作用：接收 GPS卫星发射的无线电信号，以获得必要的定位信息和观测量，并经过数据处理而完成定位工作四、美国政府的GPS政策1.SPS 与 PPS教学过程与教学内容要点、教法、时间SPS -标准定位服务，使用C/A码，民用GPS卫星所采用的两PPS -精密定位服务，可使用P码，军用种测距码，即C/A码2.SA （已于2000年5月1日取消）和P码（或丫码），Selective Av

15、ailability选择可用性：人为降低普均属于伪随机码。通用户的测量精度。3.方法8技术：轨道加绕（长周期，慢变化）S技术：星钟加绕（咼频抖动，短周期，快变化）4.AS - Anti-Spoofing反电子欺骗 -P码加密，P+W-Y8.2GPS的使用方法与应用讲授法8.2.1GPS的使用方法时间40分钟一、静态测量模式1.常规静态测量采用两台（或两台以上）GPS接收机，分别安置在一条或数条基线的两端，同步观测4颗以上卫星，每时段静态与快速静态模式根据基线长度和测量等级观测 45分钟以上的时间。常的特点：用于建立全球性或国家级大地控制网、地壳运动监测1.静态模式网。整周模糊度作为2.快速静态

16、测量未知数的经典算法；这种模式是在一个已知测站上安置一台 GPS接收用于各等级控制测机作为基准站，连续跟踪所有可见卫星。移动站接收机量，高精度测量。教学过程与教学内容要点、教法、时间依次到各待测测站，每测站观测数分钟。这种模式常用2.快速静态于控制网的建立及其加密、工程测量、地籍测量等。这整周模糊度快速种方法要求在观测时段内确保有5颗以上卫星可供观逼近技术（FARA）；测；流动点与基准点相距应不超过 20km。适宜于短基线，一般二、动态测量模式控制测量；注意检查其可靠性。1准动态测量在一已知测站上安置一台GPS接收机作为基准站，连续跟踪所有可见卫星。移动站接收机在进行初始化后准动态与动态模式的

17、依次到各待测测站，每测站观测几个历元数据。这种方特点：法不同于快速静态，除观测时间不一样外，它要求移动1.准动态与动态站在搬站过程中不能失锁，并且需要先在已知点或用其利用已知基线反它方式进行初始化（采用有 OTF功能的软件处理时例求整周模糊度外）。2.流动站这种模式可用于开阔地区的加密控制测量、工程定对环境条件要求位及碎部测量、剖面测量及线路测量等。要求在观测较高；准动态属走走时段内确保有5颗以上卫星可供观测；流动点与基准点停停式，用于碎部测相距应不超过20km。量；动态属连续运动2.实时动态测量：DGPS和RTK式，用于路线连续采在一个已知测站上架设GPS基准站接收机和数据链，点。连续跟踪所

18、有可见卫星，并通过数据链向移动站发送数据。移动站接收机通过移动站数据链接收基准站发射来的数据，并在机进行处理，从而实时得到移动站的高精度位置。教学过程与教学内容要点、教法、时间 教学过程与教学内容要点、教法、时间 DGPS通常叫做实时差分测量，精度为亚米级到米 级,这种方式是基准站将基准站上测量得到的 RTCM数据通过数据链传输到移动站，移动站接收到RTCM数据后，自动进行解算，得到经差分改正以后的坐标。RTK则是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量，它是GPS测量技术发展中的一个新突破。 它的工作思路与DGPS相似，只不过是基准站将观测数 据发送到移动站（而不是发射 RTCM数据），移

19、动站接收机再采用更先进的在机处理方法进行处理，从而得到 精度比DGPS高得多的实时测量结果。这种方法的精度 一般为2cm左右。8.2.2 GPS技术的最新进展、GPS现代化计划1保护采用一系列措施保护GPS系统不受敌方和黑客的 干扰，增加GPS军用信号的抗干扰能力，其中包括增 加GPS的军用无线电信号的强度。2.阻止阻止敌方利用GPS的军用信号。设计新的 GPS卫星型号（n F），设计新的GPS信号结构，增加频道，将民用频道L1、L2、L5（1.17645GHz）和军用频道L3、L4分开。3.改善改善GPS定位和导航的精度，在GPsn F卫星中增加两个新的民用频道，即在L2中增加CA码（200

20、5 年）, 另增L5民用频道（2007年）。精密单点定位技二、精密单点定位技术术是实现全球精密实Precise Point Positioning 简称为 PPP。原理：利用这种预报的GPS卫星的精密星历或事时动态定位与导航的后的精密星历作为已知坐标起算数据； 同时利用某种方式得到的精密卫星钟差来替代用户 GPS定位观测值方程中的卫星钟差参数；用户利用单台 GPS双频双码接收机的观测数据在数千万平方公里乃至全球范围内的任意位置都可以2-4dm级的精度进行实时动态定位或以2-4cm级的精度进行较快速的静态定位三、网络RTK定位技术1.工作原理：网络 RTK也叫多基准站 RTK。网络RTK就是在一

21、定区域内建立多个（一般为三个或三个以上）坐标为已知的 GPS基准站，对该地区构成网状覆盖，并以这些基准站为基准，计算和发播相位观测值误差改正信息，对该地区内的卫星定位用户进行实时改正的定位方式。2.特点：覆盖面广，定位精度咼，可靠性咼，可实时提供厘米级定位。关键技术，也是GPS定位方面的前沿研究方向。我国已经建成的深圳 市连续运行卫星定位 服务系统就是网络RTK技术的实现四、广域差分GPS系统增强广域差分系统：对GPS观测量的误差源加以区分，并对每一个误差源分别加以 模型化”然后将计算出来的每一个误差源的误差修正值（差分改正值），通过数据通讯链传输给用户，对用户GPS接收机的观测值误差加以改正，以达到削弱这些误差源影响，改