全球定位系统定位方法和测量课件

第四章全球定位系统定位方法和测量

1第四章全球定位系统定位方法和测量1第四章

全球定位系统定位方法和测量一、本章学习目的了解GPS的全球定位系统的定位方法和测量，了解GPS政策及各国采取的对策，掌握GPS采点方法。二、本章学习内容GPS定位方法GPS定位采点使用方法测量美国政府的GPS政策及中国对策2第四章全球定位系统定位方法和测量一、本章学习目的2第一节GPS定位方法

定位方法按照天线状态、定位模式、处理时效、基本测量以及不同用途等分为许多种。不同的方法，获得的成果、达到的精度不同，所用仪器数量、功能和应用目的也不同。静态定位：接收机天线在地球坐标系中某固定点不动的定位。动态定位：接收机天线安置在运动载体上的定位。定位方法按照定位分为：1、单点定位2、静态相对定位3、差分定位3第一节GPS定位方法定位方法按照天线状态、定位模式、处理第一节GPS定位方法1、单点定位只使用一台接收机的定位，可分为（1）静态定位——包括静态测码伪距单点定位和静态测相伪距单点定位（2）动态单点定位——包括动态测码伪距单点定位和动态测相伪距单点定位4第一节GPS定位方法1、单点定位4第一节GPS定位方法2、静态相对定位静态相对定位的基本原理是在基线的两个端点安置接收机测定基线向量，通过建立单差、双差和三差观测模型消除相同误差或抵消相近误差。3、差分定位动态相对定位的基本原理是在两个测站上安置接收机同步观测，其中一个测站的空间位置是已知点，通过对已知点的观测得到已知数据与观测数据之间的差值，然后用此差值对未知点的观测数据进行改正。主要有伪距差分、位置差分、载波相位差分等基本定位模式。5第一节GPS定位方法2、静态相对定位5第一节GPS定位方法3、差分定位（1）伪距差分基本思想是：一定的区域内同一时刻，已知坐标的基准站与待求坐标的用户流动站同时测定的伪距受到同样的误差影响，可以通过基准站测定的伪距与已知几何距离的差值对流动站的伪距进行改正，用以消除相同误差对伪距观测值的影响。基准站分发给用户的伪距改正数，是由卫星星历(广播星历或精密星历)和基准站已知坐标计算的基准站至卫星的实际几何距离与基准站测定伪距之差。6第一节GPS定位方法3、差分定位6第一节GPS定位方法（2）位置差分位置差分的基本思想是：一定的区域内同一时刻，已知坐标的基准站与待求坐标的用户流动站同时测定的坐标受到同样的误差影响，可以通过基准站测定的坐标与已知坐标的差值对流动站的坐标进行改正，用以消除相同误差对坐标观测值的影响。基准站分发给用户的坐标改正数，是基准站已知坐标与观测坐标之差。7第一节GPS定位方法（2）位置差分7第一节GPS定位方法（3）位置差分载波相位差分载波相位差分定位原理与伪距差分相似：由基准站接收机对卫星进行连续跟踪观测，并将观测数据与测站信息实时分发给用户站；用户站同步连续跟踪观测卫星和接收基准站信息，并按照相对定位原理进行数据处理，确定用户站空间坐际。8第一节GPS定位方法（3）位置差分载波相位差分8第一节GPS定位方法4、定位误差影响因素：影响卫星定位精度误差来源十分复杂，可归结为四种：卫星相关误差（卫星星历、卫星钟误差等）；信号传播误差（电离层折射误差、对流层折射误差、多路径效应与多路径误差等）；接收机相关误差（观测误差、接收机钟差、天线相对中心位置偏差等）；其他误差如地球自转引起的误差、地球潮汐引起的误差。9第一节GPS定位方法4、定位误差影响因素：9GPS用户接收机有几种型号，使用方法大同小异。使用步骤可表述如下：一、前期准备工作（一）采点勘测路线设计：在一大片区域中一次布设数十个甚至上百个点，这就要在地形图或其它草图上以最小路径为原则勾画出采点的编号、顺次，以便实施勘测采点有序高效地进行。第二节GPS定位采点使用方法测量10GPS用户接收机有几种型号，使用方法大同小异。使（二）接收机参数设置：通常接收机要求设置以下参数1、时区，即采点勘测地区所在的地理时区，如北京地区所在时区为东八区，应设置为“＋08：00”；2、时间间隔即每采一个点所需停留的最小时间。时间间隔的下限一般为1s，不存在上限。3、坐标基准设置一般设置为“WGS1984”。4、语系设置一般设置中文，即“Chinese”。第二节GPS定位采点使用方法测量11（二）接收机参数设置：通常接收机要求设置以下参数第二节GP（三）数据字典设置：数据字典与数据库的字段名、属性等类似。它界定了所采集数据的名称、类型。数据字典中数据类型共分3种：点、线、面。确定所测地物类型，编制相应的数据字典后，即可到野外实地进行测量。第二节GPS定位采点使用方法测量12（三）数据字典设置：数据字典与数据库的字段名、属性等类似。它二、野外测量（一）一些型号系列的用户接收机可以兼当基准站用，只需将用户接收机备选功能键下置于“基准站”功能下而成为基准站；（二）启动用户接收机后，选择适当的文件名，按预先设置采点顺次，即可开始逐点测试采点位置坐标。采点时，测试站点不能设置在树下、建筑物墙脚、高压线附近等。这主要是GPS无线电通讯信号穿透能力较差，这些地点用户接收机不能用无线电信号与4颗以上卫星相联络，因而这些地点坐标往往不成功。第二节GPS定位采点使用方法测量13二、野外测量第二节GPS定位采点使用方法测量131414基准站和移动站作业模式15基准站和移动站作业模式15三、内业处理目前的GPS用户接收机一般具有2M的内存，野外获取的点位坐标数据以关系型数据格式存贮于机内，测试完毕后，可输入计算机，支持用户用多种软件做进一步处理。（一）由用户选择坐标系的种类，如地理坐标经纬度与高程。（二）在用户指令下，系统自动实现数据传输，并以选定的坐标系实现数据的转换。

第二节GPS定位采点使用方法测量16三、内业处理第二节GPS定位采点使用方法测量16三、内业处理对于差分GPS，还需要增加输入时区名称，时差参数，游动的用户接收机数据文件名，基准站文件，差分改正方式等。对于一部分差分GPS设备，在测试现场不能得到测试结果，只能回到室内，经计算机软件进行数据处理后才能得到测试结果，这种GPS工作方式称作后处理差分。第二节GPS定位采点使用方法测量17三、内业处理第二节GPS定位采点使用方法测量17由于全球定位系统在军事上有重要作用，因此，美国政府决定采用SA(SelectiveAvailability—选择可用性)技术和AS(Anti—Spoofing—反电子诱骗)技术，把未经美国军方许可的广大用户的实时定位精度降低到它所允许的水平±100m，以保护美国国家利益。第三节美国政府的GPS政策及中国对策18由于全球定位系统在军事上有重要作用，因此，美国政

一、SA技术

主要包括下列两个内容①有意识地在广播星历中加入误差，在(1-1)式中起始计算数据Xi,Yi,Zi中加入误差，使星历精度降低，称之为ε技术。②有意识地在卫星钟的钟频信号中加入误差，使钟频相对于标准频率10.20MHz产生±2Hz的抖动，变化周期约10分钟，从而使(1)式中Si有误差，即降低观测值精度，称之为δ技术。

二、AS技术所谓AS技术指的就是对P码(精码)的码结构进行保密，以防敌对方进行电子干扰和电子诱骗。具体措施是将P码与保密的W码相加，形成更为保密的Y码，只有美军、美军盟军及经美国政府特许的用户才可使用之。第三节美国政府的GPS政策及中国对策19一、SA技术第三节美国政府的GPS政策及中国对策19三、SA和AS及中国对策

美国政府的GPS政策实质上就是把GPS按照美国安全利益分为内外有别的两类用户。自己内部用户使用精码测距和未降低精度的星历(精密星历，后处理星历)实施定位，以获得较高定位精度的服务，即精密定位服务(PPS)；其余用户则是利用C/A码(粗码)测距和降低了精度的星历(广播星历)实施定位，即所谓的标准定位服务(SPS)。目前，PPS的定位精度为±16m，而SPS的定位精度为±100m。SA和AS的实施严重损坏了一般用户的单点实时定位精度，同时也限制了GPS在许多高精度定位领域中实时定位的应用范围。于是，全世界范围内展开了对抗SA和AS的研究，主要对策有：第三节美国政府的GPS政策及中国对策20三、SA和AS及中国对策第三节美国政府的GPS政策及中国(一)差分定位系统的建立GPS定位中存在着多项误差来源：卫星星历误差，测距误差，接收机和卫星钟差，对流层延迟，电离层延迟，卫星运动的摄动力影响等。差分GPS，即DGPS(DifferentialGPS)正是为消除或减弱这些误差，提高定位精度而提出的，由于上述各项误差从整体上而言，都具有良好的空间相关性，当相邻两个测站上的GPS接收机同步观测同一组卫星，两站距离较近(≤100km)，且其中一站坐标已知，通过GPS定位坐标和已知坐标比较，就能知道上述误差对未知站的影响，加入相应的改正数就能消除之。第三节美国政府的GPS政策及中国对策21(一)差分定位系统的建立第三节美国政府的GPS政策及或者说，通过两个测站上的观测值求差，就能有效地消减上述误差。通过数据链(无线通讯电台)将这些数据实时传递，进而就能实时地确定点的三维坐标。差分定位按时间状态可分为实时差分和后处理差分；在资源和环境中，通常采用RTD(RealTimedifferentialGPSforcode——以码相位为观测值的实时差分GPS定位技术)和RTK(RealTimeKinematicdifferentialGPSforcarrierphase——以载波相位为观测值的实时动态差分技术)。依据差分改正的方法和数学模型的不同，DGPS为以基准站坐标差(dx,dy,dz或dl,dB,dH)改正未知点的坐标差分和以伪距差(dpi)改正未知点伪距差分。

第三节美国政府的GPS政策及中国对策22或者说，通过两个测站上的观测值求差，就能有效地消RTKGPS技术23RTKGPS技术23按照基准站的多少和服务范围的大小，DGPS可进一步分为：①单基准站DGPS(SingleReferenceStationDGPS)——只有一个基准站提供差分信息，简称SRDGPS。②多基准站局部区域DGPS(LocalAreaDGPSWithMulti—referenceStation)——即在某一区域中布设若干个差分GPS站，通常包括一个或n个监控站，位于该区域中的用户根据每个基准站所提供的改正，经平差求得自己的改正数，进而改正未知点。

第三节美国政府的GPS政策及中国对策24按照基准站的多少和服务范围的大小，DGPS可进一步③广域DGPS(WideAreaDGPS，简称WADGPS)——各基准站并不单独将自己的距离改正数播发给用户，而是将它们发送往WADGPS数据处理中心，以便将卫星星历误差、大气传播延迟误差、卫星钟差，接收机钟差等各种误差分离开来，然后，再将各种误差的估值转发给用户，用户进一步改正未知点。第三节美国政府的GPS政策及中国对策25③广域DGPS(WideAreaDGPS，简称WA(二)建立独立的卫星测轨系统

中国是一个测绘大国，建国50年来，建立了具有世界先进水平的、独立的、精度高、密度合理的大地控制测量系统，以此可以建立精密的卫星轨道跟踪系统。我国已建立了自己的GPS卫星测轨系统，全天候跟踪GPS卫星，免费向用户提供星历文件。据悉，加拿大、澳大利亚和欧洲的一些国家也已建立或正在建立自己的卫星定轨系统。第三节美国政府的GPS政策及中国对策26(二)建立独立的卫星测轨系统第三节美国政府的GPS政(三)建立独立自主的卫星导航定位系统和不同卫星定位系统的联合定位俄罗斯已建成英文缩写GLONASS的全球定位系统，虽然也是建立在与美国对抗的军事基础上，但无SA和AS限制，定位精度为±10m左右。欧洲空间局(ESA)也建立了以民用为目的的卫星定位系统NAVSAT。我国有关专家也提议建立自主的卫星定位、授时系统，而且论证比其它几个系统更优秀。目前，如何将GPS与其它定位系统联合起来实时精密定位，过去几年里已有GPS与GLONASS双星定位系统，精度进一步提高，但亦有人担心俄罗斯经济困难，能否做好GLONASS的维修、服务工作仍是一个问题。第三节美国政府的GPS政策及中国对策27(三)建立独立自主的卫星导航定位系统和不同卫星定位系统的(四)对AS实施解密据称世界上有多位科学家正在研究解密AS，并有实质性进展，美国政府正是基于这一现实和考虑到全世界对SA和AS的抗议，政府官员称在1996年以后的10年内逐步取消SA。第三节美国政府的GPS政策及中国对策28(四)对AS实施解密第三节美国政府的GPS政策及中国本章思考题：1、GPS定位方法主要有哪些？2、什么叫差分GPS？原理是什么？3、GPS用户接收机的采点使用方法和测量步骤？4、什么是AS技术与SA技术？我国和各国采取的对抗对策有哪些？29本章思考题：1、GPS定位方法主要有哪些？29第四章全球定位系统定位方法和测量

30第四章全球定位系统定位方法和测量1第四章

全球定位系统定位方法和测量一、本章学习目的了解GPS的全球定位系统的定位方法和测量，了解GPS政策及各国采取的对策，掌握GPS采点方法。二、本章学习内容GPS定位方法GPS定位采点使用方法测量美国政府的GPS政策及中国对策31第四章全球定位系统定位方法和测量一、本章学习目的2第一节GPS定位方法

定位方法按照天线状态、定位模式、处理时效、基本测量以及不同用途等分为许多种。不同的方法，获得的成果、达到的精度不同，所用仪器数量、功能和应用目的也不同。静态定位：接收机天线在地球坐标系中某固定点不动的定位。动态定位：接收机天线安置在运动载体上的定位。定位方法按照定位分为：1、单点定位2、静态相对定位3、差分定位32第一节GPS定位方法定位方法按照天线状态、定位模式、处理第一节GPS定位方法1、单点定位只使用一台接收机的定位，可分为（1）静态定位——包括静态测码伪距单点定位和静态测相伪距单点定位（2）动态单点定位——包括动态测码伪距单点定位和动态测相伪距单点定位33第一节GPS定位方法1、单点定位4第一节GPS定位方法2、静态相对定位静态相对定位的基本原理是在基线的两个端点安置接收机测定基线向量，通过建立单差、双差和三差观测模型消除相同误差或抵消相近误差。3、差分定位动态相对定位的基本原理是在两个测站上安置接收机同步观测，其中一个测站的空间位置是已知点，通过对已知点的观测得到已知数据与观测数据之间的差值，然后用此差值对未知点的观测数据进行改正。主要有伪距差分、位置差分、载波相位差分等基本定位模式。34第一节GPS定位方法2、静态相对定位5第一节GPS定位方法3、差分定位（1）伪距差分基本思想是：一定的区域内同一时刻，已知坐标的基准站与待求坐标的用户流动站同时测定的伪距受到同样的误差影响，可以通过基准站测定的伪距与已知几何距离的差值对流动站的伪距进行改正，用以消除相同误差对伪距观测值的影响。基准站分发给用户的伪距改正数，是由卫星星历(广播星历或精密星历)和基准站已知坐标计算的基准站至卫星的实际几何距离与基准站测定伪距之差。35第一节GPS定位方法3、差分定位6第一节GPS定位方法（2）位置差分位置差分的基本思想是：一定的区域内同一时刻，已知坐标的基准站与待求坐标的用户流动站同时测定的坐标受到同样的误差影响，可以通过基准站测定的坐标与已知坐标的差值对流动站的坐标进行改正，用以消除相同误差对坐标观测值的影响。基准站分发给用户的坐标改正数，是基准站已知坐标与观测坐标之差。36第一节GPS定位方法（2）位置差分7第一节GPS定位方法（3）位置差分载波相位差分载波相位差分定位原理与伪距差分相似：由基准站接收机对卫星进行连续跟踪观测，并将观测数据与测站信息实时分发给用户站；用户站同步连续跟踪观测卫星和接收基准站信息，并按照相对定位原理进行数据处理，确定用户站空间坐际。37第一节GPS定位方法（3）位置差分载波相位差分8第一节GPS定位方法4、定位误差影响因素：影响卫星定位精度误差来源十分复杂，可归结为四种：卫星相关误差（卫星星历、卫星钟误差等）；信号传播误差（电离层折射误差、对流层折射误差、多路径效应与多路径误差等）；接收机相关误差（观测误差、接收机钟差、天线相对中心位置偏差等）；其他误差如地球自转引起的误差、地球潮汐引起的误差。38第一节GPS定位方法4、定位误差影响因素：9GPS用户接收机有几种型号，使用方法大同小异。使用步骤可表述如下：一、前期准备工作（一）采点勘测路线设计：在一大片区域中一次布设数十个甚至上百个点，这就要在地形图或其它草图上以最小路径为原则勾画出采点的编号、顺次，以便实施勘测采点有序高效地进行。第二节GPS定位采点使用方法测量39GPS用户接收机有几种型号，使用方法大同小异。使（二）接收机参数设置：通常接收机要求设置以下参数1、时区，即采点勘测地区所在的地理时区，如北京地区所在时区为东八区，应设置为“＋08：00”；2、时间间隔即每采一个点所需停留的最小时间。时间间隔的下限一般为1s，不存在上限。3、坐标基准设置一般设置为“WGS1984”。4、语系设置一般设置中文，即“Chinese”。第二节GPS定位采点使用方法测量40（二）接收机参数设置：通常接收机要求设置以下参数第二节GP（三）数据字典设置：数据字典与数据库的字段名、属性等类似。它界定了所采集数据的名称、类型。数据字典中数据类型共分3种：点、线、面。确定所测地物类型，编制相应的数据字典后，即可到野外实地进行测量。第二节GPS定位采点使用方法测量41（三）数据字典设置：数据字典与数据库的字段名、属性等类似。它二、野外测量（一）一些型号系列的用户接收机可以兼当基准站用，只需将用户接收机备选功能键下置于“基准站”功能下而成为基准站；（二）启动用户接收机后，选择适当的文件名，按预先设置采点顺次，即可开始逐点测试采点位置坐标。采点时，测试站点不能设置在树下、建筑物墙脚、高压线附近等。这主要是GPS无线电通讯信号穿透能力较差，这些地点用户接收机不能用无线电信号与4颗以上卫星相联络，因而这些地点坐标往往不成功。第二节GPS定位采点使用方法测量42二、野外测量第二节GPS定位采点使用方法测量134314基准站和移动站作业模式44基准站和移动站作业模式15三、内业处理目前的GPS用户接收机一般具有2M的内存，野外获取的点位坐标数据以关系型数据格式存贮于机内，测试完毕后，可输入计算机，支持用户用多种软件做进一步处理。（一）由用户选择坐标系的种类，如地理坐标经纬度与高程。（二）在用户指令下，系统自动实现数据传输，并以选定的坐标系实现数据的转换。

第二节GPS定位采点使用方法测量45三、内业处理第二节GPS定位采点使用方法测量16三、内业处理对于差分GPS，还需要增加输入时区名称，时差参数，游动的用户接收机数据文件名，基准站文件，差分改正方式等。对于一部分差分GPS设备，在测试现场不能得到测试结果，只能回到室内，经计算机软件进行数据处理后才能得到测试结果，这种GPS工作方式称作后处理差分。第二节GPS定位采点使用方法测量46三、内业处理第二节GPS定位采点使用方法测量17由于全球定位系统在军事上有重要作用，因此，美国政府决定采用SA(SelectiveAvailability—选择可用性)技术和AS(Anti—Spoofing—反电子诱骗)技术，把未经美国军方许可的广大用户的实时定位精度降低到它所允许的水平±100m，以保护美国国家利益。第三节美国政府的GPS政策及中国对策47由于全球定位系统在军事上有重要作用，因此，美国政

一、SA技术

主要包括下列两个内容①有意识地在广播星历中加入误差，在(1-1)式中起始计算数据Xi,Yi,Zi中加入误差，使星历精度降低，称之为ε技术。②有意识地在卫星钟的钟频信号中加入误差，使钟频相对于标准频率10.20MHz产生±2Hz的抖动，变化周期约10分钟，从而使(1)式中Si有误差，即降低观测值精度，称之为δ技术。

二、AS技术所谓AS技术指的就是对P码(精码)的码结构进行保密，以防敌对方进行电子干扰和电子诱骗。具体措施是将P码与保密的W码相加，形成更为保密的Y码，只有美军、美军盟军及经美国政府特许的用户才可使用之。第三节美国政府的GPS政策及中国对策48一、SA技术第三节美国政府的GPS政策及中国对策19三、SA和AS及中国对策

美国政府的GPS政策实质上就是把GPS按照美国安全利益分为内外有别的两类用户。自己内部用户使用精码测距和未降低精度的星历(精密星历，后处理星历)实施定位，以获得较高定位精度的服务，即精密定位服务(PPS)；其余用户则是利用C/A码(粗码)测距和降低了精度的星历(广播星历)实施定位，即所谓的标准定位服务(SPS)。目前，PPS的定位精度为±16m，而SPS的定位精度为±100m。SA和AS的实施严重损坏了一般用户的单点实时定位精度，同时也限制了GPS在许多高精度定位领域中实时定位的应用范围。于是，全世界范围内展开了对抗SA和AS的研究，主要对策有：第三节美国政府的GPS政策及中国对策49三、SA和AS及中国对策第三节美国政府的GPS政策及中国(一)差分定位系统的建立GPS定位中存在着多项误差来源：卫星星历误差，测距误差，接收机和卫星钟差，对流层延迟，电离层延迟，卫星运动的摄动力影响等。差分GPS，即DGPS(DifferentialGPS)正是为消除或减弱这些误差，提高定位精度而提出的，由于上述各项误差从整体上而言，都具有良好的空间相关性，当相邻两个测站上的GPS接收机同步观测同一组卫星，两站距离较近(≤100km)，且其中一站坐标已知，通过GPS定位坐标和已知坐标比较，就能知道上述误差对未知站的影响，加入相应的改正数就能消除之。第三节美国政府的GPS政策及中国对策50(一)差分定位系统的建立第三节美国政府的GPS政策及或者说，通过两个测站上的观测值求差，就能有效地消减上述误差。通过数据链(无线通讯电台)将这些数据实时传递，进而就能实时地确定点的三维坐标。差分定位按时间状态可分为实时差分和后处理差分；在资源和环境中，通常采用RTD(RealTimedifferentialGPSforcode——以码相位为观测值的实时差分GPS定位技术)和RTK(RealTimeKinematicdifferentialGPSforcarrierphase——以载波相位为观测值的实时动态差分技术)。依据差分改正的方法和数学模型的不同，DGPS为以基准站坐标差(dx,dy,dz或dl,dB,dH)改正未知点的坐标差分和以伪距差(dpi)改正未知点伪距差分。

第三节美国政府的GPS政策及中国对策51或者说，通过两个测站上的观测值求差，就能有效地消RTKGPS技术52RTKGPS技术23按照基准站的多少和服务范围的大小，DGPS可进一步分为：①单基准站DGPS(SingleReferenceStationDGPS)——只有一个基准站提供差分信息，简称SRDGPS。②多基准站局部区域DGPS(LocalAreaDGPSWithMulti—referenceStation)——即在某一区域中布设若干个差分GPS站，通常包括一个或n个监控站，