GPS理论测量原理

理论篇GPS测量基本理论概要引言1.GPS系统的组成2.GPS定位的基本原理3.GPS定位测量的方式4.GPS常用测量坐标系5.GPS定位技术的应用

卫星定位技术发展概况-卫星几何大地测量（卫星三角网与测距网）-海军导航卫星系统（NNSS）

-测时测距导航系统/全球定位系统（NAVSTAR/GPS）GPS，GLONASS，NAVSAT，INMARSAT，GNSS

全球卫星导航定位系统-GNSS-GNSS是基于卫星无线电定位系统-可向全球用户提供高精度定位、速度和时间数据，具有很强的抗干扰功能-世界范围,连续覆盖,全天候工作-被动式定位系统,可供无数用户同时使用

GNSS导航定位的显著特点是：全球性、全天候、高精度、自动化、高效率、应用广泛控制部分空间部分

用户部分双向信息

单向信息

GNSS组成部分

GNSS组成部分

1. 空间部分

-GNSS卫星星座.用于接收地面控制站发送来的信息。发射调制有多种信息的无线电信号供用户定位、导航和收时用。2. 控制部分

-GNSS用于跟踪和管理卫星的主控站和监控站

3. 用户部分 -用于接收,解码,处理GNSS卫星数据的接收机

-24颗卫星(21颗工作卫星+3颗备用卫星)-6个轨道平面,其倾角均为55度-运行周期为12个恒星时(11小时58分)-高度为20,051公里(12,532miles)-卫星是以发射顺序或伪随机码命名

GPS空间部分

GPS控制站KWAJALEINDIEGOGARCIAASCENSIONHAWAIICOLORADOSPRINGSMCS

GPS控制部分5个监控站同时跟踪卫星用以预报轨道和改正时钟,并将数据发送到主控站主控站(MCS)位于

ColoradoSprings附近Falcon空军基地.

MCS处理监控数据以及来自USNO的时间数据和来自DMA的地球数据

MCS生成导航信息上装到卫星(如:星历和时钟改正),它也是唯一控制卫星随机运动的地面站3个注入站具有地面天线来发送上载信息和控制数据-广播星历(用于定位计算)-历书(概略星历-做观测计划)

导航信息

GPS信号结构基本频率

f0

=10.23MHz载波

L1=154f0=1575.42MHz波长=19cm L2=120f0=1227.60MHz波长=24cm测距码

C/ACode=f0/10=1MHz波长=297m(GLONASS586.7)PCode=f0=10MHz波长=29.7m(GLONASS58.67)L1载波调制有

C/A码和

P码L2载波仅调制有

P码

(

2003年前将加载C/A码)(2005年前BlockIIFGPS卫星将增加第3民用频率--1176MHz)GLONASS和GPS的比较

用户部分=用户部分观测和记录由若干卫星发送的数据,并运用数学方法求得三维空间位置以及时间和速度1.伪距观测与单点定位观测量ρ’=cΔt观测方程ρ’(k,j)=ρ(k,j)-cδtk+cδtj+δρtrop+δρion观测4颗以上卫星即可解算观测站位置X,Y,Z和接收机的钟差δtkGPS定位基本原理观测方程φ’(k,j,i)=(f/c)ρjk

-fδtk+fδtj+(f/c)δρtrop+(f/c)δρion-N(k,j,1)

GPS定位基本原理

ΔφiN（k，j，1）ΔφRkInt（φ）

Sj（ti）Sj（t1）2.载波相位观测与相对定位观测量φ’(k,j,i)=Int(φ)+ΔφiN(k,j,1)称为初始整周模糊度

EDManalogy...如何进行差分测量

单差观测量-消除卫星钟误差

双差观测量-消除卫星钟差-消除接收机钟差三差观测量

SV1(t1)SV2(t1)SV1(t2)SV2(t2)-消除接收机和卫星误差-消除整周模糊度-允许探测周跳双差观测量DDpq12(ti)=[φ’(2,q,i)-φ’(1,q,i)]-[φ’(2,p,i)-φ’(1,p,i)]双差观测方程DDpq12(ti)=(f/c)ρpq12(ti)+(f/c)δρpq12trop(f/c)δρpq12ion-

Npq12(t1)通过多个卫星,多个历元的观测,即可解算两个观测站之间的三维坐标差及初始整周模糊度

GPS定位基本原理R1R2pq伪距定位与载波相位定位绝对定位（单点定位）与相对定位（差分定位）静态定位与动态定位实时定位与后处理定位GPS定位方式绝对定位(单点定位)相对定位(基线向量)DX,DY,DZ解求：解求:

X,Y,Z静态测量测量模式快速静态测量动态（停-走）测量连续动态测量实时动态测量ＲＴＫ静态测量：精度水平：

+/-(5mm+1ppmxD)

垂直：+/-(10mm+2ppmxD)

45分钟/15秒采样率观测5颗卫星60分钟/15秒采样率观测4颗卫星快速静态测量：精度水平：

+/-(5mm+1ppmxD)

垂直：+/-(10mm+2ppmxD)20分钟/5秒采样率观测6颗卫星30分钟/5秒采样率观测4颗卫星测量模式动态（停-走）测量精度水平：+/-(10mm+2ppmxD)

垂直：+/-(20mm+2ppmxD)

初始化（20-60分钟）

已知点•.未知点A

.未知点B

.未知点C

.未知点D测量模式

初始化（20-60分钟）

已知点•.未知点

未知点

记录数据不需停留连续动态测量精度水平：+/-(10mm+2ppmxD)

垂直：+/-(20mm+2ppmxD)测量模式实时差分

GNSS

-测距码伪距差分定位RTD-载波相位差分定位RTK

RTK概念RTK流动站天线基准站电台

动态RTK测量

LEGACY-E、H已知点初始化方式已知点初始化初始化仪初始化已知点或基线已知基线初始化已知点新测点测点单频未知点初始化大约10分钟左右双频OTF初始化一般几秒钟--1分钟动态初始化

GNSS的统计特性“FATPOINT”理论误差圆精度因子(DOP)几何图形弱

PDOP=1/V~几何图形强GPS常用坐标系及其变换空间坐标系空间大地坐标系B,L,H空间直角坐标系X,Y,ZX=(N+H)cosBcosLY=(N+H)cosBsinLZ=[N(1-e2)+H]sinBXZYzxyoLBNGPS常用坐标系地心坐标系WGS84坐标系原点位于地球质心,Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极(CTP)方向,X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交点,Y轴与Z,X轴构成右手坐标系,采用WGS84椭球.参心坐标系(坐标系原点一般不在地球质心)1954北京坐标系由前苏联1942年普尔科沃坐标系的坐标延伸到我国而建立的,采用克拉索夫斯基椭球1980西安坐标系Z轴平行与地球质心指向1968.0地极原点(JYD)的方向,大地起始子午面平行于格林尼治平均天文台子午面,X轴指向经度零方向,Y轴与X,Z轴构成右手坐标系,采用IAG1975椭球地方独立坐标系（地方参考椭球）坐标系转换空间直角坐标系之间的转换转换参数(利用3个以上重合点坐标即可解算)大地坐标系之间的转换(BI,LI,HI)(XI,YI,ZI)(XII,YII,ZII)(BII,LII,HII)可应用于WGS84与BJ54,CH80之间的坐标转换Y2Z1O1Y1X1O2Z2X2211地图投影与地图制作EduardoF.FalconãCopyright1997AllRightsReserved平面圆柱圆锥地图投影横轴墨卡托投影(高斯投影)通用横轴墨卡托投影(UTM)LAMBERT投影(圆锥投影)球面投影(StereographicMappingProjection)投影平面K=1.0K>1.0K>1.0椭球面球面投影高斯投影带坐标YX0500KM中央子午线（长度比=1.0）

TDS局部平面坐标系定义局部坐标系平面:-球面投影-原点：基准站-假定北坐标和假定东坐标=100,000.00m-长度比=1(投影中心)将海平面距离归算至格网平面(UTM)比例因子=1投影平面海平面推上推上挤压比例因子<1比例因子>1比例因子>1105.33mi26.33mi26.33mi中央子午线比例因子=0.9996比例因子=1海平面RR地面距离海平面距离HAHBAB至地球中心地表面假设:

海平面=椭球面高程归算因子R+HR=R=

地球半径H=(HA+HB)/2将地面距离归算至海平面R+H地面

R海平面=N=Kcosα-sinαn+dE sinαcosαec

=a-bn+dbaec转换参数a,b,c,d(利用2个以上重合点坐标即可解算)可应用于地方平面坐标系与地图投影平面坐标系之间的转换平面坐标转换cEO

Ndenα

GNSS高程测量垂线偏差大地水准面椭球面地表面

垂直于椭球面垂直于大地水准面垂线偏差似大地水准面高程大地水准面椭球面椭球高h正高H

h=N+H地表面NN=大地水准面起伏大地水准面椭球面H1地表面N1h1h2H2N2

h1=H1+N1

h2=H2+N2(h1-

h2)=(H1-H2)+(N1-

N2)(j2,l2,0)(j1,l1,0)(j3