第7章GPS技术原理及其应用

1、第七章 GPS技术原理及其应用,71 GPS系统概述 72 GPS定位基本原理与方法 73 GPS测量实施 74 GPS实践,一.定义 GPS是通过接收和解译人造卫星所发射的电波信号来确定测站点位置的测量定位系统，它是英文“Global Positioning System”(全球定位系统）的缩写。,71 GPS定位系统概述,二.GPS定位的特点 定位时间短。 定位精度高。 野外观测时不受天气条件以及作业时间的限制。 无需考虑观测点之间的通视情况。 应用范围广。 缺点 （1）.在地下（如隧道、矿井内）、海底及建筑物内不能应用； （2）.在高大建筑物近旁会受到干扰。,三.系统组成 GPS系统主要

2、由三大部分组成：卫星星座（空间部分）、地面监测系统（地面部分）和GPS接收机（用户设备部分）。,地面控 制 部 分 主 控 站、 监 测 站、 注入站,空 间 部 分 导 航 卫 星 : 导 航 信 息 卫 星 时 和 卫 星 钟 24 颗 卫 星（20200 Km）,用 户 设 备 部 分 接 收 机,GPS卫星星座 星座由24颗卫星组成，其中21颗工作卫星，3颗备用卫星，大致均匀地分布在6个轨道面上。轨道面相对于地球赤道面的倾角为55o，各轨道平面之间的交角为60o，卫星距地球约20200公里，运行周期为11小时58分。在世界任何地区任何时候至少可以同时接收4颗卫星信号，最多可以同时接收到

3、11颗卫星发射的信号。每颗卫星上均装有4台高精度的原子钟（2台铯钟、2台铷钟），称为卫星钟，用以提供高精度的时间标准。,GPS卫星的主要功能 连续不断地向地球发送导航定位的GPS信号，以导航电文的形式向用户提供卫星星历表（其中包含卫星现时的位置及其它卫星的概略位置）、时钟校正参数、传播延迟参数及其它信息。 （最主要的信息是“时间”和“位置”）,2.地面监控系统 该系统由5个监测站、1个主控站和3个注入站组成，设在美国本土的科罗拉多和三大洋的美国军事基地中。,一个主控站：科罗拉多斯必灵司 三个注入站：阿松森(Ascencion)、迭哥伽西亚(Diego Garcia)和卡瓦加兰(kwajalei

4、n) 五个监测站：在主控站和3个注入站各设一个，另一个设在夏威夷(Hawaii),地面站主要负责对卫星进行实时监测（包括卫星上设备是否正常工作、卫星是否沿轨道运行等）；向每颗卫星提供其编写并播发的导航电文，包括卫星星历（即描述卫星运动及其轨道参数的数据）、卫星钟差（时钟修正参数）和大气修正参数等，以保证卫星能够不间断地向地面用户发送准确可靠的导航信号。 监测站的任务是连续跟踪观测和接收GPS卫星的信号，并监测卫星的工作状态。 主控站负责收集由监测站传来的卫星跟踪数据并计算卫星星历和时间参数。 注入站的任务是将主控站发来的导航电文（卫星星历和时间参数）注入给卫星。,3.GPS接收机 GPS接收机

5、是能够接收、跟踪、解译和量测GPS信号的设备，由接收主机、天线、计算机以及控制显示设备等组成。GPS卫星发送的导航定位信号是一种全球共享的信息资源，只要用户掌握其解码，则各类用户在任何地点、任何时刻、任何气候均可用GPS接收机接收信号，进行导航定位测量。,本节内容回顾 GPS的定义。 GPS定位的特点。 GPS系统由三部分组成。,72GPS定位原理与方法 一. GPS定位原理 GPS定位系统的基本观测量是距离（其实质是时间延迟），基本定位原理是空间后方交会。 1.距离测量 在待定点上安置好GPS接收机，开机后即可接收到某颗卫星所发送的信号（随机码），经解译后可以获得卫星发送信号的时刻（以卫星钟

6、为标准）以及发送信号时卫星的空间位置（即坐标）等有用信息。与此同时，在测站上需测定GPS信号的接收时刻（以用户钟即普通石英钟为标准）。设GPS信号的发射时刻为t1,接收时刻为t2 ，并设卫星钟与用户钟同步，则GPS 信号在空中传播的时间为： T = t2 - t1,设电波在大气中的传播速度为C，则从卫星发送信号时的空中位置到接收机之间的空间距离为： D = C T,2.空间后方交会 用GPS进行定位测量的目的是求出测站点的三维坐标（x,y,z）（现未知）。由传统的测量原理可知，欲求得三个未知数，至少需要三个观测量，即必要观测数为3。因此，必须同时测定三颗卫星的导航信号，即需测量接收机至三颗卫星

7、的距离D1、D2和D3。设这三颗卫星发送信号时所处位置的坐标分别为（x1,y1,z1）、 （x2,y2,z2）和（x3,y3,z3）,则有： （x1-x）2+(y1-y)2+(z1-z)2 = D12 （x2-x）2+(y2-y)2+(z2-z)2 = D22 （x3-x）2+(y3-y)2+(z3-z)2 = D32 解此方程组，即可求出测站的坐标（x,y,z）。,GPS定位的原理也可通过三个球面相交来理解。 假设某颗卫星在空中的位置为W1，GPS接收机离W1的距离为D1，则接收机必定在以W1为圆心、以D1为半径的球面上。,如果同时接收两颗卫星的信号，则两个球面相交成一条圆弧，点位被限制在这

8、条曲线上。,同理，三个球面相交在一点，即根据3段距离值可确定一点的空间位置（坐标）。,事实上，由于用户钟（普通石英钟）的测时精度远低于卫星钟，因此，用户钟与卫星钟不可能同步，必然存在时钟差，用tu表示。正因为存在时钟差tu，所以按前述方法求得的卫星至接收机的距离也必然是一个包含误差的观测量，称之为伪距，用D表示。即： Di = Di + Ctu tu主要是用户钟的测时误差，很难准确求得，所以一般视为未知数。 将含有未知数tu的伪距Di代入前面的方程组便可发现，三个方程求解四个未知数是不可能的，因此，实际工作中需同时观测四颗卫星，测得四个伪距，解四个方程才能求出待测点的坐标（x,y,z）。,必须

9、指出，卫星坐标（xi,yi,zi）是其在地心坐标系（WGS84坐标系，见教材P139）中的坐标，而实际测量中惯用的是以参考椭球面为基准的大地坐标，故按上述空间后方交会的方法求得的坐标（x,y,z）还需转换成当地常用的大地坐标系（如1954北京坐标系或1980西安坐标系），这是GPS测量成果处理的内容。,二.GPS定位方法 GPS定位方法根据模式的不同可以分成单点定位、相对定位和差分定位。 1.单点定位 单点定位又称绝对定位。在一个待测点上，用一台接收机独立跟踪GPS卫星，测定待测点（天线位置）的绝对坐标（地心坐标），其原理与方法跟上段介绍的完全相同。由于普通用户只知C/A码（粗码）而不知P码（

10、精确码），导航电文所提供的卫星星历（卫星位置）存在误差，加上电波在空中传播时受到大气延迟误差影响等原因，因此绝对定位的精度较低，一般为30米左右，最高为3-5米。这样的定位精度显然不能满足一般工程测量的要求，但在船舶、飞机导航以及海洋勘探等领域却有着极为广泛的应用。,单点定位的精度较低，一般为1030米。 城市交通中的“车载GPS”就是采用单点定位方法。,2.相对定位 相对定位是通过测量卫星发送的电波到达两台接收机的时间差来完成的，用两台同类型的接收机同步跟踪相同的4颗卫星信号，对两台接收机接收到的电波信号作合成处理，即可求出接收机之间的相对位置（三维坐标差或基线向量），只要给出了一个站点的坐

11、标，便能求得另一点的坐标。,当两点相隔较近（如10公里以内），由于两机同步观测相同的卫星时的卫星星历误差、时钟误差以及电波在大气中传播的误差是相等或大致相同的，因而在相对定位过程中可以有效地抵消或大幅度削弱这些误差的影响，使定位精度得以大大地提高。一般相对定位的精度可达（5mm +1ppm.D），完全可用于大地测量和工程测量之中。 相对定位分为单差法、双差法和三差法等（详见教材P143144）。,相对定位示意图。,采用相对定位方法确定一个点约需观测半小时至1小时。,3.差分定位 定位时采用两台以上的GPS接收机。将一台接收机安置在地面已知点上作为基准，其余接收机分别安置在其它待测点上。各接收机

12、同时进行单点定位，根据基准站的测定坐标和已知坐标即可求出定位结果的改正数（位置差分）或伪距观测值改正数（伪距差分）。通过基准站与用户站间的数据链（由调制解调器和电台组成）将基准站的改正值实时传送给用户站，对用户接收机的定位结果进行改正，从而大大提高了定位精度。 差分定位方法兼容了单点定位和相对定位的优点，同时克服了二者的缺点。必须指出，采用差分定位时，各接收机的型号必须相同（其中一台配有电台作为基准站），而且须同时观测相同的4颗卫星。作为差分定位技术的典型代表，载波相位实时差分技术（RTK）目前正得到越来越广泛的应用。,差分定位示意图。,采用差分定位方法确定一个点只需几十秒钟。,发射电台,GP

13、S主机,基准站,流动站,GPS主机,RTK测量原理图,采集器,接收电台,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定位精度。 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 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。,本节内容回顾 GPS定位的基本观测量是距离；定位原理是空间后方交会；在定位点上必须能够接收到四颗以上卫星的信号。 GPS定位的方法有单点（绝对）定位法、相对定位法和差分定位法。,73 GPS

14、测量实施（教材P204 97） 以静态定位为例 GPS静态定位方法主要用于建立各级测量控制网，其优点如下： 定位精度高，其基线的相对精度非常高 选点灵活、不需要造标、费用低 可全天候作业 观测处理自动化 GPS测量工作包括控制网设计、选点埋石、野外观测和内业处理等。,一. 构建GPS控制网（网形设计、选点埋石） 1.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 GPS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：,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),2.网形设计 根据不同的用

15、途，GPS网的基本形式有点连式、边连式、网连式和边点混合连接四种（见教材P204205）。除点连式外，其它形式的GPS网形应用都较多。 GPS网的设计原则 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。 目前生产单位普遍采用的GPS网形主要有三角形网、环形网和星形网。,(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比较高时，才单独采用这种图形

16、。,(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： 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。 工程上通常采用上述两种图形的混合图形。,(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。 该法广泛用于工程测量、边界测量、地籍测量和碎部测量等。,3.选点埋石 点位应设在视野开阔和容易到达的地方。 埋点处需稳固，且便于架设仪器。 在 15 高度角以上区域不能有障碍物。狭窄街道和大树下都不能设点。 不宜将点位设在电磁波干扰源（如高压线、电视发射塔等）附近。,二.外业观测 外业观测工作包括：架设仪器，整平对中，开机接收，设置参数，采集数据。 参数设置包括测站号、天线类型、天线高（即仪器高）等。 外业观测时须注意两个问题： （1）接收的卫星数必须大于4。 （2）精度因子PDOP须小于4。精度因子是指观测位置的精度弥散值，用以描述卫星几何因素对定位精度的影响，其大小表示所跟踪卫星之间的几何结构强度。 PDOP的大小取决于观测位置的环境条件（障碍物遮挡情况以及观测时的卫星几何位置分布情况）。环境条件越好，其值就越小，定位精度也就越高