全球定位系统 - GPS

1. 全球定位系统 - GPS 授时与测距导航系统/全球定位系统 (Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System--GPS)：是以人造卫星为基础的无线电导航系统，可提供高精度、全天候、实时动态定位、定时及导航服务。 GPS补充资料

2. 1.GPS定位技术的兴起及特点 • 1957年人造卫星发射成功 • 1958年底，美国海军武器实验室着手建立导航卫星系统 • 1964年建成“海军导航卫星系统（子午卫星系统）” • 1967年，该系统解密，提供民用 • 导致经典大地测量技术面临着变革 • （卫星数少，高度低，观测时间长，精度低） • 单点精度3-5米，相对定位精度1米 GPS补充资料

3. GPS系统的出现 1973年美国国防部组织海陆空三军，共同研究新一代卫星导航系统 GPS 与NNSS的主要特征比较 GPS补充资料

4. GPS系统的特点 • 全球地面连续覆盖，全天候，无缝隙 • 功能多，精度高。动态提供三维位置，三维速度和时间信息 • 实时定位，及时提供定位信息 • 应用广泛，用于导航，测量，资源环境管理，地球物理研究等领域 GPS实时定位，测速与测时精度 GPS补充资料

5. 相对经典测量技术特点 • 观测站点之间无需通视 • 定位精度高 • 观测时间短 • 提供三维坐标 • 操作简便 • 全天候作业 GPS补充资料

6. 2. GPS系统由三个独立的部分组成 空间星座部分：21颗工作卫星，3颗备用卫星（白色）。它们在高度20 200km的近圆形轨道上运行，分布在六个轨道面上，轨道倾角55°，两个轨道面之间在经度上相隔60°，每个轨道面上布放四颗卫星。卫星在空间的这种配置，保障了在地球上任意地点，任意时刻，至少同时可见到四颗卫星。 GPS补充资料

7. 轨道近圆形，平均高度20200km，卫星运行周期为11小时58分。 同一观测站上，每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前4分钟。 每颗卫星每天平均5小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星，随时间和地点而异，最少4颗，最多达到11颗。 空间部分3颗备用卫星，必要时可以根据指令代替发生故障的卫星 GPS补充资料

8. 地面支撑系统：1个主控站，3个注入站，5个监测站。它向GPS导航卫星提供一系列描述卫星运动及其轨道的参数；监控卫星沿着预定轨道运行；保持各颗卫星处于GPS时间系统及监控卫星上各种设备是否正常工作等。地面支撑系统：1个主控站，3个注入站，5个监测站。它向GPS导航卫星提供一系列描述卫星运动及其轨道的参数；监控卫星沿着预定轨道运行；保持各颗卫星处于GPS时间系统及监控卫星上各种设备是否正常工作等。 GPS补充资料

9. 用户设备部分：GPS接收机——接收卫星信号，经数据处理得到接收机所在点位的导航和定位信息。通常会显示出用户的位置、速度和时间。还可显示一些附加数据，如到航路点的距离和航向或提供图示。 GPS补充资料

10. 3.美国政府对GPS用户的限制 • 美国政府在GPS的最初设计中，计划向社会提供两种服务：精密定位服务（PPS）和标准定位服务（SPS）。 • 精密定位服务的主要对象是美国军事部门和其他特许民用部门。使用C/A码和双频P码，以消除电离层效应的影响，使预期定位精度达到10m。 • 标准定位服务的主要对象是广大的民间用户。它只使用结构简单、成本低廉的C/A码单频接收机，预期定位精度只达到100m左右。 GPS补充资料

11. 在GPS试验阶段，由于提高了卫星钟的稳定性和改进了卫星轨道的测定精度，使得只利用C/A码进行定位的GPS精度达到14m，利用P码的PPS的精度达到3m，远远优于预期定位精度。美国政府考虑到自身的安全，于1991年7月在BlockⅡ卫星上实施SA和AS政策。其目的是降低GPS的定位精度。 GPS补充资料

12. SA（Selective Avaibility）政策称为有选择可用性。它包括在GPS卫星基准频率上增加了δ技术和在导航电文上增加ε技术两项措施.所谓δ技术,就是对GPS卫星的基准频率施加高频抖动噪声信号,而这种信号是随机的,从而导致测量出的伪距误差增大。所谓ε技术，就是人为的将卫星星历中轨道参数的精度降低到200m左右。总之，采用这两项技术后，使测量的GPS定位精度降低到原先估计的误差水平。 • AS（Anti-Spoofing）政策称为反电子欺骗政策。其目的是保护P码。它将P码与更加保密的W码模2相加形成新的Y码，实施AS政策的目的在于防止敌方对P码进行精密定位，也不能进行P码和C/A码码相位测量的联合求解。 GPS补充资料

13. 实时单点定位的精度(平面，m) GPS补充资料

14. 4. GPS系统定位原理 通过测量卫星信号到达接收机的时间延迟，即可算出用户到卫星的距离。再根据三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星的 数据，组成3个方程式，就可以解出观测点的位置（X,Y,Z）。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式以求解，从而得到观测点经纬度和高程。 GPS补充资料

15. 基本测量工作 1、常规测量之一（光、机式） 2、常规测量之二（光、机、电式） 3、GPS测量（电子式） 4、GPS技术使测地工作发生重大变革 GPS补充资料

16. 三项基本测量工作 1、常规测量之一（光、机式） 长度——距 离 丈 量——钢尺（机械比长） 角度——水平角测量——经纬仪（光机） 高差——水 准 测 量——水准仪（光机） 记录——手 工 方 式——记录手簿 2、常规测量之二（光、机、电式）——电子全站仪 长度——红外光电测距（光电） 角度——编码度盘（光电） 高差——测距三角高程（光电） 记录——电磁方式 GPS补充资料

17. 3、GPS测量（电子式） 接收——GPS信号——基线向量（弦长、方位角、 大地高差） 记录——自动 4、GPS 技术使测地工作发生重大变革 电子式（GPS） 光机电式（全站仪） 光机式（经纬仪） 机械式（钢尺） GPS补充资料

18. GPS测地定位原理 • 1、 空 间 距 离 后方交会 • 2、 GPS 的 测 距 信 号 • 3、 GPS 系 统 的 组 成 • 4、 GPS 的 原 子时系统 • 5、精 确 测 时 精 确测距 • 6、 生产基线向量 的工艺 • 7、 GPS 测 量 的误差源 GPS补充资料

19. 1、空间距离后方交会 ——GPS单点定位原理 空间距离方程 1=—[(X1-X)2+(Y1-Y)2+(Z1-Z)2] 2=—[(X2-X)2+(Y2-Y)2+(Z2-Z)2] 3=—[(X3- X)2+(Y3-Y)2+(Z3-Z)2] …… X、Y 、Z——测点点位坐标 Xi、Yi、Zi——卫星星历（坐标） 1、 1、 1 ——观测所得伪距 S2 S1 S3 S4 3 2 4 1 （X、Y、Z） GPS补充资料

20. 2 GPS的 测 距 信 号 P 码——军用精密导航定位测距码 （保密） C/A码—— 捕获 P 码的工具，用于民用导航定位 D 码—— 数据码 L1载波—— 频率 1575 MHz，运载工具。 L2载波—— 频率 1227 MHz，运载工具， 电离层延迟探测工具。 GPS补充资料

21. 3、 GPS卫星系统组成 • 星座：24颗 GPS卫星。 • 分布：6 轨道。 • 运行周期： 11 小时 58 分。 • 主要功能：播发 GPS信号。 • L1载波——C/A码、P1码、D码 • L2载波——P2码、D码 • 监控站 • …... 主控站 • 监控站 注入站 GPS补充资料

22. 4、 GPS的原子时系统 • GPS是基于精密测时的定位系统。 • 精密的时间系统是GPS的基础。 • 时间系统包含时间尺度、时间原点与计时方式。 • GPS采用原子时为尺度、以1980年1月6日0时为原点、以周与周秒的方式计时。 • 时刻是时间坐标点。 • UTC是协调世界时，其时间尺度为原子时、其时间原点（格林威治）、计时方式（年月日、时分秒）与世界时一致。 • 世界时与UTC时是GPS的实用参考。 GPS补充资料

23. 5、GPS以精确测时实现精确测距——码相位测距原理5、GPS以精确测时实现精确测距——码相位测距原理 • C/A 码是伪随机二进制码，也是卫星的标识符（码分多址）。 • 在接收机上可同步复制与卫星同结构的C/A 码，比对测时。 t —— 信号传播时间 站星距离 —— = c  t t 复 制 来自卫星  复制码与接收来自卫星的C/A码比对基于时间同步。  码相位测距类似于脉冲式光电测距。  P 码测距与 C/A 码测距原理相同——码相位式。 GPS补充资料

24. 5、GPS以精确测时实现精确测距——载波相位测距原理5、GPS以精确测时实现精确测距——载波相位测距原理 • GPS有两种载波：L1（1575 MHz）、L2（1227 MHz）， 均属余弦波。 • 在接收机上可同步复制与卫星同结构的L1 、 L2载波。      复 制 来自卫星  复制波与接收来自卫星的测距波比对基于时间同步。  载波相位测距类似于相位式光电测距。  L1载波测距与L2载波测距原理相同——载波相位式。 GPS补充资料

25. 6、同步观测是生产基线向量的工艺 • 相对定位至少需要使用两台（多则不限）接收机同步观测，观测处理后的成果是基线向量。 • 观测中要求各接收机的采样率一致，这是时间同步的体现。 B A GPS补充资料

26. GPS补充资料

27. 7、GPS 测量的误差源 • 卫 星 钟 差—— 某时刻原子钟与GPS时之差（系统误差） • 星 历 误 差——卫星轨道误差（系统误差） • 接收机钟差——某时刻石英钟与GPS时之差（系统误差） • 操 作 误 差——对中 、 整平、量天线高（随机误差） • 强 电 波 干扰—— 广播发射台、强辐射源（系统性、随机性） • 电离层、对流层延迟——群 折射路径延长（系统误差） • 多 路 径 效 应 影 响——多路反射波（系统误差） • GPS 测量的误差源多数表现出系统性特点 GPS补充资料

28. 8、消减GPS测量误差的对策 • 系统误差对策 • 求差（单差、双差）法： • 消除卫星与接收机的钟差 • 消减星历误差、电离层与对流层延迟 • 模型改正法： • 卫星钟差改正模型——利用D码中有关信息 • 电离 层 改正 模 型——利用D码中有关信息、L2观测量 • 对流 层 改正 模 型——利用气象数据 • 硬件屏蔽法： • 扼流圈天线、抑径盘——消减多路径影响 • 选点回避法： • 远离干扰源、反射源 • 随机误差对策 • 精 心 操 作：对中 、 整平、量天线高 • 多 余 观 测：复测基线、多时段观测、延长观测时间 GPS补充资料

29. 5.常用GPS测量模式 静态测量模式 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，每时段根据基线长度和测量等级观测45分钟以上的时间。常用于建立全球性或国家级大地控制网、地壳运动监测网 。 快速静态测量：这种模式是在一个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。移动站接收机依次到各待测测站，每测站观测数分钟。这种模式常用于控制网的建立及其加密、工程测量、地籍测量等。 这种方法要求在观测时段内确保有5颗以上卫星可供观测；流动点与基准点相距应不超过20km。 GPS补充资料

30. 动态测量模式 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依次到各待测测站，每测站观测几个历元数据。这种方法不同于快速静态，除观测时间不一样外，它要求移动站在搬站过程中不能失锁，并且需要先在已知点或用其它方式进行初始化（采用有OTF功能的软件处理时例外）。 　　这种模式可用于开阔地区的加密控制测量、工程定位及碎部测量、剖面测量及线路测量等。 要求在观测时段内确保有5颗以上卫星可供观测；流动点与基准点相距应不超过20km。 GPS补充资料

31. 实时动态测量：DGPS和RTK 在一个已知测站上架设GPS基准站接收机和数据链，连续跟踪所有可见卫星，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。 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。 GPS补充资料

32. GPS 测地作业模式 • 1、什 么 是 整 周 模 糊 度 • 2、GPS测地应用关键技术 • 3、静态 与 快 速 静态模式 • 4、准 动 态 与 动 态 模 式 • 5、实时动态（RTK）模式 • 6、基 线 向 量 的 数学描述 • 7、GPS 基 线 向 量 的解算 • 8、基 线 质 量 可 靠性检核 GPS补充资料

33. 1、什么是整周模糊度 • 载波相位观测量 • (t0) = {(t0)/(2)+N} • (t1) = • {(t1) /(2)+ I(t1)+N}  • ——波长 • I(t1)——整周计数 • N——整周模糊度 S(t1) (t1) S(t0) I(t1) (t0) NN (整周模糊度) GPS补充资料

34. 2、求解整周模糊度 —— GPS测地应用的关键技术 途径有二： （1）设计作业模式： 静态、伪静态、准动态 （2）研究有效的算法： 求差法 整周模糊度快速逼近技术（FARA） OTF算法 作业模式与算法两条腿走路相辅相成 GPS补充资料

35. 3、静态与快速静态模式 同步图形 两台 接收机 n=2 三台 n=3 五台 n=5 全组合基线数 四台 N={n(n-1)}/2 n=4 GPS补充资料

36. 静态与快速静态模式的特点 • 静态模式 • 整周模糊度作为未知数的经典算法 • 用于各等级控制测量，高精度测量 • 快速静态 • 整周模糊度快速逼近技术（FARA） • 适宜于短基线，一般控制测量 • 注意检查其可靠性 GPS补充资料

37. 4、准动态与动态模式作业模式 3 已知基线反求 整周模糊度 基准站 已知点 1 流动站 2 GPS补充资料

38. 准动态与动态模式的特点 • 准动态与动态 • 利用已知基线反求整周模糊度 • 流动站 • 对环境条件要求较高 • 准动态属走走停停式，用于碎部测量 • 动态属连续运动式，用于路线连续采点 GPS补充资料

39. 5、RTK作业模式 电子手簿 电台 主机 主机 基准站 流动站 GPS补充资料

40. RTK 的特点 • 基 准 站连续观测 • 数据链电台传送观测数据 • OTF 算 法行进过程中初始化 • 实 时获取坐标监视精度 • 电 子 手 簿用户界面 • 智能化水平电子手簿应用软件 • 用 途 碎部测量、细部放样、 • 界址点测量... GPS补充资料

41. 6、基线向量的数学描述 • 基线向量的几何原型是两观测站点之间的直线（弦线）。 • 基线向量在地心地固直角坐标系下的数学描述： • 坐标差X、 Y、 Z • 基线向量在大地坐标系下的数学描述： • 大地线长度S、大地方位角A、大地高差h • 或，L、  B、h • 基线向量在高斯投影直角坐标下的数学描述： • 平距D、坐标方位角 • 基线向量在地平坐标系下的的数学描述： • 平距DP、坐标方位角P、天顶距ZP GPS补充资料

42. 7、GPS基线向量的解算 • 相对定位的原始观测量主体是载波相位数据。 • 具有同步观测时间段是获得基线解的先决条件。 • 基线向量一般由厂商提供的专用软件解算。 • 基线向量解是 GPS 相对定位几何三要素。 • GPS 测地型接收机是定位三要素的 数据采集器 GPS补充资料

43. 8、基线质量可靠性检核 • 静态模式基线向量以求差法解算。 • 基线固定解可靠性高，可大胆取用。 • 基线浮动解约有 1/3 可靠。 • 同步环闭合差检核是判定基线可靠性的参考，闭合差超限的同步环中可能有合格的基线。 • 异步环闭合差检核是判定基线向量的有效手段。 GPS补充资料

44. GPS常见功能 1 路标（Way point）功能。 把某点的位置（英文叫PosionFix，包括一个点的三维坐标）记入GPS的内存。这点可以是你所经过的点，也可以是你输入其坐标。一般还可为这点起个若干字母的名字。 路线（Route）功能。路线由起点、终点和若干中间点组成。任两点间的一段叫做一条腿（Leg），一条路线可由若干条腿组成。这些点可以在地图上查出预先输入，也可以边走边记。 方向（Heading）功能。 在运动时指明运动方向，GPS开机时，每1到2秒更新一次地点坐标，它可依此计算出前进方向。 　 速度（Spead）功能。 类似方向，给出速度。 GPS补充资料

45. GPS常见功能 2 　　　导向（Bearing）功能。 给出你所在地点到某一路标点的前进方向，一般是显示从正北方向顺时针的角度数。 　　 追踪（Plot trail）功能。以一定的采样时间间隔（可调）记载运动轨迹，这项功能在没有地图或明确路线以及需要按原路返回的行动中极为有用。 　　 计算机上／下载数据。　通过专用连线与软件，GPS可与计算机连接，可在计算机上按排、分析路线，在GPS间交换数据。 　　 地图功能。高档GPS可存贮一定区域的地图，在显示位置数据的同时，直观地显示你在地图上的位置。 GPS补充资料

46. GPS几项指标 1 Good in tree cover ：树木会挡GPS卫星的信号，早期GPS最常见的毛病就是密树林下工作不好，故有此项。 Max # of Statelites ：最多能搜索的卫星数，越多定位越精确。共有24颗GPS卫星环绕在地球周围，因地球的遮挡，最多同时看到12颗。 # of Parallel Channels： 最多同时接收到的卫星数。每颗卫星工作在不同频率，低档GPS此数会比Max # of Statelites小，串行扫描完各Statelites。此值与定位速度和精度都有关。 GPS补充资料

47. GPS几项指标 2 Acquisition Time ： 分为warm和cold两种，若GPS开机时，临近其上次关机位置或是给定了一个临近位置，那末它能较快搜索到卫星信号并定位，这叫热启动，否则将花费较长时间，叫冷启动。 Internal Back-up Battery：有此电池可保证更换电池时不丢存贮数据。 Accuray (no SA)：GPS精度都好标SA关闭时的值，实际上2005年前一般不会关。SA开时一般精度在100米左右，大约一个足球场的大小。 GPS补充资料

48. GPS补充资料