GPS基礎知識培訓(共46張)(PPT 46頁)

1、GPS基礎知識 北京合眾思壯責任有限公司 長沙辦事處 左文君第1頁，共46頁。 目 錄第一節(jié) GPS系統(tǒng)的發(fā)展過程及系統(tǒng)組成第二節(jié) GPS的測距原理及實現(xiàn)第三節(jié) GPS的現(xiàn)代化 第2頁，共46頁。第一節(jié) GPS系統(tǒng)的發(fā)展過程及 系統(tǒng)組成 第3頁，共46頁。 什么是GPSGPS: NAVSTAR GPS-Navigation System with Time and Ranging Global Positioning System 導航授時測距全球定位系統(tǒng)。 是一個基于衛(wèi)星的無線電導航定位系統(tǒng)，為有適當儀器的用戶提供精密的三維坐標，導航與時間信息。第4頁，共46頁。 1.1.GPS系統(tǒng)的發(fā)展過

2、程 GPS系統(tǒng)由美國從1973年開始研制，起初完全是一個軍用導航系統(tǒng)，從1983年開始用于解決大地測量問題。系統(tǒng)的最終構(gòu)成在1993/1994年間完成。第5頁，共46頁。1.2.GPS系統(tǒng)的組成GPS系統(tǒng)由三部分組成： 空間部分-主動式工作衛(wèi)星； 控制部分-一個主控站，三個注入站，五個監(jiān) 測站組成 用戶部分-不同類型的接收機和相關設備及軟件等。第6頁，共46頁。 空間部分： 由24顆衛(wèi)星加N顆主動式備用衛(wèi)星組成。衛(wèi)星分布在軌道傾角為55度的六個近似圓形的軌道面上。軌道運行的周期為精確的11小時58分恒星時。 最終的衛(wèi)星分布能保證在地球上任何一個地方任何時間至少可以同時看到4顆衛(wèi)星。第7頁，共4

3、6頁。第8頁，共46頁。 控制部分： 包括一個主控站，三個注入站，五個監(jiān)測站組成。它們的作用在于：連續(xù)的監(jiān) 測與控制衛(wèi)星系統(tǒng)；確定GPS系統(tǒng)時間；預報衛(wèi)星星歷與衛(wèi)星鐘狀態(tài)；周期性的更新每顆衛(wèi)星上的導航電文。第9頁，共46頁。 用戶部分： 各種類型的用戶接收機和相關設備等。其作用是捕獲衛(wèi)星信號，并對接收到的衛(wèi)星信號進行變換、放大和處理，測量出衛(wèi)星信號從衛(wèi)星到接收機天線的傳播時間，解譯出衛(wèi)星所發(fā)送的導航電文，實時地解算出測量點的三維坐標、速度和時間。 第10頁，共46頁。1.3.GPS信號 GPS信號： GPS信號衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的用于導航定位的已調(diào)波，其載波處于L波段。 L1載波：1575.4

4、2MHZ , 波長為9.03cm L2載波：1227.60MHZ , 波長為24.42cm 其中L1載波攜帶偽碼(C/A碼)、P碼（Y碼）和導航信息, L2主要攜帶P碼（Y碼）。而導航信息也被稱為廣播星歷, 包含GPS衛(wèi)星的軌道參數(shù)、衛(wèi)星鐘改正數(shù)和其它系統(tǒng)參數(shù)。第11頁，共46頁。1.4.GPS定位 定位基本原理： 以用戶至4顆衛(wèi)星的偽距的觀測值，在適當?shù)膮⒖甲鴺讼抵懈鶕?jù)已知的衛(wèi)星坐標確定用戶天線的坐標。定位方程第12頁，共46頁。GPS系統(tǒng)指標衛(wèi)星顆數(shù)： 24+7軌道面數(shù)： 6軌道傾角： 55軌道高度： 20,183公里運行周期： 11小時58分載波頻率： L1:1575.42 Mhz, L

5、2:1224.60 Mhz傳輸方式： 碼分多址調(diào)制碼： C/A, P第13頁，共46頁。第二節(jié) GPS的測距原理及實現(xiàn)第14頁，共46頁。第15頁，共46頁。2.1 GPS 定位步驟 要解算用戶的三維坐標位置，必須有若干個已知參考點 要解算出用戶到參考點的基線結(jié)果，必須解空間三角形 要解三角形，必須測量用戶接收機到衛(wèi)星的距離 要測量距離，必須測量衛(wèi)星信號到用戶接收機的傳輸時間 用測量衛(wèi)星信號的傳輸時間，需要使用“碼相位技術(shù)” 要得到精確結(jié)果，還要消除信號在傳輸路徑上的誤差第16頁，共46頁。測量用戶接收機到衛(wèi)星的距離衛(wèi)星離地球的平均距離為 20200 公里；如何實現(xiàn)精確、快速測距 ?第17頁，

6、共46頁。測量衛(wèi)星信號到用戶接收機的傳輸時間 判斷閃電離我們有多遠 判斷綻放的禮花離我們有多遠我們得到的啟示：通過測量時間延遲來計算距離生活中的測距實例：第18頁，共46頁。我們舉例說明如何測量兩個人之間的距離使用“同步技術(shù)”，利用聲波來測量兩個人之間的距離。同步聲波特點：頻率一樣，結(jié)構(gòu)一致第19頁，共46頁。初始狀態(tài)通過加入1/4拍延時第20頁，共46頁。通過加入 (1/4 + 1/8) 拍延時紅色信號部分是通過“等待”了 (1/4 + 1/8) 拍來得到和綠色信號同步的，即二者的時延就是 (1/4 + 1/8) 拍。第21頁，共46頁。從聆聽者的角度來說，當兩首歌曲聽起來感覺沒有一前一后的

7、效果時，就可以認為兩首歌曲已經(jīng)達到同步效果了，是同時到達聆聽者的耳朵里。這個效果是由紅色信號部分人為地加上延時造成的。聆聽者第22頁，共46頁。通過測定紅色信號的延時值，可以得到兩點間的距離。距離 = t 聲速第23頁，共46頁。 2.2 誤差來源： 單一偽距測量誤差； 衛(wèi)星幾何圖形結(jié)構(gòu)。第24頁，共46頁。單一偽距測量誤差： 1、與GPS衛(wèi)星有關的誤差 衛(wèi)星星歷誤差；衛(wèi)星鐘誤差 2、與信號傳播路徑有關的誤差 電離層衰減、畸變；對流層時移；多徑 效應 3、與接收機有關的誤差 接收機鐘誤差；模型算法誤差。第25頁，共46頁。衛(wèi)星幾何圖形結(jié)構(gòu)： 在GPS定位中，常采用幾何誤差放大因子來表示幾何圖形

8、強度。 RDOP：相對定位幾何精度因子，取決于定位星座的幾何結(jié)構(gòu) GDOP：幾何精度因子，描述空間位置誤差和時間誤差綜合影響的精度因子 GPS定位時的誤差可以用總的等效距離誤差和幾何誤差放大因子GDOP的乘積來表示。第26頁，共46頁。消除、削弱上述誤差影響的方法有以下幾種： 1、建立誤差改正模型 2、求差法（差分） 3、選擇較好的硬件和較好的觀測條件 4、是設法增強幾何強度，減小DOP值。第27頁，共46頁。差分定位 在測量上，由于導航方式的定位精度太低，因此，我們主要利用差分定位的方式進行測量，引入差分的目的就是為了消除GPS測量中的系統(tǒng)誤差。 根據(jù)對誤差的分析，我們可以知道，在一定距離范

9、圍內(nèi)的兩個觀測站同時進行單點定位時，系統(tǒng)誤差對兩個觀測站的影響大體上相同。因此，差分的基本原理是同時使用兩臺或兩臺以上的GPS接收機進行測量，通常一臺接收機固定不動，架設在已知點上作為基準站（Base Station），另一臺作為游動站（Rover Station），以固定（靜態(tài)）的方式或流動（動態(tài)）的方式放置在待測點上。 第28頁，共46頁。 基準站與游動站同時觀測相同的衛(wèi)星，基準站利用接收到的衛(wèi)星信號進行單點定位解算，然后用解算結(jié)果與已知點坐標進行比較，從而獲得誤差的改正值，再利用無線數(shù)據(jù)鏈路（或后處理軟件）將改正值傳給游動站，流動站將該數(shù)據(jù)與本身觀測到的數(shù)據(jù)進行差分解算，從而得到流動站與

10、基準站之間的具有較高精度的相對位置。 第29頁，共46頁。第三節(jié) GPS的現(xiàn)代化 第30頁，共46頁。3、GPS的現(xiàn)代化1) 在L1和L2上加發(fā)新的軍用M碼；2) 在L2上加發(fā)民用的 L2C 碼；3) 增加第三民用頻率L5 (1176.45MHZ)；4) 增強抗干擾能力，其中包括提高信號的強度；5) 采用軍民信號分離技術(shù)。第31頁，共46頁。3.2 當前衛(wèi)星導航定位技術(shù)WAAS系統(tǒng) - 廣域差分系統(tǒng)，又稱地基系統(tǒng)該系統(tǒng)是在“差分定位”基礎上發(fā)展起來的，但它不是簡單播發(fā)“偽距差分”信息，而是播發(fā)： 各GPS衛(wèi)星的星歷改正 各GPS衛(wèi)星的鐘差改正 控制區(qū)內(nèi)若干網(wǎng)點的電離層延遲改正參數(shù)第32頁，共4

11、6頁。該系統(tǒng)是：(1) 在全球或地區(qū)內(nèi)布設若干個基準站；(2) 各基準站連續(xù)跟蹤觀測視野內(nèi)的GPS衛(wèi)星；(3) 將觀測數(shù)據(jù)傳送給地面中心站； 中心站連續(xù)進行數(shù)據(jù)處理，計算出以上各差分改正， 然后將差分改正參數(shù)通過網(wǎng)絡系統(tǒng)或通信衛(wèi)星進行 廣播；(6) GPS接收機在觀測衛(wèi)星的同時接收廣域差分改正參數(shù)， 進行定位解算。其碼定位精度可達：水平位置12M ，高程精度可達 2 3 M。第33頁，共46頁。WAAS 示意圖 第34頁，共46頁。目前各主要國家和地區(qū)都已建立或正在建立 WAAS 系統(tǒng)，如美國、歐洲、日本等。中國也已由總參測繪局建立了WAAS系統(tǒng)，并于今年開始運行，其定位精度為 5.00 米。

12、第35頁，共46頁。CROS系統(tǒng) - 連續(xù)運行站網(wǎng)系統(tǒng)該系統(tǒng)是一個高精度定位系統(tǒng)，是在 RTK 基礎上發(fā)展起來的。其基本原理是： 在全球或區(qū)域內(nèi)，布設密集的基準站網(wǎng) 各基準站設置高精度雙頻接收機，24小時連續(xù)運行，觀測 載波相位和偽距 通過網(wǎng)絡，向各用戶提供連續(xù)運行觀測站觀測的載波、相 位和碼距；也可以提供IGS精密衛(wèi)星星歷和預報星歷； 用戶選擇相鄰的三個CORS基準站的觀測數(shù)據(jù)，進行準實 時或后處理 該系統(tǒng)的定位精度可達：水平1.0cm, 高程3.7cm 該系統(tǒng)還可以提供大地高轉(zhuǎn)換成正高的參數(shù)，以進行高程 轉(zhuǎn)換。第36頁，共46頁。我國也準備建立由300多個連續(xù)運行基準點組成的CORS系統(tǒng)。

13、現(xiàn)已由國家地震局、總參測繪局、國家測繪局組成的班子進行論證籌劃。第37頁，共46頁。星基定位系統(tǒng)該系統(tǒng)也是由RTK發(fā)展起來。其特點是：(1) 通過通訊衛(wèi)星Inmarsat廣播差分改正參數(shù)；(2) 其定位精度為15cm 30cm該系統(tǒng)的基本組成和功能為：1) 基準站：在全球建立幾十個（5070）連續(xù)運行基準站，設置高精度雙頻接收機進行連續(xù)觀測。第38頁，共46頁。2) 中心站（2個）所有基準站的觀測數(shù)據(jù)，實時通過 Inmarsat 衛(wèi)星傳送給中心站，中心站根據(jù)各觀測站的數(shù)據(jù)，進行實時計算和預推。計算GPS衛(wèi)星的精密星歷和星歷改正數(shù)、衛(wèi)星鐘差改正數(shù)。 3) 差分改正參數(shù)的廣播差分改正參數(shù)通過 In

14、marsat 衛(wèi)星向全球廣播。其廣播的差分改正參數(shù)為： 衛(wèi)星軌道改正數(shù) 衛(wèi)星鐘差改正參數(shù)第39頁，共46頁。4) 用戶站用戶站必須配有雙頻GPS接收機，既可進行載波相位觀測，偽距觀測；又可接收差分改正數(shù)。5) 用戶定位解算 用衛(wèi)星軌道改正參數(shù)，求得精密星歷坐標和速度 用衛(wèi)星鐘鐘差改正數(shù)，求得準確時間 用雙頻觀測數(shù)據(jù)，計算電離層延遲改正 用模型計算對流層延遲改正第40頁，共46頁。目前國際上，有幾家公司推出上述產(chǎn)品，如： NAVCOM 公司 OmniSTAR 公司 SeaSTAR 系統(tǒng) Skyfix 系統(tǒng) NASA 的 GDGPS 系統(tǒng)定位解算方法觀測數(shù)據(jù)經(jīng)以上修正后，用L1載波相位值進行精確定位，其定位精度可到15厘米。由于采用以上方法，所以開始觀測后，要經(jīng)過一段初始化時間，才能穩(wěn)定達到以上精度。第41頁，共46頁。除了以上幾個外，在以下幾個方面也值得我們關注。 1) 新型接收機的研制據(jù)悉有的公司已開始研制跟蹤觀測L1 C/A和L2 C碼的接收機，可以進行雙頻載波相位和偽碼距離觀測，這樣就可以有效地消除電離層延遲和多路徑效應的影響，大大地提高定位精度。據(jù)說其最好定位精度可以達到1.0毫米，這樣其用途就可極大地擴展。第42頁，共46頁。2) 干擾和抗干擾的研究目前，GPS信號較易受到無線電信號的干擾。如1W的干擾機就能有效地干擾 60 公里內(nèi)的民用GPS