全球定位系統(tǒng)

全球定位系統(tǒng)-GPS

授時(shí)與測(cè)距導(dǎo)航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)(NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem--GPS)：是以人造衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)，可提供高精度、全天候、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位、定時(shí)及導(dǎo)航服務(wù)。GPS補(bǔ)充資料1.GPS定位技術(shù)的興起及特點(diǎn)1957年人造衛(wèi)星發(fā)射成功1958年底，美國(guó)海軍武器實(shí)驗(yàn)室著手建立導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)1964年建成“海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（子午衛(wèi)星系統(tǒng)）”1967年，該系統(tǒng)解密，提供民用導(dǎo)致經(jīng)典大地測(cè)量技術(shù)面臨著變革（衛(wèi)星數(shù)少，高度低，觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，精度低）單點(diǎn)精度3-5米，相對(duì)定位精度1米GPS補(bǔ)充資料GPS系統(tǒng)的出現(xiàn)1973年美國(guó)國(guó)防部組織海陸空三軍，共同研究新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)系統(tǒng)特征NNSSGPS載波頻率（GHz）0.15,0.401.23,1.58衛(wèi)星平均高度（km）約1000約20200衛(wèi)星數(shù)目（顆）5-624（3顆備用）衛(wèi)星運(yùn)行周期（min）107718衛(wèi)星鐘穩(wěn)定度10×-1110×-12GPS補(bǔ)充資料GPS與NNSS的主要特征比較GPS系統(tǒng)的特點(diǎn)全球地面連續(xù)覆蓋，全天候，無(wú)縫隙功能多，精度高。動(dòng)態(tài)提供三維位置，三維速度和時(shí)間信息實(shí)時(shí)定位，及時(shí)提供定位信息應(yīng)用廣泛，用于導(dǎo)航，測(cè)量，資源環(huán)境管理，地球物理研究等領(lǐng)域采用的測(cè)距碼P碼C/A碼單點(diǎn)定位(m)5-1020-40差分定位(m)13-5測(cè)速(m/s)0.0.3測(cè)時(shí)(ns)100500GPS補(bǔ)充資料

GPS實(shí)時(shí)定位，測(cè)速與測(cè)時(shí)精度相對(duì)經(jīng)典測(cè)量技術(shù)特點(diǎn)觀測(cè)站點(diǎn)之間無(wú)需通視定位精度高觀測(cè)時(shí)間短提供三維坐標(biāo)操作簡(jiǎn)便全天候作業(yè)GPS補(bǔ)充資料2.GPS系統(tǒng)由三個(gè)獨(dú)立的部分組成GPS補(bǔ)充資料空間星座部分：21顆工作衛(wèi)星，3顆備用衛(wèi)星（白色）。它們?cè)诟叨?0200km的近圓形軌道上運(yùn)行，分布在六個(gè)軌道面上，軌道傾角55°，兩個(gè)軌道面之間在經(jīng)度上相隔60°，每個(gè)軌道面上布放四顆衛(wèi)星。衛(wèi)星在空間的這種配置，保障了在地球上任意地點(diǎn)，任意時(shí)刻，至少同時(shí)可見(jiàn)到四顆衛(wèi)星。軌道近圓形，平均高度20200km，衛(wèi)星運(yùn)行周期為11小時(shí)58分。同一觀測(cè)站上，每天出現(xiàn)的衛(wèi)星分布圖形相同，只是每天提前4分鐘。

GPS補(bǔ)充資料每顆衛(wèi)星每天平均5小時(shí)在地平線以上，同時(shí)位于地平線以上的衛(wèi)星，隨時(shí)間和地點(diǎn)而異，最少4顆，最多達(dá)到11顆?？臻g部分3顆備用衛(wèi)星，必要時(shí)可以根據(jù)指令代替發(fā)生故障的衛(wèi)星

地面支撐系統(tǒng)：1個(gè)主控站，3個(gè)注入站，5個(gè)監(jiān)測(cè)站。它向GPS導(dǎo)航衛(wèi)星提供一系列描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)及其軌道的參數(shù)；監(jiān)控衛(wèi)星沿著預(yù)定軌道運(yùn)行；保持各顆衛(wèi)星處于GPS時(shí)間系統(tǒng)及監(jiān)控衛(wèi)星上各種設(shè)備是否正常工作等。GPS補(bǔ)充資料

用戶設(shè)備部分：GPS接收機(jī)——接收衛(wèi)星信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到接收機(jī)所在點(diǎn)位的導(dǎo)航和定位信息。通常會(huì)顯示出用戶的位置、速度和時(shí)間。還可顯示一些附加數(shù)據(jù)，如到航路點(diǎn)的距離和航向或提供圖示。GPS補(bǔ)充資料3.美國(guó)政府對(duì)GPS用戶的限制美國(guó)政府在GPS的最初設(shè)計(jì)中，計(jì)劃向社會(huì)提供兩種服務(wù)：精密定位服務(wù)（PPS）和標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS）。精密定位服務(wù)的主要對(duì)象是美國(guó)軍事部門(mén)和其他特許民用部門(mén)。使用C/A碼和雙頻P碼，以消除電離層效應(yīng)的影響，使預(yù)期定位精度達(dá)到10m。標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)的主要對(duì)象是廣大的民間用戶。它只使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的C/A碼單頻接收機(jī)，預(yù)期定位精度只達(dá)到100m左右。GPS補(bǔ)充資料在GPS試驗(yàn)階段，由于提高了衛(wèi)星鐘的穩(wěn)定性和改進(jìn)了衛(wèi)星軌道的測(cè)定精度，使得只利用C/A碼進(jìn)行定位的GPS精度達(dá)到14m，利用P碼的PPS的精度達(dá)到3m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于預(yù)期定位精度。美國(guó)政府考慮到自身的安全，于1991年7月在BlockⅡ衛(wèi)星上實(shí)施SA和AS政策。其目的是降低GPS的定位精度。GPS補(bǔ)充資料SA（SelectiveAvaibility）政策稱為有選擇可用性。它包括在GPS衛(wèi)星基準(zhǔn)頻率上增加了δ技術(shù)和在導(dǎo)航電文上增加ε技術(shù)兩項(xiàng)措施.所謂δ技術(shù),就是對(duì)GPS衛(wèi)星的基準(zhǔn)頻率施加高頻抖動(dòng)噪聲信號(hào),而這種信號(hào)是隨機(jī)的,從而導(dǎo)致測(cè)量出的偽距誤差增大。所謂ε技術(shù)，就是人為的將衛(wèi)星星歷中軌道參數(shù)的精度降低到200m左右。總之，采用這兩項(xiàng)技術(shù)后，使測(cè)量的GPS定位精度降低到原先估計(jì)的誤差水平。AS（Anti-Spoofing）政策稱為反電子欺騙政策。其目的是保護(hù)P碼。它將P碼與更加保密的W碼模2相加形成新的Y碼，實(shí)施AS政策的目的在于防止敵方對(duì)P碼進(jìn)行精密定位，也不能進(jìn)行P碼和C/A碼碼相位測(cè)量的聯(lián)合求解。GPS補(bǔ)充資料實(shí)時(shí)單點(diǎn)定位的精度(平面，m)服務(wù)方式實(shí)施政策spsPpsSAA-SC/APC/AP(Y)關(guān)關(guān)40104010開(kāi)關(guān)100954010開(kāi)開(kāi)100-4010關(guān)開(kāi)40-4010GPS補(bǔ)充資料4.GPS系統(tǒng)定位原理GPS補(bǔ)充資料數(shù)據(jù)，組成3個(gè)方程式，就可以解出觀測(cè)點(diǎn)的位置（X,Y,Z）。考慮到衛(wèi)星的時(shí)鐘與接收機(jī)時(shí)鐘之間的誤差，實(shí)際上有4個(gè)未知數(shù)，X、Y、Z和鐘差，因而需要引入第4顆衛(wèi)星，形成4個(gè)方程式以求解，從而得到觀測(cè)點(diǎn)經(jīng)緯度和高程。

通過(guò)測(cè)量衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間延遲，即可算出用戶到衛(wèi)星的距離。再根據(jù)三維坐標(biāo)中的距離公式，利用3顆衛(wèi)星的GPS補(bǔ)充資料基本測(cè)量工作1、常規(guī)測(cè)量之一（光、機(jī)式）2、常規(guī)測(cè)量之二（光、機(jī)、電式）3、GPS測(cè)量（電子式）4、GPS

技術(shù)使測(cè)地工作發(fā)生重大變革

GPS補(bǔ)充資料三項(xiàng)基本測(cè)量工作1、常規(guī)測(cè)量之一（光、機(jī)式）

長(zhǎng)度——距離丈量——鋼尺（機(jī)械比長(zhǎng)）角度——水平角測(cè)量——經(jīng)緯儀（光機(jī)）高差——水準(zhǔn)測(cè)量——水準(zhǔn)儀（光機(jī)）記錄——手工方式——記錄手簿2、常規(guī)測(cè)量之二（光、機(jī)、電式）——電子全站儀長(zhǎng)度——紅外光電測(cè)距（光電）角度——編碼度盤(pán)（光電）高差——測(cè)距三角高程（光電）記錄——電磁方式GPS補(bǔ)充資料3、GPS測(cè)量（電子式）接收——GPS信號(hào)——基線向量（弦長(zhǎng)、方位角、大地高差）記錄——自動(dòng)4、GPS技術(shù)使測(cè)地工作發(fā)生重大變革

電子式（GPS）光機(jī)電式（全站儀）

光機(jī)式（經(jīng)緯儀）機(jī)械式（鋼尺）

GPS測(cè)地定位原理1、空間距離后方交會(huì)2、GPS的測(cè)距信號(hào)3、GPS系統(tǒng)的組成4、GPS的原子時(shí)系統(tǒng)5、

精確測(cè)時(shí)精確測(cè)距6、生產(chǎn)基線向量的工藝7、GPS測(cè)量的誤差源GPS補(bǔ)充資料

GPS補(bǔ)充資料1、空間距離后方交會(huì)

——

GPS單點(diǎn)定位原理

空間距離方程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

——測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位坐標(biāo)Xi、Yi、Zi——衛(wèi)星星歷（坐標(biāo)）1、1、1——觀測(cè)所得偽距1234S1S3S4S2

（X、Y、Z）

2GPS的測(cè)距信號(hào)GPS補(bǔ)充資料P碼

——

軍用精密導(dǎo)航定位測(cè)距碼

（保密）C/A碼

——捕獲P碼的工具，用于民用導(dǎo)航定位D碼

——數(shù)據(jù)碼L1載波

——頻率1575MHz，運(yùn)載工具。

L2載波

——頻率1227MHz，運(yùn)載工具，電離層延遲探測(cè)工具。

3、GPS衛(wèi)星系統(tǒng)組成星座：24顆GPS衛(wèi)星。分布：

6軌道。運(yùn)行周期：11小時(shí)58分。主要功能：播發(fā)GPS信號(hào)。

L1載波——C/A碼、P1碼、D碼

L2載波——P2碼、D碼

監(jiān)控站…...主控站監(jiān)控站注入站GPS補(bǔ)充資料4、GPS的原子時(shí)系統(tǒng)GPS是基于精密測(cè)時(shí)的定位系統(tǒng)。精密的時(shí)間系統(tǒng)是GPS的基礎(chǔ)。時(shí)間系統(tǒng)包含時(shí)間尺度、時(shí)間原點(diǎn)與計(jì)時(shí)方式。GPS采用原子時(shí)為尺度、以1980年1月6日0時(shí)為原點(diǎn)、以周與周秒的方式計(jì)時(shí)。時(shí)刻是時(shí)間坐標(biāo)點(diǎn)。UTC是協(xié)調(diào)世界時(shí)，其時(shí)間尺度為原子時(shí)、其時(shí)間原點(diǎn)（格林威治）、計(jì)時(shí)方式（年月日、時(shí)分秒）與世界時(shí)一致。世界時(shí)與UTC時(shí)是GPS的實(shí)用參考。GPS補(bǔ)充資料5、

GPS以精確測(cè)時(shí)實(shí)現(xiàn)精確測(cè)距

——碼相位測(cè)距原理C/A碼是偽隨機(jī)二進(jìn)制碼，也是衛(wèi)星的標(biāo)識(shí)符（碼分多址）。在接收機(jī)上可同步復(fù)制與衛(wèi)星同結(jié)構(gòu)的C/A碼，比對(duì)測(cè)時(shí)。GPS補(bǔ)充資料復(fù)制來(lái)自衛(wèi)星t復(fù)制碼與接收來(lái)自衛(wèi)星的C/A碼比對(duì)基于時(shí)間同步。碼相位測(cè)距類似于脈沖式光電測(cè)距。P碼測(cè)距與C/A碼測(cè)距原理相同——碼相位式。t——信號(hào)傳播時(shí)間站星距離——

=ct5、

GPS以精確測(cè)時(shí)實(shí)現(xiàn)精確測(cè)距

——載波相位測(cè)距原理

GPS有兩種載波：L1（1575MHz）、L2（1227MHz），均屬余弦波。在接收機(jī)上可同步復(fù)制與衛(wèi)星同結(jié)構(gòu)的L1、L2

載波。GPS補(bǔ)充資料復(fù)制來(lái)自衛(wèi)星復(fù)制波與接收來(lái)自衛(wèi)星的測(cè)距波比對(duì)基于時(shí)間同步。載波相位測(cè)距類似于相位式光電測(cè)距。L1載波測(cè)距與L2載波測(cè)距原理相同——載波相位式。

6、同步觀測(cè)是生產(chǎn)基線向量的工藝相對(duì)定位至少需要使用兩臺(tái)（多則不限）接收機(jī)同步觀測(cè)，觀測(cè)處理后的成果是基線向量。觀測(cè)中要求各接收機(jī)的采樣率一致，這是時(shí)間同步的體現(xiàn)。GPS補(bǔ)充資料

BAGPS補(bǔ)充資料7、

GPS測(cè)量的誤差源衛(wèi)星鐘差——某時(shí)刻原子鐘與GPS時(shí)之差（系統(tǒng)誤差）

星歷誤差——衛(wèi)星軌道誤差（系統(tǒng)誤差）

接收機(jī)鐘差——某時(shí)刻石英鐘與GPS時(shí)之差（系統(tǒng)誤差）

操作誤差——對(duì)中、整平、量天線高（隨機(jī)誤差）強(qiáng)電波干擾——廣播發(fā)射臺(tái)、強(qiáng)輻射源（系統(tǒng)性、隨機(jī)性）電離層、對(duì)流層延遲——群折射路徑延長(zhǎng)（系統(tǒng)誤差）

多路徑效應(yīng)影響——多路反射波（系統(tǒng)誤差）GPS測(cè)量的誤差源多數(shù)表現(xiàn)出系統(tǒng)性特點(diǎn)GPS補(bǔ)充資料8、

消減GPS測(cè)量誤差的對(duì)策系統(tǒng)誤差對(duì)策求差（單差、雙差）法：

消除衛(wèi)星與接收機(jī)的鐘差消減星歷誤差、電離層與對(duì)流層延遲模型改正法：衛(wèi)星鐘差改正模型——利用D碼中有關(guān)信息電離層改正模型——利用D碼中有關(guān)信息、L2觀測(cè)量對(duì)流層改正模型——利用氣象數(shù)據(jù)硬件屏蔽法：扼流圈天線、抑徑盤(pán)——消減多路徑影響選點(diǎn)回避法：遠(yuǎn)離干擾源、反射源隨機(jī)誤差對(duì)策精心操作：對(duì)中、整平、量天線高多余觀測(cè)：復(fù)測(cè)基線、多時(shí)段觀測(cè)、延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間GPS補(bǔ)充資料5.常用GPS測(cè)量模式

GPS補(bǔ)充資料常規(guī)靜態(tài)測(cè)量：采用兩臺(tái)(或兩臺(tái)以上)GPS接收機(jī)，分別安置在一條或數(shù)條基線的兩端，同步觀測(cè)4顆以上衛(wèi)星，每時(shí)段根據(jù)基線長(zhǎng)度和測(cè)量等級(jí)觀測(cè)45分鐘以上的時(shí)間。常用于建立全球性或國(guó)家級(jí)大地控制網(wǎng)、地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)。

快速靜態(tài)測(cè)量：這種模式是在一個(gè)已知測(cè)站上安置一臺(tái)GPS接收機(jī)作為基準(zhǔn)站，連續(xù)跟蹤所有可見(jiàn)衛(wèi)星。移動(dòng)站接收機(jī)依次到各待測(cè)測(cè)站，每測(cè)站觀測(cè)數(shù)分鐘。這種模式常用于控制網(wǎng)的建立及其加密、工程測(cè)量、地籍測(cè)量等。這種方法要求在觀測(cè)時(shí)段內(nèi)確保有5顆以上衛(wèi)星可供觀測(cè)；流動(dòng)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)相距應(yīng)不超過(guò)20km。靜態(tài)測(cè)量模式GPS補(bǔ)充資料準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量

在一已知測(cè)站上安置一臺(tái)GPS接收機(jī)作為基準(zhǔn)站，連續(xù)跟蹤所有可見(jiàn)衛(wèi)星。移動(dòng)站接收機(jī)在進(jìn)行初始化后依次到各待測(cè)測(cè)站，每測(cè)站觀測(cè)幾個(gè)歷元數(shù)據(jù)。這種方法不同于快速靜態(tài)，除觀測(cè)時(shí)間不一樣外，它要求移動(dòng)站在搬站過(guò)程中不能失鎖，并且需要先在已知點(diǎn)或用其它方式進(jìn)行初始化（采用有OTF功能的軟件處理時(shí)例外）。

這種模式可用于開(kāi)闊地區(qū)的加密控制測(cè)量、工程定位及碎部測(cè)量、剖面測(cè)量及線路測(cè)量等。要求在觀測(cè)時(shí)段內(nèi)確保有5顆以上衛(wèi)星可供觀測(cè)；流動(dòng)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)相距應(yīng)不超過(guò)20km。動(dòng)態(tài)測(cè)量模式GPS補(bǔ)充資料實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量：DGPS和RTK

在一個(gè)已知測(cè)站上架設(shè)GPS基準(zhǔn)站接收機(jī)和數(shù)據(jù)鏈，連續(xù)跟蹤所有可見(jiàn)衛(wèi)星，并通過(guò)數(shù)據(jù)鏈向移動(dòng)站發(fā)送數(shù)據(jù)。移動(dòng)站接收機(jī)通過(guò)移動(dòng)站數(shù)據(jù)鏈接收基準(zhǔn)站發(fā)射來(lái)的數(shù)據(jù)，并在機(jī)進(jìn)行處理，從而實(shí)時(shí)得到移動(dòng)站的高精度位置。DGPS通常叫做實(shí)時(shí)差分測(cè)量，精度為亞米級(jí)到米級(jí)，這種方式是基準(zhǔn)站將基準(zhǔn)站上測(cè)量得到的RTCM數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)揭苿?dòng)站，移動(dòng)站接收到RTCM數(shù)據(jù)后，自動(dòng)進(jìn)行解算，得到經(jīng)差分改正以后的坐標(biāo)。

RTK則是以載波相位觀測(cè)量為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分GPS測(cè)量，它是GPS測(cè)量技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)新突破。它的工作思路與DGPS相似，只不過(guò)是基準(zhǔn)站將觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到移動(dòng)站（而不是發(fā)射RTCM數(shù)據(jù)），移動(dòng)站接收機(jī)再采用更先進(jìn)的在機(jī)處理方法進(jìn)行處理，從而得到精度比DGPS高得多的實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果。這種方法的精度一般為2cm左右。GPS測(cè)地作業(yè)模式1、什么是整周模糊度2、GPS測(cè)地應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)3、靜態(tài)與快速靜態(tài)模式4、準(zhǔn)動(dòng)態(tài)與動(dòng)態(tài)模式5、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）模式6、基線向量的數(shù)學(xué)描述7、GPS基線向量的解算8、基線質(zhì)量可靠性檢核GPS補(bǔ)充資料1、什么是整周模糊度

載波相位觀測(cè)量(t0)={(t0)/(2)+N}

(t1)=

{(t1)/(2)+I(t1)+N}

——波長(zhǎng)I(t1)——整周計(jì)數(shù)N——整周模糊度GPS補(bǔ)充資料S(t0)S(t1)

N

N

(整周模糊度)(t0)(t1)I(t1)GPS補(bǔ)充資料2、求解整周模糊度

——GPS測(cè)地應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

途徑有二：（1）設(shè)計(jì)作業(yè)模式：靜態(tài)、偽靜態(tài)、準(zhǔn)動(dòng)態(tài)（2）研究有效的算法：求差法

整周模糊度快速逼近技術(shù)（FARA）

OTF算法

作業(yè)模式與算法兩條腿走路相輔相成3、靜態(tài)與快速靜態(tài)模式

同步圖形GPS補(bǔ)充資料兩臺(tái)接收機(jī)

n=2

三臺(tái)

n=3五臺(tái)

n=5

全組合基線數(shù)四臺(tái)N={n(n-1)}/2n=4靜態(tài)與快速靜態(tài)模式的特點(diǎn)靜態(tài)模式整周模糊度作為未知數(shù)的經(jīng)典算法用于各等級(jí)控制測(cè)量，高精度測(cè)量快速靜態(tài)整周模糊度快速逼近技術(shù)（FARA）適宜于短基線，一般控制測(cè)量注意檢查其可靠性GPS補(bǔ)充資料

4、準(zhǔn)動(dòng)態(tài)與動(dòng)態(tài)模式

作業(yè)模式GPS補(bǔ)充資料基準(zhǔn)站已知點(diǎn)1

23流動(dòng)站

已知基線反求整周模糊度準(zhǔn)動(dòng)態(tài)與動(dòng)態(tài)模式的特點(diǎn)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)與動(dòng)態(tài)利用已知基線反求整周模糊度流動(dòng)站對(duì)環(huán)境條件要求較高準(zhǔn)動(dòng)態(tài)屬走走停停式，用于