全球定位系統(tǒng)GPS及其應(yīng)用-精確農(nóng)業(yè)-課件-02

精確農(nóng)業(yè)概論

PrecisionAgricultureconspectus

第二章全球定位系統(tǒng)GPS及其應(yīng)用

1999年3月27日，北約部隊(duì)一架F-117A隱形戰(zhàn)斗機(jī)被南聯(lián)盟防空部隊(duì)擊落。飛行員跳傘后在腳觸地的一剎那，通過手持型信號(hào)發(fā)射器發(fā)出緊急呼救信號(hào)，當(dāng)間諜衛(wèi)星把呼救信號(hào)傳送到北約空襲南聯(lián)盟指揮所后，美軍立即安排了救援行動(dòng)。6小時(shí)后，當(dāng)一架EA-6B電子干擾機(jī)發(fā)現(xiàn)飛行員的準(zhǔn)確位置時(shí)，一架MH-6oG搜索與救援直升機(jī)降落在飛行員面前，把飛行員接上直升機(jī)并安全返回基地。飛行員發(fā)出的呼救信號(hào)是(）A.GIS系統(tǒng)信號(hào)B.GPS系統(tǒng)信號(hào)C.RS系統(tǒng)信號(hào)D.以上都不對B在伊拉克戰(zhàn)爭中，曾經(jīng)有記者問一位飛行員：“你知道去轟炸哪個(gè)城市嗎？”

飛行員回答：“不知道。”“那你怎么去轟炸呢？”

“容易，上級給我一個(gè)坐標(biāo)，我按計(jì)算機(jī)的指引，投下采用GPS導(dǎo)航的炸彈掉頭就走，跟我玩游戲機(jī)沒什么兩樣?！?/p>

這個(gè)例子是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中引用GPS系統(tǒng)的典型案例。我們反對戰(zhàn)爭，但要想能更好的維護(hù)世界和平，我們也需要了解GPS——全球定位系統(tǒng)這種現(xiàn)代地理信息技術(shù)。全球定位系統(tǒng)(GPS)，是隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展而建立起來的新一代精密衛(wèi)星定位系統(tǒng)。本章主要介紹該系統(tǒng)的發(fā)展歷史及其特點(diǎn)、系統(tǒng)的組成概況、系統(tǒng)定位原理以及GPS的接收原理與應(yīng)用。1.全球定位系統(tǒng)概述全球定位系統(tǒng)含義GPS是英文GlobalPositioningSystem的縮寫，即全球定位系統(tǒng)，它是利用由導(dǎo)航衛(wèi)星構(gòu)成的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，進(jìn)行測時(shí)和測距。GPS能對靜態(tài)、動(dòng)態(tài)對象進(jìn)行動(dòng)態(tài)空間信息的獲取，快速、精度均勻、不受天氣和時(shí)間的限制反饋空間信息。隨著信息技術(shù)的發(fā)展,GPS已經(jīng)成為定位和導(dǎo)航的一種嶄新的手段，它在導(dǎo)航、測繪、地學(xué)、交通、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。全球定位系統(tǒng)的發(fā)展歷史1957年世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功，40年來，人造地球衛(wèi)星技術(shù)在通信、氣象、資源勘察、導(dǎo)航、遙感、大地測量、地球動(dòng)力學(xué)、天文學(xué)和軍事科學(xué)等眾多領(lǐng)域，得到了極廣泛應(yīng)用。人造地球衛(wèi)星的出現(xiàn)，首先引起了各國軍事部門的高度重視。1958年底，美國海軍武器實(shí)驗(yàn)室，開始著手建立為美國海軍艦艇導(dǎo)航的衛(wèi)星系統(tǒng)，即“海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)”（NavyNavigationSatelliteSystem—NNSS）。由于該系統(tǒng)衛(wèi)星都通過地極，也稱“子午（Transit）衛(wèi)星系統(tǒng)”。1964年該系統(tǒng)建成，并在美國軍方啟用。1967年美國政府批準(zhǔn)該系統(tǒng)解密，提供民用。該系統(tǒng)不受氣象條件的限制，自動(dòng)化程度高，具有良好的定位精度。盡管NNSS在導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展中具有劃時(shí)代的意義，但由于該系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)目少（5-6顆），運(yùn)行軌道低（1000km）,觀測時(shí)間長（1.5小時(shí)），無法提供連續(xù)實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航，同時(shí)獲得一次導(dǎo)航解的時(shí)間長，難以滿足軍事要求，尤其是高動(dòng)態(tài)目標(biāo)（飛機(jī)、導(dǎo)彈等）導(dǎo)航要求。而從大地測量看，定位速度慢，一個(gè)測站一般平均觀測1-2天；精度低，單點(diǎn)定位精度3-5m，相對定位精度1m，使得在大地測量和地球動(dòng)力學(xué)研究方面的應(yīng)用，也受到很大限制。為滿足軍事和民用對連續(xù)實(shí)時(shí)和三維導(dǎo)航的迫切要求，1973年美國國防部開始組織陸?？杖?，共同研究建立新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的計(jì)劃，這就是目前所稱的“導(dǎo)航衛(wèi)星授時(shí)測距/全球定位系統(tǒng)”（NavigationSatelliteTimingandranging/GlobalPositioningSystem）簡稱全球定位系統(tǒng)（GPS）。為使GPS具有高精度連續(xù)實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航和定位能力，以及良好的抗干擾性能，在設(shè)計(jì)上采取了若干改善措施。GPS實(shí)施計(jì)劃共分三個(gè)階段：第一階段為方案論證和初步設(shè)計(jì)階段。從1973年到1978年，共發(fā)射了4顆試驗(yàn)衛(wèi)星。研制了地面接收機(jī)及建立地面跟蹤網(wǎng)。第二階段為全面研制和試驗(yàn)階段。從1979年到1988年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗(yàn)衛(wèi)星，研制了各種用途接收機(jī)。實(shí)驗(yàn)表明，GPS定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。第三階段為實(shí)用組網(wǎng)階段。1989年2月第一顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功，表明GPS系統(tǒng)進(jìn)入工程建設(shè)階段。1993年底實(shí)用的GPS網(wǎng)即（21+3）GPS星座已經(jīng)建成，今后將根據(jù)計(jì)劃更換失效的衛(wèi)星。美國政府的GPS政策SPS與PPSSPS–標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)，使用C/A碼，民用PPS–精密定位服務(wù)，可使用P碼，軍用SA（已于2000年5月1日取消）SelectiveAvailability–選擇可用性：人為降低普通用戶的測量精度。方法ε技術(shù)：軌道加繞（長周期，慢變化）δ技術(shù)：星鐘加繞（高頻抖動(dòng)，短周期，快變化）AS–Anti-Spoofing反電子欺騙–P碼加密，P+W->Y其他獨(dú)立衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)

GLONASS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)

EGNOS系統(tǒng)

Galileo系統(tǒng)北斗系統(tǒng)：我國的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)類似于GPS，是俄羅斯以空間為基礎(chǔ)的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)；其前身CICADA與子午系統(tǒng)同期，于1965年設(shè)計(jì)，有12顆衛(wèi)星；20世紀(jì)70年代中期開始啟動(dòng)GLONASS計(jì)劃1982年10月12日發(fā)射第一顆GLONASS衛(wèi)星1996年1月18日，完成24顆衛(wèi)星的布局，衛(wèi)星具備完全工作能力由于經(jīng)濟(jì)原因，現(xiàn)在天空上的GLONASS衛(wèi)星僅為8顆。GLONASS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GLONASSGPSGLONASS衛(wèi)星星座21+321+3軌道平面6個(gè)軌道面3個(gè)軌道面軌道傾角55。64.8。軌道高度20,200km19,123km運(yùn)行周期11小時(shí)58分鐘11小時(shí)15分鐘星歷數(shù)據(jù)軌道開普勒根數(shù)地心直角坐標(biāo)衛(wèi)星尋址CDMA（碼分多址）不同的衛(wèi)星采用不同的PRN碼加以區(qū)分FDMA（頻分多址）（L1）1602+k?/16MHz（L2）1246+k?/16MHz載波頻率L1：1575.42MHzL2：1227.6MHz1602.5625MHz~1615.5MHz1246.4375MHz~1256.5MHz基準(zhǔn)坐標(biāo)系WGS-84PZ-90測距碼偽隨機(jī)噪聲碼偽隨機(jī)噪聲碼碼元數(shù)1023bit511bit碼周期1ms1ms碼頻率1.023MHz0.511MHz時(shí)間基準(zhǔn)GPS時(shí)統(tǒng)，與UTC保持一定的差值，無跳秒GLONASS時(shí)統(tǒng)，經(jīng)常調(diào)整與UTC保持一致，有跳秒導(dǎo)航電文37500bits，持續(xù)750秒7500bits，持續(xù)150秒GPS/GLONASS系統(tǒng)參數(shù)比較EGNOS系統(tǒng)歐洲國家正在歐洲空間局（EuropeanSpaceAgency—ESA）的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下，發(fā)展歐洲自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。這是一個(gè)基于GPS，采用Inmarsat地球靜止通信衛(wèi)星作為數(shù)據(jù)鏈的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（EGNOS），也是一種以民用為主的衛(wèi)星定位系統(tǒng)（簡稱NAVSAT）。該系統(tǒng)計(jì)劃包括6顆地球同步衛(wèi)星和12顆高橢圓軌道衛(wèi)星。它具有測距服務(wù)、完善性廣播和差分修正等三種功能，計(jì)劃于2002年實(shí)現(xiàn)全運(yùn)行能力，屆時(shí)可以向歐洲范圍提供航空、航海及陸上導(dǎo)航服務(wù)。背景：GLONASS在軌衛(wèi)星缺失，GPS獨(dú)霸市場

GLONASS、GPS均由軍方控制歐盟：要建立國際民間控制的或歐盟自己的民用導(dǎo)航系統(tǒng)特點(diǎn)：共享的獨(dú)立于GPS的無增強(qiáng)條件下的適于海陸空的系統(tǒng)。參股共建，收費(fèi)。階段：（一）2000年前，可行性評估或定義（二）2001~2005，開發(fā)和檢測（三）2006~2007，部署（四）2008，商業(yè)運(yùn)行Galileo系統(tǒng)歐盟為何重視伽利略計(jì)劃首先，打破美國在這方面的壟斷地位，為歐盟贏得可觀的市場份額。權(quán)威部門預(yù)計(jì)：伽利略計(jì)劃將為歐盟創(chuàng)造15萬個(gè)高技術(shù)含量的就業(yè)崗位；每年經(jīng)濟(jì)收益有100億歐元之多；僅出售航空和航海終端設(shè)備一項(xiàng)就可在2008年至2020年將獲得150億歐元收入。第二，歐盟開發(fā)此項(xiàng)目可為歐盟現(xiàn)在極力提倡的歐洲共同安全防御政策服務(wù)。第三，歐盟認(rèn)為，沒有科技上的領(lǐng)先地位，歐盟在將來許多事務(wù)中就沒有主導(dǎo)權(quán)。

主要面臨的困難：投資巨大：“伽利略系統(tǒng)”高達(dá)36億歐元的造價(jià)美國政府的極力反對：美國的干擾在一定程度上推遲了“伽利略”計(jì)劃的通過各國的態(tài)度:

美國：美國說“伽利略”是個(gè)很壞的計(jì)劃法國：對美國的壟斷感到不滿德國、荷蘭、英國：經(jīng)濟(jì)歷程：阿基米德-GEO-HEO-MEO-LEO---GalileoGalileo計(jì)劃的歷程伽利略計(jì)劃的資金預(yù)計(jì)為32億到36億歐元系統(tǒng)由30顆高軌道衛(wèi)星組成，分布在軌道高度為2.4萬千米、傾角為56度的3個(gè)軌道面上?；A(chǔ)設(shè)施包括天基和地基兩部分。衛(wèi)星將為用戶提供精確的時(shí)間和誤差不超過一米的全球精確定位服務(wù)，與美國GPS和俄羅斯的GLONASS爭奪市場。Galileo計(jì)劃的概況北斗系統(tǒng)目的：快速定位、實(shí)時(shí)導(dǎo)航，簡短通訊，精密授時(shí)由兩顆地球同步軌道衛(wèi)星組成星座，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)簡單定位工作主要在中心站完成，屬于主動(dòng)式導(dǎo)航定位系統(tǒng)；二維導(dǎo)航和定位，高程結(jié)果需要由其他途徑獲得；主要的優(yōu)勢在于軍用、通訊、集團(tuán)用戶的調(diào)度和派遣。北斗系統(tǒng)定位的特點(diǎn)地面中心站用戶S1S2DS1DS2D1D2美國太空評論網(wǎng)2009年2月中旬刊載紐約記者泰勒·迪納曼文章稱，考慮到席卷全球的經(jīng)濟(jì)危機(jī)及歐盟方面決策和預(yù)算編制效率的低下，中國“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可能會(huì)先于“伽利略”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行。而且，中國“北斗”的精度或許能夠與美國GPS相媲美，而“伽利略”則很難達(dá)到這一水平。中國“北斗”定位導(dǎo)航系統(tǒng)示意圖

“北斗”衛(wèi)星的戰(zhàn)略運(yùn)用GPS定位系統(tǒng)的特點(diǎn)GPS相對于其它導(dǎo)航與定位系統(tǒng)的特點(diǎn)全球地面連續(xù)覆蓋

由于GPS衛(wèi)星的數(shù)目較多且分布合理，所以地球上任何地點(diǎn)均可連續(xù)同步地觀測到至少4顆衛(wèi)星，從而保障了全球、全天候連續(xù)地實(shí)時(shí)導(dǎo)航與定位。功能多，精度高

GPS可為各類用戶連續(xù)地提供動(dòng)態(tài)目標(biāo)的三維位置，三維速度和時(shí)間信息。隨著GPS測量技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，其定位、測速和測時(shí)的精度將進(jìn)一步提高。實(shí)時(shí)定位速度快

利用全球定位系統(tǒng)一次定位和測速工作在一秒至數(shù)秒鐘內(nèi)便可完成（NNSS約需8-10分鐘），這對高動(dòng)態(tài)用戶來說尤為重要。被動(dòng)式全天候?qū)Ш蕉ㄎ?/p>

這種導(dǎo)航定位不僅隱蔽性好，而且可以容納無數(shù)多用戶?？垢蓴_性能好，保密性強(qiáng)

由于GPS采用了數(shù)字通訊的特殊編碼技術(shù)，即偽隨機(jī)噪聲碼技術(shù)，因而GPS衛(wèi)星所發(fā)送的信號(hào)，具有良好的抗干擾性和保密性。GPS應(yīng)用于測量的特點(diǎn)幾種定位方法的精度比較觀測站之間無需通視GPS測量不要求觀測站之間相互通視，因而不再需要建造坐標(biāo)，同時(shí)也使點(diǎn)位的選擇變得甚為靈活。定位精度高觀測時(shí)間短目前完成一條基線的精密相對定位所需要的觀測時(shí)間，根據(jù)要求的精度不同一般約為1~3小時(shí)，為了進(jìn)一步縮短觀測時(shí)間，提高作業(yè)速度，對于快速定位方法的研究正受到廣泛的重視。近年來發(fā)展的短基線（例如不超過20km）快速相對定位法，其觀測時(shí)間僅需數(shù)分鐘。提供三維坐標(biāo)GPS測量在精確測定觀測站平面位置的同時(shí)，可以精確測定觀測站的大地高程。操作簡單GPS測量的自動(dòng)化程度很高，在觀測中測量員的主要任務(wù)只是安裝并開關(guān)儀器、量取儀器和監(jiān)視儀器的工作狀態(tài)，而其它觀測工作如衛(wèi)星的捕獲、跟蹤觀測等均由儀器自動(dòng)完成。全天候作業(yè)觀測工作可以在任何地點(diǎn)、時(shí)間連續(xù)地進(jìn)行，一般不受天氣狀況的影響。2.GPS的組成概況全球定位系統(tǒng)（GPS）主要有三大組成部分，即由GPS衛(wèi)星組成的空間部分、由若干地面站組成的控制部分和以接收機(jī)為主體的用戶設(shè)備部分。三者有各自獨(dú)立的功能和作用，但又是有機(jī)地配合而缺一不可的整體系統(tǒng)。空間部分GPS空間衛(wèi)星星座的構(gòu)成全球定位系統(tǒng)的空間衛(wèi)星星座，由24顆衛(wèi)星組成，其中包括3顆備用衛(wèi)星。衛(wèi)星分布在6個(gè)軌道面內(nèi)，每個(gè)軌道面上分布有4顆衛(wèi)星。衛(wèi)星軌道面相對地球赤道面的傾角約為55o，各軌道平面升交點(diǎn)（與赤道的交點(diǎn)）之間的赤經(jīng)相差60o。相鄰軌道之間的衛(wèi)星還要彼此叉開40o。軌道平均高度約為20200km，衛(wèi)星運(yùn)行周期為11小時(shí)58分。因此，同一觀測站上，每天出現(xiàn)的衛(wèi)星分布圖形相同，只是每天提前約4分鐘。每顆衛(wèi)星每天約有5個(gè)小時(shí)在地平線以上，同時(shí)位于地平線以上的衛(wèi)星數(shù)目，隨時(shí)間和地點(diǎn)而異，最少為4顆，最多可達(dá)11顆。55。GPS衛(wèi)星在空間的上述配置，保障了在地球上任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻均至少可以同時(shí)觀測到4顆衛(wèi)星，加之衛(wèi)星信號(hào)的傳播和接收不受天氣的影響，因此GPS是一種全球性、全天候的連續(xù)實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)。不過也應(yīng)指出，GPS衛(wèi)星的上述分布，在個(gè)別地區(qū)仍可能在某一短時(shí)間內(nèi)（例如數(shù)分鐘），只能觀測到4顆圖形結(jié)構(gòu)較差的衛(wèi)星，因此無法達(dá)到必要的定位精度?？臻g部分的3顆備用衛(wèi)星，可在必要時(shí)根據(jù)指令代替發(fā)生故障的衛(wèi)星，這對于保障GPS空間部分正常而高效地工作是極其重要的。迄今，GPS衛(wèi)星已設(shè)計(jì)了三代，分別為BlockI、BlockⅡ和BlockⅢ。第一代(Blockl)衛(wèi)星，用于全球定位系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，通常稱為GPS實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。這一代衛(wèi)星共研制和發(fā)射了1l顆，衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命為5年，衛(wèi)星分布在兩個(gè)軌道面內(nèi)，軌道傾角約為63o，現(xiàn)已停止工作。第二代(BlockⅡ，ⅡA)衛(wèi)星用于組成的GPS工作衛(wèi)星星座，通常稱為GPS作衛(wèi)星。第二代衛(wèi)星共研制了28顆，衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命為7.5年，從1989年初開始，至1994年上半年已發(fā)射完畢。第三代(BlockⅡR，ⅡF)衛(wèi)星90年代末期發(fā)射，以取代第二代衛(wèi)星，改善全球定位系統(tǒng)。GPS衛(wèi)星概況GPS衛(wèi)星及其功能GPS衛(wèi)星的主體呈圓柱形，直徑約為1.5m，重約774kg（包括310kg燃料），兩側(cè)設(shè)有兩塊雙葉太陽能板，能自動(dòng)對日定向，以保證衛(wèi)星正常工作用電。每顆衛(wèi)星裝有4臺(tái)高精度原子鐘（2臺(tái)銣鐘和2臺(tái)銫鐘），這是衛(wèi)星的核心設(shè)備。它將發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)，為GPS定位提供高精度的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。一般來說，在衛(wèi)星大地測量學(xué)和大地重力學(xué)中，或者把人造地球衛(wèi)星作為一個(gè)高空觀測目標(biāo)，通過測定用戶接收機(jī)與衛(wèi)星之間的距離，或距離差來完成定位任務(wù)；或者把衛(wèi)星作為一個(gè)傳感器，通過觀測衛(wèi)星運(yùn)行軌道的攝動(dòng)，來研究地球重力場的影響和模型。不過，對于后一種應(yīng)用，通常要求衛(wèi)星軌道較低，而GPS衛(wèi)星的軌道高度平均達(dá)20200km，對地球重力異常的反應(yīng)靈敏度較低。所以它主要是作為具有精確位置信息的高空目標(biāo)，被廣泛地用于導(dǎo)航和測量。多波束定向天線，這是一種由12個(gè)單元構(gòu)成的成形波束螺旋天線陣，能發(fā)射L1和L2波段的信號(hào)，其波束方向圖能覆蓋約半個(gè)地球。雙葉對日定向太陽能電池帆板，全長5.33m，接受日光面積7.2m2。GPS衛(wèi)星結(jié)構(gòu)采用鋁蜂巢結(jié)構(gòu)，主體呈柱形，直徑1.5m。在星體兩端面上裝有全向遙測遙控天線，用于與地面監(jiān)控網(wǎng)通信。GPS衛(wèi)星的基本功能接收和存儲(chǔ)由地面監(jiān)控站發(fā)來的導(dǎo)航信息，接收并執(zhí)行監(jiān)控站的控制指令。利用衛(wèi)星上的微處理機(jī)，對部分必要的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通過星載的原子鐘提供精密的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。向用戶發(fā)送定位信息。在地面監(jiān)控站的指令下，通過推進(jìn)器調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)和啟用備用衛(wèi)星。地面監(jiān)控部分GPS的地面監(jiān)控部分，目前主要由分布在全球的5個(gè)地面站所組成，其中包括衛(wèi)星監(jiān)測站、主控站和信息注入站。

監(jiān)測站現(xiàn)有5個(gè)地面站均具有監(jiān)測站的功能。監(jiān)測站，是在主控站直接控制下的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集中心。站內(nèi)設(shè)有雙頻GPS接收機(jī)、高精度原子鐘、計(jì)算機(jī)各一臺(tái)和若干臺(tái)環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器。接收機(jī)對GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測，以采集數(shù)據(jù)和監(jiān)測衛(wèi)星的工作狀況。原子鐘提供時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，而環(huán)境傳感器收集有關(guān)當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)。所有觀測資料由計(jì)算機(jī)進(jìn)行初步處理，并存儲(chǔ)和傳送到主控站，用以確定衛(wèi)星的軌道。主控站主控站一個(gè)，設(shè)在科羅拉多（ColoradoSprings）。主控站除協(xié)調(diào)和管理地面監(jiān)控系統(tǒng)的工作外，其主要任務(wù)是:根據(jù)本站和其它監(jiān)測站的所有觀測資料，推算編制各衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星鐘差和大氣層的修正參數(shù)等，并把這些數(shù)據(jù)傳送到注入站。提供全球定位系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)。各監(jiān)測站和GPS衛(wèi)星的原于鐘，均應(yīng)與主控站的原子鐘同步，或測出其間的鐘差，并把這些鐘差信息編入導(dǎo)航電文，送到注入站。調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星，使之沿預(yù)定的軌道運(yùn)行。啟用備用衛(wèi)星以代替失效的工作衛(wèi)星。注入站注入站現(xiàn)有3個(gè)，分別設(shè)在印度洋的迭哥加西亞(DiegoGarcia)；南大西洋的阿松森島(Ascencion)和南太平洋的卡瓦加蘭(Kwajalein)。注入站的主要設(shè)備，包括二臺(tái)直徑為3.6m的天線、一臺(tái)C波段發(fā)射機(jī)和一臺(tái)計(jì)算機(jī)。其主要任務(wù)是在主控站的控制下，將主控站推算和編制的衛(wèi)星星歷、鐘差、導(dǎo)航電文和其它控制指令等，注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲(chǔ)系統(tǒng)，并監(jiān)測注入信息的正確性。整個(gè)GPS的地面監(jiān)控部分，除主控站外均無人值守。各站間用現(xiàn)代化的通信網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來，在原子鐘和計(jì)算機(jī)的驅(qū)動(dòng)和精確控制下，各項(xiàng)工作實(shí)現(xiàn)了高度的自動(dòng)化和標(biāo)準(zhǔn)化。數(shù)據(jù)處理機(jī)銫鐘氣象傳感器調(diào)制解調(diào)器接收機(jī)觀測星歷與時(shí)鐘計(jì)算誤差編算注入導(dǎo)航電文調(diào)制解調(diào)器數(shù)據(jù)處理機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和外部設(shè)備指令發(fā)生器指令發(fā)生器用戶設(shè)備部分全球定位系統(tǒng)的空間部分和地面監(jiān)控部分，是用戶應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行定位的基礎(chǔ)，而用戶只有通過用戶設(shè)備，才能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用GPS定位的目的。用戶設(shè)備的主要任務(wù)是，接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號(hào)，以獲得必要的定位信息及觀測量，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理而完成定位工作。根據(jù)GPS用戶的不同要求，所需的接收設(shè)備各異。隨著GPS定位技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的日益擴(kuò)大，許多國家都在積極研制、開發(fā)適用于不同要求的GPS接收機(jī)及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件。

用戶設(shè)備，主要由GPS接收機(jī)硬件和數(shù)據(jù)處理軟件，以及微處理機(jī)及其終端設(shè)備組成，而GPS接收機(jī)的硬件，一般包括主機(jī)、天線和電源。目前，國際上適于測量工作的GPS接收機(jī)，已有眾多產(chǎn)品問世，且產(chǎn)品的更新很快。在我國，許多測量單位也擁有了一些不同型號(hào)的GPS接收機(jī)。精密型掌上型航海型晶片型手表型GPS模組3.全球定位系統(tǒng)的定位原理GPS的定位原理

GPS的定位原理比較復(fù)雜，一般可分為絕對定位法與相對定位法兩種。絕對定位法即利用GPS確定用戶接收機(jī)天線在WGS84中的絕對位置，它廣泛地應(yīng)用于導(dǎo)航和大地測量中的單點(diǎn)定位工作。絕對定位也叫單點(diǎn)定位，通常是指在協(xié)議地球坐標(biāo)系中，直接確定觀測站相對于坐標(biāo)系原點(diǎn)(地球質(zhì)心)絕對坐標(biāo)的一種定位方法?！敖^對”一詞主要是為了區(qū)別下面要講的相對定位法。絕對定位與相對定位在觀測方式、數(shù)據(jù)處理、定位精度以及應(yīng)用范圍等方面均有原則區(qū)別。

GPS絕對定位方法的實(shí)質(zhì)，即是空間距離后方交會(huì)。為此，在1個(gè)觀測站上，原則上有3個(gè)獨(dú)立的距離觀測量便夠了，這時(shí)觀測站應(yīng)位于以3顆衛(wèi)星為球心，相應(yīng)距離為半徑的球與地面交線的交點(diǎn)。GPS絕對定位或單點(diǎn)定位利用GPS進(jìn)行定位的基本原理，是以GPS衛(wèi)星和用戶接收機(jī)天線之間距離(或距離差)的觀測量為基礎(chǔ)，并根據(jù)已知的衛(wèi)星瞬時(shí)坐標(biāo)，來確定用戶接收機(jī)天線所對應(yīng)的點(diǎn)位，即觀測站的位置。

GPS絕對定位方法的實(shí)質(zhì)，即是空間距離后方交會(huì)。為此，在1個(gè)觀測站上，原則上有3個(gè)獨(dú)立的距離觀測量便夠了，這時(shí)觀測站應(yīng)位于以3顆衛(wèi)星為球心，相應(yīng)距離為半徑的球與地面交線的交點(diǎn)。但是，由于GPS采用了單程測距原理，同時(shí)衛(wèi)星鐘與用戶接收機(jī)鐘難以保持嚴(yán)格同步，所以實(shí)際觀測的測站至衛(wèi)星之間的距離，均含有衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘同步差的影響(故習(xí)慣上稱之為偽距)。關(guān)于衛(wèi)星鐘差我們可以應(yīng)用導(dǎo)航電文中所給出的有關(guān)鐘差參數(shù)加以修正，而接收機(jī)的鐘差一般難以預(yù)先準(zhǔn)確的確定，所以通常均把它作為一個(gè)未知參數(shù)，與觀測站的坐標(biāo)在數(shù)據(jù)處理中一并求解。因此，在1個(gè)觀測站上為了實(shí)時(shí)求解4個(gè)未知參數(shù)(3個(gè)點(diǎn)位坐標(biāo)分量和1個(gè)鐘差系數(shù))，便至少需要4個(gè)同步偽距觀測值。也就是說，至少必須同時(shí)觀測４顆衛(wèi)星。應(yīng)用GPS進(jìn)行絕對定位，根據(jù)用戶接收機(jī)天線所處的狀態(tài)，又可分為動(dòng)態(tài)絕對定位和靜態(tài)絕對定位。當(dāng)用戶接收設(shè)備安置在運(yùn)動(dòng)的載體上而處于動(dòng)態(tài)的情況下，確定載體瞬時(shí)絕對位置的定位方法，稱為動(dòng)態(tài)絕對定位。在接收機(jī)天線處于靜止?fàn)顟B(tài)的情況下，用以確定觀測站絕對坐標(biāo)的方法稱為靜態(tài)絕對定位。目前，無論是動(dòng)態(tài)絕對定位或靜態(tài)絕對定位，所依據(jù)的觀測量都是所測衛(wèi)星至觀測站的偽距，所以，相應(yīng)的定位方法通常也稱為偽距法。BACGPS的定位原理2個(gè)球面相交——圓環(huán)；3個(gè)球面相交——兩交點(diǎn)；4個(gè)球面相交——唯一交點(diǎn)DABC

3顆衛(wèi)星：

可確定地面物體的位置（經(jīng)度、緯度）；

4顆衛(wèi)星：

可確定物體（如飛行器）位置（經(jīng)度、緯度、高度）；

地面運(yùn)動(dòng)物體的位置和速度；衛(wèi)星越多,定位越準(zhǔn)確：

一般,GPS接收機(jī)可同時(shí)收到的4-8顆衛(wèi)星的位置信息。洋山港海底打樁定位，中國用了7顆衛(wèi)星定位！上海洋山深水港區(qū)工程GPS相對定位原理利用GPS進(jìn)行絕對定位時(shí)，其定位精度將受到衛(wèi)星軌道誤差，鐘同步誤差及信號(hào)傳播誤差等諸多因素的影響，盡管其中一些系統(tǒng)性誤差可以通過模型加以削弱，但其殘差仍是不可忽略的。實(shí)踐表明，目前靜態(tài)絕對定位的精度，約可達(dá)米級，而動(dòng)態(tài)絕對定位的精度僅為10-30m。這一精度遠(yuǎn)不能滿足大地測量精密定位的要求。

GPS相對定位，是目前GPS測量中精度最高的一種定位方法，它廣泛地應(yīng)用于大地測量，精密工程測量和地球動(dòng)力學(xué)的研究。相對定位的最基本情況是用兩臺(tái)接收機(jī)分別安置在基線的兩端，并同步觀測相同的GPS衛(wèi)星，以確定基線端點(diǎn)在協(xié)議地球坐標(biāo)系中的相對位置或基線向量。這種方法一般可推廣到多臺(tái)接收機(jī)安置在若干條基線的端點(diǎn)，通過同步觀測GPS衛(wèi)星以確定多條基線向量的情況。因?yàn)樵趦蓚€(gè)觀測站或多個(gè)觀測站同步觀測相同衛(wèi)星的情況下，衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差，接收機(jī)鐘差以及電離層和對流層的折射誤差等對觀測量的影響具有一定的相關(guān)性，所以利用這些觀測量的不同組合進(jìn)行相對定位，便可能有效地消除或減弱上述誤差的影響，從而提高相對定位的精度。根據(jù)用戶接收機(jī)在測量過程中所處的狀態(tài)不同，相對定位有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)之分。靜態(tài)相對定位法

靜態(tài)相對定位，即設(shè)置在基線端點(diǎn)的接收機(jī)是固定不動(dòng)的，這樣便可能通過連續(xù)觀測，取得充分的多余觀測數(shù)據(jù)，以改善定位的精度。靜態(tài)相對定位，一般均采用載波相位觀測值(或測相偽距)為基本觀測量。這一定位方法，是當(dāng)前GPS定位中精度最高的一種方法，廣泛地應(yīng)用于工程測量、大地測量和地球動(dòng)力學(xué)研究等項(xiàng)工作。實(shí)踐表明，對中等長度的基線(100km-500km)，其相對定位精度可達(dá)10-6-10-7，甚至更好些。所以，在精度要求較高的測量工作中，均普遍采用這一方法。在載波相位觀測的數(shù)據(jù)處理中，為了可靠地確定載波相位的整周未知數(shù)，靜態(tài)相對定位，一般需要較長的觀測時(shí)間(例如1.0-3.0小時(shí))，因此如何縮短觀測時(shí)間，以提高作業(yè)效率，便成為廣大GPS用戶普遍關(guān)心的問題。相對以下將介紹的快速靜態(tài)相對定位法，上述定位方法，一般也稱為經(jīng)典靜態(tài)相對定位法。理論分析與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在載波相位觀測中，如果整周未知數(shù)已經(jīng)確定，那么相對定位的精度，將不會(huì)隨觀測時(shí)間的延長而明顯提高。在較短的觀測時(shí)間內(nèi)，若忽略所測衛(wèi)星分布圖形變化的影響，則定位的精度，近似地與觀測歷元數(shù)的方根成反比，如圖示。因此，縮短靜態(tài)相對定位的觀測時(shí)間，其關(guān)鍵在于快速而可靠地確定整周未知數(shù)。當(dāng)整周未知數(shù)確實(shí)后，相對定位精度隨觀測歷元數(shù)的變化

據(jù)此，1985年美國里蒙迪(Remondi，B．W．)發(fā)展了一種快速相對定位模式，其基本思想是：首先，利用起始基線向量確定初始整周未知數(shù)或稱初始化之后，一臺(tái)接收機(jī)在參考點(diǎn)(或基準(zhǔn)站)上固定不動(dòng)，并對所有可見的GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)的觀測，而另一臺(tái)接收機(jī)在其周圍的觀測站流動(dòng)，并在每一流動(dòng)站上靜止地進(jìn)行觀測，以確定流動(dòng)站與基準(zhǔn)站之間的相對位置。這一定位方法，在形式上與動(dòng)態(tài)相對定位法相似，但是實(shí)際上其在每一流動(dòng)觀測站上，仍需靜止地觀測，只是停留的時(shí)間很短(例如數(shù)分鐘)。所以，這種方法通常稱之為準(zhǔn)動(dòng)態(tài)相對定位法。流動(dòng)站基準(zhǔn)站準(zhǔn)動(dòng)態(tài)相對定位法的主要缺點(diǎn)是，接收機(jī)在移動(dòng)過程中，必須保持對觀測衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤。一旦發(fā)生失鎖，便需重新進(jìn)行上述初始化工作。動(dòng)態(tài)相對定位法動(dòng)態(tài)相對定位，是用一臺(tái)接收機(jī)安設(shè)在基準(zhǔn)站上固定不動(dòng)，另一臺(tái)接收機(jī)安設(shè)在運(yùn)動(dòng)的載體上，兩臺(tái)接收機(jī)同步觀測相同的衛(wèi)星，以確定運(yùn)動(dòng)點(diǎn)相對基準(zhǔn)站的實(shí)時(shí)位置。動(dòng)態(tài)相對定位，根據(jù)其采用的觀測量不同，通常可分為以測碼偽距為觀測量的動(dòng)態(tài)相對定位和以測相偽距為觀測量的動(dòng)態(tài)相對定位。

測碼偽距動(dòng)態(tài)相對定位法，目前進(jìn)行實(shí)時(shí)定位的精度可達(dá)米級。以相對定位原理為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)差分GPS，由于可以有效地減弱衛(wèi)星軌道誤差、鐘差、大氣折射誤差以及SA政策的影響，其定位精度，遠(yuǎn)較測碼偽距動(dòng)態(tài)絕對定位的精度為高，所以這一方法獲得了迅速發(fā)展，并在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的導(dǎo)航、監(jiān)測和管理方面得到了普遍地應(yīng)用。另外，在地球物理勘探、航空與海洋重力測量，以及海洋采礦等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。測相偽距動(dòng)態(tài)相對定位法，是以預(yù)先初始化或動(dòng)態(tài)解算載波相位整周未知數(shù)為基礎(chǔ)的一種高精度動(dòng)態(tài)相對定位法。目前在較小的范圍內(nèi)（例如<20km），獲得了成功的應(yīng)用，其定位精度可達(dá)1-2厘米。動(dòng)態(tài)相對定位中，根據(jù)數(shù)據(jù)處理的方式不同，通?？煞譃閷?shí)時(shí)處理和測后處理。數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，要求在觀測過程中實(shí)時(shí)地獲得定位的結(jié)果，無需存儲(chǔ)觀測數(shù)據(jù)。但在流動(dòng)站與基準(zhǔn)站之間，必需實(shí)時(shí)地傳輸觀測數(shù)據(jù)或觀測量的修正數(shù)據(jù)。這種處理方式，對于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的導(dǎo)航、監(jiān)測和管理具有重要意義。數(shù)據(jù)的測后處理，要求在觀測工作結(jié)束后，通過數(shù)據(jù)處理而獲得定位的結(jié)果。這種處理數(shù)據(jù)的方法，可能對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的分析，易于發(fā)現(xiàn)粗差，也不需要實(shí)時(shí)地傳輸數(shù)據(jù)。但需要存儲(chǔ)觀測數(shù)據(jù)。觀測數(shù)據(jù)的測后處理方式，主要應(yīng)用于基線較長，不需實(shí)時(shí)獲得定位結(jié)果的測量工作，如航空攝影測量和地球物理勘探等。因?yàn)榻⒑途S持一個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)（主要包括無線電信號(hào)的發(fā)射與接收設(shè)備），不僅在技術(shù)上較為復(fù)雜，花費(fèi)也較大。所以，一般除非必須實(shí)時(shí)獲得定位結(jié)果外，均應(yīng)采用觀測數(shù)據(jù)的測后處理方式。1、全球定位系統(tǒng)概述全球定位系統(tǒng)含義全球定位系統(tǒng)的發(fā)展歷史其他獨(dú)立衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)課程回顧利用由導(dǎo)航衛(wèi)星構(gòu)成的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，進(jìn)行測時(shí)和測距。1957年世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功，50年來，人造地球衛(wèi)星技術(shù)在通信、氣象、資源勘察、導(dǎo)航、遙感、大地測量、地球動(dòng)力學(xué)、天文學(xué)和軍事科學(xué)等眾多領(lǐng)域，得到了極廣泛應(yīng)用。GLONASS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、EGNOS系統(tǒng)、Galileo系統(tǒng)、北斗系統(tǒng)GPS相對于其它導(dǎo)航與定位系統(tǒng)的特點(diǎn)全球地面連續(xù)覆蓋

功能多，精度高

實(shí)時(shí)定位速度快

被動(dòng)式全天候?qū)Ш蕉ㄎ?/p>

抗干擾性能好，保密性強(qiáng)

2、GPS定位系統(tǒng)的特點(diǎn)GPS應(yīng)用于測量的特點(diǎn)觀測站之間無需通視定位精度高觀測時(shí)間短提供三維坐標(biāo)操作簡單全天候作業(yè)GPS的組成概況空間部分控制部分用戶設(shè)備部分3、全球定位系統(tǒng)的定位原理絕對定位法動(dòng)態(tài)絕對定位靜態(tài)絕對定位動(dòng)態(tài)相對定位靜態(tài)相對定位相對定位差分GPS（DGPS）的定位原理差分GPS可分為:1.位置差分；2.偽距差分

3.相位平滑偽距差分；4.相位差分根據(jù)差分GPS基準(zhǔn)站發(fā)送的信息方式這4類差分方式的工作原理是相同的，即都是由基準(zhǔn)站發(fā)送改正數(shù)，由用戶站接收并對其測量結(jié)果進(jìn)行改正，以獲得精確的定位結(jié)果。所不同的是，發(fā)送改正數(shù)的具體內(nèi)容不一樣，其差分定位精度也不同。位置差分原理這是一種最簡單的差分方法，任何一種GPS接收機(jī)均可改裝和組成這種差分系統(tǒng)。安裝在基準(zhǔn)站I的GPS接收機(jī)觀測4顆衛(wèi)星后便可進(jìn)行三維定位，解算出基準(zhǔn)站的坐標(biāo)。由于存在著軌道誤差、時(shí)鐘誤差、SA影響、大氣影響、多徑效應(yīng)以及其他誤差，解算出坐標(biāo)與基準(zhǔn)站的已知坐標(biāo)是不一樣的，存在誤差。ΔX=X﹡-XoΔY=Y﹡-YoΔZ=Z﹡-Zo基準(zhǔn)站利用數(shù)據(jù)鏈將此改正數(shù)發(fā)送出去，由用戶站接收，并且對其解算的用戶站坐標(biāo)進(jìn)行改正。XU=XU﹡+ΔXYU=YU﹡+ΔYZU=ZU﹡+ΔZ基站流動(dòng)站計(jì)算坐標(biāo)值已知坐標(biāo)值坐標(biāo)偏差坐標(biāo)改正考慮到用戶站的位置改正值瞬間變化1、兩站觀測同一組衛(wèi)星2、消去了基準(zhǔn)站和用戶站的共同誤差,提高了定位精度3、站間距離在100km以內(nèi)

這種差分方式的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡單。只需要在解算的坐標(biāo)中加改正數(shù)即可。能適用于一切GPS接收機(jī)，包括最簡單的接收機(jī)。缺點(diǎn)是必須嚴(yán)格保持基準(zhǔn)站與用戶站觀測同一組衛(wèi)星。如果有8顆可觀測衛(wèi)星，將組成70個(gè)組合，基準(zhǔn)站和流動(dòng)站觀測環(huán)境也不能保證完全相同，因此無法保證兩站觀測同一組衛(wèi)星。偽距差分原理偽距差分是目前用途最廣的一種技術(shù)。幾乎所有的商用差分GPS接收機(jī)均采用這種技術(shù)。國際海事無線電委員會(huì)推薦的RTCMSC-104也采用了這種技術(shù)。在基準(zhǔn)站上的接收機(jī)要求得它至可見衛(wèi)星的距離，并將此計(jì)算出的距離與含有誤差的測量值加以比較。利用一個(gè)α-β濾波器將此差值濾波并求出其偏差。然后將所有衛(wèi)星的測距誤差傳輸給用戶，用戶利用此測距誤差來改正測量的偽距。最后，用戶利用改正后的偽距求解出本身的位置，就可消去公共誤差，提高定位精度?；鶞?zhǔn)站的GPS接收機(jī)測量出全部衛(wèi)星的偽距口和收集全部衛(wèi)星的星歷文件(A、e、ω、Ω、i、t等)。利用已采集的軌道根數(shù)計(jì)算出各個(gè)衛(wèi)星的地心坐標(biāo)[XYZ]i,同時(shí)，可采用各種方法精確求出基準(zhǔn)站的地心坐標(biāo)[XYZ]。這樣，利用每一時(shí)刻計(jì)算的衛(wèi)星地心坐標(biāo)和基準(zhǔn)站的已知地心坐標(biāo)反求出每一時(shí)刻到基準(zhǔn)站的真距Ri?；鶞?zhǔn)站的GPS接收機(jī)測量偽距包括各種誤差，與真距不同?？梢郧蟪鰝尉嗟母恼龜?shù)。同時(shí)可求出偽距改正數(shù)的變化率。

基準(zhǔn)站將和傳送給用戶臺(tái)，用戶臺(tái)測量出偽距再加上以上的改正數(shù)，便求得經(jīng)過改正的偽距。利用改正后的偽距，只要觀測4顆衛(wèi)星就可以按下式計(jì)算用戶站的坐標(biāo)。流動(dòng)站計(jì)算偽距值偽距觀測值偽距偏差偽距改正基站偽距差分的優(yōu)點(diǎn)：(1)由于計(jì)算的偽距改正數(shù)是直接在WGS-84坐標(biāo)系上進(jìn)行的，這就是說得到的是直接改正數(shù)，不用先變換為地坐標(biāo)，因此能達(dá)到很高的精度。(2)這種改正數(shù)能提供，這使得在未得到改正數(shù)的空隙內(nèi)，繼續(xù)進(jìn)行精密定位。這達(dá)到了RTCM-104所制定的標(biāo)準(zhǔn)。(3)基準(zhǔn)站能提供所有衛(wèi)星的改正數(shù)，而用戶可允許接收任意4顆衛(wèi)星進(jìn)行改正，不必?fù)?dān)心兩者完全相同。因此，用戶可采用具有差分功能的簡易接收機(jī)即可?；咎峁┧锌梢娦l(wèi)星的Δρj（偽距改正數(shù)的變化率）和dρj（偽距改正數(shù)差），消去公共誤差，提高定位精度，但隨著用戶到基準(zhǔn)站距離的增加又出現(xiàn)了系統(tǒng)誤差。用戶和基準(zhǔn)站之間的距離對精度有絕對性影響。差分偽距差分原理（廣域差分）為了在一個(gè)廣闊的地區(qū)內(nèi)提供高精度的差分GPS服務(wù)，將一個(gè)差分基準(zhǔn)站與一個(gè)或多個(gè)主站組網(wǎng)。主差分站接收來自各監(jiān)測站的差分GPS改正信號(hào)，然后將其組合，以形成在擴(kuò)展區(qū)域內(nèi)的有效差分GPS改正電文。通過衛(wèi)星通信線路或無線電數(shù)據(jù)鏈把擴(kuò)展GPS改正信號(hào)傳送給用戶。這就形成了擴(kuò)展的差分GPS。它不僅加大了差分GPS的有效工作范圍，而且保證了在該區(qū)域的定位精度。廣域差分（WideAreaDGPS，WADGPS）技術(shù)的基本思想：

是對GPS觀測量的誤差源加以區(qū)分，并對每一個(gè)誤差源分別加以“模型化”，然后將計(jì)算出來的每一個(gè)誤差源的誤差修正值（差分改正值），通過數(shù)據(jù)通訊鏈傳輸給用戶，對用戶GPS接收機(jī)的觀測誤差加以改正，以達(dá)到削弱這些誤差源的影響，改善用戶GPS定位精度的目的。差分GPS誤差隨距離的變化距離（km）030150300600擴(kuò)展差分GPS600衛(wèi)星時(shí)鐘誤差(m)衛(wèi)星星歷誤差(m)電離層效應(yīng)(m)對流層效應(yīng)(m)接收機(jī)噪聲(m)0000000.12.72100.55.321017.021029.0210120.71UERE(RMS)導(dǎo)航精度dRMS(HDOP=1.5)133.510.55.817.47.422.29.527.52.78從表中可以看出，當(dāng)離基準(zhǔn)站的距離增加時(shí)，各種誤差源限制了差分GPS的精度。最大的誤差源是電離層延遲。當(dāng)離基準(zhǔn)站的距離大于30km時(shí)，此項(xiàng)誤差便起了決定作用。下一個(gè)最大的誤差源便是對流層誤差。1、在已知的多個(gè)監(jiān)測站上，跟蹤觀測GPS衛(wèi)星的偽距、相位等信息；2、監(jiān)測站將所接受的信息全部傳輸?shù)街行恼荆?、中心站計(jì)算出三項(xiàng)誤差改正；4、將這些誤差改正用數(shù)據(jù)通訊鏈傳輸給用戶；5、用戶根據(jù)這些誤差改正自己觀測到的偽距、相位、星歷等信息，計(jì)算出高精度結(jié)果。廣域差分GPS系統(tǒng)的具體工作流程1、用戶的定位精度對空間距離的敏感程度比較小；2、投資少，經(jīng)濟(jì)效益好；3、定位精度較高，且分布均勻；4、可擴(kuò)展性好；5、技術(shù)復(fù)雜，維護(hù)費(fèi)用高，可靠性及安全性稍差。廣域差分GPS系統(tǒng)的特點(diǎn)載波相位差分原理測地型接收機(jī)利用GPS衛(wèi)星載波相位進(jìn)行的靜態(tài)基線測量獲得了很高的精度（10-6-10-8）。但為了可靠地求解出相位模糊度，要求靜止觀測一兩個(gè)小時(shí)或更長時(shí)間。這樣就限制了在工程作業(yè)中的應(yīng)用。于是探求快速測量的方法應(yīng)運(yùn)而生。例如，采用整周模糊度快速逼近技術(shù)（FARA）使基線觀測時(shí)間縮短到5分鐘，采用準(zhǔn)動(dòng)態(tài)（StopandGo），往返重復(fù)設(shè)站（Re-occup

ation）和動(dòng)態(tài)（Kinematic）來提高GPS作業(yè)效率。這些技術(shù)的應(yīng)用對推動(dòng)精密GPS測量起了促進(jìn)作用。但是，上述這些作業(yè)方式都是事后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，不能實(shí)時(shí)提交成果和實(shí)時(shí)評定成果質(zhì)量，很難避免出現(xiàn)事后檢查不合格造成的返工現(xiàn)象。差分GPS的出現(xiàn)，能實(shí)時(shí)給定載體的位置，精度為米級，滿足了引航、水下測量等工程的要求。位置差分、偽距差分、偽距差分相位平滑等技術(shù)已成功地用于各種作業(yè)中。隨之而來的是更加精密的測量技術(shù)一載波相位差分技術(shù)。載波相位差分技術(shù)又稱為RTK技術(shù)（RealTimeKinematic），是建立在實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測站的載波相位基礎(chǔ)上的。它能實(shí)時(shí)提供觀測點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并達(dá)到厘米級的高精度。與偽距差分原理相同，由基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)將其載波觀測量及站坐標(biāo)信息一同傳送給用戶站。用戶站接收GPS衛(wèi)星的載波相位與來自基準(zhǔn)站的載波相位，并組成相位差分觀測值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，能實(shí)時(shí)給出厘米級的定位結(jié)果。實(shí)現(xiàn)載波相位差分GPS的方法分為兩類：修正法和差分法。前者與偽距差分相同，基準(zhǔn)站將載波相位修正量發(fā)送給用戶站，以改正其載波相位，然后求解坐標(biāo)。后者將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)送給用戶臺(tái)進(jìn)行求差解算坐標(biāo)。前者為準(zhǔn)RTK技術(shù)，后者為真正的RTK技術(shù)?；玖鲃?dòng)站流動(dòng)站的坐標(biāo)相位觀測值差分法(RTK)

相位觀測值差分計(jì)算消去公共誤差，能實(shí)時(shí)給出厘米級高精度的定位結(jié)果電臺(tái)的功率限制了用戶到基準(zhǔn)站距離，作用范圍幾十公里。廣泛用于工程測量中4.GPS測量的誤差來源及其影響誤差的分類系統(tǒng)誤差

在GPS定位中，影響觀測量精度的主要誤差來源，可分為三類：①與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差；②與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差；③與接收設(shè)備有關(guān)的誤差。根據(jù)誤差的性質(zhì)，上述誤差，尚可分為系統(tǒng)誤差與偶然誤差兩類。系統(tǒng)性的誤差，主要包括衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差以及大氣折射的誤差等。引入相應(yīng)的未知參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中聯(lián)同其它未知參數(shù)一并解算；建立系統(tǒng)誤差模型，對觀測量加以修正；將不同觀測站，對相同衛(wèi)星的同步觀測值求差，以減弱或消除系統(tǒng)誤差的影響；簡單地忽略某些系統(tǒng)誤差的影響。為了減弱和修正系統(tǒng)誤差對觀測量的影響，一般根據(jù)系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因而采取不同的措施，其中包括：偶然誤差

偶然誤差，主要包括信號(hào)的多路徑效應(yīng)引起的誤差和觀測誤差等。與衛(wèi)星有關(guān)的誤差與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差，主要包括衛(wèi)星的軌道誤差和衛(wèi)星鐘的誤差。衛(wèi)星鐘差

由于衛(wèi)星的位置是時(shí)間的函數(shù)，所以GPS的觀測量，均以精密測時(shí)為依據(jù)。而與衛(wèi)星位置相應(yīng)的時(shí)間信息，是通過衛(wèi)星信號(hào)的編碼信息傳送給用戶的。在GPS定位中，無論是碼相位觀測或載波相位觀測，均要求衛(wèi)星鐘與接收機(jī)鐘保持嚴(yán)格同步。實(shí)際上，盡管GPS衛(wèi)星均設(shè)有高精度的原子鐘（銣鐘和銫鐘），但它們與理想的GPS時(shí)之間，仍存在著難以避免的偏差或漂移。這種偏差的總量約在1ms以內(nèi)，由此引起的等效距離誤差，約可達(dá)300km。衛(wèi)星軌道偏差

估計(jì)與處理衛(wèi)星的軌道誤差一般比較困難，其主要原因是，衛(wèi)星在運(yùn)行中要受到多種攝動(dòng)力的復(fù)雜影響，而通過地面監(jiān)測站，又難以充分可靠地測定這些作用力，并掌握它們的作用規(guī)律。目前，用戶通過導(dǎo)航電文，所得到的衛(wèi)星軌道信息，其相應(yīng)的位置誤差約為20m-40m。但隨著攝動(dòng)力模型和定軌技術(shù)的不斷完善，上述衛(wèi)星的位置精度，將可提高到5m-10m。衛(wèi)星的軌道誤差，是當(dāng)前利用GPS定位的重要誤差來源之一。在相對定位中，隨著基線長度的增加，衛(wèi)星軌道誤差，將成為影響定位精度的主要因素。衛(wèi)星信號(hào)的傳播誤差與衛(wèi)星信號(hào)傳播有關(guān)的誤差，主要包括大氣折射誤差和多路徑效應(yīng)。電離層折射的影響

GPS衛(wèi)星信號(hào)和其它電磁波信號(hào)一樣，當(dāng)其通過電離層時(shí)，將受到這一介質(zhì)彌散特性的影響，使信號(hào)的傳播路徑發(fā)生變化。電離層對信號(hào)傳播路徑影響的大小，主要取決于電子總量和信號(hào)的頻率。對于GPS衛(wèi)星信號(hào)來說，在夜間當(dāng)衛(wèi)星處于天頂方向時(shí)，電離層折射對信號(hào)傳播路徑的影響，將小于5m；而在日間正午前后，當(dāng)衛(wèi)星接近地平線時(shí)，其影響可能大于150m。為了減弱電離層的影響，在GPS定位中通常采取以下措施：由于電離層的影響是信號(hào)頻率的函數(shù)，所以，利用不同頻率的電磁波信號(hào)進(jìn)行觀測，便可能確定其影響的大小，以便對觀測量加以修正。利用雙頻觀測利用電離層模型加以修正對于單頻GPS接收機(jī)的用戶，為了減弱電離層的影響，一般是采用由導(dǎo)航電文所提供的電離層模型，或其它適宜的電離層模型對觀測量加以改正。但是，這種模型至今仍在完善中。目前模型改正的有效性約為75％，也就是說，當(dāng)電離層對距離觀測值的影響為20m時(shí)，修正后的殘差仍可達(dá)5m。利用同步觀測值求差這一方法，是利用兩臺(tái)或多臺(tái)接收機(jī)，對同一組衛(wèi)星的同步觀測值求差，以減弱電離層折射的影響。尤其當(dāng)觀測站的距離較近時(shí)(例如<20km)，由于衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)不同觀測站的路徑相近，所經(jīng)過的介質(zhì)狀況相似，所以，通過不同觀測站對相同衛(wèi)星的同步觀測值求差，便可顯著地減弱電離層折射影響。

對流層折射的影響

由于對流層的介質(zhì)對GPS信號(hào)沒有彌散效應(yīng)，所以其群折射率與相折射率可認(rèn)為相等。我們知道，對流層折射對觀測值的影響，可分為干分量與濕分量兩部分，干分量主要與大氣的溫度與壓力有關(guān)，而濕分量主要與信號(hào)傳播路徑上的大氣濕度和高度有關(guān)。當(dāng)衛(wèi)星處于天頂方向時(shí)，對流層干分量對距離觀測值的影響，約占對流層影響的90％，且這種影響可以應(yīng)用地面的大氣資料計(jì)算。若地面平均大氣壓為1013mbar，則在天頂方向，干分量對所測距離的影響約為2.3m，而當(dāng)高度角為10o時(shí)，其影響約為20m。濕分量的影響雖數(shù)值不大，但由于難以可靠地確定信號(hào)傳播路徑上的大氣物理參數(shù)，所以濕分量尚無法準(zhǔn)確地測定。因此，當(dāng)要求定位精度較高，或基線較長時(shí)（例如>50km），它將成為誤差的主要來源之一。目前雖可用水汽輻射計(jì)，比較精確地測定信號(hào)傳播路徑的大氣水汽含量，但由于設(shè)備過于龐大和昂貴，尚不能普遍采用。對流層（Troposphere）關(guān)于對流層折射的影響，一般有以下幾種處理方法：定位精度要求不高時(shí)，可以簡單地忽略。采用對流層模型加以改正。①霍普菲爾德（Hopfield）改正模型②薩斯塔莫寧（Saastamoinen）改正模型③勃蘭克（Black）改正模型引入描述對流層影響的附加待估參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中一并求解。觀測量求差與電離層的影響相類似，當(dāng)兩觀測站相距不太遠(yuǎn)時(shí)（例如<20km），由于信號(hào)通過對流層的路徑相近，對流層的物理特性相似，所以，對同一衛(wèi)星的同步觀測值求差，可以明顯地減弱對流層折射的影響。因此，這一方法在精密相對定位中，應(yīng)用甚為廣泛。不過，隨著同步觀測站之間距離的增大，地區(qū)大氣狀況的相關(guān)性很快減弱，這一方法的有效性也將隨之降低。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)距離>100km時(shí)，對流層折射對GPS定位精度的影響，將成為決定性的因素之一。

多路徑效應(yīng)影響

多路徑效應(yīng)，通常也叫多路徑誤差，即接收機(jī)天線，除直接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)外，尚可能收到經(jīng)天線周圍地物一次或多次反射的衛(wèi)星信號(hào)。兩種信號(hào)疊加，將會(huì)引起測量參考點(diǎn)(相位中心)位置的變化，從而使觀測量產(chǎn)生誤差。而且這種誤差隨天線周圍反射面的性質(zhì)而異，難以控制。根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料的分析表明，在一般反射環(huán)境下，多路徑效應(yīng)對測碼偽距的影響可達(dá)米級，對測相偽距的影響可達(dá)厘米級；而在高反射環(huán)境下，不僅其影響將顯著增大，而且常常導(dǎo)致接收的衛(wèi)星信號(hào)失鎖和使載波相位觀測量產(chǎn)生周跳。因比,在精密GPS導(dǎo)航和測量中，多路徑效應(yīng)的影響是不可忽視的。多路徑誤差的特點(diǎn)與測站環(huán)境有關(guān)與反射體性質(zhì)有關(guān)與接收機(jī)結(jié)構(gòu)、性能有關(guān)減弱多路徑效應(yīng)影響的措施觀測上安置接收機(jī)天線的環(huán)境，應(yīng)避開較強(qiáng)的反射面，如水面，平坦光滑的地面和平整的建筑物表面等；硬件上選擇造型適宜且屏蔽良好的天線，例如，采用帶抑徑板或抑徑圈的天線、抗多路徑的接收機(jī)等；抗多路徑效應(yīng)的天線帶抑徑板帶抑徑圈抗多路徑的接收機(jī)適當(dāng)延長觀測時(shí)間，削弱多路徑效應(yīng)的周期性影響；改善GPS接收機(jī)的電路設(shè)計(jì)，以減弱多路徑效應(yīng)的影響。減弱多路徑效應(yīng)影響的其他措施數(shù)據(jù)處理上加權(quán)法參數(shù)法濾波法信號(hào)分析法與接收設(shè)備有關(guān)的誤差與用戶接收設(shè)備有關(guān)的誤差，主要包括觀測誤差、接收機(jī)鐘差、天線相位中心誤差和載波相位觀測的整周不定性影響。其他誤差來源除上述三類誤差的影響外，還有其它一些可能的誤差來源，如地球自轉(zhuǎn)以及相對論效應(yīng)對GPS定位的影響。GPS接收機(jī)的應(yīng)用關(guān)于GPS接收機(jī)的應(yīng)用，在這里主要介紹一下幾個(gè)方面。經(jīng)緯度值表示經(jīng)緯度在NMEA語句中是以度、分、秒的形式出現(xiàn)。經(jīng)緯度在NMEA-0183語句中的出現(xiàn)的格式分別是：緯度格式：ddmm.mmmm

經(jīng)度格式：dddmm.mmmm

經(jīng)度與緯度的方向數(shù)據(jù)（North，South，East，West）單獨(dú)定義一個(gè)區(qū)域。方向的一種簡單表示“N”，“S”，“E”，“W”分別表示North，South，East，West。GPS系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換GPS接收的數(shù)據(jù)往往是三維坐標(biāo)，而在科學(xué)研究中我們通常用二維坐標(biāo)。因此必須進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，比如把WGS84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為高斯-克呂格坐標(biāo)系。為減少投影變形，按經(jīng)度把橢球分為許多帶，各帶分別投影，經(jīng)常采用的是3度和6度帶。為使y值不為負(fù)值，通常在y軸上加上500km。緯度經(jīng)度海拔XY35°42′078〞N111°39′889〞E560.5395258256012535°41′912〞N111°40′541〞E533.3395228156111135°42′393〞N111°40′513〞E542.0395317056106335°42′946〞N111°41′157〞E549.1395420056202635°43′182〞N111°45′830〞E609.4395468856907035°43′376〞N111°46′092〞E626.2395504956946235°49′604〞N111°34′663〞E821.7396644955216035°49′330〞N111°34′489〞E784.9396594055190235°39′735〞N111°28′219〞E416.0394814854254435°40′234〞N111°28′265〞E407.3394907154260835°40′274〞N111°29′118〞E416.5394915054389535°40′088〞N111°29′307〞E422.1394880954418035°39′860〞N111°29′175〞E422.8394838554398535°37′721〞N111°24′135〞E405.9394439553639535°40′568〞N111°22′261〞E380.8394964953354635°41′001〞N111°22′102〞E371.1395044853330335°40′907〞N111°22′261〞E378.13950276533545GPS的發(fā)展趨勢隨著GPS定位技術(shù)的不斷完善和普及，新一代GPS測量系統(tǒng)的開發(fā)和生產(chǎn)，也在迅速地發(fā)展。當(dāng)前，在硬件方面的發(fā)展趨勢主要是：GPS在硬件方面的發(fā)展趨勢①繼續(xù)向小型化、輕型化發(fā)展；②結(jié)構(gòu)模塊化，減少易損的接口；③控制器小型化，以便用戶操作，提高自動(dòng)化程度；④降低功率消耗；⑤改善存儲(chǔ)器管理，增大存儲(chǔ)容量；⑥增加接收機(jī)的通道數(shù)，以便同時(shí)跟蹤全部GPS可見衛(wèi)星；⑦信號(hào)接收、跟蹤、量測與處理單元一體化，以減少信號(hào)損失；⑧改善接收機(jī)的耐用性，提高量測結(jié)果的可靠性和延長無故障工作時(shí)間；⑨改善接收機(jī)內(nèi)部的電路設(shè)計(jì)，減弱多路徑誤差的影響；⑩改善信號(hào)處理技術(shù)（如采用窄距相關(guān)技術(shù)），以提高信號(hào)的量測精度。GPS的應(yīng)用如今GPS已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到了各行各業(yè)，例如船舶遠(yuǎn)洋導(dǎo)航和進(jìn)港引水、飛機(jī)航路引導(dǎo)和進(jìn)場降落、汽車自主導(dǎo)航、地面車輛跟蹤和城市智能交通管理、緊急就生、個(gè)人旅游及野外探險(xiǎn)、道路和各種線路放樣、水下地形測量、地殼形變測量、大壩和大型建筑物變形監(jiān)測、GIS應(yīng)用，其中車輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用最為人們所熟知。計(jì)價(jià)器設(shè)備GPS設(shè)備系統(tǒng)原理及總體結(jié)構(gòu)出租車智能管理信息服務(wù)系統(tǒng)智能調(diào)度管理系統(tǒng)GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)營運(yùn)信息分析系統(tǒng)企業(yè)行業(yè)管理系統(tǒng)110處警指揮系統(tǒng)網(wǎng)上招車與投訴系統(tǒng)GPS系統(tǒng)平臺(tái)營運(yùn)數(shù)據(jù)庫平臺(tái)營運(yùn)監(jiān)控平臺(tái)Internet/DDN中國移動(dòng)GPRS出租車智能管理信息服務(wù)系統(tǒng)

系統(tǒng)組成GPS車載終端設(shè)備GPS湖州網(wǎng)控中心110接/處警系統(tǒng)GPS車載終端設(shè)備出租車調(diào)度中心調(diào)度中心服務(wù)器