無人機航測技術與應用課件：全球定位系統(tǒng)GPS

全球定位系統(tǒng)GPS2由于科學研究、商業(yè)往來、文化交流、軍事部署等在全球尺度下的人與信息的流動不斷增加，人們對于全球范圍內的統(tǒng)一定位的需求變得現實而迫切，在這一背景下，全球定位系統(tǒng)便應運而生。美國主導的全球定位系統(tǒng)GPS是這類系統(tǒng)的代表之一。4.2.1全球定位系統(tǒng)簡介3為應對全球兵力，特別是海軍艦隊的部署對于定位的需求，同時也作為美國政府“星球大戰(zhàn)”戰(zhàn)略的組成部分，1973年12月，美國國防部批準了美國海陸空三軍聯合研制新的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，項目命名為：NAVISTARGPS，即“NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobePositioningSystem”，中文意為“衛(wèi)星測時測距導航/全球定位系統(tǒng)”，即我們今天簡稱的GPS系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以衛(wèi)星為基礎的無線電導航定位系統(tǒng)，具有全球性、全天候、連續(xù)性和實時性的導航、定位、授時功能，能為用戶提供較為精密的三維坐標。4.2.1全球定位系統(tǒng)簡介4空間星座部分用戶接收機部分地面控制站部分4.2.1全球定位系統(tǒng)簡介5在GPS系統(tǒng)中，GPS衛(wèi)星的作用如下：（1）用L波段向廣大用戶連續(xù)不斷的發(fā)送導航定位信號，用戶由導航電文可以知道該衛(wèi)星當前的位置和衛(wèi)星的工作情況。（2）在衛(wèi)星飛越注入站上空時，接收由地面注入站用S波段發(fā)送給衛(wèi)星的導航電文和其它相關信息，并通過GPS信號傳輸鏈，適時的發(fā)送給廣大用戶。（3）接收地面主控站通過注入站發(fā)送給衛(wèi)星的調試指令，適時的改正運行偏差或進行其它改正性操作。4.2.1全球定位系統(tǒng)簡介6GPS的地面控制站一共有5個，按照承擔的任務，分為三類，分別是主控站、注入站和監(jiān)控站。GPS的主控站建設在美國本土的科羅拉多州（Colorado）。主控站的任務是收集、處理所有5個地面控制站的各項資料，編制衛(wèi)星的星歷和GPS時間系統(tǒng)，將預測的衛(wèi)星星歷、鐘差、狀態(tài)數據以及大氣傳輸改正編制成導航電文傳給注入站。主控站還負責監(jiān)測整個地面監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及監(jiān)測在軌衛(wèi)星是否信號傳輸正常。GPS的3個注入站分別設置在大西洋的阿松森島（AscensionIsland），印度洋的迭戈加西亞島（DiegoGarcia）和太平洋的卡瓦加蘭（Kwajalein）。注入站的任務是將主控站發(fā)來的導航電文注入到相應衛(wèi)星的存儲器。每天注入3次，每次注入14天的星歷等信息。此外，注入站還自動向主控站報告自己的工作狀態(tài)。GPS的5個地面站全部都負擔監(jiān)測站的任務，除1個主控站和3個注入站外，還在夏威夷（Hawaii）專門設置了一個監(jiān)測站。監(jiān)測站的主要任務是為主控站提供衛(wèi)星的觀測數據。4.2.1全球定位系統(tǒng)簡介7GPS信號接收機的任務是，捕獲按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信息，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行，對所接收到的GPS信號進行處理，以便測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收機天線的傳播時間，解譯出GPS衛(wèi)星發(fā)送的導航電文，實時的計算出待測點的三維位置。4.2.1全球定位系統(tǒng)簡介8GPS基本定位方程4.2.2

GPS測量的設計與實施9GPS測量與常規(guī)測量類似，在作業(yè)過程中也分為三個階段：方案設計外業(yè)實施內業(yè)數據處理4.2.2

GPS測量的設計與實施104.2.2

GPS測量的設計與實施11GPS測量的實施主要包括以下環(huán)節(jié)：測區(qū)踏勘、資料收集、器材與人員準備、觀測計劃的擬定、實施觀測。測區(qū)踏勘主要了解以下情況，以便制定觀測計劃。交通情況：公路、便道等道路通行情況。水系分布：江河、湖泊、池塘、水渠等的分布以及橋梁、碼頭等交通通行情況。植被情況：森林、草原、農作物等分布情況?？刂泣c分布情況：測區(qū)各類控制點的分布情況，是否保存完整等。居民點分布情況：測區(qū)內城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村、商店、住宿等情況。當地民風民俗：測區(qū)所在區(qū)域的生活習俗、禁忌、社會治安情況等。資料收集是指收集以下與測量工作相關的資料：各類圖件資料：測區(qū)的基本地形圖、交通圖等。各類控制點成果：測區(qū)里已有的各類控制點坐標等成果。各類參考資料：測區(qū)的區(qū)劃圖、氣象、人口等參考資料。器材與人員準備主要是調配GPS、計算機、車輛、通訊等器材，以及組織專業(yè)與輔助工作人員，并對人員進行相應的培訓。4.2.2

GPS測量的設計與實施12觀測計劃的擬定主要依據以下因素：GPS網的規(guī)模大小。點位精度質量要求。設備的數量與質量。人員隊伍及后勤保障條件。4.2.3GPS測量的數據處理13GPS接收機直接采集的是GPS接收機天線至衛(wèi)星偽距、載波相位和衛(wèi)星星歷等數據。為得到滿足測量工作需要的最終成果，GPS測量的數據處理需要經過以下幾個步驟：數據采集、數據傳輸、預處理、基線解算。數據采集是指在野外外業(yè)觀測時取得原始觀測數據，野外觀測記錄的同時用隨機軟件解算出測站點的位置和運動速度等基本信息。數據傳輸是指用專用的電纜線、藍牙、SD卡等各種通信傳輸方式將接收機中的數據傳輸至內業(yè)作業(yè)的計算機中。數據預處理的目的是對數據進行平滑濾波處理，剔除粗差；統(tǒng)一數據文件格式并將各類數