GPS定位原理

第一讲GPS定位原理中南大学测绘与国土信息工程系一、什么是GPS？1、定义GPS的英文全称是NavigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositionSystem简称GPS，有时也被称作NAVSTARGPS。其意为“导航星测时与测距全球定位系统”，或简称全球定位系统。建立国家美国。美国从1973年开始筹建全球定位系统，1994年投入使用。经历20年，耗资200亿美元，是继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的第三项庞大空间计划。目的在全球范围内，提供实时、连续、全天候的导航定位及授时服务开始筹建时间1973年完全建成时间1995年2．GPS的产生与发展系统构成空间部分、地面控制部分、用户部分服务方式通过由多颗卫星所组成的卫星星座提供导航定位服务定位原理距离交会测距原理被动式电磁波测距特点全球覆盖、全天候、不间断、精度高二、GPS的组成GPS定位系统由GPS卫星空间部分、地面控制部分和用户GPS接收机三部分组成。1、空间部分由21颗工作卫星和3颗备用卫星。GPS卫星图片12、地面控制部分。Coloradosprings55HawaiiAscencionDiegoGarciakwajalein1个主控站:Coloradosprings(科罗拉多)。3个注入站:Ascencion(阿森松群岛)、DiegoGarcia(迭哥伽西亚)、kwajalein(卡瓦加兰)。5个监控站：以上主控站、注入站及Hawaii(夏威夷)。主控站（1个）作用：管理、协调地面监控系统各部分的工作，收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站将卫星星历注入卫星，监控卫星状态，向卫星发送控制指令；卫星维护与异常情况的处理。地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地。注入站（3个）作用：将导航电文注入GPS卫星。地点：阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）3、用户接收机部分GPS接收机的基本类型分导航型和大地型。大地型接收机又分单频型和双频型。图片：导航型GPS机手持型GPS机车载型GPS机图片：大地型GPS接收机单频机双频机三、其它卫星导航定位系统1、GLONASSGLONASS－GlobalNavigationSatelliteSystem（全球导航卫星系统）开发者俄罗斯（前苏联）系统构成卫星星座地面控制部分用户设备GLONASSconstellationGLONASSsatelliteGLONASS与GPS的比较参数GLONASSNAVSTARGPS系统中的卫星数21＋321＋3轨道平面数36轨道倾角64.8°55°轨道高度19100km20180km轨道周期（恒星时）11h15min12h卫星信号的区分FDMACDMAL1频率1602~1615MHz频道间隔0.5625MHz1575MHzL2频率1246~1256MHz频道间隔0.4375MHz1228MHz卫星运行状况从1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星起，至1995年12月14日共发射了73颗卫星。由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间经济状况欠佳，无法及时补充新卫星，故该系统不能维持正常工作。到目前为止（2006年3月20日）,GLONASS系统共有17颗卫星在轨。其中有11颗卫星处于工作状态，2颗备用，4颗已过期而停止使用。俄罗斯计划到2007年使GLONASS系统的工作卫星数量至少达到18颗，开始发挥导航定位功能。2、伽俐略（Galileo）卫星导航定位系统2002年3月24日欧盟决定研制组建自己的民用卫星导航定位系统——Galileo系统。Galileo卫星星座将由27颗工作卫星和3颗备用卫星组成，这30颗卫星将均匀分布在3个轨道平面上，卫星高度为23616km，轨道倾角为56°。Galileo系统是一种多功能的卫星导航定位系统，具有公开服务、安全服务、商业服务和政府服务等功能，但只有前两种服务是自由公开的，后两种服务则需经过批准后才能使用。theGalileosatelliteconstellationaltitude~23616kmSMA29993.707kminclination56degrees•period14hours4min•groundtrackrepeatabout10daysGGALILEOALILEODATADATA27+3satellitesinthreeMediumEarthOrbits(MEO)Walker27/3/1Constellation2005年12月28日第一颗Galileo试验卫星（GalileoIn-OrbitValidationElements--GlOVE-A）成功进入高度为2.3万Km的预定轨道。2006年1月12日，GlOVE-A已开始向地面发送信号。这标志着总投资为34亿欧元（约合41亿美元）的计划已进入实施阶段。到2010年欧洲将发射30颗服役期约为20年的正式卫星，完成伽利略卫星星座的部署工作。伽利略系统建成后，美欧两大相互兼容的导航定位系统将大大有助于提供导航定位的精度和可靠性。GIOVEAGIOVEBtheGIOVESatelliteGIOVE的主要目标:频率信号测试；验证一些关键技术（比如铷原子钟、氢原子钟）；轨道环境特征测试；并行2或3通道信号传输测试。3、北斗卫星导航系统我国自行研制的两颗北斗导航试验卫星分别于2000年10月31日和12月20日从西昌卫星发射中心升空并准确进入预定的地球同步轨道（东经80º和140º的赤道上空），此外另一颗备用卫星也被送入预定轨道（东经110.5º的赤道上空），标志着我国拥有了自己的第一代卫星导航系统——BD–1。北斗1代卫星导航系统组成图“北斗卫星导航系统”系统是由空间卫星、地面控制中心站和北斗用户终端三部分构成。空间部分包括两颗地球同步轨道卫星（GEO）组成。卫星上带有信号转发装置，完成地面控制中心站和用户终端之间的双向无线电信号的中继任务。用户终端分为定位通信终端集团用户管理站终端差分终端校时终端等与GPS系统不同，所有用户终端位置的计算都是在地面控制中心站完成。因此，控制中心可以保留全部北斗终端用户机的位置及时间信息。同时，地面控制中心站还负责整个系统的监控管理。与GPS、GLONASS、Galileo等国外的卫星导航系统相比，BD–1有自己的优点。如投资少，组建快；具有通信功能；捕获信号快等。但也存在着明显的不足和差距，如用户隐蔽性差；无测高和测速功能；用户数量受限制；用户的设备体积大、重量重、能耗大等。BD–2为了使我国的卫星导航定位系统的性能有实质性的提高，中央已决定研制组建第二代北斗卫星导航定位系统（BD–2）。从导航体制、测距方法、卫星星座、信号结构及接收机等方面进行全面改进。卫星星座计划由GEO卫星，IGSO卫星和MEO卫星组成。此项工作将成为”十一五”期间的一项重要工作。四、GPS定位基本原理1、GPS坐标系统---WGS84WGS-84的定义：WGS-84坐标系的原点在地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协定地球极（CTP）方向，X轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点，Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。它是一个地固坐标系。2、GPS定位方法（1）伪距单点定位(pointpositioning)——确定观测点在WGS-84系中的坐标，即绝对位置。（2）相对定位(relativepositioning)——确定观测点相对另一已知点的相对坐标增量即相对位置。（1）伪距单点定位基本原理Sat2Sat1Sat3Sat4Userr1r2r32121211ZZYYXXr2222222ZZYYXXr2323233ZZYYXXr222ZZYYXXrSSS问题：距离观测量＝？)(sutttGPS观测方程)(suttcctc伪距观测量问题：既然τ是真实的信号传播时间，那么c∙τ是不是卫星和观测点间的真实距离R呢？IonosphereTroposphereUserARcustctcARuiiiiiitctcAZZYYXX222uiiiiiitctcAZZYYXX222GPS观测方程及线性化iiiZYX,,it、A如何计算？（X,Y,Z）和δtu和202020ZZYYXXRiiii是待求参数iiuiiiiitAtdZdYdXnmlR1将上述方程在近似坐标（X0,Y0,Z0）处展开：iiiRXXl0iiiRYYm0iiiRZZn0是四个待求参数，需观测几颗卫星？（X,Y,Z）和δtuGPS观测方程及线性化utdZdYdXnmlnmlnmlnmltARtARtARtAR11114443332221114444333322221111BxLLBx1观测多颗卫星的单点定位方程ssssusssstARtARtARtdZdYdXnmlnmlnmlvvv2222111122211121111LBxVPLBPBBxTT1ˆ40sPVVT120ˆˆPBBDTxx载波相位测量的特点定位精度比伪距定位精度高可用于进行静态绝对定位、静态相对定位、差分动态定位（2）GPS相对定位设法解算出初始整周未知数测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成(1)初始整周未知数n；(2)t0至ti时刻的整周记数Ci；(3)相位尾数i如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初始整周未知数n为了利用载波相位进行定位，必须设法先解算出初始整周未知数，取得总观测值n+Ci+iTime(0)整周模糊度Time(i)整周模糊度整周计数相位测量值相对定位的原理相对定位是用两台（或多台）接收机分别安置在一条（或多条）基线的两端，同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点的相对位置或基线向量在相对定位时，通过对观测量求差，可以消除观测量中相同的未知误差的影响，如卫星钟差、接收机钟差，削弱电离层和对流层折射的影响，提高测量精度伪距差分测量精度可达0.5m-5m此种测量形式一般称为DGPSBA伪距差分定位技术如果使用载波差分或同时使用载波差分则定位精度可达5-10mm+1ppmBA载波相位差分定位技术•可以消去卫星钟的系统偏差•可以消去接收机时钟的误差PikPljPijPjPlkPkSlSi•可以消去轨道(星历)误差的影响•可以削弱大气折射对观测值的影响组成星际站际两次差分观测值常规GPS的测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分(Real-TimeKinematic)方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据(伪距观测值，相位观测值)及已知数据传输给流动站接收机。五、什么是RTK技术发射电台GPS主机基准站移动站GPS主机RTK测量原理图采集器接收电台RTD测量原理图测深仪电脑发射电台GPS主机基准站移动站GPS主机接收电台一、静态GPS观测方法1、拟定外业观测计划1）拟定观测计