GPS系统介绍专题报告解读课件.ppt

1、寇瑞雄寇瑞雄第二组第二组 GPS（Global Positioning System）即全球定位系统，是由美国建立的一个卫星导航定位系统，利用该系统，用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速；另外，利用该系统，用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。GPS 计划始于1973 年，已于1994 年进入完全运行状态。GPS 的整个系由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成：4524颗卫星（21+3）6个轨道平面55轨道倾角20200km轨道高度（地面高度）12小时（恒星时）轨道周期5个多小时出现在地平线以上（每颗星）6一个主控站一个主控站：科罗拉多斯必灵司三个注入站

2、：三个注入站：阿松森（Ascencion)迭哥伽西亚(Diego Garcia)卡瓦加兰(kwajalein)五个监测站五个监测站=55HawaiiAscencionDiego GarciakwajaleinColorado springs7导航型接收机一般情况下无数据输出的记录存储设备供电信号信息命令数据供电，控制供电数据控制 89 卫星信号结构 每颗卫星都发射一系列无线电信号（基准频率每颗卫星都发射一系列无线电信号（基准频率）两种载波（两种载波（L1和和L2）两种码信号（两种码信号（C/A码和码和P码）码）一组导航电文（信息码，一组导航电文（信息码，D码）码）基准频率基准频率10.23MH

3、Z L11575.42 MHZ C/A码码 1.023MHZ P码码 10.23MHZL21227.60MHZ15412050比特比特/S卫星信息电文（卫星信息电文（D码）码）10111颗卫星的信号确定了我们必定在以颗卫星的信号确定了我们必定在以R1为半径的为半径的球面的某个点上球面的某个点上R112由由2颗卫星的信号可以确定颗卫星的信号可以确定2个球面，它们相交个球面，它们相交成一个圆弧，点位被限制在一曲线上成一个圆弧，点位被限制在一曲线上R1R2133 个球面相交成一个点，个球面相交成一个点，3 个距离段可以确定个距离段可以确定纬度，经度和高程，点的空间位置被确定纬度，经度和高程，点的空间

4、位置被确定R1R2R314接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距地心SiPijPj riRjRj=ri+Pij有关各观测量及已知数据如下：有关各观测量及已知数据如下：r 为已知的卫地矢量P为观测量（伪距）R为未知的测站点位矢量15接收机至卫星的距离借助于卫星发射的码信号量测并计算得到的接收机本身按同一公式复制码信号比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟的时间t传播延迟时间乘以光速就是距离观测值=C t卫星钟调制的码信号接收机时钟复制的码信号tt16单点定位解可以理解为一个后方交会问题单点定位解可以理解为一个后方交会问题卫星充当轨道上运动的控制点，观测值为测站至卫星的

5、伪距卫星充当轨道上运动的控制点，观测值为测站至卫星的伪距（由时延值推算得到）（由时延值推算得到）由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差所以要同步观测所以要同步观测4颗卫星，解算四个未知参数：精度颗卫星，解算四个未知参数：精度 ,经度经度 ,高程高程 h,钟差钟差 t17发自卫星的电磁波信号：信号量测精度优于波长的1/100载波波长（L1=19cm,L2=24cm)比C/A码波长 (C/A=293m)短得多所以，GPS测量采用载波相位观测值可以获得比伪距（C/A码或P码）定位高得多的成果精度L1载波载波L2载波载波C/A码码P-码码 p=29.3 m L2=24 c

6、m L1=19c m C/A=293 m18可以消去卫星钟的系统偏差可以消去卫星钟的系统偏差可以消去接收机时钟的误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可以削弱大气折射对观测值的影响 1.与GPS 卫星有关的因素 SA 美国政府从其国家利益出发，通过降低广播星历精度（技术）、在GPS 基准信号中加入高频抖动（技术）等方法，人为降低普通用户利用GPS 进行导航定位时的精度。卫星星历误差 在进行GPS 定位时，计算在某时刻GPS 卫星位置所需的卫星轨道参数是通过各种类型的星历7 提

7、供的，但不论采用哪种类型的星历，所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异，这就是所谓的星历误差。卫星钟差 卫星钟差是GPS 卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS 标准时间之间的误差。卫星信号发射天线相位中心偏差 卫星信号发射天线相位中心偏差是GPS 卫星上信号发射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。20电离层延迟 由于地球周围的电离层对电磁波的折射效应，使得GPS 信号的传播速度发生变化，这种变化称为电离层延迟。电磁波所受电离层折射的影响与电磁波的频率以及电磁波传播途径上电子总含量有关。对流层延迟 由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应，使得GPS 信号的传播速度发生变化，这种变化

8、称为对流层延迟。电磁波所受对流层折射的影响与电磁波传播途径上的温度、湿度和气压有关。多路径效应 由于接收机周围环境的影响，使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有各种反射和折射信号的影响，这就是所谓的多路径效应。21 接收机钟差 接收机钟差是GPS 接收机所使用的钟的钟面时与GPS 标准时之间的差异。接收机天线相位中心偏差 接收机天线相位中心偏差是GPS 接收 机天线的标称相位中心与其真实的相位中心之间的差异。接收机软件和硬件造成的误差 在进行GPS 定位时，定位结果还会受到诸如处理与控制软件和硬件等的影响。224.其它 GPS 控制部分人为或计算机造成的影响 由于GPS 控制部分的问题或用户在

9、进行数据处理时引入的误差等。数据处理软件的影响 数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响。2324PP赤道黄道 春分点黄赤交角ssnn2526XYZxyz天球坐标系地心s春分点27282930地球坐标系313233WGS-84 坐标系是目前GPS 所采用的坐标系统，GPS 所发布的星历参数就是基于此坐标系统的。WGS-84 坐标系的坐标原点位于地球的质心，Z 轴指向BIH1984.0 定义的协议地球极方向，X 轴指向BIH1984.0 的启始子午面和赤道的交点，Y 轴与X 轴和Z 轴构成右手系。341954 年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系,采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球，遗憾

10、的是，该椭球并未依据当时我国的天文观测资料进行重新定位，而是由前苏联西伯利亚地区的一等锁，经我国的东北地区传算过来的，该坐标系的高程异常是以前苏联1955 年大地水准面重新平差的结果为起算值，按我国天文水准路线推算出来的，而高程又是以1956 年青岛验潮站的黄海平均海水面为基准。35 克拉索夫斯基椭球参数同现代精确的椭球参数的差异较大，并且不包含表示地球物理特性的参数，因而给理论和实际工作带来了许多不便。椭球定向不十分明确，椭球的短半轴既不指向国际通用的CIO 极，也不指向目前我国使用的JYD 极。参考椭球面与我国大地水准面呈西高东低的系统性倾斜，东部高程异常达60 余米，最大达67 米。该坐

11、标系统的大地点坐标是经过局部分区平差得到的，因此，全国的天文大地控制点实际上不能形成一个整体，区与区之间有较大的隙距，如在有的接合部中，同一点在不同区的坐标值相差1-2 米，不同分区的尺度差异也很大，而且坐标传递是从东北到西北和西南，后一区是以前一区的最弱部作为坐标起算点，因而一等锁具有明显的坐标积累误差。361978 年，我国决定重新对全国天文大地网施行整体平差，并且建立新的国家大地坐标系统，整体平差在新大地坐标系统中进行，这个坐标系统就是1980 年西安大地坐标系统。1980 年西安大地坐标系统所采用的地球椭球参数的四个几何和物理参数采用了IAG 1975 年的推荐值，椭球的短轴平行于地球

12、的自转轴（由地球质心指向1968.0 JYD 地极原点方向），起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面，椭球面同似大地水准面在我国境内符合最好，高程系统以1956 年黄海平均海水面为高程起算基准。3738卫星轨道图卫星轨道图39GPS 静态定位在测量中主要用于测定各种用途的控制点。其中，较为常见的方面是利用GPS 建立各种类型和等级的控制网，在这些方面，GPS 技术已基本上取代了常规的测量方法，成为了主要手段。较之于常规方法，GPS 在布设控制网方面具有以下一些特点：40测量精度高：GPS 观测的精度要明显高于一般的常规测量手段，GPS 基线向量的相对精度一般在10-5 10-9之间，这是普通测量方法很难达到的。选点灵活、不需要造标、费用低：GPS 测量不要求测站间相互通视，不需要建造觇标，作业成本低，大大降低了布网费用。全天侯作业：在任何时间、任何气候条件下，均可以进行GPS 观测，大大方便了测量作业，有利于按时、高效地完成控制网的布设。观测时间短：采用GPS 布设一般等级的控制网时，在每个测站上的观测时间一般在12 个小时左右，采用快速静态定位的方法，观测时间更短。观测、处理自动化采用GPS 布设控制网，观测工程和数据处理过程均是高度自动化的。414243444546474849505152535456谢谢大家