GPS測(cè)量原理及應(yīng)用

GPS原理及其應(yīng)用2021/6/271第1部分原理1GPS測(cè)量的特點(diǎn)2GPS的歷史和背景3GPS系統(tǒng)的組成4GPS衛(wèi)星5GPS地面控制站6GPS用戶設(shè)備7GPS系統(tǒng)現(xiàn)狀8GPS定位原理9GPS測(cè)量2021/6/272GPS定義GPS的英文全稱是：NavigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositionSystem測(cè)量用戶的PVT：Position(三維位置)Velocity(三維速度)Time(時(shí)間)2021/6/273日常生活中的GPS42021/6/274日常生活中的GPS車載手機(jī)52021/6/2751GPS測(cè)量的特點(diǎn)不需要相互通視觀測(cè)作業(yè)不受天氣條件的影響能達(dá)到大地測(cè)量所需要的精度水平全天候白天和夜間均可作業(yè)效率高提供三維坐標(biāo)2021/6/2762GPS的歷史和背景GPS是美國(guó)軍方研制的第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

(1)全球覆蓋

(2)24小時(shí)可以定位，測(cè)速和授時(shí)

(3)用戶設(shè)備成本低廉

(4)確保美國(guó)軍事安全，服務(wù)于全球戰(zhàn)略

(5)導(dǎo)航精度可達(dá)10-20m(6)取代現(xiàn)存各種導(dǎo)航系統(tǒng)

這種設(shè)備可以用來武裝戰(zhàn)車，艦船和飛機(jī)，提高其作戰(zhàn)能力，并可廣泛用于地面部隊(duì)，其作用已經(jīng)在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中得到充分展示。2021/6/277系統(tǒng)特征第一代NNSSNavyNavigationSatelliteSystem(海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)）GPS載波頻率GHz0.15,0.401.23,1.58衛(wèi)星高度km100020200衛(wèi)星數(shù)5-621+3衛(wèi)星周期min1:4711:58衛(wèi)星鐘穩(wěn)定度10-1110-12GPS與NNSS的主要特征比較2021/6/278系統(tǒng)特征GLONASSGPS載波頻率GHz1.61,1.251.23,1.58衛(wèi)星高度km1910020200衛(wèi)星數(shù)21+321+3衛(wèi)星周期h11:1511:58衛(wèi)星鐘穩(wěn)定度10-1110-13GPS與GLONASS的主要特征比較2021/6/2793GPS系統(tǒng)的組成空間部分：提供星歷和時(shí)間信息發(fā)射偽距和載波信號(hào)提供其它輔助信息地面控制部分：

中心控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步跟蹤衛(wèi)星進(jìn)行定軌用戶部分：

接收并測(cè)量衛(wèi)星信號(hào)記錄處理數(shù)據(jù)提供導(dǎo)航定位信息2021/6/27104GPS衛(wèi)星24顆衛(wèi)星(21+3)6個(gè)軌道平面55o軌道傾角2萬km軌道高度(地面高度)12小時(shí)（恒星時(shí)）軌道周期5個(gè)多小時(shí)出現(xiàn)在地平線以上(每顆星)目前軌道上實(shí)際運(yùn)行的衛(wèi)星個(gè)數(shù)已經(jīng)超過了32顆2021/6/27115GSP地面控制站一個(gè)主控站：科羅拉多?斯必靈司三個(gè)注入站：阿松森(Ascencion)

迭哥?伽西亞(DiegoGarcia)

卡瓦加蘭(kwajalein)五個(gè)監(jiān)測(cè)站=1個(gè)主控站+3個(gè)注入站+夏威夷(Hawaii)55HawaiiAscencionDiegoGarciakwajaleinColoradosprings2021/6/27126GPS用戶設(shè)備

GPS接收機(jī)導(dǎo)航型GSP接收機(jī)一般情況下無數(shù)據(jù)輸出的記錄存儲(chǔ)設(shè)備(手持機(jī))天線前置放大器電源部分射電部分微處理器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)顯示控制器供電信號(hào)信息命令數(shù)據(jù)供電，控制供電數(shù)據(jù)控制2021/6/2713TOPCON產(chǎn)品2021/6/27142021/6/2715LeicaGPS接收機(jī)2021/6/2716南方儀器廠2021/6/27172021/6/2718圖片：導(dǎo)航型GPS機(jī)手持型GPS機(jī)車載型GPS機(jī)2021/6/2719圖片：大地型GPS接收機(jī)單頻機(jī)雙頻機(jī)2021/6/2720

7

GPS定位原理

衛(wèi)星信號(hào)結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)頻率10.23MHZ

L11575.42MHZ

C/A碼

1.023MHZP?碼

10.23MHZL21227.60MHZP?碼10.23MHZ

10

154

12050比特/S衛(wèi)星信息電文(D碼)

每顆衛(wèi)星都發(fā)射一系列無線電信號(hào)(基準(zhǔn)頻率?

)

兩種載波(L1和L2)

兩種碼信號(hào)(C/A碼和P碼)

一組導(dǎo)航電文(信息碼，D碼)2021/6/2721GPS衛(wèi)星信號(hào)的組成衛(wèi)星信號(hào)載波信號(hào)(L1，L2)測(cè)距碼(P碼,C/A碼)數(shù)據(jù)碼(導(dǎo)航電文或D碼)

（1）載波信號(hào)L1載波，波長(zhǎng)λ=19.03cm，頻率f1=1575.42MHZL2載波，波長(zhǎng)λ=24.42cm，頻率f2=1227.6OMHZ。（2）測(cè)距碼C/A碼（粗碼/捕獲碼）：調(diào)制在L1載波上。結(jié)構(gòu)公開，不同的衛(wèi)星有不同的C/A碼。P碼（精碼）：調(diào)制在L1和L2載波上。（3）數(shù)據(jù)碼（D碼）（導(dǎo)航電文）

提供有關(guān)衛(wèi)星位置，衛(wèi)星鐘的性能、發(fā)射機(jī)的狀態(tài)等數(shù)據(jù)和信息。用戶利用觀測(cè)值以及這些信息和數(shù)據(jù)就能進(jìn)行導(dǎo)航和定位。2021/6/2722

GPS定位的各種常用觀測(cè)量

對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)距接收機(jī)對(duì)跟蹤的每一顆衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)距地心SiρijPj

riRjRj=ri+ρij有關(guān)各觀測(cè)量及已知數(shù)據(jù)如下：r—為已知的衛(wèi)地矢量P—為觀測(cè)量(偽距)ρ—為未知的測(cè)站點(diǎn)位矢量2021/6/2723偽距測(cè)量偽距——由衛(wèi)星發(fā)射的測(cè)距碼信號(hào)到達(dá)GPS接收機(jī)的傳播時(shí)間乘以光速所得出的量測(cè)距離。由于衛(wèi)星鐘、接收機(jī)鐘的誤差以及無線電通過電離層和對(duì)流層中的延遲，實(shí)際測(cè)出的距離

與衛(wèi)星到接收機(jī)的幾何距離

有一定的差值，因此一般稱量測(cè)出的距離為偽距。

用C/A碼進(jìn)行測(cè)量的偽距為C/A碼偽距；用P碼進(jìn)行測(cè)量的偽距為P碼偽距。2021/6/2724測(cè)距碼偽距測(cè)量接收機(jī)至衛(wèi)星的距離借助于衛(wèi)星發(fā)射的碼信號(hào)量測(cè)并計(jì)算得到的接收機(jī)本身按同一公式復(fù)制碼信號(hào)比較本機(jī)碼信號(hào)及到達(dá)的碼信號(hào)確定傳播延遲時(shí)間

t傳播延遲時(shí)間乘以光速就得到距離觀測(cè)值

=C?t

t

接收到的衛(wèi)星測(cè)距碼

接收儀復(fù)制出的測(cè)距碼2021/6/2725偽距測(cè)量的優(yōu)缺點(diǎn)1)定位速度快。2)無多值性問題。3)可作為載波相位測(cè)量中整波數(shù)不確定問題（模糊度）的輔助資料。4)一次定位精度不高，（P碼定位誤差約為10m，C/A碼定位誤差約為20～30m）。2021/6/2726D=c

T

N

載波相位觀測(cè)載波L1的波長(zhǎng)為19cm

，L2的波長(zhǎng)為24cm接收儀將接收到的衛(wèi)星載波信號(hào)的相位與其自身產(chǎn)生的參考載波信號(hào)的相位進(jìn)行比較接收儀開機(jī)后，相位整周數(shù)未知(帶有整周模糊度)跟蹤衛(wèi)星時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)距離的變化可以測(cè)定(整周數(shù)保持不變)

T接收到的衛(wèi)星相位接收儀復(fù)制出的相位2021/6/2727

載波相位觀測(cè)

T整周模糊度的確定可通過衛(wèi)星和測(cè)站的先驗(yàn)信息或偽距觀測(cè)值，估算其近似值并在平差計(jì)算中解算其最佳估值。采用通常的方法解算時(shí)，需隨觀測(cè)時(shí)間的延長(zhǎng)使衛(wèi)星的幾何構(gòu)形發(fā)生較大的變化，使電離層折射效應(yīng)和多路徑效應(yīng)等系統(tǒng)性偏差的影響被逐漸削弱以至消除，從而保證其確定的可靠性。在通常的靜態(tài)定位中，為確保確定的可靠性，至少要觀測(cè)1小時(shí)左右。2021/6/2728衛(wèi)星廣播的電磁波信號(hào)：信號(hào)量測(cè)精度優(yōu)于波長(zhǎng)的1/100載波波長(zhǎng)(

L1=19cm,L2=24cm)比C/A碼波長(zhǎng)(C/A=293m)短得多所以，GPS測(cè)量采用載波相位觀測(cè)值可以獲得比偽距(C/A碼或P碼)定位高得多的測(cè)距精度L1載波L2載波C/A碼P-碼

p=29.3

m

L2=24

cm

L1=19c

m

C/A=293

m

載波相位觀測(cè)2021/6/2729載波相位測(cè)距的優(yōu)缺點(diǎn)載波相位測(cè)量屬于非碼信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：把載波作為量測(cè)信號(hào)，對(duì)載波進(jìn)行相位測(cè)量可以達(dá)到很高的精度，目前可達(dá)到1～2mm。缺點(diǎn)：載波信號(hào)是一種周期性的正弦信號(hào)，相位測(cè)量只能測(cè)定不足一個(gè)波長(zhǎng)的小數(shù)部分，無法測(cè)定其整波長(zhǎng)個(gè)數(shù)。因而存在著整周數(shù)的不確定性問題，使解算過程比較復(fù)雜。2021/6/2730單點(diǎn)定位結(jié)果的獲取單點(diǎn)定位解可以理解為一個(gè)測(cè)邊后方交會(huì)問題衛(wèi)星充當(dāng)軌道上運(yùn)動(dòng)的控制點(diǎn)，觀測(cè)值為測(cè)站至衛(wèi)星的偽距(由時(shí)間延遲計(jì)算得到)由于接收機(jī)時(shí)鐘與衛(wèi)星鐘存在同步誤差，所以要同步觀測(cè)4顆衛(wèi)星，解算四個(gè)未知參數(shù)：緯度

,經(jīng)度

,大地高程h,鐘差

t2021/6/27318GPS定位的誤差源與GPS衛(wèi)星有關(guān)的因素SA(對(duì)精密星歷進(jìn)行加密）技術(shù)：人為的降低廣播星歷精度2000年5月2日4時(shí)終止實(shí)施衛(wèi)星星歷（定軌）誤差衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射天線相位中心偏差與傳播途徑有關(guān)的因素電離層延遲對(duì)流層延遲多路徑效應(yīng)與接收機(jī)有關(guān)的因素接收機(jī)鐘差接收機(jī)天線相位中心誤差接收機(jī)軟件和硬件造成的誤差2021/6/27329GPS測(cè)量(1)采用載波相位觀測(cè)值衛(wèi)星廣播的電磁波信號(hào)：信號(hào)量測(cè)精度優(yōu)于波長(zhǎng)的1/100載波波長(zhǎng)(

L1=19cm,L2=24cm)比C/A碼波長(zhǎng)(C/A=293m)短得多所以，GPS測(cè)量采用載波相位觀測(cè)值可以獲得比偽距(C/A碼或P碼)定位高得多的測(cè)距精度L1載波L2載波C/A碼P-碼

p=29.3

m

L2=24

cm

L1=19c

m

C/A=293

m2021/6/2733(2)組成星際站際兩次差分觀測(cè)值可以消去衛(wèi)星鐘的系統(tǒng)偏差可以消去接收機(jī)時(shí)鐘的誤差PikPljPijPjPlkPkSlSi可以削弱大氣折射對(duì)觀測(cè)值的影響可以削弱軌道(星歷)誤差的影響2021/6/2734(3)設(shè)法解算出初始整周未知數(shù)測(cè)站對(duì)某一衛(wèi)星的載波相位觀測(cè)值由三部分組成

(1)初始整周未知數(shù)n；(2)t0至ti時(shí)刻的整周記數(shù)Ci；(3)相位尾數(shù)

i如果信號(hào)沒有失鎖，則每一個(gè)觀測(cè)值包含同一個(gè)初始整周未知數(shù)n為了利用載波相位進(jìn)行定位，必須設(shè)法先解算出初始整周未知數(shù)，取得總觀測(cè)值n+Ci+

iTime(0)AmbiguityTime(i)AmbiguityCountedCyclesPhaseMeasurement2021/6/2735(4)弄清楚初始整周未知數(shù)的確定與定位精度的關(guān)系精度m1.000.100.01整周未知數(shù)確定后整周未知數(shù)確定前經(jīng)典靜態(tài)定位00308058時(shí)間(分)如果無法準(zhǔn)確解出初始整周未知數(shù)，則定位精度難以優(yōu)于±1m隨著初始整周未知數(shù)解算精度的提高，定位精度也相應(yīng)提高一旦初始整周未知數(shù)精確獲得，定位精度不再隨時(shí)間延長(zhǎng)而提高經(jīng)典靜態(tài)定位需要30-80分鐘觀測(cè)才能求定初始整周未知數(shù)快速靜態(tài)定位將這個(gè)過程縮短到5-8分鐘(雙頻接收機(jī))快速靜態(tài)定位2021/6/2736偽距差分這是應(yīng)用最廣的一種差分。在基準(zhǔn)站上，觀測(cè)所有衛(wèi)星，根據(jù)基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)和各衛(wèi)星的坐標(biāo)，求出每顆衛(wèi)星每一時(shí)刻到基準(zhǔn)站的真實(shí)距離。再與測(cè)得的偽距比較，得出偽距改正數(shù)，將其傳輸至用戶接收機(jī)，提高定位精度。這種差分，能得到米級(jí)定位精度，如沿海廣泛使用的“信標(biāo)差分”2021/6/2737載波相位差分載波相位差分技術(shù)又稱RTK(RealTimeKinematic)技術(shù)，是實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)站載波相位觀測(cè)量的差分方法。即是將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)送給用戶接收機(jī)，進(jìn)行求差解算坐標(biāo)。載波相位差分可使定位精度達(dá)到厘米級(jí)，已經(jīng)大量應(yīng)用于需要點(diǎn)位高精度的動(dòng)態(tài)測(cè)量領(lǐng)域。2021/6/2738第2部分我國(guó)GPS測(cè)量的常用坐標(biāo)系1.WGS-84WGS-84坐標(biāo)是GPS所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)，GPS發(fā)布的星歷參數(shù)都是基于此坐標(biāo)系的。

WGS-84的橢球參數(shù)：

a=6378137m1/f=298.2572235632.1954北京坐標(biāo)系

1954北京坐標(biāo)系是目前我國(guó)使用比較廣泛的大地測(cè)量坐標(biāo)系，參考橢球是克拉索夫斯基橢球。其高程是以1956年黃海平均海水面為基準(zhǔn)。克拉索夫斯基橢球參數(shù)：

a=6378245m1/f=298.32021/6/27393.1980西安坐標(biāo)系

1980西安坐標(biāo)系是我國(guó)新建的大地測(cè)量坐標(biāo)系，參考橢球是IUGG1975橢球，其高程是以1956年黃海平均海水面為基準(zhǔn)。

IUGG1975橢球參數(shù)：

a=6378140m1/f=298.2572021/6/2740第3部分GPS靜態(tài)定位

GPS靜態(tài)定位主要用于建立各級(jí)測(cè)量控制網(wǎng)，其優(yōu)點(diǎn)為：定位精度高，其基線的相對(duì)精度非常高選點(diǎn)靈活、不需要造標(biāo)、費(fèi)用低全天候作業(yè)觀測(cè)時(shí)間短觀測(cè)處理自動(dòng)化2021/6/2741第4部分GPS高程測(cè)量中常用的高程系統(tǒng)有大地高系統(tǒng)、正高系統(tǒng)、正常高系統(tǒng)大地高系統(tǒng)是以參考橢球面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)。某點(diǎn)的大地高是該點(diǎn)到參考橢球面的垂直距離。大地高也稱為橢球高。一般用H表示。正高系統(tǒng)是以大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)。某點(diǎn)的正高是該點(diǎn)到大地水準(zhǔn)面的垂直距離。正常高系統(tǒng)是以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)。某點(diǎn)的正常高是該點(diǎn)到似大地水準(zhǔn)面的垂直距離。2021/6/2742高程系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換EllipsoidhPTopographyHGeoidN

似大地水準(zhǔn)面到參考橢球面的距離稱為高程異常，似大地水準(zhǔn)面不規(guī)則，造成了各地高程異常值的不確定性。2021/6/2743GPS高程的方法在國(guó)內(nèi)一般適用高程擬合法求水準(zhǔn)高。已知點(diǎn)為一個(gè)把已知點(diǎn)上的高程異常改正到其它點(diǎn)上去已知點(diǎn)為兩個(gè)定義了高程平差面，此平面沿著直線方向前進(jìn)已知點(diǎn)為三個(gè)定義了高程平差面多于三個(gè)二次曲面擬合定義了曲面2021/6/2744第5部分GPS在軍事中的應(yīng)用1GPS在戰(zhàn)場(chǎng)上的應(yīng)用2GPS在電子戰(zhàn)爭(zhēng)中的應(yīng)用3GPS在武器試驗(yàn)中的應(yīng)用2021/6/2745

1GPS在戰(zhàn)場(chǎng)上的應(yīng)用

在1990年的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，雖然當(dāng)時(shí)GPS系統(tǒng)還未全面建成，空間只有部分GPS衛(wèi)星在運(yùn)行，但它在多國(guó)部隊(duì)多兵種應(yīng)用，顯示了它的優(yōu)越性，發(fā)揮了很大的作用。戰(zhàn)爭(zhēng)初期，美國(guó)裝備了900套GPS接收機(jī)，在戰(zhàn)爭(zhēng)中迅速增加，到戰(zhàn)爭(zhēng)后期裝備了5,000多套。連同它的盟國(guó)部隊(duì)共裝備了10,000多套。直到戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束還有數(shù)千套合同產(chǎn)品還在生產(chǎn)中。2021/6/27461GPS在戰(zhàn)場(chǎng)上的應(yīng)用

因?yàn)楫?dāng)時(shí)多國(guó)部隊(duì)是跨國(guó)界、跨地區(qū)作戰(zhàn)，地理環(huán)境相當(dāng)陌生，僅依靠地圖是實(shí)在有限的，據(jù)說正是因?yàn)橛辛耸殖中虶PS的幫助，才使許多美國(guó)士兵得以生還。事實(shí)證明它最適合單兵及快速反應(yīng)部隊(duì)行動(dòng)，因?yàn)樗鼭M足快速、靈活、多變的戰(zhàn)時(shí)環(huán)境，功效是傳統(tǒng)導(dǎo)航工具無法達(dá)到的。目前已成為許多國(guó)外士兵的標(biāo)準(zhǔn)裝備之一。

2021/6/2747空中轟炸

安裝GPS接收機(jī)的飛機(jī)，不僅改善了導(dǎo)航精度，并且由于把要轟炸的目標(biāo)作為一個(gè)“航路點(diǎn)”，有效改善炸彈投放精度。利用GPS導(dǎo)航功能，戰(zhàn)斗機(jī)的飛行與投彈不受白天黑夜、可視距離的影響，可以避開敵方雷達(dá)視距低空穿越飛行，減少損失，重創(chuàng)敵人。2021/6/2748戰(zhàn)場(chǎng)偵察

無論山區(qū)密林、沙漠田野，帶著GPS接收機(jī)，偵察員們掌握自己位置，記錄敵方位置，再不會(huì)犯方向和路線的錯(cuò)誤?？罩袀刹?，多架飛機(jī)，利用GPS連續(xù)測(cè)定自身位置，利用無線電測(cè)向、空中攝影等方法確定敵方地面部署、防空雷達(dá)的位置，快速有效的獲得戰(zhàn)時(shí)地圖。2021/6/2749精密制導(dǎo)

導(dǎo)彈彈頭上安裝GPS接收機(jī)，隨時(shí)測(cè)定導(dǎo)彈位置，進(jìn)行彈道偏差修正，準(zhǔn)確命中目標(biāo)。命中目標(biāo)的誤差可達(dá)到1米，并且命中目標(biāo)的誤差不受導(dǎo)彈射程（即使為數(shù)千公里）的影響。2021/6/2750搜索救援

主動(dòng)式搜索救援：始終監(jiān)視救援范圍內(nèi)的情況，跟蹤目標(biāo)，根據(jù)GPS測(cè)定的位置組織救援，提高救援成功率。被動(dòng)式搜索救援：配備帶有GPS接收機(jī)的緊急求救無線發(fā)信裝置（一般放在頭盔上）的指戰(zhàn)員們主動(dòng)求救。2021/6/2751

法國(guó)的ASCA公司已為美海軍開發(fā)了利用水下全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)進(jìn)行搜索與救援以及對(duì)抗水雷的系統(tǒng)，它可以利用水下的GPS信號(hào)確定目標(biāo)的經(jīng)、緯度和深度坐標(biāo)。海軍海上系統(tǒng)司令部已于2001年8月購(gòu)買了一套該系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于跟蹤沉在水下的飛機(jī)或潛艇中釋放的移動(dòng)黑匣子聲波發(fā)送器，只需要不到半天的時(shí)間就能尋找到目標(biāo)。在2001年夏天進(jìn)