GNSS系統(tǒng)構(gòu)成和作業(yè)原理講述課件

1、GPS培訓(xùn)教程第1頁(yè)，共62頁(yè)。蘇州一光儀器有限公司培訓(xùn)內(nèi)容1. GPS的涵義2. GPS定位原理3. GPS差分技術(shù)原理及種類4. GPS技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)5. GPS產(chǎn)品的種類第2頁(yè)，共62頁(yè)。 全球衛(wèi)星系統(tǒng)： 1、美國(guó)的GPS衛(wèi)星系統(tǒng) 2、俄羅斯的“格洛納斯”(GLONASS衛(wèi)星系統(tǒng) （20顆衛(wèi)星在軌，17顆正常運(yùn)行，3顆在維修） 3、歐盟的“伽利略” Galileo衛(wèi)星系統(tǒng) 4、中國(guó)的“北斗”COMPASS衛(wèi)星系統(tǒng)蘇州一光儀器有限公司一、GPS的涵義第3頁(yè)，共62頁(yè)。一、GPS的涵義 GPS（The Global Positioning System ）是一個(gè)全球范圍的無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，

2、它包括三個(gè)部分： 蘇州一光儀器有限公司第4頁(yè)，共62頁(yè)。第5頁(yè)，共62頁(yè)。一、GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)的組成 GPS由三大部分組成:1、空間部分2、地面監(jiān)控部分3、用戶設(shè)備（接收機(jī)）部分。 第6頁(yè)，共62頁(yè)。 1、空間部分 由24（21顆正式的工作衛(wèi)星+3顆活動(dòng)的備用衛(wèi)星）顆工作衛(wèi)星組成,它位于距地表20 200km的上空,均勻分布在6 個(gè)軌道面上(每個(gè)軌道面4 顆) ,軌道傾角為55。此外,還有4 顆有源備份衛(wèi)星在軌運(yùn)行。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時(shí)間都可觀測(cè)到4 顆以上的衛(wèi)星,并能保持良好定位解算精度的幾何圖象。這就提供了在時(shí)間上連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰?。蘇州一光儀器有限公司一、GPS的涵義第

3、7頁(yè)，共62頁(yè)。蘇州一光儀器有限公司1、空間部分 GPS 衛(wèi)星產(chǎn)生兩組電碼, 一組稱為C/ A 碼( Coarse/ Acquisition Code11023MHz) ;一組稱為P 碼(Procise Code 10123MHz) ,P 碼因頻率較高,不易受干擾,定位精度高,因此受美國(guó)軍方管制,并設(shè)有密碼,一般民間無(wú)法解讀,主要為美國(guó)軍方服務(wù)。C/ A 碼人為采取措施而刻意降低精度后,主要開放給民間使用。導(dǎo)航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時(shí)鐘改正、電離層時(shí)延修正、大氣折射修正等信息。C/A碼頻率1.023MHz,重復(fù)周期一毫秒，碼間距1微秒，相當(dāng)于300m；P碼頻率10.23MHz，重復(fù)周期2

4、66.4天，碼間距0.1微秒，相當(dāng)于30m。一、GPS的涵義第8頁(yè)，共62頁(yè)。 2、地面控制 地面控制部分由：1個(gè)主控站,5個(gè)全球監(jiān)測(cè)站和3個(gè)地面控制（注入）站組成。監(jiān)測(cè)站均配裝有精密的銫鐘和能夠連續(xù)測(cè)量到所有可見衛(wèi)星的接受機(jī)。監(jiān)測(cè)站將取得的衛(wèi)星GPS觀測(cè)數(shù)據(jù),包括電離層和氣象數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)初步處理后,傳送到主控站。主控站從各監(jiān)測(cè)站收集跟蹤數(shù)據(jù),計(jì)算出衛(wèi)星的軌道和時(shí)鐘參數(shù),然后將結(jié)果送到3個(gè)地面控制站。地面控制站在每顆衛(wèi)星運(yùn)行至上空時(shí),把這些導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站指令注入到衛(wèi)星。這種注入對(duì)每顆GPS 衛(wèi)星每天一次,并在衛(wèi)星離開注入站作用范圍之前進(jìn)行最后的注入。如果某地面站發(fā)生故障,那么在衛(wèi)星中預(yù)存的導(dǎo)航

5、信息還可用一段時(shí)間,但導(dǎo)航精度會(huì)逐漸降低。蘇州一光儀器有限公司一、GPS的涵義第9頁(yè)，共62頁(yè)。2、地面控制 1、主控站（1個(gè)）：美國(guó)克羅拉多州法爾孔空軍基地。 2、監(jiān)測(cè)站（5個(gè)）：夏威夷、主控站和注入站。 3、注入站（3個(gè)）：阿松森群島（大西洋）、迪戈加西亞（印度洋） 和卡瓦加蘭（太平洋）。蘇州一光儀器有限公司一、GPS的涵義第10頁(yè)，共62頁(yè)。蘇州一光儀器有限公司2、地面控制部分一、GPS的涵義第11頁(yè)，共62頁(yè)。 3、用戶設(shè)備部分 用戶設(shè)備部分即GPS 信號(hào)接收機(jī)。其主要功能是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行。當(dāng)接收機(jī)捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號(hào)后，就可測(cè)量出接收

6、天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率,解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，接收機(jī)中的微處理計(jì)算機(jī)就可按定位解算方法進(jìn)行定位計(jì)算，計(jì)算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時(shí)間等信息。接收機(jī)硬件和機(jī)內(nèi)軟件以及GPS 數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成完整的GPS 用戶設(shè)備。蘇州一光儀器有限公司一、GPS的涵義第12頁(yè)，共62頁(yè)。1、GPS測(cè)量方法的理論基礎(chǔ)是“后方交會(huì)” “后方交會(huì)”是從一個(gè)未知點(diǎn)上分別觀測(cè)幾個(gè)已知坐標(biāo)點(diǎn)，然后根據(jù)測(cè)量出的幾個(gè)已知坐標(biāo)點(diǎn)到未知點(diǎn)的距離，計(jì)算出未知點(diǎn)坐標(biāo)的測(cè)量方法。其幾何原理如下，在平面上，要確定未知點(diǎn)P的坐標(biāo)，至少需要測(cè)量出未知點(diǎn)P到三個(gè)已知點(diǎn)A、B、C的距離a、b、c。蘇

7、州一光儀器有限公司二、GPS的定位原理A(XA，YA) B(XB，YB) C(XC，YC)（XPXA）2（YPYA）2a2（XPXB）2（YPYB）2b2（XPXC）2（YPYC）2c2A(XA，YA)A(XA，YA)第13頁(yè)，共62頁(yè)。 在太空中，這些點(diǎn)變?yōu)榱Ⅲw空間的點(diǎn)，圓圈變?yōu)榍蛎?，所以至少需要知道P點(diǎn)至4個(gè)已知點(diǎn)的距離才能確定P的位置（實(shí)際上，通過(guò)數(shù)學(xué)的方法3顆衛(wèi)星就可以得到用戶的位置，第4顆衛(wèi)星的觀測(cè)是由于某個(gè)技術(shù)原因，這將在后面講到）：蘇州一光儀器有限公司二、GPS的定位原理第14頁(yè)，共62頁(yè)。2、為了實(shí)現(xiàn)“后方交會(huì)”，距離是必須測(cè)量的值。蘇州一光儀器有限公司二、GPS的定位原理 G

8、PS測(cè)量距離的方法是通過(guò)測(cè)量無(wú)線電信號(hào)在空中傳播的時(shí)間來(lái)完成的。距離 = 速度 X 時(shí)間，GPS的測(cè)距方法與一般的紅外測(cè)距儀本質(zhì)上沒(méi)有區(qū)別，地面的用戶是不會(huì)發(fā)出任何無(wú)線電波的，所有的信號(hào)都是衛(wèi)星發(fā)出來(lái)的，用戶只要接收即可。第15頁(yè)，共62頁(yè)。 那么如何來(lái)測(cè)定“時(shí)間”呢？這里的時(shí)間是“時(shí)間差”，即信號(hào)從衛(wèi)星發(fā) 出到用戶收到時(shí)刻，一共花費(fèi)了多少時(shí)間。為了解決這個(gè)問(wèn)題，每一顆衛(wèi)星都有其獨(dú)一無(wú)二的信號(hào)結(jié)構(gòu)：蘇州一光儀器有限公司二、GPS的定位原理2、為了實(shí)現(xiàn)“后方交會(huì)”，距離是必須測(cè)量的值。第16頁(yè)，共62頁(yè)。那么，“信號(hào)結(jié)構(gòu)”如何能測(cè)量時(shí)間呢？讓我們做一個(gè)假設(shè)，如下圖：蘇州一光儀器有限公司二、GPS

9、的定位原理2、為了實(shí)現(xiàn)“后方交會(huì)”，距離是必須測(cè)量的值。 有兩個(gè)好朋友做了一個(gè)約定，當(dāng)中午12點(diǎn)時(shí)，他們分別在甲、乙兩地同時(shí)開始播放命運(yùn)交響曲，我們站在乙地聽音樂(lè)，那么我們將聽到從甲地傳來(lái)的音樂(lè)會(huì)稍微落后于乙地的，如果我們能測(cè)量出節(jié)拍落后了多少，那么把落后的時(shí)間乘以聲音傳播的速度就可以得到甲乙兩地的距離。第17頁(yè)，共62頁(yè)。 這個(gè)時(shí)間測(cè)量得越準(zhǔn)，距離就越準(zhǔn)（其實(shí)中世紀(jì)的水手們航海時(shí)已經(jīng)懂得用歌聲來(lái)進(jìn)行測(cè)量），GPS的“信號(hào)結(jié)構(gòu)”就相當(dāng)于一首特殊的歌曲，歌曲的名叫做“Pseudo Random Code（偽距碼）”。匹配衛(wèi)星與接收機(jī)兩者的偽距碼可以測(cè)量出時(shí)間，即兩者間的距離。蘇州一光儀器有限公司

10、二、GPS的定位原理第18頁(yè)，共62頁(yè)。3.為了測(cè)量無(wú)線電信號(hào)在空中傳播的時(shí)間，GPS需要非常精確的定時(shí)。蘇州一光儀器有限公司二、GPS的定位原理 現(xiàn)在我們知道了測(cè)量時(shí)間準(zhǔn)確性的重要性，我們的表哪怕有千分之一秒的誤差，乘以光速后，我們將會(huì)得到300公里的距離誤差 。 對(duì)于衛(wèi)星一端而言，時(shí)間是很準(zhǔn)的，因?yàn)樗鼈兪褂昧嗽隅姡ǘ砹_斯的衛(wèi)星系統(tǒng)GLONASS沒(méi)有美國(guó)的好，根本原因之一就是鐘沒(méi)有美國(guó)的準(zhǔn)）。 對(duì)于用戶的接收機(jī)一端而言，如果使用原子鐘的話，每一臺(tái)接收機(jī)的價(jià)格幾乎等于一顆衛(wèi)星的價(jià)格（真正的“天文數(shù)字”）！ 但是，GPS的設(shè)計(jì)師們是真正的科學(xué)家，他們卓越的設(shè)計(jì)使得接收機(jī)一端對(duì)時(shí)間精度的要求不需

11、要那么的高。秘密就是前面我們提到的“通過(guò)數(shù)學(xué)的方法3顆衛(wèi)星就可以得到用戶的位置，第4顆衛(wèi)星的觀測(cè)是由于某個(gè)技術(shù)原因”。第19頁(yè)，共62頁(yè)。蘇州一光儀器有限公司二、GPS的定位原理 這個(gè)技術(shù)原因就是：第4顆衛(wèi)星的冗余觀測(cè)量改正了接收機(jī)因?yàn)闀r(shí)鐘不準(zhǔn)帶來(lái)的時(shí)間誤差。3.為了測(cè)量無(wú)線電信號(hào)在空中傳播的時(shí)間，GPS需要非常精確的定時(shí)。第20頁(yè)，共62頁(yè)。 如果所有測(cè)量的距離都沒(méi)有誤差，那么所有衛(wèi)星的距離都將相交于一點(diǎn)，就是我們的位置，但現(xiàn)在我們將發(fā)現(xiàn)，第4顆衛(wèi)星的距離與前面3顆的交點(diǎn)不重合。這時(shí)，接收機(jī)將會(huì)尋找一個(gè)改正量（第4顆衛(wèi)星），以使得接收機(jī)的時(shí)鐘改正到一個(gè)精確值，如此，我們就得到了原子鐘級(jí)別精度

12、的時(shí)鐘，可以精確地測(cè)出接收機(jī)所在位置的坐標(biāo)了。所以接收機(jī)最少需要4個(gè)并行通道，以便能夠同時(shí)接收4顆衛(wèi)星。 現(xiàn)在，測(cè)量距離的問(wèn)題已經(jīng)解決，可是，我們知道“后方交會(huì)”必須知道已知點(diǎn)的精確坐標(biāo)，所以，如何得到衛(wèi)星在空中的精確位置就是我們要討論的下一個(gè)問(wèn)題。蘇州一光儀器有限公司二、GPS的定位原理第21頁(yè)，共62頁(yè)。蘇州一光儀器有限公司二、GPS的定位原理4.為了能通過(guò)“后方交會(huì)”測(cè)定接收機(jī)的位置，衛(wèi)星在太空中的位置必須精確已知。 高軌道運(yùn)行和無(wú)時(shí)無(wú)刻的監(jiān)測(cè)是其保證。 為何GPS衛(wèi)星要運(yùn)行在一千多公里的高空呢，因?yàn)檫@里幾乎不會(huì)受到大氣層的影響，而且衛(wèi)星的軌道的幾何關(guān)系相對(duì)簡(jiǎn)單。用戶的接收機(jī)里面有一個(gè)“

13、歷書（almanac）”程序，它時(shí)刻地告訴接收機(jī)在什么時(shí)候天空中的什么衛(wèi)星在什么位置。第22頁(yè)，共62頁(yè)。蘇州一光儀器有限公司二、GPS的定位原理4.為了能通過(guò)“后方交會(huì)”測(cè)定接收機(jī)的位置，衛(wèi)星在太空中的位置必須精確已知。 地面控制站使用雷達(dá)可以精確地測(cè)出衛(wèi)星在空中的高程、位置和速度，這樣，通過(guò)地面控制，GPS衛(wèi)星的軌道位置將是十分精確的。地面控制站主要檢查影響衛(wèi)星運(yùn)行的軌道的誤差，稱為“星歷（ephemeris）”，它是由太陽(yáng)和月亮的引力以及陽(yáng)光照射在衛(wèi)星上形成的光壓共同造成的。 當(dāng)美國(guó)國(guó)防部測(cè)量出了衛(wèi)星的精確位置，他們就把這個(gè)位置發(fā)給衛(wèi)星，衛(wèi)星就把這個(gè)新的改正位置信息加載到GPS信號(hào)中廣播

14、出去。于是，衛(wèi)星就不僅僅具有了帶有時(shí)間信息的偽距碼，而且還具備了帶有位置信息的星歷。第23頁(yè)，共62頁(yè)。5.最后，必須對(duì)GPS信號(hào)在大氣中傳播時(shí)的任何細(xì)節(jié)影響進(jìn)行改正。蘇州一光儀器有限公司二、GPS的定位原理 到目前為止，我們的理論都是在真空中進(jìn)行的，可是在真實(shí)世界中，多種影響使得GPS的信號(hào)傳播不像數(shù)學(xué)計(jì)算的那么完美。 首先，我們說(shuō) 衛(wèi)星到接收機(jī)的距離 = 光速 X 時(shí)間，可光速只有在真空中才是恒定的，當(dāng)無(wú)線電波穿過(guò)充滿微粒的電離層和充滿水蒸氣的對(duì)流層時(shí)，速度會(huì)變得慢了一點(diǎn)，結(jié)果就好像是衛(wèi)星時(shí)鐘不準(zhǔn)一樣。第24頁(yè)，共62頁(yè)。5.最后，必須對(duì)GPS信號(hào)在大氣中傳播時(shí)的任何細(xì)節(jié)影響進(jìn)行改正。蘇州

15、一光儀器有限公司二、GPS的定位原理 我們可以改正這樣的誤差，一種方法是測(cè)量通常情況的天氣下光速會(huì)慢多少；另一種方法是比較兩個(gè)不同信號(hào)在大氣中的相對(duì)速度，以獲得一種處理大氣誤差的手段。使用高精尖的高級(jí)GPS接收機(jī)進(jìn)行“雙頻”測(cè)量可以達(dá)到這一目的。 GPS衛(wèi)星發(fā)射兩種頻率的載波信號(hào)，即頻率為1575.42MHz的L1載波和頻率為1227.60HMz的L2載波，它們的頻率分別是基本頻率10.23MHz的154倍和120倍，它們的波長(zhǎng)分別為19.03cm和24.42cm。 在L1和L2上分別調(diào)制著多種信號(hào)，這些信號(hào)主要有： C/A碼和P碼。C/A碼被調(diào)制在L1載波上，P碼被調(diào)制在L1、L2載波上。第

16、25頁(yè)，共62頁(yè)。蘇州一光儀器有限公司二、GPS的定位原理5.最后，必須對(duì)GPS信號(hào)在大氣中傳播時(shí)的任何細(xì)節(jié)影響進(jìn)行改正。 其次，當(dāng)GPS信號(hào)達(dá)到地面后，在到達(dá)我們的接收機(jī)以前，可能會(huì)在各種障礙物間多次反射，這就類似于我們?cè)陔娨暽峡吹降摹爸赜啊?，這種現(xiàn)象在GPS中稱之為“多路徑效應(yīng)”。優(yōu)秀的GPS接收機(jī)能夠運(yùn)用某些高級(jí)的算法來(lái)削弱這種情況帶來(lái)的誤差。第26頁(yè)，共62頁(yè)。 最后，前面我們說(shuō)過(guò)，衛(wèi)星的時(shí)鐘是十分精準(zhǔn)的，可是精準(zhǔn)并不是完美，這也會(huì)帶來(lái)一定的誤差。前面的這些誤差都是不得已的，可是，GPS也有人為的刻意降低精度的誤差存在著，很難讓人相信，對(duì)吧？這種人為的手段稱之為“SA政策（Select

17、ive Availability選擇可用性）”，其目的是不讓敵人或恐怖分子在精確武器上使用GPS，只有美國(guó)的軍隊(duì)才能進(jìn)行特殊的GPS譯碼，以去除SA的影響，從而得到高精度的測(cè)量值。好在2000年5月1日，當(dāng)時(shí)的美國(guó)總統(tǒng)克林頓宣布停止SA政策，所以現(xiàn)在的民用用戶可以得到優(yōu)于10米的單點(diǎn)定位精度。 幸運(yùn)的是，盡管存在以上許多誤差，但人們還是發(fā)現(xiàn)了某些方法，可以相當(dāng)有效的削弱它們對(duì)測(cè)量精度的影響，比如一種稱之為“差分GPS（DGPS = Differential GPS）”的系統(tǒng)。蘇州一光儀器有限公司二、GPS的定位原理5.最后，必須對(duì)GPS信號(hào)在大氣中傳播時(shí)的任何細(xì)節(jié)影響進(jìn)行改正。第27頁(yè)，共62

18、頁(yè)。蘇州一光儀器有限公司二、GPS的定位原理 至此，我們已經(jīng)知道了GPS的工作原理了?；貞浺幌?，原理分為4個(gè)步驟：后方交會(huì)：- 測(cè)量距離- 測(cè)量時(shí)間- 測(cè)量衛(wèi)星位置 - 誤差改正第28頁(yè)，共62頁(yè)。蘇州一光儀器有限公司三、GPS差分技術(shù)原理及種類1.DGPS(Differential GPS)，俗稱差分GPS。 差分GPS（DGPS，differential GPS-DGPS）就是首先利用已知精確三維坐標(biāo)的差分GPS基準(zhǔn)臺(tái)，求得偽距修正量或位置修正量，再將這個(gè)修正量實(shí)時(shí)或事后發(fā)送給用戶（GPS導(dǎo)航儀），對(duì)用戶的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，以提高GPS定位精度。如果說(shuō)單點(diǎn)定位的GPS能夠幫助您找到飛機(jī)場(chǎng)，

19、那么DGPS就能夠幫助您找到機(jī)場(chǎng)跑道的中心。第29頁(yè)，共62頁(yè)。蘇州一光儀器有限公司三、GPS差分技術(shù)原理及種類 通常，我們根據(jù)DGPS所能達(dá)到的精度將DGPS細(xì)分為DGPS和RTK，它們與一般的GPS精度的關(guān)系為： 單點(diǎn)定位GPS（5米） DGPS（0.45米） RTK（1厘米） 1.DGPS(Differential GPS)，俗稱差分GPS。第30頁(yè)，共62頁(yè)。蘇州一光儀器有限公司三、GPS差分技術(shù)原理及種類2.DGPS工作原理 DGPS至少包括兩個(gè)接收單元，一個(gè)是基準(zhǔn)站（固定在一個(gè)地方不動(dòng)），另外一個(gè)是流動(dòng)站（不停地運(yùn)動(dòng)到需要測(cè)量的地點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量）。其中，基準(zhǔn)站是關(guān)鍵，所謂的“差分”就是

20、由它來(lái)完成的。第31頁(yè)，共62頁(yè)。蘇州一光儀器有限公司三、GPS差分技術(shù)原理及種類 如上圖，在甲地放置了一臺(tái)基準(zhǔn)站，在乙地放置了一臺(tái)流動(dòng)站。甲乙兩地相距不是很遠(yuǎn)（RTK要求約十幾公里，DGPS可以更遠(yuǎn)），所以甲乙兩地的大氣狀況等應(yīng)該幾乎相同，基準(zhǔn)站和流動(dòng)站可視的衛(wèi)星也幾乎相同，這就使得甲乙電臺(tái)接收機(jī)的誤差狀況基本是一樣的。 全球定位系統(tǒng)之誤差來(lái)源種類繁多，而一般誤差來(lái)源可區(qū)分成三大類，即衛(wèi)星偏差、觀測(cè)偏差及與觀測(cè)相關(guān)之偏差。衛(wèi)星偏差：（1） 星歷誤差，由衛(wèi)星實(shí)際運(yùn)行之軌道或瞬間位置與導(dǎo)航訊號(hào)中廣播星歷之軌道 預(yù)估資料間之偏差。（2） 衛(wèi)星時(shí)鐘之偏差，衛(wèi)星上之時(shí)鐘與GPS接收機(jī)時(shí)鐘間之偏差；觀測(cè)

21、偏差 ：指接收儀之時(shí)鐘誤差，即接收儀時(shí)鐘與全球定位系統(tǒng)時(shí)鐘間之偏差；與觀測(cè)相關(guān)之偏差： 為衛(wèi)星信號(hào)傳播過(guò)程中，因傳播介質(zhì)與環(huán)境所引起的偏差。如起始整數(shù)周波未定值、對(duì)流層或電離層傳播延遲、多路徑誤差、周波脫落值及精密值強(qiáng)弱度等因素。2.DGPS工作原理第32頁(yè)，共62頁(yè)。蘇州一光儀器有限公司三、GPS差分技術(shù)原理及種類 在同一時(shí)刻，相距不遠(yuǎn)的地方，該區(qū)域內(nèi)的接收機(jī)的誤差情況基本是一樣的，這就是DGPS的理論基礎(chǔ)。即如果位置往某一個(gè)方向發(fā)生偏移，也都是所有位置同時(shí)往該方向發(fā)生偏移?；谶@點(diǎn)，如果我們知道了基準(zhǔn)站發(fā)生的偏移值，那么讓流動(dòng)站在測(cè)量時(shí)加上這個(gè)偏移，就可以得到流動(dòng)站精確的坐標(biāo)。而基準(zhǔn)站之所

22、以不動(dòng)，目的就是要得到某一時(shí)刻它自己發(fā)生的偏移量是多少，該時(shí)刻，流動(dòng)站無(wú)論動(dòng)還是不動(dòng)，只要加上這個(gè)偏移量就可以使自己測(cè)量的坐標(biāo)精確。2.DGPS工作原理第33頁(yè)，共62頁(yè)。蘇州一光儀器有限公司三、GPS差分技術(shù)原理及種類3.DGPS的種類 根據(jù)差分GPS基準(zhǔn)站發(fā)送的信息方式可將差分GPS定位分為三類，即： 位置差分， 偽距差分， 相位差分 這3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(duì)其測(cè)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。第34頁(yè)，共62頁(yè)。蘇州一光儀器有限公司三、GPS差分技術(shù)原理及種類 1. 位

23、置差分原理 這是一種最簡(jiǎn)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)站上的GPS接收機(jī)觀測(cè)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，解算出的坐標(biāo)與基準(zhǔn)站的已知坐標(biāo)是不一樣的， 存在誤差?；鶞?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(duì)其解算的用戶站坐標(biāo)進(jìn)行改正。 最后得到的改正后的用戶坐標(biāo)已消去了基準(zhǔn)站和用戶站的共同誤差，例如衛(wèi)星軌道誤差、 SA影響、大氣影響等，提高了定位精度。以上先決條件是基準(zhǔn)站和用戶站觀測(cè)同一組衛(wèi)星的情況。 位置差分法適用于用戶與基準(zhǔn)站間距離在100km以內(nèi)

24、的情況。 3.DGPS的種類第35頁(yè)，共62頁(yè)。 2. 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(guó)際海事 無(wú)線電委員會(huì)推薦的RTCM SC-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(cè)量值 加以比較。利用一個(gè)-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(cè)距誤差傳輸 給用戶，用戶利用此測(cè)距誤差來(lái)改正測(cè)量的偽距。最后，用戶利用改正后的偽距來(lái)解出本身的位置， 就可消去公共誤差，提高定位精度。 與位置差分相似，偽距差分能將兩站公共誤差抵消，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

25、，這種誤差用任何差分法都是不能消除的。用戶和基準(zhǔn)站之間的距離對(duì)精度有決定性影響。蘇州一光儀器有限公司三、GPS差分技術(shù)原理及種類3.DGPS的種類第36頁(yè)，共62頁(yè)。 3. 載波相位差分原理 載波相位差分技術(shù)又稱為RTK技術(shù)（real time kinematic），是建立在實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)站的載波相位基礎(chǔ)上的。它能實(shí)時(shí)提供觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并達(dá)到厘米級(jí)的高精度。 與偽距差分原理相同，由基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)將其載波觀測(cè)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(lái)自基準(zhǔn)站的載波相位，并組成相位差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，能實(shí)時(shí)給出厘米級(jí)的定位結(jié)果。 實(shí)現(xiàn)載波相位差分GPS的方法

26、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)。蘇州一光儀器有限公司三、GPS差分技術(shù)原理及種類3.DGPS的種類第37頁(yè)，共62頁(yè)。蘇州一光儀器有限公司三、GPS差分技術(shù)原理及種類 總結(jié)一下，RTK的工作的兩大要素： 1、共用衛(wèi)星顆數(shù) 2、基準(zhǔn)站差分?jǐn)?shù)據(jù)鏈發(fā)射方式第38頁(yè)，共62頁(yè)。蘇州一光儀器有限公司四、GPS技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 針對(duì)RTK工作原理的兩大要素：1、共用衛(wèi)星顆數(shù)；2、差分?jǐn)?shù)據(jù)鏈發(fā)射方式。我們找到了一些新技術(shù)的發(fā)展方

27、向。 （1）針對(duì)RTK的OEM主板開發(fā)支持雙星、三星系統(tǒng)，來(lái)獲得更多的共用衛(wèi)星顆數(shù)。全球的衛(wèi)星系統(tǒng)包括：美國(guó)的GPS衛(wèi)星系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS衛(wèi)星系統(tǒng)、歐盟的Galileo衛(wèi)星系統(tǒng)。 第39頁(yè)，共62頁(yè)。蘇州一光儀器有限公司四、GPS技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) （2）采用何種差分?jǐn)?shù)據(jù)鏈發(fā)射方式，一般我們現(xiàn)在使用的是無(wú)線電臺(tái)比如在海岸線上，國(guó)家建立了許多差分站，通過(guò)無(wú)線電不停發(fā)送改正數(shù)，使得過(guò)往的船只在近海能得到比較精確的坐標(biāo)。第40頁(yè)，共62頁(yè)。蘇州一光儀器有限公司四、GPS技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 由于受到電臺(tái)的限制，差分?jǐn)?shù)據(jù)有一個(gè)作用距離，如下圖：因?yàn)榫嚯x比較短，且易受到干擾和阻擋，所以人們開始尋求其他形

28、式的數(shù)據(jù)鏈，比如GPRS、CDMA等。第41頁(yè)，共62頁(yè)。蘇州一光儀器有限公司四、GPS技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)手機(jī)SIM卡、GPRS天線服務(wù)器IP地址輸入第42頁(yè)，共62頁(yè)。 但是，我們知道，即使數(shù)據(jù)鏈的作用距離可以無(wú)限遠(yuǎn)，受到差分原理的約束，流動(dòng)站離基準(zhǔn)站越遠(yuǎn)，改正的效果越差，流動(dòng)站也不能離基準(zhǔn)站太遠(yuǎn)，否則大氣條件和共同可視衛(wèi)星將會(huì)有很大的不同，差分將失效。 那么怎么樣才能在一個(gè)大范圍內(nèi)得到穩(wěn)定的改正數(shù)呢？人們發(fā)展了許多技術(shù)，在這里我們說(shuō)兩種： （1）是“基于衛(wèi)星的增強(qiáng)系統(tǒng)（SBAS）”。 （2）是“CORS系統(tǒng)，連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)”。蘇州一光儀器有限公司四、GPS技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)第43頁(yè)，共6

29、2頁(yè)。1、基于衛(wèi)星的增強(qiáng)系統(tǒng) Satellite-Based Augmentation System 這種系統(tǒng)一般由針對(duì)某個(gè)區(qū)域的靜地衛(wèi)星組成，這些衛(wèi)星對(duì)GPS作補(bǔ)充，提高了GPS的精度和可靠性。目前有多個(gè)這種系統(tǒng)存在，比如：廣域增強(qiáng)系統(tǒng)Wide-Area Augmentation System (WAAS), 歐洲靜地衛(wèi)星導(dǎo)航重疊系統(tǒng)the European Geo-Stationary Navigation System (EGNOS), 日本的MSAS衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng) the MTSAT Satellite-Based Augmentation System (MSAS)，中國(guó)的北斗系統(tǒng)。蘇

30、州一光儀器有限公司四、GPS技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)第44頁(yè)，共62頁(yè)。2、CORS系統(tǒng)，連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)。 蘇州一光儀器有限公司四、GPS技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 由于單獨(dú)一個(gè)基站的種種不便（區(qū)域小、精度隨著與基站距離的增加而降低等），人們?cè)O(shè)想，為什么不能建立多個(gè)基站，并且這些基站長(zhǎng)年不間斷運(yùn)行，隨時(shí)提供差分信息呢？于是“CORS”這種系統(tǒng)就出現(xiàn)了。 CORS(Continuous Operational Reference System連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng))，是建立于現(xiàn)代衛(wèi)星技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)定位服務(wù)技術(shù)、現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)基礎(chǔ)之上的大型城市定位與導(dǎo)航綜合服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，是城市“空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

31、設(shè)施”的最為重要的組成部分，也是數(shù)字城市多種空間數(shù)據(jù)采集的基準(zhǔn)參考框架，是現(xiàn)代化城市獲取和采集各類空間信息的位置、時(shí)間和與此相關(guān)的動(dòng)態(tài)變化的一種基礎(chǔ)設(shè)施。第45頁(yè)，共62頁(yè)。 分別在ABCDEF六個(gè)地方建立了基站，它們每時(shí)每刻不停接收GPS信號(hào)，然后把這些數(shù)據(jù)都統(tǒng)一傳送到一個(gè)地方“O”進(jìn)行處理，從而得到整個(gè)區(qū)域內(nèi)的各種信息。蘇州一光儀器有限公司四、GPS技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)2、CORS系統(tǒng)，連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)。第46頁(yè)，共62頁(yè)。蘇州一光儀器有限公司四、GPS技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)2、CORS系統(tǒng)，連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)。 目前，國(guó)內(nèi)具體使用CORS系統(tǒng)的技術(shù)有兩種： （1）Trimble的”VRS

32、”技術(shù)。 （2）LEICA 的“主、輔站”技術(shù)。第47頁(yè)，共62頁(yè)。蘇州一光儀器有限公司四、GPS技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)（1）Trimble的”VRS”技術(shù) 虛擬參考站VRS (VirtualReferenceStation)技術(shù)就是利用地面布設(shè)的多個(gè)參考站組成GPS連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)絡(luò)（CORS）的觀測(cè)信息，通過(guò)建立精確的誤差模型來(lái)修正距離相關(guān)誤差，在用戶站附近產(chǎn)生一個(gè)物理上不存在的虛擬參考站，由于VRS一般通過(guò)流動(dòng)站用戶接收機(jī)的單點(diǎn)定位解來(lái)確定，故VRS與用戶站構(gòu)成的基線通常只有十幾米，只要能夠生成VRS的觀測(cè)值或RTCM差分改正數(shù)，就可以在VRS和用戶站間實(shí)現(xiàn)常規(guī)差分解算。第48頁(yè)，共62頁(yè)。蘇州

33、一光儀器有限公司四、GPS技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)（1）Trimble的”VRS”技術(shù) 圖中的B1、B2、Bn及服務(wù)器組成了CORS，當(dāng)區(qū)域中的移動(dòng)用戶需要差分改正數(shù)時(shí)，向服務(wù)器發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求和自己的大概坐標(biāo)，服務(wù)器收到請(qǐng)求后根據(jù)用戶提供的大概坐標(biāo)計(jì)算出一組改正數(shù)發(fā)給用戶，這組改正數(shù)是通過(guò)CORS系統(tǒng)計(jì)算后給出的，效果就像是在用戶身邊不遠(yuǎn)的地方有一個(gè)基準(zhǔn)站發(fā)出的，所以稱為“虛擬”參考站。第49頁(yè)，共62頁(yè)。蘇州一光儀器有限公司 這個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是，整個(gè)CORS區(qū)域可以很大，一般最長(zhǎng)邊大約70公里（電臺(tái)僅10公里），因?yàn)檫吿L(zhǎng)無(wú)法使用一般無(wú)線電臺(tái)，所以使用GPRS等；同時(shí)測(cè)量精度不會(huì)有隨著與基準(zhǔn)站距離增大而降

34、低的問(wèn)題了，因?yàn)槟莻€(gè)虛擬的基準(zhǔn)站總是被系統(tǒng)計(jì)算得在用戶的身邊不遠(yuǎn)處；整個(gè)大區(qū)域內(nèi)的大氣、衛(wèi)星等條件都可以根據(jù)多個(gè)基站的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算（差值、平差），使得區(qū)域內(nèi)任何一個(gè)位置的多種信息都可以得到。 VRS的出現(xiàn)將使一個(gè)地區(qū)的所有測(cè)繪工作成為一個(gè)有機(jī)的整體，結(jié)束以前GPS作業(yè)單打獨(dú)斗的局面。同時(shí)，它將大大擴(kuò)展RTK的作業(yè)范圍，使GPS的應(yīng)用更廣泛，精度和可靠性將進(jìn)一步提高，使從前許多GPS無(wú)法完成的任務(wù)成為可能。四、GPS技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)（1）Trimble的”VRS”技術(shù)第50頁(yè)，共62頁(yè)。蘇州一光儀器有限公司四、GPS技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)（2）LEICA 的“主、輔站”技術(shù) 當(dāng)區(qū)域中的移動(dòng)用戶需要差分改正數(shù)時(shí)，向服務(wù)器發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求和自己的大概坐標(biāo)，服務(wù)器收到請(qǐng)求后根據(jù)用戶提供的大概坐標(biāo)，然后把距離移動(dòng)用戶的最近的基站參考差分信息（作為主要基準(zhǔn)站）發(fā)給移動(dòng)用戶，再把距離移動(dòng)用戶稍遠(yuǎn)的一個(gè)基站的參考差分信息（作為輔基準(zhǔn)站）發(fā)給移動(dòng)用戶。第51頁(yè)，共62頁(yè)。蘇州一光儀器有限公司五、GPS產(chǎn)品的種類 GPS衛(wèi)星接收機(jī)種類很多，按用途分類： （1）導(dǎo)航型接收機(jī) 此類型接收機(jī)主要用于運(yùn)動(dòng)載體的導(dǎo)航，它可以實(shí)時(shí)給出載體的位置和速度。這類接收機(jī)一般采用