GPS應(yīng)用原理和組成

GPS原理概述北京麥格天寶科技發(fā)展有限公司技術(shù)支持部MAG集團內(nèi)容綱要GPS發(fā)展概況GPS系統(tǒng)構(gòu)成GPS測距原理GPS定位模式常見問題第一部分GPS發(fā)展概況早期導(dǎo)航系統(tǒng)及其特點Landmarks:僅在當(dāng)?shù)貐^(qū)域工作，易受環(huán)境因素移動或破壞。DeadReckoning:非常復(fù)雜，精度決定于通常相對粗糙的測量工具。Celestial:復(fù)雜，僅在好天氣情況下晚間工作，有限精度。OMEGA:基于相對很少的電臺指示信標(biāo)，精度有限且易受電臺干擾。LORAN:覆蓋區(qū)域有限（大多在海岸），精度可變，受地理位置影響，容易堵塞或受干擾。SatNav:基于低頻多普勒測量，因此對接收機微小的運動都很敏感。GPS的誕生

軍備競賽時期，洲際導(dǎo)彈系統(tǒng)成為各國極為推崇的東西，美國與前蘇聯(lián)的軍事對抗為GPS的誕生提供了很好的理由，另外，GPS能夠在陸海空三個領(lǐng)域提供實時、全天候、全球性的導(dǎo)航服務(wù)，于是在美國國防部（DOD）的主持下，耗費120億美元，歷時20年，終于在1994年完成了這項偉大的工程！在研發(fā)過程中，他們還發(fā)現(xiàn)GPS信號還能進行厘米級甚至毫米級定位，還可以進行時間測量，民用GPS呈現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。

可能在系統(tǒng)建成以后，前蘇聯(lián)不存在了，DOD感到一絲郁悶，就把它的部分信號開放，轉(zhuǎn)給了民用，從此，民用GPS隊伍越來越壯大，其接收機數(shù)量也遠遠超過了軍方使用的數(shù)量！然后，我們公司誕生了！同時，我們也有了這份工作………….來之不易呀！GPS的基本知識GPS能提供接收機天線相位中心的位置，不管在什么天氣條件下，也不管在地球上任何位置！GPS天線必須有最少觀測衛(wèi)星數(shù)（直線路徑）GPS給測繪行業(yè)帶來了深刻的技術(shù)革命用途廣泛：導(dǎo)航、測量、授時、測圖等觀測簡便，減少野外工作時間和勞動強度定位精度好：靜態(tài)可達毫米級，動態(tài)可達厘米級經(jīng)濟效益高其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GLONASS（前蘇聯(lián)建造，24顆衛(wèi)星）NAVSTA（歐洲空間局ESA，6顆地球同步衛(wèi)星，12顆高橢圓軌道衛(wèi)星）GNSS：全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，當(dāng)前沒有，只是計劃，GPS是它的一個子集關(guān)于WAAS美國FAA開發(fā)的一個差分GPS系統(tǒng)，它利用一些分散在美國的參考站，類似美國海岸護衛(wèi)隊航事DGPS系統(tǒng)的差分改正站，但系統(tǒng)自己不傳送改正信號。它們監(jiān)控GPS信號、電離層狀況和WAAS改正信號，并把這些數(shù)據(jù)傳送給WAAS主控站，主控站收集參考站的數(shù)據(jù)，并驗證，生成新的WAAS改正信號，然后把這些信號傳送到InMarSat同步地球通訊衛(wèi)星，通過衛(wèi)星把這些信號再傳送給整個美國。這些衛(wèi)星以GPS的L1頻率傳送改正信號，但使用與GPS衛(wèi)星不同的偽隨機碼。WAAS信標(biāo)接收機很容易集成到GPS接收機里WAAS試驗系統(tǒng)1996年投入使用GPS的未來L5載波BLOCKⅢ的發(fā)射Yourlocationis:37o23.323’N122o02.162’W第二部分GPS系統(tǒng)構(gòu)成整個系統(tǒng)有三部分構(gòu)成：GPS星座地面監(jiān)控站用戶接收機GPS星座

24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面，軌道間交角60°，其中兩個與赤道面交角55°

衛(wèi)星距地面20200km

繞近圓軌道一周12恒星時，人們每天提前4分鐘見到同一顆衛(wèi)星

地平線上最少可見4顆，最多可見11顆

GPS衛(wèi)星的作用向用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導(dǎo)航定位信號，并用導(dǎo)航電文報告自己的位置以及其它在軌衛(wèi)星的位置接收地面注入站發(fā)送到衛(wèi)星的導(dǎo)航電文和其它信息，并通過GPS信號發(fā)送給用戶接收地面主控站發(fā)送到衛(wèi)星的調(diào)度指令。地面監(jiān)控站一個主控站：位于科羅拉多三個注入站：大西洋的阿松森、印度洋的迭戈·伽西亞、太平洋的卡瓦加蘭五個監(jiān)控站：除以上四個，還有在夏威夷一個地面監(jiān)控站的作用收集數(shù)據(jù)：監(jiān)控站、氣象、衛(wèi)星時鐘、衛(wèi)星工作狀態(tài)編算導(dǎo)航電文：計算衛(wèi)星衛(wèi)星星歷、時鐘改正、狀態(tài)數(shù)據(jù)、信號傳播改正診斷狀態(tài)：監(jiān)測地面系統(tǒng)、檢驗導(dǎo)航電文調(diào)度衛(wèi)星：軌道改正、啟用備用衛(wèi)星用戶接收機部分基本部分：GPS接收機、GPS天線你的位置：37o23.323’N122o02.162’W輔助部分：電源,固定和對中裝置等GPS接收機捕獲、跟蹤衛(wèi)星，接收GPS信號并將它變換、放大和處理，測量信號傳播時間進以計算三維坐標(biāo)甚至速度、時間接收機不僅需要機內(nèi)軟件，還需要GPS數(shù)據(jù)后處理軟件包才完整按接收的載波頻率類別多少，分為單頻（L1）和雙頻（L1、L2）GPS信號載波：調(diào)制有導(dǎo)航電文和偽隨機碼，有兩種：L1（19cm，1575.42MHz）；L2（24cm，1227.60MHz）偽隨機碼：是一個“開”、“關(guān)”脈沖的序列，由衛(wèi)星產(chǎn)生并發(fā)送至用戶接收機，調(diào)制導(dǎo)航電文形成組合碼，C/A碼和P碼兩種導(dǎo)航電文：關(guān)于衛(wèi)星軌道、時鐘改正和其它系統(tǒng)狀態(tài)信息的低頻信號GPS坐標(biāo)系WGS-84：a=6378137m，f=1/298.257223563aba=長半軸b=短半軸balfH橢球模型GPS高程和海拔高NNNhhhHHH地面橢球大地水準(zhǔn)面海拔高h=H-Nh=正高H=橢球高N=大地水準(zhǔn)面高北京54坐標(biāo)系統(tǒng)橢球參數(shù)：a=6378245，f=1/298.3這個參數(shù)決定了橢球形狀，但橢球位置尤其是中心原點的位置需要我們用已知54坐標(biāo)點進行校正求出我們的采用高程是海拔高，以黃海平均海平面為起點，所以有了大地水準(zhǔn)面的問題第三部分GPS測距原理五個邏輯步驟：三角測量測量距離精確定時衛(wèi)星監(jiān)控誤差剔除第一步：三角測量衛(wèi)星位置已知，我們的位置未知。

我們接收機位于以衛(wèi)星為中心，以我們離衛(wèi)星的距離為半徑的球面上。兩個衛(wèi)星球面相交成一個圓，我們就在這個圓上。

如果又測得了第三顆衛(wèi)星的距離，那我們的位置范圍就縮小到了兩個點上。

由于技術(shù)原因，還需要測第四顆衛(wèi)星，啊，終于知道我們的位置了！第二步距離測量別急！衛(wèi)星和我們接收機的距離怎么得來的呢？很簡單，衛(wèi)星信號傳播的速度可以光速計，那么：速度x時間=距離，多么簡單的公式！.關(guān)鍵是時間怎么測量信號傳播時間怎么得來？假設(shè)衛(wèi)星和接收機同時產(chǎn)生同樣的偽隨機碼對比這兩個碼得出GPS信號傳播的延遲就是傳播歷經(jīng)的時間（通常很短）再用這個時間乘以光速得出距離第三步精確定時時間測量的精確與否關(guān)系重大，誤差千分之一秒，距離誤差可達200m?。?！原子鐘：原子鐘不是依靠原子能工作的，之所以得名是因為它們使用一種特殊原子的振動作為它們的節(jié)拍器。這種定時形式比人們開發(fā)出來的時鐘更穩(wěn)定、更精確。這么高精度的東西價值5～10萬美元！不可能作為民用接收機的配件！聰明的接收機通過對第四顆衛(wèi)星進行距離的測量，就不用安裝那么昂貴的東西了！不過這要求接收機至少有4個通道，而我們5700接收機的零頭就夠了！第四步衛(wèi)星監(jiān)控衛(wèi)星的確切位置DOD事先已經(jīng)確定好了，坐標(biāo)系也是確定的，這樣就能定出我們接收機的位置DOD還會連續(xù)不斷地監(jiān)控衛(wèi)星軌道的誤差，并把這些誤差傳到接收機里，我們不用擔(dān)心衛(wèi)星方面的問題！第五步誤差剔除GPS誤差源：衛(wèi)星時鐘影響小軌道誤差影響小電離層影響大對流層影響大接收機噪音影響較小多路徑影響較大用了差分GPS以后，搞定！整周模糊度衛(wèi)星信號波段數(shù)（整周數(shù)）需要幾顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)共同確定GPS定位所需時間就是正確確定整周未知數(shù)所需時間，快速解算它對提高GPS定位速度和效率起決定性作用整周模糊度解算成功稱為初始化第四部分GPS定位模式靜態(tài)定位和動態(tài)定位：一般，待定點相對周圍固定點沒有可察覺的運動稱為靜態(tài)定位；否則，動態(tài)。單點定位和相對定位：獨立確定待定點在坐標(biāo)系中的位置稱為單點定位；確定同步跟蹤相同GPS衛(wèi)星信號的若干臺接收機之間相對位置的方法稱為相對定位。單點定位建立在WGS－84坐標(biāo)系下消除SA影響以后，水平精度10m，垂直精度15m差分GPS差分GPS屬于相對定位，需要至少兩臺接收機進行合作，一臺固定，另一臺在移動中進行定位測量。固定的接收機很關(guān)鍵，它匯集所有測得的衛(wèi)星信息，作為固定的本地參考站。

靜態(tài)測量的概念多臺接收機在不同測站進行靜止同步觀測，時間由幾分鐘、幾小時、甚至數(shù)十小時不等接收機接收偽距、載波相位等信號觀測值必須下載觀測值到計算機進行后處理主要應(yīng)用于各等級大地測量跟蹤網(wǎng)、基準(zhǔn)網(wǎng)、工程控制網(wǎng)、變形監(jiān)測網(wǎng)等靜態(tài)測量的過程三個過程：測前工作實施測量數(shù)據(jù)處理靜態(tài)測前工作測前的準(zhǔn)備工作：測區(qū)位置及其范圍用途和精度等級點位分布及點的數(shù)量提交成果的內(nèi)容時限和經(jīng)費交通及通訊條件靜態(tài)測量的實施星歷預(yù)報選點、埋石布網(wǎng)點連式邊連式混連式測量數(shù)據(jù)處理靜態(tài)數(shù)據(jù)后處理基線處理同步觀測的兩個點之間才能構(gòu)成基線網(wǎng)平差無約束平差約束平差二維約束三維約束RTK測量的概念基準(zhǔn)站實時地將測量的載波相位觀測值、偽距觀測值、基準(zhǔn)站坐標(biāo)等用無線電傳送給運動中的流動站，流動站接收后將載波相位觀測值實時進行差分處理得到兩站相對坐標(biāo)；加上基準(zhǔn)站坐標(biāo)得出流動站W(wǎng)GS－84坐標(biāo)通過轉(zhuǎn)換參數(shù)求出當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系下的三維坐標(biāo)RTK測量的過程也可以分為三步：點位選擇：測量實施數(shù)據(jù)處理RTK點位選擇基準(zhǔn)站上空開闊，以保證對衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤和衛(wèi)星信號的質(zhì)量基準(zhǔn)站周圍200m內(nèi)無大功率無線電發(fā)射設(shè)施、高壓輸電線，減少電磁波對衛(wèi)星信號的干擾基準(zhǔn)站遠離高層建筑、大片水域等，減少多路徑影響基準(zhǔn)站應(yīng)該交通便利、易于保存RTK測量實施星歷預(yù)報基準(zhǔn)站架設(shè)流動站測量RTK的概念所謂RTK技術(shù)就是載波相位動態(tài)實時差分（RealTimeKinematic）技術(shù)，它能夠?qū)崟r地提供測站指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達到厘米級精