培訓(xùn)之gps組成及原理講解

南方測(cè)繪GNSS

客戶培訓(xùn)教材之GPS

組成及原理沈陽(yáng)南方

GNSS小組2009

年6月一、什么是GNSSGLONASS、GalileGPS、北斗這些導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)統(tǒng)稱GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem其中目前的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)主要有:GPS——美國(guó)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GLONASS——俄羅斯Galileo——?dú)W盟（中國(guó)有20%研發(fā)權(quán)）北斗——中國(guó)（中國(guó)自己的定位系統(tǒng)）GPS發(fā)展簡(jiǎn)史1957年10月4日第一顆人造衛(wèi)星SputnikI（蘇）發(fā)射成功。1958年12月開始設(shè)計(jì)NNSS(NavyNavigationSatelliteSystem)–TRANSIT,即子午衛(wèi)星系統(tǒng)。1964年1月該系統(tǒng)正式運(yùn)行。1967年7月系統(tǒng)解密以供民用。1973年12月,美國(guó)國(guó)防部（DOD）批準(zhǔn)研制GPS。1978年2月22日,第1顆GPS試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射成功。1989年2月14日,第1顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功。1991年,在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中,GPS首次大規(guī)模用于實(shí)戰(zhàn)。1993年,IGS成立。1995年7月17日,GPS達(dá)到FOC–完全運(yùn)行能力（FullOperationalCapability）。1999年1月25日,美國(guó)副總統(tǒng)戈?duì)栃?將斥資40億美圓,進(jìn)行GPS現(xiàn)代化。1999年8月21/22日子夜,GPS發(fā)生GPS周結(jié)束翻轉(zhuǎn)(EOW)問(wèn)題。2000年1月1日,Y2K問(wèn)題。2000年5月1日,美國(guó)總統(tǒng)克林頓宣布,GPS停止實(shí)施SA。（實(shí)際停止實(shí)施SA是5月2日）美國(guó)GPS系統(tǒng)組成目前各種GNSS產(chǎn)品中，使用最廣泛的仍然是美國(guó)的GPS系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)組成:1、空間衛(wèi)星部分2、地面控制部分3、用戶使用部分空間部分（SpaceSegment）GPS衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)星座:21+321顆正式的工作衛(wèi)星+3顆活動(dòng)的備用衛(wèi)星6個(gè)軌道面，平均軌道高度20200km，軌道傾角55?，周期11h58min（顧及地球自轉(zhuǎn)，地球-衛(wèi)星的幾何關(guān)系每天提前4min重復(fù)一次）保證在24小時(shí)，在高度角15°以上，能夠同時(shí)觀測(cè)到4至8顆衛(wèi)星當(dāng)前星座:28顆GPS衛(wèi)星作用:接收、存儲(chǔ)導(dǎo)航電文生成用于導(dǎo)航定位的信號(hào)（測(cè)距碼、載波）發(fā)送用于導(dǎo)航定位的信號(hào)（采用雙向調(diào)制法調(diào)制在載波上的測(cè)距碼和導(dǎo)航電文）接受地面指令，進(jìn)行相應(yīng)操作其他特殊用途，如通訊、監(jiān)測(cè)核暴等。主要設(shè)備太陽(yáng)能電池板原子鐘（2臺(tái)銫鐘、2臺(tái)銣鐘）信號(hào)生成與發(fā)射裝置地面監(jiān)控部分（GroundSegment）主控站:1個(gè)監(jiān)測(cè)站:5個(gè)注入站:3個(gè)通訊與輔助系統(tǒng)地面監(jiān)控部分各組成單位的作用主控站管理、協(xié)調(diào)地面監(jiān)控系統(tǒng)各部分的工作編算廣播星歷－軌道參數(shù)、衛(wèi)星鐘改正數(shù)等調(diào)整衛(wèi)星狀態(tài)調(diào)度衛(wèi)星監(jiān)測(cè)站對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤觀測(cè)記錄氣象數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)傳送到主控站注入站向衛(wèi)星注入導(dǎo)航電文和指令等通訊與輔助系統(tǒng)用戶部分（User

Segment）GPS

信號(hào)接收機(jī)及其它儀器設(shè)備GPS信號(hào)接收機(jī)組成:天線單元、帶前置放大器、接收天線、接收單元信號(hào)通道、存儲(chǔ)器、微處理器、輸入輸出設(shè)備、電源GPS

定位方法分類定位模式絕對(duì)定位（單點(diǎn)定位）相對(duì)定位差分定位定位時(shí)接收機(jī)天線的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)靜態(tài)定位

－天線相對(duì)于地固坐標(biāo)系靜止

動(dòng)態(tài)定位

－天線相對(duì)于地固坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)獲得定位結(jié)果的時(shí)效事后定位實(shí)時(shí)定位觀測(cè)值類型偽距測(cè)量載波相位測(cè)量GPS定位模式絕對(duì)定位也叫單點(diǎn)定位,通常是指在WGS84坐標(biāo)系中,直接確定觀測(cè)站相對(duì)于坐標(biāo)系原點(diǎn)絕對(duì)坐標(biāo)地一種定位方法。相應(yīng)接收機(jī)為手持GPS。相對(duì)定位相對(duì)定位的最基本情況,是兩臺(tái)GPS接收機(jī),分別安置在基線的兩端,并同步觀測(cè)相同的GPS衛(wèi)星,以確定基線端點(diǎn),在協(xié)議地球坐標(biāo)系中的相對(duì)位置或基線向量。差分GPS（DGPS–DifferentialGPS）利用設(shè)置在坐標(biāo)已知的點(diǎn)（基準(zhǔn)站）上測(cè)定GPS測(cè)量定位誤差,用以提高在一定范圍內(nèi)其它GPS接收機(jī)（流動(dòng)站）測(cè)量定位精度的方法差分GPS的分類根據(jù)時(shí)效性實(shí)時(shí)差分事后差分根據(jù)觀測(cè)值類型偽距差分載波相位差分根據(jù)差分改正數(shù)根據(jù)工作原理和差分模型局域差分（LADGPS

單基準(zhǔn)站差分多基準(zhǔn)站差分廣域差分（WADGPS–Local

Area

DGPS–Wide

Area

DGPS位置差分（坐標(biāo)差分）距離差分))GPS定位原理定位原理:典型的后方交會(huì):把衛(wèi)星作為已知點(diǎn)，把待測(cè)點(diǎn)作為未知點(diǎn)來(lái)觀測(cè)解算。GPS測(cè)量中常用的幾個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)1)WGS-84坐標(biāo)系是目前GPS所采用的坐標(biāo)系統(tǒng),GPS所發(fā)布的星歷參數(shù)就是基于此坐標(biāo)系統(tǒng)的。2)1954年北京坐標(biāo)系是我國(guó)目前廣泛采用的大地測(cè)量坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系源自于原蘇聯(lián)采用過(guò)的1942年普爾科夫坐標(biāo)系。(BEIJING-54)3）1980年西安大地坐標(biāo)系（XI"AN-80)1978年,我國(guó)決定重新對(duì)全國(guó)天文大地網(wǎng)施行整體平差,并且建立新的國(guó)家大地坐標(biāo)系統(tǒng),整體平差在新大地坐標(biāo)系統(tǒng)中進(jìn)行,這個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)就是1980年西安大地坐標(biāo)系統(tǒng)。4）2000國(guó)家坐標(biāo)系統(tǒng)（CGS2000）根據(jù)《中華人民共和國(guó)測(cè)繪法》，經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)，我國(guó)自2008年7月1日起，啟用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系?，F(xiàn)公告如下:2000國(guó)家大地坐標(biāo)系是全球地心坐標(biāo)系在我國(guó)的具體體現(xiàn)，其原點(diǎn)為包括海洋和大氣的整個(gè)地球的質(zhì)量中心。2000國(guó)家大地坐標(biāo)系采用的地球橢球參數(shù)如下:長(zhǎng)半軸a＝6378137m扁率f＝1/298.257222101地心引力常數(shù)GM＝3.986004418×1014m3s-2自轉(zhuǎn)角速度ω=7.292115×10-5rads-1參心坐標(biāo)系主要代表:BEIJING-54XI"AN80起始子午面A(B,L,H)H0BL赤道地心坐標(biāo)系主要代表:坐標(biāo)系統(tǒng)的分類WGS-84CGS2000坐標(biāo)系坐標(biāo)系坐標(biāo)系坐標(biāo)系ZY

XOA(X,Y

,Z)xzy常用坐標(biāo)系定義及分類（地心）空間直角坐標(biāo)系的定義:原點(diǎn)與地球質(zhì)心重合，z軸指向地球北極，x軸指向格林尼治平子午面與赤道的交點(diǎn)E，y軸垂直于xoz平面構(gòu)成右手坐標(biāo)系。（地心）大地坐標(biāo)系的定義:地球橢球的中心與地球質(zhì)心重合，橢球短軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合，大地緯度B為過(guò)地面點(diǎn)的橢球法線與橢球赤道面的夾角，大地經(jīng)度L為過(guò)地面點(diǎn)的橢球子午面與格林尼治平大地子午面之間的夾角，大地高H為地面點(diǎn)沿橢球法線至橢球面的距離。任一地面點(diǎn)在地球坐標(biāo)系中可表示為（X，Y，Z）和（B，L，H），兩者可進(jìn)行互換。標(biāo)準(zhǔn)平面直角坐標(biāo)系:平面直角坐標(biāo)系是利用投影變換，將空間坐標(biāo)（空間直角坐標(biāo)或空間大地坐標(biāo)）通過(guò)某種數(shù)學(xué)變換映射到平面上，這種變換又稱為投影變換。投影變換的方法很多，如UTM投影，Lambert投影等，在我國(guó)采用的是高斯－克呂格投影，也稱為高斯投影。地方坐標(biāo)系:地方坐標(biāo)系是由平面直角坐標(biāo)系經(jīng)過(guò)平移和旋轉(zhuǎn)得來(lái)得。投影正形投影有許多方法,其中一種是高斯-克呂格投影,簡(jiǎn)稱高斯投影。為了簡(jiǎn)單說(shuō)明高斯投影的概念,我們把地球看作一個(gè)圓球。在地球表面上選擇其中一個(gè)子午圈,把投影面卷成一個(gè)圓柱,使圓柱與該子午圈相切,這條切線即軸子午線。這樣,球面上的軸子午線就毫無(wú)改變地轉(zhuǎn)移到圓柱面上,即投影面上。中央子午線高斯——克里格投影分帶是按一定經(jīng)差將地球橢球面劃分成為若干個(gè)投影帶,這是高斯投影中限制長(zhǎng)度變形的最有效的方法。分帶時(shí)既要控制長(zhǎng)度變形使其不大于測(cè)圖誤差,又要使帶數(shù)不致于過(guò)多從而減少換帶計(jì)算工作,據(jù)此原則將地球橢球面沿子午線劃分成經(jīng)差相等的瓜瓣形地帶,以便于分帶投影。通常按經(jīng)差6度或3度分為六度帶或三度帶。六度帶自0度子午線起每隔經(jīng)差6度自西向東分帶,帶號(hào)依次編為第1、2…60帶。三度帶是在六度帶的基礎(chǔ)上分成的,它的中央子午線與六度帶的中央子午線和分帶子午線重合,即自1.5度子午線起每隔經(jīng)差3度自西向東分帶,帶號(hào)依次編為三度帶第1、2…..120帶。坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換?WGS-84地心坐標(biāo)系與標(biāo)準(zhǔn)Beijing-54Xi"an-80)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換?這種轉(zhuǎn)換可以通過(guò)兩種方法:?方法一:通過(guò)七參數(shù)轉(zhuǎn)換?方法二:通過(guò)四參數(shù)轉(zhuǎn)換四參數(shù)（用于地方坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換）DX:108.998DY:-83.3344Rot

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