GPS課件,武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院課堂課件

全球定位系統(tǒng)(GPS)簡(jiǎn)介GPS是一種全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，它通過接收來自多個(gè)衛(wèi)星的信號(hào)來確定地面位置。GPS廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，包括導(dǎo)航、測(cè)繪、農(nóng)業(yè)和災(zāi)害管理。定位系統(tǒng)的發(fā)展歷程1現(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GPS、北斗、伽利略、格洛納斯2無線電導(dǎo)航系統(tǒng)LORAN、DECCA3天文導(dǎo)航利用恒星等天體進(jìn)行定位4慣性導(dǎo)航利用慣性傳感器進(jìn)行定位5地面測(cè)繪利用地面控制點(diǎn)進(jìn)行定位定位技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從地面測(cè)繪到無線電導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、天文導(dǎo)航，最終發(fā)展到現(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的漫長(zhǎng)歷程。隨著科技的進(jìn)步，定位技術(shù)不斷革新，精度不斷提高，應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)展。GPS系統(tǒng)的組成GPS衛(wèi)星GPS衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)由31顆衛(wèi)星組成，分布在6個(gè)軌道平面上。地面控制站地面控制站監(jiān)控衛(wèi)星運(yùn)行，更新衛(wèi)星數(shù)據(jù)。GPS接收機(jī)接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)，計(jì)算用戶位置。GPS衛(wèi)星星座GPS衛(wèi)星星座由31顆衛(wèi)星組成，分為6個(gè)軌道面，每個(gè)軌道面包含5顆衛(wèi)星。這些衛(wèi)星以地球?yàn)橹行模瑖@地球運(yùn)行，形成一個(gè)完整的星座。每顆衛(wèi)星都配備了原子鐘和導(dǎo)航信號(hào)發(fā)射器，能夠精確地提供時(shí)間和位置信息。GPS衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)為全球覆蓋，確保用戶在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都能接收到至少4顆衛(wèi)星的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)精確定位。GPS衛(wèi)星坐標(biāo)系GPS衛(wèi)星坐標(biāo)系是用來描述GPS衛(wèi)星位置和運(yùn)動(dòng)的參考坐標(biāo)系。常用的GPS衛(wèi)星坐標(biāo)系有WGS-84坐標(biāo)系、PZ-90坐標(biāo)系和CGCS2000坐標(biāo)系等。WGS-84坐標(biāo)系是目前全球使用最廣泛的GPS衛(wèi)星坐標(biāo)系，它是由美國(guó)國(guó)防部定義的地球參考框架。PZ-90坐標(biāo)系是俄羅斯定義的地球參考框架。CGCS2000坐標(biāo)系是中國(guó)定義的地球參考框架。不同的GPS衛(wèi)星坐標(biāo)系之間存在轉(zhuǎn)換關(guān)系，可以將不同坐標(biāo)系下的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以便于在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中使用。GPS衛(wèi)星的軌道軌道類型GPS衛(wèi)星采用中地球軌道(MEO),高度約為20,200公里。軌道傾角GPS衛(wèi)星軌道面與赤道面的夾角約為55度，確保全球覆蓋。軌道周期每顆GPS衛(wèi)星的軌道周期約為12小時(shí)，繞地球運(yùn)行兩圈。軌道特征GPS衛(wèi)星軌道呈近似圓形，并以特定速度運(yùn)行，保持同步精度。GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航信號(hào)導(dǎo)航電文衛(wèi)星周期性地發(fā)送導(dǎo)航電文，包含時(shí)間信息、星歷數(shù)據(jù)、衛(wèi)星鐘差等。載波信號(hào)GPS衛(wèi)星以載波信號(hào)的形式傳輸數(shù)據(jù)，包含L1和L2兩個(gè)頻率，用于精確測(cè)量距離。信號(hào)接收GPS接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)，提取導(dǎo)航電文和載波信號(hào)，進(jìn)行定位計(jì)算。時(shí)間同步導(dǎo)航電文中的時(shí)間信息用于同步接收機(jī)時(shí)鐘，確保定位結(jié)果準(zhǔn)確。GPS接收機(jī)的工作原理1信號(hào)接收GPS接收機(jī)接收來自衛(wèi)星的導(dǎo)航信號(hào)，這些信號(hào)包含衛(wèi)星的軌道信息、時(shí)間信息和偽距信息。2信號(hào)處理接收機(jī)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，包括信號(hào)解碼、數(shù)據(jù)提取和信號(hào)校正，以消除大氣和電離層等因素的影響。3位置計(jì)算接收機(jī)根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)，使用三角測(cè)量原理計(jì)算出接收機(jī)的位置信息，包括經(jīng)度、緯度和高度。GPS定位的基本方法偽距測(cè)量偽距測(cè)量法是最基本的一種定位方法，利用接收機(jī)接收到的衛(wèi)星信號(hào)時(shí)間信息計(jì)算衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，再通過多個(gè)衛(wèi)星的偽距測(cè)量值進(jìn)行解算得到接收機(jī)的三維坐標(biāo)。相位測(cè)量相位測(cè)量法利用衛(wèi)星信號(hào)的載波相位信息進(jìn)行定位，測(cè)量接收機(jī)與衛(wèi)星之間載波相位差，進(jìn)而計(jì)算出衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，精度更高。差分測(cè)量差分測(cè)量法利用參考站接收到的衛(wèi)星信號(hào)信息進(jìn)行定位，將參考站的觀測(cè)數(shù)據(jù)作為參考，消除接收機(jī)自身誤差，提高定位精度。偽距測(cè)量偽距測(cè)量是GPS定位中常用的方法之一，通過測(cè)量衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間來確定接收機(jī)與衛(wèi)星之間的距離。偽距測(cè)量存在誤差，主要包括衛(wèi)星鐘差、大氣延遲、接收機(jī)鐘差和多路徑效應(yīng)等。4衛(wèi)星GPS系統(tǒng)中包含多顆衛(wèi)星，可以提供多條距離測(cè)量值。3維度至少需要4顆衛(wèi)星才能確定接收機(jī)的三維坐標(biāo)。1位置接收機(jī)位置是根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)的時(shí)間延遲計(jì)算得出的。雙頻偽距測(cè)量測(cè)量頻率L1和L2原理利用不同頻率信號(hào)的傳播時(shí)間差異優(yōu)點(diǎn)減少電離層延遲的影響應(yīng)用高精度定位相位測(cè)量相位測(cè)量是GPS定位中的一種重要方法。它通過測(cè)量衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間差來確定接收機(jī)的坐標(biāo)。相位測(cè)量精度更高，可以達(dá)到厘米級(jí)甚至毫米級(jí)。相位測(cè)量通常用于精密測(cè)量，例如大地測(cè)量、工程測(cè)量和導(dǎo)航。相位差分測(cè)量相位差分測(cè)量雙頻偽距測(cè)量利用相位差進(jìn)行定位利用偽距進(jìn)行定位測(cè)量精度較高測(cè)量精度較低需要基準(zhǔn)站不需要基準(zhǔn)站相位差分測(cè)量是利用相位差進(jìn)行定位的技術(shù)。它可以提高定位精度，但需要基準(zhǔn)站進(jìn)行參考。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量1數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)獲取GPS信號(hào)2數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)計(jì)算位置坐標(biāo)3數(shù)據(jù)輸出實(shí)時(shí)顯示定位結(jié)果實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)是指在數(shù)據(jù)采集、處理和輸出過程中都采用實(shí)時(shí)方式進(jìn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)的實(shí)時(shí)定位和跟蹤。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)在導(dǎo)航、測(cè)繪、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。GPS定位的精度GPS定位的精度受多種因素影響，包括衛(wèi)星數(shù)量、信號(hào)質(zhì)量、大氣干擾等。一般情況下，GPS定位精度可以達(dá)到以下水平：10m水平精度20m垂直精度100m非差分定位1m實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量使用差分技術(shù)可以顯著提高定位精度，而實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量則能夠?qū)崿F(xiàn)厘米級(jí)精度。GPS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和局限性優(yōu)點(diǎn)全球覆蓋，不受天氣影響。提供高精度定位服務(wù)。應(yīng)用廣泛，成本較低。局限性信號(hào)易受遮擋影響。城市環(huán)境信號(hào)衰減嚴(yán)重。定位精度受環(huán)境影響。增強(qiáng)型GNSS技術(shù)提高精度通過多種技術(shù)手段，有效提升定位精度，滿足更高精度的應(yīng)用需求。增強(qiáng)可靠性提高定位的可靠性和穩(wěn)定性，減少干擾和誤差的影響，確保定位結(jié)果的準(zhǔn)確性。擴(kuò)展功能增加新的功能，例如實(shí)時(shí)定位、差分定位和多路徑消除等。適應(yīng)性強(qiáng)能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境，例如復(fù)雜地形、惡劣天氣和遮擋等情況。DGPS定位差分GPS利用地面參考站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)用戶接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行差分校正，從而提高定位精度。參考站參考站接收來自衛(wèi)星的信號(hào)，并計(jì)算出更精確的位置，然后將校正信息廣播給用戶。精度DGPS定位精度可達(dá)亞米級(jí)，甚至厘米級(jí)，適用于需要較高精度的定位應(yīng)用。應(yīng)用DGPS廣泛應(yīng)用于航海、航空、測(cè)繪、工程測(cè)量等領(lǐng)域，可用于船舶導(dǎo)航、飛機(jī)著陸、地籍測(cè)量、地形測(cè)量等。RTK定位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量RTK定位技術(shù)利用兩個(gè)或多個(gè)接收機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并通過基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)進(jìn)行差分校正，實(shí)現(xiàn)高精度定位。RTK系統(tǒng)可以提供厘米級(jí)或毫米級(jí)的定位精度，廣泛應(yīng)用于測(cè)繪、工程、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。PPP定位無基準(zhǔn)站PPP接收機(jī)無需任何地面參考站，可直接從GPS衛(wèi)星信號(hào)中計(jì)算出位置。全球覆蓋PPP技術(shù)適用于全球任何地方，不受地面基站的限制。高精度通過精確的軌道和鐘差校正，PPP定位精度可達(dá)厘米級(jí)?；谝苿?dòng)互聯(lián)網(wǎng)的GNSS應(yīng)用導(dǎo)航應(yīng)用手機(jī)地圖導(dǎo)航功能，利用GNSS定位，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)路況信息顯示，提供最佳路線規(guī)劃，方便出行。物流追蹤快遞物流行業(yè)，基于GNSS定位，實(shí)時(shí)跟蹤貨物位置，優(yōu)化配送路線，提高配送效率。運(yùn)動(dòng)記錄運(yùn)動(dòng)健身應(yīng)用，記錄運(yùn)動(dòng)軌跡，提供運(yùn)動(dòng)距離、速度等數(shù)據(jù)，幫助用戶分析運(yùn)動(dòng)情況。車位導(dǎo)航智能停車系統(tǒng)，利用GNSS定位，幫助用戶快速找到停車位，提高停車效率，緩解城市停車難問題?；谠贫说腉NSS應(yīng)用11.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理云平臺(tái)提供大容量存儲(chǔ)空間和強(qiáng)大的計(jì)算能力，能夠有效處理海量GNSS數(shù)據(jù)。22.數(shù)據(jù)共享和協(xié)作云平臺(tái)支持?jǐn)?shù)據(jù)共享和協(xié)作，方便不同用戶之間的數(shù)據(jù)交換和聯(lián)合分析。33.應(yīng)用開發(fā)和服務(wù)云平臺(tái)提供多種開發(fā)工具和服務(wù)，支持各種GNSS應(yīng)用的開發(fā)和部署。44.可擴(kuò)展性和靈活性云平臺(tái)具有可擴(kuò)展性和靈活性，可以根據(jù)需求調(diào)整資源配置和服務(wù)功能。GNSS大數(shù)據(jù)處理技術(shù)海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)GNSS數(shù)據(jù)量大，需要高效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)。分布式數(shù)據(jù)庫(kù)、云存儲(chǔ)等技術(shù)應(yīng)用。數(shù)據(jù)清洗與預(yù)處理數(shù)據(jù)清洗和預(yù)處理，包括噪聲去除、異常值剔除、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等。數(shù)據(jù)分析與挖掘使用統(tǒng)計(jì)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法，挖掘GNSS數(shù)據(jù)中的潛在價(jià)值。數(shù)據(jù)可視化將GNSS數(shù)據(jù)可視化，方便用戶理解和分析。GNSS在測(cè)繪、導(dǎo)航等領(lǐng)域的應(yīng)用測(cè)繪GNSS提供高精度位置信息，用于地圖測(cè)繪、地形圖制作和地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建。導(dǎo)航GNSS應(yīng)用于航空、航海、陸地交通的導(dǎo)航，提供精準(zhǔn)定位、路徑規(guī)劃和交通管理。工程建設(shè)GNSS用于工程測(cè)量、地形測(cè)量、工程施工監(jiān)測(cè)，確保工程項(xiàng)目的精度和安全。地球科學(xué)GNSS應(yīng)用于地球動(dòng)力學(xué)研究、地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、地震預(yù)測(cè)預(yù)警。精密農(nóng)業(yè)中的GNSS應(yīng)用1精準(zhǔn)施肥通過GNSS定位，精準(zhǔn)施肥系統(tǒng)可以根據(jù)農(nóng)作物生長(zhǎng)情況，自動(dòng)調(diào)整施肥量和施肥位置，提高肥料利用率，減少環(huán)境污染。2精準(zhǔn)灌溉利用GNSS定位，精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)可以根據(jù)土壤水分情況，自動(dòng)調(diào)整灌溉量和灌溉時(shí)間，提高灌溉效率，節(jié)約用水資源。3精準(zhǔn)植保通過GNSS定位，精準(zhǔn)植保系統(tǒng)可以根據(jù)病蟲害發(fā)生情況，自動(dòng)噴灑農(nóng)藥，提高防治效果，減少農(nóng)藥殘留。4精準(zhǔn)收獲利用GNSS定位，精準(zhǔn)收獲系統(tǒng)可以根據(jù)農(nóng)作物成熟度，自動(dòng)收割農(nóng)作物，提高收獲效率，降低收獲成本。GNSS在交通運(yùn)輸中的應(yīng)用導(dǎo)航定位GNSS提供精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)定位，為導(dǎo)航系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。交通管理通過GNSS追蹤車輛，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)交通流量和道路狀況，優(yōu)化交通管理方案。自動(dòng)駕駛GNSS是自動(dòng)駕駛汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一，提供精準(zhǔn)的定位和行駛路線規(guī)劃。物流運(yùn)輸GNSS提高物流效率，優(yōu)化貨運(yùn)路線，降低運(yùn)輸成本。GNSS在時(shí)間同步中的應(yīng)用高精度時(shí)間同步GNSS信號(hào)提供精確的時(shí)間信息，用于同步不同地點(diǎn)的時(shí)鐘，提高時(shí)間同步精度。網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議GNSS接收機(jī)可作為時(shí)間服務(wù)器，通過網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP）將時(shí)間信息同步到其他設(shè)備。電力系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中，GNSS用于同步電力設(shè)備的時(shí)間，確保電力網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行。金融交易金融交易需要精確的時(shí)間同步，以保證交易的準(zhǔn)確性和可靠性。GNSS在氣象監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用氣象要素監(jiān)測(cè)GNSS可用于監(jiān)測(cè)氣象要素，例如溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速和風(fēng)向等。利用GNSS接收機(jī)接收到的信號(hào)，可以反演出大氣折射率的變化，進(jìn)而推算出這些氣象參數(shù)。大氣成分監(jiān)測(cè)GNSS可用于監(jiān)測(cè)大氣中水汽含量、二氧化碳濃度等氣體成分。通過分析GNSS信號(hào)的衰減和延遲，可以得到大氣成分的濃度信息。降水監(jiān)測(cè)GNSS可用于監(jiān)測(cè)降水量和降水類型。利用GNSS接收機(jī)接收到的信號(hào)，可以反演出大氣中水汽的變化，進(jìn)而推算出降水量。氣象災(zāi)害預(yù)警GNSS可用于監(jiān)測(cè)氣象災(zāi)害，例如臺(tái)風(fēng)、暴雨、雷暴等。通過GNSS接收機(jī)監(jiān)測(cè)到的氣象要素變化，可以提前預(yù)警這些氣象災(zāi)害。GNSS在空間信息獲取與分析中的應(yīng)用1空間定位GNSS技術(shù)提供高精度定位信息，用于地球表面物體的位置測(cè)量，建立三維坐標(biāo)系。2地理空間數(shù)據(jù)采集GNSS與傳感器集成，采集地理空間數(shù)據(jù)，例如地形數(shù)據(jù)、地質(zhì)數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)。3空間信息分析空間數(shù)據(jù)分析與建模，應(yīng)用于土地利用、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域，提升決策效率。4空間信息可視化GNSS數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，將空間信息轉(zhuǎn)化為直觀圖像，方便用戶理解分析空間信息。GNSS在國(guó)防軍事中的應(yīng)用精確制導(dǎo)GNSS技術(shù)可實(shí)現(xiàn)精確制導(dǎo)，提高武器命中精度，增強(qiáng)作戰(zhàn)效能。戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知GNSS提供實(shí)時(shí)位置信息，輔助構(gòu)建戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖，支持快速?zèng)Q策。通信保障GNSS技術(shù)可用于時(shí)間同步，確保軍事通信系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。人員定位GNSS技術(shù)