GPS测量原理及应用.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2019/11/18,土木工程测量同济大学出版社,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,GPS,原理及其应用,主讲 陈志高,第,1,部分 原理,1,GPS,测量的特点,2 GPS,的,历史和背景,3 GPS,系统的组成,4 GPS,卫星,5 GPS,地面控制站,6 GPS,用户设备,7 GPS,系统现状,8 GPS,定位原理,9 GPS,测量,2025/4/25 周五,2,GPS,定义,GPS,的英文全称是：,Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System,测量用户的,PVT,：,Position(,三维位置,),Velocity(,三维速度,),Time(,时间,),日常生活中的,GPS,4,日常生活中的,GPS,车载,手机,5,1,GPS,测量的特点,2025/4/25 周五,6,不需要相互通视,观测作业不受天气条件的影响,能达到大地测量所需要的精度水平,全天候白天和夜间均可作业,效率高,提供三维坐标,2,GPS,的历史和背景,GPS,是美国军方研制的第二代卫星导航系统,(1),全球覆盖,(2)24,小时可以定位，测速和授时,(3),用户设备成本低廉,(4),确保美国军事安全，服务于全球战略,(5),导航精度可达,10,-,20m,(6),取代现存各种导航系统,这种设备可以用来武装战车,，舰船和飞机，提高其作战能力，并可广泛用于地面部队，其,作用已经在,海湾战争,中得到充分展示,。,2025/4/25 周五,7,2025/4/25 周五,8,系统特征,第一代,NNSS,Navy Navigation Satellite System(,海军导航卫星系统）,GPS,载波频率,GHz,0.15,0.40,1.23,1.58,卫星高度,km,1000,20200,卫星数,5-6,21+3,卫星周期,min,1:47,11:58,卫星钟稳定度,10,-11,10,-12,GPS,与,NNSS,的主要特征比较,2025/4/25 周五,9,系统特征,GLONASS,GPS,载波频率,GHz,1.61,1.25,1.23,1.58,卫星高度,km,19100,20200,卫星数,21+3,21+3,卫星周期,h,11:15,11:58,卫星钟稳定度,10,-11,10,-13,GPS,与,GLONASS,的主要特征比较,3,GPS,系统的组成,2025/4/25 周五,10,空间部分：,提供星历和时间信息,发射伪距和载波信号,提供其它辅助信息,地面控制部分：,中心控制系统,实现时间同步,跟踪卫星进行定轨,用户部分,：,接收并测量卫星信号,记录处理数据,提供导航定位信息,4 GPS,卫星,24,颗卫星,(21+3),6,个轨道平面,55,轨道倾角,2,万,km,轨道高度,(,地面高度,),12,小时（恒星时）轨道周期,5,个多小时出现在地平线以上,(,每颗星,),2025/4/25 周五,11,目前轨道上实际运行的卫星个数已经超过了,32,颗,5,GSP,地面控制站,一个主控站,：,科罗拉多,斯必灵司,三个注入站：,阿松森(A,scencion),迭哥,伽西亚(Diego Garcia),卡瓦加兰(kwajalein),五个监测站,=1个主控站+3个注入站+夏威夷(H,awaii),2025/4/25 周五,12,55,H,awaii,A,scencion,Diego Garcia,kwajalein,Colorado springs,6,GPS,用户设备,GPS,接收机,2025/4/25 周五,13,导航型,GSP,接收机一般情况下无数据输出的记录存储设备,(,手持机,),天线,前置放大器,电源部分,射电部分,微处理器,数据存储,显示控制器,供电,信号,信息,命令,数据,供电，控制,供电,数据,控制,TOPCON,产品,Leica GPS接收机,南方仪器厂,图片：导航型,GPS,机,手持型,GPS,机,车载型,GPS,机,图片：大地型,GPS,接收机,单频机,双频机,7,GPS,定位原理,卫星信号结构,2025/4/25 周五,21,基准频率,10.23MHZ,L1,1575.42MHZ,C/A,码,1,.023,MHZ,P,码,10.23MHZ,L2,1227.60MHZ,P,码,10.23MHZ,10,154,120,50,比特,/S,卫星信息电文,(D,码,),每颗卫星都发射一系列无线电信号,(,基准频率,),两种载波,(L1,和,L2),两种码信号,(C/A,码和,P,码,),一组导航电文,(,信息码，,D,码,),GPS,卫星信号的组成,卫星信号,载波信号,(L,1,，,L,2,),测距码,(P,码,C/A,码,),数据码,(,导航电文或,D,码,),（,1,）载波信号,L,1,载波，波长,=19.03cm,，频率,f,1,=1575.42MHZ,L,2,载波，波长,=24.42cm,，频率,f,2,=1227.6OMHZ,。,（,2,）测距码,C/A,码（粗码,/,捕获码）：调制在,L,1,载波上。结构公开，不同的卫星有不同的,C/A,码。,P,码,（,精码）：调制在,L,1,和,L,2,载波上。,（,3,）数据码（,D,码）（导航电文）,提供有关卫星位置，卫星钟的性能、发射机的状态等数据和信息。用户利用观测值以及这些信息和数据就能进行导航和定位。,GPS,定位的各种常用观测量,对卫星进行测距,2025/4/25 周五,23,接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距,地心,S,i,i,j,P,j,r,i,R,j,R,j,=r,i,+,i,j,有关各观测量及已知数据如下：,r,为已知的卫地矢量,P,为观测量,(,伪距,),为未知的测站点位矢量,伪距测量,伪距,由卫星发射的测距码信号到达,GPS,接收机的,传播时间乘以光速,所得出的量测距离。由于卫星钟、接收机钟的误差以及无线电通过电离层和对流层中的延迟，实际测出的距离,与卫星到接收机的几何距离,有一定的差值，因此一般称量测出的距离为,伪距,。,用,C/A,码进行测量的伪距为,C/A,码伪距,；用,P,码进行测量的伪距为,P,码伪距,。,测距码伪距测量,2025/4/25 周五,25,接收机至卫星的距离借助于卫星发射的码信号量测并计算得到的,接收机本身按同一公式复制码信号,比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟时间,t,传播延迟时间乘以光速就得到距离观测值,=C,t,t,接收到的卫星测距码,接收仪复制出的测距码,伪距测量的优缺点,1),定位速度快。,2),无多值性问题。,3),可作为载波相位测量中整波数不确定问题（模糊度）的辅助资料。,4),一次定位精度不高，（,P,码定位误差约为,10 m,，,C/A,码定位误差约为,20,30 m,）。,D,=,c,T,N,载波相位观测,载波,L1,的波长为,19cm,，,L2,的波长为,24 cm,接收仪将接收到的卫星载波信号的相位与其自身产生 的参考载波信号的相位进行比较,接收仪开机后，,相位整周数未知,(,带有整周模糊度,),跟踪卫星时间较长时距离的变化可以测定,(,整周数保持 不变,),T,接收到的卫星相位,接收仪复制出的相位,载波相位观测,T,整周模糊度的确定,可通过卫星和测站的,先验信息或伪距观测值,，估算其,近似值,并在平差计算中解算其,最佳估值,。采用通常的方法解算时，需随观测时间的延长使卫星的几何构形发生较大的变化，使,电离层,折射效应和,多路径效应,等系统性偏差的影响被逐渐削弱以至消除，从而保证其确定的可靠性。,在通常的,静态定位,中，为确保确定的可靠性，至少要观测,1,小时左右,。,2025/4/25 周五,29,卫星广播,的电磁波,信号：,信号量测精度优于波长的,1/100,载波波长,(,L1,=19cm,L2,=24cm),比C/A码波长 (,C/A,=293m),短得多,所以，,GPS,测量采用载波相位观测值可以获得比伪距,(C/A,码或,P,码,),定位高得多的测距精度,L1载波,L2,载波,C/A,码,P-,码,p,=29.3,m,L2,=24,cm,L1,=19c,m,C/A,=293,m,载波相位观测,载波相位测距的优缺点,载波相位测量属于,非码信号,测量系统,优点,：把载波作为量测信号，对载波进行相位测量可以达到很高的精度，目前可达到,1,2mm,。,缺点,：载波信号是一种周期性的正弦信号，相位测量只能测定不足一个波长的小数部分，无法测定其整波长个数。因而存在着整周数的不确定性问题，使解算过程比较复杂。,单点定位结果的获取,2025/4/25 周五,31,单点定位解可以理解为一个测边后方交会问题,卫星充当轨道上运动的控制点，观测值为测站至卫星的伪距,(,由时间延迟计算得到,),由于,接收机时钟与卫星钟,存在同步误差，所以要同步观测,4,颗卫星，解算四个未知参数：纬度,经度,大地高程,h,钟差,t,8 GPS,定位的误差源,2025/4/25 周五,32,与,GPS,卫星有关的因素,SA(,对精密星历进行加密）技术：人为的降低广播星历精度,2000,年,5,月,2,日,4,时终止实施,卫星星历（定轨）误差,卫星钟差,卫星信号发射天线相位中心偏差,与传播途径有关的因素,电离层延迟,对流层延迟,多路径效应,与接收机有关的因素,接收机钟差,接收机天线相位中心误差,接收机软件和硬件造成的误差,9,GPS,测量,(1),采用载波相位观测值,2025/4/25 周五,33,卫星广播,的电磁波,信号：,信号量测精度优于波长的,1/100,载波波长,(,L1,=19cm,L2,=24cm),比C/A码波长 (,C/A,=293m),短得多,所以，,GPS,测量采用载波相位观测值可以获得比伪距,(C/A,码或,P,码,),定位高得多的测距精度,L1载波,L2,载波,C/A,码,P-,码,p,=29.3,m,L2,=24,cm,L1,=19c,m,C/A,=293,m,(2),组成星际站际两次差分观测值,2025/4/25 周五,34,可以消去卫星钟的系统偏差,可以消去接收机时钟的误差,P,i,k,P,l,j,P,i,j,P,j,P,l,k,P,k,S,l,S,i,可以削弱大气折射对观测值的影响,可以削弱轨道,(,星历,),误差的影响,(3),设法解算出初始整周未知数,2025/4/25 周五,35,测站对某一卫星的载波相位观测值由,三部分,组成,(1),初始整周未知数,n,；,(2)t 0,至,t i,时刻的整周记数,Ci,；,(3),相位尾数,i,如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初始整周未知数,n,为了利用载波相位进行定位，必须设法先解算出初始整周未知数，取得总观测值,n+C,i,+,i,Time(0),Ambiguity,Time(i),Ambiguity,Counted Cycles,Phase Measurement,(4),弄清楚初始整周未知数的确定与定位精度的关系,2025/4/25 周五,36,精度,m,1.00,0.10,0.01,整周未知数确定后,整周未知数确定前,经典静态定位,0,0,30,80,5,8,时间,(,分,),如果无法准确解出初始整周未知数，则定位精度,难以优于,1,m,随着初始整周未知数解算精度的提高，定位精度也相应提高,一旦初始整周未知数精确获得，定位精度不再随时间延长而提高,经典静态定位需要,30-80,分钟,观测才能求定初始整周未知数,快速静态定位将这个过程缩短到,5-8,分钟,(,双频接收机,),快速静态定位,伪距差分,这是应用最广的一种差分。在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较，得出伪距改正数，将其传输至用户接收机，提高定位精度。,这种差分，能得到米级定位精度，如沿海广泛使用的“信标差分”,2025/4/25 周五,37,载波相位差分,载波相位差分技术又称,RTK(Real Time Kinematic),技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。即是将基准站采集的载波相位发送给用户接收机，进行求差解算坐标。,载波相位差分可使定位精度达到厘米级，已经大量应用于需要点位高精度的动态测量领域。,2025/4/25 周五,38,2025/4/25 周五,39,第,2,部分 我国,GPS,测量的常用坐标系,1.WGS-84,WGS-84,坐标是,GPS,所采用的坐标系统，,GPS,发布的,星历参数都是基于此坐标系的。,WGS-84,的椭球参数：,a=6378137m,1/f=298.257223563,2.1954,北京坐标系,1954,北京坐标系是目前我国使用比较广泛的大地测量坐标系，参考椭球是克拉索夫斯基椭球。其高程是以,1956,年黄海平均海水面为基准。,克拉索夫斯基椭球参数：,a=6378245m,1/f=298.3,2025/4/25 周五,40,3.1980,西安坐标系,1980,西安坐标系是我国新建的大地测量坐标系，参考椭球是,IUGG1975,椭球，,其高程是以,1956,年黄海平均海水面为基准。,IUGG1975,椭球参数：,a=6378140m,1/f=298.257,第,3,部分,GPS,静态定位,2025/4/25 周五,41,GPS,静态定位主要用于建立各级测量控制网，其优点为：,定位精度高，其基线的相对精度非常高,选点灵活、不需要造标、费用低,全天候作业,观测时间短,观测处理自动化,第,4,部分,GPS,高程,测量中常用的高程系统有大地高系统、正高系统、正常高系统,大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统。某点的大地高是该点到参考椭球面的垂直距离。大地高也称为椭球高。一般用,H,表示。,正高系统是以大地水准面为基准面的高程系统。某点的正高是该点到大地水准面的垂直距离。,正常高系统是以似大地水准面为基准面的高程系统。某点的正常高是该点到似大地水准面的垂直距离。,2025/4/25 周五,42,高程系统间的转换,2025/4/25 周五,43,Ellipsoid,h,P,Topography,H,Geoid,N,似大地水准面到参考椭球面,的距离称为高程异常，似大地水准面不规则，造成了各地高程异常值的不确定性。,GPS,高程的方法,2025/4/25 周五,44,在国内一般适用,高程拟合法,求水准高。,已知点为一个,把已知点上的高程异常改正到其它点上去,已知点为两个,定义了高程平差面，此平面沿着直线方向前进,已知点为三个,定义了高程平差面,多于三个,二次曲面拟合定义了曲面,第,5,部分,GPS,在军事中的应用,2025/4/25 周五,45,1 GPS,在战场上的应用,2 GPS,在电子战争中的应用,3 GPS,在武器试验中的应用,1 GPS,在战场上的应用,在,1990,年的海湾战争中，,虽然当时,GPS,系统还未全面,建成，空间只有部分,GPS,卫星在运行，但它在多国,部队多兵种应用，显示了,它的优越性，发挥了很大,的作用。,战争初期，美国装备了,900,套,GPS,接收机,，在战争中迅速增加，到战争后期装备了,5,000,多套,。连同它的盟国部队共装备了,10,000,多,套。直到战争结束还有数千套合同产品还在生产中。,1GPS,在战场上的应用,因为当时多国部队是 跨国界、跨地区作战，地理环境相当陌生，仅依靠地图是实在有限的，据说正是因为有了手持型,GPS,的帮助，才使许多美国士兵得以生还。事实证明它最适合,单兵及快速反应部队,行动，因为它满足快速、灵活、多变的战时环境，功效是传统导航工具无法达到的。目前已成为许多国外士兵的,标准装备之一,。,空中轰炸,安装,GPS,接收机的飞机，不仅改善了导航精度，并且由于把要轰炸的目标作为一个,“航路点”,，有效改善炸弹投放精度。利用,GPS,导航功能，战斗机的飞行与投弹,不受白天黑夜、可视距离的影响,，可以避开敌方雷达视距低空穿越飞行，减少损失，重创敌人。,战场侦察,无论山区密林、沙漠田野，带着,GPS,接收机，侦察员们掌握自己位置，记录敌方位置，再不会犯方向和路线的错误。,空中侦察，多架飞机，利用,GPS,连续测定自身位置，利用无线电测向、空中摄影等方法确定敌方地面部署、防空雷达的位置，快速有效的获得战时地图。,精密制导,导弹弹头上安装,GPS,接收机，随时测定导弹位置，进行弹道偏差修正，准确命中目标。命中目标的误差可达到,1,米,，并且命中目标的误差,不受导弹射程,（即使为数千公里）的影响。,搜索救援,主动式搜索救援：始终监视救援范围内的情况，跟踪目标，根据,GPS,测定的位置组织救援，提高救援成功率。,被动式搜索救援：配备带有,GPS,接收机的紧急求救无线发信装置（一般放在头盔上）的指战员们主动求救。,法国的,ASCA,公司已为美海军开发了利用水下全球定位系统,(GPS),技术进行搜索与救援以及对抗水雷的系统，它可以利用水下的,GPS,信号确定目标的经、纬度和深度坐标。海军海上系统司令部已于,2001,年,8,月购买了一套该系统，该系统可用于跟踪沉在水下的飞机或潜艇中释放的移动黑匣子声波发送器，只需要不到半天的时间就能寻找到目标。在,2001,年夏天进行的一次试验中，该系统只用了,1,个小时就寻找到了目标。,另一项可能的应用就是进行爆炸性军火处理,(EOD),，可以用来处理在科索沃战争中投放在地中海的没有爆破的哑弹。此外，该技术还可以用于水雷对抗等许多领域中。,水下全球定位系统应用,地面作战,部队集结调动、穿越陌生区域、战场补给、协同作战、识别敌我阵地、行军路线，有了,GPS,接收机，保证不会发生立场和路线的错误。,甚至指挥员在制定战斗方案时，利用各部队根据,GPS,确定并连续发送过来的实时位置，再配上一台笔记本电脑，就可在矢量地图的环境下，更科学地指挥现代战争。,布雷扫雷,可记录下水雷或地雷的精确位置，既避免了误伤自己人，战争结束后，清理战场也安全得多。,2 GPS,在电子战争中的应用,对敌方电子发射源的定位,多架飞机，利用,GPS,连续测定自身位置，利用无线电测向等方法确定敌方地面防空系统或雷达的位置，进而直接摧毁敌军地面雷达系统。,诱惑导弹脱靶,敌方导弹攻击我方飞机时，为了摆脱导弹，我方飞机需要投放金属箔条，造成假目标，好象孙捂空一把毫毛就出来千万个小捂空，诱惑导弹打错目标，脱离飞机。但敌方导弹还受敌方雷达指挥。雷达只有在我方飞机机头对准基本地面雷达时投放金属箔条，才会被诱惑，分不清真假。而,GPS,实时确定我方飞机位置，根据预先已知的敌方雷达位置，控制飞机进入适宜投放金属箔条的飞行方向。,3 GPS,在武器试验中的应用,弹道测量,利用导弹上装载的,GPS,接收机，实时测定导弹的位置与速度，通过数字无线传输，送到地面站。采集的数据用来分析导弹制导系统的控制误差，改进设计。,军事演习指挥监控系统,指挥所（监控中心）实时掌握运载体（舰艇、飞机、导弹、战车）位置。,