原理及应用.pptx

武汉苍穹数码仪器有限公司 GPS的英文全称是Global Positioning System，简称GPS。根据Wooden 1985年所给出的定义：NAVSTAR全球定位系统（GPS）是一个空基全天侯导航系统，它由美国国防部开发，用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速度和时间信息的要求。1.1 1.1 定义定义武汉苍穹数码仪器有限公司1.2 GPS的发展简史的发展简史1973年年12月，美国国防部批准研制月，美国国防部批准研制GPS。1978年年2月月22日，第日，第1颗颗GPS试验卫星发射成功。试验卫星发射成功。1989年年2月月14日，第日，第1颗颗GPS工作卫星发射成功。工作卫星发射成功。1991年，在海湾战争中，年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战。首次大规模用于实战。1999年年1月月25日，美国副总统戈尔宣布，将斥资日，美国副总统戈尔宣布，将斥资40亿美圆，进行亿美圆，进行GPS现代化。现代化。2000年年5月月1日，美国总统克林顿宣布，日，美国总统克林顿宣布，GPS停止实施停止实施SA。武汉苍穹数码仪器有限公司1.3 GPS的系统组成的系统组成 系统组成系统组成GPS的系统组成：由的系统组成：由空间部分空间部分、地面控制部分地面控制部分和和用户设备部分用户设备部分等三部分等三部分组成组成武汉苍穹数码仪器有限公司1.3.1 GPS的系统组成的系统组成 空间部分空间部分GPS的空间部分（的空间部分（GPS卫星星座）卫星星座）GPS卫星星座卫星星座设计星座：设计星座：21+3 21颗正式的工作卫星颗正式的工作卫星+3颗活动颗活动的备用卫星的备用卫星 6个轨道面，平均轨道高度个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角，轨道倾角55 ，周期，周期11h 58min（顾及地球自转，地球顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前卫星的几何关系每天提前4min重重复一次）复一次）保证在保证在24小时，在小时，在高度角高度角15 以上，能够同时观测到以上，能够同时观测到4至至8颗卫颗卫星星当前星座：当前星座：31颗颗武汉苍穹数码仪器有限公司1.3.1 GPS的系统组成的系统组成 空间部分（续）空间部分（续）GPS卫星卫星 作用：作用：发送用于导航定位的信号发送用于导航定位的信号 其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。主要设备：原子钟（主要设备：原子钟（2台铯钟、台铯钟、2台铷钟）、台铷钟）、信号生成与发射装置信号生成与发射装置 类型类型 试验卫星：试验卫星：Block 工作卫星：工作卫星：Block Block Block A Block R Block F（新一代的（新一代的GPS卫星）卫星）武汉苍穹数码仪器有限公司1.3.2 GPS的系统组成的系统组成 地面控制部分地面控制部分GPS的地面控制部分（地面监测系统）的地面控制部分（地面监测系统）组成：主控站（组成：主控站（1个）、跟踪站（个）、跟踪站（5个）和注入站（个）和注入站（3个）个）作用：监测和控制卫星运行，编算卫星星历（导航电文），保持系统时间。作用：监测和控制卫星运行，编算卫星星历（导航电文），保持系统时间。武汉苍穹数码仪器有限公司1.3.2 GPS的系统组成的系统组成 地面控制部分（续）地面控制部分（续）主控站（主控站（1个）个）作用：作用：收集各检测站的数据，编制导航电文，监控卫星状态；收集各检测站的数据，编制导航电文，监控卫星状态；通过注入站将卫星星历注入卫星，向卫星发送控制指令；通过注入站将卫星星历注入卫星，向卫星发送控制指令；卫星维护与异常情况的处理。卫星维护与异常情况的处理。地点：美国克罗拉多州法尔孔空军基地。地点：美国克罗拉多州法尔孔空军基地。跟踪站（跟踪站（5个）个）作用：接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站。作用：接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站。地点：夏威夷地点：夏威夷注入站（注入站（3个）个）作用：将导航电文注入作用：将导航电文注入GPS卫星。卫星。地点：阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平地点：阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）。洋）。武汉苍穹数码仪器有限公司1.3.3 GPS的系统组成的系统组成 用户设备部分用户设备部分用户设备部分用户设备部分-GPS信号接收机及相关设备信号接收机及相关设备接收、跟踪、变换和测量接收、跟踪、变换和测量GPS信号的设备信号的设备多数采用石英钟多数采用石英钟武汉苍穹数码仪器有限公司1.4 GPS工作的基本原理工作的基本原理GPS工作的基本原理工作的基本原理 距离后方交会距离后方交会已知点：已知点：GPS卫星卫星待定点：接收机（天线）待定点：接收机（天线）武汉苍穹数码仪器有限公司1.5 GPS的信号结构的信号结构GPS信号的基本组成部分（信号分量）信号的基本组成部分（信号分量）载波（载波（Carrier Phase）测距码（测距码（Ranging Code）导航电文（导航电文（Navigation Message/Data Message）载波载波作用：搭载其它信号，也可用于测量（测距）。作用：搭载其它信号，也可用于测量（测距）。类型类型目前目前L1：频率：频率：1575.43MHz，波长：，波长：19cmL2：频率：频率：1227.60MHz，波长：，波长：24cm现代化后现代化后增加增加L5：1176.45MHz，波长：，波长：26cm武汉苍穹数码仪器有限公司1.5 GPS的信号结构（续）的信号结构（续）测距码测距码伪随机噪声码伪随机噪声码 PRN码码目前目前C/A（C1）码速：码速：1.023MHz码元长度：码元长度：300mP(Y)1、P(Y)2 (精码，没开放精码，没开放)码速：码速：10.23MHz码元长度：码元长度：30m现代化后现代化后 M1、M2（军用码（军用码)导航电文导航电文码速：码速：50bps内容：内容：广播星历（导航信息）广播星历（导航信息）卫星钟改正卫星钟改正历书（概略星历）历书（概略星历）电离层信息电离层信息卫星健康状况卫星健康状况武汉苍穹数码仪器有限公司1.6 美国政府的美国政府的GPS政策政策SPS与与PPSSPS 标准定位服务，使用标准定位服务，使用C/A码，民用码，民用PPS 精密定位服务，可使用精密定位服务，可使用P码，军用码，军用SA（已于（已于2000年年5月月1日取消）日取消）Selective Availability 选择可用性：人为降低普通用户的测量精度。选择可用性：人为降低普通用户的测量精度。方法方法技术：轨道加绕（长周期，慢变化）技术：轨道加绕（长周期，慢变化）技术：星钟加绕（高频抖动，短周期，快变化）技术：星钟加绕（高频抖动，短周期，快变化）AS Anti-Spoofing反电子欺骗反电子欺骗 P码加密，码加密，P+W-YGPS现代化现代化提高信号质量提高信号质量在在L2上增加上增加C/A码码增加第三民用频率增加第三民用频率L5增加增加2个军用码：个军用码：M1，M2局部关闭局部关闭武汉苍穹数码仪器有限公司1.7 GPS接收机接收机作用作用基本单元基本单元天线单元天线单元接收单元（频率维持通常采用石英钟）接收单元（频率维持通常采用石英钟）信号通道信号通道类型：（多路复用，序惯，多通道）；（码相关通道，平方通道）类型：（多路复用，序惯，多通道）；（码相关通道，平方通道）存储器存储器计算与显控计算与显控电源电源类型类型依用途：大地型（测地型）、导航型与授（守）时型依用途：大地型（测地型）、导航型与授（守）时型依能否接收测距码（伪距码）：有码与无码依能否接收测距码（伪距码）：有码与无码依接收伪距码的种类：依接收伪距码的种类：P码与码与C/A码码依接收不同频率载波的数量：单频与双频依接收不同频率载波的数量：单频与双频GPS接收机的几个重要的物理与几何特性接收机的几个重要的物理与几何特性天线相位中心天线相位中心接收钟差接收钟差接收机信号通道间的延迟接收机信号通道间的延迟武汉苍穹数码仪器有限公司 GPS测量定位的类型测量定位的类型 伪距的测定原理伪距的测定原理 伪距法单点定位伪距法单点定位 载波相位测量载波相位测量第二章第二章 GPS定位基础定位基础武汉苍穹数码仪器有限公司2.1 概述概述GPS测量定位的分类测量定位的分类依定位时的状态依定位时的状态动态定位动态定位静态定位静态定位依定位模式依定位模式绝对定位（单点定位）绝对定位（单点定位）相对定位相对定位依定位采用的观测值依定位采用的观测值伪距测量（伪距法定位）伪距测量（伪距法定位）载波相位测量载波相位测量依时效依时效实时定位实时定位事后定位事后定位武汉苍穹数码仪器有限公司2.1 概述（续）概述（续）相对定位相对定位武汉苍穹数码仪器有限公司2.1 概述概述(续）续）差分定位差分定位武汉苍穹数码仪器有限公司2.1 概述概述(续）续）动态定位动态定位武汉苍穹数码仪器有限公司2.2 伪距法测定原理伪距法测定原理伪距测定：伪距测定：接收机在接收到卫星的信号后，产生结构完全相同的测距码，并通过延时器使其延迟时间，直到两组测距码进行相关处理，相关系数最大方可。则伪距就是光速c与延迟时间的乘积（c*)。武汉苍穹数码仪器有限公司2.3 伪距法单点定位伪距法单点定位特点特点观测值：观测值：伪距时间系统：时间系统：采用GPS时间系统（GPS周和GPS秒）。从1980年1月6日子夜零点（UTC）开始的星期数为GPS周，不满一周的为GPS秒。结果：结果：在地固坐标系（WGS-84，ITRF）一般是WGS-84下的坐标精度：精度：在取消SA后，单点定位的平面精度可达20米左右，高程精度可达40米左右。武汉苍穹数码仪器有限公司2.3 伪距法单点定位（续）伪距法单点定位（续）接收机钟改正数。卫星钟改正数；信号接收时的标准时间；信号发射时的标准时间数。信号接收时接收机钟读；信号发射时卫星钟读数真空中的光速；观测距离（伪距）；其中：:)(babaTtbaTbbtaabaabvvvTvtTtctTcttttrr+=+=-=baabTttTabvcvcctTc*-*+-*=-*=)()(ttr对流层延迟改正。电离层延迟改正；其中：:)(tropiontropionabcdrdrdrdrttr+-*=rbaTtvcvc*-*+=rtropiondrdr+观测方程：武汉苍穹数码仪器有限公司2.3 伪距法单点定位（伪距法单点定位（续）续）观测方程观测方程武汉苍穹数码仪器有限公司2.3 伪距法单点定位（续）伪距法单点定位（续）观测方程观测方程武汉苍穹数码仪器有限公司2.3 伪距法单点定位（续）伪距法单点定位（续）观测精度因子观测精度因子(DOP)ACB武汉苍穹数码仪器有限公司2.4 载波相位测量载波相位测量伪距测量的局限性伪距测量的局限性 观测值的精度低观测值的精度低载波相位载波相位（Carrier Phase）L1、L2武汉苍穹数码仪器有限公司2.4 载波相位测量载波相位测量载波相位的测定载波相位的测定重建载波重建载波码相关法码相关法得到的观测值为全波（得到的观测值为全波（full wave）平方法平方法 得到的观测值为半波（得到的观测值为半波（half wave）载波相位观测值载波相位观测值理想的观测方法：信号接收时刻，卫星端卫星载波信号的相位理想的观测方法：信号接收时刻，卫星端卫星载波信号的相位(S)与接收机端卫星载波信号的相位与接收机端卫星载波信号的相位(R)之差。从而测定出站之差。从而测定出站星距离星距离()，即，即问题：卫星端卫星载波信号的相位问题：卫星端卫星载波信号的相位(S)不能直接测定。不能直接测定。武汉苍穹数码仪器有限公司2.4 载波相位测量载波相位测量载波相位观测值（续）载波相位观测值（续）实际观测方法：信号接收时刻，接收机模拟（复制）的卫星端实际观测方法：信号接收时刻，接收机模拟（复制）的卫星端卫星载波信号的相位卫星载波信号的相位(S)与接收机端卫星载波信号的相位与接收机端卫星载波信号的相位(R)之差，即之差，即实际观测值：实际观测值：整周跳变（周跳）整周跳变（周跳）Cycle Slip武汉苍穹数码仪器有限公司2.4 载波相位测量载波相位测量载波相位观测值（续）载波相位观测值（续）相位伪距：相位伪距：整周模糊度（整周未知数）整周模糊度（整周未知数）-Ambiguity特性：特性：整数整数若信号不失锁或发生周跳，则保持不变若信号不失锁或发生周跳，则保持不变武汉苍穹数码仪器有限公司2.4 周跳的探测与修复周跳的探测与修复周跳产生的原因周跳产生的原因信号被遮挡信号被遮挡干扰干扰接收机运动速度过快接收机运动速度过快接收机暂时的故障接收机暂时的故障高次差法高次差法/多项式拟合法多项式拟合法简单的高次差简单的高次差星间差分的高次差星间差分的高次差残差法残差法武汉苍穹数码仪器有限公司2.5 整周未知数（整周模糊度）的确定整周未知数（整周模糊度）的确定伪距法伪距法多普勒法（消去法）多普勒法（消去法）走走停停法（走走停停法（Stop and Go）参数法（搜索法）参数法（搜索法）经典方法经典方法快速确定整周未知数的算法快速确定整周未知数的算法FARALAMBDA.固定解与浮动解（整数解与实数解）固定解与浮动解（整数解与实数解）武汉苍穹数码仪器有限公司 误差的分类误差的分类与卫星有关的误差与卫星有关的误差与传播途径有关的误差与传播途径有关的误差与接收设备有关的误差与接收设备有关的误差第三章第三章 GPS定位误差定位误差武汉苍穹数码仪器有限公司3.1 误差的分类误差的分类误差的分类误差的分类偶然误差（观测噪声）偶然误差（观测噪声）-Noise一般优于波长一般优于波长/码元长度的码元长度的1/100。偏差（系统误差）偏差（系统误差）-Bias与卫星有关的误差与卫星有关的误差卫星星历（轨道）误差卫星星历（轨道）误差卫星钟差卫星钟差相对论效应相对论效应与传播途径有关的误差与传播途径有关的误差电离层延迟误差电离层延迟误差对流层延迟误差对流层延迟误差多路径效应多路径效应与接收设备有关的误差与接收设备有关的误差接收机钟差接收机钟差天线相位中心偏差和变化天线相位中心偏差和变化接收机不同通道间的信号延迟误差接收机不同通道间的信号延迟误差其它其它软件软件 模型误差模型误差GPS控制系统控制系统武汉苍穹数码仪器有限公司3.2 各类误差对导航定位的影响各类误差对导航定位的影响 95%SA启用SA关闭24.00.07.02.07.02.02.32.3误差源SA大气电离层对流层钟和星历误差接收机噪声 0.60.6多路径1.51.5总用户等效距离误差25.07.5HDOP1.51.5水平误差75.022.5 武汉苍穹数码仪器有限公司3.3 与卫星有关的误差与卫星有关的误差卫星星历（轨道）误差卫星星历（轨道）误差定义定义广播星历（预报星历）与精密星历（后处理星历）广播星历（预报星历）与精密星历（后处理星历）应对方法应对方法精密定轨精密定轨相对定位相对定位卫星钟差卫星钟差定义定义应对方法应对方法钟差多项式钟差多项式-t=a0+a1(t-t0)+a2(t-t0)2参数参数物理同步误差与数学同步误差物理同步误差与数学同步误差相对论效应相对论效应狭义相对论效应狭义相对论效应 与钟的运动速度有关，使星钟变慢与钟的运动速度有关，使星钟变慢广义相对论效应广义相对论效应 与钟所处位置的重力位有关，使星钟变快与钟所处位置的重力位有关，使星钟变快应对方法应对方法 事先调整钟速，根据卫星轨道进行修正事先调整钟速，根据卫星轨道进行修正武汉苍穹数码仪器有限公司3.4 与传播途径有关的误差与传播途径有关的误差电离层延迟电离层延迟电离层电离层 自由电子自由电子与信号的频率有关与信号的频率有关 与信号频率的平方成反比（色散效应）与信号频率的平方成反比（色散效应）与信号传播途径上的电子密度有关，而电子密度又与高度、时间、季节、地理位置、与信号传播途径上的电子密度有关，而电子密度又与高度、时间、季节、地理位置、太阳活动等有关太阳活动等有关电离层对载波和测距码的影响，大小相等，符号相反电离层对载波和测距码的影响，大小相等，符号相反应对方法应对方法模型改正模型改正 单层电离层模型单层电离层模型双频改正双频改正相对定位相对定位对流层延迟对流层延迟对流层对流层对流层延迟的干分量与湿分量对流层延迟的干分量与湿分量相对与相对与GPS信号，与信号的频率无关（非色散）信号，与信号的频率无关（非色散）应对方法应对方法相对定位相对定位模型改正模型改正 气象元素气象元素-干温、湿温、气压干温、湿温、气压Hopefield模型、模型、Saastamoinen模型等。模型等。多路径效应多路径效应多路径效应多路径效应应对方法应对方法 观测地点的选择、接收设备的性能、长时间观测、数据处理方法观测地点的选择、接收设备的性能、长时间观测、数据处理方法武汉苍穹数码仪器有限公司3.5 与接收设备有关的误差与接收设备有关的误差接收机钟差接收机钟差天线相位中心的偏差与变化天线相位中心的偏差与变化天线的几何中心、平均相位中心天线的几何中心、平均相位中心天线相位中心的偏差天线相位中心的偏差天线相位中心的变化天线相位中心的变化应对方法应对方法天线定向（相对定位）天线定向（相对定位）模型改正模型改正接收机通道间的延迟误差接收机通道间的延迟误差武汉苍穹数码仪器有限公司第四章第四章 差分差分GPS技术技术 什么是差分什么是差分GPS 差分差分GPS的类型的类型 各类差分各类差分GPS简介简介武汉苍穹数码仪器有限公司4.1 什么是差分什么是差分GPS(DGPS,Differential GPS)定义：使用两台或多台定义：使用两台或多台GPS接收机共同测量，以提高接收机共同测量，以提高定位精度的一直工作模式。定位精度的一直工作模式。武汉苍穹数码仪器有限公司4.2 为什么要差分为什么要差分GPS？误差的特性误差的特性卫星轨道误差：影响大小与测站位置有卫星轨道误差：影响大小与测站位置有关，距离较近时，影响大小相近（误差关，距离较近时，影响大小相近（误差的空间位置相关性）的空间位置相关性）卫星钟差：影响大小与测站无关卫星钟差：影响大小与测站无关大气折射（电离层、对流层折射）：影大气折射（电离层、对流层折射）：影响具有空间位置相关性响具有空间位置相关性SA：Epsilon可以归于卫星轨道误差，可以归于卫星轨道误差，Dither可归于卫星钟差可归于卫星钟差多路径：于测站有关，测站间无关多路径：于测站有关，测站间无关基本思路：基本思路：利用设于坐标已知的参考站，计算各类影响利用设于坐标已知的参考站，计算各类影响GPS测量定位的测量定位的误差改正数误差改正数武汉苍穹数码仪器有限公司4.3 差分差分GPS结构结构差分差分GPS系统的构成系统的构成武汉苍穹数码仪器有限公司4.4 差分差分GPS的类型的类型位置（坐标）差分与距离（伪距）差分位置（坐标）差分与距离（伪距）差分位置改正数位置改正数位置改正数的确定位置改正数的确定缺陷缺陷 要求参考站和流动站所观测的卫星完全相同要求参考站和流动站所观测的卫星完全相同距离改正数距离改正数距离改正数的确定：计算距离距离改正数的确定：计算距离 观测距离观测距离局域差分与广域差分局域差分与广域差分局域差分局域差分GPS（LADGPS Local Area DGPS）基准站作用距离：数百公里基准站作用距离：数百公里特点：计算出特点：计算出广域差分广域差分GPS（WADGPS Wide Area DGPS）基准站作用距离：数千公里基准站作用距离：数千公里特点：将各项误差分离出来，建立误差与位置的关系特点：将各项误差分离出来，建立误差与位置的关系分离出的误差：卫星轨道、卫星钟差分离出的误差：卫星轨道、卫星钟差建立误差与位置的关系模型：大气折射建立误差与位置的关系模型：大气折射武汉苍穹数码仪器有限公司4.5 差分差分GPS的类型（续）的类型（续）增强型的差分增强型的差分GPS系统系统伪卫星（伪卫星（Pseudolites）LAAS 局域增强系统局域增强系统Local Area Augmentation System应用领域：机场，着陆系统应用领域：机场，着陆系统WAAS 广域增强系统广域增强系统Wide Area Augmentation System连续运行参考站（连续运行参考站（CORS）武汉苍穹数码仪器有限公司4.6 RTK Real Time Kinametic(实时动态定实时动态定位位)系统构成系统构成参考站参考站流动站流动站数据链数据链应用应用武汉苍穹数码仪器有限公司导航导航授时授时测量测量第五章第五章 GPS应用应用武汉苍穹数码仪器有限公司 主要是为船舶主要是为船舶,汽车汽车,飞机等运动物体进行定位导航。飞机等运动物体进行定位导航。例如：例如：1.1.船舶远洋导航和进港引水船舶远洋导航和进港引水2.2.飞机航路引导和进场降落飞机航路引导和进场降落3.3.汽车自主导航汽车自主导航4.4.地面车辆跟踪和城市智能交通管理地面车辆跟踪和城市智能交通管理5.5.紧急救生紧急救生6.6.个人旅游及野外探险个人旅游及野外探险7.7.个人通讯终端（与手机，个人通讯终端（与手机，PDAPDA，电子地图等集成，电子地图等集成一体）一体）5.1 GPS5.1 GPS导航应用导航应用武汉苍穹数码仪器有限公司1.1.电力，邮电，通讯等网络的时间同步电力，邮电，通讯等网络的时间同步2.2.准确时间的授入准确时间的授入3.3.准确频率的授入准确频率的授入5.2 GPS5.2 GPS应用于授时校频应用于授时校频武汉苍穹数码仪器有限公司1.1.各种等级的大地测量，控制测量各种等级的大地测量，控制测量2.2.道路和各种线路放样道路和各种线路放样3.3.水下地形测量水下地形测量4.4.地壳形变测量，大坝和大型建筑物变形监测地壳形变测量，大坝和大型建筑物变形监测5.GIS5.GIS应用应用6.6.工程机械（轮胎吊，推土机等）控制工程机械（轮胎吊，推土机等）控制7.7.精细农业精细农业5.3 GPS5.3 GPS应用于高精度测量应用于高精度测量武汉苍穹数码仪器有限公司跟踪、监控与调度跟踪、监控与调度 车辆、船舶、航空器等车辆、船舶、航空器等制导制导 武器制导、自动驾驶等武器制导、自动驾驶等定轨定轨 卫星、航天器等卫星、航天器等姿态确定姿态确定 卫星、航天器、航空器等卫星、航天器、航空器等5.4 GPS5.4 GPS的其他应用的其他应用武汉苍穹数码仪器有限公司美国海军核潜艇配备GPS的士兵GPS导航的舰载飞弹车辆导航管理对航空器的定位及导航农业监控配备GPS的巡警土地测量工程生态研究给动物戴的GPS项圈自助旅游