GPS使用方法.ppt

一、全球卫星导航系统一、全球卫星导航系统GNSSGNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem)依依靠靠数数十十颗颗导导航航卫卫星星组组成成的的导导航航星星座座，对对地地面面、海海面面、空空中中的的物物体体包包括括低低轨轨航航天天器器进进行行实实时时、连连续续、全全天天候候的的精精确确导导航航、定定位位和和定定时时的的技技术术系统。系统。5.4全球定位系统全球定位系统二、全球的卫星导航系统二、全球的卫星导航系统1 1美国的全球定位系统美国的全球定位系统GPSGPS（Global Positioning SystemGlobal Positioning System）19601964年：美国先后发射了4颗“子午仪”军用导航卫星，组成“子午仪”卫星定位导航系统。该系统只提供经纬度，不能给出高度和速度，误差较大 60年代末开始：美国开始研究时间间隔卫星定位导航原理1973197319931993年年：19731973年年美美国国国国防防部部批批准准陆陆海海空空三三军军联联合合研研制制新新的的卫卫星星导导航航系系统统，简简称称GPSGPS。成成为为美美国国第第二二代代卫星定位导航系统。卫星定位导航系统。7070年代规划，年代规划，8080年代实施，年代实施，9090年代运营，耗资年代运营，耗资300300亿亿美元，仅次于阿波罗登月计划和航天飞机计划的美元，仅次于阿波罗登月计划和航天飞机计划的美国美国第三大航天工程第三大航天工程2 2俄罗斯的俄罗斯的格洛纳斯格洛纳斯系统（系统（GLONASSGLONASS）前前苏苏联联于于19821982年年1010月月发发射射第第一一颗颗卫卫星星，到到19951995年年初初只只有有1616颗颗卫卫星星在在轨轨工工作作。9595年年成成功功发发射射三三次次共共9 9颗颗，完完成成2424颗颗工工作作卫卫星星加加1 1颗颗备备用用卫卫星星的的布布局局。19961996年年1 1月投入运行。月投入运行。系统组成和工作原理与系统组成和工作原理与GPSGPS相似相似供国防与民间使用，不带任何限制。供国防与民间使用，不带任何限制。卫星平均寿命卫星平均寿命4.54.5年，现卫星系统不完备。年，现卫星系统不完备。3 3欧洲空间局伽利略（欧洲空间局伽利略（GalileoGalileo）系统）系统19941994年年开开始始，欧欧盟盟进进行行了了论论证证，20002000年年在在世世界界无无线线电大会上获得电大会上获得L L频段的资源。频段的资源。计计划划20082008年年完完成成全全系系统统部部署署，共共3030颗颗卫卫星星（27273 3）完全从民用出发，与完全从民用出发，与GPS/GLONASSGPS/GLONASS有机的兼容，建有机的兼容，建设资金设资金3636亿欧元，由各国和企业共同投资。我国计亿欧元，由各国和企业共同投资。我国计划投资划投资2 2亿欧元，已投入亿欧元，已投入70007000万欧元。万欧元。2004年年1月月10日中国与欧洲合作对伽俐略系统进行初日中国与欧洲合作对伽俐略系统进行初次测试，精度可达次测试，精度可达5cm美国的美国的GPS系统精度说明书可达系统精度说明书可达10m，实际上大于，实际上大于15米或更大。米或更大。GPSGPS定位可到街道，而可定位可到街道，而可GalileoGalileo，则可找，则可找到家门。到家门。目前，伽俐略系统的建设还未完成，进展缓慢。目前，伽俐略系统的建设还未完成，进展缓慢。4 4我国的北斗导航系统我国的北斗导航系统2000年年，首首先先建建成成北北斗斗导导航航试试验验系系统统，使使我我国国成成为为继继美美、俄俄之之后后的的世世界界上上第第三三个个拥拥有有自自主主卫卫星星导导航航系系统的国家。统的国家。已已成成功功应应用用于于测测绘绘、电电信信、水水利利、渔渔业业、交交通通运运输输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域在在2008年年北北京京奥奥运运会会、汶汶川川抗抗震震救救灾灾中中发发挥挥了了重重要要作用。作用。(可通讯)北斗卫星导航系统由三部分组成北斗卫星导航系统由三部分组成空间段空间段包括包括5颗静止轨道卫星和颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，颗非静止轨道卫星，地面段地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户段用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。北斗导航定位系统从根本上打破北斗导航定位系统从根本上打破GPS垄断局面垄断局面我国已成功发射两颗北斗导航卫星。我国已成功发射两颗北斗导航卫星。2008年年02月月22日，国内首款中国北斗导航核日，国内首款中国北斗导航核心芯片心芯片“领航一号领航一号”正式诞生。正式诞生。系统建设总体规划系统建设总体规划2012年左右，系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、年左右，系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力导航和授时以及短报文通信服务能力2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务。量的定位、导航和授时服务。开放服务开放服务向全球免费提供定位、测速和授时服务，定位精度向全球免费提供定位、测速和授时服务，定位精度10米，测速精度米，测速精度0.2米米/秒，授时精度秒，授时精度10纳秒。纳秒。授权服务授权服务为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户，提供定为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户，提供定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。三、三、GPS组成组成*空间部分空间部分*地面控制部分地面控制部分*用户设备用户设备 GPS图示 空间卫星星座空间卫星星座24颗卫星发射信号卫星轨道、时间数据及辅助资料信息 用户设备用户设备接收设备接收卫星信号 地面监控地面监控中央控制系统时间同步跟踪卫星定位空间部分空间部分由由24颗卫星（颗卫星（21颗工作卫星和颗工作卫星和3颗备用卫星）组成，分颗备用卫星）组成，分布在布在6个轨道面内，每个轨道个轨道面内，每个轨道4颗卫星。每条轨道与赤颗卫星。每条轨道与赤道面的夹角是道面的夹角是55，轨道平均高度为，轨道平均高度为 20183km。每颗卫。每颗卫星每天约有星每天约有5小时在地平线以上，同时位于地平线以上小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星的卫星 数随时间和地点而异，数随时间和地点而异，最少最少4颗，最多颗，最多11颗颗。主要设备：卫星上有原子钟、微处理器、电文存储和主要设备：卫星上有原子钟、微处理器、电文存储和信号发射设备，信号发射设备，由太阳能电池提供电源。由太阳能电池提供电源。GPS卫星作用卫星作用飞越注入站上空时，接收注入的导航电文和其他信息，飞越注入站上空时，接收注入的导航电文和其他信息，并发送给广大用户。并发送给广大用户。接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，改正运行偏差或启用备用时钟等。改正运行偏差或启用备用时钟等。工作卫星以工作卫星以L11575.42兆赫和兆赫和L21227.6兆赫两种兆赫两种频率发送导航信号，导航信号采用伪随机码调制，频率发送导航信号，导航信号采用伪随机码调制，向用户不断发送导航定位信息，向用户不断发送导航定位信息，L1用用C/A码和码和P码码调制，调制，L2用用P码调制。码调制。用于捕获信号及粗略定位的伪随机码叫用于捕获信号及粗略定位的伪随机码叫C/A码码精密测距码叫精密测距码叫P码码星历：描述卫星运动及其轨道的参数。星历：描述卫星运动及其轨道的参数。星的位置是由星历算得的。星的位置是由星历算得的。重要作用是保持卫星同一时间标准重要作用是保持卫星同一时间标准GPS时间系统，时间系统，需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差，再由需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差，再由地面注入站发送给卫星，卫星再由导航电文发给用地面注入站发送给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。户设备。卫卫星星星星座座空空间间图图地面监控系统地面监控系统组成：由组成：由1个主控站、个主控站、3个注入站、个注入站、5个监测站组成。主控站位于个监测站组成。主控站位于美国本土科罗拉多，为数据自动采集处理中心。三个注入站分别美国本土科罗拉多，为数据自动采集处理中心。三个注入站分别位于印度洋的位于印度洋的Diego Garcia，大西洋的，大西洋的Ascencion，太平洋的，太平洋的Kwajalein。5个监测站除了上述个监测站除了上述4个地点外，在夏威夷另设个地点外，在夏威夷另设1个。个。功能：监测并控制卫星，确定其轨道和星上原子钟的工作状态，功能：监测并控制卫星，确定其轨道和星上原子钟的工作状态，传送信息到各卫星上。传送信息到各卫星上。主要设备：配有双频主要设备：配有双频GPS接受机、高精度原子钟、环境数据传感接受机、高精度原子钟、环境数据传感器和计算设备。器和计算设备。用户设备用户设备功能：接受卫星信号，计算接收机天线所在的三维地功能：接受卫星信号，计算接收机天线所在的三维地心坐标。心坐标。主要设备：主要设备：由由GPS接受机主机、天线、电源和数据处接受机主机、天线、电源和数据处理软件组成。理软件组成。四、定位原理四、定位原理 卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信息息。采用空间距离后方交会的方法采用空间距离后方交会的方法采用采用WGS84坐标系统坐标系统五五GPS的加密措施与技术改进的加密措施与技术改进1.精密定位服务与标准定位服务精密定位服务与标准定位服务1）精密定位服务（）精密定位服务（510m）PPS美国军方使用，包括：美国军方使用，包括：L1：C/A码，码，P码码L2：P码码2）标准定位服务（）标准定位服务（100m）SPS出于经济考虑，出于经济考虑，83年提供民用。年提供民用。L1：C/A，导航电文导航电文2.A-S措施措施P码保密，只有美国军方可用，后来被解密。码保密，只有美国军方可用，后来被解密。美国引入美国引入W码，并将码，并将P码与码与W码进行模二相加码进行模二相加得得Y码，难以破解码，难以破解3.SA政策政策84年民用，精度远高于年民用，精度远高于100m，美国为保证自，美国为保证自身安全，身安全，1990年起对民用信号进行干扰年起对民用信号进行干扰技术：干扰卫星星历技术：干扰卫星星历技术：干扰定位信号技术：干扰定位信号因美国国内的就业压力及国际竞争，因美国国内的就业压力及国际竞争，2000年年5月月2日终止，但可随时在区域内恢复日终止，但可随时在区域内恢复4、政策调整与技术更新 1）政策调整1983年提供民用1990年实施SA政策1999年决定既保证军用安全，又提高民用精度2000年5月取消SA2）技术改进GPS现代化内容改进时间发射Block R-M卫星L1加 M码，L2加C/A、M2005，5颗发射Block F卫星L1加M，L2加C/A、M，L520062012GPS增强L1加M，L2加C/A、M，L5，其它未来能力20122030星数：30+220045、GPS应用的最新发展1）精密单点定位）精密单点定位ppp2）GPS测高程测高程因精确的大地水准面因精确的大地水准面模型模型已建立，目前已建立，目前GPS可代替三等可代替三等水准水准3）室内）室内GPS接收机接收机发展趋势：高精度，快速，小型，自动，抗遮挡，抗电发展趋势：高精度，快速，小型，自动，抗遮挡，抗电磁干扰磁干扰六、六、GPS定位定位GPS开机定位分为冷启动、温启动和热启动三种：开机定位分为冷启动、温启动和热启动三种：冷启动冷启动以下几种情况开机均属冷启动。初次使用时；电池耗以下几种情况开机均属冷启动。初次使用时；电池耗尽导致星历信息丢失时；关机状态下将接收机移动尽导致星历信息丢失时；关机状态下将接收机移动1000公里以上距离。公里以上距离。温启动温启动距离上次定位的时间超过两个小时的启动。距离上次定位的时间超过两个小时的启动。热启动热启动距离上次定位的时间小于两个小时的启动。距离上次定位的时间小于两个小时的启动。一、根据定位所采用的观测值伪距定位采用伪距观测值，既可以是C/A码伪距，也可以是P码伪距。优点是数据处理简单，对定位条件的要求低，可以非常容易地实现实时定位；缺点是观测值精度低，C/A 码伪距观测值的精度一般为3米，而P码伪距观测值的精度一般也在30个厘米左右载波相位定位采用载波相位观测值，即L1、L2或它们的某种线性组合。优点是观测值的精度高，一般优于2个毫米缺点是数据处理过程复杂，存在整周模糊度的问题二、根据定位的模式分绝对定位又称为单点定位，是一种采用一台接收机进行定位的模式，它所确定的是接收机天线的绝对坐标。特点是作业方式简单，可以单机作业。绝对定位一般用于导航和精度要求不高的应用。相对定位又称为差分定位，是采用两台以上的接收机，同时对一组相同的卫星进行观测，以确定接收机天线间的相互位置关系。三、根据获取定位结果的时间实时定位是根据接收机观测到的数据，实时地解算出接收机天线所在的位置。非实时定位又称后处理定位，是通过对接收机接收到的数据进行后处理以进行定位的方法。四、根据定位时接收机的运动状态动态定位是在进行定位时，接收机的天线在整个观测过程中的位置是变化的。即在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个随时间的改变而改变的量。静态定位是在进行定位时，接收机的天线在整个观测过程中的位置是保持不变的。即在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个不随时间的改变而改变的量。在测量中，静态定位一般用于高精度的测量定位，时间由几分钟、几小时甚至数十小时不等。七、特点七、特点1.定位精度高定位精度高相对定位精度相对定位精度50KM可达可达106，平面位置误差小，平面位置误差小于于1mm。2.观测时间短观测时间短20KM以内静态相对定位仅需以内静态相对定位仅需1520分钟；快速分钟；快速静态相对定位时，只需静态相对定位时，只需12分钟；动态相对定位分钟；动态相对定位可随时定位，仅需几秒钟。可随时定位，仅需几秒钟。3.测站间无需通视测站间无需通视只要上空开阔，布点灵活、效率高，可省去造只要上空开阔，布点灵活、效率高，可省去造标费用。标费用。4.可提供三维坐标可提供三维坐标经典的大地测量将平面与高程分别观测，经典的大地测量将平面与高程分别观测，GPS可同时观测三维坐标，目前可同时观测三维坐标，目前GPS水准可满足四水准可满足四等水准测量的精度。等水准测量的精度。5.操作简便操作简便GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达有的已达“傻瓜化傻瓜化”的程度。接收机更轻便，的程度。接收机更轻便，体积越来越小。体积越来越小。6.全天候作业全天候作业可在一天可在一天24小时进行，不受阴天黑夜、起雾刮小时进行，不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候影响。风、下雨下雪等气候影响。7.功能多、用途广功能多、用途广不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达测速的精度可达0.1m/s，测时的，测时的精度可达几十精度可达几十毫秒。毫秒。八、应用前景八、应用前景1.GPS应用应用航摄飞机的导航：过去用罗盘配合地图、相片航摄飞机的导航：过去用罗盘配合地图、相片进行目视导航，主要用于确定飞机的位置、飞进行目视导航，主要用于确定飞机的位置、飞行航线及航速。行航线及航速。测定外业控制点，取代常规的大地测量。测定外业控制点，取代常规的大地测量。为为RS提供精确的几何校正数据。提供精确的几何校正数据。为数字化地图的野外测绘提供基础控制数据为数字化地图的野外测绘提供基础控制数据2.其它应用举例其它应用举例大地控制测量大地控制测量1992年年GPS大会战，我国已建立平均边长为大会战，我国已建立平均边长为100km的的GPSA级网，亚米级精度。在级网，亚米级精度。在A级网的基础上，级网的基础上，又建立了又建立了30100km的的GPSB级网。级网。地理动力学监测板块运动地理动力学监测板块运动海洋测绘南沙群岛，以前无数据，建海洋测绘南沙群岛，以前无数据，建GPS后后则可联测则可联测精密工程和工程变形观测精密工程和工程变形观测电子对撞机、三峡工程、地铁控制网，大型建筑如楼电子对撞机、三峡工程、地铁控制网，大型建筑如楼房、大坝在水平、垂直方向的变形。房、大坝在水平、垂直方向的变形。导航方面导弹、运钞车导航方面导弹、运钞车GPS产业：产业：1995年美国车载年美国车载GPS系统销售量为系统销售量为3.1亿美亿美元，到元，到2000年为年为30亿美元。我国已在武汉成立亿美元。我国已在武汉成立GPS工工程技术研究中心。程技术研究中心。GPS应用进入日常生活：手表式接收机用于导游，所有应用进入日常生活：手表式接收机用于导游，所有运载器，都将依赖于运载器，都将依赖于GPS。手机上已有。手机上已有GPS定位系统。定位系统。九、九、GPS测量的误差来源测量的误差来源1与信号传播有关的误差与信号传播有关的误差电离层折射误差电离层折射误差由于地球周围的电离层对电磁波的折射效应，使得由于地球周围的电离层对电磁波的折射效应，使得GPSGPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为电离信号的传播速度发生变化，这种变化称为电离层延迟。层延迟。对流层折射误差对流层折射误差由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应，使得由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应，使得GPSGPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为对流信号的传播速度发生变化，这种变化称为对流层延迟。层延迟。多路径效应误差多路径效应误差在在GPSGPS测量中，测站周围的反射物所反射的卫星信测量中，测站周围的反射物所反射的卫星信号号(反射波反射波)进入接收机天线，会和来自卫星的信号进入接收机天线，会和来自卫星的信号(直接波直接波)产生干涉，从而使观测值偏离真值产生所产生干涉，从而使观测值偏离真值产生所谓的谓的“多路径效应误差多路径效应误差”2与卫星有关的误差与卫星有关的误差卫星星历误差卫星星历误差由星历所给出的卫星在空间的位置与实际位置之差由星历所给出的卫星在空间的位置与实际位置之差称为卫星星历误差称为卫星星历误差卫星钟的钟误差卫星钟的钟误差包括由钟差、频偏、频漂等产生的误差，也包含钟包括由钟差、频偏、频漂等产生的误差，也包含钟的随机误差。的随机误差。卫星钟要严格同步，偏差在卫星钟要严格同步，偏差在1ms以内，引起的等效以内，引起的等效距离误差约为距离误差约为300km。相对论效应相对论效应由于卫星钟和接收机钟所处的状态（运动速度和重由于卫星钟和接收机钟所处的状态（运动速度和重力位）不同而引起卫星钟和接收机钟之间产生相对力位）不同而引起卫星钟和接收机钟之间产生相对钟误差的现象。钟误差的现象。3与接收机有关的误差与接收机有关的误差接收机钟误差接收机钟误差GPS接收机采用高精度的石英钟，稳定度约为接收机采用高精度的石英钟，稳定度约为109，接收机与石英钟间的同步差为接收机与石英钟间的同步差为1us，引起等效距离误差，引起等效距离误差约为约为300m。接收机位置误差接收机位置误差接收机天线相位中心相对测站标石中心位置的误差。接收机天线相位中心相对测站标石中心位置的误差。包括天线的置平和对中误差。包括天线的置平和对中误差。天线相位中心位置的偏差天线相位中心位置的偏差由于天线的相位中心随信号输入的强度和方向不同而由于天线的相位中心随信号输入的强度和方向不同而变化，相位中心与几何中心不一致。变化，相位中心与几何中心不一致。4其他误差其他误差地球自转的影响地球自转的影响地球潮汐改正地球潮汐改正十、十、GARMIN的的eTrex接收机接收机如机器已移动上百公里，此时为收星正常状态，初始化后如机器已移动上百公里，此时为收星正常状态，初始化后重新定位。重新定位。坐标系统的转换及校正坐标系统的转换及校正GPS卫星星历是以卫星星历是以WGS84坐标系统为根据建立的。而我国坐标系统为根据建立的。而我国目前应用的地形图却属于目前应用的地形图却属于1954年北京坐标系或年北京坐标系或1980年国家年国家大地坐标系；不同坐标系之间存在着平移和旋转关系大地坐标系；不同坐标系之间存在着平移和旋转关系（WGS84坐标系与我国应用的坐标系之间的误差约为坐标系与我国应用的坐标系之间的误差约为80120米），所以进行绝对定位必须进行坐标转换。转换后米），所以进行绝对定位必须进行坐标转换。转换后的绝对定位精度可由的绝对定位精度可由80120米提高到米提高到510米。米。WGS84坐标系是以度、分、秒为标准的坐标格式，而我国坐标系是以度、分、秒为标准的坐标格式，而我国的的BJ54与西安与西安80坐标系统是以公里网格的形式来表示。通坐标系统是以公里网格的形式来表示。通常输入中央子午线经度为东经常输入中央子午线经度为东经1170，比例为，比例为1.0000000，FALSES输入为输入为500000.00，FALSEN输入为输入为0.0坐标参数计算坐标参数计算参数计算是提高手持参数计算是提高手持GPS的关键，可使手持机的稳定性和精的关键，可使手持机的稳定性和精度有一定的提高。度有一定的提高。1.搜集应用区域内搜集应用区域内GPS“B”级网三个以上级网三个以上WGS84坐标系的坐标系的B、L、H值及我国坐标系值及我国坐标系B、L、H、值。值。为高程异常。为高程异常。2.2.计算不同坐标系三维直角坐标值。计算不同坐标系三维直角坐标值。X=(NX=(NH)cosBcosLH)cosBcosLY=(Y=(N+H)cosBsinLN+H)cosBsinLZ=N(1-eZ=N(1-e2 2)+HsinB)+HsinBX X、Y Y、Z Z为大地坐标系中的三维直角坐标。为大地坐标系中的三维直角坐标。a a为大为大地坐标系对应椭球的长半轴；地坐标系对应椭球的长半轴；e e2 2为大地坐标系对为大地坐标系对应椭球第一偏心率；应椭球第一偏心率；N N为该点的卯下西圈曲率半为该点的卯下西圈曲率半径径N=a/(1-eN=a/(1-e2 2)1/21/23.3.求出求出DXDX、DYDY、DZDZ，即用，即用WGS84WGS84坐标系求出的坐标系求出的X X、Y Y、Z Z减去我国坐标系的对应值。手持减去我国坐标系的对应值。手持GPSGPS一般求一般求三个参数即可。三个参数即可。4.4.参数验证，在应用区域内选参数验证，在应用区域内选5 5个以上水准点进个以上水准点进行实测，实测值与测绘部分提供的理论值对比，行实测，实测值与测绘部分提供的理论值对比，如平均误差不大于如平均误差不大于1010米，最大不大于米，最大不大于1515米，则可米，则可用。用。