GPS定位原理及应用简介.ppt

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1、GPS定位原理及应用 一、一、GPS的定义及历史的定义及历史1定义定义 全球定位系统全球定位系统GPSGPS（Global Positioning Global Positioning SystemSystem）,是一种可以授时和测距的空间交会定是一种可以授时和测距的空间交会定点的导航系统点的导航系统,可向全球用户提供连续、实时、可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置，三维速度和时间信息。高精度的三维位置，三维速度和时间信息。2GPS的产生与发展的产生与发展由由TRANSIT到到GPS n n1957195719571957年年年年10101010月第一颗人造地球卫星上天，电子导航月第一

2、颗人造地球卫星上天，电子导航月第一颗人造地球卫星上天，电子导航月第一颗人造地球卫星上天，电子导航应运而生应运而生应运而生应运而生n n利用多普勒频移原理利用多普勒频移原理利用多普勒频移原理利用多普勒频移原理1964196419641964年建成年建成年建成年建成子午卫星导航子午卫星导航定位系统定位系统(TRANSIT)(TRANSIT)。n n美国从美国从美国从美国从1973197319731973年开始筹建全球定位系统，年开始筹建全球定位系统，年开始筹建全球定位系统，年开始筹建全球定位系统，1994199419941994年投入年投入年投入年投入使用。使用。使用。使用。经历经历经历经历202

3、02020年，耗资年，耗资年，耗资年，耗资300300300300亿美元，是继阿波罗登亿美元，是继阿波罗登亿美元，是继阿波罗登亿美元，是继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的第三项庞大空间计划。月计划和航天飞机计划之后的第三项庞大空间计划。月计划和航天飞机计划之后的第三项庞大空间计划。月计划和航天飞机计划之后的第三项庞大空间计划。2GPS的产生与发展的产生与发展由由TRANSIT到到GPS n n多普勒频移原理多普勒频移原理多普勒频移原理多普勒频移原理:二、二、GPS的组成的组成 GPS GPS定位系统由定位系统由GPSGPS卫星空间部分、地面控制部卫星空间部分、地面控制部分和用户分和用户GPS

4、GPS接收机三部分组成。接收机三部分组成。1、空间部分、空间部分由由21颗工作卫星颗工作卫星和和3颗备用卫星。颗备用卫星。GPS卫星图片卫星图片1 截止截止20042004年年3 3月为止，月为止，在轨卫星共在轨卫星共2929颗，星号为颗，星号为1 11111，13 13 1818，20203131。目前，目前，GPSGPS星座已真正实星座已真正实现全球覆盖，不再有盲区，现全球覆盖，不再有盲区，全天全天2424小时任何时间都能小时任何时间都能精密定位。精密定位。GPS卫星图片卫星图片22、地面控制部分。、地面控制部分。Colorado springs5 55 5HawaiiAscencionD

5、iego Garciakwajaleinu1 1个主控站个主控站:Colorado springs(:Colorado springs(科罗拉多科罗拉多.斯平士斯平士)。u3 3个注入站个注入站:Ascencion(:Ascencion(阿森松群岛阿森松群岛)、Diego Garcia(Diego Garcia(迭哥伽西亚迭哥伽西亚)、kwajalein(kwajalein(卡瓦加兰卡瓦加兰)。u5 5个监控站：个监控站：以上主控站、注入站及以上主控站、注入站及Hawaii(Hawaii(夏威夷夏威夷)。3、用户接收机部分、用户接收机部分uuGPSGPS接收机的基本类型分导航型和大地型。接收机

6、的基本类型分导航型和大地型。uu大地型接收机又分单频型和双频型。大地型接收机又分单频型和双频型。图片：导航型图片：导航型GPS机机手持型手持型GPS机机图片：大地型图片：大地型GPS接收机接收机单频机单频机双频机双频机三、三、GPS定位方法分类定位方法分类（1 1）绝对）绝对/单点定位单点定位(point positioning)(point positioning)确确定观测点在定观测点在WGS-84WGS-84系中的坐标，即绝对位置。系中的坐标，即绝对位置。三、三、GPS定位方法分类定位方法分类 上述四个方程式中待测点坐标上述四个方程式中待测点坐标x x、y y、z z 和和VtoVto为

7、为未知参数未知参数,其他可知：其他可知：di=cti(i=1 di=cti(i=1、2 2、3 3、4)4)。di(i=1di(i=1、2 2、3 3、4)4)分别为卫星分别为卫星1 1、卫星、卫星2 2、卫、卫星星3 3、卫星、卫星4 4到接收机之间的距离。到接收机之间的距离。ti(i=1ti(i=1、2 2、3 3、4)4)分别为卫星分别为卫星1 1、卫星、卫星2 2、卫星卫星3 3、卫星、卫星4 4的信号到达接收机所经历的时间。的信号到达接收机所经历的时间。c c为为GPSGPS信号的传播速度（即光速）。信号的传播速度（即光速）。三、三、GPS定位方法分类定位方法分类 四个方程式中各个参

8、数意义如下：四个方程式中各个参数意义如下：x x、y y、z z 为待为待测点坐标的空间直角坐标。测点坐标的空间直角坐标。xi xi、yi yi、zi(i=1zi(i=1、2 2、3 3、4)4)分别为卫星分别为卫星1 1、卫星卫星2 2、卫星、卫星3 3、卫星、卫星4 4在在t t时刻的空间直角坐标，时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。可由卫星导航电文求得。Vti(i=1Vti(i=1、2 2、3 3、4)4)分别为卫星分别为卫星1 1、卫星、卫星2 2、卫星卫星3 3、卫星、卫星4 4的卫星钟的钟差，由卫星星历提的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。供。VtoVto为接收机的钟差。为接收机

9、的钟差。三、三、GPS定位方法分类定位方法分类（1 1）绝对）绝对/单点定位单点定位(point positioning)(point positioning)确确定观测点在定观测点在WGS-84WGS-84系中的坐标，即绝对位置。系中的坐标，即绝对位置。三维空间座标两点间距离公式三、三、GPS定位方法分类定位方法分类（1 1）绝对）绝对/单点定位单点定位(point positioning)(point positioning)WGSWGS8484坐标系是一种国际上采用的地心坐标系。坐坐标系是一种国际上采用的地心坐标系。坐标原点为地球质心，其地心空间直角坐标系的标原点为地球质心，其地心空间直

10、角坐标系的Z Z轴指向国际时间局（轴指向国际时间局（BIHBIH）1984.01984.0定义的协议地定义的协议地极（极（CTPCTP）方向，）方向，X X轴指向轴指向BIH1984.0BIH1984.0的协议子午的协议子午面和面和CTPCTP赤道的交点，赤道的交点，Y Y轴与轴与Z Z轴、轴、X X轴垂直构成右轴垂直构成右手坐标系，称为手坐标系，称为19841984年世界大地坐标系。这是一年世界大地坐标系。这是一个国际协议地球参考系统（个国际协议地球参考系统（ITRSITRS），是目前国际），是目前国际上统一采用的大地坐标系。上统一采用的大地坐标系。三、三、GPS定位方法分类定位方法分类（2

11、 2）相对定位）相对定位(relative positioning)(relative positioning)确定确定同步跟踪相同的同步跟踪相同的GPSGPS卫星信号的若干台接收机之卫星信号的若干台接收机之间的相对位置（坐标差）的定位方法。间的相对位置（坐标差）的定位方法。四、四、GPS的后处理测量方法的后处理测量方法 1静态测量静态测量(static surveying)（1 1）方法：）方法：将几台将几台GPSGPS接收机安置在基线端点上，接收机安置在基线端点上，保持固定不动，同步观测保持固定不动，同步观测4 4颗以上卫星。颗以上卫星。可观可观测数个时段，测数个时段，每时段观测十几分钟至

12、每时段观测十几分钟至1 1小时左小时左右。右。最后将观测数据输入计算机，经软件解最后将观测数据输入计算机，经软件解算得各点坐标。算得各点坐标。（2）用途）用途 是精度最高的作业模式。主要用于大地测量、是精度最高的作业模式。主要用于大地测量、控制测量、变形测量、工程测量。控制测量、变形测量、工程测量。（3）精度）精度 可达到（可达到（3mm+1ppm3mm+1ppm）2动态测量动态测量(kinematic surveying)（1）方法：）方法：先建立一个基准站，并在其上安置接先建立一个基准站，并在其上安置接收机连续观测可见卫星，另一台接收机在第收机连续观测可见卫星，另一台接收机在第1 1点静止

13、观测数分钟后，在其他点依次观测数秒。点静止观测数分钟后，在其他点依次观测数秒。最后将观测数据输入计算机，经软件解算得各最后将观测数据输入计算机，经软件解算得各点坐标。动态相对定位的作业范围一般不能超点坐标。动态相对定位的作业范围一般不能超过过15km15km。（2）用途：）用途：适用于精度要求不高的碎部测量等。适用于精度要求不高的碎部测量等。（3）精度：）精度：可达到（可达到（10mm+1ppm）图形：相对定位模式图形：相对定位模式静态相对定位模式静态相对定位模式流动站流动站动态相对定位模式动态相对定位模式基准站基准站五、五、GPS实时动态定位（实时动态定位（RTK）方法）方法 1 1RTK(

14、real-time kinematic)RTK(real-time kinematic)工作原理及方法工作原理及方法工作原理及方法工作原理及方法与动态相对定位方法相比，定位模式相同，仅要在基准站和流动与动态相对定位方法相比，定位模式相同，仅要在基准站和流动与动态相对定位方法相比，定位模式相同，仅要在基准站和流动与动态相对定位方法相比，定位模式相同，仅要在基准站和流动站间增加一套数据链，实现各点坐标的实时计算、实时输出。站间增加一套数据链，实现各点坐标的实时计算、实时输出。站间增加一套数据链，实现各点坐标的实时计算、实时输出。站间增加一套数据链，实现各点坐标的实时计算、实时输出。2RTK用途：适用于精度要求不高的施工放用途：适用于精度要求不高的施工放样及碎部测量。样及碎部测量。3作业范围：目前一般为作业范围：目前一般为10km左右。左右。4精度：可达到（精度：可达到（10mm+1ppm）