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全球定位系统
Global Position System

概述
GPS是英文Navigation Satellite Timing and Ranging / Global Positioning System的缩写,意为利用卫星导航进行 测时和测距,以构成全球卫星定位系统。是美国国防部主要 为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高

精度导航 和定位的需要而建立的。自1973年美国军方批准成立联合

计划局开始GPS的研究工作到1993年系统建成,该工程历时
20年,耗资300亿美元,成为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。它从根本上解决了人 类在地球上的导航和定位问题,在军事和工农业等领域得 到了广泛的应用。给导航和定位技术带来了巨大的变化。

GPS系统由三部分构成,分别为空间星座部分、 地面监控部分、用户设备部分。空间星座和地面 监控部分由美国国防部控制,用户使用GPS接收 机接收卫星信号进行高精度的精密定位以及高精 度的时间传递。目前,二十多颗GPS卫星已覆盖 了全球,每颗卫星均在不间断地向地球播发调制 在两个频段上的卫星信号。在地球上任何一点, 均可连续地同步观测至少4颗GPS卫星,从而保障 了全球、全天候的连续地三维定位,而且具有良 好的抗干扰性和保密性。因此,全球定位系统已 成为美国导航技术现代化的最重要标志,并且被 视为本世纪美国继阿波罗登月计划和航天飞机计 划之后的又一重大科技成就。

GPS系统的特点
1、全球,全天候工作:能为用户提供连续,实时的三 维位置,三维速度和精密时间。不受天气的影响。 2、定位精度高:单机定位精度优于10米,采用差分定 位,精度可达厘米级和毫米级。

3、功能多,应用广:随着人们对GPS认识的加深, GPS不仅在测量,导航,测速,测时等方面得到更 广泛的应用,而且其应用领域不断扩大

GPS发展历程
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无线电导航系统 ●罗兰--C ● Omega(奥米茄) ●多卜勒系统 卫星定位系统 ●NNSS子午仪系统 ●GPS ●GLONASS系统 ●双星导航定位系统(北斗一号) ●GNSS加俐略系统

GPS发展历程
GPS实施计划共分三个阶段:

第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年 到1979年,共发射了4颗试验卫星。研制了地面接 收机及建立地面跟踪网。
第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到 1984年,又陆续发射了7颗试验卫星,研制了各种 用途接收机。实验表明,GPS定位精度远远超过 设计标准。 第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗 GPS工作卫星发射成功,表明GPS系统进入工程 建设阶段。1993年底实用的GPS网即(21+3) GPS星座已经建成,之后根据计划更换失效的卫 星。

GPS发展历程
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无线电导航系统 ●罗兰--C ● Omega(奥米茄) ●多卜勒系统 卫星定位系统 ●NNSS子午仪系统 ●GPS ●GLONASS系统 ●双星导航定位系统(北斗一号) ●GNSS加俐略系统

GLONASS系统
GLONASS是GLObal NAvigation Satellite System(全球导航卫星系 统)的字头缩写,是前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统相 类似的卫星定位系统,也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三 部分组成。现在由俄罗斯空间局管理。 GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组成,均匀分布在3个近圆形 的轨道平面上,每个轨道面8颗卫星,轨道高度19100公里,运行周 期11小时15分,轨道倾角64.8°。

与美国的GPS系统不同的是GLONASS系统采用频分多址(FDMA)方 式,根据载波频率来区分不同卫星(GPS是码分多址(CDMA), 根据调制码来区分卫星)。每颗GLONASS卫星发播的两种载波的频 率分别为L1=1,602+0.5625k(MHz)和L2=1,246+0.4375k(MHz),其 中k=1~24为每颗卫星的频率编号。所有GPS卫星的载波的频率是相 同,均为L1=1575.42MHz和L2=1227.6MHz。 GLONASS卫星的载波上也调制了两种伪随机噪声码:S码和P码。
GLONASS系统从理论上有24颗卫星,但由于卫星使用寿命和资金紧 张等问题,实际上目前只有8颗。 GLONASS系统单点定位精度水平方向为16m,垂直方向为25m。

GPS发展历程
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无线电导航系统 ●罗兰--C ● Omega(奥米茄) ●多卜勒系统 卫星定位系统 ●NNSS子午仪系统 ●GPS ●GLONASS系统 ●双星导航定位系统(北斗一号) ●GNSS加俐略系统

加俐略系统
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系统组成: ①卫星星座:由3个独立的圆形轨道,30颗GNSS卫星 组成(27颗工作卫星,3颗备用卫星) 。卫星的轨道倾 角i =56°;卫星的公转周期T=14h23m14S恒星时;轨 道高度H=23616km 。 ②地面系统:在欧洲建立2个控制中心;在全球构建监 控网。 ③定位原理:与GPS相同。 ④定位精度:导航定位精度比目前任何系统都高。

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计划实施: ① 1994年开始进入方案论证阶段; ② 2003年开始发射两颗试验卫星进入试验阶段; ③ 2008年整个伽利略(GNSS)系统建成并投入使用;

GPS系统的组成
GPS由三个独立的部分组成: ●空间部分:21颗工作卫星,3颗备用卫 星。 ● 地面控制系统:1个主控站,3个注入 站,5个监测站。

● 用户设备部分:接收GPS卫星发射信 号,以获得必要的导航和定位信息,经数 据处理,完成导航和定位工作。GPS接收 机硬件一般由主机、天线和电源组成。

空间部分
GPS的空间部分是由24 颗GPS 工 作卫星所组成的。其中21 颗为可用 于导航的卫星,3 颗为活动的备用 卫星。24 颗卫星分布在6个倾角为 55°的轨道上绕地球运行。卫星的 运行周期约为12 恒星时,每颗GPS 工作卫星都发出用于导航定位的信 号,GPS 用户正是利用这些信号来 进行工作的。 目前可用的卫星通常有28颗之多。

卫星信号
L1-Frequenz (1575.42 MHz) = 19.05 cm
C/A-Code P-Code 卫星星历 L2-Frequenz (1227.60 MHz) = 24.45 cm P-Code 卫星星历

地面控制系统
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GPS 的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组 成。分为主控站、监控站和注入站。主控站位于美国克 罗拉多Colorado 的法尔孔Falcon 空军基地。它的作用 是根据各监控站根据GPS 的观测数据,计算出卫星的 星历和卫星钟的改正参数等,并将这些数据通过注入站 注入到卫星中去。同时它还对卫星进行控制,向卫星发 布指令,当工作卫星出现故障时调度备用卫星替代失效 的工作卫星工作。主控站也具有监控站的功能。
监控站有五个。除了主控站外其它四个分别位于夏威夷 (Hawaii)、 阿松森群岛(Ascencion)、 迭哥伽西亚 (Diego Garcia)、 卡瓦加兰(Kwajalein)。 监控站的作用 是接收卫星信号、监测卫星的工作状态。 注入站有三个。分别位于阿松森群岛、 迭哥伽西亚、卡 瓦加兰。 注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和 卫星钟的改正数等注入到卫星中去。

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用户部分
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GPS 的用户部分由GPS 接收机、 数据处理软件及相应的用户设备如 计算机等组成。作用是接收GPS 卫 星所发出的信号,利用这些信号进 行导航定位等工作。

GPS定位原理

伪距测量原理
伪距: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 得到的量测距离。

D = c· △t △t = t2 - t1

单点定位
首先我们可以得到GPS卫星的位置;其 次,我们又能准确测定我们所在地点A至 卫星之间的距离,那么A点一定是位于以 卫星为中心、所测得距离为半径的圆球 上。进一步,我们又测得点A至另一卫星 的距离,则A点一定处在前后两个圆球相 交的圆环上。我们还可测得与第三个卫 星的距离,就可以确定A点只能是在三个 圆球相交的两个点上。根据一些地理知 识,可以很容易排除其中一个不合理的 位置。

GPS系统在每颗卫星上装置有十分精密的 原子钟,并由监测站经常进行校准。卫星 发送导航信息,同时也发送精确时间信息。 GPS接收机接收此信息,使之与自身的时 钟同步,就可获得准确的时间。GPS接收 机中的时钟,不可能象在卫星上那样,设 置昂贵的原子钟,所以就利用测定第四颗 卫星,在计算过程中校准GPS接收机的时 钟。

单点定位精度
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±15~30米

测量型GPS定位原理
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载波相位精密测距 差分技术相对定位

差分GPS定位技术
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差分技术很早就被人们所应用。它实际上是在一 个测站对两个目标的观测量、两个测站对一个目 标的观测量或一个测站对一个目标的两次观测量 之间进行求差。其目的在于消除公共项,包括公 共误差和公共参数。 随着GPS技术的发展和完善,应用领域的进一步 开拓,人们越来越重视利用差分GPS技术来改善 定位性能。它使用一台GPS基准接收机和一台用 户接收机,利用实时或事后处理技术,就可以使 用户测量时消去公共的误差源——电离层和对流 层效应,并能将卫星钟误差和星历误差消除,因 此,现在发展差分GPS技术就显得越来越重要。

差分GPS定位技术
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在GPS定位过程中,存在三部分误差。一 部分是对每一个用户接收机所共有的,例 如:卫星钟误差、星历误差、电离层误差、 对流层误差等;第二部分为不能由用户测 量或由校正模型来计算的传播延迟误差; 第三部分为各用户接收机所固有的误差, 例如内部噪声、通道延迟、多径效应等。 利用差分技术第一部分误差可完全消除, 第二部分误差大部分可以消除。第三部分 误差则无法消除,只能靠提高GPS接收机 本身的技术指标 载波相位和差分定位技术的应用使测量定 位精度可以达到毫米级精度

GPS接收机分类
导航型 测量型 授时型 单频 L1 双频 L1 L2

测量型接收机
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静态接收机 RTD 实时差分 Real Time Difference DGPS 信标机 RTK 实时动态 Real Time Kinematic RTG

主要特点
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观测站之间无需通视 定位精度高 提供三维坐标 操作简便 全天候作业 测量时间短

GPS 测量中常用的坐标系统
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世界大地坐标系WGS-84 UTM坐标系统 1954 年北京坐标系 1980 年西安大地坐标系

WGS-84 坐标系
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WGS-84 坐标系是目前GPS 所采用的坐标系统, GPS 所发布的星历参数和历书参数等都是基于此 坐标系统的。 WGS-84 坐标系统的全称是World Geodical System-84 (世界大地坐标系-84), 它是一个地心地 固坐标系统。WGS-84 坐标系统由美国国防部制 图局建立,于1987 年取代了当时GPS 所采用的坐 标系统WGS-72 坐标系统而成为现在GPS所使用 的坐标系统。 WGS-84 坐标系的坐标原点位于地球的质心,Z 轴指向BIH 1984.0 定义的协议地球极方向,X 轴 指向BIH 1984.0 的启始子午面和赤道的交点,Y 轴与X 轴和Z 轴构成右手系。

UTM坐标系统
通用横墨卡脱投影

1954 年北京坐标系
我国目前广泛采用的大地测量坐标 系。该坐标系源自于原苏联采用过 的1942 年普尔科夫坐标系。该坐标 系采用的参考椭球是克拉索夫斯基 椭球。

1980 年西安大地坐标系
1978 年我国决定重新对全国天文大 地网施行整体平差,并且建立新的 国家大地坐标系统。整体平差在新 大地坐标系统中进行,这个坐标系 统就是1980 年西安大地坐标系统。 1980 年西安大地坐标系统所采用的 地球椭球参数的四个几何和物理参 数采用了IAG 1975 年的推荐值

GPS高程系统
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大地高系统 正常高系统

大地高系统
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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 点到通过该点的参考椭球的法线与 参考椭球面的交点间的距离。大地 高也称为椭球高。大地高一般用符 号H 表示。 大地高是一个纯几何量,不具有物 理意义,同一个点在不同的基准下 具有不同的大地高。

正常高系统
正常高系统是以似大地水准面为基 准的高程系统,某点的正常高是该 点到通过该点的铅垂线与似大地水 准面的交点之间的距离。

坐标转换
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七参数方法 (x,y,H)>>(BLh)>>(XYZ) | (x,y,H)<<(BLh)<<(XYZ)

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四参数方法 (x,y,H)>>(x,y,H)

影响GPS测量的误差因素
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大气层的影响 多路径效应 卫星轨道误差 卫星钟差 地球自转 相对论效应 已知点坐标偏差 天线相位中心

多路径效应
在GPS测量中,如果测站周围的反 射物所反射的卫星信号(反射波) 进入接收机天线,这就将和直接来 自卫星的信号(直接波)产生干涉, 从而使测量值偏离真值产生所谓的" 多路径误差"。这种由于多路径的信 号传播所引起的干涉时延效应被称 作多路径效应。

静态测量
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建立国家大地控制网(二等或二等以 下); 建立精密工程控制网,如桥梁测量、隧 道测量等; 建立各种加密控制网,如城市测量、图 根点测量、道路测量、勘界测量等; 各种类型的变形监测等。

静态测量的步骤
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搜集资料 实地踏勘 检验仪器 方案设计 外业观测 内业处理 技术总结 成果上交

控制网的设计

图形设计的原则
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GPS网应尽量采用独立观测边构成闭合图形,如三角 形、多边形或附合线路,这样来增加检核条件以提高 网的可靠性。 观测站点网点应尽量与原有的地面控制网点相重合, 重合点一般不应少于3个(不足时应联测),且在网 中应分布均匀,以利于可靠地确定GPS网与地面网的 之间的转换系数。同时亦应考虑与水准点相重合,而 非重合点应根据要求以水准测量方法(或相当精度的 方法)进行联测,或在网中布设一定密度的水准联测 点,以提高高程测量的精度。 观测站点一般应设在视野开阔和交通便利的地方以利 于观测及水准联测,同时为了便于与经典方法联测或 扩展,必须考虑在GPS网点附近布设一些通视良好的 方位点,以建立联测方向。方位点与观测站的距离, 一般应大于300m

后差分测量
后差分GPS使用的设备比较简单,它与实 时动态GPS最大的区别在于不需要复杂的 数据链。在硬件上,基准站和移动站都只 需要使用一台能够输出原始观测数据,并 能记录、存储的GPS接收机,一般还要求 移动站能够记录测点及路线信息。在软件 上,需要使用数据传输软件,以将野外采 集成果传输到计算机内,另外还需要使用 后差分数据处理软件以及具有计算面积、 距离等功能的软件。

后差分测量
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在测前阶段,与静态测量不同的是,不需 要进行选点埋石,但需要进行基站位置的 选择,后差分GPS对基站位置的要求较高, 通常基于下列理由要求基站架设在天空开 阔、周围障碍少、多路径影响不严重的位 置: 在动态后差分测量中,要求每个时刻流动 站和基准站至少要同时观测到四颗相同的 卫星,而移动站处于流动之中,观测卫星 随时会发生变化,因此,要求基站的上空 必须空阔,最好能观测到所有在视卫星。

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伪距观测值比载波相位观测值更易受到多路径的 影响,严重时对定位精度影响可达数十米。因此, 基站应避免架设在光滑的水平、平坦的地面、高 大的建筑物附近。同样,移动站的多路径效应对 差分定位结果也有非常大的影响。 如使用载波相位进行平滑差分,应要求基站和流 动站的载波相位尽量保持连续跟踪, 尽量避免在 树木、觇标等下方进行观测。 野外观测后,应及时进行动态路线的后处理。通 过动态路线后处理可评价这条路线是否合格,必 要时,可能要重新返测。

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注意事项
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仪器高 点名 基准站架设

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