gps技術的發(fā)展現(xiàn)狀與應用

1、,,GPS技術的發(fā)展現(xiàn)狀與應用,GPS的定義、系統(tǒng)組成與功能GPS的技術定義與政策GPS 接收機的類型與發(fā)展GPS定位的原理與方法GPS高程測量GPS技術的應用,一、GPS的定義、系統(tǒng)組成與功能1. GPS的定義GPS是美國國防部為替代子午衛(wèi)星系統(tǒng)（NNSS）于1973年12月批準研制的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。它的全稱是衛(wèi)星測時測距導航/全球定位系統(tǒng)（NAVSTAR/GPS；Navigation Satellite And Ran

2、ging/Global Positioning System）,2. GPS的系統(tǒng)組成空間部分24（21+3）顆GPS衛(wèi)星組成24顆衛(wèi)星分布在20200km高空上的傾角為55°的6個軌道上，運行周期為11h58min，以保證在全球各處能觀測到高度角>15°的衛(wèi)星4顆以上衛(wèi)星以L1（1 575.42MHz)和L2 （1 227.60MHz)兩個波段發(fā)射載波無線電信號，內(nèi)容包括測距碼和導航電文測距瑪有P碼

3、（精碼）和C/A碼（粗搜索碼）。C/A碼供民用的標準定位服務（SPS）；P碼只供美國軍方和授權(quán)用戶使用導航電文內(nèi)容包括衛(wèi)星星歷、電離層模型系數(shù)、時間信息、衛(wèi)星狀態(tài)信息、星鐘改正數(shù)以及漂移信息等,監(jiān)控部分1個主控站（設在美國的科羅拉多）3個注入站（設在大西洋的阿森松島、印度洋的迪戈加西亞島和太平洋的卡瓦加蘭島）5個監(jiān)控站（設在主控站、3個注入站和美國的夏威夷）用戶部分GPS接收機,,GPS衛(wèi)星,GPS 衛(wèi)星在軌道上的分布,GP

4、S 的系統(tǒng)組成,空間部分24顆GPS衛(wèi)星組成,用戶部分 GPS接收機,控制部分 1個主控站 5個監(jiān)控站 3個注入站,,,注入站,,,監(jiān)控站,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,主控站,,,,,,,,3. GPS的功能導航 ?？諏Ш健④囕v引行、導彈制導等測速 其精度可達0.1m/s測時與授時 其精度可達340ns定位

5、 C/A碼 單點定位精度為20~40m，P碼單點定位精度為16m相對定位精度在50km以內(nèi)可達10-6，100km~500km可達10-7，1000km以上可達10-9。在300~1500m的工程精密定位時觀測1h以上定位精度可達1mm以內(nèi)，與ME-5000電磁波測距儀測定的邊長比較，其較差最大為0.5mm，較差中誤差為0.3mmC/A碼單點定位的高程精度為30~60m，DGPS 高程精度目前最高可達到厘米級或亞毫米級,二、GPS的

6、技術定義與政策1. IOC與FOC的定義IOC—初始運作能力 24顆衛(wèi)星（Ⅰ/Ⅱ/ⅡA型）在預定的軌道上運行能按規(guī)定精度進行標準定位服務 1993年12月8日美國防部宣布達到IOCFOC— 全部運作能力 24顆衛(wèi)星（Ⅱ/ⅡA型）在預定的軌道上運行能全面滿足軍方的要求,2. SA政策和AS政策SA技術—選擇可用性技術包括ε技術δ技術水平定位精度從20~30m降低到100mAS技術—反電子欺騙技術將P碼加密為Y

7、碼SA和AS實施的目的使非特許用戶不能獲得高精度定位信息用戶的對策采用DGPS技術對付SA政策采用下面3種對付AS政策 P-W技術 L1、L2互相關技術 窄相關技術,3. GPS使用的安全性與完備性GPS使用的安全性安全性—GPS的C/A碼在戰(zhàn)時是否會關閉GPS具有安全性的理由美國于1991年有言在先眾多商業(yè)用戶的強大阻力C/A碼是P碼的引導碼美國必須混合使用民用GPS接收機GPS使用的完備性完備性—

8、發(fā)現(xiàn)精度不合格并能及時通知用戶的能力完備性的要求能夠及時檢測出精度超限的情況能在規(guī)定的時間內(nèi)通知用戶美聯(lián)邦航空管理局（FAA）要求精度限差為100m、時間為10s。直至今日美國國防部仍未宣布已達到完備性的要求,4. 美國GPS政策的改變2000年5月美國國防部宣布取消SA政策，使得水平單點定位精度恢復到20~30m將逐步開放L2的C/A碼L2上的C/A碼的開放，將使得GPS的精度和功能提高，且可使用戶方便的利用雙頻進行電離

9、層影響的改正。屆時可使水平單點定位精度提高到2.5m將啟用一個新的民用頻率L5和和軍隊專用的M碼L5將大大縮短整周模糊度的搜索時間，從而使得動態(tài)定位和快速靜態(tài)定位技術有更大的發(fā)展,5. GPS以外的全球定位系統(tǒng)GLONASS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)由前蘇聯(lián)和俄羅斯從1982年開始至1996年建成INMARSAT系統(tǒng)由國際移動衛(wèi)星組織（原名國際海事衛(wèi)星組織（INMARSAT））籌建GNSS系統(tǒng)由國際民航組織籌建，將建成由GPS、G

10、LONASS、MARSAT、GAIT、RAIM組成的混合系統(tǒng),三、GPS接收機的類型與發(fā)展1. GPS接收機的類型導航型測地型授時型2. GPS接收機的發(fā)展1981年GPS接收機問世測地型已從第一代發(fā)展到第三代第三代的標志 采用擴波技術和精化軟件等先進技術 精度有明顯提高，相對可達到10-6~10-9 能進行多種模式作業(yè) 在體積、重量、功耗上均有較大改進目前還在飛速發(fā)展,3. GPS接收機的發(fā)展趨勢動態(tài)定位精

11、度達到cm級更加輕便、靈活、小型化并大量使用嵌入機功耗減少、內(nèi)存增大、平均無故障天數(shù)增加天線性能的改進，有望解決多路徑效應的困擾向高集成、多功能、一體化發(fā)展G方式機—單頻單系統(tǒng)（GPS-L1）GG方式機—單頻雙系統(tǒng)（GPS/GLONASS-L1）GD方式機—雙頻單系統(tǒng)（GPS-L1+L2）GGD方式機—雙頻雙系統(tǒng)（GPS/GLONASS-L1+L2）,,,,依定位時的狀態(tài)動態(tài)定位靜態(tài)定位依定位模式絕對定位（

12、單點定位）相對定位差分定位,依定位采用的觀測值偽距測量（偽距法定位）載波相位測量依時效實時定位事后定位依確定整周模糊度的方法及觀測時段的長短常速靜態(tài)或動態(tài)定位快速靜態(tài)或動態(tài)定位,1.GPS測量定位的分類,四、GPS定位的原理與方法,2. 測距碼偽距單點定位,,,,,偽距單點定位原理,偽距單點定位的應用特點既能用于靜態(tài)定位，也可進行動態(tài)定位而用于導航屬于無模糊度（多值性）定位定位速度快、實時性好對信號的強度

13、要求不高但定位精度較低,3. 載波相位測量載波相位測量原理載波相位測量的觀測量載波相位測量的特點定位精度比偽距定位精度高可用于進行靜態(tài)絕對定位、 靜態(tài)相對定位、差分動態(tài)定位但面臨著兩個問題：必須解求整周模糊度經(jīng)常需要探測并修復周跳,4. GPS相對定位相對定位的原理相對定位是用兩臺（或多臺）接收機分別安置在一條（或多條）基線的兩端，同步觀測相同的GPS衛(wèi)星，以確定基線端點的相對位置或基線向量在相對定位時

14、，通過對觀測量求差，可以消除衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差，削弱電離層和對流層折射的影響，消去整周模糊度參數(shù)等，使基線精度提高到10-6、10-7，甚至達到10-8、10-9。,差分觀測量一次差分觀測量星際一次差分觀測量歷元間一次差分觀測量站際一次差分觀測量二次差分觀測量站際星際二次差分（雙差）觀測量星際歷元間二次差分觀測量站際歷元間二次差分觀測量三次差分觀測量上述三種二次差分觀測量中的任一種再與第三要素求差,5. 差分GPS

15、定位差分GPS定位原理差分GPS定位屬于GPS相對定位差分GPS定位是將一臺GPS接收機安置在基準站上進行觀測，根據(jù)基準站的精密坐標計算出基準站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，并由基準站實時地將這一改正數(shù)發(fā)送出去。用戶接收機在與基準站接收機進行同步觀測的同時，也接收到基準站的改正數(shù)，用此對其定位結(jié)果進行改正，從而提高用戶站的定位精度,差分方式與功能站間差分 – 同步觀測值在接收機間求差可消除衛(wèi)星鐘差，削弱電離層、對流層折射影響星間差分

16、– 同步觀測值在衛(wèi)星間求差可消除接收機鐘差和星歷誤差歷元間差分 – 同步觀測值在間歷元求差可消去整周未知數(shù)參數(shù)多元差分還可消除大部分傳播延遲誤差，其程度視基準站至用戶站的距離而定差分定位的關鍵技術是高波特率數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院涂垢蓴_問題,差分GPS的類型單站差分GPS位置差分GPS直接利用基準站的坐標改正數(shù)去基準站站與用戶站的公共誤差其優(yōu)點是計算簡單，適用于各種型號的接收機其缺點是基準站與用戶站必須觀測同一組衛(wèi)星，

17、故位置差分只適用于100km以內(nèi)能滿足米級定位精度，廣泛用于導航和水下測量等偽距差分其原理是在基準站上觀測所有的衛(wèi)星，利用基準站的已知坐標和測得的各衛(wèi)星的地心坐標，計算出基準站至各衛(wèi)星的距離，并求出它與相應偽距之差，用此改正數(shù)去改正用戶站測得的偽距其優(yōu)點是由于基準站提供了所有衛(wèi)星的偽距改正數(shù)，用戶接收機觀測任意4顆衛(wèi)星即可完成定位其缺點是差分精度隨基準站到用戶站的距離增加而降低能滿足米級定位精度，廣泛用于導航和水下測量等,載

18、波相位差分載波相位差分技術又稱實時動態(tài)（RTK，Real Time Kinematic）定位技術，是實時處理兩個測站載波相位觀測量的差分方法載波相位差分方法分為修正法和乘法法兩類。前者是將基準站的載波相位修正值發(fā)送給用戶站，屬于準RTK；后者是將基準站采集的載波相位發(fā)送給用戶站，屬于真正的RTK載波相位差分技術的關鍵是解求起始相位模糊度載波相位差分技術可使三維定位精度達到厘米級，應用于海上精密定位、地形測圖和地籍測量等載波相位

19、差分技術也同樣受到基準站至用戶站距離的限制,局域差分GPS系統(tǒng)（LADGPS）LADGPS的基礎是在局域中建立一個差分GPS基準站網(wǎng)，該網(wǎng)由若干基準站組成，通常還包含一個或數(shù)個監(jiān)控站，基準站之間和基準站與用戶站之間均有無線電數(shù)據(jù)通訊鏈局域中的用戶通常是采用加權(quán)平均法或最小二乘法對來自多個基準站的改正信息（坐標改正數(shù)或距離改正數(shù)）進行平差計算以求得自己的坐標改正數(shù)或距離改正數(shù)基準站與用戶站間的距離通常在500km以內(nèi)才能獲得較好的精

20、度,廣域差分GPS系統(tǒng)（WADGPS）WADGPS由一個中心站、幾個監(jiān)測站、覆蓋域內(nèi)的用戶站，以及其間的數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡所組成廣域差分GPS的基本思想是對GPS觀測量的各種誤差源加以區(qū)分，再分別對每一種誤差源加以“模型化”，并將計算出的數(shù)值通過數(shù)據(jù)鏈傳輸給用戶，對用戶的定位誤差進行最有效的改正，以達到明顯地提高用戶站的定位精度廣域差分GPS技術對誤差進行區(qū)分的目的就是最大限度地降低監(jiān)測站與用戶站間定位誤差的時空相關性，克服局域差分GP

21、S技術對時空的強依賴性，以達到改善實時差分定位的精度和擴大監(jiān)測站至用戶站之間距離的限制WADGPS是一個定位精度均勻分布的系統(tǒng)，且覆蓋范圍廣，定位精度比LADGPS高。采用廣域差分GPS技術進行定位，在3000km范圍內(nèi)，利用C/A碼偽距單點定位的分量精度一般優(yōu)于2m，點位精度一般優(yōu)于4mWADGPS使用的硬件設備及通訊工具昂貴，軟件技術復雜，運行和維持費用高，且可靠性和安全性也不如單個的LADGPS,6. GPS測量的作業(yè)模式經(jīng)

22、典靜態(tài)定位作業(yè)方法 采用兩臺(或兩臺以上)接收機,分別安置在一條(或數(shù)條)基線的兩端,同步觀測4顆以上衛(wèi)星,每時段長45分鐘至2個小時或更多精度 基線的相對精度可達5mm+1ppm·D適用范圍 建立全球性或國家級大地控制網(wǎng)、地殼運動監(jiān)測網(wǎng)、長距離檢?；€，進行島陸聯(lián)測、鉆井定位和精密工程控制網(wǎng)建立等注意事項 所有觀測基線均組成一系列封閉圖形，以利于外業(yè)檢核，提高成果可靠性,快速靜態(tài)定位作業(yè)方法 在測區(qū)中部

23、的基準站上安置一臺接收機，跟蹤所有可見的衛(wèi)星；另一臺接收機依次到各點流動設站，每點觀測數(shù)分鐘精度 流動站相對基準站的基線中誤差為5mm+1ppm·D適用范圍 控制網(wǎng)的建立與加密、工程測量、地籍測量等注意事項 在觀測時段內(nèi)應確保有5顆以上衛(wèi)星可供觀測；流動站與基準站間應不超過20km；流動站的接收機在遷站時可關機優(yōu)缺點 左右速度快、精度高、能耗低；但在兩臺接收機工作時構(gòu)不成閉合圖形，可靠性較差,準動態(tài)定位作業(yè)方

24、法 基準站接收機連續(xù)跟蹤所有可見衛(wèi)星，流動站接收機在起始站觀測1~2分鐘后，在對所測衛(wèi)星不失鎖的情況下，將流動站接收機分別置于各待定點觀測數(shù)秒鐘精度 觀測基線的中誤差約為1~2cm適用范圍 開闊地區(qū)的控制網(wǎng)加密、工程定位、碎部測量、剖面測量、線路測量等注意事項 應確保在觀測時段內(nèi)有5顆以上衛(wèi)星可供觀測；流動站至基準站的距離不超過20km；觀測過程中流動站接收機不能失鎖，否則應在失鎖的流動站上延長觀測時間1~2分鐘,往返重復

25、設站定位作業(yè)方法 基準站接收機連續(xù)跟蹤所有可見衛(wèi)星，流動站接收機依次到每個待定點觀測1~2分鐘；1小時后按逆序返測各流動站1~2分鐘精度 相對基準站的基線中誤差為5mm+1ppm·D適用范圍 控制網(wǎng)的建立與加密、工程測量、地籍測量等注意事項 應確保在觀測時段內(nèi)有3顆及其以上衛(wèi)星可供觀測；流動站至基準站的距離不超過20km,動態(tài)定位作業(yè)方法 基準站接收機連續(xù)跟蹤所有可見衛(wèi)星，流動站接收機在起始站觀測數(shù)分鐘后，

26、流動站接收機開始沿預定的路線連續(xù)運動，按規(guī)定的間隔自動測定運動軌跡的實時坐標精度 相對基準站的瞬時點位精度為1~2cm適用范圍 精密測定運動載體的運動軌跡、測定線路的中心線、剖面測量、航道測量等注意事項 需同步觀測5顆衛(wèi)星，其中至少要對4顆衛(wèi)星進行連續(xù)跟蹤；流動站至基準站的距離應不超過20km,實時動態(tài)（RTK）定位技術實時動態(tài)測量技術 以載波相位觀測量為根據(jù)的實時差分GPS測量技術實時動態(tài)測量的基本思想 基準站接收

27、機連續(xù)觀測所有可見衛(wèi)星，并將其觀測數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸鏈實時地發(fā)送給用戶站，用戶利用這些數(shù)據(jù)對用戶接收機同步觀測的數(shù)據(jù)按相對定位原理實時地計算并顯示用戶站的三維坐標及其精度實時動態(tài)測量的作業(yè)模式 快速靜態(tài)定位、準動態(tài)定位、實時動態(tài)定位實時動態(tài)測量技術的應用范圍航空攝影測量、航空物探、航道測量、線路中線測量、運動目標的精密導航等,五、GPS高程測量GPS高程測量的原理WGS-84大地坐標系下的大地高H84與相應的正常高Hγ和高程異

28、常ζ之間存在下列關系 Hγ=H84－ζ 或ζ=H84－HγGPS高程測量的核心是根據(jù)測區(qū)內(nèi)某些點的正常高（或重力資料）和GPS大地高計算出相應的高程異常值，進而擬合出測區(qū)的似大地水準面，然后以此為基礎，再利用待測點的GPS大地高求出待測點的正常高,GPS水準高程測量GPS水準高程測量是目前GPS高程測量作業(yè)中最常用的一種方法在GPS水準高程測量中,目前國內(nèi)外用來進行似大地水準面擬合的方法主要有繪等值線圖法

29、適用于面狀區(qū)域原理是：利用區(qū)域內(nèi)若干已知點的平面坐標和高程異常，內(nèi)插繪出測區(qū)的高程異常等值線圖，利用該等值線圖內(nèi)插出待定點的高程異常，進而求出其正常高解析曲線內(nèi)插法適用于GPS點布設成測線時根據(jù)測線上若干已知點的利用區(qū)域內(nèi)若干已知點的平面坐標和高程異常，用數(shù)值法擬合出測線方向的似大地水準面曲線，再內(nèi)插出待定點的高程異常，進而求出其正常高,曲面擬合法適用于面狀區(qū)域原理是：利用區(qū)域內(nèi)若干已知點的平面坐標和高程異常，用數(shù)值擬合法擬

30、合出測區(qū)的似大地水準面，再內(nèi)插出待定點的高程異常，進而求出其正常高GPS水準高程的精度通常可達到厘米級精度，能代替四等水準測量在采用特殊措施的情況下可達到亞毫米級或毫米級的精度,GPS重力高程測量GPS高程測量是用重力資料求定地面點的高程異常,再利用測定的GPS大地高求取地面點的正常高由于目前我國的重力GPS高程精度低于GPS水準高程故采用重力場模型與部分GPS水準相結(jié)合的方法是一條有效的途徑GPS三角高程測量GPS三角高

31、程測量是在GPS點上加測各GPS 點間的高度角，利用GPS邊長，按三角高程測量公式計算GPS點間的高差，進而求取GPS點的正常高,六、GPS技術的應用GPS技術在大地控制測量中的應用建立全球或全國性的高精度GPS控制網(wǎng)全球性的高精度GPS網(wǎng)目的是建立高精度（1~2m）的全球統(tǒng)一的動態(tài)坐標框架，為大地測量的科學研究及相關的地學研究打下堅實的基礎1991年國際大地測量協(xié)會（LAG）決定在全球范圍內(nèi)建立一個IGS（國際GPS地球動力

32、學服務）觀測網(wǎng)，并于1992年6~9月間實施了第一期會戰(zhàn)聯(lián)測,我國的高精度GPS網(wǎng)目的是在全國范圍內(nèi)確定精確的地心坐標，建立起我國新一代的地心參考框架及其與國家大地坐標系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)，并奠定地殼運動及地球動力學研究的基礎1992年組織了“中國’92GPS會戰(zhàn)”，布設了國家A級GPS網(wǎng)，隨后在1993年和1995年又進行兩次復測。A級網(wǎng)由28個點組成，其點位精度達到厘米級，邊長相對精度達到3×10-9在A級GPS網(wǎng)的基礎上

33、建立了國家B級GPS網(wǎng)。B級網(wǎng)共布測730個左右GPS點，平均邊長在東部為50km，在中部為100km，在西部為150km，點位地心坐標精度達到0.1m，邊長相對中誤差達到2.0×10-8，高程分量相對中誤差為3.0×10-8,區(qū)域性GPS大地控制網(wǎng)區(qū)域GPS網(wǎng)是指國家C、D、E級GPS網(wǎng)或?qū)楣こ滩荚O的工程GPS網(wǎng)由于GPS定位的高精度、快速度、省費用等優(yōu)點，使得目前建立區(qū)域控制網(wǎng)的手段已基本被GPS技術所取代

34、對于區(qū)域控制而言，GPS技術的作用主要在于建立新的地面控制網(wǎng)校核和改善已有的地面控制網(wǎng)對已有的地面控制網(wǎng)進行加密擬合區(qū)域大地水準面,GPS技術在精密工程測量中的應用建立精密工程控制網(wǎng)用于工程變形監(jiān)測建立工程或滑坡變形自動化監(jiān)測系統(tǒng)建立長大或超長隧道的施工控制網(wǎng)建立超長精密線路的基礎控制網(wǎng)GPS技術在航空攝影測量中的應用測定航空攝影測量的地面控制點GPS輔助航空攝影測量技術的出現(xiàn)與發(fā)展,GPS技術在海洋測繪中的應

35、用用于高精度海洋定位用于建立海洋大地控制網(wǎng)用于水下地形的測繪建成了中國沿海RBN/DGPS系統(tǒng)RBN/DGPS系統(tǒng)是中國沿海無線電指向標差分GPS系統(tǒng)。該系統(tǒng)由20個RBN/DGPS基準站組成，形成從鴨綠江口到南沙群島部分區(qū)域、覆蓋我國沿海港口、重要水域和狹窄水道的差分GPS導航服務網(wǎng),GPS技術在地球動力學研究中的應用建立中國地殼運動監(jiān)測網(wǎng)建立青藏高原地球動力學監(jiān)測網(wǎng)建立首都圈GPS地表形變監(jiān)測網(wǎng)GPS技術在公安、交