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1、二.基于GPS的数据采集技术,GPS的英文全称是Navigation Satellite Timing And Ranging/Global Position System，简称GPS，有时也被称作NAVSTAR/GPS。,其意为“导航星测时与测距全球定位系统”，或简称全球定位系统。,什么是GPS？,1.概述,建立国家美国目的在全球范围内，提供实时、连续、全天候的导航定位及授时服务开始筹建时间1973年完全建成时间1995年总投资200亿,GPS的概况,GPS系统的特点,全球连续覆盖高精度抗干扰能力强被动式全天候导航测站间无需通视,空间部分：提供星历和时间信息 发射伪距和载表信号 提供其它辅助
2、信息,地面控制部分：中心控制系统 实现时间同步 跟踪卫星进行定轨,用户部分：接收并测卫星信号 记录处理数据 提供导航定位信息,2.GPS组成部分,GPS卫星星座：设计21+3颗，实际2728颗。卫星高度：20200km；卫星轨道周期：11h58min；卫星轨道面：6个，每个轨道至少4颗卫星；轨道倾角：55 GPS卫星可见性：至少可见4颗，一般68颗。GPS卫星信号：载波频率：L波段双频 卫星识别：码分多址 测距码：C/A码，P码 导航数据：广播星历（卫星轨道坐标、钟差、电离层延迟修正）,(1)空间部分,(2)地面控制部分,一个主控站：科罗拉多斯必灵司三个注入站：阿松森（Ascencion)迭哥
3、伽西亚(Diego Garcia)卡瓦加兰(kwajalein)五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷（Hawaii),Hawaii,Ascencion,Diego Garcia,kwajalein,Colorado springs,(3)用户部分,通用接收机（定位型）：,导航型接收机一般情况下无数据输出的记录存储设备,由三部分组成：载波；测距码；数据码,(4)GPS卫星信号,载波,作用搭载其它调制信号测距测定多普勒频移类型目前GPS使用L波段的两种载频L1 频率：154f0=1575.43MHz；波长：19.03cmL2 频率：120 f0=1227.60MHz；波长：24.42cm现代
4、化后增加L5 频率：115 f0=1176.45MHz；波长：25.48cm,测距码,作用测距性质为伪随机噪声码（PRN Pseudo Random Noise）不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为0或1/n（n为码元数）对齐的同一组码间的相关系数为1,数据码（导航电文）,作用向用户提供包含导航信息的数据码导航信息主要包括卫星星历时钟改正电离层时延改正轨道摄动改正。,(5)GPS坐标系WGS-84坐标系,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-
5、84(世界大地坐标系-84),由美国国防部制图局建立，它是一个地心坐标系统。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。,需解决的两个关键问题：如何确定卫星的位置？如何测量出站星距离？,3.GPS定位原理,(1)测距原理,1）测码伪距测量：,2）测相伪距测量：,理想情况,载波相位观测值,单点定位结果的获取,单点定位解可以理解为一个后方交会问题卫星
6、充当轨道上运动的控制点，观测值为测站至卫星的伪距（由时延值推算得到）由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差所以要同步观测4颗卫星，解算四个未知参数：精度,经度,高程 h,钟差 t,与卫星相关的误差轨道误差、卫星钟差、卫星几何中心与相位中心偏差 与接收机相关的误差接收机安置误差、接收机钟差、接收机信道误差、多路径误差、观测量误差 与大气传输有关的误差电离层误差、对流层误差,绝对定位精度不高，主要是由于观测数据含有大量误差：,(2)卫星相对定位原理,GNSS相对定位原理,差分GPS定位原理,误差的空间相关性差分GPS的基本原理利用在坐标精确已知的基准站，测定具有空间相关性的误差或其对测量定位结果的影响
7、，发送给流动站，供流动站改正观测值或定位结果差分改正数的类型位置差分伪距差分载波相位差分（RTK）,位置差分,距离差分,距离改正,坐标改正,组成星际站际两次差分观测值,可以消去卫星钟的系统偏差可以消去接收机时钟的误差,可以消去轨道（星历）误差的影响可以削弱大气折射对观测值的影响,1）单基准站差分GPS系统,结构：基准站（一个），数据通讯链和用户特点优点：结构、模型简单缺点：差分范围小，精度随距基准站距离的增加而下降，可靠性低,2）多基准站局域差分GPS系统,结构基准站（多个）、数据通讯链和用户数学模型加权平均偏导数法最小方差法特点优点：差分精度高、可靠性高，差分范围增大缺点：差分范围仍然有限，
8、模型不完善,多基准站差分系统结构,3）广域差分GPS系统,结构基准站（多个）、数据通讯链和用户数学模型（差分改正数的计算方法）与普通差分不相同普通差分考虑的是误差的综合影响广域差分对各项误差加以分离，建立各自的改正模型用户根据自身的位置，对观测值进行改正特点优点：差分精度高、差分精度与距离无关、差分范围大缺点：系统结构复杂、建设费用高,差分GPS的新进展,广域增强系统（WAAS）特点伪卫星技术卫星通讯技术,网络RTK 工作原理也叫多基准站RTK，在一定区域内建立多个坐标为已知的GPS基准站，对该地区构成网状覆盖，并以这些基准站为基准，计算和发播相位观测值误差改正信息，对该地区内的卫星定位用户进
9、行实时改正的定位方式。特点覆盖面广，定位精度高，可靠性高，可实时提供厘米级定位。我国已经建成的深圳市连续运行卫星定位服务系统就是网络RTK技术的实现。,差分GPS的新进展,4.GPS测量的实施,（1）测前工作,对于一项GPS 测量工程项目，一般有如下一些要求：测区位置及其范围用途和精度等级。点位分布及点的数量提交成果的内容时限要求、投资经费技术设计测绘资料的搜集与整理仪器的检验：踏勘、选点埋石,（2）测量实施,实地了解测区情况卫星状况预报确定作业方案：根据卫星状况、测量作业的进展情况、以及测区的实际情况，确定出具体的作业方案外业观测数据传输与转储基线处理与质量评估重复确定作业方案、外业观测、数
10、据传输与转储与基线处理与质量评估四步，直至完成所有GPS 观测工作。,（3）测后工作,结果分析（网平差处理与质量评估）：,对外业观测所得到的基线向量进行质量检验，并对由合格的基线向量所构建成的GPS 基线向量网进行平差解算，得出网中各点的坐标成果。如果需要利用GPS 测定网中各点的正高或正常高，还需要进行高程拟合。技术总结：根据整个GPS 网的布设及数据处理情况，进行全面的技术总结。成果验收,（4）布网方法,国家测绘局1992年制订的我国第一部“GPS测量规范”将GPS的精度分为AE五级（见下表）。其中A、B两级一般是国家GPS控制网。C、D、E三级是针对局部性GPS网规定的。,应通过独立观测
11、边构成闭合图形，以增加检核条件，提高网的可靠性。应尽量与原有地面控制网相重合，重合点一般不少于3个，且分布均匀。应考虑与水准点相重合，或在网中布设一定密度的水准联测点。点应设在视野开阔和容易到达的地方联测方向。可在网点附近布设一通视良好的方位点，以建立联测方向。根据GPS测量的不同用途，GPS网的独立观测边均应构成一定的几何图形，基本形式有：,设计的一般原则,三角形网,优点：图形几何结构强，具有良好的自检能力，经平差后网中相邻点间基线向量的精度均匀。缺点：观测工作量大。只有在网的精度和可靠 性要求比较高时，才单独采用这种图形。,环形网,优点：观测工作量较小，且具有较好的自检性和可靠性缺点：非直
12、接观测基线边（或间接边）精度较直接观测边低，相邻点间的基线精度分布不均匀。是大地测量和精密工程测量中普遍采用的图形。通常采用上述两种图形的混合图形。,星形网,优点：观测中只需要两台GPS接收机，作业简单缺点：几何图形简单，检验和发现粗差能力差,广泛用于工程测量、边界测量、地籍测量 和碎部测量等。,GPS快速定位图形布设,两台仪器作业的基本图形：多边形环状网。两接收机同步作业，交替迁站n-1次，得到首尾相接的n边形闭合环，每个新点均与两条独立基线相连。单基准形状网。两接收机同步作业，1台固定不动，1台快速流动迁站n-1次，得到n条独立基线，每个新点只与1条独立基线相连。因此每个点上必须进行第二次
13、设站。,单基准星状网。1台固定不动，2台各快速流动迁站 n-1次，得到 2n条独立基线，每个新点只与1条独立基线相连。因此每个点上必须进行第二次设站。2 双基准菱状网。2台固定不动，1台快速流动迁站n-1次，得到2n条独立快速定位基线。如果两基准站采用静态定位方式，可得到2n+1条独立基线向量。如果采用在流动站迁站期间两基准站多次快速定位得到多组快速定位基线向量的方法，最多可得到3n-1条独立基线向量。,5,三台接收机作业的基本图形：,5.其他卫星定位系统,(1)GLONASS全球导航定位系统,拥有者：俄罗斯发展简史由前苏联从1982年开始建设的与美国GPS系统相类似的卫星定位系统，现在由俄罗
14、斯空间局管理。GLONASS的整体结构类似于GPS系统，其主要不同之处在于星座设计和信号载波频率和卫星识别方法的设计不同。系统组成卫星星座地面监测控制站用户设备,(2)伽利略(GALILEO)全球导航定位系统,拥有者：欧盟发展简史GALILEO系统是欧洲自主的、独立的全球多模式卫星定位导航系统，提供高精度、高可靠性的定位服务，同时它实现完全非军方控制、管理，计划于2011年完成。可与美国的GPS和俄罗斯的GLONASS兼容，但比后两者更安全、更准确，系统组成GALILEO系统由30颗卫星组成，其中27颗工作星，3颗备份星。卫星分布在3个中地球轨道（MEO）上，轨道高度为23616千米，轨道倾角
15、56度。每个轨道上部署9颗工作星和1颗备份星。,(3)中国卫星定位导航系统:北斗-1,北斗一号卫星定位系统是我国独立自主建立的主动式局域卫星导航定位系统。系统的空间部分是由3颗GEO卫星组成，2颗工作，一颗备用,分别位于东经80,140和111的赤道上空36000km。定位精度为20m。标志着我国拥有了自己的第一代卫星导航系统BD1。,2012年2月25日凌晨0时12分，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭，将第十一颗北斗导航卫星成功送入太空,星座,GEO 卫星,MEO 卫星,“北斗卫星导航系统”由空间卫星、地面控制中心站和北斗用户终端三部分构成。,空间部分包括两颗地球同步轨道卫星组
16、成。卫星上带有信号转发装置，完成地面控制中心站和用户终端之间的双向无线电信号的中继任务。,地面控制中心站由主控站、上行注入站和监测站组成。,与GPS系统不同，所有用户终端位置的计算都是在地面控制中心站完成。因此，控制中心可以保留全部北斗终端用户机的位置及时间信息。同时，地面控制中心站还负责整个系统的监控管理。,系统组成用户段,用户段由北斗用户终端以及与其他GNSS兼容的终端组成。,北斗系统的用户终端,与GPS、GLONASS、Galileo等国外的卫星导航系统相比，BD1优点：如投资少，组建快；具有通信功能；捕获信号快等。缺点：如用户隐蔽性差；无测高和测速功能；用户数量受限制；用户的设备体积大
17、、重量重、能耗大等。为了使我国的卫星导航定位系统的性能有实质性的提高，中央已决定研制组建第二代北斗卫星导航定位系统（BD2）。它将是连续,全天侯,被动方式定位，讯号覆盖中国及其邻近区域，实时定位精度提高至10m,(1)GPS定位技术在科学研究中的应用,GPS精密定时和时间同步的应用在地球上相当远的距离对太空的天体、运动目标等进行同步观测。与其它空间定位和时间传递技术相结合，测定地球自转参数。测量引力对地方时间尺度的影响。,5.GPS的应用,GPS精密定位在地球板块运动研究中的应用测定各大板块的相互运动速率，确定全球板块运动模型，研究板块运动的现今短时间运动规律，分析研究地球板块边沿的受力应力和
18、状态，预测地震灾害。,GPS精密定位在大气层气象参数确定和灾害天气预报中的应用GPS气象学（GPS/MET eorology,简写为GPS/MET）：利用GPS理论和技术来遥感地球大气，进行气象学的理论和方法研究，如测定大气温度及水汽含量，监测气候变化等。,地基GPS大气探测,GPS掩星（空基GPS探测）,在交通、监控、智能交通中的应用航运、航空搜索陆路交通（车辆导航、监控）船舶远洋导航和进港引水,(3)GPS定位技术在军事技术中的应用,低空遥感卫星定轨 飞机、火箭的实时位置、轨迹确定战场的精密武器时间同步协调指挥,火炮瞄准,(4)GPS定位技术在其它领域的应用,在娱乐消遣、体育运动中的应用动物跟踪GPS用于精细农业,动物跟踪,
