GPS卫星定位测量基础理论培训讲解GPS系统教学文案.docx
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GPS卫星定位测量基础理论培训讲解GPS系统教学文案
1.人类最初的导航定位，只能通过石头，树，山脉等作为参照物。
2.渐渐发展到天文观测法，即通过天上的太阳月亮星星来判断位置。
3.中国四大发明之一的指南针是人类导航领域的一个里程碑
定位系统的发展过程
⏹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
无线电导航的发明，使导航系统成为航行中真正可以依赖的工具，因此具有划时代的意义。
它具有独立、封闭、全天候等特点，对外界环境依赖性很小。
现在，无线电导航仍然在飞机进场着陆、区域性定位中发挥着重要作用。
卫星定位的初步构想
地球表面70%都是海洋，无法建立永久性静态基准站。
由于地球是一个椭球，表面有曲率存在，普通的无线电定位无法满足全球定位的需要。
我们可以考虑把基准站搬到太空，即发射通讯卫星，这些卫星以一定的频率和编码向地球发播信号。
为保证信号按直线传播，且能穿透电离层（中长波信号遇电离层会被反射），应选择高频信号。
为满足全球覆盖，必须考虑一定数量的卫星，且按一定的轨道面分布。
（一）卫星定位测量技术基础
林定位中铁二局
一、卫星定位技术的发展及现状
1、子午卫星导航系统
2、GPS全球定位系统
3、GLONASS全球导航卫星系统
4、GALILEO全球导航卫星系统
5、北斗导航定位系统
二、卫星定位的基本原理
1、概述
2、伪距测量
3、载波相位测量
4、周跳的探测与修复
5、绝对定位与相对定位
6、实时差分定位
三、GPS的应用与技术展望
1、在大地控制测量中的应用
2、在精密工程测量及变形监测中的应用
3、在工程机械施工中的应用
4、在交通运输中的应用
5、在其他领域的应用
四、GPS测量的误差来源及影响
1、与GPS卫星有关的误差
2、与信号传播有关的误差
3、与接收设备有关的误差
（二）静态测量技术
（三）动态测量（RTK）技术
一、卫星定位技术的发展及现状
1、子午卫星导航系统
1.1概况
子午卫星导航系统，又称多普勒卫星定位系统，它是1958年底由美国海军武器实验室开始研制，于1964年建成的“海军导航卫星系统”（NavyNavigationSatelliteSystem）。
这是人类历史上诞生的第一代卫星导航系统。
1967年7月该系统由军方解密供民间使用。
此后用户数量迅速增长，最多达9.5万户，而军方用户最多时只有650个，不足总数的1%，可见因生产需要的民间用户远远大于军方。
1.2组成
⏹卫星星座
❑由六颗独立轨道的极轨卫星组成，轨道倾角i=90°；卫星运行周期为T=107m；卫星高度约为H=1070km。
⏹地面系统
❑地面设有4个卫星跟踪站；1个计算中心；1个控制中心；2个注入站；1个天文台（海军天文台）。
1.3性能
⏹定轨精度
❑广播星历所预报的卫星位置的切向误差±17m；径向误差±26m；法向误差±8m；精密星历所预报的卫星位置精度为±2m。
⏹卫星性能
❑星体直径约为50公分，卫星重量为45～73公斤。
⏹卫星信号
❑4.9996MHz基准钟频信号，倍频30和80倍后，形成149.988MHz和399.968MHz的标准信号。
⏹定位精度
❑利用广播星历单点定位精度约为10m，观测100次卫星通过后的测量数据平差解算后，可获得精度为3～5m；利用精密星历观测40次卫星通过的测量数据平差解算后，可获得精度为0.5～1m；
❑消除公共误差可提高定位精度，相对定位的精度为0.5m。
1.4缺点
⏹一次定位所需时间过长，无法满足高速用户的需要
❑定位时连续观测一颗卫星通过的时间一般只有15～18分钟
⏹卫星出现时间间隔过长，无法满足连续导航的需要。
❑同一地点两次卫星通过的间隔时间为0.8～1.6h；。
❑没有采用频分、码分、时分等多路接收技术，确定了该系统不能成为连续导航系统。
⏹子午卫星导航系统的定位精度偏低
卫星轨道低，信号频率较低受电离层影响大，卫星钟频不够稳定。
2、GPS全球定位系统
2.1概况
全球定位系统的全称是：
导航卫星测时测距/全球定位系统（NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem），简称GPS。
1973年12月，美国国防部批准陆、海、空三军联合研制第二代的卫星导航系统——全球定位系统（GPS）。
该系统是以卫星为基础的无线电导航系统，具有全能性（陆地、海洋、航空、航天）、全球性、全天候、连续性、实时性的导航、定位和定时等多种功能。
能为各类静止或高速运动的用户迅速提供精密的瞬间三维空间坐标、速度矢量和精确授时等多种服务。
GPS计划经历了方案论证（1974～1978年），系统论证（1979～1987年），试验生产（1988～1993年）三个阶段，总投资300亿美元。
2.2组成
2.3卫星星座
24颗卫星（21颗工作卫星+3颗备用卫星），6个近圆形轨道面，高度约20200km，轨道倾斜55︒，轨道平面升交点赤经相差60︒，周期约11小时58分
2.4控制部分
2.5用户部分
用户部分即GPS信号接收机，分为天线单元和接收单元两部分。
其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。
当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据；根据这些数据,接收机中的微处理器就可按定位解算方法进行定位计算,计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。
2.6特点
⏹定位精度高
⏹观测时间短
⏹测站间无需通视
⏹可提供三维坐标
⏹操作简便
⏹全天候作业
⏹功能多，应用广
3、GLONASS全球导航卫星系统
3.1概况
GLONASS全球导航卫星系统1982年底开始由前苏联承建，期间因苏联解体，几经周折最后由俄罗斯于1996年建成全球导航定位系统（GlobalNavigationSatelliteSystem,GLONASS）。
该系统与美国的全球定位系统同属于第二代卫星定位系统。
3.2组成
卫星星座
三个独立椭圆轨道，由24颗卫星组成，每个轨道分布8颗卫星，各轨道升交点赤经相差120°；轨道偏心率e=0.01；卫星轨道倾角i=64.8°；卫星运行周期T=11h15m；卫星高度H=19100km；卫星设计使用寿命4.5年，1995年卫星星座形成，经过数据加载、调整和检验，于1996年1月18日整个系统正式运转。
地面系统
1个系统控制中心（在莫斯科区的Golitsyno-2），1个指令跟踪站（CTS），整个跟踪网络分布于俄罗斯境内。
-无海外监控站
3.3特点
⏹卫星信号
❑两种载波信号，L1载波信号1602～1616MHz（民用）；L2载波信号1246～1256MHz（军用）。
卫星之间的识别方法采用频分多址（FDMA），L1频道间隔为0.5625MHz，L2频道间隔为0.4375MHz。
测距粗码（C/A码）的码频0.511MHz码长为511比特，重复周期为1ms；P码为精码，尽管前苏联严格保密，但是仍然被英国立茨大学G.R.Lennen博士成功破译。
⏹定位精度
❑水平精度：
±50～70m；垂直精度：
±75m；
❑测速精度：
±15cm/s；授时精度：
±1μs。
3.4运行状况
经济问题
苏联的解体让GLONASS受到很大影响，正常运行卫星数量大减，卫星平均在轨道上的寿命较短，曾经由于经济困难无力补网。
技术问题
1．GLONASS工作不稳定，卫星工作寿命较短；
2．GLONASS用户设备发展缓慢，生产厂家少，设备体积大而笨重；
3．对GPS/GLONASS兼容接收机，需解决两系统的时间和坐标系统问题。
；
4．2010年12月俄罗斯当地时间５日下午发射的３颗“格洛纳斯-M型全球导航系统导航授时卫星未能进入预定轨道并随即坠入太平洋。
目前该系统在轨卫星总数为２６颗，其中２０颗正常工作，４颗正接受技术维护，另有２颗处于“预备役”状态。
4、GALILEO（伽利略）全球导航卫星系统
4.1概况
从1994年欧盟开始对伽利略（GAILILEO）系统方案实施论证以来，2000年欧盟已向世界无线电委员会申请并获准建立伽利略（GAILILEO）系统的L频段的频率资源。
2002年3月欧盟15国交通部长一致同意伽利略（GAILILEO）系统的建设。
该系统由欧盟各政府和私营企业共同投资（36亿欧元），是将来精度最高的全开放的新一代卫星定位系统。
最新报道欧盟要推迟该系统！
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因资金不足欧盟欲减少伽利略卫星导航系统功能
2011-04-0111:
10:
36 来源：
国际在线专稿 编辑：
闫宇
国际在线专稿：
据瑞士《新苏黎世报》3月31日报道，欧盟“伽利略”卫星导航计划目前已经进行到一定阶段，然而由于项目成本大幅上涨，欧盟各成员国又不愿分担额外增加的资金，欧盟不得不考虑削减伽利略卫星导航系统的一些功能，以节省资金。
在31日召开的欧盟交通部长会议上，德国代表卡鲁思-迪特·邵尔勒表示，“我们可能不得不放弃一两项功能”，因为欧盟各成员国不愿分担19亿欧元的资金缺口，目前欧盟委员会正努力压缩该项目的开支，就现阶段来看，“我们已经取得了很大成功”。
据悉，此前“伽利略”计划的预估成本为34亿欧元，而今年一月欧盟委员会作出评估称，这个项目需要53亿欧元，比预估成本增加了19亿欧元。
另外运营费用也超出计划，原计划每年200到300万欧元，而实际上需要800万欧元，目前的资金可以保证该项目进行到2013年底。
（葛文元）
4.2组成
⏹卫星星座
❑3个独立圆形轨道，30颗卫星（27颗工作，3颗备用）；轨道倾角i=56°；公转周期T=14h23m14s；轨道高度H=23616km。
⏹地面系统
❑在欧洲建立2个控制中心；在全球构建监控网。
⏹定位精度
导航定位精度比目前任何系统都高
4.3服务方式
按不同用户层次分为免费服务和有偿服务两种级别。
免费服务包括：
提供L1频率基本公共服务，与现有的GPS
民用基本公共服务信号相似，预计定位精度为10m。
有偿服务包括：
提供附加的L2或L5信号，可为民航等用户
提供高可靠性、完好性和高精度的信号服务。
系统定义了三种类型的业务：
1.开放接入业务（OAS）：
向民用用户开放的免费业务
2.一类控制接入业务（CAS1）：
为商业应用提供有偿服务。
3.二类控制接入业务（CAS2）：
为安全和军事提供有偿服务。
所有这三类服务的精度都优于10m。
CAS2可实现水平4m、垂直16m的定位精度。
4.4实施计划
⏹1994年开始进入方案论证阶段；
⏹2003年开始发射两颗试验卫星进入试验阶段；
⏹2008年整个伽利略系统建成并投入使用。
在计划启动后，欧盟各国为如何分摊启动费用、“谁当领头人”、利益分配等问题，陷入严重内斗，伽利略计划一再被推迟，严重阻碍了系统的开发进度。
5、北斗导航定位系统
5.1概况简介
北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成。
空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。
地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站。
用户端由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲GALILEO等其他卫星导航系统兼容的终端组成。
我国于2000年底（10月31日、12月21日）发射了两颗静止轨道卫星，2003年5月25日发射第三颗卫星，双星导航定位系统“北斗一号”建成。
目前中国已成功发射四颗北斗导航试验卫星和七颗北斗导航卫星，将在系统组网和试验基础上，逐步扩展为全球卫星导航系统“北斗二号”。
5.2组成
⏹卫星星座
❑由3颗同步静止卫星组成（其中1颗在轨备用）；轨道倾角i=0°；公转周期T=24h恒星时；轨道高度H=36000km。
⏹地面系统
一个中心站、定轨观测网、校准站、测高站
5.3特点
⏹服务区域：
❑70°～145°E；5°～55°N
⏹用户设备：
❑定位收发机的瞬间发射功率较大
⏹定位精度：
❑平面精度±20m；垂直精度±10m
5.4定位原理
地面中心站通过2颗卫星传送测距问询信号，用户回复应答信号。
地面中心站可根据用户的应答信号的时差计算出卫地距离，这样以两颗定位卫星为中心以两个卫地距离为半径可作出两个定位球。
而两个定位球又和地面交出两个定位圆，用户必定位于两个定位圆相交的两个点上（这两个交点一定是以赤道为对称轴南北对称的）。
地面中心站求出用户坐标后，再根据坐标在地面数字高程模型中读出用户高程，进而让卫星转告用户。
5.5意义
“北斗一号”性能和GPS相比差距甚大。
1）是区域性导航定位系统，覆盖范围是我国周边地区，与GPS的全球定位相差甚远。
2）定位精度低，定位精度最高20米，而GPS可以到10米以内。
3）由于采用卫星无线电测定体制，用户终端机工作时要发送无线电信号，会被敌方无线电侦测设备发现，不适合军用。
4）无法在高速移动平台上使用，限制了它在航空和陆地运输上的应用。
但是，“北斗一号”是我国独立自主建立的卫星导航系统，它的研制成功标志着我国打破了美、俄在此领域的垄断地位，解决了中国自主卫星导航系统的有无问题。
5.6升级
2004年中国成为伽利略计划第一个非欧盟国家成员。
然而,伽利略计划进展并不顺利，中国在合作中也受到一定的限制，因此中国必须发展自己的卫星定位系统。
按照“北斗二号”规划，“北斗”卫星导航定位系统将有5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，30颗非静止轨道卫星又细分为27颗中轨道（MEO）卫星和3颗倾斜同步（IGSO）卫星组成，27颗MEO卫星平均分布在倾角55度的三个平面上，轨道高度21500公里；3颗倾斜同步（IGSO）卫星轨道高度36000公里。
5.7加速组网
备注：
2010，12，18成功发射第7颗导航卫星
预计2011年4月发射第8颗北斗导航卫星
5.8构想图
二、卫星定位的基本原理
1、概述
1.1坐标系统
GPS采用的坐标系是世界大地坐标系
（WorldGeodeticSystem1984）。
由美国国防部在与WGS72相应的精密星历NSWC-9Z-2基础上，采用1980大地参考数和BIH1984.0系统定向所建立的一种地心坐标系。
1.2定位原理
定位原理：
距离=时间⨯速度
P=∆T⨯V
卫星位置为已知，V为光速；
计算测站的空间坐标（X、Y、Z）需要
观测三颗卫星。
卫星定位的基本原理是空间距离交会。
2、伪距测量
利用测距码进行测距的原理
基本思路:
p=τ·c=∆t·c
1）卫星依据自己的时钟发出某一结构的测距码，该测距码经过∆t时间传播后到达接收机；
2）接收机在自己的时钟控制下产生一组结构完全相同的测距码—复制码，并通过时延器使其延迟时间τ；
3）将这两组测距码进行相关处理，直到两组测距码的自相关系数R（t）=1为止，此时，复制码已和接收到的来自卫星的测距码对齐，复制码的延迟时间τ就等于卫星信号的传播时间∆t；
4）将∆t乘上光速c后即可求得卫星至接收机的伪距。
伪距测量时，有一个基本假设，即卫星钟和接收机钟是完全同步的。
但实际上这两台钟之间总是有差异的。
求得的时延τ就不严格等于卫星信号的传播时间Δt，它还包含了两台钟不同步的影响在内;同时观测值τ中也包含了大气传播延迟误差。
所以计算的距离不是卫星到测站的真正距离，故称为伪距。
虽然伪距测量的精度不高，但是它有自己的优点：
1）无模糊度（多值性）问题；
2）定位速度快，可实时定位；
3）对信号的强度要求不高，易于捕获微弱的卫星信号。
所以伪距测量在导航定位中得到广泛应用。
3、载波相位测量
伪距测量观测精度低，载波相位测量精度高。
伪距测量是以测距码为量测信号的。
量测精度是一个码元长度的百分之一。
由于测距码的码元长度较长，因此量测精度较低（C/A码为3m，P码为30cm）。
而载波的波长要短得多（λL1=19cm,λL2=24cm），对载波进行相位测量，可以达到很高的精度。
目前大地型接收机的载波相位测量精度一般为1～2mm。
但载波信号是一种周期性的正弦信号，相位测量只能测定其不足一个波长的部分，因而存在整周不确定性问题，解算复杂。
若卫星S发出一载波信号，该信号向各处传播。
设某一瞬间，该信号在接收机R处的相位为ϕR，在卫星S处的相位为ϕS。
ϕR和ϕS为从某一起始点开始计算的包括整周数在内的载波相位，若载波的波长为λ，则卫星S至接收机R间的距离：
假定接收机的震荡器能产生一个频率和初相与卫星载波信号完全相同的基准信号，那么任一瞬间在接收机处的基准信号的相位等于卫星处载波信号的相位。
因而（ϕS-ϕR）等于接收机产生的基准信号的相位和接收到的来自卫星的载波信号的相位之差：
（ϕS-ϕR）=Φ（τb）-ϕ（τa）
某一瞬间的载波相位观测值指的是该瞬间接收机所产生的基准信号的相位Φ（τb）和接收到的来自卫星的载波信号的相位ϕ（τa）之差。
因此，根据某一瞬间的载波相位观测值可求出该瞬间从卫星到接收机的距离。
载波相位测量的实际观测值由整周部分
Int（φ）和不足整周部分Fr（φ）组成，其中
Int（φ）为整数，因而卫星到接收机的距离：
所以，确定整周数是载波相位测量的关键问题。
整周数的确定
确定整周数是载波相位测量的关键工作，常用方法：
1）伪距法——同时进行伪距测量和载波相位测量,二者之差为波长的整倍数；
2）待定系数法——根据卫星位置和修复了周跳的相位观测值进行平差计算，同时得到基线向量和整周数。
3）三差法——根据连续跟踪的载波相位观测值中含有相同整周数的特点，将相邻两个观测历元的载波相位相减消去该参数，直接解算出坐标参数。
4）快速确定整周数法——以参数估计和假设检验为基础，确定整周数可能的整数解的组合，重复进行平差计算，将方差和为最小的一组整周数作为最佳估计值。
4、周跳的探测与修复
周跳即整周数的跳变，由于周跳为波长的整数倍，它将影响从周跳发生时刻之后的所有观测值。
产生周跳的原因主要有：
信号被遮挡、仪器故障、信号被干扰、
接收机在高速动态的环境中等。
周跳探测与修复的常用方法有：
屏幕扫描法、高次差/多项式拟合法、卫星间求差法、残差法等。
为了消除周跳带来的不利影响，可通过增加外业观测时间的方法，以便删除包含周跳的观测值后仍然有足够的观测数据。
5、绝对定位与相对定位
绝对定位也称单点定位，是利用GPS卫星和接收机间的距离观测值直接测得该点在WGS-84坐标系中的坐标。
根据接收机天线的运动状态又分为静态绝对定位和动态绝对定位。
绝对定位受卫星轨道误差、钟差、信号传播误差等的影响，绝对定位的精度一般在几米～几十米，主要用于一般导航定位。
利用两台及以上GPS接收机，同步观测相同的GPS卫星，确定GPS接收机天线间的相对位置（坐标差）。
对于几个同步测站来讲有许多误差是相同或大体相同的（如卫星钟的钟误差，卫星星历误差，卫星信号在大气中的传播误差），在相对定位的过程中这些误差可以消除或大幅度消弱，因而可以获得很高精度的相对位置，是目前GPS定位中精度最高的定位方法，广泛应用于测定板块运动、监测地壳形变、大地测量、精密工程测量、地球动力学及地震监测等领域。
6、实时差分定位
6．1RTK测量技术
1）在基准站安置一台GPS接收机；
2）由基准站坐标和观测值计算出校正值；
3）通过数据链将校正值发给移动站；
4）利用校正值对GPS观测值进行改正。
通过差分能消除卫星钟差、接收机钟差、
大气电离层和对流层折射误差，实时获取
厘米级精度的坐标值。
数据链可通过电台或手机网络建立。
6.2CORS系统
CORS系统是一个或若干个固定的、连续运行的GPS参考站，利用计算机、通信和互联网技术组成的网络，能实时地向用户提供GPS观测值（载波相位，伪距）、以及各种改正数、状态信息的系统。
虚拟参考站（VRS）的原理：
移动站定位前通过GSM短信息向控制中心发送概略坐标，由计算机自动选择最佳的基准站，根据GPS轨道误差，电离层，对流层和大气折射引起的误差，将高精度的差分信号发给移动站。
这个差分信号的效果相当于在移动站旁边，生成一个虚拟的参考基站，从而解决了RTK作业距离上的限制问题，并保证了用户的精度。
三、GPS的应用与技术展望
1、在大地控制测量中的应用
1.1国家控制网
中国国家A级和B级GPS大地控制网分别由30个点和800个点构成，A级网平均边长650千米、B级网平均边长150千米，这是常规控制测量方法无法完成的。
1．2工程测量
布设城市控制网、工程测量控制网，进行各种工程测量。
在跨海大桥控制测量中发挥不可替代的用。
2、在精密工程测量及变形监测中的应用
隔河岩水库大坝外观变形GPS自动化监测系统由7台GPS接收机组成，能需连续观测，并实时将观测资料传输到控制中心，进行处理、分析、贮存。
系统反应时间小于10分钟（即从每台GPS接收机传输数据开始，至处理、分析、变形显示为止，所需总的时间小于10分钟），是GPS在变形监测中的典型应用。
3、在工程机械施工中的应用
4、交通运输中的应用
•航运、航空管理
•陆路交通（车辆导航、监控）
•
船舶远洋导航和进港引导
5、在其他领域的应用
•遥感
•卫星定轨
•资源勘探
•旅游及野外探险
•电力、广电、通讯等网络的时间同步、时间传递
•….
四、GPS测量的误差来源及影响
1、与GPS卫星有关的误差
1.1卫星星历误差
指广播星历或其它轨道信息给出的卫星位置与卫星真实位置之间的差值。
GPS卫星星历是根据监测站连续跟踪GPS卫星的信息，由主控站对卫星作精密定轨计算得到的，广播星历又是由定轨结果外推得出，因此广播星历的精度是有限的，不利于高精度用户对广播星历的使用。
一些国际性科学研究组织为了克服这种困难，建立了全球范围大量分布的卫星跟踪站，对观测数据做精密的定轨计算，可以提供高精度的后处理用的GPS星历，其中IGS精密星历，据称其绝对定轨精度已达5cm。
1.2卫星钟误差
由于卫星位置是时间的函数，所以GPS的观测量均以精密测时为前提。
虽然GPS卫星均配有高精度的原子钟，但它们与理想的GPS时之间仍会有偏差，因而带来定位误差。
对此卫星导航电文里是用二阶多项式表示这种偏差量，而对于IGS精密星历，在解算出各历元时刻GPS卫星的轨道位置时，也提供了关于此卫星的时钟偏差量，准确度在0.5ns～5.0ns以内，由此引起的等效距离误差在0.5m左右。
2、与信号传播有关的误差
GPS信号传播误差主要是大气折射误差和多路径效应。
大气折射误差分为电离层折射影响和对流层折射影响。
使用双频GPS接收机可以有效消除这种影响。
多路径效应是
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