GPS定位原理及应用简介.ppt

讲题GPS定位原理及应用简介内容提要GPS定位原理及应用简介,第二章水准测量,GPS定位原理及应用简介,一、GPS的定义及历史1．定义全球定位系统GPS（GlobalPositioningSystem）,是一种可以授时和测距的空间交会定点的导航系统,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。,2．GPS的产生与发展由TRANSIT到GPS,1957年10月第一颗人造地球卫星上天，天基电子导航应运而生利用多普勒频移原理1964年建成子午卫星导航定位系统TRANSIT。美国从1973年开始筹建全球定位系统，1994年投入使用。经历20年，耗资300亿美元，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。,二、GPS的组成,GPS定位系统由GPS卫星空间部分、地面控制部分和用户GPS接收机三部分组成。,1、空间部分由21颗工作卫星和3颗备用卫星。,GPS卫星图片1,GPS卫星图片2,卫星轨道,GPS卫星及其功能,GPS卫星的主体呈圆柱形，直径约为1.5m，重约774kg，两侧设有两块双叶太阳能板，能自动对日定向，以保证卫星正常工作用电。每颗GPS卫星上装有4台高精度的原子钟（2台铯钟和2台铷钟），是卫星的核心设备，它发射标准频率信号，为GPS定位提供高精度的时间标准。,GPS卫星的基本功能,（1）接收和存储由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的控制指令。（2）利用卫星上的微处理机进行必要的数据处理工作。（3）通过高精度的原子钟提供精密的时间标准。（4）向用户发送导航与定位信号。（5）在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星姿态和启动备用卫星。,2、地面控制部分。,,Coloradosprings,,,,,,Hawaii,Ascencion,DiegoGarcia,kwajalein,1个主控站Coloradosprings科罗拉多.斯平士。3个注入站Ascencion阿森松群岛、DiegoGarcia迭哥伽西亚、kwajalein卡瓦加兰。5个监控站以上主控站、注入站及Hawaii夏威夷。,主控站,主控站的主要任务（1）根据本站和其它监测站的所有观测资料推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数，并将这些数据传送到注入站。（2）提供全球定位系统的时间基准。各监测站和GPS卫星的原子钟均应与主控站的原子钟同步或测出其间的钟差，并降这些信息编入导航电文送到注入站。（3）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行。（4）启用备用卫星以代替失效的工作卫星。,注入站,注入站的主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它指令等注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。,监测站,监测站是在主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双频GPS接收机、高精度原子钟、计算机和环境数据传感器。通过对GPS卫星的连续观测，以采集数据和检测卫星的工作状况，并把数据传送到主控站。,其他卫星定位导航系统,1、GLONASS全球导航卫星系统GlobleNavigitionSatelliteSystem前苏联于1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星，到1996年1月18日，历经13年，完成了24颗工作卫星和1颗备用卫星的布局。,2、GALILEO导航卫星系统,欧洲空间局计划建立一套民用卫星导航系统。该系统原计划采用6颗地球同步卫星和12颗高椭圆轨道卫星。后因故一直未能进行实质性发射.2004年，欧洲空间局调整了Galileo投入运行的时间表，2005年前Galileo为系统论证和建设部分地面控制设施阶段，2005年发射实验卫星，2006-2007年为在轨实验阶段，将发射6-8颗卫星，同时进行地面设施的安装和系统联合调试，2007-2010年将余下的24-22颗卫星升空并网，形成完整构形，2010年以后系统投入正式运行。我国计划参与该系统的建设。,,Galileo卫星星座由分布在3各轨道面上的30颗中等高度轨道卫星构成，每个轨道面10颗卫星，其中1颗为备用。轨道倾角为56，原来设计卫星距地面高度为23616km，卫星运行周期约14h4min，射电频率有L11575.42MHz，E61278.75MHz，E5b1207.14MHz和E5a1176.45MHz4个。最近，对Galileo卫星的轨道高度重新进行了研究，经过各种测试，认为轨高以29600km为最佳。最后，欧洲空间局和有关机构协调后决定一个Galileo卫星在10个太阳日运行17圈（运行周期约14h7min），平均半长轴为29600km。,3、北斗卫星导航系统,2000年10月31日和12月21日发射升空2颗“北斗一号”导航定位卫星。2003年5月25日北京时间零时34分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功地将第三颗“北斗一号”导航定位卫星送入太空。这标志着我国已自主建立了完善的卫星导航系统。航定位卫星。,3、用户接收机部分,GPS接收机的基本类型分导航型和大地型。大地型接收机又分单频型和双频型。,图片导航型GPS机,手持型GPS机,车载型GPS机,图片大地型GPS接收机,单频机,双频机,Trimble4600LS测量型接收机,Trimble5800GPS接收机,徕卡SR510GPS接收机,南方ＧＰＳ９８００Ｎ天王星,三、GPS定位方法分类,（1）绝对/单点定位pointpositioning确定观测点在WGS-84系中的坐标，即绝对位置。（2）相对定位relativepositioning确定观测点在国家或地方独立坐标系中的坐标，即相对位置。,四、GPS测量中常用的坐标系,１、WGS-84坐标系WGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统，GPS所发布的星历参数就是基于此坐标系统的。WGS-84坐标系的坐标原点位于地球的质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极方向，X轴指向BIH1984.0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。,２、1954年北京坐标系,1954年北京坐标系是我国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。建国前，我国没有统一的大地坐标系统，建国初期，在苏联专家的建议下，我国根据当时的具体情况，建立起了全国统一的1954年北京坐标系。该坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球。,1954年北京坐标系存在的缺点,1.克拉索夫斯基椭球参数同现代精确的椭球参数的差异较大，并且不包含表示地球物理特性的参数，因而给理论和实际工作带来了许多不便。2.椭球定向不十分明确，椭球的短半轴既不指向国际通用的CIO极，也不指向目前我国使用的JYD极。参考椭球面与我国大地水准面呈西高东低的系统性倾斜，东部高程异常达60余米，最大达67米。3.该坐标系统的大地点坐标是经过局部分区平差得到的，因此，全国的天文大地控制点实际上不能形成一个整体，区与区之间有较大的隙距，如在有的接合部中，同一点在不同区的坐标值相差1-2米，不同分区的尺度差异也很大，而且坐标传递是从东北到西北和西南，后一区是以前一区的最弱部作为坐标起算点，因而一等锁具有明显的坐标积累误差。,3、1980西安坐标系,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IAG1975年的推荐值,四、GPS的后处理测量方法,1．静态测量staticsurveying（1）方法将几台GPS接收机安置在基线端点上，保持固定不动，同步观测4颗以上卫星。可观测数个时段，每时段观测十几分钟至1小时左右。最后将观测数据输入计算机，经软件解算得各点坐标。,（2）用途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。（3）精度可达到（5mm1ppm）,2．动态测量kinematicsurveying,（1）方法先建立一个基准站，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1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，经软件解算得各点坐标。动态相对定位的作业范围一般不能超过15km。（2）用途适用于精度要求不高的碎部测量。（3）精度可达到（1020mm1ppm）,图形相对定位模式,,,静态相对定位模式,动态相对定位模式,五、GPS实时动态定位（RTK）方法,1．RTKreal-timekinematic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站间增加一套数据链，实现各点坐标的实时计算、实时输出。,,2．RTK用途适用于精度要求不高的施工放样及碎部测量。,3．作业范围目前一般为10km左右。4．精度可达到（1020mm1ppm）,