GPS原理及其应用_6_第3章
第三章-GPS定位的基本原理
位置差分 伪距差分 载波相位差分
多基准站 GPS差分
局部区域差分 广域差分 多基准站RTK
测相伪距修正法 载波相位求差法
19
3.3.1 绝对定位原理
1、测码伪距静态绝对定位 设
代入测码伪距方程
可得
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20
2021/3/30
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静态测量时,可以观测多颗卫星不同历元的观测值,故
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（5）几何精度衰减因子GDOP,包含空间位置误差和时间误差
假设测站与4颗观测卫星所构成的六面体体积为V,GDOP与V的倒数成正比。V
越大GDOP越小,精度越好。
但卫星高度角月底,电离层、对流层误差越大。
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3.3.3 相对定位原理
相对定位:采用两台以上的接收机同步观测相同的GPS卫星,以确定接收机天线间 的相互位置关系的一种方法。分为静态相对定位和动态相对定位。
周跳有两种类型: （1）中断数分钟以上,在数个历元中没有载波相位观测值; （2）周跳发生在两个观测历元之间。
周跳探测与修复方法: （1）高次差法;无周跳的高次差值具有随机特性。 （2）多项式拟合法:利用前面正确的相位观测值利用多项式外推下一
个观测值,并与实际的观测值比较,从而发现周跳。 （3）其他方法:星际差分法、残差法等。
对定位;
2）按接收机在作业中的运动状态
分类:静态定位、动态定位;
动态绝对定位、动态相对定位、
静态绝对定位、静态相对定位。
3）依照测距的观测量分类:测码伪
距法定位、测相伪距法定位。
C为光速,δt为接收机钟差
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3
3.2 GPS定位的基本观测量
《GPS原理及其应用》习题
《GPS原理及其应用》习题集第一章思考题［1］名词解释：天球；赤经；赤纬；黄道；春分点；岁差；章动；极移；世界时；原子时；协调世界时；儒略日。
［2］简述卫星大地测量的发展历史，并指出其各个发展阶段的特点。
［3］试说明GPS全球定位系统的组成。
［4］为什么说GPS卫星定位测量技术问世是测绘技术发展史上的一场革命?［5］简述GPS、GLONASS与NA VSAT三种卫星导航定位系统工作卫星星座的主要参数。
［6］简述(历元)平天球坐标系、(观测)平天球坐标系以及瞬时极(真)天球坐标系之间的差别。
［7］怎样进行岁差旋转与章动旋转?它们有什么作用?［8］为什么要进行极移旋转?怎样进行极移旋转?［9］简述协议地球坐标系的定义。
［10］试写出由大地坐标到地心空间直角坐标的变换过程。
［11］综述由(历元)平天球坐标系到协议地球坐标系的变换过程。
［12］简述恒星时、真太阳时与平太阳时的定义。
［13］什么是GPS定位测量采用的时间系统?它与协调世界时UTC有什么区别?［14］试述描述GPS卫星正常轨道运动的开普勒三大定律。
［15］试画图并用文字说明开普勒轨道6参数。
［16］简述地球人造卫星轨道运动所受到的各种摄动力。
［17］地球引力场摄动力对卫星的轨道运动有什么影响?［18］日、月引力对卫星的轨道运动有什么影响?［19］简述太阳光压产生的摄动力加速度，并说明它对卫星轨道运动有何影响?［20］综述考虑摄动力影响的GPS卫星轨道参数。
［21］试写出计算GPS卫星瞬时位置的步骤。
第二章思考题［1］名词解释：码；码元(比特)；数码率；自相关系数；信号调制；信号解调；SA技术。
［2］试说明什么是随机噪声码?什么是伪随机噪声码?［3］C/A码和P码是怎样产生的?［4］试述C/A码和P码的特点。
［5］试述伪随机噪声码测距原理。
［6］试述导航电文的组成格式。
［7］名词解释：遥测字；交接字；数据龄期；时延差改正；传输参数。
［8］简述导航电文数据块Ⅱ的主要内容。
GPS原理和应用
GPS定位原理
站在卫星角度，知道信号是什么时间发射出去的，但是不知道信号 是什么时间到达接收机的。 站在接收机角度，知道信号是什么时间收到的，但是不知道信号是 什么时间发送出来的。 接收机和卫星的时间是不同步的！！！
GPS定位原理
⊿T =⊿t -Ta , ⊿t 可以从接收机直接获得，但是Ta为未 知数。幸运的是，虽然卫星和接收机时钟不同步，但是卫 星与卫星之间的时间是同步的，或者说卫星和卫星之间的 时间差异是已知的（卫星使用原子钟非常准确，另外地面 控制系统会经常测量和校准卫星时钟偏差。这些信息可以 从卫星电文中获得），我们可以把接收机和GPS时钟的差 异Ta当成一个未知量，增加观察一颗卫星，求解四个未知 数、四个等式的方程组。 r12 = (C×(⊿t1–Ta))2 = (x–X1)2 + (y–Y1)2 + (z–Z1)2 r22 = (C×(⊿t2–Ta))2 = (x–X2)2 + (y–Y2)2 + (z–Z2)2 r32 = (C×(⊿t3–Ta))2 = (x–X3)2 + (y–Y3)2 + (z–Z3)2 r42 = (C×(⊿t4–Ta))2 = (x–X4)2 + (y–Y4)2 + (z–Z4)2
GPS原理和应用
罗果
通过获取用户到几颗卫星的距 离，计算出用户的位置！
Any more？
GPS原理和应用
• • • • GPS系统概况 GPS定位原理 AGPS GPS的应用
GPS系统概况
• GPS—Global Positioning System； • 美国国防部主导建立的军用定位系统，开放给民用，但是 定位精度比军用低； • 整个系统由地面监控系统、在轨卫星系统、用户接收机组 成； • 24颗卫星（3颗备用），6个轨道面，轨道高度约 20200km，运行速度约3.9km/s，运行周期11小时58分 钟；在地面任何时间，保证至少可以观察到4颗星，最多 可以观察到11颗星；
(完整版)(武汉大学)GPS原理及其应用
GPS原理及其应用
绪论 > 美国政府的GPS政策
美国政府的GPS政策
• SA技术（1990.3.25~2000.5.1）
– Selective Availability – 选择可用性 – 人为降低普通用户的测量精度。方法:
• ε技术：降低星历精度（加入随机变化） • δ技术：卫星钟加高频抖动
（短周期，快变化）
– 由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间经 济状况欠佳，无法及时补充新卫星，故该系统 不能维持正常工作。
– 到目前为止（2006年3月20日）,GLONASS系统 共有17颗卫星在轨。其中有11颗卫星处于工作 状态，2颗备用，4颗已过期而停止使用。俄罗 斯计划到2007年使GLONASS系统的工作卫星数 量至少达到18颗，开始发挥导航定位功能。
NAVSTAR GPS 21＋3 6 55° 20180km 12h CDMA 1575MHz
1228MHz
GPS原理及其应用
绪论 > 其它卫星导航定位系统 > GLONASS
其它卫星导航定位系统——GLONASS
• 卫星运行状况
– 从1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星起， 至1995年12月14日共发射了73颗卫星。
• 系统构成
– 卫星星座 – 地面控制部分 – 用户设备
GPS原理及其应用
P24
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其它卫星导航定位系统——GLONASS
GLONASS satellite
GLONASS constellation
GPS原理及其应用
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GPS原理及其应用
GPS测量原理及应用各章知识点总结
GPS测量原理及应用各章知识点总结桂林理工大学测绘08-1 JL（纯手打）第一章绪论1、GPS系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能。
能为各个用户提供三维坐标和时间。
2、GPS卫星位置采用WGS-84大地坐标系3、GPS经历了方案论证、系统论证、生产试验三个阶段。
整个系统包括卫星星座、地面监控部分、用户接收机部分。
4、GPS基本参数为：卫星颗数为21+3，卫星轨道面个数为6，卫星高度为20200km，轨道倾角为55度，卫星运行周期为11小时58分，在地球表面任何时刻，在高度较为15度以上，平均可同时观测到6颗有效卫星，最多可以达到9颗。
5、应用双定位系统的优越性：能同时接收到GPS和GLONASS卫星信号的接收机，简称为双系统卫星接收机。
（1）增加接收卫星数。
这样有利于在山区和城市有障碍物遮挡的地区作业（2）提高效率。
观测卫星数增加，所以求解整周模糊度的时间缩短，从而减少野外作业时间，提高了生产效率。
（3）提高定位的可靠性和精度。
因观测的卫星数增加，用于定位计算的卫星数增加，卫星几何分布也更好，所以提高了定位的可靠性和精度。
6、在GPS信号导航的定位时，为了解算测站的三维坐标，必须观测4颗（以上）卫星，称为定位星座。
7、PRN----------卫星所采用的伪随机噪声码8、在导航定位测量中，一般采用PRN编号。
9、用于捕获信号和粗略定位的为随机码叫做C/A码（又叫S码），用于精密定位的精密测距码叫P码10、GPS系统中各组成部分的作用：卫星星座1、向广大用户发送导航定位信息。
2、接收注入站发送到卫星的导航电文和其他相关信息，并通过GPS信号电路，适时的发送给广大用户。
3、接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，适时的改正运行偏差和启用备用时钟等。
地面监控系统地面监控系统包括1个主控站，3个注入站和5个监测站。
1、监测和控制卫星上的设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行。
(完整word版)GPS测量原理与应用复习资料
GPS 测量原理及应用第一章绪论•GPS 的含义：全球定位系统（GPS）是一个空基全天候导航系统，它由美国国防部开发，用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速度和时间信息的要求。
•卫星导航系统分类：①按用户接收机是否发射信号分类：无源系统、有源系统。
②按测量的参数分类：测距导航系统、测距离差导航系统、卫星多普勒导航系统、测角导航系统、混合系统。
③按卫星运行轨道高度分类：低轨道（近地轨道）、中高轨道、同步轨道。
④④按工作区域分类：全球覆盖系统、区域覆盖系统。
–北斗一号卫星导航定位系统：①北斗导航系统同时具备定位与双向通信能力，可以独立完成移动目标的定位与调度功能；GPS 系统本身不具备通信能力，需要和其他通讯系统结合才能实现移动目标的远程定位与监控功能。
②北斗导航系统是区域性导航系统；GPS系统是全球性导航系统。
③北斗导航系统是由我国自主控制；GPS系统是由美国军方控制。
–欧盟伽利略系统：①空间段：由分布在三个轨道上的30 颗中等高度轨道卫星（MEO）构成，每个轨道面上有10 颗卫星（9 颗正常工作，1 颗运行备用）；轨道面倾角56 度。
②地面段：包括全球地面控制段、全球地面任务段、全球域网、导航管理中心、地面支持设施地面管理机构。
③用户：用户端主要就是用户接收机及其同等产品，伽利略系统考虑将与GPS、GLONASS 的导航信号一起组成复合型卫星导航系统，因此用户接收机将是多用途、兼容型接收机。
–前苏联GLONASS 系统：星座轨道为3个等间距椭圆轨道，轨道面间夹角120°，轨道倾角64.8°，偏心率0.01，每个轨道上等间距地分布8颗卫星。
卫星离地高度19100km，绕地运行周期为11 时15 分，地迹重复周期为8 天，轨道同步周期17圈。
其卫星轨道倾角大于GPS卫星轨道倾角，所以在高纬度地区的可视性好。
面控制系统包括1 个系统控制中心、1 个指令跟踪站，网络分布于俄罗斯境内。
第三章GPS系统的组成与GPS信号 第四节GPS卫星信号
第三章 GPS系统的组成与GPS信号
•学习目标 •第一节 GPS定位系统的组成 •第二节 卫星的运行及其轨道 •第三节 卫星的星历与卫星位置计算 •第四节 GPS卫星信号 •第五节 GPS信号的接收 •本章小结 •思考题与习题
GPS测量定位技术
第三章 GPS系统的组成与GPS信号
3.数据码（D码）
数据码即导航电文，它包含着卫星的星历、卫星工作状态、时间 系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正、由C/A码捕 获P码的信息等。
导航电文亦是二进制数码，依规定的格式组成，按帧向外播送， 每帧电文的长度为1500bit，播送速率为50bit/s。
GPS测量定位技术
二、GPS信号的结构
GPS卫星所采用的两种测距码，即C/A码和P码（或Y码）均属于伪随机码 （PRN），这种二进制的数码序列不仅具有良好的自相关特性，而且又是一 种结构确定，可以复制的周期性序列。
（1）C/A码
C/A码的码长较短，易于捕获，但码元宽度较大，测距精度较低，所以 C/A码又称为捕获码或粗码。
C/A码的码长 ； Nu 210 1 1023 bit
GPS测量定位技术
五、导航电文
GPS卫星的导航电文主要包括
卫星星历、时钟改正、电离层时
延改正、工作状态和C/A码转换到
捕获P码的信息。将这些信息以数
据，即以二进制码的形式向用户
发送，所以导航电文又称为数据
码，即D码。D码的基本单位是包
含1500比特的一个主帧，如右图
所示，其传播速率为50bit/s。一
GPS测量定位技术
第四节 GPS卫星信号
一、GPS卫星信号的内容
图3-9 GPS信号的产生
GPS测量原理及其应用
GPS测量原理及其应用GPS（全球定位系统）是一种通过卫星定位的导航系统，它通过收集地球上的卫星信号来测量位置，并在地球上的任何地点确定准确的位置信息。
GPS测量原理基于三个基本原理：三角测量、卫星运行轨道和卫星钟。
第一个原理是三角测量。
GPS接收器收到至少三个卫星的信号，通过测量这些信号的传播时间和卫星的位置信息，可以确定接收器的位置。
这是因为，接收器到达每个卫星的距离是已知的，而通过测量信号的传播时间，可以计算出接收器与每个卫星之间的距离。
通过三角测量原理，可以确定接收器的位置是三个卫星的交叉点。
第二个原理是卫星运行轨道。
GPS卫星的运行轨道是已知的，因此接收器可以测量每个卫星在任何时间的位置。
通过这些已知的卫星位置，接收器可以计算接收器到每个卫星的距离，并进一步确定接收器的位置。
第三个原理是卫星钟。
GPS卫星上搭载了高精度的原子钟，接收器会测量接收到的卫星信号的传播时间，并与卫星信号发送时的时间进行比较。
通过这些时间的差异，接收器可以计算出信号传播的距离。
GPS技术具有广泛的应用。
首先，GPS在导航领域有着重要的应用。
人们可以使用GPS接收器在车辆导航和航海中定位和导航。
此外，在物流和运输行业中，GPS可以帮助跟踪和监控货物的位置和运输进程。
在野外探险和登山等户外活动中，GPS可以帮助人们确定自己的位置，并找到最佳航线。
此外，GPS还应用于军事导航和空中交通控制等方面。
除了导航外，GPS还用于地球测量和地质勘探。
通过跟踪接收器的位置，可以精确测量大地构造和板块运动。
这对于研究地震和火山等自然现象，以及制定地震预警系统非常重要。
此外，GPS还用于测量湖泊和河流的水位变化，监测冰川和地壳运动，以及监控建筑物和桥梁的变形。
另外，GPS技术也被广泛应用于气象学。
通过在不同地点收集大气层的GPS观测数据，可以精确测量和预测大气的湿度、温度和压力等参数。
这对于天气预报和气候变化研究非常重要。
总之，GPS测量原理是基于三角测量、卫星运行轨道和卫星钟的原理。
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GPS的地面监控部分④
• 主控站（1个）
– 作用：
• 管理、协调地面监控系统各 部分的工作; • 收集各监测站的数据，编制 导航电文，送往注入站将卫 星星历注入卫星; • 监控卫星状态，向卫星发送 控制指令； • 卫星维护与异常情况的处 理。
– 地点：美国科罗拉多州法尔 孔空军基地。
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GPS原理及其应用
– 空间部分 – 地面控制部分 – 用户设备部分
4
GPS原理及其应用
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的空间部分
GPS的空间部分①
• GPS的空间部分的组成 • 6个轨道面
– GPS卫星星座
• 平均轨道高度 20200km • 轨道倾角55 ° • 周期11h 58min
5
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GPS原理及其应用
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GPS原理及其应用
14
GPS原理及其பைடு நூலகம்用
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GPS原理及其应用
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的地面监控部分
GPS的地面监控部分 ①
• 地面监控部分 （Ground Segment）
– 组成
• 主控站：1个 • 监测站：6个 • 注入站：3个 • 通讯与辅助系统
GPS卫 星
主控站 监测站 注入站
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GPS原理及其应用
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的地面监控部分
GPS的地面监控部分②
• 地面监控部分 （Ground Segment）（续）
– 分布
大 西 洋
印 度 洋
太 平 洋
主控站
监测站 注入站
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GPS原理及其应用
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的地面监控部分
GPS的用户部分⑥
• 接收单元
– 接收（信号）通道
• 定义：接收机中用来跟踪、处理、量测卫星信号的部件，由无 线电元器件、数字电路等硬件和专用软件所组成。 • 类型：根据信号跟踪方式：序贯通道、多路复用通道和多通 道；根据工作原理：码相关通道、平方律通道等
– 存储器 – 微处理器
• 作用：数据处理、控制
GPS天线
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GPS原理及其应用
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的用户部分 L1的平 均相位 中心 L2的平 均相位 中心
GPS的用户部分⑤
• 天线单元
– 天线特性 – 相位中心
• 平均相位中心与几何中心 • 相位中心的偏移 • 相位中心偏移的消除：归心 改正、消去法 • 天线高 – 标志至平均相位中 心所在平面的垂直距离
GPS的地面监控部分⑤ • 注入站（3个）
– 作用： 将导航电文注入 GPS卫星。 – 地点： 阿松森群岛（大西 洋）、迪戈加西亚 （印度洋）和卡瓦 加兰（太平洋）
20
GPS原理及其应用
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的用户部分
GPS的用户部分①
• 组成
– 用户 – 接收设备
GPS的空间部分③
7
GPS原理及其应用
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的空间部分
GPS的空间部分④
• GPS卫星的地面轨迹
8
GPS原理及其应用
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的空间部分
GPS的空间部分⑤
• GPS卫星
– 作用：
• 接收、存储导航电文 • 生成用于导航定位的信号（测距码、载波） • 发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测 距码和导航电文） • 接受地面指令，进行相应操作 • 其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。
– 主要设备
• 太阳能电池板 • 原子钟（2台铯钟、2台铷钟） • 信号生成与发射装置
9
GPS原理及其应用
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的空间部分
GPS的空间部分⑥
• GPS卫星（续）
– 类型
• 试验卫星：Block Ⅰ • 工作卫星：Block Ⅱ
– Block Ⅱ：存储星历能力为14天，具有SA和AS能力 – Block ⅡA （Advanced）：卫星间可相互通讯，存储星历能 力为180天，SV35和SV36带有激光反射棱镜 – Block ⅡR （Replacement/Replenishment）：卫星间可相互 跟踪相互通讯 – Block ⅡF（Follow On）：新一代的GPS卫星,增设第三民用 频率
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的地面监控部分
GPS的地面监控部分③ • 监测站
– 作用： 接收卫星数据， 采集气象信息， 并将所收集到的 数据传送给主控 站。 – 地点 – 1997年后，共有 17个监测站
19
GPS原理及其应用
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的地面监控部分
GPS原理及其应用
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的空间部分
GPS的空间部分②
• GPS卫星星座
– 设计星座：21+3 – 21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星 – 保证在每天24小时的任何时刻，在高度角15°以 上，能够同时观测到4颗以上卫星
6
GPS原理及其应用
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的空间部分
GPS原理及其应用 主讲：徐晓华
武汉大学 测绘学院 GPS原理及其应用课程组
GPS原理及其应用
第三章
全球定位系统的组成及信号结构
§3.1 全球定位系统的组成
2
GPS原理及其应用
§3.1 全球定位系统的组成
3
GPS原理及其应用
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成
GPS的系统组成
• GPS系统由三部分组成
接收单元
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GPS原理及其应用
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的用户部分
GPS的用户部分 ③
• 天线单元
– 类型
• 单极天线 • 微带天线 • 锥形（螺旋）天线
– 四丝螺旋天线 – 空间螺旋天线
单极天线
四丝螺旋天线 背腔平面盘旋天线
• 背腔平面盘旋天线
微带天线 空间螺旋天线
GPS的空间部分⑧
• 当前的卫星状态
SUBJ: GPS STATUS 26 MAR 2004 (CS=CESIUM RB=RUBIDIUM): 5, B4, CS, 21, D3, RB, 6, C1, RB, 22, E2, RB, 7, C4, RB, 24, D1, CS, 8, A3, RB, 25, A2, CS, 9, A1, CS, 26, F2, RB, 10, E3, CS, 27, A4, RB, 11, D2, RB, 28, B3, RB, 13, F3, RB, 29, F5, RB, 14, F1, RB, 30, B2, RB, 15 D5 CS 31 C3 RB 1. SATELLITES, PLANES, AND CLOCKS A. BLOCK I : NONE B. BLOCK II: PRNS 1, 2, 3, 4, PLANE : SLOT F4, B5, C2, D4, CLOCK : CS, CS, CS, RB, BLOCK II: PRNS 16, 17, 18, 20, PLANE : SLOT B1, D6, E4, E1, CLOCK : RB, RB, RB, RB,
• 接收设备
– GPS信号接收机 – 其它仪器设备
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GPS原理及其应用
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的用户部分
GPS的用户部分②
• GPS信号接收机
– 组成
• 天线单元
– 带前置放大器 – 接收天线
天线单元
• 接收单元
– – – – – 信号通道 存储器 微处理器 输入输出设备 电源
10
GPS原理及其应用
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的空间部分
GPS的空间部分⑦
Block IIA Block IIA Block IIR
Block IIR
Block IIR
Block IIF
11
不同类型的GPS卫星
GPS原理及其应用
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的空间部分
θ1 r r2
1
θ2
X 几何中心 = X 平均相位中心 − r ⋅ cosθ Y几何中心 = Y平均相位中心 − r ⋅ sinθ
ΔH R H H’ H’
h
H = H '+ ΔH = h 2 − R 2 + ΔH
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GPS原理及其应用
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的用户部分
天线
信号 通道
前置放大器 观测值
– 输入输出设备 – 电源
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GPS原理及其应用
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的用户部分
GPS的用户部分⑦
信号通道
存储器
微处理器
输入输出
电源
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