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GPS定位原理解析
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GPS定位技术在工程技术中的应用全球和国家大地控制网的建设工程施工测量、精密监测中的应用在通信工程、电力工程中的应用（时间）在交通、监控、智能交通中的应用在测绘中的应用海陆空运动载体（车、船、飞机）导航国家高精度GPS网大坝外观变形GPS自动化监测系统飞机导航车辆监控系统在测绘中的应用GPS定位技术在工程技术中的应用大桥安全监测高层建筑物“风动”和沉降监测海底电缆铺设GPS定位技术在工程技术中的应用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卫星定轨飞机、战车、火箭的定位导航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GPS手表动物跟踪GPS用于精细农业与其他导航定位系统联合导航定位与地理信息系统GIS、遥感RS等组成一个综合应用系统，即“3S”集成技术(四)GPS应用未来发展趋势[节]要点 GPS的特性
受美国控制
作用是用于导航、定位和授时
全天侯、连续、实时、三维[节]要点 GPS的特性
受美国控制
作用是用于导航、定位和授时
全天侯、连续、实时、三维*28*29****32**********6.GPS的数据处理数据传输基线向量解算闭合环检核(同步环和异步环)重复基线检核WGS-84自由网平差和三维约束平差二维约束平差(在C80或C54坐标系)高程拟合7.GPS高程拟合测量中常用的高程系统有大地高系统、正高系统、正常高系统大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统。某点的大地高是该点到参考椭球面的垂直距离。大地高也称为椭球高，一般用H表示。正高系统是以大地水准面为基准面的高程系统。某点的正高是该点到大地水准面的垂直距离，一般用符号Hg表示。正常高系统是以似大地水准面为基准面的高程系统。某点的正常高是该点到似大地水准面的垂直距离高程系统间的转换EllipsoidhPTopographyHGeoidN似大地水准面到参考椭球面的距离称为高程异常，似大地水准面不规则，造成了各地高程异常值的不确定性。GPS高程拟合的方法在国内一般适用高程拟合法求水准高。已知点为一个把已知点上的高程异常改正到其它点上去已知点为两个定义了高程平差面，此平面沿着直线方向前进已知点为三个定义了高程平差面多于三个二次曲面拟合定义了曲面二、实时动态测量（RTK）的工作原理1、实时动态测量（RTK）的工作原理RTK的工作原理是将一台接收机置于基准站上，另一台或几台接收机置于载体(称为流动站)上，基准站和流动站同一时间、接收同一组GPS卫星发射的信号，基准站所获得的观测值与已知位置信息进行比较，得到GPS差分改正值。然后将这个改正值通过无线电数据链电台及时传递给共视卫星的流动站精化其GPS观测值，从而得到经差分改正后流动站较准确的实时位置。　2、RTK的系统组成　　我们以美国天宝导航有限公司生产的4800GPS双频接收机为例介绍RTK系统组成。　　天宝RTK系统由两部分组成，如图所示。1）基准站组成和作用RTK系统基准站由基准站GPS接收机及卫星接收天线、无线电数据链电台及发射天线、直流电源等组成，如图所示。其作用为流动站提供差分所需要的观测值和已知点基准参数信息2）RTK流动站的组成和作用　　流动站的UHF电台接收基准站的信号，同时也接收相同的卫星信号，用配备的控制器进行实时解算。　　流动站数据链电台的功率为2W，其电源和卫星接收机共用，不需另配电池。　　基准站GPS接收机与电台之间的数据传输波特率为38400，电台与流动站GPS接收机之间的数据传输波特率为4800，流动站中的UHF数据链电台与流动站GPS接收机之间的数据传输波特率为38400。3、RTK野外操作方法因轨道误差、钟差、电离层折射及对流层折射的影响在实际的数据处理中一般采用双差观测值方程来解算。具体操作程序如下：1）流动站的初始化即运动载体处于静止状态时与地面基准站一起通过“初始化”来确定整周模糊度，然后运动载体开始运动，进行定位。载体在运动过程中接收机必须保持对卫星信号的连续跟踪，一旦信号失锁又无法修复时，就需要重新进行初始化。2)调试数据链GPS-RTK作业能否顺利进行，关键因素是无线电数据链的稳定性和作用距离是否满足要求。它与无线电数据链电台本身的性能、发射天线类型、参考站的选址、设备架设情况以及无线电电磁环境等有关。　　一般数据链电台采用400MHz～480MHz高频载波发送数据，而高频无线电信号是沿直线传播的，这就要求参考站发射天线和流动站接收天线之间没有遮挡信号的障碍物。这些障碍物在陆地上主要是建筑物、无线电信号发射台等，在海上则主要是地球曲率的影响。　　为了尽量避免参考站设备之间的干扰，在GPS-RTK作业时，大于25W的数据链
正在加载中，请稍后...第五章 GPS卫星定位基本原理
&&&&&《GPS测量原理及应用》授课教案
&&&&&&&第五章
GPS卫星定位基本原理
教学内容：本章首先介绍了GPS卫星定位基本原理，然后介绍了伪距测量原理及其观测方程的建立、载波相位测量原理及其观测方程的建立，以及载波相位测量中的周跳探测方法、整周模糊度的固定方法，阐述了静态绝对定位和静态相对定位的数学模型，介绍了SA技术和AS技术及其对策，最后介绍了三种差分GPS定位模式的定位原理。
教学重点：
1） GPS卫星定位基本原理的理解；
2） 伪距测量原理的理解及其观测方程的建立方法；
3） 载波相位测量原理的理解及其观测方程的建立方法；
4） 载波相位测量中的周跳探测原理及周跳探测的检验量的构造；
5） 整周模糊度的固定方法；
6） 如何建立静态绝对定位和静态相对定位的数学模型；
7） 介绍差分GPS定位原理。
教学难点：
1） 如何建立伪距测量的观测方程；
2） 如何建立载波相位测量观测方程；
3） 对周跳探测的检验量的理解；
4） 理解整周模糊度实数解和整数解的意义；
5） 如何建立静态相对定位的数学模型。
教学方法：课堂教学为主，充分利用网络课程中的多媒体素材来表示抽象概念，辅以课内实验教学来加深对课堂所学知识的理解和应用。课后通过浏览GPS辅导教学网站加深对所学知识的理解。
教学要求：重点掌握伪距测量、载波相位测量原理及其观测方程的建立，掌握载波相位测量中的周跳探测方法、整周模糊度的固定方法，以及静态绝对定位和静态相对定位的数学模型，了解SA技术和AS技术及其对策，以及差分GPS定位定位原理。
通讯地址：湖南长沙中南大学信息物理工程学院测绘与国土信息工程系　邮政编码：410083
电话号码：86-731-8879515　河北科技大学；级研究生考试试卷；学号：姓名：学院：；专业及研究方向：通信与信息系统；考试科目：；考试时间：学时及学分：学分；GPS定位原理；根据地面接收机的运动状态GPS定位分为静态定位和；GPS绝对定位的基本原理是：以GPS卫星和用户接；一、测距方法；距离测量主要采用两种方法：一种是测量GPS卫星发；1、伪测距法；利用测距码(C/A码、P码、Y码)测定卫星
河北科技大学
级研究生考试试卷
学号：姓名： 学院：
专业及研究方向：
通信与信息系统
考试科目：
考试时间： 学时及学分： 学分
GPS定位原理
根据地面接收机的运动状态GPS定位分为静态定位和动态定位，静态定位是指接收机位置在固定不动的待定点观测数分钟或更长时间，来确定该点的三维坐标，又称为绝对定位。将2台以上接收机放置在不同点上，通过一段时间观测确定点间的相对位置关系，称为相对定位。动态定位的原理和静态定位基本相同，所以文中重点介绍静态定位的各种方法。
GPS绝对定位的基本原理是：以GPS卫星和用户接收机天线之间的距离观测量为基准，根据已知的卫星瞬时坐标来确定用户接收机天线对应的位置。在GPS定位过程中，卫星是高速运动的，其坐标值随时间在快速变化。需要实时由GPS卫星信号测量出接收机和卫星之间的距离，实时了解卫星的坐标值，并进行被测点的定位。
一、测距方法
距离测量主要采用两种方法：一种是测量GPS卫星发射的测距码信号到达接收机的传播距离，即伪测距法；另外一种是测量具有载波多普勒频移的载波信号与接收机产生的载波信号间的相位差，即载波相位测量。
1、伪测距法
利用测距码(C/A 码、P码、Y码)测定卫星到接收机的距离，实际是测量卫星发射的测码信号到接收机天线的传播时间后，再换算出来。
? ? ? c由时间差得到星站距离
? t ? c ，通常GPS卫星的钟差可从卫星发播的
导航电文中获得，经钟差改正后，各卫星之间的时间同步差可保持在20ns以内。如果忽略卫星钟差影响，并考虑电离层、对流层折射影响，可得测码伪距观测方程的常用形式
2、载波相位测量
载波是由卫星发射，搭载有测距码、导航电文等信号的调制波，在到达接收机后，由接收机解调、恢复的载波，是单纯的正弦波。
考虑整周变化部分与不足整周部分之和，并考虑接收机钟差，并考虑电离层
和对流层改正后线性化，则载波相位观测方程为
~j??j?c?t(t)??jI(t)??jT(t?iiiigi
????ti??akj?X?bkj?Y?ckj?Z?c?t?ti??N?t0????l0
采用伪距测量定位的速度相对较快，而采用载波相位观测精度相对较高。
二、定位方法
定位方法按照定位模式分为单点定位、相对定位和差分定位。如果只使用一
台接收机，称为单点定位。单点定位得到的结果是某个规定坐标系下的绝对坐标。单点定位观测和数据处理简单，但受卫星星历误差、大气延时影响较大，定位精度低。相对定位的结果是同步跟踪站之间的向量关系，不含位置基准，定位精度高。但数据处理复杂不能直接获得绝对坐标。差分定位：以某个已知精确位置的点为基准点，通过观测获得与基准点相关的观测数据，求出与已知点之间的位置关系，然后确定待定点的位置。根据试用范围，差分定位有局域差分和广域差分。
GPS的基本定位原理是:以高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据,卫
星不间断地发送自身的星历参数和时间信息用户接收到这些信息后,采用空间距离后方交会的方法计算求出接收机的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息。对于需定位的每一点来说都包含有4 个未知数:该点三维地心坐标和卫星接收机的时钟差,故GPS 定位至少需要4 颗卫星的观测来进行计算。如图
解此方程即可得到需定位点的坐标从而得到了定位。而实际上星历参数(x、
y、z)和时间信t的确定是一个非常复杂的过程，它的误差直接影响GPs定位系统的精确度。
1、单点定位
单点定位的结果与卫星星历同属于一个坐标系，按基本观测分为伪距测量和
伪相测量，下面分别介绍这两种方法。
(1)、单点伪距测量
单点伪距测量就是用一台GPS接收机，接收4个以上卫星信号，用伪距法测得距离。下式是伪距定位方程，m&4
1111 ?v1?a?X?b?Y?c?Z?c?t?lkkkkk ?22222vk?ak?X?bk?Y?ck?Z?c?t?lk? ? ??? mmmmm?v?a?X?b?Y?c?Z?
c?t?lkkkkk?
式中四个未知数用以上方程组求解，用矩阵表示是 V?akX?Lk
?1T其中 ??X??aaLkk1111?vk? ?abc1?kkk?? ?2?222?vk? ?akbkck1?V????ak??? ???????? mmmm?a??v? bc1kkk???k?
1?lk???X? ?2??? ?lk???Y?Lk??? X??????Z ????lm??? c??t?k???
接收机相对于地面固定不动。一般每隔5、10或15秒观测一次（一个历元）。
观测卫星数m，历元数n，则观测值的个数为m.n个，观测方程的个数也为m.n个。如观测时间较短，不考虑接收机钟差变化，则需解4个未知数。方程式的形式与动态定位相似。
?Lkt1??akt1??? ???Lkt2? ?akt2?Lk??Ak??? ????? ????Lt??kn?? ?aktn?
?1TT则误差方程的矩阵形式为 Vk?AkX?Lk X??AkAkAkLk被测点初始坐标经过误差修正后的坐标 k??????????????
在以上的误差方程中，嘉定接收机时钟差t是不变的，但是当观测时间较长
时，时钟差是随时间变化的。解决方法是将时钟差表示成多项式，并作为未知数，在解算方程时同时求出。
(2)、单点伪相测量
与伪距测量相比，伪相测量多了一个整周期未知数，其余各项均完全相同。要确定整周期就要求接收机保持对卫星连续跟踪，然而保持对卫星的连续跟踪是比较困难的，因此，静态绝对定位中主要采用伪距测量的方法。
(3)、定位精度分析
定位的精度除了与观测量的精度有关外，还和矩阵A有关。A由观测方向的方向余弦构成，与所观测卫星的几何位置有关。影响精度的因子分为高度因子、平面位置因子、几何精度因子等。在相同观测精度下，几何精度越小，定位精度越高，反之越低。为了达到一定精度，在星历预报中包含了对精度因子的预报。
2、相对定位
相对定位原理：用两台接接收机分别安置在基线的两个端点，其位置静止不动，同步观测相同的4颗以上卫星，确定两个端点在协议地球坐标系中的相对位置。静态相对定位一般均采用载波相位观测值（或测相伪距）为基本观测量，对中等长度的基线（100-500km），相对定位精度可达10-6-10-7甚至更好，静态相对定位是目前GPS精度最高的定位方式。
在载波相位观测的数据处理中，为可靠地确定载波相位整周未知数，静态相对定位一般需要较长的观测时间（1.0-1.5小时），如何缩短观测时间，是研究和关心的热点。缩短静态相对定位的观测时间关键在于快速而可靠地确定整周未知数。在高精度静态相对定位中，当仅有两台接收机时，一般应考虑将单独测定的基线向量联结成向量网（三角网或导线网），以增强几何强度，改善定位精度。当有多台接收机时，应采用网定位方式，可检核和控制多种误差对观测量的影响，明显提高定位精度。
由于当距离不太远的两个测站同步观测相同卫星时GPS的各种观测误差具有较强的相关性，所以一种简单而有效的消除或减弱误差的方法就是将GPS的各种观测量进行不同的线形组合。然后作为相对定位的相关观测量。
优点：消除或减弱一些具有系统性误差的影响，如卫星轨道误差、钟差和大气折射误差等；减少平差计算中未知数的个数。
根据求差次数的不同分为单差、双差和三差。
基本观测量及其线性组合：假设安置在基线端点的接收机Ti(i=1,2)，对GPS卫星sj和sk，于历元t1和t2进行了同步观测，可以得到如下的载波相位观测量：?1j(t1)、 ?1j(t2) 、 ?1k(t1) 、 ? 1k(t2)、 ?2j(t1) 、 ? 2j(t2)、 ? 2k(t1)、 ?2k(t2)。若取符号??j(t)、??i(t)和??ij(t)分别表示不同接收机之间、不同卫星之间和不同观测历元之间的观测量之差，则有
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GPS定位原理及应用
图书作者：小兰
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图书介绍：
&&&&&&& GPS全球卫星定位系统(Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System)是美国国防部为满足军事部门对海上、陆上和空中进行高精度导航和定位要求而建立的。该系统始建于1973年，1994年全部建成。它具有全球性、全天候、实时连续的三维导航和定位能力，以及良好的抗干扰性和保密性，是世界上新一代卫星导航与定位系统，已成为美国导航技术现代化的重要标志。
　　GPS导航定位系统不仅用于军事上各种兵种和武器的导航定位，而且在民用上也有着越来越广泛的应用。如智能交通系统中的车辆导航、车辆管理和救援，民用飞机和船只导航和姿态测量，大气参数测试，地震和地球板块运动监测，地球动力学研究，大地测量等。GPS测量定位技术以其自动化程度高、定位速度快、成本低、不受天气因素影响、测点间无须通视、不建觇标等优越性和仪器轻巧、操作方便、定位测量精度高等优点，被广泛应用于我国测绘行业和各种工程建设的测量中，带来了我国测绘技术的一场深刻变革，使我国测绘行业步入了现代化的时代。GPS定位原理与技术已是测绘工程专业和相关专业本科生必须掌握和具备的专业基础理论知识和技术。
　　GPS测量原理及应用是测绘工程专业一门必修的专业基础课，是地理信息系统等相关专业的选修课，同时还作为一门文化素质课面向全校各专业开出。
章节列表：
第1章 绪论
第2章 坐标系统和时间系统
第3章 卫星运动基础及GPS卫星星历
第4章 GPS卫星的导航电文和卫星信号
第5章 GPS卫星定位基本原理
第6章 GPS动态测量
第7章 GPS测量的误差来源及其影响
第8章 GPS测量的设计与实施
第9章 GPS测量数据处理
第10章 GPS应用
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