GPS导航定位原理介绍.ppt

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1、Slide 1 定位方法分类 按参考点的不同位臵划分为： （ 1）绝对定位（单点定位）：在地球协议坐 标系中，确定观测站相对地球质心的位臵。 （ 2）相对定位：在地球协议坐标系中，确定 观测站与地面某一参考点之间的相对位臵。 GPS定位方法分类 Slide 2 按用户接收机作业时所处的状态划分： （ 1）静态定位：在定位过程中，接收机位臵 静止不动，是固定的。静止状态只是相对的， 在卫星大地测量中的静止状态通常是指待定点 的位臵相对其周围点位没有发生变化，或变化 极其缓慢，以致在观测期内可以忽略。 （ 2）动态定位：在定位过程中，接收机天线 处于运动状态。 在绝对定位和相对定位中，又都包含静态

2、和动 态两种形式。 GPS定位方法分类 Slide 3 GPS观测量的基本概念 无论采取何种 GPS定位方法，都是通过 观测 GPS卫星而获得某种观测量来实现 的。 GPS卫星信号含有多种定位信息， 根据不同的要求，可以从中获得不同的 观测量，主要包括： 根据码相位观测得出的伪距。 根据载波相位观测得出的伪距。 由积分多普勒计数得出的伪距。 由干涉法测量得出的时间延迟。 Slide 4 GPS观测量的基本概念 采用积分多普勒计数法进行定位时，所需 观测时间较长，一般数小时，同时观测过 程中，要求接收机的震荡器保持高度稳定。 干涉法测量时，所需设备较昂贵，数据处 理复杂。 这两种方法在 GPS定

3、位中，尚难以获得广 泛应用。 目前广泛应用的基本观测量主要有码相位 观测量和载波相位观测量。 Slide 5 GPS伪距测量 伪距法定位是由 GPS接收机在某一时刻测 出的到四颗以上 GPS卫星的伪距以及已知 的卫星位臵，采用距离交会的方法（原理 与观测方程将随后介绍）求定接收机天线 所在点的三维坐标。 Slide 6 什么叫伪距？ 所测伪距就是由卫星发射的测距码信号到 达 GPS接收机的传播时间乘以光速所得出 的量测距离。由于卫星时钟、接收机时钟 的误差以及无线电信号经过电离层和对流 层中的延迟，实际测出的距离与卫星到接 收机的几何距离有一定差值，因此一般称 量测出的距离为伪距。 用 C/A

4、码进行测量的伪距为 C/A码伪距， 用 P码测量的伪距为 P码伪距。 Slide 7 伪距法定位特点 伪距法定位虽然一次定位精度不高， P码 定位误差约为 10m， C/A码定位误差为 20-30m， 但因其具有定位速度快，且无 多值性问题等优点，仍然是 GPS定位系统 进行导航的最基本方法。同时，所测伪距 又可作为载波相位测量中解决整波数不确 定问题（整周模糊度）的辅助资料。 Slide 8 sj(t1) sj(t2) X Y Z Yi Xi Zi ij(t1) ij(t2) GPS定位的几何关系 Slide 9 伪距定位观测方程 假设卫星至观测站的几何距离为 ij， 在忽略 大气影响的情况

5、下可得相应的伪距： jijijijijiji tctccct 当卫星钟与接收机钟严格同步时，上式所确 定的伪距即为站星几何距离。 为伪距， 为真正几何距离， 为接收机和卫星之间钟 差。 ji ji jit Slide 10 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 卫星之间钟差影响，并考虑电离层、对流层 折射影响，可得： 伪距定位观测方程 )()()( tTtIttc jigjiijiji Slide 11 伪距定位观测方程 几何距离 与卫星坐标（ Xs, Ys, Zs） 和 接收机坐标（ X,Y,Z） 之间有

6、如下关系： 2222 ZZYYXX sss 其中卫星坐标可根据卫星导航电文求得，所 以式中只包含接收机坐标三个未知数。由于 电离层改正数和对流层改正数可以按照一定 的模型求解出，那么如果将接收机钟差 也作为未知数，则共有四个未知数。因此， 接收机必须同时至少测定四颗卫星的距离才 能解算出接收机的三维坐标值。 kt Slide 12 测码伪距观测方程的常用形式如下： 伪距定位观测方程 式中 j为卫星数， j 1， 2， 3 。 )()( 2/1222 tTtI tcZZYYXX j ig j i j isss Slide 13 第三部分 GPS导航定位原理 伪距测量 载波相位测量 绝对定位和相对

7、定位 导航原理与方法 GPS测量误差来源 Slide 14 GPS载波相位测量 载波相位测量是测量接收机接收到的具有多 普勒频移的载波信号，与接收机产生的参考 载波信号之间的相位差，通过相位差来求解 接收机位臵。 由于载波的波长远小于码长， C/A码码元宽 度 293m， P 码码元宽度 29.3m， 而 L1载波 波长为 19.03cm， L2载波波长为 24.42cm， 在分辨率相同的情况下， L1载波的观测误 差约为 2.0mm， L2载波的观测误差约为 2.5mm。 而 C/A码观测精度为 2.9m， P码 为 0.29m。 载波相位观测是目前最精确的观测方法。 Slide 15 载波

8、相位观测的主要问题：无法直接测定卫 星载波信号在传播路径上相位变化的整周数 ，存在整周不确定性问题。此外，在接收机 跟踪 GPS卫星进行观测过程中，常常由于接 收机天线被遮挡、外界噪声信号干扰等原因 ，还可能产生整周跳变现象。有关整周不确 定性问题，通常可通过适当数据处理而解决 ，但将使数据处理复杂化。 载波相位测量的主要问题 Slide 16 载波相位测量观测方程 载波相位观测的的观测量是 GPS接收机所接 收的卫星载波信号与接收机本振参考信号的 相位差。以 表示 k接收机在接收机钟 面时刻 tk时所接受到的 j卫星载波信号的相位 值， 表示 k接收机在钟面时刻 tk时所产 生的本地参考信号

9、的相位值，则 k接收机在 接收机钟面时刻 tk时观测 j卫星所取得的相位 观测量可写为： kjk t kk t kkkjkkjk ttt Slide 17 载波相位测量观测方程 通常的相位测量或 相位差测量只是测 出一周以内的相位 值，实际测量中， 如果对整周进行计 数，则自某一初始 取样时刻（ t0） 以 后就可以取得连续 的相位观测值。 Sj(t0) Sj(ti) 0 N0 k N0 Int( ) i Slide 18 载波相位测量观测方程 t0 时刻和 tk 时刻的相位观测值可以写成： jkjkjk Nttt 0000 I n tNttt jikijkijk 0 接收机在跟踪卫星信号时，

10、不断测定小于 一周的相位差，并利用整周计数器记录从 t0 到 tk 时间内的整周数变化量 Int()， 这 一时间段内，要求卫星信号没有中断。如 果过程中卫星失锁了，那要采取其他方法 进行处理。 Slide 19 载波相位测量观测方程 载波相位观测量是接收机和卫星位臵的函数 ，只有得到了它们之间的函数关系，才能从 观测量中求解接收机的位臵。 前述的相位差观测量都是时间的函数，那么 如何引入接收机和卫星位臵？ 卫星信号从卫星传播到接收机需要一定时间 ，称为传播延迟 kj(T)。 在地固坐标系中， 传播延迟是接收机与卫星位臵的函数，也是 时间的函数。 TttcTttT jkkkjkjkkkjkjk

11、 /1 Slide 20 载波相位测量观测方程 将载波相位观测量方程展开，表达为时间、 卫星至接收机的距离、载波频率的函数，同 时考虑电离层和对流层对卫星信号传播的影 响，并做一定简化，可以得到载波相位测量 的观测方程： )()()( )()()( 1 1)( 1 1)()( 0tNtTtI c f ttfttt c ft c t c f t j k j kp j k j k j k j k j ki j k Slide 21 整周未知数和整周跳变 确定整周未知数 N0是载波相位测量的一项 重要工作，常用的方法有下列几种： 1、伪距法 2、经典方法将整周未知数作为待定参数 求解 3、多普勒法（

12、三差法） 4、快速确定整周未知数法 Slide 22 整周未知数和整周跳变 1、伪距法 伪距法是在进行载波相位测量的同时又进 行了伪距测量，将伪距观测值减去载波相 位测量的实际观测值（化为以距离为单位 ）后即可得到 N0。 但由于伪距测量的 精度较低，所以要有较多的观测值取平均 值后才能获得正确的整波段数。 Slide 23 整周未知数和整周跳变 2、经典方法 把整周未知数当作平差计算中的待定参数来加 以估计和确定。分两种方法： （ 1）整数解 由于误差影响，解得得整周未知数往往不是一 个整数，然后将其固定为整数，并重新进行平 差计算。也称为固定解（ fixed solution） （ 2）实

13、数解 当误差消除得不够完全时，整周未知数无法估 计很准确，此时直接将实数解作为最后解。也 称为浮点解（ floating solution） Slide 24 整周未知数和整周跳变 3、多普勒法（三差法） 由于连续跟踪的所有载波相位测量观测值中均 含有相同的整周未知数，所以将相邻两个观测 历元的载波相位相减，就将该未知数消去，从 而直接接触坐标参数，这就是多普勒法。 由于三差法可以消除许多误差，所以使用较广 泛。 Slide 25 整周未知数和整周跳变 4、快速确定整周位臵数法 1990年 E.Frei和 G.Beutler提出了快速模糊度 （即整周未知数）解算法进行快速定位的方法 。采用这种

14、方法进行短基线定位时，利用双频 接收机只需观测一分钟便能成功的确定整周未 知数。 Slide 26 整周未知数和整周跳变 如果在跟踪卫星过程中，由于某种原因，如 卫星信号被障碍物挡住而暂时中断，受无线 电信号干扰造成失锁，这样计数器无法连续 计数，因此，当信号重新被跟踪后，整周计 数就不正确，但是不到一个整周的相位观测 值仍是正确的，这种现象称为周跳。 Slide 27 整周未知数和整周跳变 周跳的出现和处理是载波相位测量中的重要 问题，整周跳变的探测与修复常用的方法有 下列几种方法： 1、屏幕扫描法（也就是手工编辑） 2、多项式拟合法 3、卫星间求差法 4、根据平差后的残差发现和修复整周跳变

15、 关于周跳探测与回复的方法，此处不进行详 细介绍，可参见有关参考资料。 Slide 28 第三部分 GPS导航定位原理 伪距测量 载波相位测量 绝对定位和相对定位 导航原理与方法 GPS测量误差来源 Slide 29 绝对定位也称单点定位，是指在协议地球坐 标系中，直接确定观测站相对于坐标原点（ 地球质心）绝对坐标的一种方法。 绝对定位的基本原理：以 GPS卫星和用户接 收机天线之间的距离（或距离差）观测量为 基础，根据已知的卫星瞬时坐标，来确定接 收机天线所对应的点位，即观测站的位臵。 GPS绝对定位方法的实质是测量学中的空间 距离后方交会。原则上观测站位于以 3颗卫 星为球心，相应距离为半

16、径的球与观测站所 在平面交线的交点上。 绝对定位方法概述 Slide 30 GPS相对定位也叫差分 GPS定位，是至少用两台 GPS接收机，同步观测相同的 GPS卫星，确定两 台接收机天线之间的相对位臵（坐标差）。 相对定位时，用两台接收机分别安臵在基线的两 端，同步观测相同的 GPS卫星，以确定基线端点 的相对位臵或基线向量。同样，多台接收机安臵 在若干条基线的端点，通过同步观测 GPS卫星可 以确定多条基线向量。在一个端点坐标已知的情 况下，可以用基线向量推求另一待定点的坐标。 相对定位是目前 GPS定位中精度最高的一种定位 方法。 相对定位方法概述 Slide 31 绝对定位可根据天线所

17、处的状态分为动 态绝对定位和静态绝对定位。无论动态 还是静态，绝对定位所依据的观测量都 是所测的站星伪距。动态定位将在后面 的导航部分讲述。 静态绝对定位可以根据伪距观测量或载 波相位观测量来进行。 静态绝对定位 Slide 32 利用伪距观测量进行静态绝对定位时，通过 连续地在不同历元观测不同的卫星，测定卫 星到观测站的伪距，获得充分的多余观测量 ，然后利用伪距测量的观测方程进行求解。 首先将伪距观测方程线性化，展开后进行解 算并求定误差。 利用伪距进行静态绝对定位 Slide 33 应用载波相位进行静态绝对定位，其精度高 于用伪距进行静态绝对定位。 在载波相位静态绝对定位中，应注意对观测

18、值加入电离层、对流层等各项改正，防止和 修复整周跳变，以提高定位精度。整周未知 数解算后，不再为整数，可将其调整为整数 ，解算出的观测站坐标称为固定解，否则称 为实数解。载波相位静态绝对定位解算的结 果可以为相对定位的参考站（或基准站）提 供较为精密的起始坐标。 利用载波相位观测量进行静态绝对定位 Slide 34 为了评价定位结果，在导航学中，一般采用 有关精度因子（精度衰减因子、精度系数、 精度弥散） DOP（ Dilution Of Precision ） 的概念。 在实践中，根据不同要求，可 选用不同的精度评价模型和相应的精度因子 ，通常有： 平面位置精度因子 HDOP(horizon

19、tal DOP) 高程精度因子 VDOP(Vertical DOP) 空间位置精度因子 PDOP(Position DOP) 接收机钟差精度因子 TDOP(Time DOP) 几何精度因子 GDOP(Geometric DOP)， 描述空 间位置误差和时间误差综合影响的精度因子 定位精度的评价 Slide 35 相对定位也分静态定位和动态定位。安臵在基 线端点的接收机固定不动，通过连续观测，取 得充分的多余观测数据，改善定位精度。 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 。 静态相对定位 T1 T2 S1 S2 S 3 S4 Slide 36 在两个观测站或多个观测站

20、同步观测相同卫 星的情况下，卫星的轨道误差、卫星钟差、 接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差 等对观测量的影响具有一定的相关性，利用 这些观测量的不同组合（求差）进行相对定 位，可有效地消除或减弱相关误差地影响， 从而提高相对定位的精度。 静态相对定位 Slide 37 GPS载波相位观测值可以在卫星间求差，在 接收机间求差，也可以在不同历元之间求差 。各种求差法都是观测值的线性组合。 将观测值直接相减的过程叫做求一次差，所 得结果称单差。对一次差继续求差，所得结 果称为双差，同样还有三差。这些差分观测 值模型能够有效地消除各种偏差项。 求解过程也是首先将观测方程线性化后求解 并确定误差。

21、静态相对定位 Slide 38 第三部分 GPS导航定位原理 伪距测量 载波相位测量 绝对定位和相对定位 导航原理与方法 GPS测量误差来源 Slide 39 导航的概念首先起源于航海事业，其最初的 含义是引导运载体从一个地点航行到另一个 地点的过程。导航的首要问题就是确定航行 体的即时位臵，还要测定其速度、时间、姿 态等状态参数。由此可见，导航是一种广义 的动态定位。 卫星导航是用导航卫星发射的导航定位信息 引导运动载体安全到达目的地的一门新兴科 学。 GPS在导航领域的应用，有着比 GPS静 态定位更为广阔的前景。 卫星导航概念 Slide 40 GPS导航是一种广义的 GPS动态定位，从

22、目 前的应用看来，主要分为以下几种方法： （ 1）单点动态定位 （ 2）实时差分动态定位 （ 3）后处理差分动态定位 GPS动态定位方法分类 Slide 41 单点动态定位是用安设在一个运动载体上 的 GPS信号接收机，自主地测得该运动载 体的实时位臵，从而描述出该运动载体的 运动轨迹。所以 单点动态定位又叫绝对动 态定位 。例如，行驶的汽车和火车，常用 单点动态定位。 GPS单点动态定位 Slide 42 实时差分动态定位是用安设在一个运动载 体上的 GPS信号接收机，及安设在一个基 准站上的另一台 GPS接收机，联合测得该 运动载体的实时位臵，从而描述出该运动 载体的运行轨迹，故 差分动态

23、定位又称为 相对动态定位 。例如，飞机着陆和船舰进 港，一般要求采用实时差分动态定位，以 满足它们所要求的较高定位精度。 GPS实时差分动态定位 Slide 43 后处理差分动态定位和实时差分动态定位 的主要差别在于，在运动载体和基准站之 间，不必像实时差分动态定位那样建立实 时数据传输，而是在定位观测以后，对两 台 GPS接收机所采集的定位数据进行测后 的联合处理，从而计算出接收机所在运动 载体在对应时间上的坐标位臵。例如，在 航空摄影测量时，用 GPS信号测量每一个 摄影瞬间的摄站位臵，就可以采用后处理 差分动态定位。 GPS后处理差分动态定位 Slide 44 对于动态 GPS用户，除了

24、需要确定 GPS接 收机载体的实时位臵，往往还要测定载体 的实时航行速度。假设于历元 t1和 t2测定 的载体实时位臵分别为 X1(t1)和 X2(t2)， 则其运动速度可简单地表示为： 由此可得载体运行方向的速度为： GPS接收机载体航速的测定 )( )( )( )( )( )( 1 1 1 1 2 2 2 12 tZ tY tX tZ tY tX tt Z Y X i i i i i i 21222 ZYXv s Slide 45 定时有着广泛的应用。从日常生活到航天发射， 从出外步行到航空航海，都离不开定时。 利用 GPS信号进行时间传递，一般采用两种方 法： （ 1）一站单机测时：应用

25、一台 GPS接收机在 一个已知坐标的观测站上进行测时的方法。 （ 2）共视对比定时法：在两个测站上各设一 台 GPS接收机，同步观测同一卫星，来测定两 用户时钟的相对偏差，达到高精度时间比对的 目的。 GPS定时 Slide 46 第三部分 GPS导航定位原理 伪距测量 载波相位测量 绝对定位和相对定位 导航原理与方法 GPS测量误差来源 Slide 47 GPS测量误差来源及其影响 GPS测量通过地面接收设备接收卫星传送 的信息来确定地面点的三维坐标。 GPS定位中，影响观测量精度的主要误差 来源分为三类： 与卫星有关的误差。 与信号传播有关的误差。 与接收设备有关的误差。 为了便于理解，通

26、常均把各种误差的影响 投影到站星距离上，以相应的距离误差表 示，称为 等效距离误差 。 Slide 48 误差来源 P码 C/A码 卫星 星历与模型误差 钟差与稳定度 卫星摄动 相位不确定性 其它 合计 4.2 3.0 1.0 0.5 0.9 5.4 4.2 3.0 1.0 0.5 0.9 5.4 信号传播 电离层折射 对流层折射 多路径效应 其它 合计 2.3 2.0 1.2 0.5 3.3 5.0-10.0 2.0 1.2 0.5 5.5-10.3 接收机 接收机噪声 其它 合计 1.0 0.5 1.1 7.5 0.5 7.5 总计 6.4 10.8-13.6 GPS测量误差分类及其对距离

27、影响 Slide 49 按误差性质分类 上述误差，按误差性质可分为 系统误差 与 偶然 误差 两类。偶然误差主要包括信号的多路径效 应，系统误差主要包括卫星的星历误差、卫星 钟差、接收机钟差以及大气折射的误差等。其 中系统误差无论从误差的大小还是对定位结果 的危害性都比偶然误差要大得多，它是 GPS测 量的主要误差源。同时系统误差有一定的规律 可循，可采取一定的措施加以消除。 系统误差是由于仪器本身不精确、或实验方法粗略、 或实验原理不完善而产生的。 偶然误差是由各种偶然因素对实验者、测量仪器、被 测物理量的影响而产生的。 Slide 50 与卫星有关的误差 （ 1）卫星钟差 GPS观测量均以

28、精密测时为依据。 GPS定位中， 无论码相位观测还是载波相位观测，都要求卫 星钟与接收机钟保持严格同步。实际上，尽管 卫星上设有高精度的原子钟，仍不可避免地存 在钟差和漂移，偏差总量约在 1 ms内，引起 的等效距离误差可达 300km。 卫星钟的偏差一般可通过对卫星运行状态的连 续监测精确地确定，并用二阶多项式表示： tj=a0+a1(t-t0e)+a2(t-t0e)2。 式中的参数由 主控站测定，通过卫星的导航电文提供给用户。 Slide 51 与卫星有关的误差 （ 2）卫星轨道偏差： 由于卫星在运动中受多种摄动力的复杂影响， 而通过地面监测站又难以可靠地测定这些作 用力并掌握其作用规律，

29、因此，卫星轨道误 差的估计和处理一般较困难。目前，通过导 航电文所得的卫星轨道信息，相应的位臵误 差约 20-40m。 随着摄动力模型和定轨技术 的不断完善，卫星的位臵精度将可提高到 5- 10m。 卫星的轨道误差是当前 GPS定位的重 要误差来源之一。 Slide 52 卫星信号传播误差 （ 1）电离层折射影响：主要取决于信号频率和传播路 径上的电子总量。通常采取的措施： 利用双频观测：电离层影响是信号频率的函数，利用 不同频率电磁波信号进行观测，可确定其影响大小， 并对观测量加以修正。其有效性不低于 95%. 利用电离层模型加以修正：对单频接收机，一般采用 由导航电文提供的或其它适宜电离层

30、模型对观测量进 行改正。目前模型改正的有效性约为 75%，至今仍在 完善中。 利用同步观测值求差：当观测站间的距离较近（小于 20km） 时，卫星信号到达不同观测站的路径相近，通 过同步求差，残差不超过 10-6。 Slide 53 卫星信号传播误差 （ 2）对流层的影响 对流层折射对观测量的影响可分为干分量和湿分 量两部分。干分量主要与大气温度和压力有关， 而湿分量主要与信号传播路径上的大气湿度和高 度有关。目前湿分量的影响尚无法准确确定。对 流层影响的处理方法： 定位精度要求不高时，忽略不计。 采用对流层模型加以改正。 引入描述对流层的附加待估参数，在数据处理 中求解。 观测量求差。 Sl

31、ide 54 卫星信号传播误差 （ 3）多路径效应： 也称多路径误差，即接收机天 线除直接收到卫星发射的信号外，还可能收到经天线 周围地物一次或多次反射的卫星信号。两种信号迭加， 将引起测量参考点位臵变化，使观测量产生误差。在 一般反射环境下，对测码伪距的影响达米级，对测相 伪距影响达厘米级。在高反射环境中，影响显著增大， 且常常导致卫星失锁和产生周跳。措施： 安臵接收机天线的环境应避开较强发射面，如水面、 平坦光滑的地面和建筑表面。 选择造型适宜且屏蔽良好的天线如扼流圈天线。 适当延长观测时间，削弱周期性影响。 改善接收机的电路设计。 Slide 55 Slide 56 接收设备有关的误差

32、主要包括观测误差、接收机钟差、天线相 位中心误差和载波相位观测的整周不确定 性影响。 （ 1）观测误差：除分辨误差外，还包括 接收天线相对测站点的安臵误差。分辨误 差一般认为约为信号波长的 1%。安臵误 差主要有天线的臵平与对中误差和量取天 线相位中心高度（天线高）误差。例如当 天线高 1.6m ,臵平误差 0.10，则对中误差 为 2.8mm。 Slide 57 接收设备有关的误差 （ 2）接收机钟差 GPS接收机一般设有高精度的石英钟，日频 率稳定度约为 10-11。如果接收机钟与卫星 钟之间的同步差为 1s， 则引起的等效距离 误差为 300m。 处理接收机钟差的方法： 作为未知数，在数

33、据处理中求解。 利用观测值求差方法，减弱接收机钟差影 响。 定位精度要求较高时，可采用外接频标， 如铷、铯原子钟，提高接收机时间标准精度。 Slide 58 接收设备有关的误差 （ 3）载波相位观测的整周未知数 无法直接确定载波相位相应起始历元在传播路径 上变化的整周数。同时存在因卫星信号被阻挡和 受到干扰，而产生信号跟踪中断和整周变跳。 （ 4）天线相位中心位臵偏差 GPS定位中，观测值都是以接收机天线的相位中 心位臵为准，在理论上，天线相位中心与仪器的 几何中心应保持一致。实际上，随着信号输入的 强度和方向不同而有所变化，同时与天线的质量 有关，可达数毫米至数厘米。如何减小相位中心 的偏移

34、，是天线设计的一个迫切问题。 Slide 59 其它误差来源 （ 1）地球自转影响 （ 2）相对论效应 在 GPS定位中，除了上述各种误差外，卫星钟和 接收机钟震荡器的随机误差、大气折射模型和卫 星轨道摄动模型误差、地球潮汐以及信号传播的 相对论效应等都会对观测量产生影响。 为提高长距离相对定位的精度，满足地球动力学 研究要求，研究这些误差来源，并确定它们的影 响规律和改正方法，有重要意义。 Slide 60 第四部分 GPS技术的作用和应用 Slide 61 GPS在测量中的应用 GPS在公安、交通系统中的应用 GPS在地震研究中的应用 GPS在气象中的应用 GPS在其他领域中的应用 第四部

35、分 GPS技术的作用和应用 Slide 62 GPS在测量中的应用 1、 GPS在大地控制测量中的应用 GPS定位技术以其精度高、速度快、费用省、操 作简便等优良特性被广泛应用于大地控制测量中。 我们一般将应用 GPS卫星定位技术建立的控制网 叫 GPS网。 归纳起来，大致可以将 GPS网分为两大类，一类 是全球或全国性的高精度 GPS网。另一类是区域 性的 GPS网，包括城市或矿区 GPS网， GPS工程 网等。 Slide 63 GPS在大地控制测量中的应用 (1)全球或全国性的高精度 GPS网 作为大地测量的科研任务是研究地球形状及其随 时间的变化，因此建立全球覆盖的坐标系统一的 高精度

36、大地控制网是大地测量工作者多年来一直 梦寐以求的。 由于 VLBI、 SLR技术的设备昂贵且非常笨重， 所以直到 GPS技术逐步完善的今天才使全球覆盖 的高精度 GPS网得以实现，从而建立起高精度的 （ 1 2cm） 全球统一的动态坐标框架，为大地 测量的科学研究和相关地学研究打下了坚实的基 础。 Slide 64 GPS在大地控制测量中的应用 (2)区域性 GPS大地控制网 所谓区域 GPS网是指国家 C、 D、 E级 GPS网或专 为工程项目布测的工程 GPS网。由于 GPS技术的 优点，建立区域性大地控制网的手段已基本被 GPS技术取代。就其作用而言分为 A、 建立新的地面控制网 B、

37、检核和改善已有地面网 C、 对已有的地面网进行加密； D、 拟合区域大地水准面 Slide 65 GPS测量外业观测 Slide 66 GPS测量外业观测 Slide 67 GPS在精密工程测量及变形监测中的应用 （ 1） 隔河岩水库大坝外观变形 GPS自动化 监测系统 隔河岩水库位于湖北省长阳县境内，是清江 中游的一个水利水电工程隔河岩水电站。 隔河岩大坝外观变形 GPS自动化监测系统于 1998年 3月投入运行，系统由数据采集、 数据传输、数据处理三大部分组成。 Slide 68 隔河岩大坝外观变形 GPS自动化监测系统 Slide 69 GPS在精密工程测量及变形监测中的应用 （ 2）

38、GPS在机场轴线定位中的应用 机场跑道中心轴线方位的精度，按机场等级 不同而不同，最高精度应低于 1“。自 1992年开始，国内各城市建立的新机场， 其跑道的定向都已采用 GPS来施测，如武汉 天河国际机场，南京绿口国际机场，济南国 际机场，贵阳国际机场等。 今年来， GPS还普遍用于电子加速器的工程 施工测量，大桥施工控制网建立，海上勘探 平台沉降监测，大桥动态实时形变监测，高 层建筑实时变形监测。 Slide 70 GPS在其他测量中的应用 （ 1） GPS在航空摄影测量中的应用 （ 2） GPS在线路勘测及隧道贯通测量中的 应用 （ 3） GPS在地形、地籍及房地产测量中的 应用 （ 4

39、） GPS在海洋测绘中的应用 a 用 GPS技术进行高精度海洋定位 b 中国沿海 RBN/DGPS系统 c GPS技术用于建立海洋大地控制网 d GPS在水下地形测绘中的应用 Slide 71 GPS鱼探 Slide 72 渔船导航用 GPS系统 Slide 73 近海 GPS系统导航系统建立框架图 Slide 74 在 GPS导航定位技术辅助下进行海洋勘探 Slide 75 GPS在交通系统中的应用 随着我国城市建设规模的扩大，车辆日益增多， 交通运输的经营管理和合理调度，警用车辆的指 挥和安全管理已称为公安、交通系统的一个重要 问题。 GPS导航定位技术的出现给车辆、轮船等交通工 具的导航

40、定位提供了具体的实时的定位能力。目 前，用于公安、交通系统的主要有：车辆 GPS定 位与无线电通信系统相结合的指挥管理系统；应 用 GPS差分技术的指挥管理系统。 Slide 76 德国的一个车辆导航系统 Slide 77 德国的一个车辆导航系统 Slide 78 Slide 79 用该车辆导航系统重新生成的道路图 Slide 80 GPS在地球动力学及地震研究中的应用 GPS在地球动力学中的应用，主要是用 GPS来监 测全球和区域板块运动，监测区域和局部地壳运 动，从而进行地球成因及动力机制的研究。 武汉测绘科技大学，利用云南滇西两期 GPS监测 资料，反演红河断裂带低下断层活动模式，对 1

41、996年云南丽江地震作了较为准确地中期预报， 其位臵误差为 27km， 震源深度误差为 0 6km， 震级完全准确。揭示了用 GPS监测资料做中期地 震预报可能性。 Slide 81 GPS地壳形变观测 Slide 82 GPS地壳形变观测 太阳能电池 Slide 83 GPS在气象中的应用 GPS的一个重要的应用领域就是气象学研 究。利用 GPS理论和技术来遥测地球大气， 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，叫 GPS气象学（ GPS/MET）。 GPS气象学的 研究始于 80年代后期，最先在美国起步， 在美国取得理想的试验结果后，在其他国 家如日本也逐步

42、开始 GPS在气象中的应用。 Slide 84 GPS在气象中的应用 根据 GPS/MET观测站的空间分布来分类， 可以分为两大类： 地基 GPS气象学 空基 GPS气象学 GPS/MET探测数据具有覆盖范围广（全 球）、高垂直分辨率、高精度和高长期稳 定的特点。对它的研究将给天气预报、气 候和全球变化监测等领域产生深刻的影响。 Slide 85 GPS探风系统 Slide 86 GPS气象观测仪器 Slide 87 GPS气象观测仪器 Slide 88 GPS在其他领域中的应用 GPS在军事、精细农业、林业管理、 旅游和野外考察中都有广泛的应用 Slide 89 军事上的应用 协同作战方面

43、GPS可为各级指挥系统提供各种目标 及事件所发生的时间和地点 导弹的制导，提高命中目标的精度 美伊战争 70%左右使用 GPS辅助制 导，使战斧式巡航导弹从 1600公里 的地方准确打击一个小房子的目标。 搜索、救援人员野外定位 在茫茫的沙漠上，没有任何标志，主 要靠导航卫星进行定位，知道自己在 什么地方 Slide 90 GPS在精细农业中的应用 Slide 91 GPS在精细农业中的应用 Slide 92 GPS在旅游中的应用 Slide 93 手机 GPS导航 Slide 94 GPS在旅游中的应用 Slide 95 市话网 市话网 市话网 市话网 市话网 深圳市连续运行卫星定位导航服务系统结构及通信网络示意图 市 电 信 局 监控分析中心 卫星定位信号 发射台 FM 电台 基准站 1 基准站 2 基准站 3 基准站 4 基准站 5 进入移动 电话系统 用户 用户 全向天线定向天线 Modem