1、2021年7月21日12021年7月21日2 GPS基礎教程基礎教程2021年7月21日3 GPS基礎教程基礎教程傳傳 統統 測測 量量 技技 術術 的的 缺缺 陷陷GPS 優優 勢勢GPS 的的 主主 要要 特特 性性 GPS 系系 統統 的的 組組 成成距距 離離 測測 定定 的的 基基 本本 原原 理理點點 位位 測測 定定 的的 基基 本本 原原 理理GPS 的的 信信 號號 結結 構構測測 距距 碼碼 偽偽 距距 測測 量量載載 波相波相 位位 測測 量量選選 擇擇 可可 用用 性性 技技 術術 Selective Availability(SA)誤誤 差差 來來 源源差差 分分 G

2、PS(初始初始)整整 周周 未未 知知 數數整整 周周 未未 知知 數數 的的 解解 算算 精精 度度 因因 子子要要 點點 小小 結結2021年7月21日4與與 傳傳 統統 的的 陸陸 上上 測測 量量 技技 術術 相相 比比 GPS 具具 有有 許許 多多 優優 勢勢 傳傳 統統 大大 地地 測測 量量 技技 術術 依依 賴賴 于于 測測 站站 點點 至至 目目 標標 點點 的的 通通 視視 情情 況況 如如 果果 視視 線線 方方 向向 有有 障障 礙礙 物，物， 則則 必必 須須 繞繞 道道 測測 量量 一一 般來說般來說 傳傳 統統 方方 式式 的的 距距 離離 測測 量量 被被 限

3、限 制制 在在 5 Km 左左 右右氣氣 候候 因因 素素 限限 制制 著著 傳傳 統統 測測 量量 的的 運運 作。如作。如 霧，雨霧，雨 等等 GPS基礎教程基礎教程2021年7月21日5不不 受受 氣氣 候候 條條 件件 的的 限限 制制無無 須須 通通 視視 要要 求求可可 進進 行行 高高 精精 度度 大大 地地 測測 量量能能 實實 現現 全全 天天 候候 測測 量量 運運 作作省省 時時 省省 力力 經經 濟濟 效效 益益 明明 顯顯坐坐 標標 系系 統統 通通 用用應應 用用 領領 域域 廣廣 泛泛具具 有有 競競 爭爭 力力 的的 價價 格格 GPS基礎教程基礎教程2021年

4、7月21日6GPS 系系 統統 的的 完完 善善 受受 控控 于美于美 國國 國國 防防 部部GPS 系系 統統 可可 提提 供供 精精 確確 導導 航航 導導 航航 精精 度度 約約 為為 10 - 20 m 全全 球球 信信 號號 覆覆 蓋蓋 24 小小 時時 工工 作作 服服 務務 普普 通通 座座 標標 系系 統統 中中 的的 測測 量量 工作工作計計 劃劃 用用 GPS 系系 統統 取取 代代 現現 有有 的的 導導 航航 系系 統統GPS 系系 統統 可可 應應 用用 于于 民民 用用 及軍及軍 事事 領領 域域 GPS基礎教程基礎教程2021年7月21日7控控 制制 部部 分分

5、1 個個 主主 控控 站站 5 個個 監監 控控 站站空空 間間 部部 分分 導導 航航 衛衛 星星 : 導導 航航 信信 息息 衛衛 星星 時時 和和 衛衛 星星 鐘鐘 24 顆顆 衛衛 星星 20200 Km用用 戶戶 設設 備備 部部 分分 接接 受受 衛衛 星星 信信 號號 GPS基礎教程基礎教程2021年7月21日824 顆顆 衛衛 星星分分 布布 在在 互互 為為 55 度度 交交 角角 的的 6 個個 軌軌 道道 平平 面面 上，上， 每每 個個 軌軌 道道 面面 上上 布布 有有 4 顆顆 衛衛 星星衛衛 星星 高高 約約 20200 Km 12 小小 時時 繞繞 軌軌 道道

6、一一 周周 可可 見見 時時 間間 為為 4-5 小小 時時設計壽命為設計壽命為 7.5 年年衛衛 星星 種類種類 區區 分分 Block 1(一一 代代),Block 2, 2A(二二 代代), Block 2R，2 F(三三 代代)55 GPS基礎教程基礎教程2021年7月21日92424顆衛星顆衛星(21+3)(21+3)6 6個軌道平面個軌道平面5555軌道傾角軌道傾角20200km20200km軌道高度軌道高度( (地面高度地面高度) )1212小時小時( (恒星時恒星時) )軌道周期軌道周期5 5個多小時出現在地平線以上個多小時出現在地平線以上( (每顆星每顆星)目前在軌實際運行的

7、衛星個數已經超過目前在軌實際運行的衛星個數已經超過3232顆顆4 GPS衛星衛星2021年7月21日10主主 控控 站站 負負 責責 收收 集集 由由 監監 控控 站站 傳傳 來來 的的 衛衛 星星 跟跟 蹤蹤 數數 據據 并并 計計 算算 衛衛 星星 星星 歷歷 和和 時時 間間 參參 數數5 個個 監監 控控 站站 負負 責責 對對 衛衛 星星 偽偽 距距 數數 據據 的的 觀觀 測，測，這這 一一 衛衛 星星 跟跟 蹤蹤 監監 測測 網網 用用 于于 確確 定定 衛衛 星星 廣廣 播播 星星 歷歷 及及 衛衛 星星 鐘鐘 模模 式式 地地 面面 控控 制制 站站 負負 責責 向向 衛衛

8、星星 注入信注入信 號號 GPS基礎教程基礎教程2021年7月21日115 5 地面控制站地面控制站一個主控站：科羅拉多：科羅拉多斯必靈司斯必靈司三個注入站：阿松森阿松森(Ascencion)(Ascencion) 迭哥迭哥伽西亞伽西亞(Diego Garcia)(Diego Garcia) 卡瓦加蘭卡瓦加蘭(kwajalein)(kwajalein)五個監測站=1=1個主控站個主控站+3+3個注入站個注入站+ +夏威夷夏威夷(Hawaii)(Hawaii)55HawaiiAscencionDiego GarciakwajaleinColorado springs2021年7月21日12Xll

9、Vl Xl lll GPS基礎教程基礎教程2021年7月21日13XllVlXllllllllVVVllVlllXlXGPS基礎教程基礎教程2021年7月21日14XllVlXllllVll GPS基礎教程基礎教程2021年7月21日15XllVlXllllllllVVVllVlllXlX距離 = 傳播時間 x 光速 GPS基礎教程基礎教程2021年7月21日16我我 們們 必必 定定 在在 以以 R1 為為 半半 徑徑 的的 球球 面面 的的 某某 個個 點點 上上R1 GPS基礎教程基礎教程2021年7月21日172 個個 球球 面面 相相 交交 成成 一一 個個 圓圓 弧弧點點 位位 被

10、被 限限 制制 在在 一一 曲曲 線線 上上R1R2 GPS基礎教程基礎教程2021年7月21日183 個球面相交成一個點個球面相交成一個點3 個距離段可以確定緯度，經度，和高程個距離段可以確定緯度，經度，和高程點點 的的 空空 間間 位位 置置 被被 確確 定定R1R2R3 GPS基礎教程基礎教程2021年7月21日19衛衛 星星 可可 被被 看看 作作 是是 在在 固固 定定 的的 軌軌 道道 上上 運運 動動 空空 中中 觀觀 測測 目目 標標每每 顆顆 衛衛 星星 播播 發發 獨獨 立立 的的 時時 間間 碼碼 進進 行行 距距 離離 測測 量量常常 規規 GPS 接接 收收 儀儀 內

11、內 置置 較較 為為 廉廉 價價 的的 鐘，這鐘，這 些些 鐘鐘 的的 計計 時時 精度精度 比比 衛衛 星星 上上 內內 置置 鐘鐘 的的 精精 度度 低低 得得 多多無無 線線 電電 電電 波波 以以 光光 速速 傳傳 播播 ( 距距 離離 = 光光 速速 x 時時 間間) 設設 想想 一一 下下 接接 收收 儀儀 上上 鐘鐘 的的 誤誤 差差 對對 距距 離離 測測 定定 的的 影影 響響 1/10 秒秒 的的 測測 時時 誤誤 差差 將將 引引 起起 30,000 Km 的的 距距 離離 誤誤 差差 1/1,000,000 秒秒 的的 測測 時時 誤誤 差差 將將 引引 起起 300

12、m 的的 距距 離離 誤誤 差差 GPS基礎教程基礎教程2021年7月21日204 段段 距距 離離 解解 決決 了了 緯緯 度，經度，經 度，高度，高 程程 和和 時時 間間 四四 個個 未未 知知 數數這這 就就 類類 似似 于于 測測 邊邊 交交 會會 問問 題題 的的 解解 決決 原原 理理GPS基礎教程基礎教程2021年7月21日21每每 個個 GPS 衛衛 星星 播播 發發 一一 組組 信信 號號每每 組組 信信 號號 包包 括括 兩兩 個個 不不 同同 頻頻 率率 的的 載載 波波 信信 號號 (L1 和和 L2)、兩、兩 個個 不不 同同 的的 測測 距距 碼碼 信信 號號 (

13、C/A 碼碼 調調 制制 在在 L1 載載 波波 上，上，P 碼碼 或或 Y 碼碼 同同 時時 調調 制制 在在 L1 及及 L2 載載 波波 上上) 以以 及及 衛衛 星星 的的 軌軌 道道 信信 息息 基 準 頻 率10.23 MHzx 154x 120L11575.42 MHzL21227.60 MHzC/A 碼1.023 MHzP (Y) 碼10.23 MHzP (Y)-Code10.23 MHz/1050 bit/s衛 星 信 悉 ( 狀 態 信 悉 和 星 歷 ) GPS基礎教程基礎教程2021年7月21日22D = V (dT)測測 距距 偽偽 隨隨 機機 碼碼 每每 一一 衛衛

14、 星星 播播 發發 一一 個個 偽偽 隨隨 機機 測測 距距 碼碼 信信 號，該號，該 信信 號號 大大 約約 每每 1 毫毫 秒秒 播播 發發 一一 次次 接接 收收 儀儀 同同 時時 復復 制制 出出 一一 個個 同同 樣樣 結結 構構的的 信信 號號 并并 與與 接接 收收 到到 的的 衛衛 星星 信信 號號 進進行行 比比 較較 由由 信信 號號 的的 延延 遲遲 時時 間間 (dT) 推推 算算 出出 衛衛 星星 至至 接接 收收 儀儀 的的 距距 離離 接接 收收 儀儀 時時 鐘鐘 應應 與與 衛衛 星星 鐘鐘 校校 時時dT 接 收 到 的衛 星 測 距 碼 接 收 儀復 制 出

15、 的 測 距 碼 GPS基礎教程基礎教程2021年7月21日23D = c TN載載 波波 相相 位位 觀觀 測測 載載 波波 L1 的的 波波 長長 為為 19 cm ，L2 的的 波波 長長為為 24 cm 接接 收收 儀儀 將將 接接 收收 到到 的的 衛衛 星星 載載 波波 信信 號號的的 相相 位位 與與 其其 自自 身身 產產 生生 的的 參參 考考 載載 波波信信 號號 的的 相相 位位 進進 行行 比比 較較 接接 收收 儀儀 開開 機機 后，相后，相 位位 整整 周周 數數 未未 知知 (帶帶 有有 整整 周周 模模 糊糊 度度 ) 跟跟 蹤蹤 衛衛 星星 時時 間間 較較

16、長長 時時 距距 離離 的的 變變 化化可可 以以 測測 定定 ( 整整 周周 數數 保保 持持 不不 變變 )T接 收 到 的 衛 星 相 位接 收 儀 復 制 出 的 相 位 GPS基礎教程基礎教程2021年7月21日24單單 機機 定定 位位 用用 于于 導導 航，其航，其 定定 位位 精精 度度 大大 約約 在在 10 到到 30m 左左 右右 GPS基礎教程基礎教程2021年7月21日25P = 正確位置正確位置P防電子欺騙技術(AS)選擇性服務政策(SA)*SA技術已經于2000年5月取消理理 論論 上上 利利 用用 C/A 碼碼 可可 獲獲 取取 10 - 30m 的的 定定 位

17、位 精精 度度30m100m GPS基礎教程基礎教程2021年7月21日26美美 國國 防防 部部 人為人為 降降 低低 衛衛 星星 廣廣 播播 信信 息息的的 精精 度，限度，限 制制 非非 許許 可可 用用 戶的戶的 非非 法法 使使 用用在在 基基 準準 信信 號號 上上 人人 為為 加加 入入 一一 個個 高高 頻頻 抖抖 動動 信信 號號(技術技術) )人人 為為 降降 低低 衛衛 星星 星星 歷歷 精精 度度 (技技 術術) )此此 項項 技技 術術 稱稱 為為 選選 擇擇 可可 用用 性性 技技 術術點點 位位 精精 度度 為為 100 m (95%)P理理 論論 上上 基基 于

18、于 C/A 碼碼 的的 定定 位位 精精 度度約約 為為 10 - 30m 30m100m GPS基礎教程基礎教程2021年7月21日27防電子欺騙技術防電子欺騙技術(AS) 選擇性服務政策選擇性服務政策(SA)*SA技術已經于技術已經于2000年年5月取消月取消GPS基礎教程基礎教程2021年7月21日28GPS定位的誤差源定位的誤差源8 GPS GPS 定位原理定位原理v 與GPS衛星有關的因素SA技術 人為的降低廣播星歷精度(技術)衛星星歷誤差衛星鐘差衛星信號發射天線相位中心偏差v 與傳播途徑有關的因素電離層延遲對流層延遲多路徑效應v 與接收機有關的因素接收機鐘差接收機天線相位中心誤差接

19、收機軟件和硬件造成的誤差2021年7月21日29 GPS基礎教程基礎教程2021年7月21日30在在 測測 定定 流流 動動 站站 的的 座座 標標 時時 與與 之之 相相 關關 聯聯 的的 參參 考考 站站 的的 設設 置置 是是 必必 須須 的的 參參 考考 站站 (A) 的的 座座 標標 須須 已已知知 衛衛 星星 必必 須須 同同 時時 被被 跟跟 蹤蹤差差 分分 定定 位位 削削 減減 衛衛 星星 及及 接接 收收 儀儀 鐘鐘的的 誤誤 差差 影影 響響 大大 氣氣 影影 響響 削削 減減 至至 最最 小小 精精 度度 達達 0.5 cm - 5 mB GPS基礎教程基礎教程2021

20、年7月21日31偽偽 距距 差差 分分 測測 量量 精精 度度 可可 達達 0.5m - 5 m 此此 種種 測測 量量 形形 式式 一一 般般 稱稱 為為 DGPSB GPS基礎教程基礎教程2021年7月21日32RTD測量原理圖測量原理圖測深儀電腦發射電臺GPS主機基準站基準站移動站移動站GPS主機接收電臺2021年7月21日33測深儀電腦信標臺站信標臺站移動站移動站GPS主機信標機測量原理圖信標機測量原理圖信標天線2021年7月21日34如如 果果 使使 用用 載載 波波 差差 分分 或或 同同 時時 使使 用用 載載 波波 差差分分 及及 偽偽 距距 差差 分分 則則 定定位位 精精

21、度度 可可 達達 5 - 10 mm + 1ppmB GPS基礎教程基礎教程2021年7月21日35常規常規GPS的測量方法，如靜態、快速靜態、動態測的測量方法，如靜態、快速靜態、動態測量都需要事后進行解算才能獲得厘米級的精度，而量都需要事后進行解算才能獲得厘米級的精度，而RTK是能夠在野外實時得到厘米級定位精度的測量方法，它是能夠在野外實時得到厘米級定位精度的測量方法，它采用了載波相位動態實時差分采用了載波相位動態實時差分(Real - time kinematic)方法，是方法，是GPS應用的重大里程碑，它的出現為工程放樣、應用的重大里程碑，它的出現為工程放樣、地形測圖，各種控制測量帶來了

22、新曙光，極大地提高了地形測圖，各種控制測量帶來了新曙光，極大地提高了外業作業效率。外業作業效率。RTK定位時要求基準站接收機實時地把定位時要求基準站接收機實時地把觀測數據觀測數據(偽距觀測值，相位觀測值偽距觀測值，相位觀測值)及已知數據傳輸給及已知數據傳輸給流動站接收機。流動站接收機。什么是什么是RTK技術技術2021年7月21日36發射電臺GPS主機基準站基準站移動站移動站GPS主機RTK測量原理圖測量原理圖采集器接收電臺2021年7月21日372021年7月21日38時間 (0)整周數時間 (i)整周數整周變化數相位差測量在在 使使 用用 載載 波波 相相 位位 觀觀 測測 時時 整整 周

23、周 數數 應應 被被 解解 算算 出出 來來相位差測量GPS基礎教程基礎教程2021年7月21日39精度精度 (m)1.000.100.01 0 120 0 2 5 時間時間 (mins) 未解算出整周模糊度時的測量精度 已解算出整周模糊度時的測量精度整整 周周 模模 糊糊 度度 的的 解解 算算 效效 果果 如如 下下 所所 示示注注 意意 到到 一一 旦旦 模模 糊糊 度度 被被 解解 出，測出，測 量量 精精 度度 將將 不不 隨隨 時時 間間 有有 明明顯顯 增增 長長 GPS基礎教程基礎教程2021年7月21日40一一 種種 描描 述述 純純 粹粹 因因 衛衛 星星 幾幾 何何 因因 素素 對對 定定 點點 精精 度度 的的 影影 響響精精 度度 因因 子子 指指 出出 在在 測測 量量 時時 被被 跟跟 蹤蹤