GPS测量原理及应用
GIS.洋
2017/12/21 Thursday
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目录
第一章 绪论 ............................................................................................................................. 1
1.GPS全球定位系统的建立： ............................................................................................. 2
2.GPS全球定位系统组成： ................................................................................................. 2
3.GPS系统的特点： ............................................................................................................. 2
4.*GPS、GALILEO、GLONASS（P10表1-4） ..................................................................... 3
第一章 坐标系统和时间系统 ............................................................................................ 3
2.1坐标系统： .................................................................................................................... 3
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GPS相对定位原理
1. 相对定位原理概述
不论是测码伪距绝对定位还是测相伪距绝对定位，由于卫星星历误差、接收机钟与卫星钟同步差、大气折射误差等各种误差的影响，导致其定位精度较低。虽然这些误差已作了一定的处理，但是实践证明绝对定位的精度仍不能满足精密定位测量的需要。为了进一步消除或减弱各种误差的影响，提高定位精度，一般采用相对定位法。
相对定位，是用两台GPS接收机，分别安置在基线的两端，同步观测相同的卫星，通过两测站同步采集GPS数据，经过数据处理以确定基线两端点的相对位置或基线向量（图1-1）。这种方法可以推广到多台GPS接收机安置在若干条基线的端点，通过同步观测相同的GPS卫星，以确定多条基线向量。相对定位中，需要多个测站中至少一个测站的坐标值作为基准，利用观测出的基线向量，去求解出其它各站点的坐标值。
图1-1 GPS相对定位
在相对定位中，两个或多个观测站同步观测同组卫星的情况下，卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及大气层延迟误差，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，按照测站、卫星、历元三种要素来求差，可以大大削弱有关误差的影响，从而提高相对定位精度。
根据定位过程中接收机所处的状态不同，相对定位可分为静态相对定位和动态相对定位（或称差分GPS定位）。 基线向量
B A S1 S2 S3 S4 2
2. 静态相对定位原理
设置在基线两端点的接收机相对于周围的参照物固定不动，通过连续观测获得充分的多余观测数据，解算基线向量，称为静态相对定位。
静态相对定位，一般均采用测相伪距观测值作为基本观测量。测相伪距静态相对定位是当前GPS定位中精度最高的一种方法。在测相伪距观测的数据处理中，为了可靠的确定载波相位的整周未知数，静态相对定位一般需要较长的观测时间（1.0h~3.0h），称为经典静态相对定位。
可见，经典静态相对定位方法的测量效率较低，如何缩短观测时间，以提高作业效率便成为广大GPS用户普遍关注的问题。理论与实践证明，在测相伪距观测中，首要问题是如何快速而精确的确定整周未知数。在整周未知数确定的情况下，随着观测时间的延长，相对定位的精度不会显著提高。因此提高定位效率的关键是快速而可靠的确定整周未知数。
常规定位基本原理：
条件：1.一个已知点测试(圆心)，2.待测点和已知点的距离R1；
求解：待测点的位置；
答案：待测点是个圆
条件：1.两个已知点测试(两个圆心)，2.待测点和已知点的距离r1和r2；
条件：1.两个已知点测试(两个圆心)，2.待测点和已知点的距离r1和r2；
求解：待测点的位置；
答案：待测点是A和B
条件：1.三个已知点测试(三个圆心)，2.待测点和已知点的距离r1和r2和r3；
求解：待测点的位置；
答案：待测点是A
GPS定位基本原理：待测点相当于A点，待测点与卫星1的距离为r1，待测点与卫星2距离为r2,待测点与卫星3距离为r3,三个圆自然会汇聚到一个点上，也就是A点。
基础知识：
组成部分：地面监控系统+卫星+待测设备=待测设备的位置
地面监控系统：主要作用是检测和维护卫星的，在此不做过多介绍，有兴趣的同学可以去了解一下相关知识，因为关键时候(战争时期)会影响定位精准度的。
卫星：总数24颗，分布在6个轨道上（21颗使用，3颗备用）在不停的围绕地球转动，工作任务一方面是从监控站获取卫星编号，位置和时间等信息的指令，另一方面是连续发送带有运行轨道、卫星时钟的改正参数、电离层延迟修正参数及卫星的工作状态等信息的二进制码导航电文，供GPS接收机接收。
待测设备：接受卫星信号，根据信号的传播时间计算出接收机和卫星的距离，进而解算出接收机自己的位置。
C/A码：粗码/捕捉码Coarse Acqusition Code，数码率1.023Mbt/s,只调制在L1(1575.42MHz)上，一般给民用。
P码：精码Precise Code，数码率10.23Mbt/s，调制在L1(1575.42MHz)和L2(1227.6MHz)上，不易受干扰。
GPS与待测点直接的距离的计算：
方法一：伪距测量。
原理：通过测量导航电文从卫星发射到待测设备接收的时间差△t,有已知光速V，利用公式D(距离)=V(光速)*t(时间差)△t,就可以确定伪距。安装以上常规定位原理试想一下，一颗卫星可以确定一个圆形，两颗卫星可以确定两个圆，三颗卫星可以确定三个圆，三圆交界点就是测试待测点位置。
GPS基本工作原理
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位置服务已经成为越来越热的一门技术，也将成为以后所有移动设备（智能手机、掌上电脑等）的标配。而定位导航技术中，目前精度最高、应用最广泛的，自然非GPS莫属了。网络上介绍GPS原理的专业资料很多，而本文试图从编程人员的角度出发，以一种程序员易于理解的方式来简单介绍一下GPS定位的基本原理，希望对做GPS开发的朋友有所启发。当然，本文并没有涉及具体的开发方面的技术。
一、GPS定位数学模型
之所以先介绍数学模型，是因为我认为这个数学模型可能是程序员比较关心的问题。当然事先声明，这个模型只是我根据一些GPS资料总专为程序员总结出来的一个简化模型，细节方面可能并不符合实际，想了解具体细节请参考专业的GPS讲解资料。
GPS定位，实际上就是通过四颗已知位置的卫星来确定GPS接收器的位置。
如上图所示，图中的GPS接收器为当前要确定位置的设备，卫星1、2、3、4为本次定位要用到的四颗卫星: • Position1、Position2、Position3、Position4分别为四颗卫星的当前位置（空间坐标），已知
• d1、d2、d3、d4分别为四颗卫星到要定位的GPS接收器的距离，已知
• Location 为要定位的卫星接收器的位置，待求
那么定位的过程，简单来讲就是通过一个函数GetLocation(),从已知的[Position1,d1]、[Position2,d2]、[Position3,d3]、[Position4,d4]四对数据中求出Location的值。用程序员熟悉的函数调用来表示就是：
Location=GetLocation([Position1,d1],[Position2,d2],[Position3,d3],[Position4,d4]);
