1、3S3S技术集成技术集成之之GPSGPS原理和使用方法原理和使用方法 全球定位系统（Global Positioning System,简称GPS）GPS系统基本构成 GPS定位原理 GPS定位的基本原理是空间后方交会，以GPS卫星与用户接收机天线之间的空间距离为基本观测量，根据已知的卫星瞬时坐标来确定用户接收机所在的点位，即待定点的三维坐标（x，y，z）GPS定位分为伪距测量和载波相位测量两种。GPS定位方法 1静态定位和动态定位 2绝对定位和相对定位 3差分定位 1静态定位和动态定位 所谓静态定位，就是在进行GPS定位时，认为接收机的天线在整个观测过程中的位置是保持不变的。也就是说，在数据
2、处理时，将接收机天线的位置作为一个不随时间的改变而改变的量。在测量中，静态定位一般用于高精度的测量定位，其具体观测模式多台接收机在不同的测站上进行静止同步观测，时间由几分钟、几小时甚至数十小时不等。所谓动态定位，就是在进行GPS定位时，认为接收机的天线在整个观测过程中的位置是变化的。也就是说，在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个随时间的改变而改变的量。动态定位是待定点相对于周围固定点显著运动（相对于地球运动）的GPS定位方法，以车辆、舰船、飞机和航天器为载体，实时测定GPS信号接收机的瞬间位置。绝对定位和相对定位 绝对定位又称为单点定位，这是一种采用一台接收机进行定位的模式，它所确定的是接
3、收机天线的绝对坐标。其优点是作业方式简单，可以单机作业。绝对定位一般用于导航和精度要求不高的情况。但由于受卫星星历误差、大气延迟误差等影响，定位精度较低，一般为25m30m。单点定位一般用于船舶、飞机、勘探、海洋作业等方面。相对定位又称为差分定位，这种定位模式采用两台或两台以上的接收机，同步跟踪相同的卫星信号，以确定接收机天线间的相对位置（三维坐标或基线向量）的方法。由于各台接收机同步观测相同卫星，这样卫星钟的钟误差、卫星星历误差、大气延迟误差几乎相同，解算各测点坐标时可有效消除或大幅度削弱，从而有较高的定位精度。相对定位一般采用载波相位测量，相对精度可达（5mm），一般在大地测量、精密工程测
4、量等领域有广泛的应用。差分定位 差分定位是在已知三维坐标的基准站上设置GPS接收机，求出观测值的校正值，并将校正值通过无线电通讯实时发送给各待测点上，对其接收机的观测值进行修正来提高实时定位精度的一种方法。它采用的是单点定位模型，但同时需要多台接受机，在基准站和流动站之间进行同步观测，利用误差的相关性来提高定位精度。所以差分定位同时具具有单点定位和相对定位特性的定位模式有单点定位和相对定位特性的定位模式。GPS动态差分实时定位系统由三部分组成:(1)基准站基准站：在已知三维坐标的测站点上安置GPS接收机，接收卫星定位信息，并实时提供差分修正信息;(2)流动站流动站：GPS接收机随待测点流动，接
5、收卫星定位信息，并实时接收基准站输来的修正信息进行实时定位;(3)无线电通讯链无线电通讯链：将基准站差分修正信息传输到流动站。GPS定位误差 1与卫星有关的误差:包括卫星星历误差和卫星钟误差。卫星星历误差将导致卫星位置误差。其误差是由于系统的地面监控部分所给出的卫星轨道预报值误差引起。卫星钟差是真卫星系统时与卫星上的时钟维持的钟面时之差。此两者均属于系统误差，可采用数学模型改正方法削弱或消除。与GPS卫星信号传播有关的误差:包括有电离层延迟、对流层延迟和信号多路径误差。与GPS卫星信号接收机有关的误差:包括接收机观测误差、接收机钟误差和接收机天线相位中心误差。GPS技术的应用 GPS全球卫星定
6、位系统是一种全天候、高精度的连续定位系统，且定位精度高、仪器操作简便及方法灵活多样等特点，GPS精密定位技术已经广泛地渗透到了经济建设和科学技术的许多领域。尤其是对经典大地测量学的各个方面产生了极其深刻的影响。它在大地测量学及其相关学科领域，如地球动力学、海洋大地测量学、天文学、地球物理勘察、资源勘察、航空与卫星遥感、工程变形测量、运动目标的测速以及精密时间传递等方面的应用，充分显示了这一卫星定位技术的高精密和高。近年来，GPS精密定位技术在我国已得到蓬勃发展。在我国，大地测量、精密工程测量、地壳运动测、资源勘察和城市控制网的改善等方面的应用及其所取得的成功经验，进一步展示了GPS精密定位技术
7、的显著优越性和巨大潜力。随着3S（GPS、地理信息系统GIS、遥感技术RS）的集成，在国民经济、军事、科研等众多领域的应用将产生巨大的社会效益和经济效益。手持GPS(eTrex summit)功能简介 eTrex summit是美国Garmin公司生产的手持GPS系列之一，它体积小、重量轻、功能强、携带方便，在资源调查、矿产勘探、环境调查、林业、交通、测量及导航方面具有广泛的应用。eTrex summit按键示意图 导航性能导航性能 航点：航点：500个可命名及定义图标字符的航点 航迹：航迹：10条可自动生成的航迹 航线：航线：1条包含50个航点的航线 旅行提示器：旅行提示器：当前速度、平均速
8、度、最大速度、日出/日落时间、航程、航程时间、高度接收性能接收性能 接收机：接收机：并行12通道，共同跟踪切换，适时修改当前位置 定位时间：定位时间：热启动15秒、冷启动45秒、自动定位1.5分钟 数据更新率：数据更新率：1次/秒，连续更新 定位精度：定位精度：10M RMS 1-3M（差分定位）RMS 动态性能：动态性能：速度999节，加速度60M/S 速度精度：速度精度：0.1节RMS电源电源 电源：电源：2节1.5伏AA电池 电池寿命：电池寿命：16小时（标准模式），22小时（省电模式）功耗：功耗：0.35W 锂电：锂电：内置锂电可用10年物理性能物理性能 尺寸：尺寸：11.25.13.
9、0 CM 重量：重量：150G（含电池）显示：显示：LCD显示屏（5.4*2.7CM）温度：温度：-15C+70C 辅助功能：辅助功能：通过接口与计算机交换数据，进行存储、编辑等工作；选配天线、电源数据线后可扩展领域，方便使用。主要应用领域主要应用领域 林业林业 遥感遥感 地质地质 矿产矿产 城市建设城市建设 测量测量 石油石油 海洋海洋 电力电力 旅游旅游 铁路铁路公路公路 大地测绘大地测绘 水力水力 国防国防 气象气象 农业农业 科学考察科学考察 环境保护环境保护使用方法 （1）开机）开机“电源键”是GPS开机、关机的按钮。使用时，将GPS正面朝上置于水平状态，按住“电源键”1秒钟后，进入
10、开机状态，接收卫星信号。如果选择“一般表示”，则出现如下图的画面；如果选择“详细表示”，则出现如下图的画面。在卫星状态画页，有上中下三个区域，分别显示接收机的状态、搜索卫星情况及卫星信号强度。在上方的区域中，显示当前接收机的状态，包括自动定位、获取卫星、三维导航、二维导航、信号低等信息，在显示三维导航或二维导航时，还显示当前的估计误差。在中间区域中，显示当前搜索GPS的情况，当某条信号线为灰色时，表示正在追踪该卫星信号，当信号线为黑色时，表示已经锁定该卫星。在下方的区域中，显示当前卫星信号的强度。eTrex summit按键示意图 正在搜索卫星信号罗盘校正 开机后，eTrex summit 必
11、须进行罗盘校正才能够正确地显示方向，首次使用或更换电池后，都需要重新进行校正。通过“翻页键”找到“菜单”界面。在“菜单”选项中有“校准”子菜单项。通过“向下键”选中该子菜单项，按“输入键”进入“校准过程”界面，如图所示。在该界面中可以通过“向上键”、“向下键”选择“罗盘”或“高度计”菜单项，并按“输入键”进入“校准罗盘”界面。按“输入键”确认校准开始。根据要求缓慢转动GPS两周，“校准进程条”上会提示转速“正好”、“太快”或“太慢”，如图所示。罗盘校准过程存点与查点 通过“翻页键”进入“菜单”页面，选择“存点”菜单项，按“输入键”进入“存点”页面，如图所示。在该页面中，包括该点的点号、高程和经
12、纬度三项内容。按“输入键”确认存点。每存贮一个航点，存点的点号会自动累加。你也可以把光标移到点号上，按“输入键”编辑输入自定义的点号。如果要取消存点可按“翻页键”返回上一层。要查看其他点号信息，在“菜单”页面中选择“航点”子菜单项,按“输入键”进入查询航点页面，如图所示。如果你的点位编号为数字（其他编号类型的操作方法一致），通过“向上键”或“向下键”选择“09”子菜单项，按“输入键”，这时显示已存点的点位编号供你查询。存点和航点界面导航功能 在航点信息页面中，使用“上、下键”选择“去”子菜单项，按“输入键”即可进入“导航”面页，如图所示。在导航页面中，显示目的地的方位、距离、速度及时间等信息。
13、如果用户到达目的地，系统会出现提示：“到达目的地到达目的地”。正在导航GPS坐标单位设置 GPS卫星星历是以美国美国WGS84坐标系坐标系为基础建立的，而我国目前应用的地形图属于北京北京54坐标系坐标系或西安80坐标系。WGS84坐标系是以度、分、秒（Hdddmmss.s）或度、分、分（Hdddmm.mmm）为标准的坐标格式，而我国北京54坐标系或西安80坐标系投影类型是高斯投高斯投影影,是以公里网格的形式表示的，并且由于不同坐标系之间存在平移和旋转关系，如果想要美国GPS显示北京54坐标系或西安80坐标系的坐标格式，必须进行单位设置单位设置，包括位置格式位置格式和地图基地图基准准的设置。位置
14、格式设置 a.按“翻页键”至主菜单画页，按上移或下移光标键，将光标移至“设置”处，按“输入键”进入单位设置画面。b.按上移或下移光标键，将光标移至“位置距离”处，按“输入键”进入“位置距离”单位画面。c.“位置格式”为坐标的显示格式，默认的格式为经纬度，可以选择“度分秒”(hdddmmss.s)、“度分”(hdddmm.mmm)或“度”(hddd.ddddd)格式。如果您需要使用“北京54”坐标，这一项要选择“User Grid”，按“输入键”进入User UTM Grid画页 位置格式设置定位所在地位置格式设置 在User UTM Grid画页中，“LONGITUDE ORIGIN”项为当地
15、所在的三度带或六度带的中央子午线经度（例如在桂林市为E 111）。“SCALE”为投影比例，输入数字应为“1.0000000”；“FALSE E”为东西偏差，输入数字应为“500000.00”；“FALSE N”为南北偏差，输入数字应为“0.0”。地图基准设置地图基准设置 在“位置距离”单位画面中，“地图基准”为坐标的参考坐标系统，默认的坐标系统为“WGS84”。如果您需要使用“北京54”坐标，这一项要选择“User”，按“输入键”进入WGS84-Local画页。在该页面中，有五个参数需要输入，分别为DX，DY，DZ，DA，DF，这五个参数值随所处地区不同而变化，需要进行专门的计算才能获得。根
16、据计算和实际验证，在桂林地区可以使用以下参数：地图基准参数输入界面地图基准参数输入界面桂林地区桂林地区地图基准参数地图基准参数DX=16DY=-95DZ=-55DA=-108DF=0.0000005手持GPS(eTrex summit)数据下载 存储在GPS里的数据可用其附带的下载软件-Mapsource下载，Mapsource是eTrex系列手持式GPS数据的专用下载软件。Mapsource中存储有世界各地的矢量化基础地理地图，在任何一处采集的GPS点位数据都可以通过下载，在相应的地图窗口中显示出来，同时可以从地图中获取点位信息。GPS数据下载方法 打开GPS，在功能菜单页面的“设置”选项中
17、选择“接口”，在“输入/输出”格式中选择“GARMIN”，这种格式用来与计算机交换航点、航线、航迹等信息。把GPS数据线与计算机的数据接口相连接后，打开Mapsource应用程序。首先检测GPS是否与计算机成功连接，具体方法是在Edit菜单下选择Preferences，弹出Preferences对话框。在Communication Settings栏中，选择对应的Port和Baud Rate，如果不能确定以上选项，可用Auto Detect自动检测，系统会自动提示连接是否成功。Preferences界面GPS数据下载 确认GPS与计算机成功连接后，在下载数据前还应对Units（单位）和Posi
18、tion（位置）进行设置，Units包括Distance（距离）、Heading（正北）及Altitude/Elevation（海拔/高程），Position包括Position(位置格式)和Map Datum（地图基准）。如果Map Datum选择WGS84，Position选择Lat/Long hddd.ddddd，在File菜单中选择Open from GPS，下载完成后，GPS点的数据将以WGS84系统的经度和纬度的格式显示。已经下载的GPS数据在World Map中显示我国地图投影坐标格式显示设置 如果我们想要GPS点的数据显示为我国高斯投影的北京54坐标系统的公里网坐标格式，必须在
19、Position中选择User Defined Grid（用户自定义（用户自定义网格），网格），在Map Datum中选择User Defined Datum（用户自定义基准）（用户自定义基准）。在User Defined Grid参数对话框中，Longitude为当地所在的三度带或六度带的中央子午线经度（例如在桂林市为E111），SCALE为投影比例参数，一般为1，FALSE（E）应为500000，FALSE（N）应为0。User Defined Grid参数对话框 我国地图投影坐标格式显示设置 在User Defined Datum参数对话框中，有五个参数需要设置，按顺序为分别为DX，DY
20、，DZ，DA，DF，这五个参数需要进行专门的计算才能获得。根据计算和实际验证，在桂林地区可以使用以下参数：DX=16，DY=-95，DZ=-55，DA=-108，DF=0.0000005。User Defined Datum参数对话框 我国地图投影坐标格式显示GPS数据格式转换 使用Mapsource直接从GPS下载的数据格式为*.mps，这种数据格式不能为 一般GIS软件所接受，必须进行数据格式转换。首先，在Mapsource中将文件导出为文本文件(*.txt)。该文本文件有一定的记录格式，可用文本编辑器浏览。其次，要把文本格式的GPS数据转换成Excel格式(*.xls)，方法是使用Exc
21、el打开以上的“文本文件”，系统会自动出现“文本导入向导”对话框。文本导入向导分3个步骤：文本导入向导文本导入向导-3-3步骤之步骤之1 1 文本导入向导文本导入向导-3-3步骤之步骤之2 2 文本导入向导文本导入向导-3-3步骤之步骤之3 3 Excel格式(*.xls).xls)的的GPSGPS数据数据Excel格式(*.xls)GPS.xls)GPS数据的编辑数据的编辑 在该Excel表格的第一行，给予每列一个字段名，分别为Type（类型）、ID（编号）、Lat（纬度）、Long（经度）及Alt（高程）等。另外，在Lat（纬度）和Long（经度）列，用替换命令分别用空格替换字符“N”和“
22、E”，并在“格式”菜单中设置“单元格属性”，使之成为数值型（注意这一点非常重要，只有数值型的字段才能转换为GIS空间点状图形）。编辑完成后将其转换为电子表格(*.xls)储存。有时还需要转换为数据库文件(*.dbf)（ArcView GIS要求格式）。手持GPS数据的误差纠正 由于GPS卫星星历是以WGS84坐标系坐标系为基础建立的，而我国的基础地形图是北京54或西安80坐标系（高斯投影高斯投影），由于投影类型和地图基准参数的不同，在WGS84与我国北京54或西安80坐标系之间存在一定的误差，而且误差的大小随地区不同而不同。在进行GPS数据与我国基础地形图矢量数据融合时，必须进行误差校正。手持
23、GPS误差经验校正法 选择已知测量控制点测量控制点，把GPS实测坐标与控制点已知坐标进行对比，进行校正。如果无法获得已知测量控制点，可以选择测区内一些特征的地形地物特征的地形地物作为控制点，如高地、道路交叉点，河流交叉点等作为误差校正点。将GPS数据导入GIS平台，与矢量化地形图融合，用标尺测量GPS校正点与矢量化地形图上实际位置的偏差距离。一般情况下，一般情况下，在我国广大地区纬向偏差不大，可以忽略不计在我国广大地区纬向偏差不大，可以忽略不计；但在经向在经向上有较大的偏差，一般为上有较大的偏差，一般为45-50米米。例如，在灌阳地区，实测GPS点在经向上向东偏移了约46米。经验校正的做法是把
24、GPS在经向上的坐标减去46米。如果GPS数据单位是“度”，则可以根据地形图上量测计算每单位米经度的值（在灌阳地区约为9.9510-6 度/米），把误差单位换算成“度”，再把GPS经度数据减去以度表示的偏差值，得到新的经度值，这样误差校正就完成了。手持GPS机上直接进行误差纠正 如果GPS的单位设置是自定义的位置格式和地图基准（例如显示北京54坐标系公里网坐标），可以在位置格式的User UTM Grid画页中，直接把“FALSE E”栏中原始输入的数字“500000”减去4550米，这样在GPS的读数就已经是经过经验校正的数值了。不过，必须注意的是，GPS中保存的WGS84系统经纬度数据并没有任何改变，只是数据根据自定义的位置格式和地图基准进行显示。自定义地图基准参数校正 要使手持GPS的WGS84系统经纬度数据转换为北京54或西安80坐标系的坐标，必须在自定义地图基准栏输入五个参数，按顺序分别为DX，DY，DZ，DA，DF，这五个参数值随所处地区不同而变化，需要通过计算求得。下面以1954北京坐标系为例，说明计算手持GPS接收机自定义地图基准参数的方法步骤，工作流程如图所示。自定义地图基准参数计算自定义地图基准参数计算流程图 The END
