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View Full Version : Introduction to GPS The Global Positioning System



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2011-06-12, 12:51 AM
Introduction to GPS
The Global Positioning System

Contents
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
Acknowledgments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
1 Introduction to GPS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 OverviewofGPS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 GPSsegments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 GPS satellite generations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Current GPS satellite constellation . . . . . . . . . . . . . . 5
1.5 Control sites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.6 GPS:Thebasicidea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.7 GPS positioning service. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.8 WhyuseGPS? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
References · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 11
2 GPS Details. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1 GPS signal structure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 GPS modernization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 Types of GPS receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4 Timesystems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.5 Pseudorange measurements . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.6 Carrier-phase measurements . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.7 Cycle slips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.8 Linear combinations of GPS observables . . . . . . . . . . . 23
References · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 25
3 GPS Errors and Biases . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1 GPS ephemeris errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2 Selective availability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3 Satellite and receiver clock errors . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4 Multipatherror. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.5 Antenna-phase-center variation. . . . . . . . . . . . . . . 34
3.6 Receiver measurement noise . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.7 Ionospheric delay. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.8 Tropospheric delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.9 Satellite geometry measures . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.10 GPS mission planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.11 User equivalent range error . . . . . . . . . . . . . . . . 44
References · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 44
4 Datums, Coordinate Systems, and Map Projections . . 47
4.1 Whatisadatum? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2 Geodetic coordinate system . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2.1 Conventional Terrestrial Reference System . . . . . . . . . 50
4.2.2 TheWGS84andNAD83systems . . . . . . . . . . . . 52
4.3 What coordinates are obtained with GPS? . . . . . . . . . . 53
4.4 Datumtransformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.5 Mapprojections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.5.1 Transverse Mercator projection . . . . . . . . . . . . . 56
4.5.2 Universal transverse Mercator projection. . . . . . . . . . 57
4.5.3 Modified transverse Mercator projection. . . . . . . . . . 59
4.5.4 Lambert conical projection . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.5.5 Stereographic double projection . . . . . . . . . . . . . 61
4.6 Marinenauticalcharts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.7 Local arbitrary mapping systems . . . . . . . . . . . . . . 64
4.8 Heightsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
References · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 66
5 GPS Positioning Modes . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.1 GPS point positioning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.2 GPS relative positioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.3 Static GPS surveying . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.4 Fast(rapid)static . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.5 Stop-and-go GPS surveying . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.6 RTKGPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.7 Real-time differential GPS . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.8 Real time versus postprocessing. . . . . . . . . . . . . . . 80
5.9 Communication(radio)link . . . . . . . . . . . . . . . . 81
References · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 83
6 Ambiguity-Resolution Techniques. . . . . . . . . . . 85
6.1 Antenna swap method. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.2 On-the-fly ambiguity resolution. . . . . . . . . . . . . . . 88
References · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 90
7 GPS Data and Correction Services . . . . . . . . . . . 91
7.1 Dataservice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
7.2 DGPS radio beacon systems . . . . . . . . . . . . . . . . 94
7.3 Wide-areaDGPSsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
7.4 Multisite RTK system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
References · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 99
8 GPS Standard Formats . . . . . . . . . . . . . . . . 101
8.1 RINEXformat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
8.2 NGS-SP3format. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
8.3 RTCM SC-104 standards for DGPS services . . . . . . . . . 108
8.4 NMEA 0183 format . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
References · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 115
9 GPS Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
9.1 GPS/GISintegration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
9.2 GPS/LRFintegration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
9.3 GPS/dead reckoning integration . . . . . . . . . . . . . . 120
9.4 GPS/INSintegration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
9.5 GPS/pseudolite integration . . . . . . . . . . . . . . . . 123
9.6 GPS/cellularintegration . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
References · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 127
10 GPS Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
10.1 GPS for the utilities industry . . . . . . . . . . . . . . . 129
10.2 GPS for forestry and natural resources . . . . . . . . . . . 131
10.3 GPS for precision farming . . . . . . . . . . . . . . . . 132
10.4 GPS for civil engineering applications . . . . . . . . . . . 133
10.5 GPSformonitoringstructuraldeformations . . . . . . . . 134
10.6 GPS for open-pit mining. . . . . . . . . . . . . . . . . 135
10.7 GPS for land seismic surveying . . . . . . . . . . . . . . 138
10.8 GPS for marine seismic surveying . . . . . . . . . . . . . 139
10.9 GPS for airborne mapping . . . . . . . . . . . . . . . . 140
10.10 GPS for seafloor mapping. . . . . . . . . . . . . . . . 142
10.11 GPS for vehicle navigation . . . . . . . . . . . . . . . 144
10.12 GPSfortransitsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
10.13 GPS for the retail industry. . . . . . . . . . . . . . . . 147
10.14 GPS for cadastral surveying . . . . . . . . . . . . . . . 149
10.15 GPS stakeout (waypoint navigation) . . . . . . . . . . . 150
References · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 151
11 Other Satellite Navigation Systems. . . . . . . . . 155
11.1 GLONASS satellite system . . . . . . . . . . . . . . . . 155
11.2 Chinese regional satellite navigation system (Beidou system) . 157
11.3 Regional augmentations . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
11.4 Future European global satellite navigation system
11.4 (Galileo system) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
References· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 159
Appendix A
GPS Accuracy and Precision Measures . . . . . . . . . 161
Reference · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 162
Appendix B
Useful Web Sites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
B.1 GPS/GLONASS/Galileo information and data . . . . . . . . 163
B.2 GPS manufacturers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
About the Author . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
Index. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

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Introduction to GPS
The Global Positioning System

Contents
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
Acknowledgments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
1 Introduction to GPS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 OverviewofGPS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 GPSsegments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 GPS satellite generations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Current GPS satellite constellation . . . . . . . . . . . . . . 5
1.5 Control sites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.6 GPS:Thebasicidea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.7 GPS positioning service. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.8 WhyuseGPS? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
References · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 11
2 GPS Details. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1 GPS signal structure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 GPS modernization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 Types of GPS receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4 Timesystems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.5 Pseudorange measurements . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.6 Carrier-phase measurements . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.7 Cycle slips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.8 Linear combinations of GPS observables . . . . . . . . . . . 23
References · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 25
3 GPS Errors and Biases . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1 GPS ephemeris errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2 Selective availability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3 Satellite and receiver clock errors . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4 Multipatherror. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.5 Antenna-phase-center variation. . . . . . . . . . . . . . . 34
3.6 Receiver measurement noise . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.7 Ionospheric delay. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.8 Tropospheric delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.9 Satellite geometry measures . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.10 GPS mission planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.11 User equivalent range error . . . . . . . . . . . . . . . . 44
References · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 44
4 Datums, Coordinate Systems, and Map Projections . . 47
4.1 Whatisadatum? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2 Geodetic coordinate system . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2.1 Conventional Terrestrial Reference System . . . . . . . . . 50
4.2.2 TheWGS84andNAD83systems . . . . . . . . . . . . 52
4.3 What coordinates are obtained with GPS? . . . . . . . . . . 53
4.4 Datumtransformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.5 Mapprojections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.5.1 Transverse Mercator projection . . . . . . . . . . . . . 56
4.5.2 Universal transverse Mercator projection. . . . . . . . . . 57
4.5.3 Modified transverse Mercator projection. . . . . . . . . . 59
4.5.4 Lambert conical projection . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.5.5 Stereographic double projection . . . . . . . . . . . . . 61
4.6 Marinenauticalcharts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.7 Local arbitrary mapping systems . . . . . . . . . . . . . . 64
4.8 Heightsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
References · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 66
5 GPS Positioning Modes . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.1 GPS point positioning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.2 GPS relative positioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.3 Static GPS surveying . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.4 Fast(rapid)static . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.5 Stop-and-go GPS surveying . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.6 RTKGPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.7 Real-time differential GPS . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.8 Real time versus postprocessing. . . . . . . . . . . . . . . 80
5.9 Communication(radio)link . . . . . . . . . . . . . . . . 81
References · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 83
6 Ambiguity-Resolution Techniques. . . . . . . . . . . 85
6.1 Antenna swap method. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.2 On-the-fly ambiguity resolution. . . . . . . . . . . . . . . 88
References · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 90
7 GPS Data and Correction Services . . . . . . . . . . . 91
7.1 Dataservice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
7.2 DGPS radio beacon systems . . . . . . . . . . . . . . . . 94
7.3 Wide-areaDGPSsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
7.4 Multisite RTK system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
References · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 99
8 GPS Standard Formats . . . . . . . . . . . . . . . . 101
8.1 RINEXformat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
8.2 NGS-SP3format. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
8.3 RTCM SC-104 standards for DGPS services . . . . . . . . . 108
8.4 NMEA 0183 format . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
References · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 115
9 GPS Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
9.1 GPS/GISintegration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
9.2 GPS/LRFintegration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
9.3 GPS/dead reckoning integration . . . . . . . . . . . . . . 120
9.4 GPS/INSintegration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
9.5 GPS/pseudolite integration . . . . . . . . . . . . . . . . 123
9.6 GPS/cellularintegration . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
References · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 127
10 GPS Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
10.1 GPS for the utilities industry . . . . . . . . . . . . . . . 129
10.2 GPS for forestry and natural resources . . . . . . . . . . . 131
10.3 GPS for precision farming . . . . . . . . . . . . . . . . 132
10.4 GPS for civil engineering applications . . . . . . . . . . . 133
10.5 GPSformonitoringstructuraldeformations . . . . . . . . 134
10.6 GPS for open-pit mining. . . . . . . . . . . . . . . . . 135
10.7 GPS for land seismic surveying . . . . . . . . . . . . . . 138
10.8 GPS for marine seismic surveying . . . . . . . . . . . . . 139
10.9 GPS for airborne mapping . . . . . . . . . . . . . . . . 140
10.10 GPS for seafloor mapping. . . . . . . . . . . . . . . . 142
10.11 GPS for vehicle navigation . . . . . . . . . . . . . . . 144
10.12 GPSfortransitsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
10.13 GPS for the retail industry. . . . . . . . . . . . . . . . 147
10.14 GPS for cadastral surveying . . . . . . . . . . . . . . . 149
10.15 GPS stakeout (waypoint navigation) . . . . . . . . . . . 150
References · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 151
11 Other Satellite Navigation Systems. . . . . . . . . 155
11.1 GLONASS satellite system . . . . . . . . . . . . . . . . 155
11.2 Chinese regional satellite navigation system (Beidou system) . 157
11.3 Regional augmentations . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
11.4 Future European global satellite navigation system
11.4 (Galileo system) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
References· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 159
Appendix A
GPS Accuracy and Precision Measures . . . . . . . . . 161
Reference · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 162
Appendix B
Useful Web Sites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
B.1 GPS/GLONASS/Galileo information and data . . . . . . . . 163
B.2 GPS manufacturers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
About the Author . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
Index. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

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hobo52014
2012-02-09, 04:02 PM
thanks very much!!!!