现代检测技术-西安交通大学

现代检测技术基于GPS的测试技术精勤求学敦笃励志果毅力行忠恕任事Xi’anJiaotongUniversity主要内容卫星定位导航系统GPS系统组成、其它卫星定位导航系统GPS定位原理时空坐标、伪距测量、载波相位测量绝对定位与相对定位、差分定位典型应用烟草监控调度系统Xi’anJiaotongUniversityGPS卫星定位导航系统GPS全球卫星定位导航系统(GlobalPositioningSystem-GPS)是美国从20世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。Xi’anJiaotongUniversityGPS系统的特点:全球、全天候工作：能为用户提供连续、实时的三维位置、三维速度和精密时间。不受天气的影响。定位精度高：单机定位精度优于10米，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。功能多、应用广：大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等。GPS卫星定位导航系统Xi’anJiaotongUniversityGPS系统的组成：空间星座部分、地面支撑系统、用户设备部分空间星座部分：21颗工作卫星，3颗备用卫星。24颗卫星均匀分布在6个轨道面内。卫星轨道倾角为55°，各轨道平面相差60°。轨道平面高度为20200km，卫星运行周期11小时58分。地面观测者见的卫星颗数最少为4颗，最多可达11颗。GPS卫星定位导航系统Xi’anJiaotongUniversity空间星座部分：GPS卫星的核心部件是高精度的时钟、导航电文存储器、双频发射和接收以及微处理机。每颗GPS工作卫星一般安设2台铷原子钟和2台铯原子钟，未来采用更稳定的氢原子钟（频率稳定度优于10-14s）。卫星钟由地面站检验，其钟差、钟速连同其他信息由地面站注入卫星后，再转化给用户设备。GPS卫星定位导航系统Xi’anJiaotongUniversity空间星座部分：向广大用户连续发送定位信息；接收和存储由地面监控站发来的卫星导航电文等信息，并适时地发送给广大用户；接收并执行由地面监控站发来的控制指令，适时地改正运行偏差或启用备用卫星等；通过星载的高精度铷钟和铯钟，提供精密的时间标准。GPS卫星定位导航系统Xi’anJiaotongUniversityGPS卫星定位导航系统地面支撑系统：主控站：根据跟踪观测数据计算各卫星的轨道参数、钟差参数以及大气修正参数等，编制成导航电文并传送至各注入站；调整偏离轨道的卫星；启用备用卫星；管理协调各地面监控系统的工作。注入站：将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器；向主控站发射信号报告自己的工作状态。监测站：数据自动采集中心，用GPS接收机对可见卫星进行连续观测，为主控站提供卫星的观测数据。Xi’anJiaotongUniversityGPS卫星定位导航系统用户设备部分：接收GPS卫星发射信号，获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。包括GPS接收机及天线、微处理器、终端设备和电源等。天线单元能够接收来自任何方向的GPS信号，将极微弱的GPS信号电流予以放大。微处理机能选择合适的卫星进行测量，以获得最佳的几何图形；能根据观测值及卫星星历求得所需的定位信息。Xi’anJiaotongUniversity其它卫星定位导航系统伴随着众多卫星定位导航系统的兴起，全球卫星定位导航系统有一个全新的称呼：GNSS（GLObalNAvigationSatelliteSystem）。GLONASS系统：前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的卫星定位系统，由卫星星座、地面监测控制站和用户设备组成。现在由俄罗斯空间局管理。GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组成，均匀分布在3个近圆形的轨道平面上，每个轨道面8颗卫星，轨道高度19100公里，运行周期11小时15分，轨道倾角64.8°。GLONASS系统采用军民合用、不加密的开放政策。目前在轨工作卫星约为18颗。Xi’anJiaotongUniversityGalileo卫星定位导航系统：Galileo系统是欧洲自主、独立的全球多模式卫星定位导航系统，提供高精度，高可靠性的定位服务，实现完全非军方控制、管理。能够和GPS、GLONASS系统实现多系统内的相互合作，用户可以用一个多系统接收机来实现定位导航。中国在2004年10月正式加入“Galileo计划”。Galileo系统由30颗（27颗工作卫星+3颗在轨备用卫星）卫星组成，均匀分布在3个轨道上，整个系统拟在2010年之前投入正式运行。其它卫星定位导航系统Xi’anJiaotongUniversity北斗卫星定位导航系统：中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统。北斗一代包括2颗地球同步卫星、2颗备用星、地面中心站和用户终端。其它卫星定位导航系统“北斗”导航卫星使用示意图Xi’anJiaotongUniversity北斗系统三大功能：快速定位：北斗系统可为服务区域内用户提供全天候、高精度、快速实时定位服务，定位精度20~100m；短报文通信：北斗系统用户终端具有双向报文通信功能，用户可以一次传送40~60个汉字的短报文信息；精密授时：北斗系统具有精密授时功能，可向用户提供20ns-100ns时间同步精度。北斗二代由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供开放服务和授权服务。定位精度在1米左右。其它卫星定位导航系统Xi’anJiaotongUniversity劣势：北斗属于有源定位系统，系统容量有限，终端比较复杂。北斗属于区域定位系统，目前只能为中国以及周边地区提供定位服务。其它卫星定位导航系统北斗优势：和美国的GPS、俄罗斯的GLONASS相比，具有通讯功能。全天候快速定位，与GPS精度相当。安全可靠，保密性强。Xi’anJiaotongUniversity北斗应用五大优势：同时具备定位与通信功能，无需其他通信系统支持；覆盖中国及周边国家和地区，24小时全天候服务，无通信盲区；特别适合集团用户大范围监控与管理，以及无依托地区数据采集用户数据传输应用；独特的中心节点式定位处理和指挥型用户机设计，可同时解决“我在哪”和“你在哪”；自主系统，高强度加密设计，安全、可靠、稳定，适合关键部门应用。已成功用于陕西省防汛雨量监测速报、海南省渔船监控、青藏铁路机车监控与管理等项目。其它卫星定位导航系统Xi’anJiaotongUniversity利用无线电测距交会确定点位的方法，可以根据3个以上地面已知点（控制站）交会出卫星的位置，反之也可以利用3颗以上卫星的已知空间位置交会出地面位置点（用户接收机）的位置。GPS卫星发射测距信号和导航电文，导航电文中含有卫星的位置信息。用户用GPS接收机在某一时刻同时接收3颗以上GPS卫星信号，测量出测站点（接收机天线中心）P至每颗卫星的距离并解算出该时刻GPS卫星的空间坐标，然后根据距离交会法解算出测站P的位置。GPS定位原理Xi’anJiaotongUniversityGPS时空参考系卫星的广播信号伪距测量载波相位测量绝对定位和相对定位差分GPS定位GPS定位原理Xi’anJiaotongUniversityGPS时空参考系GPS导航定位中的坐标系统天球坐标系：与地球自转无关，便于描述绕地球质心作圆周运动的卫星运动状态和确定卫星的运行轨道。地固坐标系：固结在地球上和地球一起公转和自转的地球坐标系，便于描述GPS接收机载体在地球表面的运动状态。地固坐标系是用一辅助面（参考椭球面）定义的。Xi’anJiaotongUniversityWGS-84（worldgeodeticsystem）大地坐标系——地固坐标系，原点位于地球质心，Z轴平行于BIH1984.0时元（国际时间局于1984年定义的地球参考系）定义的协议地球极（CTP）方向，X轴指向BIH1984.0时元定义的零子午面和协议地球赤道的交点，Y轴与Z、X轴构成右手坐标系。WGS-84大地坐标系定义了地球形状的椭球模型。国家大地坐标系——目前常用的两个国家大地坐标系是1954年北京坐标系和1980年国家大地坐标系（大地原点设在陕西省泾阳县永乐镇）。地方独立坐标系——在城市和工程测量中，常常建立适合本地区的地方独立坐标系。GPS时空参考系Xi’anJiaotongUniversityGPS导航定位中的时间系统在GPS测量中，时间系统是最重要、最基本的物理量，没有高精度的时间基准，就没有GPS定位。时间系统包含有“时刻”和“时间间隔”两个概念。时刻是发生某一事件的瞬间，在天文学和卫星测量中，与所获数据对应的时刻称为历元。时间间隔是指发生某一现象所经历的过程，是这一过程始末的时间差，所以时间间隔测量也称为相对测量。时间系统有其尺度（时间的单位）和原点（起始历元），只有把尺度和原点结合起来，才能给出统一的时间系统和准确的时间概念。GPS时空参考系Xi’anJiaotongUniversity以地球自转为基础：恒星时ST（SiderealTime）：以春分点为参考点，春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒星日，一恒星日分为24个恒星时。平太阳时MT（MeanSolarTime）：平太阳连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一平太日，一平太日分为24平太时。平太阳的运动速度等于真太阳周年运动的平均速度。世界时UT（UniversalTime）：零经度子午圈（格林威治子午圈）所对应的平太阳时且以平子夜为零时起算的时间系统。GPS时空参考系Xi’anJiaotongUniversity以物质内部原子运动的特征为基础：原子时ATI（InternationalAtomicTime）：秒长定义为铯原子Cs133基态的两个超精细能级间跃迁辐射振荡9192631170周所持续的时间。协调世界时UTC（CoordinatedUniversalTime）：采用原子时秒长，并使用闰秒的方法使其与世界时的时刻相接近，是与地球自转相一致的尺度均匀的时间系统。GPS时间系统：简称GPST，与原子时秒长相同，但原点不同。GPST不跳秒，保持时间的连续。GPST与原子时在任一瞬间均有19s的偏差。GPS时空参考系Xi’anJiaotongUniversityGPS卫星的广播信号包含3种成分：数据码（或称D码，也称为基带信号）、测距码（C/A码、P码或Y码）和载波信号（L1和L2）。数据码（D码）中包含有多种与导航有关的信息，包括卫星的星历、卫星钟钟差改正参数、测距时间标志及大气折射改正参数和由C/A码捕获P码等导航信息。这些信息为GPS导航定位提供数据基础，所以又称为导航电文。卫星的广播信号Xi’anJiaotongUniversityC/A码（coarse/acquisition）是由两个10级反馈移位寄存器相结合而产生的伪随机码，用于分址、搜捕卫星信号和粗测距，是具有一定抗干扰能力的明码，提供给民用。C/A码的码长很短，只有1023bit，易于捕获。C/A码的码元宽度较大，测距精度较低，所以C/A码也称为粗码。P码（precisecode）是由两组各有两个12级反馈移位寄存器结合产生的伪随机码。P码序列非常长，一般先捕获C/A码，然后根据导航电文中给出的有关信息捕获P码。P码码元宽度仅为C/A码的1/10，用于较高精度的定位，又称为精码。是用做精测距、抗干扰及保密的军用码，极少用于民用。卫星的广播信号Xi’anJiaotongUniversityGPS卫星天线发射的信号是将导航电文经过两级调制后的信号。第一级调制是将低频D码分别调制在高频C/A码和P码上，实现对D码的伪随机码扩频。第二级是将一级调制的组合码再分别调制在两个载波频率上（L1和L2）。最后卫星向地面发射两种已调波。在载波L1上调