全球卫星导航系统测量报告

全球卫星导航系统测量报告摘要：全球卫星导航系统可以以高精度、全天候、快速地测定地面点的三位坐标，点间无需通视，不用建标，比常规测量方法的成本低，而且具有仪器轻巧，操作方便等优点，对传统测量的理论与方法产生了革命性的影响，促进了测绘科学技术的现代化，在军事、民用及其他领域都得到了广泛的应用。在工程测量的各个领域，从一般的控制测量到精密工程测量，都显出极大的优势。这种技术还可以应用在桥梁工程、隧道与管道工程、海峡贯通与连接工程、精密设备安装工程等。全球卫星导航系统无疑极大地改变了以往需要巨大人力与精力来进行测量的局面，促进了生产力与各种工程领域的发展。因此，研究这一系统是有极大的必要性的。正文：一．全球卫星导航系统的发展为了实现全球性、全天候、高精度地连续导航定位，美国国防部从1973年开始，进过二十多年的发展，号子三百亿美元，于1993年成功建立了第二代卫星导航系统——GPS卫星全球定位系统。GPS是利用卫星发射的无线电信号进行导航定位，它有着良好的保密性与抗干扰性，同时也满足了人们对于开发这一系统的初衷。这是美国导航技术现代化的重要标志。目前全球卫星导航系统除了美国的GPS系统外，还主要有俄罗斯的GLONASS、中国的北斗、欧盟的GALILEO等。GLONASS系统开发于苏联时期，后来由俄罗斯建立了本国的全球卫星导航系统，1995年建成了由24颗卫星组成的卫星星座。这一系统至少需要18颗卫星来提供对俄罗斯全境的卫星定位与导航服务，如果要对全球来提供服务则需要24颗卫星。主要服务内容为确定陆地、海洋、空中目标的坐标与运动速度等信息。但由于各种因素的影响，该系统很长一段时间内不能进行正常的工作。目前该系统正在进行全面更新。伽利略定位系统是由欧盟主导的一个正在建造的卫星定位系统。是继GPS和GLONASS之后第三个可供民用的定位系统。该系统由30颗卫星组成，于2005年发射了第一颗卫星，由于技术问题，完成目标由2008年延长到了2014年左右。伽利略卫星导航系统是民用定位系统，不存在军用和民用冲突的问题。此外，其卫星运行高度高于GPS系统的卫星，因此覆盖率较高，定位精度将优于GPS全球定位系统。北斗卫星导航系统是我国目前正在实施的自主开发、独立运行的主动式卫星导航系统。2000年发射了第一颗北斗卫星，到2003年，组成了第一代由三颗地球同步卫星组成的实验星座，可用于我国境内和周边地区的导航定位。我国正在建设的北斗卫星导航系统空间段将有五颗静止轨道卫星和三十颗非静止轨道卫星组成。截止2012年，我国已经发射了16颗卫星。目前的开放服务对服务区内免费提供定位、测速和授时服务。授权服务将对授权用户提供更加安全的定位、测速、授时、通信和系统完好性信息。我国计划在2020年左右将北斗系统覆盖全球。本报告将由GPS系统为主介绍全球卫星导航系统技术的原理与方法等。二.GPS的组成1.空间星座部分GPS卫星星座：全球定位系统的空间星座部分由24颗卫星组成，其中有21颗工作卫星，有3颗可以随时启动的备用卫星。工作卫星均匀分布在6个近圆形轨道面内，每个轨道面上有4颗卫星。同时在地平线以上的卫星数目因时间和地点而异，但是最少有4颗，最多时达到11颗。GPS卫星的空间分布保证了无论在何种地点和时间，都可以同时观测到4颗卫星的存在。加之卫星信号的传播不受天气的影响，因此GPS系统是一种全天候、全球性的连续实时定位系统。GPS卫星和功能：GPS卫星的主题呈圆柱形，直径为1.5m，重约774kg，设计寿命为7.5年。它的主要功能为：接收和储存由地面监控系统发射来的导航信息；接受并执行由地面监控系统发射来的控制命令；向用户连续不断地发射导航与定位信息，并提供时间标准、卫星本身的空间实时位置及其他在轨卫星的概略位置。GPS卫星信号：GPS卫星信号和导航电文是通过发射高频率载波信号来传输的。导航电文上有每颗GPS卫星的识别码，来区分来自不同卫星的信号。粗码和精码都可以用作测距码，粗码由于精度低，供民用测距定位用；精码主要用于比较精确的导航定位，只供美国军方和授权用户使用。2.地面监控部分主控站（MCS）：只有一个，设在美国科罗拉多空间中心。主控站负责协调和管理所有地面监控系统的工作，其具体任务有：根据所有地面监测站的观测资料推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层修正参数等，并把这些数据及导航电文传送到注入站；提供全球定位系统的时间基准；调整卫星状态和启用备用卫星等。注入站（GA）：有三个，设在印度洋的迪戈加西亚、南太平洋的卡瓦加兰和南大西洋的阿森松群岛。其主要任务是将来自于主控站的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。监测站（MS）：有五个，除了上述五个地面站具有监测站功能之外，在夏威夷还设有一个监测站。它的主要任务是连续观测和接收所有卫星发出的信号并监测卫星的工作状况，将采集到的数据连同当地气象数据和时间信息发送到主控站。整个地面的监控系统由主控站控制，地面站之剑有现代化通信联系，无需人工操作，实现了高度自动化和标准化。3.用户设备部分包括GPS接收机硬件、数据处理软件和微处理机及其终端设备等。GPS信号接收机是整个用户设备部分的核心。其主要任务是捕获卫星信号，跟踪并锁定卫星信号；对接收的卫星信号进行处理，测量出GPS信号从卫星到接收机天线之间的传播时间；译出GPS卫星发射的导航电文，配以功能完善的软件，实时计算接收机天线的三维坐标、速度及时间。GPS的种类很多，一般分为：导航型接收机；测地型接收机；授时型接收机；姿态测量型接收机。三.GPS坐标系统1.WGS-84大地坐标系由于GPS是全球性的定位导航系统，其坐标系统也应当为全球性，被称为协议地球坐标系。目前，GPS测量系统中所使用的统称为WGS-84世界大地坐标系。它的几何定义是：原点是地球质心，Z指向BIH1984.0定义的协议地球极方向，X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z轴、X轴构成右手坐标系。2.WGS-84坐标基本关系式地面上任意一点可以用三维坐标（X,Y,Z）表示，也可以用大地坐标（B,L,h）表示。两坐标系之间可以互相转换。已知某大地纬度B、大地经度L和大地高h时，可以用下式计算其三维垂直角坐标：X=(N+h)cosBcosLY=(N+h)cosBsinLZ=[N(1-e^2)+h]sinBN=a/[1-e^2(sinB)^2]^1/2式中a、e^2为椭球元素。在实际测量中，虽然GPS信号依据于WGS-84坐标系，但求解结果往往是测站之间的基线向量或三维坐标差。在数据处理时，根据上述结果，并以现有已知点的坐标值作为约束条件，进行整体平差计算，就可以得到各GPS测站点在当地现有坐标系中的实用坐标。四.GPS定位原理利用GPS进行定位的基本原理是空间后方交会，即以GPS卫星和用户接收机天线之间的距离的观测量为基础，并根据已知的卫星瞬时坐标来确定用户接收机所对应点的点位，即待定点的三维坐标。GPS定位的关键是测定用户接收机天线至GPS卫星之间的距离，分为伪距测量和载波相位测量两种。1.伪距测量在待测点安装GPS接收机天线，通过测定某颗卫星发送信号的时刻到接收机天线接收到该信号的时刻，就可以求得卫星到接收机天线之间的距离。由于卫星和接收机的时钟都有误差，电磁波经过电离层和对流层时将产生传播延迟，因此，所计算求得的距离不是接收机到卫星之间的几何距离，所以被称为伪距。这个伪距可以根据卫星所发出的导航电文中计算出来的卫星钟误差改正数修正。在任一观测站只要同时对四颗卫星进行观测，取得4个伪距观测值，即可计算出待测点的坐标。当同时观测的卫星多余4颗是，用最小二乘法进行平差处理。2.载波相位测量载波相位测量即为利用GPS卫星发射的载波作为测距信号。由于载波的波长比测距码波长短，因此对于载波进行相位测量就可以得到较高的测量定位精度。载波相位测量定位解算比较复杂。五.GPS定位方法1.静态定位与动态定位静态定位即为在定位过程中，接收机天线的位置相对于周围地点而言相处于静止状态；动态定位即在定位过程中天线位置相对于周围地面点而言处于运动状态。静止定位可以通过大量的重复观测来提高精度，是一种高精度的定位方法。动态定位是发展最快，应用较广的一种定位方法。动态实时测量系统是GPS测量技术和数据传输技术相结合的一种新的GPS定位技术。它的基本做法是在基准站上安装GPS接收机，对所有可见的GPS卫星进行连续观测，并将其观测数据通过无线电数据传播，实时地发给动态用户观测站，从而可以实时高精度地解算用户站的三维坐标。2.绝对定位和相对定位绝对定位：又称单点定位，实在一个观测点上，用一台接收机独立地跟踪GPS卫星，以测定待测点的绝对坐标。单点测量一般采用伪距测量。用伪距法单点定位，就是利用GPS接收机在某一时刻测定的4颗以上GPS卫星伪距及从卫星导航电文中获得的卫星位置，采用距离交会法求订天线所在的三维坐标。其优点是只需要一台接收机就可以独立确定待求点的绝对坐标。相对定位：是用两台接收机在两个测站上同步跟踪相同的卫星信号，以求定两台接收机之间相对位置的方法。两点间的相对位置也称为基线向量。当其中有一个端点坐标已知，即可推算另一个待定点的坐标。相对定位方法也适用于测量过程中，通过重复观测取得了充分的多余观测数据，从而改善了GPS定位的精度。相对定位一般采用载波相位测量。3.GPS实时差分定位GPS差分定位的原理是在已有精确地心坐标点安放GPS接收机，利用已知地心坐标和星历计算GPS观测值的校正值，并通过无线电通讯设备将较正值发送给运动中的GPS接收机。流动台利用较正值对自己的GPS观测值进行较正，以消除上述误差，从而提高实时定位精度。六.GPS测量的实施目前的GPS控制测量多采用相对定位的测量方法，即需要两台及两台以上的GPS接收机在相同的时间段内连续跟踪相同的卫星组，也称为同步观测，此时各GPS点组成的图形称为同步图形。同步图形中形成的若干坐标闭合差条件，称为同步图形闭合差，该值可以反映野外观测质量和条件的好坏。1.GPS网精度指标按照精度和用途分为A、B、C、D、E级。A级网用于地壳形变测量和建立国家基本控制网，B级网用于建立地方或城市坐标基准框架和各种精密工程测量，C级一下用来建立区域、城市及以下等级的基本控制网和勘测、建筑施工和边点混连式。2.GPS网形设计GPS测量不需要点间通视，因此图形设计具有较大的灵活性。根据用途不同，GPS网的基本构网方式有点连式、边连式、网连式和边点混连式。3.GPS测量的外业踏勘选点、拟定外业观测计划、野外观测、外业核检及数据预处理4.内业数据处理内业数据处理大致分为：预处理、平差计算、坐标系统的转换或与已有地面网的联合平差等。GPS接收机在观测时所记录的数据较多，因此在数据处理时采用的数学模型与算法各种各样，一般通过专门软件处理。5.技术总结与资料上交GPS测量工作结束后，按照需求编写技术总结报告，并在任务完成之后上交任务书、网点图、外业观测计划、外业观测记录、接收检验证书等有关成果资料。