GPS测量原理及应用

GPS原理及其应用主讲陈志高第1部分原理1GPS测量的特点2GPS的历史和背景3GPS系统的组成4GPS卫星5GPS地面控制站6GPS用户设备7GPS系统现状8GPS定位原理9GPS测量2020/1/202GPS定义GPS的英文全称是：NavigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositionSystem测量用户的PVT：•Position(三维位置)•Velocity(三维速度)•Time(时间)日常生活中的GPS4日常生活中的GPS车载手机51GPS测量的特点2020/1/206不需要相互通视观测作业不受天气条件的影响能达到大地测量所需要的精度水平全天候白天和夜间均可作业效率高提供三维坐标2GPS的历史和背景GPS是美国军方研制的第二代卫星导航系统(1)全球覆盖(2)24小时可以定位，测速和授时(3)用户设备成本低廉(4)确保美国军事安全，服务于全球战略(5)导航精度可达10-20m(6)取代现存各种导航系统这种设备可以用来武装战车，舰船和飞机，提高其作战能力，并可广泛用于地面部队，其作用已经在海湾战争中得到充分展示。2020/1/2072020/1/208系统特征第一代NNSSNavyNavigationSatelliteSystem(海军导航卫星系统）GPS载波频率GHz0.15,0.401.23,1.58卫星高度km100020200卫星数5-621+3卫星周期min1:4711:58卫星钟稳定度10-1110-12GPS与NNSS的主要特征比较2020/1/209系统特征GLONASSGPS载波频率GHz1.61,1.251.23,1.58卫星高度km1910020200卫星数21+321+3卫星周期h11:1511:58卫星钟稳定度10-1110-13GPS与GLONASS的主要特征比较3GPS系统的组成2020/1/2010空间部分：提供星历和时间信息发射伪距和载波信号提供其它辅助信息地面控制部分：中心控制系统实现时间同步跟踪卫星进行定轨用户部分：接收并测量卫星信号记录处理数据提供导航定位信息4GPS卫星24颗卫星(21+3)6个轨道平面55º轨道倾角2万km轨道高度(地面高度)12小时（恒星时）轨道周期5个多小时出现在地平线以上(每颗星)2020/1/2011目前轨道上实际运行的卫星个数已经超过了32颗5GSP地面控制站一个主控站：科罗拉多•斯必灵司三个注入站：阿松森(Ascencion)迭哥•伽西亚(DiegoGarcia)卡瓦加兰(kwajalein)五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii)2020/1/201255HawaiiAscencionDiegoGarciakwajaleinColoradosprings6GPS用户设备GPS接收机2020/1/2013导航型GSP接收机一般情况下无数据输出的记录存储设备(手持机)天线前置放大器电源部分射电部分微处理器数据存储显示控制器供电信号信息命令数据供电，控制供电数据控制TOPCON产品LeicaGPS接收机南方仪器厂图片：导航型GPS机手持型GPS机车载型GPS机图片：大地型GPS接收机单频机双频机7GPS定位原理卫星信号结构2020/1/2021基准频率10.23MHZL11575.42MHZC/A码1.023MHZP•码10.23MHZL21227.60MHZP•码10.23MHZ1015412050比特/S卫星信息电文(D码)每颗卫星都发射一系列无线电信号(基准频率ƒ)两种载波(L1和L2)两种码信号(C/A码和P码)一组导航电文(信息码，D码)GPS卫星信号的组成卫星信号载波信号(L1，L2)测距码(P码,C/A码)数据码(导航电文或D码)（1）载波信号L1载波，波长λ=19.03cm，频率f1=1575.42MHZL2载波，波长λ=24.42cm，频率f2=1227.6OMHZ。（2）测距码C/A码（粗码/捕获码）：调制在L1载波上。结构公开，不同的卫星有不同的C/A码。P码（精码）：调制在L1和L2载波上。（3）数据码（D码）（导航电文）提供有关卫星位置，卫星钟的性能、发射机的状态等数据和信息。用户利用观测值以及这些信息和数据就能进行导航和定位。GPS定位的各种常用观测量对卫星进行测距2020/1/2023接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距地心SiρijPjriRjRj=ri+ρij有关各观测量及已知数据如下：r—为已知的卫地矢量P—为观测量(伪距)ρ—为未知的测站点位矢量伪距测量伪距——由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得出的量测距离。由于卫星钟、接收机钟的误差以及无线电通过电离层和对流层中的延迟，实际测出的距离与卫星到接收机的几何距离有一定的差值，因此一般称量测出的距离为伪距。用C/A码进行测量的伪距为C/A码伪距；用P码进行测量的伪距为P码伪距。测距码伪距测量2020/1/2025接收机至卫星的距离借助于卫星发射的码信号量测并计算得到的接收机本身按同一公式复制码信号比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟时间t传播延迟时间乘以光速就得到距离观测值=C•tt接收到的卫星测距码接收仪复制出的测距码伪距测量的优缺点1)定位速度快。2)无多值性问题。3)可作为载波相位测量中整波数不确定问题（模糊度）的辅助资料。4)一次定位精度不高，（P码定位误差约为10m，C/A码定位误差约为20～30m）。D=cTN载波相位观测•载波L1的波长为19cm，L2的波长为24cm•接收仪将接收到的卫星载波信号的相位与其自身产生的参考载波信号的相位进行比较•接收仪开机后，相位整周数未知(带有整周模糊度)•跟踪卫星时间较长时距离的变化可以测定(整周数保持不变)T接收到的卫星相位接收仪复制出的相位载波相位观测T整周模糊度的确定可通过卫星和测站的先验信息或伪距观测值，估算其近似值并在平差计算中解算其最佳估值。采用通常的方法解算时，需随观测时间的延长使卫星的几何构形发生较大的变化，使电离层折射效应和多路径效应等系统性偏差的影响被逐渐削弱以至消除，从而保证其确定的可靠性。在通常的静态定位中，为确保确定的可靠性，至少要观测1小时左右。2020/1/2029卫星广播的电磁波信号：信号量测精度优于波长的1/100载波波长(L1=19cm,L2=24cm)比C/A码波长(C/A=293m)短得多所以，GPS测量采用载波相位观测值可以获得比伪距(C/A码或P码)定位高得多的测距精度L1载波L2载波C/A码P-码p=29.3mL2=24cmL1=19cmC/A=293m载波相位观测载波相位测距的优缺点载波相位测量属于非码信号测量系统优点：把载波作为量测信号，对载波进行相位测量可以达到很高的精度，目前可达到1～2mm。缺点：载波信号是一种周期性的正弦信号，相位测量只能测定不足一个波长的小数部分，无法测定其整波长个数。因而存在着整周数的不确定性问题，使解算过程比较复杂。单点定位结果的获取2020/1/2031单点定位解可以理解为一个测边后方交会问题卫星充当轨道上运动的控制点，观测值为测站至卫星的伪距(由时间延迟计算得到)由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差，所以要同步观测4颗卫星，解算四个未知参数：纬度,经度,大地高程h,钟差t8GPS定位的误差源2020/1/2032与GPS卫星有关的因素SA(对精密星历进行加密）技术：人为的降低广播星历精度2000年5月2日4时终止实施卫星星历（定轨）误差卫星钟差卫星信号发射天线相位中心偏差与传播途径有关的因素电离层延迟对流层延迟多路径效应与接收机有关的因素接收机钟差接收机天线相位中心误差接收机软件和硬件造成的误差9GPS测量(1)采用载波相位观测值2020/1/2033卫星广播的电磁波信号：•信号量测精度优于波长的1/100•载波波长(L1=19cm,L2=24cm)比C/A码波长(C/A=293m)短得多•所以，GPS测量采用载波相位观测值可以获得比伪距(C/A码或P码)定位高得多的测距精度L1载波L2载波C/A码P-码p=29.3mL2=24cmL1=19cmC/A=293m(2)组成星际站际两次差分观测值2020/1/2034•可以消去卫星钟的系统偏差•可以消去接收机时钟的误差PikPljPijPjPlkPkSlSi•可以削弱大气折射对观测值的影响•可以削弱轨道(星历)误差的影响(3)设法解算出初始整周未知数2020/1/2035•测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成(1)初始整周未知数n；(2)t0至ti时刻的整周记数Ci；(3)相位尾数i•如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初始整周未知数n•为了利用载波相位进行定位，必须设法先解算出初始整周未知数，取得总观测值n+Ci+iTime(0)AmbiguityTime(i)AmbiguityCountedCyclesPhaseMeasurement(4)弄清楚初始整周未知数的确定与定位精度的关系2020/1/2036精度m1.000.100.01整周未知数确定后整周未知数确定前经典静态定位00308058时间(分)•如果无法准确解出初始整周未知数，则定位精度难以优于±1m•随着初始整周未知数解算精度的提高，定位精度也相应提高•一旦初始整周未知数精确获得，定位精度不再随时间延长而提高•经典静态定位需要30-80分钟观测才能求定初始整周未知数快速静态定位将这个过程缩短到5-8分钟(双频接收机)快速静态定位伪距差分这是应用最广的一种差分。在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较，得出伪距改正数，将其传输至用户接收机，提高定位精度。这种差分，能得到米级定位精度，如沿海广泛使用的“信标差分”2020/1/2037载波相位差分载波相位差分技术又称RTK(RealTimeKinematic)技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。即是将基准站采集的载波相位发送给用户接收机，进行求差解算坐标。载波相位差分可使定位精度达到厘米级，已经大量应用于需要点位高精度的动态测量领域。2020/1/20382020/1/2039第2部分我国GPS测量的常用坐标系1.WGS-84WGS-84坐标是GPS所采用的坐标系统，GPS发布的星历参数都是基于此坐标系的。WGS-84的椭球参数：a=6378137m1/f=298.2572235632.1954北京坐标系1954北京坐标系是目前我国使用比较广泛的大地测量坐标系，参考椭球是克拉索夫斯基椭球。其高程是以1956年黄海平均海水面为基准。克拉索夫斯基椭球参数：a=6378245m1/f=298.32020/1/20403.1980西安坐标系1980西安坐标系是我国新建的大地测量坐标系，参考椭球是IUGG1975椭球，其高程是以1956年黄海平均海水面为基准。IUGG1975椭球参数：a=6378140m1/f=298.257第3部分GPS静态定位2020/1/2041GPS静态定位主要用于建立各级测量控制网，其优点为：定位精度高，其基线的相对精度非常高选点灵活、不需要造标、费用低全天候作业观测时间短观测处理自动化第4部分GPS高程测量中常用的高程系统有大地高系统、正高系统、正常高系统大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统。某点的大地高是该点到参考椭球面的垂直距离。大地高也称为椭球高。一般用H表示。正高系统是以大地水准面为基准面的高程系统。某点的正高是该点到大地水准面的垂直距离。正常高系统是以似大地水准面为基准面的高程系统。某点的正常高是该点到似大地水准面的垂直距离。2020/1/2042高程系统间的转换HHN正2020/1/2043HH正常EllipsoidhPTopographyHGeoidN似大地水