GPS定位原理

1第一章GPS卫星定位原理•一、卫星定位技术发展的回顾•二、GPS定位系统的组成•三、GPS定位的观测方程•四、GPS卫星测量的误差来源•五、差分法载波相位测量和观测的线性组合2一、卫星定位技术发展的回顾•人类从直立并漫游世界时就开始寻找一种简单方式确定他所在位置和方向。如：堆石头做标记，但可能遭到雨水破坏；在开始探索海洋时，星星是唯一能依靠的东西，但仅能在晴朗的夜晚进行，且由于距离太远使其无论在何处看起来都一样，故需要精确的量测（早期天体导航的误差可达几百米至几千米）。•卫星定位技术是利用人造地球卫星进行点位测量的。五十年代美国国家大地测量局。开始利用卫星几何光学观测法和卫星轨道跟踪法建立全球卫星网和全球地心坐标系，建立了一个由45个点组成的全球三角网。前苏联和若干欧洲国家也作了类似的工作。六十年代美国还完成了多普勒卫星定位系统---海军子午导航卫星系统（NNSS）的布设，并于1968年向民用开放。前苏联也建立了一个由12颗所谓宇宙卫星组成的叫做CICADA系统的卫星导航系统，自此揭开了卫星定位的新篇章。接着美国在七十年代又开始研制第二代卫星定位系统---全球定位系统（GPS）。3•进入八十年代，GPS得到了全面的发展。它的定位精度非常高，在大地测量和地球动力学中获得了日益广泛的应用。俄罗斯、法国和德国也相继研制了GLONASS、DORIS和PRARE系统。GLONASS系统定位原理与GPS系统相类似。DORIS为地基系统，其建立的主要目的用于美、法合作的海洋计划TOPEX/POSEIDON的精密定轨，也用于绝对与相对定位以及监测地壳运动。PRARE（PreciseRangeAndRange-rateEquipment）为一种精密双向、双频（S/X带）卫星跟踪系统，它可以测定时钟参数、轨道根数、站坐标和地球自转参数。••进入九十年代,空间定位技术群更是得到了空前的发展,GLONASS系统正式投入运行，西欧欧洲空间局(ESA)开始筹建NAVSAT,NAVSAT是由6颗地球同步卫星(GEO)和12颗高椭圆轨道卫星(HEO)组成的混合卫星星座.可实现全天候、实时导航和定位。日本也在积极筹划建立日本的多功能卫星增强系统(MSAS)。••国际移动卫星组织(原名国际海事卫星组织,简称INMARSAT)是提供全球通信的国际间合作组织,中国是INMARSAT的创始成员国之一.该组织可通过所属的通信卫星，提供全球移动通信服务。4•国际海事卫星组织，计划对其第三代卫星INMARSATIII进行改进，使其具有转发GPS/GLONASS导航信息的能力。国际民航组织（ICAO）为了打破一两个国家独霸卫星定位的被动局面,计划组建民用的GNSS系统,在2000年以前,建成与完善由GPS+GLONASS+INMARSAT+GAIT+RAIM组成的混合系统。其中GAIT为地面增强和完好式监视系统,RAIM为机载独立完善监控系统.混合系统建成之后,ICAO将允许在某特定空域内,将GNSS作为单一的导航手段运行.2000年以后，ICAO将组建纯民用GNSS系统,建成后,GNSS将拥有30颗卫星作为其第一代全球卫星导航系统,这一系统不仅能提供与GPS和GLONASS系统类似的导航定位功能。,还能同时具有全球卫星移动通信的能力。这一组合导航系统的开发，全球将形成GPS/GLONASS/GNSS/INMARSAT等多种卫星定位系统的多元化的空间资源环境。这将从根本上改变对单一系统的依赖，使卫星定位技术的所有权、控制权和运营权实行国际化，到那时卫星定位技术才能成为能够使人们完全放心使用的空间定位系统。•返回5二、GPS定位系统的组成GPS定位技术是利用高空中的GPS卫星，向地面发射L波段的载频无线电测距信号，由地面上用户接收机实时地连续接收，并计算出接收机天线所在的位置。因此，GPS定位系统是由以下三个部分组成：•（1）GPS卫星星座（空间部分）•（2）地面监控系统（地面控制部分）•（3）GPS信号接收机（用户设备部分）。这三部分有各自独立的功能和作用，对于整个全球定位系统来说，它们都是不可缺少的。67（一）GPS卫星和星座•自1978年2月22日第一颗GPS试验卫星（PRN4）入轨运行之后，到1985年10月9日最后一颗GPS试验卫星入轨运行为止，总共发射了11颗GPS试验卫星（BlockI），其中由于发射故障以及卫星入轨后出现的故障，实际上只有部分GPS试验卫星能够正常工作。后来为了完善GPS定位系统的功能，又研制并陆续发射了BlockII和BlockIIA型GPS工作卫星。第一颗GPS工作卫星（PRN14）是于1989年2月14日发射，于1996年9月12日发射了第27颗GPS工作卫星（BlockIIA，PRN30），其中有2颗卫星因为故障而不能正常工作，共计有25颗GPS工作卫星构成了完整的GPS工作卫星星座，达到“全星座状态”，同时所有的GPS试验卫星停止工作，退出历史舞台。并且为了以后进一步发展的需要，将采用更为先进的BlockIIR和BlockIIF型卫星。89•目前覆盖全球的“GPS全星座”，使得在地球上任何地方可以同时观测到4-12颗高度角15以上的卫星。GPS卫星分布在6个近圆形轨道面，高度在地面以上约20200km，轨道面相对于地球赤道面倾斜55角，卫星运转周期约11小时58分（半个恒星日）。这样在各地每天出现的卫星情况提前4分钟与上一次的相同。•在GPS定位系统中，GPS卫星的作用是：（1）向广大用户连续不断地发送导航定位信号，用导航电文报告自己的现势位置，以及其它在轨卫星的概略位置。（2）在飞越注入站上空时，接受由地面注入站用S波段发送来的导航电文和其它有关信息，供实时转发给地面上广大用户。（3）接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令。10GPS卫星分布图11（二）地面监控系统•地面监控系统由一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。主控站的作用是收集各个监测站所测得的伪距和积分多普勒观测值、环境要素等数据，计算每颗GPS卫星的星历、时钟改正量、状态数据、以及信号的大气层传播改正，并按一定的形式编制成导航电文，传送到主控站，此外还控制和监视其余站的工作情况并管理调度GPS卫星。•注入站的作用是将主控站传来的导航电文，用10cm（S）波段的微波作载波，分别注入到相应的GPS卫星中，通过卫星将导航电文传递给地面上的广大用户。由于导航电文是GPS用户所需要的一项重要信息，通过导航电文才能确定出GPS卫星在各时刻的具体位置，因此注入站的作用是很重要的。12•监测站的主要任务是为主控站编算导航电文提供原始观测数据。每个监测站上都有GPS信号接收机对所见卫星作伪距测量和积分多普勒观测，采集环境要素等数据，经初步处理后发往主控站。•以上地面监控系统实际上都是由美国军方所控制。由于军方为了限制民间用户通过GPS所达到的实时定位精度，而对GPS卫星轨道精度和时钟稳定性作了有意降低（SA政策），这不利于广大民间用户。为了克服SA政策的影响，一些国际性科研机构建立了广泛分布的全球性跟踪网络，用来精确测定GPS卫星的轨道元素供后处理之用，或计算预报星历。但是这两种星历都不是由GPS卫星播发给用户，而是要通过一定的信息渠道获得，有别于GPS卫星的广播星历。13(三)用户设备部分•GPS的空间部分和地面监控部分，为用户广泛利用该系统进行导航和定位提供了基础。而用户要实现利用GPS进行导航和定位的目的，还需要具备GPS信号接收机，即用户设备部分。这部分的作用是接收GPS卫星发射的信号，获得必要的导航和定位信息及观测量，经数据处理后获得观测时刻接收机天线相位中心的位置坐标。•用户设备部分主要由GPS接收机硬件和数据处理软件组成。关于GPS接收机有多种分类方法，但对于大地测量应用来说，一般都是采用较精密的双频接收机，可作双频载波相位测量。从具体应用与成本价格出发，也可选用稍为便宜的单频接收机。所有GPS接收机生产厂家一般都随机提供数据处理软件包，但其作用是有限的。国际上有一些科研机构为了克服商用数据处理软件的不足，已经开发研制了多种精密的GPS数据后处理软件包，如GAMIT（美国麻省理工学院）、Bernese（瑞士伯尔尼大学天文学院）、GIPSY（美国加州大学喷气推进实验室）等，主要用于科研目的。1415返回16（四）、相对于经典的测量技术来说，这一新技术的主要特点如下：●全球地面覆盖。●功能多，精度高。●实时定位。●应用广泛。17●观测站之间无需通视。既要保持良好的通视条件，又要保障测量控制网的良好结构，这一直是经典测量技术在实践方面的困难问题之一。GPS测量不要求观测站之间相互通视，因而不再需要建造觇标，这一优点既可大大减少测量工作的经费和时间，同时也使点位的选择变得甚为灵活。•不过为了使接收GPS卫星的信号不受干扰，必须保持观测站的上空开阔（净空）。18●定位精度高。现已完成的大量实验表明，目前在小于50km的基线上，其相对定位精度可达1~2×10-6，而在100km~500km的基线上可达10-6~10-7。随着观测技术与数据处理方法的改善，可望在大于1000km的距离上，相对定位精度可达到或优于10-8。19●观测时间短。目前，利用经典的静态定位方法，完成一条基线的相对定位所需要的观测时间，根据要求的精度不同，一般约为1~3小时。为了进一步缩短观测时间，提高作业速度，近年来发展的短基线（例如不超过20km）快速相对定位法，其观测时间仅需数分钟。20●提供三维坐标。GPS测量，在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。GPS测量的这一特点，不仅为研究大地水准面的形状和确定地面点的高程开辟了新途径，同时也为其在航空物探，航空摄影测量及精度导航中的应用，提供了重要的高程数据。21●操作简便。GPS测量的自动化程度很高，在观测中测量员的主要任务只是安置并开关仪器，量取仪器高，监视仪器的工作状态和采集环境的气象数据，而其它观测工作，如卫星的捕获，跟踪观测和记录等均由仪器自动完成。另外，GPS用户接收机一般重量较轻，体积较小，因此携带和搬运都很方便。22●全天侯作业。GPS观测工作，可以在任何地点，任何时间连续地进行，一般也不受天气状况的影响。23三、GPS定位的观测方程•（一）伪距法•GPS全球定位系统的基本定位方法，是通过测量信号从卫星到接收机的传播时间，得到卫星与接收机之间的距离，然后根据多个这样的距离来解算接收机天线所在的位置坐标。假定卫星和接收机的时钟都是与GPS系统的时间（或UTC时间）保持完全同步，即不存在卫星钟差与接收机钟差，并且为简化起见，也不考虑大气层折射延迟（包括电离层和对流层）等的影响，则此时卫星至地面接收机的距离，与信号传播时间之间有如下简单关系：(2.1)式中c为光速。•实际上卫星钟与接收机钟一般并没有与GPS系统时间完全同步，再考虑到大气层折射延迟的影响，因此测量得到的并非真正的卫星至接收机的几何直线距离，而是所谓的伪距PR：•(2.2)cRtcRPR24•式中•tR为接收机时钟与GPS系统时间的同步差，•tS为卫星钟与GPS系统时间的同步差，•ta为大气层折射延迟影响（包括电离层和对流层的折射延迟），XS、XR分别为GPS卫星和接收机在协议地球坐标系（WGS84系）中的地心矢量。••在式(2.2)中，tS可以由卫星广播电文查出，并在观测方程中作相应的改正；tR一般是直接作为未知数，与测站坐标等其它未知数一并求解；ta为大气层折射所致的多余时间延迟，其中电离层折射影响可以通过双频观测技术予以消除，对单频接收机则可通过有关模型予以粗略改正；对流层折射效应可以通过选择适当延迟模型予以估算，例如Hopfield模型或Saastamoinen模型等。••由于存在测站三维位置坐标和接收机时钟改正量四个未知数，故至少需同时对四个卫星进行观测才能对方程（2.2）求解，求出四个未知数。定位原理如图2-1所示。aSRtttt22)(RSXXR25无SA时C/A码单点定位精度15-3