第七章-全球卫星定位系统GPS

2020/2/261GPS的组成第七章全球卫星定位系统GPS2020/2/262GPS（GlobalPositioningSystem）即全球定位系统，是由美国建立的一个卫星导航定位系统，利用该系统，用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速；另外，利用该系统，用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。GPS计划始于1973年，已于1994年进入完全运行状态。GPS的整个系由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成：2020/2/263GPS系统的组成空间部分：提供星历和时间信息发射伪距和载表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：接收并测卫星信号记录处理数据提供导航定位信息2020/2/264空间部分24颗卫星（21+3）6个轨道平面55º轨道倾角20200km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）2020/2/265地面控制部分一个主控站：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)55HawaiiAscencionDiegoGarciakwajaleinColoradosprings2020/2/266用户部分通用接收机（定位型）：导航型接收机一般情况下无数据输出的记录存储设备天线前置放大器电源部分射电部分微处理器数据存器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2020/2/267GPS信号2020/2/268GPS卫星信号卫星信号结构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）基准频率10.23MHZL11575.42MHZC/A码1.023MHZP•码10.23MHZL21227.60MHZ15412050比特/S卫星信息电文（D码）2020/2/269定位原理2020/2/2610接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距地心SiPijPjriRjRj=ri+Pij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）R—为未知的测站点位矢量对卫星进行测距2020/2/2611距离观测值的计算•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的时间t•传播延迟时间乘以光速就是距离观测值=C•ttt2020/2/2612单点定位结果的获取•单点定位解可以理解为一个后方交会问题•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（由时延值推算得到）•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：精度,经度,高程h,钟差t2020/2/2613采用载波相位观测值发自卫星的电磁波信号：•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）定位高得多的成果精度L1载波L2载波C/A码P-码p=29.3mL2=24cmL1=19cmC/A=293m2020/2/2614组成星际站际两次差分观测值•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•可以消去轨道（星历）误差的影响•可以削弱大气折射对观测值的影响2020/2/2615解算出初始整周未知数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，必须先解算出初始整周未知数，取得总观测值n+Ci+iTime(0)AmbiguityTime(i)AmbiguityCountedCyclesPhaseMeasurement2020/2/2616弄清楚初始整周未知数的确定与定位精度的关系•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2-5分钟m精度1.000.100.01整周未知数确定后整周未知数确定前00308025时间（分）经典静态定位快速静态定位2020/2/2617SPS和PPSGPS系统针对不同用户提供两种不同类型的服务。一种是标准定位服务(SPS–StandardPositioningService)，另一种是精密定位服务(PPS–PrecisionPositioningService)。SPS主要面向全世界的民用用户。PPS主要面向美国及其盟国的军事部门以及民用的特许用户。2020/2/2618GPS定位的误差源1.与GPS卫星有关的因素SA美国政府从其国家利益出发，通过降低广播星历精度（技术）、在GPS基准信号中加入高频抖动（技术）等方法，人为降低普通用户利用GPS进行导航定位时的精度。卫星星历误差在进行GPS定位时，计算在某时刻GPS卫星位置所需的卫星轨道参数是通过各种类型的星历[7]提供的，但不论采用哪种类型的星历，所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异，这就是所谓的星历误差。卫星钟差卫星钟差是GPS卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS标准时间之间的误差。卫星信号发射天线相位中心偏差卫星信号发射天线相位中心偏差是GPS卫星上信号发射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。2020/2/2619电离层延迟由于地球周围的电离层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为电离层延迟。电磁波所受电离层折射的影响与电磁波的频率以及电磁波传播途径上电子总含量有关。对流层延迟由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为对流层延迟。电磁波所受对流层折射的影响与电磁波传播途径上的温度、湿度和气压有关。多路径效应由于接收机周围环境的影响，使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有各种反射和折射信号的影响，这就是所谓的多路径效应。2.与传播途径有关的因素2020/2/2620接收机钟差接收机钟差是GPS接收机所使用的钟的钟面时与GPS标准时之间的差异。接收机天线相位中心偏差接收机天线相位中心偏差是GPS接收机天线的标称相位中心与其真实的相位中心之间的差异。接收机软件和硬件造成的误差在进行GPS定位时，定位结果还会受到诸如处理与控制软件和硬件等的影响。3.与接收机有关的因素2020/2/26214.其它GPS控制部分人为或计算机造成的影响由于GPS控制部分的问题或用户在进行数据处理时引入的误差等。数据处理软件的影响数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响。2020/2/2622坐标系、基准和坐标系统测量的基本任务就是确定物体在空间中的位置、姿态及其运动轨迹。而对这些特征的描述都是建立在某一个特定的空间框架和时间框架之上的。所谓空间框架就是我们常说的坐标系统，而时间框架就是我们常说的时间系统。2020/2/2623坐标系统一个完整的坐标系统是由坐标系和基准两方面要素所构成的。坐标系指的是描述空间位置的表达形式，而基准指的是为描述空间位置而定义的一系列点、线、面。在大地测量中的基准一般是指为确定点在空间中的位置，而采用的地球椭球或参考椭球的几何参数和物理参数，及其在空间的定位、定向方式，以及在描述空间位置时所采用的单位长度的定义。2020/2/2624坐标系的分类正如前面所提及的，所谓坐标系指的是描述空间位置的表达形式，即采用什么方法来表示空间位置。人们为了描述空间位置，采用了多种方法，从而也产生了不同的坐标系，如直角坐标系、极坐标系等。在测量中，常用的坐标系有以下几种：2020/2/2625空间直角坐标系空间直角坐标系的坐标系原点位于参考椭球的中心，Z轴指向参考椭球的北极，X轴指向起始子午面与赤道的交点，Y轴位于赤道面上，且按右手系与X轴呈90°夹角。某点在空间中的坐标可用该点在此坐标系的各个坐标轴上的投影来表示。2020/2/2626空间大地坐标系空间大地坐标系是采用大地经、纬度和大地高来描述空间位置的。纬度是空间的点与参考椭球面的法线与赤道面的夹角，经度是空间中的点与参考椭球的自转轴所在的面与参考椭球的起始子午面的夹角，大地高是空间点沿参考椭球的法线方向到参考椭球面的距离。2020/2/2627平面直角坐标系平面直角坐标系是利用投影变换，将空间坐标（空间直角坐标或空间大地坐标）通过某种数学变换映射到平面上，这种变换又称为投影变换。投影变换的方法有很，如UTM投影、Lambuda投影等，在我国采用的是高斯-克吕格投影，也称为高斯投影。2020/2/2628基准所谓基准是指为描述空间位置而定义的点、线、面，在大地测量中，在大地测量中，基准是指用以描述地球形状的参考椭球的参数，如参考椭球的长短半轴，以及参考椭球在空间中的定位及定向，还有在描述这些位置时所采用的单位长度的定义。2020/2/2629GPS测量中常用的坐标系统WGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统，GPS所发布的星历参数就是基于此坐标系统的。WGS-84坐标系的坐标原点位于地球的质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极方向，X轴指向BIH1984.0的启始子午面和赤道的交点，Y轴与X轴和Z轴构成右手系。2020/2/26301954年北京坐标系1954年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系,采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球，遗憾的是，该椭球并未依据当时我国的天文观测资料进行重新定位，而是由前苏联西伯利亚地区的一等锁，经我国的东北地区传算过来的，该坐标系的高程异常是以前苏联1955年大地水准面重新平差的结果为起算值，按我国天文水准路线推算出来的，而高程又是以1956年青岛验潮站的黄海平均海水面为基准。2020/2/2631克拉索夫斯基椭球参数同现代精确的椭球参数的差异较大，并且不包含表示地球物理特性的参数，因而给理论和实际工作带来了许多不便。椭球定向不十分明确，椭球的短半轴既不指向国际通用的CIO极，也不指向目前我国使用的JYD极。参考椭球面与我国大地水准面呈西高东低的系统性倾斜，东部高程异常达60余米，最大达67米。该坐标系统的大地点坐标是经过局部分区平差得到的，因此，全国的天文大地控制点实际上不能形成一个整体，区与区之间有较大的隙距，如在有的接合部中，同一点在不同区的坐标值相差1-2米，不同分区的尺度差异也很大，而且坐标传递是从东北到西北和西南，后一区是以前一区的最弱部作为坐标起算点，因而一等锁具有明显的坐标积累误差。1954年北京坐标系存在着很多缺点2020/2/26321980年西安大地坐标系1978年，我国决定重新对全国天文大地网施行整体平差，并且建立新的国家大地坐标系统，整体平差在新大地坐标系统中进行，这个坐标系统就是1980年西安大地坐标系统。1980年西安大地坐标系统所采用的地球椭球参数的四个几何和物理参数采用了IAG1975年的推荐值，椭球的短轴平行于地球的自转轴（由地球质心指向1968.0JYD地极原点方向），起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面，椭球面同似大地水准面在我国境内符合最好，高程系统以1956年黄海平均海水面为高程起算基准。2020/2/2633GPS静态定位在测量中的应用GPS静态定位在测量中主要用于测定各种用途的控制点。其中，较为常见的方面是利用GPS建立各种类型和等级的控制网，在这些方面，GPS技术已基本上取代了常规的测量方法，成为了主要手段。较之于常规方法，GPS在布设控制网方面具有以下一些特点：2020/2/2634测量精度高：GPS观测的精度要明显高于一般