GPS技术的发展现状与应用

GPS技术的发展现状与应用GPS的定义、系统组成与功能GPS的技术定义与政策GPS接收机的类型与发展GPS定位的原理与方法GPS高程测量GPS技术的应用一、GPS的定义、系统组成与功能1.GPS的定义•GPS是美国国防部为替代子午卫星系统（NNSS）于1973年12月批准研制的卫星导航系统。•它的全称是卫星测时测距导航/全球定位系统（NAVSTAR/GPS；NavigationSatelliteAndRanging/GlobalPositioningSystem）2.GPS的系统组成•空间部分–24（21+3）颗GPS卫星组成–24颗卫星分布在20200km高空上的倾角为55°的6个轨道上，运行周期为11h58min，以保证在全球各处能观测到高度角15°的卫星4颗以上–卫星以L1（1575.42MHz)和L2（1227.60MHz)两个波段发射载波无线电信号，内容包括测距码和导航电文–测距玛有P码（精码）和C/A码（粗搜索码）。C/A码供民用的标准定位服务（SPS）；P码只供美国军方和授权用户使用–导航电文内容包括卫星星历、电离层模型系数、时间信息、卫星状态信息、星钟改正数以及漂移信息等•监控部分–1个主控站（设在美国的科罗拉多）–3个注入站（设在大西洋的阿森松岛、印度洋的迪戈加西亚岛和太平洋的卡瓦加兰岛）–5个监控站（设在主控站、3个注入站和美国的夏威夷）•用户部分–GPS接收机GPS卫星GPS卫星在轨道上的分布GPS的系统组成空间部分24颗GPS卫星组成用户部分GPS接收机控制部分1个主控站5个监控站3个注入站注入站监控站主控站3.GPS的功能•导航–海空导航、车辆引行、导弹制导等•测速–其精度可达0.1m/s•测时与授时–其精度可达340ns•定位–C/A码单点定位精度为20~40m，P码单点定位精度为16m–相对定位精度在50km以内可达10-6，100km~500km可达10-7，1000km以上可达10-9。在300~1500m的工程精密定位时观测1h以上定位精度可达1mm以内，与ME-5000电磁波测距仪测定的边长比较，其较差最大为0.5mm，较差中误差为0.3mm–C/A码单点定位的高程精度为30~60m，DGPS高程精度目前最高可达到厘米级或亚毫米级二、GPS的技术定义与政策1.IOC与FOC的定义•IOC—初始运作能力–24颗卫星（Ⅰ/Ⅱ/ⅡA型）在预定的轨道上运行–能按规定精度进行标准定位服务–1993年12月8日美国防部宣布达到IOC•FOC—全部运作能力–24颗卫星（Ⅱ/ⅡA型）在预定的轨道上运行–能全面满足军方的要求2.SA政策和AS政策•SA技术—选择可用性技术–包括ε技术δ技术–水平定位精度从20~30m降低到100m•AS技术—反电子欺骗技术–将P码加密为Y码•SA和AS实施的目的–使非特许用户不能获得高精度定位信息•用户的对策–采用DGPS技术对付SA政策–采用下面3种对付AS政策»P-W技术»L1、L2互相关技术»窄相关技术3.GPS使用的安全性与完备性•GPS使用的安全性–安全性—GPS的C/A码在战时是否会关闭–GPS具有安全性的理由»美国于1991年有言在先»众多商业用户的强大阻力»C/A码是P码的引导码»美国必须混合使用民用GPS接收机•GPS使用的完备性–完备性—发现精度不合格并能及时通知用户的能力–完备性的要求»能够及时检测出精度超限的情况»能在规定的时间内通知用户»美联邦航空管理局（FAA）要求精度限差为100m、时间为10s。直至今日美国国防部仍未宣布已达到完备性的要求4.美国GPS政策的改变•2000年5月美国国防部宣布取消SA政策，使得水平单点定位精度恢复到20~30m•将逐步开放L2的C/A码–L2上的C/A码的开放，将使得GPS的精度和功能提高，且可使用户方便的利用双频进行电离层影响的改正。届时可使水平单点定位精度提高到2.5m•将启用一个新的民用频率L5和和军队专用的M码–L5将大大缩短整周模糊度的搜索时间，从而使得动态定位和快速静态定位技术有更大的发展5.GPS以外的全球定位系统•GLONASS全球导航卫星系统–由前苏联和俄罗斯从1982年开始至1996年建成•INMARSAT系统–由国际移动卫星组织（原名国际海事卫星组织（INMARSAT））筹建•GNSS系统–由国际民航组织筹建，将建成由GPS、GLONASS、MARSAT、GAIT、RAIM组成的混合系统三、GPS接收机的类型与发展1.GPS接收机的类型•导航型•测地型•授时型2.GPS接收机的发展•1981年GPS接收机问世•测地型已从第一代发展到第三代–第三代的标志»采用扩波技术和精化软件等先进技术»精度有明显提高，相对可达到10-6~10-9»能进行多种模式作业»在体积、重量、功耗上均有较大改进–目前还在飞速发展3.GPS接收机的发展趋势•动态定位精度达到cm级•更加轻便、灵活、小型化并大量使用嵌入机•功耗减少、内存增大、平均无故障天数增加•天线性能的改进，有望解决多路径效应的困扰•向高集成、多功能、一体化发展–G方式机—单频单系统（GPS-L1）–GG方式机—单频双系统（GPS/GLONASS-L1）–GD方式机—双频单系统（GPS-L1+L2）–GGD方式机—双频双系统（GPS/GLONASS-L1+L2）依定位时的状态动态定位静态定位依定位模式绝对定位（单点定位）相对定位差分定位依定位采用的观测值伪距测量（伪距法定位）载波相位测量依时效实时定位事后定位依确定整周模糊度的方法及观测时段的长短常速静态或动态定位快速静态或动态定位1.GPS测量定位的分类四、GPS定位的原理与方法2.测距码伪距单点定位222)()()()sin~(SiSiSiiSiiiSiSiSiSiSiSiSZZYYXXhtcZZZYYYXXX•伪距单点定位原理伪距单点定位的应用特点既能用于静态定位，也可进行动态定位而用于导航属于无模糊度（多值性）定位定位速度快、实时性好对信号的强度要求不高但定位精度较低3.载波相位测量–载波相位测量原理–载波相位测量的观测量–载波相位测量的特点•定位精度比伪距定位精度高•可用于进行–静态绝对定位、–静态相对定位、–差分动态定位•但面临着两个问题：–必须解求整周模糊度–经常需要探测并修复周跳jkkkjkkkjkjkNtTttt)())(()(4.GPS相对定位–相对定位的原理•相对定位是用两台（或多台）接收机分别安置在一条（或多条）基线的两端，同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点的相对位置或基线向量•在相对定位时，通过对观测量求差，可以消除卫星钟差、接收机钟差，削弱电离层和对流层折射的影响，消去整周模糊度参数等，使基线精度提高到10-6、10-7，甚至达到10-8、10-9。–差分观测量•一次差分观测量–星际一次差分观测量–历元间一次差分观测量–站际一次差分观测量•二次差分观测量–站际星际二次差分（双差）观测量–星际历元间二次差分观测量–站际历元间二次差分观测量•三次差分观测量–上述三种二次差分观测量中的任一种再与第三要素求差5.差分GPS定位–差分GPS定位原理•差分GPS定位属于GPS相对定位•差分GPS定位是将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测，根据基准站的精密坐标计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时地将这一改正数发送出去。用户接收机在与基准站接收机进行同步观测的同时，也接收到基准站的改正数，用此对其定位结果进行改正，从而提高用户站的定位精度–差分方式与功能•站间差分–同步观测值在接收机间求差–可消除卫星钟差，削弱电离层、对流层折射影响•星间差分–同步观测值在卫星间求差–可消除接收机钟差和星历误差•历元间差分–同步观测值在间历元求差–可消去整周未知数参数•多元差分–还可消除大部分传播延迟误差，其程度视基准站至用户站的距离而定–差分定位的关键技术•是高波特率数据传输的可靠性和抗干扰问题–差分GPS的类型•单站差分GPS–位置差分GPS»直接利用基准站的坐标改正数去基准站站与用户站的公共误差»其优点是计算简单，适用于各种型号的接收机»其缺点是基准站与用户站必须观测同一组卫星，故位置差分只适用于100km以内»能满足米级定位精度，广泛用于导航和水下测量等–伪距差分»其原理是在基准站上观测所有的卫星，利用基准站的已知坐标和测得的各卫星的地心坐标，计算出基准站至各卫星的距离，并求出它与相应伪距之差，用此改正数去改正用户站测得的伪距»其优点是由于基准站提供了所有卫星的伪距改正数，用户接收机观测任意4颗卫星即可完成定位»其缺点是差分精度随基准站到用户站的距离增加而降低»能满足米级定位精度，广泛用于导航和水下测量等–载波相位差分»载波相位差分技术又称实时动态（RTK，RealTimeKinematic）定位技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法»载波相位差分方法分为修正法和乘法法两类。前者是将基准站的载波相位修正值发送给用户站，属于准RTK；后者是将基准站采集的载波相位发送给用户站，属于真正的RTK»载波相位差分技术的关键是解求起始相位模糊度»载波相位差分技术可使三维定位精度达到厘米级，应用于海上精密定位、地形测图和地籍测量等»载波相位差分技术也同样受到基准站至用户站距离的限制•局域差分GPS系统（LADGPS）–LADGPS的基础是在局域中建立一个差分GPS基准站网，该网由若干基准站组成，通常还包含一个或数个监控站，基准站之间和基准站与用户站之间均有无线电数据通讯链–局域中的用户通常是采用加权平均法或最小二乘法对来自多个基准站的改正信息（坐标改正数或距离改正数）进行平差计算以求得自己的坐标改正数或距离改正数–基准站与用户站间的距离通常在500km以内才能获得较好的精度•广域差分GPS系统（WADGPS）–WADGPS由一个中心站、几个监测站、覆盖域内的用户站，以及其间的数据通讯网络所组成–广域差分GPS的基本思想是对GPS观测量的各种误差源加以区分，再分别对每一种误差源加以“模型化”，并将计算出的数值通过数据链传输给用户，对用户的定位误差进行最有效的改正，以达到明显地提高用户站的定位精度–广域差分GPS技术对误差进行区分的目的就是最大限度地降低监测站与用户站间定位误差的时空相关性，克服局域差分GPS技术对时空的强依赖性，以达到改善实时差分定位的精度和扩大监测站至用户站之间距离的限制–WADGPS是一个定位精度均匀分布的系统，且覆盖范围广，定位精度比LADGPS高。采用广域差分GPS技术进行定位，在3000km范围内，利用C/A码伪距单点定位的分量精度一般优于2m，点位精度一般优于4m–WADGPS使用的硬件设备及通讯工具昂贵，软件技术复杂，运行和维持费用高，且可靠性和安全性也不如单个的LADGPS6.GPS测量的作业模式–经典静态定位•作业方法采用两台(或两台以上)接收机,分别安置在一条(或数条)基线的两端,同步观测4颗以上卫星,每时段长45分钟至2个小时或更多•精度基线的相对精度可达5mm+1ppm·D•适用范围建立全球性或国家级大地控制网、地壳运动监测网、长距离检校基线，进行岛陆联测、钻井定位和精密工程控制网建立等•注意事项所有观测基线均组成一系列封闭图形，以利于外业检核，提高成果可靠性–快速静态定位•作业方法在测区中部的基准站上安置一台接收机，跟踪所有可见的卫星；另一台接收机依次到各点流动设站，每点观测数分钟•精度流动站相对基准站的基线中误差为5mm+1ppm·D•适用范围控制网的建立与加密、工程测量、地籍测量等•注意事项在观测时段内应确保有5颗以上卫星可供观测；流动站与基准站间应不超过20km；流动站的接收机在迁站时可关机•优缺点左右速度快、精度高、能耗低；但在两台接收机工作时构不成闭合图形，可靠性较差–准动态定位•作业方法基准站接收机连续跟踪所有可见卫星，流动站接收机在起始站观测1~2分钟后，在对所测卫星不失锁的情况