全球卫星定位系统原理及定位方法

全球定位系统全球定位系统——卫星导航系统，用于在全球范围内获取物体的空间位置、速度和时间信息。全球定位系统GPS的英文全称GlobalPositioningSystem，简称GPS。GPS概要建立国家美国目的在全球范围内，提供实时、连续、全天候的导航定位及授时服务开始筹建时间1973年完全建成时间1994年系统构成空间部分、地面控制部分、用户部分定位原理距离交会测距原理电磁波测距GPS定位系统的特点定位精度高（用载波相位法进行静态相对定位，在小于50km基线上，精度达1ppm；在100～500km基线上，精度达0.1ppm。观测时间短（一小时到几秒钟），测量效率高。测站间无需通视，因而测站可以设置在任何需要的地方，且不用建造觇标。仪器操作简便全球全天候定位可同时获得三维坐标应用广泛GPS在测量中的应用控制测量质量要求高（厘米至毫米级）国家高精度GPS网形变监测质量要求极高（毫米级）GPS大坝变形监测系统大桥安全监测大型水利设施的安全监测高层建筑的安全监测滑坡监测地面沉降监测工程放样质量要求较高（分米至厘米级）GPSRTKGIS数据采集质量要求较低（分米级）用于GIS数据采集的GPS接收机踏勘、资源调查质量要求低（数十米至米级）资源调查GPS技术的其他应用领域车船管理调度：在出租车行业、长途运输业、租车服务业等将能够对车辆进行跟踪、调度管理。在拥挤的停车场、火车调度场能够准确地确定车辆的位置，有效地调动车辆。车辆自导航GPS用于航空航天器轨道的确定民航运输：使飞机着陆时驾驶员通过仪表操作对准跑道。公路水路维护：能准确地引导维护人员调查需维护的交通设施。道路支持：车在路上坏了时，将提高救援车辆找到你的效率。满足人们在资源勘探、遥感探测、勘探地形、森林实地自然资源调查、动物跟踪、生态环境保护、海洋生物调查、社会调查、防止动物威胁等诸多方面对定位精度的要求。突发事件临战状态准备：如在洪水发生时，需要快速地为救灾工作做好准备，如绘制洪水边界图、排洪国界图、排洪通道、防洪大堤的调查。E－911：美国通讯委员会（FCC）要求将所有的移动电话安装无线电定位装置，以便用户在通过移动电话向911请求帮助时可找到用户位置，实现快速援助。GPS将是满足FCC要求的一种精确、成本低廉的方式。搜索与求援：更加有效地对在人迹罕至、条件恶劣的航海、登山探险、滑雪、沙漠作业中失踪的人员进行求援搜索。GPS的系统组成空间部分地面监控部分用户部分GPSGPS的空间部分GPS的空间部分的组成GPS卫星星座设计星座21(工作卫星)+3(活动的备用卫星)6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55保证在24小时，在高度角15°以上，能够同时观测到4至8颗卫星当前星座：28颗GPS卫星作用：生成用于导航定位的信号（测距码、载波）发送用于导航定位的信号（调制在载波上的测距码和导航电文）接收、存储导航电文接受地面指令，进行相应操作其他特殊用途，如通讯等。主要设备信号生成与发射装置原子钟（2台铯钟、2台铷钟）微处理机太阳能电池板BlockIIRBlockIIABlockIIABlockIIRBlockIIFBlockIIR不同类型的GPS卫星GPS的地面监控部分地面监控部分（GroundSegment）组成监测站：5个主控站：1个注入站：3个通讯与辅助系统GPS卫星注入站监测站主控站监测站：5个注入站：3个主控站:1个主控站:1个收集监测数据编发导航电文监控系统状态监测站：5个对卫星进行跟踪观测记录距离、时间、气象数据将数据传送到主控站注入站：3个在卫星飞跃注入站上空时向卫星注入导航电文向卫星注入指令等GPS用户部分GPS信号接收机GPS接收机的基本类型分导航型和大地型。大地型接收机又分单频型和双频型。图片：导航型GPS接收机手持型GPS机车载型GPS机图片：大地型GPS接收机单频机双频机GPS卫星信号结构概述GPS卫星信号的组成部分卫星（导航）电文（数据码，D码）测距码（RangingCode）C/A码（目前只被调制在L1上）P(Y)码（被分别调制在L1和L2上）载波（Carrier）L1L2GPS卫星信号的频率基准频率f0＝10.23MHz卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频1012020001541575.42MHz;19.03cm1201227.60MHz;24.42cm/101.023MHz;10.23MHz;2046000050LLLLffffCAfPffHz码码率码码率卫星（导航）电文码率卫星（导航）电文（D码）作用：向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参数、卫星状态信息及其它信息测距码①作用测距性质伪随机噪声码（PRN－PseudoRandomNoise）可复制。利用卫星发射的测距码和接收机复制的测距码进行比对，可确定卫星信号从卫星到目标的时间，从而确定卫星到目标的距离。测距码②类型目前C/A码（Coarse/AcquisitionCode）–粗码/捕获码；码长N=210－1=1023bit（小）码率f＝1.023Mbit/s码元宽度t0＝1/f≈0.97752对应距离为293.05m（大)由于C/A码码长较小，故易于捕获，（若以50bit/s的速度搜索，只需20.5秒便可），而且P码的捕获也需依靠C/A码的捕获，故称C/A码为捕获码。s由于C/A码的码元宽度较大，当两组码元对齐误差为码元宽度的1/100~1/10时，引起GPS卫星至接收机的测距误差为2.93～29.3m，精度较低，称C/A码为粗码。测距码③•P（Y）码（PreciseCode）–精码码长N=6.187104×1012bit（大）码率f＝10.23Mbit/s码元宽度t0＝1/f≈0.097752对应距离为29.305m（小)P码的测距误差为0.293～2.93m（为C/A码的1/10），精度较高，称为精码。s载波①作用搭载其它调制信号测距类型目前载波波长远远低于测距码码元长度（C/A码为293.1m，P码为29.31m，因此由载波测定卫星至目标间的距离更为精确。（目前，GPS接收机测定相位差的精度可以达到1/100～1/1000，对应于L1与L2的波长，则测距精度可以达到cm，mm级别。）现代化后增加L5–频率：115f0=1176.45MHz；波长：25.48cmL119.03cmL224.42cmcmMHZfcmMHZfLL42.2460.122703.1942.45752121载波②特点所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射延迟误差（电离层折射延迟与信号的频率有关）选择2个频率可以较好地消除信号的电离层折射GPS测量定位原理设GPS卫星Si在空间坐标系的坐标为（xi，yi，zi），（i＝1，2，3…n;n≧4)在目标点上安置GPS接收机，测得目标至可以收到信号卫星的距离为Di，则可列出数学方程组为：222232323322222222121211)()()()()()()()()()()()(zzyyxxDzzyyxxDzzyyxxDzzyyxxDnnnn解上述方程组，便可求得目标在空间坐标系中的坐标（x，y，z）由于目标至可以收到信号卫星的距离需同时测得，要实现同步必须具有同一的时间基准，定位时，除了x,y,z外，还有时间t，共4个未知数，所以需测4颗以上卫星。信号传播时间测距码伪距测量原理距离测定的基本思路信号（测距码）传播时间的测定ctc信号传播时间的测定载波相位测量原理SR()tR()tS接收机根据自身的钟在时刻复制信号的相位tR接收机根据自身的钟在时刻所接收到卫星在时刻所发送信号的相位tRtStRtS§按定位时接收机天线的运动状态分:静态定位；动态定位§按观测值类型分:伪距测量;载波相位测量§按定位结果实效分:事后定位;实时定位§按定位模式分:绝对定位;相对定位GPS定位的方法§单点（绝对）定位l用一台接收机单独定位l测得绝对位置，即WGS－84坐标系下的绝对坐标l定位精度低绝对定位无SA时C/A码单点定位精度15-30m有SA时C/A码单点定位精度100m军用P码单点定位精度3m相对定位(relativepositioning)——确定观测点在国家或地方独立坐标系中的坐标，即相对位置。BAS1S2S4S3测得基线向量，即进行同步观测的两点间的坐标差定位精度高静态mm级动态cm级相对定位(relativepositioning)的分类GPS的后处理测量方法1．静态测量(staticsurveying)（1）方法：将几台GPS接收机安置在基线端点上，保持固定不动，同步观测4颗以上卫星。可观测数个时段，每时段观测十几分钟至1小时左右。最后将观测数据输入计算机，经软件解算得各点坐标。（2）用途主要用于大地测量、控制测量、变形测量、工程测量。（3）精度精度最高的作业模式，可达到（5mm+1ppm）2．动态测量(kinematicsurveying)（1）方法：先建立一个基准站，并在其上安置接收机连续观测可见卫星，另一台接收机在第1点静止观测数分钟后，在其他点依次观测数秒。最后将观测数据输入计算机，经软件解算得各点坐标。动态相对定位的作业范围一般不能超过15km。（2）用途：适用于精度要求不高的碎部测量。（3）精度：可达到（10~20mm+1ppm）相对定位模式动态模拟图静态相对定位模式流动站动态相对定位模式基准站GPS实时动态定位（RTK）方法1．RTK(real-timekinematic)工作原理及方法与动态相对定位方法相比，定位模式相同，仅要在基准站和流动站间增加一套数据链，实现各点坐标的实时计算、实时输出。GPS主机GPS主机发射电台接收电台基准站移动站RTk测量原理图采集器RTK相对定位：2．RTK用途：适用于精度要求不高的施工放样及碎部测量。3．作业范围：目前一般为10km左右。4．精度：可达到（10~20mm+1ppm）GPS卫星测量的误差来源（1）与GPS卫星有关的误差（2）与信号传播有关的误差（3）与接收设备有关的误差(一)与GPS卫星有关的误差1．卫星星历误差:它是指广播星历给出的卫星位置与卫星真实位置之间的差值。一些国际性科学研究组织建立了全球范围大量分布的卫星跟踪站，对观测数据做精密的定轨计算，可以提供高精度的后处理用GPS星历，其中IGS精密星历，绝对定轨精度已达5cm。卫星星历误差可用相对定位，或由精密星历解算卫星位置来削弱其影响。GPS的观测量均以精密测时为前提，虽然GPS卫星均配有高精度的原子钟，但卫星钟时与理想的GPS时之间仍会有偏差或漂移，难以避免,此偏差在导航电文中给出。卫星钟误差可用导航电文中的星钟误差参数改正；也可用相对定位来削弱。2．卫星钟误差(二)与信号传播有关的误差1、电离层折射：受电离层折射影响，GPS信号穿越电离层时，其路径弯曲及速度变化导致信号的传播距离与几何距离之差。通过模型改正或双频观测进行抵消。2、对流层折射：受对流层折射影响，GPS信号穿越对流层时，其路径弯曲及速度变化导致信号的传播距离与几何距离之差。通过模型改正或相对定位进行削弱。3、多路径效应：是指接收机天线除直接收到来自GPS卫星的信号外，还可能收到天线周围地物反射来的信号。目前，还不能用模型进行改正。可采用造型适宜且屏蔽良好的天线。这种天线一般装备有抑径板或抑径圈，可以阻挡来自水平面以下的多路径信号被接收。测站点附近避免反射物。远离大面积平静水面、建筑物（特别是高大建筑物），避免在山坡及谷地设站，汽车不要离测站太近。(三)与接收设备有关的误差1．观测误差一种为接收机对信号的分辨率，约为信号波长的1%，此误差消除不了。另一种为天线的安置误差包括天线的对中与置平误差及量取天线高