第6章--GPS卫星定位基础

第六章GPS卫星定位基础[本章提要]6.1GPS概述6.2GPS定位原理6.3GPS控制网的设计6.4GPS外业观测6.5GPS数据处理[习题][本章提要]主要讲述GPS定位系统的组成、GPS定位原理、GPS控制网的技术设计和外业观测，GPS数据处理等内容。并结合昆明市GPS连续运行参考站的建立，讲述了运行参考站技术在控制测量中的应用。[重点与难点]本章内容是GPS测绘新技术在控制测量中的应用，要掌握GPS定位原理，重点掌握运用GPS建立测量控制网的原理、方法和技术。突出GPS控制网的技术设计、观测方案设计、外业数据采集、GPS数据处理等技能点的学习。GPS定位原理和GPS控制网技术设计是本章学习的难点内容。返回本章首页6.1GPS概述1．GPS定位系统全球定位系统（GlobalPositioningSystem——GPS）是一种定时和测距的空间交会定点的导航系统，可以向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置、三维速度和时间信息。2．系统组成GPS系统包括三大部分：地面控制部分；空间部分；用户分。地面控制部分：地面控制部分：主控站、监控站和注入站。①主控站：位于美国科罗拉多（Colorado）的法尔孔（Falcon）空军基地。根据各监控站对GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星时钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；对卫星进行控制，向卫星发布指令；当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作；主控站还具有监控站的功能。②监控站：主控站、夏威夷（Hawaii）、阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（DiegoGarcia）、和卡瓦加兰（Kwajalein）。接收卫星信号，监测卫星的工作状态。③注入站：阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（DiegoGarcia）、和卡瓦加兰（Kwajalein）。其作用和功能是：注入站的作用是将主控站计算的卫星星历和卫星时钟的改正参数等注入到卫星中去。空间部分①卫星分布组成：由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座。②卫星分布情况24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间夹角为60度，即轨道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角相差90度。每颗卫星的正常运行周期为11h58min，若考虑地球自转等因素，将提前4min进入下一周期。③GPS卫星信号载波：L波段双频L11575.42MHz，L21227.60MHz卫星识别：码分多址（CDMA）测距码：C/A码（民用），P码（美国军方及特殊授户）导航数据：卫星轨道坐标、卫星钟差方程式参数、电离层延迟修正用户部分①组成：GPS接收机、气象仪器、计算机、钢尺等仪器设成。②GPS接收机：天线单元，信号处理部分，记录装置和源。天线单元：由天线和前置放大器组成，灵敏度高，抗干扰性强。GPS天线分为单极天线、微带天线、锥型天线等。信号处理部分：是GPS接收机的核心部分，进行滤波和信号处理，由跟踪环路重建载波，解码得到导航电文，获得伪距定位结果。记录装置:主要有接收机的内存硬盘或记录卡（CF卡）。电源:分为外接和内接电池（12V），机内还有一锂电池。PTK系统导航型接收机大地型接收机③GPS接收机的基本类型：大地型、导航型和授时型三种。大地型接收机按接收载波信号的差异分为单频（L1）型和双频（L1，L2）型。3GPS系统的特点定位精度高GPS相对定位精度在50km以内可达10-6，100-500km可达10-7，1000km可达10-9。在300-1500m工程精密定位中，1小时以上观测的解其平面其平面位置误差小于1mm。观测时间短20KM以内快速静态相对定位，仅需15-20分钟；RTK测量时，当每个流动站与参考站相距在15KM以内时，流动站观测时间只需1-2分钟。测站间无须通视可节省大量的造标费用。由于无需点间通视，点位位置可根据需要，可稀可密，使选点工作甚为灵活，也可省去经典大地网中的传算点、过渡点的测量工作。可提供三维坐标GPS可同时精确测定测站点的三维坐标(平面+大地高)。通过局部大地水准面精化，GPS水准可满足四等水准测量的精度。操作简便全天候作业GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行。功能多、应用广可用于测量、导航，精密工程的变形监测，还可用于测速、测时。4GPS的应用（1）GPS应用于导航主要是为船舶、汽车、飞机等运动物体进行定位导航。船舶远洋导航和进港引水；机航路引导和进场降落；汽车自主导航；地面车辆跟踪和城市智能交通管理；紧急救生；个人旅游及野外探险；个人通讯终端（与手机，PDA，电子地图等集一体）。（2）GPS应用于授时校频GPS时间系统建立的示意图GPS全部卫星与地面测控站构成一个闭环的自动修正系统。采用协调世界时UTC（USNO/MC）为参考基准。GPS时间系统建立的示意图（3）GPS应用于高精度测量各种等级的大地测量，控制测量；道路和各种线路放样；水下地形测量；地壳形变测量，大坝和大型建筑物变形监测；GIS数据动态更新；工程机械（轮胎吊，推土机等）控制；精细农业。返回本章首页6.2GPS定位原理1.GPS定位中的误差源（1）卫星有关的误差①卫星星历误差卫星星历误差：由卫星星历所给出的卫星位置与卫星的实际位置之差。星历误差的大小主要取决于卫星定轨系统的质量，观测值的数量及精度，定轨时所有的数学力学模型和定轨软件的完善程度等。此外与星历的外推时间间隔（实测星历的外推时间间隔可视为零）也有直接关系。轨道误差对基线测量的影响可用下式表示：式中，dr为轨道误差；D为基线长；为卫星至地球表面距离，大约25000km；db为基线误差。()25'000()DDkmdbdrdrkm轨道误差基线长度基线误差（ppm）基线误差（mm）2.5m2.5m2.5m2.5m1km10km100km1000km0.1ppm0.1ppm0.1ppm0.1ppm0.1mm1mm10mm100mm0.5m0.5m0.5m0.5m1km10km100km1000km0.002ppm0.002ppm0.002ppm0.002ppm0.002mm0.02mm0.2mm2mm表1轨道误差对不同长度的基线影响②卫星钟的钟误差卫星上虽然使用了高精度的原子钟，但它们也不可避免地存在误差，这种误差既包含着系统性的误差（如钟差、钟速、频漂等偏差），也包含着随机误差。（2）与信号传播有关的误差①电离层延迟电离层（含平流层）是高度在先50～1000km间的大气层。电离层延迟：带电粒子的存在影响无线电信号的传播，使传播速度发生变化，传播路径产生弯曲，从而使信号传播时间t与真空中光速c的乘积不等于卫星至接收机的几何距离。电离层延迟取决于信号传播路径上的总电子含量TEC和信号的频率f。而TEC又与时间、地点、太阳黑子数等多种因素有关。ct②对流层延迟对流层是高度在50km以下的大气层。GPS卫星信号在对流层中的传播速度V=c/n。c为真空中的光速，n为大气折射率，其值取决于气温、气压和相对湿度等因子。③多路径误差多路径误差:经某些物体表面反射后到达接收机的信号如果与直接来自卫星的信号叠加干扰后进入接收机，就将使测量值产生系统误差。多路径误差对测距码伪距观测值的影响要比对载波相位观测值的影响大得多。多路径误差取决于测站周围的环境、接收机的性能以及观测时间的长短。（3）与接收机有关的误差接收机的钟误差接收机钟有误差。接收机钟差主要取决于钟的质量，与使用时的环境也有一定关系。它对测距码伪距观测值和载波相位观测值的影响是相同的。接收机的位置误差在进行授时和定轨时，接收机的位置是已知的，其误差将使授时和定轨的结果产生系统误差。接收机的测量噪声用接收机进行GPS测量时，由于仪器设备及外界环境影响而引起的随机测量误差，其值取决于仪器性能及作业环境的优劣。观测足够长的时间后，测量噪声的影响通常可以忽略不计。（4）相对论效应相对论效应：由于卫星钟和接收机钟所处运动状态和重力位不同引起卫星钟和接收机钟之间产生相对钟误差的现象狭义相对论若卫星在地心惯性坐标系中的运动速度为Vs，则在地面频率为f的钟安置到卫星上，其频率将变为：两者的频率差为：sf1/22221()(1)2sSsVVfffcc0222fcVfffsss广义相对论原理：由广义相对论可知，若卫星所处的重力位为，地面测站处的重力位为，那么同一台钟放在卫星上和放在地面上时钟频率将相差：其中，)11(02022rRfcfcWWfTs2314/10986005.3sm总的影响总的相对论效应会使一台钟放到卫星上去后比在地面时增加,那么解决相对论效应的最简单的办法就是在制造卫星钟时预先把频率降低。（5）其它因素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；数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响。ffff102110449.401010449.4f01010449.4f2GPS基本定位原理（1）概述被动式有源无线电定位技术利用距离交会的原理确定接收机的三维位置及钟差空间距离交会原理图（1）GPS定位的各种常用的观测量L1载波相位观测值L2载波相位观测值调制在L1上的C/A-code伪距调制在L2上的P-code伪距Dopple观测值GPS信号构成图（2）对卫星进行测距PijPjRjriRj=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接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距（3）GPS定位的分类按定位方式单点定位相对定位（差分定位）按接收机的运动状态分动态定位静态定位（4）伪距测量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：纬度,经度,高程h,钟差t伪距观测值的计算tt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整周跳变修复整周跳变：卫星信号失锁，使接收机的整周计数不正确，但不到一整周的相位观测值仍是正确的。这种现象称为周跳。-20000000200000040000006000000800000018.819.019.219.419.619.8L1_phaseL2_phasePhase(cycles)HrsCycleslipatL2周跳探测修复方法屏幕扫描法高次差或多项式拟和法在卫星间求差法用双频观测值修复周跳根据平差后的残差发现和修复整周跳变屏幕扫描法根据卫星的相位观测值变化率的图像的连续性进行手动修复。-20000000200000040000006000000800000018.819.019.219.419.619.8L1_phaseL2_phasePhase(cycles)HrsCycleslipatL2高次差或多项式拟和法（1）高次差法高次差根据周跳会破坏载波相位测量的观测值Int(ψ)+Δψ随时间而有规律变化的特性来探测的。例见下表。表2载波相位观测值及其差值（无周跳）观测历元原始相位观测值一次差二次差三次差四次差t1475833.225111608.7533t2487441.9784399.813812008.56712.5074t3499450.5455402.3212-0.579712410.88831.9277t4511861.4338404.24890.963912815.13722.8916t5524676.5710407.1405-0.272113222.2777t6537898.84872.6195409.7600-0.42