全球定位系统(GPS)的原理

全球定位系统(GPS)的原理、测量方法与数据处理§8.1GPS概述1957年10月，世界上第一颗人造地球卫星发射成功，1958年底，美国海军武器实验室就开始建立为美国军用舰艇导航服务的“海军导航卫星系统”(NavyNavigationSatelliteSystem，简称NNSS)的计划。NNSS于1964年建成并在美国军方使用，1967年7月29日美国政府宣布解密NNSS部分导航电文供民用。NNSS共有6颗工作卫星，距离地球表面的平均高度约为1070km，因其运行轨道面均通过地球南北极构成的子午面，所以又称为“子午卫星导航系统”，其使用的卫星接收机称多普勒接收机。与传统导航、定位方法比较，使用NNSS导航和定位具有不受气象条件的影响、自动化程度较高和定位精度高的优点，它开创了海空导航的新时代，也揭开了卫星大地测量(satellitegeodesy)的新篇章。70年代中期，我国开始引进多普勒接收机并首先应用于西沙群岛的大地测量基准联测，国家测绘局和总参测绘局联合测量了全国卫星多普勒大地网，石油和地质勘探部门也在西北地区测量了卫星多普勒定位网。由于工作卫星少、运行高度较低，多普勒接收机的观测时间较长，不能为用户提供连续实时定位和导航服务。应用于大地测量静态定位时，一个测站的平均观测时间为1~2天，且不能达到cm级的定位精度。为了满足军事和民用部门对连续实时定位和导航的迫切要求，1973年12月，美国国防部开始组织陆海空三军联合研制新一代军用卫星导航系统，该系统的英文全称为“NavigationbySatelliteTimingAndRanging/GlobalPositioningSystem(NAVSTAR/GPS)”，其中文意思是“用卫星定时和测距进行导航/全球定位系统”，简称GPS。从1989年2月14日第一颗工作卫星发射成功，到1994年3月28日完成第24颗工作卫星的发射，GPS共发射了24颗(其中21颗工作卫星，3颗备用卫星，目前的卫星数已经超过32颗)均匀分布在6个相对于赤道的倾角为55°的近似圆形轨道上，每个轨道上有4颗卫星运行，它们距地球表面的平均高度约为20200km，运行速度为3800米/秒，运行周期11小时58分。每颗卫星可覆盖全球38％的面积，卫星的分布，可保证在地球上任何地点、任何时刻、在高度15°以上的天空同时能观测到4颗以上卫星。随着GPS的投入使用，NNSS于1996年12月停止使用。GPS工作卫星的外形如图8-2所示，卫星呈圆柱形，直径为1.5m，重约843kg，两侧有由4片拼接成的双叶太阳能电池翼板。两侧翼板受对日定向系统控制，可以自动旋转使电池翼板面始终对准太阳，给3组15A的镉镍蓄电池充电，以保证卫星的电源供应；卫星上装有4台频率稳定度为的高精度原子钟，为距离测量提供高精度的时间基准；卫星姿态调整采用三轴稳定方式，由四个斜装惯性轮和喷气控制装置构成三轴稳定系统，使12根螺旋形天线组成的天线阵列所辐射的电磁波束始终对准卫星的可见地面。§8.2GPS的组成GPS由工作卫星、地面监控系统和用户设备三部分组成。§8.2.1地面监控系统每颗卫星的广播星历是由地面监控系统提供的。地面监控系统包括1个主控站、3个注入站和5个监测站，其分布位置如图8-4所示。主控站位于美国本土科罗拉多•斯平士的联合空间执行中心，3个注入站分别位于大西洋的阿森松群岛、印度洋的狄哥伽西亚和太平洋的卡瓦加兰3个美国军事基地上，5个监测站除了位于1个主控站和3个注入站以外，还在夏威夷设立了1个监测站。(1)监测站完成对GPS卫星信号的连续观测，搜集当地的气象数据，观测数据经计算机处理后传送到主控站。(2)主控站协调和管理所有地面监控系统的工作，还进行下列工作：1）根据本站和其它监测站的观测数据，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数，并将这些数据传送到注入站。2）提供时间基准。各监测站和GPS卫星的原子钟均应与主控站的原子钟同步，或测量出其间的钟差，并将这些钟差信息编入导航电文，送到注入站。3）整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行。4）用备用卫星以代替失效的工作卫星。(3)注入站注入站是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统中，并监测注入信息的正确性。§8.2.2用户设备用户设备包括GPS接收机和相应的数据处理软件。GPS接收机包括接收天线、主机和电源。GPS接收机的任务是捕获卫星信号，跟踪并锁定卫星信号，对接收到的信号进行处理，测量出测距信号从卫星传播到接收机天线的时间间隔，译出卫星广播的导航电文，实时计算接收机天线的三维坐标、速度和时间。§8.5使用NGS9600静态GPS接收机进行控制测量的案例§8.5.1星历预报星历预报在数据处理软件Gpsadj中进行，该软件的安装程序GPSPro030409.exe放置在随书光盘“静态GPS数据处理软件及说明书”文件夹下。由于不同时间，测区上空的卫星个数、分布和PDOP值是变化的，为了保证野外数据采集的质量，必须进行星历预报。星历预报的操作非常简单，首先从美国的网站下载一个大小约17KB、名称为“Yuma*.txt”最新星历预报文件，文件名中的*代表数字，并将其放置在用户计算机的Gpsadj软件安装路径“南方测绘仪器公司\南方Gps后处理程序”下。在Gpsadj中执行下拉菜单“工具/星历预报”命令，弹出图8-13所示的“StarReport”程序窗口。单击窗口左边状态栏内的“参数设置”按钮，弹出图8-14所示的“参数设置”对话框；在“星历文件”选项卡下单击“浏览”按钮，在弹出的“打开星历文件”对话框中选中最新下载的星历文件(图中的Yuma191.txt是作者03年4月28日下载的星历文件)；在“坐标时区”选项卡中设置测区的经纬度值，“仪器设置”选项卡和“采集条件”选项卡的设置不要求；单击“确定”按钮，“StarReport”程序窗口的显示内容如图8-13所示。§8.5.2数据采集右图为南方测绘仪器公司生产的9600北极星静态GPS接收机是单频(频率)接收机它具有12个并行独立通道，最多可以同时接受12颗卫星信号；采用静态相对定位测量基线的精度可以达到5mm+1ppm，可以适用于测量二等及二等以下的城市各类控制网。它将主机、电源和天线集成在一起，内置16Mb闪存，双电源自动切换式连续供电，可以存储连续12天的采集数据。其操作手册的Word文档见本书光盘，也可以从网站免费下载。NGS9600接收机只有F1、F2、F3、F4、PWR5个触摸式的功能键，观测操作方法非常简单。将接收机安置在测点上以后的操作步骤如下：(1)按PWR键打开电源，液晶显示屏(以下简称屏幕)显示初始界面，见图8-17，它有“智能”、“手动”和“节电”三种采集模式。(2)按F1键进入智能模式，屏幕显示主界面，见图8-18，它自动显示了锁定卫星(涂黑的卫星号)与没有锁定卫星的分布情况和图形强度因子PDOP值。在智能模式下，仪器自动判断卫星定位状态和PDOP值，用户不必进行任何操作，当PDOP满足预先设置值的要求时，机器自动进入采集数据状态，屏幕显示测量子界面，见图8-21，其中右框中“记录时间”下的时间显示值为开始自动累计采集时间，左框显示接收机状态。在主界面中，按F1键，屏幕显示图8-19所示的“文件”子界面，可以查看已采集数据的存储情况。§8.5.3数据处理(1)软件安装与注册南方测绘仪器公司所有型号的GPS均共用一个数据处理软件，其安装程序名为“GPSPro030409.exe”，后6位数字为按年、月、日排列的软件更新日期，随书光盘中有该程序。从2003年4月开始，其最新版本的数据处理软件安装程序及其操作手册可以随时从网站免费下载。将本书附带的光盘放入计算机光驱中，双击“静态GPS数据处理软件”文件夹下的“GPSPro030409.exe”程序，根据提示即可以完成安装。安装程序自动在Windows桌面上创建名称为“南方Gps数据处理”的程序图标，双击该图标即可以启动Gpsadj数据处理软件，界面见图8-24。执行下拉菜单“帮助/注册”命令，在弹出的“软件注册”对话框中的“注册码”文本框中随便输入16位数字，单击“注册”按钮即可完成软件注册。1)设置通讯接口：如果接收机是连接到计算机的COM1口，则不需要设置；如果是连接到计算机的COM2口，则执行下拉菜单“通讯/通讯接口”命令，在弹出的“通讯参数设置”对话框的“端口选择”下拉列表中选择“COM2:”。2)在计算机路径列表中选择将要保存数据文件的路径，图中选择的路径是“C:\GPS观测数据”。3)单击工具栏的“连接”图标按钮，程序将从GPS接收机中读取采集点名数据文件，并在窗口下半部的接收机点名数据文件框中显示其内容，图8-27中显示有3个点名数据文件。4)在接收机点名数据文件框中选择需要传输的点名数据文件(图中为全部选中)，单击工具栏的“传输数据”图标按钮，弹出图8-27所示的“GPS数据传输”对话框。对话框显示了所选点名数据文件信息，单击“开始”按钮，则所选点名数据文件将自动传输到“C:\GPS观测数据”文件夹下，其扩展名为“.STH”，它是南方公司的专用数据格式。5)单击工具栏的“断开”图标按钮，断开与接收机的连接，关闭接收机电源，单击窗口右上角的“×”按钮，关闭数据传输窗口，返回图8-24的Gpsadj窗口。在“项目名称”、“施工单位”、“负责人”文本框中输入控制网的实际信息；单击“定义坐标系统”按钮，弹出图8-30的“坐标系统设置”对话框；单击“新建”按钮，创建T市独立坐标系并设置其参数，单击“应用”按钮将T市独立坐标系添加到左边的坐标系列表中，完成设置后的界面见图8-30所示。单击“返回”按钮，返回图8-29的“建立项目”对话框。此时在“坐标系统”列表中将出现“T市独立坐标系”选项，选中它，单击“确定”按钮即完成新建项目工作。3)调入15个点名数据文件执行下拉菜单“数据输入/增加观测数据文件”命令，弹出图8-31的“选择加入数据文件”对话框，操作对话框控件选中观测的15个点名数据文件。数据文件名“Q0072053”中的Q009为用户在图8-22的界面中输入的点名，205表示测量日期，它是指1年365天中的第205天，1表示测量的时段数，后面四位数字是接收机根据实际自动加上的。单击确定按钮，界面见图8-32。用户可以单击Gpsadj软件左边状态框内“案例GPS控制网”下的“网图显示”、“测站数据”、“观测数据文件”、“基线简表”选项查看该控制网的各类观测信息。4)基线解算执行下拉菜单“基线解算/全部解算”命令，Gpsadj自动解算观测的全部15条基线。基线解算的时间可能比较长，Gpsadj将给出一个“处理进度”对话框显示解算进程。基线解算完成后，Gpsadj在左边状态框内“案例GPS控制网”下的“闭合环”和“重复基线”项目中给出解算后的15条基线信息。在“闭合环”项目下，可以看到，除了5个同步环以外，Gpsadj还自动构建了11个异步环，这样同步环和异步环的总数为16个。Gpsadj自动根据GPS测量规范[8]判断是否符合E级网的质量要求，并在图8-33的质量列表中给出判断结果。本案例的16个闭合环都符合E级网的要求。实际测量中，如果某些闭合环超过规范要求，就要剔除一些不合格的基线并重新解算基线，具体操作参见软件的用户手册。如果还不行，就必须重测，5)输入已知点坐标执行下拉菜单“基线解算/坐标数据录入”命令，在弹出的“录入已知数据”对话框中输入Q007、Q049点的已知坐标，见图8-34。6)网平差与计算成果输