1、江聪世江聪世武汉大学国际软件学院武汉大学国际软件学院13871170005（M）,68778132（O)ssd9_QQ：523958303QQ群：21099884n GPS(Global Positioning System ，GPS)全球定位系统是一项工程浩繁、耗资巨大的工程，被称为继阿波罗飞船登月、航天飞机之后的第三大空间工程。n 全球定位系统是美国国防部1973年12月批准，由陆海空三军联合研制的新一代精密卫星导航和定位系统，不仅具有全球性、全天候、连续的三维测速、导航、定位与授时能力，而且具有良好的抗干扰性和保密性。n 全球定位系统的定位技术日益广泛应用于测绘、天文、导航和通讯等各个领
2、域，GPS精密定位技术已经广泛地渗透到了经济建设和科学技术的许多领域，尤其是在大地测量学及其相关学科领域，如地球动力学、海洋大地测量学、天文学、地球物理和资源勘探、航空与卫星遥感精密工程测量、变形监测、城市控制测量等方面的广泛应用，充分显示了这一卫星定位技术的高精度和高效益。 1、控制测量（全球、全国、城市、工程） 2、工程测量 3、地形地籍测量 4、海洋测绘 5、航测、遥感 6、卫星定轨 7、月球、火星测绘 8、飞机、轮船导航与地面交通管理 9、通信、旅游等各行各业n 全球连续覆盖，在地球陆地空间上任何地方任何时刻都可观测到四颗GPS卫星，也就是说该系统是全天候24小时提供导航与定位服务；n
3、 具有高精度的三维定位、测速和定时功能，可提供三维坐标、三维速度、时间信息，且定位速度快；n 抗干扰能力强，保密性能好；n 被动式全天候导航；n GPS定位不象经典的测量有等级之分，不存在误差的累积，不必考虑通视问题，可同时解求平面及高程坐标，不须平高分开的布设方式； n 人造地球卫星轨道人造地球卫星轨道就是人造地球卫星绕地球运行的轨道。这是一条封闭的曲线。这条封闭曲线形成的平面叫人造地球卫星的轨道平面，轨道平面总是通过地心的。n 人造地球卫星轨道按离地面的高度，可分为低轨道中轨道高轨道；n 按形状分可分为：圆轨道和椭圆轨道；n 按飞行方向分可分为顺行轨道（与地球自转方向相同）顺行轨道（与地球
4、自转方向相同）逆行轨道（与地球自转方向相反）逆行轨道（与地球自转方向相反）赤道轨道（在赤道上空绕地球飞行）和极轨道（经过地球赤道轨道（在赤道上空绕地球飞行）和极轨道（经过地球南北极上空）。南北极上空）。n 人造地球卫星还有以下几种特殊轨道：地球同步轨道地球同步轨道。卫星在顺行轨道上绕地球运行时，其运行。卫星在顺行轨道上绕地球运行时，其运行周期（绕地球一圈的时间）与地球的自转周期相同。这种周期（绕地球一圈的时间）与地球的自转周期相同。这种卫星轨道叫地球同步轨道。卫星轨道叫地球同步轨道。地球静止卫星轨道地球静止卫星轨道。如果地球同步轨道卫星正好在地球赤。如果地球同步轨道卫星正好在地球赤道上空离地面
5、道上空离地面3578635786千米千米的轨道上绕地球运行，由于它绕的轨道上绕地球运行，由于它绕地球运行的角速度与地球自转的角速度相同，从地面上看地球运行的角速度与地球自转的角速度相同，从地面上看去它好像是静止的，这种卫星轨道叫地球静止卫星轨道。去它好像是静止的，这种卫星轨道叫地球静止卫星轨道。地球静止卫星轨道是地球同步轨道的特例，它只有一条。地球静止卫星轨道是地球同步轨道的特例，它只有一条。太阳同步轨道太阳同步轨道。由于地球扁率（地球不是圆球形，而是在。由于地球扁率（地球不是圆球形，而是在赤道部分隆起），卫星轨道平面绕地球自转轴旋转。赤道部分隆起），卫星轨道平面绕地球自转轴旋转。如果如果卫星
6、轨道平面绕地球自转轴的旋转方向和角速度与地球绕卫星轨道平面绕地球自转轴的旋转方向和角速度与地球绕太阳公转的方向和平均角速度相同太阳公转的方向和平均角速度相同，则这种卫星轨道叫太，则这种卫星轨道叫太阳同步轨道。阳同步轨道。n 人造地球卫星绕地球运行遵循开普勒行星运动三定律：第一定律第一定律：卫星轨道为一椭圆，地球在椭圆的一个焦点上。其长轴的：卫星轨道为一椭圆，地球在椭圆的一个焦点上。其长轴的两个端点是卫星离地球最近和最远的点，分别叫做两个端点是卫星离地球最近和最远的点，分别叫做远地点和近地点远地点和近地点。第二定律第二定律：卫星与地心连线在相同时间内扫过的面积相等卫星与地心连线在相同时间内扫过的
7、面积相等。人造地球。人造地球卫星在椭圆轨道上绕地球运行时，其运行速度是变化的，在远地点时卫星在椭圆轨道上绕地球运行时，其运行速度是变化的，在远地点时最低，在近地点时最高。速度的变化服从最低，在近地点时最高。速度的变化服从面积守恒规律面积守恒规律，即，即卫星的向卫星的向径（卫星至地球的连线）在相同的时间内扫过的面积相等径（卫星至地球的连线）在相同的时间内扫过的面积相等。第三定律第三定律：卫星运行的周期平方与轨道长半径立方成比例卫星运行的周期平方与轨道长半径立方成比例。人造地球。人造地球卫星在椭圆轨道上绕地球运行，其运行卫星在椭圆轨道上绕地球运行，其运行周期取决于轨道的半长轴周期取决于轨道的半长轴
8、（与（与半长轴的二分之三次方成正比）。半长轴的二分之三次方成正比）。不管轨道形状如何，只要半长轴相不管轨道形状如何，只要半长轴相同，它们就有相同的运行周期同，它们就有相同的运行周期。人造地球卫星轨道的形状和大小由它。人造地球卫星轨道的形状和大小由它的半长轴和半短轴的数值来决定。其半长轴和半短轴的数值越大，轨的半长轴和半短轴的数值来决定。其半长轴和半短轴的数值越大，轨道越高；半长轴与半短轴相差越多，轨道的椭圆形越扁长；半长轴与道越高；半长轴与半短轴相差越多，轨道的椭圆形越扁长；半长轴与半短轴相等则为圆形轨道。半短轴相等则为圆形轨道。注注：半长轴：半长轴是长轴的一半长，长轴是过是长轴的一半长，长轴
9、是过焦点焦点与椭圆相交的线段长。半与椭圆相交的线段长。半长轴长即是行星离长轴长即是行星离主星主星的平均距离。近星点和远星点可由半长轴长与的平均距离。近星点和远星点可由半长轴长与离心率离心率计算得出，计算得出，R近日点近日点=a(1-e) R远日点远日点=a(1+e) 21332232.4ssssaGMnGManGMaTn 轨道倾角轨道倾角：卫星轨道平面与地球赤道平面的夹角叫轨道倾角轨道倾角，它是确定卫星轨道空间位置的一个重要参数。轨道倾角小于轨道倾角小于9090 为顺行轨道；为顺行轨道；轨道倾角大于轨道倾角大于9090 为逆行轨道；为逆行轨道；轨道倾角为轨道倾角为0 0 则为赤道轨道；则为赤道
10、轨道；轨道倾角等于轨道倾角等于9090 ，则轨道平面通过地球南北极。，则轨道平面通过地球南北极。n 春分点春分点：在地球和太阳的相对运动中，如果假定地球不动，则太阳绕地球运行，当太阳从地球的南半球向北半球运行时，穿过地球赤道平面的那一点叫春分点春分点。n 升交点升交点：人造地球卫星绕地球运行，当它从地球南半球向北半球运行时，穿过地球赤道平面的那一点叫升交点升交点。n 所谓升交点赤经升交点赤经（）就是从春分点到地心的连线与从升交点到地心的连线的夹角。n 所谓近地点幅角（）就是从升交点到地心的连线与从近地点到地心的连线的夹角。n 半长轴（a）、偏心率（e）、倾角（i）、升交点赤经（）和近地点幅角（
11、）被称为人造地球卫星轨道的5要素（或根数）。要知道卫星的瞬时位置，还必须测量它过近地点的时间（z）。有时，把上述6个参数合称为人造地球卫星轨道的6要素。 n 人造地球卫星在轨道上的每一个位置都会在地球表面上有一个投影，它叫星下点。n 所有星下点连成的曲线叫星下点轨迹。由于地球自转，星下点轨迹不只一条。相邻两条轨迹在同一纬度上的间隔正好等于地球在卫星轨道周期内转过的角度。根据星下点轨迹，可以预报卫星什么时候从什么地方上空经过。 n整个GPS系统由三部分组成：空间部分、地面控制部分和用户部分。 n1空间部分GPSGPS空间部分目前共有空间部分目前共有3030颗、颗、4 4种型号的导航卫星，其中种型
12、号的导航卫星，其中6 6颗为技术试颗为技术试验卫星。验卫星。2121颗工作卫星和颗工作卫星和3 3颗备用卫星组成的导航星分布在颗备用卫星组成的导航星分布在6 6个近圆形个近圆形轨道面轨道面上，每个轨道面倾角上，每个轨道面倾角5555，每个轨道平面内各有，每个轨道平面内各有4 4颗颗卫星均匀卫星均匀分布，轨道升交点赤径间隔分布，轨道升交点赤径间隔6060，运行速度为，运行速度为3800m/s3800m/s，运行周期，运行周期11h58min11h58min，卫星距地球表面的平均高度约，卫星距地球表面的平均高度约20200 km20200 km，上述，上述GPSGPS卫星的卫星的空间分布，可以保证
13、在全球任何地点、任何时刻都有空间分布，可以保证在全球任何地点、任何时刻都有4949颗颗高度角大高度角大于于1010的的GPSGPS卫星同时出现在用户视野中，加之卫星信号的传播和接卫星同时出现在用户视野中，加之卫星信号的传播和接收不受天气的影响，因此收不受天气的影响，因此GPSGPS是一种全球性、全天候的连续实时定位是一种全球性、全天候的连续实时定位系统。系统。卫星上有燃料，卫星上有燃料，两块太阳能电池帆板两块太阳能电池帆板（给星上蓄电池充电），（给星上蓄电池充电），多波束多波束定向天线定向天线，全向遥控遥测天线全向遥控遥测天线（接收地面输入的信息），（接收地面输入的信息），发动机及喷发动机及喷
14、管（调整轨道用），管（调整轨道用），每颗卫星装有每颗卫星装有4 4台高精度原子钟台高精度原子钟，铷钟和铯钟各，铷钟和铯钟各两台，为两台，为GPSGPS测量提供高精度的时间信息，测量提供高精度的时间信息，导航电文存储器导航电文存储器，L L波段双波段双频发射机频发射机等。每颗等。每颗GPSGPS卫星的寿命大约为卫星的寿命大约为5 5年年。GPSGPS卫星的主要功能是：卫星的主要功能是： 向经过区域连续不断地发送导航定位信号向经过区域连续不断地发送导航定位信号以及时间信号；以及时间信号； 在飞越注入站上空时，接收并发布地面注入站用在飞越注入站上空时，接收并发布地面注入站用S S波段（波段（10cm
15、10cm波段）发送到卫星的信息；波段）发送到卫星的信息； 接收地面主控站发送到卫接收地面主控站发送到卫星的调度命令星的调度命令。n2地面控制部分地面控制部分包括地面控制部分包括主控站、注入站、检测站、辅助通主控站、注入站、检测站、辅助通讯系统讯系统等部分等部分，主控站主控站负责管理和协调整地面控制系统的工作，负责负责管理和协调整地面控制系统的工作，负责计算各卫星的星历表（预报星历）以及卫星钟改正数，计算各卫星的星历表（预报星历）以及卫星钟改正数，并以规定格式编制导航电文，通过注入站注入卫星，并以规定格式编制导航电文，通过注入站注入卫星，GPSGPS时间（主控站原子钟）编入导航电文时间（主控站原
16、子钟）编入导航电文。注入站注入站主要在在主控站控制下，向卫星注入导航电文主要在在主控站控制下，向卫星注入导航电文和其他命令和其他命令。检测检测站站是在主控站控制下的无人数据自动收集中心，是在主控站控制下的无人数据自动收集中心，收集温度气压，相对温度等气象元素，对收集温度气压，相对温度等气象元素，对GPSGPS卫星进卫星进行检测提供各项卫星参数改正资料行检测提供各项卫星参数改正资料。辅助辅助通讯系统通讯系统主要负责主控站、注入站、监测站的之主要负责主控站、注入站、监测站的之间的通讯。间的通讯。Colorado springs5 55 5HawaiiAscencionDiego Garciakwa
17、jaleinu1 1个主控站个主控站:Colorado springs(:Colorado springs(科罗拉多科罗拉多. .斯平士斯平士) )。u3 3个注入站个注入站:Ascencion(:Ascencion(阿森松群岛阿森松群岛) )、 Diego Garcia(Diego Garcia(迭哥伽西亚迭哥伽西亚) )、kwajalein(kwajalein(卡瓦加兰卡瓦加兰) )。u5 5个监控站：个监控站： 以上主控站、注入站及以上主控站、注入站及Hawaii(Hawaii(夏威夷夏威夷) )。n3用户部分全向天线、接收机、微处理机和输入输出设备全向天线、接收机、微处理机和输入输出设
18、备，统称接收，统称接收机。机。GPSGPS接收机接收接收机接收GPSGPS卫星信号进行解算，即可确定卫星信号进行解算，即可确定GPSGPS接收机的位置。由于接收机的型号不同，观测量的不同接收机的位置。由于接收机的型号不同，观测量的不同（伪距测量，积分多普勒测量、载波相位测量、干涉法测伪距测量，积分多普勒测量、载波相位测量、干涉法测量量等），因而接收机结构和处理过程不同等），因而接收机结构和处理过程不同。微处理机微处理机主要负责选择合适的卫星进行观测，对观测值进主要负责选择合适的卫星进行观测，对观测值进行对流层及电离层折射改正，根据观测值及卫星星历进行行对流层及电离层折射改正，根据观测值及卫星星
19、历进行平差计算求出用户的三维护坐标和速度等已进行设备自检平差计算求出用户的三维护坐标和速度等已进行设备自检等等。GPSGPS接收机按照用途可以划分为：接收机按照用途可以划分为： 导航型接收机导航型接收机，主要，主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度；用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度； 测地型接收机测地型接收机，主要用于精密大地测量和精密工程测，主要用于精密大地测量和精密工程测量，这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位，定量，这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精度高，仪器结构复杂，价格较贵；位精度高，仪器结构复杂，价格较贵； 授时型接收机授时型
20、接收机，主要利用主要利用GPSGPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通讯中时间同步。于天文台及无线电通讯中时间同步。uGPSGPS接收机的基本类型分导航型和大地型。接收机的基本类型分导航型和大地型。u大地型接收机又分单频型和双频型。大地型接收机又分单频型和双频型。手持型手持型GPS机机车载型车载型GPS机机单频机单频机双频机双频机n GPS单点定位的坐标以及相对定位中解算的基线向量属于WGS-84大地坐标系，因为GPS卫星星历是以WGS-84坐标系为根据而建立的。WGS-84大地坐标系的几何定义是：原点位于地球质心，Z轴指向BIH（B
21、ureau International deIHeure，国际时间局，简称BIH）l984.0定义的协议地球极(Conventional Terrestrial Pole，CTP)方向，X轴指向BIHl984.0的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z，X轴构成右手坐标系。n 而我国目前使用的是1954年北京坐标系或1980年国家大地坐标系，因此必须将地面点的WGS-84坐标转换到54北京坐标系或80国家坐标系才能使用。X X轴轴=0=0经度经度X X轴在赤道平面内轴在赤道平面内Y Y轴轴= =东经东经9090度度Y Y轴在赤道平面内轴在赤道平面内地心坐标为（地心坐标为（0 0，0 0，0 0）
22、Z Z轴轴= =旋转轴（极轴旋转轴（极轴BIH1984.0BIH1984.0）BHeNLLBHNYLBHNXsin1sincoscoscos2NBRHXYLWBZaeBcoscosarctansin1tanarctan2n 我们了解到，要确定地面上的地面点位，在程序上要“先控制后碎部”，在精度要求上要“由高级到低级”，各级控制点要分级布设并且要平面高程分开来测量，必要时进行天文测量，这些工作都很费时，因此人们就想要探索一种简便的定位方法：既不要分级布设控制点，又不须平高分开测量。导航卫星的发射为这种方法找到了突破口。n 测量学中有测距交会确定点位的方法，GPS的定位原理也是利用测距交会的原理确
23、定点位。在地面上假如有两个已知坐标的控制点，我们可以采用距离交会法来解求待定点的平面位置，现在假设我们能严格控制卫星轨道那么我们即可知道卫星在任一时刻的坐标，那么每颗GPS卫星都可看是流动的控制点，这时只要我们能测出地面点到两颗卫星的距离，就要求出地面点的水平位置（x，y），但是我们要求同时求出高程(H)，也就意味着有三个待求值（x，y，H），则需至少观测三个距离值才能解求出该地面点的（x，y，H），这实际是空间距离交会法原理。 n 卫星发射信号的时间为t1，接收机收到信号的时间为t2,则n t=t2-t1 =ct n 其中为星站距离，由接收机测得。因卫星钟很精确，而接收机钟有误差t，故 n
24、=ct+c tn 在地面任一点最少可观测4颗卫星，得4个距离，解4个未知数x , y , z , t。（原理图）n 观测四颗卫星，列出四个方程式如下：tczZyYxX.2121211tczZyYxX.2222222tczZyYxX.2323233tczZyYxX.2424244n 接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距地心SiPijPj riRjRj = ri +Pij有关各观测量及已知数据如下：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n 模二加法：二进制码的模二加法等价于电位的乘法。n 码序列将r比特的二进制数看作是由
25、0、1组成的序列。n 随机码在一个码序列中，0和1出现的概率相等，而某一码元是0或是1却是随机的，事先无法确定的，这样的码序列叫随机码。随机码特点：非周期性序列；自相关性好；无法复制。随机码特点：非周期性序列；自相关性好；无法复制。自相关性用自相关系数表示，自相关系数自相关性用自相关系数表示，自相关系数将将U U（t t）平移）平移k k个码元，个码元，平移后与平移前两序列相同码元个数平移后与平移前两序列相同码元个数A A，相异个数，相异个数B B，（，（A-BA-B）/ /（A+BA+B）叫自相关系数，用叫自相关系数，用R R（t t）表示。）表示。自相关性好自相关性好原码与复制码对齐原码与
26、复制码对齐R R（t t）=1=1，不对齐，不对齐0 0。110 , 101 , 000 , 011自相关系数：自相关系数：11101001110100 11101001110100R（t）=(3-4)/7=-1/7。n 3）噪声码信号强度远低于噪声强度的信号码。优点：耗能少；隐蔽性好。优点：耗能少；隐蔽性好。n4）伪随机噪声码及其产生伪随机码伪随机码有良好的自相关性且按有良好的自相关性且按周期重复出现的二进制码。周期重复出现的二进制码。 产生：多级反馈移位寄存器；也可用产生：多级反馈移位寄存器；也可用程序产生。程序产生。n111100010011010111100010011010n GPS
27、卫星信号是GPS卫星网向地面的广大用户发送的用于导航定位的调制波，它包含有：载波、测距码和数据码。n GPS卫星的核心是一个高质量的振荡器，它产生两个相关的波，即 L频段的 L1(频率为1575.42 MHz)和 L2(频率为1227.60 MHz)，选择L波段的原因是L波段的信道带宽分配比较容易实现且其电离层延迟的影响较小，采用双频是为了测定或消除由电离层效应而引起的延迟误差 n1）C/A码:两个10级移位寄存器产生两个伪随机码G1、G2。 G2G2平移平移1102311023码元，得码元，得10231023个新码，与个新码，与G1G1模二相加。不模二相加。不同卫星用不同码。同卫星用不同码。
28、钟频：钟频：1.023MHz1.023MHz；码元宽度：码元宽度：0.97752s0.97752s，码长：码长：210-1= 1023bit210-1= 1023bit，周期：周期： 0.97752s 0.97752s 1023=1ms1023=1ms，测尺长度，测尺长度，300km300km，测时精度：测时精度： 0.97752s /100=0.0097752s0.97752s /100=0.0097752s，测距精度：测距精度：299792458m/s299792458m/s9.77529.77521010-9-9 =2.93m =2.93m。n4个12级移位寄存器，每个移位寄存器产生的伪
29、随机码的码长为：212-1=4095bit，n 设4个码为：A，B，C，D；将其组合成复杂的复合码，如：ADDBACAADCBA等。n 钟频：10.23MHz；n 码元宽度：0.097752s，n 码长：2.351014bit，n 周期： 0.097752s2.351014= 267天n 测时精度： 0.097752s/100=9.775210-10s，n 测距精度：2997924589.775210-10=0.293m。n GPS卫星发射测距信号和导航电文，导航电文中含有卫星的位置信息。用户用GPS接收机在某一时刻同时接收三颗以上的GPS卫星信号，测量出地面点(接收机天线中心)P至三颗以上G
30、PS卫星的距离SAP，SBP，SCP，并解算出该时刻GPS卫星的空间坐标，据此利用距离交会法解算出测站点P(XP，YP，ZP)的位置：n 其中(XA，YA，ZA)、(X，YB，ZB)、(XC，YC，ZC)为A，B，C三颗卫星在T时刻的空间坐标。222222222)()()()()()()()()(CPCPCPCPBPBPBPBPzPaPAPAPZZYYXXSZZYYXXSZZYYXXSn 所以GPS确定点位的关键是测量卫星与地面点的距离，无线电测距系统的基本原理是测定电波传播时间(或称信号的传播延迟)，其观测方程为：n n 其中c是电磁波传播速度，S是卫星之地面点的距离，t为卫星信号从卫星发射
31、到接收机的传播时间。依据测距的原理，GPS定位原理与方法有：伪距法定位伪距法定位载波相位测量定位载波相位测量定位差分差分GPSGPS定位定位tcSn 伪距法定位是由GPS接收机在某一时刻测出得到四颗以上GPS卫星的伪距以及已知的卫星位置，采用距离交会的方法求定接收机天线所在点的三维坐标。n 所测伪距就是由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间t乘以光速所得出的量测距离，t是伪距法测量的观测值，为了获取t采用了码相关技术。GPS卫星依据自己的时钟在预定时刻Ta发射测距信号，该测距码经过t时间传播到达接收机天线。用户则用自己的时钟信号来测定信号到达的时间Tb，同时考虑电离层、对流层对电磁波
32、信号的延迟，可求出信号单程传播距离： iontropabiontropabTTctcTTcS)()(n 为了获取信号传播时间t，接收机在自己的时钟控制下产生一组结构完全相同的测距码-复制码，并通过时延器使其延迟时间t，通过不断移动t以及计算两组信号的相关性，直到自相关系数为R（t）=1为止，使接收机所产生的复制码与接收到的GPS卫星测距码完全对齐，那么其延迟时间t即为GPS卫星信号从卫星传播到接收机所用的时间。n 这种方法由于分别在GPS卫星和接收机用两台时钟进行计时，所以所测量的距离中包含了时钟不同步带来的距离误差，同时还包含对流程和电离层的延迟误差，并非真正的卫星与接收机天线之间的距离，所
33、以成为伪距。假如两台同步精度为 的话，那么它对测距的影响为30cm，可见它对测距影响很大，这要求卫星钟与接收机钟要严格同步。为了解决时钟误差对距离观测值的影响，我们把卫星信号的时间Tb与标准GPS时间之差也作为未知数，这样GPS定位中的有4个未定参数，需要增加一个条件式才能解求，因此GPS定位中用户要同时观测4颗GPS卫星，才以解求这些参数。这就是为什么GPS观测中保证任何时刻都能观测到49颗卫星的原因。 )10(19ns1、接收机接收卫星发射的测距码并产生相同的复制码；2、接收码比复制码滞后一段时间；3、时延器将复制码延后（向后移位），直到与接收码对齐为止，记录延后时间，即为电磁波在星站间传
34、播所用时间。 复制码 接收码4*、冷启动，接收码(来自某卫星）与50多个复制码（接收机产生）一一比较，两者相同叫锁定（如图如图如图）。 热启动，冷启动后有记忆，以后启动不必一一比较。n 使用伪距法测量是GPS的基本测距方法，但由于使用C/A码定位的定位精度无法满足一些高精度定位要求。由于GPS载波的波长(L119cm，L224cm)比测距码波长要短得多，因此利用载波作测距信号对载波进行相位测量，可以获得较高的测量定位精度，可达到厘米甚至毫米级。在载波相位测量的原理是。n 其中，是载波信号传播的整周数。载波信号是一个单纯的余弦波，同电磁波测距中的相位测距原理一样，接收机无法判定所量测信号的整周数
35、，但可精确测定其不足一周期的相位差（某一瞬间载波相位测量的观测值是指该瞬间接收机发出的其初相与频率都与载波信号相同、相位与接收到的来自卫星的载波信号的相位之差）。 )()()(0NSRSn 伪距法伪距法就是在进行载波相位测量的同时，再进行伪距测量；伪距法就是在进行载波相位测量的同时，再进行伪距测量；由两种由两种GPSGPS测距方法的观测方程可知，将未经过大气改正测距方法的观测方程可知，将未经过大气改正和钟差改正的伪距观测值减去载波相位实际观测值与波长和钟差改正的伪距观测值减去载波相位实际观测值与波长的乘积，便可得到值，从而求出整周未知数的乘积，便可得到值，从而求出整周未知数N N0 0；nN0
36、 0作为未知数参与平差法N N0 0作为未知数参与平差，就是将作为未知数参与平差，就是将N N0 0作为未知参数，在测后作为未知参数，在测后数据处理和平差时与测站坐标一并求解；数据处理和平差时与测站坐标一并求解；n 三差法三差法就是从观测方程中消去三差法就是从观测方程中消去N N0 0的方法，又称的方法，又称多普勒法多普勒法，因为对于同一颗卫星来说，每个连续跟踪的观测中，均含因为对于同一颗卫星来说，每个连续跟踪的观测中，均含有相同的有相同的N N0 0，因而将不同观测历元的观测方程相减，即可，因而将不同观测历元的观测方程相减，即可消去整周末知数消去整周末知数N N0 0，从而直接解算出坐标参数
37、。（不同时，从而直接解算出坐标参数。（不同时段观测值相减）段观测值相减） 单点定位解可以理解为一个后方交会问题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）（由时延值推算得到）由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差所以要同步观测所以要同步观测4颗卫星，解算四个未知参数：精度颗卫星，解算四个未知参数：精度 , 经度经度 , 高程高程 h , 钟差钟差 t发自卫星发自卫星的电磁波的电磁波信号：信号：信号量测精度优于波长的信号量测精度优于波长的1/100载波
38、波长（载波波长（ L1=19cm, L2=24cm)比比C/A码波长码波长 ( C/A=293m)短得短得多多所以，所以，GPS测量采用载波相位观测值可以获得比伪距（测量采用载波相位观测值可以获得比伪距（C/A码或码或P码）定位高得多的成果精度码）定位高得多的成果精度L1载波载波L2载波载波C/A码码P-码码 p=29.3 m L2=24 cm L1=19c m C/A=293 m可以消去卫星钟的系统偏差可以消去卫星钟的系统偏差可以消去接收机时钟的误差可以消去接收机时钟的误差PikPljPijPjPlkPkSlSi可以消去轨道（星历）误差的影响可以消去轨道（星历）误差的影响可以削弱大气折射对观
39、测值的影响可以削弱大气折射对观测值的影响 测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成 （1 1）初始整周未知数）初始整周未知数n n；（；（2 2） t 0t 0至至titi时刻的整周记数时刻的整周记数CiCi；（；（3 3）相位尾数）相位尾数 i 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 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 测值测值n+Ci+ n+Ci+ i iTime (0)Am
40、biguityTime (i)AmbiguityCounted CyclesPhase Measurementn GP5定位中，存在着三部分误差：一是多台接收机公有的误差，如卫星钟误差、星历误差；一是多台接收机公有的误差，如卫星钟误差、星历误差；二是传播延迟误差，如电离层误差、对流层误差；二是传播延迟误差，如电离层误差、对流层误差；三是接收机固有的误差，如内部噪声、通道延迟、多路径三是接收机固有的误差，如内部噪声、通道延迟、多路径效应。效应。n 采用差分定位，可完全消除第一部分误差，可大部分消除第二部分误差。由于传播延迟误差有较好的空间相关性，在相距不远的两个测站对距离的延迟影响大致相同，因此
41、只要在已知坐标的控制点（基台）上进行GPS观测，就可以计算求出每个观测瞬间上述各误差对测距的影响，基台附近的 GPS 用户接收机收到来自基台的校正信号，能以此修正自身的测量值，从而大大提高定位精度。差分GPS分为两大类：伪距差分和载波相位差分。 n （1）伪距差分原理，这是应用最广的一种差分。在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离，再与测得的伪距比较，得出伪距改正数，将其传输至用户接收机，提高定位精度，这种差分，能得到米级定位精度。n （2）载波相位差分原理，载波相位差分技术又称RTK（Real Time Kinematic）技术，是
42、实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法，将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。载波相位差分可使定位精度达到厘米级，大量应用于动态需要高精度位置的领域。n GPS测量根据不同的测量目的和要求不同，外业操作要求以及采集流程也不同。不同的GPS接收机其具体操作的方法步骤也不尽相同。实际上，目前GPS接收机的自动化程度相当高，一般仅需按动若干功能键，就能顺利地自动完成测量工作，并且每做一步工作，显示屏上均有提示，大大简化了外业操作工作，降低了劳动强度。在数字工程中主要利用GPS采集地面点位置数据，其采集方法与流程与全站仪的数字测图类似，主要使用电子手簿配合GPS接收机采集空间数据形
43、成数据文件然后内业利用图形编辑软件进行必要的编辑，就可以入库；也可以利用PDA将GPS与移动GIS软件（如ArcPAD）集成在一起为野外制图度身定制的软件，如ESRI的ArcPad为野外GIS应用提供了获取、保存、更新、处理、分析和显示空间信息的能力，也可以通过WAP协议直接与数据库联接进行在线编辑。 地图比例尺地图比例尺GPSGPS处理模式处理模式1:10万单机导航1:20000DGPS1:10000DGPS1:5000相位平滑DGPS1:1000相位平滑DGPS1:500相位差分n除了美国的GPS之外，世界上现有卫星导航系统还有俄罗斯的全球导航卫星系统俄罗斯的全球导航卫星系统欧洲正在建设中
44、的伽利略卫星系统欧洲正在建设中的伽利略卫星系统我国的北斗导航定位系统。我国的北斗导航定位系统。 n 全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，简称GLONASS），是由前苏联军方从20世纪80年代初开始建设的军民两用导航定位卫星系统，现在由俄罗斯空间局管理。GLONASS系统也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。卫星星座由24颗卫星组成，均匀分布在3个近圆形的轨道平面上，每个轨道面8颗卫星，轨道高度19100 km，运行周期11h15min，轨道倾角64.8。该系统可提供全天候、全天时、高精度的三维导航定位和授时服务，其定位精度比GPS
45、系统的定位精度略低。n GLONASS系统根据载波频率来区分不同卫星，每颗GLONASS卫星播发的两种载波的频率分别为L1=1，602+0.5625i(MHz)和L2=1，246+0.4375i(MHz)，其中i=124为每颗卫星的频率编号。GLONASS卫星的载波上也调制了两种伪随机噪声码：S码和P码。GLONASS系统单点定位精度水平方向为16m，垂直方向为25m。GLONASS系统使用与GPS不同的坐标系前苏联地心坐标系，使用的时间标准也与GPS关联的世界协调时是不同，它与莫斯科标准时关联。n 第一颗GLONASS卫星于1982年10月12日发射升空。到目前为止，共发射了80余颗GLON
46、ASS卫星，由于俄罗斯经济上的原因，GLONASS系统自完成系统组网后很难维护，目前格鲁纳斯系统由于一直处于降效运行状态，所以在轨工作的卫星仅有10颗左右。截止2001年1月10日为止尚有10颗GLONASS卫星正在运行。为进一步提高GLONASS系统的定位能力，开拓广大的民用市场，俄政府计划用4年时间将其更新为GLONASS-M系统。内容有：改进一些地面测控站设施；延长卫星的在轨寿命到8年；实现系统高的定位精度，位置精度提高到1015m，定时精度提高到2030ns，速度精度达到0.01m/s。项目项目GPSGPS系统系统GLONASSGLONASS系统系统星座卫星数/个2424轨道面数/个6
47、3轨道高度/km20183公里19100公里运行周期11小时58分11小时15分轨道倾角/（）55度65度载波频率/MHZL1：1575.42L1：1602.56-1615.50传输方式L2：1227.60L2：1246.44-1256.50调制码码分多址频分多址时间系统C/A-码和P-码S码和P码坐标系统UTCUTCSA有(2000年5月1日取消)无AS有无n “伽利略”（GALILEO）系统是欧洲为了打破目前世界美、俄全球定位系统在这一领域的垄断，满足本地区导航定位的需求，计划开发针对GPS和GLONASS的广域星基增强系统（EGNOS）。“伽利略”系统是中高度圆轨道卫星定位方案，该计划的
48、总投资预计为36亿欧元，它由星座部分、有效载荷、地面监控系统以及区域控制部分组成，其中包括27颗卫星为中高度圆轨道工作卫星和3颗候补卫星，卫星高度为24126 km，位于3个倾角为56的轨道平面内。系统将于2007年底之前完成，2008年投入使用，针对民用领域的高精度的定位需求，可以向全球任何地点提供实时的高精度定位信号，其定位精度可以达到1 m，而GPS只能达到10 m。n “伽利略”计划是欧洲自主、独立的全球多模式卫星定位导航系统，实现完全非军方控制、管理，我国也参与了其中的建设计划。“伽利略”系统还能够和美国的GPS、俄罗斯的GLONASS系统实现多系统内的相互合作，任何用户将来都可以用
49、一个多系统接收机采集各个系统的数据或者各系统数据的组合来实现定位导航的要求。 n 我国也在建设自己的卫星导航定位系统北斗导航定位系统，该系统是只能用于中国及其周边地区的区域卫星导航系统。北斗导航定位系统由北斗导航定位卫星、地面控制中心为主的地面部分、北斗用户终端三部分组成。“北斗一号”导航系统有3颗导航定位卫星，分别在2000年的10月31日和12月21日以及2005年5月25日发射升空，位于高度近3.6万千米的地球同步轨道，其定位原理与GPS等不同，“北斗一号”是用户先应发射需要定位的信号，通过卫星转发至地面控制中心，地面控制中心解算出位置后再通过卫星转发给用户。n 2011年12月27日正
50、式宣布提供试运行服务以来，已转入系统建设和应用推广并举的新阶段;n 2012年4月30日，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号乙”运载火箭，成功发射两颗北斗导航卫星，这次发射的两颗卫星是北斗卫星导航系统的第十二、十三颗组网卫星。n 2012年我国还将陆续发射3颗北斗导航组网卫星，进一步提升系统服务性能，扩大服务区域。按照北斗卫星导航系统“三步走”发展战略，2020年左右，我国将建成由30余颗卫星组成的北斗卫星导航系统，提供覆盖全球的高精度、高可靠的定位、导航和授时服务。n 据介绍，正在建设的北斗卫星导航系统空间段由颗静止轨道卫星和颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。n
