1、第8章 GPS测量的原理与方法 8.1 GPS概述 73年12月，美国国防部组织开始研制 新一代军用卫星导航系统GPS 89年2月14日发射第一颗GPS卫星 94年3月28日发射完第24颗卫星 目前在轨卫星数32颗 均匀分布在6个与赤道倾角为55近似圆形轨道上 每个轨道4颗卫星运行，距地表平均高度20200km 速度为3800m/s，运行周期为11h58min 每颗卫星覆盖全球38面积 保证地球上任何地点、任何时刻、高度15以上天空 能同时观测到4颗以上卫星。 GPS定位空间测距交会 P点安置GPS接收机，接收卫星发射的测距码信号 在接收机时钟控制下 解出测距码从卫星接收机的时间t 乘光速c、
2、加卫星时钟与接收机时钟不同步改正 算出卫星接收机的空间距离 vt卫星钟差，vT接收机钟差 GPS用单程测距方式 接收机接收到的测距信号不再返回卫星 接收机直接解算传播时间t 并算出卫星接收机的距离 要求卫星和接收机时钟严格同步 卫星在严格同步时钟控制下发射测距信号 实际上，卫星钟与接收机钟不可能严格同步 产生钟误差 两个时钟不同步对测距结果的影响c(vTvt) 卫星广播含卫星钟差vT已知 接收机钟差vT未知观测方程解算 卫星接收机的空间距离 没有考虑大气电离层和对流层折射误差影响 不是卫星接收机的几何距离伪距 距距 离离 测测 定定 原原 理理 Xll Vl Xll Vl 距距 离离 测测 定
3、定 原原 理理 Xll Vl 距距 离离 测测 定定 原原 理理 Xll Vl 距离 = 传播时间 x 光速 距距 离离 测测 定定 原原 理理 我我 们们 必必 定定 在在 以以 R1 为为 半半 径径 的的 球球 面面 的的 某某 个个 点点 上上 R1 点点 位位 测测 定定 原原 理理 2 个个 球球 面面 相相 交交 成成 一一 个个 圆圆 弧弧 点点 位位 被被 限限 制制 在在 一一 曲曲 线线 上上 R1 R2 点点 位位 测测 定定 原原 理理 3 个球面相交成一个点个球面相交成一个点 3 个距离段可以确定纬度，经度，和高程个距离段可以确定纬度，经度，和高程 点点 的的 空空
4、 间间 位位 置置 被被 确确 定定 R1 R2 R3 点点 位位 测测 定定 原原 理理 测距时刻ti的卫星坐标(xi，yi，zi)用接收卫星Si广播星 历解算出。 则Si卫星P点的空间距离 伪距观测方程 有xP，yP，zP，vT四个未知数 为了解算这四个未知数，应同时锁定4颗卫星观测 观测A，B，C，D四颗卫星的伪距方程 解方程算出P点坐标(xP，yP，zP) 8.2 GPS的组成 工作卫星、地面监控系统、用户设备 8.2.1 地面监控系统 卫星广播星历包含描述卫星运动及其轨道的参数 每颗卫星广播星历由地面监控系统提供 地面监控系统1个主控站、3个注入站、5个监测站 (1) 监测站 主控站
5、控制下的数据自动采集中心 有双频GPS接收机、高精度原子钟、气象参数测试仪 计算机等设备 完成对GPS卫星信号连续观测，搜集当地气象数据 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工作 根据观测数据，推算编制各卫星星历、卫星钟差 大气层修正参数，数据传送到注入站 提供时间基准。各监测站和GPS卫星原子钟应与 主控站原子钟同步，或测量出其间钟差 将钟差信息编入导航电文，送到注入站 调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行 启动备用卫星，以代替失效的工作卫星 (3) 注入站 主控站控制下 将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文 其它控制指令注入卫星存储器
6、监测注入信息的正确性 除主控站外，整个地面监控系统无人值守 8.2.2 用户设备 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、电源 GPS接收机任务 捕获卫星信号，跟踪并锁定卫星信号 处理接收到的信号 测量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三维坐标、速度和时间 用途导航型、测地型和授时型 载波频率单频接收机(用1个载波频率) 双频接收机(用2个载波频率) 南方测绘NGS9600测地型单频静态GPS接收机 8.3 GPS定位的基本原理 分类：1）待定点位运动状态静态定位、动态定位 2）测距原理伪距定位、载波相位定位（绝对定位
7、、相 对定位）、实时差分定位（位置差分、伪距差分、载波相位差分） 8.3.1 卫星信号 载波、测距码(C/A码P码)、数据码(导航电文或称D码) 同一原子钟频率f0=10.23MHz下产生 (1) 载波信号 频率用无线电波段两种不同频率电磁波 L1载波：f1=154f0=1575.42MHz，1=19.03cm L2载波：f2=120f0=1227.60MHz，2=24.42cm 载波L1调制有C/A码、P码、数据码 载波L2调制有P码、数据码 测距码由0，1组成的二进制编码 一位二进制数比特(bit) 每秒钟传输比特数称为数码率 卫星的两种测距码C/A码和P码属于伪随机码 具有良好自相关特性
8、和周期性，容易复制 测距码测距原理 卫星时钟控制发射某结构测距码 经t时间传播后到达GPS接收机 接收机产生同结构测距码复制码 复制码延迟时间后与接收的卫星测距码比较 调整延迟时间使两个测距码完全对齐 复制码延迟时间=t C/A码码元宽度对应距离293.1m 卫星与接收机测距码对齐精度1/100，测距精度2.9m P码码元宽度对应距离29.3m 卫星与接收机测距码对齐精度1/100，测距精度0.29m P码测距精度高于C/A码10倍 C/A码粗码，P码精码 P码受美国军方控制，一般用户只能用C/A码测距 (2) 数据码 导航电文D码 含卫星星历、卫星工作状态、时间系统、 卫星时钟运行状态、轨道
9、摄动改正、大气折射改正 导航电文与前述的测距码一样二进制码 依规定格式按帧发射 每帧电文长度1500bit，播送速率50bit/s 8.3.2 伪距定位 1) 单点定位 GPS接收机安置于测点，锁定4颗以上卫星 将收到的卫星测距码与接收机产生的复制码对齐 测量与锁定卫星测距码到接收机传播时间ti 求出卫星至接收机的伪距 从锁定卫星广播星历获取卫星空间坐标 距离交会原理解算天线点三维坐标 伪距观测方程有4个未知数 锁定4颗卫星时方程有唯一解 没考虑大气电离层和对流层折射误差、 星历误差影响，单点定位精度不高 C/A码定位精度25m，P码定位精度10m 2) 多点定位 多台GPS接收机(23台)安
10、置在不同测点 同时锁定相同卫星进行伪距测量 大气电离层和对流层折射误差、星历误差 影响基本相同 计算各测点间坐标差(x,y,z)时 可消除上述误差影响 测点之间的点位相对精度大大提高 8.3.3 载波相位定位 载波L1，L2频率比测距码(C/A码和P码)频率高 波长比测距码短很多,1=19.03 cm,2=24.42cm 使用载波L1或L2作测距信号 将卫星传播到接收机天线的余弦载波信号 与接收机基准信号比相求出相位延迟计算伪距 可获得很高测距精度 如测量L1载波相位移误差为1/100 伪距测量精度可达19.03cm/100=1.9mm (1) 载波相位绝对定位载波相位绝对定位 相位测量只能测
11、出不足一整周期相位移 存在整周数N0不确定问题，N0整周模糊度 t0时刻(历元t0)，某卫星发射载波信号 到接收机相位移2N0+ 该卫星接收机距离 载波波长 考虑钟差改正c(vTvt) 大气电离层折射改正ion 对流层折射改正trop 的载波相位观测方程 虽然对锁定卫星进行连续跟踪观测 可修正ion和trop 但整周模糊度N0始终未知 能否准确求出N0成为载波相位定位的关键问题 (2) 载波相位相对定位 两台GPS接收机分别安置在两测点 两测点连线基线 同步接收卫星信号 相同卫星相位观测值线性组合 解算基线向量在WGS-84坐标系的增量(x,y,z) 确定它们的相对位置 一个测点坐标已知，可推
12、算出另一个测点坐标 按相位观测的线性组合形式 载波相位相对定位单差法、双差法、三差法 只介绍前两种 1) 单差法单差法 基线两端点安置两台GPS接收机 对同一颗卫星同步观测，观测方程 设基线两端点的电离层改正ion 对流层改正trop相等 得单差观测方程 单差方程消除了卫星钟差改正数vT 2) 双差法双差法 安置在基线端点上的两台GPS接收机 同时对两颗卫星进行同步观测 观测Sj卫星的单差观测方程 求差双差观测方程 消除了基线端点两台接收机相对钟差改正数vt1vt2 差分法可减少计算中的未知数数量 消除或减弱测站共同误差影响，提高定位精度 将 化算为基线端点 坐标增量(x12,y12,z12)
13、的函数 有3个坐标增量未知数 如两台GPS接收机同步观测了n颗卫星 则有n1个整周模糊度，未知数总数3+n1 当每颗卫星观测了m个历元时 就有m(n1)个双差方程 为求出3+n1个未知数 要求双差方程数未知数个数 m(n1)3+n1 一般取m=2，也即每颗卫星观测2个历元 为提高相对定位精度，同步观测的时间应比较长 具体时间与基线长、所用接收机类型(单频/双频) 和解算方法有关 在15km短基线上使用双频机观测 用快速处理软件 野外每个测点同步观测时间只需1015分钟 即可使测量基线长度达到5mm+1ppm 8.3.4 实时差分定位 已知点安置一台GPS接收机基准站 已知坐标和卫星星历算出观测值的校正值 通过无线电通讯设备数据链 将校正值发送给运动中的GPS接收机移动站 移动站用收到的校正值对自身GPS观测值进行改正 消除卫星钟差、接收机钟差、 大气电离层和对流层折射误差 应用带实时差分功能的GPS接收机才能进行 南方测绘灵锐S82双频蓝牙通讯RTK GPS接收机
