第七章GPS定位技術(shù)PPT課件

1 第七章GPS定位技術(shù) 7 1概述 為了滿足軍事及民用部門對(duì)連續(xù)實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航的需求 1973年美國(guó)國(guó)防部開始研究建立新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 即授時(shí)與測(cè)距導(dǎo)航系統(tǒng) 全球定位系統(tǒng) NavigationSystemTimingandRanging GlobalPositioningSystem NAVSTAR GPS 稱為全球定位系統(tǒng) GPS GPS系統(tǒng)不僅可用于測(cè)量 導(dǎo)航 還可用于測(cè)速 測(cè)時(shí) 測(cè)速的精度可達(dá)0 1m s 測(cè)時(shí)的精度可達(dá)幾十毫微秒 GPS可為各類用戶連續(xù)提供動(dòng)態(tài)目標(biāo)的三維位置 三維速度及時(shí)間信息 隨著GPS定位技術(shù)及數(shù)據(jù)處理技術(shù)的不斷完善 其精度還將進(jìn)一步提高 利用全球定位系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航 可實(shí)時(shí)確定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的三維位置和速度 保障運(yùn)動(dòng)載體沿預(yù)定航線運(yùn)行 亦可選擇最佳航線 2 一 特點(diǎn) 觀測(cè)站之間無(wú)需通視 定位精度高 觀測(cè)時(shí)間短 提供三維坐標(biāo) 操作簡(jiǎn)便 全天候作業(yè) 3 7 2GPS系統(tǒng)的組成 一 GPS系統(tǒng)組成空間星座部分地面監(jiān)控部分用戶設(shè)備部分 4 二 空間星座部分 1 GPS衛(wèi)星星座的構(gòu)成 全球定位系統(tǒng)的空間衛(wèi)星星座 由24 3顆備用衛(wèi)星 顆衛(wèi)星組成 衛(wèi)星分布在6個(gè)軌道面內(nèi) 每個(gè)軌道上分布有4顆衛(wèi)星 衛(wèi)星軌道面相對(duì)地球赤道面的傾角約為55 各軌道平面升交點(diǎn)的赤經(jīng)相差60 在相鄰軌道上 衛(wèi)星的升交距相差30 軌道平均高度約為20200km 衛(wèi)星運(yùn)行周期為11小時(shí)58分 因此 同一觀測(cè)站上 每天出現(xiàn)的衛(wèi)星分布圖形相同 只是每天提前4分鐘 每顆衛(wèi)星每天約有5個(gè)小時(shí)在地平線以上 同時(shí)位于地平線以上的衛(wèi)星數(shù)目 隨時(shí)間和地點(diǎn)而異 最少為4顆 最多可達(dá)11顆 5 2 GPS衛(wèi)星及其功能 1 GPS衛(wèi)星GPS衛(wèi)星的主體呈圓柱形 直徑約為1 5m 重約774kg 兩側(cè)設(shè)有兩塊雙葉太陽(yáng)能板 能自動(dòng)對(duì)日定向 以保證衛(wèi)星正常工作用電 每顆衛(wèi)星裝有4臺(tái)高精度原子鐘 2臺(tái)銣鐘和2臺(tái)銫鐘 這是衛(wèi)星的核心設(shè)備 它將發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào) 為GPS定位提供高精度的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn) 6 2 基本功能是 1 接收和儲(chǔ)存由地面監(jiān)控站發(fā)來(lái)的導(dǎo)航信息 并執(zhí)行監(jiān)控站的控制指令 3 衛(wèi)星上設(shè)有微處理機(jī) 能進(jìn)行部分必要的數(shù)據(jù)處理工作 3 通過(guò)星載的高精度銫鐘和銣鐘提供精密的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn) 4 向用戶發(fā)送定位信息 5 在地面監(jiān)控站的指令下 通過(guò)推進(jìn)器調(diào)整衛(wèi)星的姿態(tài)和啟用備用衛(wèi)星 7 三 地面監(jiān)控部分 GPS的地面監(jiān)控部分是由分布在全球的5個(gè)地面站組成 其中包括衛(wèi)星監(jiān)測(cè)站 主控站和信息注入站 8 1 監(jiān)測(cè)站 5個(gè)地面站均具有監(jiān)測(cè)的功能 監(jiān)測(cè)站是在主控站直接控制下的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集中心 站內(nèi)設(shè)有雙頻GPS接收機(jī) 高精度原子鐘 計(jì)算機(jī)各一臺(tái)和若干臺(tái)環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器 接收機(jī)對(duì)GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè) 以采集數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的工作狀況 原子鐘提供時(shí)間標(biāo)準(zhǔn) 而環(huán)境傳感器收集有關(guān)當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù) 所有觀測(cè)資料由計(jì)算機(jī)進(jìn)行初步處理 并儲(chǔ)存和傳送到主控站 用以確定衛(wèi)星的軌道信息 9 2 主控站 主控站一個(gè) 設(shè)在美國(guó)本土科羅拉多 斯平士 ColoradoSprings 的聯(lián)合空間執(zhí)行中心CSOC 主控站除協(xié)調(diào)和管理地面監(jiān)控系統(tǒng)工作外 其主要任務(wù)是 1 根據(jù)本站和其他監(jiān)測(cè)站的所有觀測(cè)資料 推算編制各衛(wèi)星的星歷 衛(wèi)星鐘差和大氣層的修正參數(shù)等 并把這些數(shù)據(jù)傳送到注入站 2 提供全球定位系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn) 各測(cè)站和GPS衛(wèi)星的原子鐘 均應(yīng)與主控站的原子鐘同步 或測(cè)出其間的鐘差 并把這些鐘差信息編入導(dǎo)航電文 送到注入站 3 調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星 使之沿預(yù)定的軌道運(yùn)行 4 啟用備用衛(wèi)星 以代替失效的工作衛(wèi)星 10 3 注入站 注入站現(xiàn)有三個(gè) 分別設(shè)在印度洋的迭哥加西亞 DiegoGarcia 南大西洋的阿松森島 Ascencion 和南太平洋的卡瓦加蘭 Kwajalein 注入站的主要設(shè)備為一臺(tái)直徑為3 6m的天線 一臺(tái)C波段發(fā)射機(jī)和一臺(tái)計(jì)算機(jī) 其主要任務(wù)是在主控站的控制下將主控站推算和編制的衛(wèi)星星歷 鐘差 導(dǎo)航電文和其他控制指令等 注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲(chǔ)系統(tǒng) 并檢測(cè)注入星系的正確性 整個(gè)GPS的地面監(jiān)控部分 除主控站外均無(wú)人值守 各站間用通訊網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來(lái) 在原子鐘和計(jì)算機(jī)的驅(qū)動(dòng)和精確控制下 各項(xiàng)工作實(shí)現(xiàn)了高度的自動(dòng)化和標(biāo)準(zhǔn)化 11 四 用戶設(shè)備部分 用戶設(shè)備主要由GPS接收機(jī)硬件和數(shù)據(jù)處理軟件 以及微處理機(jī)及其終端設(shè)備組成 而GPS接收機(jī)的硬件 一般包括主機(jī) 天線和電源 主要功能是接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào) 以獲得必要的導(dǎo)航和定位信息 并經(jīng)簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)處理而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)導(dǎo)航和定位 GPS軟件部分是指各種后處理軟件包 其主要作用是對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精加工 以便獲得精密定位結(jié)果 12 7 3GPS定位原理 一 GPS絕對(duì)定位原理 利用GPS進(jìn)行絕對(duì)定位的基本原理 是以GPS衛(wèi)星和用戶接收機(jī)天線之間的距離觀測(cè)量為基準(zhǔn) 根據(jù)已知的衛(wèi)星瞬時(shí)坐標(biāo) 來(lái)確定用戶接收機(jī)天線所在的位置 實(shí)質(zhì)是空間距離后方交會(huì) 又稱偽距離測(cè)量 1 動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位 當(dāng)用戶接收設(shè)備安置在運(yùn)動(dòng)的載體上 確定載體瞬時(shí)絕對(duì)位置的定位方法 2 靜態(tài)絕對(duì)定位 當(dāng)接收機(jī)天線處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí) 來(lái)確定觀測(cè)站絕對(duì)坐標(biāo)的方法 由于偽距有測(cè)碼偽距和測(cè)相偽距之分 所以 絕對(duì)定位又可分為測(cè)碼偽距絕對(duì)定位和測(cè)相偽距絕對(duì)定位 13 二 GPS相對(duì)定位原理 差分GPS定位 1 靜態(tài)相對(duì)定位 用兩臺(tái)接收機(jī)分別安置在基線的兩端點(diǎn) 其位置靜止不動(dòng) 同步觀測(cè)相同的4顆以上GPS衛(wèi)星 確定基線兩端點(diǎn)在協(xié)議地球坐標(biāo)系中的相對(duì)位置 采用載波相位觀測(cè)量為基本觀測(cè)量 優(yōu)點(diǎn) 精度高 缺點(diǎn) 觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng) 14 2 動(dòng)態(tài)相對(duì)定位 用兩臺(tái)GPS接收機(jī) 將一臺(tái)接收機(jī)安設(shè)在基準(zhǔn)站上固定不動(dòng) 另一臺(tái)接收機(jī)安置在運(yùn)動(dòng)的載體上 兩臺(tái)接收機(jī)同步觀測(cè)相同的衛(wèi)星 通過(guò)在觀測(cè)值之間求差 以消除具有相關(guān)性的誤差 提高定位精度 而運(yùn)動(dòng)點(diǎn)位置是通過(guò)確定該點(diǎn)相對(duì)基準(zhǔn)站的相對(duì)位置實(shí)現(xiàn)的定位方法 動(dòng)態(tài)相對(duì)定位又分以測(cè)距碼偽距為觀測(cè)值的動(dòng)態(tài)相對(duì)定位和以載波相位為觀測(cè)值的動(dòng)態(tài)相對(duì)定位 1 測(cè)碼偽距相對(duì)動(dòng)態(tài)定位 是由安置在基準(zhǔn)點(diǎn)的接收機(jī)測(cè)量出該點(diǎn)到GPS衛(wèi)星的偽距 利用衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)可計(jì)算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離求差 將差值作為距離改正數(shù)傳送給用戶接收機(jī) 那么 用戶就得到了一個(gè)偽距改正值 可有效地消除或削弱一些公共誤差的影響的方法 15 2 載波相位動(dòng)態(tài)相對(duì)定位法 是通過(guò)將載波相位修正值發(fā)送給用戶站來(lái)改正其載波相位實(shí)現(xiàn)定位的 或是通過(guò)將基準(zhǔn)站采集的載波相位觀測(cè)值發(fā)送給用戶站進(jìn)行求差解算坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)定位 其定位精度在小區(qū)域范圍內(nèi) 30km 可達(dá)1 2cm 是一種快速且高精度的定位法 三 靜態(tài)相對(duì)定位的觀測(cè)方程及其解算 GPS觀測(cè)誤差對(duì)兩個(gè)觀測(cè)站或多個(gè)觀測(cè)站同步觀測(cè)相同衛(wèi)星具有較強(qiáng)的相關(guān)性 因此 一種簡(jiǎn)單有效消除或減弱誤差影響的方法是將這些觀測(cè)量進(jìn)行不同的線性組合 在GPS相對(duì)定位中 通常采用的組合方式有三種 即單差 雙差和三差 16 1 單差觀測(cè)模型1 單差 Single Different SD 是指不同觀測(cè)站 同步觀測(cè)相同衛(wèi)星所得觀測(cè)量之差 2 單差模型 分析數(shù)據(jù)處理過(guò)程 測(cè)站間求單差的模擬觀測(cè)模型具有下列優(yōu)點(diǎn) 1 消除了衛(wèi)星鐘誤差的影響 2 大大削弱了衛(wèi)星星歷誤差的影響 3 大大削弱了對(duì)流層折射和電離層折射的影響 在短距離內(nèi)幾乎可以完全消除其影響 17 1 雙差 Doppel Different DD 即不同觀測(cè)站 同步觀測(cè)同一組衛(wèi)星 所得單差觀測(cè)量之差 2 雙差模型 2 雙差模型 3 優(yōu)點(diǎn) 可以消除鐘差影響 18 3 三差模型 1 三差 Triple Different TD 即于不同歷元 同步觀測(cè)同一組衛(wèi)星所得雙差觀測(cè)量之差 2 三差模型 3 優(yōu)點(diǎn) 不存在整周未知數(shù) 19 7 4差分GPS測(cè)量原理 差分GPS根據(jù)其系統(tǒng)構(gòu)成的基準(zhǔn)站個(gè)數(shù)可分為單基準(zhǔn)差分 多基準(zhǔn)的局部區(qū)域差分和廣域差分 而根據(jù)信息的發(fā)送方式又可分為偽距差分 相位差分及位置差分等 無(wú)論何種差分 其工作原理基本相同 是由用戶接收基準(zhǔn)站發(fā)送的改正數(shù) 并對(duì)其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行改正以獲得精密定位結(jié)果的 它們的區(qū)別在于發(fā)送改正數(shù)的內(nèi)容不同 其定位精度不同 差分原理也有所不同 20 一 偽距差分原理 通過(guò)在基準(zhǔn)站上利用已知坐標(biāo)求出測(cè)站至衛(wèi)星的距離 并將其與含有誤差的測(cè)量距離比較 然后利用一個(gè)濾波器將此差值濾波并求出其偏差 并將所有衛(wèi)星的測(cè)距誤差傳輸給用戶 用戶利用此測(cè)距誤差來(lái)改正測(cè)量的偽距 最后 用戶利用改正后的偽距求出自身的坐標(biāo) 由于差分定位是利用兩站公共誤差的抵消來(lái)提高定位精度 而其誤差的公共性與兩站距離有關(guān) 隨著兩站距離的增加 其誤差公共性逐漸減弱 因此 用戶同基準(zhǔn)站的距離對(duì)定位精度的影響起著決定性作用 21 二 位置差分原理 位置差分是一種最簡(jiǎn)單的差分方法 安置在已知點(diǎn)基準(zhǔn)站上的GPS接收機(jī) 經(jīng)過(guò)對(duì)4顆或4顆以上的衛(wèi)星觀測(cè) 便可實(shí)現(xiàn)定位 求出基準(zhǔn)站的坐檔 由于存在著衛(wèi)星星歷 時(shí)鐘誤差 大氣折射等誤差的影響 該坐標(biāo)與已知坐標(biāo) X Y Z 不一樣 存在誤差 基準(zhǔn)站利用數(shù)據(jù)鏈將坐標(biāo)改正數(shù)發(fā)送給用戶站 用戶站對(duì)其坐標(biāo)進(jìn)行改正 22 經(jīng)過(guò)坐標(biāo)改正后的用戶坐標(biāo)已消除了基準(zhǔn)站與用戶站的共同誤差 如衛(wèi)星星歷誤差 大氣折射誤差 衛(wèi)星鐘差 SA政策影響等 提高了定位精度 坐標(biāo)差分的優(yōu)點(diǎn)是需要傳輸?shù)牟罘指恼龜?shù)較少 計(jì)算方法較簡(jiǎn)單 任何一種GPS接收機(jī)均可改裝成這種差分系統(tǒng) 其缺點(diǎn)主要為 1 要求基準(zhǔn)站與用戶站必須保持觀測(cè)同一組衛(wèi)星 由于基準(zhǔn)站與用戶站接收機(jī)配備不完全相同 且兩站觀測(cè)環(huán)境也不完全相同 因此難以保證兩站觀測(cè)同一組衛(wèi)星 將導(dǎo)致定位誤差的不匹配 從而影響定位精度 2 坐標(biāo)差分定位效果不如偽距差分好 23 三 載波相位差分原理 在測(cè)距碼差分GPS中 由于碼結(jié)構(gòu)及測(cè)量中隨機(jī)噪聲誤差的限制 難以滿足精密定位的要求 而載波相位測(cè)量的噪聲誤差大大小于測(cè)距碼測(cè)量噪聲誤差 在靜態(tài)相對(duì)定位中已可達(dá)10 6 10 8的定位精度 但是 求解整周未知數(shù)應(yīng)進(jìn)行1 2h的靜止觀測(cè) 因此 限制了載波位測(cè)量的應(yīng)用范圍 載波相位差分GPS定位與偽距差分GPS定位原理相類似 其基本原理是 在基準(zhǔn)站上安置一臺(tái)GPS接收機(jī) 對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè) 并通過(guò)無(wú)線電設(shè)備實(shí)時(shí)地將觀測(cè)數(shù)據(jù)及測(cè)站坐標(biāo)信息傳送給用戶站 用戶站一方面通過(guò)接收機(jī)接收GPS衛(wèi)星信號(hào) 同時(shí)通過(guò)無(wú)線電接收設(shè)備接收基準(zhǔn)站傳送信息 根據(jù)相對(duì)定位原理進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 實(shí)時(shí)地以厘米級(jí)的精度給出用戶站三維坐標(biāo) 24 1 單基準(zhǔn)站差分GPS SRDGPS 單基準(zhǔn)站差分GPS是根據(jù)一個(gè)基準(zhǔn)站所提供的差分改正信息對(duì)用戶站進(jìn)行改正的差分GPS系統(tǒng) 該系統(tǒng)由基準(zhǔn)站 無(wú)線電數(shù)據(jù)通迅鏈 用戶站三部分組成 1 基準(zhǔn)站在已知點(diǎn) 基準(zhǔn)站 上配備GPS衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī) 并應(yīng)具備計(jì)算差分改正和編碼功能的軟件 2 無(wú)線電數(shù)據(jù)通風(fēng)鏈編碼后的差分改正信息是通過(guò)無(wú)線電通訊設(shè)備傳送給用戶的 將這種無(wú)線電通訊設(shè)備稱為數(shù)據(jù)通訊鏈 它由基準(zhǔn)站上的信號(hào)調(diào)制器 無(wú)線電發(fā)射機(jī)和發(fā)射天線以及用戶站的差分信號(hào)接收機(jī)和信號(hào)解調(diào)器組成 3 用戶站用戶站GPS接收機(jī) 用戶站還應(yīng)有用于接收差分改正數(shù)的無(wú)數(shù)電接收機(jī) 信號(hào)解調(diào)器 計(jì)算軟件及相應(yīng)的接口設(shè)備等 優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)和算法都較為簡(jiǎn)單 25 2 局部區(qū)域差分GPS系統(tǒng) LADGPS 在一個(gè)較大的區(qū)域布設(shè)多個(gè)基準(zhǔn)站 以構(gòu)成基準(zhǔn)站網(wǎng) 位于該區(qū)域中的用戶根據(jù)多個(gè)基準(zhǔn)站所提供的改正信息經(jīng)平差計(jì)算后求得用戶站定位改正數(shù) 稱局部區(qū)域差分GPS系統(tǒng) 改正量方法 1 各基準(zhǔn)站以標(biāo)準(zhǔn)化的格式發(fā)射改正信息 而用戶接收機(jī)接收各基準(zhǔn)站的改正量 并取其加權(quán) 用戶站與基準(zhǔn)站的相對(duì)位置來(lái)確定 平均 作為用戶站的改正數(shù) 要求多倍的通信帶寬 效率較低 2 根據(jù)各基準(zhǔn)站的分布 預(yù)先在網(wǎng)中構(gòu)成以用戶站與基準(zhǔn)站的相對(duì)位置為函數(shù)的改正數(shù)的加權(quán)平均值模型 并將其統(tǒng)一發(fā)送給用戶 這種方式不需要增加通信帶寬 是一種較為有效的方法 優(yōu)點(diǎn) 可靠性和精度均有所提高 26 3 廣域差分GPS系統(tǒng) WADGPS 針對(duì)單基準(zhǔn)差分和區(qū)域差分GPS所存在的問題 將觀測(cè)誤差按誤差的不同來(lái)源劃分成星歷誤差 衛(wèi)星鐘差及大氣折射誤差來(lái)進(jìn)行改正 以提高差分定位的精度和可靠性 即在一個(gè)相當(dāng)大的區(qū)域中用相對(duì)較少的基準(zhǔn)站組成差分GPS網(wǎng) 各基準(zhǔn)站將求得的距離改正數(shù)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理中心 由數(shù)據(jù)處理中心統(tǒng)一處理 將各種GPS觀測(cè)誤差源加以區(qū)分 然后再傳送給用戶的差分方法 廣域差分GPS系統(tǒng)主要對(duì)星歷誤差 大氣延時(shí)誤差 衛(wèi)星鐘差誤差的誤差源加以分離 并單獨(dú)對(duì)每一種誤差源分別進(jìn)行 模型化 系統(tǒng)主要由主站 監(jiān)測(cè)站 數(shù)據(jù)通信鏈和用戶設(shè)備組成 27 廣域差分GPS系統(tǒng)特點(diǎn) 1 主站 監(jiān)測(cè)站與用戶站的站間距離從100km增加到200km 定位精度不會(huì)出現(xiàn)明顯的下降 即定位精度與用戶和基準(zhǔn)站 監(jiān)測(cè)站 之間的距離無(wú)關(guān) 2 在大區(qū)域內(nèi)建立廣域差分GPS網(wǎng)比區(qū)域GPS網(wǎng)需要的監(jiān)測(cè)站數(shù)量少 投資小 例如 在美國(guó)大陸的任意地方要達(dá)到5米的差分定位精度 使用區(qū)域差分GPS方式需要建立500個(gè)基準(zhǔn)站 而使用廣域差分GPS方式的監(jiān)測(cè)站個(gè)數(shù)將不超過(guò)15個(gè) 其經(jīng)濟(jì)效益可見一斑 3 廣域差分GPS具有較均勻的精度分布 在其覆蓋范圍內(nèi)任意地區(qū)定位精度大致相當(dāng) 而且定位精度較區(qū)域差分GPS系統(tǒng)高 4 廣域差分GPS的覆蓋區(qū)域可以擴(kuò)展到區(qū)域差分GPS不易作用的地域 如海洋 沙漠 森林等 5 廣域差分GPS系統(tǒng)使用的硬件設(shè)備及通信工具昂貴 軟件技術(shù)復(fù)雜 運(yùn)行和維持費(fèi)用較區(qū)域差分GPS高得多 28 7 5GPS衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī) GPS衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)是用來(lái)接收 記錄和處理GPS衛(wèi)星信號(hào)的專門設(shè)備 GPS衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)的工作原理 用途 接收機(jī)所接收衛(wèi)星信號(hào)頻率及接收信號(hào)通道數(shù)目也不盡相同 一 GPS衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)的分類 1 按工作原理分 碼相關(guān)型接收機(jī) 平方型接收機(jī) 混合型接收機(jī) 2 按用途分 導(dǎo)般型 測(cè)量型和授時(shí)型接收機(jī) 3 按載波頻率分 單頻接收機(jī) 雙頻接收機(jī) 4 按通道數(shù)目分 多通道接收機(jī) 序貫通道接收機(jī) 多路復(fù)用通道接收機(jī) 29 二 GPS接收機(jī)的組成 GPS接上機(jī)主要由GPS接收機(jī)天線單元 GPS接收機(jī)主機(jī)單元和電源三部組成 30 三 GPS接收機(jī)工作原理 GPS信號(hào)接收機(jī)的接收單元主要由信號(hào)通道單元 存儲(chǔ)單元 計(jì)算和顯示控制單元 電源等四個(gè)部分組成 1 信號(hào)通道 1 平方型通道接收到的衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)平方后 調(diào)制碼信號(hào) C A碼 P碼和數(shù)據(jù)碼 完全被消除 而得到頻率為原載波頻率2倍的純載波信 稱為重建載波 利用該信號(hào)便可進(jìn)行精密的載波相應(yīng)測(cè)量 平方型通道的優(yōu)點(diǎn)是 無(wú)需掌握測(cè)距碼 C A碼 P碼 的結(jié)構(gòu)便能獲得載波信號(hào) 但是平方型通道也完全消除了信號(hào)的測(cè)距碼和數(shù)據(jù)碼 從而無(wú)法解譯出GPS衛(wèi)星信號(hào)中的導(dǎo)航電文 31 2 碼相位型通道其所得到的信號(hào)不是重建載波 而是一種所謂的碼率正弦波 它是由從A點(diǎn)輸入的接收碼 C A碼或P碼 乘以延遲1 2碼元寬度的時(shí)延碼而得到 碼相位測(cè)量是依靠時(shí)間計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)的 時(shí)間計(jì)數(shù)器由接收機(jī)時(shí)鐘的秒脈沖啟動(dòng) 并開始計(jì)數(shù) 當(dāng)碼率正弦波的正向過(guò)零點(diǎn)時(shí)關(guān)閉計(jì)數(shù)器 開關(guān)計(jì)數(shù)器的時(shí)間之差 相應(yīng)于碼率正弦波中不足一整周的小數(shù)部分 而碼相位的整周數(shù)仍為未知 還需利用其他方法解算 C A碼的碼元寬度 碼相位 為293 052m 相當(dāng)于977 517ns P碼的碼元寬度為29 305m 相當(dāng)于97 752ns 碼相位通道測(cè)定站星距離中不足一個(gè)碼元寬度的小數(shù)部分 而站星距離是C A碼或P碼碼元寬度的多少倍 通?？捎枚嗥绽諟y(cè)量予以解決 碼相位通道的優(yōu)點(diǎn)是 用戶無(wú)需知道偽噪聲碼的結(jié)構(gòu)即可進(jìn)行C A碼和P碼的相位測(cè)量 這對(duì)GSP非特許用戶有很大的好處 碼相位通道的缺點(diǎn)和平方型通道一樣 需要另外提供GPS衛(wèi)星星歷 用以測(cè)后數(shù)據(jù)處理 32 3 相關(guān)型通道其廣泛用于現(xiàn)代各種GPS信號(hào)接收機(jī) 它可從偽噪聲碼信號(hào)中提取導(dǎo)航電文 實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)載體的實(shí)時(shí)定位 偽噪聲碼跟蹤環(huán)路用于從C A碼和P碼中提取偽距觀測(cè)量 并通過(guò)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的解調(diào) 獲取僅含導(dǎo)航電文和載波的解擴(kuò)信號(hào) 載波跟蹤環(huán)路的主要作用是根據(jù)已除去測(cè)距碼的解擴(kuò)信號(hào)實(shí)現(xiàn)載波相位測(cè)量 并可獲取導(dǎo)航電文 數(shù)據(jù)碼 此外 它還具有良好的信噪比 因此為GPS接收機(jī)所普遍采用 當(dāng)然相關(guān)型通道也有缺點(diǎn) 即要求用戶掌握偽隨機(jī)噪聲碼的結(jié)構(gòu) 以便接收機(jī)產(chǎn)生復(fù)制碼信號(hào) 但是由于美國(guó)政府實(shí)施SA技術(shù) 非特許用戶不能解譯P碼 也就無(wú)法用碼相關(guān)技術(shù)獲得L2載波的觀測(cè)值 為了獲得L2載波的相位觀測(cè)量 尚需補(bǔ)充其他技術(shù) 33 2 存儲(chǔ)單元存貯器以存貯所解譯的GPS衛(wèi)星星歷 偽距觀測(cè)量 載波相位觀測(cè)量及各種測(cè)站信息數(shù)據(jù) 保存在接收機(jī)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)可以通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸接口輸入到微機(jī)內(nèi) 以便保存和處理觀測(cè)數(shù)據(jù) 存貯器內(nèi)通常還裝有多種工作軟件 如 自測(cè)試軟件 天空衛(wèi)星預(yù)報(bào)軟件 導(dǎo)航電文解碼軟件 GPS單點(diǎn)定位軟件等 3 電源采用蓄電池作電源 機(jī)內(nèi)一般配備鋰電池 用于為RAM存貯器供電 以防止關(guān)機(jī)后數(shù)據(jù)丟失 機(jī)外另配有外接電源 通常為可充電的12V直流鎘鎳電池 也可采用普通汽車電瓶 34 3 計(jì)算和顯示控制單元計(jì)算和顯示控制單元由微處理器和顯示器構(gòu)成 微處理器是GPS信號(hào)接收機(jī)的控制系統(tǒng) GPS接收機(jī)的一切工作都在微處理器的指令控制下自動(dòng)完成 其任務(wù) 1 在接收機(jī)開機(jī)后立即對(duì)各個(gè)通道進(jìn)行自檢 并顯示自檢結(jié)果 測(cè)定 校正和儲(chǔ)存各個(gè)通道的時(shí)延值 2 根據(jù)各通道跟蹤環(huán)路所輸出的數(shù)據(jù)碼 解譯出GPS衛(wèi)星星歷 并根據(jù)實(shí)際測(cè)量得到的GPS信號(hào)到達(dá)接收機(jī)天線的傳播時(shí)間 計(jì)算出測(cè)站的三維地點(diǎn)心坐標(biāo) WGS 84坐標(biāo)系 并按預(yù)置的位置更新率不斷更新測(cè)站坐標(biāo) 3 根據(jù)已得的測(cè)站點(diǎn)近似坐標(biāo)和GPS衛(wèi)星歷書 計(jì)算所有在軌衛(wèi)星的升降時(shí)間 方位和高度角 4 記錄用戶輸入的測(cè)站信息 如 測(cè)站名 天線高 氣象參數(shù)等 5 根據(jù)預(yù)先設(shè)置的航路點(diǎn)坐標(biāo)和測(cè)得的測(cè)站點(diǎn)近似坐標(biāo)計(jì)導(dǎo)航參數(shù) 如 航偏距 航偏角 航行速度等 35 7 6GPS測(cè)量外業(yè)實(shí)施 36 一 GPS點(diǎn)的選擇 1 優(yōu)越性 測(cè)站之間不一定要求相互通視 而且網(wǎng)的圖形結(jié)構(gòu)比較靈活 2 原則 點(diǎn)位應(yīng)選于易于安置接收設(shè)備 視野開闊的位置 視場(chǎng)周圍15 以上不應(yīng)有障礙物 以避免GPS信號(hào)被吸收或遮擋 點(diǎn)位應(yīng)遠(yuǎn)離大功率無(wú)線電發(fā)射源 如電視臺(tái) 微波站等 其距離不小于200m 遠(yuǎn)離高壓輸電線 其距離不得小于50m 以避免電磁場(chǎng)對(duì)GPS信號(hào)的干擾 點(diǎn)位附近不應(yīng)有大面積水域或強(qiáng)烈干擾衛(wèi)星信號(hào)接收的物體 以減弱多路徑效應(yīng)的影響 點(diǎn)位應(yīng)選交通方便 有利于其它觀測(cè)手段擴(kuò)展與聯(lián)測(cè)的地方 點(diǎn)位應(yīng)選在地面基礎(chǔ)穩(wěn)定 易于點(diǎn)的保存 選點(diǎn)人員應(yīng)按技術(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行踏勘 在實(shí)地按要求選定點(diǎn)位 網(wǎng)形應(yīng)有利于同步觀測(cè)及邊 點(diǎn)聯(lián)結(jié) 當(dāng)所選點(diǎn)位需要進(jìn)行不準(zhǔn)聯(lián)測(cè)時(shí) 選點(diǎn)人員應(yīng)實(shí)地踏勘水準(zhǔn)路線 提出有關(guān)建議 當(dāng)利用舊點(diǎn)時(shí) 應(yīng)對(duì)舊點(diǎn)的穩(wěn)定性 完好性 以及覘標(biāo)是否安全可用作一檢查 符合要求方可利用 37 2 標(biāo)志埋設(shè)GPS網(wǎng)點(diǎn)一般應(yīng)埋設(shè)具有中心標(biāo)志的標(biāo)石 以精確標(biāo)志點(diǎn)位 點(diǎn)的標(biāo)石和標(biāo)志必須穩(wěn)定 堅(jiān)固以利長(zhǎng)久保存和利用 在基巖露頭地區(qū) 也可直接在基巖上嵌入金屬標(biāo)志 資料有 點(diǎn)之記 GPS網(wǎng)的選點(diǎn)網(wǎng)圖 土地占用批準(zhǔn)文件與測(cè)量標(biāo)志委托保管書 選點(diǎn)與埋石工作技術(shù)總結(jié) 38 39 二 外業(yè)觀測(cè) 1 技術(shù)指標(biāo) 40 2 天線安置 在正常點(diǎn)位 安置在標(biāo)志中心的上方 圓水準(zhǔn)氣泡必須整平 在特殊點(diǎn)位 應(yīng)先將覘標(biāo)頂部拆除 以防止對(duì)GPS信號(hào)的遮擋 如果覘標(biāo)頂部無(wú)法拆除 可進(jìn)行偏心觀測(cè) 天線的定向標(biāo)志應(yīng)指向正北 以減弱相位中心偏差的影響 天線定向誤差因定位精度不同而異 一般不應(yīng)超過(guò) 3 5 刮風(fēng)天氣安置天線時(shí) 應(yīng)將天線進(jìn)行三方向固定 以防倒地碰壞 雷雨天氣安置天線時(shí) 應(yīng)注意將其底盤接地 以防雷擊天線 而且架設(shè)天線不宜過(guò)低 一般應(yīng)距地面1m以上 天線架設(shè)好后 在圓盤間隔120 量取天線高 天線高記錄取值0 001m 測(cè)量氣象參數(shù) 在高精度GPS測(cè)量中 要求測(cè)定氣象元素 每時(shí)段氣象觀測(cè)應(yīng)不少于3次 時(shí)段開始 中間 結(jié)束 復(fù)查點(diǎn)名并記入測(cè)量手薄中 將天線電纜與儀器進(jìn)行聯(lián)接 經(jīng)檢查無(wú)誤后方能通電啟動(dòng)儀器 41 3 開機(jī)觀測(cè) 當(dāng)確認(rèn)外接電源電纜及天線等各項(xiàng)連接完全無(wú)誤后 方可接通電源 啟動(dòng)接收機(jī) 接收機(jī)在開始記錄數(shù)據(jù)后 應(yīng)注意查看有關(guān)觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)量 衛(wèi)星號(hào) 相位測(cè)量殘差 實(shí)時(shí)定位結(jié)果及其變化 存儲(chǔ)介質(zhì)記錄等情況 一個(gè)時(shí)段觀測(cè)過(guò)程中 不允許進(jìn)行以下操作 關(guān)閉又重新啟動(dòng) 進(jìn)行自測(cè)試 發(fā)現(xiàn)故障除外 改變衛(wèi)星高度角 改變天線位置 改變數(shù)據(jù)采樣間隔 按動(dòng)關(guān)閉文件和刪除文件等功能鍵 每一觀測(cè)時(shí)段中 氣象元素一般應(yīng)在始 中 末各觀測(cè)記錄一次 當(dāng)時(shí)段較長(zhǎng)時(shí)可適當(dāng)增加觀測(cè)次數(shù) 在觀測(cè)過(guò)程中要特別注意供電情況 儀器高一定要按規(guī)定始 末各量測(cè)一次 并及時(shí)輸入儀器及記入測(cè)手薄中 接收機(jī)在觀測(cè)過(guò)程中 不要靠近接收機(jī)使用對(duì)講機(jī) 雷雨季節(jié) 架設(shè)線要防止雷擊 雷雨過(guò)境時(shí)應(yīng)關(guān)機(jī)停測(cè) 并卸下天線 觀測(cè)站的全部預(yù)定作業(yè)項(xiàng)目 經(jīng)檢查均已按規(guī)定完成 且記錄與資料完整無(wú)誤后可遷站 觀測(cè)過(guò)程中要隨時(shí)查看儀器內(nèi)存或硬盤容量 每日觀測(cè)結(jié)束后 應(yīng)及時(shí)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至計(jì)算機(jī)硬 軟盤上 確保觀測(cè)數(shù)據(jù)不丟失 42 4 觀測(cè)記錄 1 觀測(cè)記錄由GPS接收機(jī)自動(dòng)進(jìn)行