GPS衛(wèi)星測量基礎(chǔ)理論

1、03/05/99GPS 衛(wèi)星測量基礎(chǔ)理論徠卡測量系統(tǒng)有限公司199903/05/99NAVSTAR GPS GPS 是英文詞組全球定位系統(tǒng)的首字母縮寫詞 她是美國國防部 1974 年前后開發(fā)的一個(gè)軍用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，提供: 全球覆蓋能力 每天 24 小時(shí)服務(wù) 成本低廉的最終用戶設(shè)備 確保軍方安全 10-20 m 導(dǎo)航點(diǎn)位精度 0.1 m/s 速度測定精度 100 ns 精密授時(shí)能力 從 1995 年 6 月投入全面運(yùn)轉(zhuǎn)03/05/99 GPS 系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成空間部分空間部分地面控制部分地面控制部分用戶部分用戶部分GPS 系統(tǒng)由三個(gè)主要部分組成：03/05/99 宣稱由 24 顆衛(wèi)星組成 (

2、21 + 3) 目前有 27 顆衛(wèi)星處于工作狀態(tài) 分布在 6 個(gè)軌道平面上 軌道平面的傾角為55 軌道矢徑大約為 26.600 km 軌道曲線的形狀幾乎為圓形 軌道周期為 12 小時(shí) 每天提前 4 分鐘可以看到相同的星座分布 提前量 4 分/天, 2 小時(shí)/月, 24 小時(shí)/年 衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命為 7.5 年 GPS 衛(wèi)星星座衛(wèi)星星座03/05/99 GPS 衛(wèi)星發(fā)射狀況衛(wèi)星發(fā)射狀況Navstar14 (PRN 14): 1989年 2月 14日Navstar13 (PRN 2): 1989年 6月 10日Navstar16 (PRN 16): 1989年 8月 18日Navstar19 (PR

3、N 19): 1989年 10月 21日Navstar17 (PRN 17): 1989年 12月 11日Navstar18 (PRN 18): 1990年 1月 24日Navstar20 (PRN 20): 1990年 3月 26日Navstar21 (PRN 21): 1990年 8月 2日Navstar15 (PRN 15): 1990年 10月 1日Navstar23 (PRN 23): 1990年 11月 26日Navstar24 (PRN 24): 1991年 7月 4日Navstar25 (PRN 25): 1992年 2月 23日Navstar28 (PRN 28): 1992

4、年 4月 10日Navstar26 (PRN 26): 1992年 7月 7日Navstar27 (PRN 27): 1992年 9月 9日Navstar32 (PRN 1): 1992年 11月 22日Navstar29 (PRN 29): 1992年 12月 18日Navstar22 (PRN 22): 1993年 2月 3日Navstar31 (PRN 31): 1993年 3月 30日Navstar37 (PRN 7): 1993年 5月 13日Navstar39 (PRN 9): 1993年 7月 26日Navstar35 (PRN 5): 1993年 8月 30日Navstar34

5、 (PRN 4): 1993年 11月 Navstar36 (PRN 6): 1994年 3月 10日Navstar (PRN 3): 1996年 3月03/05/99 GPS 定位技術(shù)的優(yōu)越性定位技術(shù)的優(yōu)越性 與天氣狀況無關(guān) 不要求點(diǎn)與點(diǎn)之間的彼此通視 高度均勻的定位精度 日夜均可作業(yè) 定位速度之快無與倫比 大大節(jié)省人力資源 測線長度不受限制 統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng) 生產(chǎn)成本低于常規(guī)測量技術(shù)03/05/99 GPS 定位技術(shù)的缺點(diǎn)定位技術(shù)的缺點(diǎn) GPS 需要良好的對天通視 接收天線的觀測視野中不應(yīng)該存在障礙物03/05/99 目前可見衛(wèi)星狀況目前可見衛(wèi)星狀況=345603/05/99 衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)

6、星信號結(jié)構(gòu) 每顆GPS衛(wèi)星發(fā)射一組無線電信號 每組信號包括兩個(gè)載波 (L1 與 L2) 及兩種碼，L1 上調(diào)制的C/A碼，L1和L2上的 P 碼或 Y 碼，還有衛(wèi)星軌道信息 所有信號均由同一個(gè)震蕩器產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率基準(zhǔn)頻率10.23 MHz L1 1575.42 MHzC/A 碼碼 1.023 MHzP 或或 Y-碼碼10.23 MHz L2 1227.60P 或或 Y 碼碼10.23 MHz信息碼信息碼50 Hzx 120 x1541003/05/99 偽距定位原理偽距定位原理 基本的導(dǎo)航點(diǎn)位能夠按后方交會的方式計(jì)算出來。 衛(wèi)星相當(dāng)于處在運(yùn)動(dòng)“軌道上的控制點(diǎn)”。 采用與時(shí)間相關(guān)的至每顆衛(wèi)星的碼觀

7、測向量。至少觀測 4 顆衛(wèi)星，我們就可以解算出 4 個(gè)未知參數(shù)： 測站的測站的緯度緯度、 經(jīng)度經(jīng)度、高程高程 及接收機(jī)的及接收機(jī)的 時(shí)鐘偏差時(shí)鐘偏差03/05/99 差分差分 GPSS 1S 4AB差分 GPS 是 2 個(gè)或更多個(gè)測站之間的相對定位。如果 A 和 B 兩點(diǎn)在同一時(shí)間區(qū)間內(nèi)觀測了相同的一組衛(wèi)星，而且 A 是一個(gè)已知點(diǎn)，那么 B 點(diǎn)的位置就可以加以確定。采用差分測量技術(shù)，可以:消除觀測值中的衛(wèi)星與接收機(jī)時(shí)鐘誤差消除觀測值中的衛(wèi)星星歷誤差將大氣折射的影響削弱到最低程度03/05/99 偽距定位時(shí)點(diǎn)位坐標(biāo)的計(jì)算偽距定位時(shí)點(diǎn)位坐標(biāo)的計(jì)算 GPS 是一種距離測量系統(tǒng) (D)。 衛(wèi)星及接收機(jī)

8、中包含有穩(wěn)定的頻率標(biāo)準(zhǔn)。 無線電信號發(fā)射的時(shí)間是已知的，它與接收瞬間的時(shí)鐘偏差可以被計(jì)算出來 (T)。 無線電的傳播速度是已知的 (V)。 因此測站與衛(wèi)星之間的距離可以按下式計(jì)算出來:D = V x T 由于任意時(shí)刻衛(wèi)星的坐標(biāo)是已知的，因此只要有足夠數(shù)量的觀測值，接收機(jī)天線的位置就可以計(jì)算出來。03/05/99 測站至衛(wèi)星距離的計(jì)算測站至衛(wèi)星距離的計(jì)算 測站至衛(wèi)星的距離是采用衛(wèi)星發(fā)射的碼信號進(jìn)行測量的。接收機(jī)也同步生成相同的碼。通過相關(guān)分析，可以測出信號的傳輸時(shí)間，并根據(jù)光速計(jì)算出距離。衛(wèi)星時(shí)鐘衛(wèi)星時(shí)鐘接收機(jī)時(shí)鐘接收機(jī)時(shí)鐘t03/05/99 初始整周未知數(shù)（模糊度）初始整周未知數(shù)（模糊度） 用

9、于載波相位觀測值數(shù)據(jù)處理的初始整周未知數(shù)必須加以確定。初始整周未知數(shù)初始整周未知數(shù)包含在一臺接收機(jī)對一個(gè)衛(wèi)星重建的載波采集的一組不間斷觀測值中的所包含的未知的整周數(shù)。接收機(jī)時(shí)間 0時(shí)間 1初始整周未知數(shù)初始整周未知數(shù)相位觀測值相位觀測值整周計(jì)數(shù)03/05/99 初始整周未知數(shù)的解算初始整周未知數(shù)的解算 初始整周未知數(shù)的解算效果如下圖所示： 請注意：一旦初始整周未知數(shù)的值被解出，測量成果的精度將不再隨著觀測時(shí)間的增加而顯著得到提高。精度精度(m)1.000.100.01靜態(tài)測量靜態(tài)測量 0 30 80 快速靜態(tài)快速靜態(tài)測量測量 0 2 5 時(shí)間時(shí)間 (分鐘分鐘)整周未知數(shù)整周未知數(shù) 尚未解出尚未

10、解出整周未知數(shù)整周未知數(shù) 已解出已解出用于確定初始整周未知數(shù)的觀測時(shí)間長短取決于： 基線的長度 GPS 接收機(jī)的類型 作業(yè)模式 電離層與對流層的狀況03/05/99 選擇性服務(wù)與防電子欺騙選擇性服務(wù)與防電子欺騙 選擇性服務(wù)政策選擇性服務(wù)政策 (SA): 美國軍方人為地降低民用用戶的點(diǎn)定位精度。SA政策是通過制造衛(wèi)星時(shí)鐘信號的抖動(dòng)或降低衛(wèi)星軌道參數(shù)的精度來實(shí)現(xiàn)的。 防電子欺騙技術(shù)防電子欺騙技術(shù) (AS): 通過對 P 碼的加密，使得民用用戶無法連續(xù)地獲得使用。03/05/99 誤差來源誤差來源與衛(wèi)星有關(guān)的誤差來源與衛(wèi)星有關(guān)的誤差來源 衛(wèi)星軌道代表誤差 衛(wèi)星時(shí)鐘模型誤差與接收機(jī)有關(guān)的誤差源與接收機(jī)

11、有關(guān)的誤差源 接收機(jī)時(shí)鐘誤差 整周跳變 天線相位中心的遷移同傳輸途徑有關(guān)的誤差同傳輸途徑有關(guān)的誤差 電離層/對流層傳輸延遲同測站有關(guān)的誤差同測站有關(guān)的誤差 測站近似坐標(biāo)的精度與作業(yè)方式 多路徑誤差03/05/99 觀測星座的幾何圖形強(qiáng)度觀測星座的幾何圖形強(qiáng)度觀測星座的幾何圖形強(qiáng)度 (GDOP) ： 它是一種衡量三維定位精度水平的標(biāo)志。 差的差的GDOP好的好的GDOP理想的 GDOP - 一顆衛(wèi)星位于天頂，與此同時(shí)，其余衛(wèi)星均勻分布在指定觀測高度角的地平圈上。03/05/99 地球參考曲面的基本特征地球參考曲面的基本特征橢球面 嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型加以定義 簡單的幾何曲面 用兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行描述 無法直

12、接用常規(guī)儀器加以確定大地水準(zhǔn)面 根據(jù)物理意義定義的曲面 曲面的形狀極其復(fù)雜 需要無窮個(gè)參數(shù)才能進(jìn)行確切描述 能夠用常規(guī)儀器直接加以測定配合最佳的參考橢球面 大地水準(zhǔn)面大地水準(zhǔn)大地水準(zhǔn)面差距面差距N03/05/99 正高與大地高正高與大地高h(yuǎn) = H + Nh: 橢球高程H: 海拔高程 (正高)N: 大地水準(zhǔn)面差距地表地形大地水準(zhǔn)面 參考橢球面03/05/99 WGS 84 坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)GPS 測量獲得的是 WGS 84 坐標(biāo)系統(tǒng)中的點(diǎn)位及坐標(biāo)差。它們可以有兩種表達(dá)方式：緯度、經(jīng)度與高程的地理坐標(biāo)方式，或者由 X, Y 和 Z 組成的地心坐標(biāo)方式。以地心為中心的 WGS 84 橢球是全球范圍

13、內(nèi)與大地水準(zhǔn)面擬合得最佳的參考橢球面。03/05/99WGS 84 坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)原點(diǎn)在地球質(zhì)心原點(diǎn)在地球質(zhì)心X 軸和軸和 Y軸在赤道平面內(nèi)正交軸在赤道平面內(nèi)正交Z 軸和軸和 X,Y軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系，指向軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系，指向 BIH 1984.0 定義的協(xié)議地球極（定義的協(xié)議地球極（CTP）方向方向03/05/99坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)地圖投影地圖投影可在可在 SKI-Pro專業(yè)軟件或控制器中定義專業(yè)軟件或控制器中定義地方橢球地方橢球可在可在 SKI-Pro專業(yè)軟件或控制器中定義專業(yè)軟件或控制器中定義可在可在 SKI-Pro專業(yè)軟件或控制器中將專業(yè)軟件或控制器中將WGS 84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成地方坐標(biāo)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成地方坐標(biāo)03/05/99坐標(biāo)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)轉(zhuǎn)換應(yīng)將應(yīng)將WGS 84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成地方坐標(biāo)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成地方坐標(biāo)通過通過SKI-Pro軟件或控制器計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)軟件或控制器計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)采用多種方法采用多種方法經(jīng)典經(jīng)典 3D 赫爾墨特轉(zhuǎn)換赫爾墨特轉(zhuǎn)換平面位置的平面位置的2D 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換+高程內(nèi)插高程內(nèi)插03/05/99平面位置的平面位置的2D 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換+高程內(nèi)插高程內(nèi)插無地方橢球和投影資料的無地方橢球和投影資料的情況下：情況下： 平面點(diǎn)位進(jìn)行二維轉(zhuǎn)換平面點(diǎn)位進(jìn)行二維轉(zhuǎn)換 高程使用地方大地水準(zhǔn)面高程使用地方大地水準(zhǔn)面內(nèi)插方法得到內(nèi)插方法得到ZY