GPS測量的原理與方法課件

GPS測量的原理與方法

§8.1GPS概述73年12月，美國國防部組織開始研製新一代軍用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——GPS89年2月14日發(fā)射第一顆GPS衛(wèi)星94年3月28日發(fā)射完第24顆衛(wèi)星目前在軌衛(wèi)星數(shù)>32顆均勻分佈在6個與赤道傾角為55°近似圓形軌道上每個軌道4顆衛(wèi)星運行，距地表平均高度20200km速度為3800m/s，運行週期為11h58min每顆衛(wèi)星覆蓋全球38％面積保證地球上任何地點、任何時刻、高度15°以上天空能同時觀測到4顆以上衛(wèi)星。GPS定位——空間測距交會P點安置GPS接收機，接收衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號在接收機時鐘控制下解出測距碼從衛(wèi)星→接收機的時間——Δt乘光速c、加衛(wèi)星時鐘與接收機時鐘不同步改正算出衛(wèi)星→接收機的空間距離——vt——衛(wèi)星鐘差，vT——接收機鐘差GPS用單程測距方式接收機接收到的測距信號不再返回衛(wèi)星接收機直接解算傳播時間Δt並算出衛(wèi)星→接收機的距離要求衛(wèi)星和接收機時鐘嚴格同步衛(wèi)星在嚴格同步時鐘控制下發(fā)射測距信號實際上，衛(wèi)星鐘與接收機鐘不可能嚴格同步產(chǎn)生鐘誤差兩個時鐘不同步對測距結(jié)果的影響——c(vT－vt)衛(wèi)星廣播含衛(wèi)星鐘差vT——已知接收機鐘差vT未知——觀測方程解算衛(wèi)星→接收機的空間距離——沒有考慮大氣電離層和對流層折射誤差影響不是衛(wèi)星→接收機的幾何距離——偽距

距離測定原理XllVlXllllXllVlXllllllllVVVllVlllXlX距離測定原理XllVlXllllVll距離測定原理XllVlXllllllllVVVllVlllXlX距離=傳播時間x光速距離測定原理我們必定在以R1為半徑的球面的某個點上R1

點位測定原理2個球面相交成一個圓弧點位被限制在一曲線上R1R2點位測定原理3個球面相交成一個點3個距離段可以確定緯度，經(jīng)度，和高程點的空間位置被確定R1R2R3點位測定原理測距時刻ti的衛(wèi)星座標(xi，yi，zi)用接收衛(wèi)星Si廣播星曆解算出。則Si衛(wèi)星→P點的空間距離——偽距觀測方程——有xP，yP，zP，vT四個未知數(shù)為了解算這四個未知數(shù)，應(yīng)同時鎖定4顆衛(wèi)星觀測觀測A，B，C，D四顆衛(wèi)星的偽距方程——解方程算出P點座標——(xP，yP，zP)§8.2GPS的組成工作衛(wèi)星、地面監(jiān)控系統(tǒng)、用戶設(shè)備§8.2.1地面監(jiān)控系統(tǒng)衛(wèi)星廣播星曆包含描述衛(wèi)星運動及其軌道的參數(shù)每顆衛(wèi)星廣播星曆由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供地面監(jiān)控系統(tǒng)——1個主控站、3個注入站、5個監(jiān)測站(1)監(jiān)測站主控站控制下的數(shù)據(jù)自動採集中心有雙頻GPS接收機、高精度原子鐘、氣象參數(shù)測試儀電腦等設(shè)備完成對GPS衛(wèi)星信號連續(xù)觀測，搜集當?shù)貧庀髷?shù)據(jù)觀測數(shù)據(jù)經(jīng)電腦處理後傳送到主控站(2)主控站協(xié)調(diào)和管理所有地面監(jiān)控系統(tǒng)工作①根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，推算編制各衛(wèi)星星曆、衛(wèi)星鐘差大氣層修正參數(shù)，數(shù)據(jù)傳送到注入站②提供時間基準。各監(jiān)測站和GPS衛(wèi)星原子鐘應(yīng)與主控站原子鐘同步，或測量出其間鐘差將鐘差資訊編入導(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)定的軌道運行④啟動備用衛(wèi)星，以代替失效的工作衛(wèi)星(3)注入站主控站控制下將主控站推算和編制的衛(wèi)星星曆、鐘差、導(dǎo)航電文其他控制指令注入衛(wèi)星記憶體監(jiān)測注入資訊的正確性除主控站外，整個地面監(jiān)控系統(tǒng)無人值守§8.2.2用戶設(shè)備GPS接收機和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟體GPS接收機包括接收天線、主機、電源GPS接收機任務(wù)捕獲衛(wèi)星信號，跟蹤並鎖定衛(wèi)星信號處理接收到的信號測量測距信號從衛(wèi)星傳播到接收機天線的時間間隔譯出衛(wèi)星廣播的導(dǎo)航電文即時計算接收機天線三維座標、速度和時間用途——導(dǎo)航型、測地型和授時型載波頻率——單頻接收機(用1個載波頻率)雙頻接收機(用2個載波頻率)南方測繪NGS9600測地型單頻靜態(tài)GPS接收機

§8.3GPS定位的基本原理

分類：1）待定點位運動狀態(tài)——靜態(tài)定位、動態(tài)定位

2）測距原理——偽距定位、載波相位定位（絕對定位、相對定位）、即時差分定位（位置差分、偽距差分、載波相位差分）§8.3.1衛(wèi)星信號載波、測距碼(C/A碼P碼)、數(shù)據(jù)碼(導(dǎo)航電文或稱D碼)同一原子鐘頻率f0=10.23MHz下產(chǎn)生(1)載波信號頻率用無線電波段兩種不同頻率電磁波L1載波：f1=154×f0=1575.42MHz，λ1=19.03cmL2載波：f2=120×f0=1227.60MHz，λ2=24.42cm載波L1——調(diào)製有C/A碼、P碼、數(shù)據(jù)碼載波L2——調(diào)製有P碼、數(shù)據(jù)碼測距碼由0，1組成的二進位編碼一位二進位數(shù)——比特(bit)每秒鐘傳輸比特數(shù)稱為數(shù)碼率衛(wèi)星的兩種測距碼C/A碼和P碼屬於偽隨機碼具有良好自相關(guān)特性和週期性，容易複製測距碼——測距原理衛(wèi)星時鐘控制發(fā)射某結(jié)構(gòu)測距碼經(jīng)Δt時間傳播後到達GPS接收機接收機產(chǎn)生同結(jié)構(gòu)測距碼——複製碼複製碼延遲時間τ後與接收的衛(wèi)星測距碼比較調(diào)整延遲時間τ使兩個測距碼完全對齊複製碼延遲時間τ=ΔtC/A碼碼元寬度對應(yīng)距離——293.1m衛(wèi)星與接收機測距碼對齊精度1/100，測距精度2.9mP碼碼元寬度對應(yīng)距離——29.3m衛(wèi)星與接收機測距碼對齊精度1/100，測距精度0.29mP碼測距精度高於C/A碼10倍C/A碼——粗碼，P碼——精碼P碼受美國軍方控制，一般用戶只能用C/A碼測距(2)數(shù)據(jù)碼導(dǎo)航電文——D碼含衛(wèi)星星曆、衛(wèi)星工作狀態(tài)、時間系統(tǒng)、衛(wèi)星時鐘運行狀態(tài)、軌道攝動改正、大氣折射改正導(dǎo)航電文與前述的測距碼一樣——二進位碼依規(guī)定格式按幀發(fā)射每幀電文長度——1500bit，播送速率——50bit/s§8.3.2偽距定位1)單點定位GPS接收機安置於測點，鎖定4顆以上衛(wèi)星將收到的衛(wèi)星測距碼與接收機產(chǎn)生的複製碼對齊測量與鎖定衛(wèi)星測距碼到接收機傳播時間Δti求出衛(wèi)星至接收機的偽距從鎖定衛(wèi)星廣播星曆獲取衛(wèi)星空間座標距離交會原理解算天線點三維座標偽距觀測方程有4個未知數(shù)鎖定4顆衛(wèi)星時方程有唯一解沒考慮大氣電離層和對流層折射誤差、星曆誤差影響，單點定位精度不高C/A碼定位精度——25m，P碼定位精度——10m2)多點定位多臺GPS接收機(2~3臺)安置在不同測點同時鎖定相同衛(wèi)星進行偽距測量大氣電離層和對流層折射誤差、星曆誤差影響基本相同計算各測點間座標差(Δx,Δy,Δz)時可消除上述誤差影響測點之間的點位相對精度大大提高§8.3.3載波相位定位載波L1，L2頻率比測距碼(C/A碼和P碼)頻率高波長比測距碼短很多,λ1=19.03cm,λ2=24.42cm使用載波L1或L2作測距信號將衛(wèi)星傳播到接收機天線的余弦載波信號與接收機基準信號比相求出相位延遲計算偽距可獲得很高測距精度如測量L1載波相位移誤差為1/100偽距測量精度可達19.03cm/100=1.9mm(1)載波相位絕對定位相位測量只能測出不足一整週期相位移——Δφ存在整周數(shù)N0不確定問題，N0——整周模糊度t0時刻(曆元t0)，某衛(wèi)星發(fā)射載波信號到接收機相位移——2πN0+Δφ該衛(wèi)星→接收機距離——λ——載波波長考慮鐘差改正——c(vT－vt)大氣電離層折射改正——δρion對流層折射改正——δρtrop的載波相位觀測方程——雖然對鎖定衛(wèi)星進行連續(xù)跟蹤觀測可修正δρion和δρtrop但整周模糊度N0始終未知能否準確求出N0成為載波相位定位的關(guān)鍵問題(2)載波相位相對定位兩臺GPS接收機分別安置在兩測點兩測點連線——基線同步接收衛(wèi)星信號相同衛(wèi)星相位觀測值線性組合解算基線向量在WGS-84坐標系的增量(Δx,Δy,Δz)確定它們的相對位置一個測點座標已知，可推算出另一個測點座標按相位觀測的線性組合形式載波相位相對定位——單差法、雙差法、三差法只介紹前兩種1)單差法基線兩端點安置兩臺GPS接收機對同一顆衛(wèi)星同步觀測，觀測方程——設(shè)基線兩端點的電離層改正——δρion對流層改正——δρtrop相等得單差觀測方程——單差方程消除了衛(wèi)星鐘差改正數(shù)vT2)雙差法安置在基線端點上的兩臺GPS接收機同時對兩顆衛(wèi)星進行同步觀測觀測Sj衛(wèi)星的單差觀測方程——求差→雙差觀測方程——消除了基線端點兩臺接收機相對鐘差改正數(shù)vt1－vt2差分法可減少計算中的未知數(shù)數(shù)量消除或減弱測站共同誤差影響，提高定位精度將化算為基線端點座標增量(Δx12,Δy12,Δz12)的函數(shù)有3個座標增量未知數(shù)如兩臺GPS接收機同步觀測了n顆衛(wèi)星則有n－1個整周模糊度，未知數(shù)總數(shù)——3+n－1當每顆衛(wèi)星觀測了m個曆元時就有m(n－1)個雙差方程為求出3+n－1個未知數(shù)要求雙差方程數(shù)>未知數(shù)個數(shù)m(n－1)≥3+n－1一般取m=2，也即每顆衛(wèi)星觀測2個曆元為提高相對定位精度，同步觀測的時間應(yīng)比較長具體時間與基線長、所用接收機類型(單頻/雙頻)和解算方法有關(guān)在＜15km短基線上使用雙頻機觀測用快速處理軟體野外每個測點同步觀測時間只需——1