1、第8章 GPS測量的原理與方法 8.1 GPS概述73年12月，美國國防部組織開始研制新一代軍用衛星導航系統GPS89年2月14日發射第一顆GPS衛星94年3月28日發射完第24顆衛星目前在軌衛星數32顆均勻分布在6個與赤道傾角為55近似圓形軌道上每個軌道4顆衛星運行，距地表平均高度20200km速度為3800m/s，運行周期為11h58min每顆衛星覆蓋全球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顆以上衛星。 GPS定位空間測距交會P點安置GPS接收機，接收衛星發射的測距碼信號在接收機時鐘控制下解出測距碼從衛星接收機的時間t乘光速c、加衛星時鐘與接收機時鐘不同步改

2、正算出衛星接收機的空間距離vt衛星鐘差，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星接收機直接解算傳播時間t并算出衛星接收機的距離)(tTvvctc要求衛星和接收機時鐘嚴格同步衛星在嚴格同步時鐘控制下發射測距信號實際上，衛星鐘與接收機鐘不可能嚴格同步產生鐘誤差兩個時鐘不同步對測距結果的影響c(vTvt)衛星廣播含衛星鐘差vT已知接收機鐘差vT未知觀測方程解算衛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星接收機的幾何距離偽距)(tTvvctcXllVl Xl lllXllVlXllllllllVVVllVlllXlXXllVlXllllVllXllVl

3、XllllllllVVVllVlllXlX距離 = 傳播時間 x 光速我我 們們 必必 定定 在在 以以 R1 為為 半半 徑徑 的的 球球 面面 的的 某某 個個 點點 上上R12 個個 球球 面面 相相 交交 成成 一一 個個 圓圓 弧弧點點 位位 被被 限限 制制 在在 一一 曲曲 線線 上上R1R23 個球面相交成一個點個球面相交成一個點3 個距離段可以確定緯度，經度，和高程個距離段可以確定緯度，經度，和高程點點 的的 空空 間間 位位 置置 被被 確確 定定R1R2R3測距時刻ti的衛星坐標(xi，yi，zi)用接收衛星Si廣播星歷解算出。則Si衛星P點的空間距離偽距觀測方程有xP，

4、yP，zP，vT四個未知數為了解算這四個未知數，應同時鎖定4顆衛星觀測222)()()(iPiPiPiPzzyyxxR222)()()()(iPiPiPiPTitiPiPzzyyxxRvvctc觀測A，B，C，D四顆衛星的偽距方程解方程算出P點坐標(xP，yP，zP) 222222222222)()()()()()()()()()()()()()()()(DPDPDPTDtDPDPCPCPCPTCtCPCPBPBPBPTBtBPBPAPAPAPTAtAPAPzzyyxxvvctczzyyxxvvctczzyyxxvvctczzyyxxvvctc8.2 GPS的組成工作衛星、地面監控系統、用戶設

5、備8.2.1 地面監控系統衛星廣播星歷包含描述衛星運動及其軌道的參數每顆衛星廣播星歷由地面監控系統提供地面監控系統1個主控站、3個注入站、5個監測站(1) 監測站主控站控制下的數據自動采集中心有雙頻GPS接收機、高精度原子鐘、氣象參數測試儀計算機等設備完成對GPS衛星信號連續觀測，搜集當地氣象數據觀測數據經計算機處理后傳送到主控站(2) 主控站協調和管理所有地面監控系統工作 根據觀測數據，推算編制各衛星星歷、衛星鐘差大氣層修正參數，數據傳送到注入站 提供時間基準。各監測站和GPS衛星原子鐘應與主控站原子鐘同步，或測量出其間鐘差將鐘差信息編入導航電文，送到注入站 調整偏離軌道的衛星，使之沿預定的

6、軌道運行 啟動備用衛星，以代替失效的工作衛星(3) 注入站主控站控制下將主控站推算和編制的衛星星歷、鐘差、導航電文其它控制指令注入衛星存儲器監測注入信息的正確性除主控站外，整個地面監控系統無人值守8.2.2 用戶設備GPS接收機和相應的數據處理軟件GPS接收機包括接收天線、主機、電源GPS接收機任務捕獲衛星信號，跟蹤并鎖定衛星信號處理接收到的信號測量測距信號從衛星傳播到接收機天線的時間間隔譯出衛星廣播的導航電文實時計算接收機天線三維坐標、速度和時間用途導航型、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GPS接收機 8.3

7、GPS定位的基本原理 分類：1）待定點位運動狀態靜態定位、動態定位 2）測距原理偽距定位、載波相位定位（絕對定位、相對定位）、實時差分定位（位置差分、偽距差分、載波相位差分） 8.3.1 衛星信號 載波、測距碼(C/A碼P碼)、數據碼(導航電文或稱D碼) 同一原子鐘頻率f0=10.23MHz下產生(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=154f0=1575.42MHz，1=19.03cmL2載波：f2=120f0=1227.60MHz，2=24.42cm載波L1調制有C/A碼、P碼、數據碼載波L2調制有P碼、數據碼測距碼由0，1組成的二進制編碼一位二進制數比特(bit

8、)每秒鐘傳輸比特數稱為數碼率衛星的兩種測距碼C/A碼和P碼屬于偽隨機碼具有良好自相關特性和周期性，容易復制測距碼測距原理衛星時鐘控制發射某結構測距碼經t時間傳播后到達GPS接收機接收機產生同結構測距碼復制碼復制碼延遲時間后與接收的衛星測距碼比較調整延遲時間使兩個測距碼完全對齊復制碼延遲時間=tC/A碼碼元寬度對應距離293.1m衛星與接收機測距碼對齊精度1/100，測距精度2.9mP碼碼元寬度對應距離29.3m衛星與接收機測距碼對齊精度1/100，測距精度0.29mP碼測距精度高于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) 數據碼導航電文D碼含衛星

9、星歷、衛星工作狀態、時間系統、衛星時鐘運行狀態、軌道攝動改正、大氣折射改正導航電文與前述的測距碼一樣二進制碼依規定格式按幀發射每幀電文長度1500bit，播送速率50bit/s 8.3.2 偽距定位1) 單點定位GPS接收機安置于測點，鎖定4顆以上衛星將收到的衛星測距碼與接收機產生的復制碼對齊測量與鎖定衛星測距碼到接收機傳播時間ti求出衛星至接收機的偽距從鎖定衛星廣播星歷獲取衛星空間坐標距離交會原理解算天線點三維坐標偽距觀測方程有4個未知數鎖定4顆衛星時方程有唯一解沒考慮大氣電離層和對流層折射誤差、星歷誤差影響，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

10、接收機(23臺)安置在不同測點同時鎖定相同衛星進行偽距測量大氣電離層和對流層折射誤差、星歷誤差影響基本相同計算各測點間坐標差(x,y,z)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,1=19.03 cm,2=24.42cm使用載波L1或L2作測距信號將衛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) 載波相位絕對定位載波相位絕對定位相位測量只能測出不足一整周期相

11、位移存在整周數N0不確定問題，N0整周模糊度t0時刻(歷元t0)，某衛星發射載波信號到接收機相位移2N0+該衛星接收機距離載波波長22200NN考慮鐘差改正c(vTvt)大氣電離層折射改正ion對流層折射改正trop的載波相位觀測方程雖然對鎖定衛星進行連續跟蹤觀測可修正ion和trop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鍵問題 RvvcNtropiontT)(20(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星信號相同衛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(x,y,z)確定它們的相對位置一個測點坐標已知，可推算出另

12、一個測點坐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) 單差法單差法基線兩端點安置兩臺GPS接收機對同一顆衛星同步觀測，觀測方程設基線兩端點的電離層改正ion對流層改正trop相等得單差觀測方程單差方程消除了衛星鐘差改正數vTitropiontiTiiitropiontiTiiRvvcNRvvcN2222020211110101)(2)(2ittiiRvvcN12211212)(22) 雙差法雙差法安置在基線端點上的兩臺GPS接收機同時對兩顆衛星進行同步觀測觀測Sj衛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vt1vt2差分法可減

13、少計算中的未知數數量消除或減弱測站共同誤差影響，提高定位精度jttjjRvvcN12211212)(2ijijijRN1212122將 化算為基線端點坐標增量(x12,y12,z12)的函數有3個坐標增量未知數如兩臺GPS接收機同步觀測了n顆衛星則有n1個整周模糊度，未知數總數3+n1當每顆衛星觀測了m個歷元時就有m(n1)個雙差方程為求出3+n1個未知數要求雙差方程數未知數個數ijR12ijijijRN1212122m(n1)3+n1一般取m=2，也即每顆衛星觀測2個歷元為提高相對定位精度，同步觀測的時間應比較長具體時間與基線長、所用接收機類型(單頻/雙頻)和解算方法有關在15km短基線上使用雙頻機觀測用快速處理軟件野外每個測