測量工程與裝備系:范百興2023年11月22日GPS系統定位的根本原理本次課程主要內容

GPS的組成

GPS的定位原理

GPS的定位誤差分析

GPS誤差的減弱措施

GPS接收機(GPSReceiver)

GPS平差處理軟件§6.1GPS衛星定位根底地面把握局部：中心把握系統實現時間同步跟蹤衛星進展定軌空間部分供給星歷和時間信息放射偽距和載表信號供給其它幫助信息用戶局部：接收并測衛星信號記錄處理數據供給導航定位信息1、GPS系統的組成

§6.1GPS衛星定位根底空間部分衛星數：21＋3。軌道：6個軌道，每個軌道面上分布4顆衛星。軌道面傾角55度，軌道平均高度20230km。衛星運行周期：11小時58分。可見衛星數：4—11顆。§6.1GPS衛星定位根底GPS衛星的根本功能：接收和存儲由地面監控站發來的導航信息，接收并執行監控站的把握指令；衛星上設有微處理機，進展局部必要的數處理工作；通過星載的高精度銫鐘和銣鐘供給周密的時間標準；向用戶發送定位信息；在地面監控站的指令下，通過推動器調整衛星的姿勢和啟用備用衛星空間部分§6.1GPS衛星定位根底

GPS的信號結構基準頻率

10.23MHzx154x120L1

1575.42MHzL2

1227.60MHzC/A碼

1.023MHzP(Y)碼

10.23MHzP(Y)-Code

10.23MHz/1050bit/s衛星信悉(狀態信悉和星歷)L1：1575.42MHz，波長19.03cm。調制有：C/A碼、P碼和D碼L2：1227.60MHz，波長24.42cm。調制有：P碼、D碼空間部分§6.1GPS衛星定位根底地面監控局部kwajalein55HawaiiAscencionDiegoGarciaColoradosprings一個主控站：科羅拉多?斯必靈司三個注入站：阿松森(Ascencion)

迭哥?伽西亞(DiegoGarcia)

卡瓦加蘭(kwajalein)五個監測站：1個主控站+3個注入站+夏威夷(Hawaii)§6.1GPS衛星定位根底用戶設備局部GPS接收機、天線、電源、數據處理軟件等§6.1GPS衛星定位根底2、GPS相對于經典測量技術的特點觀測站間無需通視。大大削減測量工作的經費和時間，也使點位的選擇變得更靈敏。定位精度高。在長距離上的相對精度。觀測時間短。短基線〔20Km〕快速相對定位法，觀測時間幾分鐘。供給三維坐標。供給觀測站的平面位置和大地高。操作簡潔。測量員在觀測時的任務只是安裝并開關儀器、量取儀器高、監視儀器的工作狀態等。全天候作業。不受地點、時間、氣候的影響。§6.1GPS衛星定位根底3、GPS載波相位測量原理則：接收機測量的相位差為：設衛星在其鐘面時t發射的載波相位為：接收機在其鐘面時T收到的載波相位為：設：GPS標準時間，衛星鐘差和接收機鐘差為Vt，VT：，則：（1）而：（2）由（1）、（2）得：（3）§6.1GPS衛星定位根底顧及電離層和對流層對信號的影響，則（3）式表示為：（4）將（4）兩邊乘以則：（5）(5)式即為載波相位觀測方程§6.1GPS衛星定位根底在接收機之間求一次差〔單差〕單差消退了衛星鐘差的影響，消弱了衛星星歷誤差的影響，減弱了電離層和對流層折射的影響。4、差分GPS§6.1GPS衛星定位根底在接收機和衛星間求二次差〔雙差〕在雙差觀測值中消去了接收機鐘差改正數，有利于測站坐標的求解。很多商業軟件承受了雙差模型。§6.1GPS衛星定位根底在歷元間求三次差〔三差〕幾種模型的比照：單差模型中觀測值是不相關的，雙差及三差模型觀測值是相關的。差分降低了數據利用率，在解算過程中需要組成簡潔的協方差陣。在實際定位工作中，人們更傾向于承受雙差模型，三差模型常用于周跳檢驗。三差模型中消去整周未知數§6.1GPS衛星定位根底5、GPS的誤差源誤差來源對距離測量的影響衛星軌道誤差1.5～15(m)鐘誤差信號傳播對流層1.5～15(m)電離層多路徑接收機觀測誤差1.5～5(m)相位中心變化通常把各種誤差的影響投影到站星距離上，以相應的距離誤差表示，稱為等效距離誤差。§6.1GPS衛星定位根底測碼偽距的等效距離誤差/m誤差來源P碼C/A碼衛星星歷與模型誤差鐘差與穩定度衛星攝動相位不確定性其它合計4.23.01.00.50.95.44.23.01.00.50.95.4信號傳播電離層折射對流層折射多路徑效應其它合計2.32.01.20.53.35.0-10.02.01.20.55.5-10.3接收機接收機噪聲其它合計1.00.51.17.50.57.5總計6.410.8-13.6§6.1GPS衛星定位根底系統誤差包括衛星的軌道誤差、衛星鐘差、接收機鐘差、以及大氣折射的誤差等。減弱措施：引入相應的未知參數，在數據處理中聯同其它未知參數一并求解。建立系統誤差模型，對觀測量加以修正。將不同觀測站，對一樣衛星的同步觀測值求差，以減弱和消退系統誤差的影響。簡潔地無視某些系統誤差的影響。偶然誤差包括多路徑效應誤差和觀測誤差等。§6.1GPS衛星定位根底消退或消弱系統誤差影響的主要方法和措施有：建立誤差改正模型誤差改正模型的建立通常有兩種方式：通過對誤差特性、機制以及產生的緣由進展分析爭論，推導建立起的理論公式；通過大量觀測數據的分析，擬合而建立起來的閱歷公式。求差法利用誤差在觀測值之間的物理相關性或定位結果之間的相關性，通過求差來消退或大幅度減弱其影響的方法。§6.1GPS衛星定位根底平差法引入相關的未知參數，在平差過程中聯同其它未知數一并解算。選擇較好的觀測條件和較好的軟件、硬件。簡潔地無視某些系統誤差的影響。消退或消弱系統誤差影響的主要方法和措施有：§6.1GPS衛星定位根底與GPS衛星有關的因素衛星鐘差：在相對定位中，可通過觀測量求差〔差分〕方法消退。衛星軌道偏差衛星信號放射天線相位中心偏差與傳播途徑有關的因素電離層延遲對流層延遲多路徑效應§6.1GPS衛星定位根底與接收機有關的因素接收機軟件和硬件造成的誤差〔觀測誤差〕接收機鐘差載波相位觀測的整周未知數接收機天線相位中心誤差§6.1GPS衛星定位根底GPS衛星到地面觀測站的最大距離約為25000km，假設基線測量的允許誤差為1cm，則當基線長度和允許軌道誤差如下表所示。基線長度基線相對誤差容許軌道誤差1.0km1010-6250.0m10.km110-625.0m100.0km0.110-62.5m1000.0km0.0110-60.25m軌道誤差在相對定位中，隨著基線長度的增加，衛星軌道誤差將成為影響定位精度的主要因素。§6.1GPS衛星定位根底處理軌道誤差的方法原則上有三種：無視軌道誤差：廣泛用于實時單點定位。承受軌道改進法處理觀測數據在用軌道改進法進展數據處理時，依據引入軌道偏差改正數的不同，分為短弧法和半短弧法。同步觀測值求差：同一衛星的位置誤差對不同觀測站同步觀測量的影響具有系統性，利用兩個或多個觀測站上對同一衛星的同步觀測值求差，可減弱軌道誤差影響。基線越短有效性越明顯，對周密相對定位具有重要意義。軌道誤差§6.1GPS衛星定位根底電離層折射影響利用雙頻觀測：電離層影響是信號頻率的函數，利用不同頻率電磁波信號進展觀測，可確定其影響大小，并對觀測量加以修正。其有效性不低于95%.利用電離層模型加以修正：對單頻接收機，一般承受由導航電文供給的或其它適宜電離層模型對觀測量進展改正。目前模型改正的有效性約為75%，至今仍在完善中。利用同步觀測值求差：當觀測站間的距離較近〔小于20km〕時，衛星信號到達不同觀測站的路徑相近，通過同步求差，殘差不超過10-6。衛星信號傳播誤差§6.1GPS衛星定位根底對流層的影響對流層折射對觀測量的影響可分為干重量和濕重量兩局部。干重量主要與大氣溫度和壓力有關，而濕重量主要與信號傳播路徑上的大氣濕度和高度有關。目前濕重量的影響尚無法準確確定。對流層影響的處理方法：定位精度要求不高時，無視不計。承受對流層模型加以改正。引入描述對流層的附加待估參數，在數據處理中求解。觀測量求差。§6.1GPS衛星定位根底多路徑效應接收機天線除直接收到衛星放射的信號外，還可能收到經天線四周地物一次或屢次反射的衛星信號。兩種信號迭加，將引起測量參考點位置變化，使觀測量產生誤差。對測碼偽距的影響達米級，對測相偽距影響達厘米級。減弱措施：安置接收機天線的環境應避開較強放射面，如水面、平坦光滑的地面和建筑外表。選擇造型適宜且屏蔽良好的天線如扼流圈天線。適當延長觀測時間，減弱周期性影響。改善接收機的電路設計。§6.1GPS衛星定位根底接收設備有關的誤差

觀測誤差：當天線高1.6m,置平誤差0.10，則對中誤差為2.8mm。接收機鐘差：日頻率穩定度約為10-11，假設接收機鐘與衛星鐘之間的同步差為1s，則等效距離誤差為300m。處理接收機鐘差的方法：作為未知數，在數據處理中求解。利用觀測值求差方法，減弱接收機鐘差影響。定位精度要求較高時，可承受外接頻標，如銣、銫原子鐘，提高接收機時間標準精度。§6.1GPS衛星定位根底載波相位觀測的整周未知數天線相位中心位置偏差天線相位中心與儀器的幾何中心應保持全都。實際上，隨著信號輸入的強度和方向不同而有所變化，同時與天線的質量有關，可達數毫米至數厘米。其它誤差來源包括地球自轉影響和相對論效應§6.1GPS衛星定位根底6、GPS測量的觀測模式按參考點的位置不同進行分類按用戶接收機在作業中的狀態分類按所使用的觀測量分類絕對定位相對定位靜態定位動態定位偽動態定位半動態定位測碼定位測相定位§6.1GPS衛星定位根底確定定位：確定測站在協議地球坐標系中坐標。可以認為這種定位方式的參考點為坐標原點。相對定位：在協議地球坐標系中，確定測站相對于參考點之間的相對坐標。§6.1GPS衛星定位根底靜態定位：用戶接收機在定位過程中保持靜止。由于接收機天線靜止不動，可以獵取多個歷元、多個測段觀測數據，以到達觀測衛星的空間幾何圖形有較大轉變的目的。用這種定位方式的實質是讓觀測矩陣不“病態”，能正確地解出觀測方程的末知參數。動態定位：用戶接收機在定位過程中處于運動狀態。§6.1GPS衛星定位根底偽動態定位〔PseudoKinematicPositioning〕也稱作間歇設站法，它的作業至少需要兩臺接收機，其中一臺固定于參考站上，另一臺在待測點上流淌。每個測站觀測兩次，兩次觀測間隔大于1個小時，每次觀測不少于5分鐘。在待定點流淌的過程中，不需要保持對衛星的跟蹤。這種定位方式實質上是靜態定位。兩次觀測間隔大于1個小時的目的就是為了獵取衛星空間幾何圖形的較大轉變。半動態定位〔Semi-KinematicPositioning〕也稱作走走停停測量〔StopandGo〕，在作業之前，應對整周模糊度進展初始化。作業時，一臺接收機置于參考點，另一臺在待測點流淌，且在測量過程中應保持對四顆以上衛星的連續跟蹤。假設在流淌過程中有衛星失鎖，需重新對整周模糊度進展初始化。§6.1GPS衛星定位根底測碼定位：利用GPS衛星的測距碼進展定位。測相定位：利用GPS衛星的載波進展定位。§6.1GPS衛星定位根底差分動態定位〔相對定位〕差分動態定位就是綜合利用參考站、流淌站接收機的觀測量及參考站的坐標，求解流淌站接收機天線的三維空間位置。差分定位又可分成實時〔real-time〕動態差分和后處理〔Post-Processing〕動態差分。兩者的主要區分是前者帶有數據傳輸設備，能在接收衛星數據的“同時”接收從參考站傳來的改正信息。依據傳輸的改正信息不同，差分定位可分成位置差分、距離差分和載波相位差分，其中載波相位動態差分的是動態定位中精度最高的。高精度動態定位都使用載波相位動態差分。§6.1GPS衛星定位根底7、GPS接收機及其分類GPS用戶設備主要包括GPS接收機及其天線、微處理機及其終端設備以及電源等。其中接收機和天線是核心局部，習慣上統稱為GPS接收機。主要功能是接收GPS衛星放射的信號，并進展處理，獵取導航電文和必要的觀測量。§6.1GPS衛星定位根底GPS接收機的構造天線前置放大器信號處理器微處理器導航計算機震蕩器用戶信息傳輸數據存儲器外部傳輸電源§6.1GPS衛星定位根底天線〔帶前置放大器〕信號處理器：用于信號識別與處理微處理器：用于接收機的把握、數據采集和導航計算用戶信息傳輸：包括操作板、顯示板等周密震蕩器：產生標準頻率電源GPS接收機的主要構造組成§6.1GPS衛星定位根底硬件局部：上述的各種設備。軟件局部：支持接收機硬件實現其功能，并完成各種導航和測量任務的程序。包括內軟件和外軟件。所謂內軟件是指諸如把握接收機信號通道，按時序對各衛星信號進展量測的軟件，以及固化在中心處理器中自動操作程序等。此類軟件已與接收機融為一體。外軟件是指處理觀測數據的軟件系統，一般以磁盤方式供給。無特殊說明，通常所指的軟件均指外軟件。GPS接收機按構成局部的性質和功能劃分§6.1GPS衛星定位根底按工作原理劃分：碼相關型接收機：能夠產生與所測衛星測距碼構造完全一樣的復制碼。利用的是C/A碼或P碼，條件是把握測距碼構造，也稱有碼接收機。平方型接收機：利用載波信號的平方技術去掉調制碼，獲得載波相位測量所必需的載波信號。該機只利用衛星信號，無需解碼，不必把握測距碼構造，稱無碼接收機。混合型接收機：綜合利用了碼相關技術和平方技術的優點，同時獲得碼相位和周密載波相位觀測量。目前廣泛使用。接收機類型§6.1GPS衛星定位根底多通道接收機：具有多個衛星信號通道，每個通道只連續跟蹤一個衛星信號。也稱連續跟蹤型接收機。序貫穿道接收機：只有1-2個信號通道，為了跟蹤多個衛星，在相應軟件把握下按時序依次對各衛星信號進展跟蹤量測。依次量測一個循環所需時間較長〔大于20ms〕，對衛星信號的跟蹤是不連續的。多路復用通道接收機：與序貫穿道接收機相像，也只有1-2個信號通道，在相應軟件把握下按時序依次對各衛星信號進展跟蹤量測。依次量測一個循環所需時間較短〔小于20ms〕，可保持對衛星信號的連續跟蹤。依據接收機信號通道類型劃分§6.1GPS衛星定位根底依據所接收的衛星信號頻率劃分：單頻接收機〔L1〕：只接收調制的L1信號，雖然可利用導航電文供給的參數，對觀測量進展電離層影響修正，但由于修正模型尚不完善，精度較差，主要用于小于20km的短基線周密定位。雙頻接收機〔L1+L2〕：同時承受L1、L2兩種信號，利用雙頻技術，可消退或減弱電離層折射對觀測量的影響，定位精度較高。§6.1GPS衛星定位根底導航型：用于確定船舶、車輛、飛機等運載體的實時位置和速度，保障按預定路線航行或選擇最正確路線。一般承受測碼偽距為觀測量的單點實時定位或差分GPS〔RTDGPS〕定位，精度低，構造簡潔，價格廉價，應用廣泛。測量型接收機：承受載波相位觀測量進展相對定位，精度高。觀測數據可測后處理或實時處理〔RTK〕，需配備功能完善的數據處理軟件。與導航型相比，構造簡潔，價格昂貴。授時型接收機：主要用于天文臺或地面監控站，進展時頻同步測定。按接收機用途劃分：§6.1GPS衛星定位根底GPS衛星放射的信號經由天線進入接收機的路徑。當接收機的全向天線接收到全部來自天線水平面以上的衛星信號之后，必需首先將這些信號隔離開來，以便進展處理和量測——通過接收機內假設干分別信號的通道來實現。通道是由硬件和相應的軟件組成。每個通道在某一時刻只能跟蹤一顆衛星的一種頻率信號。GPS接收機通道的概念§6.1GPS衛星定位根底當接收機需同時跟蹤多個衛星信號時的兩種跟蹤方式：一是接收機具有多個分別的硬件通道，每個通道都可連續的跟蹤一個衛星信號；二是一個信號通道在相應軟件的作用下，跟蹤多個衛星信號。依據跟蹤衛星信號的方式不同，通道的類型分為：?序貫穿道〔sequencingchannel〕?多路復用通道〔multiplexingchannel〕?多通道〔multi-channel〕§6.1GPS衛星定位根底天線與前置放大器應密封為一體，保障在惡劣氣象環境下正常工作。天線應呈全圓極化：要求天線的作用范圍為整個上半球，天頂處不產生死角，保障能接收來自天空任何方向的衛星信號。天線必需實行適當的防護與屏蔽措施：例如加一塊基板，盡可能地減弱信號的多路徑效應，防止信號干擾。天線的相位中心與其幾何中心的偏差應盡量小，且保持穩定。天線的根本要求§6.1GPS衛星定位根底§6.1GPS衛星定位根底〔1〕單極或偶極天線：屬于單頻天線，構造簡潔，體積小，通常安裝在一塊基板上，減弱多路徑影響。〔2〕四線螺旋形或螺旋形構造天線：屬于單頻天線，構造較單極天線簡潔，生產中難以調整，但增益性好，一般不需底板。〔3〕微波傳輸帶型天線：簡稱微帶天線。構造最為簡潔和牢固，即可用于單頻，也可用于雙頻，天線高度低，是安裝在飛機上的抱負天線。缺點是增益性低，但可承受低噪聲前置放大器加以彌補。§6.1GPS衛星定位根底〔4〕錐形天線：也稱盤旋螺線型天線。可同時在兩個頻道上工作，優點是增益性好，但天線較高，螺旋線在水平方向上不完全對稱，天線的相位中心和幾何中心不完全重合。〔5〕帶扼流圈的振子天線：簡稱扼流圈天線。1987年由美國航空航天局〔NASA〕研制。主要特點是可有效地抑制多路徑誤差的影響。缺點是體積大，重量重。§6.1GPS衛星定位根底幾種測量型雙頻GPS接收機的主要參數Wild200STrimble4000SEAshtechDimensionNovAtelRPK-3151產地瑞士美國美國加拿大首產年代1994199219911995通道數691212體積cm31000478418811085重量kg1.62.51.61.0天線類型微帶微帶微帶扼流圈，微帶功耗W1054.15工作溫度0C-20-50-20-55-20-60-40-65標稱精度5-10mm+2ppmD10mm+2ppmD10mm+2ppmD5mm+2ppmD§6.1GPS衛星定位根底GPS軟件系統的質量，對改善定位精度，提高作業效率和開拓GPS應用新領域都具有重要意義，主要由如下重要模塊組成；觀測預備編制軟件該軟件可產生天空衛星分布圖，顯示衛星高度和方位角，給出表征衛星幾何配置的精度因子PDOP，以便選擇最好的衛星配置和最正確的觀測時段。8、GPS測量系統的軟件功能及其進展§6.1GPS衛星定位根底觀測數據預處理軟件對原始觀測數據進展編輯、加工和整理，分流出各種專用信息文件，為平差做預備。數據傳輸：將GPS接收機記錄的觀測數據傳輸到磁盤或其它介質上，以便進展處理和保存。數據分流：依據原始記錄，通過解碼將各項數據分類整理，剔除無效觀測值和冗余信息，形成各種數據文件，如星歷文件、觀測文件和測站信息文件等，以供進一步處理。觀測數據的平滑、濾波：剔除粗差并進一步刪除無效觀測值。§6.1GPS衛星定位根底統一數據文件格式：將不同類型接收機的數據記錄格式、工程和采樣間隔，生成標準的文件格式〔通過RINEX〕，以便統一處理。衛星軌道的標準化：統一不同來源衛星軌道信息的表達方式、平滑GPS衛星每小時發送的軌道參數，使觀測時段的衛星軌道標準化。自動探測周跳，修復載波相位觀測值。對觀測值進展必要的改正。基線向量的定義。§6.1GPS衛星定位根底處理多臺儀器的同步觀測數據，給出載波相位觀測值差分的固定解和浮動解。同步邊觀測數據的質量檢核，包括觀測數據的剔除率、觀測值的殘差分析和不同時段重復觀測邊的精度檢核等。應用播送星歷或周密后處理星歷處理觀測數據。周密相對定位數據處