GPS卫星定位的基本原理

GPS 卫星定位基本原理GPS 定位方法 GPS 定位的方法是多种多样的，用户可以根据不同的用途采用不同的定位方法。 GPS 定位方法可依据不同的分类标准，作如下划分: 1、根据定位所采用的观测值(1)伪距定位;(2)载波相位定位 2、根据定位时接收机的运动状态(1)静态定位(2)动态定位 3.根据定位的模式(1)绝对定位(2)相对定位(3)差分定位 4.根据获取定位结果的时间(1)实时定位(2)事后定位 伪距测量定义:伪距法定位是由 GPS 接收机在某一时刻测出得到四颗以上 GPS卫星的伪距以及己知的卫星位置，采用距离交会的方法求定接收机天线所在点的三维坐标。 伪距:由卫星发射的测距码信号到达 GPS 接收机的传播时间乘以光速所得出的量测距离。 载波相位测量 为什么采用载波相位测量 载波相位测量是利用 GPS 卫星发射的载波为测距信号。 由于载波的波长(L1,19cm，L2,24cm) 比测距码波长(C/A=293m,p=29.3m)要短得多，因此对载波进行相位测量，就可能得到较高的测量定位精度。 重建载波方法(1)码相关法(2)平方法 整周未知数 N0 的确定 整周未知数 N0 的确定是载波相位测量中特有的问题，也是进一步提高 GPS定位精度、提高作业速度的关键所在。 确定整周未知数的方法主要有四种:伪距法、N0 作为未知数参与平差法、三差法和快速确定整周未知数法。 载波相位观测应注意: (1)整周数的变化部分由计数器记录，此间信号不能间断，如果此间到达接收机的信号被遮挡，造成失锁，遮挡期间整周记数暂停，遮挡移去后继续记数，这就丢掉了遮挡期间的若干整周数。这种情况叫整周跳。引起周跳的另一原因是强电磁干扰。 (2)因各项误差影响，整周未知数往往不为整数。 整周跳变的修复 在何种情况下修复周跳有意义, 如果因为电源的故障或振荡器本身的故障使信号暂时中断，那么中断前后信号本身失去了连续性。恢复正常工作后的观测值中不但整周计数不正确，不足整周的部分也不对。这时，修复周跳没有意义。 如果是其他原因，如卫星信号被某些障碍物挡住，外界干扰使信号暂时失锁等，使信号整周计数暂时中断，而不足一周的相位差部分仍是正确的。这时，修复周跳才有意义。 整周跳变的探测与修复常用的方法(1)屏幕扫描法(2)用高次差或多项式拟合法(3)在卫星间求差法(4)用双频观测值修复周跳 用双频观测值修复周跳 优点:组合后的 值中，只涉及频率，取决于电离层残差影响，无须预先知道测站和卫星的坐标。 缺点:不能顾及多路径效应和测量噪声的影响，另外如果两个载波相位观测值中都出现周跳，则不能采用这种方法，而只能采用其他方法探测和修复周跳。 GPS绝对定位与相对定位 1、绝对定位也称单点定位，是指在协议地球坐标系中，直接确定观测站相对于坐标原点(地球质心)绝对坐标的一种方法。 绝对定位的分类 绝对定位可根据天线所处的状态分为动态绝对定位和静态绝对定位。无论动态还是静态，所依据的观测量都是所测的站星伪距。 根据观测量的性质，伪距有测码伪距和测相伪距，绝对定位相应分为测码伪距绝对定位和测相伪距绝对定位。 绝对定位的精度 因为受到卫星轨道误差、钟差以及信号传播误差等因素的影响，静态绝对定位的精度约为米级，而动态绝对定位的精度为 10-40m。这一精度只能用于一般导航定位中，远不能满足大地测量精密定位的要求。 2、相对定位 GPS 相对定位，是至少用两台 GPS 接收机，同步观测相同的 GPS 卫星，确定两台接收机天线之间的相对位置(坐标差)。它是目前 GPS 定位中精度最高的一种定位方法。广泛应用于大地测量、精密工程测量、地球动力学的研究和精密导航。 静态绝对定位原理 静态绝对定位时观测站是固定的，可以于不同历元同步观测不同卫星，取得充分多的伪距观测量，通过最小二乘法平差，提高定位精度。 最小二乘法:最小二乘法是一种数学优化技术，它通过最小化误差的平方和找到一组数据的最佳函数匹配。 测码伪距静态绝对定位 如果观测的时间较长，接收机钟差的变化往往不能忽略。根据不同情况，或者将钟差表示为多项式形式，把多项式系数作为未知数在平差计算中求解;或简单地对不同观测历元引入相异的独立钟差参数，在平差计算中一并解算。 动态绝对定位 在用户接受机安置在运动的载体上并处于动态情况下，确定载体瞬时绝对位置的定位方法。 应用载波相位观测值进行静态绝对定位 载波相位观测值精度高，有可能获得精度较高的定位结果。但定位精度仍受卫星轨道误差和大气折射误差等影响，只有当卫星轨道精度较高，并以必要的精度对观测量加入电离层和对流层等项修正，才能发挥测相法绝对定位潜能; 同时如何防止和修复整周变跳，对保障定位精度十分重要。 另外，整周未知数 N0,理论上是整数，但由于观测误差和各修正量误差的影响，平差求解后不再是整数。 如果把非整数的整周未知数调整为相近的整数，作为固定值代入重新求解其它未知参数，所得的解称为固定解，而相应整周未知数为非整数的解成为浮动解。 精度因子(GDOP)的数值与所测卫星的几何分布图形有关。假设由观测站与四颗观测卫星所构成的六面体体积为 V，则分析表明，精度因子 GDOP 与该六面体体积 V 的倒数成正比。 六面体的体积越大，所测卫星在空间的分布范围也越大，GDOP 值越小;反之，卫星分布范围越小，GDOP 值越大。 实际工作中选择和评价观测卫星分布图形:一颗卫星处于天顶，其余 3 颗卫星相距 120 度时，所构成的六面体体积接近最大。 相对定位 相对定位是用两台接收机分别安置在基线的两端，同步观测相同的 GPS 卫星，以确定基线端点的相对位置或基线向量。 相对定位有静态相对定位和动态相对定位之分。 一次差:将观测值直接相减的过程叫做求一次差。所获得的结果被当作虚拟观测值，叫做载波相位观测值的一次差或单差。常用的求一次差是在接收机间求一次差。 二次差:对载波相位观测值的一次差分观测值继续求差，所得的结果仍可以被当作虚拟观测值，叫做载波相位观测值的二次差或双差。 三次差:对二次差继续求差称为求三次差。所得结果叫做载波相位观测值的三次差或三差。常用的求三次差是在接收机、卫星和历元之间求三次差。 单差观测值中可以消除与卫星有关的载波相位及其钟差项， 双差观测值中可以消除与接收机有关的载波相位及其钟差项， 三差观测值中可以消除与卫星和接收机有关的初始整周模糊度项 N。 SA 技术:SA 技术称为有选择可用性技术，即人为地将误差引入卫星钟和卫星数据中，故意降低 GPS 定位精度。使 C/A 码定位的精度从原来的 20m 降低到 100m。 SA 技术的主要内容:(1)在广播星历中，对 GPS 卫星的基准频率采用 技术，使星历精度降低，其变化为无规律的随机变化。(2)在卫星钟的钟频信号中加高频抖动(即 技术)。 AS 技术:AS 技术称为反电子欺骗技术。 其方法是:将 P 码与保密的 W 码相加成 Y 码，Y 码严格保密。 其目的是:防止敌方使用 P 码进行精密导航定位。 当实施 AS 技术时，非特许用户不能接收到 P 码。这项技术，仅在特殊情况下使用。 SA 和 AS 技术对定位的影响(1)降低单点定位的精度。(2)降低长距离相对定位的精度。(3)AS 技术会对高精度相对定位数据处理，整周未知数的确定带来不便。 GPS 现代化计划包括:GPS 信号现代化。开发第三代 GPS 卫星。地面控制部分现代化 差分 GPS 定位原理 差分 GPS 产生的诱因:绝对定位精度不能满足要求 GPS 绝对定位的精度受多种误差因素的影响，不能完全满足某些特殊应用的要求 美国的 GPS 政策对 GPS 绝对定位精度的影响(选择可用性 SA) 差分 GPS(DGPS Differential GPS) 利用设置在坐标已知的点(基准站)上的 GPS 接收机测定 GPS 测量定位误差，用以提高在一定范围内其它 GPS 接收机(流动站)测量定位精度的方法。 影响GPS 定位的主要误差 多台接受机公有的误差:卫星钟误差;星历误差(采用差分技术，可以完全消除这部分误差。) 传播延迟的误差:电离层误差;对流层误差(采用差分技术，可以部分消除这部分误差。(视基准站至用户的距离) 接收机固有的误差:内部噪声;通道延迟;多路径效应 差分 GPS 的分类 根据时效性:实时差分;事后差分 根据观测值类型:伪距差分;载波相位差分 根据差分改正数:位置差分(坐标差分);距离差分 根据工作原理和差分模型:局域差分;单基准站差分;多基准站差分;广域差分 位置差分和距离差分的特点 位置差分:差分改正计算的数学模型简单;差分数据的数据量少;基准站与流动站要求观测完全相同的一组卫星 距离差分:差分改正计算的数学模型较复杂;差分数据的数据量较多;基准站与流动站不要求观测完全相同的一组卫星 单站 GPS 的差分 根据差分 GPS 基准站发送的信息方式可将差分 GPS 定位分为三类，即:位置差分;伪距差分;相位差分 这 3 类差分方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。所不同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。 这是一种最简单的差分方法，任何一种 GPS 接收机均可改装和组成这种差分系统。 安装在基准站上的 GPS 接收机观测 4 颗卫星后便可进行三维定位，解算出基准站的坐标。由于存在着轨道误差、时钟误差、SA 影响、大气影响、多径效应以及其他误差，解算出的坐标与基准站的已知坐标是不一样的，存在误差。基准站利用数据链将此改正数发送出去，由用户站接收，并且对其解算的用户站坐标进行改正。 与位置差分相似，伪距差分能将两站公共误差抵消，但随着用户到基准站距离的增加又出现了系统误差，这种误差用任何差分法都是不能消除的。 用户和基准站之间的距离对精度有决定性影响。 载波相位差分原理 载波相位差分技术又称为 RTK 技术(real time kinematic)，是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。 它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。 实现载波相位差分 GPS 的方法分为两类:修正法和差分法。 单站差分 GPS 系统结构和算法简单，技术上较为成熟。主要用于小范围的差分定位工作。 对于较大范围的区域，则应用局部区域差分技术。 对于一国或几个国家范围的广大区域，应用广域差分技术。 局部区域 GPS 差分系统 结构:基准站(多个)、数据通讯链和用户 数学模型(差分改正数的计算方法):加权平均;偏导数法;最小方差法 特点:优点:差分精度高、可靠性高，差分范围增大;缺点:差分范围仍然有限，模型不完善 广域差分 GPS 系统的基本思想 对 GPS 观测量的误差源加以区分，并单独对每一种误差源分别加以“模型化”，然后将计算出的每一误差源的数值，通过数据链传输给用户，以对用户 GPS 定位的误差加以改正，达到削弱这些误差源，改善用户 GPS 定位精度的目的。 结构:基准站(多个)、数据通讯链和用户 数学模型(差分改正数的计算方法):与普通差分不相同;普通差分是考虑的是误差的综合影响;广域差分对各项误差加以分离，建立各自的改正模型;用户根据自身的位置，对观测值进行改正 优缺点:优点:差分精度高、差分精度与距离无关、差分范围大;缺点:系统结构复杂、建设费用高 同局域差分 GPS 相比，广域差分 GPS 有如下特点: (1)中心站、监测站与用户站的站间距离从 100km 增加到 2000km，定位精度不会出现明显的下降，这就是说，广域差分 GPS 中用户的定位精度对空间距离的敏感程度比局域差分 GPS 低得多。 (2)在大区域内建立局域差分 GPS 网，需要的监测站数量很少，投资自然减小，比广域差分 GPS 具有更大的经济效益。 (3)广域差分 GPS 系统是一