（精密仪器及机械专业论文）单天线GPS姿态确定系统的研究.pdf

壹壅堕宝堕垄叁堂堡：! 堂生堡塞一一 第一章绪论 全球定位系统( 简称g p s g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 是美国国防部主要为 满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的要求而建立的。 g p s 作为新一代卫星导航与定位系统，不仅具有全球性、全天候、连续的精密三 维导航与定位能力，而且具有良好的抗干扰性和保密性。自1 9 9 4 年7 月美国全球 定位系统全部建成并投入使用以来，短短的几年内，这一技术发展极为迅速，g p s 的应用已经进入了科学技术和经济建设的很多领域，在人地测量、精密工程测量、 地质监测、交通监测和空间气象方面都得到了广泛应用，获得了巨大的经济效益 和良好的社会效益。 具有类似功能的定位系统还有俄罗斯的g l o n a s s 系统，我国也开始建立具 有定定位功能的北斗星计划。目前，国内市场上g p s 产品很多，但是其核心技 术是属于国外的，因此深入研究和丌发g p s 系统具有重要的意义。 1 1 研究背景 利用g p s 的码相位、载波相位信号或二者的综合束进行单点坐标确定、大地 测量和相对定位等已进入了实用阶段。其中利用码相位来得到伪距的方法应用最 早，但定位精度差，目前定位误差在1 0 米左右( c a 码) ，丽p 码( y 码) 是不 公开的保密码，非经美国政府批准的广大用户难以利用。最近几年受到广泛重视并 已在深入发展的主要是利用g p s 载波相位信号作为观测值来进行定位的研究，其 定位槽度可达毫米级，但需确定载波相位的整周模糊度，相应的数学模型比较复 杂，计算量大。近年来，利用g p s 的载波信号来确定载体的姿态是一种新的应用。 在飞机和舰船上，航向和姿态是导航肿重要参数。通常情况下，高精度的实 时姿态测量都是采用陀螺和加速度计组成的惯性系统。虽然惯性系统具有自主性 好、动态性好的特点，但是惯性系统结构复杂、价格昂贵、而且陀螺的误差会随 着时间积累。随着g p s 技术的不断发展，用g p s 独立柬进行定位、测姿或与其它 导航系统组合定位、测姿已经是一种必然趋势。 自九十年代以来，几种以多天线为基础的g p s 载体姿念确定系统相继被提出 并得到广泛应用。但是多天线g p s 测姿系统存在着一些彳i 足之处：各个g p s 接收 天线延迟、噪声相互独立；运算量大，实时性难以保证；天线安装时要求中心严 格在个水平面上，安装技术难度大。因此，国内外都在研究其他测姿方法，以 克服这些缺点。 壹壅堕宝堕垄叁堂堡：! 堂生堡塞一一 第一章绪论 全球定位系统( 简称g p s g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 是美国国防部主要为 满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的要求而建立的。 g p s 作为新一代卫星导航与定位系统，不仅具有全球性、全天候、连续的精密三 维导航与定位能力，而且具有良好的抗干扰性和保密性。自1 9 9 4 年7 月美国全球 定位系统全部建成并投入使用以来，短短的几年内，这一技术发展极为迅速，g p s 的应用已经进入了科学技术和经济建设的很多领域，在人地测量、精密工程测量、 地质监测、交通监测和空间气象方面都得到了广泛应用，获得了巨大的经济效益 和良好的社会效益。 具有类似功能的定位系统还有俄罗斯的g l o n a s s 系统，我国也开始建立具 有定定位功能的北斗星计划。目前，国内市场上g p s 产品很多，但是其核心技 术是属于国外的，因此深入研究和丌发g p s 系统具有重要的意义。 1 1 研究背景 利用g p s 的码相位、载波相位信号或二者的综合束进行单点坐标确定、大地 测量和相对定位等已进入了实用阶段。其中利用码相位来得到伪距的方法应用最 早，但定位精度差，目前定位误差在1 0 米左右( c a 码) ，丽p 码( y 码) 是不 公开的保密码，非经美国政府批准的广大用户难以利用。最近几年受到广泛重视并 已在深入发展的主要是利用g p s 载波相位信号作为观测值来进行定位的研究，其 定位槽度可达毫米级，但需确定载波相位的整周模糊度，相应的数学模型比较复 杂，计算量大。近年来，利用g p s 的载波信号来确定载体的姿态是一种新的应用。 在飞机和舰船上，航向和姿态是导航肿重要参数。通常情况下，高精度的实 时姿态测量都是采用陀螺和加速度计组成的惯性系统。虽然惯性系统具有自主性 好、动态性好的特点，但是惯性系统结构复杂、价格昂贵、而且陀螺的误差会随 着时间积累。随着g p s 技术的不断发展，用g p s 独立柬进行定位、测姿或与其它 导航系统组合定位、测姿已经是一种必然趋势。 自九十年代以来，几种以多天线为基础的g p s 载体姿念确定系统相继被提出 并得到广泛应用。但是多天线g p s 测姿系统存在着一些彳i 足之处：各个g p s 接收 天线延迟、噪声相互独立；运算量大，实时性难以保证；天线安装时要求中心严 格在个水平面上，安装技术难度大。因此，国内外都在研究其他测姿方法，以 克服这些缺点。 璺盔垡鱼堕壅查塑塞墨竺堕竺塑一 本文提出了一种新颖的利用单天线g p s 确定载体姿态的方法。该系统采用单 天线g p s 接收机作为接收及输入没备，通过串口与p c 机相连，在计算机中对导 航信息进行解算得到载体的实时姿态。该系统具有硬件结构简单、成本低廉、安 装方便等优点，是一种经济、实用的载体测姿方案a 1 2 研究内容 分析单天线g p s 测姿系统的可行性，设计测姿系统整体方案。 分析g p s 导航电文内容，设计g p s 信号接收模型。 设计卡尔曼滤波器对加速度进行最优估计，在保证数据精度的同时满足实时性 的要求。 推导伪姿态解算的数学模型。 对卡尔曼滤波及伪姿态解算模块进行计算机仿真，验证模块的有效性及精度， 并分析伪姿态与传统姿态的差异。 用c 语言编写系统解决方案。 璺盔垡鱼堕壅查塑塞墨竺堕竺塑一 本文提出了一种新颖的利用单天线g p s 确定载体姿态的方法。该系统采用单 天线g p s 接收机作为接收及输入没备，通过串口与p c 机相连，在计算机中对导 航信息进行解算得到载体的实时姿态。该系统具有硬件结构简单、成本低廉、安 装方便等优点，是一种经济、实用的载体测姿方案a 1 2 研究内容 分析单天线g p s 测姿系统的可行性，设计测姿系统整体方案。 分析g p s 导航电文内容，设计g p s 信号接收模型。 设计卡尔曼滤波器对加速度进行最优估计，在保证数据精度的同时满足实时性 的要求。 推导伪姿态解算的数学模型。 对卡尔曼滤波及伪姿态解算模块进行计算机仿真，验证模块的有效性及精度， 并分析伪姿态与传统姿态的差异。 用c 语言编写系统解决方案。 壹塞堕窒塾盔厶堂堡：生堂堡丝兰一 第二章g p s 原理及其应用 2 1 卫星导航的发展历程 1 9 5 7 年1 0 月，世界上第一颗人造地球卫星的发射成功，是人类致力于现代科 学技术发展的结晶，它使空间科学技术的发展，迅速跨人了一个崭新的时代。近 四十年来，人造地球卫星技术在通信、气象、资源勘察、导航、遥感大地测量、 地球动力学、天文学以及军事科学等众多学科领域，得到了极其广泛的应用，从 而推动了科学技术的迅猛发展，也丰富了人类的科学文化生活。 1 9 5 8 年底，美国海军武器实验室，就着手建立为美国军用舰艇导航服务的卫 星系统，即“海军导航卫星系统”。该系统中，卫星的轨道都通过地极，故也称 “子午卫星系统”。1 9 6 4 年该系统建成，随即在美国军方启用。1 9 6 7 年美国政府 批准该系统解密，并提供民用。由于该系统不受气象条件的影响，自动化程度较 高，且具有良好的定位精度，所以，它的出现也立即引起了大地测量学者的极大 关注。尤其在该系统提供民用之后，在大地测量方面，进行了大量的应用研究和 实践，并取得了许多令人瞩目的成就。这就预示着经典的大地测量技术面临着一 场重大的变革。 虽然美国“海军导航卫星系统”，在导航技术的发展中具有划时代的意义，但 是由于该系统卫星数目较少( 5 6 颗) 、运行高度较低( 平均约1 0 0 0 k m ) 、从地面 站观测到卫星的时间间隔较长( 平均约1 5 小时) ，因而它无法提供连续地实时三 维导航。加之获得一次导航解所需的时间较长，所以难以充分满足军事方面，尤 其是高动态目标( 如飞机、导弹) 导航的要求。而从大地测量学方面来看，由于 它定位速度慢( 个测站一般平均观测1 2 天) ，精度也较低( 单点定位精度3 5 m ；相对定位精度约为l m ) ，所以，该系统在大地测量学和地球动力学研究方面 的应用，也受到了很大的限制。 1 9 7 3 年，国防部便开始组织海陆空三军，共同研究建立新一代卫星导航系统 的计划。这就是目前所称的“授时与测距导航系统全球定位系统”( n a v i g a t i o n s y s t e mt i m i n ga n dr a n g i n g g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e r n n a v s t a r g p s ) ，而通 常简称“全球定位系统”( g p s ) 。 g p s 实施计划共分为三个阶段： 第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1 9 7 3 到1 9 7 9 年，共发射了4 颗实 验卫星，研制了地面接收机及建立地面跟踪网，从软件和硬件上进行了试验。 壹塞堕窒塾盔厶堂堡：生堂堡丝兰一 第二章g p s 原理及其应用 2 1 卫星导航的发展历程 1 9 5 7 年1 0 月，世界上第一颗人造地球卫星的发射成功，是人类致力于现代科 学技术发展的结晶，它使空间科学技术的发展，迅速跨人了一个崭新的时代。近 四十年来，人造地球卫星技术在通信、气象、资源勘察、导航、遥感大地测量、 地球动力学、天文学以及军事科学等众多学科领域，得到了极其广泛的应用，从 而推动了科学技术的迅猛发展，也丰富了人类的科学文化生活。 1 9 5 8 年底，美国海军武器实验室，就着手建立为美国军用舰艇导航服务的卫 星系统，即“海军导航卫星系统”。该系统中，卫星的轨道都通过地极，故也称 “子午卫星系统”。1 9 6 4 年该系统建成，随即在美国军方启用。1 9 6 7 年美国政府 批准该系统解密，并提供民用。由于该系统不受气象条件的影响，自动化程度较 高，且具有良好的定位精度，所以，它的出现也立即引起了大地测量学者的极大 关注。尤其在该系统提供民用之后，在大地测量方面，进行了大量的应用研究和 实践，并取得了许多令人瞩目的成就。这就预示着经典的大地测量技术面临着一 场重大的变革。 虽然美国“海军导航卫星系统”，在导航技术的发展中具有划时代的意义，但 是由于该系统卫星数目较少( 5 6 颗) 、运行高度较低( 平均约1 0 0 0 k m ) 、从地面 站观测到卫星的时间间隔较长( 平均约1 5 小时) ，因而它无法提供连续地实时三 维导航。加之获得一次导航解所需的时间较长，所以难以充分满足军事方面，尤 其是高动态目标( 如飞机、导弹) 导航的要求。而从大地测量学方面来看，由于 它定位速度慢( 个测站一般平均观测1 2 天) ，精度也较低( 单点定位精度3 5 m ；相对定位精度约为l m ) ，所以，该系统在大地测量学和地球动力学研究方面 的应用，也受到了很大的限制。 1 9 7 3 年，国防部便开始组织海陆空三军，共同研究建立新一代卫星导航系统 的计划。这就是目前所称的“授时与测距导航系统全球定位系统”( n a v i g a t i o n s y s t e mt i m i n ga n dr a n g i n g g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e r n n a v s t a r g p s ) ，而通 常简称“全球定位系统”( g p s ) 。 g p s 实施计划共分为三个阶段： 第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1 9 7 3 到1 9 7 9 年，共发射了4 颗实 验卫星，研制了地面接收机及建立地面跟踪网，从软件和硬件上进行了试验。 苎盔垡鱼! ! 壅查塑枣墨竺塑盟圣一 第二阶段为全面研制和试验阶段。从1 9 7 9 年到1 9 8 4 年，又陆续发射了7 颗 实验卫星，这阶段称为b l o c ki 。与此同时，研制了各种用途的接收机，主要是导 航型接收机，同时测地型接收机也相继问世。 第三阶段为实用组网阶段。1 9 8 9 年2 月4i 二f 第一个g p s 工作卫星发射成功， 宣告了g p s 系统进入工程建设阶段，1 9 9 4 年7 月正式全部建成。目前在轨卫星共 有2 8 颗。最近的一次发射是2 0 0 1 年1 月3 0 同，d e l r a i i 运载g p s i i r 7 在0 2 ：5 5 a m ( 东区) ( 0 7 ：5 5u t c ) 升空，驶离在美国的佛罗罩达州的卡那维拉尔角比德森 空军基地的1 7 a 发射台，发射成功。 2 2g p s 的特点 从1 9 7 8 年发射第一颗g p s 实验卫星以来，利用浚系统进行定位的研究、开发 和实验工作，发展异常迅速。理论与实践表明，g p s 同其它导航系统相比，其主要 特点如下： 全球地面连续覆盖。由于g p s 卫星的数目较多，且分稚合理，所以地球上任何 地点，均可以连续地同步观测到至少4 颗卫星。从而保障了全球、全天候连续地 三维定位。 功能多，精度高。g p s 可为各类用户连续地提供动态目标的三维位置、三维速 度和时间信息。 实时定位。利用全球定位系统导航，可以实时地监视和修正航行路线，以及选 择最佳的航线。 应用广泛。随着g p s 定位技术的发展，其应用的领域在不断拓宽。目前，在导 航方面，它不仅已广泛地用于海上、空中和陆地运动目标的导航，而且，在运动 目标的监控与管理，以及运动目标的报警与救援等方面，也获得了成功地应用： 在测量工作方面，这一定位技术在大地测量，工程测量，工程与地壳变形监控、 地籍测量，航空摄影测量和海洋测绘等各个领域的应用，也已经非常普遍。 2 3 全球定位系统的构成 g p s 由三个主要部分构成，它们是：空间星座部分，地面监控部分，用户设备 部分。 苎盔垡鱼! ! 壅查塑枣墨竺塑盟圣一 第二阶段为全面研制和试验阶段。从1 9 7 9 年到1 9 8 4 年，又陆续发射了7 颗 实验卫星，这阶段称为b l o c ki 。与此同时，研制了各种用途的接收机，主要是导 航型接收机，同时测地型接收机也相继问世。 第三阶段为实用组网阶段。1 9 8 9 年2 月4i 二f 第一个g p s 工作卫星发射成功， 宣告了g p s 系统进入工程建设阶段，1 9 9 4 年7 月正式全部建成。目前在轨卫星共 有2 8 颗。最近的一次发射是2 0 0 1 年1 月3 0 同，d e l r a i i 运载g p s i i r 7 在0 2 ：5 5 a m ( 东区) ( 0 7 ：5 5u t c ) 升空，驶离在美国的佛罗罩达州的卡那维拉尔角比德森 空军基地的1 7 a 发射台，发射成功。 2 2g p s 的特点 从1 9 7 8 年发射第一颗g p s 实验卫星以来，利用浚系统进行定位的研究、开发 和实验工作，发展异常迅速。理论与实践表明，g p s 同其它导航系统相比，其主要 特点如下： 全球地面连续覆盖。由于g p s 卫星的数目较多，且分稚合理，所以地球上任何 地点，均可以连续地同步观测到至少4 颗卫星。从而保障了全球、全天候连续地 三维定位。 功能多，精度高。g p s 可为各类用户连续地提供动态目标的三维位置、三维速 度和时间信息。 实时定位。利用全球定位系统导航，可以实时地监视和修正航行路线，以及选 择最佳的航线。 应用广泛。随着g p s 定位技术的发展，其应用的领域在不断拓宽。目前，在导 航方面，它不仅已广泛地用于海上、空中和陆地运动目标的导航，而且，在运动 目标的监控与管理，以及运动目标的报警与救援等方面，也获得了成功地应用： 在测量工作方面，这一定位技术在大地测量，工程测量，工程与地壳变形监控、 地籍测量，航空摄影测量和海洋测绘等各个领域的应用，也已经非常普遍。 2 3 全球定位系统的构成 g p s 由三个主要部分构成，它们是：空间星座部分，地面监控部分，用户设备 部分。 塑塞堕至堕鲞叁堂堡堂生堡墨 2 3 1 空间星座部分 全球定位系统的空间卫星星座，出2 4 颗卫星组成，另外还有3 4 颗备用卫 星。卫星分布在6 个轨道面内，每个轨道面上分布有4 颗卫星。卫星轨道面相对 地球赤道面的倾角约为5 5 0 ，各轨道平面 升交点的赤道相差6 0 0 ，在相邻轨道上 卫星的升交距角相差3 0 0 。轨道平均高度 约为2 0 2 0 0 k m ，卫星运行周期为11 小时 5 8 分，因此，同一观测站上，每天出现的 卫星分布图形相同，只是每天提前约4 分 钟。每颗卫星每天约有5 个小时在地平线 以上，同时位于地平线以上的卫星数目， 随时间和地点而异，最少为4 颗，最多可 图2 - - 1 标准g p s 轨道 达1 1 颗。 g p s 卫星在空间的上述配置，保障了在地球上任何地点、任何时刻均至少可以 同时观测到4 颗卫星，加之卫星信号的传播和接收不受天气的影响，因此g p s 是 一种全球性、全天候的连续实时定位系统。不过也应指出，g p s 卫星的上述分布， 在个别地区仍可能在某一短时问内( 例如数分钟) ，只能观测到4 颗图形结构分布 较差的卫星，而无法达到必要的定位精度。 空间部分的3 4 颗备用卫星，可在必要时根据指令代替发生故障的卫星，这 对于保障g p s 空间部分正常而高效地工作是极其重要的。 2 3 2 地面监控部分 g p s 的地面监控部分，是由个主控站、三个注入站和5 个监测站组成。主 控站位于科罗拉多州斯平士的联合空间执行中心，3 个注入站分别设在大西洋的阿 松森岛、印度洋的狄哥伽西亚和太平洋的卡瓦加兰，5 个监控站设在主控站、三个 注入站和夏威夷岛。 2 3 3 用户设备部分 全球定位系统的空间部分和地面监控部分，是用户应用该系统进行定位的基 础，而用户只有通过用户设备，才能实现应用g p s 定位的目的。用户设备的主要 任务是，接收g p s 卫星发射的无线电信号，以获得必要的定位信息及观测量，并 塑塞堕至堕鲞叁堂堡堂生堡墨 2 3 1 空间星座部分 全球定位系统的空间卫星星座，出2 4 颗卫星组成，另外还有3 4 颗备用卫 星。卫星分布在6 个轨道面内，每个轨道面上分布有4 颗卫星。卫星轨道面相对 地球赤道面的倾角约为5 5 0 ，各轨道平面 升交点的赤道相差6 0 0 ，在相邻轨道上 卫星的升交距角相差3 0 0 。轨道平均高度 约为2 0 2 0 0 k m ，卫星运行周期为11 小时 5 8 分，因此，同一观测站上，每天出现的 卫星分布图形相同，只是每天提前约4 分 钟。每颗卫星每天约有5 个小时在地平线 以上，同时位于地平线以上的卫星数目， 随时间和地点而异，最少为4 颗，最多可 图2 - - 1 标准g p s 轨道 达1 1 颗。 g p s 卫星在空间的上述配置，保障了在地球上任何地点、任何时刻均至少可以 同时观测到4 颗卫星，加之卫星信号的传播和接收不受天气的影响，因此g p s 是 一种全球性、全天候的连续实时定位系统。不过也应指出，g p s 卫星的上述分布， 在个别地区仍可能在某一短时问内( 例如数分钟) ，只能观测到4 颗图形结构分布 较差的卫星，而无法达到必要的定位精度。 空间部分的3 4 颗备用卫星，可在必要时根据指令代替发生故障的卫星，这 对于保障g p s 空间部分正常而高效地工作是极其重要的。 2 3 2 地面监控部分 g p s 的地面监控部分，是由个主控站、三个注入站和5 个监测站组成。主 控站位于科罗拉多州斯平士的联合空间执行中心，3 个注入站分别设在大西洋的阿 松森岛、印度洋的狄哥伽西亚和太平洋的卡瓦加兰，5 个监控站设在主控站、三个 注入站和夏威夷岛。 2 3 3 用户设备部分 全球定位系统的空间部分和地面监控部分，是用户应用该系统进行定位的基 础，而用户只有通过用户设备，才能实现应用g p s 定位的目的。用户设备的主要 任务是，接收g p s 卫星发射的无线电信号，以获得必要的定位信息及观测量，并 单天线g p s 姿态确定系统的研究 经数据处理而完成定位工作。 g p s 接收机大体上可以分为两类，：导航型和测地型。导航型接收机结构简单、 体积小、精度低、价格便宜。般采用单频c a 码伪距接收技术，定位精度在2 0 米左右。测地型结构复杂、精度离、价格昂贵，测量基线精度达到1 0 加， 采用双频伪距与载波接收技术。主要用在大地测量、地壳形变监测以及精密测距 中。 用户设备，主要出g p s 接收机硬件和数掘处理软件，微处理机及其终端设备 组成，而g p s 接收机的硬件，一般包括主机、天线和电源。用户部分各组成模块 示意图如图2 - 2 所示。 幽2 - 2 刖户部分备组成模块示意脚 2 4g p s 定位原理 2 4 1 绝对定位原理 g p s 绝对定位也叫单点定位，它是利用台接收机观测卫星独立地确定出自身 在粕s 一8 4 地，d 坐标系中的绝对位置。这一位簧在w g s - - 8 4 坐标系中是唯一，所以 称为绝对定位。 g p s 绝对定位的实质是基于测量学中的空削距离后方交会。在g p s 观测中，得 到卫星的位霹和卫星到测点的距离( 伪距) ，然后以卫星为中心，以距离为半径做 球面。如果同时观测了3 颗卫星，我们便得到了3 个球面。这3 个球面相交的 点，就是要求解测点的位置。实际测量中，出于卫星钟和接收机钟之间的钟差， 接收机实际观测的测点到卫星之问的距离不是实际的距离，我们称之为伪距。接 单天线g p s 姿态确定系统的研究 经数据处理而完成定位工作。 g p s 接收机大体上可以分为两类，：导航型和测地型。导航型接收机结构简单、 体积小、精度低、价格便宜。般采用单频c a 码伪距接收技术，定位精度在2 0 米左右。测地型结构复杂、精度离、价格昂贵，测量基线精度达到1 0 加， 采用双频伪距与载波接收技术。主要用在大地测量、地壳形变监测以及精密测距 中。 用户设备，主要出g p s 接收机硬件和数掘处理软件，微处理机及其终端设备 组成，而g p s 接收机的硬件，一般包括主机、天线和电源。用户部分各组成模块 示意图如图2 - 2 所示。 幽2 - 2 刖户部分备组成模块示意脚 2 4g p s 定位原理 2 4 1 绝对定位原理 g p s 绝对定位也叫单点定位，它是利用台接收机观测卫星独立地确定出自身 在粕s 一8 4 地，d 坐标系中的绝对位置。这一位簧在w g s - - 8 4 坐标系中是唯一，所以 称为绝对定位。 g p s 绝对定位的实质是基于测量学中的空削距离后方交会。在g p s 观测中，得 到卫星的位霹和卫星到测点的距离( 伪距) ，然后以卫星为中心，以距离为半径做 球面。如果同时观测了3 颗卫星，我们便得到了3 个球面。这3 个球面相交的 点，就是要求解测点的位置。实际测量中，出于卫星钟和接收机钟之间的钟差， 接收机实际观测的测点到卫星之问的距离不是实际的距离，我们称之为伪距。接 单天线g p s 姿态确定系统的研究 经数据处理而完成定位工作。 g p s 接收机大体上可以分为两类，：导航型和测地型。导航型接收机结构简单、 体积小、精度低、价格便宜。般采用单频c a 码伪距接收技术，定位精度在2 0 米左右。测地型结构复杂、精度离、价格昂贵，测量基线精度达到1 0 加， 采用双频伪距与载波接收技术。主要用在大地测量、地壳形变监测以及精密测距 中。 用户设备，主要出g p s 接收机硬件和数掘处理软件，微处理机及其终端设备 组成，而g p s 接收机的硬件，一般包括主机、天线和电源。用户部分各组成模块 示意图如图2 - 2 所示。 幽2 - 2 刖户部分备组成模块示意脚 2 4g p s 定位原理 2 4 1 绝对定位原理 g p s 绝对定位也叫单点定位，它是利用台接收机观测卫星独立地确定出自身 在粕s 一8 4 地，d 坐标系中的绝对位置。这一位簧在w g s - - 8 4 坐标系中是唯一，所以 称为绝对定位。 g p s 绝对定位的实质是基于测量学中的空削距离后方交会。在g p s 观测中，得 到卫星的位霹和卫星到测点的距离( 伪距) ，然后以卫星为中心，以距离为半径做 球面。如果同时观测了3 颗卫星，我们便得到了3 个球面。这3 个球面相交的 点，就是要求解测点的位置。实际测量中，出于卫星钟和接收机钟之间的钟差， 接收机实际观测的测点到卫星之问的距离不是实际的距离，我们称之为伪距。接 童窒堕窒堕盔墨堂堡主堂堡垒苎一 收机测量的伪距中，包括了3 个坐标分量未知数和1 个钟差未知数，为了实时地 求解这四个未知数，就必须至少同时观测4 颗卫星。 应用g p s 进行绝对定位，根据用户接收天线所处的状态不同，又可分为动态 绝对定位和静态绝对定位。动态绝对定位，般只能得到冗余观测量很少的实时 解，广泛用于飞机、船舶以及陆地车辆等运动载体的导航。静态绝对定位，由于 可以连续地测定卫星至观测站的伪距，所以可以获得充分的冗余观测量，通过数 据处理提高定位的精度。静态绝对定位，主要用于大地测量等。 2 4 2 相对定位原理 s 1 g p s 相对定位，也叫差分g p s 定位， 是目前g p s 定位中精度最高的一种定 位方法，它广泛地应用于大地测量、 精密工程测量、地球动力学的研究和 精密导航。 利用g p s 进行绝对定位( 或单点 定位) 时，其定位精度，将受到卫星 轨道误差、钟差及信号传播误差等因素的影响， 幽2 - 3g p s 相对定位原理 尽管其中一些系统性误差，可以通过模型修正加 以削弱，但其残差仍是不可忽略的。实践表明，目前静态绝对定位的精度，约可 达米级，而动态绝对定位的精度仅为l o m 左右。这一精度远不能满足大地测量精 密定位的要求。 g p s 相对定位，测量的位置是相对于某一已知点的位置，而不是在w g s 一8 4 坐标 系中的绝对位置。它可以精确测量出两点之间的坐标分量差( x ，y ，z ) 和 基线长( b ) 。这样，如果一点的绝对坐标已知，就可以计算出另外一点的精确坐 标。在g p s 相对定位中，至少需要两台精密测地型g p s 接收机。两台g p s 接收机 分别设置在基线的两端点，同步观测同一组g p s 卫星，以求解出基线端点的相对 位置或基线向量。 根据用户接收机在定位过程中所处的状态不同，相对定位有静态定位和动态 定位之分。静态相对定位，即设置在基线端点的接收机是固定不动的，这样便可通 过连续观测，取得充分多的冗余观测数据，以改善定位精度。 静态相对定位，一般均采用载波相位观测值( 或测相伪距) 为基本观测量。 这一定位方法，是当前g p s 定位中精度最高的一种方法，广泛地应用于工程测量、 大地测量和地球动力学研究等项工作。实践表明，对中等长度的基线( 1 0 0 k m 5 0 0 k m ) ，其相对定位精度可达l o _ 6 l o - + ，甚至更好些。所以，在精度要求较高 7 s 4 童窒堕窒堕盔墨堂堡主堂堡垒苎一 收机测量的伪距中，包括了3 个坐标分量未知数和1 个钟差未知数，为了实时地 求解这四个未知数，就必须至少同时观测4 颗卫星。 应用g p s 进行绝对定位，根据用户接收天线所处的状态不同，又可分为动态 绝对定位和静态绝对定位。动态绝对定位，般只能得到冗余观测量很少的实时 解，广泛用于飞机、船舶以及陆地车辆等运动载体的导航。静态绝对定位，由于 可以连续地测定卫星至观测站的伪距，所以可以获得充分的冗余观测量，通过数 据处理提高定位的精度。静态绝对定位，主要用于大地测量等。 2 4 2 相对定位原理 s 1 g p s 相对定位，也叫差分g p s 定位， 是目前g p s 定位中精度最高的一种定 位方法，它广泛地应用于大地测量、 精密工程测量、地球动力学的研究和 精密导航。 利用g p s 进行绝对定位( 或单点 定位) 时，其定位精度，将受到卫星 轨道误差、钟差及信号传播误差等因素的影响， 幽2 - 3g p s 相对定位原理 尽管其中一些系统性误差，可以通过模型修正加 以削弱，但其残差仍是不可忽略的。实践表明，目前静态绝对定位的精度，约可 达米级，而动态绝对定位的精度仅为l o m 左右。这一精度远不能满足大地测量精 密定位的要求。 g p s 相对定位，测量的位置是相对于某一已知点的位置，而不是在w g s 一8 4 坐标 系中的绝对位置。它可以精确测量出两点之间的坐标分量差( x ，y ，z ) 和 基线长( b ) 。这样，如果一点的绝对坐标已知，就可以计算出另外一点的精确坐 标。在g p s 相对定位中，至少需要两台精密测地型g p s 接收机。两台g p s 接收机 分别设置在基线的两端点，同步观测同一组g p s 卫星，以求解出基线端点的相对 位置或基线向量。 根据用户接收机在定位过程中所处的状态不同，相对定位有静态定位和动态 定位之分。静态相对定位，即设置在基线端点的接收机是固定不动的，这样便可通 过连续观测，取得充分多的冗余观测数据，以改善定位精度。 静态相对定位，一般均采用载波相位观测值( 或测相伪距) 为基本观测量。 这一定位方法，是当前g p s 定位中精度最高的一种方法，广泛地应用于工程测量、 大地测量和地球动力学研究等项工作。实践表明，对中等长度的基线( 1 0 0 k m 5 0 0 k m ) ，其相对定位精度可达l o _ 6 l o - + ，甚至更好些。所以，在精度要求较高 7 s 4 苎丕垡鱼堕塑查塑星墨竺塑型! 塞 的测量工作中，均普遍采用这一方法。 在载波相位观测的数据处理中，为了可靠的确定载波相位的整周未知数，静 态相对定位，一般需要较长的观测时间( 例如1 0 3 0 小时) ，因此，如何缩短观 测时间，以提高作业效率，便成为广大g p s 用户，普遍关心的问题。上述定位方 法，一般也称为经典静态相对定位法。 动态相对定位，是将一台接收机安设在一个固定观测站上，而另一台接收机， 安置在运动的载体上，并且在运动中，与固定观测站的接收机进行同步观测，以 确定运动载体相对固定观测站( 或基准站) 的瞬时位置。动态相对定位，根据其 采用的观测量不同，通常可分为以测码伪距为观测量的动态相对定位，和以测相 伪距为观测量的动态相对定位。 测码伪距动态相对定位法，目前其实时定位的精度可达米级。以相对定位原 理为基础的实时差分g p s ，由于可以有效地减弱卫星轨道误差、钟差、大气折射误 差以及s a 政策的影响，其定位精度远比测码伪距动态绝对定位精度高，所以这一 方法获得了迅速发展，并在运动目标的导航、检测和管理方面得到了普遍地应用。 另外，在地球物理勘探、航空与海洋重力测量，以及海洋采矿等领域也有着广泛 的应用。 测相伪距动态相对定位法，是以预先初始化或动态解算载波相位整周未知数 为基础的一种高精度动态相对定位法。目前在较小范围内( 例血l 2 0 k m ) ，获得了 成功的应用，其定位精度可达1 2 厘米。 动态相对定位中，根据数据处理的方式不同，通常可分为实时处理和测后处 理。数据的实时处理，要求在观测过程中实时的获得定位的结果无需存储观测 数据。但在流动站与基准转之间，必需实时的传输观测数据或观测量的修正数据。 这种处理方式，对于运动目标的导航、检测和管理具有重要意义。 观测数据的测后处理。不需要建立观测数据的实时处理系统，因此，观测数 据必须加以存储，以便在观测工作结束后，进行处理。这种数据处理方式，目前 主要应用于航空物探、水道测量、航空摄影测量与海洋测绘等领域。 2 5g p s 在测姿中的应用 当前可同时提供位置、速度、姿态信息的测量系统，首推惯性导航系统。而 惯性导航系统与g p s 动态测姿系统相比具有位置误差随时间积累，成本高，体积 大，功耗大等缺点。从发展趋势看，g p s 测姿系统已成为惯导系统在航空、航天 及其他应用领域的强有力的竞争对手。 国外在利用g p s 进行载体姿态确定方面的技术已经比较成熟。 苎丕垡鱼堕塑查塑星墨竺塑型! 塞 的测量工作中，均普遍采用这一方法。 在载波相位观测的数据处理中，为了可靠的确定载波相位的整周未知数，静 态相对定位，一般需要较长的观测时间( 例如1 0 3 0 小时) ，因此，如何缩短观 测时间，以提高作业效率，便成为广大g p s 用户，普遍关心的问题。上述定位方 法，一般也称为经典静态相对定位法。 动态相对定位，是将一台接收机安设在一个固定观测站上，而另一台接收机， 安置在运动的载体上，并且在运动中，与固定观测站的接收机进行同步观测，以 确定运动载体相对固定观测站( 或基准站) 的瞬时位置。动态相对定位，根据其 采用的观测量不同，通常可分为以测码伪距为观测量的动态相对定位，和以测相 伪距为观测量的动态相对定位。 测码伪距动态相对定位法，目前其实时定位的精度可达米级。以相对定位原 理为基础的实时差分g p s ，由于可以有效地减弱卫星轨道误差、钟差、大气折射误 差以及s a 政策的影响，其定位精度远比测码伪距动态绝对定位精度高，所以这一 方法获得了迅速发展，并在运动目标的导航、检测和管理方面得到了普遍地应用。 另外，在地球物理勘探、航空与海洋重力测量，以及海洋采矿等领域也有着广泛 的应用。 测相伪距动态相对定位法，是以预先初始化或动态解算载波相位整周未知数 为基础的一种高精度动态相对定位法。目前在较小范围内( 例血l g p s 星期 d a y 天w e e k p s e 陵a n g 嚣 伪距 序列号 c a r p h a s e 载波 s e q 皇鲞丝q 整窒查塑塞墨丝塑婴塑一 j u p i t e ro e m 接收机输出数据的类型有两种，一种是二进制格式，一种是n m e a 0 1 8 3 格式，下面我们分别进行介绍。 3 3 2 二进制数据格式 二进制格式的数据分成两部分：信息头和数据部分。信息头部分分为五个小 部分，各部分含义如表3 3 所示。 i 数据头部分。数据头部分由固定的两个字 节组成，即：1 0 0 00 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 作为数 据开始的标志。 2 数据的信息代码部分。信息代码分成两种。 一种是输出的代码，一种是输入控制代码， 如表3 4 所示。 序号代表的含义 l数据头部分 2数据i d 号码 3数据长度计数 4 数据标志部分 5校验部分 表3 - 3 二进制数据头格式 输出信息名称信息代码输入信息名称信息代码 观测位簧输出 1 0 0 0 数据她图选择 1 2 1 l e c e f 状态输出 1 0 0 1 卫星遮蔽角度选择 1 2 1 2 信道显示1 0 0 2卫星选择1 2 1 3 可视卫星1 0 0 3差分g p s 控制 1 2 1 4 差分g p s 状态1 0 0 5 冷起动 1 2 1 6 信道测量值 1 0 0 7 解有效标准 1 2 1 7 接收机i d 1 0 1 1天线类型选择1 2 1 8 用户设置 1 0 1 2 用户输入高度 1 2 1 9 自检l l o on a v 设寅1 2 2 1 测量时钟信号 1 1 0 2 自检命令1 3 0 0 所用串口参数1 1 3 0重启命令1 3 0 3 e e p r o m 更新1 1 3 5 串口控制1 3 3 0 e e p r o m 状态1 1 3 6 文件协议控制1 3 3 l 观测位置初始化 1 2 0 0 原始差分g p s 数据 1 3 5j 表3 4 二进制数据信息代码及含义 皇鲞丝q 整窒查塑塞墨丝塑婴塑一 j u p i t e ro e m 接收机输出数据的类型有两种，一种是二进制格式，一种是n m e a 0 1 8 3 格式，下面我们分别进行介绍。 3 3 2 二进制数据格式 二进制格式的数据分成两部分：信息头和数据部分。信息头部分分为五个小 部分，各部分含义如表3 3 所示。 i 数据头部分。数据头部分由固定的两个字 节组成，即：1 0 0 00 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 作为数 据开始的标志。 2 数据的信息代码部分。信息代码分成两种。 一种是输出的代码，一种是输入控制代码， 如表3 4 所示。 序号代表的含义 l数据头部分 2数据i d 号码 3数据长度计数 4数据标志部分 5校验部分 表3 - 3 二进制数据头格式 输出信息名称信息代码输入信息名称信息代码 观测位簧输出 1 0 0 0数据她图选择1 2 1 l e c e f 状态输出 1 0 0 1卫星遮蔽角度选择1 2 1 2 信道显示1 0 0 2卫星选择1 2 1 3 可视卫星1 0 0 3差分g p s 控制 1 2 1 4 差分g p s 状态1 0 0 5冷起动1 2 1 6 信道测量值 1 0 0 7解有效标准1 2 1 7 接收机i d 1 0 1 1天线类型选择1 2 1 8 用户设置 1 0 1 2 用户输入高度 1 2 1 9 自检 l l o on a v 设寅1 2 2 1 测量时钟信号1 1 0 2自检命令1 3 0 0 所用串口参数1 1 3 0重启命令1 3 0 3 e e p r o m 更新1 1 3 5串口控制1 3 3 0 e e p r o m 状态1 1 3 6文件协议控制1 3 3 l 观测位置初始化 1 2 0 0 原始差分g p s 数据1 3 5j 表3 4 二进制数据信息代码及含义 童銮堕至堕查查堂堡主堂堡堡墨 一 3 数据长度计数部分，该数值随数据i d 而变化，如果计数是零的话，表示 这只是一个数据头，后面没有数据信息。 4 标志位，用以控制是否响应a c k n c k 的请求。 5 数据校验部分，用以检查数据传输过程是否有丢失或出错。 3 3 3n m e a - - 0 1 8 3 数据格式 n m e a 数据也分为输出数据和输入数据两种，用不同的代码来表示。 n m e a 的输出信息有7 种，它们分别是： g g a ：g p s 卫星的固定输出数据 g s a ：g p s 卫星的d o p 和运行的卫星 g s v ：可观测到的g p s 卫星 r m c ：设定的g p s 卫星输出的最少数据 b i t ：在线测设结果 r i d ：r c o k w e l l 公司所属接收机i d z c h ：r c o k w e l l 公司所属z o d i a c 系列频道状态 n m e a 的输入信息有4 种： i b i t ：在线测试命令 i l o g ：记录命令 i n i t ：接收机初始化命令 i p r o ：文件协议 n m e a 数据每一条都包含了下面的部分： “$ ”：数据的标志头 ：标志是何种信息和格式，如g p g s a “，”数据区 ：逗号后面为数据 十”校验区 ： 号后面为出错校验部分 ：数据结束的标志 下面是2 0 0 1 年5 月3 1 日9 点1 3 分5 9 秒( u t c 时间) 在智能楼5 楼平台，用 j u p i t e ro e m 接收机采集到的一段n m e a 格式的数据： $ g p g g a ，0 9 1 3 5 9 ，3 2 0 2 3 2 8 7 ，n ，11 8 4 8 8 5 0 8 ，e ，1 ，0 7 ，0 8 5 ，3 1 8 ，m ，5 2 ，m ，* 7 e 童銮堕至堕查查堂堡主堂堡堡墨 一 3 数据长度计数部分，该数值随数据i d 而变化，如果计数是零的话，表示 这只是一个数据头，后面没有数据信息。 4 标志位，用以控制是否响应a c k n c k 的请求。 5 数据校验部分，用以检查数据传输过程是否有丢失或出错。 3 3 3n m e a - - 0 1 8 3 数据格式 n m e a 数据也分为输出数据和输入数据两种，用不同的代码来表示。 n m e a 的输出信息有7 种，它们分别是： g g a ：g p s 卫星的固定输出数据 g s a ：g p s 卫星的d o p 和运行的卫星 g s v ：可观测到的g p s 卫星 r m c ：设定的g p s 卫星输出的最少数据 b i t ：在线测设结果 r i d ：r c o k w e l l 公司所属接收机i d z c h ：r c o k w e l l 公司所属z o d i a c 系列频道状态 n m e a 的输入信息有4 种： i b i t ：在线测试命令 i l o g ：记录命令 i n i t ：接收机初始化命令 i p r o ：文件协议 n m e a 数据每一条都包含了下面的部分： “$ ”：数据的标志头 ：标志是何种信息和格式，如g p g s a “，”数据区 ：逗号后面为数据 十”校验区 ： 号后面为出错校验部分 ：数据结束的标志 下面是2 0 0 1 年5 月3 1 日9 点1 3 分5 9 秒( u t c 时间) 在智能楼5 楼平台，用 j u p i t e ro e m 接收机采集到的一段n m e a 格式的数据： $ g p g g a ，0 9 1 3 5 9 ，3 2 0 2 3 2 8 7 ，n ，11 8 4 8 8 5 0 8 ，e ，1 ，0 7 ，0 8 5 ，3 1 8 ，m ，5 2 ，m ，* 7 e 整丕垡鱼坠塞查堕塞墨丝盟堑塞一 $ g p g s a ，a ，3 ，2 6 ，1 0 ，1 7 ，2 3 ，0 2 ，1 8 ，1 5 1 5 8 ，0 8 5 ，1 3 4 * 0 8 $ g p g s v ，3 ，l ，l o ，1 7 ，5 8 ，3 l l ，4 4 ，2 6 ，5 7 ，0 2 6 ，4 9 ，0 9 ，4 4 ，1 7 0 ，1 5 ，3 8 ，3 1 6 ，4 6 7 b s g p g s v ,