卫星定位原理.doc

GPS如何工作？-五个简单的步骤 GPS的基本原理实际上非常简单-尽管系统本身运用了一些已开发出的最高科技的设备。为理解它，我们将系统分为五个概念块，一次一步来分析这些块。我们将“大”的思想开始，忽略一些细节，之后我们再将好的观点添进去。GPS的五步：1 由卫星进行三角测量是系统的基础。2 为进行三角测量，GPS通过无线电信息的传送时间来测量距离。3 为测传送时间，GPS需要有非常准确的时钟。4 一旦你知道到一颗卫星的距离，你就需要知道这颗卫星在太空中的位置。由于GPS信号穿过电离层和地球大气层，它将被延迟。 第一步： 基本想法-卫星分布 GPS是基于卫星分布的，这意味着我们通过测量我们到太空中一组卫星的距离得到我们的位置。卫星对我们而言起到准确的参考点的作用。你可能会问：我们怎么能确切测量我们离太空中的一颗卫星有多远？我们怎么确切地知道一颗移动的卫星在哪儿？这是我们此时忽略的两个细节。相信我，这些可以计算出来。现在就假设我们能确切地计算出卫星在太空中的位置，我们离它有多远。那么GPS的基本概念就简单了：假设我们迷路了，想为自己定位。如果我们知道我们离卫星A的确切距离，比如说是11，000英里，这确实使我们在整个宇宙中所能处的范围大大缩小了。它告诉我们，我们一定在一个中心在该卫星，半径为11，000英里的假想球面上。现在，如果我们同时知道我们离另一颗卫星，B，相距12，000英里，那将使我们的位置范围缩小得更多，因为宇宙中距离A卫星11，000英里且距离B卫星12，000英里的地方只能在两个球面的相交圆上。那么，如果我们测一下到第三颗卫星的距离我们就能精确地找到我们自己了，因为如果我们同时又知道我们离C卫星有13，000英里，那么宇宙中只有两个点是可能的。那两个点在13，000英里的球面切断11，000英里球面和12，000英里球面的相交圆处。这就对了，通过三颗卫星的分布我们可以将我们所处的位置缩小到两个点。（稍后我们将看到有一个技术原因使我们必须进行另一次测量-但现在，在理论上，三次测量已经足够了。）我们怎么确定这两个点中哪一个是我们真正的位置呢？我们可以进行一个到第四颗卫星的测量。或者我们可以作一个假设。通常，两个点中的一个是非常荒谬的答案，错误的点可能离地球并不近，或者它可能有着不可能的高速度。GPS接收机中的计算机使用多种技术来分辨正确点和错误点。有时，如果你确知你所处的高度，像海员那样（他们知道他们在海平面上），你可以减少一次卫星测量。在我们所绘的球面中，其中一个可以由一个中心在地球球心，半径等于你到地球中心的距离的球面所代替。总之，如果你想绝对精确，三角学告诉我们，必须知道四颗卫星的分布才能毫不含糊地为我们自己定位。但在实际应用中，我们可以仅由三颗得到答案，如果我们舍去那个荒谬的解。这就是GPS的基本原理：将卫星作为参考点，三角测量确定你在地球上的位置。系统的其他东西仅仅是技术细节，用来实现分布处理过程-使得它更准确，更容易实现。现在让我们来看一看这些细节。第五节 GPS卫星定位原理 GPS测量定位涉及很复杂的数学计算，而这些计算都由专门的软件来处理，所以面对非测绘专业的读者，以下只列出简单的原理公式。5. 1 GPS卫星定位基本原理利用三个以上卫星的已知空间位置，用空间距离交会法，求得地面待定点（接收机）的位置，这就是GPS卫星定位的基本原理（图223）但考虑到各种误差的影响，为了达到定位精度要求，至少需要同步观测4颗以上的卫星。卫星是高速运行的动态已知点，卫星的实时位置是由导航电文解算的，只要实时测量出测站（接受机天线中心）至卫星间的距离，就可以进行测站点的定位。公式如下： 式中（xJ，yJ，zJ）为三个卫星某时刻的位置（j=1,2,3）；(xP，yP，zP) 为测站点P点坐标；(1，2，3) 为卫星到接收机天线的距离。依据测距原理，其定位方法可分为：伪距法定位、载波相位定位和差分定位等。根据待定点运动状态可分为静态定位和动态定位。单机定位又叫绝对定位，若至少两台以上接收机同时观测，确定两点间相对位置，又叫相对定位。5.2 伪距测量定位原理1）伪距测量伪距测量通常用C/A码或P码进行，在图2-24中，卫星到接收机的距离是通过测定信号从卫星到接收机的延迟时间乘以光速C来求得，延迟时间是通过码相关技术来求得。GPS卫星发射的测距码是按一定的规律排列的，在同一周期内每个码对应着某一特定的时间，识别每个码的形状特征，即用每个码的某一标志可推算时延值，由于及各种误差的影响，实际测得的距离与卫星到接收机天线的几何距离有一定差值，所以称为伪距：=+。考虑到卫星钟差Ctk，接收机钟差Ctj，电离层延迟p1，大气对流层延迟p2，则 2）伪距测量绝对定位（图2-25）一台静止的接收机用伪距测量方法同步观测四颗以上GPS卫星，分别得到伪距观测量j(j=1，2，3，4) 因此2-7式可写成：式中j为卫星号，j=1，2，3，42-9式即为伪距定位的观测方程组。将上式线性化，并按最小二乘平差解此方程组，即可求得定位点坐标(xP，yP，zP)。5.3 载波相位测量定位原理1）载波相位测量载波相位观测通过测定GPS接收机本振参考信号与卫星载波信号的相位差，间接测定卫星到接收机天线间几何距离。由于载波波长比C/A码的码长短,L1=19cm，L2=24cm，所以可达到很高的精度。如图2-26，以j k(tk)表示K接收机在接收机钟面时刻tk所接收到的j卫星载波信号的相位值，k(tk)表示K接收机在钟面时刻tk所产生的本地参考信号的相位值，则K接收机在接收机钟面时刻tk时观测j卫星所取得的相位观测量可写为。通常的相位或相位差测量只是测出一周以内的相位值，实际测量中，如果对整周进行计数，则自某一初始取样时刻（t0）以后就可以取得连续的相位测量值。在初始t0时刻，测得小于一周的相位差为0，其整周数为N0J，此时包含整周数的相位观测值应为： Nj0是未知量，称为整周模糊度。接收机继续跟踪卫星信号，不断测定小于一周的相位差（t），并利用整波计数器记录从t0到t1时间内的整周数变化量Int（），只要卫星Sj从t0到t1之间卫星信号没有中断，则初始时刻整周模糊度N0j就为一常数，这样，任一时刻t1卫星Sj到K接收机的相位观测值为：2）载波相位测量绝对定位一台静止的接收机用载波相位测量方法同步观测四颗以上GPS卫星，分别得到（2-10）式相位观测值，并考虑到各种误差的影响，同样可列出载波相位测量的观测方程式，并按最小二乘平差求解，即可求得定位点坐标(xP，yP，zP)。 由于方程式复杂，此处不一一列出。3）整周模糊度和周跳以下需要讨论两个重要的问题： 整周模糊度N0是未知的量，如何确定？很多学者提出了解算的方法，如伪距法、三差法、快速确定法以及把N0作未知数参加平差（整数解、实数解）等方法，并由软件来解决此问题。接收机在信号跟踪接收过程出现信号中断使计数器无法连续计数，即出现整周跳变，如何修复周跳，确定Int（）的正确数据？常用多项式拟合法，卫星间求差法以及根据平差后残差发现和修复整周跳变。5.4静态相对定位静态相对定位是用两台接收机分别安置在基线两端，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。同样，多台接收机安置在若干条基线的两端，通过同步观测GPS卫星可以确定多条基线向量。在一个端点坐标已知的情况下，可以用基线向量求另一待定点坐标。相对定位的主要原理是，在两个或两个以上观测站同步观测相同卫星的情况下，卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差对观测量的影响具有一定的相关性，利用观测量求差的办法可有效地消除或减弱相关误差影响，以提高定位精度。如图2-27，两个测站同步观测两个卫星，在ti时刻，测站1和2对K卫星和J卫星的载波相位观测值为: 。则得接收机（站）间对K卫星和J卫星第一次求差（单差）:在此基础上再进行卫星间二次求差（双差）： (同样也可进行i+1时刻对k、j卫星进行站间求单差和双差)在此基础上，还可以在不同历元（i与i+1时刻）间进行三次求差（三差）：上述差分观测量能有效地消除各种偏差，单差观测值中可以消除与卫星有关的载波相位及钟差项，双差观测值中可消除与接收机有关的载波相位及钟差项，三差观测值中可消除与接收机有关的初始整周模糊度项N0。5.5 差分定位1）差分定位的概念这里介绍的差分定位，是将一台GPS接收机安置在参考站（基准站）上进行观测，基准站将已知的测站精密坐标和接收到的卫星信息直接或经过处理后实时发送给流动站接收机（待定点），流动站接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站的信息，经过对结果进行改正，从而提高定位精度（图2-28）。单基准站的差分按基准站发送信息方式来分，可分为位置差分，伪距差分和相位差分。2）位置差分设基准站精密坐标已知为(X0,Y0,Z0 )，在基准站上由GPS测得的坐标为（包含各种误差），则改正数为：流动站接收机自身观测得到待定点坐标（XP，YP，ZP）（包含误差），接收机接收到改正信息后加上上述位置改正数，并顾及接收机改正的瞬时变化，则待定点坐标为：这种方法计算简单，适用于各种型号的GPS接收机，但基准站与流动站必须接收同一组卫星，当基准站与流动站距离较远时难以做到。3）伪距差分与上述不同的是，基准站发出的改正数是基准站至各颗卫星间的伪距改正数： 式中Rj为各颗卫星至基准站的真正距离其变化率为 则改正后用户待定点到各颗卫星的伪距为: 由下式计算P点坐标：其中xj，yj，zj为卫星坐标，dt 为钟差，v1为接收机嗓声。这种差分实际应用较广，基准站提供所有卫星的改正数，流动站接收机只要任意观测4颗以上卫星就可以定位，但其精度仍随基准站与流动站接收机的距离增大而降低。4）载波相位差分载波相位差分技术又称RTK（Real Time Kinematie）技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。相位差分又分两种：一类是修正法，基准站将载波相位修正值发送给流动站，改正流动站接收到的相位，再解求坐标，这种方法称为准RTK；另一类是差分法，即将基准站采集的载波相位发送给流动站，进行求差解算坐标，称为真正RTK（图2-29）。同样可写出载波相位观测量形式的求解的方程式： 式中 以Njp0表示流动站接收机起始相位模糊度，Nj0为基准站接收机起始相位模糊度，Njp为流动站接收机起始历元至观测历元相位整周数，Nj为基准站接收机起始历元至观测历元相位整周数，为流动站接收机测量相位的小数部分，为基准站接收机测量相位的小数部分，为同一观测历元各项残差，其他符号同前。RTK技术精度高，用途广，用于工程测量、海上精密定位，地形测图，地籍测量等十分方便，但使用双频接收机，造价十分昂贵。这种差分 GPS定位系统，简称为DGPS。 5.6局域差分和广域差分 1)局域差分 在局部区域范围内，布设若干个基准站（可包括部分监测站），与一个或多个流动站组成差分GPS网，流动站根据多个基准站所提供的改正信息，经平差后求出自己的改正数，从而提高了定位精度。这种多个基准站的局部区域差分 GPS定位系统，简称为LADGPS。 这种差分定位系统的每个基准站都通过无线电发送改正信息，流动站与基准站之间的距离在500KM以内可获得较好的精度。 2）广域差分 在较大区域，设若干个监测站（已知点），对卫星进行跟踪观测，同时把观测结果全部传输到数据处理中心（主控站），主控站计算出星历误差、电离层延时和对流层延时及卫星钟差的改正模型，并把这些改正信息发送给用户接收机（流动站），流动站根据接收到的GPS信号和改正信息，计算出自己的精确位置。这种广域差分GPS定位系统，简称为WADGPS（图 2-30）。 这种系统的特点是：用户