第07章 GPS定位原理

2013 05 09 GPS定位原理 一 什么是全球定位系统 GPS GPS是美国军方研制的第二代卫星导航系统 全球通用24小时可以定位 测速和授时用户设备成本低廉确保美国军事安全 服务于全球战略导航精度可达10 20m取代现存各种导航系统 GPS的优势 全球地面连续覆盖 卫星数目多且分布合理功能多 精度高 连续提供动态目标的三维位置信息 三维速度和时间信息实时定位速度快抗干扰性能好 保密性强 对大地测量的优势 作用灵活 操作简便无需站间通视 与地面点的几何图形无关定位精度高观测时间短 经济效益高全天候作业 GPS系统的组成 地面控制部分 中心控制系统实现时间同步跟踪卫星进行定轨 空间部分 提供星历和时间信息发射伪距和载波信号提供其它辅助信息 用户部分 接收卫星信号记录处理数据提供导航定位信息 24颗卫星 21 3 6个轨道平面55 轨道倾角2万km轨道高度 地面高度 12小时 恒星时 轨道周期5个多小时出现在地平线以上 每颗星 目前轨道上实际运行的卫星个数已经超过了32颗 空间部分 GPS卫星 地面控制部分 一个主控站 Coloradosprings三个注入站 AscencionDiegoGarciakwajalein五个监测站 1个主控站 3个注入站 Hawaii 监测站 完成对GPS卫星信号的连续观测 搜集当地的气象数据 观测数据经计算机处理后传送到主控站 地面控制部分 主控站 协调和管理所有地面监控系统的工作 还进行下列工作 根据本站和其它监测站的观测数据 推算编制各卫星的星历 卫星钟差和大气层的修正参数 并将这些数据传送到注入站 提供时间基准 各监测站和GPS卫星的原子钟均应与主控站的原子钟同步 或测量出其间的钟差 并将这些钟差信息编入导航电文 送到注入站 调整偏离轨道的卫星 使之沿预定的轨道运行 用备用卫星以代替失效的工作卫星 地面控制部分 注入站 注入站是在主控站的控制下 将主控站推算和编制的卫星星历 钟差 导航电文和其它控制指令等 注入到相应卫星的存储系统中 并监测注入信息的正确性 地面控制部分 用户部分 用户设备包括GPS接收机和相应的数据处理软件 GPS接收机包括接收天线 主机和电源 GPS接收机的任务是捕获卫星信号 跟踪并锁定卫星信号 对接收到的信号进行处理 测量出测距信号从卫星传播到接收机天线的时间间隔 译出卫星广播的导航电文 实时计算接收机天线的三维坐标 速度和时间 二 GPS定位的基本原理 确定卫星与接收机之间的距离 为 其中 xA yA zA为A点的空间直角坐标 xB yB zB为B点的空间直角坐标 xC yC zC为C点的空间直角坐标 xD yD zD为D点的空间直角坐标 GPS定位就是把卫星看成是 飞行 的控制点 根据测量的星站距离 进行空间距离后方交会 确定地面接收机的位置 GPS定位中的观测量 载波相位观测 是测量接收机收到的具有多普勒频移的载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差 根据码相位观测得出的伪距 码相位观测 是测量GPS卫星发射的测距码信号 C A码或P码 到达用户接收机天线 观测站 的传播时间 因此这种观测方法也称为时间延迟测量 根据载波相位观测得出的伪距 我们将由码相位观测所确定的伪距简称为测码伪距 而由载波相位观测确定的伪距简称为测相伪距 考虑到卫星时钟和接收机时钟不同步的影响 电离层和对流层对传播速度的影响 通过码相位观测和载波相位观测得到的距离与实际卫星与测站的几何距离不一样 所以所测的距离称作伪距 并把它视为GPS测量的基本观测量 几何距离和伪距之间的关系式 三 GPS测量定位方法分类 定位模式绝对定位 单点定位 相对定位差分定位定位时接收机天线的运动状态静态定位 天线相对于地固坐标系静止动态定位 天线相对于地固坐标系运动获得定位结果的时效事后定位实时定位 绝对定位 单点定位 定义 单独利用一台接收机确定待定点在地固坐标系中绝对位置的方法 定位结果 绝对坐标特点 优点 单台接收机定位 观测简单 可瞬时定位缺点 精度主要受系统性偏差的影响 定位精度低应用领域 低精度导航 资源普查 军事 相对定位 定义 确定进行同步观测的接收机之间相对位置的定位方法 称为相对定位 定位结果 与所用星历同属一坐标系的基线向量 坐标差 及其精度信息特点 优点 定位精度高缺点 多台接收共同作业 作业复杂 数据处理复杂应用领域 高精度测量定位及导航 相对定位的类型静态定位 普通静态定位快速静态定位动态定位 实时动态定位 RTK RealTimeKinematic 单基准站RTK 多基准站RTK 网络RTK 差分定位 差分定位 差分GPS DGPS DifferentialGPS 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 RTK测量系统 RTK测量系统 它由三部分构成 GPS接收设备数据传输系统软件系统 单基站差分 RTK 原理 固定参考站的GPS观测卫星数据通过通讯链传送到中央服务器 中央服务器会通过计算电离层误差 对流层误差和星历误差 中央服务器通过内插修正过的星历误差 电离层和对流层误差 为该流动站生成一个 虚拟参考站 然后再生成一组标准格式的改正信息并传送给流动站 像参考站在身边一样 特点 精度和可靠性高 多基站RTK 四 GPS产品及应用 按接收机的用途分导航型接收机测地型接收机授时型接收机 按接收机的载波频率分单频接收机双频接收机 测量型GPS Trimble 导航型GPS 手持导航产品GPS72 集测量 导航 资源调查于一身的全天候专业机型GPSmap76 长天蓝牙GPSGR236 车载GPSStreetPilotc330 内置卫星导航系统PDA神达Mio168 HONEYWELLKLN900机载GPS 高明GPSMAP232航海GPS GarminForerunner201 监控GPS GPS控制测量工作可分为外业作业和内业两大部分 内业工作主要包括 GPS测量的技术设计测后数据处理技术总结等外业工作主要包括 选点 即观测站址的选择 建立测站标志野外观测作业成果质量检核等 五 GPS控制测量的主要内容 GPS控制测量的实施阶段划分 GPS网的优化设计是技术设计的主要工作 其主要内容包括 精度指标的合理确定 网的图形设计和网的基准设计 如果按照GPS测量实施的工作程序 则大体可分为这样几个阶段 网的优化设计 选点与建立标志 外业观测 成果检核与处理 GPS网优化设计的内容 对GPS网的精度要求 主要取决于网的用途 精度指标 通常均以网中相邻点之间的距离误差来表示 其形式为其中 网中相邻点间的距离误差 mm a0 与接收设备有关的常量误差 mm b0 比例误差 ppm或10 6 D 相邻点间的距离 km GPS控制测量精度标准确定 GPS网图形设计一般原则 GPS网图形设计 根据对所布设的GPS网精度要求和其他方面的要求 设计出由独立GPS边构成的多边形网 为了满足用户的要求 设计的一般原则是 1 GPS网一般应采用独立观测边构成闭合图形 例如三角形 多边形或附合线路 以增加检核条件 提高网的可靠性 2 GPS网作为测量控制网 其相邻点间基线向量的精度 应分布均匀 3 GPS网点应尽量与原有地面控制网点相重合 重合点一般不应少于3个 不足时应联测 且在网中应分布均匀 以利于可靠地确定GPS网与地面网之间的转换参数 4 GPS网点应考虑与水准点相重合 而非重合点 一般应根据要求以水准测量方法 或相当精度的方法 进行联测 或在网中布设一定密度的水准联测点 5 平原地区高程联测点不宜少于5个点并应均匀分布于网中 丘陵或山地高程联测点应按测区地形特征适当增加高程联测点其点数不宜少于10个点 6 为了便于GPS的测量观测和水准联测 GPS网点一般设在视野开阔和交通便利的地方 7 为了便于用经典方法联测或扩展 可在GPS网点附近布设一通视良好的方位点 以建立联测方向 方位点与观测站的距离 一般应大于300m 当采用GPS进行相对定位时 网形的设计很大程度上取决于接收机的数量和作业方式 如果只用两台接收机同步观测 一次只能测定一条基线向量 如果能有三四台接收机同步观测则可布设以下所示的由三角形和四边形组成的网形 GPS网图形设计 独立基线向量的可选方式示意图 四台接收机 单一时段 独立基线向量的可选方式示意图 四台接收机 两时段 图形选取方式 基本图形的选择 根据GPS测量的不同用途 GPS网的独立观测边 应构成一定的几何图形 图形的基本形式如下 三角形 多边形 星形网 GPS控制网点实地踏勘 1 点位处应便于设置仪器合操作 且视野开阔 视场内障碍物的高度角一般应大于10 15度 2 点位应远离大功率无线电发射源 如电视台 微波站 距离不小于200米 远离高压输电线不小于50米 3 点位附近不应有强烈干扰卫星信号接收的物体 并尽量避免大面积水域 4 点位应选在交通方便地方 5 至少有一个后视方向 以便常规测量使用 6 地面基础稳定 便于点位保存 外业观测主要包括以下内容 天线安置开机观测气象参数测定观测记录 外业观测 1 天线应架设在三脚架上 并安置在标志中心的上方直接对中 天线基座上的圆水准气泡必须整平 2 天线的定向标志应指向正北 以减弱相位中心偏差的影响 3 刮风天气安置天线时 应将天线进行三方向固定 以防倒地碰坏 而且架设天线不宜过低 一般应距地面1m以上 天线架设好后在圆盘间隔120度的三个方向分别量取天线高 三次测量结果之差不应超过3mm 取其三次结果的平均值记入测量手薄中 天线高记录取值到0 001m 天线安置 4 测量气象参数 在高精度GPS测量中 要求测定气象元素 每时段气象观测应不少于3次 时段开始 中间 结柬 气压读至0 1mbar 气温读至0 1 对一般地籍控制测量只记录天气状况 5 复查点名并记入测量手薄中 将天线电缆与仪器进行连接 经检查无误后方能通电启动仪器 开机观测 1 当确认外接电源电缆及天线等备项连接完全无误后方可接通电源 启动接收机 开机后接收机有关指示显示正常并通过自检后 方能输入有关测站和时段控制信息 2 接收机在开始记录数据时应注意查看有关观测卫星数量 卫星号 实时定位结果及其变化 存储介质记录等情况 3 一个时段观测过程中 不允许进行以下操作 关闭又重新启动 进行自测试 发现故障除外 改变卫星高度角 改变天线位置 改变数据采样间隔 按动关闭文件和删除文件等功能键 4 每一观测时段中 气象元素一般应在始 中 末各观测记录一次 当时段较长时可适当增加观测次数 5 在观测过程中要特别注意供电情况 除在出测前认真检查电池容量是否充足外 作业中观测人员不要远离按收机 听到仪器的低电压报警应及时予以处理 否则可能会造成仪器内部数