测量教案4-2章_GPS测量

1、第8章 GPS测量的原理与方法 8.1 GPS概述73年12月，美国国防部组织开始研制新一代军用卫星导航系统GPS89年2月14日发射第一颗GPS卫星94年3月28日发射完第24颗卫星目前在轨卫星数32颗均匀分布在6个与赤道倾角为55近似圆形轨道上每个轨道4颗卫星运行，距地表平均高度20200km速度为3800m/s，运行周期为11h58min每颗卫星覆盖全球38面积保证地球上任何地点、任何时刻、高度15以上天空能同时观测到4颗以上卫星。 GPS定位空间测距交会P点安置GPS接收机，接收卫星发射的测距码信号在接收机时钟控制下解出测距码从卫星接收机的时间t乘光速c、加卫星时钟与接收机时钟不同步改

2、正算出卫星接收机的空间距离vt卫星钟差，vT接收机钟差GPS用单程测距方式接收机接收到的测距信号不再返回卫星接收机直接解算传播时间t并算出卫星接收机的距离)(tTvvctc要求卫星和接收机时钟严格同步卫星在严格同步时钟控制下发射测距信号实际上，卫星钟与接收机钟不可能严格同步产生钟误差两个时钟不同步对测距结果的影响c(vTvt)卫星广播含卫星钟差vT已知接收机钟差vT未知观测方程解算卫星接收机的空间距离没有考虑大气电离层和对流层折射误差影响不是卫星接收机的几何距离伪距)(tTvvctcXllVl Xl lllXllVlXllllllllVVVllVlllXlXXllVlXllllVllXllVl

3、XllllllllVVVllVlllXlX距离 = 传播时间 x 光速我我 们们 必必 定定 在在 以以 R1 为为 半半 径径 的的 球球 面面 的的 某某 个个 点点 上上R12 个个 球球 面面 相相 交交 成成 一一 个个 圆圆 弧弧点点 位位 被被 限限 制制 在在 一一 曲曲 线线 上上R1R23 个球面相交成一个点个球面相交成一个点3 个距离段可以确定纬度，经度，和高程个距离段可以确定纬度，经度，和高程点点 的的 空空 间间 位位 置置 被被 确确 定定R1R2R3测距时刻ti的卫星坐标(xi，yi，zi)用接收卫星Si广播星历解算出。则Si卫星P点的空间距离伪距观测方程有xP，

4、yP，zP，vT四个未知数为了解算这四个未知数，应同时锁定4颗卫星观测222)()()(iPiPiPiPzzyyxxR222)()()()(iPiPiPiPTitiPiPzzyyxxRvvctc观测A，B，C，D四颗卫星的伪距方程解方程算出P点坐标(xP，yP，zP) 222222222222)()()()()()()()()()()()()()()()(DPDPDPTDtDPDPCPCPCPTCtCPCPBPBPBPTBtBPBPAPAPAPTAtAPAPzzyyxxvvctczzyyxxvvctczzyyxxvvctczzyyxxvvctc8.2 GPS的组成工作卫星、地面监控系统、用户设

5、备8.2.1 地面监控系统卫星广播星历包含描述卫星运动及其轨道的参数每颗卫星广播星历由地面监控系统提供地面监控系统1个主控站、3个注入站、5个监测站(1) 监测站主控站控制下的数据自动采集中心有双频GPS接收机、高精度原子钟、气象参数测试仪计算机等设备完成对GPS卫星信号连续观测，搜集当地气象数据观测数据经计算机处理后传送到主控站(2) 主控站协调和管理所有地面监控系统工作 根据观测数据，推算编制各卫星星历、卫星钟差大气层修正参数，数据传送到注入站 提供时间基准。各监测站和GPS卫星原子钟应与主控站原子钟同步，或测量出其间钟差将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

6、轨道运行 启动备用卫星，以代替失效的工作卫星(3) 注入站主控站控制下将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文其它控制指令注入卫星存储器监测注入信息的正确性除主控站外，整个地面监控系统无人值守8.2.2 用户设备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、电源GPS接收机任务捕获卫星信号，跟踪并锁定卫星信号处理接收到的信号测量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三维坐标、速度和时间用途导航型、测地型和授时型载波频率单频接收机(用1个载波频率)双频接收机(用2个载波频率)南方测绘NGS9600测地型单频静态GPS接收机 8.3

7、GPS定位的基本原理 分类：1）待定点位运动状态静态定位、动态定位 2）测距原理伪距定位、载波相位定位（绝对定位、相对定位）、实时差分定位（位置差分、伪距差分、载波相位差分） 8.3.1 卫星信号 载波、测距码(C/A码P码)、数据码(导航电文或称D码) 同一原子钟频率f0=10.23MHz下产生(1) 载波信号频率用无线电波段两种不同频率电磁波L1载波：f1=154f0=1575.42MHz，1=19.03cmL2载波：f2=120f0=1227.60MHz，2=24.42cm载波L1调制有C/A码、P码、数据码载波L2调制有P码、数据码测距码由0，1组成的二进制编码一位二进制数比特(bit

8、)每秒钟传输比特数称为数码率卫星的两种测距码C/A码和P码属于伪随机码具有良好自相关特性和周期性，容易复制测距码测距原理卫星时钟控制发射某结构测距码经t时间传播后到达GPS接收机接收机产生同结构测距码复制码复制码延迟时间后与接收的卫星测距码比较调整延迟时间使两个测距码完全对齐复制码延迟时间=tC/A码码元宽度对应距离293.1m卫星与接收机测距码对齐精度1/100，测距精度2.9mP码码元宽度对应距离29.3m卫星与接收机测距码对齐精度1/100，测距精度0.29mP码测距精度高于C/A码10倍C/A码粗码，P码精码P码受美国军方控制，一般用户只能用C/A码测距(2) 数据码导航电文D码含卫星

9、星历、卫星工作状态、时间系统、卫星时钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正导航电文与前述的测距码一样二进制码依规定格式按帧发射每帧电文长度1500bit，播送速率50bit/s 8.3.2 伪距定位1) 单点定位GPS接收机安置于测点，锁定4颗以上卫星将收到的卫星测距码与接收机产生的复制码对齐测量与锁定卫星测距码到接收机传播时间ti求出卫星至接收机的伪距从锁定卫星广播星历获取卫星空间坐标距离交会原理解算天线点三维坐标伪距观测方程有4个未知数锁定4颗卫星时方程有唯一解没考虑大气电离层和对流层折射误差、星历误差影响，单点定位精度不高C/A码定位精度25m，P码定位精度10m2) 多点定位多台GPS

10、接收机(23台)安置在不同测点同时锁定相同卫星进行伪距测量大气电离层和对流层折射误差、星历误差影响基本相同计算各测点间坐标差(x,y,z)时可消除上述误差影响测点之间的点位相对精度大大提高8.3.3 载波相位定位载波L1，L2频率比测距码(C/A码和P码)频率高波长比测距码短很多,1=19.03 cm,2=24.42cm使用载波L1或L2作测距信号将卫星传播到接收机天线的余弦载波信号与接收机基准信号比相求出相位延迟计算伪距可获得很高测距精度如测量L1载波相位移误差为1/100伪距测量精度可达19.03cm/100=1.9mm(1) 载波相位绝对定位载波相位绝对定位相位测量只能测出不足一整周期相

11、位移存在整周数N0不确定问题，N0整周模糊度t0时刻(历元t0)，某卫星发射载波信号到接收机相位移2N0+该卫星接收机距离载波波长22200NN考虑钟差改正c(vTvt)大气电离层折射改正ion对流层折射改正trop的载波相位观测方程虽然对锁定卫星进行连续跟踪观测可修正ion和trop但整周模糊度N0始终未知能否准确求出N0成为载波相位定位的关键问题 RvvcNtropiontT)(20(2) 载波相位相对定位两台GPS接收机分别安置在两测点两测点连线基线同步接收卫星信号相同卫星相位观测值线性组合解算基线向量在WGS-84坐标系的增量(x,y,z)确定它们的相对位置一个测点坐标已知，可推算出另

12、一个测点坐标按相位观测的线性组合形式载波相位相对定位单差法、双差法、三差法只介绍前两种1) 单差法单差法基线两端点安置两台GPS接收机对同一颗卫星同步观测，观测方程设基线两端点的电离层改正ion对流层改正trop相等得单差观测方程单差方程消除了卫星钟差改正数vTitropiontiTiiitropiontiTiiRvvcNRvvcN2222020211110101)(2)(2ittiiRvvcN12211212)(22) 双差法双差法安置在基线端点上的两台GPS接收机同时对两颗卫星进行同步观测观测Sj卫星的单差观测方程求差双差观测方程消除了基线端点两台接收机相对钟差改正数vt1vt2差分法可减

13、少计算中的未知数数量消除或减弱测站共同误差影响，提高定位精度jttjjRvvcN12211212)(2ijijijRN1212122将 化算为基线端点坐标增量(x12,y12,z12)的函数有3个坐标增量未知数如两台GPS接收机同步观测了n颗卫星则有n1个整周模糊度，未知数总数3+n1当每颗卫星观测了m个历元时就有m(n1)个双差方程为求出3+n1个未知数要求双差方程数未知数个数ijR12ijijijRN1212122m(n1)3+n1一般取m=2，也即每颗卫星观测2个历元为提高相对定位精度，同步观测的时间应比较长具体时间与基线长、所用接收机类型(单频/双频)和解算方法有关在15km短基线上使用双频机观测用快速处理软件野外每个测