GPS卫星导航系统概述

10GPS定位系统组成GPS承受“多星、高轨、测时、测距”体制，实现了全球掩盖、全天候高精度实时连续导航定位GPS全球定位系统主要由三大局部构成：空间局部----GPS卫星星座、把握局部 地面监控系统、用户设备局部----GPS信号接收机。空间局部GPS243颗备用卫星。645560°，在相邻轨道3020230km，运行周1158GPS卫星星座的分布使得同一观测站上每天消灭4颗GPS11GPS2-1所示。2-1GPS卫星星座Figure2-1GPSsatelliteconstellationGPS卫星的根本功能：供给周密的时间基准。向用户发送导航和定位信息。在地面监控站指令下，调整卫星姿势和启用备用卫星。接收并存储地面监控站发出的导航信息，并执行监控站的把握指令。地面监控系统GPS51个主控站、35个监测站。主控站位于美国科罗拉多的的联合空间执行中心；3个注入站分兰；5个监控站分别设在主控站、3个注入站和夏威夷岛。GPS地面2-2所示。2-2GPS地面监控站Figure2-2GPScontrolstation5个监控站供给的卫星和气象数据。其主要任务是：协调和治理地面监控系统。供给全球定位系统的时间基准。计算各卫星的星历、大气层的修正参数、时钟修正参数，并按确定格式编辑成导航电文。对地面监控系统和卫星工作状况进展故障诊断，准时进展卫星调度，启用备用卫星取代失效的工作卫星。将计算、处理和编辑的卫星导航电文传输到三个注入站。各个卫星。监测站都配有GPS接收机，对空间每个GPS卫星进展连续不断地跟踪、观测、采集数据和监测卫星的工作状况，在确定时间间隔进展一作状态的数据等。将全部观测数据进展处理，并传递给主控站。用户设备局部GPS卫星信号的无线电设备，是实现GPS导航定位的用户终端，例如车载设备、手持设备、航空和航海设备等〔2-3所示。用户设备一般包括GPS接收天线、用户接收处理机、GPS数据处理软件和把握显示设备等局部。核心局部是接收处理机，简称GPS接收机。2-3GPS设备终端Figure2-3GPSterminalequipmentGPS接收机的主要任务是捕获到以确定卫星高度角截止角所选GPS卫星放射无线电信号，获得必要的信息和观测量，进展数据处理，实现导航定位、测速和定时。卫星相关信息解算GPS信号进展导航定位时，卫星的瞬时坐标可以依据导GPS接收机所测得的伪距或者载波相位为观测GPS姿势测量系统中，卫星卫星视线矢量解算的数据根底，在姿势结算中具有格外重要的意义。出所跟踪导航卫星在WGS-84GPS姿势测量系统要求在接收机获得卫星信号之后，从中猎取卫星星历参数，然后利用相应的公式解算出卫星瞬时位置。通过对卫星星历的解码计算，可以从星历数据中得到该卫星的2-1：2-1GPS星历参数定义Table2-1ThedefinitionofGPSephemerisdata参数表达式参数表达式说明t0e星历数据的参考时刻M参考时刻的平近点角0n卫星平均角速度的修正项es卫星椭圆轨道的偏心率a卫星椭圆轨道长半轴的平方根e卫星轨道升交点赤经io参考时刻卫星轨道平面相对地球轨道面的倾角卫星轨道近地点角距卫星轨道升交点赤经变化率idot卫星轨道平面倾角变化率C C ,Cus uc升交角距的正、余弦调和修正项C ,Crs rc卫星地心向径的正、余弦调和修正项C,Cis ic卫星轨道倾角的正、余弦调和修正项依据上述卫星轨道参数，计算观测时刻tWGS-84坐标系下瞬时位置的步骤如下：计算归一化时间tkt tt (2.1)k 0eGPS卫星各轨道参数是基准参考时刻t0e

刻t相对于轨道参考时刻t0e

的时差tk

tk

将t 确实定值把握在一个星期之内，即假设t 302400s时，k kt t 604800s；假设t 302400s时，t t 604800s。k k k k k计算卫星轨道长半轴aaa2 (2.2)计算卫星运行的平均角速度nn=n0

n

n (2.3)a33.9860051014m3s2WGS-84a3计算卫星在tk

时刻的平近点角Mk计算卫星在tk

M M nt (2.4)k 0 k时刻的偏近点角EkE Mk k

esinEs

(2.5)Ek

M，k再依次带入上式〔即Ek

M ek

sinMk

E小于某一给定微小量为止。对于GPS卫星而言，由于e很小，十次左右迭代就足够精度了，一般取E1012。计算卫星的地心向径rkra1ek

sinEk

(2.6)计算卫星在tk

fk11e2sinEs k

(2.7)f arctank cosEek sfkftan

tan

(2.8)11e1eE在E180时发散，需要特别处理。k计算升交点角距k

fk

(2.9)计算摄动修正项升交点角距修正项：

、rk

、ikCk uc

cos2k

C us

(2.10)卫星地心向径修正项：rCk rc

cos2k

C rs

(2.11)卫星轨道倾角修正项：iCk ic

cos2k

is

(2.12)计算经摄动矫正后升交点角距uk

、卫星地心向径rk

、卫星轨道倾角ik

u k

k

(2.13)rrk k

rk

(2.14)i ik

idottk

ik

(2.15)计算卫星在椭圆轨道直角坐标系中的位置坐标X位置坐标为：x r

cosuk k kkkykrsinukk

(2.16)zk

0 计算卫星椭圆轨道在tk

时刻的升交点赤经k k e

tie k ie0e

(2.17)其中：ie

是地球的自转角速率，ie

7.2921151467105rads。计算卫星在协议地球坐标系中的空间直角坐标将卫星在轨道直角坐标系内的坐标经旋转变换到WGS-84坐标系下，则有：x

sins

k k

k k k kyR R i xxsin ycosisin

(2.18)s z k x k k k k k k kzs

0

ysini k kWGS-84坐标系下的坐标转换到以用户观测站为中心的站心坐标。U的椭球法线指向相重合，指向天；YZ轴并指向X轴垂直于XDZ即通常的东北天ENU坐标系。U点的坐标xyz可以表示为：x x x yRy y

(2.19) z

zS

zU其中：x y zTSx y TU

为上述计算得到的卫星WGS-84坐标系下的坐标；为用户观测站在WGS-84坐标系下的坐标。而坐标变换矩阵R：

sinL

cosL 0 RsinBcosL sinBsinL cos

(2.20)cosBcosL cosBsinL sinB其中LB为观测站的地理纬度。在实际应用中，为了更直观便利地表示卫星相对观测站的位置，通常用站心极坐标下卫星的方位角、高度角和卫星到用户观测站的距离R 表示。站心极坐标系定义：以观测站为原点，以Y轴为极su坐标和站心直角坐标之间的关系式：x cossinyR coscos

(2.21) su zsin 依据上式可以得到测站极坐标表示：R suarctanxy

(2.22)x2x2y2z2x2y2x2y2

(2.24)依据上述公式可以求得的卫星在某时刻到观测站UGPS进展最正确优化选择，提高测量精度。载波相位测量原理GPS信号时刻的瞬GPS卫星发播的信号是一种调制了伪随机码延时锁定，即实现对卫星信号的跟踪。一旦跟踪成功，接收机的本地锁相环实现相位的锁定，锁相后接收机本地参考信号相位等于GPS波相位观测量。2-4载波相位测量示意图Figure2-4sketchmapofcarrierphasemeasuring通过解调猎取纯洁载波之后，GPS接收机就可以进展相位测量。2-4〔考频率是有差异的GPS接收机所接收的卫星信号与接收机振荡器所产生的参考信号之间的相位差。t00u0为：0u0

，测量的载波相位差stu 0sttst

0u 0 u0su

t0

Nsu

t20

(2.25)u

tt0

时刻接收机u的本振参考信号的载波相位值；st0

ut0

时刻所接收到的卫星s的载波信号相位值；

Nst

tu 0 u 0 0的载波整周数，它是一个待定的未知数，称为初始整周模糊度。t，载波相位变化的整周数Nsttu

t星s到接收机u的总相位差可以表示为：ststNsttNst

(2.26)u u u 0 u 0式中：

st为对应某一初始历元tu

，t时刻缺乏一整周的小数局部相u

表示从初始观测历元t0

至历元t之间载波相位变化的整周数，可由接收机自动的连续计数给出，是一个值，又称为整周计数。2-5载波相位测量原理示意图Figure2-5Sketchmapoftheprincipleofcarrierphasemeasuring2-5所示，假设取符号：ststNstt2 (2.27)则总相位差：

u u u 0ststNst

(2.28)u u u 0这里stu和同一个u卫星sstu 0

只与初始观测历元t0

Nstu 0

就保持为一个常值。载波相位观测方程GPS信号在接收机接收瞬时相对卫星放射瞬GPS卫星放射的载波化量，从而可以来确定星站之间的距离，又称为测相伪距测量。由于载波的波长L1

19cm, L2

24cm比测距码码元宽度要小得多，因此GPS载波信2-3所示的载波信号。2-6GPS信号载波示意图Figure2-6sketchmapofGPSsignal〔GPS卫星s在t时刻发出信号，载波相位为st，经过一段传输延迟t后，被接收机u接收，此时接收机本地信号的载波相位为tt，则在t时段内对应的相位差st：u ustttst (2.29)u u此时，卫星到接收机的距离为：sstttst (2.30)u u uGPS〕是否重复？钟差和接收机钟差的补偿。GPSs在历元Tj

发出的载波信号的相位为s

TjT

在历元Ti

接收到来防卫星的载波信号的相位也为s 为j

，而接收机u在该历元所产生的参考信号的相位为u

i是两信号的总相位差可以表示为：su u

i

(2.31)位变化与频率的关系可以表示为：tttft (2.32)f表示频率，以周2为单位。考虑到卫星放射的载波信号频率和接收机振荡器的固定参考频f，则有：Tu i

sTj

fTi

T (2.33)j将式(2.33)带入式(2.31)，可得：su u

i

f (2.34)其中，Ti

Tj延迟时间。考虑到接收机时钟和卫星时钟相对GPS系统时之间的钟差t和ut，有：s

t Tu

tu

(2.35)tTs j

ts

(2.36)tu

和t分别为卫星时钟和接收机时钟的钟面时刻。s依据式(2.35)和式(2.36)，式(2.34)可以改写为：sftu u

tfts

fts

(2.37)两边同时乘，可以得到：su

ctu

tcts

ts

(2.38)t的总相位差为实际上为：

ststNst

(2.39)u u u 0ut0历元t之间的载波相位整周变化数。

至观测径的影响，结合式(2.38)和(2.39)可以得到测相伪距观测方程形式为：ststct tu u u

Nstu 0

tro

s (2.40)mp u依据式(2.40)，可以得到GPS信号接收机的载波相位观测方程的最终形式：st1st

ft

ftNsts (2.41)u

ion

tro

u s u 0 u其中：st为观测历元t时刻接收机u到卫星s的几何距离；u历元t历元t

iontro

为观测为观测mp历元ts为接收机的u观测噪声、相对论效应以及其他误差载波相位差分方程GSP定姿来讲，关键的问题是确定天线之间相对位置，即基线矢量。考虑到载波相位测量中的误差来源，为了求解的便利，对GPS观测方程进展线性组合，这种组合方法称之为差分法。星钟差、接收机钟差、电离层和对流层的折射误差、卫星的轨道误差合，进展相对定位，便可有效地消退或减弱上述误差的影响，从而提的组合形式有单差法、双差法和三差法。单差相对位置测量单差相对位置测量〔又称为站间差分，如图2-712在同一历元t时刻同步观测同一颗卫星sj值，然后依据单差观测值进展相对位置测量。2-7载波相位单差示意图Figure2-7Sketchmapofcarrierphasesingle-difference依据式〔2.41〕可以得到载波相位测量的观测方程：jt1jt

ftft Njtj (2.42)1

ion1

tro1

mp1

1 j 1 0 1jt1jt

ft

ft Njtj (2.43)2

ion2

tro2

2 j 2 0 2将式(2.42)减去式(2.43)12相对于卫星j的单差观测方程：jtjtjt12 1 21jtjtfttNjtNjt

(2.44) 1 2 1 2 1 0 2 01 jj ion1

tro1

mp1

ion2

tro2

mp2 1 2

tjtjt12t t

1 2t12Nj12

1Njt1

2Njt2 0ion12

ion2tro12

tro1mp1

tro2mp2jjj12 1 2则上式可以改写为：j12

t

1jtjtft Nj 1 2 12 1

(2.45) j ion12

tro12

mp12 12影响，那么单差观测方程可以简化为：j

t

1jtjtft N

(2.46)12

1 2 12 12 121，2之间的相对钟差，但是对线较短时，这种有效性将更为显著。双差相对位置测量12t同步观测一组卫星sj和sk〔如2-8。2-8载波相位三差示意图Figure2-8Sketchmapofcarrierphasedouble-differencesk对于卫星，有类似于式(2.46)skk

t

1ktktft N

k

(2.47)12

1 2 12 12 12无视大气折射误差和多径效应误差的影响，将式(2.46)和(2.47)相减，可以得到不同测站与不同卫星之间的双差观测方程：jktjtjkt12 12 121

(2.48) j tjtktktNjk

jkNjk12

Nj12

1Nk12

2 1 2 12 12为双差整周模糊度；jk12

j12

k为接收机测量噪声等误差的双差。12GPSGPS对位置解算较为广泛。2.5.2三差相对位置测量三差观测量是历元之间进展差分，即由两个相邻观测历元t和t1 2一组卫星所得到的双差观测量之差〔如图2-9所示。2-9载波相位三差示意图

同步观测同Figure2-9Sketchmapofcarrierphasethree-difference由式(2.48)可得t和t1 2

时刻双差观测方程：

1jtjtktktNjkjkt

(2.49)12 1

1 1 2 1 1 1 2 1 12 12 112 2

1jtjtktktNjkjkt

(2.50) 1 2 2 2 1 2 2 2 12 12 式(2.49) 1 2 2 2 1 2 2 2 12 12 12 1

jkt12

1jt 1

jtkt2 1 1

kt2 1 jtjtktkt

(2.51)1 2 2 2 1 2 2 2jkt12 1

jkt12 2影响。但是，三差观测模型使观测方程的数目明显削减，从而削减了观测信息，这会对未知参数的解算产生不利的影响。实践结果说明，问题。GPSGPS姿势测量系统中承受GPS载波相位双差观测量。载波相位测量误差分析GPS载波相位测量值中不行避开的存在误差。这些误差按其来源不同大体可分为三种类型：与GSP卫星有关的误差〔与GPS信号传播有关的误差与接收机有关的误差。卫星计算位置卫星计算位置卫星真实位置星钟误差星历误差电离层误差何几距离离量测距对流层误差信号传播路径多路径误差待消退误差2-10GPS系统误差示意图Figure2-10SketchmapofGPSsystemerrorsGPS卫星有关的误差GPS卫星有关的误差主要包括卫星钟差、卫星星历误差、地的影响较小，只有在高精度定位中才予以考虑。卫星钟差卫星钟差是指GPS卫星时钟与GPSGPSGPSGPS卫星上都设有高精度的原子时钟，但它们与抱负的GPS系统时之间照旧存载波相位测量产生误差。对于卫星时钟的误差，一般通过GPS系统的地面监控站对卫星利用二阶多项式进展修正。ta a tt a tt 2f0 f1 oe f2 oe式中，t 为卫星钟差修正的参考历元；a 为相对于GPS系统时的时oe f0间偏差〔钟差；a 为相对于实际频率的偏差系数〔频差；a 为卫f1 f2星时钟的频率漂移系数；tGPS观测历元。20ns6米。另外，对同一颗卫星予以消退。卫星星历误差卫星星历误差是指卫星星历表示的卫星轨道与真实轨道之间的GPS系统监控站采集的伪距数据计算的拟合轨道外GPS卫星轨道摄动的不稳定性和简洁性、地面监控系统跟踪网的规模、跟踪站的分布、跟踪方法以及轨20~30米。另外，可以从IGS中心局或其所属的各数据分析中心免费得到周密星历，目前的周密星历的精度一般优于5厘米，但该星历不具备实时特性，无法应用于实时观测。GPS4种：，常用于对测量精度要求不高的定位中；承受轨道松弛法，承受该方法处理观测数据，通过平差解算得到卫星轨道；IGS供给的周密星历进展定轨，以削减星历误差；承受同步观测差分法，不同接收机进展同步观测，将测量值求差，削减星历误差的影响。利用不同接收机观测同一组卫星，卫时，可以极大地削减星历误差的影响。GPS信号传播误差GPS卫星位于距地球外表20230km程中受到大气层和地表建筑物的影响，与信号传播有关的误差主要有：电离层折射误差、对流层折射误差和多径效应误差。电离层折射误差50km~1000km之间的大气层区域。受太阳辐射作用，电离层中的中性气体分子被电离，方向运动，从而产