GPS全球定位系统及GPS测量简介

1、第四章 GPS全球定位系统 及GPS测量简介,GPS全球定位系统 GPS测量,4.1 什么是GPS？,GPS的英文全称是Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System，简称GPS有时也被称作NAVSTAR GPS。 其意为“导航星测时与测距全球定位系统”,或简称全球定位系统。 全球定位系统（GPS）是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性（陆地、海洋、航空和航天）、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能。能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。,GPS的发展简史子午卫星系统阶段,1958年1

2、2月开始设计 NNSS(Navy Navigation Satellite System) TRANSIT，即子午卫星系统。1964年1月该系统正式运行。1967年7月系统解密以供民用。,TRANSIT系统 卫星：6颗 极地轨道 轨道高度：1100km 信号频率：400MHz、150MHz 绝对定位精度：1m 相对定位精度：0.1m0.5m 定位原理：多普勒定位 存在问题：卫星少，无法实现实时定位；轨道低，难以精密定轨；频率低，难以消除电离层影响。,GPS的发展简史方案论证阶段,1973年12月，美国国防部批准研制GPS。 1978年2月22日，第1颗GPS试验卫星发射成功。 从1973年到1

3、979年，共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。,GPS的发展简史全面研制和试验阶段,从1979年到1987年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。,GPS的发展简史实用组网阶段,1989年2月14日，第1颗GPS工作卫星发射成功。 1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战。 1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。 1995年7月17日，GPS达到FOC 完全运行能力（Full Operational Capability）。,GPS的发展简史GPS现代化阶段,

4、1999年1月25日，美国副总统戈尔宣布，将斥资40亿美圆，进行GPS现代化。 GPS现代化实质是要加强GPS对美军现代化战争中的支撑和保持全球民用导航领域中的领导地位。 GPS现代化的内涵： 一是保护，即GPS现代化是为了 更好地保护美方和友好方的使用， 要发展军码和强化军码的保密性能， 加强抗干扰能力； 二是阻止：即阻扰敌对方的使用， 施加干扰，施加SA，AS等； 三是保持，即是保持在有威胁地 区以外的民用用户有更精确更安全 的使用。,4.1.1 GPS的系统组成,GPS的系统组成 GPS系统由三部分组成 空间部分 地面控制部分 用户设备部分,GPS的系统组成 空间部分,GPS卫星星座 设

5、计星座：21+3 21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星 6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55 ，周期11h 58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次） 保证在每天24小时的任何时刻，在高度角15以上，能够同时观测到4颗以上卫星 当前星座：28颗,GPS的系统组成 空间部分,GPS卫星 作用： 发送用于导航定位的信号 其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。 主要设备： 原子钟（2台铯钟、2台铷钟）、 信号生成与发射装置 类型 试验卫星：Block 工作卫星：Block （包括Block 、Block A、Block R、Block F（新一代的GPS

6、卫星）,GPS的系统组成 地面控制部分,GPS的地面控制部分 组成： 主控站（1个） 监测站（5个） 注入站（3个） 作用： 监测和控制卫星运行 编算卫星星历（导航电文） 保持系统时间。,GPS的系统组成 地面控制部分,主控站（1个） 作用： 收集各监测站的数据， 编制导航电文，监控卫星状态； 通过注入站将卫星星历注入卫星， 向卫星发送控制指令； 卫星维护与异常情况的处理。 地点：美国克罗拉多州法尔孔空军基地。 监测站（5个） 作用：接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站。 地点：夏威夷、主控站及三个注入站。 注入站（3个） 作用：将导航电文注入GPS卫星。 地点：阿松森群

7、岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）。,GPS的系统组成 用户设备部分,组成 GPS接收机及辅助设备 GPS后处理软件包 作用 跟踪、捕获卫星信号 进行信号处理 测定位置、速度和时间 GPS信号接收机的构成 天线单元 接收单元,GPS信号接收机,天线单元,接收单元,GPS信号接收机的组成,4.1.2 GPS接收机的分类,类型 按用途： 大地型（测地型）、导航型与授（守）时型 按能否接收测距码（伪距码）： 有码与无码 按接收伪距码的种类： P码与C/A码 按接收不同频率载波的数量： 单频与双频,GPS接收机天线 分类： 单板天线 四螺旋天线 微带天线 锥形天线,4.1.3 GP

8、S接收机的基本工作原理,接收机主机 变频器及中频放大器 信号通道 存储器 微处理器 显示器 电源,GPS接收机的基本工作原理,4.1.4 GPS系统的特点,定位精度高 观测时间短 测站间无需通视 可提供三维坐标 操作简便 全天候作业 功能多、应用广,4.1.5 GPS的应用,按其应用领域分 a. 军事用途,GPS的应用,b. 民间用途 陆路交通（车辆导航、监控） 航运、航空搜索 船舶远洋导航和进港引水 测量 地理信息系统 个人旅游及野外探险,b. 民间用途 精细农业 遥感 卫星定轨 资源勘探 电力、广播、电视、通讯等网络的时间同步、时间传递 .,GPS的应用,4.2 GPS测量,4.2.1 G

9、PS测量的基本原理,GPS定位的几何原理 已知点：GPS卫星 观测值：卫地距离 待定点：接收机（天线）,GPS测量的基本原理,需解决的问题 应发射什么样的卫星信号 此信号如何测量出卫地距离 如何确定卫星的位置 定位的精度怎样 受到哪些误差影响 有无其它更好方法,？,4.2.2 GPS卫星信号的信号结构,GPS信号的基本组成部分（信号分量） 载波（Carrier Phase） 测距码（Ranging Code） 导航电文（Navigation Message/Data Message）,载波 作用：搭载其它信号，也可用于测量（测距）。 类型 目前 L1：频率：1575.43MHz，波长：19cm

10、 L2：频率：1227.60MHz，波长：24cm 现代化后增加 L5：频率： 1176.45MHz，波长：26cm,GPS卫星信号结构载波,GPS卫星信号结构测距码,测距码 属于伪随机噪声码 PRN码（Pseudo Random Noise ） 类型（目前） C/A（C1） 码速：1.023MHz 码元长度：293m P(Y)1、 P(Y)2 码速：10.23MHz 码元长度：29.3m 现代化后增加 C2 M1、M2(军用码),导航电文,导航电文是由GPS卫星向用户播发的一组反映卫星在空间的位置、卫星的工作状态卫星钟的修正参数，电离层延迟修正参数等重要数据的二进制代码，也称数据码（D码）。

11、,传输速率:50bit/秒。 以“帧”为单位向外发送。,导航电文,每帧的长度为1500比持，播发完一个主帧需30秒钟。 一个主帧包括5个子帧。每子帧均包含300比特，播发时间为6秒。 每个子帧又可分为10个字，每个字都是由30个比特组成的。其中第四，第五两个子帧各有25个页面，需要750秒钟才能将25个页面全部播发完。第一、二、三子帧每30秒重复一次，第四、五子帧每30秒翻转一页。12.5分钟完整地播发一次，然后再重复。,导航电文,1.遥测字（TLM） 位于各子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。其中所含的同步信号为各子帧提供了一个同步的起点，便于用户解译电文数据。 2.转换字（HOW） 位于各

12、子帧的第二个字码。其作用是提供帮助用户从所部获的C/A码转换到捕获P码的Z计数。,导航电文,3.第一数据块 第一子帧中的第310个字称为第一数据块。其中的主要参数如下： （1）WN（Week Number）GPS周 （2）传输参数N （3）时延差改正TGD （4）卫星钟的改正参数的数据龄期AODC （5） 卫星钟改正参数,导航电文,4.第二数据块 第二数据块是由第2子帧和第3子帧构成的。它给出了该GPS卫星的广播星历参数。第二数据块中的主要参数如下： 1）卫星星历的数据龄期AODE 2）开普勒6个轨道根数 3）九个轨道摄动参数,导航电文,5.第三数据块 第三数据块包含在第四、第五子帧中。它向用

13、户提供了其余GPS卫星的概略星历及其工作状态的信息，也将其称为卫星历书。第三数据块是由25个页面组成的。 第4子帧中的第2，3，4，5，7，8，9，10页提供25-32号卫星的历书。第17页提供专用电文，第18页给出电离层改正模型参数和UTC数据。第25页面提供所有卫星的型号、防电子对抗特征符和第25-32号卫星的健康状况。第13，14，15页为空闲页，其他页面备用。 第5子帧中的1-24页分别给出1-24号卫星的概略星历和时钟改正数。第25页则给出了上述24颗卫星的工作状态是否正常的信息。,GPS卫星星历,GPS卫星星历分为两类： 预报星历 （广播星历） 后处理星历（精密星历） 卫星星历的主

14、要作用： A.计算卫星位置用于导航定位 B.有利于快速跟踪锁定卫星信号 C.拟定观测计划,GPS卫星广播星历文件示例,4.2.3 GPS测量方法,GPS测量定位的分类 依定位采用的观测值 伪距测量（伪距法定位） 载波相位测量 依定位模式 绝对定位（单点定位） 相对定位 差分定位,依定位时待定物体的运动状态 动态定位 静态定位 依时效 实时定位 事后定位,4.2.3.1 伪距测量,伪距测量,GPS测距C/A 码,粗码C/A码（Coarse/Acquisition Code） 用于进行粗略测距和捕获精码的测距码称为粗码，也称捕获码。 C/A码的周期为1ms，一个周期中共含1023个码元。每个码元持

15、续的时间均相同为1ms/1023=0.977517 s，其对应码元宽度为293.05m。C/A码的测距精度一般为2m左右。 C/A码是一种结构公开的明码，供全世界所有的用户免费使用。 目前，C/A码只调制在L1载波上，故无法精确地消除电离层延迟。随着全球定位系统的现代化，在卫星上增设第二民用频率后，该问题将得以解决。,GPS测距C/A 码的识别,不同的C/A码代表不同的卫星,C/A码是具有一定周期的随机二进制序列,GPS测距C/A 码的互相关性,不同的卫星，它们的C/A码互不相关,接收机输出与卫星相同的C/A码，部分相关时自相关函数为1/1023,接收机输出与卫星相同的C/A码，只有完全相关时

16、自相关函数才为1,GPS测距C/A 码的比对,假设接收机同步时间输出与卫星相同的C/A码，同接收到的卫星的C/A码进行比对，当自相关函数为1时，比对所经过的码元数即为信号传播的时间。,GPS测距,假设卫星上的原子钟与地面接收机钟的时间完全同步,GPS测距C/A 码小结,C/A码可用于测距 C/A码可识别不同卫星 C/A码容易捕获，测距精度可靠,4.2.3.2 载波相位测量,载波相位 （Carrier Phase） 优点： L1、L2载波的波长短，L1=19cm，L2=24cm，所以量测精度高，可达1-2mm。 缺点： 载波信号是一种周期性的无特征的正弦信号，因而存在着整周数不确定性的问题，使解

17、算更复杂。,模二和,双相调制,载波相位观测值（续） 实际观测值：,载波相位测量载波相位的测定,整周未知数（整周模糊度） - Ambiguity 特性： 整数 若信号不失锁或 没有发生周跳， 则保持不变,整周未知数（整周模糊度）,周跳的探测与修复,整周跳变（周跳） Cycle Slip 周跳产生的原因 信号被遮挡 干扰 接收机运动速度过快 接收机暂时的故障 周跳的探测及收复 屏幕扫描法 高次差法或多项式拟合法 简单的高次差 星间差分的高次差 残差法,4.2.3.4 GPS绝对定位,GPS绝对定位（单点定位） 利用GPS卫星和用户接收机之间的距离观测值直接确定用户接收机天线在WGS-84坐标系中相

18、对于坐标系原点地球质心的绝对位置。 常用观测值：伪距 可分为静态、动态 定位结果： WGS-84坐标 定位精度：几米几十米,GPS绝对定位伪距测量,伪距测量原理,GPS绝对定位,卫星钟差及其影响 可利用导航电文加以卫星时钟改正,GPS绝对定位,接收机钟差及其影响,GPS伪距法绝对定位,伪距法定位原理,伪距定位观测方程,伪距定位观测方程单历元,GPS绝对定位精度评价,绝对定位算例,定位精度可表示为： 精度因子：DOP值 Dilusion Of Precision 精度因子DOP值通常有 PDOP（空间位置） HDOP（平面位置） VDOP（高程） TDOP（接收机钟） GDOP（几何）,GPS绝

19、对定位精度评价,GPS绝对定位精度评价,精度因子的数值与所测卫星的几何分布图形有关。 假设由观测站与四颗观测卫星所构成的六面体体积为V ，精度因子GDOP与该六面体体积V 的倒数成正比，即 GDOP1/V,绝对定位精度评价算例,GPS绝对定位精度,SPS与PPS SPS 标准定位服务 使用C/A码，民用 2DRMS水平=100 m 2DRMS垂直=150-170 m 2DRMS时间=340 ns PPS 精密定位服务 可使用P码，军用 2DRMS水平=22 m 2DRMS垂直=27.7 m 2DRMS时间=200 ns,4.2.3.5 GPS测量误差的分类（按误差来源）,与卫星有关的误差 卫星

20、星历（轨道）误差 卫星钟差 相对论效应 与传播途径有关的误差 电离层延迟误差 对流层延迟误差 多路径效应 与接收设备有关的误差 接收机钟差 接收机的位置误差 天线相位中心位置的偏差,各类误差对导航定位的影响,各类误差的特性,卫星轨道误差： 影响大小与测站位置有关，距离较近时，影响大小相近（误差的空间位置相关性） 卫星钟差： 影响大小与测站无关 大气折射（电离层、对流层折射）： 影响具有空间位置相关性 SA： Epsilon可以归于卫星轨道误差，Dither可归于卫星钟差 多路径： 与测站有关，但测站间无关,4.2.3.6 GPS相对定位概述,定义 相对定位是用两台接收机分别安置在基线的两端，同

21、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端 点，通过同步观测相同的 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 线向量推求另一待定点的 坐标。,相位观测值的线性组合 差分观测值,测站A对卫星 j 在历元 i 的观测值如下： 测站 B对卫星 j 在历元 i 的观测值如下： 测站 A对卫星 j 在历元 i+1 的观测值如下：,相位观测值的线性组合 差分观测值,差分方式 站间差分 同步观测值在接收机间求差。可消除卫星钟差，削弱卫星星历误差、电离层、对流层折射影响。 星间差分 同步观测值在卫星间求差。可消除接收机钟差

22、。 历元间差分 观测值在历元间求差。可消去整周未知数参数。,4.2.3.7 差分GPS技术,什么是差分GPS 差分GPS原理 各类差分GPS简介,什么是差分GPS （DGPS Differential GPS）,基本思路： 利用坐标已知的参考站，计算各类改正数 利用差分消除影响GPS测量定位的误差,差分GPS系统的构成,基准站 （Reference/Base Station） 流动站 （Mobile/Rover Station） 数据链 （差分改正数）,差分GPS定位原理,根据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分GPS定位分为三类，即： 位置差分 伪距差分 相位差分 这3类差分方式的工作原理

23、是相同的，即都是由基准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。所不同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。,位置差分原理,这是一种最简单的差分方法。 安装在基准站上的GPS接收机观测4颗卫星后便可进行三维定位，解算出基准站的坐标。由于存在着轨道误差、时钟误差、SA影响、大气影响、多径效应以及其他误差，解算出的坐标与基准站的已知坐标是不一样的，存在误差。基准站利用数据链将此改正数发送出去，由用户站接收，并且对其解算的用户站坐标进行改正。,最后得到改正后的用户坐标已消去了基准站和用户站的共同误差，例如卫星轨道误差、 SA影响、大气影响等，提高了定位精度。以上先决条件是基准站和用户站 观测同一组卫星 的情况。位置差 分法适用于用户 与基准站间距离 在100km以内的 情况。,位置差分原理,伪距差分原理,伪距差分是目前用途最广的一种技术。几乎所有的商用差分GPS接收机均采用这种技术。国际