《GPS基本原理》PPT课件.ppt

测量工程与装备系: 范 百 兴,2019年8月4日,GPS系统定位的基本原理,本次课程主要内容,GPS的组成 GPS的定位原理 GPS的定位误差分析 GPS误差的减弱措施 GPS接收机(GPS Receiver) GPS平差处理软件,6.1 GPS卫星定位基础,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 发射伪距和载表信号 提供其它辅助信息,用户部分： 接收并测卫星信号 记录处理数据 提供导航定位信息,1、GPS 系统的组成,6.1 GPS卫星定位基础,空 间 部 分,卫星数：213。 轨 道： 6个轨道，每个轨道面上分布4颗卫星。轨道面倾角55度，轨道平均高度20200km。 卫星运行周期：11小时58分。 可见卫星数：4 11颗。,6.1 GPS卫星定位基础,GPS卫星的基本功能： 接收和存储由地面监控站发来的导航信息， 接收并执行监控站的控制指令； 卫星上设有微处理机，进行部分必要的数处理工作； 通过星载的高精度铯钟和铷钟提供精密的时间标准； 向用户发送定位信息； 在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星,空 间 部 分,6.1 GPS卫星定位基础,GPS 的 信 号 结 构,L1：1575.42MHz，波长19.03cm。调制有：C/A码、P码和D码 L2：1227.60MHz，波长24.42cm。调制有： P码、D码,空 间 部 分,6.1 GPS卫星定位基础,地面监控部分,一个主控站：科罗拉多斯必灵司 三个注入站：阿松森(Ascencion) 迭哥伽西亚(Diego Garcia) 卡瓦加兰(kwajalein) 五个监测站：1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii),6.1 GPS卫星定位基础,用户设备部分,GPS接收机、天线、电源、数据处理软件等,6.1 GPS卫星定位基础,2、GPS相对于经典测量技术的特点,观测站间无需通视。大大减少测量工作的经费和时间， 也使点位的选择变得更灵活。 定位精度高。在长距离上的相对精度。 观测时间短。短基线（20Km）快速相对定位法，观测 时间几分钟。 提供三维坐标。提供观测站的平面位置和大地高。 操作简单。测量员在观测时的任务只是安装并开关仪 器、量取仪器高、监视仪器的工作状态等。 全天候作业。不受地点、时间、气候的影响。,6.1 GPS卫星定位基础,3、GPS载波相位测量原理,则：接收机测量的相位差为：,6.1 GPS卫星定位基础,将（4）两边乘以,6.1 GPS卫星定位基础,在接收机之间求一次差（单差）,单差消除了卫星钟差的影响，消弱了卫星星历误差的影响，减弱了电离层和对流层折射的影响。,4、差分GPS,6.1 GPS卫星定位基础,在接收机和卫星间求二次差（双差）,在双差观测值中消去了接收机钟差改正数，有利于测站坐标的求解。许多商业软件采用了双差模型。,6.1 GPS卫星定位基础,在历元间求三次差（三差）,几种模型的对比：单差模型中观测值是不相关的，双差及三差模型观测值是相关的。 差分降低了数据利用率，在解算过程中需要组成复杂的协方差阵。在实际定位工作中，人们更倾向于采用双差模型，三差模型常用于周跳检验。,三差模型中消去整周未知数,6.1 GPS卫星定位基础,5、GPS的误差源,通常把各种误差的影响投影到站星距离上，以相应的距离误差表示，称为等效距离误差。,6.1 GPS卫星定位基础,测码伪距的等效距离误差/m,6.1 GPS卫星定位基础,系统误差 包括卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差、以及大气折射的误差等。减弱措施： 引入相应的未知参数，在数据处理中联同其它未知参数 一并求解。 建立系统误差模型，对观测量加以修正。 将不同观测站，对相同卫星的同步观测值求差，以减弱和消除系统误差的影响。 简单地忽略某些系统误差的影响。 偶然误差 包括多路径效应误差和观测误差等。,6.1 GPS卫星定位基础,消除或消弱系统误差影响的主要方法和措施有：,建立误差改正模型 误差改正模型的建立通常有两种方式： 通过对误差特性、机制以及产生的原因进行分析研究， 推导建立起的理论公式； 通过大量观测数据的分析，拟合而建立起来的经验公式。,求差法 利用误差在观测值之间的物理相关性或定位结果之间的相关性，通过求差来消除或大幅度削弱其影响的方法。,6.1 GPS卫星定位基础,平差法 引入相关的未知参数，在平差过程中联同其它未知数一并解算。 选择较好的观测条件和较好的软件、硬件。 简单地忽略某些系统误差的影响。,消除或消弱系统误差影响的主要方法和措施有：,6.1 GPS卫星定位基础,与GPS卫星有关的因素 卫星钟差：在相对定位中，可通过观测量求差（差分）方法消除。 卫星轨道偏差 卫星信号发射天线相位中心偏差 与传播途径有关的因素 电离层延迟 对流层延迟 多路径效应,6.1 GPS卫星定位基础,与接收机有关的因素 接收机软件和硬件造成的误差（观测误差） 接收机钟差 载波相位观测的整周未知数 接收机天线相位中心误差,6.1 GPS卫星定位基础,GPS卫星到地面观测站的最大距离约为25000km，如果基线测量的允许误差为1cm，则当基线长度和允许轨道误差如下表所示。,轨道误差,在相对定位中，随着基线长度的增加，卫星轨道误差将成为影响定位精度的主要因素。,6.1 GPS卫星定位基础,处理轨道误差的方法原则上有三种： 忽略轨道误差：广泛用于实时单点定位。 采用轨道改进法处理观测数据 在用轨道改进法进行数据处理时，根据引入轨道偏差改正数的不同，分为短弧法和半短弧法。 同步观测值求差： 同一卫星的位置误差对不同观测站同步观测量的影响具有系统性，利用两个或多个观测站上对同一卫星的同步观测值求差，可减弱轨道误差影响。基线越短有效性越明显，对精密相对定位具有重要意义。,轨道误差,6.1 GPS卫星定位基础,电离层折射影响 利用双频观测：电离层影响是信号频率的函数，利用不同频率电磁波信号进行观测，可确定其影响大小，并对观测量加以修正。其有效性不低于95%. 利用电离层模型加以修正：对单频接收机，一般采用由导航电文提供的或其它适宜电离层模型对观测量进行改正。目前模型改正的有效性约为75%，至今仍在完善中。 利用同步观测值求差：当观测站间的距离较近（小于20km）时，卫星信号到达不同观测站的路径相近，通过同步求差，残差不超过10-6。,卫星信号传播误差,6.1 GPS卫星定位基础,对流层的影响 对流层折射对观测量的影响可分为干分量和湿分量两部分。干分量主要与大气温度和压力有关，而湿分量主要与信号传播路径上的大气湿度和高度有关。目前湿分量的影响尚无法准确确定。对流层影响的处理方法： 定位精度要求不高时，忽略不计。 采用对流层模型加以改正。 引入描述对流层的附加待估参数，在数据处理中求解。 观测量求差。,6.1 GPS卫星定位基础,多路径效应 接收机天线除直接收到卫星发射的信号外，还可能收到经天线周围地物一次或多次反射的卫星信号。两种信号迭加，将引起测量参考点位置变化，使观测量产生误差。对测码伪距的影响达米级，对测相伪距影响达厘米级。减弱措施： 安置接收机天线的环境应避开较强发射面，如水面、平坦光滑的地面和建筑表面。 选择造型适宜且屏蔽良好的天线如扼流圈天线。 适当延长观测时间，削弱周期性影响。 改善接收机的电路设计。,6.1 GPS卫星定位基础,接收设备有关的误差,观测误差：当天线高1.6m ,置平误差0.10，则对中误差为2.8mm。 接收机钟差：日频率稳定度约为10-11，如果接收机钟与卫星钟之间的同步差为1s，则等效距离误差为300m。处理接收机钟差的方法： 作为未知数，在数据处理中求解。 利用观测值求差方法，减弱接收机钟差影响。 定位精度要求较高时，可采用外接频标，如铷、铯原子钟，提高接收机时间标准精度。,6.1 GPS卫星定位基础,载波相位观测的整周未知数 天线相位中心位置偏差 天线相位中心与仪器的几何中心应保持一致。实际上，随着信号输入的强度和方向不同而有所变化，同时与天线的质量有关，可达数毫米至数厘米。 其它误差来源 包括地球自转影响和相对论效应,6.1 GPS卫星定位基础,6、GPS测量的观测模式,6.1 GPS卫星定位基础,绝对定位：确定测站在协议地球坐标系中坐标。可以认为这种定位方式的参考点为坐标原点。 相对定位：在协议地球坐标系中，确定测站相对于参考点之间的相对坐标。,6.1 GPS卫星定位基础,静态定位：用户接收机在定位过程中保持静止。 由于接收机天线静止不动，可以获取多个历元、多个测段观测数据，以达到观测卫星的空间几何图形有较大改变的目的。用这种定位方式的实质是让观测矩阵不“病态”，能正确地解出观测方程的末知参数。 动态定位：用户接收机在定位过程中处于运动状态。,6.1 GPS卫星定位基础,伪动态定位（Pseudo Kinematic Positioning）也称作间歇设站法，它的作业至少需要两台接收机，其中一台固定于参考站上，另一台在待测点上流动。每个测站观测两次，两次观测间隔大于1个小时，每次观测不少于5 分钟。在待定点流动的过程中，不需要保持对卫星的跟踪。这种定位方式实质上是静态定位。两次观测间隔大于1 个小时的目的就是为了获取卫星空间几何图形的较大改变。,半动态定位（Semi-Kinematic Positioning）也称作走走停停测量（Stop and Go），在作业之前，应对整周模糊度进行初始化。作业时，一台接收机置于参考点，另一台在待测点流动，且在测量过程中应保持对四颗以上卫星的连续跟踪。如果在流动过程中有卫星失锁，需重新对整周模糊度进行初始化。,6.1 GPS卫星定位基础,测码定位：利用GPS卫星的测距码进行定位。,测相定位：利用GPS卫星的载波进行定位。,6.1 GPS卫星定位基础,差分动态定位（相对定位）,差分动态定位就是综合利用参考站、流动站接收机的观测量及参考站的坐标，求解流动站接收机天线的三维空间位置。 差分定位又可分成实时（real-time）动态差分和后处理（Post-Processing）动态差分。两者的主要区分是前者带有数据传输设备，能在接收卫星数据的“同时” 接收从参考站传来的改正信息。根据传输的改正信息不同，差分定位可分成位置差分、距离差分和载波相位差分，其中载波相位动态差分的是动态定位中精度最高的。高精度动态定位都使用载波相位动态差分。,6.1 GPS卫星定位基础,7、GPS接收机及其分类 GPS用户设备主要包括GPS接收机及其天线、微处理机及其终端设备以及电源等。其中接收机和天线是核心部分，习惯上统称为GPS接收机。主要功能是接收GPS卫星发射的信号，并进行处理，获取导航电文和必要的观测量。,6.1 GPS卫星定位基础,GPS接收机的结构,6.1 GPS卫星定位基础,天线（带前置放大器） 信号处理器：用于信号识别与处理 微处理器：用于接收机的控制、数据采集和导 航计算 用户信息传输：包括操作板、显示板等 精密震荡器：产生标准频率 电源,GPS接收机的主要结构组成,6.1 GPS卫星定位基础,硬件部分：上述的各种设备。 软件部分：支持接收机硬件实现其功能，并完成各种导航和测量任务的程序。包括内软件和外软件。所谓内软件是指诸如控制接收机信号通道，按时序对各卫星信号进行量测的软件，以及固化在中央处理器中自动操作程序等。此类软件已与接收机融为一体。外软件是指处理观测数据的软件系统，一般以磁盘方式提供。无特别说明，通常所指的软件均指外软件。,GPS接收机按构成部分的性质和功能划分,6.1 GPS卫星定位基础,按工作原理划分： 码相关型接收机：能够产生与所测卫星测距码结构完全相同的复制码。利用的是C/A码或P码，条件是掌握测距码结构，也称有码接收机。 平方型接收机：利用载波信号的平方技术去掉调制码，获得载波相位测量所必需的载波信号。该机只利用卫星信号，无需解码，不必掌握测距码结构，称无码接收机。 混合型接收机：综合利用了码相关技术和平方技术的优点，同时获得码相位和精密载波相位观测量。目前广泛使用。,接收机类型,6.1 GPS卫星定位基础,多通道接收机：具有多个卫星信号通道，每个通道只连续跟踪一个卫星信号。也称连续跟踪型接收机。 序贯通道接收机：只有1-2个信号通道，为了跟踪多个卫星，在相应软件控制下按时序依次对各卫星信号进行跟踪量测。依次量测一个循环所需时间较长（大于20ms），对卫星信号的跟踪是不连续的。 多路复用通道接收机：与序贯通道接收机相似，也只有1-2个信号通道，在相应软件控制下按时序依次对各卫星信号进行跟踪量测。依次量测一个循环所需时间较短（小于20ms），可保持对卫星信号的连续跟踪。,根据接收机信号通道类型划分,6.1 GPS卫星定位基础,根据所接收的卫星信号频率划分： 单频接收机（L1）：只接收调制的L1信号，虽然可利用导航电文提供的参数，对观测量进行电离层影响修正，但由于修正模型尚不完善，精度较差，主要用于小于20km的短基线精密定位。 双频接收机（L1+L2）：同时接受L1、L2两种信号，利用双频技术，可消除或减弱电离层折射对观测量的影响，定位精度较高。,6.1 GPS卫星定位基础,导航型：用于确定船舶、车辆、飞机等运载体的实时位置和速度，保障按预定路线航行或选择最佳路线。一般采用测码伪距为观测量的单点实时定位或差分GPS（RTDGPS）定位，精度低，结构简单，价格便宜，应用广泛。 测量型接收机：采用载波相位观测量进行相对定位，精度高。观测数据可测后处理或实时处理（RTK），需配备功能完善的数据处理软件。与导航型相比，结构复杂，价格昂贵。 授时型接收机：主要用于天文台或地面监控站，进行时频同步测定。,按接收机用途划分：,6.1 GPS卫星定位基础,GPS卫星发射的信号经由天线进入接收机的路径。 当接收机的全向天线接收到所有来自天线水平面以上的卫星信号之后，必须首先将这些信号隔离开来，以便进行处理和量测通过接收机内若干分离信号的通道来实现。 通道是由硬件和相应的软件组成。每个通道在某一时刻只能跟踪一颗卫星的一种频率信号。,GPS接收机通道的概念,6.1 GPS卫星定位基础,当接收机需同时跟踪多个卫星信号时的两种跟踪方式： 一是接收机具有多个分离的硬件通道，每个通道都可连续的跟踪一个卫星信号； 二是一个信号通道在相应软件的作用下，跟踪多个卫星信号。 根据跟踪卫星信号的方式不同，通道的类型分为： 序贯通道（sequencing channel） 多路复用通道（multiplexing channel） 多通道（multi-channel）,6.1 GPS卫星定位基础,天线与前置放大器应密封为一体，保障在恶劣气象环境下正常工作。 天线应呈全圆极化：要求天线的作用范围为整个上半球，天顶处不产生死角，保障能接收来自天空任何方向的卫星信号。 天线必须采取适当的防护与屏蔽措施：例如加一块基板，尽可能地减弱信号的多路径效应，防止信号干扰。 天线的相位中心与其几何中心的偏差应尽量小，且保持稳定。,天线的基本要求,6.1 GPS卫星定位基础,6.1 GPS卫星定位基础,（1）单极或偶极天线：属于单频天线，结构简单，体积小，通常安装在一块基板上，减弱多路径影响。 （2）四线螺旋形或螺旋形结构天线：属于单频天线，结构较单极天线复杂，生产中难以调整，但增益性好，一般不需底板。 （3）微波传输带型天线：简称微带天线。结构最为简单和坚固，即可用于单频，也可用于双频，天线高度低，是安装在飞机上的理想天线。缺点是增益性低，但可采用低噪声前置放大器加以弥补。,6.1 GPS卫星定位基础,（4）锥形天线：也称盘旋螺线型天线。可同时在两个频道上工作，优点是增益性好，但天线较高，螺旋线在水平方向上不完全对称，天线的相位中心和几何中心不完全重合。 （5）带扼流圈的振子天线：简称扼流圈天线。1987年由美国航空航天局（NASA）研制。主要特点是可有效地抑制多路径误差的影响。缺点是体积大，重量重。,6.1 GPS卫星定位基础,几种测量型双频GPS接收机的主要参数,6.1 GPS卫星定位基础,GPS软件系统的质量，对改善定位精度，提高作业效率和开拓GPS应用新领域都具有重要意义，主要由如下重要模块组成； 观测计划编制软件 该软件可产生天空卫星分布图，显示卫星高度和方位角，给出表征卫星几何配置的精度因子PDOP，以便选择最好的卫星配置和最佳的观测时段。,8、 GPS测量系统的软件功能及其发展,6.1 GPS卫星定位基础,观测数据预处理软件 对原始观测数据进行编辑、加工和整理，分流出各种专用信息文件，为平差做准备。 数据传输：将GPS接收机记录的观测数据传输到磁盘或其它介质上，以便进行处理和保存。 数据分流：根据原始记录，通过解码将各项数据分类整理，剔除无效观测值和冗余信息，形成各种数据文件，如星历文件、观测文件和测站信息文件等，以供进一步处理。 观测数据的平滑、滤波：剔除粗差并进一步删除无效观测值。,6.1 GPS卫星定位基础,统一数据文件格式：将不同类型接收机的数据记录格式、项目和采样间隔，生成标准的文件格式（通过RINEX），以便统一处理。 卫星轨道的标准化：统一不同来源卫星轨道信息的表达方式、平滑GPS卫星每小时发送的轨道参数，使观测时段的卫星轨道标准化。 自动探测周跳，修复载波相位观测值。 对观测值进行必要的改正。 基线向量的定义。,6.1 GPS卫星定位基础,处理多台仪器的同步观测数据，给出载波相位观测值差分的固定解和浮动解。 同步边观测数据的质量检核，包括观测数据的剔除率、观测值的残差分析和不同时段重复观测边的精度检核等。 应用广播星历或精密后处理星历处理观测数据。 精密相对定位数据处理的轨道改进法。 采用测码伪距或测相伪距，测定和精化起始站坐标的初始值。,基线向量处理软件,6.1 GPS卫星定位基础,处理结果的输出值为测站点的空间直角坐标和大地坐标、基线向量的坐标差、基线的长度、方位角和大地高差，以及输出量的方差和协方差。 处理不同定位模式的观测数据，如静态、快速静态、准动态和动态等定位模式。 支持整