基于GPS测控技术

1、pGPS 基本概念pGPS时空参考系pGPS定位原理pGPS测量的误差分析p典型应用第第8章章 基于基于GPS的测控技术的测控技术课程内容课程内容 空间星座部分：包括GPS工作卫星和备用卫星； 地面监控部分：控制整个系统和时间，负责轨 道监测和预报； 用户设备部分：主要是各种型号的接收机。8.1 GPS 基本概念基本概念GPS的组成8.1.1 GPS的组成的组成l基本情况:24颗卫星均匀分布在6个轨道面内。卫星轨道倾角为55，各轨道平面相差60。轨道平面高度为20200km，卫星运行周期11小时58分。地面观测者见的卫星颗数最少为4颗，最多可达11颗。u空间星座部分lGPS卫星组成：GPS卫星

2、的核心部件是高精度的时钟、导航电文存 储器、双频发射和接收以及微处理机。每颗GPS工作卫星一般安设2台铷原子钟和2台铯原 子钟，并计划未来采用更稳定的氢原子钟（其频率 稳定度优于10-14s）。GPS卫星虽然发送几钟不同频率的信号，但是它们 均源于一个基准信号10.23MHz）。卫星钟由地面站检验，其钟差、钟速连同其他信息由地面站注入卫星后，再转化给用户设备。8.1.1 GPS的组成的组成地面监控部分地面监控系统作用：确保GPS系统的良好 运行。地面监控的任务：监视卫星的运行，确定GPS时间系统；跟踪并预报卫星星历和卫星钟状态； 向每颗卫星的数据存储器注入卫星导航数据。地面监控部分的组成：一个

3、主控站、五个监测站和三个注入站。 8.1.1 GPS的组成的组成用户设备部分主要包括：GPS接收机及其天线、微处理器及其终端设备以及电源等。而其中接收机和天线是用户设备的核心部分。8.1.1 GPS的组成的组成 天线单元 接收天线和前置放大器两个部分组成， 可接收来自任何 方向的GPS信号，可将极微弱的GPS信号电流予以放大。l接收单元信号波道和微处理机构成接收单元的核心部件。利用多个波道同时对多个卫星进行观测。微处理机能选择合适的卫星进行测量，以获得最佳的几何图形；能根据观测值及卫星星历求得所需的定位信息。8.1.1 GPS的组成的组成SA（Selective Availability）技术

4、AS（Anti-Spoofing）技术SA和AS技术对定位的影响8.1.3 限制性政策与反限制措施限制性政策与反限制措施 美国对GPS用户的主要限制性政策建立独立自主的卫星导航与定位系统 载波相位动态测量相对定位技术（RTK） 开发GPS与GLONASS兼容接收机差分定位技术u反限制性政策的主要技术和方法 8.1.3 限制性政策与反限制措施限制性政策与反限制措施GLONASS全球导航定位系统Galileo卫星导航定位系统北斗卫星导航定位系统 8.1.4 其他卫星定位导航系统其他卫星定位导航系统地固坐标系：固结在地球上和地球一起公转和自转的地球坐标系，描述GPS接收机载体在地球表面的运动状态很方

5、便。 天球坐标系：与地球自转无关，描述绕地球质心作圆周运动的卫星运动状态和确定卫星的运行轨道很方便。 天球坐标系是采用球面坐标系定义的。8.2.1 GPS导航定位中的坐标系统导航定位中的坐标系统 地固坐标系是用一辅助面（参考椭球面）定义的。 恒星时以春分点为参考点，其时间尺度为：春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒星日，一恒星日分为24个恒星时。恒星时以春分点通过本地子午圈时刻为起算原点。8.2.2 GPS导航定位中的时间系统导航定位中的时间系统 u恒星时ST（Sidereal Time）u 平太阳时MT（Mean Solar Time） 平太阳时的时间尺度为：平太阳连续两次经过本地子

6、 午圈的时间间隔为一平太日，一平太日分为24平太时。 平太阳的运动速度等于真太阳周年运动的平均速度。u 世界时UT（Universal Time） 世界时UT是以平子夜为零时算起的格林威治平太阳时。 8.2.2 GPS导航定位中的时间系统导航定位中的时间系统 u 原子时ATI（International Atomic Time） 原子时的秒长被定义为铯原子Cs133基态的两个超精 细能级间跃迁辐射振荡9 192 631 170周所持续的时间。n 协调世界时UTC（Coordinated Universal Time） UTC是与地球自转相一致的尺度均匀的时间系统。 8.2.2 GPS导航定位中

7、的时间系统导航定位中的时间系统 GPS定位的基本原理：利用无线电测距交会确定点位的方法，利用3颗以上卫星的已知空间位置交会出地面位置点（用户接收机）的位置。 广播信号包含3种成分：D码、C/A码和P码或Y 码、载波信号（L1和L2）。8.3.1 GPS卫星的广播信号卫星的广播信号伪距：就是由卫星发射的测距码信号到达GPS 接收机的传播时间乘以光速得出的量测距离。伪距法定位：是由GPS接收机在某一时刻测出4颗以上GPS卫星的伪距，并根据已知的卫星位置，采用距离交会法确定接收机天线所在点的三维坐标。 8.3.2 伪距测量原理伪距测量原理伪距测量原理图 8.3.2 伪距测量原理伪距测量原理8.3.3

8、 载波相位测量原理 载波相位测量的观测量是GPS接收机所接收的卫星载波信 号与接收机本振参考信号的相位差。 整周未知数的确定伪距法多普勒法将整周未知数作为平差中的待定参数 整周跳变：接收机在跟踪卫星过程中，整周计数部分应当是连续的。如果在跟踪卫星过程中，由于某种原因，计数器就无法连续计数。此时，当信号重新被跟踪后，整周计数就不正确。8.3.3 载波相位测量原理载波相位测量原理 8.3.4 绝对定位和相对定位绝对定位和相对定位 绝对定位：即单点定位，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坐标系中的相对于坐标系原点地球质心的绝对位置。 绝对定位又分为动态绝对

9、定位和静态绝对定位。相对定位：是用至少两台GPS接收机，同步观测相同的GPS卫星，确定两台接收机天线之间的相对位置（坐标差）。它是目前GPS定位中精度最高的一种定位方法。绝对定位l伪距观测方程的线性化线性化的伪距测量观测方程为：0( )( ) ( )( )( )( )( )( )( )kjjjjjkkkjkTIXttltm tn tYZc t tc tttt8.3.4 绝对定位和相对定位绝对定位和相对定位 令 伪距线性方程可以改写为： 由观测站同步跟踪4颗卫星，则j1，2，3，4，采用矩阵形式( )( )( )( )jjkkITStttt( )( )( )jjkktc t tc t t0( )

10、( )( )( )( )( )kjjjjjjkkkkXtStltmtntYtZ111110222220333330444440( )( )( )( )( )1( )( )( )( )( )1( )( )( )( )( )1( )( )( )( )( )( )1kkkkkkjkkXtS tl tm tn tYtStl tm tn tZtS tl tm tn tttStl tm tn tl 伪距法绝对定位的解算8.3.4 绝对定位和相对定位绝对定位和相对定位 上式简化为：当跟踪的卫星数目多于4颗时，可应用最小二乘平差求解( )( )( )kkA tG tL t1( )( )( )kkGtA tL

11、t1( )( ( )( ) ( ( )( )TTkkG tA tA tA tL t8.3.4 绝对定位和相对定位绝对定位和相对定位 假定用户初始位置及时钟偏差； 用已知卫星的在轨位置及时钟偏差，对上述矩阵及方 程式进行求解； 利用求出的用户位置偏差，得出用户实 际位置； 重复迭代，直至第n+1次算出的用户位置约等于第n次 算出的用户位置即可。 计算步骤：8.3.4 绝对定位和相对定位绝对定位和相对定位 相对定位是用两台接收机分别安置在基线的两端，同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点的相对 位置或基线向量。 l观测值的线性组合 作用:观测量的不同组合（求差），可以有效地消 除或减弱相关误差的

12、影响。静态相对定位（静态差分定位）8.3.4 绝对定位和相对定位绝对定位和相对定位 求差方法：可以在卫星间求差，在接收机间求差，也 可以在不同历元间求差。 求差类别：一次差；二次差；三次差。 一次差为： 作用：可以消除与卫星有关的载波相位及其钟差项。1221( )( )( )kkkiiiSDttt 1221( )( )( )jjjiiiSDttt 8.3.4 绝对定位和相对定位绝对定位和相对定位 求差法示意图8.3.4 8.3.4 绝对定位和相对定位绝对定位和相对定位 二次差分： 设在ti时刻，对k、j卫星观测值的站间单差观测值求差，有： 作用：可以消除与接收机有关的载波相位及其钟差项1212

13、122121( )( )( )( )( )( )( )kjjkjjkkiiiiiiiDDtSDtSDttttt8.3.4 绝对定位和相对定位绝对定位和相对定位 三次差分： 对ti时刻的双差观测值与ti+1时刻的双差观测值求差，有： 作用：可消除与卫星和接收机有关的初始整周模糊度。12112112( ,)()( )kjkjkjiiiiTDt tDDtDDt8.3.4 绝对定位和相对定位绝对定位和相对定位 l 单差观测方程的方程模型 如果同步观测n个卫星，可列出n个误差方程 按最小二乘法原理对误差方程求解，可得待定点坐标改正数、 钟差等未知参数。 1111111201212222221120122

14、12212120( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )nnnnnNtVtLl tm tn tXNtVtltm tn tfYfttcZltmtntVtNt 21212)( )( )ntLtLt8.3.4 8.3.4 绝对定位和相对定位绝对定位和相对定位 l 双差观测方程的方程模型 双差观测方程的误差形式为： 同理，对于三差模型，模型中消除了整周模糊度。22222121202( )( )( )( )( )( )kkkkkkjXfVtl tm tn tYLtNtcZ1220120112( )( )( )( )( )( )kjkkjjkjfLtttt

15、tDDtc8.3.4 绝对定位和相对定位绝对定位和相对定位 8.3.5 差分差分GPS（ DGPS ）定位原理）定位原理 DGPS测量系统组成：动态接收机，基准接收机。DGPS的测量原理：两种接收机同步观测GPS卫星，基准接收机为动态接收机提供差分改正数（DGPS数据）。动态接收机根据DGPS数据，精确地解算出用户的三维坐标。 DGPS可以有效的消除误差。单站GPS差分l位置差分法 在位置差分中基准接收机向动态用户发送的DGPS数据是“位置校正值”。1.设基准站的精密坐标为（X0，Y0，Z0），基准接收机所测出的基准站三维坐标为：X、Y、Z，则有校正值： 8.3.5 差分差分GPS（ DGPS

16、 ）定位原理）定位原理 则，动态接收机的修正公式为: 000XXXYYYZZZkkkkkkXXXYYYZZZ 8.3.5 差分差分GPS（ DGPS ）定位原理）定位原理 考虑到用户接收机位置校正值的瞬间变化，上式可写成：l 伪距差分法 在伪距差分中基准接收机向动态用户发送的DGPS数据是 “伪距校正值”。000() /()() /()() /()kkkkkkXXXdXd tttYYYdYd tttZZZdZd ttt 8.3.5 差分差分GPS（ DGPS ）定位原理）定位原理 l 载波相位差分法 RTDGPS（Real Time DGPS）测相伪距修正法 考虑星历误差引起的距离偏差、多路径

17、效应以及接收机 噪声，则基准站r与卫星j之间的伪距观测值为： 为多路径效应引起的偏差， 为接收机噪声 rmr8.3.5 差分差分GPS（ DGPS ）定位原理）定位原理 ,( )( )( )( )( )( )( )( )( )jjjjrrrr Ijjr TrrrtR tc t tc tttttm tt同理，用户接收机k的伪距观测值为：又，星站间伪距改正为：当用户距基准站距离较小时（100km），有： 为残差,( )( )( )( )( )( )( )( )( )jjjjjjkkkk Ik TkkktRtc t tc tttttm tt( )( )( )jjjrrrttt( )( )( )( )

18、( )jkrkrkrdtct tt tm tm t( )( )( )( )jjjjkrkkrtttdt 8.3.5 差分差分GPS（ DGPS ）定位原理）定位原理 基准接收机和用户接收机的测相伪距观测量分别为： 0000( )( )( )( )jjjjjrrrrrjjjjjkkkkktttNtNtttttNtNtt 0000( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )jjjjjjjkrkkrrrrjjjkkrrjjjjkrkrjjkrtttdtttttdttttNtNtNttNtt 8.3.5 差分差分GPS（ DGPS ）定位原理）定位原理 考虑到用户坐标位置和

19、卫星三维坐标，上式变为：n载波相位差分法 在载波相位差分法中，基准站将载波相位观测值实时传送给 用户接收机，由用户进行载波相位求差，再解算用户的位置。 222 1/20000()()() ( )( )( )( )jjjjkkkkrjjjjjrkrkrjjkrXXYYZZdttttNtNtNttNtt 8.3.5 差分差分GPS（ DGPS ）定位原理）定位原理 n广域差分 系统组成:广域差分GPS系统就是为削弱这三种误差源而设计的一种工作系统。该系统主要由主站、监测站、数据通信链路和用户设备组成。 误差源主要表现为星历误差、大气延时误差和卫星钟误差。8.3.5 差分差分GPS（ DGPS ）定

20、位原理）定位原理 局部区域差分 系统构成：若干个差分GPS基准站组成一差分GPS网。测量方法：采用加权平均法或最小方差法对多个基准站的改正信息进行平差计算求得自己的坐标改正数或距离改正数。8.3.5 差分差分GPS（ DGPS ）定位原理）定位原理 8.4 GPS测量的误差分析测量的误差分析 GPS测量的误差分类：按误差性质可分为系统误差与偶然误差。GPS测量误差的分类 误差来源对距离测量的影响（m）卫星部分星历误差；钟误差；相对论效应1.515信号传播电离层；对流层；多路径效应1.515信号接收钟误差；位置误差；天线相位中心变化1.515其他影响地球潮汐；负荷潮1.08.4.1 GPS卫星误

21、差卫星误差l 卫星星历误差 由星历所给出的卫星在空间的位置与实际位置之差。 星历误差对定位的影响有：l对单点定位的影响 影响伪距测量的准确性。广播星历误差对测站坐标 的影响一般可达数米、数十米、甚至上百米。l对相对定位的影响 相对定位时，因星历误差对两站的影响具有很强的 相关性，所以在求坐标差时，共同的影响可自行消去，从而获得精度很高的相对坐标。8.4.1 GPS卫星误差卫星误差 解决星历误差的方法有： 建立区域性卫星跟踪网 轨道松驰法 同步观测值法u 卫星钟误差 卫星钟的钟差包括由钟差、频偏、频漂等产生的误差，也包含钟的随机误差。u 相对论效应 由于卫星钟和接收机钟所处的运动状态（运动速度和

22、重力位）不同而引起卫星钟和接收机钟之间产生相对钟误差的现象。 8.4.1 GPS卫星误差卫星误差8.4.2 信号传播误差信号传播误差 l 电离层折射误差 电离层中包含大量的自由电子和正离子，会使信号的路径和传播速度发生变化。这种偏差叫电离层折射误差。电离层改正公式：2240.28ionesAdCN dsff 减弱电离层影响可以采取以下措施：n利用双频观测 用两个不同的频率发射卫星信号，则电离层改正项 中的A相同，而且除了电离层折射的影响不同外，其 余误差影响都相同。n利用电离层改正模型加以改正 对于单频接收机，采用导航电文提供的电离层改正 模型加以改正。8.4.2 信号传播误差信号传播误差 利

23、用同步观测值求差 利用两台GPS接收机在基线两端进行同步观测，并将观测值求差。u 对流层折射误差 GPS信号通过对流层时，使传播的路径发生弯曲，从而使测量距离产生偏差，叫做对流层折射。u 多路径效应误差 反射波与直接波产生干涉，从而使观测值偏离真值所引起的误差。8.4.2 信号传播误差信号传播误差 l反射波 用 表示反射波和直接波之间的程差，则有：(1 cos2 )(1 cos2 ) 2 sinsinHBA OA BAzzHzz8.4.2 信号传播误差信号传播误差 反射波和直接波间的相位延迟为：l多路径效应对载波相位测量的影响直接波信号反射波信号天线实际接收的信号为24sin/Hz cosdS

24、Utcos()rSUtcos()SUt2 1/2(12 cos)sinarctan()1cos8.4.2 信号传播误差信号传播误差 实际中，有多个反射信号，则多路径误差为：消弱多路径误差的方法：选择合适的站址对接收机天线的要求在天线中设置抑径板；接收机天线对于极化特性不同的反射信号应该 有较强的抑制作用。 11sinarctan1cosniiiniiiaa8.4.2 信号传播误差信号传播误差 8.4.3 接收机误差接收机误差l 接收机钟误差 减弱接收机钟差的方法：通过在卫星间求一次差来消除接收机的钟差并将接收机钟差表示为时间多项式，在观测 量平差计算中求钟差。u 接收机安置误差 接收机天线相位

25、中心相对于测站标志中心位置的偏差。u 天线相位中心位置偏差 观测时相位中心的瞬时位置与理论上的相位中心的不同。8.4.3 接收机误差接收机误差 靶场导弹自动摄像测量系统（MAMS）是西安交通大学自 动制研究所与中国科学院西安光机所合作为空军某基 地开 发的， 是为了跟踪空中飞行目标而研制的一种小型光学自 动摄像测量系统。该系统能够自动搜索、跟踪、摄像和进 行数据处理，它利用先进的GPS引导技术和雷达引导技术 实现自动跟踪，并能够得到目标的视频图像。 8.5.1 靶场导弹自动摄像测量系统靶场导弹自动摄像测量系统 u 系统结构 整个系统可以看作由三部分组成：引导系统、通讯系 统和位置跟踪系统。引导

26、系统给出了目标的位置信息，通过通讯系统发送给观测站的观测设备，观测设备中 的计算机对这些引导信息进行处理后，将其转换成为 控制数据驱动伺服系统带动光学设备跟踪目标，并拍 摄目标的图像。8.5.1 靶场导弹自动摄像测量系统靶场导弹自动摄像测量系统 靶场导弹自动摄像测量系统总体原理框图 8.5.1 靶场导弹自动摄像测量系统靶场导弹自动摄像测量系统 l引导系统 GPS引导系统原理图 8.5.1 靶场导弹自动摄像测量系统靶场导弹自动摄像测量系统 雷达引导系统原理图 8.5.1 靶场导弹自动摄像测量系统靶场导弹自动摄像测量系统 l通讯系统 为了保证系统能够正常工作，需要将引导信息传送给 观测站，这部分工

27、作由通讯系统来完成，可分为GPS 通讯和雷达通讯。此外，还需要将测站的实测数据实 时传送给靶场指挥中心。l定位跟踪系统 定位跟踪系统主要完成对目标的跟踪定位和摄像功能，是整个系统中最主要的一部分。8.5.1 靶场导弹自动摄像测量系统靶场导弹自动摄像测量系统 定位跟踪系统逻辑原理图 l系统的逻辑模型8.5.1 靶场导弹自动摄像测量系统靶场导弹自动摄像测量系统 u系统设计与实现 接收引导数据数据处理控制系统图像摄取数据传送、保存 系统工作流程为：系统接收到适合的引导数据后，对引导数据进行一系列处理，控制转台带动摄像机跟踪目标，拍摄目标图像，同时将摄像机状态反馈给靶场指挥 中心并且回传和保存数据。8

28、.5.1 靶场导弹自动摄像测量系统靶场导弹自动摄像测量系统 l系统硬件 系统硬件部分主要包括GPS接收电台、GPS接收时间系统（B码时统）、方位角和俯仰角编码器、半自动转台、光学镜头和数字录像机、单杆控制器、视频叠加器以及接收靶场引导信息和发送测站数据的HDLC卡、调制解调器等。8.5.1 靶场导弹自动摄像测量系统靶场导弹自动摄像测量系统 l系统软件软件功能模块关系图 8.5.1 靶场导弹自动摄像测量系统靶场导弹自动摄像测量系统 l关键技术 在硬件实现过程中，主要需要考虑以下几个问题：通讯问题，包括引导数据的接收和上下位机之间的通讯，相应的硬件设计工作包括HDLC通讯卡和共 享RAM卡的设计；

29、视频信息的叠加，需要设计专用的视频叠加卡。8.5.1 靶场导弹自动摄像测量系统靶场导弹自动摄像测量系统 8.5.2 烟草监控调度系统烟草监控调度系统 红塔集团烟草运输系统存在的问题主要有：不能够为市场营销人员和领导决策提供必要的及时的卷 烟运输实时信息，不能向烟草公司提供及时准确的货源 信息，不利于卷烟投放控制；存在烟草运输的安全性问题；未建立快速、高效和敏捷的物流体系支持营销工作，实 现高效车辆调度管理缺乏必要的系统支持。u 系统结构u 系统组成l运输车辆 安装了GPS车载终端设备的运输车辆，可接受GPS信号，计算车辆的位置、速度、方向等定位数据；可接受监控 系统下发的指令，并按照指令指定的模式工作；可检测 设备的各种工作状态，依照异常情况产生各种报警数据；并通过GSM模块与GSM网络进行通讯，将定位数据和报警数据发往指定的短信中心或短信网关。8.5.2 烟草监控调度系统烟草监控调度系统 lGSM网络 该系统采用中国移动通信公司的GSM网络。通过GS