GPS 卫星测量基础理论

1、03/05/99GPS 卫星测量基础理论徕卡测量系统有限公司199903/05/99NAVSTAR GPS GPS 是英文词组全球定位系统的首字母缩写词 她是美国国防部 1974 年前后开发的一个军用卫星导航系统，提供: 全球覆盖能力 每天 24 小时服务 成本低廉的最终用户设备 确保军方安全 10-20 m 导航点位精度 0.1 m/s 速度测定精度 100 ns 精密授时能力 从 1995 年 6 月投入全面运转03/05/99 GPS 系统的组成系统的组成空间部分空间部分地面控制部分地面控制部分用户部分用户部分GPS 系统由三个主要部分组成：03/05/99 宣称由 24 颗卫星组成 (

2、21 + 3) 目前有 27 颗卫星处于工作状态 分布在 6 个轨道平面上 轨道平面的倾角为55 轨道矢径大约为 26.600 km 轨道曲线的形状几乎为圆形 轨道周期为 12 小时 每天提前 4 分钟可以看到相同的星座分布 提前量 4 分/天, 2 小时/月, 24 小时/年 卫星的设计寿命为 7.5 年 GPS 卫星星座卫星星座03/05/99 GPS 卫星发射状况卫星发射状况Navstar14 (PRN 14): 1989年 2月 14日Navstar13 (PRN 2): 1989年 6月 10日Navstar16 (PRN 16): 1989年 8月 18日Navstar19 (PR

3、N 19): 1989年 10月 21日Navstar17 (PRN 17): 1989年 12月 11日Navstar18 (PRN 18): 1990年 1月 24日Navstar20 (PRN 20): 1990年 3月 26日Navstar21 (PRN 21): 1990年 8月 2日Navstar15 (PRN 15): 1990年 10月 1日Navstar23 (PRN 23): 1990年 11月 26日Navstar24 (PRN 24): 1991年 7月 4日Navstar25 (PRN 25): 1992年 2月 23日Navstar28 (PRN 28): 1992

4、年 4月 10日Navstar26 (PRN 26): 1992年 7月 7日Navstar27 (PRN 27): 1992年 9月 9日Navstar32 (PRN 1): 1992年 11月 22日Navstar29 (PRN 29): 1992年 12月 18日Navstar22 (PRN 22): 1993年 2月 3日Navstar31 (PRN 31): 1993年 3月 30日Navstar37 (PRN 7): 1993年 5月 13日Navstar39 (PRN 9): 1993年 7月 26日Navstar35 (PRN 5): 1993年 8月 30日Navstar34

5、 (PRN 4): 1993年 11月 Navstar36 (PRN 6): 1994年 3月 10日Navstar (PRN 3): 1996年 3月03/05/99 GPS 定位技术的优越性定位技术的优越性 与天气状况无关 不要求点与点之间的彼此通视 高度均匀的定位精度 日夜均可作业 定位速度之快无与伦比 大大节省人力资源 测线长度不受限制 统一的坐标系统 生产成本低于常规测量技术03/05/99 GPS 定位技术的缺点定位技术的缺点 GPS 需要良好的对天通视 接收天线的观测视野中不应该存在障碍物03/05/99 目前可见卫星状况目前可见卫星状况=345603/05/99 卫星信号结构卫

6、星信号结构 每颗GPS卫星发射一组无线电信号 每组信号包括两个载波 (L1 与 L2) 及两种码，L1 上调制的C/A码，L1和L2上的 P 码或 Y 码，还有卫星轨道信息 所有信号均由同一个震荡器产生基准频率基准频率10.23 MHz L1 1575.42 MHzC/A 码码 1.023 MHzP 或或 Y-码码10.23 MHz L2 1227.60P 或或 Y 码码10.23 MHz信息码信息码50 Hzx 120 x1541003/05/99 伪距定位原理伪距定位原理 基本的导航点位能够按后方交会的方式计算出来。 卫星相当于处在运动“轨道上的控制点”。 采用与时间相关的至每颗卫星的码观

7、测向量。至少观测 4 颗卫星，我们就可以解算出 4 个未知参数： 测站的测站的纬度纬度、 经度经度、高程高程 及接收机的及接收机的 时钟偏差时钟偏差03/05/99 差分差分 GPSS 1S 4AB差分 GPS 是 2 个或更多个测站之间的相对定位。如果 A 和 B 两点在同一时间区间内观测了相同的一组卫星，而且 A 是一个已知点，那么 B 点的位置就可以加以确定。采用差分测量技术，可以:消除观测值中的卫星与接收机时钟误差消除观测值中的卫星星历误差将大气折射的影响削弱到最低程度03/05/99 伪距定位时点位坐标的计算伪距定位时点位坐标的计算 GPS 是一种距离测量系统 (D)。 卫星及接收机

8、中包含有稳定的频率标准。 无线电信号发射的时间是已知的，它与接收瞬间的时钟偏差可以被计算出来 (T)。 无线电的传播速度是已知的 (V)。 因此测站与卫星之间的距离可以按下式计算出来:D = V x T 由于任意时刻卫星的坐标是已知的，因此只要有足够数量的观测值，接收机天线的位置就可以计算出来。03/05/99 测站至卫星距离的计算测站至卫星距离的计算 测站至卫星的距离是采用卫星发射的码信号进行测量的。接收机也同步生成相同的码。通过相关分析，可以测出信号的传输时间，并根据光速计算出距离。卫星时钟卫星时钟接收机时钟接收机时钟t03/05/99 初始整周未知数（模糊度）初始整周未知数（模糊度） 用

9、于载波相位观测值数据处理的初始整周未知数必须加以确定。初始整周未知数初始整周未知数包含在一台接收机对一个卫星重建的载波采集的一组不间断观测值中的所包含的未知的整周数。接收机时间 0时间 1初始整周未知数初始整周未知数相位观测值相位观测值整周计数03/05/99 初始整周未知数的解算初始整周未知数的解算 初始整周未知数的解算效果如下图所示： 请注意：一旦初始整周未知数的值被解出，测量成果的精度将不再随着观测时间的增加而显著得到提高。精度精度(m)1.000.100.01静态测量静态测量 0 30 80 快速静态快速静态测量测量 0 2 5 时间时间 (分钟分钟)整周未知数整周未知数 尚未解出尚未

10、解出整周未知数整周未知数 已解出已解出用于确定初始整周未知数的观测时间长短取决于： 基线的长度 GPS 接收机的类型 作业模式 电离层与对流层的状况03/05/99 选择性服务与防电子欺骗选择性服务与防电子欺骗 选择性服务政策选择性服务政策 (SA): 美国军方人为地降低民用用户的点定位精度。SA政策是通过制造卫星时钟信号的抖动或降低卫星轨道参数的精度来实现的。 防电子欺骗技术防电子欺骗技术 (AS): 通过对 P 码的加密，使得民用用户无法连续地获得使用。03/05/99 误差来源误差来源与卫星有关的误差来源与卫星有关的误差来源 卫星轨道代表误差 卫星时钟模型误差与接收机有关的误差源与接收机

11、有关的误差源 接收机时钟误差 整周跳变 天线相位中心的迁移同传输途径有关的误差同传输途径有关的误差 电离层/对流层传输延迟同测站有关的误差同测站有关的误差 测站近似坐标的精度与作业方式 多路径误差03/05/99 观测星座的几何图形强度观测星座的几何图形强度观测星座的几何图形强度 (GDOP) ： 它是一种衡量三维定位精度水平的标志。 差的差的GDOP好的好的GDOP理想的 GDOP - 一颗卫星位于天顶，与此同时，其余卫星均匀分布在指定观测高度角的地平圈上。03/05/99 地球参考曲面的基本特征地球参考曲面的基本特征椭球面 严格的数学模型加以定义 简单的几何曲面 用两个参数进行描述 无法直

12、接用常规仪器加以确定大地水准面 根据物理意义定义的曲面 曲面的形状极其复杂 需要无穷个参数才能进行确切描述 能够用常规仪器直接加以测定配合最佳的参考椭球面 大地水准面大地水准大地水准面差距面差距N03/05/99 正高与大地高正高与大地高h = H + Nh: 椭球高程H: 海拔高程 (正高)N: 大地水准面差距地表地形大地水准面 参考椭球面03/05/99 WGS 84 坐标系统坐标系统GPS 测量获得的是 WGS 84 坐标系统中的点位及坐标差。它们可以有两种表达方式：纬度、经度与高程的地理坐标方式，或者由 X, Y 和 Z 组成的地心坐标方式。以地心为中心的 WGS 84 椭球是全球范围

13、内与大地水准面拟合得最佳的参考椭球面。03/05/99WGS 84 坐标系统坐标系统原点在地球质心原点在地球质心X 轴和轴和 Y轴在赤道平面内正交轴在赤道平面内正交Z 轴和轴和 X,Y轴构成右手坐标系，指向轴构成右手坐标系，指向 BIH 1984.0 定义的协议地球极（定义的协议地球极（CTP）方向方向03/05/99坐标转换参数坐标转换参数地图投影地图投影可在可在 SKI-Pro专业软件或控制器中定义专业软件或控制器中定义地方椭球地方椭球可在可在 SKI-Pro专业软件或控制器中定义专业软件或控制器中定义可在可在 SKI-Pro专业软件或控制器中将专业软件或控制器中将WGS 84坐标转换成地方坐标坐标转换成地方坐标03/05/99坐标转换坐标转换应将应将WGS 84坐标转换成地方坐标坐标转换成地方坐标通过通过SKI-Pro软件或控制器计算转换参数软件或控制器计算转换参数采用多种方法采用多种方法经典经典 3D 赫尔墨特转换赫尔墨特转换平面位置的平面位置的2D 转换转换+高程内插高程内插03/05/99平面位置的平面位置的2D 转换转换+高程内插高程内插无地方椭球和投影资料的无地方椭球和投影资料的情况下：情况下： 平面点位进行二维转换平面点位进行二维转换 高程使用地方大地水准面高程使用地方大地水准面内插方法得到内插方法得到ZY