GPS卫星定位基本原理

GPS定位方法GPS定位的方法是多种多样的，用户可以依据不同的用途承受不同的定位方法。GPS定位方法可依据不同的分类标准，作如下划分:1、依据定位所承受的观测值〕2〕载波相位定位2、依据定位时接收机的运动状态〔1〕静态定位〔2〕动态定位依据定位的模式〔1〕确定定位〔2〕相对定位〔3〕差分定位依据猎取定位结果的时间〔1〕实时定位〔2〕事后定位伪距测量定义GPS接收机在某一时刻测出得到四颗以上GPS卫星的伪距以及己知的卫星位置，承受距离交会的方法求定接收机天线所在点的三维坐标。伪距：由卫星放射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得出的量测距离。载波相位测量为什么承受载波相位测量载波相位测量是利用GPS卫星放射的载波为测距信号。由于载波的波长(λL1＝19cm，λL2＝24cm)比测距码波长(λC/A=293m,λp=29.3m)要短得多，因此对载波进展相位测量，就可能得到较高的测量定位精度。重建载波方法〔1〕码相关法〔2〕平方法整周未知数N0确实定整周未知数N0确实定是载波相位测量中特有的问题，也是进一步提高GPS定位精度、提高作业速度的关键所在。N0快速确定整周未知数法。载波相位观测应留意：整周数的变化局部由计数器记录，此间信号不能连续，假设此间到达接收机的信号被遮整周数。这种状况叫整周跳。引起周跳的另一缘由是强电磁干扰。因各项误差影响，整周未知数往往不为整数。整周跳变的修复在何种状况下修复周跳有意义？假设由于电源的故障或振荡器本身的故障使信号临时中断，那么中断前后信号本身失去了连续性。恢复正常工作后的观测值中不但整周计数不正确，缺乏整周的局部也不对。这时，修复周跳没有意义。假设是其他缘由，如卫星信号被某些障碍物挡住，外界干扰使信号临时失锁等，使信号整周计数临时中断，而缺乏一周的相位差局部仍是正确的。这时，修复周跳才有意义。整周跳变的探测与修复常用的方法〔1〕屏幕扫描法〔2〕用高次差或多项式拟合法〔3〕在卫星间求差法〔4〕用双频观测值修复周跳用双频观测值修复周跳优点：组合后的 值中，只涉及频率，取决于电离层残差影响，无须预先知道测站和卫星的坐标。缺点：不能顾及多路径效应和测量噪声的影响，另外假设两个载波相位观测值中都消灭周跳，则不能承受这种方法，而只能承受其他方法探测和修复周跳。GPS确定定位与相对定位1〔地球质心〕确定坐标的一种方法。确定定位的分类确定定位可依据天线所处的状态分为动态确定定位和静态确定定位。无论动态还是静态，所依据的观测量都是所测的站星伪距。依据观测量的性质，伪距有测码伪距和测相伪距，确定定位相应分为测码伪距确定定位和测相伪距确定定位。确定定位的精度由于受到卫星轨道误差、钟差以及信号传播误差等因素的影响，静态确定定位的精10-40m远不能满足大地测量周密定位的要求。2、相对定位GPS相对定位，是至少用两台GPS接收机，同步观测一样的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广泛应用于大地测量、周密工程测量、地球动力学的争论和周密导航。静态确定定位原理测量，通过最小二乘法平差，提高定位精度。最正确函数匹配。测码伪距静态确定定位异的独立钟差参数，在平差计算中一并解算。动态确定定位在用户承受机安置在运动的载体上并处于动态状况下，确定载体瞬时确定位置的定位方法。应用载波相位观测值进展静态确定定位载波相位观测值精度高，有可能获得精度较高的定位结果。但定位精度仍受卫星轨道误差和大气折射误差等影响，只有当卫星轨道精度较高，并以必要的精度对观测量参加电离层和对流层等项修正，才能发挥测相法确定定位潜能；同时如何防止和修复整周变跳，对保障定位精度格外重要。另外，整周未知数N0,理论上是整数，但由于观测误差和各修正量误差的影响，平差求解后不再是整数。假设把非整数的整周未知数调整为相近的整数，作为固定值代入重求解其它未知参数，所得的解称为固定解，而相应整周未知数为非整数的解成为浮动解。精度因子(GDOP)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，则分析说明，GDOPV的倒数成正比。六面体的体积越大，所测卫星在空间的分布范围也越大，GDOP值越小；反之，卫星分布范围越小，GDOP值越大。实际工作中选择和评价观测卫星分布图形3120度时，所构成的六面体体积接近最大。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，同步观测一样的GPS卫星，以确定基线端点的相对位置或基线向量。相对定位有静态相对定位和动态相对定位之分。波相位观测值的一次差或单差。常用的求一次差是在接收机间求一次差。值，叫做载波相位观测值的二次差或双差。三次差：对二次差连续求差称为求三次差。所得结果叫做载波相位观测值的三次差或三差。常用的求三次差是在接收机、卫星和历元之间求三次差。单差观测值中可以消退与卫星有关的载波相位及其钟差项，双差观测值中可以消退与接收机有关的载波相位及其钟差项，三差观测值中可以消退与卫星和接收机有关的初始整周模糊度项N。SA技术：SA技术称为有选择可用性技术，即人为地将误差引入卫星钟和卫星数据中，有意降低GPS定位精度。使C/A20m100m。SA技术的主要内容:(1)在播送星历中，对GPS卫星的基准频率承受δ技术，使星历(2)在卫星钟的钟频信号中加高频抖动(即ε技术)。AS技术：AS技术称为反电子哄骗技术。其方法是:将P码与保密的W码相加成Y码，Y码严格保密。其目的是:防止敌方使用P码进展周密导航定位。当实施AS技术时，非特许用户不能接收到P码。这项技术，仅在特别状况下使用。SA和AS技术对定位的影响(1)(2)(3)AS技术会对高精度相对定位数据处理，整周未知数确实定带来不便。GPS现代化打算包括：GPS信号现代化。开发第三代GPS卫星。地面掌握局部现代化差分GPS定位原理差分GPS产生的诱因：确定定位精度不能满足要求GPS确定定位的精度受多种误差因素的影响，不能完全满足某些特别应用的要求美国的GPS政策对GPS确定定位精度的影响〔选择可用性SA〕差分GPS〔DGPS–DifferentialGPS〕利用设置在坐标的点〔基准站〕上的GPS接收机测定GPS测量定位误差，用以提高在肯定范围内其它GPS接收机〔流淌站〕测量定位精度的方法。影响GPS定位的主要误差多台承受机公有的误差：卫星钟误差；星历误差〔承受差分技术，可以完全消退这〕传播延迟的误差：电离层误差；对流层误差〔承受差分技术，可以局部消退这局部〔视基准站至用户的距离〕接收机固有的误差：内部噪声；通道延迟；多路径效应差分GPS的分类依据时效性：实时差分；事后差分依据观测值类型：伪距差分；载波相位差分依据差分改正数：位置差分〔坐标差分；距离差分依据工作原理和差分模型：局域差分；单基准站差分；多基准站差分；广域差分位置差分和距离差分的特点位置差分：差分改正计算的数学模型简洁；差分数据的数据量少；基准站与流淌站要求观测完全一样的一组卫星距离差分：差分改正计算的数学模型较简单；差分数据的数据量较多；基准站与流淌站不要求观测完全一样的一组卫星单站GPS的差分依据差分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是一样的，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展改正，以获得准确的定位结果。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。这是一种最简洁的差分方法，任何一种GPS接收机均可改装和组成这种差分系统。安装在基准站上的GPS4SA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展改正。与位置差分相像，伪距差分能将两站公共误差抵消，但随着用户到基准站距离的增加又消灭了系统误差，这种误差用任何差分法都是不能消退的。用户和基准站之间的距离对精度有打算性影响。载波相位差分原理载波相位差分技术又称为RTK技术realtimekinemati测站的载波相位根底上的。它能实时供给观测点的三维坐标，并到达厘米级的高精度。实现载波相位差分GPS的方法分为两类：修正法和差分法。单站差分GPS系统构造和算法简洁，技术上较为成熟。主要用于小范围的差分定位工作。对于较大范围的区域，则应用局部区域差分技术。对于一国或几个国家范围的宽阔区域，应用广域差分技术。局部区域GPS差分系统构造：基准站〔多个、数据通讯链和用户数学模型〔差分改正数的计算方法：加权平均；偏导数法；最小方差法特点：优点：差分精度高、牢靠性高，差分范围增大；缺点：差分范围仍旧有限，模型不完善广域差分GPS系统的根本思想对GPS观测量的误差源加以区分，并单独对每一种误差源分别加以“模型化”，然后将计算出的每一误差源的数值，通过数据链传输给用户，以对用户GPS定位的误差加以改正，到达减弱这些误差源，改善用户GPS定位精度的目的。构造：基准站〔多个、数据通讯链和用户〔差分改正数的计算方法的综合影响；广域差分对各项误差加以分别，建立各自的改正模型；用户依据自身的位置，对观测值进展改正优缺点：优点：差分精度高、差分精度与距离无关、差分范围大；缺点：系统构造简单、建设费用高同局域差分GPS相比，广域差分GPS有如下特点:(1)100km增加到2022km，定位精度不会消灭明显的下降，这就是说，广域差分GPS中用户的定位精度对空间距离的敏感程度比局域差分GPS低得多。(2)在大区域内建立局域差分GPS域差分GPS具有更大的经济效益。(3)广域差分GPS度相当，而且定位精度较局域差分GPS高。(4)广域差分GPS的掩盖区域可以扩展到局域差分GPS不易作用的地域，如远洋、沙漠、森林等。(5)广域差分GPS使用的硬件设备及通信工具昂贵，软件技术简单，运行和维持费用较局域差分GPSGPS的牢靠性与安全性可能不如单个的局域差分GPS。目前我国已初步建立了北京、拉萨、乌鲁木齐、上海四个永久性GPS监测站，还打算增设武汉、哈尔滨两站。常规RTK定位的局限性测量范围：要到达1～3厘米级实时定位的要求，用户站和参考站的距离需小于10k，随着基线长度的增长〔>50k后剩余误差很大，导致整周模糊度参数无法固定，基线精度一般只能到达分米级。RTK的数据传输多承受超高频UHFVHFRTCM差UHFVHF的衍射性能差，而且都是站间直线传播，这要求站间的天线必需“准光学通视”，所以在丘陵和山区实施RTK作业很不便利。其它限制：测量过程中，需要不断设置和更换参考站。CORS系统：连续运行参考站系统可