测量学-第六章-GPSnew

一、卫星定位技术发展的回顾

卫星定位技术是利用人造地球卫星进行点位测量的。五十年代美国国家大地测量局,开始利用卫星几何光学观测法和卫星轨道跟踪法建立全球卫星网和全球地心坐标系，建立了一个由45个点组成的全球三角网。前苏联和若干欧洲国家也作了类似的工作。

六十年代美国还完成了多普勒卫星定位系统---海军子午导航卫星系统（NNSS）的布设，并于1968年向民用开放。前苏联也建立了一个由12颗所谓宇宙卫星组成的叫做CICADA系统的卫星导航系统，自此揭开了卫星定位的新篇章。美国在七十年代又开始研制第二代卫星定位系统---全球定位系统（GPS）。1第一页，共51页。第一页，共51页。

进入八十年代，GPS得到了全面的发展。俄罗斯、法国和德国也相继研制了GLONASS、DORIS和PRARE系统。进入九十年代,空间定位技术群更是得到了空前发展,GLONASS系统正式投入运行，西欧欧洲空间局(ESA)开始筹NAVSAT。日本也在积极筹划建立日本的多功能卫星增强系统(MSAS)。

欧盟在1998年提出GALILEO计划,决定建立一个独立于GPS的、专门为全球民用用户设计的卫星导航系统,并于2002年正式启动了GALILEO计划。目前,GALILEO系统完成系统的设计,并于2005年和2007年各发射了一颗试验卫星。欧盟在1999年2月首次提出“伽利略”计划.卫星星座将由30颗卫星组成，卫星采用中等地球轨道，卫星均匀地分布在高度约为2.3万公里的三个轨道面上2第二页，共51页。第二页，共51页。

GLONASS系统本世纪70年代，作为对美国宣布建立和发展GPS的反应，前苏联国防部构想了GLONASS。1993年，俄罗斯政府正式将GLONASS由俄空军（VKS）负责.GLONASS的空间部分也是由24颗卫星组成，轨道排列在3个平面上，升交点赤经彼此相隔120度，轨道平面倾角为64.8度。每个轨道平面上有8颗卫星，同一平面上卫星分布均匀，卫星轨道长半轴25510km，卫星运行周期为11小时15分，目前，GLONASS系统中有13至15颗卫星处于正常工作状态。到24颗GLONASS卫星全部投入运行时，在全球的任何时间任何地点都可以看到5至10颗GLONASS卫星。3第三页，共51页。第三页，共51页。

中国北斗卫星导航定位系统中国到1983年初才开始酝酿利用静止轨道卫星进行导航定位的技术方案。陈芳允院士提出了利用两颗北斗一号卫星发射地球静止轨道卫星测定用户位置的卫星无线电定位系统的概念,并称之为双星定位通信系统。1989年,双星定位的设想通过使用两颗“东方红二号”对地静止通信卫星得以证实。2000年10月和12月成功发射了两颗“北斗”导航卫星,建成了中国第一代卫星导航定位系统——“北斗一代”,2003年5月发射了第三颗“北斗”导航卫星,使系统进入稳定运行。中国成为世界上第三个拥有独立导航系统的国家。目前,中国正在进行类似于GPS的“北斗二代”的建设。2007年4月,中国发射了“北斗二代”的试验卫星,2009年4月,又发射了属于“北斗二代”的第一颗正式导航卫星。4第四页，共51页。第四页，共51页。

日期火箭卫星轨道目前状态系统2000年10月31日长征三号甲北斗-1A地球静止轨道

59°E结束任务北斗一号2000年12月21日长征三号甲北斗-1B地球静止轨道80°E正常北斗一号2003年5月25日长征三号甲北斗-1C地球静止轨道110.5°E正常北斗一号2007年2月3日长征三号甲北斗-1D超同步转移轨道失效?北斗一号2007年4月14日长征三号甲北斗-M1中地球轨道~21500km正常北斗二号2009年4月15日长征三号丙北斗-G2地球静止轨道（预定）失效？北斗二号2010年1月17日长征三号丙北斗-G1地球静止轨道144.5°E正常北斗二号2010年6月2日长征三号丙北斗-G3地球静止轨道84°E正常北斗二号2010年8月1日长征三号甲北斗-I1倾斜地球同步轨道倾角55°正常北斗二号2010年11月1日长征三号丙北斗-G4地球静止轨道160°E正常北斗二号2010年12月18日长征三号甲北斗-I2倾斜地球同步轨道正常北斗二号2011年4月10日长征三号甲BD-I3倾斜地球同步轨道正常北斗二号5第五页，共51页。第五页，共51页。二、GPS定位系统的组成

GPS定位技术是利用高空中的GPS卫星，向地面发射L波段的载频无线电测距信号，由地面上用户接收机实时地连续接收，并计算出接收机天线所在的位置。因此，GPS定位系统是由以下三个部分组成：（1）GPS卫星星座（空间部分）21+3（2）地面监控系统（地面控制部分）（3）GPS信号接收机（用户设备部分）。这三部分有各自独立的功能和作用，对于整个全球定位系统来说，它们都是不可缺少的。6第六页，共51页。第六页，共51页。7第七页，共51页。第七页，共51页。

目前覆盖全球的“GPS全星座”，使得在地球上任何地方可以同时观测到4-12颗高度角15以上的卫星。GPS卫星分布在6个近圆形轨道面，高度在地面以上约20200km，轨道面相对于地球赤道面倾斜55角，卫星运转周期约11小时58分（半个恒星日）。（一）GPS卫星和星座8第八页，共51页。第八页，共51页。GPS卫星分布图9第九页，共51页。第九页，共51页。（二）地面监控系统

地面监控系统由一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。主控站的作用是收集各个监测站所测得的伪距和积分多普勒观测值、环境要素等数据，计算每颗GPS卫星的星历、时钟改正量、状态数据、以及信号的大气层传播改正，并按一定的形式编制成导航电文，传送到注入站，此外还控制和监视其余站的工作情况并管理调度GPS卫星。

注入站的作用是将主控站传来的导航电文，用10cm（S）波段的微波作载波，分别注入到相应的GPS卫星中，通过卫星将导航电文传递给地面上的广大用户。由于导航电文是GPS用户所需要的一项重要信息，通过导航电文才能确定出GPS卫星在各时刻的具体位置，因此注入站的作用是很重要的。10第十页，共51页。第十页，共51页。

监测站的主要任务是为主控站编算导航电文提供原始观测数据。每个监测站上都有GPS信号接收机对所见卫星作伪距测量和积分多普勒观测，采集环境要素等数据，经初步处理后发往主控站。以上地面监控系统实际上都是由美国军方所控制。由于军方为了限制民间用户通过GPS所达到的实时定位精度，而对GPS卫星轨道精度和时钟稳定性作了有意降低（SA政策），这不利于广大民间用户。为了克服SA政策的影响，一些国际性科研机构建立了广泛分布的全球性跟踪网络，用来精确测定GPS卫星的轨道元素供后处理之用，或计算预报星历。但是这两种星历都不是由GPS卫星播发给用户，而是要通过一定的信息渠道获得，有别于GPS卫星的广播星历。11第十一页，共51页。第十一页，共51页。(三)用户设备部分

用户设备部分主要由GPS接收机硬件和数据处理软件组成。关于GPS接收机有多种分类方法，但对于大地测量应用来说，一般都是采用较精密的双频接收机，可作双频载波相位测量。从具体应用与成本价格出发，也可选用稍为便宜的单频接收机。所有GPS接收机生产厂家一般都随机提供数据处理软件包，但其作用是有限的。国际上有一些科研机构为了克服商用数据处理软件的不足，已经开发研制了多种精密的GPS数据后处理软件包，如GAMIT（美国麻省理工学院）、Bernese（瑞士伯尔尼大学天文学院）、GIPSY（美国加州大学喷气推进实验室）等，主要用于科研目的。

12第十二页，共51页。第十二页，共51页。按用途分类：导航型接收机、测地型接收机按载波频率分类：单频接收机、双频接收机，单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线（<15km）的精密定位。双频接收机可以同时接收L1，L2载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样，可以消除电离层对电磁波信号的延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位

按接收机通道数分类：多通道接收机序贯通道接收机多路多用通道接收机

13第十三页，共51页。第十三页，共51页。（四）、相对于经典的测量技术来说，这一新技术的主要特点如下：

●全球地面覆盖。●功能多，精度高。●实时定位。●应用广泛。14第十四页，共51页。第十四页，共51页。●观测站之间无需通视。既要保持良好的通视条件，又要保障测量控制网的良好结构，这一直是经典测量技术在实践方面的困难问题之一。GPS测量不要求观测站之间相互通视，因而不再需要建造觇标，这一优点既可大大减少测量工作的经费和时间，同时也使点位的选择变得甚为灵活。不过为了使接收GPS卫星的信号不受干扰，必须保持观测站的上空开阔（净空）。15第十五页，共51页。第十五页，共51页。●定位精度高。现已完成的大量实验表明，目前在小于50km的基线上，其相对定位精度可达1~2×10-6，而在100km~500km的基线上可达10-6~10-7。随着观测技术与数据处理方法的改善，可望在大于1000km的距离上，相对定位精度可达到或优于10-8。16第十六页，共51页。第十六页，共51页。●观测时间短。目前，利用经典的静态定位方法，完成一条基线的相对定位所需要的观测时间，根据要求的精度不同，一般约为1~3小时。为了进一步缩短观测时间，提高作业速度，近年来发展的短基线（例如不超过20km）快速相对定位法，其观测时间仅需数分钟。17第十七页，共51页。第十七页，共51页。●提供三维坐标。GPS测量，在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。GPS测量的这一特点，不仅为研究大地水准面的形状和确定地面点的高程开辟了新途径，同时也为其在航空物探，航空摄影测量及精度导航中的应用，提供了重要的高程数据。18第十八页，共51页。第十八页，共51页。●操作简便。GPS测量的自动化程度很高，在观测中测量员的主要任务只是安置并开关仪器，量取仪器高，监视仪器的工作状态和采集环境的气象数据，而其它观测工作，如卫星的捕获，跟踪观测和记录等均由仪器自动完成。另外，GPS用户接收机一般重量较轻，体积较小，因此携带和搬运都很方便。19第十九页，共51页。第十九页，共51页。●全天侯作业。GPS观测工作，可以在任何地点，任何时间连续地进行，一般也不受天气状况的影响。20第二十页，共51页。第二十页，共51页。三、GPS定位的观测方程（一）伪距法

GPS全球定位系统的基本定位方法，是通过测量信号从卫星到接收机的传播时间，得到卫星与接收机之间的距离，然后根据多个这样的距离来解算接收机天线所在的位置坐标。假定卫星和接收机的时钟都是与GPS系统的时间（或UTC时间）保持完全同步，即不存在卫星钟差与接收机钟差，并且为简化起见，也不考虑大气层折射延迟（包括电离层和对流层）等的影响，则此时卫星至地面接收机的距离，与信号传播时间之间有如下简单关系：

式中c为光速。实际上卫星钟与接收机钟一般并没有与GPS系统时间完全同步，再考虑到大气层折射延迟的影响，因此测量得到的并非真正的卫星至接收机的几何直线距离，而是所谓的伪距PR：

21第二十一页，共51页。第二十一页，共51页。无SA时

C/A码单点定位精度15-30m有SA时

C/A码单点定位精度100m

军用P码单点定位精度3m精度:GPS卫星GPS单机实时定位原理22第二十二页，共51页。第二十二页，共51页。23第二十三页，共51页。第二十三页，共51页。(二)载波相位测量方法由于载波的波长远小于测距码的波长，所以在分辨率相同的情况下，载波相位的观测精度远较码相位的观测精度高。载波相位观测值的定义为

(2.10)式中，S(tS)为接收机于tR时刻收到的卫星信号的相位，R(tR)为接收机同时刻产生的参考信号的相位，tS、tR

是GPS系统时间或UTC时间。对于连续波，载波相位测量的观测方程可表示为：

(2.11)式中，为信号发射时刻（tS）的卫星至接收机距离，=c/fS为信号波长，fS为卫星信号频率，

N为初始观测时刻传播路径上整波长数目（整周未知数），t包括卫星钟与接收机钟误差和大气层折射延迟等影响。从上式中可以看到，用精密的载波相位测量值解算时，除了同样要考虑卫星钟与接收机钟的时间同步差，以及大气层折射延迟影响外，还有整周未知数的问题。只有这些问题都解决了，才能得出高精度的卫星测量定位结果。24第二十四页，共51页。第二十四页，共51页。基准站（坐标已知）GPS卫星待定站（坐标未知）差分定位精度伪距：<5m相位：厘米级到毫米级差分GPS定位原理25第二十五页，共51页。第二十五页，共51页。四、GPS卫星测量的误差来源

GPS卫星在距离地面约20200公里的高空，向地面上的广大用户发送测距信号和导航电文等信息。GPS定位的观测量不可避免地会受到多种误差源影响。按照这些误差源的来源，一般可分为三种情况：（1）与GPS卫星有关的误差、（2）与信号传播有关的误差、（3）与接收设备有关的误差。以下作简要的分析：(一)与GPS卫星有关的误差1．卫星星历误差:

它是指广播星历或其它轨道信息给出的卫星位置与卫星真实位置之间的差值。前面已经提到过，GPS卫星星历是由布设在地面上、具有一定数量与空间分布的监测站连续跟踪观测GPS卫星，26第二十六页，共51页。第二十六页，共51页。并结合环境要素等其它信息，再由主控站对卫星作精密定轨计算得到的。而广播星历又是由定轨结果外推得出，因此广播星历的精度是有限的，另外由于SA政策的实施，人为地对广播星历精度又作了降低，这都不利于高精度用户对广播星历的使用。一些国际性科学研究组织为了克服这种困难，建立了全球范围大量分布的卫星跟踪站，对观测数据做精密的定轨计算，可以提供高精度的后处理用GPS星历，其中IGS精密星历，据称其绝对定轨精度已达5cm。国际上进行了一些大范围的GPS会测实验，采用IGS精密星历，并使用Bernese等高精度后处理软件，结果精度普遍达到10-8以上。2．卫星钟误差

由于卫星位置是时间的函数，所以GPS的观测量均以精密测时为前提。虽然GPS卫星均配有高精度的原子钟，但它们与理想的GPS时之间仍会有偏差或漂移，难以避免。对于此，导航电文是用二阶多项式表示这种偏差量：

其中，t0e为参考历元，a0为卫星钟的固定钟差，a1为卫星钟的钟速，a2为卫星钟的钟速变化率（钟漂）。这些值都在导航电文中给出。而对于IGS精密星历，在解算出各历元时刻GPS卫星的轨道位置时，一般也提供了关于此卫星的时钟偏差量，准确度在0.5ns～5.0ns以内，由此引起的等效距离误差在0.5m左右。27第二十七页，共51页。第二十七页，共51页。(二)与信号传播有关的误差与GPS信号传播有关的误差主要是大气折射误差和多路径效应。而大气折射误差根据其性质，往往区分为电离层折射影响和对流层折射影响。实际上，这里对流层折射影响也包括有来自平流层与中间层的折射，因此也可合称为中性大气折射影响，但一般还是简单地称为对流层折射。所谓多路径效应，是指接收机天线除直接收到来自GPS卫星的信号外，还可能收到天线周围地物反射来的信号。这两种信号叠加在一起将会引起测量参考点（相位中心）的变化，而且这种变化随天线周围反射面的性质而异，难以控制。多路径效应具有周期性误差，其变化幅度可达数厘米。

消除或减弱多路径效应，除了采用载波相位测量方法外，一般是采用造型适宜且屏蔽良好的天线。这种天线一般装备有抑径板或抑径圈，可以阻挡来自水平面以下的多路径信号被接收。但是实际上，有些多路径信号并不是来自地面的反射，而是竖立的高大建筑物表面，经过这种表面反射的多路径信号，往往也具有较大的高度角值，可以从水平面以上进入接收机天线。因此在进行GPS测量选址工作时，还应当考虑多路径信号产生的可能性，尽量避开这种高大建筑物。

28第二十八页，共51页。第二十八页，共51页。(三)与接收设备有关的误差这类误差主要有：观测误差、接收机钟差、相位中心误差和载波相位观测的整周不定性误差等。1．观测误差

分观测的分辨误差与接收机天线相对测站点的安置误差。一般认为观测的分辨误差约为信号波长的1%。由于载波的波长远小于GPS伪随机测距码的波长，因此采用载波相位观测量一般可以达到更高的精度。而天线的安置误差主要有天线的置平与对中误差和量取天线高的误差。只要在观测中认真操作，可以尽量减少这些误差的影响。2．接收机的钟差

对于这种误差，一般是在数据处理中作为未知数来解出。另外在作差分法相对定位时，也可以通过在不同卫星之间求差来消除这部分影响。29第二十九页，共51页。第二十九页，共51页。3．天线的相位中心误差

GPS测量的观测值都是以天线的相位中心为准的，而我们一般只能观察到天线的几何中心，因此要求天线的几何中心与相位中心一致，这应在天线的生产和设计上达到，是天线生产厂家的任务。另外，若采用同种型号的接收机天线，可以近似认为相位中心与几何中心的偏离情况是一样的，因此用观测值的求差和相对定位能削弱这种影响，但这时要求统一按天线的方向标定向，使各天线的指北极都指向正北方向。关于载波相位测量的整周不定性误差，主要是指观测中整周未知数的跳变现象（周跳）。另外也有在数据处理时求解整周未知数时的失败，不能将整周未知数固定为某一整数，而只能取实数解的情况。周跳的发生是与多种因素有关的，如信号受阻挡失锁、接收机内部热噪声影响、电离层活动出现异常变化等。这里涉及到太多的专业内容，限于篇幅本文中不作详细介绍。

返回30第三十页，共51页。第三十页，共51页。五、差分法载波相位测量设在某基线两端安设GPS接收机Ti（i=1，2），对卫星sk和sj与历元t1和t2进行同步观测，则对任一频率Li（i=1，2），有独立的载波相位观测量j1(t1)、j1(t2)、k1(t1)、k1(t2)、j2(t1)、j2(t2)、k2(t1)、k2(t2)。这些观测量被称为基本观测量，而相应的基本观测方程为

式中t1(t)为历元t时测站1的接收机钟差，tj(t)为历元t时卫星j的时钟误差，j1,IP(t)为电离层折射延迟量，j1,T(t)为对流层折射延迟量。为了克服关于大气折射延迟改正不够准确，以及减少未知数等原因，常对以上观测量作差分处理。一般用到的有单差、双差、和三差法。31第三十一页，共51页。第三十一页，共51页。(一)单差法单差观测量通常是指不同观测站同步观测相同卫星所得观测量之差，其表达形式为

(2.16)相应的观测方程为

(2.17)可见其中已经消去了两站共视卫星sj的时钟误差tj(t)，另外对流层折射与电离层折射部分也都有所消弱。32第三十二页，共51页。第三十二页，共51页。图2-4测站间同步观测量的单差

T2

T1

S1

33第三十三页，共51页。第三十三页，共51页。(二)双差法双差观测量是在单差法基础上，对不同测站同步观测一组卫星所得单差之差，即

(2.18)

相应的观测方程为

(2.19)这样进一步消除了两站的接收机时钟误差项。为了简便起见，式中忽略了有关大气折射延迟的双差项。34第三十四页，共51页。第三十四页，共51页。图2-5GPS同步观测量之双差

T1

T2S1

S235第三十五页，共51页。第三十五页，共51页。(三)三差法三差法是在双差法基础上，进一步对不同历元之间，不同测站同步观测的同一组卫星所得双差观测量作差分，即

(2.20)相应的观测方程为(2.21)这样一来，就进一步消去了双差观测方程中含有整周未知数的项。36第三十六页，共51页。第三十六页，共51页。图2-6GPS相对定位的观测量T1T237第三十七页，共51页。第三十七页，共51页。差分法载波相位测量虽然可以消去一系列多余参数项（即指不含有测站坐标的项），但是在组成差分观测方程的同时，减少了观测方程的个数，另外也增加了观测量之间的相关性，这些都不利于提高最后解的精度。一般是采用双差法求解最终结果，而三差法则只是用于确定整周未知数或求得测站坐标的近似解。38第三十八页，共51页。第三十八页，共51页。GPS技