测量学第六章GSnew

GPS原理及其应用1第一章GPS卫星定位原理一、卫星定位技术发展的回顾二、GPS定位系统的组成三、GPS定位的观测方程四、GPS卫星测量的误差来源五、差分法载波相位测量

2一、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）。3

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4

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。5

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。6

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7二、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。89

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10GPS卫星分布图11（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。12

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。13(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。

14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

15（四连）、相对桐于经蹄典的朱测量汁技术蔽来说经，这王一新卡技术散的主私要特核点如铁下：●全球破地面端覆盖上。●功能狮多，吐精度料高。●叶实复时定脚位。●兵应蜡用广委泛。16●观测饿站之配间无味需通孩视。尽既要匪保持德良好循的通亿视条革件，匆又要仓保障重测量够控制火网的轧良好退结构棕，这事一直陷是经间典测傲量技漂术在精实践姜方面昏的困伶难问润题之辨一。GP按S测量拨不要票求观允测站躬之间都相互沫通视忽，因捕而不楼再需禽要建编造觇蹦标，政这一朗优点图既可梯大大简减少微测量业工作诱的经礼费和若时间释，同磁时也泳使点雄位的见选择辨变得高甚为化灵活散。不过范为了杆使接价收GP慈S卫星臂的信息号不傲受干雨扰，照必须诵保持己观测屿站的猜上空乒开阔神（净劫空）轰。17●定位改精度兄高。演现已络完成胀的大艳量实堤验表和明，部目前志在小弓于50多km的基中线上窗，其帜相对限定位俱精度劳可达1~烟2×元10-6，而猜在10晓0k拉m~溪50冬0k用m的基秩线上幼可达10-6~匀10-7。随嚼着观使测技鸦术与狂数据贺处理屑方法径的改倾善，王可望搂在大例于10凭00香km的距光离上话，相版对定乘位精誉度可盾达到蛇或优状于10-8。18●观测哭时间坚短。圾目前拍，利址用经满典的征静态件定位美方法填，完过成一煤条基焦线的边相对姿定位丛所需为要的森观测亩时间雄，根命据要诵求的读精度的不同忠，一财般约莲为1~黎3小时染。为去了进锡一步单缩短涝观测授时间课，提奏高作透业速失度，景近年弃来发桃展的统短基舞线（妥例如话不超习过20蜡km）快速峡相对滨定位僚法，科其观睁测时蒜间仅瞎需数况分钟蚀。19●提茄供三斑维坐鸽标。GP苏S测量兰，在达精确解测定砍观测久站平森面位铃置的屈同时邻，可京以精赵确测挺定观渐测站坏的大范地高莲程。GP雷S测量起的这夜一特压点，嫩不仅塑为研樱究大共地水牵准面兰的形痛状和敌确定宵地面铅点的意高程湾开辟炊了新也途径速，同录时也味为其唐在航污空物改探，脸航空居摄影廊测量居及精立度导因航中杂的应袍用，网提供挣了重务要的姐高程极数据界。20●操忌作简靠便。GP蚁S测量灭的自贯动化旺程度它很高叮，在芳观测定中测季量员影的主养要任掀务只而是安捡置并泽开关阴仪器姐，量牵取仪缘瑞器高腹，监须视仪缘瑞器的幅工作念状态锋和采慌集环迫境的斧气象岔数据刮，而病其它物观测奖工作搬，如辫卫星猪的捕路获，职跟踪少观测警和记灭录等语均由岂仪器销自动拼完成恰。另也外，GP卸S用户拿接收洞机一敏般重开量较啄轻，矿体积饭较小加，因迎此携垫带和桶搬运膝都很伐方便嚷。21●全连天侯则作业裕。GP岂S观测帜工作映，可滩以在协任何俯地点待，任宋何时滑间连铃续地片进行气，一散般也衔不受奔天气赠状况披的影垃响。22三、GP持S定位芹的观倡测方送程（一雾）中伪距惧法GP暖S全球贿定位饺系统欺的基涛本定侦位方穿法，泥是通洁过测爽量信县号从蚁卫星借到接种收机弹的传践播时际间，之得到由卫星明与接再收机分之间娱的距倒离，走然后惩根据说多个倘这样训的距懂离来眼解算蔬接收敌机天驶线所糕在的嫁位置誓坐标室。假蓬定卫喜星和贱接收拣机的忽时钟慨都是与GP善S系统安的时愚间（躁或UT抓C时间蜜）保健持完鉴全同碗步，森即不圾存在知卫星纵钟差遇与接鲁收机繁钟差像，并筑且为睁简化羊起见挑，也窝不考咸虑大柔气层伶折射榴延迟感（包南括电罪离层猪和对瓣流层供）等象的影园响，添则此啊时卫泊星至质地面象接收阀机的黑距离宏，与顶信号仪传播暖时间之间症有如尾下简羊单关际系：式中c为光摸速。实际竞上卫毛星钟烛与接泊收机赴钟一取般并岂没有幅与GP毛S系统五时间木完全碎同步蹄，再鸣考虑折到大菊气层塞折射今延迟直的影谱响，悉因此去测量陶得到帅的并陕非真援正的稼卫星欲至接裁收机胞的几漫何直磨线距茶离，插而是葛所谓毕的伪罢距PR：23无SA时C/疫A码单挽点定低位精拘度15剧-3值0m有SA时C/年A码单输点定门位精桶度10惑0凳m军用P码单鼓点定病位精乞度3申m精度:GPS卫星GP停S单机锅实时讲定位柳原理2425(二)载波深相位炸测量硬方法由于渣载波其的波件长远晕小于备测距皮码的宪波长类，所葵以在汤分辨会率相记同的铸情况节下，绑载波素相位得的观早测精赏度远爷较码进相位恰的观惩测精删度高叫。载络波相逆位观元测值驳的定始义为(2诸.1粗0)式中危，S(tS)为接头收机饭于tR时刻悄收到披的卫致星信袄号的霜相位垂，R(tR)为接瓜收机垂同时增刻产担生的蛾参考漂信号遣的相寻位，tS、tR是GP己S系统该时间渡或UT懒C时间厕。对于下连续辈波，导载波罚相位艺测量妄的观扯测方头程可霞表示井为：(2家.1涝1)式中订，为信桂号发匹射时阀刻（tS）的卫吧星至盒接收朗机距划离，=c/遵fS为信铅号波亚长，fS为卫票星信庄号频秒率，N为初腔始观宣测时赞刻传顶播路火径上淘整波格长数园目（整周旬未知储数），t包括撤卫星拔钟与亩接收盐机钟吸误差忍和大灶气层止折射宝延迟钟等影浩响。从上挎式中芬可以蛾看到甩，用烧精密侦的载污波相古位测务量值拒解算壶时，默除了功同样隆要考挂虑卫怪星钟腿与接怒收机秀钟的压时间升同步庙差，支以及幸大气详层折来射延拥迟影裂响外咸，还咏有整俩周未呈知数辫的问尿题。走只有重这些辟问题并都解持决了得，才部能得蝴出高来精度国的卫泡星测娃量定丸位结阵果。26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27四、GP献S卫星激测量畏的误公差来录源GP颂S卫星盏在距丧离地杜面约20阿20僚0公里母的高慢空，蛛向地逗面上窝的广炎大用太户发果送测妈距信译号和锅导航惩电文地等信骆息。GP悟S定位益的观次测量知不可四避免裂地会斤受到爹多种胖误差纱源影贿响。舒按照穿这些睛误差穗源的踏来源微，一般朝可分陈为三夹种情更况：（1）与GP添S卫星壮有关杰的误牺差、觉（2）与技信号爽传播盗有关固的误刷差、柜（3）与鼻接收远设备铁有关躺的误巩差。稿以下屋作简往要的孤分析糠：(一)与GP愧S卫星维有关日的误贷差1．卫影星星牲历误充差:它是静指广凑播星起历或善其它技轨道左信息强给出豪的卫搜星位托置与垫卫星夏真实排位置沉之间掠的差角值。摄前面耀已经欺提到则过，GP楚S卫星汪星历障是由若布设根在地咳面上刑、具录有一颂定数存量与若空间土分布傅的监砖测站虏连续追跟踪晚观测GP区S卫星论，28并结鸟合环垂境要是素等徐其它笼信息办，再淡由主夺控站鼓对卫般星作爆精密梨定轨尼计算年得到俩的。币而广察播星决历又朽是由含定轨类结果箱外推蚀得出郑，因谁此广澡播星沿历的拣精度暑是有垄限的泉，另别外由券于SA政策垦的实卫施，茧人为址地对持广播姜星历朵精度罢又作领了降辞低，挤这都捞不利查于高骨精度薪用户喜对广闸播星菌历的烟使用由。一杰些国慎际性版科学驰研究尘组织件为了尚克服畏这种糠困难瓦，建蒙立了辨全球帅范围建大量哥分布渡的卫倡星跟兽踪站识，对芝观测但数据廊做精植密的步定轨层计算渔，可算以提介供高聋精度线的后汤处理示用GP缠S星历酸，其斗中IG散S精密模星历龙，据此称其卖绝对仿定轨扰精度闲已达5c扒m。国际配上进姓行了矩一些顾大范坐围的GP洗S会测宜实验雅，采锻用IG扔S精密余星历狐，并膏使用Be弹rn眉es嗓e等高猎精度寺后处臂理软屠件，别结果拾精度捞普遍绒达到10-8以上炊。2．卫施星钟泛误差由于祸卫星捆位置症是时士间的限函数雾，所堡以GP谈S的观锹测量枪均以衫精密固测时求为前重提。龙虽然GP迟S卫星碍均配苦有高惊精度赞的原补子钟额，但水它们州与理凳想的GP归S时之淹间仍旗会有荡偏差聚或漂波移，袭难以璃避免哄。对辱于此搁，导杨航电纺文是州用二保阶多致项式芳表示械这种胆偏差捉量：其中袋，t0e为参商考历买元，a0为卫雁星钟丧的固罚定钟漏差，a1为卫道星钟拘的钟吗速，a2为卫编星钟茎的钟播速变铅化率首（钟议漂）灶。这甘些值扁都在茎导航赖电文腰中给号出。涉而对倾于IG糟S精密野星历劣，在园解算取出各洋历元缝时刻GP斧S卫星拨的轨紧道位恳置时翁，一呼般也喉提供飘了关斗于此肯卫星届的时药钟偏狮差量鲁，准勾确度特在0.歉5n歼s～5.精0n墓s以内拖，由毛此引他起的艰等效难距离饥误差沉在0.每5m左右忽。29(二)与信芳号传衣播有盈关的剖误差与GP显S信号守传播钳有关渡的误识差主领要是大气携折射氏误差践和多举路径尚效应。而缘瑞大气幕折射寸误差明根据捧其性方质，茫往往仙区分糖为电离衣层折延射影营响和柏对流税层折题射影偿响。实集际上间，这间里对掠流层捎折射危影响补也包故括有抵来自辨平流东层与梢中间彩层的赔折射叨，因禽此也阴可合霞称为毙中性疼大气匠折射你影响汽，但鄙一般发还是材简单郑地称读为对罩流层五折射鹿。所谓多路榆径效补应，惯是指荣接收返机天爱线除接直接戚收到统来自GP躲S卫星嫂的信锤号外畜，还寻可能菊收到虚天线浸周围扛地物轧反射吐来的蜜信号。这禁两种胁信号凤叠加组在一张起将挑会引猾起测色量参塔考点黄（相踢位中雕心）辉的变粪化，棒而且跃这种佳变化趣随天认线周知围反炼射面驱的性喘质而积异，灾难以沟控制答。多誓路径超效应生具有性周期牲性误僚差，传其变赏化幅猫度可专达数银厘米资。消除桃或减换弱多拿路径喝效应，除接了采提用载雕波相马位测演量方洽法外幻玉，一味般是削采用喜造型互适宜建且屏化蔽良勺好的马天线帆。这俯种天疤线一皇般装景备有群抑径市板或叮抑径继圈，脾可以厘阻挡谦来自忠水平旗面以雁下的牲多路规径信座号被罩接收累。但腹是实岂际上猾，有辱些多哭路径冰信号裂并不发是来黑自地顿面的爸反射瞒，而翁是竖圣立的同高大垒建筑畅物表会面，煮经过叼这种样表面掘反射尿的多导路径虾信号基，往常往也话具有描较大序的高笨度角森值，任可以迟从水朽平面魔以上晴进入貌接收塑机天臭线。台因此霞在进言行GP铅S测量障选址体工作档时，级还应缴当考燃虑多毒路径培信号纪产生染的可海能性在，尽急量避汪开这通种高突大建成筑物魔。30(三)与接顽收设姓备有役关的黄误差这类辟误差门主要量有：录观测微误差贿、接洲收机缴钟差膝、相拖位中鲜心误监差和干载波尖相位孔观测洋的整赢周不撇定性楚误差鼓等。1．观亦测误青差分观各测的豆分辨仇误差亚与接欧收机壮天线掠相对始测站息点的下安置同误差挡。一坡般认合为观令测的江分辨盗误差殿约为赶信号伴波长怎的1%。由据于载芒波的饶波长顿远小腰于GP已S伪随宣机测跳距码僵的波弓长，句因此埋采用转载波绸相位痒观测蹄量一督般可翁以达目到更辛高的晶精度倘。而靠天线应的安鲁置误骗差主慰要有答天线清的置枕平与僵对中璃误差艇和量干取天快线高幅的误直差。你只要瘦在观每测中格认真准操作狸，可跨以尽绘量减场少这桨些误沫差的旬影响韵。2．接办收机巴的钟斩差对于疮这种泥误差间，一章般是燃在数犬据处渴理中涌作为糖未知伸数来码解出坡。另鼻外在高作差炊分法轿相对成定位闯时，有也可乞以通盘过在铁不同抵卫星写之间污求差悬来消滤除这董部分抓影响青。313．天姜线的蛋相位明中心固误差GP彩S测量续的观腰测值迹都是谈以天眯线的澡相位脚中心益为准贴的，题而我蔑们一嫌般只滚能观米察到倚天线拥的几衔何中装心，羡因此盐要求茎天线明的几笑何中败心与宣相位辆中心鲁一致处，这谜应在圆天线警的生查产和冶设计焰上达致到，芒是天钓线生普产厂升家的稍任务葱。另至外，愧若采扯用同仅种型悲号的惹接收污机天记线，费可以纽奉近似冷认为否相位群中心许与几泄何中系心的舌偏离臣情况下是一乓样的脂，因遥此用嗓观测稿值的树求差拿和相术对定哥位能适削弱瞎这种腾影响确，但习这时雄要求访统一亮按天炊线的顶方向梁标定蜡向，离使各辫天线弄的指证北极梨都指坟向正佩北方剖向。关于吊载波夜相位调测量辣的整周秀不定弟性误阁差，主顺要是礼指观纽奉测中峡整周咏未知熄数的脑跳变妻现象娱（周同跳）捡。另爽外也臣有在僚数据逢处理睬时求纹解整本周未洋知数令时的远失败寻，不巩能将泊整周叮未知轰数固啄定为绒某一鼠整数催，而姜只能似取实牢数解淘的情项况。痕周跳只的发床生是判与多屋种因饼素有持关的蔽，如猾信号捧受阻格挡失京锁、伪接收止机内刮部热决噪声唇影响拼、电久离层梨活动阻出现擦异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