GPS探测原理及其应用课件

GPS探测原理及其应用2007202129林艳内容提要1.1GPS的概述1.2GPS测量定位原理1.3GPS技术在气象学中的应用1.1GPS概述1.1.1什么是GPSGPS的英文全称是NAVigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositionSystem（导航星测时与测距全球定位系统），简称GPS。根据Wooden1985年所给出的定义：全球定位系统（GPS）是一个空基全天侯导航系统，它由美国国防部开发，用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速度和时间信息的要求。1.1.2GPS的系统组成GPS系统由空间部分、地面控制部分和用户设备部分等三部分组成1.1.2GPS的系统组成空间星座部分：24颗卫星提供星历和时间信息；发射伪距和载波信号；提供其他辅助信息。新一代BlockⅡR卫星地面监控系统工作流程地面控制部分：中心控制系统；实现时间同步；跟踪卫星进行定轨。1.1.2GPS的系统组成用户部分：接收并观测卫星信号；记录和处理数据；提供导航定位信息。GPS信号接收机：能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的卫星信号接收设备1.1.3GPS特点观测站之间不需要通视提供三维坐标定位精度高操作简便观测时间短全天候24小时作业1.1.4GPS的应用从GPS的提出到1993年建成，经历了20年，实践证实，GPS对人类活动影响极大，应用价值极高，所以得到美国政府和军队的高度重视，不惜投资300亿美元来建立这一工程，成为继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的第三项庞大空间计划。它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，可以满足各种不同用户的需要。交通搜索救援气象观测遥感测量国防军事卫星定轨电力搜索救援气象观测

支持GPS系统的V740手机内置了GPS卫星定位系统1.1.5其它卫星导航系统

GLONASS（俄）

Galileo（欧）北斗导航系统（中）1.2GPS测量定位原理1.2.1绝对定位概述定义：绝对定位，又称单点定位，仅单独利用一台接收机确定待定点在地固坐标系中的绝对位置的方法。优点：一台接收机单独定位，作业方法简单缺点：定位精度低基本原理：以GPS卫星和用户接收机天线之间的距离观测量为基准，根据已知的卫星瞬时坐标，来确定用户接收机所对应的位置。观测方程：其中：Xs，Ys，Zs：卫星坐标；X，Y，Z：测站坐标；伪距：由于GPS采用的是单程测距原理，卫星钟与用户接收机钟难以保持严格同步，实际上观测的是测站与卫星之间的距离，由于受卫星钟和接收机钟的同步差的共同影响，又称伪距离测量。

PSEUDO-RANGE:Thepseudo-range(PR)isthedistancefromthereceiverantennatothe

satelliteantennaincludingreceiverandsatelliteclockoffsets(and

otherbiases,suchasatmosphericdelays):PR=distance+c*(receiverclockoffset-satelliteclockoffset+otherbiases)sothatthepseudo-rangereflectstheactualbehaviorofthereceiver

andsatelliteclocks.Thepseudo-rangeisstoredinunitsofmeters.：观测距离（伪距）；伪距定位原理其中：

卫星发出信号时的卫星钟读数；；

接收机钟接受该信号的接收机读数；c：真空中的光速；1.2.2误差方程

卫星信号经过电离层和对流层到达地面测站后，经电离层折射改正后ion和对流层折射改正后trop，求得卫星至接收机的集合距离：=c（ta-Tb）+ion+trop于是几何距离ρ与伪距之间的关系式为：

其中：

ion：电离层延迟改正；trop：对流层延迟改正;:发射时刻卫星钟的改正数；:接收时刻接收机钟的改正数。对流层延迟对流层对流层延迟的干分量与湿分量相对与GPS信号，与信号的频率无关（非色散）应对方法相对定位模型改正气象元素-干温、湿温、气压霍普菲尔德（Hopfield）模型、萨斯塔莫宁（Saastamoinen）模型、勃兰克（Black）改正模型等电离层延迟电离层–自由电子与信号的频率有关–与信号频率的平方成反比（色散效应）与信号传播途径上的电子密度有关，而电子密度又与高度、时间、季节、地理位置、太阳活动等有关电离层对载波和测距码的影响，大小相等，符号相反应对方法模型改正–单层电离层模型双频改正相对定位1.2.3对流层天顶延迟

对流层是高度为40km以下的大气层，大气密度大，成分复杂，大气的状况随着地面的气候变化而变化。这就使得对流层折射比电离层折射更为复杂。电磁波通过对流层时传播速度将发生变化，路径也将产生弯曲（只有在高度角很小时才能表现出来，一般不需考虑）。天顶方向的对流层延迟数约为2.3m。天顶距z=80°时，对流层延迟将增加至约13m。目前采用的对流折射改正公式较多。霍普菲尔德（Hopfield）公式被广泛采用。对流层天顶延迟Hopfield模型Hopfield模型Saastamoinen模型Saastamoinen模型中国区域GPS台站分布图项目2008-5-308时气压(0.1百帕)1009608时气温(0.1摄氏度)215日平均相对湿度(百分率)64中国气象科学数据共享服务网

----上海站地面气象观测资料上海台站对流层延迟每季度的平均值编程计算导航电文1.3GPS技术在气象学中的应用大气温度、大气压、大气密度和水汽含量等量值是描述大气状态最重要的参数。无线电探测、卫星红外线探测和微波探测等手段是获取气温、气压和湿度的传统手段。但是它们与GPS手段相比，就可明显地看出传统手段的局限性。无线电探测法的观测值精度较好，垂直分辨率高，但地区覆盖不均匀，在海洋上几乎没有数据。1.3GPS技术在气象学中的应用GPS技术经过20多年的发展，其应用研究及应用领域得到了极大的扩展，其中一个重要的应用领域就是气象学研究。利用GPS理论和技术来遥感地球大气，进行气象学的理论和方法研究，如测定大气温度及水汽含量，监测气候变化等，叫做GPS气象学（GPS/METeorology,简写为GPS/MET）。1.3.1GPS/MET简介被动式的卫星遥感技术可以获得较好的全球覆盖率和较高的水平分辨率，但垂直分辨率和时间分辨率很低。利用GPS手段来遥感大气的优点是，它是全球覆盖的，费用低廉，精度高，垂直分辨率高。1.3.1GPS/MET简介根据1995年4月3日美国发射的用于GPS气象学研究的Microlab-1低轨卫星的早期结果显示，对于干空气，在从5～7km到35～40km的高度上，所获得的温度可以精确到±1.0℃之内。正是这些优点使得GPS/MET技术成为大气遥感的最有效最有希望的方法之一。1.3.1GPS/MET简介当GPS发出的信号穿过大气层中对流层时，受到对流层的折射影响，GPS信号要发生弯曲和延迟，其中信号的弯曲量很小，而信号的延迟量很大，通常在2.3m左右。在GPS精密定位测量中，大气折射的影响是被当作误差源而要尽可能将它的影响消除干净。1.3.1GPS/MET简介在GPS/MET中，与之相反，所要求得的量就是大气折射量。通过计算可以得到我们所需的大气折射量，再通过大气折射率与大气折射量之间的函数关系可以求得大气折射率。大气折射率是气温T，气压P和水汽压力e的函数，通过一定关系，则可以求得我们所需要的量。1.3.2GPS/MET分类根据GPS/MET观测站的空间分布来分类，可以分为两大类：①地基GPS气象学(Ground-basedGPS/MET)②空基GPS气象学(Space-basedGPS/MET)

地基GPS气象学就是将GPS接收机安放在地面上，象常规的GPS测量一样，通过地面布设GPS接收机网络，来估计一个地区的气象元素。

空基GPS气象学就是利用安装在低轨卫星（LowEarthOrbit,简称为LEO）上的GPS接收机来接收GPS信号。当GPS信号与LEO卫星上GPS接收联线经过地球上空对流层时，GPS信号会发生折射。这一测量大气折射的方法叫做掩星法，该方法是20世纪60年代美国喷气推进实验室JPL和Stanford大学为研究行星大气和电离层而发展起来的。通过对含有折射信息的数据进行处理，可以计算出大气折射量而估计出我们所需要的气象元素的大小。1.3.3GPS/MET的应用前景天气预报--全天候的全球探测，加上观测值的高精度和高垂直分辨率，使得NWP精度的提高成为可能。这样，可以提高数值天气预报的准确性和可靠性。气候和全球变化监测--长期稳定地提供相对高精度和高垂直分辨率的温度轮廓线。从GPS/MET数据计算得到的大气折射率是大气温度、湿度和气压的函数，因此可以直接把大气折射率作为“全球变化指示器”。其他应用--GPS/MET观测数据有可能以足够的时空分辨率来提供全球电离层映像，这将有助于电离层/热层系统中许多重要的动力过程及其与地气过