06全球定位系統(tǒng)簡介金

1、第六章全球定位系統(tǒng)簡介第一節(jié)概述GPS是英文Global Positioning System全球定位系統(tǒng)的簡稱,而其中文簡稱為“全球定位系統(tǒng).GP醍20世紀70年代由美國陸?？杖娐?lián)合研制的新一代空間 衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) .其主要目的是為陸、海、空三大領(lǐng)域提供實時、全天候和全球性的導(dǎo)航效勞,并用于情報收集、核爆監(jiān)測和應(yīng)急通訊等一些軍事目的,是美國獨霸全球 戰(zhàn)略的重要組成.經(jīng)過 20余年的研究實驗,耗資 300億美元,到1994年3月,全球覆 蓋率高達98%勺24顆GPSE星星座己布設(shè)完成.一、全球定位系統(tǒng)的主要特點：1、定位精度高應(yīng)用實踐已經(jīng)證實,GPSf目對定位精度在 50KM以內(nèi)可達10-

2、6 ,100-500KM可達10-7 , 1000KM可達10-9.在300-1500M工程精密定位中,1小時以上觀測的解其平面其平面位 置誤差小于1mm與ME-5000電磁波測距儀測定得邊長比擬,其邊長較差最大為0.5mm,校差中誤差為0.3mm2、觀測時間短隨著GPS系統(tǒng)的不斷完善,軟件白不斷更新,目前,20KM以內(nèi)相對靜態(tài)定位,僅需15-20分鐘；快速靜態(tài)相對定位測量時,當(dāng)每個流動站與基準站相距在 15KM以內(nèi)時,流動站觀測時間只需1-2分鐘,然后可隨時定位,每站觀測只需幾秒鐘.3、全球、全天候工作4 、功能多應(yīng)用廣二、GP繇統(tǒng)的組成1 .空間局部如圖6-1 ,GPSM空間局部是由21顆

3、工作衛(wèi)星組成,它位于距地表20 200km的上空, 均勻分布在6個軌道面上每個軌道面4顆,軌道傾角為55°.此外,還有3顆有源 備份衛(wèi)星在軌運行.衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到 4顆以上的衛(wèi)星,并能在衛(wèi)星中預(yù)存的導(dǎo)航信息.GPS勺衛(wèi)星由于大氣摩擦等問題,隨著時間的推移, 導(dǎo)航精度會逐漸降低.圖6-1 GPS衛(wèi)星星座2 .地面限制系統(tǒng)地面限制系統(tǒng)由監(jiān)測站 (Monitor Station) 、主限制站(Master Monitor Station) 、 地面天線(Ground Antenna)所組成,主限制站位于美國科羅拉多州春田市(ColoradoSpring).地

4、面限制站負責(zé)收集由衛(wèi)星傳回之訊息,并計算衛(wèi)星星歷、相對距離,大氣校正等數(shù)據(jù).3 .用戶設(shè)備局部用戶設(shè)備局部即GPS信號接收機.其主要功能是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星截止角所選 擇的待測衛(wèi)星,并跟蹤這些衛(wèi)星的運行.當(dāng)接收機捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號后,就可測量 出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率,解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù).根據(jù)這些數(shù)據(jù),接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算,計算出用戶所在地理 位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時間等信息.接收機硬件和機內(nèi)軟件以及 GPS數(shù)據(jù)的后處 理軟件包構(gòu)成完整的GPS用戶設(shè)備.GPS接收機的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩部 分.接收機一般采用機內(nèi)和機外兩種直流

5、電源.設(shè)置機內(nèi)電源的目的在于更換外電源時 不中斷連續(xù)觀測.在用機外電源時機內(nèi)電1*自動充電.關(guān)機后,機內(nèi)電池為RAMS儲器供電,以預(yù)防數(shù)據(jù)喪失.目前各種類型的接受機體積越來越小,重量越來越輕,便于野 外觀測使用.其次那么為使用者接收器,現(xiàn)有單頻與雙頻兩種,但由于價格因素,一般使用者所購置的多為單頻接收器.圖6-2為上述3局部通訊示意圖空間局部用戶局部地面限制局部圖6-2 GPS系統(tǒng)示意圖第二節(jié)GPS測量原理GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的根本原理是測量出位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離,然 后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機的具體位置.要到達這一目的,衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時鐘所記錄的時間在衛(wèi)星星歷中查出.而

6、用戶到衛(wèi)星的距離那么通過紀錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經(jīng)歷的時間,再將其乘以光速得到由于大氣層電離層的干擾,這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實距離,而是偽距PB ：當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時,會不斷地用1和0二進制碼元組成的偽隨機碼簡稱偽碼發(fā)射導(dǎo)航電文.GPS系統(tǒng)使用的偽碼一共有兩種,分別是民用的C/A碼和軍用的PY碼.C/A碼頻率1.023MHz,重復(fù)周期一毫秒,碼間距1微秒,相當(dāng)于300nl P碼頻率10.23MHz,重復(fù)周期266.4天,碼間 距0.1微秒,相當(dāng)于30m,而Y碼是在P碼的根底上形成的,保密性能更佳.導(dǎo)航電文 包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等信息.它是

7、從 衛(wèi)星信號中解調(diào)制出來, 以50b/s調(diào)制在載頻上發(fā)射的. 導(dǎo)航電文每個主幀中包含 5個 子幀每幀長6s.前三幀各10個字碼；每三十秒重復(fù)一次,每小時更新一次.后兩幀共 15000b.導(dǎo)航電文中的內(nèi)容主要有遙測碼、轉(zhuǎn)換碼、第 1、2、3數(shù)據(jù)塊,其中最重要的 那么為星歷數(shù)據(jù).當(dāng)用戶接受到導(dǎo)航電文時,提取出衛(wèi)星時間并將其與自己的時鐘做比照 便可得知衛(wèi)星與用戶的距離,再利用導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時 所處位置,用戶在 WGS-8軟地坐標系中的位置速度等信息便可得知.可見GPS§航系統(tǒng)衛(wèi)星局部的作用就是不斷地發(fā)射導(dǎo)航電文.然而,由于用戶接受 機使用的時鐘與衛(wèi)星星載時鐘不可

8、能總是同步,所以除了用戶的三維坐標x、y、z外,還要引進一個 At即衛(wèi)星與接收機之間的時間差作為未知數(shù),然后用4個方程將這4個未知數(shù)解出來.所以如果想知道接收機所處的位置,至少要能接收到4個衛(wèi)星的信號.GPS妾收機可接收到可用于授時的準確至納秒級的時間信息；用于預(yù)報未來幾個月 內(nèi)衛(wèi)星所處概略位置的預(yù)報星歷；用于計算定位時所需衛(wèi)星坐標的播送星歷,精度為幾 米至幾十米各個衛(wèi)星不同,隨時變化；以及 GPS系統(tǒng)信息,如衛(wèi)星狀況等.GPS妾收機對碼的量測就可得到衛(wèi)星到接收機的距離,由于含有接收機衛(wèi)星鐘的誤 差及大氣傳播誤差,故稱為偽距.對 C/A碼測得的偽距稱為 C/A碼偽距,精度約為20 米左右,對P

9、碼測得的偽距稱為 P碼偽距,精度約為2米左右.GPSK收機對收到的衛(wèi)星信號,進行解碼或采用其他技術(shù),將調(diào)制在載波上的信息去掉后,就可以恢復(fù)載 波.嚴格而言,載波相位應(yīng)被稱為載波拍頻相位,它是收到的受多普勒頻移影響的衛(wèi)星 信號載波相位與接收機本機振蕩產(chǎn)生信號相位之差.一般在接收機鐘確定的歷元時刻量測,保持對衛(wèi)星信號的跟蹤,就可記錄下相位的變化值,但開始觀測時的接收機和衛(wèi)星 振蕩器的相位初值是不知道的,起始歷元的相位整數(shù)也是不知道的,即整周模糊度,只 能在數(shù)據(jù)處理中作為參數(shù)解算.相位觀測值的精度高至毫米,但前提是解出整周模糊度, 因此只有在相對定位、并有一段連續(xù)觀測值時才能使用相位觀測值,而要到達

10、優(yōu)于米級 的定位精度也只能采用相位觀測值.按定位方式,GPSt位分為單點定位和相對定位差分定位.單點定位就是根據(jù) 一臺接收機的觀測數(shù)據(jù)來確定接收機位置的方式,它只能采用偽距觀測量,可用于車船等的概略導(dǎo)航定位.相對定位差分定位是根據(jù)兩臺以上接收機的觀測數(shù)據(jù)來確定觀 測點之間的相對位置的方法, 它既可采用偽距觀測量也可采用相位觀測量,大地測量或工程測量均應(yīng)采用相位觀測值進行相對定位.在GPS®測量中包含了衛(wèi)星和接收機的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應(yīng)等誤差, 在定位計算時還要受到衛(wèi)星播送星歷誤差的影響,在進行相對定位時大局部公共誤差被抵消或削弱,因此定位精度將大大提升,雙頻接收機可以根據(jù)兩

11、個頻率的觀測量抵消大 氣中電離層誤差的主要局部, 在精度要求高,接收機間距離較遠時大氣有明顯差異, 應(yīng)選用雙頻接收機.第三節(jié)GPS接收機分類及GPS®用3.1 GPS接收機的分類GPS衛(wèi)星接收機種類很多,根據(jù)型號分為測地型、全站型、定時型、手持型、集成 型；根據(jù)用途分為車載式、船載式、機載式、星載式、彈載式.3.1.1 按接收機的用途分類3.1.2 接收機此類型接收機主要用于運動載體的導(dǎo)航,它可以實時給出載體的位置和速度.這類接收機一般采用C/A碼偽距測量,單點實時定位精度較低,一般為土 10m有 SA影響時 為± 100m 這類接收機價格廉價,應(yīng)用廣泛.根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同

12、,此類接收機還可 以進一步分為：車載型一一用于車輛導(dǎo)航定位；當(dāng)通過硬件和軟件做成 GPSt位終端用于車輛定位的時候,稱為車載GPS,但光有定位還不行,還要把這個定位信息傳到報警中央或者車載GPS寺有人那里,我們稱為第三方.所以GPSt位系統(tǒng)中還包含了 GSM1絡(luò)通訊 通訊,通過 GSM1絡(luò)用短信 的方式把衛(wèi)星定位信息發(fā)送到第三方.通過微機解讀短信電文, 在電子地圖上顯示車輛位置.這樣就實現(xiàn)了車載 GPSt位.車海型一一用于船舶導(dǎo)航定位；航空型一一用于飛機導(dǎo)航定位.由于飛機運行速度快,因此,在航空上用的接收機 要求能適應(yīng)高速運動.星載型一一用于衛(wèi)星的導(dǎo)航定位.由于衛(wèi)星的速度高達7km/s以上,因

13、此對接收機的要求更高.3.1.3 接收機測地型接收機主要用于精密大地測量和精密工程測量.這類儀器主要采用載波相位觀測值進行相對定位,定位精度高.儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,價格較貴.3.1.4 接收機這類接收機主要利用 GPSZA星提供的高精度時間標準進行授時,常用于天文臺及無線電通訊中時間同步.3.1.5 按接收機的載波頻率分類單頻接收機單頻接收機只能接收L1載波信號,測定載波相位觀測值進行定位.由于不能有效 消除電離層延遲影響,單頻接收機只適用于短基線<15knj的精密定位.雙頻接收機雙頻接收機可以同時接收 L1, L2載波信號.利用雙頻對電離層延遲的不一樣,可 以消除電離層對電磁波信號的延遲的影

14、響, 因此雙頻接收機可用于長達幾千公里的精密 定位.3.1.6 按接收機通道數(shù)分類GPS妾收機能同時接收多顆 GPSfi星的信號,為了別離接收到的不同衛(wèi)星的信號, 以實現(xiàn)對衛(wèi)星信號的跟蹤、處理和量測,具有這樣功能的器件稱為天線信號通道.根據(jù) 接收機所具有的通道種類可分為：a多通道接收機b序貫穿道接收機c多路多用通道接收機3.1.7 按接收機工作原理分類1碼相關(guān)型接收機碼相關(guān)型接收機是利用碼相關(guān)技術(shù)得到偽距觀測值.2平方型接收機平方型接收機是利用載波信號的平方技術(shù)去掉調(diào)制信號,來恢復(fù)完整的載波信號,通過相位計測定接收機內(nèi)產(chǎn)生的載波信號與接收到的載波信號之間的相位差,測定偽距 觀測值.3混合型接收

15、機這種儀器是綜合上述兩種接收機的優(yōu)點,既可以得到碼相位偽距,也可以得到載波 相位觀測值.4干預(yù)型接收機這種接收機是將GPS衛(wèi)星作為射電源,采用干預(yù)測量方法,測定兩個測站間距離.經(jīng)過20余年的實踐證實,GPS系統(tǒng)是一個高精度、全天候和全球性的無線電導(dǎo)航、 定位和定時的多功能系統(tǒng). GPS技術(shù)已經(jīng)開展成為多領(lǐng)域、多模式、多用途、多機型的國際性高新技術(shù)產(chǎn)業(yè).目前,在GP豉術(shù)開發(fā)和實際應(yīng)用方面,國際上較為知名的生產(chǎn)廠商有美國 Trimble (天寶)導(dǎo)航公司、瑞士 Leica Geosystems (襪卡測量系統(tǒng))、日本 TOPCON拓普康) 公司,國內(nèi)廠家主要有南方測繪、中海達、華測、科力達等.3.

16、2 GPS應(yīng)用全球定位系統(tǒng)的主要用途分為以下三類：(1)陸地應(yīng)用,主要包括車輛導(dǎo)航、應(yīng)急反響、大氣物理觀測、地球物理資源勘探、 工程測量、變形監(jiān)測、地殼運動監(jiān)測、市政規(guī)劃限制等；(2)海洋應(yīng)用,包括遠洋船最正確航程航線測定、船只實時調(diào)度與導(dǎo)航、海洋救援、 海洋探寶、水文地質(zhì)測量以及海洋平臺定位、海平面升降監(jiān)測等；(3)航空航天應(yīng)用,包括飛機導(dǎo)航、航空遙感姿態(tài)限制、低軌衛(wèi)星定軌、導(dǎo)彈制導(dǎo)、航空救援和載人航天器防護探測等.下面舉例具體說明1. GPSft道路工程中的應(yīng)用GPS®道路工程中的應(yīng)用,目前主要是用于建立各種道路工程限制網(wǎng)及測定航測外 控點等.隨著高等級公路的迅速開展,對勘測技術(shù)

17、提出了更高的要求,由于線路長,已 知點少,因此,用常規(guī)測量手段不僅布網(wǎng)困難,而且難以滿足高精度的要求.目前,國 內(nèi)已逐步采用GPSK術(shù)建立線路首級高精度限制網(wǎng),然后用常規(guī)方法布設(shè)導(dǎo)線加密.實 踐證實,在幾十公里范圍內(nèi)的點位誤差只有 2厘米左右,到達了常規(guī)方法難以實現(xiàn)的精 度,同時也大大提前了工期. GPSK術(shù)也同樣應(yīng)用于特大橋梁的限制測量中.由于無需 通視,可構(gòu)成較強的網(wǎng)形,提升點位精度,同時對檢測常規(guī)測量的支點也非常有效.GPS技術(shù)在隧道測量中也具有廣泛的應(yīng)用前景,GPSM量無需通視,減少了常規(guī)方法的中間環(huán)節(jié),因此,速度快、精度高,具有明顯的經(jīng)濟和社會效益.2. GPSft國家平安中的應(yīng)用G

18、PS®軍事領(lǐng)域內(nèi)被稱為“戰(zhàn)場定位天神,美國軍方開發(fā)GPSW主要目的,一是用于精確地投放兵器,二是要求提供一種滿足軍用導(dǎo)航系統(tǒng)需求猛增狀況的手段.軍事用途包括掃雷、飛機著陸、步兵作戰(zhàn)行動.“沙漠風(fēng)暴行動幾乎是一場無所不包的戰(zhàn) 爭,驗證了 GPSW效能,戰(zhàn)術(shù)指揮官終于可以精確地知道部隊的活動位置.3. GPS®用于電離層監(jiān)測GPS®監(jiān)測電離層方面的應(yīng)用,也是 GPS間氣象學(xué)的開端.太空中充滿了等離子體、宇宙線粒子、各種波段的電磁輻射,由于太陽常在1秒鐘內(nèi)拋出百萬噸量級的帶電物,電離層由此而受到強烈干擾,這是空間氣象學(xué)研究的一個對象.通過測定電離層對 GPS訊號的延遲來

19、確定在單位體積內(nèi)總自由電子含量TEC,以建立全球的電離層數(shù)字模型.GPSE星發(fā)射L1和L2兩個載波.由這兩個載波可以削弱電離層對GPSt位的影響,或者說可以求定電離層折射.由于這一折射和載波頻率有關(guān).當(dāng)人們建立地區(qū)或全球電離層數(shù)字模型時,總是作簡化的假定,所有自由電子含量都表示在一個單層面上,該面離地面高為H.這樣的話,電子含量正可以用在接收機和衛(wèi)星連線與此單層面交點刺入點處的電子含量Es表示,它可以視為 E與刺入點處天 頂距Z'的函數(shù)EcosZ' = Es式 6-1可以將在球面上的電子濃度 Es加以模型化,例如寫成經(jīng)緯度的球諧函數(shù)等,這方 面有很多專家提出了各種模型.IGS提

20、出了一種電離層地圖的交換格式10nosphereMap Exchange Format, IONEX- Format,它的作用是使基于各種理論和技術(shù)所獲得的 電離層地圖能在統(tǒng)一規(guī)格的根底上進行綜合和比擬.電離層模型有各不相同的理論基礎(chǔ),而取得的數(shù)據(jù)來源的技術(shù)也不同,數(shù)據(jù)覆蓋面也不完整,所以目前只能將IGS和全球各種TEC的圖和GPSZA星訊號的差分碼偏差differential code biases DCBS用 IONEX形式向全世界用戶提供,下一步將通過比擬,逐步聯(lián)合起來.4. GPS®用于對流層監(jiān)測在GPS應(yīng)用中,早期主要是軌道誤差影響定位精度,而且早期的GPSS線相對來說比擬

21、短,高差不大,因此對對流層的研究沒有給予很大的重視.直到近期由于GPSB道精度大大提升后,對流層折射已成為限制 GPSt位精度提升的一個重要障礙.假設(shè)一個 高程根本為零的地區(qū),接收機所接收的GPS訊號從天頂方向傳來的話,其延遲可以到達 2.22.6m這一量級,而2小時內(nèi)這一延遲變化可達 10cm不是少見的所以IGS分析中 心提供的對流層參數(shù)是用 2小時間隔一次.也由于這個實際情況,對流層折射要顧及 其隨機過程的變化來加以模型化.在GPS應(yīng)用于對流層研究中,IGS的快速軌道和預(yù)報軌道信息對于天氣預(yù)報會起重大作用.止匕外,IGS通過德國GFZ的“IGS對流層比擬和協(xié)調(diào)中央提供的每2小時的對流層天頂

22、延遲系列就像是限制點,對于區(qū)域性或局部性的對流層研究來說,可以起到 對流層延遲絕對值的標定作用.與地基GPS±氣監(jiān)測不同,星基或空基GPSffi星法測定氣象的技術(shù)有覆蓋面廣,垂直分辨好,數(shù)據(jù)獲取速度快的優(yōu)點.這一技術(shù)的原理是將GPS妾收機放在某一低軌衛(wèi)星LEO或飛行器的平臺上,該 GPS妾收機一方面起到對該衛(wèi)星或飛行器精確定軌的作 用,同時又應(yīng)用 GPSt星技術(shù)起到大氣探測器的作用.在1997年進行的GPS/ME項究工程,證實了這個設(shè)想是可行的.預(yù)定于 2000年4月發(fā)射的CHAMP1星要利用GPSft 星法進行全球?qū)α鲗诱凵浒ù髿饪山邓值臏y定.第四節(jié)全球四大衛(wèi)星定位系統(tǒng)系統(tǒng)鑒于

23、全球定位系統(tǒng)在科研、軍事及民用方面的巨大應(yīng)用,有實力的國家或地區(qū)也效仿美國研制了自主的全球定位系統(tǒng).目前全球存在著四大GPS系統(tǒng)：美國GPS由美國國防部于20世紀70年代初開始設(shè)計、研制,于1993年全部建成. 1994年,美國宣布在10年內(nèi)向全世界免費提供GP S使用權(quán),但美國只向外國提供低 精度的衛(wèi)星信號.據(jù)信該系統(tǒng)有美國設(shè)置的“后門,一旦發(fā)生戰(zhàn)爭,美國可以關(guān)閉對 某地區(qū)的信息效勞.歐盟“伽利略：1999年,歐洲提出方案,準備發(fā)射 30顆衛(wèi)星,組成“伽利略 衛(wèi)星定位系統(tǒng).歐洲“伽利略方案是中高度圓軌道 MEO訪案,該系統(tǒng)將由30顆中高度圓軌道衛(wèi) 星和2個地面限制中央組成,其中27顆衛(wèi)星為工作衛(wèi)星,3顆為候補.衛(wèi)星高度為24126 公里,位于3個傾角為56度的軌道平面內(nèi).預(yù)計伽利略系統(tǒng)于 2021年建成,將為歐洲 公路、鐵路、空中和海洋運輸、歐洲共同防務(wù)甚至是徒步旅行者有保證地提供精度為1米的定位導(dǎo)航效勞,從而也將打破美國獨霸全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的格局.俄羅斯“ GLONA6S:始于上世紀70年代,需要至少18顆衛(wèi)星才能保證覆蓋俄羅 斯全境；如要提供全球定位效勞,那么需要 24顆衛(wèi)星.GLONASS作測試開始于蘇聯(lián)1982年10月12日發(fā)射第一顆試驗衛(wèi)星,整個測試計 劃分兩個階段完成.第一階段1982-199