GPS原理及其應(yīng)用--第一章GPS定位原理概述

1、第一章GPS定位原理概述第1節(jié) GPS的組成GPS（Global Positioning System）即全球定位系統(tǒng)，是由美國(guó)建立的一個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)，用戶可以在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)全天候、連續(xù)、實(shí)時(shí)的三維導(dǎo)航定位和測(cè)速；另外，利用該系統(tǒng)，用戶還能夠進(jìn)行高精度的時(shí)間傳遞和高精度的精密定位。GPS計(jì)劃始于1973年P(guān)age: 1Hofmann GPS.T.P p11.，已于1994年進(jìn)入完全運(yùn)行狀態(tài)(FOC FOC Full Operational Capability。)。Page: 1Hofmann GPS.T.P p17.GPS的整個(gè)系統(tǒng)由空間部分、地面控制部分和用戶部分所組成：

2、n 空間部分GPS的空間部分是由24顆GPS工作衛(wèi)星所組成，這些GPS工作衛(wèi)星共同組成了GPS衛(wèi)星星座，其中21顆為可用于導(dǎo)航的衛(wèi)星，3顆為活動(dòng)的備用衛(wèi)星 實(shí)際上這3顆備用衛(wèi)星同樣可用于導(dǎo)航定位。這24顆衛(wèi)星分布在6個(gè)傾角為55°的軌道上繞地球運(yùn)行。衛(wèi)星的運(yùn)行周期約為12恒星時(shí)。每顆GPS工作衛(wèi)星都發(fā)出用于導(dǎo)航定位的信號(hào)。GPS用戶正是利用這些信號(hào)來進(jìn)行工作的。n 控制部分GPS的控制部分由分布在全球的由若干個(gè)跟蹤站所組成的監(jiān)控系統(tǒng)所構(gòu)成，根據(jù)其作用的不同，這些跟蹤站又被分為主控站、監(jiān)控站和注入站。主控站有一個(gè)，位于美國(guó)克羅拉多（Colorado）的法爾孔（Falcon）空軍基地，它

3、的作用是根據(jù)各監(jiān)控站對(duì)GPS的觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算出衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)通過注入站注入到衛(wèi)星中去；同時(shí)，它還對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行控制，向衛(wèi)星發(fā)布指令，當(dāng)工作衛(wèi)星出現(xiàn)故障時(shí)，調(diào)度備用衛(wèi)星，替代失效的工作衛(wèi)星工作；另外，主控站也具有監(jiān)控站的功能。監(jiān)控站有五個(gè)，除了主控站外，其它四個(gè)分別位于夏威夷（Hawaii）、阿松森群島（Ascencion）、迭哥伽西亞（Diego Garcia）、卡瓦加蘭（Kwajalein），監(jiān)控站的作用是接收衛(wèi)星信號(hào)，監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的工作狀態(tài)；注入站有三個(gè)，它們分別位于阿松森群島（Ascencion）、迭哥伽西亞（Diego Garcia）、卡瓦加蘭（Kwajalein

4、），注入站的作用是將主控站計(jì)算出的衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘的改正數(shù)等注入到衛(wèi)星中去。n 用戶部分GPS的用戶部分由GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件及相應(yīng)的用戶設(shè)備如計(jì)算機(jī)氣象儀器等所組成。它的作用是接收GPS衛(wèi)星所發(fā)出的信號(hào)，利用這些信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位等工作。以上這三個(gè)部分共同組成了一個(gè)完整的GPS系統(tǒng)。第2節(jié) GPS信號(hào)GPS衛(wèi)星發(fā)射兩種頻率的載波信號(hào)，即頻率為1575.42MHz的L1載波和頻率為1227.60HMz的L2載波，它們的頻率分別是基本頻率10.23MHz的154倍和120倍，它們的波長(zhǎng)分別為19.03cm和24.42cm。在L1和L2上又分別調(diào)制著多種信號(hào)，這些信號(hào)主要有：n C/A碼C/A

5、碼又被稱為粗捕獲碼，它被調(diào)制在L1載波上，是1MHz的偽隨機(jī)噪聲碼（PRN碼），其碼長(zhǎng)為1023位（周期為1ms）。由于每顆衛(wèi)星的C/A碼都不一樣，因此，我們經(jīng)常用它們的PRN號(hào)來區(qū)分它們。C/A碼是普通用戶用以測(cè)定測(cè)站到衛(wèi)星間的距離的一種主要的信號(hào)。n P碼P碼又被稱為精碼，它被調(diào)制在L1和L2載波上，是10MHz的偽隨機(jī)噪聲碼，其周期為七天。在實(shí)施AS時(shí)，P碼與W碼進(jìn)行模二相加生成保密的Y碼，此時(shí)，一般用戶無法利用P碼來進(jìn)行導(dǎo)航定位。n Y碼見P碼。n 導(dǎo)航信息導(dǎo)航信息被調(diào)制在L1載波上，其信號(hào)頻率為50Hz，包含有GPS衛(wèi)星的軌道參數(shù)、衛(wèi)星鐘改正數(shù)和其它一些系統(tǒng)參數(shù)。用戶一般需要利用此導(dǎo)

6、航信息來計(jì)算某一時(shí)刻GPS衛(wèi)星在地球軌道上的位置，導(dǎo)航信息也被稱為廣播星歷。第3節(jié) SPS和PPSGPS系統(tǒng)針對(duì)不同用戶提供兩種不同類型的服務(wù)。一種是標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)(SPSStandard Positioning Service)，另一種是精密定位服務(wù)(PPSPrecision Positioning Service)。這兩種不同類型的服務(wù)分別由兩種不同的子系統(tǒng)提供，標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)由標(biāo)準(zhǔn)定位子系統(tǒng)(SPSStandard Positioning System)提供，精密定位服務(wù)則由精密定位子系統(tǒng)(PPSPrecision Positioning System)提供。SPS主要面向全世界的民用用戶。

7、PPS主要面向美國(guó)及其盟國(guó)的軍事部門以及民用的特許用戶。一、 SPSSPS Standard Positioning Service（標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)）是供普通民用用戶使用的。世界上的任何民用用戶都可以免費(fèi)且不受限制地使用該類定位服務(wù)。絕大多數(shù)的GPS接收機(jī)都具有接收SPS信號(hào)的能力，美國(guó)國(guó)防部通過采用SA有意識(shí)地降低了SPS的定位精度。SPS的估計(jì)精度為：n 水平精度：100 mn 垂直精度：156 mn 時(shí)間精度：340 ns ns：納秒，10-9秒。二、 PPSPPS Precision Positioning Service（精密定位服務(wù)）是供經(jīng)過美國(guó)政府授權(quán)的用戶使用的。這類用戶包括美國(guó)

8、及其盟國(guó)的軍事部門、某些美國(guó)政府部門、以及一些經(jīng)過挑選并通過美國(guó)政府特別批準(zhǔn)的民用用戶。使用PPS需要采用加密設(shè)備、密鑰以及專用的接收機(jī)。PPS的估計(jì)精度為：n 水平精度：22 m垂直精度：27.7 m時(shí)間精度：100 ns第4節(jié) GPS定位的常用觀測(cè)值在GPS定位中，經(jīng)常采用下列觀測(cè)值中的一種或幾種進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以確定出待定點(diǎn)的坐標(biāo)或待定點(diǎn)之間的基線向量：n L1載波相位觀測(cè)值n L2載波相位觀測(cè)值（半波或全波）n 調(diào)制在L1上的C/A碼偽距n 調(diào)制在L1上的P碼偽距n 調(diào)制在L2上的P碼偽距n L1上的多普勒頻移n L2上的多普勒頻移實(shí)際上，在進(jìn)行GPS定位時(shí)，除了大量地使用上面的觀測(cè)值進(jìn)

9、行數(shù)據(jù)處理以外，還經(jīng)常使用由上面的若干種觀測(cè)值通過某些組合而形成的一些特殊觀測(cè)值，如寬巷觀測(cè)值（Wide-Lane） L1-L2。、窄巷觀測(cè)值（Narrow-Lane） L1+L2。、消除電離層延遲的觀測(cè)值（Ion-Free） 2.546L1-1.984L2。來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。第5節(jié) GPS定位的誤差源我們?cè)诶肎PS進(jìn)行定位時(shí)，會(huì)受到各種各樣因素的影響。影響GPS定位精度的因素可以依據(jù)其具體來源分為以下四大類：n 與GPS衛(wèi)星有關(guān)的因素n 與傳播途徑有關(guān)的因素n 與接收機(jī)有關(guān)的因素n 其它因素一、 與GPS衛(wèi)星有關(guān)的因素n SASA是Selective Availability，意思是可選擇的

10、定位能力，SA的目的是對(duì)不同的用戶提供不同精度的定位服務(wù)。美國(guó)政府從其國(guó)家利益出發(fā)，通過降低廣播星歷精度（技術(shù)）、在GPS基準(zhǔn)信號(hào)中加入高頻抖動(dòng)（技術(shù)）等方法，人為降低普通用戶利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航定位時(shí)的精度。衛(wèi)星星歷誤差在進(jìn)行GPS定位時(shí)，是將GPS衛(wèi)星當(dāng)作動(dòng)態(tài)的已知點(diǎn)，而計(jì)算在某時(shí)刻GPS衛(wèi)星位置所需的衛(wèi)星軌道參數(shù)是通過各種種類的星歷 常用的星歷有廣播星歷和精密星歷兩種。提供的，但不論采用哪種種類的星歷，所計(jì)算出的衛(wèi)星位置都會(huì)與其真實(shí)位置有所差異，這就是所謂的星歷誤差。衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星鐘差是GPS衛(wèi)星上所安裝的原子鐘的鐘面時(shí)與GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之間的誤差。衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射天線相位中心偏差衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射天線

11、相位中心偏差是GPS衛(wèi)星上信號(hào)發(fā)射天線的標(biāo)稱相位中心與其真實(shí)相位中心之間的差異。二、 與傳播途徑有關(guān)的因素電離層延遲由于地球周圍的電離層對(duì)電磁波的折射效應(yīng)，使得GPS信號(hào)的傳播速度發(fā)生變化，這種變化稱為電離層延遲。電磁波所受電離層折射的影響與電磁波的頻率以及電磁波傳播途徑上電子總含量有關(guān)。對(duì)流層延遲由于地球周圍的對(duì)流層對(duì)電磁波的折射效應(yīng)，使得GPS信號(hào)的傳播速度發(fā)生變化，這種變化稱為對(duì)流層延遲。電磁波所受對(duì)流層折射的影響與電磁波傳播途徑上的溫度、濕度和氣壓有關(guān)。多路徑效應(yīng)由于接收機(jī)周圍環(huán)境的影響，使得接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星信號(hào)中還包含有各種反射和折射信號(hào)的影響，這就是所謂的多路徑效應(yīng)。三、 與接

12、收機(jī)有關(guān)的因素接收機(jī)鐘差接收機(jī)鐘差是GPS接收機(jī)所使用的鐘的鐘面時(shí)與GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)之間的差異。接收機(jī)天線相位中心偏差接收機(jī)天線相位中心偏差是GPS接收機(jī)天線的標(biāo)稱相位中心與其真實(shí)的相位中心之間的差異。接收機(jī)軟件和硬件造成的誤差在進(jìn)行GPS定位時(shí)，定位結(jié)果還會(huì)受到諸如處理與控制軟件和硬件等的影響。四、 其它因素GPS控制部分人為或計(jì)算機(jī)造成的影響由于GPS控制部分的問題或用戶在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)引入的誤差等。數(shù)據(jù)處理軟件的影響數(shù)據(jù)處理軟件的算法不完善對(duì)定位結(jié)果的影響。第6節(jié) GPS定位方法Page: 5本書主要論述有關(guān)GPS在高精度靜態(tài)定位中有關(guān)數(shù)據(jù)處理方面的問題。GPS定位的方法是多種多樣的，用戶可

13、以根據(jù)不同的用途采用不同的定位方法。GPS定位方法可依據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，作如下劃分：n 根據(jù)定位所采用的觀測(cè)值偽距定位偽距定位所采用的觀測(cè)值為GPS偽距觀測(cè)值，所采用的偽距觀測(cè)值既可以是C/A碼偽距，也可以是P碼偽距。偽距定位的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，對(duì)定位條件的要求低，不存在整周模糊度的問題，可以非常容易地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位；其缺點(diǎn)是觀測(cè)值精度低，C/A 碼偽距觀測(cè)值的精度一般為3米，而P碼偽距觀測(cè)值的精度一般也在30個(gè)厘米左右，從而導(dǎo)致定位成果精度低，另外，若采用精度較高的P碼偽距觀測(cè)值，還存在AS的問題。載波相位定位載波相位定位所采用的觀測(cè)值為GPS的載波相位觀測(cè)值，即L1、L2或它們的某種線性組

14、合。載波相位定位的優(yōu)點(diǎn)是觀測(cè)值的精度高，一般優(yōu)于2個(gè)毫米；其缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)處理過程復(fù)雜，存在整周模糊度的問題。n 根據(jù)定位的模式絕對(duì)定位絕對(duì)定位又稱為單點(diǎn)定位，這是一種采用一臺(tái)接收機(jī)進(jìn)行定位的模式，它所確定的是接收機(jī)天線的絕對(duì)坐標(biāo)。這種定位模式的特點(diǎn)是作業(yè)方式簡(jiǎn)單，可以單機(jī)作業(yè)。絕對(duì)定位一般用于導(dǎo)航和精度要求不高的應(yīng)用中。相對(duì)定位相對(duì)定位又稱為差分定位，這種定位模式采用兩臺(tái)以上的接收機(jī)，同時(shí)對(duì)一組相同的衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)，以確定接收機(jī)天線間的相互位置關(guān)系。n 根據(jù)獲取定位結(jié)果的時(shí)間實(shí)時(shí)定位實(shí)時(shí)定位是根據(jù)接收機(jī)觀測(cè)到的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)地解算出接收機(jī)天線所在的位置。非實(shí)時(shí)定位非實(shí)時(shí)定位又稱后處理定位，它是通過對(duì)接收機(jī)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理以進(jìn)行定位得方法。n 根據(jù)定位時(shí)接收機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)動(dòng)態(tài)定位所謂動(dòng)態(tài)定位，就是在進(jìn)行GPS定位時(shí)，認(rèn)為接收機(jī)的天線在整個(gè)觀測(cè)過程中的位置