控制測量學(xué)_GPS衛(wèi)星測量原理

1、東華理工學(xué)院控制測量學(xué)1.1 GPS定位技術(shù)的興起與技術(shù)特點 1957年世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功，40年來，人造地球衛(wèi)星技術(shù)在通信、氣象、資源勘察、導(dǎo)航、遙感、大地測量、地球動力學(xué)、天文學(xué)和軍事科學(xué)等眾多領(lǐng)域，得到了極廣泛應(yīng)用。1. GPS的由來 人造地球衛(wèi)星的出現(xiàn)，首先引起了各國軍事部門的高度重視。1958年底，美國海軍武器實驗室，開始著手建立為美國海軍艦艇導(dǎo)航的衛(wèi)星系統(tǒng)，即“海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)”（Navy Navigation Satellite SystemNNSS）。由于該系統(tǒng)衛(wèi)星都通過地極，也稱“子午(Transit)衛(wèi)星系統(tǒng)”。東華理工學(xué)院控制測量學(xué) 1964年該系統(tǒng)建成，并

2、在美國軍方啟用。1967年美國政府批準該系統(tǒng)解密，提供民用。該系統(tǒng)不受氣象條件的限制，自動化程度高，具有良好的定位精度。 盡管NNSS在導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展中具有劃時代的意義，但由于該系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)目少（5-6顆），運行軌道低（1000km ）,觀測時間長（1.5小時），無法提供連續(xù)實時三維導(dǎo)航，同時獲得一次導(dǎo)航解的時間長，難以滿足軍事要求，尤其是高動態(tài)目標（飛機、導(dǎo)彈等）導(dǎo)航要求。而從大地測量看，定位速度慢，一個測站一般平均觀測1-2天；精度低，單點定位精度3-5m，相對定位精度1m，使得在大地測量和地球動力學(xué)研究方面的應(yīng)用，也受到很大限制。東華理工學(xué)院控制測量學(xué) 為滿足軍事和民用對連續(xù)實時和三維導(dǎo)航

3、的迫切要求，1973年美國國防部開始組織陸?？杖姡餐芯拷⑿乱淮l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的計劃，這就是目前所稱的“導(dǎo)航衛(wèi)星授時測距/全球定位系統(tǒng)”（Navigation Satellite Timing and ranging / Global Positioning System）簡稱全球定位系統(tǒng)（GPS）。 為使GPS具有高精度連續(xù)實時三維導(dǎo)航和定位能力，以及良好的抗干擾性能，在設(shè)計上采取了若干改善措施。東華理工學(xué)院控制測量學(xué)東華理工學(xué)院控制測量學(xué)GPS與NNSS的主要技術(shù)特征系統(tǒng)特征NNSSGPS載波頻率MHz400， 1501575， 1227衛(wèi)星平均高度km110020200衛(wèi)星數(shù)目 顆5

4、-621+3運行周期 min107720衛(wèi)星鐘穩(wěn)定度10-1110-12東華理工學(xué)院控制測量學(xué)2. GPS系統(tǒng)的特點GPS定位技術(shù)相對于經(jīng)典測量技術(shù)，有如下特點：1 觀測站之間無需通視。但應(yīng)保證觀測站上方開闊。2 定位精度高。目前在小于50km的基線上，相對定位精度可達1-210-6，在100km-500km的基線上可達10-6-10-7，隨著觀測技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法的改善，在大于1000km的基線上，相對定位精度可望達到10-8。3 觀測時間短。對于小于20km的短基線快速相對定位只需幾分鐘。4 提供三維坐標。5 自動化程度高，操作簡便。測量員只需安裝并開關(guān)儀器、量取儀器高、監(jiān)視儀器工作狀態(tài)和

5、采集環(huán)境氣象數(shù)據(jù)。而衛(wèi)星的捕獲、跟蹤觀測和記錄等均由儀器自動完成。6 全天候作業(yè)。任何時間任何地點連續(xù)進行，一般不受天氣影響。東華理工學(xué)院控制測量學(xué)東華理工學(xué)院控制測量學(xué)東華理工學(xué)院控制測量學(xué)1. 空間星座部分空間星座部分（1） GPS衛(wèi)星星座組成 24顆衛(wèi)星，其中3顆備用，分布在6個軌道面上。軌道面相對地球赤道面的傾角為550，各軌道平面升交點赤經(jīng)相差600，相鄰軌道上衛(wèi)星的升交距角相差300。軌道平均高度約20200km，運行周期11h58m。因此，同一測站上每天出現(xiàn)衛(wèi)星分布圖形相同，只是每天提前約4分鐘。每顆衛(wèi)星每天約有5小時在地平線以上，同時位于地平線以上的衛(wèi)星數(shù)目，隨時間地點而異，最

6、少4顆，最多達11顆。東華理工學(xué)院控制測量學(xué) GPS衛(wèi)星迄今已設(shè)計了三代。第一代Block1型用于系統(tǒng)實驗，稱實驗衛(wèi)星，共研制和發(fā)射了11顆，設(shè)計壽命5年，現(xiàn)已停止工作。第二代Block2和2A型衛(wèi)星稱為工作衛(wèi)星，共研制了28顆，設(shè)計壽命7.5年，從1989年初到1994年上半年發(fā)射完畢。第三代Block3和2R型衛(wèi)星尚在設(shè)計中，預(yù)計20顆，以取代第二代衛(wèi)星，改善全球定位系統(tǒng)。東華理工學(xué)院控制測量學(xué)（2）GPS衛(wèi)星及其功能 GPS衛(wèi)星主體呈圓柱形，直徑1.5m，重774kg，兩側(cè)有兩塊雙葉太陽能電池板，自動對日定向。每顆衛(wèi)星裝有4臺高精度原子鐘（衛(wèi)星的核心設(shè)備）（2臺銣鐘和2臺銫鐘），發(fā)射標準

7、頻率信號，為GPS定位提供高精度時間標準。未來衛(wèi)星將采用更穩(wěn)定的原子鐘。 因為10-9s的時間誤差將引起30cm的站星距離誤差。東華理工學(xué)院控制測量學(xué)東華理工學(xué)院控制測量學(xué)鐘型時間頻率 Hz 每日穩(wěn)定度f / f鐘差1s所需時間石英鐘500000010-930年銣鐘683468261310-1230 000年銫鐘919263177010-13300 000年氫鐘142040575110-1530 000 000年東華理工學(xué)院控制測量學(xué)GPS衛(wèi)星的基本功能1 接收和存儲由地面監(jiān)控站發(fā)來的導(dǎo)航信息，接收并執(zhí)行監(jiān)控站的控制指令。2 利用衛(wèi)星上的微處理機，對部分必要的數(shù)據(jù)進行處理。3 通過星載的原子鐘

8、提供精密的時間標準。4 向用戶發(fā)送定位信息。5 在地面監(jiān)控站的指令下，通過推進器調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)和啟用備用衛(wèi)星。東華理工學(xué)院控制測量學(xué)2. 地面監(jiān)控部分地面監(jiān)控部分GPS的地面監(jiān)控部分由分布在全球的5個地面站組成，其中包括衛(wèi)星監(jiān)測站（5個）、主控站（1個）和注入站（3）（1） 監(jiān)測站：是主控站直接控制下的數(shù)據(jù)自動采集中心。站內(nèi)設(shè)有雙頻GPS接收機、高精度原子鐘、計算機1臺和若干臺環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器。觀測資料由計算機進行初步處理，存儲并傳輸?shù)街骺卣?，以確定衛(wèi)星軌道。東華理工學(xué)院控制測量學(xué)東華理工學(xué)院控制測量學(xué)（2） 主控站主控站除協(xié)調(diào)和管理地面監(jiān)控系統(tǒng)外，主要任務(wù)：除協(xié)調(diào)和管理地面監(jiān)控系統(tǒng)外，主要任務(wù)：

9、1）根據(jù)本站和其它監(jiān)測站的觀測資料，推算編）根據(jù)本站和其它監(jiān)測站的觀測資料，推算編制各衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星鐘差和大氣修正參數(shù)制各衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星鐘差和大氣修正參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳送到注入站。，并將數(shù)據(jù)傳送到注入站。2）提供全球定位系統(tǒng)的時間基準。各監(jiān)測站和）提供全球定位系統(tǒng)的時間基準。各監(jiān)測站和GPS衛(wèi)星的原子鐘，均應(yīng)與主控站的原子鐘衛(wèi)星的原子鐘，均應(yīng)與主控站的原子鐘同步，測出其間的鐘差，將鐘差信息編入導(dǎo)同步，測出其間的鐘差，將鐘差信息編入導(dǎo)航電文，送入注入站。航電文，送入注入站。3）調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星，使之沿預(yù)定軌道運行）調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星，使之沿預(yù)定軌道運行。4）啟用備用衛(wèi)星代替失效工作衛(wèi)星。）啟

10、用備用衛(wèi)星代替失效工作衛(wèi)星。東華理工學(xué)院控制測量學(xué)（3 ）注入站：主要設(shè)備為1臺直徑3.6m的天線、1臺c波段發(fā)射機和1臺計算機。主要任務(wù)是在主控站的控制下，將主控站推算和編制的衛(wèi)星星歷、鐘差、導(dǎo)航電文和其它控制指令等，注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲系統(tǒng)，并監(jiān)測注入信息的正確性。 整個GPS系統(tǒng)的地面監(jiān)控部分，除主控站外均無人值守。各站間用現(xiàn)代化通訊網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，在原子鐘和計算機的驅(qū)動和控制下，實現(xiàn)高度的自動化標準化。東華理工學(xué)院控制測量學(xué)東華理工學(xué)院控制測量學(xué)3. 用戶設(shè)備部分用戶設(shè)備部分GPS接收機接收機: 接收接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的無線衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號，獲得必要的定位信息和觀測電信號，獲得必要的定位

11、信息和觀測量，經(jīng)數(shù)據(jù)處理完成定位工作。量，經(jīng)數(shù)據(jù)處理完成定位工作。GPS接收機由硬件和數(shù)據(jù)處理軟件、接收機由硬件和數(shù)據(jù)處理軟件、微處理機及終端設(shè)備組成。接收機硬微處理機及終端設(shè)備組成。接收機硬件包括主機、天線和電源。件包括主機、天線和電源。東華理工學(xué)院控制測量學(xué)東華理工學(xué)院控制測量學(xué)1. 美國對GPS用戶的主要限制性政策 為保障美國的利益和安全，該系統(tǒng)在設(shè)計時采取了一些措施來限定非特許用戶獲取GPS觀測量的精度。（1） 對不同的用戶提供不同的服務(wù)方式 GPS衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號含有兩種不同精度的測距碼，即P碼（精碼）和C/A碼（粗碼）。相應(yīng)兩種碼提供兩種定位服務(wù)方式，即精密定位服務(wù)（Preci

12、se Positioning ServicePPS）和標準定位服務(wù)（Standard Positioning ServiceSPS）。東華理工學(xué)院控制測量學(xué) PPS可提供L1、L2載波上的P碼（不公開的保密碼），L1載波上的C/A碼、導(dǎo)航電文和消除SA影響的密匙，服務(wù)對象是美國軍事部門和其它特許用戶。利用P碼能獲得較高精度的觀測量，且通過兩種頻率測距可消除電離層折射的影響，單點實時定位精度5-10m。 SPS只能利用L1載波上的C/A碼和導(dǎo)航電文，獲得精度較低的觀測量，無法利用雙頻技術(shù)消除電離層的影響，單點實時定位精度20-40m。東華理工學(xué)院控制測量學(xué)（2）實施選擇可用性政策（SA） 為進一

13、步降低SPS的定位精度，對工作衛(wèi)星發(fā)射的信號進行人為干擾，通過所謂的（epsilon)和（delta)兩種技術(shù)來實現(xiàn)。 技術(shù)是干擾衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)，通過降低技術(shù)是干擾衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)，通過降低GPS衛(wèi)衛(wèi)星播發(fā)的軌道參數(shù)精度，來降低利用星播發(fā)的軌道參數(shù)精度，來降低利用C/A碼碼進行實時單點定位的精度。進行實時單點定位的精度。 技術(shù)是在技術(shù)是在GPS的基準信號中人為地引入一個的基準信號中人為地引入一個高頻抖動信號，以降低高頻抖動信號，以降低C/A碼偽距觀測量的碼偽距觀測量的精度。精度。 在在SA的影響下，的影響下，SPS實時單點定位實時單點定位精度降為100m（水平）和150m（垂直），且此影響是可變的。

14、東華理工學(xué)院控制測量學(xué)（3） 精密測距碼的加密措施（AS） P碼的加密措施也稱反電子欺騙措施。當(dāng)P碼被解密，或在戰(zhàn)時，對方如果知道了特許用戶接收機所接收的衛(wèi)星信號的頻率和相位，便可以發(fā)射適當(dāng)頻率的干擾信號，誘使特許用戶的接收機鎖錯信號，產(chǎn)生錯誤的導(dǎo)航信息。為防止這種電子欺騙，進一步加密P碼，美國將在必要時引入機密碼W，通過P碼和W碼的模2相加，將P碼轉(zhuǎn)換成Y碼。東華理工學(xué)院控制測量學(xué)實時單點定位的平面精度實時單點定位的平面精度 m實施政策SPSPPSSAASC/APC/AP關(guān)關(guān)40104010開關(guān)100954010開開1004010關(guān)開404010東華理工學(xué)院控制測量學(xué)2. 非特許用戶對美國限

15、制性政策的措施非特許用戶對美國限制性政策的措施 為擺脫和減弱美國限制性政策影響，各國廣泛開展研究、開發(fā)和實驗，取得了有效結(jié)果。（1）建立獨立的GPS衛(wèi)星測軌系統(tǒng)：利用GPS衛(wèi)星，建立獨立的跟蹤系統(tǒng)，精密的測定衛(wèi)星軌道，為用戶提供服務(wù)。 我國已經(jīng)建成了北京、武漢、上海、西安、拉薩、烏魯木齊等永久性GPS跟蹤站，對GPS進行精密定軌，為高精度的GPS定位測量提供觀測數(shù)據(jù)和精密星歷服務(wù)。東華理工學(xué)院控制測量學(xué)（2）建立獨立的衛(wèi)星定位系統(tǒng)建立獨立的衛(wèi)星定位系統(tǒng) 最具代表性的是前蘇聯(lián)建立的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（最具代表性的是前蘇聯(lián)建立的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite

16、 SystemGLONASS）。）。該系統(tǒng)與該系統(tǒng)與GPS相似，相似，21+3顆衛(wèi)星，均勻分布在三個軌道顆衛(wèi)星，均勻分布在三個軌道面上，軌道面傾角面上，軌道面傾角64.80，運行周期，運行周期11h15m，1995年建年建成。導(dǎo)航精度平面為成。導(dǎo)航精度平面為100m，速度為，速度為15cm/s，時間為，時間為1 s。定位系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)目平均高度運行周期L1L2GPS21+320200718min1565-15861217-1238GLONASS21+319100675min1603-16161246-1256NAVSAT12+6201787201561-15691224-1232東華理工學(xué)院控制測量學(xué)uGLONASS星座星座東華理工學(xué)院控制測量學(xué)（3）開發(fā)GPS與GLONASS兼容接收機 由于GPS和GLONASS在系統(tǒng)的構(gòu)成、工作衛(wèi)星的數(shù)目、工作頻段和定位原理上都相似，開發(fā)能同時跟蹤觀測兩系統(tǒng)的兼容接收機，不僅可增加可觀測衛(wèi)星數(shù)目，