第六章全球定位系統(tǒng)的定位技術

1、6 6 全球定位系統(tǒng)的定位技術全球定位系統(tǒng)的定位技術【本章知識要點】GPS的發(fā)展歷程；GPS的組成；GPS測量的特點；GPS偽距測量；載波相位測量；靜態(tài)定位和動態(tài)定位；絕對定位和相對定位；GPS衛(wèi)星信號碼；GPS測量實施分為方案設計、外業(yè)測量和內業(yè)計算三個步驟。6.1 GPS全球定位系統(tǒng)概述全球定位系統(tǒng)概述 GPS全球定位系統(tǒng)是英文全球定位系統(tǒng)是英文Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System的字頭縮寫詞的字頭縮寫詞NAVSTAR/GPS的簡稱。它的含義是的簡稱。它的含義是:利用利用導航衛(wèi)星進行測時和測距，以

2、構成全球定導航衛(wèi)星進行測時和測距，以構成全球定位系統(tǒng)。位系統(tǒng)。 GPS是以衛(wèi)星為基礎的第二代精密衛(wèi)星導是以衛(wèi)星為基礎的第二代精密衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)。第一代是子午衛(wèi)星導航與航與定位系統(tǒng)。第一代是子午衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)。定位系統(tǒng)。6.1.1子午衛(wèi)星系統(tǒng)子午衛(wèi)星系統(tǒng) 子午衛(wèi)星子午衛(wèi)星在幾乎是圓形的極軌道上運行。衛(wèi)星離地面的高度約為1075公里。衛(wèi)星的運行周期為107分鐘。子午衛(wèi)星星座一般由6顆衛(wèi)星組成。這6顆衛(wèi)星應均勻地分布在地球四周，即相鄰的衛(wèi)星軌道平面之間的夾角均應為30度。用戶接收到子午衛(wèi)星信號，用戶接收機接收衛(wèi)星發(fā)播的信號，并根據(jù)多普勒效應原理，測定因衛(wèi)星相對用戶接收機不斷運動而產生的多普勒

3、頻移。6.1.2 GPS全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng) GPS全球定位系統(tǒng)是美國從1973年開始研制，歷時20年，耗資200億美元，在進行了方案論證、系統(tǒng)試驗階段后，于1989年開始發(fā)射正式工作衛(wèi)星，并于1993年12月全部建成并投入使用。具有全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實時性的導航、定位和定時的功能，能為各類用戶提供精密的三維坐標、速度和時間。6.1.3 GPS的組成的組成 全球定位系統(tǒng)(GPS)包括三大組成部分，即空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶設備部分。 GPS 系 統(tǒng) 可 提 供 精 確 導 航 導 航 精 度 約 為 10 - 20 m 全 球 信 號 覆 蓋 24 小 時 工 作 服

4、 務 普 通 座 標 系 統(tǒng) 中 的 測 量 工作 計 劃 用 GPS 系 統(tǒng) 取 代 現(xiàn) 有 的 導 航 系 統(tǒng) GPS 系 統(tǒng) 可 應 用 于 民 用 及軍 事 領 域6.2 GPS定位原理及實施定位原理及實施 6.2.1 GPS坐標系統(tǒng)坐標系統(tǒng) GPS是一個全球性的定位和導航系統(tǒng)，其坐標也是一個全球性的定位和導航系統(tǒng)，其坐標也是全球性的，為了使用的方便，通常通過國際協(xié)是全球性的，為了使用的方便，通常通過國際協(xié)議，確定一個協(xié)議地球坐標系議，確定一個協(xié)議地球坐標系CTS（Conventional Terrestrial System）。目前，）。目前，GPS測量中所使用的協(xié)議地球坐標系稱為測

5、量中所使用的協(xié)議地球坐標系稱為WGS-84世界大地坐標系（世界大地坐標系（World Geodetic System）。）。它由美國國防部在它由美國國防部在WGS-72相關的精密星歷基礎相關的精密星歷基礎上，采用上，采用80大地參數(shù)和大地參數(shù)和BIH 1984.0系統(tǒng)定向所建系統(tǒng)定向所建立的一種地心坐標系。立的一種地心坐標系。6.2.2 GPS衛(wèi)星信號衛(wèi)星信號 1）載波信號）載波信號 載波信號頻率使用的是無線電中載波信號頻率使用的是無線電中L波段的波段的2種不同頻率的電磁波種不同頻率的電磁波 L1載波：波長載波：波長1 =19.03cm，頻率，頻率f1=1575.442MHz； L2載波：波長

6、載波：波長2 =24.42cm，頻率，頻率f2=1227.600MHz。 2）測距碼）測距碼 GPS衛(wèi)星信號中有兩種測距碼，即衛(wèi)星信號中有兩種測距碼，即C/A 碼和碼和P（Y）碼。碼。 C/A 碼：碼：C/A 碼是英文粗碼碼是英文粗碼/捕獲碼捕獲碼（Coarse/Acquisition Code）的縮寫。它被調）的縮寫。它被調制在制在 L1載波上。載波上。C/A 碼的結構公開，不同的衛(wèi)星碼的結構公開，不同的衛(wèi)星有不同的有不同的C/A 碼。碼。C/A 碼是普通用戶用以測定測碼是普通用戶用以測定測站到衛(wèi)星間距離的一種主要的信號。站到衛(wèi)星間距離的一種主要的信號。 P碼（碼（Precise Code）

7、的測距精度高于）的測距精度高于C/A 碼，碼，又被稱為精碼，它被調制在又被稱為精碼，它被調制在L1和和 L2載波上。因載波上。因美國的美國的AS（反電子欺騙）技術，一般用戶無法利（反電子欺騙）技術，一般用戶無法利用用P碼來進行導航定位。加密后的碼來進行導航定位。加密后的P碼又稱為碼又稱為Y碼。碼。 3）數(shù)據(jù)碼）數(shù)據(jù)碼 數(shù)據(jù)碼（數(shù)據(jù)碼（D碼）即導航電文。數(shù)據(jù)碼是衛(wèi)星碼）即導航電文。數(shù)據(jù)碼是衛(wèi)星提供給用戶的有關衛(wèi)星的位置，衛(wèi)星鐘的提供給用戶的有關衛(wèi)星的位置，衛(wèi)星鐘的性能、發(fā)射機的狀態(tài)、準確的性能、發(fā)射機的狀態(tài)、準確的GPS時間以時間以及如何從及如何從C/A 碼捕獲碼捕獲 P碼的數(shù)據(jù)和信息。碼的數(shù)據(jù)

8、和信息。用戶利用觀測值以及這些信息和數(shù)據(jù)就能用戶利用觀測值以及這些信息和數(shù)據(jù)就能進行導航和定位。進行導航和定位。6.2.3 GPS定位原理定位原理 GPS的定位原理，是利用空間分布的衛(wèi)星以及衛(wèi)星與地面點間進行距離交會來確定地面點位置。 XllVl Xl lllXllVlXllllllllVVVllVlllXlXXllVlXllllVll XllVlXllllllllVVVllVlllXlX距離 = 傳播時間 x 光速 我我 們們 必必 定定 在在 以以 R1 為為 半半 徑徑 的的 球球 面面 的的 某某 個個 點點 上上R12 個個 球球 面面 相相 交交 成成 一一 個個 圓圓 弧弧點點

9、位位 被被 限限 制制 在在 一一 曲曲 線線 上上R1R2 3 個球面相交成一個點個球面相交成一個點3 個距離段可以確定緯度，經度，和高程個距離段可以確定緯度，經度，和高程點點 的的 空空 間間 位位 置置 被被 確確 定定R1R2R3 如圖67所示，用戶用GPS接收機在某一時刻同時接收三顆以上的GPS衛(wèi)星信號，測量出測站點（接收機天線中心）至衛(wèi)星的距離i（i=1，2，3，），通過導航電文可獲得衛(wèi)星的坐標（xi，yi，zi）（i=1，2，3，），據(jù)此即可求出測站點的坐標（x，y，z）。 1)-(6 )()()(222zzyyxxiiii1）偽距測量）偽距測量cti大氣電離衛(wèi)星接收機cctzz

10、yyxxiiii)()()()(i222 由于衛(wèi)星鐘差、電離層折射和大氣對流的影響，可以通過導航電文中所給的有關參數(shù)加以修正，而接收機的鐘差卻難以預先準確地確定，所以把接收機的鐘差當作一個未知數(shù)，與測站坐標一起解算。這樣，在一個觀測站上要解出4個未知參數(shù)，即3個點位坐標分量和1個鐘差參數(shù)，就至少同時觀測4顆衛(wèi)星。若觀測衛(wèi)星個數(shù)多于4個，用最小二乘法求得測站點坐標。2）載波相位測量）載波相位測量 載波相位測量就是利用GPS衛(wèi)星發(fā)射的載波作為測距信號測出衛(wèi)星的載波信號與接收機參考信號之間的相位差，乘上波長就是站星距離。 20 N3）載波相位差分定位）載波相位差分定位 在絕對定位中，測量結果會受到衛(wèi)

11、星軌道誤差、鐘差及信號傳播誤差的影響，但這些誤差對觀測量的影響具有一定的相關性，因此，若利用這些觀測量的不同線性組合進行相對定位，可有效地消除或減弱這些誤差的影響，提高定位的精度。將觀測量進行線性組合的方法稱為差分法，當前普遍應用的重要組合形式有種，即單差法、雙差法和三差法。圖圖69 載波相位單差法定位載波相位單差法定位圖圖610 載波相位雙差法定位載波相位雙差法定位圖圖611 載波相位雙差法定位載波相位雙差法定位4）GPS定位方法定位方法 GPS定位的方法有多種，根據(jù)接收機的運動狀態(tài)可分為靜態(tài)定位和動態(tài)定位，根據(jù)定位的模式又可分為絕對（單點）定位和相對定位（差分定位），按數(shù)據(jù)的處理方式可分為

12、實時定位和后處理定位。6.2.4 GPS測量的實施測量的實施 GPS測量實施的工作程序可分為： 技術設計 選點與建立標志外業(yè)觀測成果檢核GPS網型的平差計算技術總結）技術設計）技術設計（1）GPS測量的精度標準式中 m距離中誤差，mma固定誤差，mmb比例誤差系數(shù)，ppmd相鄰點間的距離，km262)10(dbamd表61 GPS網的分級精度指標類類級級測量類型測量類型固定誤差固定誤差a(mm)比例誤差比例誤差b(p pm)相鄰點平均相鄰點平均距離距離D(km)A全球性地球地殼形變、精密定軌30.011000A區(qū)域性地殼形變或國家高精度GPS網50.1300B國家基本控制測量、精密工程測量81

13、70C控制網加密、城市測量、工程測量1051015D工程控制網1010510E測圖網10200.25（2）GPS網型的圖形設計網型的圖形設計 點連式、邊連式、網連式和混連是構網的四種基本形式 （3）坐標系統(tǒng)與起算數(shù)據(jù)）坐標系統(tǒng)與起算數(shù)據(jù) GPS測量得到的是GPS基線向量（兩點的坐標差），其坐標基準為 WGS-84坐標系，而實際工程中，需要的是屬于國家坐標系或地方獨立坐標系中的坐標。為此，在GPS網的技術設計中，必須說明GPS網的成果所采用的坐標系統(tǒng)和起算數(shù)據(jù)。2）選點與建立標志）選點與建立標志 (1) 周圍便于安置接收設備和操作，視野開闊，視場內障礙物的高度角不宜超過 15。 (2) 遠離大功

14、率無線電發(fā)射源(如電視臺、電臺、微波站等)，其距離應大于 200m；遠離高壓電線和微波無線電傳送通道，其距離應大于50m。 (3) 附近不應有強烈手反射衛(wèi)星信號的物件(如大型建筑物、大面積水域等)。 (4) 交通方便，有利于其他測量手段擴展和聯(lián)測。 (5) 地面基礎穩(wěn)定，易于點的保存。3）GPS外業(yè)觀測外業(yè)觀測 （1）GPS接收機的檢查 （2）編制GPS衛(wèi)星可見性預報及觀測時段的選擇 （3）天線安置 （4）安置GPS接收機并開機觀測 （5）觀測記錄與測量手簿4）成果檢核與數(shù)據(jù)處理）成果檢核與數(shù)據(jù)處理 RTK定位時要求基準站接收機實時地把定位時要求基準站接收機實時地把觀測數(shù)據(jù)觀測數(shù)據(jù)(偽距觀測值，相位觀測值偽距觀測值，相位觀測值)及已知數(shù)據(jù)及已知數(shù)據(jù)傳輸給流動站接收機，然后根據(jù)相對定位的原傳輸給流動站接收機，然后根據(jù)相對定位的原理，實時地解算整周模糊度未知數(shù)，并計算顯理，實時地解算整周模糊度未知數(shù)，并計算顯示用戶站的三維坐標和精度。示用戶站的三維坐標和精度。6.3.1 GPS RTK定位原理定位原理6.3 GPS RTK定位原理及應用定位原理及應用RTK 作業(yè)流程發(fā)射電臺GPS主機基