測(cè)量教案4-2章_GPS測(cè)量

1、第8章 GPS測(cè)量的原理與方法 8.1 GPS概述73年12月，美國(guó)國(guó)防部組織開(kāi)始研制新一代軍用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GPS89年2月14日發(fā)射第一顆GPS衛(wèi)星94年3月28日發(fā)射完第24顆衛(wèi)星目前在軌衛(wèi)星數(shù)32顆均勻分布在6個(gè)與赤道傾角為55近似圓形軌道上每個(gè)軌道4顆衛(wèi)星運(yùn)行，距地表平均高度20200km速度為3800m/s，運(yùn)行周期為11h58min每顆衛(wèi)星覆蓋全球38面積保證地球上任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻、高度15以上天空能同時(shí)觀測(cè)到4顆以上衛(wèi)星。 GPS定位空間測(cè)距交會(huì)P點(diǎn)安置GPS接收機(jī)，接收衛(wèi)星發(fā)射的測(cè)距碼信號(hào)在接收機(jī)時(shí)鐘控制下解出測(cè)距碼從衛(wèi)星接收機(jī)的時(shí)間t乘光速c、加衛(wèi)星時(shí)鐘與接收機(jī)時(shí)鐘不同步改

2、正算出衛(wèi)星接收機(jī)的空間距離vt衛(wèi)星鐘差，vT接收機(jī)鐘差GPS用單程測(cè)距方式接收機(jī)接收到的測(cè)距信號(hào)不再返回衛(wèi)星接收機(jī)直接解算傳播時(shí)間t并算出衛(wèi)星接收機(jī)的距離)(tTvvctc要求衛(wèi)星和接收機(jī)時(shí)鐘嚴(yán)格同步衛(wèi)星在嚴(yán)格同步時(shí)鐘控制下發(fā)射測(cè)距信號(hào)實(shí)際上，衛(wèi)星鐘與接收機(jī)鐘不可能嚴(yán)格同步產(chǎn)生鐘誤差兩個(gè)時(shí)鐘不同步對(duì)測(cè)距結(jié)果的影響c(vTvt)衛(wèi)星廣播含衛(wèi)星鐘差vT已知接收機(jī)鐘差vT未知觀測(cè)方程解算衛(wèi)星接收機(jī)的空間距離沒(méi)有考慮大氣電離層和對(duì)流層折射誤差影響不是衛(wèi)星接收機(jī)的幾何距離偽距)(tTvvctcXllVl Xl lllXllVlXllllllllVVVllVlllXlXXllVlXllllVllXllVl

3、XllllllllVVVllVlllXlX距離 = 傳播時(shí)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(gè)個(gè) 點(diǎn)點(diǎn) 上上R12 個(gè)個(gè) 球球 面面 相相 交交 成成 一一 個(gè)個(gè) 圓圓 弧弧點(diǎn)點(diǎn) 位位 被被 限限 制制 在在 一一 曲曲 線線 上上R1R23 個(gè)球面相交成一個(gè)點(diǎn)個(gè)球面相交成一個(gè)點(diǎn)3 個(gè)距離段可以確定緯度，經(jīng)度，和高程個(gè)距離段可以確定緯度，經(jīng)度，和高程點(diǎn)點(diǎn) 的的 空空 間間 位位 置置 被被 確確 定定R1R2R3測(cè)距時(shí)刻ti的衛(wèi)星坐標(biāo)(xi，yi，zi)用接收衛(wèi)星Si廣播星歷解算出。則Si衛(wèi)星P點(diǎn)的空間距離偽距觀測(cè)方程有xP，

4、yP，zP，vT四個(gè)未知數(shù)為了解算這四個(gè)未知數(shù)，應(yīng)同時(shí)鎖定4顆衛(wèi)星觀測(cè)222)()()(iPiPiPiPzzyyxxR222)()()()(iPiPiPiPTitiPiPzzyyxxRvvctc觀測(cè)A，B，C，D四顆衛(wèi)星的偽距方程解方程算出P點(diǎn)坐標(biāo)(xP，yP，zP) 222222222222)()()()()()()()()()()()()()()()(DPDPDPTDtDPDPCPCPCPTCtCPCPBPBPBPTBtBPBPAPAPAPTAtAPAPzzyyxxvvctczzyyxxvvctczzyyxxvvctczzyyxxvvctc8.2 GPS的組成工作衛(wèi)星、地面監(jiān)控系統(tǒng)、用戶設(shè)

5、備8.2.1 地面監(jiān)控系統(tǒng)衛(wèi)星廣播星歷包含描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)及其軌道的參數(shù)每顆衛(wèi)星廣播星歷由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供地面監(jiān)控系統(tǒng)1個(gè)主控站、3個(gè)注入站、5個(gè)監(jiān)測(cè)站(1) 監(jiān)測(cè)站主控站控制下的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集中心有雙頻GPS接收機(jī)、高精度原子鐘、氣象參數(shù)測(cè)試儀計(jì)算機(jī)等設(shè)備完成對(duì)GPS衛(wèi)星信號(hào)連續(xù)觀測(cè)，搜集當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后傳送到主控站(2) 主控站協(xié)調(diào)和管理所有地面監(jiān)控系統(tǒng)工作 根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，推算編制各衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星鐘差大氣層修正參數(shù)，數(shù)據(jù)傳送到注入站 提供時(shí)間基準(zhǔn)。各監(jiān)測(cè)站和GPS衛(wèi)星原子鐘應(yīng)與主控站原子鐘同步，或測(cè)量出其間鐘差將鐘差信息編入導(dǎo)航電文，送到注入站 調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星，使之沿預(yù)定的

6、軌道運(yùn)行 啟動(dòng)備用衛(wèi)星，以代替失效的工作衛(wèi)星(3) 注入站主控站控制下將主控站推算和編制的衛(wèi)星星歷、鐘差、導(dǎo)航電文其它控制指令注入衛(wèi)星存儲(chǔ)器監(jiān)測(cè)注入信息的正確性除主控站外，整個(gè)地面監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)人值守8.2.2 用戶設(shè)備GPS接收機(jī)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件GPS接收機(jī)包括接收天線、主機(jī)、電源GPS接收機(jī)任務(wù)捕獲衛(wèi)星信號(hào)，跟蹤并鎖定衛(wèi)星信號(hào)處理接收到的信號(hào)測(cè)量測(cè)距信號(hào)從衛(wèi)星傳播到接收機(jī)天線的時(shí)間間隔譯出衛(wèi)星廣播的導(dǎo)航電文實(shí)時(shí)計(jì)算接收機(jī)天線三維坐標(biāo)、速度和時(shí)間用途導(dǎo)航型、測(cè)地型和授時(shí)型載波頻率單頻接收機(jī)(用1個(gè)載波頻率)雙頻接收機(jī)(用2個(gè)載波頻率)南方測(cè)繪NGS9600測(cè)地型單頻靜態(tài)GPS接收機(jī) 8.3

7、GPS定位的基本原理 分類：1）待定點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)狀態(tài)靜態(tài)定位、動(dòng)態(tài)定位 2）測(cè)距原理偽距定位、載波相位定位（絕對(duì)定位、相對(duì)定位）、實(shí)時(shí)差分定位（位置差分、偽距差分、載波相位差分） 8.3.1 衛(wèi)星信號(hào) 載波、測(cè)距碼(C/A碼P碼)、數(shù)據(jù)碼(導(dǎo)航電文或稱D碼) 同一原子鐘頻率f0=10.23MHz下產(chǎn)生(1) 載波信號(hào)頻率用無(wú)線電波段兩種不同頻率電磁波L1載波：f1=154f0=1575.42MHz，1=19.03cmL2載波：f2=120f0=1227.60MHz，2=24.42cm載波L1調(diào)制有C/A碼、P碼、數(shù)據(jù)碼載波L2調(diào)制有P碼、數(shù)據(jù)碼測(cè)距碼由0，1組成的二進(jìn)制編碼一位二進(jìn)制數(shù)比特(bit

8、)每秒鐘傳輸比特?cái)?shù)稱為數(shù)碼率衛(wèi)星的兩種測(cè)距碼C/A碼和P碼屬于偽隨機(jī)碼具有良好自相關(guān)特性和周期性，容易復(fù)制測(cè)距碼測(cè)距原理衛(wèi)星時(shí)鐘控制發(fā)射某結(jié)構(gòu)測(cè)距碼經(jīng)t時(shí)間傳播后到達(dá)GPS接收機(jī)接收機(jī)產(chǎn)生同結(jié)構(gòu)測(cè)距碼復(fù)制碼復(fù)制碼延遲時(shí)間后與接收的衛(wèi)星測(cè)距碼比較調(diào)整延遲時(shí)間使兩個(gè)測(cè)距碼完全對(duì)齊復(fù)制碼延遲時(shí)間=tC/A碼碼元寬度對(duì)應(yīng)距離293.1m衛(wèi)星與接收機(jī)測(cè)距碼對(duì)齊精度1/100，測(cè)距精度2.9mP碼碼元寬度對(duì)應(yīng)距離29.3m衛(wèi)星與接收機(jī)測(cè)距碼對(duì)齊精度1/100，測(cè)距精度0.29mP碼測(cè)距精度高于C/A碼10倍C/A碼粗碼，P碼精碼P碼受美國(guó)軍方控制，一般用戶只能用C/A碼測(cè)距(2) 數(shù)據(jù)碼導(dǎo)航電文D碼含衛(wèi)星

9、星歷、衛(wèi)星工作狀態(tài)、時(shí)間系統(tǒng)、衛(wèi)星時(shí)鐘運(yùn)行狀態(tài)、軌道攝動(dòng)改正、大氣折射改正導(dǎo)航電文與前述的測(cè)距碼一樣二進(jìn)制碼依規(guī)定格式按幀發(fā)射每幀電文長(zhǎng)度1500bit，播送速率50bit/s 8.3.2 偽距定位1) 單點(diǎn)定位GPS接收機(jī)安置于測(cè)點(diǎn)，鎖定4顆以上衛(wèi)星將收到的衛(wèi)星測(cè)距碼與接收機(jī)產(chǎn)生的復(fù)制碼對(duì)齊測(cè)量與鎖定衛(wèi)星測(cè)距碼到接收機(jī)傳播時(shí)間ti求出衛(wèi)星至接收機(jī)的偽距從鎖定衛(wèi)星廣播星歷獲取衛(wèi)星空間坐標(biāo)距離交會(huì)原理解算天線點(diǎn)三維坐標(biāo)偽距觀測(cè)方程有4個(gè)未知數(shù)鎖定4顆衛(wèi)星時(shí)方程有唯一解沒(méi)考慮大氣電離層和對(duì)流層折射誤差、星歷誤差影響，單點(diǎn)定位精度不高C/A碼定位精度25m，P碼定位精度10m2) 多點(diǎn)定位多臺(tái)GPS

10、接收機(jī)(23臺(tái))安置在不同測(cè)點(diǎn)同時(shí)鎖定相同衛(wèi)星進(jìn)行偽距測(cè)量大氣電離層和對(duì)流層折射誤差、星歷誤差影響基本相同計(jì)算各測(cè)點(diǎn)間坐標(biāo)差(x,y,z)時(shí)可消除上述誤差影響測(cè)點(diǎn)之間的點(diǎn)位相對(duì)精度大大提高8.3.3 載波相位定位載波L1，L2頻率比測(cè)距碼(C/A碼和P碼)頻率高波長(zhǎng)比測(cè)距碼短很多,1=19.03 cm,2=24.42cm使用載波L1或L2作測(cè)距信號(hào)將衛(wèi)星傳播到接收機(jī)天線的余弦載波信號(hào)與接收機(jī)基準(zhǔn)信號(hào)比相求出相位延遲計(jì)算偽距可獲得很高測(cè)距精度如測(cè)量L1載波相位移誤差為1/100偽距測(cè)量精度可達(dá)19.03cm/100=1.9mm(1) 載波相位絕對(duì)定位載波相位絕對(duì)定位相位測(cè)量只能測(cè)出不足一整周期相

11、位移存在整周數(shù)N0不確定問(wèn)題，N0整周模糊度t0時(shí)刻(歷元t0)，某衛(wèi)星發(fā)射載波信號(hào)到接收機(jī)相位移2N0+該衛(wèi)星接收機(jī)距離載波波長(zhǎng)22200NN考慮鐘差改正c(vTvt)大氣電離層折射改正ion對(duì)流層折射改正trop的載波相位觀測(cè)方程雖然對(duì)鎖定衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)跟蹤觀測(cè)可修正ion和trop但整周模糊度N0始終未知能否準(zhǔn)確求出N0成為載波相位定位的關(guān)鍵問(wèn)題 RvvcNtropiontT)(20(2) 載波相位相對(duì)定位兩臺(tái)GPS接收機(jī)分別安置在兩測(cè)點(diǎn)兩測(cè)點(diǎn)連線基線同步接收衛(wèi)星信號(hào)相同衛(wèi)星相位觀測(cè)值線性組合解算基線向量在WGS-84坐標(biāo)系的增量(x,y,z)確定它們的相對(duì)位置一個(gè)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)已知，可推算出另

12、一個(gè)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)按相位觀測(cè)的線性組合形式載波相位相對(duì)定位單差法、雙差法、三差法只介紹前兩種1) 單差法單差法基線兩端點(diǎn)安置兩臺(tái)GPS接收機(jī)對(duì)同一顆衛(wèi)星同步觀測(cè)，觀測(cè)方程設(shè)基線兩端點(diǎn)的電離層改正ion對(duì)流層改正trop相等得單差觀測(cè)方程單差方程消除了衛(wèi)星鐘差改正數(shù)vTitropiontiTiiitropiontiTiiRvvcNRvvcN2222020211110101)(2)(2ittiiRvvcN12211212)(22) 雙差法雙差法安置在基線端點(diǎn)上的兩臺(tái)GPS接收機(jī)同時(shí)對(duì)兩顆衛(wèi)星進(jìn)行同步觀測(cè)觀測(cè)Sj衛(wèi)星的單差觀測(cè)方程求差雙差觀測(cè)方程消除了基線端點(diǎn)兩臺(tái)接收機(jī)相對(duì)鐘差改正數(shù)vt1vt2差分法可減

13、少計(jì)算中的未知數(shù)數(shù)量消除或減弱測(cè)站共同誤差影響，提高定位精度jttjjRvvcN12211212)(2ijijijRN1212122將 化算為基線端點(diǎn)坐標(biāo)增量(x12,y12,z12)的函數(shù)有3個(gè)坐標(biāo)增量未知數(shù)如兩臺(tái)GPS接收機(jī)同步觀測(cè)了n顆衛(wèi)星則有n1個(gè)整周模糊度，未知數(shù)總數(shù)3+n1當(dāng)每顆衛(wèi)星觀測(cè)了m個(gè)歷元時(shí)就有m(n1)個(gè)雙差方程為求出3+n1個(gè)未知數(shù)要求雙差方程數(shù)未知數(shù)個(gè)數(shù)ijR12ijijijRN1212122m(n1)3+n1一般取m=2，也即每顆衛(wèi)星觀測(cè)2個(gè)歷元為提高相對(duì)定位精度，同步觀測(cè)的時(shí)間應(yīng)比較長(zhǎng)具體時(shí)間與基線長(zhǎng)、所用接收機(jī)類型(單頻/雙頻)和解算方法有關(guān)在15km短基線上使用雙頻機(jī)觀測(cè)用快速處理軟件野外每個(gè)測(cè)