GPS衛(wèi)星定位基本原理

GPS定位方法GPS定位的方法是多種多樣的，用戶可以依據(jù)不同的用途承受不同的定位方法。GPS定位方法可依據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，作如下劃分:1、依據(jù)定位所承受的觀測值〕2〕載波相位定位2、依據(jù)定位時接收機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)〔1〕靜態(tài)定位〔2〕動態(tài)定位依據(jù)定位的模式〔1〕確定定位〔2〕相對定位〔3〕差分定位依據(jù)獵取定位結(jié)果的時間〔1〕實(shí)時定位〔2〕事后定位偽距測量定義GPS接收機(jī)在某一時刻測出得到四顆以上GPS衛(wèi)星的偽距以及己知的衛(wèi)星位置，承受距離交會的方法求定接收機(jī)天線所在點(diǎn)的三維坐標(biāo)。偽距：由衛(wèi)星放射的測距碼信號到達(dá)GPS接收機(jī)的傳播時間乘以光速所得出的量測距離。載波相位測量為什么承受載波相位測量載波相位測量是利用GPS衛(wèi)星放射的載波為測距信號。由于載波的波長(λL1＝19cm，λL2＝24cm)比測距碼波長(λC/A=293m,λp=29.3m)要短得多，因此對載波進(jìn)展相位測量，就可能得到較高的測量定位精度。重建載波方法〔1〕碼相關(guān)法〔2〕平方法整周未知數(shù)N0確實(shí)定整周未知數(shù)N0確實(shí)定是載波相位測量中特有的問題，也是進(jìn)一步提高GPS定位精度、提高作業(yè)速度的關(guān)鍵所在。N0快速確定整周未知數(shù)法。載波相位觀測應(yīng)留意：整周數(shù)的變化局部由計數(shù)器記錄，此間信號不能連續(xù)，假設(shè)此間到達(dá)接收機(jī)的信號被遮整周數(shù)。這種狀況叫整周跳。引起周跳的另一緣由是強(qiáng)電磁干擾。因各項(xiàng)誤差影響，整周未知數(shù)往往不為整數(shù)。整周跳變的修復(fù)在何種狀況下修復(fù)周跳有意義？假設(shè)由于電源的故障或振蕩器本身的故障使信號臨時中斷，那么中斷前后信號本身失去了連續(xù)性?；謴?fù)正常工作后的觀測值中不但整周計數(shù)不正確，缺乏整周的局部也不對。這時，修復(fù)周跳沒有意義。假設(shè)是其他緣由，如衛(wèi)星信號被某些障礙物擋住，外界干擾使信號臨時失鎖等，使信號整周計數(shù)臨時中斷，而缺乏一周的相位差局部仍是正確的。這時，修復(fù)周跳才有意義。整周跳變的探測與修復(fù)常用的方法〔1〕屏幕掃描法〔2〕用高次差或多項(xiàng)式擬合法〔3〕在衛(wèi)星間求差法〔4〕用雙頻觀測值修復(fù)周跳用雙頻觀測值修復(fù)周跳優(yōu)點(diǎn)：組合后的 值中，只涉及頻率，取決于電離層殘差影響，無須預(yù)先知道測站和衛(wèi)星的坐標(biāo)。缺點(diǎn)：不能顧及多路徑效應(yīng)和測量噪聲的影響，另外假設(shè)兩個載波相位觀測值中都消滅周跳，則不能承受這種方法，而只能承受其他方法探測和修復(fù)周跳。GPS確定定位與相對定位1〔地球質(zhì)心〕確定坐標(biāo)的一種方法。確定定位的分類確定定位可依據(jù)天線所處的狀態(tài)分為動態(tài)確定定位和靜態(tài)確定定位。無論動態(tài)還是靜態(tài)，所依據(jù)的觀測量都是所測的站星偽距。依據(jù)觀測量的性質(zhì)，偽距有測碼偽距和測相偽距，確定定位相應(yīng)分為測碼偽距確定定位和測相偽距確定定位。確定定位的精度由于受到衛(wèi)星軌道誤差、鐘差以及信號傳播誤差等因素的影響，靜態(tài)確定定位的精10-40m遠(yuǎn)不能滿足大地測量周密定位的要求。2、相對定位GPS相對定位，是至少用兩臺GPS接收機(jī)，同步觀測一樣的GPS衛(wèi)星，確定兩臺接收機(jī)天線之間的相對位置〔坐標(biāo)差。它是目前GPS廣泛應(yīng)用于大地測量、周密工程測量、地球動力學(xué)的爭論和周密導(dǎo)航。靜態(tài)確定定位原理測量，通過最小二乘法平差，提高定位精度。最正確函數(shù)匹配。測碼偽距靜態(tài)確定定位異的獨(dú)立鐘差參數(shù)，在平差計算中一并解算。動態(tài)確定定位在用戶承受機(jī)安置在運(yùn)動的載體上并處于動態(tài)狀況下，確定載體瞬時確定位置的定位方法。應(yīng)用載波相位觀測值進(jìn)展靜態(tài)確定定位載波相位觀測值精度高，有可能獲得精度較高的定位結(jié)果。但定位精度仍受衛(wèi)星軌道誤差和大氣折射誤差等影響，只有當(dāng)衛(wèi)星軌道精度較高，并以必要的精度對觀測量參加電離層和對流層等項(xiàng)修正，才能發(fā)揮測相法確定定位潛能；同時如何防止和修復(fù)整周變跳，對保障定位精度格外重要。另外，整周未知數(shù)N0,理論上是整數(shù)，但由于觀測誤差和各修正量誤差的影響，平差求解后不再是整數(shù)。假設(shè)把非整數(shù)的整周未知數(shù)調(diào)整為相近的整數(shù)，作為固定值代入重求解其它未知參數(shù)，所得的解稱為固定解，而相應(yīng)整周未知數(shù)為非整數(shù)的解成為浮動解。精度因子(GDOP)的數(shù)值與所測衛(wèi)星的幾何分布圖形有關(guān)。假設(shè)由觀測站與四顆觀測衛(wèi)星所構(gòu)成的六面體體積為V，則分析說明，GDOPV的倒數(shù)成正比。六面體的體積越大，所測衛(wèi)星在空間的分布范圍也越大，GDOP值越??；反之，衛(wèi)星分布范圍越小，GDOP值越大。實(shí)際工作中選擇和評價觀測衛(wèi)星分布圖形3120度時，所構(gòu)成的六面體體積接近最大。相對定位相對定位是用兩臺接收機(jī)分別安置在基線的兩端，同步觀測一樣的GPS衛(wèi)星，以確定基線端點(diǎn)的相對位置或基線向量。相對定位有靜態(tài)相對定位和動態(tài)相對定位之分。波相位觀測值的一次差或單差。常用的求一次差是在接收機(jī)間求一次差。值，叫做載波相位觀測值的二次差或雙差。三次差：對二次差連續(xù)求差稱為求三次差。所得結(jié)果叫做載波相位觀測值的三次差或三差。常用的求三次差是在接收機(jī)、衛(wèi)星和歷元之間求三次差。單差觀測值中可以消退與衛(wèi)星有關(guān)的載波相位及其鐘差項(xiàng)，雙差觀測值中可以消退與接收機(jī)有關(guān)的載波相位及其鐘差項(xiàng)，三差觀測值中可以消退與衛(wèi)星和接收機(jī)有關(guān)的初始整周模糊度項(xiàng)N。SA技術(shù)：SA技術(shù)稱為有選擇可用性技術(shù)，即人為地將誤差引入衛(wèi)星鐘和衛(wèi)星數(shù)據(jù)中，有意降低GPS定位精度。使C/A20m100m。SA技術(shù)的主要內(nèi)容:(1)在播送星歷中，對GPS衛(wèi)星的基準(zhǔn)頻率承受δ技術(shù)，使星歷(2)在衛(wèi)星鐘的鐘頻信號中加高頻抖動(即ε技術(shù))。AS技術(shù)：AS技術(shù)稱為反電子哄騙技術(shù)。其方法是:將P碼與保密的W碼相加成Y碼，Y碼嚴(yán)格保密。其目的是:防止敵方使用P碼進(jìn)展周密導(dǎo)航定位。當(dāng)實(shí)施AS技術(shù)時，非特許用戶不能接收到P碼。這項(xiàng)技術(shù)，僅在特別狀況下使用。SA和AS技術(shù)對定位的影響(1)(2)(3)AS技術(shù)會對高精度相對定位數(shù)據(jù)處理，整周未知數(shù)確實(shí)定帶來不便。GPS現(xiàn)代化打算包括：GPS信號現(xiàn)代化。開發(fā)第三代GPS衛(wèi)星。地面掌握局部現(xiàn)代化差分GPS定位原理差分GPS產(chǎn)生的誘因：確定定位精度不能滿足要求GPS確定定位的精度受多種誤差因素的影響，不能完全滿足某些特別應(yīng)用的要求美國的GPS政策對GPS確定定位精度的影響〔選擇可用性SA〕差分GPS〔DGPS–DifferentialGPS〕利用設(shè)置在坐標(biāo)的點(diǎn)〔基準(zhǔn)站〕上的GPS接收機(jī)測定GPS測量定位誤差，用以提高在肯定范圍內(nèi)其它GPS接收機(jī)〔流淌站〕測量定位精度的方法。影響GPS定位的主要誤差多臺承受機(jī)公有的誤差：衛(wèi)星鐘誤差；星歷誤差〔承受差分技術(shù)，可以完全消退這〕傳播延遲的誤差：電離層誤差；對流層誤差〔承受差分技術(shù)，可以局部消退這局部〔視基準(zhǔn)站至用戶的距離〕接收機(jī)固有的誤差：內(nèi)部噪聲；通道延遲；多路徑效應(yīng)差分GPS的分類依據(jù)時效性：實(shí)時差分；事后差分依據(jù)觀測值類型：偽距差分；載波相位差分依據(jù)差分改正數(shù)：位置差分〔坐標(biāo)差分；距離差分依據(jù)工作原理和差分模型：局域差分；單基準(zhǔn)站差分；多基準(zhǔn)站差分；廣域差分位置差分和距離差分的特點(diǎn)位置差分：差分改正計算的數(shù)學(xué)模型簡潔；差分?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量少；基準(zhǔn)站與流淌站要求觀測完全一樣的一組衛(wèi)星距離差分：差分改正計算的數(shù)學(xué)模型較簡單；差分?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量較多；基準(zhǔn)站與流淌站不要求觀測完全一樣的一組衛(wèi)星單站GPS的差分依據(jù)差分GPS基準(zhǔn)站發(fā)送的信息方式可將差分GPS定位分為三類，即：位置差分；偽距差分；相位差分這3類差分方式的工作原理是一樣的，即都是由基準(zhǔn)站發(fā)送改正數(shù)，由用戶站接收并對其測量結(jié)果進(jìn)展改正，以獲得準(zhǔn)確的定位結(jié)果。所不同的是，發(fā)送改正數(shù)的具體內(nèi)容不一樣，其差分定位精度也不同。這是一種最簡潔的差分方法，任何一種GPS接收機(jī)均可改裝和組成這種差分系統(tǒng)。安裝在基準(zhǔn)站上的GPS4SA影響、大氣影響、多徑效應(yīng)以及其他誤差，解算出的坐標(biāo)與基準(zhǔn)站的坐標(biāo)是不一樣的，存在誤差?；鶞?zhǔn)站利用數(shù)據(jù)鏈將此改正數(shù)發(fā)送出去，由用戶站接收，并且對其解算的用戶站坐標(biāo)進(jìn)展改正。與位置差分相像，偽距差分能將兩站公共誤差抵消，但隨著用戶到基準(zhǔn)站距離的增加又消滅了系統(tǒng)誤差，這種誤差用任何差分法都是不能消退的。用戶和基準(zhǔn)站之間的距離對精度有打算性影響。載波相位差分原理載波相位差分技術(shù)又稱為RTK技術(shù)realtimekinemati測站的載波相位根底上的。它能實(shí)時供給觀測點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并到達(dá)厘米級的高精度。實(shí)現(xiàn)載波相位差分GPS的方法分為兩類：修正法和差分法。單站差分GPS系統(tǒng)構(gòu)造和算法簡潔，技術(shù)上較為成熟。主要用于小范圍的差分定位工作。對于較大范圍的區(qū)域，則應(yīng)用局部區(qū)域差分技術(shù)。對于一國或幾個國家范圍的寬闊區(qū)域，應(yīng)用廣域差分技術(shù)。局部區(qū)域GPS差分系統(tǒng)構(gòu)造：基準(zhǔn)站〔多個、數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶數(shù)學(xué)模型〔差分改正數(shù)的計算方法：加權(quán)平均；偏導(dǎo)數(shù)法；最小方差法特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：差分精度高、牢靠性高，差分范圍增大；缺點(diǎn)：差分范圍仍舊有限，模型不完善廣域差分GPS系統(tǒng)的根本思想對GPS觀測量的誤差源加以區(qū)分，并單獨(dú)對每一種誤差源分別加以“模型化”，然后將計算出的每一誤差源的數(shù)值，通過數(shù)據(jù)鏈傳輸給用戶，以對用戶GPS定位的誤差加以改正，到達(dá)減弱這些誤差源，改善用戶GPS定位精度的目的。構(gòu)造：基準(zhǔn)站〔多個、數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶〔差分改正數(shù)的計算方法的綜合影響；廣域差分對各項(xiàng)誤差加以分別，建立各自的改正模型；用戶依據(jù)自身的位置，對觀測值進(jìn)展改正優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：差分精度高、差分精度與距離無關(guān)、差分范圍大；缺點(diǎn)：系統(tǒng)構(gòu)造簡單、建設(shè)費(fèi)用高同局域差分GPS相比，廣域差分GPS有如下特點(diǎn):(1)100km增加到2022km，定位精度不會消滅明顯的下降，這就是說，廣域差分GPS中用戶的定位精度對空間距離的敏感程度比局域差分GPS低得多。(2)在大區(qū)域內(nèi)建立局域差分GPS域差分GPS具有更大的經(jīng)濟(jì)效益。(3)廣域差分GPS度相當(dāng)，而且定位精度較局域差分GPS高。(4)廣域差分GPS的掩蓋區(qū)域可以擴(kuò)展到局域差分GPS不易作用的地域，如遠(yuǎn)洋、沙漠、森林等。(5)廣域差分GPS使用的硬件設(shè)備及通信工具昂貴，軟件技術(shù)簡單，運(yùn)行和維持費(fèi)用較局域差分GPSGPS的牢靠性與安全性可能不如單個的局域差分GPS。目前我國已初步建立了北京、拉薩、烏魯木齊、上海四個永久性GPS監(jiān)測站，還打算增設(shè)武漢、哈爾濱兩站。常規(guī)RTK定位的局限性測量范圍：要到達(dá)1～3厘米級實(shí)時定位的要求，用戶站和參考站的距離需小于10k，隨著基線長度的增長〔>50k后剩余誤差很大，導(dǎo)致整周模糊度參數(shù)無法固定，基線精度一般只能到達(dá)分米級。RTK的數(shù)據(jù)傳輸多承受超高頻UHFVHFRTCM差UHFVHF的衍射性能差，而且都是站間直線傳播，這要求站間的天線必需“準(zhǔn)光學(xué)通視”，所以在丘陵和山區(qū)實(shí)施RTK作業(yè)很不便利。其它限制：測量過程中，需要不斷設(shè)置和更換參考站。CORS系統(tǒng)：連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)可