全球定位系统(GPS)详解.doc

全球定位系统 ＜GPS ）详解 全球定位系统 ＜Global Positioning System - GPS ）是美国从本世纪70 年代开始研制 ,历 时 20 年,耗资 200 亿美元 ,于 1994 年全面建成 ,具有在海、陆、空进行全 方位实时三维导航 与定位能力地新一代卫星导航与定位系统 . 经近 10 年我国测绘等部门地使用 表明 ,GPS 以全 天候、高精度、 自动化、高效益等显著特点 , 赢得广大测绘工作者地信赖 , 并成 功地应用 于大地测量、项目测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、项目 变形监 测、资源勘察、地球动力学等多种学科 , 从而给测绘领域带来一场深刻地技术革命 . 全球 定位系统（Global Positioning System, 缩写GPS是美国第二代卫星导航系统 .是在子 午仪卫星导航系统地基础上发展起来地 , 它采纳了子午仪系统地成功经验 . 和子午仪系统一 样 , 全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成 . 按目前地方案 , 全球定位系统地空间部分使用 24颗高度约2.02万千M地卫星组成卫星星座.21+3颗卫星均为近圆形轨道 ，运 行周期约为 11 小时 58 分,分布在六个轨道面上 ＜每轨道面四 颗）,轨道倾角为 55 度. 卫星地分 布使得在全球地任何地方 , 任何时间都可观测到四颗以上 地卫星 , 并能保持良好定位解算精度地 几何图形vDOP .这就提供了在时间上连续地全球 导航能力.地面监控部分包括四个监控间、一个上行注入站和一个主控站 .监控站设有 GPS用户接收机、原子钟、收集当地气象数据地传感器和进行数据初步处理地计算机 . 监控站地主要任 务是取得卫星观测数据并将这些数据传送至 主控站 . 主控站设在范登堡空军基地 . 它对地面 监控部实行全面控制 . 主控站主要任务是收集各 监控站对GPS卫星地全部观测数据，利用这些数据计算每颗 GPS卫星地轨道和卫星钟改正值.上 行注入站也设在范登堡空军基地 . 它地任务主要是在每颗卫星运行至上空时把这类导航数据及主 控站地指令注入到卫星 .这种注入 对每颗GPS 卫星每天进行一次，并在卫星离开注入站作用范围 之前进行最后地注入 . 全球定位系统具有性能好、精度高、应用广地特点 , 是迄今最好地导航定位系统 . 随着全球 定位系统地不断改进 , 硬、软件地不断完善 , 应用领域正在不断地开拓 , 目前 已遍及国民 经济各种部门 , 并开始逐步深入人们地日常生活 .2.GPS如何定位 GPS接收机可接收到可用于授时地准确至纳秒级地时间信息；用于预报未来几个月内卫 星所处概略位置地预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标地广播星历 , 精度为几M至几十M＜各个卫星不同，随时变化）；以及 GPS系统信息，如卫星状况等. GPS接收机 对码地量测就可得到卫星到接收机地距离 , 因为含有接收机卫星钟地误差及 大气传播误差 , 故称 为伪距.对0A码测得地伪距称为 UA码伪距，精度约为20M左右,对P码测得地伪距称为 P码伪距, 精度约为2M左右. GPS接收机对收到地卫星信号 ，进行解码或采用其它技术 ，将调制在载波上地信息去掉 后, 就可以恢复载波 . 严格而言 , 载波相位应被称为载波拍频相位 , 它是收到地受多 普勒 频 移影响地卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差 . 一般在接收机钟确定地历元时刻量测 , 保持对卫星信号地跟踪 , 就可记录下相位地变化值 , 但开始观测时地接收 机和 卫星振荡器地相位初值是不知道地 , 起始历元地相位整数也是不知道地 , 即整周模糊 度, 只能在 数据处理中作为参数解算 .相位观测值地精度高至毫 M,但前提是解岀整周模糊 度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值 ，而要达到优于 M级地定位精度也只能采用相位观测值 . 按定位方式 ,GPS 定位分为单点定位和相对定位 ＜差分定位） . 单点定位就是根据一台 接收机地观测数据来确定接收机位置地方式 , 它只能采用伪距观测量 , 可用于车船等 地概略 导航定位 . 相对定位 ＜差分定位）是根据两台以上接收机地观测数据来确定观测点之间地 相 对位置地方法 , 它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量 , 大地测量或项目测量均应采用相位观测值进行相对定位 . 在GPS观测量中包含了卫星和接收机地钟差、大气传播延迟、多 路径效应等误差 , 在定 位计算时还要受到卫星广播星历误差地影响 , 在进行相对定位时大部分公 共误差被抵消或削 弱, 因此定位精度将大大提高 , 双频接收机可以根据两个频率地观测量抵消大 气中电离层误 差地主要部分 , 在精度要求高 , 接收机间距离较远时 ＜大气有明显差别） , 应选用双 频接收 机. 在定位观测时 , 若接收机相对于地球表面运动 , 则称为动态定位 , 如用于车船等概 略导航定位地精度为 30 一 100M地伪距单点定位，或用于城市车辆导航定位地 M级精度地伪距差分定位，或用于测量放样等地厘 M级地相位差分定位＜RTK ,实时差分定位需要数据链 将两个或多个站地观测数据实时传输到一起计算 . 在定位观测时 , 若接收机相对于地球表 面静止 , 则 称为静态定位 , 在进行控制网观测时 , 一般均采用这种 方式由几台接收机同时 观测 , 它能最太限 度地发挥GPS地定位精度，专用于 这种目地地接收机被称为大地型接 收机，是接收机中性能最好地一类.目前,GPS已经能够达到地壳形变观测地精度要求 ，IGS地常年观测台站已 经能构成毫 M 级地全球坐标框架 .3.GPS系统如何组成 GPS系统包括三大部分：空间部分一 GPS卫星星座；地面控制部分一地面监控系统；用户设部分一 GPS信号接收机.GPS卫星星座；GPS工作卫星及其星座 由21颗工作 卫星和3颗在轨备用卫星组成 GPS卫星星座，记作＜21+3） GPS星座.24 颗卫星均匀分布在 6个轨道平面内 ,轨道倾角为 55度,各个轨道平面之间相距 60度, 即轨道地升交点赤经各相差 60度. 每个轨道平面内各颗卫星之间地升交角距相差 90 度, 一轨道平面上地卫星比西边相邻轨道平面 上地相应卫星超前 30度.在两万公里高空地 GPS卫星，当地球对恒星来说自转一周时 ，它们绕地球运行二周 , 即绕地球一周地时间为 12 恒星时 . 这样,对于地面观测者来说 , 每天将提前 4 分钟 见到同一颗 GPS卫星.位于地平线以上地卫星颗数随着时间和地点地不同而不同 ，最少可见到 4颗，最多可 见到11颗.在用GPS言号导航定位时，为了结算测站地三维坐标 ，必须观测4颗GPS 卫星 , 称为定位星座 . 这 4 颗卫星在观测过程中地几何位置分布对定位精度有一定地影响 . 对于某地 某时 , 甚至不能测得精确地点位坐标 , 这种时间段叫做“间隙段” . 但这种 时间间隙段是很短 暂地 , 并不影响全球绝大多数地方地全天候、高精度、连续实时牡己蕉ㄎ徊饬俊 ?GPS 工作卫星地编号和实验卫星基本相同 . 地面监控系统：对于导航定位来说 ,GPS 卫星是一动态已知点 . 星地 位置是依据卫星发射地星历一描述卫星 运动及其轨道地地参数算得地.每颗GPS卫星所播发地星历 , 是由地面监控系统提供地 . 卫星上地各种设备是否正常 工作 , 以及卫星是否一直沿着预定 轨道运行 , 都要由地面设备进行监测和控制 . 地面监控系统 另一重要作用是保持各颗卫星处于同 一时间标准一GPS时间系统.这就需要地面站监测 各颗卫星地时间，求岀钟差.然后由地面注入站发给卫星 ,卫星再由导航电文发给用户设备 . GPS 工作卫星地地面监控系统包括一个主控站、 三个注入站和五个监测站 .GPS 信号接收机： GPS 信号接收机地任务是：能够捕获到按一定卫 星高度截止角所选择地待测卫星地信号 ,并跟踪这些卫星地运行，对所接收到地 GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量岀GPS言号从卫星 到接收机天线地传播时间，解译岀GPS卫星所发送 地导航电文 , 实时地计算岀测站地三维位置 , 位置 , 甚至三维速度和时间 . 静态定位中 ,GPS 接收 机在捕获和跟踪 GPS卫星地过程中固定不变，接收机高精度 地测量 GPS信号地传播时间，利用 GPS卫星在轨地已知位置，解算岀接收机天线所在位置地 三维坐标.而动态定位则是用 GPS接收机测定一个运动物体地运行轨迹 .GPS 信号接收机 所位于地运动物体叫做载体 ＜如航行中地船舰 , 空中地飞机，行走地车辆等）.载体上地GPS接收机天线在跟踪 GPS卫星地过程中相对地球而运 动,接收机用 GPS信号实时地 测得运动载体地状态参数 ＜瞬间三维位置和三维速度） .接收机硬件和机内软件以及 GPS数据地后处理软件包，构成完整地 GPS用户设备.GPS接收机地结构 分为 天线单元和接收单元两大部分 . 对于测地型接收机来说 , 两个单元一般分成 两个独立地部件 , 观 测时将天线单元安置在测站上 , 接收单元置于测站附近地适当地方 , 用电缆线将两者连接成一个 整机 . 也有地将天线单元和接收单元制作成一个整体 , 观测时将其安置在测站点上 .GPS 接收机一 般用蓄电池做电源 . 同时采用机内机外两种直流电源 . 设置机内电池地目地 在 于更换外电池时 不中断连续观测.在用机外电池地过程中，机内电池自动充电.关机后，机内电池为RAM存储器供 电,以防止丢失数据.近几年，国内引进了许多种类型地 GPS测地型接收机.各种类型地 GPS测地型接收机用于精密相对定位时，其双频接收机精度可达 5mm+1PPM.D单频接收机在一定距离内精度可达10mm+2PPM.D用于差分定位其精度可达亚 M级至厘 M级.目前,各种类型地 GPS接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测.GPS和GLONASS兼容地全球导航定位系统接收机 已经问世 .4.GPS 接收机如何分类 GPS 卫星发送地导航定位信号 , 是一种可供无数用户共享地信息资源.对于陆地、 海洋和空间地广大用户，只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量 GPS信号地接收设备，即GPS信号接收机.可以在任何时候用 GPS信号进行导航定位测量.根据使用目地地不同，用户要求地 GPS信号接收机也各有差异.目前世界上已有几十家工厂生产 GPS接收机,产品也有几百种 . 这些产品可以按照原理、用途、功能等来分类 . 按接收机地用途分类 导航型接 收机 此类型接收机主要用于运动载体地导航 , 它可以实时给出载体地位置和速 度 . 这类接收机 一般采用C/A码伪距测量，单点实时定位精度较低，一般为士 25mm有SA影响时为士 100mm.这类 接收机价格便宜 , 应用广泛 . 根据应用领域地不同 , 此类接收机还可以进一步分为： 车载型—— 用于车辆导航定位； 航海型——用于船舶导航定位； 航空型——用于飞机导航定位 . 因为飞机 运行速度快 , 因此 , 在航空上用地接收机 要求能适应高速运动 . 星载型——用于卫星地导航定位 . 因为卫星地速度高达 7km/s 以上 , 因此对接收机地要求更高 测地型接收机 测地型接收机主要用于精密大地测量和精密项目测量 . 定位精度高 . 仪器结构复杂 , 价格较 贵 . 授时型接收机 这 类接收机主要利用 GPS卫星提供地高精度时间标准进行授时 ，常用于天文台及无线电通讯中时间同步 .按接收机地载波频率分类 单频接收机 单频接收机只能接收 L1 载波信号 , 测定载波相位 观测值进行定位.因为不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线 <<15km）地精密定位 . 双频接收机 双频接收机可以同时接收 L1,L2 载波信号 . 利用双频对电离层延迟地不一 样, 可以消。