GPS控制测量及其精读剖析.docx

1 GPS 简介 1.1 GPS的定义 GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称。1973年12月，美国国防部批准陆海空三军联合研制一种新的军用卫星导航系统，我们称之为GPS系统。??? GPS最开始出现时出现在美国军方的项目，在那个战乱的时代是为三大军事领域提供一个全面覆盖的导航领域，同时也提供着全方位、全天候的数据，被用于军事数据资料的收集等一些军事目的。该系统是一种以卫星为基础的无线电导航定位系统，能为世界各地，包括空中、陆地、海洋用户，进行全球领域、全天候的导航，为所有用户提供具有很高精密度的三维坐标、三维数据、速度和时间。 1.2　GPS的系统组成 GPS系统是有三部分组成，它们分别是GPS卫星星座、地面监控系统和GPS信号接收机。GPS工作卫星在轨道的重量是846.38kg,设计寿命为七年半。GPS卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星总共24颗卫星组成的，这24颗卫星均匀的分布在6个轨道平面上，其平均高度约为20000km。[11]这样就保证了在全球的地面上任何时间、任何地点，都可以同时观测到至少4颗卫星，最多可达到11颗卫星，保证了GPS定位的精度和和其可靠性。在GPS系统之中，卫星就相当于一个在不断进行位移的点，从卫星发射的星历被接收机接手之后，通过推算得到了卫星的运动轨道及其轨道的参数。 地面监控系统由主控站、注入站和监测站三部分组成.这三部分的共同作用就是把GPS卫星星历经过推理算出并将其发射到GPS上面，去监测GPS卫星的“健康”状态，保持各颗卫星处于同一GPS时间系统，另一重要的作用就是保持各颗卫星处于同一时间标准—GPS时间系统。[2]这一个过程就需要地面站监测各颗卫星所得到的时间，通过相关公式计算出钟差，再通过地面控制部分注入站发射到卫星上，接着用户接收机可以接收到卫星发射的导航电文。 1.3 GPS 测量的特点 （1）定位精度高，GPS相对定位精度在50km以为可以达到10-6,100-500km可以达到10-7，精度比较高。 （2）观测时间短，动态的GPS定位需要的大约几秒的时间，而静态相对定位每站仅需20min 左右。 （3）两个测站之间只需要保持测站的视野开阔，二者之间并不需要通视，。在实际测量中可以根据具体的需求确定GPS点位的选择，稀疏方面也没有硬性的要求，使得选点工作更加灵活方便 （4）观测人员只需进行仪器的对中、整平、在测量前后两次量取天线的高度。设定仪器的内置参数后，接收机就会在自动化的作用下，自行进行观测并且记录数据，操作变得简便，更快捷方便。 （5）GPS观测可以在全天候任何时间进行，不因气候的影响而对观测造成干扰，产生不必要的误差。 2 GPS定位原理 2.1　GPS的基本定位原理 在测量学当中有过测距交会确定点位的方法，而跟其相似的是，GPS定位系统其定位原理也是利用测距交汇的原理进行点位的确定的，它的基本定位原理是：卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息用户接收到这些信息后经过计算求出接收机的三维位置三维方向以及运动速度和时间信息。[3] 2.2　GPS定位的基本观测量 GPS定位系统由三部分组成，：GPS卫星星座空间部分、地面控制部分和用户接收机部分。三者有各自独立的功能和作用，但在整个GPS系统只，又是彼此共存的，在相互配合的作用下进行GPS的定位。GPS定位的基本观测量有：码相位伪距观测值、载波相位观测值和积分多普勒观测值。[4]下面简单介绍一下载波相位观测值。 2.2.1　波相位观测值 在码相关型接收机中，当GPS接收机锁定卫星载波相位，就可以得到从卫星传到接收机经过延时的载波信号。GPS接收机所接受的卫星载波信号与接收机本振参考信号相位差就是载波相位观测量观测值。[5]若接收机内振荡器频率初相位与卫星发射载波初相位完全相同，以φlj(tk)表示接收机tk时所接受的j卫星载波信号的相位值，以φk (tk)表示时刻tk时本地参考信号的相位值，则此时此刻的相位观测量为： Φlj (tk) = φk (tk) - φlj(tk) （2-2） 将卫星到接收机间的相位差分为N0 个整周相位和不到一个整周相位之和，即: （2-3） 卫星到接收机距离为: （2-4） 式中: λ为波长。 鉴相器无法测出整个的相位值，只能测出不足一个的整周相位值。所以，在载波相位的测量中就出现了这样一个整周未知数，通常称为郑州模糊度，可以通过其他的方式来求得。除此之外，在跟踪卫星的过程中，卫星信号因被障碍物阻挡而暂时中断，因无线电信号的干扰造成了信号