GPS测量的原理与方法.PPT

§8.1 GPS概述 73年12月，美国国防部组织 开始研制新一代军用卫星导航系统——GPS， 89年2月14日发射第一颗GPS卫星， 94年3月28日发射完第24颗卫星， 目前在轨卫星数超过32颗。 均匀分布在6个与赤道倾角为55°的近似圆形轨道上， 每个轨道4颗卫星运行，距地表平均高度20200km， 速度为3800m/s，运行周期为11h58min。 每颗卫星覆盖全球38％的面积， 保证在地球上任何地点、任何时刻、高度15°以上天空 能同时观测到4颗以上卫星。 §8.2 GPS的组成 工作卫星、地面监控系统、用户设备。 §8.2.1 地面监控系统 卫星广播星历包含描述卫星运动及其轨道的参数， 每颗卫星广播星历由地面监控系统提供。 地面监控系统——1个主控站、3个注入站和5个监测站。 (1) 监测站 在主控站控制下的数据自动采集中心， 设有双频GPS接收机、高精度原子钟、气象参数测试仪 计算机等设备。 完成对GPS卫星信号的连续观测，搜集当地气象数据， 观测数据经计算机处理后传送到主控站。 (2) 主控站 协调和管理所有地面监控系统工作。 ① 根据观测数据，推算编制各卫星星历、卫星钟差 大气层修正参数，数据传送到注入站。 ② 提供时间基准。各监测站和GPS卫星原子钟应与 主控站原子钟同步，或测量出其间钟差， 将钟差信息编入导航电文，送到注入站。 ③ 调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行。 ④ 启动备用卫星，以代替失效的工作卫星。 (3) 注入站 在主控站控制下， 将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文 其它控制指令注入卫星存储器 监测注入信息的正确性。 除主控站外，整个地面监控系统无人值守。 §8.2.2 用户设备 GPS接收机和相应的数据处理软件。 GPS接收机包括接收天线、主机、电源。 GPS接收机任务 捕获卫星信号，跟踪并锁定卫星信号， 对接收到的信号进行处理， 测量出测距信号从卫星传播到接收机天线的时间间隔， 译出卫星广播的导航电文， 实时计算接收机天线的三维坐标、速度和时间。 用途——导航型、测地型和授时型； 载波频率——单频接收机(用1个载波频率) 双频接收机(用2个载波频率)。 §8.3 GPS定位的基本原理 根据测距原理，GPS定位方式分为 伪距定位、载波相位测量定位、GPS差分定位。 根据待定点位的运动状态分为：静态定位和动态定位。 §8.3.1 卫星信号 载波、测距码(C/A码和P码)、数据码(导航电文或称D码)， 在同一个原子钟频率f0=10.23MHz下产生。 (1) 载波信号 载波信号频率用无线电波段的两种不同频率电磁波。 L1载波：f1=154×f0=1575.42MHz，λ1=19.03cm L2载波：f2=120×f0=1227.60MHz，λ2=24.42cm 载波L1上调制有C/A码、P码和数据码， 载波L2上只调制有P码和数据码。 测距码由0，1组成的二进制编码。 一位二进制数——比特(bit)， 每秒钟传输比特数称为数码率。 卫星的两种测距码C/A码和P码属于伪随机码， 具有良好的自相关特性和周期性，容易复制。 测距码测距原理 卫星时钟控制发射某一结构测距码， 经Δt时间传播后到达GPS接收机； GPS接收机产生结构相同的测距码——复制码 复制码延迟时间τ后与接收的卫星测距码比较， 调整延迟时间τ使两个测距码完全对齐 复制码延迟时间τ=Δt。 C/A码码元宽度对应的距离值293.1m， 卫星与接收机测距码对齐精度1/100，测距精度2.9m； P码码元宽度对应距离29.3m， 卫星与接收机测距码对齐精度1/100，测距精度0.29m。 P码测距精度高于C/A码10倍， C/A码为粗码，P码为精码。 P码受美国军方控制，一般用户只能用C/A码测距。 (2) 数据码 导航电文，也称为D码， 包含了卫星星历、卫星工作状态、时间系统、 卫星时钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正 由C/A码捕获P码的信息。 导航电文是二进制码， 依规定的格式按帧发射， 每帧电文的长度为1500bit，播送速率为50bit/s。 §8.3.2 伪距定位 单点定位和多点定位。 单点定位——GPS接收机安置在测点上 锁定4颗以上的卫星， 将接收到的卫星测距码与接收机产生的复制码对齐 测量与锁定卫星测距码到接收机的传播时间Δti 求出卫星至接收机的伪距， 从锁定卫星广播星历获取卫星的空间坐标， 用距离交会原理解算出天线所在点的三维坐标。 伪距观测方程有4个未知数，锁定4颗卫星时方程有唯一解 伪距观测方程没有考虑大气电离层和对流层折射误差、 星历误差影响，单点定位精度不高。 C/A码定位的精度为25m，P码定位的精度为10m。 多点定位——多台GPS接收机(2~3台)安置在不同测点上， 同