全球定位系统(GPS)定位原理简介.docx

第14章??全球定位系统(GPS)定位原理简介 本章提要 本章对测绘新技术全球定位系统(GPS)的原理作简要介绍。主要内容包含GPS的基本概念及优点，GPS的组成及卫星定位的基本原理，GPS接收机及其工作原理，以及GPS测量方法。 §14.1??概述  HYPERLINK /specls/cls/B0506A/relating/wenzi/cankaoshumu/cankaoshumu14.files/image001.gif  全球定位系统(GPS)是“授时、测距导航系统／全球定位系统(Navigation systerm Timing and Ranging／Global Positioning System)的简称。该系统是由美国国防部于1973年组织研制，主要为军事导航与定位服务的系统。历经20年，耗资300亿美元，于1993年建设成功。GPS是利用卫星发射的无线电信号进行导航定位，具有全球性、全天候、高精度、快速实时三维导航、定位、测速和授时功能，以及良好的必威体育官网网址性和抗干扰性。它已成为美国导航技术现代化的重要标志，被称为本世纪继阿波罗登月、航天飞机之后又一重大航天技术。 GPS导航定位系统不但可以用于军事上各种兵种和武器的导航定位，而且在民用上也发挥重大作用。如智能交通系统中车辆导航、车辆管理和救援；民用飞机和船只导航及姿态测量；大气参数测试；电力和通讯系统中的时间控制；地震和地球板块运动监测；地球动力学研究等。特别是在大地测量、城市和矿山控制测量、建筑物变形测量、水下地形测量等方面得到广泛的应用。 GPS于1986年开始引入我国测绘界，由于它比常规测量方法具有定位速度快、成本低、不受天气影响、点间无需通视、不建标等优越性，且具有仪器轻巧、操作方便等优点，目前已在测绘行业中广泛使用。卫星定位技术的引入已引起了测绘技术的一场革命，从而使测绘领域步入一个崭新的时代。 (点击图片放大) 图14-1 GPS卫星定位原理 GPS定位是利用空间测距交会定点原理。如图14—1所示，地面有三个无线电信号发射台，其坐标、、已知。当用户接收机在某一时刻同时测定了接收机天线至三个发射台的距离、、，只需以三个发射台为球心，以所测距离为半径，即可交出用户接收机天线的空间位置。 其数学模型为： ???? ??????????(14-1) ????式中：、、—待测点三维坐标。 GPS卫??定位是将三个无线电信号发射台放到卫星上。所以需要知道某时刻卫星的空间位置，并同时测定该时刻卫星至接收机天线间的距离，即可定位。这里卫星空间位置是由卫星发射的导航电文给出。而卫星至接收机天线距离是通过接收卫星测距信号并与接收机内时钟进行相关处理求定。由于一般卫星接收机是采用石英晶体振荡器，精度低。加之卫星从2万公里高空向地面传输，空中经过电离层、对流层，会产生时延。所以接收机测的距离含有误差。通常将此距离称为伪距，用表示。 ????????? ????????????(14-2) 式中：—电离层延迟改正； —对流层延迟改正； —卫星钟差改正； —接收机钟差改正。 这些误差中、可以用模型修正。可用卫星星历文件中提供的卫星钟修正参数修正。由式(14-2)、图14-1中可见，有四个未知数、、、，所以GPS三维定位至少需要四颗卫星，建立四个方程式才能解算。当地面高程已知时也可用三颗卫星定位。 卫星向地面发射的含有卫星空间位置的导航电文是由GPS卫星地面监控站测定，并由地面注入站天线送入GPS卫星。 §14.2??全球定位系统(GPS)的组成 全球定位系统(GPS)主要由空间卫星部分(GPS卫星星座)、地面监控部分和用户设备三部分组成，见图14-2。 (点击图片放大) 图14-2全球定位系统构成 14.2.1??空间星座部分 ??? (1)GPS卫星星座 ?(点击图片放大) 图14—3? GPS卫星 如图14—3a，GPS卫星星座由24颗卫星组成。其中2l颗工作卫星，3颗备用卫星。工作卫星分布在6个近圆形的轨道面内，每个轨道上有4颗卫星。卫星轨道面相对地球赤道面倾角为55°。各轨道面升交点赤径相差60°。轨道平均高度为20200km。卫星运行周期为11小时58分。卫星同时在地平线以上至少有4颗，最多可达11颗。这样的布设方案将保证在世界任何地方、任何时间，都可进行实时三维定位。 GPS卫星星座基本参数见表14—1。 GPS卫星星座基本参数????????????表14-1 内容GPS卫星数(颗)21+3轨道数(个)6倾角55°轨道平面升交点赤径间距60°运行周期11h58min卫星轨道高度20200km覆盖面38%载波频率1572MHz,波长19.05cm 1227MHz,波长24.45cm?? (2)GPS卫星及功