GPS控制网的优化设计论文 翻译Word格式文档下载.docx
《GPS控制网的优化设计论文 翻译Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《GPS控制网的优化设计论文 翻译Word格式文档下载.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
播发的信号中也包含一个精密侧时的码元，GPS接收机可以通过此码元测定信号到达接收机的时间。
GPS接收机内置的微处理器可通过时延和卫星的位置计算出自身到每个可见卫星的距离，然后运用这些信息通过三角测量的方法测定距离。
精度
三角测量是一种用于确定地球上一点的三维空间信息的数学方法。
如果已知道到三个卫星的的距离和自身的大概位置，GPS接收机就可以计算出它的平面位置，如果可以获得4颗卫星的相关信息，其高程也可测定。
测量所获得的精度一般取决于以下五种因素：
1）合理的安置
2）GPS接收机所采用的技术级别
3）可观测卫星的数量和位置
4）SA（选择可用性）政策所产生的误差，大气条件，对流层延迟，以及多路径效应一一信号在所测区域物体表面的发射。
5）差分改正
安置
GPS天线应安置在拖拉机或者卡车的组合位置中心，并且要高于机械任何一个阻碍天线观测卫星位置的上面。
如果操纵仪已经对中，并且其顶部高于机械的其他部分，仪器安置在顶部是最好的选择。
然而，在一个陡峭的斜坡上，高位置的安置将因水平位置的偏移而导致位置计算出现错误。
GPS接收机和DGPS接收机天线类型不一样，但是配置一个组合天线以便他们在同一个位置对中。
在农业应用中，比如说产量监测喷雾和施肥等，常常会发生几秒钟的延迟。
例如：
如果一个喷雾装置运动速度为10英里/每秒，其上的天线安置在喷杆前30英尺，控制器的频率变化将在两秒钟后发生，那么当喷杆到达天线位置，也就是变化开始的地方时，频率变化将会发生，而在同一位置，以地面上的任何速度运动，作为控制器其频率变化都不会发生，时间调整必须高效地计入系统以补偿反馈和生产方面应用的时间延迟。
电子风暴、电源线、双向无线电波、收音机转换器、电机、微波塔、对讲机、车载电器如交流发电机、火花点火引擎中的点火系统以及其他干扰源都会引起电子干扰。
改变天线的位置或者增加噪声抑制可以减少来自点火系统和交流发电机的干扰，按照说明安置GPS装置，以确保装置间的紧密连接。
技术
廉价的接收机一次只能从一个卫星接收信号。
而且相比于能同时接收4种信号的接收机，它需要更多的时间来测定位置。
通常来讲，在任何一个历元下，可同时见到7到10颗卫星，再加上配置精良的接收机将会得到最准确的定位。
卫星星座
重捕获时间是指在一个短期卫星失锁后重新获得固定解所花费的时间，发生此现象的原因有很多，如周围存在大树及建筑群、卫星处于可视范围之外等等。
重捕获时间对于大多数农业应用中都是十分重要的，特别是在飞机汽车的导航应用中，新的GPS接收机技术已经缩短了重捕获时间，他们可同时跟踪8-12颗卫星的接收机，所以更不易失锁。
使用三角测量的方法计算位置、距离的微小误差就能引起定位的较大误差。
当卫星排列比较紧密时，通过三角测量计算位置的误差将会增大，当接收机可以接收到分布面较为广阔的卫星的信号时就可以获得很高的精度。
选择可用性以及其他误差（图一）
为防止敌方使用GPS卫星信号定位，美国国防部有效的干扰卫星信号，使得定位精度下降到100米。
我们把这种干扰称为“选择可用性”（SA）.然而，对流层大气层及电离层的条件也会导致距离计算中的扭曲和误差。
由于这些环境条件引起的误差是不易也是不可靠预测到得，因此，即使没有SA政策，高精度的定位中仍需要差分定位。
多路径效应：
这种现象能产生信号干扰，这是由于信号在到达天线之前被周围物体反射引起（图2）。
多路径效应不能由差分改正消除。
.
差分改正
基准站GPS接收机用于计算由于SA政策、大气条件变化及其因素引起的总误差。
其概念是简明的，一个基准值接收机总是有一个位置已知的点位，由于卫星和接收机的位置是已知的，所以实际的距离就是已知的。
GPS接收机通过广播信号计算出的距离成为伪距。
通常情况下由于很多误差源的存在，伪距（距离观测值）是带有误差的伪距与真实距离之间的差值就是距离测量误差。
有时候，差分改正数据可以滞后获得和使用这种过程称为后处理差分改正。
不过，最常见的渠道是连接一个差分接收机和GPS接收机以提供实时差分改正（图4）。
许多组合接收机包含GPS接收机和差分改正接收机，这些接收机组合，称为差分改正GPS（DGPS）接收机。
差分改正信号可以从海岸警卫队和军队机构获取，并且通过付费的商业渠道得到的来自卫星或者地基塔的信号。
如果这些信号源不可获得或者用于特殊的任务，可以安置一个专用的差分改正源提供相关信息。
一些新式的DGPS接收机具有同时接收来自海岸警卫队和卫星服务机构的差分信号。
参照表1比较海岸警卫队和卫星差分改正来源的特点。
海岸警卫队。
海岸警卫队信号的广播频率范围是285---325KHZ.（正好低于常见的调幅广播信号频率），在这个频率带内无线电波像地面电波一样传播，并且不会限制于像调频广播站那样只接收“可视”信号。
这种信号时类似于GPS卫星信号的一系列脉冲，它比调幅无线电信号抵抗电子干扰和电子噪声的能力强。
密苏里可以免费从海岸警卫队信号塔获取差分改正信号，这些信号塔邻近圣路易斯（@322KHz），堪萨斯市（@305KHz），塔尔萨（@299KHz），岩岛（@311KHz），孟菲斯（@310KHz）和奥马哈（@298KHz）。
海岸警卫队信号塔在天气状况好的情况下控制范围大概为150英里，测量精度随距离的增加而降低，十分希望这种服务能成为许多农业用户的选择，特别是在密苏里，在这里就可以获得不同类别的信号。
海岸警卫差分信号的一个缺点是它的信号塔发送或者重复的频率低，大部分的海岸警卫站一秒钟的播发频率为200比特。
按这种播发速率，卫星差分改正的数据重复周期为4秒，对于一些应用，像导航类应用，如果以这种更新速率是不能被接受的，对于导航应用，每秒中需要更新2到10次。
星基差分改正信号
典型的海岸警卫队信号接收机有两个通道，一个通道接收差分改正信息，另一个搜寻做好的的输入信号。
如果两个信号塔在测量范围内，这将有助于确保DGPS信号的丢失。
对于用户来说，最简单形式的差分信号来自于一个测量基准卫星像OmnistarAccqpoint和Racal公司都提供这种服务。
一般用户的年使用费用为500到800美元，这种改正信号从美国各个地方都可获得高精度高质量的接收机的测量精度。
其精度达到了1-3米（标准差）,这可以参考第五页表格中的所列精度。
星基信号也许有利于在树木建筑物周围作业，这是由于卫星几乎高于所有其他地面点，并且在DGPS接收机的可视范围内。
地基差分改正信号
一些可获得的商业地基改正信号服务也是需要付费的，一些公司装配他们自己的发射装置来播发改正信号。
这些公司有SatLoc,MobileDataandCSI.
私有GPS接收机和无线电发射器
一些服务商吧改正信息加载到调频广播站的发射器上。
这些次级传载者有精确位置交流器,数字版权唯一标识器等等。
对于不在海岸警卫队或者商业差分改正信号覆盖范围内的GPS使用者来说，他们可以安置一个基准站接收机和发射器来提供自己的差分改正资源，自从西部地区拥有其他可供选折后，密苏里很少有用户选择购买和安置他们自己的固定GPS接收机和发射器。
成本VS准确度
GPS测量所达到的精度部分取决于你想花费的多少，费用大致为100美元到100000美元。
一个低成本（从100美元到500美元）的不具有DGPS功能的GPS接收机，足够应用于一些作物侦查、公路导航或者定位湖泊上你喜欢的钓鱼点，其定位精度为50码。
对于花费在3000美元到5000美元的DGPS接收机适用于大部分的农业应用，其测量精度至少为3米（均方差），一般情况下为1米（均方差），这种精度足够满足监测和网格土壤取样的需要。
如果你需要一个GPS接收机导航（喷洒农药、施肥等）成本可能达到25000美元，这样的系统提供的精度达到几英寸。
由于喷洒农药和施肥器运动速度可能很快，低质量的GPS设备位置更新的速度不足以适应导航和控制管理。
而现在高更新率、英寸级别甚至更小的高精度GPS系统的价格变得越来越低。
一些差分改正服务的年定费用随着服务水平的不同而不同。
有些供应商提供三个层次的服务。
最高层次可以提供精度优于1米的优质服务；
中间层次可以提供精度为5米的服务；
基本服务提供的精度在10米范围内。
根据所提供服务的层次，一般对应的年费用大致为600美元、250美元、75美元。
坐标系统
某些坐标系统用于绘制地图，它们也可能造成不同软件系统之间的兼容性问题。
用户常常需要把点的位置数据转换到一个平面（平面）坐标系统中或者与另一套数据融合来绘制GPS成果地图或者进一步的运算以获得该地区的相关参数、距离和方向。
（平面坐标系的计算工作常常比大地坐标容易）。
当使用来自不同渠道的数据和地图时，坐标必须基于同一基准。
由于使用不同的参考框架，使得坐标系统之间存在差异。
椭球参数和数据的调整是重要的（有时可达几百米）并且不容忽视。
由知名商---地理信息系统经销商编制的一些可用的商业软件程序没有正确的对待坐标系之间的转换。
国家大地测量机构以标准的价格提供软件服务，用于计算基准转换。
在数字化成图之前，需要把旧版本的地面上的边界坐标转换成预设的基准坐标（大可能是WGS-84坐标）。
GPS接收机常常可以以不同的格式传输位置信息。
最常见的格式为经/伟（经度/纬度）。
经/伟坐标的记录单位形式为度、分、秒。
每秒纬度对应的距离长为30米。
GPS接收机可以以度和精确到小数点后四位的形式显示经纬度（取代分、秒的形式）。
大部分的地理信息系统软件可以处理不同格式的数据。
并可以自动的把经/伟坐标转换成UTM（通用横轴墨卡托投影或者SPC（国家
UTM（通用横轴墨卡托投影和SPC（国家平面坐标系统）系统将地球表面部分曲面投影到一个平面地图上，并以米和英尺级的精度得出某位置基于参考点真实距离。
因此坐标转换没有必要计算和面积。
来自于一些GPS供应商的商业型软件可以通过GPS数据计算得到相应的UTM（通用横轴墨卡托投影和SPC（国家平面坐标系统）坐标。
这些坐标通常是基于WGS一84基准。
属于NAD一83体系。
如果这些数据必须转换成NAD-27体系。
我们最好先作NAD-83体系NAD-27体系之间的大地坐标转换，然后再转换成相应的平面坐标。
通用横轴墨卡托投影
通用横轴墨卡托投影坐标系统是一个世界坐标系。
1947年，最初由美国军队采用，而后在许多国家广泛用于民用测图。
UTM坐标系是一个全世界连续的的系统，世界被分成了60个相应区域，每个区域带横跨6个经度、南北纬延伸到84度。
总结
在二十世纪三十年代，美国海岸和大地测量局为其国土内的48个州建立了一个平面坐标系统。
设立在每个州的一到五投影带使用兰勃脱正形投影和横轴墨卡托投影。
为适应美国各州的测量工作和保持区域的扭曲变形小于千分之一，选择具体的投影和投影带的大小。
总的来说，全球定位系统和GPS接收机为测定地球上的任意位置提供方法。
这个系统由美国国防部开发并且可应用于多种目的。
GPS已经使精细农业称为了现实。
一个典型的应用于农业的配置设施包括一个GPS接收机和相应的天线，一个差分改正接收机和相应的天线，还有相应的电缆接口，通过此接口可以把来自于接收机差分改正GPS数据传输到其他的像农作物监测或者可变频率控制器的仪器中。
如果我们安置和操纵正确，GPS可以提供精确的位置数据，但在恶劣条件下会产生错误的读数。
使用类似的统计措施，比较各种接收机的性能特点。
如果有的话，也会有很少的接收机提供在估计时间百分百下提供下提供精确的位置。
即使没有像选择可用性政策那样的干扰信号的措施存在，差分改正接收机是有必要描述其他的误差源来提供精准信息，以满足精细农业的需要。
全球定位系统的精度单位
全球定位系统的精度单位的表示形式有许多种，使用起来并不统一和具体。
大多数GPS精度统计定义都假定测定位置误差是随机的而且服从正太分布。
一种描述精度大小的数学方法是误差椭圆。
这个术语用于描述平面位置误差的大小。
一米大小的误差椭圆意味着位置精度估计百分之五十的在一米的范围内。
百分之五十在其他一米以外的任何位置。
两个常用的描述精度的术语是均方差（有时也称作西格玛和方差（西格玛的平方）。
均方差代表着均方根，大致等于标准差。
如果计算的位置对于真正的位置来说服从标准正态分布，那么百分之68的位置是在一个标准偏差的范围之内，百分之95将在两个标准差的范围之内。
当比较GPS精度单位大小的时候要注意单位的具体与统一。
（可以同时是均方差，可以是标准差，也可以是方差）。
安置在任何位置接收机的固定能力---在没有给出大致位置和时间的情况下，接收机所具有的开始定位的能力。
术语汇总
带宽-----信号的频率范围。
伪码----标准的（粗捕获吗）GPS码。
一个二进制伪随机代码，码元长度为1023比特，双相调制，载波频率为1.023兆赫兹。
有时候也称为“民用代码”。
载波信号---通过调制可以从一个基本频率变为其他频率的信号。
载波频率----从一个无线电发射装置输出的未被调制的信号的频率。
载波相位定位---全球定位系统基于L1或者L2载波信号测距。
通道一单通道的GPS接收机，它里面的集成电路系统可以接收到单个GPS卫星的信号。
时钟偏差---钟面读数与正确的GPS时之间的差异。
全球定位系统码相位----GPS基于加载到载波上的测距码（粗码和精测码）的测量。
控制部分----一个全球的全球定位系统的监测和控制站，用于提供卫星的精确位置和精确的时间。
差分定位---两个接收机同时跟踪同一个GPS卫星，接收其相应的信号，用以确定两个接收机之间的精确的相对位置。
测量精度因子---可以反映综合误差的一个参数。
它的大小只取决于用户和他们所观测卫星的几何位置关系。
一般用精度因子和几何精度因子表示。
抖动---数字噪声。
美国国防部使用此方法把其加入GPS信号中，并由此产生了选择可用性。
星历---发送给用户的卫星的当前所预测的位置数据信息
几何精度因子---可见精度因子。
电离层---距离地球表面上空80到120英里的一个层带。
电离层折射---当信号穿越电离层的时候，传播信号速度的变化。
L波段---无线电波频率带，从1000兆赫兹到2000兆赫兹。
GPS载波频率（1227.6MHzand1575.42MHz）位于L波段。
一公制长度单位，长为3.28英尺。
多路径效应---由于信号经不同路径达到接收机所造成的信号之间的干扰。
通常是因为信号被反射或者弹射。
多通道接收机一可以同时跟踪和记录多于一个卫星信号的GPS接收机。
多路径复用通道-可以通过若干卫星信号序列编码的GPS接收机信号通道。
P码---精测码。
一个很长的伪随机序列二进制代码，加载到一个频率为10.23MHz（基准频率）载波上，播发周期为267天。
对于每个GPS卫星而言每个星期的播发的代码都是唯一的，并且一星期重置一次。
精密定位服务（SPS）----基于双频P码，无选择可用性政策的影响，使用标准的全球定位系统，是最精确的动态定位方法。
伪随机代码一带有伪随机噪声的信号。
其结构十分复杂但是却是0或1的重复及其组合。
伪距-----基于相应的GPS卫星传输代码和当地接收机的参考代码，来自卫星钟差和接收机钟差所造成的测距误差未得到纠正。
卫星星座---空间分布的GPS卫星。
选择可用性（SA）--美国国防部采取的在GPS信号中引入时钟噪声，进而降低测量用户的测定精度。
静态定位---GPS接收机天线固定在地球的某个位置，测量过程中不发生运动的位置测量工作。
精密定位服务（SPS）---通过使用单频的粗测码获得标准的定位精度。
GlobalPositioningSystem（GPS）
DonaldPfostandWilliamCasady,ExtensionAgriculturalEngineersKentShannon,AssociateDirectoroftheMissouriPrecisionAgricultureCenterUniversityofMissouri-Columbia
Rangedeterminationfactors
EachGPSsatellitecontinuouslybroadcaststworadiosignalsonseparateL-bandfrequencies（theL-bandisfrom1,000to2,000MHz）.TheL1signal（transmittedat1575.42MHz）carriestwocodes,aCoarse/Acquisition（C/A）codeandaPrecision（P）code.TheL2signal（transmittedat1227.60MHz）carriesonlythePcode,whichisencryptedsoonlythemilitaryandother“authorized”receiverscaninterpretit.TheuseofboththeL1andL2signalsandtheirPcodesproduceswhatiscalledthePrecisePositioningService（PPS）andisavailabletotheU.S.andalliedmilitary,U.S.governmentagenciesandauthorizedcivilianusers.ThesystemavailableforallcivilianuseaccessesonlytheL1signalandtheC/AcodeandisknownastheStandardPositioningService.
GPStechnology
GlobalPositioningSystem（GPS）receiversprovideamethodfordetermininglocationanywhereontheearth.Accurate,automatedpositiontrackingwithGPSreceiversallowsfarmersandagriculturalserviceproviderstoautomaticallyrecorddataandapplyvariableratesofinputstosmallerareaswithinlargerfields
AGPSreceivercanbecomparedwithasimpleAMorFMradio.AGPSreceiver“listens”forthesignalsthatarebroadcastfromthesatellitesoftheUnitedStatesDepartmentofDefense（DOD）GlobalPositioningSystem.Orbitingaroundtheearthatanaltitudeof12,550miles,thesesatellitesareinpredictablelocations;
hence,werefertothesystemofsatellitesastheGPSconstellation.
Eachsatellitebroadcastsalmanacinformationcontainingthepositionofallsatellitesintheconstellation.GPSreceiversusethealmanactodeterminethepositionofthesatellites.Minorvariationsintheorbitsofthesatellitesoccurduetogravitationalforcesfromthesunandthemoon.TheDODcontinuouslymonitorsthesatellitesandadjuststhealmanacinformationtorepresenttheactualorbitsofthesatellites.
ThebroadcastsignalsalsocontainapreciselytimedpredictablecodethataGPSreceivercanusetodeter-minehowlongthesignalrequiredtoreachthereceiver.AmicroprocessorwithinaGPSreceiverusesthesedelaysandthepositionofthesatellitetocalculatethedistancetoeachsatellite,andthenusesthisinformationtodeterminelocationthroughtriangulation.
Triangulationisamathematicalmethodforlocatingpointsonaplaneinthree-dimensionalspace.Ifthedistancestoeachofthreesatellitesandyourapproximatelocationontheearthareknown,theGPSreceivercancalculateitsterrestrialposition.Ifinformatio
升级会员 