GPS基础解读.docx

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GPS基础解读

GPS测量基础

绪言

一、什么是GPS？

GPS有什么作用？

二、GPS系统概况

2.1空间部分

2.2控制部分

2.3用户部分

三、GPS的基本工作原理

3.1简单导航

3.1.1卫星的分布

3.1.2接收机与卫星间距离的计算

3.1.3误差来源

3.1.4为什么军用接收机定位精度较高？

3.2差分GPS定位

3.2.1参考站接收机

3.2.2流动站接收机

3.2.3更多的技术问题

3.3相位差分GPS和模糊度的解算

3.3.1载波相位、C/A码和P码

3.3.2为什么要使用载波相位？

3.3.3双差

3.3.4正周模糊度及其解算

四、GPS在大地测量中的应用

4.1引言

4.2GPS的坐标系统

4.3地方坐标系统

4.4高程测量的问题

4.5系统间的转换

4.6地图投影和平面坐标

4.6.1横轴墨卡托投影

4.6.2兰波特投影

五、GPS测量的作业模式

5.1GPS测量技术

5.1.1静态测量

5.1.2快速静态测量

5.1.3动态测量

5.1.4实时动态测量

一、什么是GPS？

GPS有什么作用？

GPS是NAVSTARGPS（NAVigationSystemwithTimeAndRangingGlobalPositioningSystem）的简称，即授时与测距全球定位导航系统。

“我现在地球什么位置？

”是长期困扰人们的问题，GPS的出现使得这一问题得以完美的解决。

对于这一问题，一个很容易的想到解决办法，就是通过观察自己周围的物体，将其作为参照物，从而确定自己的相对位置。

但是，当周围没有任何参照物时，例如在沙漠或海洋中，怎么办？

几百年来，人们通过观察太阳和恒星，来解决定位和导航问题，在陆地上测量员和探险家也利用类似的参考点，进行测量工作和指示方向。

然而，这种方法具有相当的

图1GPS的作用

局限性，如当有云层出现时，太阳和恒星无法看见，另外，即使使用很高

精度的观测，定位的精度也不是很高。

第二次世界大战后，美国国防部对提高绝对定位精度的重要性的认识，提高到新的高度，在随后的25年中，相继启动了多项研究和试验，包括传输、定时…等，所有这些项目均可实现定位，但在精度和性能方面，仍不尽人意。

从70年代起，GPS作为一个新的项目提出，项目设想可以满足美国政府各部门的需求，声称在任何时间、任何地点、任何气象条件下，均可自己精确确定自己的位置。

GPS是基于卫星的定位系统，它利用24颗卫星协同工作，为用户提供高精度的定位信息。

“精确”的概念对于不同的场合有着不同的意义，对于旅行和士兵来说，15米即可满足需要，对于海洋中的船只，5米的精度即可视为精确，而对于陆地测量员来说，“精确”是指要有1cm甚至更高的精度。

GPS可满足上述不同的应用场合的要求，其差别在于所使用的设备和技术不同。

GPS的设计初衷是应用于军事上目的，在地球上任何时间、任何地点快速定位。

随着这一设计目标的实现，人们发现除在军事中应用外，GPS在民用行业中也可以得到广泛的应用，最先应用GPS的民用行业是航海和测量，如今其应用的领域已经从汽车营运的管理到工业自动化等诸多领域。

二、GPS的系统概述

GPS的系统构成可以概括为三个部分：

（1）空间部分―――人造地球卫星；

（2）监制部分―――分布在地球赤道上的若干个卫星监控站；

（3）用户部分―――用于接收卫星信号的设备。

图2GPS卫星分布

2.1空间部分

空间部分设计有24颗卫星组成，其运行轨道的高度约为20200km，环绕地球运行的周期约为12小时。

当前实际投入使用的卫星为26颗。

空间部分这样的设计，可以使得在地球上任何时间、任何地点均可观测到高度角在15°以上的卫星数，不少于4颗。

4颗卫星可见是大多数应用场合要求的最少卫星数。

实践表明，绝大多数情况下，最少有5颗卫星在15°高度角以上，可见卫星数通常为6－7颗。

在每一个卫星上都安装有高精度的原子钟，在原子钟的控制下，产生出10.23MHz的基准频率，该基准频率用于产生卫星对地发送的各种信号。

卫星信号通常有两个不同频率的载波信号组成，它们位于L波段（该波段用于收音机），以光速向地球传播，载波信号是由受控于高精度原子钟的基准频率产生的：

L1载波信号的频率为1575.42MHz（由基准频率经154倍频得到，即10.23*154=1575.42）；

L2载波信号的频率为1227.60MHz（由基准频率经120倍频得到，即（10.23*120=1227.60）；

在L1载波信号上调制有C/A码，也称粗码/捕捉码，码的频率为1.023MHz，由基准频率经10倍分频得到（即10.23÷10=1.023）。

2.2监控部分

控制空间部分由5个监控站组成，其中一个为主控站、另外4个安装有地面天线，分布在接近赤道的5个不同位置。

图4地面监控站

控制部分的功能为监控卫星的轨道位置，修正和同步卫星原子钟。

另外一个很重要的功能是确定每颗卫星的轨道，并对其进行24小时预报，这些信息上载到卫星，再由卫星对地广播，这样地面用户接收机知道每颗的可见时间。

卫星信号由设在阿森松岛、第哥岛、加西亚和夸贾林环礁的监控站测量，测量数据传送到设在科罗拉多州的主控站，通过计算处理确定每颗卫星的误差大小，再发送回4个监控站，由监控站天线发送到卫星。

2.3用户部分

用户部分由任何接收GPS信号，从而确定位置和时间的设备组成。

典型的应用如旅游、交通导航、测量、航海、航空和机械控制等。

图5GPS应用

三、GPS定位的基本原理

应用GPS定位可由几种不同的方法实现，主要依据需要的精度和使用的设备类型而定。

大体来说，这些技术可以分为三类：

（1）单机导航：

使用一台GPS接收机，主要用于旅行、航海和军事。

定位精度对于民用目的精度优于100米，而对于军队用户精度可达20米。

图6GPS单机导航

（2）差分修正定位：

也常称为DGPS，其定位精度可达0.5—5米，多用于近海导航、GIS数据采集和农业生产等。

图7

（3）差分相位定位：

定位精度可达0.5---20毫米，常应用于测量工作和机械控制等。

图8差分相位定位

3.1简单导航

瞬间给用户提供一个点的位置和高程，或提供精密的时间，是GPS接收机最基本的功能，其精度对于民用用户来说优于100米（通常标称精度为30－50米），而对于军方用户精度可达5－15米，两者具有差异的原因将在后面相关章节中论述，此类接收机的典型特点是体积小，便于携带，且价格低廉。

3.1.1卫星的距离修正

所有的GPS定位方法都是基于测量卫星与接收机之间的距离而实现的。

接收机与各个卫星间的距离，由接收机进行确定后，按照常用的空间后方交会原理，便可计算出接收机的位置。

图9手持GPS接收机

其基本思想是，测定了接收机与某一卫星的距离后，便可确定接收机位置一定处于以该卫星为球心所测距离为半径的某一假定球面上。

当同时测定接收机到三个卫星的距离，三个假定球面的交点即为接收机的位置。

图10三个假定球面的交点

然而，由于GPS定位系统采用的是单程测距原理，要准确测定卫星与接收机间的距离，就必须使卫星钟与接收机钟保持严格同步，这在实践中难以实现。

因此，实际上通过码相位观测或载波相位观测，所确定的卫星至接收机的距离，都不可避免地存在卫星钟和接收机钟非同步误差的影响，这一包含有钟误差的距离称为伪距。

因而，GPS定位测量中，具有四个未知数：

接收机位置（X，Y，Z）和接收机钟与卫星钟的钟差Dt，同时观测四颗卫星，便可得到四个观测方程，解算出四个未知数。

为了计算接收机至各卫星的距离，应用牛顿运动定律：

图11GPS单机定位

图11GPS单机定位

距离＝速度×时间

通常，在已知列车运行速度和运行时间的情况下，利用这个公式计算列车的行驶路程是没有问题的。

而GPS定位需要计算接收机与卫星间的距离，公式中的速度是无线电信号的速度，其值是290000千米/秒，所用时间是无线电信号从卫星到达接收机的时间。

这使得计算有些困难，因为需要知道无线电信号由卫星的发出时刻和到达接收机的时刻，同时要求有很高的时间测定精度。

卫星信号传播时间的测定

在卫星信号上调制有C/A码和P码（见2.1），C/A码是由高精度原子钟控制产生的。

在接收机中，也有一个时钟用于产生与卫星中相匹配的C/A码。

将接收机的C/A码通过电子线路移位一次，计算两个C/A码相关系数，并反复进行。

若相关系数等于或接近1时，读取电子线路的移位计数，从而计算出卫星信号的传播时间（包含钟差）。

图12卫星信号传播时间的计算

C/A码是“伪随机”数字编码，表面上看是随机的，实际上它具有周期性，在一秒之内循环可以高达上千次。

3.1.3误差来源

到目前为止，我们假定GPS定位是没有误差的，定位是十分精确的。

然而实际上存在多项误差来源，使得其定位精度下降到理论上的几米到几十米，这些误差来源有：

（1）电离层和大气层延迟误差

卫星信号在穿过电离层时，速度将会降低，这和光线穿过玻璃产生折射有点相似。

由于大气层的延迟影响了信号的速度，对GPS的距离计算产生影响（因为光只有在真空中速度是常数）。

电离层延迟的影响不是一个常数，其值与下面几个因数有关：

图13电离层折射

1卫星高度：

卫星高度角愈低，电离层延迟影响愈大，这是由于卫星高度愈低时，信号在电离层中的行程愈长，如图中D2>D1。

图14卫星高度与时间延迟关系

2受太阳影响的电离层的密度：

在夜间，电离层的影响非常小，而在白天，太阳对电离层的影响增加，使得信号的传播速度降低。

电离层的密度随太阳黑子的活动周期变化。

太阳黑子活动的高峰约11年循环一次，2000年曾出现高峰。

除此之外，还有一些随机的太阳黑子爆发影响电离层。

减弱电离层误差的方法有两种：

第一种方法是取的电离层影响的平均值，在计算距离时加以改正。

由于该平均值与特定时刻的影响值有差异，因而这种方法不是减弱电离层影响的最佳方法。

第二种方法是采用“双频”GPS接收机，这类接收机对L1和L2载波信号同时进行测量。

由无线电理论可知，当无线电信号穿过电离层时，其速度降低的多少与其频率的高低成反比。

据此，对两个载波信号所测定的传播时间进行比较，依照所得时间差便可精确确定电离层延迟的大小。

需强调的是，仅双频接收机才可具有此功能，大多数导航用接收机是单频接收机。

3水蒸汽对GPS信号的也有影响：

大气中的水蒸气对GPS信号也有影响，这种影响可利用大气层模型加以改正。

（2）卫星与接收机的时钟误差

虽然卫星的时钟已相当的精确（大约十亿分之3秒的误差），当仍然会出现微量的漂移，产生少量的误差，影响定位的精度。

美国国防部利用监控站对卫星的时钟进行监控（见2.2），对卫星时钟的漂移设施改正。

接收机时钟与卫星钟相比，精度和稳定性要次之，对定位精度有较大的影响。

（3）多路径误差

当接收机天线安置在大的反射面附近时就易产生多路径误差，如天线安置在湖面、建筑物旁。

卫星信号不是直接到达接收机天线，而是经反射面反射到接收机天线，显然测量结果是错误的。

多路径误差可利用特殊的GPS卫星天线使之减弱，这种天线的底面具有一个直径约50cm的圆形金属盘，它可以阻止高度角较低的信号入射到天线。

图15多路径误差与Choke－Ring天线

对于高精度测量，较好的方案是采用Choke－Ring天线，这种天线周围有4－5个同心圆环，可以捕获非直射的信号。

（4）精度因子

精度因子（DOP）是对卫星星座分布的几何强度的描述，与卫星在空间的分布位置有关。

DOP值指示了卫星测距误差的影响。

其原理可由下