GPS全球定位系统

发表于2005-09-03     1359人浏览     1人跟帖     总热度:10  

GPS全球定位系统
 
第一节 概述
全球定位系统(GPS)是英文缩写NAVSTAR/GPS的简写,:全名应为Navigation System Timing and Raging/Global positioning System,即。"授时与测距导航系统/全球定位系统".
全球定位系统GPS,于1973年由美国政府组织研究,耗费巨资,历经约20年,于1993年全部建成。该系统是伴随现代科学技术的迅速发展而建立起来的新一代精密卫星导航和定位系统,不仅具有全球性、全天候、连续的三维测速、导航、定位与授时能力,而且具有良好的抗干扰性和保密性。该系统的研制成功已成为美国导航技术现代化的重要标志,被视为本世纪继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的又一重大科技成就。
全球定位系统GPS的研制最初主要用于军事目的。如为陆海空三军提供实时、全天候和全球性的导航服务,并用于情报收集、核爆监测、应急通讯和爆破定位等方面,其作用已在1991年海湾战争中得到了证实。以美国为首的多国部队所持有的17000台GPS接收机被认为是作战武器的效率倍增器,是赢得海湾战争胜利的重要技术条件之一。随着GPS系统步入试验和实用阶段,其定位技术的高度自动化及所达到的高精度和巨大的潜力,引起了各国政府的普遍关注,同时引起了广大测量工作者的极大兴趣。特别是近几年来,GPS定位技术在应用基础的研究、新应用领域的开拓、软硬件的开发等方面都取得了迅速发展。目前,GPS精密定位技术已经广泛地渗透到了经济建设和科学技术的许多领域,尤其是在大地测量学及其相关学科领域,如地球动力学、海洋大地测量学、天文学、地球物理和资源勘探、航空与卫星遥感精密工程测量;变形监测、城市控制测量等方面的广泛应用,充分显示了这一卫星定位技术的高精度和高效益。这预示测绘界将面临着一场意义深远的变革,从而使测绘领域步入一个崭新的时代。
在我国测绘行业,GPS的应用起步较晚,但发展速度很快。据不完全统计,至1992年底我国已有上百个单位拥有数百台GPS接收机。测绘工作者们在GPS应用基础研究和实用软件开发等方面取得了大量的成果;从而为GPS技术在我国全面推广提供了技术保证。同时,还对GPS测量在适合我国国情的可行性研究方面做了大量的试验。例如,在某测量实 验场,建立了一个由16个点位构成的GPS试验网。实测结果表明,其平面点位平均精度为6.9mm,平均边长精度为1.19ppm,平均方位精度为0.4″,与常规整体大地测量平差点位相比较,二维位置最大较差为万分之三点七秒;与ME―5000光电测距边比较,平均外部符合精度达三十一万分之一。已完成的大量试验表明,GPS测量不仅达到了较高的精度(一般来讲,在50km以内的基线上,其相对定位精度达1―2×10-6,:在100km―500km之间, 相对定位精度可达10-5一10-7),而且与常规测量方法相比具有速度快、成本低、全天候作业、操作方便等优点。
目前,我国大部分省份均建立了GPS控制网。国家测绘局还决定,拟在“八五”期间或稍长一些时问内,建立―个由700个点位构成的全国性的GPS大地网,以适应现代科学技术的发展和国家现代化建设的需要。
 
第二节 GPS全球定位系统的组成
GPS全球定位系统主要由三大部分组成,即空间星座部分(GPS卫星星座)、地面监控部分和用户设备部分。
一、空间星座部分
1.GPS卫星星座
全球定位系统的空间星座部分,由24颗卫星组成,其中包括3颗可随时启用的备用卫星。工作卫星分布在6个近圆形轨道面内,每个轨道面上有4颗卫星。卫星轨道面相对地球赤道面的倾角为55°,各轨道平面升交点的赤经相差60°,同一轨道上两卫星之间的升交角距相差90°,轨道平均高度为20200km,卫星运行周期为11小时58分。同时在地平线以上的卫星数目随时间和地点而异,最少为4颗,最多时达11颗。
上述GPS卫星的空间分布,保障了在地球上任何地点、任何时刻均至少可同时观测到4颗卫星,加之卫星信号的传播和接收不受天气的影响,因此GPS是―种全球性、全天候的连续实时定位系统。GPS卫星星座基本参数
2.GPS卫星及功能
GPS卫星的主体呈圆柱形,设计寿命为7.5年。主体两侧配有能自动对日定向的双叶太阳能集电板,为保证卫星正常工作提供电源;通过一个驱动系统保持卫星运转并稳定轨道位置。每颗卫星装有4台高精度原于钟(铷钟和铯钟各两台),以保证发射出标准频率(稳定度为10-12―10-13),为GPS测量提供高精度的时间信息。
在全球定位系统中,GPS卫星的主要功能是:接收、储存和处理地面监控系统发射来的导航电文及其它有关信息;向用户连续不断地发送导航与定位信息,并提供时间标准、卫星本身的空间实时位置及其它在轨卫星的概略位置;接收并执行地面监控系统发送的控制指令,如调整卫星姿态和启用备用时钟、备用卫星等。
二、地面监控部分
GPS的地面监控系统主要由分布在全球的五个地面站组成,按其功能分为主控站(MCS)、注入站(GA)和监测站(MS)三种。
主控站一个,设在美国的科罗拉多的斯普林斯(Colorado Springs)。主控站负责协调和管理所有地面监控系统的工作,其具体任务有:根据所有地面监测站的
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第三节 GPS坐标系统
任何一项测量工作都离不开一个基准,都需要一个特定的坐标系统。例如,在常规大地测量中,各国都有自己的测量基准和坐标系统,如我国的1980年国家大地坐标系(C80)。由于GPS是全球性的定位导航系统,其坐标系统也必须是全球性的;为了使用方便,它是通过国际协议确定的,通常称为协议地球坐标系(Conventional Terrestrial System―CTS)。目前,GPS测量中所使用的协议地球坐标系统称为WGS―84世界大地坐标系(World Geodetic System)。
WGS―84世界大地坐标系的几何定义是:原点是地球质心,z轴指向BIHl984.0定义的协议地球极(CTP)方向,X轴指向BIHl984.0的零子午面和CTP赤道的交点,y轴与z轴、x轴构成右手坐标系。
上述CTP是协议地球极(Conventional Terrestrial Pole)的简称;由于极移现象的存在,地极的位置在地极平面坐标系中是一个连续的变量,其瞬时坐标(Xp,Yp)由国际时间局(Bureau International deI′ Heure简称BIH)定期向用户公布。WGS―84世界大地坐标系就是以国际时间局1984年第一次公布的瞬时地极(BIH1984.0)作为基准,建立的地球瞬时坐标系,严格来讲属准协议地球坐标系。
除上述几何定义外,WGS―84还有它严格的物理定义,它拥有自己的重力场模型和重力计算公式,可以算出相对于WGS―84椭球的大地水准面差距。WGS―84世界大地坐标系与我国1980年国家大地坐标系的基本大地参数比较。两坐标系之间坐标的互相转换方法,请参阅有关书籍。
在实际测量定位工作中,虽然GPS卫星的信号依据于WGS―84坐标系,但求解结果则是测站之间的基线向量或三维坐标差。在数据处理时,根据上述结果,并以现有已知点(三点以上)的坐标值作为约束条件,进行整体平差计算,得到各GPS测站点在当地现有坐标系中的实用坐标,从而完成GPS测量结果向C80或当地独立坐标系的转换。
 
第四节 GPS定位原理
GPS进行定位的方法,根据用户接收祝天线在测量中所处的状态来分,可分为静态定位和动态定位;若按定位的结果进行分类,则可分为绝对定位和相对定位。
所谓绝对定位,是在WGS―84坐标系中,独立确定观测站相对地球质心绝对位置的方法。相对定位同样在WGS―84坐标系中,确定的则是观测站与某一地面参考点之间的相对位置,或两观测站之间相对位置的方法。
所谓静态定位,即在定位过程中,接收机天线(待定点)的位置相对于周围地面点而言,处于静止状态。而动态定位正好与之相反,即在定位过程中,接收机天线处于运动状态,也就是说定位结果是连续变化的,如用于飞机、轮船导航定位的方法就属动态定位。
各种定位方法还可有不同的组合,如静态绝对定位、静态相对定位、动态绝对定位、动态相对定位等。现就测绘领域中,最常用的静态定位方法的原理作一简介。
一、基本定位原理
利用GPS进行定位的基本原理,是以GPS卫星和用户接收机天线之间距离(或距离差)的观测量为基础,并根据已知的卫星瞬间坐标来确定用户接收机所对应的点位,即待定点的三维坐标(x,y,z)。由此可见,GPS定位的关键是测定用户接收机天线至GPS卫星之间的距离。
1.伪距的概念及伪距测量
GPS卫星能够按照星载时钟发射某一结构为‘伪随机噪声码’的信号,称为测距码信号(即粗码C/A码或精码P码)。该信号从卫星发射经时间t后,到达接收机天线;用上述信号传播时间t乘以电磁波在真空中的速度C,就是卫星至接收机的空间几何距离ρ。

实际上,由于传播时间t中包含有卫星时钟与接收机时钟不同步的误差,测距码在大气中传播的延迟误差等等,由此求得的距离值并非真正的站星几何距离,习惯上称之为“伪距”,用表示,与之相对应的定位方法称为伪距法定位。
为了测定上述测距码的时间延迟,即GPS卫星信号的传播时间,需要在用户接收机内复制测距码信号,并通过接收机内的可调延时器进行相移,使得复制的码信号与接收到的相应码信号达到最大相关,即使之相应的码元对齐。为此,所调整的相移量便是卫星发射的测距码信号到达接收机天线的传播时间,即时间延迟。
假设在某一标准时刻Ta卫星发出―个信号,该瞬间卫星钟的时刻为ta,该信号在标准时刻Tb到达接收机,此时相应接收机时钟的读数为tb;于是伪距测量测得的时间延迟,即为tb与ta之差。

由于卫星钟和接收机时钟与标准时间存在着误差,设信号发射和接收时刻的卫星和接收机钟差改正数分别为Va和Vb,

(Tb―Ta)即为测距码从卫星到接收机的实际传播时间△T。由上述分析可知,在△T中已对钟差进行了改正;但由△T・C所计算出的距离中,仍包含有测距码在大气中传播的延迟误差,必须加以改正。设定位测量时,大气中电离层折射改正数为δρI,对流层折射改正数为δρT,则所求GPS卫星至接收机的真正空间几何距离ρ应为

伪距测量的精度与测量信号(测距码)的波长及其与接收机复制码的对齐精度有关。目前,接收机的复制码精度一般取1/100,而公开的C/A码码元宽度(即波长)为293m,故上述伪距测

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