测量教案8讲_GPS测量.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32颗 均匀分布在6个与赤道倾角为55°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％面积 保证地球上任何地点、任何时刻、高度15°以上天空 能同时观测到4颗以上卫星。 GPS定位——空间测距交会 P点安置GPS接收机，接收卫星发射的测距码信号 在接收机时钟控制下 解出测距码从卫星→接收机的时间——Δt 乘光速c、加卫星时钟与接收机时钟不同步改正 算出卫星→接收机的空间距离—— vt——卫星钟差，vT——接收机钟差 GPS用单程测距方式 接收机接收到的测距信号不再返回卫星 接收机直接解算传播时间Δt 并算出卫星→接收机的距离 要求卫星和接收机时钟严格同步 卫星在严格同步时钟控制下发射测距信号 实际上，卫星钟与接收机钟不可能严格同步 产生钟误差 两个时钟不同步对测距结果的影响——c(vT－vt) 卫星广播含卫星钟差vT——已知 接收机钟差vT未知——观测方程解算 卫星→接收机的空间距离—— 没有考虑大气电离层和对流层折射误差影响 不是卫星→接收机的几何距离——伪距 测距时刻——ti 接收卫星Si广播星历解算出—— Si在WGS-84坐标系的三维坐标(xi，yi，zi) 则Si卫星→P点的空间距离—— 伪距观测方程—— 有xP，yP，zP，vT四个未知数 为了解算这四个未知数，应同时锁定4颗卫星观测 观测A，B，C，D四颗卫星的伪距方程—— 解方程算出P点坐标——(xP，yP，zP) §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、5个监测站 (1) 监测站 主控站控制下的数据自动采集中心 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 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 处理接收到的信号 测量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 测距原理——伪距、载波相位测量、GPS差分定位 待定点位运动状态——静态定位、动态定位 §8.3.1 卫星信号 载波、测距码(C/A码P码)、数据码(导航电文或称D码) 同一原子钟频率f0=10.23MHz下产生 (1) 载波信号 频率用无线电波段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——调制有C/A码、P码、数据码 载波L2——调制有P码、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结构测距码 经Δt时间传播后到达GPS接收机 接收机产生同结构测距码——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码码元宽度对应距离——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——粗码，P码——精码 P码受美国军方控制，一般用户只能