GPS定位原理及介绍

GPSurvey培训教材概述全球定位系统（GlobalPositioningSystem-GPS）作为新一代的卫星导航定位系统，经过二十多年的发展，已发展成为一种被广泛采用的系统，它的应用领域和应用前景已远远超出了该系统设计者当初的设想，目前，它在航空、航天、军事、交通、运输、资源勘探、通信、气象等几乎所有的领域中，都被作为一项非常重要的技术手段和方法，用来进行导航、定时、定位、地球物理参数测定和大气物理参数测定等。作为较早采用GPS技术的领域，在测量中，它最初主要用于高精度大地测量和控制测量，建立各种类型和等级的测量控制网；现在，它除了继续在这些领域发挥着重要作用外，还在测量领域的其它方面得到充分的应用，如用于各种类型的施工放样、测图、变形观测、航空摄影测量、海测和地理信息系统中地理数据的采集等。尤其是在各种类型的测量控制网的建立这一方面，GPS定位技术已基本上取代了常规测量手段，成为了主要的技术手段。现在，在我国采用GPS技术布设了新的国家大地测量控制网，很多城市也都采用GPS技术建立了城市控制网。为了使大家能充分了解和掌握利用GPS定位技术建立控制网的基本原理和方法，本书将围绕着利用GPS定位技术布设控制网的全过程，介绍在布网过程中所设及到的大量理论与技术问题，内容将包括从技术设计、外业观测、基线解算、直到网平差和提交成果进行验收等各个环节，具体有以下一些内容：•GPS定位原理概述在这一部分里，将简要介绍GPS系统和GPS定位的基本原理。如果读者已对此有较全面的了解，可以跳过此部分•坐标系、基准和坐标系统介绍在采用GPS布设控制网时常用的坐标系统及各坐标系统间的转换关系。•GPS静态定位在测量中的应用介绍GPS静态定位在测量中的主要应用方式及作业步骤。•技术设计介绍在布设GPS网时，进行技术设计的作用、原则和内容。•布网方法介绍GPS网的类型和布网方法。•GPS基线解算介绍基线解算的原理、步骤、精化处理方法和质量控制方法。•GPS基线向量网平差介绍GPS网平差的类型、原理、步骤和质量控制方法。•GPS高程介绍采用GPS进行测定高程的方法。•技术总结介绍布设GPS网时，技术总结的作用和内容。本书的目的是使读者能够了解GPS数据处理的基本原理和过程，掌握布设GPS网及数据处理的方法，因此全书侧重于方法的介绍，对于理论问题未做过多叙述，对于这些问题，读者若感兴趣，可阅读其它有关书籍[1]。第一章GPS定位原理概述第1节GPS的组成GPS（GlobalPositioningSystem）即全球定位系统，是由美国建立的一个卫星导航定位系统，利用该系统，用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速；另外，利用该系统，用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。GPS计划始于1973年，已于1994年进入完全运行状态(FOC[2])。GPS的整个系统由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成：•空间部分GPS的空间部分是由24颗GPS工作卫星所组成，这些GPS工作卫星共同组成了GPS卫星星座，其中21颗为可用于导航的卫星，3颗为活动的备用卫星[3]。这24颗卫星分布在6个倾角为55°的轨道上绕地球运行。卫星的运行周期约为12恒星时。每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号。GPS用户正是利用这些信号来进行工作的。•控制部分GPS的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构成，根据其作用的不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。主控站有一个，位于美国克罗拉多（Colorado）的法尔孔（Falcon）空军基地，它的作用是根据各监控站对GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时，它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作；另外，主控站也具有监控站的功能。监控站有五个，除了主控站外，其它四个分别位于夏威夷（Hawaii）、阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（DiegoGarcia）、卡瓦加兰（Kwajalein），监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星的工作状态；注入站有三个，它们分别位于阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（DiegoGarcia）、卡瓦加兰（Kwajalein），注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。•用户部分GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机气象仪器等所组成。它的作用是接收GPS卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。以上这三个部分共同组成了一个完整的GPS系统。第2节GPS信号GPS卫星发射两种频率的载波信号，即频率为1575.42MHz的L1载波和频率为1227.60HMz的L2载波，它们的频率分别是基本频率10.23MHz的154倍和120倍，它们的波长分别为19.03cm和24.42cm。在L1和L2上又分别调制着多种信号，这些信号主要有：•C/A码C/A码又被称为粗捕获码，它被调制在L1载波上，是1MHz的伪随机噪声码（PRN码），其码长为1023位（周期为1ms）。由于每颗卫星的C/A码都不一样，因此，我们经常用它们的PRN号来区分它们。C/A码是普通用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号。•P码P码又被称为精码，它被调制在L1和L2载波上，是10MHz的伪随机噪声码，其周期为七天。在实施AS时，P码与W码进行模二相加生成保密的Y码，此时，一般用户无法利用P码来进行导航定位。•Y码见P码。•导航信息导航信息被调制在L1载波上，其信号频率为50Hz，包含有GPS卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置，导航信息也被称为广播星历。第3节SPS和PPSGPS系统针对不同用户提供两种不同类型的服务。一种是标准定位服务(SPS–StandardPositioningService)，另一种是精密定位服务(PPS–PrecisionPositioningService)。这两种不同类型的服务分别由两种不同的子系统提供，标准定位服务由标准定位子系统(SPS–StandardPositioningSystem)提供，精密定位服务则由精密定位子系统(PPS–PrecisionPositioningSystem)提供。SPS主要面向全世界的民用用户。PPS主要面向美国及其盟国的军事部门以及民用的特许用户。第4节GPS定位的常用观测值在GPS定位中，经常采用下列观测值中的一种或几种进行数据处理，以确定出待定点的坐标或待定点之间的基线向量：•L1载波相位观测值•L2载波相位观测值（半波或全波）•调制在L1上的C/A码伪距•调制在L1上的P码伪距•调制在L2上的P码伪距•L1上的多普勒频移•L2上的多普勒频移实际上，在进行GPS定位时，除了大量地使用上面的观测值进行数据处理以外，还经常使用由上面的观测值通过某些组合而形成的一些特殊观测值，如宽巷观测值（Wide-Lane）[4]、窄巷观测值（Narrow-Lane）[5]、消除电离层延迟的观测值（Ion-Free）[6]来进行数据处理。第5节GPS定位的误差源我们在利用GPS进行定位时，会受到各种各样因素的影响。影响GPS定位精度的因素可分为以下四大类：•与GPS卫星有关的因素•SA美国政府从其国家利益出发，通过降低广播星历精度（技术）、在GPS基准信号中加入高频抖动（技术）等方法，人为降低普通用户利用GPS进行导航定位时的精度。•卫星星历误差在进行GPS定位时，计算在某时刻GPS卫星位置所需的卫星轨道参数是通过各种类型的星历[7]提供的，但不论采用哪种类型的星历，所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异，这就是所谓的星历误差。•卫星钟差卫星钟差是GPS卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS标准时间之间的误差。•卫星信号发射天线相位中心偏差卫星信号发射天线相位中心偏差是GPS卫星上信号发射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。•与传播途径有关的因素•电离层延迟由于地球周围的电离层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为电离层延迟。电磁波所受电离层折射的影响与电磁波的频率以及电磁波传播途径上电子总含量有关。•对流层延迟由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为对流层延迟。电磁波所受对流层折射的影响与电磁波传播途径上的温度、湿度和气压有关。•多路径效应由于接收机周围环境的影响，使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有各种反射和折射信号的影响，这就是所谓的多路径效应。•与接收机有关的因素•接收机钟差接收机钟差是GPS接收机所使用的钟的钟面时与GPS标准时之间的差异。•接收机天线相位中心偏差接收机天线相位中心偏差是GPS接收机天线的标称相位中心与其真实的相位中心之间的差异。•接收机软件和硬件造成的误差在进行GPS定位时，定位结果还会受到诸如处理与控制软件和硬件等的影响。•其它•GPS控制部分人为或计算机造成的影响由于GPS控制部分的问题或用户在进行数据处理时引入的误差等。•数据处理软件的影响数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响。第6节GPS定位方法GPS定位的方法是多种多样的，用户可以根据不同的用途采用不同的定位方法。GPS定位方法可依据不同的分类标准，作如下划分：•根据定位所采用的观测值•伪距定位伪距定位所采用的观测值为GPS伪距观测值，所采用的伪距观测值既可以是C/A码伪距，也可以是P码伪距。伪距定位的优点是数据处理简单，对定位条件的要求低，不存在整周模糊度的问题，可以非常容易地实现实时定位；其缺点是观测值精度低，C/A码伪距观测值的精度一般为3米，而P码伪距观测值的精度一般也在30个厘米左右，从而导致定位成果精度低，另外，若采用精度较高的P码伪距观测值，还存在AS的问题。•载波相位定位载波相位定位所采用的观测值为GPS的载波相位观测值，即L1、L2或它们的某种线性组合。载波相位定位的优点是观测值的精度高，一般优于2个毫米；其缺点是数据处理过程复杂，存在整周模糊度的问题。•根据定位的模式•绝对定位绝对定位又称为单点定位，这是一种采用一台接收机进行定位的模式，它所确定的是接收机天线的绝对坐标。这种定位模式的特点是作业方式简单，可以单机作业。绝对定位一般用于导航和精度要求不高的应用中。•相对定位相对定位又称为差分定位，这种定位模式采用两台以上的接收机，同时对一组相同的卫星进行观测，以确定接收机天线间的相互位置关系。•根据获取定位结果的时间•实时定位实时定位是根据接收机观测到的数据，实时地解算出接收机天线所在的位置。•非实时定位非实时定位又称后处理定位，它是通过对接收机接收到的数据进行后处理以进行定位得方法。•根据定位时接收机的运动状态•动态定位所谓动态定位，就是在进行GPS定位时，认为接收机的天线在整个观测过程中的位置是变化的。也就是说，在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个随时间的改变而改变的量。动态定位又分为Kinematic和Dynamic两类。•静态定位所谓静态定位，就是在进行GPS定位时，认为接收机的天线在整个观测过程中的位置是保持不变的。也就是说，在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个不随时间的改变而改变的量。在测量中，静态定位一般用于高精度的测量定位，其具体观测模式多台接收机在不同的测站上进行静止同步观测，时间由几分钟、几小时甚至数十小时不等。第二章坐标系、基准和坐标系统测量的基本任务就是确定物体在空间中的位置、姿态及其运动轨迹。而对这些特征的描述都是建立在某一个特定的空间框架和时间框架之上的。所谓空间框架就是我们常说的坐标系统，而时间框架就是我们常说的时间系统。第1节地球的形状一、地球的自然表面二、地球的质量和重力三、大地水准面四、参考椭球五、投影第2节坐标系统一个完整的坐标系统是由坐标系和基准两方面要素所构成的。坐标系指的是描述空间位置的表达形式，