现代检测技术8--基于GPS的测控技术1

GPS基本概念GPS时空参考系GPS定位原理GPS测量的误差分析典型应用第8章基于GPS的测控技术课程内容空间星座部分：包括GPS工作卫星和备用卫星；地面监控部分：控制整个系统和时间，负责轨道监测和预报；用户设备部分：主要是各种型号的接收机。8.1GPS基本概念GPS的组成8.1.1GPS的组成①基本情况:24颗卫星均匀分布在6个轨道面内。卫星轨道倾角为55°，各轨道平面相差60°。轨道平面高度为20200km，卫星运行周期11小时58分。地面观测者见的卫星颗数最少为4颗，最多可达11颗。1.空间星座部分②GPS卫星组成：GPS卫星的核心部件是高精度的时钟、导航电文存储器、双频发射和接收以及微处理机。每颗GPS工作卫星一般安设2台铷原子钟和2台铯原子钟，并计划未来采用更稳定的氢原子钟（其频率稳定度优于10-14s）。GPS卫星虽然发送几钟不同频率的信号，但是它们均源于一个基准信号10.23MHz）。卫星钟由地面站检验，其钟差、钟速连同其他信息由地面站注入卫星后，再转化给用户设备。8.1.1GPS的组成地面监控部分地面监控系统作用：确保GPS系统的良好运行。地面监控的任务：监视卫星的运行，确定GPS时间系统；跟踪并预报卫星星历和卫星钟状态；向每颗卫星的数据存储器注入卫星导航数据。地面监控部分的组成：一个主控站、五个监测站和三个注入站。8.1.1GPS的组成用户设备部分主要包括：GPS接收机及其天线、微处理器及其终端设备以及电源等。而其中接收机和天线是用户设备的核心部分。8.1.1GPS的组成1.天线单元接收天线和前置放大器两个部分组成，可接收来自任何方向的GPS信号，可将极微弱的GPS信号电流予以放大。2.接收单元信号波道和微处理机构成接收单元的核心部件。利用多个波道同时对多个卫星进行观测。微处理机能选择合适的卫星进行测量，以获得最佳的几何图形；能根据观测值及卫星星历求得所需的定位信息。8.1.1GPS的组成SA（SelectiveAvailability）技术AS（Anti-Spoofing）技术SA和AS技术对定位的影响8.1.3限制性政策与反限制措施1.美国对GPS用户的主要限制性政策建立独立自主的卫星导航与定位系统载波相位动态测量相对定位技术（RTK）开发GPS与GLONASS兼容接收机差分定位技术2.反限制性政策的主要技术和方法8.1.3限制性政策与反限制措施GLONASS全球导航定位系统Galileo卫星导航定位系统北斗卫星导航定位系统8.1.4其他卫星定位导航系统地固坐标系：固结在地球上和地球一起公转和自转的地球坐标系，描述GPS接收机载体在地球表面的运动状态很方便。天球坐标系：与地球自转无关，描述绕地球质心作圆周运动的卫星运动状态和确定卫星的运行轨道很方便。天球坐标系是采用球面坐标系定义的。8.2.1GPS导航定位中的坐标系统地固坐标系是用一辅助面（参考椭球面）定义的。恒星时以春分点为参考点，其时间尺度为：春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒星日，一恒星日分为24个恒星时。恒星时以春分点通过本地子午圈时刻为起算原点。8.2.2GPS导航定位中的时间系统1.恒星时ST（SiderealTime）2.平太阳时MT（MeanSolarTime）平太阳时的时间尺度为：平太阳连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一平太日，一平太日分为24平太时。平太阳的运动速度等于真太阳周年运动的平均速度。3.世界时UT（UniversalTime）世界时UT是以平子夜为零时算起的格林威治平太阳时。8.2.2GPS导航定位中的时间系统4.原子时ATI（InternationalAtomicTime）原子时的秒长被定义为铯原子Cs133基态的两个超精细能级间跃迁辐射振荡9192631170周所持续的时间。5.协调世界时UTC（CoordinatedUniversalTime）UTC是与地球自转相一致的尺度均匀的时间系统。8.2.2GPS导航定位中的时间系统GPS定位的基本原理：利用无线电测距交会确定点位的方法，利用3颗以上卫星的已知空间位置交会出地面位置点（用户接收机）的位置。广播信号包含3种成分：D码、C/A码和P码或Y码、载波信号（L1和L2）。8.3.1GPS卫星的广播信号伪距：就是由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速得出的量测距离。伪距法定位：是由GPS接收机在某一时刻测出4颗以上GPS卫星的伪距，并根据已知的卫星位置，采用距离交会法确定接收机天线所在点的三维坐标。8.3.2伪距测量原理伪距测量原理图8.3.2伪距测量原理8.3.3载波相位测量原理载波相位测量的观测量是GPS接收机所接收的卫星载波信号与接收机本振参考信号的相位差。整周未知数的确定伪距法多普勒法将整周未知数作为平差中的待定参数整周跳变：接收机在跟踪卫星过程中，整周计数部分应当是连续的。如果在跟踪卫星过程中，由于某种原因，计数器就无法连续计数。此时，当信号重新被跟踪后，整周计数就不正确。8.3.3载波相位测量原理8.3.4绝对定位和相对定位绝对定位：即单点定位，利用GPS卫星和用户接收机之间的距离观测值直接确定用户接收机天线在WGS-84坐标系中的相对于坐标系原点——地球质心的绝对位置。绝对定位又分为动态绝对定位和静态绝对定位。相对定位：是用至少两台GPS接收机，同步观测相同的GPS卫星，确定两台接收机天线之间的相对位置（坐标差）。它是目前GPS定位中精度最高的一种定位方法。绝对定位1.伪距观测方程的线性化线性化的伪距测量观测方程为：0()(())[()()()]()()()()kjjjjjkkkjkTIXttltmtntYZcttctttt8.3.4绝对定位和相对定位令伪距线性方程可以改写为：由观测站同步跟踪4颗卫星，则j＝1，2，3，4，采用矩阵形式()()()()jjkkITStttt()()()jjkktcttctt0(())()[()()()]()kjjjjjjkkkkXtStltmtntYtZ111110222220333330444440(())()()()()1(())()()()()1(())()()()()1()(())()()()()1kkkkkkjkkXtStltmtntYtStltmtntZtStltmtntttStltmtnt2.伪距法绝对定位的解算8.3.4绝对定位和相对定位上式简化为：当跟踪的卫星数目多于4颗时，可应用最小二乘平差求解()()()kkAtGtLt1()()()kkGtAtLt1()(()())(()())TTkkGtAtAtAtLt8.3.4绝对定位和相对定位假定用户初始位置及时钟偏差；用已知卫星的在轨位置及时钟偏差，对上述矩阵及方程式进行求解；利用求出的用户位置偏差，得出用户实际位置；重复迭代，直至第n+1次算出的用户位置约等于第n次算出的用户位置即可。3.计算步骤：8.3.4绝对定位和相对定位相对定位是用两台接收机分别安置在基线的两端，同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点的相对位置或基线向量。1.观测值的线性组合作用:观测量的不同组合（求差），可以有效地消除或减弱相关误差的影响。静态相对定位（静态差分定位）8.3.4绝对定位和相对定位求差方法：可以在卫星间求差，在接收机间求差，也可以在不同历元间求差。求差类别：一次差；二次差；三次差。一次差为：作用：可以消除与卫星有关的载波相位及其钟差项。1221()()()kkkiiiSDttt1221()()()jjjiiiSDttt8.3.4绝对定位和相对定位求差法示意图8.3.4绝对定位和相对定位二次差分：设在ti时刻，对k、j卫星观测值的站间单差观测值求差，有：作用：可以消除与接收机有关的载波相位及其钟差项1212122121()()()()()()()kjjkjjkkiiiiiiiDDtSDtSDttttt8.3.4绝对定位和相对定位三次差分：对ti时刻的双差观测值与ti+1时刻的双差观测值求差，有：作用：可消除与卫星和接收机有关的初始整周模糊度。12112112(,)()()kjkjkjiiiiTDttDDtDDt8.3.4绝对定位和相对定位2.单差观测方程的方程模型如果同步观测n个卫星，可列出n个误差方程按最小二乘法原理对误差方程求解，可得待定点坐标改正数、钟差等未知参数。111111120121222222112012212212120()()(()()()()()()()()()()()()()nnnnnNtVtLltmtntXNtVtltmtntfYfttcZltmtntVtNt21212)()()ntLtLt8.3.4绝对定位和相对定位3.双差观测方程的方程模型双差观测方程的误差形式为：同理，对于三差模型，模型中消除了整周模糊度。22222121202()[()()()]()()kkkkkkjXfVtltmtntYLtNtcZ1220120112()[(())()(())()]()kjkkjjkjfLtttttDDtc8.3.4绝对定位和相对定位8.3.5差分GPS（DGPS）定位原理DGPS测量系统组成：动态接收机，基准接收机。DGPS的测量原理：两种接收机同步观测GPS卫星，基准接收机为动态接收机提供差分改正数（DGPS数据）。动态接收机根据DGPS数据，精确地解算出用户的三维坐标。DGPS可以有效的消除误差。单站GPS差分1.位置差分法在位置差分中基准接收机向动态用户发送的DGPS数据是“位置校正值”。设基准站的精密坐标为（X0，Y0，Z0），基准接收机所测出的基准站三维坐标为：X、Y、Z，则有校正值：8.3.5差分GPS（DGPS）定位原理则，动态接收机的修正公式为:000XXXYYYZZZ'''kkkkkkXXXYYYZZZ8.3.5差分GPS（DGPS）定位原理考虑到用户接收机位置校正值的瞬间变化，上式可写成：2.伪距差分法在伪距差分中基准接收机向动态用户发送的DGPS数据是“伪距校正值”。'0'0'0()/()()/()()/()kkkkkkXXXdXdtttYYYdYdtttZZZdZdttt8.3.5差分GPS（DGPS）定位原理3.载波相位差分法RTDGPS（RealTimeDGPS）①测相伪距修正法考虑星历误差引起的距离偏差、多路径效应以及接收机噪声，则基准站r与卫星j之间的伪距观测值为：为多路径效应引起的偏差，为接收机噪声rmr8.3.5差分GPS（DGPS）定位原理,,()()()()()()()()()jjjjrrrrIjjrTrrrtRtcttctttttmtt同理，用户接收机k的伪距观测值为：又，星站间伪距改正为：当用户距基准站距离较小时（100km），有：为残差,,()()()()()()()()()jjjjjjkkkkIkTkkktRtcttctttttmtt()()()jjjrrrttt()[()()][()()]jkrkrkrdtcttttmtmt()()()()jjjj