GPS卫星定位基本原理-GPS原理及应用课件.ppt

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1、第六章 GPS卫星导航,主讲：马福义,http:/,测量实验室 制作,内容提要,GPS用于测速/测时/测姿态,6.3,http:/,测量实验室 制作,所谓导航，就是引导航行的意思；也就是确定航行体运动到什么地方和向哪个方向运动的意思。,http:/,测量实验室 制作,卫星导航事用导航卫星发送的导航定位信号引导运动载体安全到达目的地的一门新兴科学。GPS卫星所发送的导航定位信号，是一种可供无线电用户共享的空间信息资源；陆地、海洋和空间的广大用户，只要持有一种能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收机，就可以全天候和全球性的测量运动载体的七维状态参数（三维坐标、三维速度、时间）和三维姿态参数,h

2、ttp:/,测量实验室 制作,其用途之广，影响之大，是任何其它接收机设备望尘莫及的；上至航空航天器，下至打鱼船、导游、摄影和农业生产，均可利用GPS信号接收机。不仅如此，GPS卫星的入轨运行，还为大地测量学、地球动力学、地球物理学、天体力学、载人航天学、全球海洋学和全球气象学提供了一种高精度和全天候的测量新技术。,http:/,测量实验室 制作,GPS在导航领域的应用，有着比GPS静态定位更广阔的前景，两者相比较，GPS导航具有：用户多样、速度多变、定位实时、数据和精度多变等特点。因此，应该依据GPS动态测量的这些特点，选购适宜的接收机，采用适当地数据处理方法，以便获得说要求的运动载体的七维状

3、态参数和三维姿态参数的测量精度。,http:/,测量实验室 制作,根据用户的应用目的和精度要求的不同。GPS动态定位方法也随之不同。从目前的应用来看，主要有以下几种方法：（1）单点动态定位；（2）实时差分动态定位；（3）后处理差分动态定位。,http:/,测量实验室 制作,http:/,测量实验室 制作,1、单点动态定位它是用安设在一个运动载体上的GPS信号接收机，自主地测得该运动载体的实时位置，从而描绘出该运动载体的运动轨迹。所以单点动态定位又叫绝对动态定位。例如，行驶的汽车和火车，常用单点动态定位。,http:/,测量实验室 制作,2、伪距差分动态定位所谓差分动态定位（DGPS），就是用两

4、台接收机在两个测站上同时测量来自相同GPS卫星的导航定位信号，用以联合测得动态用户的精确位置。,http:/,测量实验室 制作,其中一个测站是位于已知坐标点，设在该已知点（又称基准点）的GPS信号接收机，叫做基准接收机。它和安设在运动载体上的GPS信号接收机（简称为动态接收机）同时测量来自相同GPS卫星的导航定位信号。,http:/,测量实验室 制作,基准接收机所测得的三维位置与该点已知值进行比较，便可获得GPS定位数据的改正值。如果及时将GPS改正值送给若干台共视卫星用户的动态接收机，而改正后者所测得的实时位置，便叫做实时差分动态定位。,http:/,测量实验室 制作,3、动态载波相位差分测

5、量GPS载波相位测量方法不仅使用于静态定位，同样也适用于动态定位，并且已获得了厘米纪的三维位置精度。,http:/,测量实验室 制作,1、GPS测速 利用GPS信号测得运动载体的运动速度，叫做GPS测速。只要在这些运动载体上安设GPS信号接收机，就可以在进行动态定位的同时。实时的测得他们的运动速度。利用GPS信号进行速度测量。是基于站星距离的测量。,http:/,测量实验室 制作,2、GPS定时GPS卫星都安装有四台原子时钟，GPS时间受到美国海军天文台（USNO）经常性的监制。GPS系统的地面主控站以优于5ns的精度，使GPS时间和世界协调时UTC之差保持在1us以内。,http:/,测量实

6、验室 制作,利用GPS信号进行时间传递，一般采用下列两种方法：（1）一站单机定时法在一个已知位置测站上，用一台GPS信号接收机观测一颗GPS卫星，从而测定用户时钟的偏差。（2）共视比对定时法在两个测站上各安设一台GPS信号接收机，在相同的时间内，观测同一颗GPS卫星，而测定用户时钟的偏差。,http:/,测量实验室 制作,3、GPS干涉仪载体姿态测量GPS干涉仪包括两个在距离上分离的天线，通过测量多颗卫星在两个天线上的载波相位差，可解得两个天线组成的基线矢量。由三个线性无关的干涉仪便可测得载体的三个姿态角。GPS干涉仪由两副天线和一台GPS接收机组成。,http:/,测量实验室 制作,1、基本

7、概念 在航行过程中，GPS定位系统能够实时提供给航行体位置信息（坐标），结合计算机中储存的航行路径中各航路点位置信息，可以计算出各种可用来纠正航行偏差、指导正确航行方向的制导参数，如应航迹角、偏航距和待航距离（待航时间）等。,http:/,测量实验室 制作,2、GPS单机导航单机导航就是在航行体上仅装配一台GPS接收机，单独实施导航，如在地质勘探、资源调查、船只航行、汽车导航等方面，得到广泛的应用。因为一台GPS接收机只要能接收到4颗以上的卫星信号便可测定所处的位置。因此操作和使用非常简单，价格也便宜，且具有全天候、全球性、较高精度及实时三维定位和测速能力。,http:/,测量实验室 制作,G

8、PS用于汽车导航,http:/,测量实验室 制作,3、差分GPS导航差分GPS导航有两种工作方式：（1）位置差分法差分接收机和用户接收机一样，通过伪距测量确定自己的位置。把测量确定的位置数据和已知位置数据比较，即得位置校正量x,y,z。通过发射机把这些位置修正信息发送给用户接收机，用户接收机用以校正自己的输出坐标。（2）伪距差分法,http:/,测量实验室 制作,地面接收机对所有可见卫星测量伪距，并根据星历数据和已知位置计算用户到卫星的距离，两者相减得到伪距误差。把伪距误差作为修正信息发送给用户接收机，用户接收机用来修正自己测量的伪距，然后进行定位计算。这种方法不要求用户接收机和地面接收机使用

9、相同的星座，使用方便，但对地面接收机要求的通道数多。,http:/,测量实验室 制作,http:/,测量实验室 制作,4、GPS/惯性综合导航GPS/惯性综合，克服了各自缺点，取长补短，使综合导航精度高于两个系统单独工作的精度。GPS接收机和惯性导航系统的综合，按照综合深度，可以把综合系统大体分为两类，一类叫松散综合或简易综合，另一类叫紧密综合,http:/,测量实验室 制作,1）松散综合 1）用GPS重调惯导 2）用位置、速度信息综合（2）紧密综合 1）用伪距、伪距率综合 2）用惯性速度信息辅助GPS接收机环路 3）用惯性位置和速度信息辅助GPS导航功能,第七章 GPS测量的误差来源及其影响

10、,主讲：马福义,http:/,测量实验室 制作,内容提要,与卫星有关的误差,7.3,http:/,测量实验室 制作,GPS测量是通过地面接收机设备接收卫星传送的信息来确定地面点的三维坐标。测量结果的误差主要来源于GPS卫星、卫星信号的传播过程和地面接收设备。在高精度的GPS测量中（如地球动力学研究），还应注意到与地球整体运动有关的地球潮汐、负荷潮及相对论效应等地影响。下表给出了GPS测量的误差分类及各项误差队距离测量影响。,http:/,测量实验室 制作,上述误差。按误差性质可分为系统误差与偶然误差两类。,http:/,测量实验室 制作,偶然误差主要包括信号的多路径效应，系统误差主要包括卫星的

11、星历误差、卫星钟差、接收机钟差以及大气折射的误差等。其中系统误差无论从误差的大小还是对定位结果的危害性都比偶然误差要大得多，它是GPS测量的主要误差源。同时系统误差有一定的规律可循，可采取一定的措施加以消除。,http:/,测量实验室 制作,与信号传播有关的传播 1、电离层折射（1）电离层及其影响当GPS信号通过电离层时，如同其它电磁波一样，信号的路径会发生弯曲，传播速度也会发生变化。所以用信号的传播时间乘上真空中光速而得到的距离就会不等于卫星至接收机间的几何距离，这种偏差叫电离层折射误差。（2）减弱电离层影响的措施1）利用双频观测2）利用电离层改正模型加以改正3）利用同步观测值求差,http

12、:/,测量实验室 制作,http:/,测量实验室 制作,2、对流层折射（1）对流层及其影响对流层与地面接触并从地面得到辐射热能，其温度随高度的上升而降低，GPS信号通过对流层时，也使传播的路径发生弯曲，从而使测量距离产生偏差，这种现象叫做对流层折射。（2）对流层折射的改正模型1）霍普菲尔德（Hopfield）公式2）萨斯塔莫宁（Saastamoinen）公式3）勃兰克（Black）公式（3）减弱对流层折射改正残差影响的主要措施1）采用上述对流层模型加以改正。2）引入描述对流层影响的附加待估参数，在数据处理中一并求得。3）利用同步观测量求差。,http:/,测量实验室 制作,3、多路径误差在GP

13、S测量中，如果测站周围的反射物所反射得卫星信号（反射波）进入接收机天线，这就将和直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏离真值产生所谓的“多路径效应”。（1）反射波（2）载波相位测量中的多路径误差（3）消弱多路径误差的方法,http:/,测量实验室 制作,1）选择合适的站址a、测站应远离大面积平静地水面b、测站不宜选择在山坡、山谷和盆地中c、测站应离开高层建筑物2）对接收机天线的要求a、在天线中设置仰径板b、接收机天线对于极化特性不同的反射信号应该有较强的抑制作用。,http:/,测量实验室 制作,1、卫星星历误差 有星历所给出的卫星在空间的位置与实际位置之差称为卫星星历误差。（1

14、）星历数据来源1）广播星历是卫星电文中携带的主要信息。2）实测星历它是根据实测资料进行拟合处理而直接得出的星历。,与卫星有关的误差,7.3,http:/,测量实验室 制作,（2）星历误差对定位的影响1）对单点定位的影响广播星历误差对测站坐标的影响一般可达数米、数十米、甚至上百米。2）对相对定位的影响相对定位时，因星历误差对两站的影响具有很强的相关性，所以在求坐标差时，共同的影响可自行消去，从而获得精度很高的相对坐标。,http:/,测量实验室 制作,（3）解决星历误差的方法1）建立自己的卫星跟踪网独立定轨2）轨道松驰法3）同步观测值法,http:/,测量实验室 制作,2、卫星钟的钟误差卫星钟的

15、钟差包括由钟差、频偏、频漂等产生的误差，也包含钟的随机误差。在GPS测量中，无论是码相位观测或载波相位观测，均要求卫星钟和接收机保持严格同步。经改正后，各卫星钟之间的同步差可保持在20ns以内，由此引起的等效距离偏差不会超过6m，卫星钟差和经改正后的残余误差，则需采用在接收机间求一次差等方法来进一步消除它。,http:/,测量实验室 制作,3、相对论效应相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的运动状态（运动速度和重力位）不同而引起卫星钟和接收机钟之间产生相对钟误差的现象。,http:/,测量实验室 制作,1、接收机钟误差 GPS接收机一般采用高精度的石英钟，其稳定度约为109。若接收机钟与卫星种

16、间的同步差为1us，则由此引起的等效距离误差约为300m。减弱接收机钟差的方法：（1）把每个观测时刻的接收机钟差当作一个独立的未知数，在数据处理中与观测站的位置参数一并求解。（2）认为各观测时刻的接收机钟差当作间是相关的，像卫星钟那样，将接收机钟差表示为时间多项式，并在观测量的平差计算中求解多项式的系数。这种方法可以大大减少未知数个数，该方法成功与否得关键在于钟误差模型的有效程度。（3）通过在卫星间求一次差来消除接收机的钟差。此法和（1）是等价的。,http:/,测量实验室 制作,2、接收机的位置误差接收机天线相位中心相对观测标石中心位置的误差，叫接收机位置误差。,http:/,测量实验室 制

17、作,3、天线相位中心位置的偏差在GPS测量中，观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准的，而天线的相位中心与其几何中心，在理论上应保持一致。可是实际上天线的相位中心随着信号输入的强度和方向不同而有所变化，即观测时相位中心的瞬时位置（一般称相位中心）与理论上的相位中心将有所不同，这种差别叫天线相位中心的位置偏移。这种偏差的影响，可达数毫米至数厘米。而如何减少相位中心的偏移是天线设计中的一个重要问题。,http:/,测量实验室 制作,在实际工作中，如果使用同一类型的天线，在相距不远的两个或多个观测站上同步观测了一组卫星，那么，便可以通过观测值得求差来消弱相位中心偏移地影响。,http:/,测量实验室 制作,其他误差地区自转的影响地球潮汐改正,下次课点名,测量实验室2007.10,