第七章gps定位技术

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1、第七章 GPS定位技术 7.1 概述 为了满足军事及民用部门对连续实时三维导航的需求，1973年美国 国防部开始研究建立新一代卫星导航系统，即授时与测距导航系统 / 全球 定位系统（Navigation System Timing and Ranging / Global Positioning SystemNAVSTAR / GPS），称为全球定位系统（GPS）。 GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精 度可达0.1m/s，测时的精度可达几十毫微秒。GPS可为各类用户连续提 供动态目标的三维位置、三维速度及时间信息。 随着GPS定位技术及数 据处理技术的不断完善，其精度

2、还将进一步提高。利用全球定位系统进 行导航，可实时确定运动目标的三维位置和速度，保障运动载体沿预定 航线运行，亦可选择最佳航线。 一、特点： 1. 观测站之间无需通视； 2. 定位精度高； 3. 观测时间短； 4. 提供三维坐标； 5. 操作简便； 6. 全天候作业 7.2 GPS系统的组成 空间部分： 24颗卫星提供星历和 时间信息发射伪距和载 波信号 提供其它辅助信息 用户部分： 接收并观测卫星信号 记录和处理数据 提供导航定位信息 地面控制部分： 中心控制系统 实现时间同步 跟踪卫星进行定轨 一、GPS系统组成 空间星座部分 地面监控部分 用户设备部分 二、空间间星座部分 1、GPS卫星

3、星座的构成 全球定位系统的空间卫星星座，由24 (3颗备用卫星) 颗卫星组 成。卫星分布在6个轨道面内，每个轨道上分布有4颗卫星。卫星轨 道面相对地球赤道面的倾角约为55，各轨道平面升交点的赤经相 差60。在相邻轨道上，卫星的升交距相差30。轨道平均高度约为 20200km，卫星运行周期为11小时58分。因此，同一观测站上， 每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前4分钟。每颗卫星每 天约有5个小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目， 随时间和地点而异，最少为4颗，最多可达11颗。 2、GPS卫星及其功能 1）、GPS卫星 GPS卫星的主体呈圆柱形，直径约为1.5m，重约774kg，两

4、侧设有两 块双叶太阳能板，能自动对日定向，以保证卫星正常工作用电。每颗卫星 装有4台高精度原子钟（2台铷钟和2 台铯钟），这是卫星的核心设备。它 将发射标准频率信号，为GPS定位提供高精度的时间标准。 2）、基本功能是： （1）、接收和储存由地面监控站发来的导航信息，并执行监控站的 控制指令； （3）、卫星上设有微处理机，能进行部分必要的数据处理工作； （3）、通过星载的高精度铯钟和铷钟提供精密的时间标准； （4）、向用户发送定位信息； （5）、在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用 备用卫星。 三、地面监控部分 GPS的地面监控部分是由分布在全球的5个地面站组成，其中包 括卫星

5、监测站、主控站和信息注入站。 1、监测站 5个地面站均具有监测的功能。监测站是在主控站直接控制下的 数据自动采集中心。站内设有双频GPS接收机、高精度原子钟、计算 机各一台和若干台环境数据传感器。接收机对GPS卫星进行连续观测 ，以采集数据和监测卫星的工作状况。原子钟提供时间标准，而环境 传感器收集有关当地的气象数据。所有观测资料由计算机进行初步处 理，并储存和传送到主控站，用以确定卫星的轨道信息。 2、主控站 主控站一个，设在美国本土科罗拉多斯平士（Colorado Springs）的联合空间执行中心CSOC。主控站除协调和管理地面 监控系统工作外，其主要任务是： 1）、根据本站和其他监测站

6、的所有观测资料，推算编制各卫 星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数等，并把这些数据 传送到注入站。 2）、提供全球定位系统的时间基准。各测站和GPS卫星的原 子钟，均应与主控站的原子钟同步，或测出其间的钟差，并 把这些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）、启用备用卫星，以代替失效的工作卫星。 3、注入站 注入站现有三个，分别设在印度洋的迭哥加西亚（Diego Garcia）、南大西洋的阿松森岛（Ascencion）和南太平洋的卡瓦 加兰（Kwajalein）。注入站的主要设备为一台直径为3.6m的天线 、一台C波段发射机和一台计算机。其主要

7、任务是在主控站的控制 下将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指 令等，注入到相应卫星的存储系统，并检测注入星系的正确性。 整个GPS的地面监控部分，除主控站外均无人值守。各站间 用通讯网络联系起来，在原子钟和计算机的驱动和精确控制下，各 项工作实现了高度的自动化和标准化。 四、用户设备部分 用户设备主要由GPS接收机硬件和数据处理软件，以及微处 理机及其终端设备组成，而GPS接收机的硬件，一般包括主机、 天线和电源，主要功能是接收GPS卫星发射的信号，以获得必要 的导航和定位信息，并经简单数据处理而实现实时导航和定位。 GPS软件部分是指各种后处理软件包，其主要作用是对观测数

8、据 进行精加工，以便获得精密定位结果。 7.3 GPS定位原理 一、 GPS绝对定位原理 利用GPS进行绝对定位的基本原理，是以GPS卫星和用户接收机天 线之间的距离观测量为基准，根据已知的卫星瞬时坐标，来确定用户接收 机天线所在的位置。实质是空间距离后方交会。又称伪距离测量。 1、动态绝对定位：当用户接收设备安置在 运动的载体上，确定载体瞬时绝对位置的 定位方法； 2、静态绝对定位：当接收机天线处于静止 状态时，来确定观测站绝对坐标的方法。 由于伪距有测码伪距和测相伪距之分 ，所以，绝对定位又可分为测码伪距绝对 定位和测相伪距绝对定位。 二、GPS相对定位原理（差分GPS定位） 1、静态相对

9、定位：用两台接收机分别安置在基线的两端点，其位置静 止不动，同步观测相同的4颗以上GPS卫星，确定基线两端点在协议地 球坐标系中的相对位置。采用载波相位观测量为基本观测量。 优点：精度高。 缺点：观测时间长。 2、动态相对定位：用两台GPS接收机，将一台接收机安设在基准站 上固定不动，另一台接收机安置在运动的载体上，两台接收机同步观 测相同的卫星，通过在观测值之间求差，以消除具有相关性的误差， 提高定位精度。而运动点位置是通过确定该点相对基准站的相对位置 实现的定位方法。 动态相对定位又分以测距码伪距为观测值的动态相对定位和以载 波相位为观测值的动态相对定位。 1）、测码伪距相对动态定位，是由

10、安置在基准点的接收机测量出 该点到GPS卫星的伪距，利用卫星星历数据可计算出基准站到卫星的 距离求差，将差值作为距离改正数传送给用户接收机，那么，用户就 得到了一个伪距改正值，可有效地消除或削弱一些公共误差的影响的 方法。 2）、载波相位动态相对定位法，是通过将载波相位修正值发送给用户 站来改正其载波相位实现定位的，或是通过将基准站采集的载波相位观测 值发送给用户站进行求差解算坐标实现定位。其定位精度在小区域范围内 (30km)可达1-2cm，是一种快速且高精度的定位法。 三、静态相对定位的观测方程及其解算 GPS观测误差对两个观测站或多个观测站同步观测相同卫星具有较 强的相关性，因此，一种简

11、单有效消除或减弱误差影响的方法是将这些观 测量进行不同的线性组合。在GPS相对定位中，通常采用的组合方式有三 种，即单差、双差和三差。 1、单差观测模型 1）单差(Single-Different-SD)是指不同观测站，同步观测相同卫星所 得观测量之差。 2)单差模型： 分析数据处理过程，测站间求单差的模拟观测模型具有下列优点。 （1）、消除了卫星钟误差的影响。 （2）、大大削弱了卫星星历误差的影响。 （3）、大大削弱了对流层折射和电离层折射的影响，在短距离内 几乎可以完全消除其影响。 1）双差(Doppel-Different-DD)即不同观测站，同步观测同一组卫星 ，所得单差观测量之差。

12、2）双差模型： 2、双差模型 3）优点：可以消除钟差影响 3、 三差模型 1）三差(Triple-Different-TD)，即于不同历元，同步观测同一组卫星 所得双差观测量之差。 2）三差模型： 3）优点：不存在整周未知数。 7.4 差分GPS测量原理 差分GPS根据其系统构成的基准站个数可分为单基准差分、多基准 的局部区域差分和广域差分。而根据信息的发送方式又可分为伪距差分 、相位差分及位置差分等。无论何种差分，其工作原理基本相同。是由 用户接收基准站发送的改正数，并对其测量结果进行改正以获得精密定 位结果的。它们的区别在于发送改正数的内容不同，其定位精度不同， 差分原理也有所不同。 一、

13、伪距差分原理 通过在基准站上利用已知坐标求出测站至卫星的距离，并将其 与含有误差的测量距离比较，然后利用一个滤波器将此差值滤波并 求出其偏差，并将所有卫星的测距误差传输给用户，用户利用此测 距误差来改正测量的伪距。最后，用户利用改正后的伪距求出自身 的坐标。 由于差分定位是利用两站公共误差的抵消来提高定位精度，而 其误差的公共性与两站距离有关，随着两站距离的增加，其误差公 共性逐渐减弱。因此，用户同基准站的距离对定位精度的影响起着 决定性作用。 二、位置差分原理 位置差分是一种最简单的差分方法。安置在已知点基准站上的 GPS接收机，经过对4颗或4颗以上的卫星观测，便可实现定位，求 出基准站的坐

14、档。由于存在着卫星星历、时钟误差、大气折射等误 差的影响，该坐标与已知坐标(X，Y，Z)不一样，存在误差。 基准站利用数据链将坐标改正数发送给用户站，用户站对其坐 标进行改正： 经过坐标改正后的用户坐标已消除了基准站与用户站的共同误差，如 卫星星历误差、大气折射误差、卫星钟差、SA政策影响等，提高了定位精 度。 坐标差分的优点是需要传输的差分改正数较少，计算方法较简单，任 何一种GPS接收机均可改装成这种差分系统。其缺点主要为： (1)要求基准站与用户站必须保持观测同一组卫星，由于基准站与用户 站接收机配备不完全相同，且两站观测环境也不完全相同，因此难以保证 两站观测同一组卫星，将导致定位误差

15、的不匹配，从而影响定位精度。 (2)坐标差分定位效果不如伪距差分好。 三、载波相位差分原理 在测距码差分GPS中，由于码结构及测量中随机噪声误差的限制 ，难以满足精密定位的要求。而载波相位测量的噪声误差大大小于测 距码测量噪声误差，在静态相对定位中已可达10-6-10-8的定位精度。 但是，求解整周未知数应进行1-2h的静止观测。因此，限制了载波位 测量的应用范围。 载波相位差分GPS定位与伪距差分GPS定位原理相类似，其基本 原理是：在基准站上安置一台GPS接收机，对卫星进行连续观测，并 通过无线电设备实时地将观测数据及测站坐标信息传送给用户站；用 户站一方面通过接收机接收GPS卫星信号，同

16、时通过无线电接收设备 接收基准站传送信息，根据相对定位原理进行数据处理，实时地以厘 米级的精度给出用户站三维坐标。 1、单基准站差分GPS(SRDGPS) 单基准站差分GPS是根据一个基准站所提供的差分改正信息对用户站 进行改正的差分GPS系统。该系统由基准站、无线电数据通迅链、用户站 三部分组成。 1）基准站 在已知点(基准站)上配备GPS卫星信号接收机，并应具备计算差分改 正和编码功能的软件。 2）无线电数据通风链 编码后的差分改正信息是通过无线电通讯设备传送给用户的，将这种 无线电通讯设备称为数据通讯链，它由基准站上的信号调制器、无线电发 射机和发射天线以及用户站的差分信号接收机和信号解调器组成。 3）用户站 用户站GPS接收机，用户站还应有用于接收差分改正数的无数电接收 机、信号解调器、计算软件及相应的接口设备等。 优点：结构和算法都较为简单 2、局部区域差分GPS系统(LADGPS) 在一个较大的区域布设多个基准站，以构成基准站网，位于该区域中 的用户根据多个基准站所提供的改正信息经平差计算后求得用户站定位改 正数，称局部区域差分GPS系统。 改正