第七章_GPS技术及应用

二、载波相位测量原理
载波相位测量的精度可以达到毫米级至 亚毫米级。 亚毫米级。 载波相位测量是利用接收机测定 GPS 卫 星自发送信号时刻到接收到该信号 L1 载波 （或 L2）的相位变化数 ϕ ，依式
ρ = λϕ / 2π
（7-4）
图 7-7 载波相位测量原理
来求卫星至测站的距离。 来求卫星至测站的距离。 所示。 如图 7-7 所示。 ti 时刻卫星到接收机载波的相位变化为
二、地面监控系统
地面监控部分由1个主控站，5个监控站和 个注入站组成。 地面监控部分由 个主控站， 个监控站和3个注入站组成。 个主控站 个监控站和 个注入站组成
1．主控站 ．
卫星操控中心位于美国本土佛肯空军基地,其任务是收 集各监控站送来的所跟踪卫星的数据，并据此计算卫 星轨道、钟差参数和外推出未来24h的卫星轨道和卫星 钟参数，然后送至各注入站，此外还诊断卫星工作状 态，调整卫星姿态和调度卫星。
三、用户系统（接收机） 用户系统（接收机）
GPS接收机的主要任务 当GPS卫星从用户的地平线升起时，能够捕获跟踪所选 择的待测卫星，对所接收到的微弱卫星信号，进行变换、 放大和处理，以测量GPS信号从卫星到接收天线的传播 时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时计算出 测站（天线相位中心）的三维坐标，并根据预设置的更 新率，不断更新计算点位坐标，通过面板键盘的控制， 可以显示所需要数据信息。 按接机的卫星信号频率来分，有单频（L1）和双频（L1、 L2）接收机
ϕi = N 0 ⋅ 2π + Ni ⋅ 2π + ∆ϕi
N 0 为不可测的初始整周数，是未知的常数， N i 为整周数， ∆ϕi 为不足整 为不可测的初始整周数，是未知的常数， 整周数，
周的余数。 周的余数。
ρ ki = λ ( N 0 ⋅ 2π + Ni ⋅ 2π + ∆ϕi ) / 2π
= ( x i − xk ) 2 + ( y i − yk ) 2 + ( z i − zk ) 2
3．注入站 ．
分布在长瓦加兰岛、狄哥·伽西亚岛和阿森松岛的3个注 入站，接收主控站发送来的卫星星历和钟差信息。 当某颗GPS卫星飞越注入站上空时，用10cm（s）波段 的微波作载波，将该卫星的导航电文发给该卫星。每天 注入三次，每次注入14天的星历。此外，注入站能定时 自动向主控站报告自己的工作状态。
图 7－1 － GPS 卫星星座空间分布
圆形，平均高度约 20200km，运行周 期大约 11 小时 58 分。
GPS卫星的主体呈圆柱形，直径 约为1.5m，重约774kg，两侧各 安装两块双叶太阳能电池板，能 自动对日定向，GPS卫星带有4台 高精度原子钟，其中2台为铷钟， 2台为铯钟。原子钟为GPS定位提 供高精度的时间标准。此外，每 颗卫星上装有微型计算机、电文 接收存储和信号发射设备，并由 太阳能电池提供电源。还备有少 量燃料，用来调节卫星的轨道和 姿态。
第五节 GPS测量的实施
GPS测量按其工作性质可分为外业工作和内业工作两大部 分。外业工作主要包括选点、建立标志、野外观测作业等； 内业工作主要包括GPS控制网技术设计、数据处理和技术 总结等。
i Pki = ρ ki + d ρ ki + c * ( dt i − dTk ) + d ionk + d trop ik + d mp ik + ε P （7-1）
式中 Pki 为卫星 i 到接收机 k 的伪距； d ρ 为包括 SA 在内的星历误差影响（即轨 的伪距； 在内的星历误差影响 影响（ 道误差） ， 为接收机钟差； 为卫星钟差； 道误差） dT 为接收机钟差； dt 为卫星钟差；
ρ = X s − X k 为卫星发送信号时刻至接收机的几何距离， X s 是卫星 i 为卫星发送信号时刻至接收机的几何距离，
的 位 置 矢 量 ， Xk 是 测 站 k 的 位 置 矢 量 ，
ρ
可表示为： （1-2） ）
ρ ki = ( xi − xk ) 2 + ( y i − yk ) 2 + ( z i − zk ) 2
第七章 GPS技术及应用
第一节 概述 第二节 GPS系统组成 第三节 GPS定位原理 第四节 GPS定位误差 第五节 GPS测量的实施
第一节 概述
GPS是Global Positioning System英文,全球定位系统的简称。 GPS是美国国防部于1973年批准建立的新一代卫星导航系 统，它是一种可以授时和测距的空间交会定点的导航系统； 可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置、三维 速度和时间信息。
手 持 式 G P S
第三节 GPS定位原理
Pn 地 球 自 转 轴 O
起 始 子 午 线
γ
XICS
GAST
赤 道 E XITS
GPS坐标系(WGS-84)
一、伪距观测量
伪距观测量按精度可分为精码（ 伪距和粗码（ 伪距， 伪距观测量按精度可分为精码（P 码或 Y 码）伪距和粗码（C/A 码）伪距， 其中 P 码码长为 29.3m，C/A 码码长 293m。 ， 。 伪距观测量是通过卫星信号从发射时刻到接收机接收时刻的时延， 伪距观测量是通过卫星信号从发射时刻到接收机接收时刻的时延，然后乘 以光速得到的距离观测量。其关系为： 以光速得到的距离观测量。其关系为：
GPS卫星的主要作用
接收地面各注入站发送来的卫星星历（卫星在某时刻的位 置）、钟差信息和信号的大气传播改正等信息，并连续不断 地向用户发送含有上述信息的导航定位电文。每颗卫星用两 个L波段频率发射载波无线电信号（L1=1575.42MHZ， λL1=19cm，L2=1227.60MHZ，λL2=24cm），向用户发送 P码（精码，码长约30cm）和C/A码（粗码，码长约 300m），P码只供美国军方和受权用户使用。C/A码的测距 精度可达到20～40m。
2．监控站 ．
5个监控站分别建立在佛肯空军基地、夏威夷群岛、太 平洋的长瓦加兰岛、印度洋的狄哥·伽西亚岛和大西洋的 阿森松岛。 每个监控站装配有双频GPS接收机、气象元素传感器、 原子钟和微机。监控站是无人值守的GPS卫星跟踪站， 在微机控制下，对视场中所有GPS卫星进行伪距测量， 为了对观测值进行对流层延时改正，借助气象传感器自 动采集当地的温度、气压和相对温度，并将每隔1.5s的 观测结果，根据电离层和气象数据，采取平滑方法，获 得每15min的结果数据，并将这些数据发送到主控站。
的位置， 式中 ( xi , y i , z i ) 为发送信号时刻卫星 i 的位置， ( xk , yk , zk ) 为信号接收时刻 接收机 k 天线相位中心的位置。通过对 C/A 码进行测量的为 C/A 码 天线相位中心的位置。 伪距， 码伪距。 伪距，对 P 码进行测量的为 P 码伪距。C/A 码测量精度为 2.9m；P ； 码测量精度高一个数量级。所以， 码测量精度为 0.29m，比 C/A 码测量精度高一个数量级。所以，有 ， 码为粗码， 码称为精码。 时也称 C/A 码为粗码，P 码称为精码。 为了获得测站 的坐标， 颗以上卫星。 为了获得测站 k 的坐标，需要观测 3 颗以上卫星。
、相对定位
相对定位是用两台GPS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。在一个端点坐标已知的情况下，可以用基线向量 推求另一待定点的坐标。 进行相对定位，可有效地消除或减弱卫星轨道误差、卫星 钟表、接收机钟差、电离层延迟误差和对流层折射误等相 关误差的影响，从而提高定位的精度。相对定位是目前 GPS测量中精度最高的一种定位方法，它广泛用于高精度 测量工作中。
第二节 GPS系统组成
GPS系统主要由三个部分组成：空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。
一、空间系统
GPS 系统的星座部分主要由 24 颗 （21＋3）卫星构成，其中 21 颗为工 作卫星，另外 3 颗为备用卫星。这 24 颗卫星均匀分布在 6 个轨道平面内， 每个轨道面包含 4 颗卫星。轨道面相 对赤道面倾角为 55 度， 卫星轨道为椭
d ion 、 d trop 分别为电离层和
对流层传播延迟； 为真空光速， 对流层传播延迟； c 为真空光速， c =2.99792458×108m/s； dmp 为伪距的多路径 × ； 效应影响； 为伪距观测噪声。上标用于区分卫星，下标用于区分测站。 效应影响； ε P 为伪距观测噪声。上标用于区分卫星，下标用于区分测站。
四、载波相位实时差分技术
载波相位实时差分技术又称为RTK（Real Time Kinematic） 技术，它将GPS测量技术与数据传输技术相结合，通过实 时处理两个测站的载波相位来实时确定观测点的三维坐标， 并能达到厘米级的精度。
第四节 GPS定位误差
GPS定位测量的各种误差可归纳为三类： 第1类：同卫星有关的误差，包括卫星轨道误差和卫星钟 差； 第2类：同信号传播有关的误差，包括电离层误差、对流 层误差、周跳、接收机噪声和多路径误差； 第3类：同测站有关的误差，包括接收钟差和基地站（起 算点）WGS-84坐标的误差。