GPS实时差分动态定位技术

第22卷　第2期1998年4月

武汉交通科技大学学报

Journal of Wuhan T ransportation University

Vol.22　No.2Apr il 1998

GPS 实时差分动态定位技术

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甘俊英 张有为

(广东省五邑大学信息科学研究所　江门　529020)

摘要:全球定位系统GPS 是一个实时、全天候和全球性的星基导航定位系统.分析了全球定位系统GPS 的组成及功能,探讨了GPS 实时差分动态定位技术及其误差来源.GPS 实时差分动态定位这一高新技术必将进入社会生活的各个方面,为全社会提供服务.关键词:全球定位系统;差分动态定位;动态定位;实时定位技术中图法分类号:T N967.2

1　GPS 的组成

CPS(Global Positioning System)为全球定位系统,主要由GPS 卫星、地面监控系统和用户设备三部分组成.

全球定位的空间卫星由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成.工作卫星分布在6个轨道面内,每个轨道面分布3～4颗卫星.卫星轨道面相对地球赤道面的倾角为55°,各轨道面升交点的赤径相差60°,在相邻轨道面上,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11h 58min.因此,在同一测站上每天出现的卫星分布图相同,只是每天提前约4min .每颗卫星每天约有5h 在地面线上,同时位于地平线上的卫星数目随时间和地点而异,最少为4颗,最多为11颗.这样的空间配置,可保证在地球上任何时间、任何地点均至少可以同时观测到4颗卫星,加之卫星信号的传播和接收不受天气的影响,因此,GPS 是一种全球性、全天候的连续实时导航系统.

GPS 地面监控部分是由5个监控站、

3个注入站和一个基准站组成.基准站位于美国科罗拉多・斯平士(Colorado Spr ings)的联合空间执行中心(Consolidated Space Oper ation Center ),三个注入站分别设在大西洋、印度洋和太平洋的3个美国军事基地,即大西洋的阿森松(Ascension)岛、印度洋的狄哥・伽西亚(Diego Garcia )和太平洋的卡瓦加兰(Kwajalein),5个监控站除了位于基准站和3个注入站之外的4个站以外,还在夏

威夷设立了一个监控站,监控站为数据自动采集中心,配有双频GPS 接收机、高精度原子钟、环境数据传感器和大型计算设备,为基准站提供各种观测数据.基准站为系统管理和数据处理中心,其主要任务是利用本站及各监控站的观测数据推算各卫星的星历、卫星钟差和大气延迟修正参数,提供全球定位系统时间基准,并将这些数据传到注入站,调整偏离轨道的卫星,使之沿预定的轨道运行,启用备用卫星以代替失效的工作卫星.注入站将基准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相应卫星的存储系统,并监控注入信息的正确性.

用户部分包括GPS 接收机、天线、计算机及其处理软件.按照GPS 信号的不同用途,GPS 信号接收机可分成3大类:导航型、测地型和守时型.按照GPS 信号的应用场合,可以分为袖珍型、背负式、车载式、船用式、机载式、弹载式和星载式等7种类型.天线一般采用全向振子天线、小型螺旋天线和微带天线.微带天线将成为GPS 信号接收机的主要发展方向.GPS 信号接收机通过RS -232接口与PC 机进行实时通信,经常采用的是Visual Basic 4.0.因为该软件有专门的通信应用设计为MSCOMM.V BX 控件,编写通信程序显得很容易.

2　GPS 的实时差分动态定位技术

2.1　GPS 的实时差分动态定位原理

GPS 实时定位要求观测和数据处理在定位

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收稿日期 甘俊英:女,

的瞬间完成.GPS实时定位方式主要包括:单点动态定位、实时差分动态定位、后处理差分动态定位.

单点动态定位方式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行轨迹.故单点动态定位又称为绝对动态定位.行驶的火车常采用单点动态定位方式.

实时差分动态定位方式是用安设在一个运动载体的上GPS信号接收机,及安设在一个基准点上的另一台GPS信号接收机,联合测得该运动载体的实时位置,从而描绘出该运动载体的运行轨迹,故差分动态定位又称为相对动态定位.飞机着陆和船舰进港,由于要求较高的定位精度,一般采用实时差分动态定位方式.

后处理差分动态定位方式与实时差分动态定位方式的主要差别是,在运动载体和基准点之间,不像实时差分动态定位方式那样须进行无线电数据传输,而是在定位观测以后,对两台GPS信号接收机所采集的定位数据进行测后的联合处理,从而测得接收机所在运动载体的实时位置.在航空摄影测量时,用GPS信号测量每一个摄影瞬间的摄站位置,则采用后处理差分动态定位方式.

下面详细探讨GPS的实时差分动态定位方式.差分动态定位DGPS(Differential Global Po-sitionitg System),就是用2台接收机于2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.图1为差分动态定位原理框图.图中一个测站是位于业已测定的已知点,称为基准站.另一个是运动载体,称为动态用户.设在该已知点(基准点)的GPS信号接收机,叫做基准接收机.安设在动态用户上的GPS信号接收机,叫做动态接收机.基准接收机和动态接收机同时测量来自相同GPS卫星的导航定位信号.基准接收机所测得的三维位置与基准站数据进行比较,经过校正处理器的处理,便可获得GPS定位数据的校正值.如果及时将GPS 校正值通过校正发射器,发送给若干台共视卫星用户的动态接收机,经导航处理器,可获得动态用户的差分解.该差分解是经过基准站校正数据改正后所测得的动态用户的实时位置.

图1中,基准站坐标已知,基准接收机为单频GPS接收机,持续地进行伪距观测,由基准站坐标与卫星广播星历计算的每颗GPS卫星瞬时坐标之间求出的卫地距与同一时刻观测的伪距值相减

,即得该时刻该卫星的伪距改正数.同时求出每颗能观测到的卫星的伪距改正数,并实时传送给用户.用户接收到这种伪距改正数并加到观测得到的伪距上,即得到改正后的伪距值,根据卫星广播星历和至少4颗以上卫星的伪距值即可求出用户站较精确的坐标.

图1　GP S差分动态定位原理框图

2.2　GPS定位的观测值及误差来源

GPS观测值是某一时刻未知动态用户坐标、卫星坐标、钟差相位整周模糊度及各种延迟的函数,可表示为

Q=f(X T,X S,$t,N,E)

式中:　Q——GPS观测值;

X T——动态用户位置参数;

X S——卫星位置参数;

$t——钟差参数;

N——整周模糊度;

E——其他延迟及误差.

在实际应用中,除可获取上述观测值外,还可得到卫星星历.卫星星历包括用以确定各卫星位置的参数、卫星钟差修正及其它改正信息.由此可确定某一时刻的卫星坐标及相应的钟差改正.因此在上述观测方程中,测站坐标、接收机钟差和整周模糊度为实际待定参数.

GPS定位的误差源包括:卫星星历误差、卫星钟误差和电离层折射引起的时间延迟误差.了解GPS定位的误差源,目的是为了提高定位精度.目前,利用GPS实时差分动态定位技术,可使定位精度达5～10m.

3　总结与展望

在GPS系统设计之初,美国国防部的主要目的是使GPS系统能够在海陆空3个领域内提供实时、全天候和全球性的导航服务,并用于情报收

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