06第六章 全球定位系统简介

第六章 全球定位系统简介第一节 概述GPS是英文Global Positioning System （全球定位系统）的简称，而其中文简称 为“全球定位系统”。GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间 卫星导航定位系统 。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性 的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球 战略的重要组成。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆 盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。一、全球定位系统的主要特点：1、定位精度高应用实践已经证明,GPS相对定位精度在50KM以内可达10-6,100-500KM可达10-7, 1000KM可达10-9。在300-1500M工程精密定位中，1小时以上观测的解其平面其平面位 置误差小于1mm,与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较，其边长较差最大为0.5mm, 校差中误差为 0.3mm。2、观测时间短随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20KM以内相对静态定位，仅需 15-20分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15KM以内时，流 动站观测时间只需1-2分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。3、全球、 全天候工作4、功能多应用广二、GPS系统的组成1空间部分如图6-1, GPS的空间部分是由21颗工作卫星组成,它位于距地表20 200km的上空， 均匀分布在 6 个轨道面上（每个轨道面 4 颗） , 轨道倾角为 55。此外, 还有 3 颗有源 备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的 卫星，并能在卫星中预存的导航信息oGPS的卫星因为大气摩擦等问题，随着时间的推移， 导航精度会逐渐降低。图6-1 GPS卫星星座2. 地面控制系统地面控制系统由监测站(Moni tor Stat ion)、主控制站(Mas ter Moni tor Stati on)、 地面天线(Ground Antenna)所组成，主控制站位于美国科罗拉多州春田市(Colorado Spring)。地面控制站负责收集由卫星传回之讯息，并计算卫星星历、相对距离,大气校 正等数据。3用户设备部分用户设备部分即GPS信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选 择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量 出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率， 解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数 据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理 位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及 GPS 数据的后处 理软件包构成完整的 GPS 用户设备。 GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部 分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时 不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器 供电，以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野 外观测使用。其次则为使用者接收器，现有单频与双频两种，但由于价格因素，一般使用 者所购买的多为单频接收器。图 6-2 为上述3 部分通讯示意图图 6-2 GPS 系统示意图第二节 GPS 测量原理GPS 导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然 后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以 根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信 号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到（由于大气层电离层的干扰，这一距 离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）:当GPS卫星正常工作时，会不 断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的 伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P（Y）码。C/A码频率1.023MHz,重复周 期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m； P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间 距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文 包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从 卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个 子帧每帧长6s。前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共 15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的 则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比 便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时 所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受 机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外， 还要引进一个At即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个 未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。GPS 接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月 内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几 米至几十米（各个卫星不同，随时变化）；以及GPS系统信息，如卫星状况等。GPS 接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误 差及大气传播误差，故称为伪距。对C/A码测得的伪距称为C/A码伪距，精度约为20 米左右，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2米左右。GPS接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其他技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载 波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频移影响的卫星 信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量 测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星 振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只 能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度， 因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级 的定位精度也只能采用相位观测值。按定位方式， GPS 定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。单点定位就是根据 一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船 等的概略导航定位。相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观 测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或 工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。在 GPS 观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差， 在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被 抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大 气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离较远时（大气有明显差别）， 应选用双频接收机。第三节GPS接收机分类及GPS应用3.1 GPS 接收机的分类GPS 卫星接收机种类很多，根据型号分为测地型、全站型、定时型、手持型、集成 型；根据用途分为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式。3.1.1 按接收机的用途分类1. 导航型接收机 此类型接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。这类接收机一般采用C/A码伪距测量，单点实时定位精度较低，一般为10m,有SA影响时 为100m。这类接收机价格便宜，应用广泛。根据应用领域的不同，此类接收机还可 以进一步分为：车载型用于车辆导航定位；当通过硬件和软件做成GPS定位终端用于车辆定位的时候，称为车载GPS,但光有 定位还不行，还要把这个定位信息传到报警中心或者车载GPS持有人那里，我们称为第 三方。所以GPS定位系统中还包含了 GSM网络通讯（手机通讯），通过GSM网络用短信 的方式把卫星定位信息发送到第三方。通过微机解读短信电文，在电子地图上显示车辆 位置。这样就实现了车载GPS定位。航海型用于船舶导航定位；航空型用于飞机导航定位。由于飞机运行速度快，因此，在航空上用的接收机 要求能适应高速运动。星载型一一用于卫星的导航定位。由于卫星的速度高达7km/s以上，因此对接收机 的要求更高。2. 测地型接收机 测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精度高。仪器结构复杂，价格较贵。3. 授时型接收机这类接收机主要利用 GPS 卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无 线电通讯中时间同步。3.1.2 按接收机的载波频率分类单频接收机单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效 消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线15km)的精密定位。 双频接 收机双频接收机可以同时接收L1，L2载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样，可 以消除电离层对电磁波信号的延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密 定位。3.1.3 按接收机通道数分类GPS接收机能同时接收多颗GPS卫星的信号，为了分离接收到的不同卫星的信号， 以实现对卫星信号的跟踪、处理和量测，具有这样功能的器件称为天线信号通道。根据 接收机所具有的通道种类可分为：a) 多通道接收机b) 序贯通道接收机c) 多路多用通道接收机3.1.4 按接收机工作原理分类1) 码相关型接收机 码相关型接收机是利用码相关技术得到伪距观测值。2) 平方型接收机平方型接收机是利用载波信号的平方技术去掉调制信号,来恢复完整的载波信号， 通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差，测定伪距 观测值。3) 混合型接收机 这种仪器是综合上述两种接收机的优点，既可以得到码相位伪距，也可以得到载波相位观测值。4) 干涉型接收机这种接收机是将GPS卫星作为射电源，采用干涉测量方法，测定两个测站间距离。经过20余年的实践证明，GPS系统是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、 定位和定时的多功能系统。GPS技术已经发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的 国际性高新技术产业。目前，在GPS技术开发和实际应用方面,国际上较为知名的生产厂商有美国Trimble (天宝)导航公司、瑞士 LeicaGeosys tems (徕卡测量系统)、日本T0PC0N (拓普康) 公司，国内厂家主要有南方测绘、中海达、华测、科力达等。3.2 GPS 应用全球定位系统的主要用途分为以下三类：(1) 陆地应用，主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、 工程测量、变形监测、地壳运动监测、 市政规划控制等；(2) 海洋应用，包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、 海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等；(3) 航空航天应用，包括飞机导航、航空遥 感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制 导、航空救援和载人航天器防护探测等。下面举例具体说明1. GPS在道路工程中的应用GPS 在道路工程中的应用，目前主要是用于建立各种道路工程控制网及测定航测外 控点等。随着高等级公路的迅速发展，对勘测技术提出了更高的要求，由于线路长，已 知点少，因此，用常规测量手段不仅布网困难，而且难以满足高精度的要求。目前，国 内已逐步采用 GPS 技术建立线路首级高精度控制网，然后用常规方法布设导线加密。实 践证明，在几十公里范围内的点位误差只有2厘米左右，达到了常规方法难以实现的精 度，同时也大大提前了工期。GPS技术也同样应用于特大桥梁的控制测量中。由于无需 通视，可构成较强的网形，提高点位精度，同时对检测常规测量的支点也非常有效。 GPS 技术在隧道测量中也具有广泛的应用前景，GPS测量无需通视，减少了常规方法的中间 环节，因此，速度快、精度高，具有明显的经济和社会效益。2. GPS 在国家安全中的应用GPS在军事领域内被称为“战场定位天神”，美国军方开发GPS的主要目的，一是 用于精确地投放兵器，二是要求提供一种满足军用导航系统需求猛增状况的手段。军事 用途包括扫雷、飞机着陆、步兵作战行动。“沙漠风暴”行动几乎是一场无所不包的战 争，验证了 GPS 的效能，战术指挥官终于可以精确地知道部队的活动位置。3. GPS 应用于电离层监测GPS在监测电离层方面的应用，也是GPS空间气象学的开端。太空中充满了等离子 体、宇宙线粒子、各种波段的电磁辐射，由于太阳常在1 秒钟内抛出百万吨量级的带电 物，电离层由此而受到强烈干扰，这是空间气象学研究的一个对象。通过测定电离层对 GPS讯号的延迟来确定在单位体积内总自由电子含量(TEC),以建立全球的电离层数字模 型。GPS卫星发射L1和L2两个载波。由这两个载波可以削弱电离层对GPS定位的影响， 或者说可以求定电离层折射。因为这一折射和载波频率有关。当人们建立地区或全球电离层数字模型时，总是作简化的假定，所有自由电子含量 都表示在一个单层面上，该面离地面高为H。这样的话，电子含量正可以用在接收机和 卫星连线与此单层面交点(刺入点)处的电子含量Es表示，它可以视为E与刺入点处天 顶距Z的函数EcosZ=Es(式 6-1)可以将在球面上的电子浓度Es加以模型化，例如写成经纬度的球谐函数等，这方 面有很多专家提出了各种模型。 IGS 提出了一种电离层地图的交换格式 (10nosphere Map Exchange Format， IONEXFormat) ，它的作用是使基于各种理论和技术所获得的 电离层地图能在统一规格的基础上进行综合和比较。电离层模型有各不相同的理论基 础，而取得的数据来源的技术也不同，数据覆盖面也不完整，所以目前只能将IGS和全 球各种TEC的图和GPS卫星讯号的差分码偏差(differential code biasesDCBS)用 IONEX 形式向全世界用户提供，下一步将通过比较，逐步联合起来。4. GPS应用于对流层监测在GPS应用中，早期主要是轨道误差影响定位精度，而且早期的GPS基线相对来说 比较短，高差不大，因此对对流层的研究没有给予很大的重视。直到近期由于GPS轨道 精度大大提高后，对流层折射已成为限制GPS定位精度提高的一个重要障碍。假设一个 高程基本为零的地区，接收机所接收的GPS讯号从天顶方向传来的话，其延迟可以达到 2.22.6m这一量级，而2小时内这一延迟变化可达10cm不是少见的(所以IGS分析中 心提供的对流层参数是用2小时间隔一次)。也由于这个实际情况，对流层折射要顾及 其随机过程的变化来加以模型化。在GPS应用于对流层研究中，IGS的快速轨道和预报轨道信息对于天气预报会起重 大作用。此外，IGS通过德国GFZ的“IGS对流层比较和协调中心”提供的每2小时的 对流层天顶延迟系列就像是控制点，对于区域性或局部性的对流层研究来说，可以起到 对流层延迟绝对值的标定作用。与地基GPS大气监测不同，星基或空基GPS掩星法测定气象的技术有覆盖面广，垂 直分辨好，数据获取速度快的优点。这一技术的原理是将GPS接收机放在某一低轨卫星（LEO）或飞行器的平台上，该GPS接收机一方面起到对该卫星（或飞行器）精确定轨的作 用，同时又应用GPS掩星技术起到大气探测器的作用。在1997年进行的GPS/MET研究 项目，证实了这个设想是可行的。预定于2000年4月发射的CHAMP卫星要利用GPS掩 星法进行全球对流层折射（包括大气可降水分）的测定。第四节 全球四大卫星定位系统系统鉴于全球定位系统在科研、军事及民用方面的巨大应用，有实力的国家或地区也效仿美国研制了自主的全球定位系统。目前全球存在着四大GPS系统：美国GPS：由美国国防部于20世纪70年代初开始设计、研制，于1993年全部建成。 1994年，美国宣布在10年内向全世界免费提供GPS使用权，但美国只向外国提供低 精度的卫星信号。据信该系统有美国设置的“后门”，一旦发生战争，美国可以关闭对 某地区的信息服务。欧盟“伽利略”： 1999年，欧洲提出计划，准备发射30颗卫星，组成“伽利略” 卫星定位系统。欧洲“伽利略”计划是中高度圆轨道（MEO）方案，该系统将由30颗中高度圆轨道卫 星和2个地面控制中心组成，其中 27颗卫星为工作卫星，3颗为候补。卫星高度为24126 公里，位于3个倾角为56度的轨道平面内。预计伽利略系统于2008年建成，将为欧洲 公路、铁路、空中和海洋运输、欧洲共同防务甚至是徒步旅行者有保障地提供精度为1 米的定位导航服务，从而也将打破美国独霸全球卫星导航系统的格局。俄罗斯“GLONASS” ：始于上世纪70年代，需要至少18颗卫星才能确保覆盖俄罗 斯全境；如要提供全球定位服务，则需要24颗卫星。GLONASS工作测试开始于苏联1982年10月12日发射第一颗试验卫星，整个测试计 划分两个阶段完成。第一阶段（1982-1990年）到 1984-1985年，由 4颗卫星组成的试验系统达到验证系统的基本性能指标。空间 星座从1986年开始逐步扩展，到 1990年系统第一阶段的测试计划已经完成，当时空间 星座已有10颗卫星，布置在轨道面1（6颗）和轨道面3（4颗）上。该星座每天至少 能提供15小时的二维定位覆盖，而三维覆盖至少可达8小时。第二阶段（1990年-1995年）GLONASS测试计划的第二阶段主要完成对用户设备的测试，随着空间星座1996年1 月 18日最终布满24颗工作卫星而告结束。随后系统开始进入完全工作阶段。 GLONASS 由空间卫星系统（即空间部分）、地面监测与控制子系统（即地面控制部分）、用户设 备（即用户接收设备）三个基本部分组成。中国“北斗”：卫星导航系统是重要的空间信息基础设施。中国高度重视卫星导航系统的建设，一 直在努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航系统。2000 年，首先建成北斗导航试 验系统，使我国成为继美、俄之后的世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。该系 统已成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全 等诸多领域，产生显著的经济效益和社会效益。为更好地服务于国家建设与发展，满足 全球应用需求，我国启动实施了北斗卫星导航系统建设。2003年我国北斗一号建成并开通运行，不同于GPS,“北斗”的指挥机和终端之间可以双向交流。去年5月12日四川大地震发生后，北京武警指挥中心和四川武警部队 运用“北斗”进行了上百次交流。北斗二号系列卫星今年起将进入组网高峰期，预计在 2015 年形成由三十几颗卫星组成的覆盖全球的系统。目前，北京时间1 月 17 日零时 12 分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭，将第三颗“北斗”导航卫星 成功送入预定轨道。复习思考题1. 请简述GPS的特点。2. GPS 的定位原理是什么？3. GPS 的定位方法有哪些？4. 目前全球有多少卫星定位系统？目前状况如何？