【正文】 1 GPS原理及其應(yīng)用 2 第一章 GPS衛(wèi)星定位原理 ? 一、衛(wèi)星定位技術(shù)發(fā)展的回顧 ? 二、 GPS定位系統(tǒng)的組成 ? 三、 GPS定位的觀測(cè)方程 ? 四、 GPS衛(wèi)星測(cè)量的誤差來(lái)源 ? 五、差分法載波相位測(cè)量和觀測(cè)的線性組合 一、衛(wèi)星定位技術(shù)發(fā)展的回顧 ? 衛(wèi)星定位技術(shù)是利用 人造地球衛(wèi)星 進(jìn)行定位測(cè)量。五十年代美國(guó)國(guó)家大地測(cè)量局開(kāi)始利用 衛(wèi)星幾何光學(xué)觀測(cè)法 和 衛(wèi)星軌道跟蹤法 建立全球衛(wèi)星網(wǎng)和全球地心坐標(biāo)系，建立了一個(gè)由45個(gè)點(diǎn)組成的全球三角網(wǎng)。前蘇聯(lián)和若干歐洲國(guó)家也作了類似的工作。六十年代美國(guó)還完成了 多普勒衛(wèi)星定位系統(tǒng) 海軍子午導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（ NNSS）的布設(shè)，并于 1968年向民用開(kāi)放。前蘇聯(lián)也建立了一個(gè)由 12顆宇宙衛(wèi)星組成的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，自此揭開(kāi)了衛(wèi)星定位的新篇章。接著美國(guó)在七十年代又開(kāi)始研制第二代衛(wèi)星定位系統(tǒng) 全球定位系統(tǒng)（ GPS）。 一、衛(wèi)星定位技術(shù)發(fā)展的回顧 ? 1978年 2月 22日，第 1顆 GPS試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射成功， 1985年 10月 9日最后一顆 GPS試驗(yàn)衛(wèi)星入軌運(yùn)行； 1989年 2月 14日，第 1顆 GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功，宣告了 GPS系統(tǒng)進(jìn)入了生產(chǎn)作業(yè)階段； 1994年全部完成 24顆工作衛(wèi)星（含 3顆備用衛(wèi)星）的發(fā)射工作。 ? GPS系統(tǒng)的出現(xiàn)，使衛(wèi)星定位技術(shù)發(fā)展到了一個(gè)輝煌的歷史階段。 二、 GPS定位系統(tǒng)的組成 GPS定位技術(shù)是利用高空中的 GPS衛(wèi)星 ，向地面發(fā)射 L波段的載頻無(wú)線電測(cè)距信號(hào) ，由地面上 用戶接收機(jī)實(shí)時(shí)地連續(xù)接收，并計(jì)算出接收機(jī)天線所在的位置。 GPS定位系統(tǒng)由以下三個(gè)部分組成： （ 1） GPS衛(wèi)星星座（空間部分） （ 2）地面監(jiān)控系統(tǒng)（地面控制部分） （ 3） GPS信號(hào)接收機(jī)（用戶設(shè)備部分）。 這三部分有各自獨(dú)立的功能和作用，對(duì)于整個(gè)全球定位系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它們都是不可缺少的。 GPS衛(wèi)星 ? 目前覆蓋全球的 “ GPS星座 ” （ 24顆 ） ， 使得在地球上任何地方可以同時(shí)觀測(cè)到 412顆 高度角 15?以上的衛(wèi)星 。 24顆 GPS衛(wèi)星分布在 6個(gè)近圓形軌道面 ， 高度在地面以上約 20200km， 軌道面相對(duì)于地球赤道面傾斜 55?角 ， 衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)周期約 11小時(shí) 58分（ 半個(gè)恒星日 ） 。 這樣在各地每天出現(xiàn)的衛(wèi)星情況提前 4分鐘與上一次的相同 。 ? 在 GPS定位系統(tǒng)中 ， GPS衛(wèi)星的作用是： （ 1） 向廣大用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導(dǎo)航定位信號(hào) ， 用導(dǎo)航電文報(bào)告自己的 現(xiàn)勢(shì)位置 ，以及其它在軌衛(wèi)星的 概略位置 。 （ 2） 在飛越注入站上空時(shí) ，接受由地面注入站發(fā)送來(lái)的 導(dǎo)航電文和其它有關(guān)信息 ， 供實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)給地面上廣大用戶 。 （ 3） 接收地面主控站通過(guò)注入站發(fā)送到衛(wèi)星的調(diào)度命令 。 （一） GPS衛(wèi)星和星座 GPS衛(wèi)星分布圖 （二）地面監(jiān)控系統(tǒng) ? 地面監(jiān)控系統(tǒng) 由一個(gè) 主控站 、 三個(gè)注入站 和 五個(gè)監(jiān)測(cè)站 組成 。 ? 主控站的作用： 收集各個(gè)監(jiān)測(cè)站所測(cè)得的偽距和積分多普勒觀測(cè)值 、 環(huán)境要素等數(shù)據(jù) ， 計(jì)算每顆 GPS衛(wèi)星的 星歷 （ 軌道參數(shù) ） 、 時(shí)鐘改正量 、 狀態(tài)數(shù)據(jù) 、 以及信號(hào)的大氣層傳播改正 ， 并按一定的形式編制成導(dǎo)航電文 ， 傳送到主控站 ， 此外還控制和監(jiān)視其余站的工作情況并管理調(diào)度 GPS衛(wèi)星 。 （二）地面監(jiān)控系統(tǒng) ? 注入站的作用： 將主控站傳來(lái)的導(dǎo)航電文 ， 用 10cm（ S） 波段的微波作載波 ， 分別注入到相應(yīng)的 GPS衛(wèi)星中 ， 通過(guò)衛(wèi)星將導(dǎo)航電文傳遞給地面上的廣大用戶 。 由于導(dǎo)航電文是 GPS用戶所需要的一項(xiàng)重要信息 ，通過(guò)導(dǎo)航電文才能確定出 GPS衛(wèi)星在各時(shí)刻的具體位置 ， 因此注入站的作用是很重要的 。 ? 監(jiān)測(cè)站的任務(wù)： 為主控站編算導(dǎo)航電文提供原始觀測(cè)數(shù)據(jù) 。 每個(gè)監(jiān)測(cè)站上都有 GPS信號(hào)接收機(jī)對(duì)所見(jiàn)衛(wèi)星作偽距測(cè)量和積分多普勒觀測(cè) ， 采集環(huán)境要素等數(shù)據(jù) ， 經(jīng)初步處理后發(fā)往主控站 。 (三 ) 用戶設(shè)備部分 ? GPS的 空間部分 和 地面監(jiān)控部分 ，為用戶利用該系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航和定位提供了基礎(chǔ)。而用戶要實(shí)現(xiàn)利用 GPS進(jìn)行導(dǎo)航 和 定位 的目的，還需要具備 GPS信號(hào)接收機(jī) ，即 用戶設(shè)備部分 。 其作用： 接收 GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，獲得必要的導(dǎo)航和定位信息及觀測(cè)量，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后獲得觀測(cè)時(shí)刻接收機(jī) 天線相位中心 的 位置坐標(biāo)。 ? 用戶設(shè)備部分： 由 GPS接收機(jī) 和 數(shù)據(jù)處理軟件 組成。GPS接收機(jī)有多種分類，對(duì)于大地測(cè)量應(yīng)用來(lái)說(shuō)，一般都是采用 單頻接收機(jī) 或 雙頻接收機(jī) ，后者可作雙頻載波相位精密測(cè)量，定位精度高。 （四） GPS的主要特點(diǎn) ? 全球地面覆蓋。 ? 功能多，精度高。 ? 實(shí)時(shí)定位。 ? 應(yīng)用廣泛。 ? 觀測(cè)站之間無(wú)需通視。 傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)既要保持良好的 通視條件 ，又要保障測(cè)量控制網(wǎng)的良好 結(jié)構(gòu) ，這一直是在實(shí)踐方面的困難問(wèn)題之一。GPS測(cè)量不要求觀測(cè)站之間 相互通視 ，因而不再需要建造覘標(biāo)，這一優(yōu)點(diǎn)既可大大減少測(cè)量工作的經(jīng)費(fèi)和時(shí)間，同時(shí)也使點(diǎn)位的選擇變得甚為靈活。 不過(guò)為了使接收 GPS衛(wèi)星的信號(hào)不受干擾，必須保持觀測(cè)站上空的開(kāi)闊（凈空）。 相對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)， GPS的主要特點(diǎn)有： ● 定位精度高 。 現(xiàn)已完成的大量實(shí)驗(yàn)表明 ， 目前在小于 50km的基線上 ， 其相對(duì)定位精度可達(dá) 1～ 2 106，而在 100km～ 500km的基線上可達(dá) 106 ～ 107。 隨著觀測(cè)技術(shù)與數(shù)據(jù)處理方法的改善 ， 可望在大于 1000km的距離上 ， 相對(duì)定位精度可達(dá)到或優(yōu)于 108。 ● 觀測(cè)時(shí)間短 。 目前 ， 利用經(jīng)典的靜態(tài)定位方法 ， 完成一條基線的相對(duì)定位所需要的觀測(cè)時(shí)間 ， 根據(jù)要求的精度不同 ， 一般約為 1～ 3小時(shí) 。 為了進(jìn)一步縮短觀測(cè)時(shí)間 ， 提高作業(yè)速度 ， 近年來(lái)發(fā)展的短基線 （ 例如不超過(guò) 20km） 快速相對(duì)定位法 ， 其觀測(cè)時(shí)間僅需數(shù)分鐘 。 ● 提供三維坐標(biāo) 。 GPS測(cè)量 ， 在精確測(cè)定觀測(cè)站 平面位置 的同時(shí) ， 可以精確測(cè)定觀測(cè)站的 大地高程 。 GPS測(cè)量的這一特點(diǎn) ， 不僅為研究大地水準(zhǔn)面的形狀和確定地面點(diǎn)的高程開(kāi)辟了新途徑 ， 同時(shí)也為其在航空物探 ， 航空攝影測(cè)量及精度導(dǎo)航中的應(yīng)用 ， 提供了重要的高程數(shù)據(jù) 。 ● 操作簡(jiǎn)便 。 GPS測(cè)量的自動(dòng)化程度很高 ， 在觀測(cè)中測(cè)量員的主要任務(wù)只是安置并開(kāi)關(guān)儀器 ， 量取儀器高 ，監(jiān)視儀器的工作狀態(tài)和采集環(huán)境的氣象數(shù)據(jù) ， 而其它觀測(cè)工作 ， 如衛(wèi)星的捕獲 ， 跟蹤觀測(cè)和記錄等均由儀器自動(dòng)完成 。 另外 ， GPS用戶接收機(jī)一般重量較輕 ，體積較小 ， 因此攜帶和搬運(yùn)都很方便 。 ● 全天侯作業(yè) 。 GPS觀測(cè)工作 ， 可以在任何地點(diǎn) ， 任何時(shí)間連續(xù)地進(jìn)行 ， 一般也不受天氣狀況的影響 。 三、 GPS定位的觀測(cè)方程 （一） 偽距法 GPS全球定位系統(tǒng)的基本定位方法，是通過(guò)測(cè)量信號(hào) 從衛(wèi)星到接收機(jī)的傳播時(shí)間 ，得到 衛(wèi)星與接收機(jī) 之間的 距離 ，然后根據(jù) 多個(gè)這樣的距離 來(lái)解算接收機(jī)天線所在的 位置坐標(biāo) 。假定衛(wèi)星和接收機(jī)的時(shí)鐘都是與 GPS系統(tǒng)的時(shí)間（或 UTC時(shí)間－－世界協(xié)調(diào)時(shí)）保持完全同步，即不存在衛(wèi)星鐘差與接收機(jī)鐘差，并且為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，也不考慮大氣層折射延遲（包括電離層和對(duì)流層）等的影響，則此時(shí)衛(wèi)星至地面接收機(jī)的距離，與信號(hào)傳播時(shí)間?之間有如下簡(jiǎn)單關(guān)系： 式中 c為光速。 ?cR ?? 式中 ? ?tR 為接收機(jī)時(shí)鐘與 GPS系統(tǒng)時(shí)間的同步差； ? ?tS 為衛(wèi)星鐘與 GPS系統(tǒng)時(shí)間的同步差； ? ?ta 為大氣層折射延遲影響（包括電離層和對(duì)流層的折射延遲）； ? ， XS、 XR 分別為 GPS衛(wèi)星和接收機(jī)在協(xié)議地球坐標(biāo)系（ WGS84系）中的地心矢量。 tcRPR ???22 )( RS XXR ??aSR tttt ??????? 實(shí)際上衛(wèi)星鐘與接收機(jī)鐘一般并沒(méi)有與 GPS系統(tǒng)時(shí)間完全同步，再考慮到大氣層折射延遲的影響，因此測(cè)量得到的并非真正的衛(wèi)星至接收機(jī)的 幾何直線距離 ，而是所謂的 偽距 PR： 在上式中， ?tS 可以由衛(wèi)星廣播電文查出，并在觀測(cè)方程中作相應(yīng)的改正； ?tR 是直接作為未知數(shù)，與測(cè)站坐標(biāo)等其它未知數(shù)一并求解； ?ta 為大氣層折射所致的多余時(shí)間延遲，其中電離層折射影響可以通過(guò)雙頻觀測(cè)技術(shù)予以消除，對(duì)單頻接收機(jī)則可通過(guò)有關(guān)模型予以粗略改正；對(duì)流層折射效應(yīng)可以通過(guò)選擇適當(dāng)延遲模型予以估算。 由于存在測(cè)站三維位置坐標(biāo)和接收機(jī)時(shí)鐘改正量四個(gè)未知數(shù) ，故至少需同時(shí) 對(duì)四個(gè)衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè) 才能對(duì)方程 求解，求出四個(gè)未知數(shù)。 tcRPR ???無(wú) SA時(shí) C/A碼單點(diǎn)定位精度 1530m 有 SA時(shí) C/A碼單點(diǎn)定位精度 100 m 軍用 P碼單點(diǎn)定位精度 3 m 精度 : GPS衛(wèi)星 ? GPS單機(jī)實(shí)時(shí)定位原理 (二 ) 載波相位測(cè)量方法 ? 由于載波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于測(cè)距碼的波長(zhǎng) ， 所以在分辨率相同的情況下 ， 載波相位的觀測(cè)精度遠(yuǎn)較碼相位的觀測(cè)精度高 。 載波相位觀測(cè)值的定義為 ? ? 式中： ?S(tS)為接收機(jī)于 tR時(shí)刻收到的衛(wèi)星信號(hào)的相位； ? ?R(tR)為接收機(jī)同時(shí)刻產(chǎn)生的參考信號(hào)的相位； ? tS、 tR 是 GPS系統(tǒng)時(shí)間或 UTC時(shí)間 。 ? 對(duì)于連續(xù)波 ， 載波相位測(cè)量的觀測(cè)方程可表示為： )()( RRSS tt ?????])([2 tcNt S ????? ???? ? 式中 ， ?為信號(hào)發(fā)射時(shí)刻 （ tS） 的衛(wèi)星至接收機(jī)距離 ，?=c/fS為信號(hào)波長(zhǎng) ， fS為衛(wèi)星信號(hào)頻率 ， N為初始觀測(cè)時(shí)刻傳播路徑上整波長(zhǎng)數(shù)目 （ 整周未知數(shù) ） ， ?t包括衛(wèi)星鐘與接收機(jī)鐘誤差和大氣層折射延遲等影響 。 ? 從上式中可以看到 ， 用精密的載波相位測(cè)量值解算時(shí) ， 除了同樣要考慮 衛(wèi)星鐘 與 接收機(jī)鐘 的 時(shí)間同步差 ， 以及 大氣層折射延遲 影響外 ， 還有 整周未知數(shù)的問(wèn)題 。 只有這些問(wèn)題都解決了 ， 才能得出高精度的衛(wèi)星測(cè)量定位結(jié)果 。 ])([2 tcNt S ????? ????基準(zhǔn)站 （坐標(biāo)已知） GPS衛(wèi)星 待定站 （坐標(biāo)未知） 差分定位精度 偽距： 5 m 相位： 厘 米 級(jí) 到 毫 米 級(jí) 差分 GPS定位原理 四、 GPS衛(wèi)星測(cè)量的誤差來(lái)源 ? GPS衛(wèi)星在距離地面約 20200公里的高空 ， 向地面上的廣大用戶發(fā)送測(cè)距信號(hào)和導(dǎo)航電文等信息 。 GPS定位的觀測(cè)量不可避免地會(huì)受到多種誤差源影響 。 按照這些誤差源的來(lái)源 ， 可分為三種情況： （ 1） 與 GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差 、 （ 2） 與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差 、 （ 3） 與接收設(shè)備有關(guān)的誤差 。 以下作簡(jiǎn)要的分析： ? (一 ) 與 GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差 ? 1． 衛(wèi)星星歷誤差 : 它是指廣播星歷或其它軌道信息給出的 衛(wèi)星理論位置與實(shí)際位置之間的差值 。 前面已經(jīng)提到過(guò) ， GPS衛(wèi)星星歷是由布設(shè)在地面上監(jiān)測(cè)站連續(xù)跟蹤觀測(cè) GPS衛(wèi)星 ， 再由主控站對(duì)衛(wèi)星作精密定軌計(jì)算得到的 。 而廣播星歷又是由定軌結(jié)果外推得出 ， 因此廣播星歷的精度是有限的 。 ? 2． 衛(wèi)星鐘誤差： 與衛(wèi)星位置是時(shí)間的函數(shù) ， 所以 GPS的觀測(cè)量均以精密測(cè)時(shí)為前提 。 雖然 GPS衛(wèi)星均配有高精度的原子鐘 ， 但它們與理想的 GPS時(shí)之間仍會(huì)有偏差或漂移 ， 難以避免 。 由此引起的等效距離誤差在 。 (二 ) 與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差 ? GPS信號(hào)傳播的誤差： 是 大氣折射誤差 和 多路徑效應(yīng) 引起的 。 而大氣折射誤差 又分為 電離層折射影響和對(duì)流層折射影響 。 ? 多路徑效應(yīng) ：是指接收機(jī)天線除直接收到來(lái)自 GPS衛(wèi)星的信號(hào) 外 ，還可能收到天線周圍 地物反射來(lái)的信號(hào) 。 這 兩種信號(hào)疊加 在一起將會(huì)引起測(cè)量參考點(diǎn) （ 相位中心 ） 的變化 ， 而且這種變化隨天線周圍反射面的性質(zhì)而異 ， 難以控制 。 多路徑效應(yīng)具有周期性誤差 ， 其變化幅度可達(dá)數(shù)厘米 。 ? 消除或減弱多路徑效應(yīng)，除了采用載波相位測(cè)量方法外，一般是采用造型適宜且屏蔽良好的天線。這種天線一般裝備有 抑徑板或抑徑圈 ，可以阻擋來(lái)自水平面以下的多路徑信號(hào)被接收。 (三 ) 與接收設(shè)備有關(guān)的誤差 ? 主要有：觀測(cè)誤差 、 接收機(jī)鐘差 、 相位中心誤差和載波相位觀測(cè)的整周不定性誤差等 。 ? 1． 觀測(cè)誤差： 分觀測(cè)的分辨誤差 、 接收機(jī)天線的安置誤差 。 ? 2． 接收機(jī)的鐘差： 可在數(shù)據(jù)處理中作為未知數(shù)來(lái)解出 。 在作差分法相對(duì)定位時(shí) ， 也可