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靜態(tài)gps的原理探討與研制-展示頁

2025-06-27 02:24本頁面
  

【正文】 章 靜態(tài)GPS的基本原理第一節(jié)GPS的組成情況全球定位系統(tǒng)主要有三大組成部分,即空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶部分。目前國際上約有53個廠家生產(chǎn)著172種用途廣泛的GPS信號接受機。對于世界各國的廣大用戶而言,使用GPS信號的關鍵設備是能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的接收機,稱之為GPS信號接受機。l 全天候作業(yè)。GPS測量的自動化很高。GPS測量,在精確測定觀測站平面位置的同時,還可以精確測定觀測站的大地高程。目前,利用經(jīng)典的靜態(tài)定位方法,完成一條基線的觀測時間根據(jù)精度的不同要求,一般需要13個小時而現(xiàn)在的快速定位方法的觀測時間僅需幾分鐘。具有關資料顯示,目前在小于50km的基線上,其相對精度可達12ppm。既要保持良好的通視,又要有良好的網(wǎng)形,這一直是在經(jīng)典測量中實踐上難以實現(xiàn)的困難之一??梢哉fGPS應用前景是廣泛的,市場是巨大的。GPS現(xiàn)已廣泛用于航空航海測量、大地測量、遙感、石油勘探、地震測量、野外救生、探險、防火等領域。海灣戰(zhàn)爭中,GPS為美國及其盟軍以極少的代價,在短的時間里取得勝利起到了重要作用。 正如人們所說:“GPS的應用,僅受人們的想象力制約。 該系統(tǒng)是由美國國防部出資100億元開發(fā)的一種無線電導航系統(tǒng),具有高精度、全天候、全球覆蓋能力,將于本世紀末取代所有的其他無線電導航系統(tǒng)。為了滿足軍事部門和民用部門,對連續(xù)實時和三維導航的迫切要求,1973年美國國防部便開始組織海路空三軍,共同研究建立了新一代衛(wèi)星系統(tǒng)的計劃。 目 錄第一章 概 述……………………………………………………..1第二章 靜態(tài)GPS的基本原理………………………………….….3 第一節(jié) 靜態(tài)GPS的組成情況……………………………....3 第二節(jié) 美國的限制性政策與用戶的措施…………….……5 第三節(jié) GPS相對定位原理……………………….…………7第三章 NGS200型GPS接收機簡介…………..………………….10第一節(jié) NGS200型GPS接收機的系統(tǒng)組成………………10第二節(jié) 性能及指標…………………………………….…….11第四章 用靜態(tài)GPS進行控制測量………………………………….12 第一節(jié) 概 述…………………………………. ………………12第二節(jié) GPS網(wǎng)的優(yōu)化設計……………………..………………13第三節(jié) 選點……………………..………………………………18第四節(jié) 觀測工作………………..………………………………19第五節(jié) 數(shù)據(jù)處理…………………..……………………………20第五章 GPS測量的誤差來源及其影響…………...………………..33第一節(jié) GPS測量誤差分類……………………...……………33第二節(jié) 消除、削弱誤差影響的措施…………………………39后 記………………………………………………..…………………..41參考文獻……………………………………….…………………………41第一章 概 述 全球定位系統(tǒng)(Global Positioning system—GPS),是隨著現(xiàn)代科學技術的迅速發(fā)展,而建立起來的新一代精密衛(wèi)星定位系統(tǒng)。1957年10月,世界上第一顆人造衛(wèi)星的成功發(fā)射,使得空間科學得以迅速發(fā)展,人類進入了一個嶄新的時代。這就是目前所稱的“授時與測距導航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)”(Navigation System Timing and Ranging/Global Positioning SystemNAVSTAR/GPS),通常稱為“全球定位系統(tǒng)”(GPS)。現(xiàn)在GPS系統(tǒng)的全部24顆衛(wèi)星已部署完畢,整個系統(tǒng)已投入運行,美國政府已應允,GPS系統(tǒng)將在相當長的一段時間里免費供全世界的用戶使用?!盙PS自問世以來,已充分顯示了其在無線電導航、定位領域的霸主地位。許多民用領域也由于GPS的出現(xiàn)而產(chǎn)生了革命性變化:目前,GPS不僅在美國及其盟軍的軍隊中廣泛用于導航定位,幾乎所有的用戶,都被GPS的高精度、全天候、全球覆蓋能力、方便靈活、質(zhì)優(yōu)價廉所吸引。 我國的GPS應用發(fā)展勢頭猛進,在短短幾年內(nèi),GPS在我國的應用以由少數(shù)的幾家科研單位和軍用部門擴展到民用領域,GPS的廣泛應用已改變了人類的生活方式,提高了工作效率,帶來了巨大的經(jīng)濟效益。對于經(jīng)典的測量技術來說,用GPS進行測量的主要特點如下:l 觀測站之間無須通視。用GPS測量不要求測站之間相互通視,所以不再需要建標,這一技術可大大減少所需的人力和物力,同時也使點位的選擇變的靈活l 定位精度高。l 觀測時間短。l 提供三維坐標。l 操作簡便。在觀測中測量員的工作只是安裝并開關儀器、量取儀器高等簡單工作,大大簡化了工作程序。GPS的測量工作可以在任何時間、任何地點進行觀測,不受天氣的影響GPS系統(tǒng)的廣泛應用,不僅吸引著一些不同行業(yè)科學家們的熱心研究和開發(fā),而且激起了GPS信號接受機制造商們激烈競爭。它已經(jīng)成為一些電子儀器和測量儀器生產(chǎn)廠家竟相生產(chǎn)的高技術電子產(chǎn)品。但由于我國的技術水平很難達到外國的先進水平,所以一直以來在我國測量行業(yè)中所使用的都是外國品牌的接收機,基于此點作為一家專業(yè)的測繪儀器公司,南方公司以振興測繪民族工業(yè)、 創(chuàng)世界品牌為己任于1995年向廣大用戶推出了可與世界知名品牌相抗衡的自己的產(chǎn)品—南方系列GPS,五年來經(jīng)過南方公司和各界測繪同人的共同努力,南方系列GPS產(chǎn)品已經(jīng)逐漸走向成熟,現(xiàn)已占領中國市場的60%70%,并以出口到歐美和新加坡等地。(見圖21)空間部分:24顆 星廣播L1,L2,衛(wèi) 星軌道,時間數(shù)據(jù)及輔助資料信息監(jiān)控部分:中央控制系統(tǒng)時間同步跟蹤衛(wèi)星定軌用戶部分:接收設備接收衛(wèi)星信號圖21 全球定位系統(tǒng)(GPS)構(gòu)成示意圖1.空間星座部分全球定位系統(tǒng)的空間衛(wèi)星星座,由24顆衛(wèi)星組成,其中包括3顆備用衛(wèi)星。GPS衛(wèi)星在空間上的分布,保證了在地球上任何地點、任何時刻均至少可以同時觀測到4顆衛(wèi)星,加之衛(wèi)星信號的傳播和接收不受天氣的影響,因此GPS是一種全天候、全球性的連續(xù)實時定位系統(tǒng)。軌道平均高度約為20200KM,衛(wèi)星運行周期11小時58分。GPS衛(wèi)星區(qū)分數(shù)量發(fā)射時間用途第一代BlockI111978—1985系統(tǒng)實驗第二代BlockII281988—1994正式工作第三代BlockIII90年代改善GPS表2-1GPS衛(wèi)星的基本功能是l 接收和儲存由地面監(jiān)控站發(fā)來的導航信息,接收并執(zhí)行監(jiān)控站的控制命令;l 衛(wèi)星上設有微處理機,進行部分必要得數(shù)據(jù)處理;l 通過星載的高精度時鐘來提供精確的時間標準;l 向用戶發(fā)送定位信息;l 在地面監(jiān)控的指令下,通過推進器調(diào)整衛(wèi)星的姿態(tài)和啟用備用衛(wèi)星。l 監(jiān)測站,是在主控站控制下的自動采集中心。主控站是管理所有的地面系統(tǒng),推算星歷、衛(wèi)星鐘差和大氣層的修正參數(shù),并把這些數(shù)據(jù)送到住入站調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星。3.用戶部分全球定位系統(tǒng)的空間部分和地面監(jiān)控部分,是用戶應用該系統(tǒng)進行定位的基礎,而用戶只有通過用戶設備才能實現(xiàn)應用GPS定位的目的。目前,國際上適于測量的接收機有眾多品牌,主要由GPS接收機硬件和軟件來組成。GPS衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號,含有兩種不同精度的測距碼,即所謂P碼(也稱精碼)和C/A碼(也稱粗碼)。標準定位服務的主要對象是廣大的用戶。其單點實時定位的精度約為20~30m。為了進一步降低標準定位服務的定位精度,以保障美國國家的利益與安全,對GPS工作衛(wèi)星發(fā)布的信號實行了SA政策,以進行認為的干擾。SA政策是對非經(jīng)美國政府特許的廣大GPS用戶,采取的降低實時定位精度的措施,而對于能夠利用精密定位服務(PPS)的用戶,則可以自動的消除SA的影響l 精測距碼(P碼)的加密措施(AntiSpooting—AS)。為了擺脫這種限制,當前采用的措施主要是:?,F(xiàn)在,我國正著手建立區(qū)域性測軌系統(tǒng),向廣大用戶提供精密的星歷,這將對我國利用和普及GPS定位技術,推進測繪科學技術的現(xiàn)代化,具有重要的現(xiàn)實意義。目前,一些國家和地區(qū)正在發(fā)展自己的衛(wèi)星導航于定位技術。另外,歐洲空間局(European Space Agency—ESA)也在發(fā)展一種以民用為主的衛(wèi)星定位系統(tǒng)(簡稱NAVSAT)。上述幾種不同衛(wèi)星定位系統(tǒng)的主要特征如表2—2所示。(DGPS)形式。現(xiàn)在實時差分技術(Real Time kinematic—RTK)可以實時達到厘米級的精度。差分GPS的應用對于需要精密實時定位的導航、海洋勘測、航空攝影等各方面有著非常重要的意義。在測量型的GPS接收機中,基本上都是采取這種方法。圖 2-2 GPS相對定位這種方法一般可推廣到多臺接收機安置在若干基線的端點,通過同步觀測GPS衛(wèi)星以確定多條基線向量的情況。根據(jù)用戶接收機在測量過程中所處的狀態(tài)不同,相對定位有靜態(tài)和動態(tài)之分,我們在這里研究的是靜態(tài)定位原理。靜態(tài)相對定位一般均采用載波相位觀測值(或測相偽距)為基本觀測量。實踐表明,對中等長度的基線(100~500km),其相對定位精度可達~,甚至更好些。相對以下將介紹的快速靜態(tài)定位法,上述定位方法一般稱為經(jīng)典靜態(tài)相對定位法。在較短的觀測時間內(nèi),若忽略所測衛(wèi)星分別圖形變化的昔,則定位的較短近似與觀測歷元的方根成反比。1985年美國的里蒙德(Remond,.)發(fā)展了一種快速的相對定位模式,其基本思想是:首先利用起始基線向量確定初始整周待定值,之后一臺接收機在參考點上固定不動,而另一臺接收機在其周圍的觀測站流動并在每一流動觀測站上靜止地與參考點的接收機基線同步觀測,以確定流動站于固定站之間的相對位置。因此這種方法通常稱之為準動態(tài)相對定位法,在一些文獻中也稱為“走走停?!保⊿top and Go)。為此近年來又要發(fā)展了一種快速靜態(tài)相對定位。由于這種方法速度快、精度高,所以受到GPS用戶的廣泛重視,它將為GPS測量的應用開辟新的領域。而其中接收機和天線是用戶設備的核心部分,一般習慣上統(tǒng)稱為GPS接收機。GPS接收機的主要組成部分包括:l 天線(帶前置放大器);l 信號處理器,用于信號識別和處理;l 微處理器,用于接收機的控制、數(shù)據(jù)采集和導航計算;l 用戶信息傳輸,包括操作板、顯示板和數(shù)據(jù)存貯器;l 精密振蕩器,用以產(chǎn)生標準頻率;l 電源。硬件部分,主要系指接收機、天線和電源等硬件設備,而軟件部分是支持接收機硬件實現(xiàn)其功能,并誤差各種導航與定位任務的重要條件。所謂內(nèi)軟件是指諸如控制接收機信號通道,按時序?qū)Ω餍l(wèi)星信號進行量測的軟件以
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