【正文】 0176。時上 述衛(wèi)星星座能保證位于任一地點的用戶在任一時刻同時觀測到48 顆衛(wèi)星當(dāng)截止高度角取 10176。時最多能同時觀測到 12棵 GPS衛(wèi)星 2020年底 GPS衛(wèi)星星座由 23顆 Block II 衛(wèi)星和 Block IIA 衛(wèi)星以及 5 顆 Block IIR 衛(wèi)星組成在一般情況下用戶能同時觀測到 68 棵衛(wèi)星 圖 21 GPS 衛(wèi)星軌道圖 二 GPS 地面監(jiān)控部分 支持整個系統(tǒng)正常運行的地面設(shè)施稱為地面監(jiān)控部分它由一個主控站三個注入站和五個監(jiān)控站主控站擁有以大型計算機為主體的數(shù)據(jù)收集計算傳輸診斷等設(shè)備它的主要功能是收集各監(jiān)測站測得的距離和距離差氣象要素衛(wèi)星時鐘和工作狀況的數(shù)據(jù)監(jiān)測站自身的狀態(tài)數(shù)據(jù)等根據(jù)收集的數(shù)據(jù)及時計算每顆 GPS 衛(wèi)星的星歷時鐘改正狀態(tài)數(shù)據(jù)以及信號的大氣傳播改正并按一定格式編制成導(dǎo)航電文傳送到注入站監(jiān)控整個地面監(jiān)控系統(tǒng)是否工作正常檢驗注入衛(wèi)星的導(dǎo)航電文是否正確監(jiān)測衛(wèi)星是否將導(dǎo)航電文發(fā)出調(diào)度備用衛(wèi)星替代失效的工作衛(wèi)星將偏離軌道的衛(wèi)星拉回到正常軌道位置監(jiān)控站是為主控站編算導(dǎo)航電文提供觀測數(shù)據(jù)每個監(jiān)測站均用 GPS 信號接收機測量每顆可見衛(wèi)星的偽距和距離差采集氣象要素等數(shù)據(jù)并將它們發(fā)送給主控站 監(jiān)控 圖 23 GPS 組成部分示意圖 第二節(jié) GPS 衛(wèi)星的導(dǎo)航定位信號 一概述 GPS 衛(wèi)星發(fā)射的信號由載波測距碼和導(dǎo)航電文組成 1 載波 可運載調(diào)制信號的高頻振蕩波稱為載波 GPS 衛(wèi)星所用的載波有兩個由于它們均位于載波 L 波段故分別稱為 L1 載波和 L2 載波其中 L1 載波是由衛(wèi)星上的原子鐘所產(chǎn)生的基準頻率 f0倍頻 154倍后形成的 L2 載波是由基準頻率 f0 倍頻 120倍后形成的采用兩個不同頻率載波的主要目的是為了較完善地消除電離層延遲在全球定位系統(tǒng)中載波除了能更好地傳送測距碼和導(dǎo)航電文這些有用意信息外在載波相位測量中它又 被當(dāng)做一種測距信號來使用其測距精度比偽距測量的精度高 23 個數(shù)量級因此載波相位測量在高精度定位中得到廣泛的應(yīng)用 2 測距碼 測距碼是用于測定從衛(wèi)星到接收機間的距離的二進制碼是由若干個多級反饋移位寄存器所產(chǎn)生的 M 序列經(jīng)平移截短求模二和等一系列復(fù)雜處理后形成的根據(jù)性質(zhì)和用途的不同測距碼可分為粗碼 CA 碼和精碼 P 碼或 Y 碼兩類各衛(wèi)星所用的測距碼互不相同且相互正交 CA 碼是一種結(jié)構(gòu)公開的明碼供全世界所有的用戶免費使用目前 A 碼只調(diào)制在 L1 載波上故無法精確地消除電離層延遲 Y 碼的結(jié)構(gòu)是完全保密的只有美國及其盟國的軍方用戶以及少數(shù) 經(jīng)美國政府授權(quán)的用戶才能使用 P 碼由于 P 碼的碼元寬度僅為 CA 碼的 110 而且該測距碼又同時調(diào)制在L1和 L2兩個載波上可較完善地消除電離層延遲故用它來測距可獲得較精確的結(jié)果 3 導(dǎo)航電文 導(dǎo)航電文是由 GPS 衛(wèi)星向用戶播發(fā)的一組反映衛(wèi)星在空間位置衛(wèi)星的工作狀態(tài)衛(wèi)星鐘的修正參數(shù)電離層延遲修正參數(shù)等重要數(shù)據(jù)的二進制代碼也稱數(shù)據(jù)碼 D 碼它是用戶利用 GPS 進行導(dǎo)航定位時一組不可少的數(shù)據(jù) 二 GPS 信號接收機的組成及原理 1 天線單元 它由接收天線和前置放大器兩個部件組成它的作用是將到達 GPS 信號接收天線的功率約為 160dBW的 GPS電磁波變換成微波電信號并將如此微弱的 GPS電信號予以放大為便于接收機對信號進行跟蹤處理和量測對天線部分有以下要求 天線與前置放大器應(yīng)密封一體以保障其正常工作減少信號損失 能夠接收來自任何方向的衛(wèi)星信號不產(chǎn)生死角 有防護與屏蔽多路徑效應(yīng)的措施 天線的相位中心保持高度的穩(wěn)定并與其幾何中心盡量一致 下圖 25 是 GPS 接收機原理圖 圖 25 GPS 接收機原理圖 GPS 接收機的天線類型如下圖 26 圖 26 GPS 接收機的天線類型 2 接收機主機 1 變頻器及中頻放大器 經(jīng)過 GPS 前置放大器的信號仍 然很微弱為了使接收機通道得到穩(wěn)定的高增益并且使 L 頻段的射頻信號變成低頻信號必須采用變頻器 2 信號通道 信號通道是接收機的核心部分 GPS信號通道是硬軟件結(jié)合的電路 GPS信號通道的作用有三一是搜索衛(wèi)星牽引并跟蹤衛(wèi)星二是對廣播電文數(shù)據(jù)信號實行解擴解調(diào)出廣播電文三是進行偽距測量載波相位測量及多普勒頻移測量 3 存儲器 接收機內(nèi)沒有存儲器或存儲卡以存儲衛(wèi)星星歷衛(wèi)星歷書接收機采集到的碼相位偽距觀測值載波相位觀測值及多普勒頻移目前 GPS 接收機都裝有半導(dǎo)體存儲器接收機內(nèi)存數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)口傳到微機上以便進行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù) 保存在存儲器內(nèi)還裝有多種工作軟件如測試軟件衛(wèi)星預(yù)報軟件導(dǎo)航電文解碼軟件GPS 單點定位軟件 微處理器 微處理器是 GPS接收機工作的靈魂 GPS接收機工作都是在微機指令統(tǒng)一協(xié)同下進行的其主要工作步驟為 接收機開機后首先對整個接收機工作狀況進行自檢并測定校正存儲各通道的時延值 接收機對衛(wèi)星進行搜索捕捉衛(wèi)星當(dāng)捕捉到衛(wèi)星即對信號進行牽引和跟蹤并將基準信號譯碼得到 GPS 衛(wèi)星星歷當(dāng)同時鎖定 4 顆衛(wèi)星時將 CA 碼偽距觀測值連同星歷一起計算測站的三維坐標并按預(yù)置位置更新率計算新的位置 根據(jù)機內(nèi)存儲的衛(wèi)星歷書和測站近似位置計算所有在 軌衛(wèi)星升降時間方位和高度角 根據(jù)預(yù)先設(shè)置的航路點坐標和單點定位測站位置計算導(dǎo)航的參數(shù)航偏距航偏角航行速度等 接收用戶輸入信號 顯示器 GPS接收機都有液晶顯示屏以提供 GPS接收機工作信息并配有一個控制鍵盤用戶可通過鍵盤控制接收機工作對于導(dǎo)航接收機有的還配有大顯示屏在屏幕上直接顯示導(dǎo)航的信息甚至顯示數(shù)字地圖 電源 GPS接收機電源有兩種一種為內(nèi)電源一般采用鋰電池主要用于 RAM存儲器供電以防止數(shù)據(jù)丟失另一種為外接電源這種電源常用于可充電的 12V 直流鎘鎳電池組或采用汽車電瓶當(dāng)用交流電時要經(jīng)過穩(wěn)壓電源或?qū)Ｓ秒娫唇粨Q 器 第三節(jié) GPS 衛(wèi)星定位原理 一 概述 測量學(xué)中有測距交會確定點位的方法與其相似無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)衛(wèi)星激光測距定位系統(tǒng)其定位原理也是利用測距交會的原理確定點位 就無線電導(dǎo)航定位來說設(shè)想在地面上有三個無線電信號發(fā)射臺其坐標為已知用戶接收機在某一時刻采用無線電測距的方法分別測得了接收機至三個發(fā)射臺的距離 d1d2d3只需以三個發(fā)射臺為球心以 d1d2d3為半徑作三個定位球面即可交會出用戶接收機的空間位置如果只有兩個無線電發(fā)射臺則可根據(jù)用戶接收機的概略位置交會出接收機的平面位置這種無線電導(dǎo)航定位是迄今為止仍在使 用的飛機輪船的一種導(dǎo)航定位方法 近代衛(wèi)星大地測量中的衛(wèi)星激光測距定位也是應(yīng)用了測距交會定位的原理和方法雖然用于激光測距的衛(wèi)星表面上安裝有激光反射棱鏡是在不停的運動中但總可以利用固定于地面上三個已知點上的衛(wèi)星激光測距儀同時測定某一時刻至衛(wèi)星的空間距離 d1d2d3 應(yīng)用測距交會的原理變可確定該時刻衛(wèi)星的空間位置如此可以確定三顆以上衛(wèi)星的空間位置如果在第四個地面點上坐標未知也有一臺衛(wèi)星激光測距儀同時參與測定了該點至第三顆衛(wèi)星點的空間距離則利用所測定的三個空間距離可以交會出該地面點的位置 將無線電信號發(fā)射臺從地面點搬 到衛(wèi)星上組成一顆衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用無線點測距交會的原理便可由三個以上地面已知點控制點交會出衛(wèi)星的位置反之利用三顆以上衛(wèi)星的已知空間位置又可交會出地面未知點用戶接收機的位置這便是 GPS 衛(wèi)星定位的基本原理 GPS 衛(wèi)星發(fā)射測距信號和導(dǎo)航電文導(dǎo)航電文中含有衛(wèi)星的位置信息用戶用GPS 接收機在某一時刻同時接收三顆以上的衛(wèi)星信號測量出測站點接收機天線中心 P至三顆以上衛(wèi)星的距離并解算出該時刻 GPS衛(wèi)星的空間坐標據(jù)此利用距離交會法解算出測站 P的位置如下圖 27在需要的位置 P點架設(shè) GPS接收機在某一時刻同時接收了 3顆 ABC以 上的 GPS衛(wèi)星所發(fā)出的導(dǎo)航電文通過一系列數(shù)據(jù)處理和計算可求得該時刻 GPS接收機至 GPS衛(wèi)星的距離 SAPSBPSCP同樣通過接收衛(wèi)星星歷可獲得該時刻這些衛(wèi)星在空間的位置三維坐標從而用距離交會的方法求得Ｐ點的三維坐標 Xｐ Yｐ Zｐ其數(shù)學(xué)式為 圖 27 GPS 衛(wèi)星定位示意圖 式中分別為衛(wèi)星 ABC在時刻的空間直角坐標在 GPS測量中通常采用兩類坐標系統(tǒng)一類是在空間固定的坐標系統(tǒng)另一類是與地球體相固聯(lián)的坐標系統(tǒng)稱地固坐標系統(tǒng)我們在公路工程控制測量中常用地固坐標系統(tǒng)如 WGS－ 84 世界大地坐標系和 1980 年西安大地坐標系 在實際使用中需要根據(jù)坐標系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換參數(shù)進行坐標系統(tǒng)的變換來求出所使用的坐標系統(tǒng)的坐標這樣更有利于表達地面控制點的位置和處理 GPS 觀測成果因此在測量中被得到了廣泛的應(yīng)用 在 GPS定位中 GPS衛(wèi)星是高速運動的衛(wèi)星其坐標值隨時間在快速變化著需要實時地由 GPS 衛(wèi)星信號測量出測站至衛(wèi)星之間的距離實時地由衛(wèi)星的導(dǎo)航電文解算出衛(wèi)星的坐標值并進行測站點的定位依據(jù)測距的原理其定位原理與計算方法主要有偽距法定位載波相位測量定位以及差分 GPS 定位等對于待定點來說根據(jù)運動狀態(tài)可以將 GPS 定位分為靜態(tài)定位和動態(tài)定位靜態(tài)定位指的是對 于固定不動的待定點將 GPS 接收機置于其上觀測數(shù)分鐘乃至更長的時間以確定該點的三維坐標又叫絕對定位若以兩臺 GPS 接收機分別置于兩個固定不變的待定點上則通過一定時間的觀測可以確定兩個待定點間的相對位置又叫相對定位而動態(tài)定位則至少有一臺接收機處于運動狀態(tài)測定的是各觀測時刻觀測歷元運動中的接收機的點位絕對點位或相對點位 利用接收到的衛(wèi)星信號測距碼或載波相位均可進行靜態(tài)定位實際應(yīng)用中為了減弱衛(wèi)星的軌道誤差衛(wèi)星鐘差接收機鐘差以及電離層和對流層的折射誤差的影響常采用載波相位觀測值的各種線形組合即差分值作為觀測值獲得兩點之 間高精度的 GPS 基線向量即坐標差 二 GPS 幾種定位方式 1 偽距測量定位 偽距法定位是由 GPS接收機在某一時刻測出得到四顆以上 GPS衛(wèi)星的偽距以及已知的衛(wèi)星位置采用距離交會的方法求定接收機天線所在點的三維坐標所測偽距就是由衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號到達 GPS 接收機的傳播時間乘以光速得到的量測距離由于衛(wèi)星鐘接收機鐘的誤差以及無線電信號經(jīng)過電離層和對流層中的延遲實際測出的距離ρ與衛(wèi)星到接收機的幾何距離ρ有一定的差值因此一般稱量出的距離為偽距用 CA 碼進行測量的偽距為 CA 碼偽距用 P 碼測出的偽距為 P碼偽距偽距法定位雖然一 次定位精度不高 P碼定位誤差約為 10mCA碼定位誤差為2030m但因其具有定位速度快且無多值性問題等優(yōu)點仍然是 GPS定位系統(tǒng)進行導(dǎo)航的最基本方法同時所測偽距又可作為載波相位測量中解決整周數(shù)不確定問題模糊度的輔助資料 2 載波相位測量定位 利用測距碼進行偽距測量是 GPS 定位系統(tǒng)的基本測距方法然而由于測距碼的碼元長度較大對于一些高精度應(yīng)用來講其測距精度還顯的過低無法滿足需要如果觀測精度均取至測距碼波長的百分之一則偽距測量對 P 碼而言量測精度為30cm 對 CA 碼而言為 3m 左右而如果把載波作為量測信號由于載波的波長短19cm24cm 所以就可達到很高的精度目前的大地型接收機的載波相位測量精度一般為 1～ 2mm 有的精度更高但載波信號是一種周期性的正弦信號而相位測量又只能測定其不足一個波長的部分因而存在著整周數(shù)不確定性的問題使解算過程變地十分復(fù)雜 在 GPS 信號中由于已用相位調(diào)整的方法在調(diào)制了測距碼和導(dǎo)航電文因而接收到的載波的相位已不再連續(xù)所以在進行載波相位測量以前首先要進行解調(diào)工作設(shè)法將調(diào)制在載波上的測距碼和衛(wèi)星電文去掉重新獲取載波這一工作稱為重建載波重建載波一般可采用兩種方法一種是碼相關(guān)法另一種是平方法采用前者用戶可同時提取測距 信號和衛(wèi)星電文但用戶必須知道測距碼的結(jié)構(gòu)采用后者用戶無須掌握測距碼的結(jié)構(gòu)但只能獲取載波信號而無法獲得測距碼和衛(wèi)星電文 3 差分 GPS 定位 差分技術(shù)很早就被人們所應(yīng)用比如相對定位中在一個測站上對兩個觀測目標進行觀測將觀測值求差或在兩個測站上對一個目標進行觀測將觀測值求差或在一個測站上對一個目標進行兩次觀測求差其目的是消除公共誤差提高定位精度利用求差后的觀測值解算兩觀測站之間的基線向量這種差分技術(shù)已經(jīng)用于靜態(tài)相對定位 該部分所講述的差分 GPS 定位技術(shù)是將一臺接收機安置在基準站上進行觀測根據(jù)基準站已知精密坐標計算出 基準站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)并由基準站實時地將這一改正數(shù)發(fā)送出去用戶接收機在進行 GPS 觀測的同時也接收到基準站的改正數(shù)并對其定位結(jié)果進行改正從而提高定位精度 GPS 定位中存在著三部分誤差一是多臺接收機公有的誤差如衛(wèi)星鐘誤差星歷誤差二是傳播延遲誤差如電離層誤差對流層誤差三是接收機固有的誤差如內(nèi)部噪聲通道延遲多路徑效應(yīng)采用差分定位可完全消除第一部分誤差可大部分消除第二部分誤差視基準站至用戶的距離 差分可分為單基準站差分具有多個基準站的局部區(qū)域差分和廣域差分三種 第四節(jié) GPS 導(dǎo)航定位誤差 一 與 GPS 衛(wèi)星有關(guān)的 誤差 與 GPS 衛(wèi)星有關(guān)的誤差主要包括衛(wèi)星的軌道誤差和衛(wèi)星鐘的誤差 1 衛(wèi)星鐘差 由于衛(wèi)星的位置是時間的函數(shù)因此 GPS 的觀測量均發(fā)精密測時為依據(jù)而與衛(wèi)星位置相對應(yīng)的信息是通過衛(wèi)星信號的編碼信息傳送給接收機的在