【正文】 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。 7 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 圖 22 GPS系統(tǒng)監(jiān)控站和主控站分布圖 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。 3個注入站分別位于迭哥伽西亞、阿松森群島和卡瓦加蘭。 通信和輔助系統(tǒng)是指地面監(jiān)控系統(tǒng)中負責(zé)數(shù)據(jù)傳輸以及提供其他輔助服務(wù)的機構(gòu)和設(shè)施。 三、 用戶部分 GPS 的用戶部分由 GPS 接 收機、數(shù)據(jù)處理軟件及相應(yīng)的用戶設(shè)備如計算機、氣象儀器等組成， GPS信號接收機，是 GPS導(dǎo)航衛(wèi)星的用戶設(shè)備，是實現(xiàn) GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位的終端儀器。在測量領(lǐng)域，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，體積小、重量輕便于攜帶的 GPS 定位裝置和高精度的技術(shù)指標(biāo)為工程測量帶來了極大的方便。這些技術(shù)指標(biāo)充分地滿足了控制測量的精度要求。 按測量站星距離所用測距信號之異， GPS信號接收機可以分為下列幾種類 （ 1） 碼接收機：用偽噪聲碼和載波作測距信號； （ 2） 無碼 接收機：僅用載波作測距信號； （ 3） 集成接收機：既用 GPS信號，又用 GLONASS 信號測量站星距離。 按所用載波頻率多少分類 用于衛(wèi)星導(dǎo)航定位的載波是 L1 和 L2，它們的頻率分別為： f1=154 =。 下圖 24是 GPS系統(tǒng)三個組成部分關(guān)系。 載波 可運載調(diào)制信號的高頻振蕩波稱為載波。其中 L1 載波是由衛(wèi)星上的原子鐘所產(chǎn)生的基準(zhǔn)頻率 f0 倍頻 154 倍后形成的， L2 載波是由基準(zhǔn)頻率 f0倍頻 120倍后形成的。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 10 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 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。因此，載波相位測量在高精度定位 中得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)性質(zhì)和用途的不同，測距碼可分為粗碼（ C/A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。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。由于 P 碼的碼 元寬度僅為 C/A 碼的1/10，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。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)。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。 下圖 25是 GPS接收機原理圖： 11 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 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 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。 GPS信號 12 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 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。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。 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。 接收機對衛(wèi)星進行搜索，捕捉衛(wèi)星。當(dāng)同時鎖定 4顆衛(wèi)星時，將 C/A碼偽距觀測值連同星歷一起計算測站的三維坐標(biāo)，并按預(yù)置位置更新率計算新的位置。 根據(jù)預(yù)先設(shè)置的航路點坐標(biāo)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。 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。用戶可通過鍵盤控制接收機工作。 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。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。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。只需以三個發(fā)射臺為球心，以 d1,d2,d3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。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。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， d1,d2,d3，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。如果在第四個地面點上（坐標(biāo)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。這便是 GPS衛(wèi)星定位的基本原理。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(biāo)，據(jù)此利 用距 14 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 離交會法解算出測站 P的位置。在 GPS測量中通常采用兩類坐標(biāo)系統(tǒng)，一類是在空間 固定的坐標(biāo)系統(tǒng)，另一類是與地球體相固聯(lián)的坐標(biāo)系統(tǒng)，稱地固坐標(biāo)系統(tǒng)，我們在公路工程控制測量 中常用地固坐標(biāo)系統(tǒng)（如： WGS－ 84 世界大地坐標(biāo)系和1980年西安大地坐標(biāo)系）。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。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(biāo)值，并進行測站點的定位。對于待 15 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 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。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。 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。 二、 GPS幾種定位方式 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(biāo)。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 P 碼測出的偽距為 P 碼偽距。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。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。而如果把載波作為量測信號，由于載波的波長短 19cm； 24cm，所以就可達到很高的精度。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。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。比如相對定位中，在一個測站上對兩個觀測目標(biāo)進行觀測，將觀測值求差；或在兩個測站上對一個目標(biāo)進行觀測，將觀測值求差；或在一個測站上對一個目標(biāo)進行兩次觀測求差。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。根據(jù)基準(zhǔn)站已知精密坐標(biāo)，計算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，并由基準(zhǔn)站實時地 將這一改正數(shù)發(fā)送出去。 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)。 差分可分為單基準(zhǔn)站差分、具有多個基準(zhǔn)站的局部區(qū)域差分和廣域差分三種。 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。實際上，盡管 GPS衛(wèi)星均設(shè)有高精度的原子鐘（銣鐘和銫鐘），但是 它們與理想的 GPS 時之間，仍存在著難以避免的偏差和漂移。 對于衛(wèi)星鐘的這種偏差，一般可由衛(wèi)星的主控站，通過對衛(wèi)星鐘運行狀態(tài)的 連續(xù)監(jiān)測確定，并通過衛(wèi)星的導(dǎo)航電文提供給接收機。在相對定位中，衛(wèi)星鐘差可通過觀測量求差 （或差分）的方法消除。 應(yīng)該說，衛(wèi)星軌道誤差是當(dāng)前 GPS測量的主要誤差來源之一。 在 GPS定位測量中，處理衛(wèi)星軌道誤差有以下幾種方法 : 這種方法以從導(dǎo)航電文中所獲得的衛(wèi)星軌道信息為準(zhǔn)，不再考慮衛(wèi)星軌道實 際存在的誤差，所以廣泛的用于精度較低的實時單點定位工作中。 電離層折射的影響 GPS衛(wèi)星信號的其它電磁波信號一樣，當(dāng)其通過電離層時，將受到這一介質(zhì)彌散特性的影響，便其信號的傳播路徑發(fā)生變化。 為了減弱電離層的影響，在 GPS定位中通常采用下面措施： 由于電離層的影響是信號頻率的函數(shù)，所以利用不同頻率的電磁波信號進行觀測。因此，具有雙頻的 GPS接收機，在精密定位中測量中得到廣泛的應(yīng)用。在尤其是精密定位測量。 這一方法是利用兩臺或多臺接收機，對同一衛(wèi)星的同步觀測的求差，以減弱電離層折射的影響，尤其當(dāng)觀測站間的距離較近時（ 20km)，由于衛(wèi)星信號到達各觀測站的路徑相近，所經(jīng)過的介質(zhì)狀況相似，因此通過各觀測站對相同衛(wèi)星信號的同步觀測值求差，便可顯著的減弱電離層折射影響，其殘差將不會超過 19 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 。 對流層折射的影響 對流層折射對觀測值的影響，可分為干分量與濕分量。對于干分量的影響，可通過地面的大氣資料計算；濕分量目前尚無法準(zhǔn)確測定。 ； 采用觀測量求差的方法。 多路徑效應(yīng)影響 多路徑效應(yīng)亦稱多路徑誤差，是指接收機天線除直接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號外，還可能收到經(jīng)天線周圍地物一次或多次反射的衛(wèi)星信號，信號疊加將會引起測量參考點（相位中心點 )位置的變化，從而便觀測量產(chǎn)生誤差，而且這種誤差隨天線周圍反射面的性質(zhì)而異，難以控制。而在高反射環(huán)境下，不僅其影響將顯著增大，而且常常導(dǎo)致 接收的衛(wèi)星信號失鎖和使載波相位觀測量產(chǎn)生周跳。 目前減弱多路徑效應(yīng)影響的措施有： 安置接收機天線的環(huán)境，應(yīng)避開較強的反射面，如水面、平坦光滑的地面以及平整的建筑物表面等。 ，削弱多路徑效應(yīng)的周期性