15-GPS基本原理

1、測量工程與裝備系測量工程與裝備系: : 范范 百百 興興 20212021年年6 6月月1313日日 本次課程主要內容本次課程主要內容 GPS的組成的組成 GPS的定位原理的定位原理 GPS的定位誤差分析的定位誤差分析 GPS誤差的減弱措施誤差的減弱措施 GPS接收機接收機(GPS Receiver) GPS平差處理軟件平差處理軟件 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 1 1、GPS GPS 系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 空空 間間 部部 分分 衛(wèi)星數(shù)：衛(wèi)星數(shù)：213。 軌軌 道：道： 6個軌道，每個軌道面?zhèn)€軌道，每個軌道面 上分

2、布上分布4顆衛(wèi)星。軌道面傾角顆衛(wèi)星。軌道面傾角55 度，軌道平均高度度，軌道平均高度20200km。 衛(wèi)星運行周期：衛(wèi)星運行周期：11小時小時58分。分。 可見衛(wèi)星數(shù)：可見衛(wèi)星數(shù)：4 11顆。顆。 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 GPS衛(wèi)星的基本功能：衛(wèi)星的基本功能： 空空 間間 部部 分分 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 基 準 頻 率 10.23 MHz x 154 x 120 L1 1575.42 MHz L2 1227.60 MHz C/A 碼 1.023 MHz P (Y) 碼 10.23 MHz P (Y)-Code 10.23 MHz

3、/10 50 bit/s衛(wèi) 星 信 悉 ( 狀 態(tài) 信 悉 和 星 歷 ) L1：1575.42MHz，波長波長19.03cm。 。調制有：調制有：C/A碼、碼、P碼和碼和D碼碼 L2：1227.60MHz，波長波長24.42cm。 。調制有：調制有： P碼、碼、D碼碼 空空 間間 部部 分分 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 地面監(jiān)控部分地面監(jiān)控部分 kwajalein 55 Hawaii AscencionDiego Garcia Colorado springs 一個主控站一個主控站：科羅拉多斯必靈司 三個注入站：三個注入站：阿松森(Ascencion) 迭哥伽西亞(

4、Diego Garcia) 卡瓦加蘭(kwajalein) 五個監(jiān)測站五個監(jiān)測站：1個主控站+3個注入站+夏威夷(Hawaii) 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 用戶設備部分用戶設備部分 GPSGPS接收機、天線、電源、數(shù)據(jù)處理軟件接收機、天線、電源、數(shù)據(jù)處理軟件 等等 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 2 2、GPSGPS相對于經典測量技術的特點相對于經典測量技術的特點 觀測站間無需通視。大大減少測量工作的經費和時間，觀測站間無需通視。大大減少測量工作的經費和時間， 也使點位的選擇變得更靈活。也使點位的選擇變得更靈活。 定位精度高。在長距離上的相對精

5、度。定位精度高。在長距離上的相對精度。 觀測時間短。短基線（觀測時間短。短基線（2020KmKm）快速相對定位法，觀測快速相對定位法，觀測 時間幾分鐘。時間幾分鐘。 提供三維坐標。提供觀測站的平面位置和大地高。提供三維坐標。提供觀測站的平面位置和大地高。 操作簡單。測量員在觀測時的任務只是安裝并開關儀操作簡單。測量員在觀測時的任務只是安裝并開關儀 器、量取儀器高、監(jiān)視儀器的工作狀態(tài)等。器、量取儀器高、監(jiān)視儀器的工作狀態(tài)等。 全天候作業(yè)。不受地點、時間、氣候的影響。全天候作業(yè)。不受地點、時間、氣候的影響。 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 3 3、GPSGPS載波相位測量原理

6、載波相位測量原理 )()(tT s r 則：接收機測量的相位差為：則：接收機測量的相位差為： )(t s 設衛(wèi)星在其鐘面時設衛(wèi)星在其鐘面時 t t 發(fā)射的載波相位為：發(fā)射的載波相位為： )(T r 接收機在其鐘面時接收機在其鐘面時 T T 收到的載波相位為：收到的載波相位為： 設：設：GPSGPS標準時間標準時間 ，衛(wèi)星鐘差和接收機鐘差為衛(wèi)星鐘差和接收機鐘差為V Vt t，V VT T： ta Vt Tb VT ， )()( ta s Tbr VV t s a s Trbr VfVf )()( 則：則： （1 1） 0 )()(NIntFr 而：而： （2 2） tTa s brr fVfVN

7、IntF )()()()( 由由（1 1）、（2 2）得：得： （3 3） 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 顧及電離層和對流層對信號的影響，則（顧及電離層和對流層對信號的影響，則（3）式表示為：）式表示為： tT TI r fVfV c dd fNIntF *)()(（4） f c 將（將（4 4）兩邊乘以）兩邊乘以 0 NcVcVdd tTTI 則：則：（5） (5)式即為載波相位觀測方程式即為載波相位觀測方程 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 在接收機之間求一次差（單差）在接收機之間求一次差（單差） 單差消除了衛(wèi)星鐘差的影響，消弱了衛(wèi)星星歷誤差的影

8、單差消除了衛(wèi)星鐘差的影響，消弱了衛(wèi)星星歷誤差的影 響，減弱了電離層和對流層折射的影響。響，減弱了電離層和對流層折射的影響。 4 4、差分、差分GPSGPS 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 在接收機和衛(wèi)星間求二次差（雙差）在接收機和衛(wèi)星間求二次差（雙差） 在雙差觀測值中消去了接收機鐘差改正數(shù)，有利于測 站坐標的求解。許多商業(yè)軟件采用了雙差模型。 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 在歷元間求三次差（三差）在歷元間求三次差（三差） 幾種模型的對比：幾種模型的對比：單差模型中觀測值是不相關的，雙差及單差模型中觀測值是不相關的，雙差及 三差模型觀測值是相關的。三

9、差模型觀測值是相關的。 差分降低了數(shù)據(jù)利用率，在解算過程中需要組成復雜的協(xié)差分降低了數(shù)據(jù)利用率，在解算過程中需要組成復雜的協(xié) 方差陣。在實際定位工作中，人們更傾向于采用雙差模型，方差陣。在實際定位工作中，人們更傾向于采用雙差模型， 三差模型常用于周跳檢驗。三差模型常用于周跳檢驗。 三差模型中消去整周未知數(shù)三差模型中消去整周未知數(shù) 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 5 5、GPSGPS的誤差源的誤差源 誤差來源誤差來源對距離測量的影響對距離測量的影響 衛(wèi)星衛(wèi)星軌道誤差軌道誤差1.515(m) 鐘誤差鐘誤差 信號傳播信號傳播對流層對流層1.515(m) 電離層電離層 多路徑多路

10、徑 接收機接收機觀測誤差觀測誤差1.55(m) 相位中心變化相位中心變化 通常把各種誤差的影響投影到站星距離上，以相應的距通常把各種誤差的影響投影到站星距離上，以相應的距 離誤差表示，稱為離誤差表示，稱為等效距離誤差等效距離誤差。 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 測碼偽距的等效距離誤差測碼偽距的等效距離誤差/m 誤差來源 P碼C/A碼 衛(wèi)星 星歷與模型誤差 鐘差與穩(wěn)定度 衛(wèi)星攝動 相位不確定性 其它 合計 4.2 3.0 1.0 0.5 0.9 5.4 4.2 3.0 1.0 0.5 0.9 5.4 信號傳播 電離層折射 對流層折射 多路徑效應 其它 合計 2.3 2.0

11、 1.2 0.5 3.3 5.0-10.0 2.0 1.2 0.5 5.5-10.3 接收機 接收機噪聲 其它 合計 1.0 0.5 1.1 7.5 0.5 7.5 總計 6.410.8-13.6 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差 包括衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差、以及大氣包括衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差、以及大氣 折射的誤差等。減弱措施：折射的誤差等。減弱措施： q 引入相應的未知參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中聯(lián)同其它未知參數(shù)引入相應的未知參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中聯(lián)同其它未知參數(shù) 一并求解。一并求解。 q 建立系統(tǒng)誤差模型，對觀測量加以修正。建立系統(tǒng)誤差模

12、型，對觀測量加以修正。 q 將不同觀測站，對相同衛(wèi)星的同步觀測值求差，以減弱將不同觀測站，對相同衛(wèi)星的同步觀測值求差，以減弱 和消除系統(tǒng)誤差的影響。和消除系統(tǒng)誤差的影響。 q 簡單地忽略某些系統(tǒng)誤差的影響。簡單地忽略某些系統(tǒng)誤差的影響。 偶然誤差偶然誤差 包括多路徑效應誤差和觀測誤差等。包括多路徑效應誤差和觀測誤差等。 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 消除或消弱系統(tǒng)誤差影響的主要方法和措施有：消除或消弱系統(tǒng)誤差影響的主要方法和措施有： q 建立誤差改正模型建立誤差改正模型 誤差改正模型的建立通常有兩種方式：誤差改正模型的建立通常有兩種方式： 通過對誤差特性、機制以及產生的

13、原因進行分析研究，通過對誤差特性、機制以及產生的原因進行分析研究， 推導建立起的理論公式；推導建立起的理論公式； 通過大量觀測數(shù)據(jù)的分析，擬合而建立起來的經驗公式。通過大量觀測數(shù)據(jù)的分析，擬合而建立起來的經驗公式。 q 求差法求差法 利用誤差在觀測值之間的物理相關性或定位結果之間的相利用誤差在觀測值之間的物理相關性或定位結果之間的相 關性，通過求差來消除或大幅度削弱其影響的方法。關性，通過求差來消除或大幅度削弱其影響的方法。 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 q 平差法平差法 引入相關的未知參數(shù)，在平差過程中聯(lián)同其它未知數(shù)引入相關的未知參數(shù)，在平差過程中聯(lián)同其它未知數(shù) 一并

14、解算。一并解算。 q 選擇較好的觀測條件和較好的軟件、硬件。選擇較好的觀測條件和較好的軟件、硬件。 q 簡單地忽略某些系統(tǒng)誤差的影響。簡單地忽略某些系統(tǒng)誤差的影響。 消除或消弱系統(tǒng)誤差影響的主要方法和措施有：消除或消弱系統(tǒng)誤差影響的主要方法和措施有： 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 與與GPSGPS衛(wèi)星有關的因素衛(wèi)星有關的因素 q 衛(wèi)星鐘差：衛(wèi)星鐘差：在相對定位中，可通過觀測量求差在相對定位中，可通過觀測量求差 （差分）方法消除。（差分）方法消除。 q 衛(wèi)星軌道偏差衛(wèi)星軌道偏差 q 衛(wèi)星信號發(fā)射天線相位中心偏差衛(wèi)星信號發(fā)射天線相位中心偏差 與傳播途徑有關的因素與傳播途徑有

15、關的因素 q 電離層延遲電離層延遲 q 對流層延遲對流層延遲 q 多路徑效應多路徑效應 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 與接收機有關的因素與接收機有關的因素 q接收機軟件和硬件造成的誤差（觀測誤差）接收機軟件和硬件造成的誤差（觀測誤差） q接收機鐘差接收機鐘差 q載波相位觀測的整周未知數(shù)載波相位觀測的整周未知數(shù) q接收機天線相位中心誤差接收機天線相位中心誤差 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 GPS衛(wèi)星到地面觀測站的最大距離約為25000km，如 果基線測量的允許誤差為1cm，則當基線長度和允許軌道 誤差如下表所示。 基線長度基線相對誤差容許軌道誤差

16、1.0km1010-6250.0m 10.km110-625.0m 100.0km0.110-62.5m 1000.0km0.0110-60.25m 軌道誤差軌道誤差 在相對定位中，隨著基線長度的增加，衛(wèi)星軌道誤差在相對定位中，隨著基線長度的增加，衛(wèi)星軌道誤差 將成為影響定位精度的主要因素。將成為影響定位精度的主要因素。 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 處理軌道誤差的方法原則上有三種：處理軌道誤差的方法原則上有三種： 忽略軌道誤差：忽略軌道誤差：廣泛用于實時單點定位。廣泛用于實時單點定位。 采用軌道改進法處理觀測數(shù)據(jù)采用軌道改進法處理觀測數(shù)據(jù) 在用軌道改進法進行數(shù)據(jù)處理時

17、，根據(jù)引入軌道偏在用軌道改進法進行數(shù)據(jù)處理時，根據(jù)引入軌道偏 差改正數(shù)的不同，分為差改正數(shù)的不同，分為短弧法和半短弧法短弧法和半短弧法。 同步觀測值求差：同步觀測值求差： 同一衛(wèi)星的位置誤差對不同觀測站同步觀測量的影同一衛(wèi)星的位置誤差對不同觀測站同步觀測量的影 響具有系統(tǒng)性，利用兩個或多個觀測站上對同一衛(wèi)星的響具有系統(tǒng)性，利用兩個或多個觀測站上對同一衛(wèi)星的 同步觀測值求差，可減弱軌道誤差影響。基線越短有效同步觀測值求差，可減弱軌道誤差影響?；€越短有效 性越明顯，對精密相對定位具有重要意義。性越明顯，對精密相對定位具有重要意義。 軌道誤差軌道誤差 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定

18、位基礎 q 電離層折射影響電離層折射影響 利用雙頻觀測利用雙頻觀測：電離層影響是信號頻率的函數(shù)，利用不同：電離層影響是信號頻率的函數(shù)，利用不同 頻率電磁波信號進行觀測，可確定其影響大小，并對觀測頻率電磁波信號進行觀測，可確定其影響大小，并對觀測 量加以修正。其有效性不低于量加以修正。其有效性不低于95%. 利用電離層模型加以修正利用電離層模型加以修正：對單頻接收機，一般采用由導：對單頻接收機，一般采用由導 航電文提供的或其它適宜電離層模型對觀測量進行改正。航電文提供的或其它適宜電離層模型對觀測量進行改正。 目前模型改正的有效性約為目前模型改正的有效性約為75%，至今仍在完善中。，至今仍在完善中

19、。 利用同步觀測值求差利用同步觀測值求差：當觀測站間的距離較近（小于：當觀測站間的距離較近（小于 20km）時，衛(wèi)星信號到達不同觀測站的路徑相近，通過時，衛(wèi)星信號到達不同觀測站的路徑相近，通過 同步求差，殘差不超過同步求差，殘差不超過10-6。 衛(wèi)星信號傳播誤差衛(wèi)星信號傳播誤差 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 q 對流層的影響對流層的影響 對流層折射對觀測量的影響可分為干分量和濕分量兩對流層折射對觀測量的影響可分為干分量和濕分量兩 部分。部分。干分量干分量主要與大氣溫度和壓力有關，而主要與大氣溫度和壓力有關，而濕分量濕分量主要主要 與信號傳播路徑上的大氣濕度和高度有關。目

20、前濕分量的與信號傳播路徑上的大氣濕度和高度有關。目前濕分量的 影響尚無法準確確定。對流層影響的處理方法：影響尚無法準確確定。對流層影響的處理方法： 定位精度要求不高時，忽略不計。定位精度要求不高時，忽略不計。 采用對流層模型加以改正。采用對流層模型加以改正。 引入描述對流層的附加待估參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中求解。引入描述對流層的附加待估參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中求解。 觀測量求差。觀測量求差。 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 q 多路徑效應多路徑效應 接收機天線除直接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號外，還可能收接收機天線除直接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號外，還可能收 到經天線周圍地物一次或多次反射的衛(wèi)星信號。

21、兩種信號到經天線周圍地物一次或多次反射的衛(wèi)星信號。兩種信號 迭加，將引起測量參考點位置變化，使觀測量產生誤差。迭加，將引起測量參考點位置變化，使觀測量產生誤差。 對測碼偽距的影響達米級，對測相偽距影響達厘米級。減對測碼偽距的影響達米級，對測相偽距影響達厘米級。減 弱措施：弱措施： 安置接收機天線的環(huán)境應避開較強發(fā)射面，如水面、平坦安置接收機天線的環(huán)境應避開較強發(fā)射面，如水面、平坦 光滑的地面和建筑表面。光滑的地面和建筑表面。 選擇造型適宜且屏蔽良好的天線如扼流圈天線。選擇造型適宜且屏蔽良好的天線如扼流圈天線。 適當延長觀測時間，削弱周期性影響。適當延長觀測時間，削弱周期性影響。 改善接收機的電

22、路設計。改善接收機的電路設計。 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 接收設備有關的誤差接收設備有關的誤差 q 觀測誤差：觀測誤差：當天線高當天線高1.6m ,置平誤差置平誤差0.10，則對中誤差為，則對中誤差為 2.8mm。 q 接收機鐘差：接收機鐘差：日頻率穩(wěn)定度約為日頻率穩(wěn)定度約為10-11，如果接收機鐘與衛(wèi)，如果接收機鐘與衛(wèi) 星鐘之間的同步差為星鐘之間的同步差為1 s，則等效距離誤差為則等效距離誤差為300m。處理接收處理接收 機鐘差的方法：機鐘差的方法： 作為未知數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中求解。作為未知數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中求解。 利用觀測值求差方法，減弱接收機鐘差影響。利用觀測值求

23、差方法，減弱接收機鐘差影響。 定位精度要求較高時，可采用外接頻標，如銣、銫原子鐘，定位精度要求較高時，可采用外接頻標，如銣、銫原子鐘， 提高接收機時間標準精度。提高接收機時間標準精度。 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 q 載波相位觀測的整周未知數(shù)載波相位觀測的整周未知數(shù) q 天線相位中心位置偏差天線相位中心位置偏差 天線相位中心與儀器的幾何中心應保持一致。實天線相位中心與儀器的幾何中心應保持一致。實 際上，隨著信號輸入的強度和方向不同而有所變化，際上，隨著信號輸入的強度和方向不同而有所變化， 同時與天線的質量有關，可達數(shù)毫米至數(shù)厘米。同時與天線的質量有關，可達數(shù)毫米至數(shù)厘

24、米。 q 其它誤差來源其它誤差來源 包括地球自轉影響和相對論效應包括地球自轉影響和相對論效應 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 6 6、GPSGPS測量的觀測模式測量的觀測模式 按參考點的位置不同進行分類按參考點的位置不同進行分類 按用戶接收機在作業(yè)中的狀態(tài)分類按用戶接收機在作業(yè)中的狀態(tài)分類 按所使用的觀測量分類按所使用的觀測量分類 絕對定位絕對定位 相對定位相對定位 靜態(tài)定位靜態(tài)定位 動態(tài)定位動態(tài)定位 偽動態(tài)定位偽動態(tài)定位 半動態(tài)定位半動態(tài)定位 測碼定位測碼定位 測相定位測相定位 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 絕對定位：絕對定位：確定測站在協(xié)議地球

25、坐標系中坐標?？梢?確定測站在協(xié)議地球坐標系中坐標?？梢?認為這種定位方式的參考點為坐標原點。認為這種定位方式的參考點為坐標原點。 相對定位：相對定位：在協(xié)議地球坐標系中，確定測站相對于參 在協(xié)議地球坐標系中，確定測站相對于參 考點之間的相對坐標。考點之間的相對坐標。 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 靜態(tài)定位：靜態(tài)定位：用戶接收機在定位過程中保持靜止。 用戶接收機在定位過程中保持靜止。 由于接收機天線靜止不動，可以獲取多個歷元、多個測由于接收機天線靜止不動，可以獲取多個歷元、多個測 段觀測數(shù)據(jù)，以達到觀測衛(wèi)星的空間幾何圖形有較大改段觀測數(shù)據(jù)，以達到觀測衛(wèi)星的空間幾何圖形有

26、較大改 變的目的。用這種定位方式的實質是讓觀測矩陣不變的目的。用這種定位方式的實質是讓觀測矩陣不“病病 態(tài)態(tài)”，能正確地解出觀測方程的末知參數(shù)。，能正確地解出觀測方程的末知參數(shù)。 動態(tài)定位：動態(tài)定位：用戶接收機在定位過程中處于運動狀態(tài)。 用戶接收機在定位過程中處于運動狀態(tài)。 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 偽動態(tài)定位偽動態(tài)定位（Pseudo Kinematic Positioning）也稱作間歇設站也稱作間歇設站 法，它的作業(yè)至少需要兩臺接收機，其中一臺固定于參考站上，法，它的作業(yè)至少需要兩臺接收機，其中一臺固定于參考站上， 另一臺在待測點上流動。每個測站觀測兩次，兩次觀

27、測間隔大另一臺在待測點上流動。每個測站觀測兩次，兩次觀測間隔大 于于1個小時，每次觀測不少于個小時，每次觀測不少于5 分鐘。在待定點流動的過程中，分鐘。在待定點流動的過程中， 不需要保持對衛(wèi)星的跟蹤。這種定位方式實質上是靜態(tài)定位。不需要保持對衛(wèi)星的跟蹤。這種定位方式實質上是靜態(tài)定位。 兩次觀測間隔大于兩次觀測間隔大于1 個小時的目的就是為了獲取衛(wèi)星空間幾何個小時的目的就是為了獲取衛(wèi)星空間幾何 圖形的較大改變。圖形的較大改變。 半動態(tài)定位半動態(tài)定位（Semi-Kinematic Positioning）也稱作走走停停測也稱作走走停停測 量（量（Stop and Go），），在作業(yè)之前，應對整周模

28、糊度進行初始化。在作業(yè)之前，應對整周模糊度進行初始化。 作業(yè)時，一臺接收機置于參考點，另一臺在待測點流動，且在作業(yè)時，一臺接收機置于參考點，另一臺在待測點流動，且在 測量過程中應保持對四顆以上衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤。如果在流動過測量過程中應保持對四顆以上衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤。如果在流動過 程中有衛(wèi)星失鎖，需重新對整周模糊度進行初始化。程中有衛(wèi)星失鎖，需重新對整周模糊度進行初始化。 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 測碼定位：測碼定位：利用利用GPS衛(wèi)星的測距碼進行定位。衛(wèi)星的測距碼進行定位。 測相定位：測相定位：利用利用GPS衛(wèi)星的載波進行定位。衛(wèi)星的載波進行定位。 6.1 6.1 GP

29、SGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 差分動態(tài)定位（相對定位）差分動態(tài)定位（相對定位） 差分動態(tài)定位就是綜合利用參考站、流動站接收機的觀測量及差分動態(tài)定位就是綜合利用參考站、流動站接收機的觀測量及 參考站的坐標，求解流動站接收機天線的三維空間位置。參考站的坐標，求解流動站接收機天線的三維空間位置。 差分定位又可分成實時（差分定位又可分成實時（real-timereal-time）動態(tài)差分和后處理動態(tài)差分和后處理 （Post-ProcessingPost-Processing）動態(tài)差分。兩者的主要區(qū)分是前者帶有動態(tài)差分。兩者的主要區(qū)分是前者帶有 數(shù)據(jù)傳輸設備，能在接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳輸設備，能在接收

30、衛(wèi)星數(shù)據(jù)的“同時同時” ” 接收從參考站接收從參考站 傳來的改正信息。根據(jù)傳輸?shù)母恼畔⒉煌罘侄ㄎ豢煞殖蓚鱽淼母恼畔?。根?jù)傳輸?shù)母恼畔⒉煌罘侄ㄎ豢煞殖?位置差分、距離差分和載波相位差分，其中載波相位動態(tài)差分位置差分、距離差分和載波相位差分，其中載波相位動態(tài)差分 的是動態(tài)定位中精度最高的。高精度動態(tài)定位都使用載波相位的是動態(tài)定位中精度最高的。高精度動態(tài)定位都使用載波相位 動態(tài)差分。動態(tài)差分。 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 7 7、GPSGPS接收機及其分類接收機及其分類 GPS GPS用戶設備主要包括用戶設備主要包括GPSGPS接收機及其天線、微處接收機及其天

31、線、微處 理機及其終端設備以及電源等。其中接收機和天線是理機及其終端設備以及電源等。其中接收機和天線是 核心部分，習慣上統(tǒng)稱為核心部分，習慣上統(tǒng)稱為GPSGPS接收機。主要功能是接收接收機。主要功能是接收 GPSGPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，并進行處理，獲取導航電文和必衛(wèi)星發(fā)射的信號，并進行處理，獲取導航電文和必 要的觀測量。要的觀測量。 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 GPS接收機的結構接收機的結構 天線前置放 大器 信號處理 器 微處理器 導航計算機 震蕩器 用戶信息 傳輸 數(shù)據(jù)存儲器 外部傳輸 電源 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 q 天線（帶前置放大

32、器） q 信號處理器：用于信號識別與處理 q 微處理器：用于接收機的控制、數(shù)據(jù)采集和導 航計算 q 用戶信息傳輸：包括操作板、顯示板等 q 精密震蕩器：產生標準頻率 q 電源 GPS接收機的主要結構組成接收機的主要結構組成 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 q 硬件部分：硬件部分：上述的各種設備。上述的各種設備。 q 軟件部分：軟件部分：支持接收機硬件實現(xiàn)其功能，并完成各種導航支持接收機硬件實現(xiàn)其功能，并完成各種導航 和測量任務的程序。包括內軟件和外軟件。所謂內軟件是和測量任務的程序。包括內軟件和外軟件。所謂內軟件是 指諸如控制接收機信號通道，按時序對各衛(wèi)星信號進行量指諸如

33、控制接收機信號通道，按時序對各衛(wèi)星信號進行量 測的軟件，以及固化在中央處理器中自動操作程序等。此測的軟件，以及固化在中央處理器中自動操作程序等。此 類軟件已與接收機融為一體。外軟件是指處理觀測數(shù)據(jù)的類軟件已與接收機融為一體。外軟件是指處理觀測數(shù)據(jù)的 軟件系統(tǒng)，一般以磁盤方式提供。無特別說明，通常所指軟件系統(tǒng)，一般以磁盤方式提供。無特別說明，通常所指 的軟件均指外軟件。的軟件均指外軟件。 GPS接收機按構成部分的性質和功能劃分接收機按構成部分的性質和功能劃分 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 按工作原理劃分：按工作原理劃分： q 碼相關型接收機：能夠產生與所測衛(wèi)星測距碼結構完

34、全相 同的復制碼。利用的是C/A碼或P碼，條件是掌握測距碼結 構，也稱有碼接收機。 q 平方型接收機：利用載波信號的平方技術去掉調制碼，獲 得載波相位測量所必需的載波信號。該機只利用衛(wèi)星信號， 無需解碼，不必掌握測距碼結構，稱無碼接收機。 q 混合型接收機：綜合利用了碼相關技術和平方技術的優(yōu)點， 同時獲得碼相位和精密載波相位觀測量。目前廣泛使用。 接收機類型接收機類型 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 q 多通道接收機：具有多個衛(wèi)星信號通道，每個通道只連續(xù)跟 蹤一個衛(wèi)星信號。也稱連續(xù)跟蹤型接收機。 q 序貫通道接收機：只有1-2個信號通道，為了跟蹤多個衛(wèi)星， 在相應軟件控制

35、下按時序依次對各衛(wèi)星信號進行跟蹤量測。 依次量測一個循環(huán)所需時間較長（大于20ms），對衛(wèi)星信號 的跟蹤是不連續(xù)的。 q 多路復用通道接收機：與序貫通道接收機相似，也只有1-2 個信號通道，在相應軟件控制下按時序依次對各衛(wèi)星信號進 行跟蹤量測。依次量測一個循環(huán)所需時間較短（小于20ms）， 可保持對衛(wèi)星信號的連續(xù)跟蹤。 根據(jù)接收機信號通道類型劃分根據(jù)接收機信號通道類型劃分 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 根據(jù)所接收的衛(wèi)星信號頻率劃分：根據(jù)所接收的衛(wèi)星信號頻率劃分： q 單頻接收機（單頻接收機（L L1 1）：）：只接收調制的只接收調制的L L1 1信號，雖然可利用導航信號

36、，雖然可利用導航 電文提供的參數(shù)，對觀測量進行電離層影響修正，但由于修電文提供的參數(shù)，對觀測量進行電離層影響修正，但由于修 正模型尚不完善，精度較差，主要用于小于正模型尚不完善，精度較差，主要用于小于2020kmkm的短基線精的短基線精 密定位。密定位。 q 雙頻接收機（雙頻接收機（L L1 1+L+L2 2）：）：同時接受同時接受L L1 1、L L2 2兩種信號，利用雙頻兩種信號，利用雙頻 技術，可消除或減弱電離層折射對觀測量的影響，定位精度技術，可消除或減弱電離層折射對觀測量的影響，定位精度 較高。較高。 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 q 導航型：導航型：用于確定

37、船舶、車輛、飛機等運載體的實時位置用于確定船舶、車輛、飛機等運載體的實時位置 和速度，保障按預定路線航行或選擇最佳路線。一般采用和速度，保障按預定路線航行或選擇最佳路線。一般采用 測碼偽距為觀測量的單點實時定位或差分測碼偽距為觀測量的單點實時定位或差分GPS（RTDGPS） 定位，精度低，結構簡單，價格便宜，應用廣泛。定位，精度低，結構簡單，價格便宜，應用廣泛。 q 測量型接收機：測量型接收機：采用載波相位觀測量進行相對定位，精度采用載波相位觀測量進行相對定位，精度 高。觀測數(shù)據(jù)可測后處理或實時處理（高。觀測數(shù)據(jù)可測后處理或實時處理（RTK），），需配備功需配備功 能完善的數(shù)據(jù)處理軟件。與導航

38、型相比，結構復雜，價格能完善的數(shù)據(jù)處理軟件。與導航型相比，結構復雜，價格 昂貴。昂貴。 q 授時型接收機：授時型接收機：主要用于天文臺或地面監(jiān)控站，進行時頻主要用于天文臺或地面監(jiān)控站，進行時頻 同步測定。同步測定。 按接收機用途劃分：按接收機用途劃分： 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號經由天線進入接收機的路徑。衛(wèi)星發(fā)射的信號經由天線進入接收機的路徑。 當接收機的全向天線接收到所有來自天線水平面以上的衛(wèi)星當接收機的全向天線接收到所有來自天線水平面以上的衛(wèi)星 信號之后，必須首先將這些信號隔離開來，以便進行處理信號之后，必須首先將這些信號隔離開來，以便進行處

39、理 和量測和量測通過接收機內若干分離信號的通道來實現(xiàn)。通過接收機內若干分離信號的通道來實現(xiàn)。 通道是由硬件和相應的軟件組成。通道是由硬件和相應的軟件組成。每個通道在某一時刻只能每個通道在某一時刻只能 跟蹤一顆衛(wèi)星的一種頻率信號。跟蹤一顆衛(wèi)星的一種頻率信號。 GPS接收機通道的概念接收機通道的概念 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 當接收機需同時跟蹤多個衛(wèi)星信號時的兩種跟蹤方式：當接收機需同時跟蹤多個衛(wèi)星信號時的兩種跟蹤方式： 一是接收機具有多個分離的硬件通道，每個通道都可連續(xù)的一是接收機具有多個分離的硬件通道，每個通道都可連續(xù)的 跟蹤一個衛(wèi)星信號；跟蹤一個衛(wèi)星信號； 二是一

40、個信號通道在相應軟件的作用下，跟蹤多個衛(wèi)星信號。二是一個信號通道在相應軟件的作用下，跟蹤多個衛(wèi)星信號。 根據(jù)跟蹤衛(wèi)星信號的方式不同，通道的類型分為：根據(jù)跟蹤衛(wèi)星信號的方式不同，通道的類型分為： 序貫通道（序貫通道（sequencing channel） 多路復用通道（多路復用通道（multiplexing channel） 多通道（多通道（multi-channel） 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 q 天線與前置放大器應密封為一體，保障在惡劣氣象環(huán)境天線與前置放大器應密封為一體，保障在惡劣氣象環(huán)境 下正常工作。下正常工作。 q 天線應呈全圓極化：要求天線的作用范圍為整個

41、上半球，天線應呈全圓極化：要求天線的作用范圍為整個上半球， 天頂處不產生死角，保障能接收來自天空任何方向的衛(wèi)天頂處不產生死角，保障能接收來自天空任何方向的衛(wèi) 星信號。星信號。 q 天線必須采取適當?shù)姆雷o與屏蔽措施：例如加一塊基板，天線必須采取適當?shù)姆雷o與屏蔽措施：例如加一塊基板， 盡可能地減弱信號的多路徑效應，防止信號干擾。盡可能地減弱信號的多路徑效應，防止信號干擾。 q 天線的相位中心與其幾何中心的偏差應盡量小，且保持天線的相位中心與其幾何中心的偏差應盡量小，且保持 穩(wěn)定。穩(wěn)定。 天線的基本要求天線的基本要求 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 6.1 6.1 GPSGPS

42、衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 （1）單極或偶極天線：）單極或偶極天線：屬于單頻天線，結構簡單，體積屬于單頻天線，結構簡單，體積 小，通常安裝在一塊基板上，減弱多路徑影響。小，通常安裝在一塊基板上，減弱多路徑影響。 （2）四線螺旋形或螺旋形結構天線：）四線螺旋形或螺旋形結構天線：屬于單頻天線，結屬于單頻天線，結 構較單極天線復雜，生產中難以調整，但增益性好，構較單極天線復雜，生產中難以調整，但增益性好， 一般不需底板。一般不需底板。 （3）微波傳輸帶型天線：）微波傳輸帶型天線：簡稱微帶天線。結構最為簡單簡稱微帶天線。結構最為簡單 和堅固，即可用于單頻，也可用于雙頻，天線高度低，和堅固，即可用于單頻，

43、也可用于雙頻，天線高度低， 是安裝在飛機上的理想天線。缺點是增益性低，但可是安裝在飛機上的理想天線。缺點是增益性低，但可 采用低噪聲前置放大器加以彌補。采用低噪聲前置放大器加以彌補。 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 （4）錐形天線：）錐形天線：也稱盤旋螺線型天線?？赏瑫r在兩個頻道也稱盤旋螺線型天線?？赏瑫r在兩個頻道 上工作，優(yōu)點是增益性好，但天線較高，螺旋線在水平方上工作，優(yōu)點是增益性好，但天線較高，螺旋線在水平方 向上不完全對稱，天線的相位中心和幾何中心不完全重合。向上不完全對稱，天線的相位中心和幾何中心不完全重合。 （5）帶扼流圈的振子天線：）帶扼流圈的振子天線：簡稱

44、扼流圈天線。簡稱扼流圈天線。1987年由美年由美 國航空航天局（國航空航天局（NASA）研制。主要特點是可有效地抑制多研制。主要特點是可有效地抑制多 路徑誤差的影響。缺點是體積大，重量重。路徑誤差的影響。缺點是體積大，重量重。 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 幾種測量型雙頻幾種測量型雙頻GPS接收機的主要參數(shù)接收機的主要參數(shù) Wild200STrimble4000SEAshtech Dimension NovAtel RPK-3151 產地瑞士美國美國加拿大 首產年代1994199219911995 通道數(shù)691212 體積cm31000478418811085 重量kg

45、1.62.51.61.0 天線類型微帶微帶微帶扼流圈，微帶 功耗W1054.15 工作溫度 0C-20-50-20-55-20-60-40-65 標稱精度5-10mm+2ppmD10mm+2ppmD10mm+2ppmD5mm+2ppmD 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 GPS軟件系統(tǒng)的質量，對改善定位精度，提高軟件系統(tǒng)的質量，對改善定位精度，提高 作業(yè)效率和開拓作業(yè)效率和開拓GPS應用新領域都具有重要意義，應用新領域都具有重要意義， 主要由如下重要模塊組成；主要由如下重要模塊組成； 觀測計劃編制軟件觀測計劃編制軟件 該軟件可產生天空衛(wèi)星分布圖，顯示衛(wèi)星高度和方該軟件可產生

46、天空衛(wèi)星分布圖，顯示衛(wèi)星高度和方 位角，給出表征衛(wèi)星幾何配置的精度因子位角，給出表征衛(wèi)星幾何配置的精度因子PDOP，以以 便選擇最好的衛(wèi)星配置和最佳的觀測時段。便選擇最好的衛(wèi)星配置和最佳的觀測時段。 8、 GPS測量系統(tǒng)的軟件功能及其發(fā)展測量系統(tǒng)的軟件功能及其發(fā)展 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 觀測數(shù)據(jù)預處理軟件觀測數(shù)據(jù)預處理軟件 對原始觀測數(shù)據(jù)進行編輯、加工和整理，分流出各種專對原始觀測數(shù)據(jù)進行編輯、加工和整理，分流出各種專 用信息文件，為平差做準備。用信息文件，為平差做準備。 q 數(shù)據(jù)傳輸：數(shù)據(jù)傳輸：將將GPS接收機記錄的觀測數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱疟P或其它接收機記錄的觀測數(shù)據(jù)

47、傳輸?shù)酱疟P或其它 介質上，以便進行處理和保存。介質上，以便進行處理和保存。 q 數(shù)據(jù)分流：數(shù)據(jù)分流：根據(jù)原始記錄，通過解碼將各項數(shù)據(jù)分類整理，根據(jù)原始記錄，通過解碼將各項數(shù)據(jù)分類整理， 剔除無效觀測值和冗余信息，形成各種數(shù)據(jù)文件，如星歷文剔除無效觀測值和冗余信息，形成各種數(shù)據(jù)文件，如星歷文 件、觀測文件和測站信息文件等，以供進一步處理。件、觀測文件和測站信息文件等，以供進一步處理。 q 觀測數(shù)據(jù)的平滑、濾波：觀測數(shù)據(jù)的平滑、濾波：剔除粗差并進一步刪除無效觀測值。剔除粗差并進一步刪除無效觀測值。 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 q 統(tǒng)一數(shù)據(jù)文件格式：將不同類型接收機的數(shù)據(jù)記

48、錄格式、統(tǒng)一數(shù)據(jù)文件格式：將不同類型接收機的數(shù)據(jù)記錄格式、 項目和采樣間隔，生成標準的文件格式（通過項目和采樣間隔，生成標準的文件格式（通過RINEX），）， 以便統(tǒng)一處理。以便統(tǒng)一處理。 q 衛(wèi)星軌道的標準化：統(tǒng)一不同來源衛(wèi)星軌道信息的表達方衛(wèi)星軌道的標準化：統(tǒng)一不同來源衛(wèi)星軌道信息的表達方 式、平滑式、平滑GPS衛(wèi)星每小時發(fā)送的軌道參數(shù)，使觀測時段的衛(wèi)星每小時發(fā)送的軌道參數(shù)，使觀測時段的 衛(wèi)星軌道標準化。衛(wèi)星軌道標準化。 q 自動探測周跳，修復載波相位觀測值。自動探測周跳，修復載波相位觀測值。 q 對觀測值進行必要的改正。對觀測值進行必要的改正。 q 基線向量的定義?；€向量的定義。 6.1 6.1 GPSGPS衛(wèi)星定位基礎衛(wèi)星定位基礎 q 處理多臺儀器的同步觀測數(shù)據(jù)，給出載波相位觀測值差分 的固定解和浮動解。 q 同步邊觀測數(shù)據(jù)的質量檢核，包括觀測數(shù)據(jù)的剔除率、觀 測值的殘差分析和不同時段重復觀測邊的精度檢核等。 q 應用廣播星歷或精密后處理星歷處理觀測數(shù)據(jù)。 q 精密相對定位數(shù)據(jù)處理的軌道改進法。 q 采用測碼偽距或測相偽距，測定和精化起始站坐標的初始 值。 基線向