测量教案8章GPS测量

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1、第8章GPS测量的原理与方法§8.1GPS概述73年12月，美国国防部组织开始研制新一代军用卫星导航系统——GPS89年2月14日发射第一颗GPS卫星94年3月28日发射完第24颗卫星目前在轨卫星数>32颗均匀分布在6个与赤道倾角为55°近似圆形轨道上每个轨道4颗卫星运行，距地表平均高度20200km速度为3800m/s，运行周期为11h58min每颗卫星覆盖全球38％面积保证地球上任何地点、任何时刻、高度15°以上天空能同时观测到4颗以上卫星。GPS定位——空间测距交会P点安置GPS接收机，接收卫星发射的测距码信号在接收

2、机时钟控制下解出测距码从卫星→接收机的时间——Δt乘光速c、加卫星时钟与接收机时钟不同步改正算出卫星→接收机的空间距离——vt——卫星钟差，vT——接收机钟差GPS用单程测距方式接收机接收到的测距信号不再返回卫星接收机直接解算传播时间Δt并算出卫星→接收机的距离要求卫星和接收机时钟严格同步卫星在严格同步时钟控制下发射测距信号实际上，卫星钟与接收机钟不可能严格同步产生钟误差两个时钟不同步对测距结果的影响——c(vT－vt)卫星广播含卫星钟差vT——已知接收机钟差vT未知——观测方程解算卫星→接收机的空间距离——没有考虑大气电

3、离层和对流层折射误差影响不是卫星→接收机的几何距离——伪距距离测定原理XllVlXllllXllVlXllllllllVVVllVlllXlX距离测定原理XllVlXllllVll距离测定原理XllVlXllllllllVVVllVlllXlX距离=传播时间x光速距离测定原理我们必定在以R1为半径的球面的某个点上R1点位测定原理2个球面相交成一个圆弧点位被限制在一曲线上R1R2点位测定原理3个球面相交成一个点3个距离段可以确定纬度，经度，和高程点的空间位置被确定R1R2R3点位测定原理测距时刻——ti接收卫星Si广播星历解

4、算出——Si在WGS-84坐标系的三维坐标(xi，yi，zi)则Si卫星→P点的空间距离——伪距观测方程——有xP，yP，zP，vT四个未知数为了解算这四个未知数，应同时锁定4颗卫星观测观测A，B，C，D四颗卫星的伪距方程——解方程算出P点坐标——(xP，yP，zP)§8.2GPS的组成工作卫星、地面监控系统、用户设备§8.2.1地面监控系统卫星广播星历包含描述卫星运动及其轨道的参数每颗卫星广播星历由地面监控系统提供地面监控系统——1个主控站、3个注入站、5个监测站(1)监测站主控站控制下的数据自动采集中心有双频GPS接收

5、机、高精度原子钟、气象参数测试仪计算机等设备完成对GPS卫星信号连续观测，搜集当地气象数据观测数据经计算机处理后传送到主控站(2)主控站协调和管理所有地面监控系统工作①根据观测数据，推算编制各卫星星历、卫星钟差大气层修正参数，数据传送到注入站②提供时间基准。各监测站和GPS卫星原子钟应与主控站原子钟同步，或测量出其间钟差将钟差信息编入导航电文，送到注入站③调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行④启动备用卫星，以代替失效的工作卫星(3)注入站主控站控制下将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文其它控制指令注入卫星存储器

6、监测注入信息的正确性除主控站外，整个地面监控系统无人值守§8.2.2用户设备GPS接收机和相应的数据处理软件GPS接收机包括接收天线、主机、电源GPS接收机任务捕获卫星信号，跟踪并锁定卫星信号处理接收到的信号测量测距信号从卫星传播到接收机天线的时间间隔译出卫星广播的导航电文实时计算接收机天线三维坐标、速度和时间用途——导航型、测地型和授时型载波频率——单频接收机(用1个载波频率)双频接收机(用2个载波频率)南方测绘NGS9600测地型单频静态GPS接收机§8.3GPS定位的基本原理测距原理——伪距、载波相位测量、GPS差分

7、定位待定点位运动状态——静态定位、动态定位§8.3.1卫星信号载波、测距码(C/A码P码)、数据码(导航电文或称D码)同一原子钟频率f0=10.23MHz下产生(1)载波信号频率用无线电波段两种不同频率电磁波L1载波：f1=154×f0=1575.42MHz，λ1=19.03cmL2载波：f2=120×f0=1227.60MHz，λ2=24.42cm载波L1——调制有C/A码、P码、数据码载波L2——调制有P码、数据码测距码由0，1组成的二进制编码一位二进制数——比特(bit)每秒钟传输比特数称为数码率卫星的两种测距码C/

8、A码和P码属于伪随机码具有良好自相关特性和周期性，容易复制测距码——测距原理卫星时钟控制发射某结构测距码经Δt时间传播后到达GPS接收机接收机产生同结构测距码——复制码复制码延迟时间τ后与接收的卫星测距码比较调整延迟时间τ使两个测距码完全对齐复制码延迟时间τ=ΔtC/A码码元宽度对应距离——293.1m