全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)原理及定位方法

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1、 全 球 定 位 系 統(tǒng)全 球 定 位 系 統(tǒng) 衛(wèi) 星 導(dǎo) 航 系 統(tǒng) ， 用 于 在 全 球 范 圍 內(nèi) 獲 取 物 體 的 空 間 位 置 、 速 度 和 時(shí) 間 信 息 。 全 球 定 位 系 統(tǒng) GPS 的 英 文 全 稱 Global Positioning System， 簡(jiǎn) 稱 GPS。 GPS概 要n建 立 國(guó) 家n 美 國(guó)n目 的n 在 全 球 范 圍 內(nèi) ， 提 供 實(shí) 時(shí) 、 連 續(xù) 、 全 天 候 的 導(dǎo) 航 定位 及 授 時(shí) 服 務(wù)n開 始 籌 建 時(shí) 間 n 1973年n完 全 建 成 時(shí) 間n 1994年 l系 統(tǒng) 構(gòu) 成l 空 間 部 分 、 地 面 控 制 部

2、 分 、 用 戶 部 分l定 位 原 理l 距 離 交 會(huì)l測(cè) 距 原 理 l 電 磁 波 測(cè) 距 GPS定 位 系 統(tǒng) 的 特 點(diǎn)n 定 位 精 度 高 （ 用 載 波 相 位 法 進(jìn) 行 靜 態(tài) 相 對(duì) 定 位 ， 在小 于 50km基 線 上 ， 精 度 達(dá) 1ppm； 在 100 500km基 線 上 ，精 度 達(dá) 0.1ppm 。n 觀 測(cè) 時(shí) 間 短 （ 一 小 時(shí) 到 幾 秒 鐘 ） ， 測(cè) 量 效 率 高 。 l 測(cè) 站 間 無 需 通 視 ， 因 而 測(cè) 站 可 以 設(shè) 置 在 任 何需 要 的 地 方 ， 且 不 用 建 造 覘 標(biāo) 。l 儀 器 操 作 簡(jiǎn) 便l 全 球

3、全 天 候 定 位l 可 同 時(shí) 獲 得 三 維 坐 標(biāo) l 應(yīng) 用 廣 泛 GPS在 測(cè) 量 中 的 應(yīng) 用u控 制 測(cè) 量u 質(zhì) 量 要 求 高 （ 厘 米 至 毫 米 級(jí) ） 國(guó) 家 高 精 度 GPS網(wǎng) u形 變 監(jiān) 測(cè)質(zhì) 量 要 求 極 高 （ 毫 米 級(jí) ） GPS大 壩 變 形 監(jiān) 測(cè) 系 統(tǒng) 大 橋 安 全 監(jiān) 測(cè) 大 型 水 利 設(shè) 施 的 安 全 監(jiān) 測(cè) l高 層 建 筑 的 安 全 監(jiān) 測(cè)l滑 坡 監(jiān) 測(cè)l地 面 沉 降 監(jiān) 測(cè) l工 程 放 樣l 質(zhì) 量 要 求l較 高 （ 分 米 至 厘 米 級(jí) ） GPS RTK lGIS數(shù) 據(jù) 采 集l 質(zhì) 量 要 求 較 低 （

4、 分 米 級(jí) ） 用 于 GIS數(shù) 據(jù) 采 集 的 GPS接 收 機(jī) l踏 勘 、 資 源 調(diào) 查l 質(zhì) 量 要 求 低 （ 數(shù) 十 米 至 米 級(jí) ） 資 源 調(diào) 查 GPS技 術(shù) 的 其 他 應(yīng) 用 領(lǐng)域l車 船 管 理 調(diào) 度 ：l 在 出 租 車 行 業(yè) 、 長(zhǎng) 途 運(yùn) 輸 業(yè) 、 租 車 服 務(wù) 業(yè) 等 將 能 夠?qū)?車 輛 進(jìn) 行 跟 蹤 、 調(diào) 度 管 理 。 在 擁 擠 的 停 車 場(chǎng) 、 火 車 調(diào) 度場(chǎng) 能 夠 準(zhǔn) 確 地 確 定 車 輛 的 位 置 ， 有 效 地 調(diào) 動(dòng) 車 輛 。l車 輛 自 導(dǎo) 航 GPS用 于 航 空 航 天 器 軌 道 的 確 定 民 航 運(yùn) 輸

5、 ：使 飛 機(jī) 著 陸 時(shí) 駕 駛 員 通 過 儀 表 操 作 對(duì) 準(zhǔn) 跑 道 。 公 路 水 路 維 護(hù) ： 能 準(zhǔn) 確 地 引 導(dǎo) 維 護(hù) 人 員 調(diào) 查 需 維護(hù) 的 交 通 設(shè) 施 。 道 路 支 持 ：車 在 路 上 壞 了 時(shí) ， 將 提 高 救 援 車 輛 找 到 你 的 效 率 。 滿 足 人 們 在 資 源 勘 探 、 遙 感 探 測(cè) 、勘 探 地 形 、 森 林 實(shí) 地 自 然 資 源 調(diào) 查 、動(dòng) 物 跟 蹤 、 生 態(tài) 環(huán) 境 保 護(hù) 、 海 洋 生 物調(diào) 查 、 社 會(huì) 調(diào) 查 、 防 止 動(dòng) 物 威 脅 等 諸多 方 面 對(duì) 定 位 精 度 的 要 求 。 突 發(fā)

6、事 件 臨 戰(zhàn) 狀 態(tài) 準(zhǔn) 備 ： 如 在 洪 水 發(fā) 生 時(shí) ， 需 要 快 速 地 為 救 災(zāi) 工 作 做 好 準(zhǔn) 備 ，如 繪 制 洪 水 邊 界 圖 、 排 洪 國(guó) 界 圖 、 排 洪 通 道 、 防 洪 大 堤的 調(diào) 查 。 E 911： 美 國(guó) 通 訊 委 員 會(huì) （ FCC） 要 求 將 所 有 的 移 動(dòng)電 話 安 裝 無 線 電 定 位 裝 置 ， 以 便 用 戶 在 通 過 移 動(dòng)電 話 向 911請(qǐng) 求 幫 助 時(shí) 可 找 到 用 戶 位 置 ， 實(shí) 現(xiàn) 快速 援 助 。 GPS將 是 滿 足 FCC要 求 的 一 種 精 確 、 成本 低 廉 的 方 式 。 搜 索 與

7、 求 援 ： 更 加 有 效 地 對(duì) 在 人 跡 罕 至 、 條 件 惡 劣 的 航 海 、登 山 探 險(xiǎn) 、 滑 雪 、 沙 漠 作 業(yè) 中 失 蹤 的 人 員 進(jìn) 行 求援 搜 索 。 GPS的 系 統(tǒng) 組 成空 間 部分地 面 監(jiān)控 部 分 用 戶 部分GPS GPS的 空 間 部 分lGPS的 空 間 部 分 的 組 成l GPS衛(wèi) 星 星 座 n 設(shè) 計(jì) 星 座n21(工 作 衛(wèi) 星 )+3(活 動(dòng) 的 備 用 衛(wèi) 星 )n 6個(gè) 軌 道 面 ， 平 均 軌 道 高 度 20200km， 軌 道 傾角 55 n 保 證 在 24小 時(shí) ， 在 高 度 角 15 以 上 ， 能 夠 同

8、時(shí) 觀 測(cè) 到 4至 8顆 衛(wèi) 星n 當(dāng) 前 星 座 ： 28顆 lGPS衛(wèi) 星l 作 用 ：l生 成 用 于 導(dǎo) 航 定 位 的 信 號(hào) （ 測(cè) 距 碼 、 載 波 ）l發(fā) 送 用 于 導(dǎo) 航 定 位 的 信 號(hào) （ 調(diào) 制 在 載 波 上的 測(cè) 距 碼 和 導(dǎo) 航 電 文 ）l接 收 、 存 儲(chǔ) 導(dǎo) 航 電 文l接 受 地 面 指 令 ， 進(jìn) 行 相 應(yīng) 操 作l其 他 特 殊 用 途 ， 如 通 訊 等 。 l主 要 設(shè) 備l信 號(hào) 生 成 與 發(fā) 射 裝 置l原 子 鐘 （ 2臺(tái) 銫 鐘 、 2臺(tái) 銣 鐘 ）l微 處 理 機(jī)l太 陽 能 電 池 板 Block IIRBlock IIA

9、Block IIABlock IIR Block IIFBlock IIR 不 同 類 型 的 GPS衛(wèi) 星 GPS的 地 面 監(jiān) 控 部 分 l地 面 監(jiān) 控 部 分 （ Ground Segment）l 組 成l監(jiān) 測(cè) 站 ： 5個(gè)l主 控 站 ： 1個(gè)l注 入 站 ： 3個(gè)l通 訊 與 輔 助 系 統(tǒng) GPS衛(wèi) 星 注 入 站監(jiān) 測(cè) 站 主 控 站 監(jiān) 測(cè) 站 ： 5個(gè) 注 入 站 ： 3個(gè)主 控 站 :1個(gè) 主 控 站 :1個(gè) l收 集 監(jiān) 測(cè) 數(shù) 據(jù)l編 發(fā) 導(dǎo) 航 電 文l監(jiān) 控 系 統(tǒng) 狀 態(tài) 監(jiān) 測(cè) 站 ： 5個(gè) l對(duì) 衛(wèi) 星 進(jìn) 行 跟 蹤 觀 測(cè)l記 錄 距 離 、 時(shí) 間

10、 、 氣 象 數(shù) 據(jù)l將 數(shù) 據(jù) 傳 送 到 主 控 站 注 入 站 ： 3個(gè)l 在 衛(wèi) 星 飛 躍 注 入 站 上 空 時(shí)l向 衛(wèi) 星 注 入 導(dǎo) 航 電 文l向 衛(wèi) 星 注 入 指 令 等 GPS用 戶 部 分GPS信 號(hào) 接 收 機(jī) uGPS接 收 機(jī) 的 基 本 類 型 分 導(dǎo) 航 型 和 大 地 型 。u 大 地 型 接 收 機(jī) 又 分 單 頻 型 和 雙 頻 型 。 圖 片 ： 導(dǎo) 航 型 GPS接 收 機(jī)手 持 型 GPS機(jī) 車 載 型 GPS機(jī) 圖 片 ： 大 地 型 GPS接 收 機(jī)單 頻 機(jī) 雙 頻 機(jī) GPS衛(wèi) 星 信 號(hào) 結(jié) 構(gòu) 概 述lGPS衛(wèi) 星 信 號(hào) 的 組 成

11、 部 分l 衛(wèi) 星 （ 導(dǎo) 航 ） 電 文 （ 數(shù) 據(jù) 碼 ， D碼 ）l 測(cè) 距 碼 （ Ranging Code）lC/A碼 （ 目 前 只 被 調(diào) 制 在 L1上 ）lP(Y)碼 （ 被 分 別 調(diào) 制 在 L1和 L2上 ） l 載 波 （ Carrier）lL1lL2 GPS衛(wèi) 星 信 號(hào) 的 頻 率l基 準(zhǔn) 頻 率 f010.23MHzl 衛(wèi) 星 信 號(hào) 的 所 有 成 分均 是 該 基 準(zhǔn) 頻 率 的 倍頻 或 分 頻 1 0 12 0 200 0154 1575.42MHz; 19.03cm120 1227.60MHz; 24.42cm/ 10 1.023MHz;10.23MH

12、z; 20460000 50L LL Lf ff fC A fP f f Hz 碼 碼 率碼 碼 率衛(wèi) 星 （ 導(dǎo) 航 ） 電 文 碼 率 衛(wèi) 星 （ 導(dǎo) 航 ） 電 文 （ D碼 ）l作 用 ： 向 用 戶 提 供 衛(wèi) 星 軌 道 參 數(shù) 、 衛(wèi) 星鐘 參 數(shù) 、 衛(wèi) 星 狀 態(tài) 信 息 及 其 它 信 息 測(cè) 距 碼 l作 用l 測(cè) 距l(xiāng)性 質(zhì)l 偽 隨 機(jī) 噪 聲 碼 （ PRN Pseudo Random Noise） l 可 復(fù) 制 。 利 用 衛(wèi) 星 發(fā) 射 的 測(cè) 距 碼 和 接 收 機(jī) 復(fù) 制 的 測(cè)距 碼 進(jìn) 行 比 對(duì) ， 可 確 定 衛(wèi) 星 信 號(hào) 從 衛(wèi) 星 到 目 標(biāo)

13、 的 時(shí)間 ， 從 而 確 定 衛(wèi) 星 到 目 標(biāo) 的 距 離 。 測(cè) 距 碼 l 類 型l 目 前l(fā) C/A碼 （ Coarse/Acquisition Code） 粗 碼 /捕 獲 碼 ；l 碼 長(zhǎng) N=210 1=1023bit（ 小 ）l 碼 率 f 1.023Mbit/sl 碼 元 寬 度 t0 1/f 0.97752 對(duì) 應(yīng) 距 離 為293.05m（ 大 )l 由 于 C/A碼 碼 長(zhǎng) 較 小 ， 故 易 于 捕 獲 ， （ 若 以 50bit/s的 速 度 搜索 ， 只 需 20.5秒 便 可 ） ， 而 且 P碼 的 捕 獲 也 需 依 靠 C/A碼 的捕 獲 ， 故 稱 C

14、/A碼 為 捕 獲 碼 。 s 由 于 C/A碼 的 碼 元 寬 度 較 大 ， 當(dāng) 兩 組 碼 元 對(duì) 齊誤 差 為 碼 元 寬 度 的 1/1001/10時(shí) ， 引 起 GPS衛(wèi) 星 至接 收 機(jī) 的 測(cè) 距 誤 差 為 2.93 29.3m， 精 度 較 低 ， 稱C/A碼 為 粗 碼 。 測(cè) 距 碼 P（ Y） 碼 （ Precise Code） 精 碼 碼 長(zhǎng) N=6.187104 1012bit（ 大 ） 碼 率 f 10.23Mbit/s 碼 元 寬 度 t0 1/f 0.097752 對(duì) 應(yīng) 距離 為 29.305m（ 小 )P碼 的 測(cè) 距 誤 差 為 0.293 2.93m

15、（ 為 C/A碼 的 1/10） ， 精 度 較 高 ， 稱 為 精 碼 。s 載 波 l 作 用l 搭 載 其 它 調(diào) 制 信 號(hào)l 測(cè) 距l(xiāng) 類 型l 目 前l(fā) 載 波 波 長(zhǎng) 遠(yuǎn) 遠(yuǎn) 低 于 測(cè) 距 碼 碼 元 長(zhǎng) 度 （ C/A碼 為 293.1m， P碼 為29.31m， 因 此 由 載 波 測(cè) 定 衛(wèi) 星 至 目 標(biāo) 間 的 距 離 更 為 精 確 。 （ 目 前 ， GPS接收 機(jī) 測(cè) 定 相 位 差 的 精 度 可 以 達(dá) 到 1/100 1/1000， 對(duì) 應(yīng) 于 L1與 L2的 波 長(zhǎng) ，則 測(cè) 距 精 度 可 以 達(dá) 到 cm， mm級(jí) 別 。 ） l 現(xiàn) 代 化 后l增

16、 加 L5 頻 率 ： 115f0 = 1176.45MHz； 波 長(zhǎng) ： 25.48cm L1 19.03cmL2 24.42cmcmMHZf cmMHZf LL 42.2460.1227 03.1942.4575 2121 載 波 l特 點(diǎn)l 所 選 擇 的 頻 率 有 利 于 減 弱 信 號(hào) 所 受 的 電 離 層折 射 延 遲 誤 差 （ 電 離 層 折 射 延 遲 與 信 號(hào) 的 頻率 有 關(guān) ） l 選 擇 2個(gè) 頻 率 可 以 較 好 地 消 除 信 號(hào) 的 電 離 層折 射 GPS測(cè) 量 定 位 原 理 設(shè) GPS衛(wèi) 星 Si在 空 間 坐 標(biāo) 系 的 坐 標(biāo) 為（ xi， y

17、i， zi） ， （ i 1， 2， 3 n; n 4)在 目 標(biāo) 點(diǎn) 上 安 置 GPS接 收 機(jī) ， 測(cè) 得 目 標(biāo) 至可 以 收 到 信 號(hào) 衛(wèi) 星 的 距 離 為 Di， 則 可 列出 數(shù) 學(xué) 方 程 組 為 ： 222 2323233 2222222 2121211 )()()( )()()( )()()( )()()( zzyyxxD zzyyxxD zzyyxxD zzyyxxD nnnn 解 上 述 方 程 組 ， 便 可 求 得 目 標(biāo) 在空 間 坐 標(biāo) 系 中 的 坐 標(biāo) （ x， y， z） 由 于 目 標(biāo) 至 可 以 收 到 信號(hào) 衛(wèi) 星 的 距 離 需 同 時(shí) 測(cè) 得

18、 ，要 實(shí) 現(xiàn) 同 步 必 須 具 有 同 一 的時(shí) 間 基 準(zhǔn) ， 定 位 時(shí) ， 除 了x,y,z外 ， 還 有 時(shí) 間 t， 共 4個(gè)未 知 數(shù) ， 所 以 需 測(cè) 4顆 以 上 衛(wèi)星 。 信 號(hào) 傳播 時(shí) 間測(cè) 距 碼 偽 距 測(cè) 量 原 理l距 離 測(cè) 定 的 基 本 思 路l信 號(hào) （ 測(cè) 距 碼 ） 傳 播 時(shí) 間 的 測(cè) 定ctc 信 號(hào) 傳 播 時(shí) 間 的 測(cè) 定 載 波 相 位 測(cè) 量 原 理 S R ( )tR ( )tS接 收 機(jī) 根 據(jù) 自 身的 鐘 在 時(shí) 刻 復(fù)制 信 號(hào) 的 相 位tR 接 收 機(jī) 根 據(jù) 自 身的 鐘 在 時(shí) 刻 所接 收 到 衛(wèi) 星 在時(shí) 刻

19、 所 發(fā) 送 信 號(hào)的 相 位 tR tS tR tS 按 定 位 時(shí) 接 收 機(jī) 天 線 的 運(yùn) 動(dòng) 狀 態(tài) 分 : 靜 態(tài) 定 位 ；動(dòng) 態(tài) 定 位 按 觀 測(cè) 值 類 型 分 : 偽 距 測(cè) 量 ;載 波 相 位 測(cè) 量 按 定 位 結(jié) 果 實(shí) 效 分 : 事 后 定 位 ;實(shí) 時(shí) 定 位 按 定 位 模 式 分 : 絕 對(duì) 定 位 ;相 對(duì) 定 位GPS定 位 的 方 法 單 點(diǎn) （ 絕 對(duì) ） 定 位l 用 一 臺(tái) 接 收 機(jī) 單 獨(dú) 定 位l 測(cè) 得 絕 對(duì) 位 置 ， 即 WGS 84坐 標(biāo) 系 下 的 絕 對(duì) 坐 標(biāo) l 定 位 精 度 低 絕對(duì)定位無 SA時(shí) C/A碼 單 點(diǎn)

20、 定 位 精 度 15-30m有 SA時(shí) C/A碼 單 點(diǎn) 定 位 精 度 100 m 軍 用 P碼 單 點(diǎn) 定 位 精 度 3 m 相 對(duì) 定 位 (relative positioning) 確 定 觀 測(cè) 點(diǎn) 在 國(guó) 家 或地 方 獨(dú) 立 坐 標(biāo) 系 中 的 坐 標(biāo) ， 即 相 對(duì) 位 置 。 BS1 S2 S4S3測(cè) 得 基 線 向 量 ，即 進(jìn) 行 同 步 觀 測(cè) 的兩 點(diǎn) 間 的 坐 標(biāo) 差定 位 精 度 高 靜 態(tài) mm級(jí) 動(dòng) 態(tài) cm級(jí) 相 對(duì) 定 位 (relative positioning)的 分 類 GPS的 后 處 理 測(cè) 量 方 法 1 靜 態(tài) 測(cè) 量 (stati

21、c surveying) （ 1） 方 法 ： 將 幾 臺(tái) GPS接 收 機(jī) 安 置 在 基 線 端 點(diǎn) 上 ， 保 持 固 定 不 動(dòng) ，同 步 觀 測(cè) 4顆 以 上 衛(wèi) 星 。 可 觀 測(cè) 數(shù) 個(gè) 時(shí) 段 ， 每 時(shí) 段 觀 測(cè) 十 幾分 鐘 至 1小 時(shí) 左 右 。 最 后 將 觀 測(cè) 數(shù) 據(jù) 輸 入 計(jì) 算 機(jī) ， 經(jīng) 軟 件 解算 得 各 點(diǎn) 坐 標(biāo) 。（ 2） 用 途主 要 用 于 大 地 測(cè) 量 、 控 制 測(cè) 量 、 變 形 測(cè) 量 、 工 程 測(cè) 量 。（ 3） 精 度 精 度 最 高 的 作 業(yè) 模 式 ， 可 達(dá) 到（ 5mm+1ppm） 2 動(dòng) 態(tài) 測(cè) 量 (kinem

22、atic surveying)（ 1） 方 法 ： 先 建 立 一 個(gè) 基 準(zhǔn) 站 ， 并 在 其 上 安 置 接 收 機(jī) 連續(xù) 觀 測(cè) 可 見 衛(wèi) 星 ， 另 一 臺(tái) 接 收 機(jī) 在 第 1點(diǎn) 靜 止 觀 測(cè) 數(shù)分 鐘 后 ， 在 其 他 點(diǎn) 依 次 觀 測(cè) 數(shù) 秒 。 最 后 將 觀 測(cè) 數(shù) 據(jù)輸 入 計(jì) 算 機(jī) ， 經(jīng) 軟 件 解 算 得 各 點(diǎn) 坐 標(biāo) 。 動(dòng) 態(tài) 相 對(duì) 定位 的 作 業(yè) 范 圍 一 般 不 能 超 過 15km。（ 2） 用 途 ： 適 用 于 精 度要 求 不 高 的 碎 部 測(cè) 量 。（ 3） 精 度 ： 可 達(dá) 到（ 1020mm+1ppm） 相 對(duì) 定 位

23、模 式 動(dòng) 態(tài) 模 擬 圖靜 態(tài) 相 對(duì) 定 位 模 式 流 動(dòng) 站動(dòng) 態(tài) 相 對(duì) 定 位 模 式基 準(zhǔn) 站 GPS實(shí) 時(shí) 動(dòng) 態(tài) 定 位 （ RTK） 方 法 1 RTK (real-time kinematic)工 作 原 理 及 方 法與動(dòng)態(tài)相對(duì)定位方法相比，定位模式相同，僅要在基準(zhǔn)站和流動(dòng)站間增加一套數(shù)據(jù)鏈，實(shí)現(xiàn)各點(diǎn)坐標(biāo)的實(shí)時(shí)計(jì)算、實(shí)時(shí)輸出。 GPS主 機(jī) GPS主 機(jī)發(fā) 射 電 臺(tái) 接 收 電 臺(tái)基 準(zhǔn) 站 移 動(dòng) 站RTk測(cè) 量 原 理 圖采 集 器 RTK相 對(duì) 定 位 ： 2 RTK用 途 ： 適 用 于 精 度 要 求 不 高 的 施 工 放樣 及 碎 部 測(cè) 量 。3 作

24、業(yè) 范 圍 ： 目 前 一 般 為 10km左 右 。4 精 度 ： 可 達(dá) 到 （ 1020mm+1ppm） GPS衛(wèi) 星 測(cè) 量 的 誤 差 來 源（ 1） 與 GPS衛(wèi) 星 有 關(guān) 的 誤 差（ 2） 與 信 號(hào) 傳 播 有 關(guān) 的 誤 差（ 3） 與 接 收 設(shè) 備 有 關(guān) 的 誤 差 (一 ) 與 GPS衛(wèi) 星 有 關(guān) 的 誤 差 1 衛(wèi) 星 星 歷 誤 差 : 它 是 指 廣 播 星 歷給 出 的 衛(wèi) 星 位 置 與 衛(wèi) 星 真 實(shí) 位 置 之 間的 差 值 。 一 些 國(guó) 際 性 科 學(xué) 研 究 組 織 建 立 了 全 球 范 圍 大 量 分布 的 衛(wèi) 星 跟 蹤 站 ， 對(duì) 觀

25、 測(cè) 數(shù) 據(jù) 做 精 密 的 定 軌 計(jì) 算 ， 可 以提 供 高 精 度 的 后 處 理 用 GPS星 歷 ， 其 中 IGS精 密 星 歷 ， 絕對(duì) 定 軌 精 度 已 達(dá) 5cm。 衛(wèi) 星 星 歷 誤 差 可 用 相 對(duì) 定 位 ， 或 由 精密 星 歷 解 算 衛(wèi) 星 位 置 來 削 弱 其 影 響 。 GPS的 觀 測(cè) 量 均 以 精 密 測(cè) 時(shí) 為 前 提 ， 雖 然GPS衛(wèi) 星 均 配 有 高 精 度 的 原 子 鐘 ， 但 衛(wèi) 星 鐘 時(shí) 與理 想 的 GPS時(shí) 之 間 仍 會(huì) 有 偏 差 或 漂 移 ， 難 以 避 免 ,此 偏 差 在 導(dǎo) 航 電 文 中 給 出 。 衛(wèi) 星

26、 鐘 誤 差 可 用 導(dǎo) 航 電 文 中 的 星 鐘 誤 差 參 數(shù)改 正 ； 也 可 用 相 對(duì) 定 位 來 削 弱 。2 衛(wèi) 星 鐘 誤 差 (二 ) 與 信 號(hào) 傳 播 有 關(guān) 的 誤 差1、 電 離 層 折 射 ： 受 電 離 層 折 射 影 響 ， GPS信號(hào) 穿 越 電 離 層 時(shí) ， 其 路 徑 彎 曲 及 速 度 變 化 導(dǎo) 致信 號(hào) 的 傳 播 距 離 與 幾 何 距 離 之 差 。 通 過 模 型 改正 或 雙 頻 觀 測(cè) 進(jìn) 行 抵 消 。 2、 對(duì) 流 層 折 射 ： 受 對(duì) 流 層 折 射 影 響 ， GPS信號(hào) 穿 越 對(duì) 流 層 時(shí) ， 其 路 徑 彎 曲 及 速

27、 度 變 化 導(dǎo) 致信 號(hào) 的 傳 播 距 離 與 幾 何 距 離 之 差 。 通 過 模 型 改正 或 相 對(duì) 定 位 進(jìn) 行 削 弱 。 3、 多 路 徑 效 應(yīng) ： 是 指 接 收 機(jī) 天 線 除 直 接收 到 來 自 GPS衛(wèi) 星 的 信 號(hào) 外 ， 還 可 能 收 到天 線 周 圍 地 物 反 射 來 的 信 號(hào) 。目 前 ， 還 不 能 用 模 型 進(jìn) 行 改 正 。 可 采 用 造 型 適 宜 且 屏 蔽 良 好 的 天 線 。 這 種 天 線一 般 裝 備 有 抑 徑 板 或 抑 徑 圈 ， 可 以 阻 擋 來 自 水平 面 以 下 的 多 路 徑 信 號(hào) 被 接 收 。 測(cè)

28、站 點(diǎn) 附 近 避 免 反 射 物 。 遠(yuǎn) 離 大 面 積 平 靜 水 面 、建 筑 物 （ 特 別 是 高 大 建 筑 物 ） ， 避 免 在 山 坡 及谷 地 設(shè) 站 ， 汽 車 不 要 離 測(cè) 站 太 近 。 (三 ) 與 接 收 設(shè) 備 有 關(guān) 的 誤 差 1 觀 測(cè) 誤 差 一 種 為 接 收 機(jī) 對(duì) 信 號(hào) 的 分 辨 率 ， 約 為 信 號(hào) 波 長(zhǎng) 的 1%，此 誤 差 消 除 不 了 。 另 一 種 為 天 線 的 安 置 誤 差 包 括 天 線 的 對(duì) 中 與 置 平 誤 差及 量 取 天 線 高 的 誤 差 。 只 要 在 觀 測(cè) 中 認(rèn) 真 操 作 （ 對(duì) 中 、 整平

29、、 量 取 天 線 高 ） 可 以 盡 量 減 少 這 些 誤 差 的 影 響 。 2 接 收 機(jī) 的 鐘 差 對(duì) 于 這 種 誤 差 ， 一 般 是 在 數(shù) 據(jù) 處 理中 作 為 未 知 數(shù) 來 解 出 ， 另 外 在 作 相 對(duì) 定位 時(shí) ， 也 可 以 通 過 在 不 同 衛(wèi) 星 之 間 求 差來 消 除 這 部 分 影 響 。 3、 天 線 的 相 位 中 心 誤 差 指 天 線 的 相 位 中 心 與 其 幾 何 中 心 的 差 值 。 若 采 用 同 種 型 號(hào) 的 接 收 機(jī) 天 線 ， 可 以 近 似 認(rèn) 為 相位 中 心 與 幾 何 中 心 的 偏 離 情 況 是 一 樣 的

30、 ， 用 觀 測(cè) 值 的求 差 和 相 對(duì) 定 位 能 削 弱 這 種 影 響 。 （ 有 時(shí) 要 求 統(tǒng) 一 按天 線 的 標(biāo) 志 方 向 安 置 ， 使 各 天 線 的 指 北 極 都 指 向 正 北方 向 。 ） 4、 載 波 相 位 測(cè) 量 的 整 周 不 定 性 誤 差 ， 主 要 是 指觀 測(cè) 中 整 周 未 知 數(shù) 的 跳 變 現(xiàn) 象 （ 周 跳 ） 。 周 跳 的 發(fā) 生 是 與 多 種 因 素 有 關(guān) 的 ， 如 信 號(hào)受 阻 擋 失 鎖 、 接 收 機(jī) 內(nèi) 部 熱 噪 聲 影 響 、 電 離 層活 動(dòng) 出 現(xiàn) 異 常 變 化 等 。 （ 四 ） 其 他 誤 差 包 括 地

31、球 自 轉(zhuǎn) 引 起 的 誤 差 和 地 球 潮汐 引 起 的 誤 差 。 可 通 過 模 型 加 以 改 正 。 美 國(guó) 政 府 的 GPS政 策 限 制 非 特 許 用 戶 利 用 GPS進(jìn) 行 導(dǎo) 航 定 位 的 能 力 SPS與 PPSl SPS 標(biāo) 準(zhǔn) 定 位 服 務(wù) （ Standard Positioning Service） 單 點(diǎn) 實(shí) 時(shí) 定 位 精 度 2030m.實(shí) 施 SA時(shí) ,定 位 精 度 降 至 ： 平面 100m， 豎 直 150m l PPS 精 密 定 位 服 務(wù) （ Precision Positioning System） 對(duì) 象 為 美 國(guó) 軍 事 部

32、門 何 特 許 用 戶 ， 單 點(diǎn) 實(shí) 時(shí) 定 位 精 度 可 達(dá)5 10m SA Selective Availability（ 選 擇 可 用 性 ）l 技 術(shù) 在 廣 播 星 歷 中 加 入 長(zhǎng) 周 期 的 干 擾l 技 術(shù) 在 衛(wèi) 星 的 基 準(zhǔn) 頻 率 中 加 入 快 速 的 抖 動(dòng)l 該 技 術(shù) 已 于 2000年 5月 2日 終 止 （ 但 隨 時(shí) 可 在 局 部區(qū) 域 內(nèi) 恢 復(fù) 實(shí) 施 SA技 術(shù) ） AS Anti-Spoofing（ 反 電 子 欺 騙 ） l P+WY（ W碼 為 一 嚴(yán) 格 保 密 的 二 進(jìn) 制 碼 ， 在 緊 急狀 態(tài) 下 才 會(huì) 啟 用 ， 一

33、般 情 況 下 ， 不 會(huì) 采 用 Y碼 ） GPS現(xiàn) 代 化l 背 景 國(guó) 際 局 勢(shì) 的 變 化 ， 世 界 進(jìn) 入 后 冷 戰(zhàn) 時(shí) 代 GPS產(chǎn) 業(yè) 為 美 國(guó) 帶 來 巨 大 的 經(jīng) 濟(jì) 利 益 克 服 美 國(guó) 限 制 措 施 的 技 術(shù) 日 益 完 善 成 熟 其 它 衛(wèi) 星 導(dǎo) 航 定 位 系 統(tǒng) 的 競(jìng) 爭(zhēng) l 內(nèi) 容 L2上 增 加 C/A碼 增 加 第 三 民 用 頻 率 L5 增 加 軍 隊(duì) 專 用 碼 M1， M2 提 高 PPS信 號(hào) 質(zhì) 量 局 部 SA 應(yīng) 對(duì) 美 國(guó) 限 制 政 策 的 措 施l建 立 獨(dú) 立 的 GPS衛(wèi) 星 測(cè) 軌 系 統(tǒng) ， 獲 取 精 密

34、星 歷l發(fā) 展 差 分 GPS定 位 技 術(shù)l開 發(fā) GPS與 GLONASS兼 容 接 收 機(jī)l建 立 獨(dú) 立 的 衛(wèi) 星 導(dǎo) 航 與 定 位 系 統(tǒng) 目 前 世 界 上 已 有 的 兩 大 衛(wèi) 星 導(dǎo) 航 定 位 系 統(tǒng) 在 運(yùn) 行 ： 一 是 美 國(guó)的 全 球 定 位 系 統(tǒng) GPS， 二 是 俄 羅 斯 的 GLONASS。 這 兩 個(gè) 系 統(tǒng) 受 到美 、 俄 兩 國(guó) 軍 方 的 嚴(yán) 密 控 制 ， 其 信 號(hào) 的 可 靠 性 無 法 得 到 保 證 。 歐 盟 將 啟 動(dòng) 一 個(gè) 軍 民 兩 用 的 且 與 現(xiàn) 有 的 衛(wèi) 星 導(dǎo) 航 系 統(tǒng) 相 兼 容的 全 球 衛(wèi) 星 導(dǎo) 航

35、計(jì) 劃 “ 伽 利 略 ” （ GALILEO） 計(jì) 劃 。 “伽 利 略 ” 衛(wèi) 星 導(dǎo) 航 計(jì) 劃 “ 伽 利 略 ” 系 統(tǒng) 的 基 本 結(jié) 構(gòu) 包 括 星 座 與地 面 設(shè) 施 、 服 務(wù) 中 心 、 用 戶 接 收 機(jī) 等 。 衛(wèi) 星 星 座 將 由 30顆 衛(wèi) 星 組 成 ， 衛(wèi) 星 采 用中 等 地 球 軌 道 ， 衛(wèi) 星 均 勻 地 分 布 在 高 度 約 為2.3萬 公 里 的 3個(gè) 軌 道 面 上 。 種 類 齊 全 的 “ 伽 利 略 ” 接 收 機(jī) 不 僅 可 以 接 收 本 系 統(tǒng)信 號(hào) ， 而 且 可 以 接 收 GPS、 GLONASS系 統(tǒng) 的 信 號(hào) ， 并且 實(shí) 現(xiàn) 導(dǎo) 航 功 能 和 移 動(dòng) 電 話 功 能 的 結(jié) 合 ， 與 其 他 飛 行 導(dǎo)航 系 統(tǒng) 的 結(jié) 合 。