GPS 的基本定位原理.doc

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1、GPS 的基本定位原理简单说，是电脑装上地图软件及发射及接驳器，而与天上之人造卫星接上，而得出物件之座标，此坐标是由电脑高速於非常短时间内算出，从而与地图连上再得出物件所在地点。 注：地图软件是包含每一位置地点之座标。 什麼是GPS ? 全球卫星定位系统（Global Position System, GPS）为美国国防部开发，利用规模遍及全球的人造卫星之航法系统，由24颗人造卫星所构成，其中包括三颗预备卫星。利用对民间开放的C/A码标准测法，能得到数十米的精度，为无线电定位法的一种。 卫星定位系统整体运作上可分成三部份：太空部分、地面部分以及讯号部分。 太空部分 目前 GPS 卫星已发展至

2、Block II 型式的定位卫星， 由Rockwell International 制造，在轨道上重量约 1,900 磅， 太阳能接收板长度约17 呎，预期寿命为7.5年，於 1994年完成第24颗卫星的发射，整个GPS 系统正式宣告建构完成。因此目前太空中有24颗GPS 卫星可供定位运用，它们平均分布於6个轨道面，每个轨道面上各有 4颗，距离地面高度约10,900海里 (大约20,000公里)， 呈55角倾斜绕行地球运转，绕行地球一周需 12 恒星时，每日可绕行地球 2周，这也就是说，不论任何时间，任何地点，包含北极, 南极，至少有 4 颗以上的卫星出现在我们的上空。 讯号部分 GPS卫星产

3、生两组随机电码，一组称为C/A码，一组称为P码。C/A码主要开放给民间使用，因此在精度上刻意降低，P码则是美国国防部保留为其军事用途的电码，精度比C/A码高很多，因此设有密码，一般民间使用者无法解读。一般而言，GPS卫星传送两种频率的载波， L1 (Link 1) 载波的频率为1575.42 MHZ，L2 (Link 2)载波的频率为1227.60MHZ。 地面部分 地面设施部分主要包含GPS监控站与使用者接收设备两部份。 监控站 包括一个主要控制站（Master Control Station）、五个监测站（Monitor Station）分布於夏威夷、亚森欣岛、迪亚哥加西亚、瓜加林岛、科罗

4、拉多州、三个地面控制站（Ground Control Station）等。监测站主要负责追踪所有卫星的运行位置、时间、气象资料及电离层资料等，将每15秒观测到所有资料，计算出每15分钟一组的平滑化数据（Smoothed Data），传送到主控制站后，由主控制站加以统合，计算出卫星星历、时表修正量、电离层改正系数，再转换成导航讯息，以维护卫星系统的精度与正常运作，此部份由美国国防部负责，使用者无从了解也毋需了解此部份的技术。 使用者接收设备 主要是一个卫星讯号接收器，依照不同的目的而有不同的定位能力，基本的功能是接收L1载波，分离出C/A电码，进行最简单的虚拟距离定位，也是一般车辆定位所使用的机

5、型。其中必须注意的是：GPS卫星产生两种不同的载波来承载所有电码与讯息，其中C/A码仅调置在L1载波上，P码则分别调置在L1与L2载波上，并区别为P1与P2电码，但美国军方目前仅开放C/A码仅民间使用。而一般间使用之接收机可经由差分修正(DGPS差分定位)达15呎或更加之准确度。但使用DGPS讯号需付费，一般使用者应考量成本及使用目地是否需要到如此精准。如做汽车导航您所需要知道的是您的相对位置配合您所使用之电子地图，无需使用到那麼高精度之定位。 GPS 的基本定位原理GPS 的定位是利用卫星基本三角定位原理，GPS 接收装置以测量无线电信号的传输时间来量测距离，以距离来判定卫星在太空中的位置，

6、这是一种高轨道与精密定位的观测方式。假设卫星在11,000英哩高处，测量我们的距离，首先以11,000英哩为半径，以此卫星为圆心画一圆，而我们位置正处於球面上。 再假设第二颗卫星距离我们12,000英哩，而我们正处於这二颗球所交集的圆周上。现在我们再以第三颗卫星做精密定位，假设高度13,000 英哩，我们即可进一步缩小范围到二点位置上，但其中一点为非我们所在的位置极有可能在太空中的某一点，因此，我们舍弃这一点参考点，选择另一点为位置参考点。 如果要获得更精确的定位，则必定要再测量第四个颗卫星，从基本物理的观念上来说，以讯号传输的时间乘以速度即是我们与卫星的距离，我们将此测得的距离称为虚拟距离，

7、在 GPS 的测量上，我们测的是无线信号，速度几乎达18万6千英哩 c的光速，而时间却短的惊人，甚至只要0.06秒，时间的测量需要二个不同的时表，一个时表装置於卫星上以记录无线电信号传送的时间，另一个时表则装置在接收器上，用以记录无线电信号接收的时间，虽然卫星传送信号至接收器的时间极短，但时间上并不同步，假设卫星与接收器同时发出声音给我们，我们会听到二种不同的声音，这是因为卫星从11,000英哩远的地方传来，所以会有延迟的时间，因此，我们可以延迟接收器的时间，从此延迟的时间速度，就是接收器到卫星的距离，此即为 GPS 的基本定位原理。1 差分GPS定位技术及发展 差分技术很早就被人们所应用。它

8、实际上是在一个测站对两个目标的观测量、两个测站对一个目标的观测量或一个测站对一个目标的两次观测量之间进行求差。其目的在于消除公共项，包括公共误差 和公共参数。在以前的无线电定位系统中已被广泛地应用。 GPS是一种高精度卫星定位导航系统。在实验期间，它能给出高精度的定位结果。这时尽管有人提出利用差分技术来进一步提高定位精度，但由于用户要求还不迫切，所以这一技术发展较慢。随着 GPS技术的发展和完善，应用领域的进一步开拓，人们越来越重视利用差分GPS技术来改善定位性能。它使用一台 GPS基准接收机和一台用户接收机，利用实时或事后处理技术，就可以使用户测量时消去公共的误差源 电离层和对流层效应。特别

9、提出的是，当GPS工作卫星升空时，美国政府实行了SA政策。使卫星的轨道参数增加了很大的误差，致使一些对定位精度要求稍高的用户得不到满足。因此，现在发展差分GPS技术就显得越来越重要。 GPS定位是利用一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测量来实现的，同时还必须知道用户钟差。因此，要获得地面点的三维坐标，必须对4颗卫星进行测量。 在这一定位过程中，存在着三部分误差。一部分是对每一个用户接收机所公有的，例如，卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等；第二部分为不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差；第三部分为各用户接收机所固有的误差，例如内部噪声、通道延迟、多径效应等。利用差分技术

10、，第一部分误差完全可以消除，第二部分误差大部分可以消除，其主要取决于基准接收机和用户接收机的距离，第三部分误差则无法消除。 除此以外，美国政府实施了SA政策，其结果使卫星钟差和星历误差显著增加，使原来的实时定位精度从15m降至100m。在这种情况下，利用差分技术能消除这一部分误差，更显示出差分GPS的优越性。 差分GPS(DGPS)差分GPS（DGPS，differential GPS-DGPS）就是首先利用已知精确三维坐标的差分GPS基准台，求得伪距修正量或位置修正量，再将这个修正量实时或事后发送给用户（GPS导航仪），对用户的测量数据进行修正，以提高GPS定位精度。* 差分GPS(DGPS

11、)分类根据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分GPS定位分为三类，即：位置差分、伪距差分和相位差分。* 差分GPS(DGPS)原理 差分GPS (DGPS)是在正常的GPS外附加(差分)修正信号，此改正信号改善了GPS的精度。这三类差分方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。所不同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。 1. 位置差分原理 这是一种最简单的差分方法，任何一种GPS接收机均可改装和组成这种差分系统。 安装在基准站上的GPS接收机观测4颗卫星后便可进行三维定位，解算出基准站的坐标。由于存在着轨道

12、误差、时钟误差、SA影响、大气影响、多径效应以及其他误差，解算出的坐标与基准站的已知坐标是不一样的， 存在误差。基准站利用数据链将此改正数发送出去，由用户站接收，并且对其解算的用户站坐标进行改正。 最后得到的改正后的用户坐标已消去了基准站和用户站的共同误差，例如卫星轨道误差、 SA影响、大气影响等，提高了定位精度。以上先决条件是基准站和用户站观测同一组卫星的情况。 位置差分法适用于用户与基准站间距离在100km以内的情况。 2. 伪距差分原理 伪距差分是目前用途最广的一种技术。几乎所有的商用差分GPS接收机均采用这种技术。国际海事 无线电委员会推荐的RTCM SC-104也采用了这种技术。 在

13、基准站上的接收机要求得它至可见卫星的距离，并将此计算出的距离与含有误差的测量值 加以比较。利用一个-滤波器将此差值滤波并求出其偏差。然后将所有卫星的测距误差传输 给用户，用户利用此测距误差来改正测量的伪距。最后，用户利用改正后的伪距来解出本身的位置， 就可消去公共误差，提高定位精度。 与位置差分相似，伪距差分能将两站公共误差抵消，但随着用户到基准站距离的增加又 出现了系统误差，这种误差用任何差分法都是不能消除的。用户和基准站之间的距离对精度有决定性影响。 3. 载波相位差分原理 测地型接收机利用GPS卫星载波相位进行的静态基线测量获得了很高的精度（10-610-8）。 但为了可靠地求解出相位模

14、糊度，要求静止观测一两个小时或更长时间。这样就限制了在工程作业中的应用。于是探求快速测量的方法应运而生。例如，采用整周模糊度快速逼近技术（FARA）使基线观测 时间缩短到5分钟，采用准动态（stop and go），往返重复设站（re-occupation）和动态（kinematic） 来提高GPS作业效率。这些技术的应用对推动精密GPS测量起了促进作用。但是，上述这些作业方式都是事后进行数据处理， 不能实时提交成果和实时评定成果质量，很难避免出现事后检查不合格造成的返工现象。 差分GPS的出现，能实时给定载体的位置，精度为米级，满足了引航、水下测量等工程的要求。位置差分、伪距差分、 伪距差分

15、相位平滑等技术已成功地用于各种作业中。随之而来的是更加精密的测量技术 载波相位差分技术。 载波相位差分技术又称为RTK技术（real time kinematic），是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。 与伪距差分原理相同，由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站。用户站接收GPS卫星的载波相位 与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行实时处理，能实时给出厘米级的定位结果。 实现载波相位差分GPS的方法分为两类：修正法和差分法。前者与伪距差分相同，基准站将载波相位修正量发送给用户站，以改正其载波相位，然

16、后求解坐标。后者将基准站采集的载波相位发送给 用户台进行求差解算坐标。前者为准RTK技术，后者为真正的RTK技术。 载波相位差分原理 测地型接收机利用GPS卫星载波相位进行的静态基线测量获得了很高的精度（10-610-8）。 但为了可靠地求解出相位模糊度，要求静止观测一两个小时或更长时间。这样就限制了在工程作业中的应用。于是探求快速测量的方法应运而生。例如，采用整周模糊度快速逼近技术（FARA）使基线观测 时间缩短到5分钟，采用准动态（stop and go），往返重复设站（re-occupation）和动（kinematic） 来提高GPS作业效率。这些技术的应用对推动精密GPS测量起了促进

17、作用。但是，上述这些作业方式都是事后进行数据处理， 不能实时提交成果和实时评定成果质量，很难避免出现事后检查不合格造成的返工现象。 差分GPS的出现，能实时给定载体的位置，精度为米级，满足了引航、水下测量等工程的要求。位置差分、伪距差分、 伪距差分相位平滑等技术已成功地用于各种作业中。随之而来的是更加精密的测量技术 载波相位差分技术。美国对GPS的SA和AS政策美国政府在GPS的最初设计中，计划向社会提供两种服务：精密定位服务（PPS）和标准定位服务（SPS）。精密定位服务的主要对象是美国军事部门和其他特许民用部门。使用C/A码和双频P码，以消除电离层效应的影响，使预期定位精度达到10m。标准

18、定位服务的主要对象是广大的民间用户。它只使用结构简单、成本低廉的C/A码单频接收机，预期定位精度只达到100m左右。但是，在GPS试验阶段，由于提高了卫星钟的稳定性和改进了卫星轨道的测定精度，使得只利用C/A码进行定位的GPS精度达到14m，利用P码的PPS的精度达到3m，远远优于预期定位精度。美国政府考虑到自身的安全，于1991年7月在Block卫星上实施SA和AS政策。其目的是降低GPS的定位精度。 SA（Selective Avaibility）政策称为有选择可用性。它包括在GPS卫星基准频率上增加了技术和在导航电文上增加技术两项措施.所谓技术,就是对GPS卫星的基准频率施加高频抖动噪声

19、信号,而这种信号是随机的,从而导致测量出的伪距误差增大。所谓技术，就是人为的将卫星星历中轨道参数的精度降低到200m左右。总之，采用这两项技术后，使测量的GPS定位精度降低到原先估计的误差水平。 AS（Anti-Spoofing）政策称为反电子欺骗政策。其目的是保护P码。它将P码与更加保密的W码模2相加形成新的Y码，实施AS政策的目的在于防止敌方对P码进行精密定位，也不能进行P码和C/A码码相位测量的联合求解。 为克服SA政策的影响，发展了差分GPS技术，根据差分GPS定位原理，现已建立和发展以下类型的差分系统。 1、区域差分GPS系统。利用两台GPS接收机（一台具有基准站功能）就可构成差分G

20、PS定位系统。目前应用最广的技术是伪距差分和相位平滑伪距差分，定位精度提高到1.5m，一般作用范围为40km。这一技术已经成为差分GPS的最主要的技术手段。为了提高定位精度和保持伪距差分的可靠性，出现了准载波相位差分GPS，定位精度可达到50cm，成为1：500大比例尺水深测图、疏浚、抛石等工程的有力手段。 2、RBN/DGPS。这是交通部在我国沿海区域建立的无线电指向标/差分全球定位系统。整个系统由均匀分布在沿海的21个台站组成，为我国沿海提供差分GPS的24h服务，使用户在300km海域内接收差分信号，得到5-10m的定位精度。用户只要拥有一台信标GPS接收机，就可利用这一免费信号资源，进

21、行实时差分定位。此技术正在得到大力推广。 3、广域差分GPS系统。它是利用分布在全世界或全国各地的基准站对GPS进行连续观测，从而计算出卫星轨道改正数、卫星钟差改正数和电离层改正数。利用专用大功率电台或专用卫星将这些改正数发送给用户。用户利用这些改正数对测得的观测量进行修正，最后计算出点位坐标，精度可达到1m。这样的差分方式定位精度不受距离限制。目前，用户只要拥有一台广域差分GPS接收机就可接收香港上空Omistar卫星的广域差分信号进行精密定位，但属付费应用。 为了对付AS政策，采用了一种称为P-W技术和L1与L2交叉相关技术，恢复出L2载波相位观测值。这一技术不要求知道W码的结构，只要求知道W码的定位信息，于是克服了保密P码的AS影响。这种定位信息可由实验方法测定出近似值即可。由Z跟踪技术提取Y码，能获得L1，L2载波全波的观测量。这种方法获取数据的信噪比是很高的，比相关接收提高了13dB，比平方技术提高了16dB，甚至比码相关技术提高了3dB。这样，使得GPS静态相对定位的精度跨入了毫米量级。