全球定位系统(GPS)是由美国国防部建设的基于卫星的无线电定位导航系统。它能连续为世界各地的陆海空用户提供精确的位置、速度和时间信息,最大优势是覆盖全球,全天候工作,可以为高动态、高精度平台服务,日前得到普遍应用。 一、GPS的组成与原理。 1.GPS的组成。 GPS是由导航卫星、地面监控设备和GPS用户组成的,如图6-1所示。 (1)导航卫星导航卫星是由分布在6个地球椭圆轨道平面上的21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成,相邻轨道之间的卫星彼此呈30°,每个轨道面上都有4颗卫星,在距离地球17700km的高空上进行监测,如图6-2所示。这些卫星每12h环绕地球一圈,在地球上的任何地方、任何时间都可以观测到4颗以上的GPS卫星,保持定位的精度从而提供连续的全球导航能力。导航卫星的任务是接收和存储来自地面监控设备发送来的导航定位控制指令,微处理器进行数据处理,以原子钟产生基准信号和精确的时间为基准向用户连续发送导航定位信息。 卫星信号的编码方式为码分多址(CDMA),根据调制码来区分不同卫星。
(2)地面监控设备地面监控设备由1个主控站、4个注入站和6个监测站组成,它们的任务是实现对导航卫星的控制。监测站跟踪所有可见的GPS卫星，并从卫星广播中收集测距信息等,并将收集到的信息发送至主控站。主控站拥有许多以计算机为主体的设备,用于数据收集、计算、传输和诊断等;编制导航定位指令发送到注入站,并调整卫星运行姿态,纠正卫星轨道偏差,进行卫星轨道和时钟校正参数计算,同时还协助、指挥、管理空间卫星和地面监控设备,监控卫星对用户的指令发送。注入站的任务是将主控站送来的导航、定位控制指令通过S波段发送至飞过头顶的卫星。
(3)GPS用户GPS用户主要由GPS接收机和GPS数据处理软件组成。
GPS接收机的主要功能是接收、追踪、放大卫星发射的信号,获取定位的观测值,提取导航电文中的广播星历以及卫星时钟改正参数等。GPS数据处理软件的主要功能是对GPS接收机获取的卫星测量记录数据进行预处理,并对处理的结果进行平差计算、坐标旋转和分析综合处理,计算出用户所在位置的三维坐标、速度、方向和精确时刻等。
GPS可以提供两种类型的服务,即军用服务和民用服务,也称为精密定位服务和标准定位服务。精密定位服务只能由美国授权的军方用户和选定的政府机构用户使用,标准定位服务对于全世界的所有用户均可用,且免收直接费用。
2.GPS的定位原理。
GPS定位原理是根据三角测量定位来实现的,并且同时利用相关技术获取观测值。在相关接收中,卫星钟用来控制卫星发射的伪随机信号,本地时钟用来控制用户接收机的伪随机信号,两者之间有比较大的时差。GPS用户终端可以同时跟踪4颗GPS卫星,并捕获其信号,这里,将两时钟之间的时差作为未知量,使其和观测点坐标共同组成一个四元方程组,所得的解就是观测点的经纬度坐标和时差,使用这种方法进行定位可以得到较高的定位精度。这个观测值通常被称为伪距观测量。此观测值被称为伪距的原因是:第一,它是以地表和卫星之间的距离为变量的函数;第二,由于大气效应和时钟误差的影响,与实际的距离之间存在偏差。
设地面点p到卫星i的距离矢量为Si,地心原点O到卫星p的距离矢量为S0,地心原点O到地面点p的距离矢量为Sp,如图6-3所示。如果卫星钟和地面钟不存在任何时差,说明此时伪距观测量代表了p点与卫星之间的真实距离Si其值为：
式中,c为光的传播速度;ti为地面接收机已同步的观测时刻;tj为卫星已同步的发射时刻;r为传播途径中的附加时延。
实际上卫星钟和地面钟之间的完全同步只存在理论上的可能性,实际上是通常存在一定的时钟差的,所以实际测量的并非真实距离,而是伪距,即：
式中,Ppi为地面点p到卫星i的伪距;tpi为含有时钟差的地面站接收时刻；tpj为含有时钟差的卫星发射时刻。
实际上接收时,地面站接收机的接收时刻要与GPS时间同步。这样,时钟差为两个微小量△ti和△tj，即：
当接收机对卫星信号跟踪锁定后,可以从接收信号中提取,从而得到导航电文和伪距观测量。导航电文一般分为电离层修正数、卫星钟改正数和卫星星历参数三部分。进一步经过对卫星星历参数的统计计算,可求出发射时刻时卫星在地心坐标系中的三维坐标值Xi、Yi和Zi。关于卫星时钟差的修正,利用卫星钟改正数依据式(6-6)给以适当的调整。
式中,t为观测时间;to为卫星钟基准时间。
设P点的地心坐标为Xp、Yp和Zp,则P点至卫星i的实际距离为:
将式(6-8)代入式(6-5)得:
在式(6-9)中,x为大气修正,可参考空间大气模型进行修正。这时,式(6-9)中只有4个未知量,Xp、Yp、Zp、△ti-△tj。需要同时观测4颗卫星，可以得到式(6-9)的4个方程,这些非线性方程可以通过线性化方法或者卡尔曼滤波技术进行求解,得到P点的坐标Xp、Yp、Zp。
以上即为GPS定位的原理分析,通常,由此得到的定位数据还需进一步进行差分运算,减小误差,从而得到更为准确的定位信息。
3.GPS的特点。
①能够全球全天候定位,因为GPS卫星的数目较多,且分布均匀,保证了地球上任何地方任何时间至少可以同时观测到4颗GPS卫星,确保实现全球全天候连续的导航定位服务。
②覆盖范围广,能够覆盖全球98%的范围,可满足位于全球各地或近地空间的军事用户连续精确地确定三维位置、三维运动状态和时间的需要。
③定位精度高,GPS相对定位精度在50km以内可达6~10m,100~500km可达7-10m,1000km可达9~10m。
④观测时间短,20km以内的相对静态定位仅需15~20min;快速静态相对定位测量时,当每个流动站与基准站相距15km以内时,流动站观测时间只需1~2min;采取实时动态定位模式时,每站观测仅需几秒钟。
⑤可提供全球统一的三维地心坐标,可同时精确测定测站平面位置和大地高程。
⑥测站之间无需通视,只要求测站上空开阔,这既可大大减少测量工作所需的经费和时间,也使选点工作更灵活,可省去经典测量中的传算点、过渡点等的测量工作。
二、差分全球导航定位系统。
为了提高GPS定位精度,可以采用差分全球定位系统进行车辆的定位。差分全球导航定位系统( Differential Global Position System,DGPS)在GPS的基础上利用差分技术使用户能够从GPS系统中获得更高的精度。DGPS系统由基准站、数据传输设备和移动站组成,如图6-4所示。
DGPS实际上是把一台GPS接收机放在位置已精确测定的点上,组成基准站。基准站接收机通过接收GPS卫星信号,将测得的位置与该固定位置的真实位置的差值作为公共误差校正量,通过无线数据传输设备将该校正量传送给移动站的接收机。移动站的接收机用该校正量对本地位置进行校正,最后得到厘米级的定位精度。附近的DGPS用户接收到修正后的高精度定位信息,从而大大提高其定位精度。
根据DGPS基准站发送的信息方式可将DGPS定位分为三类,即位置差分、伪距差分和相位差分。这三类差分方式的工作原理是相同的,都是由基准站发送改正数,由移动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。
位置差分是最简单的差分方法,适合于所有GPS接收机。位置差分要求基准站和移动站观测同一组卫星。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,解算出基准站的观测坐标。由于存在着轨道误差、时钟误差、大气影响、多径效应以及其他误差等,解算出的观测坐标与基准站的已知坐标是不样的,存在误差。将已知坐标与观测坐标之差作为位置改正数,通过基准站的数据传输设备发送出去,由移动站接收,并且对其解算的移动站坐标进行改正。
最后得到的改正后的移动坐标已消去了基准站和移动站的共同误差,例如卫星轨道误差、大气影响等,提高了定位精度。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。
伪距差分是日前用途最广的一种技术。几乎所有的商用DGPS接收机均采用这种技术。利用基准站已知坐标和卫星星历可计算出基准站与卫星之间的计算距离,将计算距离与观测距离之差作为改正数,发送给移动站,移动站利用此改正数来改正测量的伪距。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.相位差分。
相位差分技术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,由基准站通过数据传输设备实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给移动站。移动站接收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的方法有修正法和差分法。前者与伪距差分相同,基准站将载波相位修正量发送给移动站,以改正其载波相位,然后求解坐标;后者将基准站采集的载波相位发送给移动站,进行求差解算坐标。前者为准载波相位差分技术,后者为真正的载波相位差分技术。
