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    GPS定位原理及精度

    2014-10-22 21:41:16 來源: 測繪網(wǎng)
    聊聊

    定位原理

    GPS導航系統(tǒng)的基本原理是測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離,然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機的具體位置。要達到這一目的,衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時鐘所記錄的時間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過記錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經(jīng)歷的時間,再將其乘以光速得到(由于大氣層電離層的干擾,這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實距離,而是偽距(PR,):當GPS衛(wèi)星正常工作時,會不斷地用1和0二進制碼元組成的偽隨機碼(簡稱偽碼)發(fā)射導航電文。GPS系統(tǒng)使用的偽碼一共有兩種,分別是民用的C/A碼和軍用的P(Y)碼。C/A碼頻率1.023MHz,重復周期一毫秒,碼間距1微秒,相當于300m;P碼頻率10.23MHz,重復周期266.4天,碼間距0.1微秒,相當于30m。而Y碼是在P碼的基礎上形成的,保密性能更佳。導航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等信息。它是從衛(wèi)星信號中解調(diào)制出來,以50b/s調(diào)制在載頻上發(fā)射的。導航電文每個主幀中包含5個子幀每幀長6s。前三幀各10個字碼;每三十秒重復一次,每小時更新一次。后兩幀共15000b。導航電文中的內(nèi)容主要有遙測碼、轉(zhuǎn)換碼、第1、2、3數(shù)據(jù)塊,其中最重要的則為星歷數(shù)據(jù)。當用戶接受到導航電文時,提取出衛(wèi)星時間并將其與自己的時鐘做對比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離,再利用導航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時所處位置,用戶在WGS-84大地坐標系中的位置速度等信息便可得知。
    可見GPS導航系統(tǒng)衛(wèi)星部分的作用就是不斷地發(fā)射導航電文。然而,由于用戶接受機使用的時鐘與衛(wèi)星星載時鐘不可能總是同步,所以除了用戶的三維坐標x、y、z外,還要引進一個Δt即衛(wèi)星與接收機之間的時間差作為未知數(shù),然后用4個方程將這4個未知數(shù)解出來。所以如果想知道接收機所處的位置,至少要能接收到4個衛(wèi)星的信號。
    GPS接收機可接收到可用于授時的準確至納秒級的時間信息;用于預報未來幾個月內(nèi)衛(wèi)星所處概略位置的預報星歷;用于計算定位時所需衛(wèi)星坐標的廣播星歷,精度為幾米至幾十米(各個衛(wèi)星不同,隨時變化);以及GPS系統(tǒng)信息,如衛(wèi)星狀況等。
    GPS接收機對碼的量測就可得到衛(wèi)星到接收機的距離,由于含有接收機衛(wèi)星鐘的誤差及大氣傳播誤差,故稱為偽距。對 CA碼測得的偽距稱為CA碼偽距,精度約為20米左右,對P碼測得的偽距稱為P碼偽距,精度約為2米左右。
    GPS接收機對收到的衛(wèi)星信號,進行解碼或采用其它技術(shù),將調(diào)制在載波上的信息去掉后,就可以恢復載波。嚴格而言,載波相位應被稱為載波拍頻相位,它是收到的受多普勒頻 移影響的衛(wèi)星信號載波相位與接收機本機振蕩產(chǎn)生信號相位之差。一般在接收機鐘確定的歷元時刻量測,保持對衛(wèi)星信號的跟蹤,就可記錄下相位的變化值,但開始觀測時的接收機和衛(wèi)星振蕩器的相位初值是不知道的,起始歷元的相位整數(shù)也是不知道的,即整周模糊度,只能在數(shù)據(jù)處理中作為參數(shù)解算。相位觀測值的精度高至毫米,但前提是解出整周模糊度,因此只有在相對定位、并有一段連續(xù)觀測值時才能使用相位觀測值,而要達到優(yōu)于米級的定位 精度也只能采用相位觀測值。
    按定位方式,GPS定位分為單點定位和相對定位(差分定位)。單點定位就是根據(jù)一臺接收機的觀測數(shù)據(jù)來確定接收機位置的方式,它只能采用偽距觀測量,可用于車船等的概略導航定位。相對定位(差分定位)是根據(jù)兩臺以上接收機的觀測數(shù)據(jù)來確定觀測點之間的相對位置的方法,它既可采用偽距觀測量也可采用相位觀測量,大地測量或工程測量均應采用相位觀測值進行相對定位。
    在GPS觀測量中包含了衛(wèi)星和接收機的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應等誤差,在定位計算時還要受到衛(wèi)星廣播星歷誤差的影響,在進行相對定位時大部分公共誤差被抵消或削弱,因此定位精度將大大提高,雙頻接收機可以根據(jù)兩個頻率的觀測量抵消大氣中電離層誤差的主要部分,在精度要求高,接收機間距離較遠時(大氣有明顯差別),應選用雙頻接收機。
    GPS定位的基本原理是根據(jù)高速運動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù),采用空間距離后方交會的方法,確定待測點的位置。如圖所示,假設t時刻在地面待測點上安置GPS接收機,可以測定GPS信號到達接收機的時間△t,再加上接收機所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定以下四個方程式。

    定位精度

    28顆衛(wèi)星(其中4顆備用)早已升空,分布在6條交點互隔60度的軌道面上,距離地面約20000千米。已經(jīng)實現(xiàn)單機導航精度約為10米,綜合定位的話,精度可達厘米級和毫米級。但民用領域開放的精度約為10米。

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