GPS原理及应用简介

GPS原理及应用简介

桂林航天工业高等专科学校电子工程系 陈 磊 梁 强

[摘 要]本文简述了全球定位系统(GPS)的基本结构和测量原理,总结了GPS用于工程测量所具有的特点,并对GPS在工程测量中的应用前景进行了分析。[关键词]GPS定位系统 卫星导航 工程测量

全球定位系统(GPS)是英文GlobalPositioningSystem的字头缩写词的简称。它的含义是利用导航卫星进行测时和测距以构成全球定位系统。它是由美国国防部主导开发的一套具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航定位系统。GPS是以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统,它具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能,而且具有良好的抗干扰性和保密性。因此,GPS技术率先在大地测量、工程测量、航空摄影测量、海洋测量、城市测量等测绘领域得到了应用,并在军事、交通、通信、资源、管理等领域展开了研究并得到广泛应用。

1GPS工作原理

GPS设备(GlobalPositionSystem)即全球定位系统,用于接收并解析太空中数个卫星回传电波中的轨道信息及时刻信息,来计算出GPS接收器所在位置的经度、纬度、水平高度及移动速度。GPS设备基本配备通常包含了一个GPS接收器、解析器及一部高效率的微电脑。

1.1GPS系统构成

一个完整的GPS主要由空间段、控制段和用户段三部分构成。

(1)空间段由分布在6个轨道面上的24颗卫星组成。卫星轨道高度20200km,倾角55度,周期12小时。卫星用L波段的两个无线电载波向广大用户连续不断地发送导航定位信号,导航定位信号中含有卫星的位置信息,使卫星成为一个动态的已知点。在地球的任何地点、任何时刻,在高度角15 以上,平均可同时观测到6颗卫星,最多可达到9颗。卫星的轨道分布保证在世界各地任何时间可见到至少6颗卫星,卫星连续向用户提供位置和时间信息。

(2)控制段由分布在全球的一个主控站、五个监测站和三个注入站组成。主控站位于Colorado。监测站跟踪视野内所有GPS卫星、收集卫星测距信息,并把收集的信息送到主站。主控站根据各监测站对GPS卫星的观测数据,计算各卫星的轨道参数、钟差参数等,并将这些数据编制成导航电文,传送到注入站,再由注入站将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器中。

(3)用户段由GPS接收机、数据处理软件及其终端设备(如计算机)等组成。GPS接收机可捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号,跟踪卫星的运行,并对信号进行交换、放大和处理,再通过计算机和相应软件,经基线解算、网平差,求出GPS接收机中心(测站点)的三维坐标。

1.2GPS定位测量原理

GPS定位是根据测量中的距离交会定点原理实现的。如图1所示,在待测点Q设置GPS接收机,在某一时刻tk同时接收到3颗(或3颗以上)卫星S1、S2、S3所发出的信号。通过数据处理和计算,可求得该时刻接收机天线中心(测站点)至卫星的距离 2、 3。根据卫星星历可查到该时刻3颗卫星的三1、维坐标(X,,2,3,从而由下式解算出Q点的三维坐jY,jZj),j=1标(X,Y,Z

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图1 定位测量原理

1.3GPS信号

GPS卫星发射两种频率的载波信号,即频率为1575.42MHz的L1载波和频率为1227.60HMz的L2载波,它们的频率分别是基本频率10.23MHz的154倍和120倍,它们的波长分别为19.03cm和24.42cm。在L1和L2上又分别调制着多种信号,这些信号主要有:

(1)C/A码又被称为粗捕获码,它被调制在L1载波上,是1MHz的伪随机噪声码(PRN码),其码长为1023位(周期为1ms)。由于每颗卫星的C/A码都不一样,因此,我们经常用它们的PRN号来区分它们。C/A码是普通用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号。

(2)P码又被称为精码,它被调制在L1和L2载波上,是10MHz的伪随机噪声码,其周期为七天。在实施AS时,P码与W码进行模二相加生成保密的Y码,此时,一般用户无法利用P码来进行导航定位。

(3)导航信息:导航信息被调制在L1载波上,其信号频率为50Hz,包含有GPS卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置,导航信息也被称为广播星历。

1.4GPS测量的特点

相对于常规测量来说,GPS测量主要有以下特点:

(1)测量精度高。GPS观测的精度明显高于一般常规测量,在小于50km的基线上,其相对定位精度可达1 10-6,在大于1000km的基线上可达1 10-8。

(2)测站间无需通视。GPS测量不需要测站间相互通视,可根据实际需要确定点位,使得选点工作更加灵活方便。

(3)观测时间短。随着GPS测量技术的不断完善,软件的不断更新,在进行GPS测量时,静态相对定位每站仅需20min左右,动态相对定位仅需几秒钟。

(4)仪器操作简便。目前GPS接收机自动化程度越来越高,操作智能化,观测人员只需对中、整平、量取天线高及开机后设定参数,接收机即可进行自动观测和记录。

(5)全天候作业。GPS卫星数目多,且分布均匀,可保证在任何时间、任何地点连续进行观测,一般不受天气状况的影响。

(6)提供三维坐标。GPS测量可同时精确测定测站点的三维坐标,其高程精度已可满足四等水准测量的要求。

2、应用前景

国内GPS应用最大的利好来自2008年的(下转190页)

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