[導讀]全球定位系統(tǒng)(GlobalPositioningSystem，GPS)是美國從上世紀70年代開始研制的全球性的衛(wèi)星導航和定位系統(tǒng)。GPS由分布在六個軌道上的24顆通信衛(wèi)星組成。這些衛(wèi)星每天環(huán)繞地球運轉兩次，相對赤道的傾斜角度約為55度。這24顆衛(wèi)星以高頻率(1500MHz范圍)連...
全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)是美國從上世紀70年代開始研制的全球性的衛(wèi)星導航和定位系統(tǒng)。
GPS由分布在六個軌道上的24顆通信衛(wèi)星組成。這些衛(wèi)星每天環(huán)繞地球運轉兩次，相對赤道的傾斜角度約為55度。這24顆衛(wèi)星以高頻率(1500MHz范圍)連續(xù)發(fā)送編碼位置和時間信息。
GPS地面接收機接收信號，使用編碼信息計算地球坐標系統(tǒng)的位置。接收機通過計算從每個衛(wèi)星發(fā)射的無線信號到達接收機的時間來判斷位置。將時間乘于光速可得到接收機到每個衛(wèi)星的距離：距離=光速x 時間。時間可由GPS接收機里的精確碼匹配技術得到。每個衛(wèi)星的位置編碼在發(fā)射信號中。具有這些數(shù)據(jù)，接收機能夠對地球上的位置進行三維坐標計算。
由于衛(wèi)星上安裝的是原子鐘，穩(wěn)定度很高，我們認為這種鐘的時間與GPS時間吻合；接收機的時鐘是石英鐘，穩(wěn)定度一般，我們認為它的時鐘時間與GPS時間存在時間同步誤差，并將這種誤差作為一個待定參數(shù)。這樣，對于每個地面點實際上需要求解就有4個待定參數(shù)，因此至少需要觀測4顆衛(wèi)星至地面點的衛(wèi)地距離數(shù)據(jù)。差分（DGPS）就是把高精度的GPS接收機安裝在位置準確測定的地點組成基站。基站接收GPS衛(wèi)星信號所測定的位置和本站已知位置相比較求得位置測定誤差或偽距測量誤差，并將這些誤差作為校正值向四周空間廣播?；靖浇腉PS用戶接收機收到來自基站的校正信號，修正自身的GPS測量值，從而大大提高定位精度。
GPS定位是利用一組衛(wèi)星的偽距、星歷、衛(wèi)星發(fā)射時間等觀測值來實現(xiàn)的，同時還必須知道用戶鐘差。因此，要獲得地面點的三維坐標，必須對4顆衛(wèi)星進行測量。在這一定位過程中，存在著三部分誤差。一部分是對每一個用戶接收機所公有的，例如，衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差、對流層誤差等；第二部分為不能由用戶測量或由校正模型來計算的傳播延遲誤差；第三部分為各用戶接收機所固有的誤差，例如內部噪聲、通道延遲、多徑效應等。利用差分技術，第一部分誤差完全可以消除，第二部分誤差大部分可以消除，其主要取決于基準接收機和用戶接收機的距離，第三部分誤差則無法消除。根據(jù)差分GPS基準站發(fā)送的信息方式可將差分GPS定位分為三類，即：位置差分、偽距差分和載波相位差分。這三類差分方式的工作原理是相同的，即都是由基準站發(fā)送修正數(shù)據(jù)，由用戶站接收并對其測量結果進行修正，以獲得精確的定位結果。所不同的是，發(fā)送修正數(shù)據(jù)的具體內容不一樣，其差分定位精度也不同。
這是一種最簡單的差分方法，任何一種GPS接收機均可改裝和組成這種差分系統(tǒng)。安裝在基準站上的GPS接收機觀測4顆衛(wèi)星后便可進行三維定位，解算出基準站的坐標。由于存在著軌道誤差、時鐘誤差、SA影響、大氣影響、多徑效應以及其他誤差，解算出的坐標與基準站的已知坐標是不一樣的，存在誤差?；鶞收纠脭?shù)據(jù)鏈將此改正數(shù)發(fā)送出去，由用戶站接收，并且對其解算的用戶站坐標進行改正。最后得到的改正后的用戶坐標已消去了基準站和用戶站的共同誤差，例如衛(wèi)星軌道誤差、 SA影響、大氣影響等，提高了定位精度。以上先決條件是基準站和用戶站觀測同一組衛(wèi)星的情況。位置差分法適用于用戶與基準站間距離在100km以內的情況。
偽距差分是目前用途最廣的一種技術。幾乎所有的商用差分GPS接收機均采用這種技術。國際海事無線電委員會推薦的RTCM SC-104也采用了這種技術。在基準站上的接收機要求得它至可見衛(wèi)星的距離，并將此計算出的距離與含有誤差的測量值加以比較。利用一個α-β濾波器將此差值濾波并求出其偏差。然后將所有衛(wèi)星的測距誤差傳輸 給用戶，用戶利用此測距誤差來改正測量的偽距。最后，用戶利用改正后的偽距來解出本身的位置，就可消去公共誤差，提高定位精度。與位置差分相似，偽距差分能將兩站公共誤差抵消，但隨著用戶到基準站距離的增加又出現(xiàn)了系統(tǒng)誤差，這種誤差用任何差分法都是不能消除的。用戶和基準站之間的距離對精度有決定性影響。利用偽距差分方法，定位精度可達到亞米級。
載波相位差分技術又稱之為RTK技術（real time kinematic），是建立在及時處理兩個觀測站的載波相位基礎上的。載波相位差分技術能實時提供觀測點的三維坐標，并達到厘米級的高精度。與偽距差分原理相同，由基準站通過數(shù)據(jù)鏈及時將其載波觀測值及基準站坐標信息一同傳送給用戶站。用戶站接收GPS衛(wèi)星的載波相位與來自基準站的載波相位，并組成相位差分觀測值進行及時處理，能及時給出厘米級的定位結果。實現(xiàn)載波相位差分GPS的方法分為兩類：修正法與差分法。前者和偽距差分相同，基準站把載波相位修正量發(fā)送給用戶站，以改正其載波相位，之后求解坐標。后者把基準站采集的載波相位發(fā)送給用戶站進行求差解算坐標。前者是準RTK技術，后者為真正的RTK技術。
一般民用的GPS使用的是L1載波，頻率為1575.42MHz，在這個載波頻率上以調相方式加載了兩種不同的偽隨機噪聲碼：C/A碼和P碼，C/A碼是用于民用的測距碼，碼長為1023個碼元，即1023次從0到1的跳動，這1023個碼元每秒重復1000次，即1.023MHz。P碼是軍用碼，碼長非常長，碼率為10.23MHz。由于GPS接收機是通過對比碼元的跳動來計算從衛(wèi)星到接收機的時間差，然后轉換成距離，因此P碼的精度是C/A碼的10倍，由于現(xiàn)代信號處理技術計算碼元跳動的時間精度是碼寬的百分之一，因此C/A碼的距離精度就是3m，P碼可以達到0.3m。接收機知道了自己和衛(wèi)星的距離，但這并不能計算出自己的位置，因為他不知道衛(wèi)星在發(fā)射電波時的位置，因此在衛(wèi)星載波上還加載了一個50Hz的導航電文，導航電文的格式符合NMEA協(xié)議（NMEA協(xié)議是為了在不同的GPS導航設備之間建立的統(tǒng)一的BTCM標準，由NMEA制定的一套通訊協(xié)議。NMEA-0183協(xié)議定義的語句非常多，但是常用的或者說兼容性最廣的語句只有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL等。
本站聲明： 本文章由作者或相關機構授權發(fā)布，目的在于傳遞更多信息，并不代表本站贊同其觀點，本站亦不保證或承諾內容真實性等。需要轉載請聯(lián)系該專欄作者，如若文章內容侵犯您的權益，請及時聯(lián)系本站刪除。
下載文檔
