GPS原理与应用论文.docx
- 文档编号:4396717
- 上传时间:2022-12-01
- 格式:DOCX
- 页数:10
- 大小:26.58KB
GPS原理与应用论文.docx
《GPS原理与应用论文.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《GPS原理与应用论文.docx(10页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
GPS原理与应用论文
GPS原理与应用论文
课程名称:
全球定位系统原理及应用
中国地质大学
日期:
2014年11月29日
评语
对课程论文的评语:
平时成绩:
课程论文成绩:
总成绩:
评阅人签名:
注:
1、无评阅人签名成绩无效;
2、必须用钢笔或圆珠笔批阅,用铅笔阅卷无效;
3、如有平时成绩,必须在上面评分表中标出,并计算入总成绩。
差分GPS的研究
摘要
本文首先对差分GPS产生的背景做了概述,并介绍了差分GPS技术的分类及其位置差分、伪距差分和载波相位差分三种不同分类的工作原理、特点和应用领域。
之后以差分GPS改正数算法和差分GPS载波相位整周模糊度快速解算方法为例简单论述了差分GPS技术的相关算法,并详细介绍了局域差分包括单基站差分及双基站差分和广域差分的概念和特点。
本文在最后章节对差分GPS技术的应用做了详细分析,从它在农业、林业、地质、水利等方面的应用及展望做了详细阐述。
关键词:
GPS差分GPSDGPS局域差分广域差分
第一章绪论
§1.1GPS概述
全球定位系统GPS(GlobalPositioningSystem)是美国国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航定位而建立的。
该系统的研制始于1973年,1995年进入全运行阶段。
GPS作为新一代卫星导航与定位系统,不仅具有全球性、全天候、连续的精密三维导航和定位能力,而且具有良好的抗干扰性和保密性。
GPS系统由空间部分、地面控制部分和用户三部分组成。
GPS的空间部分由24颗GPS工作卫星组成,这24颗卫星分布在6个倾角为55度的轨道上绕地球运行,每个轨道面上均匀布设4颗。
卫星的运行周期约为12恒星时。
每颗GPS工作卫星都发射导航定位信号。
GPS的控制部分由一个主控站、五个监控站和三个注入站组成。
主控站位于美国的科罗拉多州,它的作用是根据各监控站对GPS的观测数据,计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等,并负责控制卫星的运行和系统的运转。
监控站接收卫星信号、监测卫星的工作状态,并把数据传到主控站。
注入站将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。
GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机、气象仪器等组成,它的作用是接收GPS卫星所发出的信号,利用这些信号进行导航定位工作。
[1]
GPS导航定位的基本原理是根据测量学中测距交会确定点位的方法,利用GPS接收机同时接收三个以上卫星传送的信息,交会出地面点的三维坐标。
这样在信号的发送和接收过程中就不可避免地出现误差,这些误差根据其性质可分为系统误差和偶然误差,其中系统误差无论从其大小还是对定位结果的影响都比偶然误差大得多。
然而,系统误差有一定的规律可循,尤其是对于那些用户接收机和基准站共同的误差,有可能通过差分方式被消除掉或明显减少,因而对差分技术进行深入研究是十分必要的。
[2]
§1.2差分GPS的产生
差分GPS出现的根本原因是绝对定位精度不能部分用户的要求,这包括以下两部分。
1.2.1绝对定位的误差
由于受到多种因素的影响,像其它类型的观测值一样,GPS观测值也包含有系统误差和随机误差。
GPS观测值受到各种不同因素的影响,主要有以下三个方面的误差:
1.公共误差,主要包括轨道误差、卫星误差、相对论误差和地球自转误差。
(l)轨道误差:
星历所给出的卫星在空间的位置与实际位置之差;
(2)卫星钟差:
卫星钟给出的时间和真实的GPS时间之差;
(3)相对论误差:
由于卫星钟和接收机钟所处的状态(运动速度和重力位)不同而引起的卫星钟和接收机钟之间产生相对钟误差的现象;
(4)地球自转误差:
由于地球的自转运动对卫星坐标产生的影响。
2.传播误差,主要包括电离层延迟误差、对流层折射误差和多路径效应误差。
(l)电离层误差:
由于电离层中的自由电子产生的对伪距观测值的延迟和对载波相位观测值的推进的影响:
(2)对流层误差:
由于对流层重的湿分量和干分量对信号的延迟作用;
(3)多路径误差气:
由于测站周围的反射物所反射的卫星信号(反射波)进入接收机天线,并和直接来自卫星的信号(直接波)产生干涉,从而使观测值偏离真实值产生所谓的“多路径误差”。
3.接收机误差,主要有接收机钟差、观测误差等。
(l)接收机钟差:
接收机钟时间和真实的GPS时间之差;
②观测误差:
由于接收机噪声产生的伪距和载波相位观测值的误差。
[1]
1.2.2美国SA政策对绝对定位精度的影响
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,极大地限制了中精度实时定位的应用。
GPS相对定位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。
第二章差分GPS技术
§2.1差分GPS的原理
差分技术很早就被人们所应用,它实际上是在一个测站上对两个目标的观测量、两个测站对一个目标的观测量或在一个测站上对一个目标的两次观测量之间进行求差。
其目的是消除公共误差,提高定位精度。
利用差分GPS技术消除基准站和用户之间共有误差的原理很简单,就是分别用两台接收机在两个测站上同时测量来自相同GPS卫星的导航定位信号,其中一个测站的位置坐标是已知的,安放在该已知点(基准点)的GPS信号接收机,叫做基准接收机,基准接收机所测得的三维位置与该点已知值进行比较,便可获得GPS定位数据的改正值。
如果及时将GPS改正值发送给若干台共视卫星用户的动态接收机,并修正其所测得的实时位置,就可消除用户位置测量中与之相关的误差。
[2]
§2.2差分GPS的分类
差分GPS技术按照工作方式不同可分为:
单站差分、具有多个基准站的局域差分和广域差分三种类型。
单站差分GPS系统结构和算法简单,技术上较为成熟,主要用于小范围的差分定位工作。
对于较大范围的区域,则应用局域差分技术,对一个国家或几个国家的广大区域应用广域差分技术。
按基准站发送的信息方式不同,差分GPS又可分为:
位置差分、伪距差分、相位平滑、伪距差分和载波相位差分。
它们的工作原理是相同的,都是基准站发送改正数,用户站接收并对其测量结果进行改正,用以获得精确的定位结果。
不同的是,所发送改正数的具体内容不一样,其差分方式的技术难度、定位精度和作用范围也各不相同。
[2]
2.2.1.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。
2.2.2.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RTCMSC-104也采用了这种技术。
根据基准站已知坐标和各卫星的坐标,求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离,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α-β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。
2.2.3.载波相位差分原理
载波相位差分技术又称之为RTK技术(realtimekinematic),是建立在及时处理两个测站的载波相位基础上的。
载波相位差分技术能实时提供观测点的三维坐标,并达到厘米级的高精度。
大量应用于动态需要高精度位置的领域。
与伪距差分原理相同,由基准站通过数据链及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及时处理,能及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:
修正法与差分法。
前者和伪距差分相同,基准站把载波相位修正量发送给用户站,以改正其载波相位,之后求解坐标。
后者把基准站采集的载波相位发送给用户站进行求差解算坐标。
前者是准RTK技术,后者为真正的RTK技术。
由于载波相位差分技术测量精度高、时间短、能快速高精度地建立工程控制网和实际工程作业,所以在快速静态测量、动态测量、准动态测量中得到广泛的应用。
但这一技术仍存在着局限性,实现起来有较大的难度。
例如,基准站信号的传输延迟给实时定位带来误差,高波特率的数据传输的可靠性及电台干扰更是影响工作的关键问题。
解决这个问题的方法是发展成局部区域差分和广域差分定位技术。
[3]
§2.3差分GPS相关算法
2.3.1差分GPS改正数算法
计算差分改正数时根据使用的观测值的类型来分主要包括以下三种:
利用伪距观测值计算差分改正数、利用相位平滑伪距观测值计算差分改正数和利用伪距观测值和载波相位历元单差观测值相结合计算差分改正数。
由于DGPS定位中,与测站相关的误差对定位精度也有很大的影响,主要包括多路径误差和量测误差。
同时改正数信息需要实时处理,为了提高改正数的精度和可靠性,尽可能的减少与测站相关的误差,以至对流动站做出错误的改正,通常需要对改正数进行滤波处理。
[2]
这里介绍一种消除电离层误差的算法,通过电离层网格延迟算法来获得实际的电离层延迟值,以消除电离层误差。
具体过程如下:
解算星历,得出卫星位置—>求电离层穿透点位置—>求对应网格点—>求网格4个顶点的电离层延迟改正数—>内插获得穿透点垂直延迟改正数—>求穿透点的实际延迟值。
[4]
2.3.2差分GPS载波相位整周模糊度快速解算方法
GPS整周模糊度的快速、准确解算是利用GPS载波相位进行高精度定位的关键问题,一般采用整数最小二乘理论求解整周模糊度的参数估计问题,它包括三个步骤:
首先利用最小二乘法求解浮点解,再通过搜索算法在整数约束条件下寻求整周模糊度,最后求出固定解。
其中最关键的是第二步。
近几年出现了许多解算模糊度的搜索算法,常见的搜索方法有:
模糊函数方法(AFM)、快速模糊求解方法(FARA)、最小二乘模糊搜索技术、Cholesky分解法、快速模糊搜索滤波器(FASF)、最小二乘模糊去耦调节法(LAMBDA)和整型模糊度求解法。
其中LAMBDA是其中快速且有效的一种解算方法。
[5]
§2.4单基准站局域差分
所谓单基准站DGPS,就是使用两台GPS接收机,一台设置为已知点作基准站,一台装于移动目标上,两台接收机同步跟踪观测相同的GPS卫星,通过实时或事后数据差分处理,可以获得高精度的移动目标定位数据。
[6]GPSbase基站差分软件接收GPS接收机的原始数据,经分析和处理,以标准RINEX格式记录星历和观测数据文件,一方面直接储存到本地计算机,另一方面按照用户设定的时间间隔自动通过网络(可自动拨号上网)上传到指定服务器,供后处理用户下载。
差分数据集中由控制中心统一发布。
流动站用户需要高精度定位时,通过GSM手机直接拨号到控制中心,获取差分数据。
如果仅需要做亚米级的GIS数据采集和管理,还可以通过GPRS网络,直接获取差分信号,能提供多用户长时间连接,而且费用低廉。
§2.5多基准站局域差分
GPS观测所受到的误差影响中,卫星星历、电离层、对流层是空间强相关的,卫星钟差是时间强相关的,因此,间隔在一定距离内(不超过150km)的两个站,同步观测同一颗卫星,则两个站上的观测值可认为包含相同的误差。
如果将一个站设为基准站,其坐标已知,该站的实时观测数据通过通信链路传输到另一个站,即用户站,则用户站同时差分处理来自基准站和用户站的观测数据,可消除用户站观测数据中与基准站相同误差的影响,这就是局域差分的基本思想。
多基准站局域差分系统LADGPS(LocalAreaDGPS)是在某一局部区域中布设若干个基准站,通常还包含一个或数个监测站。
各基准站进行独立观测,分别计算差分改正数并向外发播,但首先应对改正数的类型、信号的内容、结构、格式及各站的标识符等作统一规定。
位于该局部区域中的用户,通常采用加权平均法或最小方差法对来自多个基准站的改正信息(坐标改正数或距离改正数)进行平差计算以求得自己的坐标改正数或距离改正数。
[7]
§2.6广域差分
广域差分(WideAreaDGPS,WADGPS)技术的基本思想是对GPS观测量的误差源加以区分,并对每一个误差源分别加以"模型化",然后将计算出来的每一个误差源的误差修正值(差分改正值),通过数据通讯链传输给用户,对用户GPS接收机的观测误差加以改正,以达到削弱这些误差源的影响,改善用户GPS定位精度的目的。
这一系统在逐步取代常规差分GPs的同时,正朝着同时满足陆海空用户导航及工程和大地测量精密定位要求的广域GPS增强系统(WAAS)发展。
WADGPS和WAAS的基础和核心之一是差分修正信息的确定。
随着WADGPS的发展,差分修正信息逐步统一为包括卫星坐标(或坐标改正)、卫星钟差改正和电离层折射改正的广域差分信息。
因此,广域差分GPS中GPS数据处理的主要研究工作包括卫星轨道确定、卫星钟差确定和电离层改正模型确定。
通常首先根据监测站上多天的观测数据,用差分观测量确定并外推卫星轨道,这类似于区域性跟踪网的定轨问题。
电离层改正模型用双频相位观测值,或者用双频P码伪距和相位观测值确定。
[8]
第三章差分GPS的应用
§3.1差分GPS在农林业中的应用
3.1.1林业方面的应用
差分GPS作为精准林业的核心技术之一,DGPS具有全天候作业,操作简便,观测时间短,站间无需通视等优点,可消除GPS星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差,从而大大提高定位精度。
国内林业关于DGPS的应用和研究起步较晚,尚处于从DGPS原理出发的定性研究水平上,应用和定量研究比较少。
[9]
差分GPS在林业中的应用具体可分为以下几点:
1)利用差分或测量GPS建立林区GPS控制网点,这些具有精密坐标的控制点,是林区今后各种工程测量作业必须参照的位置,如:
手持导航GPS仪器的坐标误差修正,道路、农田、迹地等的勘测。
2)利用差分或测量GPS对林区各种境界线实施精确勘测、制图和面积求算。
如:
各种道路网等位置和绘制图形并求算面积,转绘于林业基本用图上,达到对各种森林地类变化的动态监测的目的,测量精度达到分米级。
3)利用差分或测量GPS进行图面区划界线的精确划分,如荒界、行政区界等。
解决现地界线不清楚和标志位置不准等普遍存在的问题。
4)GPS技术用于森林防火:
利用实时差分GPS技术,美国林业局与加里弗尼亚的喷气推进器实验室共同制定了“FRIREFLY”计划。
它是在飞机的环动仪上安装热红外系统和GPS接收机,使用这些机载设备来确定火灾位置,并迅速向地面站报告。
另一计划是使用直升飞机、无人机或轻型固定翼飞机沿火灾周边飞行并记录位置数据,在飞机降落后对数据进行处理并把火灾的周边绘成图形,以便进一步采取消除森林火灾的措施。
[10]
3.1.2农业方面的应用
据国外文献资料介绍,利用差分GPS技术对飞机精密导航,估计会使投资降低50%。
具体应用:
利用GPS差分定位技术可以使飞机在喷洒化肥和除草剂时减少横向重叠,节省化肥和除草剂用量,避免过多用量影响农作物生长。
还可以减少飞机转弯重叠,避免浪费,节省资源。
对于夜间作业,更具有其优越性。
因为夜间蒸发和漂移损失小,另外夜间植物气孔是张开的,更容易吸收除草剂和肥料,提高除草和施肥效率。
依靠差分GPS进行精密导航,引导农机具进行夜间喷施和田间作业,可以节省大量的农药和化肥。
GPS差分技术在农业领域中的应用不仅适用于大面积种植,在小面积的农田,特别是在格网种植的小面积内,应用小型自动化设备,配合差分GPS导航设备、电子监测和控制电路,能够适应科学种田的需要,可以做到精确管理。
[10]除此之外,精细农业中,GPS的定位信息能通过GIS转化成相应的图形,同田间的各种信息结合,形成反映该信息的专题图和处方图,如肥力分布图、病虫害分布图等,[11]从而更好地把控农作物生长情况,提高产量。
§3.2差分GPS在地质水利中的应用
3.2.1差分GPS在地质中的应用
1)利用差分GPS技术来对淤地坝泥沙淤积量进行估算
淤地坝是黄土高原水土流失治理中的一项重要措施。
但是早期建设的淤地坝缺乏监测资料,对现已淤满坝地拦截泥沙量的估算成为当前研究中的一个难点问题。
考虑解决估算淤地坝泥沙淤积量的关键问题有二,一是要明确淤地坝淤积面的实际高程,二是要明确高程增加和淤积面积的关系,这两个因素是计算淤地坝库容的必要条件。
差分GPS和大比例尺地形图则分别能够满足这两个条件。
而且差分GPS技术的应用为准确估算淤地坝泥沙淤积量提供了技术支撑,可以弥补历史上侵蚀产沙数据,而且对定量评价水土流失及其治理效益提供了依据。
[12]
2)利用差分GPS技术进行矿体勘查
在矿体勘查评价中,我们可以利用差分GPS的高精度、高效率的特点,实现物探工程布置、特殊地物的记录,以及地形图、地质图、地质剖面图的绘制。
还可以进一步利用这些数据,作地质-地球物理平面资料叠合图、工程分布图等综合图件。
[13]
3.2.2差分GPS在水利工程中的应用
传统的库区测量技术中对平面点的定位测量的方法都具有操作复杂、外界条件要求苛刻等缺陷,应用十分不便,并且费时费工,效率和精度都很低。
在两岸陡峭的河段,森林、灌木密布,采用传统方法进行测量几乎不可能。
然而近期研究人员在差分GPS的基础上拓展了多种方法来实现对水利工程的测量。
1)通过单频差分GPS技术与数字超声波测深仪SDH一13结合起来,对水电站库区淤积和水下地形进行测量;[14]
2)星站差分GPS系统可为全球用户提供高精度实时差分定位服务,也称为RTG(Real-TimeGipsy),属于广域差分GPS范畴。
Starfire星站差分GPS在水利工程测量中的应用体现在能绘制大、小比例地形图,适用于大中小型水利工程规划、设计阶段的测量工作;可建立实时高精度GPS施工控制网,适用于大中小型水利工程施工控制;适合于变形监测;适合于不同比例尺度的河道及水下地形测量等方面。
[15]
总结
本文主要是从差分GPS技术的几个方面入手对其进行了较深入的探讨和研究,本文的主要工作可以概括为以下几个方面:
1.概述了GPS的特点及原理并就此分析了差分GPS产生的诱因即绝对定位精度不能满足用户要求,具体来说有两点:
绝对定位受多种误差影响及美国SA政策的影响。
2.详细介绍了差分GPS技术的原理及其分类:
位置差分;伪距差分;载波相位差分等,和以差分改正数算法、差分GPS载波相位整周模糊度快速解算法为例的差分GPS部分相关算法,并对可分为单基站差分及多基站差分的局域差分和广域差分做了概述。
3.论述了差分GPS技术的应用现状,具体可分为农业、林业、地质、水电等方面的应用。
综上,通过本文的论述,对差分GPS技术及其相关问题有了深入的了解,为其应用于实际提供了很好的理论上的指导。
参考文献
[1]袁翠.差分GPS算法及仿真研究:
[D].大连:
大连海事大学,2007
[2]徐周,GPS差分定位技术及实现方法的研究:
[D].郑州:
解放军信息工程大学,2006
[3]黄晓瑞,崔平远,崔枯涛.浅谈差分GPS(DGPS)技术的广泛应用[J].航空兵器,2001,3:
5-8
[4]何怡,李扬继.浅析差分GPS的算法及数据格式[J].电讯技术,2004,3:
111-115
[5]朱志宇,刘维亭,张冰.差分GPS载波相位整周模糊度快速解算方法[J].测绘科学,2005,30(3):
54-58
[6]焦海松,李锋,张松等.单基站差分GPS定位精度的分析与检验[J].全球定位系统,2009,1:
5-9初
[7]徐忠燕,张传定,刘建华.局域差分GPS的数学模型[J].测绘工程,2007,16(3):
23-30
[8]刘经南,葛茂荣.广域差分GPS的数据处理方法及结果分析[J].测绘工程,1998,7
(1):
1-5
[9]官凤英,范少辉,冯仲科等.差分GPS定位精度研究[J].林业资源管理,2006,2:
88-90
[10]袁新强.浅谈差分GPS(DGPS)技术的广泛应用[J].山西建筑,2009,35(14):
359-360
[11]张博.GPS在农业中的应用技术研究:
[D].北京:
中国农业大学,2000
[12]汪亚峰,傅伯杰,侯繁荣.基于差分GPS技术的淤地坝泥沙淤积量估算[J].农业工程学报,2009,25(9):
79-83
[13]张伟庆,张作伦,贾长顺等.差分GPS在矿体勘查中的应用[J].中国矿业,2009,18(7):
105-110
[14]徐建光,李幼木,瞿富强等.基于差分GPS技术的水电站库区淤积测量研究[J].水利发电学报,2008,2:
222-228
[15]王君勤.星站差分GPS在水利工程测量中的应用探讨[J].四川水利,2009,3:
46-48
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- GPS 原理 应用 论文