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GPS测量
道桥专业 1224班
大地测量的发展到卫星测量的发展,虽然只是测量技术有所改变,但所取得的效果却是存在着巨大的差异,测量所需要的环境以及精度有着巨大的飞跃。从美国的“子午卫星导航系统”的建立到GPS的建立,后者要比前者有着许多的优点,即全球地面覆盖、功能多,精度高、实时定位和应用广泛。美国的GPS共24颗卫星,3颗备用,21颗正常工作,采用的是P码和C/A码,相对俄罗斯的全球导航卫星(GLONASS)而言,俄卫星有24颗工作卫星和1颗备用卫星,该卫星从地面控制站接发信息,然后进行处理,进一步的向地面用户播发。地面控制站由一个系统控制中心和一个指令跟踪站组成,俄的全球导航卫星系统采用PZ-90坐标系,美国的GPS卫星系统采用的是WGS-84坐标系,而中国的北斗一号则采用的是2000大地坐标系。欧盟的伽利略全球导航卫星系统(GNSS)是一个公开服务、商业服务和官方服务三者一体的卫星导航系统,相对美、俄卫星系统,该卫星系统在每颗卫星上都增加了一个救援收发器,以配合遇险用户的救
援工作,但是由于种种原因该GNSS卫星系统进展缓慢,效果不理想。中国的北斗一号,由5颗静止轨道和30颗非静止轨道卫星组成,采用空间球面交会测量原理。与美国GPS卫星系统相比,我国北斗一号卫星既有缺陷,同样也有着自己的优势,北斗号卫星具有的短信通讯功能又是GPS卫星系统所不具备的。面对美国对本国卫星的严格控制,世界各国也采用相应的措施与美国协商进行租用,以便本国使用。
在现代卫星测量技术中,我们有时需要更加精确的精度(以地球质心作为参考点),由于原先的参考椭球体的中心一般不会和地球质心重合,因此,把参考椭球面作为测量水准面使用远不能满足我们的需求。在高精度的要求下,我们首先要解决坐标系统和时间系统这两个基本系统。任何天体的运动和地球表面位置的移动以及确定,都需要用一个相对确定的坐标系统来描述该测量对象的位置以及用时间系统来说明该对象某时某刻的运动状态和位置。坐标系统由坐标原点、坐标轴和尺度三个要素组成。通常有三种方式,即理论坐标系、协定坐标系和协议坐标系。根据描绘的对象以及目的的不同,其坐标系统有多种分类。而时间系统也有世界时系统、原子时、协调世界时和GPS时间系统之分。
GPS定位系统包括空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分,其在卫星上的两台铷原子钟和两台铯原子钟是卫星的核心设备。GPS卫星的定位是被动式的定位,与中国的北斗导航定位(主动式定位)有着直接的区别。
GPS卫星是一个运动的卫星,我们用卫星轨道参数来描述卫星的位置及动态,分为无摄运动(只考虑地心引力)和受摄运动(地心引力和摄动力),其轨道参数包含倾角,定位ω,椭圆 a、e,近地点角v,升交点赤经。卫星星历是用来描述某一时刻卫星运动轨道参数(包含17个参数)及其变率,分为预报星历和后处理星历。预报星历能立刻得到结果但精度却很低,为了提高精度我们采用限制预报星历外推时间间隔的方法,而后处理的精度高,但不能及时获得结果。
GPS卫星发射的信号有载波信号、测距码和导航电文三部分组成。载波信号分为两种波,其都是频率高、穿透力强,但有时为了消除电离层的延迟,采用不同的频率载波,测距码分为2种码,即C/A码和P码,C/A码是一种粗码,用于粗略测距和捕获精码,而P码则是一种精码,一般不提供民用。