GPS探测原理及其应用.pptx

GPSGPS探测原理及其应用探测原理及其应用2007202129 2007202129 林艳林艳内容提要内容提要1.1 GPS1.1 GPS的概述的概述1.2 GPS1.2 GPS测量定位原理测量定位原理1.3 GPS1.3 GPS技术在气象学中的应用技术在气象学中的应用1.1GPS1.1GPS概述概述1.1.11.1.1什么是什么是GPSGPSGPSGPS的的英英文文全全称称是是NAVigation NAVigation Satellite Satellite Timing Timing And And Ranging Ranging Global Global Position Position SystemSystem（导导航航星星测测时时与与测测距距全全球球定定位位系系统统），简简称称GPSGPS。根根据据Wooden Wooden 19851985年年所所给给出出的的定定义义：全全球球定定位位系系统统（GPSGPS）是是一一个个空空基基全全天天侯侯导导航航系系统统，它它由由美美国国国国防防部部开开发发，用用以以满满足足军军方方在在地地面面或或近近地地空空间间内内获获取取在在一一个个通通用用参参照照系系中中的的位位置置、速速度度和和时时间间信信息息的要求。的要求。1.1.2GPS1.1.2GPS的系统组成的系统组成GPSGPS系系统统由由空空间间部部分分、地地面面控控制制部部分分和和用用户户设设备备部部分分等等三三部部分组成分组成1.1.2GPS1.1.2GPS的系统组成的系统组成空空间间星星座座部部分分：2424颗颗卫卫星星提提供供星星历历和和时时间间信信息息；发发射射伪伪距距和和载载波波信信号号；提提供其他辅助信息。供其他辅助信息。新一代新一代Block R卫星卫星地面监控系统工作流程v地地 面面 控控 制制部部分分：中中心心控控制制系系统统；实实现现时时间间同同步步；跟跟踪踪卫卫星进行定轨。星进行定轨。1.1.2GPS1.1.2GPS的系统组成的系统组成用用户户部部分分：接接收收并并观观测测卫卫星星信信号号；记记录录和和处处理理数数据据；提提供导航定位信息。供导航定位信息。GPSGPS信信号号接接收收机机：能能够够接接收收、跟跟踪踪、变变换换和和测测量量GPSGPS信信号号的的卫卫星星信信号号接接收收设备设备1.1.3 GPS特点观测站之间不需要通视观测站之间不需要通视提供三维坐标提供三维坐标定位精度高定位精度高操作简便操作简便观测时间短观测时间短全天候全天候2424小时作业小时作业1.1.4 GPS的应用从从GPSGPS的的提提出出到到19931993年年建建成成，经经历历了了2020年年，实实践践证证实实，GPSGPS对对人人类类活活动动影影响响极极大大，应应用用价价值值极极高高，所所以以得得到到美美国国政政府府和和军军队队的的高高度度重重视视，不不惜惜投投资资300300亿亿美美元元来来建建立立这这一一工工程程，成成为为继继阿阿波波罗罗登登月月计计划划和和航航天天飞飞机机计计划划之之后后的的第第三三项项庞庞大大空空间间计计划划。它它从从根根本本上上解解决决了了人人类类在在地地球球上上的的导导航航和和定定位位问问题题，可可以以满满足足各种不同用户的需要。各种不同用户的需要。交通交通搜索救援气象观测 遥感遥感测量测量国防军事国防军事卫星定轨卫星定轨电力电力搜索救援搜索救援气象观测气象观测 支持GPS系统的V740手机内置了内置了GPSGPS卫星定位卫星定位系统系统1.1.5 其它卫星导航系统 GLONASSGLONASS（俄）（俄）GalileoGalileo（欧）（欧）北斗导航系统北斗导航系统（中）（中）1.2 GPS测量定位原理1.2.11.2.1绝对定位概述绝对定位概述定定义义：绝绝对对定定位位，又又称称单单点点定定位位，仅仅单单独独利利用用一一台台接接收收机机确确定定待待定定点点在在地地固固坐坐标标系系中的绝对位置的方法。中的绝对位置的方法。优优点点：一一台台接接收收机机单单独独定定位位，作作业业方方法法简简单单缺点：定位精度低缺点：定位精度低基基本本原原理理：以以GPSGPS卫卫星星和和用用户户接接收收机机天天线线之之间间的的距距离离观观测测量量为为基基准准，根根据据已已知知的的卫卫星星瞬瞬时时坐坐标标，来来确确定定用用户户接接收收机机所所对对应应的的位置。位置。观测方程：观测方程：其中：其中：XsXs，YsYs，ZsZs：卫星坐标；：卫星坐标；X X，Y Y，Z Z：测站坐标；：测站坐标；伪伪距距：由由于于GPSGPS采采用用的的是是单单程程测测距距原原理理，卫卫星星钟钟与与用用户户接接收收机机钟钟难难以以保保持持严严格格同同步步，实实际际上上观观测测的的是是测测站站与与卫卫星星之之间间的的距距离离，由由于于受受卫卫星星钟钟和和接接收收机机钟钟的的同同步步差差的的共共同同影影响响，又又称称伪伪距距离离测测量。量。PSEUDO-RANGE:The pseudo-range(PR)is the distance from the receiver antenna to the satellite antenna including receiver and satellite clock offsets(and other biases,such as atmospheric delays):PR =distance+c*(receiver clock offset-satellite clock offset+other biases)so that the pseudo-range reflects the actual behavior of the receiver and satellite clocks.The pseudo-range is stored in units of meters.：观测距离（伪距）观测距离（伪距）；伪距定位原理伪距定位原理其中其中：卫星发出信号时的卫星钟读数；卫星发出信号时的卫星钟读数；接收机钟接受该信号的接收机读数；接收机钟接受该信号的接收机读数；c c：真空中的光速；真空中的光速；1.2.21.2.2误差方程误差方程 卫卫星星信信号号经经过过电电离离层层和和对对流流层层到到达达地地面面测测站站后后，经经电电离离层层折折射射改改正正后后ionion和和对对流流层层折折射射改改正正后后troptrop，求求得得卫卫星星至至接接收收机机的集合距离的集合距离：=c=c（tata-TbTb）+ion ion+troptrop 于是几何距离于是几何距离与伪距与伪距之间的关系式为：之间的关系式为：其中：其中：ionion：电离层延迟改正；：电离层延迟改正；troptrop：对流层延迟改正：对流层延迟改正;:发射时刻卫星钟的改正数；发射时刻卫星钟的改正数；:接收时刻接收机钟的改正数。接收时刻接收机钟的改正数。对流层延迟对流层延迟对流层对流层对流层延迟的干分量与湿分量对流层延迟的干分量与湿分量相相对对与与GPSGPS信信号号，与与信信号号的的频频率率无无关关（非色散）（非色散）应对方法应对方法相对定位相对定位模型改正模型改正 气象元素气象元素-干温、湿温、气压干温、湿温、气压霍普菲尔德（霍普菲尔德（HopfieldHopfield）模型、模型、萨斯塔莫宁（萨斯塔莫宁（SaastamoinenSaastamoinen）模模型、型、勃兰克（勃兰克（BlackBlack）改正模型）改正模型等等电离层延迟电离层延迟电离层电离层 自由电子自由电子与与信信号号的的频频率率有有关关 与与信信号号频频率率的的平方成反比（色散效应）平方成反比（色散效应）与与信信号号传传播播途途径径上上的的电电子子密密度度有有关关，而而电电子子密密度度又又与与高高度度、时时间间、季季节节、地理位置、太阳活动等有关地理位置、太阳活动等有关电电离离层层对对载载波波和和测测距距码码的的影影响响，大大小小相等，符号相反相等，符号相反应对方法应对方法模型改正模型改正 单层电离层模型单层电离层模型双频改正双频改正相对定位相对定位1.2.31.2.3对流层天顶延迟对流层天顶延迟 对对流流层层是是高高度度为为40km40km以以下下的的大大气气层层，大大气气密密度度大大，成成分分复复杂杂，大大气气的的状状况况随随着着地地面面的的气气候候变变化化而而变变化化。这这就就使使得得对对流流层层折折射射比比电电离离层层折折射射更更为为复复杂杂。电电磁磁波波通通过过对对流流层层时时传传播播速速度度将将发发生生变变化化，路路径径也也将将产产生生弯弯曲曲（只只有有在在高高度度角角很很小小时时才才能能表表现现出出来来，一一般般不不需需考考虑虑）。天天顶顶方方向向的的对对流流层层延延迟迟数数约约为为2.3m2.3m。天天顶顶距距z=80z=80时时，对对流流层层延延迟迟将将增增加加至至约约13m13m。目目前前采采用用的的对对流流折折射射改改正正公公式式较较多多。霍霍普普菲菲尔尔德（德（Hop fieldHop field）公式被广泛采用。）公式被广泛采用。对流层天顶延迟对流层天顶延迟Hopfield模型模型Hopfield模型模型Saastamoinen模型模型Saastamoinen模型模型中国区域中国区域GPS台站分布图台站分布图项目项目2008-5-32008-5-30808时气压时气压(0.1(0.1百帕百帕)10096 10096 0808时气温时气温(0.1(0.1摄氏度摄氏度)215215日平均相对湿度日平均相对湿度(百分率百分率)64 64 中国气象科学数据共享服务网中国气象科学数据共享服务网-上海站地面气象观测资料上海站地面气象观测资料上上海海台台站站对对流流层层延延迟迟每每季季度度的的平平均均值值编程计算编程计算导航电文导航电文1.3 GPS技术在气象学中的应用技术在气象学中的应用大大气气温温度度、大大气气压压、大大气气密密度度和和水水汽汽含含量量等等量量值值是是描描述述大大气气状状态态最最重重要要的的参参数数。无无线线电电探探测测、卫卫星星红红外外线线探探测测和和微微波波探探测测等等手手段段是是获获取取气气温温、气气压压和和湿湿度度的的传传统统手手段段。但但是是它它们们与与GPSGPS手手段段相相比比，就就可可明明显显地地看看出出传传统统手手段段的的局局限限性性。无无线线电电探探测测法法的的观观测测值值精精度度较较好好，垂垂直直分分辨辨率率高高，但但地地区区覆覆盖盖不不均均匀匀，在在海海洋洋上上几几乎乎没有数据。没有数据。1.3 GPS技术在气象学中的应用技术在气象学中的应用GPSGPS技技术术经经过过2020多多年年的的发发展展，其其应应用用研研究究及及应应用用领领域域得得到到了了极极大大的的扩扩展展，其其中中一一个个重重 要要的的应应用用领领域域就就是是气气象象学学研研究究。利利用用GPSGPS理理论论和和技技术术来来遥遥感感地地球球大大气气，进进行行气气象象学学的的理理论论和和方方法法研研究究，如如测测定定大大气气温温度度及及水水汽汽含含量量，监监测测气气候候变变化化等等，叫叫做做GPSGPS气气象象学学（GPS/MET eorology,GPS/MET eorology,简写为简写为GPS/METGPS/MET）。）。1.3.1GPS/MET简介简介被被动动式式的的卫卫星星遥遥感感技技术术可可以以获获得得较较好好的的全全球球覆覆盖盖率率和和较较高高的的水水平平分分辨辨率率，但但垂垂直直分分辨辨率率和和时时间间分分辨辨率率很很低低。利利用用GPSGPS手手段段来来遥遥感感大大气气的的优优点点是是，它它是是全全球球覆覆盖盖的的，费费用低廉，精度高，垂直分辨率高。用低廉，精度高，垂直分辨率高。1.3.1GPS/MET简介简介根根据据19951995年年4 4月月3 3日日美美国国发发射射的的用用于于GPSGPS气气象象学学研研究究的的Microlab-1Microlab-1低低轨轨卫卫星星的的早早期期结结 果果显显示示，对对于于干干空空气气，在在从从5 57 7 kmkm到到353540 40 kmkm的的高高度度上上，所所获获得得的的温温度度可可以以精精确确到到1.01.0之之内内。正正是是这这些些优优点点使使得得GPS/METGPS/MET技技术术成成为为大大气气遥遥感感的的最最有有效效最最有有希望的方法之一希望的方法之一 。1.3.1GPS/MET简介简介当当GPSGPS发发出出的的信信号号穿穿过过大大气气层层中中对对流流层层时时，受受到到对对流流层层的的折折射射影影响响，GPSGPS信信号号要要发发生生弯弯曲曲和和延延迟迟，其其中中信信号号的的弯弯曲曲量量很很小小，而而信信号号的的延延迟迟量量很很大大，通通常常在在2.3 2.3 m m左左右右。在在GPSGPS精精密密定定位位测测量量中中，大大气气折折射射的的影影响响是是被被当当作作误误差差源源而而要要尽尽可可能能将将它它的的影影响响消除干净。消除干净。1.3.1GPS/MET简介简介在在GPS/METGPS/MET中中，与与之之相相反反，所所要要求求得得的的量量就就是是大大气气折折射射量量。通通过过计计算算可可以以得得到到我我们们所所需需的的大大气气折折射射量量，再再通通过过大大气气折折射射率率与与大大气气折折射射量量之之间间的的函函数数关关系系可可以以求求得得大大气气折折射射率率。大大气气折折射射率率是是气气温温T T，气气压压P P和和水水汽汽压压力力e e的的函函数数，通通过过一一定定关关系系，则则可可以以求求得得我们所需要的量。我们所需要的量。1.3.2GPS/MET分类分类根根据据GPS/METGPS/MET观观测测站站的的空空间间分分布布来来分分类类，可可以分为两大类：以分为两大类：地基地基GPSGPS气象学气象学(Ground-based GPS/MET)(Ground-based GPS/MET)空基空基GPSGPS气象学气象学(Space-based GPS/MET)(Space-based GPS/MET)地地基基GPSGPS气气象象学学就就是是将将GPSGPS接接收收机机安安放放在在地地面面上上，象象常常规规的的GPSGPS测测量量一一样样，通通过过地地面面布布 设设GPSGPS接接收收机机网网络络，来来估估计计一一个个地地区区的的气气象象元素。元素。空空基基GPSGPS气气象象学学就就是是利利用用安安装装在在低低轨轨卫卫星星（Low Low Earth Earth Orbit,Orbit,简简称称为为LEOLEO）上上的的GPSGPS接接收收机机来来接接收收GPSGPS信信号号。当当GPSGPS信信号号与与LEOLEO卫卫星星上上GPSGPS接接收收联联线线经经过过地地球球上上空空对对流流层层时时，GPSGPS信信号号会会发发生生折折射射。这这一一测测量量大大气气折折射射的的方方法法叫叫做做掩掩星星法法，该该方方法法是是2020世世纪纪6060年年代代美美国国喷喷气气推推进进实实验验室室JPLJPL和和StanfordStanford大大学学为为研研究究行行星星大大气气和和电电离离层层而而发发展展起起来来的的。通通过过对对含含有有折折 射射信信息息的的数数据据进进行行处处理理，可可以以计计算算出出大大气气折折射射量量而而估估计计出出我我们们所所需需要要的的气象元素的大小气象元素的大小 。1.3.3GPS/MET的应用前景的应用前景 天天气气预预报报-全全天天候候的的全全球球探探测测，加加上上观观测测值值的的高高精精度度和和高高垂垂直直分分辨辨率率，使使得得NWPNWP精精度度的的提提高高成成为为可可能能。这这样样，可可以以提提高高数数值值天天气预报的准确性和可靠性。气预报的准确性和可靠性。气气候候和和全全球球变变化化监监测测-长长期期稳稳定定地地提提供供相相对对高高精精度度和和高高垂垂直直分分辨辨率率的的温温度度轮轮廓廓线线。从从GPS/METGPS/MET数数据据计计算算得得到到的的大大气气折折射射率率是是 大大气气温温度度、湿湿度度和和气气压压的的函函数数，因因此此可可以以直直接接把把大大气气折折射射率率作作为为“全全球球变变化化指指示示器器”。其其他他应应用用-GPS/MET-GPS/MET观观测测数数据据有有可可能能以以足足够够的的时时空空分分辨辨率率来来提提供供全全球球电电离离层层映映像像，这这将将有有助助于于电电离离层层/热热层层系系统统中中许许多多重重要要的的动力过程及其与地气过程关系的研究。动力过程及其与地气过程关系的研究。GPS/METGPS/MET提提供供的的温温度度轮轮廓廓线线还还可可以以用用于于其其他他的的卫卫星星应应用用系系统统中中。如如O3O3的的遥遥感感系系统统中中需需要要提提供供精精确确的的温温度度轮轮廓廓线线,利利用用GPS/METGPS/MET数数据可以很好地满足这一要求。据可以很好地满足这一要求。References:http:/ International GNSS GNSS(Global(Global Navigation Navigation Satellite Satellite System System-全全球球导导航航卫卫星星系系统统)Service)Service