现代检测技术-西安交通大学20844.pptx

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1、现代检测技术 基于GPS的测试技术 精勤求学 敦笃励志 果毅力行 忠恕任事主要内容 v 卫星定位导航系统u GPS系统组成、其它卫星定位导航系统 GPS定位原理u 时空坐标、伪距测量、载波相位测量 u 绝对定位与相对定位、差分定位 典型应用u 烟草监控调度系统 Xian Jiaotong UniversityGPS卫星定位导航系统 v GPS全球卫星定位导航系统(Global Positioning System-GPS)是美国从20世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，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与定位系统。Xian J

2、iaotong Universityv GPS系统的特点:全球、全天候工作：能为用户提供连续、实时的三维位置、三维速度和精密时间。不受天气的影响。定位精度高：单机定位精度优于10米，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。功能多、应用广：大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等。GPS卫星定位导航系统 Xian Jiaotong Universityv GPS系统的组成：空间星座部分、地面支撑系统、用户设备部分v 空间星座部分：21颗工作卫星，3颗备用卫星。24颗卫星均匀分布在6个轨道面内。卫星轨道倾角为55，各轨道平面相差60。轨

3、道平面高度为20200km，卫星运行周期11小时58分。地面观测者见的卫星颗数最少为4颗，最多可达11颗。GPS卫星定位导航系统 Xian Jiaotong Universityv 空间星座部分：GPS卫星的核心部件是高精度的时钟、导航电文存储器、双频发射和接收以及微处理机。每颗GPS工作卫星一般安设2台铷原子钟和2台铯原子钟，未来采用更稳定的氢原子钟（频率稳定度优于10-14s）。卫星钟由地面站检验，其钟差、钟速连同其他信息由地面站注入卫星后，再转化给用户设备。GPS卫星定位导航系统 Xian Jiaotong Universityv 空间星座部分：向广大用户连续发送定位信息；接收和存储由地

4、面监控站发来的卫星导航电文等信息，并适时地发送给广大用户；接收并执行由地面监控站发来的控制指令，适时地改正运行偏差或启用备用卫星等；通过星载的高精度铷钟和铯钟，提供精密的时间标准。GPS卫星定位导航系统 Xian Jiaotong UniversityGPS卫星定位导航系统 v地面支撑系统：主控站：根据跟踪观测数据计算各卫星的轨道参数、钟差参数以及大气修正参数等，编制成导航电文并传送至各注入站；调整偏离轨道的卫星；启用备用卫星；管理协调各地面监控系统的工作。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；向主控站发射信号报告自己的工作状态。监测站：数据自动采集中心，用GPS接收机对可见卫

5、星进行连续观测，为主控站提供卫星的观测数据。Xian Jiaotong UniversityGPS卫星定位导航系统 v 用户设备部分：接收GPS卫星发射信号，获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。包括GPS接收机及天线、微处理器、终端设备和电源等。天线单元能够接收来自任何方向的GPS信号，将极微弱的GPS信号电流予以放大。微处理机能选择合适的卫星进行测量，以获得最佳的几何图形；能根据观测值及卫星星历求得所需的定位信息。Xian Jiaotong University其它卫星定位导航系统v 伴随着众多卫星定位导航系统的兴起，全球卫星定位导航系统有一个全新的称呼：GNSS（GL

6、Obal NAvigation Satellite System）。v GLONASS系统：前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的卫星定位系统，由卫星星座、地面监测控制站和用户设备组成。现在由俄罗斯空间局管理。GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组成，均匀分布在3个近圆形的轨道平面上，每个轨道面8颗卫星，轨道高度19100公里，运行周期11小时15分，轨道倾角64.8。GLONASS系统采用军民合用、不加密的开放政策。目前在轨工作卫星约为18颗。Xian Jiaotong Universityv Galileo卫星定位导航系统：Galileo系统是欧洲自主、独立的全球多模式卫

7、星定位导航系统，提供高精度，高可靠性的定位服务，实现完全非军方控制、管理。能够和GPS、GLONASS系统实现多系统内的相互合作，用户可以用一个多系统接收机来实现定位导航。中国在2004年10月正式加入“Galileo计划”。Galileo系统由30颗（27颗工作卫星+3颗在轨备用卫星）卫星组成，均匀分布在3个轨道上，整个系统拟在2010年之前投入正式运行。其它卫星定位导航系统 Xian Jiaotong Universityv北斗卫星定位导航系统：中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统。北斗一代包括2颗地球同步卫星、2颗备用星、地面中心站和用户终端。其它卫星定位导航系统“北斗”导

8、航卫星使用示意图 Xian Jiaotong University 北斗系统三大功能：快速定位：北斗系统可为服务区域内用户提供全天候、高精度、快速实时定位服务，定位精度20100m；短报文通信：北斗系统用户终端具有双向报文通信功能，用户可以一次传送4060个汉字的短报文信息；精密授时：北斗系统具有精密授时功能，可向用户提供20ns-100ns时间同步精度。北斗二代由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供开放服务和授权服务。定位精度在1米左右。其它卫星定位导航系统 Xian Jiaotong University 劣势：北斗属于有源定位系统，系统容量有限，终端比较复杂。北斗属于区域定位

9、系统，目前只能为中国以及周边地区提供定位服务。其它卫星定位导航系统 北斗优势：和美国的GPS、俄罗斯的GLONASS相比，具有通讯功能。全天候快速定位，与GPS精度相当。安全可靠，保密性强。Xian Jiaotong Universityv北斗应用五大优势：同时具备定位与通信功能，无需其他通信系统支持；覆盖中国及周边国家和地区，24小时全天候服务，无通信盲区；特别适合集团用户大范围监控与管理，以及无依托地区数据采集用户数据传输应用；独特的中心节点式定位处理和指挥型用户机设计，可同时解决“我在哪”和“你在哪”；自主系统，高强度加密设计，安全、可靠、稳定，适合关键部门应用。已成功用于陕西省防汛雨量

10、监测速报、海南省渔船监控、青藏铁路机车监控与管理等项目。其它卫星定位导航系统 Xian Jiaotong Universityv利用无线电测距交会确定点位的方法，可以根据3个以上地面已知点（控制站）交会出卫星的位置，反之也可以利用3颗以上卫星的已知空间位置交会出地面位置点（用户接收机）的位置。v GPS卫星发射测距信号和导航电文，导航电文中含有卫星的位置信息。用户用GPS接收机在某一时刻同时接收3颗以上GPS卫星信号，测量出测站点（接收机天线中心）P至每颗卫星的距离并解算出该时刻GPS卫星的空间坐标，然后根据距离交会法解算出测站P的位置。GPS定位原理 Xian Jiaotong Univer

11、sityv GPS时空参考系 v 卫星的广播信号 v 伪距测量 v 载波相位测量 v 绝对定位和相对定位 v 差分GPS定位 GPS定位原理 Xian Jiaotong UniversityGPS时空参考系 v GPS导航定位中的坐标系统 天球坐标系：与地球自转无关，便于描述绕地球质心作圆周运动的卫星运动状态和确定卫星的运行轨道。地固坐标系：固结在地球上和地球一起公转和自转的地球坐标系，便于描述GPS接收机载体在地球表面的运动状态。地固坐标系是用一辅助面（参考椭球面）定义的。Xian Jiaotong University WGS-84（world geodetic system）大地坐标系地

12、固坐标系，原点位于地球质心，Z轴平行于BIH1984.0时元（国际时间局于1984年定义的地球参考系）定义的协议地球极（CTP）方向，X轴指向BIH1984.0时元定义的零子午面和协议地球赤道的交点，Y轴与Z、X轴构成右手坐标系。WGS-84大地坐标系定义了地球形状的椭球模型。国家大地坐标系目前常用的两个国家大地坐标系是1954年北京坐标系和1980年国家大地坐标系（大地原点设在陕西省泾阳县永乐镇）。地方独立坐标系 在城市和工程测量中，常常建立适合本地区的地方独立坐标系。GPS时空参考系 Xian Jiaotong Universityv GPS导航定位中的时间系统 在GPS测量中，时间系统是

13、最重要、最基本的物理量，没有高精度的时间基准，就没有GPS定位。时间系统包含有“时刻”和“时间间隔”两个概念。时刻是发生某一事件的瞬间，在天文学和卫星测量中，与所获数据对应的时刻称为历元。时间间隔是指发生某一现象所经历的过程，是这一过程始末的时间差，所以时间间隔测量也称为相对测量。时间系统有其尺度（时间的单位）和原点（起始历元），只有把尺度和原点结合起来，才能给出统一的时间系统和准确的时间概念。GPS时空参考系 Xian Jiaotong University以地球自转为基础：恒星时ST（Sidereal Time）：以春分点为参考点，春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒星日，一恒星日

14、分为24个恒星时。平太阳时MT（Mean Solar Time）：平太阳连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一平太日，一平太日分为24平太时。平太阳的运动速度等于真太阳周年运动的平均速度。世界时UT（Universal Time）：零经度子午圈（格林威治子午圈）所对应的平太阳时且以平子夜为零时起算的时间系统。GPS时空参考系 Xian Jiaotong University以物质内部原子运动的特征为基础：原子时ATI（International Atomic Time）：秒长定义为铯原子Cs133基态的两个超精细能级间跃迁辐射振荡9192631170周所持续的时间。协调世界时UTC（Coordi

15、nated Universal Time）：采用原子时秒长，并使用闰秒的方法使其与世界时的时刻相接近，是与地球自转相一致的尺度均匀的时间系统。GPS时间系统：简称GPST，与原子时秒长相同，但原点不同。GPST不跳秒，保持时间的连续。GPST与原子时在任一瞬间均有19s的偏差。GPS时空参考系 Xian Jiaotong Universityv GPS卫星的广播信号包含3种成分：数据码（或称D码，也称为基带信号）、测距码（C/A码、P码或Y码）和载波信号（L1和L2）。数据码（D码）中包含有多种与导航有关的信息，包括卫星的星历、卫星钟钟差改正参数、测距时间标志及大气折射改正参数和由C/A码捕获

16、P码等导航信息。这些信息为GPS导航定位提供数据基础，所以又称为导航电文。卫星的广播信号 Xian Jiaotong University C/A码（coarse/acquisition）是由两个10级反馈移位寄存器相结合而产生的伪随机码，用于分址、搜捕卫星信号和粗测距，是具有一定抗干扰能力的明码，提供给民用。C/A码的码长很短，只有1023bit，易于捕获。C/A码的码元宽度较大，测距精度较低，所以C/A码也称为粗码。P码（precise code）是由两组各有两个12级反馈移位寄存器结合产生的伪随机码。P码序列非常长，一般先捕获C/A码，然后根据导航电文中给出的有关信息捕获P码。P码码元宽

17、度仅为C/A码的1/10，用于较高精度的定位，又称为精码。是用做精测距、抗干扰及保密的军用码，极少用于民用。卫星的广播信号 Xian Jiaotong University GPS卫星天线发射的信号是将导航电文经过两级调制后的信号。第一级调制是将低频D码分别调制在高频C/A码和P码上，实现对D码的伪随机码扩频。第二级是将一级调制的组合码再分别调制在两个载波频率上（L1和L2）。最后卫星向地面发射两种已调波。在载波L1上调制了C/A码和P码，在载波L2上调制了P码，采用BPSK方式调制。这里的C/A码和P码都已实现了对数据码的扩频。使用两个载波频率发射是为了对大气层效应产生的附加延迟进行双频校正

18、。卫星的广播信号 Xian Jiaotong Universityv伪距：由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速得出的量测距离。v伪距法定位：由GPS接收机在某一时刻测出4颗以上GPS卫星的伪距，并根据已知的卫星位置，采用距离交会法确定接收机天线所在点的三维坐标。v分为C/A码伪距和P码伪距。伪距测量原理 Xian Jiaotong University伪距测量原理 伪距测量原理图 Xian Jiaotong University伪距测量的基本方程：当 取得最大值时，根据测距码自相关的特性可得：式中，为伪距测量值，R为卫星至接收机的几何距离，T为测距码的周期，为相应测距码的波

19、长，n=0，1，2，是正整数，c为信号传播速度。式中 称为测距模糊度。当测距码的波长小于测定的距离时，存在测距模糊度的问题。伪距测量原理 伪距测量值是待测距离R与钟差等效距离之和。(1)Xian Jiaotong University 卫星j发射信号的GPS标准时。卫星j发射信号的钟面时间。接收机k接收到该信号的GPS标准时。接收机k接收到该信号的钟面时间。分别表示卫星钟与接收机钟相对于GPS标准时的偏差。伪距测量原理(2)Xian Jiaotong University 若再考虑到信号传播经电离层（ionosphere）的延迟 和大气对流层（troposphere）的延迟，几何距离R与卫星坐

20、标和接收机坐标之间有如下关系：4个未知数为：3个接收机坐标、接收机钟差。伪距测量原理(3)Xian Jiaotong University测码伪距观测方程的常用形式为：其中，伪距测量原理(4)Xian Jiaotong University载波相位测量原理 由于测距码的码元长度较大，对于一些高精度应用来讲其测距精度太低无法满足要求。把载波作为测量信号，由于载波的波长较短，所以可以达到很高的精度。载波相位测量的观测量是GPS接收机所接收的卫星载波信号与接收机本振参考信号的相位差：通常的相位或相位差测量只是测出一周以内的相位值，实际测量中，如果对整周进行计数，则自某一初始取样时刻t0以后就可以取得

21、连续的相位测量值。(a)Xian Jiaotong University载波相位测量原理 Xian Jiaotong University载波相位测量原理 载波相位观测量是接收机（天线）和卫星位置的函数，只有得到了它们之间的函数关系，才能从观测量中求解出接收机（或卫星）的位置。设时钟振荡频率为 f：(b)Xian Jiaotong University(c)(d)载波相位测量原理 卫星信号传播的实际时间为：Xian Jiaotong University在相对定位中，如果基线较短（两测站的基线距离20km），有关几何距离变化率的项可以忽略，式（d）简化为：测相伪距观测方程:在实际中一般采用的是

22、上式观测量的各种线性组合（即差分），因此它是载波相位测量的理论基础。载波相位测量原理 Xian Jiaotong Universityv整周未知数 的确定 伪距法伪距法是在进行载波相位测量的同时又进行了伪距测量，将伪距观测值减去载波相位测量的实际观测值（以长度为度量）后即可得到。但由于伪距测量的精度较低，所以要有较多的 取平均值后才能获得正确的整波段数。载波相位测量原理 Xian Jiaotong University绝对定位和相对定位 v绝对定位：即单点定位，利用GPS卫星和用户接收机之间的距离观测值直接确定用户接收机天线在WGS-84坐标系中的相对于坐标系原点的绝对位置。绝对定位又分为静态

23、绝对定位和动态绝对定位。v相对定位：用至少两台GPS接收机，同步观测相同的GPS卫星，确定两台接收机天线之间的相对位置（坐标差）。是目前GPS定位中精度最高的一种定位方法。Xian Jiaotong Universityv静态绝对定位通过连续地在不同历元（天文学中的时刻）同步观测不同的卫星，测定卫星至观测站的伪距，获得充分的观测数据，然后对数据处理获得观测站的绝对坐标。通过将伪距测量方程线性化，由观测站同步跟踪4颗以上的卫星，列出矩阵形式的方程组，可以从中解算出观测站三维坐标。绝对定位和相对定位 伪距观测方程的线性化：Xian Jiaotong Universityv 令、分别为观测站坐标的近

24、似值与改正数，设、为 t 时刻卫星 j 的三维地心坐标，Xk、Yk、Zk为观测站的三维地心坐标。则有：t 时刻观测站与卫星 j 之间的几何距离即为：绝对定位和相对定位 Xian Jiaotong Universityv 对 以 为中心用泰勒级数展开并取一次项后可得：式中：绝对定位和相对定位 Xian Jiaotong Universityv 观测站与卫星 j 的几何距离的线性化表达式为：线性化的伪距测量观测方程为：对于接收机k和卫星j，令：绝对定位和相对定位 Xian Jiaotong University由观测站同步跟踪4颗卫星，则j1，2，3，4，采用矩阵形式，则有：上式可以简化为：伪距法

25、绝对定位解可表示为：绝对定位和相对定位 Xian Jiaotong Universityv 动态绝对定位又称单点动态定位，是用安设在运动载体上的GPS接收机自主地测量该运动载体的实时位置，从而描绘出该运动载体的运行轨迹。只用于精度要求不高的飞机、船舶以及陆地导航。如：普通车载GPS定位。绝对定位和相对定位 Xian Jiaotong University 相对定位是用两台接收机分别安置在基线的两端，同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点的相对位置或基线向量。观测值的线性组合：在两个观测站或多个观测站同步观测相同卫星的情况下，卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差等对

26、观测量的影响具有一定的相关性，利用这些观测量的不同组合（求差）进行相对定位，可以有效地消除或减弱相关误差的影响，从而提高相对定位的精度。v 静态相对定位（静态差分定位）绝对定位和相对定位 Xian Jiaotong University求差法示意图绝对定位和相对定位 Xian Jiaotong University求差方法：GPS载波相位可以在卫星间求差，在接收机间求差，也可以在不同历元间求差。将观测值直接相减的过程叫做求一次差，所得结果叫做载波相位观测值的一次差或单差。常用的求一次差是在接收机间求一次差。一次差为：作用：消除与卫星有关的载波相位及其钟差项。绝对定位和相对定位 Xian Jia

27、otong University二次差：对载波相位观测值的一次差分观测值继续求差，叫做载波相位观测值的二次差或双差，常用的求二次差是在接收机间求一次差后再在卫星间求二次差，叫做星站二次差分。作用：可以消除与接收机有关的载波相位及其钟差项。绝对定位和相对定位 Xian Jiaotong University三次差：对二次差继续求差称为三次差，常用的求三次差是在接收机、卫星和历元之间求三次差。作用：可消除与卫星和接收机有关的初始整周模糊度。绝对定位和相对定位 解算方法：由载波相位观测方程g单差观测方程（双差、三差）g线性化g方程组求解Xian Jiaotong UniversityDGPS测量系统

28、组成：包括动态接收机和基准接收机。DGPS的测量原理：两种接收机同步地对一组在视GPS卫星进行观测，基准接收机为动态接收机提供差分改正数，称之为DGPS数据。动态接收机根据自己的GPS观测值和来自基准接收机的DGPS数据，精确地解算出用户的三维坐标。分类：单基准站差分（位置差分、伪距差分、载波相位差分）、多个基准站的局部区域差分、广域差分。差分GPS（DGPS）定位 Xian Jiaotong University单站GPS差分1.位置差分法：基准接收机向动态用户发送的DGPS数据是“位置校正值”。2.伪距差分法：基准接收机向动态用户发送的DGPS数据是“伪距校正值”。3.载波相位差分法：基准

29、接收机向动态用户发送的DGPS数据是“载波相位校正值”。差分GPS（DGPS）定位 位置差分和伪距差分的定位精度为米级，而载波相位差分实时三维定位精度达到厘米级。Xian Jiaotong UniversityGPS的应用 v GPS能为交通工具提供实时的三维位置，被称为是智能交通系统（Intelligent Transport Systems，简称ITS）的基石。v GPS在ITS中的应用主要分为两大类：一是车辆自主导航定位系统（简称车辆导航系统）；二是车辆跟踪、调度、监控定位系统（简称车辆运营管理系统）。Xian Jiaotong Universityv车辆导航系统：车辆通过车载GPS实时测定所处的三维位置，并配合电子地图完成道路引导、交通信息查询、目的地寻找等。需要时，也可将位置信息报告给交通、安全管理部门。可用于车辆导航或行人导航。GPS的应用 Xian Jiaotong Universityv车辆运营管理系统：使车辆运营管理部门、安全保卫部门及时掌握车辆的运行状况，便于对车辆进行指挥调度，同时为驾驶员提供交通、公安和服务信息。GPS的应用 Xian Jiaotong University