GPS卫星原理与方法期末复习

1、第一章1常规测量方法不足(1）测站之间需保持通视(2）无法同时精确确定点的三维坐标(3）观测受气候等条件限制(4）难以避免某些系统误差的影响如地球旁折光、地区性旁折光(5）难以建立地心坐标系2 gps技术特点（1）观测站之间无需通视（2）定位精度高（3）观测时间短（4）提供三维坐标（5）操作简便（6）全天侯作业3 gps组成及功能（1） 空间部分gps卫星星座：提供星历和时间信息，发射伪距和载波信号，提供其他辅助信息。作用如下： 接收地面注入站发送的导航电文和其他信号； 接收地面主控站的命令，修正其在轨运行偏差及启用备用设备等； 连续地向用户发送gps卫星导航定位信号，并用电文的形式提供卫星的

2、现势位置与其他在轨卫星的概略位置 gps卫星关键在于卫星的寿命要长，时间精度要高；（2） 地面控制部分地面监控系统：中心控制系统，实现跟踪同步，跟踪卫星进行定轨。地面监控部分由一个主控站，三个注入站和五个监测站组成 主控站的作用 主控站拥有以大型电子计算机为主体的数据收集、计算和传播设备，作用如下：1. 收集数据：收集各监测站获得的伪距和伪距差观测值，卫星时钟、气象参数和工作状态等；2. 数据处理：根据收集到的数据计算各卫星的星历，时钟改正，卫星状态和大气传播改正。并将这些数据按照一定格式编成导航电文，并及时将导航电文传给注入站。导航电文的作用即在于获得卫星的坐标；3. 时间协调： 各测站和g

3、ps卫星的原子钟均应与主控站的原子钟同步，或测出其间的钟差；4. 控制卫星：修正卫星的运行轨道，调用备用卫星更换失效卫星 注入站的作用注入站是无人值守的工作站，设有3.66m的抛物面天线，1台c波段发射机和一台电子计算机；其作用是将主控站编制的导航电文等资料以既定的方式注入到卫星存储器钟，供卫星向用户发射。监控站的作用： 监控站是无人值守的数据采集中心，其位置经精密测定；主要设备包括1台双频接收机，1台高精度原子钟，1台电子计算机和若干台环境数据传感器。作用如下：1.利用接收机获得卫星的位置和工作状况2.利用原子钟获得时间标准 3.利用环境传感器得到当地的气象数据4.然后将算得的伪距、导航数据

4、、气象数据及卫星状态传给主控站；（3）用户设备部分gps信号接收机：接收并测量卫星信号，记录处理数据，提供导航定位信息。作用如下： 能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行 对所接收到的gps信号进行变换、放大和处理 以便测量出gps信号从卫星到接收机天线的传播时间 解译出gps卫星所发出的导航电文 实时的计算出测站的三维坐标位置，甚至三维速度和时间。4 名词解释gps: global positioning system-全球定位系统 利用gps定位卫星，在全球范围内实时进行定位、导航的系统，称为全球卫星定位系统，简称gps。sa: gps的sa（selec

5、tive availability）技术，有选择可用性技术，即人为地将误差引入卫星钟和卫星数据中，故意降低gps精度。其直接影响是c/a码的精度从原先的20m降低到100m。igs：国际gps服务（igs）机构是由国际大地测量协会（iag）协调的一个永久性gps服务机构，成立于1992年。成立之初的英文全名为international gps service for geodynamics（国际地球动力学服务机构），缩写为igs。其目的是为全球科研机构及时提供gps数据和高精度的星历，以支持世界范围内的地球物理学研究。igs正式运行于1994年1月。随着igs的服务范围不断拓宽和支持多学科的科

6、学研究与发展的需要，于1999年1月1日将国际gps地球动力学服务机构更名为国际gps服务（international gps service）机构，删去了原名中的限定词“地球动力学”（geodynamics）。更名后的英文缩写仍为igsgnss: 是global navigation satellite system的缩写, 全球卫星导航系统.地心地固坐标系（earth-centered,earth-fixed，简称ecef）简称地心坐标系，是一种以地心为原点的地固坐标系（也称地球坐标系），是一种笛卡儿坐标系。原点 o (0,0,0)为地球质心，z 轴与地轴平行指向北极点，x 轴指向本初子午

7、线与赤道的交点，y 轴垂直于xoy平面(即东经90度与赤道的交点)构成右手坐标系。空间固定的坐标系 eci , ecsf： earth-centred inential coordinate system;earth-centred space-fixed coordinate system用来描述卫星（天体）的运行位置和状态极其方便，是根据牛顿引力定律建立的惯性参考坐标系，与地球自转无关第二章1掌握协议天球坐标系和协议地球坐标系的概念 在gps定位中， 坐标系原点一般取地球质心，而坐标轴的指向具有一定的选择性为了使用上的方便，国际上都通过协议来确定某些全球性坐标系统的坐标轴指向，这种共同确认

8、的坐标系称为协议坐标系。为建立一个与惯性坐标系相接近的坐标系，通常选择某一时刻t0作为标准历元，并将此刻地球的瞬时自转轴（指向北极）和地心至瞬时春分点的方向，经过该瞬时岁差和章动改正后，作为z轴和x轴。 构成的空固坐标系称为所取标准历元的平天球坐标系，或协议天球坐标系，也称协议惯性坐标系。与之相应的地球赤道面称为平赤道面或协议赤道面。至今仍采用cio作为协议地极（conventional terrestrial polectp）；以协议地极为基准点的地球坐标系称为协议地球坐标系。2掌握协议天球坐标系到协议地球坐标系的转换 根据协议地球坐标系和协议天球坐标系的定义可知：（1）两坐标系的原点均位于

9、地球的质心，故其原点位置相同（2）瞬时天球坐标系的z轴与瞬时地球坐标系的z轴指向相同（3）两瞬时坐标系x轴与x轴的指向不同，其间夹角为春分点的格林尼治恒星时。二者的转换过程如下：3了解什么是岁差、章动和极移地球接近于一个赤道隆起的椭球体，在日月和其它天体引力对地球隆起部分的作用下，地球在绕太阳运行时，自转轴方向不再保持不变，使春分点在黄道上产生缓慢西移，此现象在天文学上称为岁差。在日月引力等因素的影响下，瞬时北天极将绕瞬时平北天极产生旋转，轨迹大致为椭圆。这种现象称为章动。地球自转轴相对于地球体的位置不是固定的，地极点在地球表面上的位置随时间而变化的现象称为极移。4 wgs-84大地坐标系几何

10、意义：原点位于地球质心，z轴指向bih1984.0定义的协议地球极(ctp)方向，x轴指向bih1984.0的零子午面和ctp赤道的交点，y轴与z，x轴构成右手坐标系。对应wgs-84大地坐标系有wgs-84椭球。5了解时间系统的分类，几种时间系统之间的关系在实践中，因所选择的周期运动现象不同，便产生了不同的时间系统。在gps定位中，具有重要意义的时间系统包括世界时系统、力学时和原子时三种。分类：（1）世界时系统（恒星时st、平太阳时、世界时ut0, ut1, ut2）（2）力学时dt（太阳系质心力学时tdb、地球质心力学时tdt）（3）原子时（国际原子时iat、协调世界时utc、gpst ）

11、关系：（1）原子时的原点为at=ut2-0.0039s（2）原子时（iat）零时与地球质心力学时的严格关系如下： tdt=iat+32.184s（3）若以dt表示地球质心力学时tdt与世界时ut1之间的时差，则可得： dt=tdt-ut1=iat-ut1+32.184s（4）协调时与国际原子时的关系定义为：iat=utc+1s n ；n为调整参数，由iers发布。（5）gps时与协调时之间关系 gpst=utc+ 1s n-19s6国际原子时不同的地方原子时之间存在差异，为此，国际上大约100座原子钟，通过相互比对，经数据处理推算出统一的原子时系统，称为国际原子时（international

12、atomic timeiat）7掌握utc和gpst的含义在进行大地天文测量、天文导航和空间飞行器的跟踪定位时，仍然需要以地球自转为基础的世界时。但由于地球自转速度有长期变慢的趋势，近20年，世界时每年比原子时慢约1秒，且两者之差逐年积累。为避免发播的原子时与世界时之间产生过大偏差，从1972年采用了一种以原子时秒长为基础，在时刻上尽量接近于世界时的一种折衷时间系统，称为世界协调时或协调时。 为精密导航和测量需要，全球定位系统建立了专用的时间系统，由gps主控站的原子钟控制。gps时属于原子时系统，秒长与原子时相同，但与国际原子时的原点不同，即gpst与iat在任一瞬间均有一常量偏差。iat-

13、gpst = 19sgps时与协调时的时刻，规定在1980年1月6日0时一致，随着时间的积累，两者的差异将表现为秒的整数倍。gps时与协调时之间关系 gpst=utc+ 1s n-19s，到1987年，调整参数n为23，两系统之差为4秒，到1992年调整参数为26，两系统之差已达7秒。第三章1开普勒轨道六参数（1） as为轨道的长半径（2）es为轨道椭圆偏心率以上这两个参数确定了开普勒椭圆的形状和大小。 （3）w为升交点赤经：即地球赤道面上升交点与春分点之间的地心夹角。（4）i为轨道面倾角：即卫星轨道平面与地球赤道面之间的夹角。以上这两个参数唯一地确定了卫星轨道平面与地球体之间的相对定向。（5

14、）ws为近地点角距：在轨道平面上，升交点与近地点之间的地心夹角，表达了开普勒椭圆在轨道平面上的定向。（6）fs为卫星的真近点角：即轨道平面上卫星与近地点之间的地心角距。该参数为时间的函数，确定卫星在轨道上的瞬时位置。由上述6个参数所构成的坐标系统称为轨道坐标系，广泛用于描述卫星运动。2无摄运动和受摄运动的含义引力分两类：第一类是地球质心引力（中心引力）:密度均匀或由无限多密度均匀的同心球层所构成的圆球。称之为二体问题。 第二类摄动力（非中心引力）:非球形对称的地球引力，日、月引力,大气阻力,太阳光压,地球潮汐力(各项作用力均小于10-5 )。通常称考虑了摄动力作用的卫星运动为卫星的受摄运动。在

15、摄动力的作用下的卫星运动称为受摄运动 。真近点角的计算：计算真近点角fs计算平均角速度 加上导航电文给出的摄动改正数 得卫星运行的平均角速度为3 gps卫星星历卫星星历是描述卫星运动轨道的信息，是一组对应某一时刻的轨道根数及其变率。根据卫星星历可以计算出任一时刻的卫星位置及其速度，精密的轨道信息是精密定位的基础。分为预报星历和后处理星历。（一）预报星历是通过卫星发射的含有轨道信息的导航电文，传递给用户，经解码获得所需的卫星星历，也称广播星历，包括：（1）相对某一参考历元的开普勒轨道参数（2）必要的轨道摄动项改正参数，即参考星历（参考历元的卫星开普勒轨道参数称为参考星历，是根据gps监测站约1周

16、的监测资料推算的。）gps用户通过卫星广播星历可以获得的有关卫星星历参数共17个：1个参考时刻,1个星历数据龄期、6个相应参考时刻的开普勒轨道参数、9个反映摄动力影响的参数 。注：rinex格式：与接收机无关的数据交换格式内容：观测值、星历（导航信息）、气象数据特点：通用性强，已成为事实上的标准；利于多种型号的接收机联合作业；大多数软件能够处理（二）后处理星历是一些国家的某些部门根据各自建立的跟踪站所获得的精密观测资料，应用与确定预报星历相似的方法，计算的卫星星历。这种星历通常是在事后向用户提供的在用户观测时的卫星精密轨道信息，因此称后处理星历或精密星历。该星历的精度目前可达cm注：sp3格式

17、是一种精密星历（每隔15min给出1个卫星的位置，有时还给出卫星的速度）格式，igs精密星历采用此格式，提供精密星历。4 gps卫星发射的三类信号载波信号（carrier phase）测距码 (ranging code)：p码（或y码）(precise code)c/a码 (coarse/ acquisition code)数据码（或d码）(navigation message/data message)载波作用：搭载其它信号，也可用于测量（测距）类型：l1：频率：1575.43mhz，波长：19.03cml2：频率：1227.60mhz，波长：24.42cml5：频率：1176.45mhz，

18、波长：26cm第五章1测码伪距、测相伪距测码伪距：码相位观测是指测量gps卫星发射的测距码信号（c/a码或p码）到达用户接收机天（观测站）的传播时间，也称时间延迟测量。由码相位观测所确定的伪距简称测码伪距 。测相伪距：载波相位观测是指测量接收机接收到的具有多普勒频移的载波信号，与接收机产生的参考载波信号之间的相位差，也称相位延迟测量由载波相位观测所确定的伪距简称为测相伪距。2误差的分类gps定位中，影响观测量精度的主要误差源：（1） 与卫星有关的误差 卫星钟差（课本99页） gps观测量均以精密测时为依据。 gps定位中，无论码相位观测还是载波相位观测，都要求卫星钟与接收机钟保持严格同步。 实

19、际上，尽管卫星上设有高精度的原子钟，仍不可避免地存在钟差和漂移，偏差总量约在1 ms内，引起的等效距离误差可达300km。 通过对卫星运行状态的连续监测精确地确定，参数由主控站测定，通过卫星的导航电文提供给用户,并用二阶多项式表示：dtj = a0 + a1 (t-t0c) + a2 (t-t0c)2 经钟差模型改正后，各卫星钟之间的同步差保持在510ns以内，引起的等效距离偏差不超过3m。 通过精密星历获得精确的卫星钟差值e.g. ppp应用，igs给出0.1ns 卫星钟经过改正的残差，在相对定位中，可通过观测量求差（差分）方法消除。卫星轨道偏差（星历误差）（课本100页）（2） 与信号传播

20、有关的误差 对流层折射的影响（课本107页）非弥散介质对流层与大气压力、温度、湿度有关 电离层折射影响（课本101页）弥散介质电离层与电子密度有关 多路径效应：也称多路径误差（课本109页） 接收机天线除直接收到卫星发射的信号外，还可能收到经天线周围地物一次或多次反射的卫星信号。两种信号迭加，将引起测量参考点位置变化，使观测量产生误差。 在一般反射环境下，对测码伪距的影响达米级，对测相伪距影响达厘米级。 在高反射环境中，影响显著增大，且常常导致卫星失锁和产生周跳。 消除多路径效应措施： 安置接收机天线的环境应避开较强发射面，如水面、平坦光滑的地面和建筑表面。 选择造型适宜且屏蔽良好的天线如扼流

21、圈天线。 适当延长观测时间，削弱周期性影响。 改善接收机的电路设计。（3） 与接收设备有关的误差（课本110页） 观测误差 接收机钟差 天线相位中心位置偏差（4） 其他误差来源 地球自转影响 2.相对论效应为了便于理解，通常均把各种误差的影响投影到站星距离上，以相应的距离误差表示，称为等效距离误差 。第七章1 gnss定位数据处理流程从原始的观测值出发得到最终的测量定位成果，其数据处理流程为： （1）采集gps接收机野外观测记录的原始观测数据；（2）数据传输，基线解算一般用随机软件(后处理软件)将接收机记录的数据传输到计算机；（3）格式转换，可选，若采用第三方数据处理软件或是多种类型接收机联合

22、作业，需要转换为rinex格式；（4）在计算机上进行预处理和基线解算；（5）gps网平差，包括gps自由网平差和基线向量网的约束平差2名词：rinex, sp3，tgo, gamit，cors，igs，dgps,ppd，glonassgamit数据处理软件tgo:天宝数据处理软件cors：利用多基站网络rtk技术建立的连续运行卫星定位服务综合系统dgps：差分全球定位系统，方法是在一个精确的已知位置上安装监测接收机，计算得到它能跟踪的每颗gps卫星的距离误差。该差值通常称为prc（伪距离修正值），将此数据传送给用户接收机作误差修正，从而提高了定位精度。ppd定位技术glonass：是俄语中“全

23、球卫星导航系统global navigation satellite syste”的缩写。3名词：单点定位，相对定位，动态定位（rtk），静态定位（技术设计，特征条件）绝对定位（单点定位）在地球协议坐标系中，确定观测站相对地球质心的位置。相对定位在地球协议坐标系中，确定观测站与地面某一参考点之间的相对位置。静态定位在定位过程中，接收机位置静止不动，是固定的。静止状态只是相对的，在卫星大地测量中的静止状态通常是指待定点的位置相对其周围点位没有发生变化，或变化极其缓慢，以致在观测期内可以忽略。动态定位:在定位过程中，接收机天线处于运动状态。观测时段 observation session 测站上开

24、始接收卫星信号到观测停止，连续观测的时间间隔，简称时段。同步观测simultaneous observation 两台或两台以上接收机同时对同一组卫星进行的观测。同步观测环 simultaneous observation loop 三台或三台以上接收机同步观测获得的基线向量所构成的闭合环。异步观测环 independent observation loop 由非同步观测获得的基线向量构成的闭合环。数据剔除率 percentage of data rejection 同一时段中，删除的观测值个数与获得的观测值总数的比值。单基线解 single baseline solution在多台gps接收

25、机同步观测中，每次选取两台接收机的gps观测数据解算相应的基线向量。多基线解 multi- baseline solution从m(3)台gps接收机同步观测值中，由m-1条独立基线构成观测方程，统一解算出m-1条基线向量。卫星定位连续运行基准站 continuously operating reference station; cors由卫星定位系统接收机（含天线）、计算机、气象设备、通讯设备及电源设备、观测墩等构成的观测系统。它长期连续跟踪观测卫星信号，通过数据通信网络定时、实时或按数据中心的要求将观测数据传输到数据中心。它可独立或组网提供实时、快速或事后的数据服务。4观测时段数计算公式：

26、 cn m/n c为观测时段数；n为网点数；m为每点平均设站次数；n为接收机数。在gps网中，确定出具体gps网图形结构的主要特征v 总基线数：j总 c n（n一1）/2v 必要基线数：j必n-1v 独立基线数：j独c(n-1）v 多余基线数：j多 c（n-1）-（n-1）例如，设gps控制网有60个测点，每点平均设站2次，5台接收机观测，求出观测时段数、总基线数、独立基线数、必要基线数和多余基线数。解：设c为观测时段数；n=60为网点数；m=2为每点平均设站次数；n=5为接收机数。观测时段数： cn m/n = 60*2/5 = 24总基线数：j总 c n（n-1）/2 =24*5*4/2=

27、240必要基线数：j必n-1 = 59独立基线数：j独c(n-1）= 24*4 = 96多余基线数：j多 c（n-1）-（n-1）= 24*4-59 = 375导航电文：导航电文是包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由c/a码捕获p码等导航信息的数据码（或d码）。单点定位point positioning 利用单台接收机的观测数据测定观测点位置的卫星定位。相对定位：relative positioning通过在多个测站上进行同步观测，测定测站之间相对位置的定位。绝对定位（单点定位）在地球协议坐标系中，确定观测站相对地球质心的位置。相对定位在地

28、球协议坐标系中，确定观测站与地面某一参考点之间的相对位置。按用户接收机作业时所处的状态划分：静态定位：在定位过程中，接收机位置静止不动，是固定的。静止状态只是相对的，在卫星大地测量中的静止状态通常是指待定点的位置相对其周围点位没有发生变化，或变化极其缓慢，以致在观测期内可以忽略。动态定位：在定位过程中，接收机天线处于运动状态。周跳：当卫星信号中断时，将丢失中的一部分整周数称为整周跳变，简称周跳整周模糊度：integer ambiguity 载波在空间传输的整周期数，无法通过观测获得的未知数。固定解：将平差计算所得的整周未知数取为相近的整数，并作为已知数代入原方程，重新解算其它待定参数。当观测误

29、差和外界误差（或残差）对观测值影响较小时，该方法较有效，一般应用于基线较短的相对定位中浮点解：如果外界误差影响较大，求解的整周未知数精度较低(误差影响大于半个波长)，将其凑成整数，无助于提高解的精度。此时，不考虑整周未知数的整数性质，平差计算所得的整周未知数，不再进行凑整和重新计算。一般用于基线较长相对定位中。6三差含义，数学模型，特点单差 single-difference-sd，即不同观测站，同步观测相同卫星所得观测量之差，表达式为（接收机间求差）：消除了卫星钟差，有效地减弱了卫星轨道误差和大气延迟误差。但也减少了观测方程的数量。双差 double-difference-dd，即不同观测站，同步观测一组卫星所得单差之差，表达式为（卫星间求差） ：消除了接收机钟差的影，但双差观测方程数，也进一步减少。 三差 triple-differenc