GPS测量原理与应用

1、第一章 绪论1. GPS系统的组成 空间部分（ GPS卫星星座） 设计星座： （21+3）/6 当前星座： 31 颗6 个轨道平面，平均轨道高度 20200km 地面控制部分（地面监控系统） 一个主控站 : 成导航电文传送到注入站 ; 负责监测整个地 面监测系统的工作三个注入站 : 将主控站发来的导航电文注入发送到相应卫 星五个监测站 : 主要任务：为主控站提供卫星的观测数据 用户设备部分（ GPS接收机、 数据处理软件） 天线单元和接收单元2. GPS卫星的作用 用 L 波段无线载波向 GPS用户连续不断地发送导航定位 信号。 在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站用 S 波段 发送到卫星

2、的导航电文和其他有关信息，并通过 GPS信号 电路，适时地发送给广大 GPS用户。 接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，适 时地改正运行偏差或启用备用时钟。3. GPS系统的特点（1）定位精度高? GPS 相对定位精度在 50km 以内可达 10-6, 100500km 可达 10-7,1OOOkm 以上可达 10-9 。?工程精密定位中，平面位置误差小于1mm（2）观测时间短（3）测站间无需通视（4）可提供三维坐标（5）操作简便（6）全天候作业（7）功能多，应用广4. GLONASS:（213）/35. GALILEO （27+3） /36. 北斗卫星导航系统给用户若干监测站 :

3、用户终端： 北斗导航定位接收机：基本型 /通信型 / 授时 型/指挥型6-2 BDS系统的定位原理 利用两颗地球同步卫星进行双向测距，进行距离交会得到 用户的平面位置（高程则由地面数字高程模型得到）6-3 BDS 系统的作业流程地面中心站卫星 1用户卫星 1地面中心站用户 （ l ）地面中心站连续向北斗卫星发射信号，经卫星接收、 放大、变频后再播发给用户；（ 2）用户终端接收到卫星信号后注入必要的测站信息，放大变频后再将应答信号播发给两颗北斗导航卫星；（ 3）两颗北斗导航卫星收到用户的应答信号后， 放大变频， 再将信号送往地面中心站；（ 4）地面中心站量测出卫星信号的到达时间后，采用距离交会法

4、求得用户的平面位置（用户的高程则是通过地面高 程模型获得）；（5）地面控制中心再通过卫星将计算结果告诉用户6-4 BDS系统的特点 主动式定位方式（接收卫星信号，且发射应答信号）， 隐蔽性差定位速度慢，用户数量受到一定的限制 用户不能独立进行定位，计算工作必须在地面中心站内完 成。卫星少、投资小、建成快 ，用户设备简单 具备一定的短报文通信能力6-5 系统组成 空间部分（混合星座） ?5颗地球静止轨道卫星 ?30颗非静止轨道卫星27颗中高地球轨道卫星 MEO3个轨道面3颗倾斜地球同步轨道卫星 IGSO 地面控制部分 用户设备部分6-1系统组成 空间部分：（ 2+1 ） 地球同步轨道卫星 （东经

5、 80 140和 110.5赤道上空） 地面控制部分一个地面中心站 :接收用户终端的应答信号 / 数据处理 / 分发6-5 系统建立 （三步走战略 ）第一步：建设北斗一号系统 （也称北斗卫星导航试验系统） 1994 年，启动北斗一号系统工程建设 至2003年3颗地球静止轨道卫星第二步：建设北斗二号系统2004年，启动北斗二号系统工程建设； 2012年年底，完成 14颗卫星第三步：建设北斗全球系统 2009年，启动北斗全球系统建设，继承北斗有源服务和无 源服务两种技术体制； 计划 2018年，面向“一带一路”沿 线及周边国家提供基本服务； 2020年前后， 完成 35颗卫星 发射组网，为全球用户

6、提供服务。6-6定位精度 10米，测速精度 0.2米/秒，授时精度 10纳秒第二章 坐标系统和时间系统1.坐标系统类型 地球坐标系地固系 随同地球自转，点位坐标不会随地球自转而变化； 用于表达地面观测站的位置和处理 GPS观测数据。 天球坐标系空固系 与地球自转无关，用于描述卫星的运行位置和状态。 轨道坐标系统用于研究卫星在其运行轨道上的运动2. 时间系统类型恒星时 ST（ Sidereal Time）平太阳时 MT（ Mean Solar Time ）世界时 UT（ Universal Time ）原子时 AT（ Atomic Time ）谐调世界时 UTC（ Coordinated Uni

7、versal Time ）GPS时间系统 （ GPST）3. 天球坐标系的定义： 假设地球为均质的球体，且没有其 它天体摄动力的影响；即假定地球的自转轴，在空间的方 向是固定的，春分点在天球上的位置保持不变。 天球空间直角坐标系坐标原点位于地球质心Z轴指向天球北极x 轴指向春分点y 轴垂直于 xMz 平面，与 x 轴和 z 轴构成右手坐标系统 天球球面坐标系 系统定义坐标原点位于地球质心向径长度 r 赤经 赤纬4岁差章动在日、月引力的影响下，使北天极绕北黄极以顺时针的方 向缓慢地旋转，在天球上北天极的运动轨迹，近似地构成 一个以北黄极为中心，以黄赤交角为半径的小圆，这种现 象称为 岁差。瞬时平

8、北天极（简称平北天极） / 平北天极相应的天球赤道 /春分点：按照岁差的变化规律在天球上运动的改正后 瞬时北天极（或真北天极） ：观测时的北天极在日、月引力等因素的影响下，瞬时北天极绕瞬时平北天 极产生旋转，大致成椭圆形轨迹，周期约为 18.6 年。这种 现象称为 章动5. 瞬时极天球坐标系（真天球坐标系）“以瞬时北天极和瞬时春分点为基准点建立的天球坐标系” 原点位于地球质心z 轴指向瞬时地球自转轴（瞬时北天极）x 轴指向瞬时春分点y 轴按构成右手坐标系取向6. 历元平天球坐标系：选择某一历元时刻 t，以此瞬间的地球自转轴和春分点方向 分别扣除此瞬间的章动值作为 z轴和 x轴的指向， y 轴按

9、构 成右手坐标系取向，坐标系原点仍取地球质心。7. 协议天球坐标系： 以标准历元 t0（ J2000.0）所定义的平 天球坐标系。8. 地极移动1、概念地球自转轴相对地球体的位置是变化的，从而地极点在地 球表面上的位置，也是随时间而变化的。2、瞬时地球自转轴“观测瞬间地球自转轴的位置”3、瞬时极“和瞬时地球自转轴相对应的极点”9. 瞬时极地球坐标系原点位于地球质心z 轴指向瞬时地球自转轴方向x 轴指向瞬时赤道面和包含瞬时地球自转轴与平均天文 台赤道参考点的子午面之交点点的坐标表示（ r，）y 轴构成右手坐标系取向10. 国际协议原点 CIO（ Conventional Internationa

10、l Origin ） 以 1900.00 1905.00 年地球自转轴瞬时位置的平均位置作 为地球的固定极，称为 CIO。协议地极 CTPCTS（协议地球坐标系 ）原点位于地球质心z 轴指向 CIOx 轴指向协议地球赤道面和包含 CIO 与平均天文台赤道参 考点的子午面之交点y 轴构成右手坐标系取向。11. 站心地平坐标系 -Pxyz 站心（左手）地平直角坐标系 测站 P1 为原点P1点的法线为 z 轴 （指向天顶为正） 子午线方向为 x 轴 （向北为正） y 轴与 x、z 轴垂直（向东为正） ，构成左手坐标系站心地平极坐标系 -PrAh以测站 P1 为原点卫星 s至 P1 的距离 r卫星 s

11、 的方位角 A卫星 s 的高度角 hWGS-84 世界大地坐标系： 地心地固系 ECEF 协议地球坐标系 CTS12. 一、时间系统的定义 要素：（ 1）原点（ 2）时间尺度（时间单位）13. 恒星时 ST以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所定义的时间 系统为恒星时系统；对于同一历元时刻，有真春分点和平 春分点之分。因此恒星时就有真恒星时和平恒星时（岁差 引起的） / 地方性13. 太阳时（ Solar Time ） 以太阳为参考点，由太阳的周日视运动来测定地球的自转 周期并建立的时间计量系统 以平太阳（假设以真太阳周年运动的平均速度在天球赤道 上作周年视运动的一个参考点，其周期与真太阳一

12、致）为 参考点，由平太阳的周日视运动所定义的时间系统 /地方性、不均匀性14. 世界时 UT以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时世界时 UT1： 引入极移改正世界时 UT2：引入地球自转速度季节性改正15. 原子时 ATI原子时秒长被定义为铯原子 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 起算原点：按国际协定取为 1958年1月1日 0时0秒（UT2） （事后发现在这一瞬间 ATI与 UT2相差 0.0039 秒）第三章1. 二体问题下的卫星运动就是 无摄运动 ，即只考虑地球质 心引力作用的卫星运动。2. 卫星星历： 描述卫星运动轨道信息的一组数据

13、3. 在二体问题的研究中，通常选用6 长半径 a、偏心率 ?、?真近点角 V（揭示示了卫星在轨道位置） 、升交点赤经、轨 道倾角 i（揭示了地球与轨道关系） 、近地点角距 w（开普 勒椭圆在轨道平面的定向） 6 参数来描述卫星的无摄运动4. 轨道直角坐标系 定义一： 坐标原点在地球质 心Mx 轴指向近地点 A z 轴垂直于轨道平 面向上y 轴在轨道平面上 垂直于 x 轴构成右 手坐标系定义二： 坐标原点在地球 质心 M x 轴指向升交点 N z 轴垂直于轨道平 面向上y 轴在轨道平面上 垂直于 x 轴构成右 手坐标系5. 瞬时轨道： 即摄动轨道6. 预报星历（广播星历）包括相对某一参考历元的开

14、普勒轨道参数和必要的轨道摄10. 平近点角M=M 0+w（t-t0）Mo 是 to 时刻近地点处平近点角动改正项参数的一组星历数据 （ 1个参考时刻、 6 个对应参 考时刻的开普勒轨道参数、 9 个反映摄动力影响的轨道摄 动改正项参数）11.第四章1. GPS卫星信号的构成： 用于导航定位的 “调制波 ”，包含三种信号分量： 载波： L1、 L2、L5 测距码（ C/A 码和 P 码） 数据码（导航电文或 D 码）7. 参考星历相应参考历元的卫星开普勒轨道参数8. 后处理星历（精密卫星星历） 是一些国家的某些部门（如美国DMA： Defense MappingAgency）或某些国际性组织（如

15、IGS： International GNSSService for Geodynamics），根据各自建立的卫星跟踪站所获 得的对 GPS卫星的精密观测资料，应用与确定广播星历相 似的方法（首先推求参考轨道参数，然后以此为基础，加 入轨道摄动改正）而计算的卫星星历。精密星历不是通过 GNSS 卫星的导航电文实时地向用户传 递，目前主要是利用 Internet 网络方式9. 偏近点角码或码序列：表达不同信息的二进制数及其组合。?码元： 在二进制中， 一位二进制数叫做一个码元或一比特（ Binarydigit bit ，为码的度量单位） ?编码：将各种信息，如声音、图像和文字等通过量化，并 按照

16、某种预定的规则，表示为二进制数的组合形式，则这 一过程称为编码。?数码率： 在二进制数字化信息的传输中， 每秒钟传输的比 特数。单位为 bit/s 或记为 BPS。2. 伪随机噪声码（ Pseudo Random Noise ） 是一组具有良好的自相关特性、且按照某种确定 的编码规则产生的具有一定周期、容易复制、取 值 0和 1的二进制码序列。伪随机噪声码的产生 m 序列 当平移的码元数 k 0 或整周期平移时， 平移前后两码序列 的结构相同，其对应的码元均相互对齐，自相关系数 R（t） 1；GPS 接收机就是利用伪随机码的自相关系数R（t）是否等于1？！来判断所接收的伪噪声码和机内复制产生的

17、伪噪声码 是否达到对齐同步 ;捕获和识别 GPS卫星， 解译出该卫星的 导航电文，并测定站星距离。3. C/A 码: C/A码是由两个 10 级反馈移位寄存器相组合而产 生的组合码，称为 G码， 是一种用于粗测距和捕获 GPS卫 星信号的伪随机码 ：（ 1） C/A 码的码长很短，易于捕获。 又称捕获码。（2）C/A 码的码元宽度较大， 测距精度较低， 故称为粗码。4. P 码 是由两个 12 级伪随机码 PN1（t）和 PN2（t）的乘积得到 的特点：（ 1） P 码的码长很长，不易捕获。通常是先捕获C/A码，然后根据导航电文所提供的信息（ Z 计数），进一步捕 获 P 码。（2）P码的码元

18、宽度仅为 C/A 码的码元宽度的 1/10 ，测距 精度较高，故称为精测码。（3）根据美国国防部规定， P 码是专为军用的。5. 导航电文： 就是包含有关卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、卫 星工作状态信息以及由 C/A 码捕获 P 码等导航信息的数据 码（或 D 码），是用户用来定位和导航的数据基础。6. GPS卫星信号的调制 在无线电通信技术中，为了有效地传播信息，将频率较低 的信号加载在频率较高的载波上的过程。GPS 卫星的测距码和数据码，是采用调相技术调制到载波 上的。载波 L1上调制有 C/A 码、 P（ Y）码和数据码；载波 L2上只调制有 P（ Y）码和数据码，没有 C/A 码

19、 原理：当码值取 0 时，对应的码状态取为 +1，码值取 1 时， 对应的码状态取为 -1 ；载波与码状态 1（码值为 0）相乘 时，其相位不变，而当载波与码状态一1（码值为 1）相乘时，其相位改变 180 度；当码值从 0 变为 1 或从 1 变为 0 时，将使载波相位改变 180 度，从而实现载波的相位调制；7. GPS卫星信号的解调GPS卫星信号的调制， 使得载波的相位发生了变化。 在 GPS 定位中，当用户接收机接收到卫星信号后，必须恢复载波 的相位，才能进行载波相位测量，这一过程称为解调。技术方法（1）.复制码与卫星信号相乘 接收的卫星信号与接收机产生的复制测距码信号，在两种 码信号

20、同步的条件下相乘，即可去掉卫星信号中的测距码 而恢复原来的载波。同时，恢复的载波中还含有数据码（导航电文）（2）平方解调技术将接收到的卫星信号进行平方，由于码状态为 1 的调制 码信号，经平方后均为 1 ，而 1 对载波相位不产生影响。 因此达到解调的目的。但是平方解调技术，在解调的过程中，不仅去掉了卫星信 号中的测距码， 而且同时也去掉了导航电文 （数据码 D 码）。8. GPS卫星位置的计算第一种情况： 根据卫星导航电文（广播星历）所提供的轨道参数及其摄 动改正，计算 GPS卫星的 WGS84 坐标。第二种情况：根据 GPS卫星精密星历，按照一定的方法（如拉格朗日多 项式内插的方法） ，在

21、 ITRF 参考框架下，得到卫星的瞬时 坐标。以下研究第一种情况：GPS卫星信号的调制一节 PPT 上说道：当码值从 0 变为 1 或从 1 变为 0 时，将使载波相位改变 180 度，从而实现载 波的相位调制，但是码值从 1 变为 0 时码状态不是为 +1， 相位不改变吗？1 计算卫星运行的平均角速度 n2 计算归化时间 tk （时间间隔）3 观测时刻 t 卫星平近点角的计算4 计算偏近点角 Ek5 真近点角 Vk 的计算6 升交距角 k 的计算7 摄动改正项 u， r ， i 的计算8 计算经过摄动改正的升交距角 uk 、卫星矢径 rk 和轨道倾 角 ik9 计算卫星在轨道直角坐标系中的坐

22、标10 观测时刻升交点经度 k 的计算11 计算卫星在地心地固坐标系中的三维空间直角坐标12 计算卫星在站心坐标系 p-xyz 的站心直角坐标13 计算卫星在站心极坐标系 P rAh 的站心极坐标第五章 GPS卫星定位基础1. GPS卫星定位则是利用 后方空间距离交会 来确定 GPS 接 收机的 3 维空间位置。2. 伪距： 根据 GPS接收机的码相位测量或载波相位测量， 所确定的卫星至测站接收机的观测距离 .（由于卫星钟、 接收 机钟的误差以及卫星信号经过电离层和对流层时的大气延 迟影响，实际测出的距离与卫星到接收机的几何距离之间， 不可避免地会存在一定差值，故称其为 “伪距 ”。 ）3.

23、码相位观测测量 GPS卫星发射的测距码信号 C/A 码或 P（Y）码，到达 用户接收机天线的传播时间，也称为时间延迟测量。4. 测码伪距观测值的观测方程将站星距离在其近似值处用泰勒级数展开，并取其一次近似后（线性化）表达式为：卫星至接收机的几何距离：卫星钟差，卫星钟时间和标准 GPS时之间的时间偏差。：接收机钟差，接收机钟时间和标准GPS时之间的时间偏差。周跳问题6. 载波重建： GPS接收机接收到卫星信号后， 在进行载波相 位测量以前，首先要进行解调工作，也就是将调制在载波 上的测距码和卫星电文去掉，重新获取载波，这一工作称 为载波重建。重建载波的方法码相关法平方法7. 载波相位测量的观测量

24、： GPS接收机 Ti 所接收到的卫星 载波信号与接收机本振参考信号的相位差然而初始时刻相位由一周以内的相位以及整周组成，在观 测过程中能通过连续观测观测到一周以内的相位差及整周 差，但是初始初始整周却得不到故基本观测方程为：载波相位测量观测值的观测方程：将站星距离的一次近似表达式得到线性化后的载波相位观 测方程：5. 载波相位测量测量 GPS卫星发射的载波信号到达用户接收机天线的传播 时间优点：载波相位测量的精度比码相位测量的精度高缺点：整周模糊度问题9.测码伪距和测相伪距观测方程的比较 电离层延迟改正的符号相反 载波相位观测方程中包含整周未知数10. GPS测量的误差来源一、与信号传播有关

25、的误差电离层折射对流层折射多路径误差二、与卫星有关的误差 ? 卫星星历误差 ? 卫星钟误差 ? 相对论效应三、与接收机有关的误差接收机钟误差 接收机的位置误差 天线相位中心位置的偏差四、其他误差 ? 地球自转的影响 ? 地球潮汐改正11. 电离层改正 电离层 ：地球上空距地面高度在 50 1000km 之间的大气 电离层折射误差： 当 GPS信号通过电离层时，信号的路径 会发生弯曲，传播速度也会发生变化，由此而导致的信号 传播路径偏差。电离层折射对 GPS卫星信号的传播影响： 单一频率的正弦波，相速大于光速 多种频率叠加的无线电波称为群波，群速小于光速 测距码是以群波的形式在电离层中传播，测码

26、伪距大于信 号传播的真正距离 载波相位测量时，载波以相速度在电离层中传播，测相伪 距小于信号传播的真正距离。 码相位滞后，载波相位超前 减弱电离层折射影响的措施（1）利用双频或多频观测技术（2）利用电离层改正模型加以修正 模型把白天的电离层延迟看成是余弦波中正的部 分，而把晚上的电离层延迟看成是一个常数。适用于 GPS单频接收机，采用导航电文提供的电离层模型 改正参数来进行。（3）利用同步观测值求差 “利用两台接收机在基线的两端进行同步观测，然后取其 观测量之差（差分观测值）进行定位” 。 原因：电离层折射影响的强相关性 适用情况：短基线（小于 20km ）12. 对流层折射误差 对流层：地面

27、向上高度为 40km 以下的大气底层。 对于 GNSS 信号来讲，对流层为非弥散性介质。对流层折射 ：卫星信号在通过高度为 50km 以下的未被电 离的中性大气层时所产生的信号延迟。 通常，对流层折射分为： 干分量：由大气中干燥气体引起的大气折射，占对流层折 射的 90 湿分量：由水汽引起的大气折射，占对流层折 射的 10 对流层折射影响 电磁波在对流层中的传播速度：小于真空中的光速C，伪距观测值大于几何距离对流层折射的改正模型 减弱对流层折射改正影响的主要措施 采用对流层模型进行改正，其气象参数在测站直接测定； 引入描述对流层折射影响的附加待估参数，在数据处理中一并求得；利用同步观测量求差；

28、 利用水汽辐射计直接测定信号传播的影响。此法求得的对 流层折射湿分量的精度可优于 lcm 。13. 多路径误差多路径误差： 在 GPS测量中，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值。多路径效应 ：由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效 应。多路径误差的影响： 消弱多路径误差的方法：（1）选择合适的站址（2）选择造型适宜、屏蔽良好的天线 比如：在天线中设置抑径板或抑径圈（3）延长观测时间，消弱多路径效应的周期性影响（4）改善 GPS 接收机的电路设计14. 卫星星历误差卫星星历误差： 由星历所给出的卫星在空间的

29、位置与实际 位置之差。处理星历误差的方法（1）建立自己的卫星跟踪网独立定轨（2）轨道松弛法（轨道改进法） “在平差模型中把卫星星历给出的卫星轨道作为初始值， 视其改正数为未知参数。通过平差同时求得测站位置及轨 道的改正数”（3）同步观测值求差法（相对定位）15. 卫星钟误差卫星钟时间和标准 GPS 时之间的时间偏差消除卫星钟误差消除： 卫星钟差的二阶多项式改正经改正后的残余误差，可采用在接收机间求一 次差或采用精密卫星钟差等方法来进一步消除掉。16. 相对论效应 由于卫星钟和接收机钟所处的状态（运动速度和重力位）测绘 1502 闻小玖 不同而引起卫星钟和接收机钟之间产生相对钟误差的现象。 狭义

30、相对论效应：卫星钟比静止在地球上同类钟走慢了 广义相对论效应：卫星钟比地球上同类钟走快了 总的相对论效应：总的相对论效应使卫星钟比止在地球上 的同类钟走快了。相对论效应的处理方法 制造卫星钟时，预先把频率降低 4.449 10 10f 即厂家在生产卫星时应把频率降为：10.23MHz（1-4.4491010）=10.22 999 999 545MHz 相对论效应的残差改正17. 接收机钟误差接收机钟时间和标准 GPS时之间的时间偏差。 改正：? 把每个观测历元的接收机钟差当做一个独立的 未知参数，在数据处理中一并求解。? 将接收机钟差表示为时间的多项式，在平差计 算中以多项式的系数为参数进行估

31、计。? 通过在卫星间求一次差的方法来消除接收机钟 差。18. 接收机的位置误差 接收机天线相位中心相对测站标石中心位置的误差，包括 天线的整平和对中误差以及量取天线高误差。 在精密定位中，可采用有强制对中装置的观测墩。19. 天线相位中心位置的偏差 观测时相位中心的瞬时位置与理论上的相位中心位置之间 的偏差。处理方法? 改善天线设计? 利用同步观测值求差。20. 地球自转的影响 当卫星信号传播到观测站时，与地球相固联的 地球坐标系相对卫星信号发射时的瞬时位置已 产生了旋转（绕 Z 轴），由此引起 GPS卫星的坐标变化：21. 地球潮汐改正 固体潮：在太阳和月球的万有引力作用下，固体地球所产 生

32、的周期性的弹性形变。负荷潮：在日月引力的作用下，地球上的负荷所发生的周 期性变动，使地球产生周期的形变，称为负荷潮汐，例如 海潮。GPS观测量的线性组合1. 用两个频率的同一（1）消电离层组合特点：消除了电离层延迟的一阶项影响。2）电离层残差组合（ Geometry_Free ）特点：与几何距离无关，消除了轨道误差、接收机钟和卫 星钟误差、对流层延迟等误差，仅包含电离层影响和整周 模糊度。应用：电离层研究、探测和修复周跳。3）宽巷组合（ Wide lane ）特点：具有较长的波长 （约为 0.86m）和较小的量测噪声。 应用：周跳探测与修复，初始整周模糊度的确定测绘 1502 闻小玖4 ） 窄

33、 巷 组 合 （ Narrow lane ）特点：波长较小（约 0.107m），模糊度为整数应用：整周模糊度的确定2.用不同类型观测（伪距和相位）进行组合（1） Melbourne -Wbbena 组合 “宽巷相位伪距与窄巷测码伪距的组合” 特点：消除了电离层、对流层、接收机和卫星钟 差影响，仅受观测噪声和多路径效应的影响； 组合的结果中只包含宽巷模糊度参数。 应用：宽巷模糊度分解，宽巷周跳的探测和修复（2）双频相位和伪距的电离层残差组合 “双频相位的电离层残差组合 LI 与双频测码伪距的 电离层残差组合 PI 的再次组合”特点：消除了电离层、对流层、接收机和卫星钟 差等误差影响；组合的结果中

34、只包含模糊度参数 应用：模糊度分解，周跳的探测与修复（3）双频相位和伪距的消电离层组合 “双频相位的消电离层组合 Lc 与双频测码伪距的消 电离层组合 Pc 的再次组合” 特点：消除了多种误差影响；组合的结果 中只包含有模糊度参数。应用：模糊度分解，周跳的探测与修复（4）单频相位和伪距的线性组合 “单频测码伪距和测相伪距的平均值” 特点：消除了一阶电离层影响；仍然包含对流层 延迟、接收机钟差、卫星钟差等误差影响，且包 含模糊度参数。应用：单频接收机的单点定位，定位精度有明显 的改进。3.用同一频率的同一类型观测进行组合 “GPS观测量的差分线性组合”即在同一频率的同一类型观测之间进行差分运算，

35、获取差 分组合观测值 差分运算可在接收机、卫星以及观测历元之间求差分 差分组合（1）一次差分（单差） ：将原始观测值直接相减 ?站间单差 , 可以消除与卫星有关的误差项影响?星间单差，可以消除与接收机有关的误差项影响?历元间单差，可以消除整周模糊度参数。（ 2）二次差分（双差） : 对载波相位观测值的一次差分观 测值继续求差?站星双差：在接收机 1、2 和卫星 k、j 间求二次差分：消 除了接收机钟差和卫星钟差的影响?星际历元双差：在卫星 k、 j 和历元 ti、ti1 间求二次差 分?站际历元双差：在接收机 1、2 和历元 ti、ti1 间求二次 差分（3）三次差分（三差） ：对二次双差观测

36、值继续求差 常用的方法：将 k、j 两颗卫星对测站接收机 1、2 的星站双差观测值在 不同历元 ti 和 ti1 间继续求差消除了接收机钟差和卫星钟差以及整周模糊度的影响GPS政策1. 对不同 GPS用户提供不同的服务方式精密定位服务 PPS?提供 L1 和 L2载波上的 P 码以及消除 SA影响的密匙 ?主要对象是美国军方及其特许用户标准定位服务 SPS?仅提供 L1 载波上的 C/A 码?主要对象是非经美国政府特许的广大用户2. SA 政策技术： 在卫星的广播星历中人为地加入误差，以降低卫 星星历的精度 （ 50150m），进而影响利用 C/A 码进行实时 单点定位的精度。技术：在卫星钟的

37、钟频信号中引入高频抖动，降低卫星 钟的稳定度，从而降低 C/A码伪距测量精度 （50m ）. 故 SA 政策指利用 技术与 技术降低定位精度的措施政策在 SA 政策的影响下：标准定位服务 SPS 的实时单点定位精度，降低为：平面位 置 l00m 、高程 156m（95%置信度 ）。精密定位服务 （PPS）的用户， 则可以利用密匙自动地消除 SA 的影响。2000 年 5 月 1 日，美国总统布什下令取消 SA 政策。 并且实施 GPS现代化计划3. AS政策 是美国国防部为了防止敌对方对 GPS卫星信号进 行电子欺骗和电子干扰而采取的一种措施，也叫“反电子 欺骗” 。具体做法 ：通过 P 码与

38、机密码 W 码进行模 2 相加，将 P 码转换成完全保密的 Y 码。4. GPS现代化计划 包括：军用部分和民用部分 民用部分：改善民用导航和定位的精度； 扩大服务的覆盖面和改善服务的持续性； 提高导航的安全性（ Integrity ），如增强信号功率，增加 导航信号和频道；注意与现有的和将来的其他民用空间导航系统的匹配和 兼容。本章复习思考题1. GPS卫星定位的基本原理 ？2. GPS卫星定位的方法？3. 测码伪距观测值的观测方程及其线性化？4. 载波相位测量的观测量？载波相位测量观测值的观测方 程及其线性化？5. 电离层折射对 GPS 卫星信号传播的影响特点？减弱电离 层折射影响的措施？

39、6. 对流层折射影响的特点？减弱对流层折射影响的主要措 施？7. 卫星钟差及其处理方法？8. 相对论效应及其处理方法？9. 接收机钟差及其处理方法？10. 地球自转对 GPS定位的影响及其处理方法？11. 站间单差、星间单差和历元间单差观测值的定义和特点？ 以及能推导出 3 种单差观测值的观测方程？12. 星站双差、星际历元双差和站际历元双差的定义和特点？ 以及能推导出 3 种双差观测值的观测方程？13. 三差观测值的定义和特点？以及能推导出三差观测值 的观测方程？14. 名词： 伪距 载波重建 多路径误差、多路径效应 卫星星历误差 固体潮、负荷潮 标准定位服务、精密定位服务 SA政策、 AS

40、政策第六章 绝对（单点）1. GPS绝对（单点）定位概念 ：“ 采用单台 GPS接收机独立确定测站点在地球坐标系 （WGS 84 坐标系）中的位置坐标的方法” 优点和缺点优点?可实现“单机实时定位”?作业方便缺点?传统的单点定位，定位精度较低?基于 IGS精密星历和卫星钟差的非差相位精密单点定位的 精度可达 cm 级，但是其所需观测时间较长、数据处理也 非常复杂。分为： 静态绝对（单点）定位、动态绝对（单点）定位3. 静态绝对（单点）定位“ GPS接收机天线处于静止状态下的绝对定位方法”4. 静态绝对（单点）定位平差4-1 测码伪距观测方程观测方程（线性化后）忽略测量噪声的影响，并写成向量的形

41、式：单历元解算，观测历元 ti ，假设接收机同步观测 4 颗卫星多历元解算，误差方程式组：多历元解算，如果观测的时间较长，接收机钟差的变化往往不能忽略，处理方法如下：?将接收机钟差表示为多项式的形式， 并把多项式的系数作为未知参数?对不同观测历元引入不同的独立接收机钟差参数测码多力元接收机钟差表示为多项式的形式单历元解算 ，观测历元 t，测站接收机同步观测 nj 颗卫星4-2 测相伪距观测方程观测值个数 nj 少于未知数个数 （31 nj），单历元无法解算。 如果知道初始的整周未知数，且 GPS接收机保持对所测卫 星的连续跟踪，则上式可简化为：故：同步观测 4 颗以上卫星， 就可实现实时单，

42、历元定位， 初始整周未知数的确定是解决该问题的关键！测相多力元多历元解算 对 nj 颗卫星同步观测的历元数为 nt ， 且每一个观测历元 设置一个独立的接收机钟差参数。观测的历元数须满足：5. 固定解： 将平差解算的非整数的整周模糊度，调整为相 近的整数，并作为固定值代入到观测值误差方程中，重新 求解其余的未知参数。实数解（浮动解） ： 保持平差解算的整周未知数为小数。6. 动态绝对定位 “用户接收机安置在运动的载体上并处于动态情况下，确 定载体瞬时绝对位置的定位方法”7. 精度因子 DOP定义精度因子 DOP 与中误差的关系精度因子 DOP 可由平差参数的协因数阵中的主 对角线元素来定义HD

43、OP：平面位置精度因子如何评价平面精度：VDOP：高程精度因子PDOP：空间位置精度因子TDOP：接收机钟差精度因子GDOP：几何精度因子精度因子的数值与所测卫星的几何分布图形有关。分析表 明：几何精度因子 GDOP 与测站和观测卫星所构成的多面 体体积 V 的倒数成正比。实际观测中，为了减弱大气折射 影响，卫星高度角不能过低。因此，在上述条件下，应尽 可能使所测卫星与测站所构成的多面体体积接近最大。复习思考题1. 绝对（单点）定位、静态绝对（单点）定位、动态绝对（单点）定位的概念？2. 测码伪距静态绝对 （单点） 定位单历元和多历元解算时， 误差方程的列立以及法方程的组成和解算？（难点）3.

44、 测相伪距静态绝对 （单点） 定位单历元和多历元解算时， 误差方程的列立以及法方程的组成和解算？ （难点）4. 测相伪距静态绝对定位时，为了获得定位解，观测的历 元数和同步观测卫星数之间须满足什么关系？5. 何谓固定解和实数解（浮动解）？6. 精度因子的概念和分类？多历元观测的误差方程组7. 卫星分布的几何图形对精度因子的影响特点？站间单差观测值的误差方程单历元观测的误差方程组第七章 相对定位1. 绝对（单点） ：“采用两台 GNSS接收机分别安置在基线 的两端，同步观测相同的 GNSS卫星，以确定基线端点的 相对位置或基线向量（坐标差） ”2. 推广 /思路?多台 GNSS接收机同步观测，确

45、定多条基线向量 ?多条基线向量构成基线向量网， 通过网平差确定测站点的 坐标。3. 站间单差 观测方程 站间单差观测方程线性化后4. 星站双差 观测方程线性化后5.三差 观测方程6.周跳：在跟踪卫星过程中， 由于某种原因 （信号遮挡或干扰 ）而造成 卫星信号失锁，使整周计数器无法连续计数。7.整周跳变的探测与修复： 探测出在何时发生了周跳并求出丢失的整周数，对中断后 的整周计数进行改正，将其恢复为正确的计数。周跳探测与修复的适用情况： 卫星信号的遮挡或外界干扰而造成的信号失锁； 而不适用于电源的故障或振荡器本身的故障造成的信号中 断。8. 周跳探测与修复的常用方法1、屏幕扫描法原理：在一个测站的同一个观测时段中，每颗卫星的载波 相位观测值的变化率应是连续的，由作业人员在计算机屏 幕前依次对每个站、每个时段、每颗卫星的相位观测值变 化率的图像进行逐段检查，观测其变化率是否连续。2、高次差法原理 ?周跳现象会破坏载波相位观测值随时间而有规律变化的 特性。?在相邻历元的两个观测值间