GPS测量原理与应用-总复习-总结

1、GPS量原理与应用-总复习-总结测绘测绘1502闻小玖闻小玖第一章第一章绪论绪论1.GPS系统的组成系统的组成空间部分(空间部分(GPS卫星星座)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，启动北斗一号系统工程建设至3颗地球静止轨道卫星第二步：建设北斗二号系统第二步：建设北斗二号系统测绘测绘1502闻小玖闻小玖，启动北斗二号系统工程建设；年底，完 成14颗卫星第三步：建设北斗全球系统第三步：建设北斗全球 系统，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，面向 "带一路”沿线及周边国家提供基本服 务；前后，完成35颗卫星

2、发射组网，为全球用户提供服务。6-6定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒第 二章第二章坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统1.坐标系统类型坐标系统类型地球坐标系-地固系地球坐标系-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.时间系统类型时间系统类型恒星时ST (SiderealTime)平太阳时 MT (MeanSolarTime)世界时 UT (UniversalTime)原

3、子 时 AT(AtomicTime )谐调世界时 UTC(CoordinatedUniversalTime)时间系统（GPST） 3.天球坐标系的定义天球坐标系的定义：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a赤纬8点的坐标表示（r, % 8） 4.岁差章动.岁差章动在日、月引力的影响 下，使北天极

4、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。岁差。瞬时平北天极（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。这种现象称为章动章动 5.瞬时极天球坐标系（真天球坐标系 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

5、构成右手 坐标系取向6.历元平天球坐标系：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：协议天球坐标系：以标准历元t0 （J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.站心地平坐标系站心地平坐标系 -Pxyz站心（左手）地平 直角坐标系站心（左手）地平直角坐标系测站

6、 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 站心地平极坐标系系-PrAh以测站P1为原点卫星s至P1的距离 r卫星s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（太阳时（SolarTi

7、me）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钠原子 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

8、差0.0039秒）第三章第三章1.二体问题下的卫 星运动就是无摄运动无摄运动， 即只考虑地球质心引力作用的卫 星运动。2.卫星星历：卫星星历：描述卫星运动轨道信息的一组数据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）、开交点赤经、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参数来描述卫星的无摄运 动4.轨道直角坐标系轨道直角坐标系：定义一：坐标原点在地球 质心Mx轴指向近地点Az轴垂直于轨道平面向上 y轴在轨道平 面上垂直于x轴构成右手坐标系测绘测绘 1502闻小玖闻小玖定

9、义二：坐标原点在地球质心 Mx轴指向升交点Nz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：瞬时轨道：即摄动轨道6.预报星历（广播星历）预报星历（广 播星历）包括相对某一参考历元的开普勒轨道参数和必要的轨道 摄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）7.参考星历参考星历相应参考历元的卫星开普勒轨道参 数” 8t处理星历（精密卫星星历）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 : DefenseMappingAgency） 或某些 国 际性组织 （如 IGS :

10、InternationalGNSSServiceforGeodynamics）,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.偏近点角偏近点角10. 平近点角平近点角 M=M0+w（t-t0）Mo 是to时刻近地点处平近点 角11.第四章第四章1.GPS卫星信号的构成：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

11、P码）数据码（导航电文或 D码）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 （Binarydigitbit,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(伪随机噪声码(PseudoRandomNoise)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 一一m序列当平

12、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。测绘测绘1502闻小玖闻小玖3.C/A码码: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码码

13、是由两个12级伪随机码PN1(t)和PN2(t)的乘积得至U 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：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

14、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

15、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 土的调制 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卫星位置的计算卫星位置的计算第一种情况：根据卫 星导航电文

16、（广播星历）所提供的轨道参数及其摄动改正，计算 GPS卫星的WGS 84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8 U 8 j 8的

17、计算8计算经过摄动改正的开交距角 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标 10观测时刻开交点经度 Q 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测绘测绘1502闻小玖闻小玖12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第五章 GPS卫星定位基础卫星 定位基础1.GPS卫星定位则是利用后方空间距离交会后方空间 距离交会来确定 GPS接收机的3维空间位置。2.伪距：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

18、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.码相位观测码相位观测测量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，并取其一次近似取其一次近似后 （线性化） 后（线性化）表达式为表达式为：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。5

19、 .载波相位测量载波相位测量测量 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：整周模糊度问题周跳问题6.载波重建：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：载波相位测量的观测量：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

20、，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：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：9.测码伪距和测相伪距观测方 程的比较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测量的误差来源测量的误差来源一、 与信号传播有关的误差电离层折射对流层折射测绘测绘1502闻小玖闻小玖多路径误差二、 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

21、层电离层改正改正电离层电离层：地球上空距 地面高度在501000km之间的大气层。电离层折射误差：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。电离层折射对电离层折射对 GPS卫星信号的传播影响卫星信 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，载波相位超前码相位滞后，载波相位超前减弱 电离层折射影响的措施减弱电离层

22、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码与机密码

23、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。测绘测绘1502闻小玖闻小玖本章复习思考题 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

24、措施？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政策第六第六章章绝对（单点

25、）绝对（单点）1.GPS绝对（单点）定位绝对（单点）定位概念概念：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：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）定位静态绝对（单点）定位“GP酸收机天线处于静止状态下的绝对定位方法”辑态绝对（单点）定位静态绝对（单点）定位平差平差 4-1测码伪距测码伪距观测方程 观测方程（

26、线性化后）忽略测量噪声的影响，并写成向量的形式： 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测绘测绘 1502闻小玖闻小玖4-2测相伪距 观测方程单历元解算单历元解算，观测历元t,测站接收机同步观测nj颗卫星简记为：观测值个数nj少于未知数个数（3+1 + 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，历元定位，初始整周未知数的确定是解决该问题 的关键！测测相相多力元多力元多历元解算多历元解算对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：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