GPS原理与应用2

1、GPS原理与应用 时间和空间基准重点内容： （1）WGS-84、CGCS 2000、区域性坐标系； （2）空间基准分类(地(空)固、全球与区域、参(地)心) （3）时间基准的分类；难点内容： （1）时空基准的重要性； （2）天球及其坐标系； （3）时空基准空间转换； （4）天文学和卫星大地测量学术语；1. 时空基准的重要性 坐标系统与时间系统是描述卫星运动，处理观测数据和表达观测站位置的数学与物理基础。 了解GPS卫星定位中常用的坐标系统和时间系统，熟悉它们各自之间的转换关系，对GPS用户来说，是极为重要的。 2. 天卫星测量术语 （1）天球是指以地球质心M为中心，半径r为任意长度的一个假想的

2、球体。元素如天轴、天极、天球赤道面等比照地球。 （2）黄道地球公转的轨道与天球相交的大圆，即当地球绕太阳公转时，地球上的观测者所见到的太阳在天球上运动的轨迹。 （3）白道月球绕地球公转的轨道平面与天球相交的大圆。黄赤交角约为23.5°。白道与黄道交角均值约为 5°9。 （4）春分点当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时，黄道与天球赤道的交点，另一个点称为秋分点。（在天文学和卫星大地测量学中，春分点和天球赤道面，是建立参考系的重要基准点和基准面。） （5）白道与黄道相交于两点，月球沿白道从黄道以南运动到黄道以北通过的那个交点称为升交点，与此相对的另一交点称为降交点。 （6）

3、岁差：在天文学中是指一个天体的自传轴指向因为重力作用导致在空间中缓慢且连续的变化。（7） 章动：月球绕地球旋转的轨道称为白道，由于白道对于黄道约5度倾斜，这使得月球产生的转矩的大小和方向不断变化，月球围绕地球公转导致地球在公转轨道上左右摇摆现象，18.6年在轨道上一个周期，振幅为9.21秒。3.坐标系统的分类（坐标系统的定义包括原点位置、坐标轴的指向和尺度三个要素。）（1）地固空固坐标系 空间固定的坐标系统（空固系），这类坐标系统与地球自转无关，对于描述卫星的运行位置和状态极其方便。 与地球体相固联的坐标系统（地固系），其与地球自转一致，对于表达地面观测站的位置和处理GPS观测成果尤为方便。

4、（2）全球与区域坐标系 相对关系；通用横墨卡托格网系统（UTM）。（3）参心与地心坐标系 在经典大地测量中，为了处理观测成果和传算地面控制网的坐标，需选取一参考椭球作为基本参考面，选一参考点作为大地测量的起算点（大地原点），利用大地原点的天文观测量来确定参考椭球在地球内部的位置和方向。*在我国的许多城市、大型工程项目中,为了实用、方便和科学的目的, 将地方独立测量控制网建立在当地的平均海拔高程面上, 并以当地子午线作为中央子午线进行高斯投影求得平面坐标。 这些地方独立坐标系隐含着一个与当地平均海拔高程相对应的参考椭球,我们称之为地方是相球。地方相球与国家描球的关系：中心一致、轴向一致、扁率相等

5、、长半径有一增量。 *仅就从地形图测绘来说,地心直角坐标系并不十分需要,因为参考椭球面已经和测区范围的大地水准面达到最佳密合,按参心坐标系测绘地形图还是方便的。但是,就整个地球空间而言,参心坐标系就表现出不足,主要是以下3点: (1)不适合建立全球统一坐标系的要求; (2)不便于研究全球重力场; (3)水平控制网和高程控制网分高,破坏了空间点三维坐标的完整性。 4.WGS-84大地坐标系的几何定义是: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轴，X轴构成右手坐标系。 CGCS2000 是（中国）

6、2000国家大地坐标系的缩写，该坐标系是通过中国GPS 连续运行基准站、 空间大地控制网以及天文大地网与空间地网联合平差建立的地心大地坐标系统。2000（中国）国家大地坐标系以ITRF 97 参考框架为基准, 参考框架历元为2000.0。 4. 时间基准的分类（1）时间系统的重要性GPS卫星作为高空观测目标，位置不断变化，在给出卫星运行位置同时，必须给出相应的瞬间时刻。准确地测定观测站至卫星的距离，必须精密地测定信号的传播时间。 由于地球的自转现象，在天球坐标系中，地球上点的位置是不断变化的2）时刻与时间间隔 时刻是指发生某一现象的瞬间。在天文学和卫星定位中，与所获取数据对应的时刻也称历元。时

7、刻测量相应称为绝对时间测量。 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之差。时间间隔测量称为相对时间测量。 测量时间必须建立一个测量的基准，即时间的单位（尺度）和原点（起始历元）。 其中时间的尺度是关键，而原点可根据实际应用选定。（3）时刻基准 符合下列要求的任何一个可观察的周期运动现象，都可用作确定时间的基准：*运动是连续的、周期性的。*运动的周期应具有充分的稳定性。*运动的周期必须具有复现性，即在任何地方和时间，都可通过观察和实验，复现这种周期性运动。（4）时间系统恒星时(ST) 以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所确定的时间，称为恒星时。 春分点连续两次经过本地子午

8、圈的时间间隔为一恒星日，含24个恒星时。恒星时具有地方性，有时也称之为地方恒星时。世界时（UT） 以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时称为世界时。 世界时与平太阳时的时间尺度相同，起算点不同。 从1956年开始，便在世界时中引入了极移改正和地球自转速度的季节性改正。由此得到世界时UT1和UT2，而未经改正的世界时，一般表示为UT0。 虽然经过改正，世界时仍包含地球自转速度的变化的影响，所以世界时UT2仍不是一个严格均匀的时间系统。世界时在数值上表征了地球自转相对恒星的角位置。在GPS测量中，主要用于天球坐标系和地球坐标系之间的转换计算 协调世界时(UTC): 由于地球自转速度有长期变慢的趋势，

9、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年起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。年积日(DOY ) 从每年的1月1日起开始累计的天数,计数从1开始(即每年1月1日的年积日为1),如2004年5月1日的年积日为122。GPS原理与应用GPS系统及其信号重点与难点 GPS系统组成（卫星识别、功能与作用以及？间关系） GPS信号、导航电文、星历 GPS卫星运动及其轨道（无摄,有摄） GPS卫星位置的计算（轨道、地心）GPS系统： 空间部分 地面部分 用户部分 GLON

10、ASS:卫星星座、地面监测控制站和用户设备BDS：空间段地面控制段用户段 1. GPS系统的组成 一. 空间部分:GPS卫星星座(设计)：21+3， 21颗工作卫星+3颗备用卫星空间分布：6个轨道面，每个轨道4颗，轨道倾角55 °，各轨道升交点60°，相邻升交距角30°，轨道高度20200km，周期11h58min。结果:保证在24小时，MASK=15°，能够至少观测到4颗卫星。顾及地球自转，地球-卫星的几何关系，每天提前4min重复GPS卫星 作用： 发送用于导航定位的信号 接收地面注入站信息,适时地发送给广大用户 接收地面主控站通过注入站发送到卫星的

11、调度命令 如何识别卫星（编号方式） （1）顺序编号 （2）PRN编号 （3）IRON编号 （4）NASA编号 （5）国际识别号卫星设有导航分系统包括：存储器 、频标、伪噪声码发生器和S波段与L波段双频发射机GPS卫星基本功能 -接收和存储由地面监控站发来的导航信息,执行监控站的控制指令；-卫星上设有微处理机,进行部分必要的数据处理工作；-通过星载的高精度铷钟、铯钟产生基准信号和提供精密的时间标准； -向用户发送导航定位信号,包括： 两种载波（L1 和L2） 调制在L1上的伪噪声码C/A码 调制在L1和L2上的伪噪声P码 -在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星。-还有星载

12、激光反射镜（Satellite Laser Ranging-SLR）和传感器（核）。2 地面部分组成：主控站（1个）、跟踪站（5个）和注入站（3个）作用：监测和控制卫星运行，编算卫星星历（导航电文），保持系统时间等。3 用户部分用户部分：一般是GPS信号接收机及相关设备等；功能：接收、跟踪、变换和测量GPS信号的设备，多数采用石英钟类型：测量型、导航型、守（授）时型；单频，双频；C/A码，P码2.GPS卫星运动及其轨道卫星轨道误差对定位精度的影响绝对定位 卫星轨道上的任何误差会直接影响到用户定位的精度。相对定位卫星轨道误差影响减弱，但当基线较长且精度要求较高时，误差影响不可忽视影响卫星轨道的因

13、素，作用于卫星的力分为两类：一类是中心引力(Central Gravitational Force) 一类是摄动力(Perturbative Force) （非中心力）无摄卫星轨道的描述卫星轨道参数开普勒轨道参数或开普勒轨道根数 ()(取决于卫星的发射条件) 为轨道椭圆长半轴 为轨道椭圆偏心率 为轨道面倾角 为升交点赤经（升春） 为近地点角距（近升） 卫星的真近点角（卫星-近） 注意：只有真近点角是时间的函数，其余均为常数。卫星的受摄运动力：地球的非中心引力（地球非球形及质量分布不均匀而引起的作用力）、太阳引力、月亮引力、太阳的直接与间接辐射压力、大气的阻力、地球潮汐力、磁力等。作用力

14、0;作用力来源 结  果 卫星运动 卫星轨道 中心引力 假设地球为均质球体的引力（质量集中在球体的中心） 决定卫星运动的基本规律和特征 无摄运动 理想轨道（无摄轨道） 摄动力（非中心力） 地球非球形引力力、太阳、月亮和其它天体引力、大气阻力、太阳光压、地球潮汐力等 卫星偏离理想轨道 受摄运动 受摄轨道（偏离量的大小随时间变化） 3.GPS信号及导航电文卫星信号的调制和解制（接收机是卫星信号解调的硬件设备。）其工作原理:重建载波，提取测距

15、码信号和导航电文，常用信号解调方式： -复制码相关技术（含D码） -平方解调技术导航电文： 1包含卫星的星历，2卫星工作状况，3系统时间，4时钟改正，5轨道摄动改正，6电离层时延改正即电离层折射参数，7大气折射改正，8由C/A码捕获P码的信息，9卫星的概略星历等导航信息。导航电文的格式：帧(Frame)(主帧) 子帧(Subframe) 字码 比特（bit） 页码 数据块I内容：数据块II内容：开普勒6参数 轨道摄动9参数 时间2参数数据块III内容：历书（Almanac）在导航电文的第四和第五子桢中，可以看作是卫星星历参数的简化子集。其每12.5分钟广播一次，寿命为一周，可延长至6个月。 G

16、PS卫星星历1 广播星历(预报星历)：以跟踪站以往时间的观测资料推求的参考轨道参数为基础，并加入了轨道摄动改正而外推的星历。2精密星历(后处理星历)4. GPS卫星位置的计算利用GPS进行导航和定位，卫星视为动态已知点。首先位置，然后有观测量（伪距或相位），待定点位。 核心-导航电文是计算卫星位置的关键。卫星在其轨道平面位置计算：1.计算卫星运行的平均角速度n则，卫星运行的平均角速度为： 2. 计算归化时刻tk 卫星轨道参数是相对于基准时刻toe而言。 为此须计算观测时刻相对于基准时刻的差值： tk = t - toe其中，tk为相对于toe的归化时刻，考虑星期的开始或结束： 当tk>3

17、02400s时，tk=tk604800s； 当tk<-302400s时，tk=tk+604800s。 注：604800一周秒数 3.计算观测时刻的平近点角Mk：4.计算偏近点角Ek 偏心率e 和Mk 5. 计算卫星矢径rk 6.计算真近点角Vk 7.计算升交点角距k 8. 计算摄动改正项 u、 r、 i 9.计算经过摄动改正的升交距角Uk、卫星矢径rk和轨道倾角ik 10. 计算卫星轨道平面上位置GPS原理与应用-GPS静态定位原理重点(1)四种基本定位模型，快速静态定位；(2)伪距法定位观测方程 (3)载波相位测量原理与观测量 (4)周跳探测与修复(5)整周模糊度分类(经典相对定位、快

18、速模糊度确定方法、OTF)与实际应用(6)载波线性标准难点(1)四种基本观测量(2)时间延迟测定与伪距法定位数学模型 (3)载波相位测量观测方程和数学模型 (4)周跳产生原因与对待其态度(5)整周模糊度确定方法(6)常用载波线性组合1.基本观测量与定位模式-GPS定位的最基本原理一 四种基本观测量(1)测码伪距；(2)载波相位观测得出的伪距；(3)由积分多普勒计数得出的伪距差；(4)由卫星射电干涉测量得出的时间延迟。 局限性：积分多普勒计数法，观测时间一般较长(数小时)，同时对接收机的振荡器要求高度稳定。 卫星射电干涉测量时，所需的设备比较昂贵，数据处理较为复杂。二 四种基本定位模式 1.静态

19、：绝对与相对 2.动态：绝对与相对3.快速静态定位模式，4.其他定位模式定位模式分类： (1)静态定位和动态定位（定位过程中，接收机所处的运动状态） (2)绝对定位(单点定位)和相对定位 （参考点位置不同） 1)静态定位和动态定位应用领域： 静态定位可用于板块运动、地壳形变、大地测量、精密工程测量、地球动力学及地震监测等。动态定位可用于低精度测量、导航等。2) 绝对定位(单点定位)和相对定位应用领域： 绝对定位可用于船舶（飞机）的导航；地质矿产勘探、暗礁定位、建立浮标、海洋捕鱼及低精度测量领域。 相对定位可用于大地(工程)测量、地壳形变监测等精密定位领域。 3) 差分定位，可简单理解为相对定位

20、，但不完全等价。差分定位(DGPS分类) (1)观测值不同：RTD、RTK； (2)数据处理时间不同：实时和事后； (3)工作原理和数学模型：SRDGPS、主(被)动式测距：(1)双程测距 如，电磁波测距仪(2)单程测距 如，GPS 注意军事上的差别2.伪距法定位伪距法定位特点：精度低、速度快和数据处理简单等特点，利于协助求解整周未知数，应用于导航及低精度测量。(1) 伪距及其测量 时延测定伪距流程如下：卫星(时钟)发出某一结构测距码,到接收机(t )；接收机(时钟)产生复制码(结构完全相同的测距码,延迟处理)(时延器)；对其作相关处理，自相关系数 R(t)形式如下： 当R(t) = 1时,两

21、者码元严格对齐,则= t；t×c，即为站星间伪距。当R(t) =?1 , 一般认为R(t)=max 时，码元严格对齐。 实际两台钟不同步及信号并非完全真空传播,与t不严格相等。(2)伪距法定位的观测方程 与数学模型(4)伪距法绝对定位解算 (5) 伪距法相对定位解算 （误差具有相关性（相对定位），求坐标差时可自行消去，可获得精度较高的相对位置。）间接法：同步观测站分别单点定位，求得各点的坐标，然后相减求得坐标差。直接法：将两个同步测量站的伪距测量观测方程相减；用坐标差代替坐标，用距离差=j-i代替；用大气折射改正之差代替大气折射改正；用接收机之间的相对钟误差代替钟误差；建立相对定位的

22、观测方法，直接解算坐标差。(补充)精密单点定位定义：利用单台GPS双频双码接收机的观测数据在数千平方公里乃至全球范围内的任意位置都可以实现实时的或事后的高精度定位。（前提：精密星历和精密钟差IGS提供或自己计算。）观测方程组成（双频无电离层组合观测值）：站星间几何距离为： 观测误差方程为：待估参数包括：测站坐标、接收机钟差、无电离层组合模糊度、对流程天顶延迟改正参数。 主要误差源：与测站有关的误差改正： 接收机钟差 接收机天线相位中心偏差 固体潮改正大洋负荷改正 地球自转改正与卫星有关的误差改正：对流层延迟误差 电离层延迟误差 多路径效应3. 载波相位测量载波相位测量前，首先要进行解调工作，将

23、调制在载波上的测距码和导航电文去掉，重新获得载波，即所谓载波重建，常用码相关法和平方法。 （2） 载波相位测量的基本原理（3） 载波相位测量的实际观测值首次载波相位测量后，以后进行的 (实际量测值)包含不足一整波段的部分 ，而且包含了整波段数 。3如果由于计数器无法连续计数，当信号被重新跟踪后，整周计数中将丢失某一量而变得不正确。不足一整周部分由于是一个瞬时观测值，因而仍是正确的。这种现象称整周跳变（简称周跳）或丢失整周（简称失周）。4. 整周跳变的探测与修复探测与修复方法： 屏幕扫描法：特点：大、小均可，但易于引入人为的误差影响，须认真仔细。 高次差法：适用性：原始数据；适合稳定(钟)的单频

24、/双频接收机;只能探测修复大周跳，且不能是连续的周跳。原理：观测值变化平滑且有规律。若周跳发生，其被破坏。求45次差后，其变化不具有偶然性，误差放大现象 多项式拟合法 基于虚拟观测方程的周跳探测 三差观测值解基线回代法 Geometry-Free（GF）组合 Melbourne-Wübbena（MW）组合残差法，etc.5. 整周模糊度的确定（1）模糊度确定方法分类：1.确定模糊度时接收机运动状态 静态整周未知数平差待定参数法、交换无线法、三差法(多普勒法)、FARA法动态 ：最小二乘搜索法 综合法（AOTF） 模糊度函数法，etc.2.按解算所需 时间长短经典静态相对定位法快速解算

25、模糊度(未知数)法P 码双频法滤波法(K,粒子)交换天线法FARA法(搜索法)模糊度函数法整周未知数平差待定参数法:把整周未知数作为待定参数，平差计算中与坐标等参数一并解出，即双差观测方程，按最小二乘法原理，通过平差求解整周未知数，而整周未知数取值有如下两类： (1)整数解(固定解)。整周未知数天然特性-整数，但由于各种误差的影响，平差求得的整周未知数往往是一个实数。 (2)实数解(浮动解)。长基线误差的相关性降低，卫星星历、大气折射等误差的影响难以有效消除，求解的整周未知数精度较低。6. 载波测量的线性组合求差定义： 这种将直接观测值(即载波相位测量的基本观测值)相减的过程称为求一次差，所获

26、得的结果被当作虚拟观测值，称为载波相位观测值的一次差或单差。二次差（双差）、三差定义类似。接收机间求一次差后，有如下结论： 消除卫星钟误差的影响 大大削弱卫星星历误差的影响。 大大削弱对流层折射和电离层折射的影响。短距离内即使单频接收机且不加ion改正，仍可获得极好的精度。（值得指出：求一次差可以消除两站的共同误差，从而获得精度较高的坐标差(非差法也可以)，但这种方法不可能提高绝对位置的精度。）接收机与卫星间求二次差后，有如下结论： 基线处理软件(一般二次差模型），其中未知数的个数约为10个左右(3个基线向量未知数和(n1)个整周未知数，n为该时段中观测的卫星数)，便于计算机解算。而接收机钟差

27、也是较难处理问题，接收机上通常采用石英钟，其稳定度较差，钟误差建模较为困难。若采用二次差可将其消除，既不涉及钟的误差模型，又可使未知数的个数大为减少，实践中广泛采用。 与非差法相比，求差法存在不足如下：1.数据利用率较低，有的观测值会因与之配对的数据出了问题，而无法被利用，同时求差次数越多，丢失观测值也越多。 2.接收机间求差后，会引进基线矢量而不是原来的位置矢量作为基本未知数。 3.求差后会出现观测值问的相关性问题，增加了计算的工作量。 4.某些情况下难以求差，例如两站的数据输出率不相同时。 5.求差中有效数字迅速减少，凑整误差等将增大，影响结果精度。 6.求差法实质上未对多余参数作任何约束，即认为各多余参数是相互独立的。 7.采用求差法时多余参数已被消去，难以对这些参数进一步研究。 -GPS动态定位原理重点难点定位特点、模式（实时与事后）、距离与位置差分、伪距差分动态定位；动态定位发展特点、卡尔曼滤波与平滑。概 念： 实时地测得相对于地球运动的(用户)天线之状态参数。 研究范畴： 研究的GPS动态测量，不包括地球动态参数的测定和人为位移的监测。动态定位的基本特点用户多样性 -载体，即使载体也有差别速度多异性 <100m/s,1