gps原理及应用考试复习资料

1、卫星定位技术的发展历史：子午卫星系统一GPSGLONASSGALILEO北斗GPS成及作用：GPS卫星星座、地面控制与监控站、用户设备。卫星星座：接收和存储由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的控制指令。借助于卫星上设有的微处理机进行必要的数据处理工作。通过星载的高精度锢原子钟和钏原子钟提供精密的时间标准。向用户发送定位信息。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。地面监控部分：监视卫星的运行。确定GPS时间系统。跟踪并预报卫星星历和卫星种状态。向每颗卫星的数据存储器注入卫星导航数据。用户设备是用户得以实现GPS定位目的的工具。GPS特点：测站间无需通视；定位精度

2、高；观测时间短；提供三维坐标；仪器轻便、自动化程度高；全天候作业。GPS用途：可进行海陆空的导航，导弹制导，大地测量和工程测量的精密定位，时间传递和速度测量。坐标系分为天球坐标系（天球空间直角坐标和天球球面坐标系）和地球坐标系（地球空间直角坐标系和大地坐标系）。天球是指以地球质心为中心、以无穷大为半径的一个假想球体。天球坐标系是一种惯性坐标系，其坐标原点及各坐标轴指向在空间保持不变，用于描述卫星运行位置和状态。地球绕绕太阳公转的轨道面与天球相交的平面称为黄道面，相交的大圆称为黄道。黄道和天球赤道有两个交点，其中太阳的视位置由南向北通过赤道的交点称为春分点。地球坐标系是与地球相关联的坐标系，用于

3、描述地面点的位置。与GPS定位有关的主要有恒星时、原子时和力学时。GPS时间系统（GPST）属原子时系统，其秒长与原子时相同，但与国际原子时具有不同的原点。作用于卫星上的各种力，按其影响的大小分为中心力、摄动力（非中心力）。中心力：假定地球为匀质球体的地球引力。非中心力包括地球非球形对称的作用力、日月引力、大气阻力、光辐射压力以及地球潮汐力。摄动力的作用使卫星的运行偏离理想轨道。在摄动力的作用下，卫星的运动称为受摄运动。只考虑地球质心引力作用的卫星运动称为卫星的无摄运动。GPS言号是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的已调波，其载波处于LC22cm）频段，其调制波是卫星电文和伪随机噪声码的

4、组合码。GPS言号包括两种载波LI、L2和两种调制波P（t）D（t）、G（t）D（t），后者表示GPS卫星向用户发送的C/A易捕获码、P精码和D导航数据码。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），是利用GPS进行定位的数据基础。导航电文的内容：遥测码、转换码、第一数据块、第二数据块、第三数据块。GPS卫星的识别：接收机捕获到GPS卫星后利用第三数据块提供的其他卫星的概略星历、时钟改正、码分地址和卫星工作状态等数据，依据已知的码分地址较快地捕获所选择的待测卫星。绝对定位（静态定位）：指接收机

5、安置在固定不动的待定点上观测数分钟或更长时间,以确定该点的三维坐标。相对定位：将两台或更多台接收机置于不同点上，通过一段时间的观测确定点间的绝对或相对位置关系。动态定位：是指至少有1台接收机处于运动状态，确定各观测时刻运动中的接收机的绝对或相对位置关系。伪距测量：测量GPS卫星发射的测距码信号到达用户接收机的传播时间。载波相位测量：测量GPS载波信号从GPS卫星发射天线到GPS接收机接收天线在传播路程上的相位变化从而确定传播距离的方法。差别：采用伪距观测量定位速度相对较快，而采用载波相位观测量定位精度相对较高GPS定位为什么必须接收多于四颗以上卫星：卫星钟差包含在导航电文中，为已知值,而接收机

6、钟差未知，在定位计算中作为未知参数与点的位置一同解算。GPS绝对定位是以地球质心为参考点，确定接收机天线在WGS-84坐标系中的绝对位置。GPS绝对定位的原理：以GPS卫星和用户接收机天线之间的距离观测量为基准，根据已知的卫星瞬时坐标来确定用户接收机天线所对应的位置。根据用户接收机天线所处的状态不同分为动态绝对定位和静态绝对定位。动态绝对定位：将用户接收设备安置在运动的载体上确定载体瞬时绝对位置的定位方法。其特点是测定一个动点的实时位置，多余观测量少，定位精度较低。静态绝对定位：当接收机天线处于静止状态确定观测站绝对坐标的方法。静态相对定位：用两台接收机分别安置在基线的两个端点，其位置静止不动

7、，同步观测相同的四颗以上GPS卫星，确定基线两个端点在协议地球坐标系中的相对位置。静态相对定位采用载波相位观测量为基本观测量。优点是定位精度高，缺点是定位观测时间过长。单差是指不同观测站同步观测相同卫星所得观测量之差。其优点：消除了卫星钟误差的影响；大大消弱了卫星星历误差的影响；大大消弱了对流层折射和电离层折射的影响，在短距离内几乎完全消除其影响。双差是不同观测站同步观测同一组卫星，所得单差观测值之差。其特点：消除了卫星钟钟差的影响；几乎消除了接收机钟差的影响；蒸周待定值仍保持了整周特性；抵消了一部分大气折射的影响。三差是不同历元同步观测同一组卫星所得双差观测量之差。其优点：消除了初始历元整周

8、待定值；抵消了大部分大气折射的影响；卫星钟钟差、接收机钟差的影响方面；已消去两相邻历元共同具有的钟差项。差分GPS定位原理是将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测，根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星距离改正数、坐标或相位改正数，并由基准站实时地将这一改正数发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。根据基准站发送信息方式的不同，差分GPS定位分为位置差分、伪距差分和载波相位差分。位置差分原理：优点是需要传输的差分改正数较少，计算简单，适用于各种型号的GPS接收机。缺点是基准站和用户必须观测同一组卫星，只有近距离能实现。

9、伪距差分原理：优点是基准站提供所有卫星的改正数，用户接收机只要观测任意四颗卫星就完成定位。缺点是差分精度随基准站到用户的距离增加而降低。载波相位差分原理：载波相位差分定位的关键是求解起始相位模糊度。求解起始相位模糊度通常用以下方法：删除法、模糊度函数法、FARA法、消去法。单基准站局域差分，优点是结构和算法较为简单；缺点：差分范围小，精度随距基准站距离的增加而下降，可靠性低。局部区域GPW分技术：在局部区域中应用差分GPS技术，应该在区域中布设一个差分GPS网，该网有若干个差分GPS基准站组成，通常还包含一个或数个监控站。位于该局部区域中的用户根据多个基准站所提供的改正信息，经平差后求得自己的

10、改正数。这种差分GPS定位系统称为局部区域差分GPS系统，简称LADGPSo该系统有多个基准站组成，每个基准站与用户之间均有无线电数据通信链。4ps定位中，存在着3类误差：第一类是多台接收机共有的误差，如卫星钟差、星历误差；第二类是传播时延误差，如电离层误差、对流层误差；接收机固有的误差，第三类是如内部噪声、通道时延、多路径效应。采用差分定位可完全消除第一部分误差，且可消除大部分第二类误差。广域差分GPSK术的基本思想是对GPS观测量的误差源加以区别，并单独对每一个误差源分别加以"模型化"，然后将计算出来的每一个误差源的数值，通过数据通讯链传输给用户，以对用户GPS定位的误

11、差加以改正，以达到削弱这些误差源的影响，改善用户GPS定位精度的目的。集中表现在三方面：星历误差、大气时延误差（包括电离层时延和对流层时延）、卫星钟差误差。广域差分GPS系统的工作流程：1）在已知的多个监测站上，跟踪观测GPS卫星的伪距、相位等信息；2）监测站将所接受的信息全部传输到中心站；3）中心站计算出三项误差改正；4）将这些误差改正用数据通讯链传输给用户；5）用户根据这些误差改正自己观测到的伪距、相位、星历等信息，计算出高精度的GPS定位结果。广域差分GPS系统的特点：1用户的定位精度对空间距离的敏感程度比较小；2投资少,经济效益好；3定位精度较高，且分布均匀；4可扩展性好；5技术复杂，

12、维护费用高；6可靠性及安全性稍差。周跳：在跟踪卫星过程中，由于某种原因，如卫星信号被障碍物挡住而暂时中断，受天线电信号干扰造成失锁，则计数器无法连续计数。当信号重新被跟踪后，整周计数就不正确，但是不到一个整周的相位观测值仍是正确的。这种现象称为周跳。周跳探测与修复方法：屏幕扫描法、用高次差法或多项式拟合法、在卫星间求差法、根据平差后的残差发现和修复整周跳变。确定整周未知数的方法：伪距法；待定参数法（整数解和实数解）；多普勒法（三差法）；快速确定整周未知数法。等效距离误差：为了便于理解，通常均把各种误差的影响投影到卫星距离上，以相应的距离误差表示，称为等效距离误差.GPS测量误差的分类：偶然误差

13、主要包括信号的多路径效应及观测误差；系统误差主要包括卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及大气折射误差。对其消除或者减弱的主要措施：1建立系统误差模型，对观测量进行修正.2引入相应的未知参数，在数据处理中联同其它未知参数一并求解.3将不同观测站对相同卫星的同步观测值进行求差。GPSM量误差的来源：与卫星有关的误差：包括卫星星历误差、卫星钟钟差、地球自转的影响和相对论效应的影响。1、与卫星有关的误差（1）卫星星历误差：由星历所计算得到的卫星的空间位置与实际位置之差称为卫星星历误差。卫星星历是由地面监控站跟踪监测卫星求定的。星历误差的来源：广播星历和实测星历。星历误差对定位精度的影响：对单点定位

14、的影响；对相对定位的影响。解决星历误差的方法：1建立区域性卫星跟踪网；2轨道松弛法(半短孤法、短孤法、同步观测求差法)。卫星钟误差包括由钟差、频偏、频漂等产生的误差，也包含的随机误差。对于卫星钟的残余误差则需采用在接收机间求一次差等方法进一步消除。相对论效应的影响由于卫星钟和接收机所处的状态(运动速度和重力位)不同引起的卫星钟和接收机钟之间的相对误差。2、与传播途径有关的误差有电离层折射误差、对流层折射误差和多路径效应误差。电离层折射误差：信号的传播时间与真空中光速的乘积并不等于卫星至接收机的几何距离，该偏差称为电离层折射误差。减弱电离层折射误差的措施：1利用双频观测：电离层影响是信号频率的函

15、数，利用不同频率电磁波信号进行观测，可确定其影响大小，并对观测量加以修正.其有效性不低于95%o2利用电离层模型加以修正：对单频接收机，一般采用由导航电文提供的或其它适宜电离层模型对观测量进行改正.目前模型改正的有效性约为75%，至今仍在完善中。3利用同步观测值求差：当观测站间的距离较近(小于20km)时，卫星信号到达不同观测站的路径相近，通过同步求差，残差不超过10-6o对流层折射误差：由于地面辐射热能的影响，对流层的温度随高度的上升而降低，当GPS信号通过对流层时，传播的路径则发生弯曲，从而使测量距离产生偏差，这种偏差称为对流层折射误差。减弱对流层折射影响的措施：1直接在测站测定气象参数，用于对流层折射改正模型;2引入描述对流层的附加待估参数，在数据处理中求解；3利用同步观测值求差。多路径效应误差：接收机天线周围有高大建筑物或水面，建筑物和水面对于电磁波具有强反射作用，由此产生的反射波进入接收机天线时与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产生误差，这种误差称为多路径效应误差。措施:选择合适的站址，避开较强发射面，如水面，平坦光滑的地面和建筑表面；选择较好的接收机天线，在