GPS原理与应用

1、Chapter 1 Chapter 1 绪绪 论论一、基本概念一、基本概念1 卫星定位卫星定位: 通过空间卫星的瞬时位置确定空间点位置的方法通过空间卫星的瞬时位置确定空间点位置的方法2 卫星定位基本观测量：距离差、距离卫星定位基本观测量：距离差、距离 （1）距离差定位方式：）距离差定位方式： 双曲面定位系统（双曲面定位系统（NNSS、TSICACA） （2）距离定位方式：）距离定位方式： 球面定位系统（球面定位系统（GPS、GLONASS、 Galileo、 CNSS 、 GNSS ）二、全球定位系统（二、全球定位系统（GPS）1 1 功能特点：功能特点： 三大功能：导航、定位、授时三大功能：

2、导航、定位、授时2 2 应用范围：应用范围： 测量学、导航学及其相关学科领域测量学、导航学及其相关学科领域3 GPS3 GPS组成：组成： （1 1）GPSGPS卫星网及主要功能：卫星网及主要功能： 21+321+3颗卫星颗卫星 （2 2）地面监控系统及主要功能：）地面监控系统及主要功能： 主控站：主控站：1 1个、个、 注入站：注入站：3 3个、个、 监控站：监控站：5 5个个 （3 3）GPSGPS信号接收机及定位方式：信号接收机及定位方式：Chapter 2 Chapter 2 卫星大地测量基础卫星大地测量基础一、坐标系统一、坐标系统1 1 天球坐标系：天球坐标系： （1 1）章动、岁差

3、）章动、岁差 （2 2）三种天球坐标系：瞬时真天球坐标系、瞬时平天球坐标系、协）三种天球坐标系：瞬时真天球坐标系、瞬时平天球坐标系、协议天球坐标系议天球坐标系2 2 地球坐标系：地球坐标系： （1 1）极移）极移 （2 2）两种地球坐标系：瞬时地球坐标系、协议地球坐标系）两种地球坐标系：瞬时地球坐标系、协议地球坐标系3 3 协议地球坐标系协议地球坐标系 （1 1）CTS-84CTS-84坐标系坐标系 （2 2）WGS-84WGS-84坐标系坐标系二、卫星大地测量中的时间系统二、卫星大地测量中的时间系统1 世界时（世界时（UT）2 原子时（原子时（AT）3 协调世界时（协调世界时（UTC）4 力

4、学时（力学时（TD）5 GPS时间（时间（GPST）三、卫星运动三、卫星运动 卫星运动状态：受地球、太阳、月球对卫星的引力，卫星运动状态：受地球、太阳、月球对卫星的引力，太阳光压、地球潮汐力等影响。太阳光压、地球潮汐力等影响。 卫星受到的作用力：卫星受到的作用力：1 1 地球质心引力（中心力）地球质心引力（中心力）-无摄运动、无摄轨道无摄运动、无摄轨道2 2 摄动力（非中心力）摄动力（非中心力）-有摄运动、有摄轨道有摄运动、有摄轨道Chapter 3 GPSChapter 3 GPS定位系统信号和接收机定位系统信号和接收机 的基本工作原理的基本工作原理 GPS卫星信号采用卫星信号采用组合码调制

5、技术组合码调制技术（伪随机码扩频技（伪随机码扩频技术）术） 组合码调制技术：组合码调制技术：将卫星导航电文（基带信号）经伪将卫星导航电文（基带信号）经伪随机码扩频技术成为组合码，再对随机码扩频技术成为组合码，再对L频段的载波进行频段的载波进行BPSK调制（正交调制）。调制（正交调制）。 伪距伪距：pseudo distance，接收机到，接收机到GPS卫星之间的距卫星之间的距离。离。1 C/A码：粗码码：粗码P码：精码码：精码2GPS卫星信号构成卫星信号构成一、伪随机码（一、伪随机码（PRNC）GPS卫星信号卫星信号测距码测距码数据码数据码(导航电文，导航电文，D码）码）载波载波P码（码（Y码

6、）码）C/A码码L1载波载波L2载波载波伪随机码伪随机码L波段波段二、导航电文（二、导航电文（D码）码）1 导航电文：组成、格式导航电文：组成、格式2 导航电文内容导航电文内容 （1）遥测码（）遥测码（TLM） （2）转换码（）转换码（HOW） （3）第一数据块（）第一数据块（DATA1） （4）第二数据块（）第二数据块（DATA2） （5）第三数据块（）第三数据块（DATA3）三、三、GPS接收机接收机1 GPS接收机分类：接收机分类： （1）按通道工作原理分）按通道工作原理分 （2）按用途分）按用途分 （3）按载波频率分）按载波频率分 （4）按通道数分）按通道数分2 基本结构基本结构 （1

7、）天线）天线 （2）主机）主机 （3）电源）电源Chapter 4 GPSChapter 4 GPS定位的基本观测量定位的基本观测量 及误差分析及误差分析一、一、 GPSGPS定位基本原理：定位基本原理：= c.t= c.t二、二、GPSGPS定位定位观测量观测量 1 1 码伪距：码伪距：C/A C/A 、P P码码 2 2 载波相位：载波相位：L1L1、L2L2 3 3 多普勒频移多普勒频移码相位观测伪距码相位观测伪距载波相位观测伪距载波相位观测伪距C/A码：码元宽码：码元宽293m，精度，精度2.9mP码：码元宽码：码元宽29 . 3m，精度，精度0. 29mL1载波：波长载波：波长19c

8、m，精度，精度0. 19cmL2载波：波长载波：波长24cm，精度，精度0. 24cm原始观测量原始观测量三、三、GPSGPS测量误差来源测量误差来源1 1 与卫星有关的误差：与卫星有关的误差： （1 1）卫星钟差）卫星钟差 （2 2）卫星星历误差）卫星星历误差 （3 3）地球自转影响）地球自转影响 （4 4）相对论效应影响）相对论效应影响2 2 信号传播误差：信号传播误差： （1 1）电离层折射影响）电离层折射影响 （2 2）对流层折射影响）对流层折射影响 （3 3）多路径效应）多路径效应3 3 观测误差和接收设备误差：观测误差和接收设备误差： （1 1）观测误差）观测误差 （2 2）接收机

9、钟差）接收机钟差 （3 3）天线相位中心偏差）天线相位中心偏差Chapter 5 GPSChapter 5 GPS定位的基本原理和方法定位的基本原理和方法静态定位、动态定位静态定位、动态定位绝对定位、相对定位绝对定位、相对定位测距码定位、载波相位定位测距码定位、载波相位定位一、测距码伪距单点定位一、测距码伪距单点定位1 原理：原理：由卫星发射的测距码到观测站的传播时间（时间延迟）乘以由卫星发射的测距码到观测站的传播时间（时间延迟）乘以光速所得到的量测距离。光速所得到的量测距离。 = c.t2 瞬时绝对定位精度瞬时绝对定位精度3 精度因子精度因子 DOP：PDOP、VDOP、HDOP、TDOP、

10、GDOP二、载波相位测量二、载波相位测量1 瞬时载波相位差瞬时载波相位差2 初始历元整周模糊度初始历元整周模糊度3 瞬时载波相位定位瞬时载波相位定位三、三、GPS相对定位相对定位 1 GPS静态相对定位静态相对定位 2 GPS准动态相对定位准动态相对定位 3 GPS动态相对定位动态相对定位四、差分观测值四、差分观测值1 一次差分观测值一次差分观测值SD：（1）星际一次差分观测值）星际一次差分观测值（2）历元间一次差分观测值）历元间一次差分观测值（3）站际一次差分观测值）站际一次差分观测值2 二次差分观测值二次差分观测值DD：（1）站际、星际二次差分观测值）站际、星际二次差分观测值（2）星际、历

11、元间二次差分观测值）星际、历元间二次差分观测值（3）站际、历元间二次差分观测值）站际、历元间二次差分观测值3 三次差分观测值三次差分观测值TD： 星际、站际、历元间三次差分观测值星际、站际、历元间三次差分观测值五、五、GPS基线向量解算基线向量解算1 基线向量平差解算方法基线向量平差解算方法（1）按单基线解算）按单基线解算（2）联合解算）联合解算2 基线向量质量评定基线向量质量评定（1）基线长度中误差（）基线长度中误差（RMS）（2）双差模糊度的整数性（）双差模糊度的整数性（RATIO）（3）同步观测环闭合差）同步观测环闭合差（4）异步观测环闭合差）异步观测环闭合差（5）重复基线闭合差）重复基

12、线闭合差六、六、GPS测量的周跳测量的周跳1 周跳产生情况周跳产生情况（1）信号失锁数分钟）信号失锁数分钟-第一类周跳第一类周跳（ 2）信号失锁两历元间隔）信号失锁两历元间隔-第二类周跳第二类周跳2 通常处理方法通常处理方法（1）第一类周跳：利用单差观测值通过高阶拉格朗日多项式进行拟）第一类周跳：利用单差观测值通过高阶拉格朗日多项式进行拟合修复合修复（2）第二类周跳：利用单差观测值拟合或双差观测值拟合）第二类周跳：利用单差观测值拟合或双差观测值拟合3 双差固定解、双差浮点解双差固定解、双差浮点解（1）双差固定解）双差固定解（2）双差浮点解）双差浮点解七、整周模糊度确定方法七、整周模糊度确定方法

13、1 经典静态相对定位法：经典静态相对定位法： （1）双差固定解）双差固定解 （2）双差浮点解）双差浮点解2 快速静态解算法：快速静态解算法： （1）交换接收天线法）交换接收天线法 （2）P码双频技术法码双频技术法 （3）马吉尔配适滤波法）马吉尔配适滤波法 （4）搜索法（）搜索法（FARA技术）技术）3 动态法（动态法（AROTF技术）：技术）：Chapter 6 GPSChapter 6 GPS控制网建立控制网建立一、一、GPS控制网技术设计控制网技术设计二、二、 GPS控制网图形设计控制网图形设计1 基本网形：基本网形：（1）三角形网）三角形网（2）环形网）环形网（3）星形网）星形网2 GP

14、S同步连接方式同步连接方式（1）点连式（点连式（2）边连式边连式（3）网连式（）网连式（4）混合式）混合式三、三、GPS外业观测外业观测1 GPS卫星预报卫星预报2 GPS观测要求观测要求3 GPS观测成果检验观测成果检验4 GPS数据处理流程：数据处理流程：2 GPS同步观测同步观测（1）单基线数：）单基线数：（2）独立基线数：）独立基线数：（3）同步观测环数：）同步观测环数：) 1(212kkngnnCnk1kpnn)2)(1(21kkpgrnnnnn数据传输数据采集成果输出GPS网平差基线解算及检验数据预处理Chapter 7 GPSChapter 7 GPS控制网的平差计算控制网的平差

15、计算一、参心坐标系一、参心坐标系1 参心坐标系建立参心坐标系建立（1）参心坐标系）参心坐标系（2）参心空间直角坐标系（）参心空间直角坐标系（X、Y、Z）（3）参心大地坐标系（）参心大地坐标系（B、L、H）（4）两者的关系）两者的关系2 参心坐标系定位参心坐标系定位（1）双平行定向条件）双平行定向条件（2）单点定位）单点定位（3）多点定位）多点定位二、高斯投影二、高斯投影1 高斯投影高斯投影2 高斯正、反算高斯正、反算3 投影分带投影分带4 投影长度比投影长度比三、三、UTM投影投影1 投影条件投影条件2 与与GUASS投影的关系投影的关系四、国家坐标系四、国家坐标系1 WGS-84坐标系坐标系

16、2 国家大地坐标系国家大地坐标系（1）P54坐标系坐标系（2） C80坐标系坐标系（3）新）新P54坐标系坐标系五、不同坐标系的坐标转换模型五、不同坐标系的坐标转换模型1 布尔沙模型（布尔沙模型（B模型）：模型）： 原点不重合、坐标轴不平行、坐标尺度不一致原点不重合、坐标轴不平行、坐标尺度不一致2 莫洛金斯基模型（莫洛金斯基模型（M模型）模型） ： 受尺度和旋转影响的是任意点与某一参考点的坐标差受尺度和旋转影响的是任意点与某一参考点的坐标差3 武测模型（武测模型（W模型）模型） ： 受尺度影响的是任意点与某一参考点的坐标差，而受旋转受尺度影响的是任意点与某一参考点的坐标差，而受旋转 影响的是任

17、意点的坐标影响的是任意点的坐标4 三种模型比较三种模型比较六、转换参数求解方法六、转换参数求解方法1 三点法三点法2 多点法多点法 VTV=min3 严密平差法严密平差法 VTPV=min七、七、GPS网平差网平差1 三维无约束平差三维无约束平差（1）空间直角坐标）空间直角坐标（2）大地坐标）大地坐标2 三维约束平差三维约束平差（1）地面数据）地面数据（2）基线向量观测值）基线向量观测值3 二维约束平差二维约束平差（1）E0、E1、E2椭球椭球（2）E1椭球变换求二维基线向量椭球变换求二维基线向量（3）E2椭球变换求二维基线向量椭球变换求二维基线向量4 地面起算控制点选取原则地面起算控制点选取

18、原则5 地面起算控制点兼容性分析地面起算控制点兼容性分析八、八、GPS水准水准1 常用的高程系统常用的高程系统（1）大地高系统）大地高系统（2）正高系统）正高系统（3）正常高系统）正常高系统2 确定大地水准面的传统方法确定大地水准面的传统方法（1）天文大地水准法）天文大地水准法（2）天文重力水准法）天文重力水准法（3）重力场模型法）重力场模型法（4）司托克斯（）司托克斯（G.G.Stokes）重力大地水准面模型法）重力大地水准面模型法3 GPS高程拟合方法高程拟合方法（1）二次曲面拟合法：）二次曲面拟合法： 利用二次曲面逼近小区域的（似）大地水准面进行拟合。利用二次曲面逼近小区域的（似）大地水准面进行拟合。（2）多重二次曲面拟合法：）多重二次曲面拟合法： 利用多重二次曲面逼近任何光滑的数学曲面或非数学定义的任意曲利用多重二次曲面逼近任何光滑的