基于GPS的测控技术课件

GPS基本概念GPS时空参考系GPS定位原理GPS测量的误差分析典型应用第8章基于GPS的测控技术课程内容GPS基本概念第8章基于GPS的测控技术课程内容1

空间星座部分：包括GPS工作卫星和备用卫星；

地面监控部分：控制整个系统和时间，负责轨道监测和预报；

用户设备部分：主要是各种型号的接收机。8.1GPS基本概念GPS的组成8.1GPS基本概念GPS的组成28.1.1GPS的组成基本情况:24颗卫星均匀分布在6个轨道面内。卫星轨道倾角为55°，各轨道平面相差60°。轨道平面高度为20200km，卫星运行周期11小时58分。地面观测者见的卫星颗数最少为4颗，最多可达11颗。空间星座部分8.1.1GPS的组成基本情况:空间星座部分3GPS卫星组成：GPS卫星的核心部件是高精度的时钟、导航电文存储器、双频发射和接收以及微处理机。每颗GPS工作卫星一般安设2台铷原子钟和2台铯原子钟，并计划未来采用更稳定的氢原子钟（其频率稳定度优于10-14s）。GPS卫星虽然发送几钟不同频率的信号，但是它们均源于一个基准信号10.23MHz）。卫星钟由地面站检验，其钟差、钟速连同其他信息由地面站注入卫星后，再转化给用户设备。8.1.1GPS的组成GPS卫星组成：8.1.1GPS的组成4地面监控部分地面监控系统作用：确保GPS系统的良好运行。地面监控的任务：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钟状态；向每颗卫星的数据存储器注入卫星导航数据。地面监控部分的组成：一个主控站、五个监测站和三个注入站。8.1.1GPS的组成地面监控部分8.1.1GPS的组成5用户设备部分主要包括：GPS接收机及其天线、微处理器及其终端设备以及电源等。而其中接收机和天线是用户设备的核心部分。8.1.1GPS的组成天线单元

接收天线和前置放大器两个部分组成，可接收来自任何方向的GPS信号，可将极微弱的GPS信号电流予以放大。用户设备部分8.1.1GPS的组成天线单元6接收单元信号波道和微处理机构成接收单元的核心部件。利用多个波道同时对多个卫星进行观测。微处理机能选择合适的卫星进行测量，以获得最佳的几何图形；能根据观测值及卫星星历求得所需的定位信息。8.1.1GPS的组成接收单元8.1.1GPS的组成7SA（SelectiveAvailability）技术AS（Anti-Spoofing）技术SA和AS技术对定位的影响8.1.3限制性政策与反限制措施美国对GPS用户的主要限制性政策8.1.3限制性政策与反限制措施美国对GPS用户的主要8建立独立自主的卫星导航与定位系统载波相位动态测量相对定位技术（RTK）开发GPS与GLONASS兼容接收机差分定位技术反限制性政策的主要技术和方法

8.1.3限制性政策与反限制措施建立独立自主的卫星导航与定位系统反限制性政策的9GLONASS全球导航定位系统Galileo卫星导航定位系统北斗卫星导航定位系统8.1.4其他卫星定位导航系统GLONASS全球导航定位系统8.1.4其他卫星定位导航系10地固坐标系：固结在地球上和地球一起公转和自转的地球坐标系，描述GPS接收机载体在地球表面的运动状态很方便。

天球坐标系：与地球自转无关，描述绕地球质心作圆周运动的卫星运动状态和确定卫星的运行轨道很方便。

天球坐标系是采用球面坐标系定义的。8.2.1GPS导航定位中的坐标系统

地固坐标系是用一辅助面（参考椭球面）定义的。地固坐标系：固结在地球上和地球一起公转和自转的地球坐标系，描11恒星时以春分点为参考点，其时间尺度为：春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒星日，一恒星日分为24个恒星时。恒星时以春分点通过本地子午圈时刻为起算原点。8.2.2GPS导航定位中的时间系统

恒星时ST（SiderealTime）恒星时以春分点为参考点，其时间尺度为：春分点12平太阳时MT（MeanSolarTime）

平太阳时的时间尺度为：平太阳连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一平太日，一平太日分为24平太时。平太阳的运动速度等于真太阳周年运动的平均速度。世界时UT（UniversalTime）

世界时UT是以平子夜为零时算起的格林威治平太阳时。

8.2.2GPS导航定位中的时间系统

平太阳时MT（MeanSolarTime）8.2.2G13原子时ATI（InternationalAtomicTime）

原子时的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。协调世界时UTC（CoordinatedUniversalTime）UTC是与地球自转相一致的尺度均匀的时间系统。

8.2.2GPS导航定位中的时间系统

原子时ATI（InternationalAtomicTi14

GPS定位的基本原理：利用无线电测距交会确定点位的方法，利用3颗以上卫星的已知空间位置交会出地面位置点（用户接收机）的位置。

广播信号包含3种成分：D码、C/A码和P码或Y码、载波信号（L1和L2）。8.3.1GPS卫星的广播信号GPS定位的基本原理：利用无线电测距交会确定点位的方法15伪距：就是由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速得出的量测距离。伪距法定位：是由GPS接收机在某一时刻测出4颗以上GPS卫星的伪距，并根据已知的卫星位置，采用距离交会法确定接收机天线所在点的三维坐标。

8.3.2伪距测量原理8.3.2伪距测量原理16伪距测量原理图

8.3.2伪距测量原理伪距测量原理图8.3.2伪距测量原理178.3.3载波相位测量原理

载波相位测量的观测量是GPS接收机所接收的卫星载波信号与接收机本振参考信号的相位差。8.3.3载波相位测量原理载波相位测量的观18

整周未知数的确定伪距法多普勒法将整周未知数作为平差中的待定参数

整周跳变：接收机在跟踪卫星过程中，整周计数部分应当是连续的。如果在跟踪卫星过程中，由于某种原因，计数器就无法连续计数。此时，当信号重新被跟踪后，整周计数就不正确。8.3.3载波相位测量原理

整周未知数的确定8.3.3载波相位测量原理198.3.4绝对定位和相对定位

绝对定位：即单点定位，利用GPS卫星和用户接收机之间的距离观测值直接确定用户接收机天线在WGS-84坐标系中的相对于坐标系原点——地球质心的绝对位置。绝对定位又分为动态绝对定位和静态绝对定位。相对定位：是用至少两台GPS接收机，同步观测相同的GPS卫星，确定两台接收机天线之间的相对位置（坐标差）。它是目前GPS定位中精度最高的一种定位方法。8.3.4绝对定位和相对定位20绝对定位伪距观测方程的线性化线性化的伪距测量观测方程为：8.3.4绝对定位和相对定位

绝对定位8.3.4绝对定位和相对定位21令伪距线性方程可以改写为：由观测站同步跟踪4颗卫星，则j＝1，2，3，4，采用矩阵形式伪距法绝对定位的解算8.3.4绝对定位和相对定位

令伪距法绝对定位的解算8.3.4绝对定位和相对定位22上式简化为：当跟踪的卫星数目多于4颗时，可应用最小二乘平差求解8.3.4绝对定位和相对定位

上式简化为：8.3.4绝对定位和相对定位23假定用户初始位置及时钟偏差；用已知卫星的在轨位置及时钟偏差，对上述矩阵及方程式进行求解；利用求出的用户位置偏差，得出用户实际位置；重复迭代，直至第n+1次算出的用户位置约等于第n次算出的用户位置即可。计算步骤：8.3.4绝对定位和相对定位

假定用户初始位置及时钟偏差；计算步骤：8.3.4绝对定位24相对定位是用两台接收机分别安置在基线的两端，同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点的相对位置或基线向量。观测值的线性组合作用:观测量的不同组合（求差），可以有效地消除或减弱相关误差的影响。静态相对定位（静态差分定位）8.3.4绝对定位和相对定位

相对定位是用两台接收机分别安置在基线的两端，25求差方法：可以在卫星间求差，在接收机间求差，也可以在不同历元间求差。

求差类别：一次差；二次差；三次差。

一次差为：

作用：可以消除与卫星有关的载波相位及其钟差项。8.3.4绝对定位和相对定位

求差方法：可以在卫星间求差，在接收机间求差，也8.3.26求差法示意图8.3.4绝对定位和相对定位

求差法示意图8.3.4绝对定位和相对定位27二次差分：

设在ti时刻，对k、j卫星观测值的站间单差观测值求差，有：作用：可以消除与接收机有关的载波相位及其钟差项8.3.4绝对定位和相对定位

二次差分：8.3.4绝对定位和相对定位28三次差分：

对ti时刻的双差观测值与ti+1时刻的双差观测值求差，有：作用：可消除与卫星和接收机有关的初始整周模糊度。8.3.4绝对定位和相对定位

三次差分：8.3.4绝对定位和相对定位29单差观测方程的方程模型

如果同步观测n个卫星，可列出n个误差方程按最小二乘法原理对误差方程求解，可得待定点坐标改正数、钟差等未知参数。8.3.4绝对定位和相对定位

单差观测方程的方程模型8.3.4绝对定位和相对定位30双差观测方程的方程模型

双差观测方程的误差形式为：同理，对于三差模型，模型中消除了整周模糊度。8.3.4绝对定位和相对定位

双差观测方程的方程模型8.3.4绝对定位和相对定位318.3.5差分GPS（DGPS）定位原理

DGPS测量系统组成：动态接收机，基准接收机。DGPS的测量原理：两种接收机同步观测GPS卫星，基准接收机为动态接收机提供差分改正数（DGPS数据）。动态接收机根据DGPS数据，精确地解算出用户的三维坐标。DGPS可以有效的消除误差。8.3.5差分GPS（DGPS）定位原理DGPS测量32单站GPS差分位置差分法

在位置差分中基准接收机向动态用户发送的DGPS数据是“位置校正值”。设基准站的精密坐标为（X0，Y0，Z0），基准接收机所测出的基准站三维坐标为：X、Y、Z，则有校正值：8.3.5差分GPS（DGPS）定位原理

单站GPS差分8.3.5差分GPS（DGPS）定位原理33则，动态接收机的修正公式为:8.3.5差分GPS（DGPS）定位原理

8.3.5差分GPS（DGPS）定位原理34

考虑到用户接收机位置校正值的瞬间变化，上式可写成：伪距差分法在伪距差分中基准接收机向动态用户发送的DGPS数据是“伪距校正值”。8.3.5差分GPS（DGPS）定位原理

考虑到用户接收机位置校正值的瞬间变化，上式可写成：35载波相位差分法RTDGPS（RealTimeDGPS）测相伪距修正法

考虑星历误差引起的距离偏差、多路径效应以及接收机噪声，则基准站r与卫星j之间的伪距观测值为：为多路径效应引起的偏差，为接收机噪声

8.3.5差分GPS（DGPS）定位原理

载波相位差分法RTDGPS（RealTimeDGPS36同理，用户接收机k的伪距观测值为：又，星站间伪距改正为：当用户距基准站距离较小时（<100km），有：为残差8.3.5差分GPS（DGPS）定位原理

同理，用户接收机k的伪距观测值为：8.3.5差分GPS（37基准接收机和用户接收机的测相伪距观测量分别为：8.3.5差分GPS（DGPS）定位原理

基准接收机和用户接收机的测相伪距观测量分别为：8.3.538考虑到用户坐标位置和卫星三维坐标，上式变为：载波相位差分法在载波相位差分法中，基准站将载波相位观测值实时传送给用户接收机，由用户进行载波相位求差，再解算用户的位置。8.3.5差分GPS（DGPS）定位原理

考虑到用户坐标位置和卫星三维坐标，上式变为：839广域差分

系统组成:广域差分GPS系统就是为削弱这三种误差源而设计的一种工作系统。该系统主要由主站、监测站、数据通信链路和用户设备组成。误差源主要表现为星历误差、大气延时误差和卫星钟误差。8.3.5差分GPS（DGPS）定位原理

广域差分8.3.5差分GPS（DGPS）定位原理40局部区域差分

系统构成：若干个差分GPS基准站组成一差分GPS网。测量方法：采用加权平均法或最小方差法对多个基准站的改正信息进行平差计算求得自己的坐标改正数或距离改正数。8.3.5差分GPS（DGPS）定位原理

局部区域差分8.3.5差分GPS（DGPS）定位原理418.4GPS测量的误差分析

GPS测量的误差分类：按误差性质可分为系统误差与偶然误差。GPS测量误差的分类误差来源对距离测量的影响（m）卫星部分①星历误差；②钟误差；③相对论效应1.5～15信号传播①电离层；②对流层；③多路径效应1.5～15信号接收①钟误差；②位置误差；③天线相位中心变化1.5～15其他影响①地球潮汐；②负荷潮1.08.4GPS测量的误差分析GPS测量的误差分类：GPS测428.4.1GPS卫星误差卫星星历误差

由星历所给出的卫星在空间的位置与实际位置之差。

星历误差对定位的影响有：对单点定位的影响

影响伪距测量的准确性。广播星历误差对测站坐标的影响一般可达数米、数十米、甚至上百米。8.4.1GPS卫星误差卫星星历误差43对相对定位的影响

相对定位时，因星历误差对两站的影响具有很强的相关性，所以在求坐标差时，共同的影响可自行消去，从而获得精度很高的相对坐标。8.4.1GPS卫星误差解决星历误差的方法有：建立区域性卫星跟踪网轨道松驰法同步观测值法对相对定位的影响8.4.1GPS卫星误差解决星历误44卫星钟误差

卫星钟的钟差包括由钟差、频偏、频漂等产生的误差，也包含钟的随机误差。相对论效应

由于卫星钟和接收机钟所处的运动状态（运动速度和重力位）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。

8.4.1GPS卫星误差卫星钟误差8.4.1GPS卫星误差458.4.2信号传播误差

电离层折射误差

电离层中包含大量的自由电子和正离子，会使信号的路径和传播速度发生变化。这种偏差叫电离层折射误差。电离层改正公式：8.4.2信号传播误差电离层折射误差46减弱电离层影响可以采取以下措施：利用双频观测

用两个不同的频率发射卫星信号，则电离层改正项中的A相同，而且除了电离层折射的影响不同外，其余误差影响都相同。利用电离层改正模型加以改正

对于单频接收机，采用导航电文提供的电离层改正模型加以改正。8.4.2信号传播误差

减弱电离层影响可以采取以下措施：8.4.2信号传播误差47利用同步观测值求差

利用两台GPS接收机在基线两端进行同步观测，并将观测值求差。对流层折射误差

GPS信号通过对流层时，使传播的路径发生弯曲，从而使测量距离产生偏差，叫做对流层折射。多路径效应误差

反射波与直接波产生干涉，从而使观测值偏离真值所引起的误差。8.4.2信号传播误差

利用同步观测值求差8.4.2信号传播误差48反射波用表示反射波和直接波之间的程差，则有：8.4.2信号传播误差

反射波8.4.2信号传播误差49反射波和直接波间的相位延迟为：多路径效应对载波相位测量的影响直接波信号反射波信号天线实际接收的信号为8.4.2信号传播误差

反射波和直接波间的相位延迟为：8.4.2信号传播误差50实际中，有多个反射信号，则多路径误差为：消弱多路径误差的方法：选择合适的站址对接收机天线的要求在天线中设置抑径板；接收机天线对于极化特性不同的反射信号应该有较强的抑制作用。

8.4.2信号传播误差

实际中，有多个反射信号，则多路径误差为：8.4.2信号传518.4.3接收机误差接收机钟误差

减弱接收机钟差的方法：通过在卫星间求一次差来消除接收机的钟差并将接收机钟差表示为时间多项式，在观测量平差计算中求钟差。8.4.3接收机误差接收机钟误差52接收机安置误差

接收机天线相位中心相对于测站标志中心位置的偏差。天线相位中心位置偏差

观测时相位中心的瞬时位置与理论上的相位中心的不同。8.4.3接收机误差接收机安置误差8.4.3接收机误差53靶场导弹自动摄像测量系统（MAMS）是西安交通大学自动制研究所与中国科学院西安光机所合作为空军某基地开发的，是为了跟踪空中飞行目标而研制的一种小型光学自动摄像测量系统。该系统能够自动搜索、跟踪、摄像和进行数据处理，它利用先进的GPS引导技术和雷达引导技术实现自动跟踪，并能够得到目标的视频图像。

8.5.1靶场导弹自动摄像测量系统

靶场导弹自动摄像测量系统（MAMS）是西安交通大学54系统结构整个系统可以看作由三部分组成：引导系统、通讯系统和位置跟踪系统。引导系统给出了目标的位置信息，通过通讯系统发送给观测站的观测设备，观测设备中的计算机对这些引导信息进行处理后，将其转换成为控制数据驱动伺服系统带动光学设备跟踪目标，并拍摄目标的图像。8.5.1靶场导弹自动摄像测量系统

系统结构8.5.1靶场导弹自动摄像测量系统55靶场导弹自动摄像测量系统总体原理框图8.5.1靶场导弹自动摄像测量系统

靶场导弹自动摄像测量系统总体原理框图8.5.1靶场导弹56引导系统

GPS引导系统原理图8.5.1靶场导弹自动摄像测量系统

引导系统GPS引导系统原理图8.5.1靶场导弹自动摄像测57雷达引导系统原理图8.5.1靶场导弹自动摄像测量系统

雷达引导系统原理图8.5.1靶场导弹自动摄像测量系统58通讯系统

为了保证系统能够正常工作，需要将引导信息传送给观测站，这部分工作由通讯系统来完成，可分为GPS通讯和雷达通讯。此外，还需要将测站的实测数据实时传送给靶场指挥中心。定位跟踪系统

定位跟踪系统主要完成对目标的跟踪定位和摄像功能，是整个系统中最主要的一部分。8.5.1靶场导弹自动摄像测量系统

通讯系统8.5.1靶场导弹自动摄像测量系统59定位跟踪系统逻辑原理图定位跟踪系统逻辑原理图60系统的逻辑模型8.5.1靶场导弹自动摄像测量系统

系统设计与实现

系统的逻辑模型8.5.1靶场导弹自动摄像测量系统系统设计61

系统工作流程为：系统接收到适合的引导数据后，对引导数据进行一系列处理，控制转台带动摄像机跟踪目标，拍摄目标图像，同时将摄像机状态反馈给靶场指挥中心并且回传和保存数据。8.5.1靶场导弹自动摄像测量系统

系统工作流程为：系统接收到适合的引导数据后，对引导数据62系统硬件

系统硬件部分主要包括GPS接收电台、GPS接收时间系统（B码时统）、方位角和俯仰角编码器、半自动转台、光学镜头和数字录像机、单杆控制器、视频叠加器以及接收靶场引导信息和发送测站数据的HDLC卡、调制解调器等。8.5.1靶场导弹自动摄像测量系统

系统硬件8.5.1靶场导弹自动摄像测量系统63系统软件软件功能模块关系图8.5.1靶场导弹自动摄像测量系统

系统软件软件功能模块关系图8.5.1靶场导弹自动摄像测量64关键技术

在硬件实现过程中，主要需要考虑以下几个问题：通讯问题，包括引导数据的接收和上下位机之间的通讯，相应的硬件设计工作包括HDLC通讯卡和共享RAM卡的设计；视频信息的叠加，需要设计专用的视频叠加卡。8.5.1靶场导弹自动摄像测量系统

关键技术8.5.1靶场导弹自动摄像测量系统658.5.2烟草监控调度系统

红塔集团烟草运输系统存在的问题主要有：不能够为市场营销人员和领导决策提供必要的及时的卷烟运输实时信息，不能向烟草公司提供及时准确的货源信息，不利于卷烟投放控制；存在烟草运输的安全性问题；未建立快速、高效和敏捷的物流体系支持营销工作，实现高效车辆调度管理缺乏必要的系统支持。8.5.2烟草监控调度系统红塔集团烟草运输系统存在的66系统结构系统结构67系统组成运输车辆

安装了GPS车载终端设备的运输车辆，可接受GPS信号，计算车辆的位置、速度、方向等定位数据；可接受监控系统下发的指令，并按照指令指定的模式工作；可检测设备的各种工作状态，依照异常情况产生各种报警数据；并通过GSM模块与GSM网络进行通讯，将定位数据和报警数据发往指定的短信中心或短信网关。8.5.2烟草监控调度系统

系统组成8.5.2烟草监控调度系统68GSM网络

该系统采用中国移动通信公司的GSM网络。通过GSM网络，监控中心可与终端设备依靠GSM短消息进行通讯。所有的短消息都要通过GSM短信中心来转发。森泰克短信平台

为移动增值服务系统与GSM短消息中心的通信提供信道服务。8.5.2烟草监控调度系统

GSM网络8.5.2烟草监控调度系统69苏伊士系统为通信信道服务系统。北溟总中心为应用逻辑控制和权限管理系统。对上负责与苏伊士系统进行通讯，对下负责北溟分中心和各种应用端的接入和管理。北溟分中心北溟总中心的扩展和延伸，也是应用逻辑控制和权限管理系统。8.5.2烟草监控调度系统

苏伊士系统8.5.2烟草监控调度系统70终端设备及工作原理

车载主机包括GPS模块、GSM模块以及CPU控制电路。GPS模块接收卫星信号，计算出车辆的经度、纬度、速度、方向等数据提供给CPU控制电路，CPU控制电路接收GPS模块的数据，并检测车门状态、紧急按钮等报警信息，将这些数据通过GSM模块传递到无线通信服务中心，由无线通信服务中心发回监控调度中心。8.5.2烟草监控调度系统

终端设备及工作原理8.5.2烟草监控调度系统71车载终端设备工作原理图车载终端设备工作原理图728.5.2烟草监控调度系统

车载设备安装图8.5.2烟草监控调度系统车载设备安装图73运输车辆设防流程运输车辆辅助设撤防流程运输车辆撤防流程红塔GPS业务数据查询流程

8.5.2烟草监控调度系统

基于GPS的主要业务运输车辆设防流程8.5.2烟草监控调度系统基于GPS的74ENDEND75运输车辆设防流程图运输车辆设防流程图76运输车辆辅助设防流程图运输车辆辅助设防流程图77运输车辆撤防流程图8.5.2烟草监控调度系统

运输车辆撤防流程图8.5.2烟草监控调度系统78红塔GPS业务数据查询流程图红塔GPS业务数据查询流程图79ENDEND80GPS基本概念GPS时空参考系GPS定位原理GPS测量的误差分析典型应用第8章基于GPS的测控技术课程内容GPS基本概念第8章基于GPS的测控技术课程内容81

空间星座部分：包括GPS工作卫星和备用卫星；

地面监控部分：控制整个系统和时间，负责轨道监测和预报；

用户设备部分：主要是各种型号的接收机。8.1GPS基本概念GPS的组成8.1GPS基本概念GPS的组成828.1.1GPS的组成基本情况:24颗卫星均匀分布在6个轨道面内。卫星轨道倾角为55°，各轨道平面相差60°。轨道平面高度为20200km，卫星运行周期11小时58分。地面观测者见的卫星颗数最少为4颗，最多可达11颗。空间星座部分8.1.1GPS的组成基本情况:空间星座部分83GPS卫星组成：GPS卫星的核心部件是高精度的时钟、导航电文存储器、双频发射和接收以及微处理机。每颗GPS工作卫星一般安设2台铷原子钟和2台铯原子钟，并计划未来采用更稳定的氢原子钟（其频率稳定度优于10-14s）。GPS卫星虽然发送几钟不同频率的信号，但是它们均源于一个基准信号10.23MHz）。卫星钟由地面站检验，其钟差、钟速连同其他信息由地面站注入卫星后，再转化给用户设备。8.1.1GPS的组成GPS卫星组成：8.1.1GPS的组成84地面监控部分地面监控系统作用：确保GPS系统的良好运行。地面监控的任务：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钟状态；向每颗卫星的数据存储器注入卫星导航数据。地面监控部分的组成：一个主控站、五个监测站和三个注入站。8.1.1GPS的组成地面监控部分8.1.1GPS的组成85用户设备部分主要包括：GPS接收机及其天线、微处理器及其终端设备以及电源等。而其中接收机和天线是用户设备的核心部分。8.1.1GPS的组成天线单元

接收天线和前置放大器两个部分组成，可接收来自任何方向的GPS信号，可将极微弱的GPS信号电流予以放大。用户设备部分8.1.1GPS的组成天线单元86接收单元信号波道和微处理机构成接收单元的核心部件。利用多个波道同时对多个卫星进行观测。微处理机能选择合适的卫星进行测量，以获得最佳的几何图形；能根据观测值及卫星星历求得所需的定位信息。8.1.1GPS的组成接收单元8.1.1GPS的组成87SA（SelectiveAvailability）技术AS（Anti-Spoofing）技术SA和AS技术对定位的影响8.1.3限制性政策与反限制措施美国对GPS用户的主要限制性政策8.1.3限制性政策与反限制措施美国对GPS用户的主要88建立独立自主的卫星导航与定位系统载波相位动态测量相对定位技术（RTK）开发GPS与GLONASS兼容接收机差分定位技术反限制性政策的主要技术和方法

8.1.3限制性政策与反限制措施建立独立自主的卫星导航与定位系统反限制性政策的89GLONASS全球导航定位系统Galileo卫星导航定位系统北斗卫星导航定位系统8.1.4其他卫星定位导航系统GLONASS全球导航定位系统8.1.4其他卫星定位导航系90地固坐标系：固结在地球上和地球一起公转和自转的地球坐标系，描述GPS接收机载体在地球表面的运动状态很方便。

天球坐标系：与地球自转无关，描述绕地球质心作圆周运动的卫星运动状态和确定卫星的运行轨道很方便。

天球坐标系是采用球面坐标系定义的。8.2.1GPS导航定位中的坐标系统

地固坐标系是用一辅助面（参考椭球面）定义的。地固坐标系：固结在地球上和地球一起公转和自转的地球坐标系，描91恒星时以春分点为参考点，其时间尺度为：春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒星日，一恒星日分为24个恒星时。恒星时以春分点通过本地子午圈时刻为起算原点。8.2.2GPS导航定位中的时间系统

恒星时ST（SiderealTime）恒星时以春分点为参考点，其时间尺度为：春分点92平太阳时MT（MeanSolarTime）

平太阳时的时间尺度为：平太阳连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一平太日，一平太日分为24平太时。平太阳的运动速度等于真太阳周年运动的平均速度。世界时UT（UniversalTime）

世界时UT是以平子夜为零时算起的格林威治平太阳时。

8.2.2GPS导航定位中的时间系统

平太阳时MT（MeanSolarTime）8.2.2G93原子时ATI（InternationalAtomicTime）

原子时的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。协调世界时UTC（CoordinatedUniversalTime）UTC是与地球自转相一致的尺度均匀的时间系统。

8.2.2GPS导航定位中的时间系统

原子时ATI（InternationalAtomicTi94

GPS定位的基本原理：利用无线电测距交会确定点位的方法，利用3颗以上卫星的已知空间位置交会出地面位置点（用户接收机）的位置。

广播信号包含3种成分：D码、C/A码和P码或Y码、载波信号（L1和L2）。8.3.1GPS卫星的广播信号GPS定位的基本原理：利用无线电测距交会确定点位的方法95伪距：就是由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速得出的量测距离。伪距法定位：是由GPS接收机在某一时刻测出4颗以上GPS卫星的伪距，并根据已知的卫星位置，采用距离交会法确定接收机天线所在点的三维坐标。

8.3.2伪距测量原理8.3.2伪距测量原理96伪距测量原理图

8.3.2伪距测量原理伪距测量原理图8.3.2伪距测量原理978.3.3载波相位测量原理

载波相位测量的观测量是GPS接收机所接收的卫星载波信号与接收机本振参考信号的相位差。8.3.3载波相位测量原理载波相位测量的观98

整周未知数的确定伪距法多普勒法将整周未知数作为平差中的待定参数

整周跳变：接收机在跟踪卫星过程中，整周计数部分应当是连续的。如果在跟踪卫星过程中，由于某种原因，计数器就无法连续计数。此时，当信号重新被跟踪后，整周计数就不正确。8.3.3载波相位测量原理

整周未知数的确定8.3.3载波相位测量原理998.3.4绝对定位和相对定位

绝对定位：即单点定位，利用GPS卫星和用户接收机之间的距离观测值直接确定用户接收机天线在WGS-84坐标系中的相对于坐标系原点——地球质心的绝对位置。绝对定位又分为动态绝对定位和静态绝对定位。相对定位：是用至少两台GPS接收机，同步观测相同的GPS卫星，确定两台接收机天线之间的相对位置（坐标差）。它是目前GPS定位中精度最高的一种定位方法。8.3.4绝对定位和相对定位100绝对定位伪距观测方程的线性化线性化的伪距测量观测方程为：8.3.4绝对定位和相对定位

绝对定位8.3.4绝对定位和相对定位101令伪距线性方程可以改写为：由观测站同步跟踪4颗卫星，则j＝1，2，3，4，采用矩阵形式伪距法绝对定位的解算8.3.4绝对定位和相对定位

令伪距法绝对定位的解算8.3.4绝对定位和相对定位102上式简化为：当跟踪的卫星数目多于4颗时，可应用最小二乘平差求解8.3.4绝对定位和相对定位

上式简化为：8.3.4绝对定位和相对定位103假定用户初始位置及时钟偏差；用已知卫星的在轨位置及时钟偏差，对上述矩阵及方程式进行求解；利用求出的用户位置偏差，得出用户实际位置；重复迭代，直至第n+1次算出的用户位置约等于第n次算出的用户位置即可。计算步骤：8.3.4绝对定位和相对定位

假定用户初始位置及时钟偏差；计算步骤：8.3.4绝对定位104相对定位是用两台接收机分别安置在基线的两端，同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点的相对位置或基线向量。观测值的线性组合作用:观测量的不同组合（求差），可以有效地消除或减弱相关误差的影响。静态相对定位（静态差分定位）8.3.4绝对定位和相对定位

相对定位是用两台接收机分别安置在基线的两端，105求差方法：可以在卫星间求差，在接收机间求差，也可以在不同历元间求差。

求差类别：一次差；二次差；三次差。

一次差为：

作用：可以消除与卫星有关的载波相位及其钟差项。8.3.4绝对定位和相对定位

求差方法：可以在卫星间求差，在接收机间求差，也8.3.106求差法示意图8.3.4绝对定位和相对定位

求差法示意图8.3.4绝对定位和相对定位107二次差分：

设在ti时刻，对k、j卫星观测值的站间单差观测值求差，有：作用：可以消除与接收机有关的载波相位及其钟差项8.3.4绝对定位和相对定位

二次差分：8.3.4绝对定位和相对定位108三次差分：

对ti时刻的双差观测值与ti+1时刻的双差观测值求差，有：作用：可消除与卫星和接收机有关的初始整周模糊度。8.3.4绝对定位和相对定位

三次差分：8.3.4绝对定位和相对定位109单差观测方程的方程模型

如果同步观测n个卫星，可列出n个误差方程按最小二乘法原理对误差方程求解，可得待定点坐标改正数、钟差等未知参数。8.3.4绝对定位和相对定位

单差观测方程的方程模型8.3.4绝对定位和相对定位110双差观测方程的方程模型

双差观测方程的误差形式为：同理，对于三差模型，模型中消除了整周模糊度。8.3.4绝对定位和相对定位

双差观测方程的方程模型8.3.4绝对定位和相对定位1118.3.5差分GPS（DGPS）定位原理

DGPS测量系统组成：动态接收机，基准接收机。DGPS的测量原理：两种接收机同步观测GPS卫星，基准接收机为动态接收机提供差分改正数（DGPS数据）。动态接收机根据DGPS数据，精确地解算出用户的三维坐标。DGPS可以有效的消除误差。8.3.5差分GPS（DGPS）定位原理DGPS测量112单站GPS差分位置差分法

在位置差分中基准接收机向动态用户发送的DGPS数据是“位置校正值”。设基准站的精密坐标为（X0，Y0，Z0），基准接收机所测出的基准站三维坐标为：X、Y、Z，则有校正值：8.3.5差分GPS（DGPS）定位原理

单站GPS差分8.3.5差分GPS（DGPS）定位原理113则，动态接收机的修正公式为:8.3.5差分GPS（DGPS）定位原理

8.3.5差分GPS（DGPS）定位原理114

考虑到用户接收机位置校正值的瞬间变化，上式可写成：伪距差分法在伪距差分中基准接收机向动态用户发送的DGPS数据是“伪距校正值”。8.3.5差分GPS（DGPS）定位原理

考虑到用户接收机位置校正值的瞬间变化，上式可写成：115载波相位差分法RTDGPS（RealTimeDGPS）测相伪距修正法

考虑星历误差引起的距离偏差、多路径效应以及接收机噪声，则基准站r与卫星j之间的伪距观测值为：为多路径效应引起的偏差，为接收机噪声

8.3.5差分GPS（DGPS）定位原理

载波相位差分法RTDGPS（RealTimeDGPS116同理，用户接收机k的伪距观测值为：又，星站间伪距改正为：当用户距基准站距离较小时（<100km），有：为残差8.3.5差分GPS（DGPS）定位原理

同理，用户接收机k的伪距观测值为：8.3.5差分GPS（117基准接收机和用户接收机的测相伪距观测量分别为：8.3.5差分GPS（DGPS）定位原理

基准接收机和用户接收机的测相伪距观测量分别为：8.3.5118考虑到用户坐标位置和卫星三维坐标，上式变为：载波相位差分法在载波相位差分法中，基准站将载波相位观测值实时传送给用户接收机，由用户进行载波相位求差，再解算用户的位置。8.3.5差分GPS（DGPS）定位原理

考虑到用户坐标位置和卫星三维坐标，上式变为：8119广域差分

系统组成:广域差分GPS系统就是为削弱这三种误差源而设计的一种工作系统。该系统主要由主站、监测站、数据通信链路和用户设备组成。误差源主要表现为星历误差、大气延时误差和卫星钟误差。8.3.5差分GPS（DGPS）定位原理

广域差分8.3.5差分GPS（DGPS）定位原理120局部区域差分

系统构成：若干个差分GPS基准站组成一差分GPS网。测量方法：采用加权平均法或最小方差法对多个基准站的改正信息进行平差计算求得自己的坐标改正数或距离改正数。8.3.5差分GPS（DGPS）定位原理

局部区域差分8.3.5差分GPS（DGPS）定位原理1218.4GPS测量的误差分析

GPS测量的误差分类：按误差性质可分为系统误差与偶然误差。GPS测量误差的分类误差来源对距离测量的影响（m）卫星部分①星历误差；②钟误差；③相对论效应1.5～15信号传播①电离层；②对流层；③多路径效应1.5～15信号接收①钟误差；②位置误差；③天线相位中心变化1.5～15其他影响①地球潮汐；②负荷潮1.08.4GPS测量的误差分析GPS测量的误差分类：GPS测1228.4.1GPS卫星误差卫星星历误差

由星历所给出的卫星在空间的位置与实际位置之差。

星历误差对定位的影响有：对单点定位的影响

影响伪距测量的准确性。广播星历误差对测站坐标的影响一般可达数米、数十米、甚至上百米。8.4.1GPS卫星误差卫星星历误差123对相对定位的影响

相对定位时，因星历误差对两站的影响具有很强的相关性，所以在求坐标差时，共同的影响可自行消去，从而获得精度很高的相对坐标。8.4.1GPS卫星误差解决星历误差的方法有：建立区域性卫星跟踪网轨道松驰法同步观测值法对相对定位的影响8.4.1GPS卫星误差解决星历误124卫星钟误差

卫星钟的钟差包括由钟差、频偏、频漂等产生的误差，也包含钟的随机误差。相对论效应

由于卫星钟和接收机钟所处的运动状态（运动速度和重力位）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。

8.4.1GPS卫星误差卫星钟误差8.4.1GPS卫星误差1258.4.2信号传播误差

电离层折射误差

电离层中包含大量的自由电子和正离子，会使信号的路径和传播速度发生变化。这种偏差叫电离层折射误差。电离层改正公式：8.4.2信号传播误差电离层折射误差126减弱电离层影响可以采取以下措施：利用双频观测

用两个不同的频率发射卫星信号，则电离层改正项中的A相同，而且除了电离层折射的影响不同外，其余误差影响都相同。利用电离层改正模型加以改正

对于单频接收机，采用导航电文提供的电离层改正模型加以改正。8.4.2信号传播误差

减弱电离层影响可以采取以下措施：8.4.2信号传播误差127利用同步观测值求差

利用两台GPS接收机在基线两端进行同步观测，并将观测值求差。对流层折射误差

GPS信号通过对流层时，使传播的路径发生弯曲，从而使测量距离产生偏差，叫做对流层折射。多路径效应误差

反射波与直接波产生干涉，从而使观测值偏离真值所引起的误差。8.4.2信号传播误差

利用同步观测值求差8.4.2信号传播误差128反射波用表示反射波和直接波之间的程差，则有：8.4.2信号传播误差

反射波8.4.2信号传播误差129反射波和直接波间的相位延迟为：多路径效应对载波相位测量的影响直接波信号反射波信号天线实际接收的信号为8.4.2信号传播误差

反射波和直接波间的相位延迟为：8.4.2信号传播误差130实际中，有多个反射信号，则多路径误差为：消弱多路径误差的方法：选择合适的站址对接收机天线的要求在天线中设置抑径板；接收机天线对于极化特性不同的反射信号应该有较强的抑制作用。

8.4.2信号传播误差

实际中，有多个反射信号，则多路径误差为：8.4.2信号传1318.4.3接收机误差接收机钟误差

减弱接收机钟差的方法：通过在卫星间求一次差来消除接收机的钟差并将接收机钟差表示为时间多项式，在观测量平差计算中求钟差。8.4.3接收机误差接收机钟误差132接收机安置误差

接收机天线相位中心相对于测站标志中心位置的偏差。天线相位中心位置偏差

观测时相位中心的瞬时位置与理论上的相位中心的不同。8.4.3接收机误差接收机安置误差8.4.3接收机误差133靶场导弹自动摄像测量系统（MAMS）是西安交通大学自动制研究所与中国科学院西安光机所合作为空军某基地开发的，是为了跟踪空中飞行目标而研制的一种小型光学自动摄像测量系统。该系统能够自动搜索、跟踪、摄像和进行数据处理，它利用先进的GPS引导技术和雷达引导技术实现自动跟踪，并能够得到目标的视频图像。

8.5.1靶场导弹自动摄像测量系统

靶场导弹自动摄像测量系统（MAMS）是西安交通大学134系统结构整个系统可以看作由三部分组成：引导系统、通讯系统和位置跟踪系统。引导系统给出了目标的位置信息，通过通讯系统发送给观测站的观测设备，观测设备中的计算机对这些引导信息进行处理后，将其转换成为控制数据驱动伺服系统带动光学设备跟踪目标，并拍摄目标的图像。8.5.1靶场导弹自动摄像测量系统

系统结构8.5.1靶场导弹自动摄像测量系统135靶场导弹自动摄像测量系统总体原理框图8.5.1靶场导弹自动摄像测量系统

靶场导弹自动摄像测量系统总体原理框图8.5.1靶场导弹136引导系统

GPS引导系统原理图8.5.1靶场导弹自动摄像测量系统

引导系统GPS引导系统原理图8.5.1靶场导弹自动摄像测137雷达引导系统原理图8.5.1靶场导弹自动摄像测量系统

雷达引导系统原理图8.5.1靶场导弹自动摄像测量系统138通讯系统

为了保证系统能够正常工作，需要将引导信息传送给观测站，这部分工作由通讯系统来完成，可分为GPS通讯和雷达通讯。此外，还需要将测