GPS重点笔记专业资料

第一章：绪论1、子午卫星导航系统(NNSS：海军卫星导航系统)：·美国研制；运用多普勒卫星定位技术进行测速、定位·系统长处：经济迅速、精度均匀、能提供地心坐标、不受天气时间限制·系统缺陷：①观测时间长(一两天)②不能进行持续、实时定位③精度较低，限制了其应用①GPS卫星星座(空间某些)：·工作卫星编号：在导航定位测量中，普通采用PRN(伪随机噪声码)编号②地面监控系统(地面控制某些)：三个注入站、五个监测站·主控站任务：收集解决资料、纠正轨道偏离、监测地面监测系统工作·注入站任务：将主控站发来导航电文注入到相应卫星存储器b.监测和控制GPS卫星上各种设备正常工作、卫星沿预定轨道运营S③GPS信号接受机(顾客设备某些)：g应用广·系统构成：空间卫星星座(铯原子钟)、地面控制、顾客设备·系统长处：不带任何限制和收费，可供国防和民间使用·系统缺陷：由于经费紧张，在轨卫星数较少，局限性以精准定位4、伽利略(GALILEO)系统实行筹划未实现)心②更多载波频率和测距信号③向顾客提供完好性信息④⑤提供与外部增值服务接口⑥第二章：坐标系统等功能卫星定位系统·系统构成：空间某些(2+1颗卫星)、地面中心站、顾客某些卫星数量少、投资小，能实现一定区域导航定位②具备短信通信功能，可满足国内陆海空运送导航定位规定★系统缺陷：①不能覆盖两级地区，赤道附近定位精度差②二维积极式测距(接受卫星信号，且发射应答信号)，隐蔽性差③顾客不能自己解决观测数据，需要依托地面空间站来计算GALILEO卫星数6轨道数66卫星周期卫星高度/Km0轨道倾角卫星信号模式CDMAFAMACDMA普通定位精度0m精密定位精度设计寿命/年·岁差：地轴相对于空间变化(周期260)·章动：地轴方向相对于空间变化(周期18.6年，振幅约为9.21’’)·CIO：国际合同原点：地球自转轴瞬时位置平均位置ERP参数和描述极移参数★定义坐标系统要素：原点位置、尺度、坐标轴指向、曲面物理参数(用于曲面坐标)和坐标系两方面要素构成了完整坐标参照系统(1)瞬时坐标系统：以历元t瞬时基准定义。特点：变化大、不唯一(2)平坐标系统：通过对瞬间坐标系统进行一定改正后某历元t瞬间基准定义特点：有变化规律，不唯一(3)合同坐标系统：商定某瞬间坐标系统。特点：唯一★包括方面：基准和坐标系之间转换求法：①运用公共点两套坐标值通过最小二乘法计算转换参数②运用基线向量求转换参数(1)天球坐标系：相对于空间固定，用于研究天体和人造卫星定位与运动(2)地球坐标系：相对于地球固定，用于研究地球上物体定位与运动，是以旋转椭球为参照体建立坐标系统，随同地球自转，点位坐标不会随处球自转而变化(3)轨道坐标系：用于研究卫星在其运营轨道上运动·天球子午面：包括天轴并通过地球上任一点平面天球子午圈：天球子午面与天球相交大圆·黄道：地球公转轨道面与天球相交大圆，即太阳在天球上运动轨迹·黄极：通过天球中心且垂直于黄道面直线与天球交点(1)时角赤道坐标系(赤纬、时角、地心向径)(2)赤经赤道坐标系(赤纬、赤经、地心向径)(3)天球地平坐标系(高度角、方位角、地心向径)(4)空间直角坐标系：天轴为Z轴(1)瞬时极天球坐标系：以瞬时北天极和瞬时春分点为基准建立天球坐标系标系(2)平天球坐标系：通过对瞬时天球坐标系岁差旋转变换、章动旋转变换来实现(3)合同天球坐标系：将瞬时极天球坐标系和平天球坐标系坐标转换中观测历元t改为(1)地心空间直角坐标系(X、Y、Z)(2)地心大地坐标系(B大地纬度、L大地经度、H大地高)(3)站心地平坐标系(P1–xyz：左手直角坐标系)或(P1-rAh：极坐标系)(4)站心赤道直角坐标系：以测站点为原点，且与地心空间直角坐标系坐标值相平行9、(1)瞬时极地球坐标系(以瞬时极为基准点)·特点：由于极移影响，瞬时极地球坐标系随时间而变化，不便于描述地球上点位置(2)合同地球坐标系——平地球坐标系(以CIO为基准点)(3)瞬时极天球坐标系(ct)与瞬时极地球坐标系(et)坐标转换：(两者只是x轴指向不同，故只存在简朴旋转关系)9：相应格林尼治平子午面真春分点时角G★10、地球坐标系举例：(1)54北京坐标系；(2)80西安坐标系；(3)国家坐标系yy||||zGyct(4)WGS–84坐标系；(5)PZ–90坐标系第二章：时间系统·在同一瞬间，两地同一类地方时之差等于两地经度差(1)世界时系统：以地球自转运动为基准建立时间系统涉及：恒星时ST、太阳时(真太阳时、平太阳时、世界时)(2)力学时系统：以地球公转运动为基准建立时间系统(3)原子时系统：以物质内部原子运动为基本(4)其她：UTC——协调世界时；GPRT——GPS时间系统★定义：以春分点为参照点，由春分点周日视运动所定义时间系统★恒星日：春分点持续两次通过本地子午圈时间间隔为一恒星日★特点：①地方性：同一瞬间不同测站恒星时时不同，因此恒星时也成地方时恒星时★定义：以真太阳为基本参照点，由其周日视运动拟定期间★真太阳时：真太阳持续两次通过某地上子午圈(上中天)所经历时间★特点：①不均匀性：②地方性(太阳周年视运动不均匀性，是由地球绕太阳公转不均匀性引起。再者，由于黄赤交角存在，虽然太阳在黄道上均匀运动，其在赤道上投影也是不断变化)5、平太阳时(MT)：★平太阳：为弥补真太阳时不均匀缺陷而假象一种太阳★平太阳特点：①周年视运动周期与真太阳周年视运动周期相似②周年视运动在赤道而不是黄道上，且在赤道上时匀速·平太阳日：以假象太阳为参照点，平太阳持续两次通过同一子午圈时间间隔★定义：以格林尼治平子夜为零时起算点平太阳时UT度季节性改正后世界时·原子时秒：铯原子基态两个超精细能级间跃迁辐射振荡周持续时间第三章：卫星运动及卫星星历研究卫星运动基本思想：一方面研究二体问题和卫星无摄运动，再研究摄动力影响·二体问题：忽视所有摄动力，仅考虑中心引力作用，研究卫星相对地球运动·无摄运动：二体问题下卫星运动，即只考虑地球质心引力作用卫星运动·摄动力：非球形对称地球引力场对卫星产生非中心引力(10-8量级)、日月引力、太阳辐射压力、地球潮汐作用力、大气阻力(均不超过10-5量级)·瞬时轨道(摄动轨道)：卫星运动真实轨道，即卫星在各种摄动力影响下轨道·瞬时轨道参数：卫星在地球质心引力和各种摄动力影响下轨道参数★开普勒运动：卫星在地球引力场中无摄运动，称开普勒运动·开普勒第二定律：卫星向径在相似时间内扫过面积相等·开普勒第三定律：卫星周期平方，与轨道椭圆长半径立方之比为常量(1)a：轨道长半径(2)e：轨道椭圆扁心率(3)Ω：升交点赤经：地球赤道面上升交点与春分点之间地心夹角(4)i：轨道面倾角：卫星轨道平面与地球赤道面之间夹角·(这两个参数唯一地拟定了卫星轨道平面与地球体之间相对定位)(5)ω：近地点角距：在轨道平面上，升交点与近地点之间地心夹角(6)V：卫星真近点角：在轨道平面上卫星与近地点之间地心角距·(该参数为时间参数，拟定卫星在轨道上瞬时位置)·定义：描述卫星运动轨道信息一组数据，即是一组相应某一刻轨道参数及其变率照历元卫星开普勒轨道参数★预报星历(广播星历)：：可通过导航电文实时地得到卫星预报星历S★后解决星历(精密卫星星历)第四章：导航电文和卫星信号星历、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码等导航信息数据码(D码)，是顾客用来定位和导航数据基本·格式：①二进制编码文献，按规定格式构成数据帧，按帧向外播发。储该卫星广播星历和卫星钟修正参数，每小时更新一次)和子帧4、5每一CA特点：页，均构成一种主帧 (2)转换码(HOW)：位于每个子帧第二个字码，重要功能是向顾客提供用于捕 (3)第一数据块：位于第一子帧第3~10字码。③星期序号WN④卫星时钟改正 2、·Z计数：就是一种时间计数，它以从每星期起始时刻开始播发D码(导航电文)子帧★码(码序列)：表达不同信息二进制数及其组合★码元：在二进制中，一位二进制数叫做一种码元或一比特★编码：将各种信息，如声音、图像、文字等通过量化，并按照某种预定规则，表达为二进制数组合形式，这一过程称为编码★数码率：在二进制数字化信息传播中，每秒钟传播比特数。单位bit/s★三种信号分量：载波、测距码、数据码L2载波：P码(或Y码)、数据码(1)码长很短，易于捕获；(2)码元宽度较大，测距精度较低，故称为粗码·P(y)码(精码)特点：P(2)码元宽度仅为C/A码十分之一，测距精度高，故称精测码(3)P码为军用5、伪随机噪声码(PRN)：★定义：是一组具备良好自有关特性、且按照某种拟定编码规则产生具备一定周期、容★产生原理：产生于最长线性反馈移位寄存器★m序列：由最长线性反馈移位寄存器产生码序列(1)均衡性：“1”和“0”数目基本相等(2)游程分布：相似码元连在一起称为一种游程(4)自有关函数：(5)伪噪声特性和测量GPS卫星导航定位信号无线电接受设备(3)电源★分类：(1)按接受机用途：导航型接受机、测地型接受机、授时型接受机(2)按接受信号频率：单频接受机、双频接受机(3)按信号通道类型：多通道接受机、序贯通道接受机、多路复用通道接受机(4)按工作原理：码有关型、平方型、混合型、集成接受机、软件接受机(5)按能否从信号中提取导航电文：有码接受机、无码接受机(6)按测定测距码类型：C/A码接受机、P码接受机★概念：GPS卫星信号经由天线进入接受机“途径”★作用：分离接受到不同卫星信号，实现对各卫星信号跟踪、解决和量测，获得定位所需要数据和信息(2)依照通道工作原理③多通道③码相位型通道速度和时间，甚至三维姿态参数，并保证它们达到稳定可靠高精度第五章：GPS定位基本原理(1)码相位观测量：测码伪距天线传播时间，也成为时间延迟测量GPSGPS时之间时间偏差③电离层延迟引起距离偏差④对流层延迟引起距离偏差⑤相对论效应、多途径效应、地球固体潮影响、伪距测量噪声等 (2)载波相位观测量：测相位伪距·载波重建：进行载波相位测量此前，一方面要进行解调工作，设法将调制在载波上测距码和卫星电文去掉，重新获取载波，这一工作称重建载波2、整周未知数拟定：(1)伪距法：在进行载波相位测量同步又进行了伪距测量，将伪距观测值减去载波相位实际观测值后即可得到整周未知数(2)典型办法：将整周未知数当做平差中待定参数①短基线定位时采用整数解、②长基线定位时采用实数解(3)多普勒法(三差法)(4)迅速拟定整周未知数法3、整周跳变修复：★整周跳变：在跟踪卫星过程中，由于某种因素，计数器无法持续计数，当信号重新被象称为周跳⑤在卫星间求差法、⑥依照平差后残差发现和修复整周跳变(1)根据定位所采用观测值类型：(2)依照接受机运动状态：①静态定位、②动态定位(3)按照参照点不同位置：定位、②相对定位：离。由于卫星钟、接受机钟误差以及卫星信号通过电离层和对流层中延迟影响，称其为“伪距”。星位置，采用距离交会办法求定接受机天线所在点三维坐标GPS卫星和顾客接受机之间距离观测值直接拟定顾客接之间相对位置(坐标差)，定位精度较高·概念：接受机天线处在静止状态下，拟定观测站坐标办法称为静态绝对定位法·分类：①测码伪距静态绝对定位、②测相位伪距静态绝对定位(1)平面位置精度因子HDOP及其平面位置精度(2)高程精度因子VDOP及其高程精度(3)空间位置精度因子PDOP及其三维定位精度(4)接受机钟差精度因子TDOP及其钟差精度(5)几何精度因子GDOP及其三维位置和时间误差综合影响中误差线端点相对位置或基线向量(坐标差)。在相对定位中需要给出各种观测站中至★观测值线性组合：在接受机间求差、在卫星间求差、在观测历元之间求差接受机持续跟踪视场中所有可见卫星；别的接受机(流动站)分别设立在时拟定流动站接受机瞬时位置①单基准站差分、②各种基准站局部区域差分、③广域差分(2)依照基准站发送改正信息类型和内容不同：①位置差分、②伪距差分、③相对平滑伪距差分、④载波相位差分(1)一次差分：将原始观测值直接相减，·单差观测值：一次差分所得成果作为虚拟观测值，叫做载波相位一次差或单差①在接受机间求一次差分(站间单差)：可以消除与卫星关于误差项影响②在卫星间求一次差分(星间单差)：可以消除与接受机关于误差项影响③在观测历元间求一次差分(历元间单差)：可以消除整周模糊度参数(2)·二次差分：对载波相位观测值一次差分观测值继续求差·二差观测值：二次差分所得成果被当做虚拟观测值，称为二次差分观测值①星站二次差分或站星二次差分：可以消除与卫星、接受机关于误差项影响②星际历元双差③站际历元双差(3)·三次差分：对二次差分观测值继续求差·三差观测值：三次差分所得成果被当做虚拟观测值，称为三次差分观测值卫星某些信号传播信号接受其她方面卫星星历误差、卫星钟误差、相对论效应电离层折射、对流层折射、多途径效应钟误差、位置误差、天线相位中心变化地球潮汐、负荷潮(1)卫星星历误差：★概念：由卫星星历所给出卫星在空间位置与实际位置之差②轨道松弛法(轨道改进法)：半圆弧法、短弧法③同步观测值求差法(2)卫星钟差：★概念：卫星钟时间和原则GPS时之间时间偏差，涉及由钟差、频偏、频漂等产生误差，也包括钟随机误差4、与信号传播关于误差②在接受机间求差③采用精密卫星钟(3)相对论效应：接受机钟之间产生相对钟误差现象(1)接受机钟差：式，然后在平差计算中以多项式系数为参数进行解算③通过在卫星间求一次差办法来消除接受机钟差(等效于①)。(2)接受机位置误差：差，涉及天线置平和对中误差、量取天线高误差(3)天线相位中心位置偏差：·概念：观测时相位中心瞬时位置与理论上相位中心位置之间差别②运用同步观测值求差(1)电离层折射误差②运用电离层改正模型加以修正③运用同步观测值求差(2)对流层折射误差为40km如下大气底层★特点：①对流层属于非弥散性介质，电磁波在其中传播与频率无关②引入描述对流层折射影响附加待估参数，在数据解决中一并求得③运用同步观测量求差④运用水汽辐射计直接测定信号传播影响勃兰特公式正精度重要因素(3)多途径误差：受机天线，并和直接来自卫星信号(直接波)产生干涉，从而使观测值偏离真值★多途径效应：由于多途径信号传播所引起干涉时延效应②选取造型适当、屏蔽良好天线③延长观测时间，削弱多途径效应周期性影响5、★固体潮：在日月引力作用下，固体地球产生周期性弹性形变(地球并非刚体)称负荷潮汐，例如海潮(1)技术方案设计、(2)外业实行、(3)内业数据解决★2、·观测时段：测站开始接受卫星信号到观测停止(涉及信号中断)，持续工作时间·独立观测环：独立观测基线向量构成闭合环该多边形环路叫做异步观测环PS(1)跟踪站式；(2)会战式(A、B级网观测惯用方式)(3)单基准站式(星形网)；(4)多基准站式(枢纽点式)(5)同步图形扩展式(1)点连式：相邻同步图形之间仅有一种公共点链接(2)边连式：相邻同步图形之间由一条公共基线链接(3)网连式：相邻同步图形之间有两个以上公共点相链接(4)边点混连式：把点连式与边连式有机地结合起来，进行GPS网布设(5)三角锁(或多边形)连接：点连式或边连式构成持续发展三角锁连接图形(6)导线网环形链接(环形网)(1)GPS网规模大小；(2)点位精度规定(3)GPS卫星星座几何图形强度(PDOP)；(4)参加作业接受机数量(5)交通、通信及后勤保障(食宿、供电等)(1)编制GPS卫星可见性预报图(2)选取卫星几何图形强度(绝对定位或相对定位，PDOP值不应不不大于6)(3)选取最佳观测时段(卫星多于4颗且分布均匀，PDOP值不大于6时段)(4)观测区域设计与划分(5)编排作业调度表(6)GPS测量外业观测告知单选点→标志埋设→观测(天线安顿→开机观测→观测记录)(1)典型静态相对定位(2)迅速静态定位(3)准动态定位(4)来回式重复设站(5)动态定位(6)RTK作业模式(1)迅速静态RTK测量：·合用：都市、矿山等区域性控制测量、工程测量和地籍测量(2)准动态RTK测量：地籍测量、碎布测量、路线测量和工程放样·特点：规定接受机在观测过程中，保持对所测卫星持续跟踪，一旦发生失锁，需重新进行初始化设立(3)动态RTK测量★数据采集→数据传播→预解决→基线解算→GPS网平差据预解决①载波相位和伪距观测值文献②星历参数文献④测站信息文献①对原始数据进行平滑滤波检查，剔除粗差②统一数据文献格式并将各类数据文献加工成原则化文献(GPS卫星轨道原则化、卫星钟差原则化、观测值文献原则化)③找出整周跳变点并修复观测值④对观测值进行各种模型改正(1)建立双差观测值模型(2)构成法方程并解算(3)精度评估：①单位权中误差估值、②平差值估值(4)成果分析(1)观测值残差和单位权中误差分析；②也许存在系统误差③也许是起算数据存在问题，如卫星星历误差(2)基线长度精度分析(3)每个时段同步观测数据检核·数据剔除率：指剔除观测值个数与应获取观测值个数比值(应不大于10%)(4)重复观测边检核立观测成果基线边(5)基线向量闭合环计算及检核；①同步观测环坐标闭合差理论值为0②异步观测环坐标分量闭合差和环全长闭合差在一定(6)双差固定解与双差实数解①短基线状况：固定解优于实数解，但相差应为厘米极，否则观测值质量不佳②较长基线状况：普通以双差实数解为佳★定位正果：WGS-84坐标系下单点定位坐标以及相对定位中结算基线向量，其中点位坐标为三维直角坐标(X、Y、Z)或三维大地坐标(B、L、H)WPS4坐标系转化为国家大地坐标系或地方坐标系·坐标转换：(1)运用已知重叠点三维直角坐标(或大地坐标)进行坐标转换法(2)运用已知重叠点二维高斯平面坐标(或大地坐标)进行坐标转换·协因数阵转换：按误差传播率转换，转换前需进行线性化移★GP