GPS 测量原理及应用课件VIP

概论GPS的发展与由来2.GPS的组成3.GPS的特点4.美国政府的GPS政策5.GPS发展趋势GPS的发展与由来1957年10月4日前苏联发射了人类的第一颗人造地球卫星；美国科学家利用多普勒频移原理于1967年7月建成了卫星导航定位系统TRANSIT（子午卫星系统）；美国国防部从1973年开始筹建GPS，整个GPS系统于1994年3月全部建成。

GPS系统是20世纪空间技术上最重大的成就一，它是继阿波罗计划、航天飞机计划之后的又一庞大的空间计划。2.GPS组成

空间卫星部分

24颗卫星6个轨道轨道高度20200KM运行周期11小时58分地面监控部分监测站主控站注入站

用户设备部分GPS接收机天线硬件软件包2.GPS组成（续）GPS卫星的发展可分为五个阶段：

BlockⅠBlockⅡ、BlockⅡABlockⅡR、BlockⅡF

GPS空间卫星部分GPS的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成。分为主控站、监控站和注入站。主控站位于美国克罗拉多Colorado的法尔孔Falcon空军基地。它的作用是根据各监控站根据GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去。同时它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时调度备用卫星替代失效的工作卫星工作。主控站也具有监控站的功能。监控站有五个。除了主控站外其它四个分别位于夏威夷(Hawaii)、阿松森群岛(Ascencion)、迭哥伽西亚(DiegoGarcia)、卡瓦加兰(Kwajalein)。监控站的作用是接收卫星信号、监测卫星的工作状态。注入站有三个。分别位于阿松森群岛、迭哥伽西亚、卡瓦加兰。注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。地面控制系统3.GPS的特点

◆

GPS相对传统的测量技术

◆

GPS相对其它导航系统

惯性导航系统（INS）Loran-C观测站间无需通视定位精度高（绝对精度10米，相对精度2毫米）观测时间短操作简单全天候作业4.美国政府的GPS政策(P64-66)(1)提供不同的用户服务方式(2)实施SA（选择可用性）政策(3)实施AS（精码加密）政策4.美国的GPS政策(续）(1)提供不同的用户服务方式

精密定位服务

PPS（PrecisePositioningService）标准定位服务SPS(StandardPositioningService)GPS卫星发射的无线电信号含有二种精度不同的测距码P码（又称精码）军用PPS定位服务

C/A码（又称粗码）民用

SPS定位服务

P码获得较高的定位精度，单点实时定位精度可优于10米C/A码获得较低的定位精度，单点实时定位精度约为30-40米左右4.美国GPS的政策(续）

(2)实施SA政策SA----SelectiveAvailability（选择可用性）

SPS定位服务中加干扰技术-技术-技术干扰卫星星历引入高频抖动实施SA政策：水平定位100米，垂直定位150米（2000年5月前）4.美国政府的GPS的政策（续）(3)实施AS政策AS--Anti-Spoofing(精码P码加密)AS--反电子欺骗PWY特许用户和非特许用户定位精度

4.美国政府的GPS政策（续）非特许用户对策

研究差分GPS技术建立独立卫星定位系统

GLONASS伽利略(Galileo)北斗开发组合接收机和组合系统

GPS/GLONASSGPS/INS5.

GPS发展趋势1）GIS/GPS/RS组成的3S集成系统

GIS—地理信息系统

RS---遥感2）GPS/INS组合导航系统

INS---惯性导航系统3）GNSS/全球卫星系统

GNSS---GlobalNavigationSatelliteSystem中国---双星定位（北斗1号）前苏联---GLONASS欧洲空间局---伽利略(Galileo)GLONASS系统

GLONASS是GLObalNAvigationSatelliteSystem(全球导航卫星系统)的字头缩写，是前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的卫星定位系统，也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。现在由俄罗斯空间局管理。

GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组成，均匀分布在3个近圆形的轨道平面上，每个轨道面8颗卫星，轨道高度19100公里，运行周期11小时15分，轨道倾角64.8°。

与美国的GPS系统不同的是GLONASS系统采用频分多址(FDMA)方式，根据载波频率来区分不同卫星（GPS是码分多址（CDMA），根据调制码来区分卫星）。每颗GLONASS卫星发播的两种载波的频率分别为L1=1,602+0.5625k(MHz)和L2=1,246+0.4375k(MHz)，其中k=1～24为每颗卫星的频率编号。所有GPS卫星的载波的频率是相同，均为L1=1575.42MHz和L2=1227.6MHz。

GLONASS卫星的载波上也调制了两种伪随机噪声码：S码和P码。

GLONASS系统从理论上有24颗卫星，但由于卫星使用寿命和资金紧张等问题，实际上目前只有8颗。

GLONASS系统单点定位精度水平方向为16m，垂直方向为25m。

伽俐略系统系统组成：①卫星星座：由3个独立的圆形轨道，30颗GNSS卫星组成（27颗工作卫星，3颗备用卫星）。卫星的轨道倾角i=56°；卫星的公转周期T=14h23m14S恒星时；轨道高度H=23616km。②地面系统：在欧洲建立2个控制中心；在全球构建监控网。③定位原理：与GPS相同。④定位精度：导航定位精度比目前任何系统都高。计划实施：①1994年开始进入方案论证阶段；②2003年开始发射两颗试验卫星进入试验阶段；③2008年整个伽利略（GNSS）系统建成并投入使用；1.简述GPS的基本组成2.简述GPS的定位服务方式及相应的定位精度3.举例说明GPS的应用提示：精密测量，智能交通，城市规化，军事应用，旅游探险习题

GPS定位方法及误差分析定位方法分类2.观测量的基本概念3.GPS定位的误差源4.GPS定位基本原理定位方法分类按参考点的不同位置划分为：（1）绝对定位（单点定位）：在地球协议坐标系中，确定观测站相对地球质心的位置。（2）相对定位：在地球协议坐标系中，确定观测站与地面某一参考点之间的相对位置。GPS定位方法分类按用户接收机作业时所处的状态划分：（1）静态定位：在定位过程中，接收机位置静止不动，是固定的。静止状态只是相对的，在卫星大地测量中的静止状态通常是指待定点的位置相对其周围点位没有发生变化，或变化极其缓慢，以致在观测期内可以忽略。（2）动态定位：在定位过程中，接收机天线处于运动状态。GPS定位方法分类1.GPS定位方法分类绝对定位静态定位动态定位相对定位静态定位动态定位定位方式基本频率10.23MHzL1载波1575.42MHzL2载波1227.60MHzC/A码1.023MHzP码10.23MHzP码10.23MHz数据码50BPS数据码50BPS15412010204600GPS卫星信号包含三种信号分量：载波、测距码和数据码。信号分量的产生都是在同一个基本频率f0=10.23MHz的控制下产生，GPS卫星信号示意图如下GPS基本观测量（回忆）2.GPS观测量的基本概念(P49-52)伪距观测值载波相位观测值C/A码，码元宽293M，精度2.9MP码，码元宽29.3M，精度0.29ML1载波，波长19cm，精度0.19cmL2载波，波长24cm，精度0.24cm原始观测量载波相位观测值优点：观测值精度高，用精密定位存在问题整周不确定（模糊度解算）整周跳变现象2.GPS观测量的基本概念（续）码相位观测伪距载波相位观测伪距卫星r

是已知值P是测量值R是未知值对于某颗卫星：什么叫伪距？所测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所得出的量测距离。由于卫星时钟、接收机时钟的误差以及无线电信号经过电离层和对流层中的延迟，实际测出的距离与卫星到接收机的几何距离有一定差值，因此一般称量测出的距离为伪距。用C/A码进行测量的伪距为C/A码伪距，用P码测量的伪距为P码伪距。伪距概念2.GPS观测量的基本概念（续）伪距法定位特点伪距法定位虽然一次定位精度不高，P码定位误差约为10m，C/A码定位误差为20-30m，但因其具有定位速度快，且无多值性问题等优点，仍然是GPS定位系统进行导航的最基本方法。同时，所测伪距又可作为载波相位测量中解决整波数不确定问题（整周模糊度）的辅助资料。伪距定位观测方程假设卫星至观测站的几何距离为

ij，在忽略大气影响的情况下可得相应的伪距：当卫星钟与接收机钟严格同步时，上式所确定的伪距即为站星几何距离。为伪距，为真正几何距离，为接收机和卫星之间钟差。通常GPS卫星的钟差可从卫星发播的导航电文中获得，经钟差改正后，各卫星之间的时间同步差可保持在20ns以内。如果忽略卫星之间钟差影响，并考虑电离层、对流层折射等影响，可得：伪距定位观测方程伪距定位观测方程几何距离与卫星坐标（Xs,Ys,Zs）和接收机坐标（X,Y,Z）之间有如下关系：其中卫星坐标可根据卫星导航电文求得，所以式中只包含接收机坐标三个未知数。由于电离层改正数和对流层改正数可以按照一定的模型求解出，那么如果将接收机钟差也作为未知数，则共有四个未知数。因此，接收机必须同时至少测定四颗卫星的距离才能解算出接收机的三维坐标值。测码伪距观测方程的常用形式如下：伪距定位观测方程式中j为卫星数，j＝1，2，3…。GPS载波相位测量载波相位测量是测量接收机接收到的具有多普勒频移的载波信号，与接收机产生的参考载波信号之间的相位差，通过相位差来求解接收机位置。由于载波的波长远小于码长，C/A码码元宽度293m，P码码元宽度29.3m，而L1载波波长为19.03cm，L2载波波长为24.42cm，在分辨率相同的情况下，L1载波的观测误差约为2.0mm，L2载波的观测误差约为2.5mm。而C/A码观测精度为2.9m，P码为0.29m。载波相位观测是目前最精确的观测方法。载波相位测量观测方程载波相位观测的的观测量是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。以表示k接收机在接收机钟面时刻tk时所接受到的j卫星载波信号的相位值，表示k接收机在钟面时刻tk时所产生的本地参考信号的相位值，则k接收机在接收机钟面时刻tk时观测j卫星所取得的相位观测量可写为：载波相位测量原理载波相位观测的主要问题：无法直接测定卫星载波信号在传播路径上相位变化的整周数，存在整周不确定性问题。此外，在接收机跟踪GPS卫星进行观测过程中，常常由于接收机天线被遮挡、外界噪声信号干扰等原因，还可能产生整周跳变现象。有关整周不确定性问题，通常可通过适当数据处理而解决，但将使数据处理复杂化。载波相位测量的主要问题载波相位测量值通常的相位测量或相位差测量只是测出一周以内的相位值，实际测量中，如果对整周进行计数，则自某一初始取样时刻（t0）以后就可以取得连续的相位观测值。Sj(t0)Sj(ti)N0kN0Int(φ)载波相位测量观测方程t0时刻和tk

时刻的相位观测值可以写成：接收机在跟踪卫星信号时，不断测定小于一周的相位差，并利用整周计数器记录从t0到tk

时间内的整周数变化量Int(

)，这一时间段内，要求卫星信号没有中断。如果过程中卫星失锁了，那要采取其他方法进行处理。整周未知数和整周跳变确定整周未知数N0是载波相位测量的一项重要工作，常用的方法有下列几种：1、伪距法2、经典方法－将整周未知数作为待定参数求解3、多普勒法（三差法）4、快速确定整周未知数法整周未知数和整周跳变1、伪距法伪距法是在进行载波相位测量的同时又进行了伪距测量，将伪距观测值减去载波相位测量的实际观测值（化为以距离为单位）后即可得到λ×N0。但由于伪距测量的精度较低，所以要有较多的观测值取平均值后才能获得正确的整波段数。整周未知数和整周跳变2、经典方法把整周未知数当作平差计算中的待定参数来加以估计和确定。分两种方法：（1）整数解由于误差影响，解得得整周未知数往往不是一个整数，然后将其固定为整数，并重新进行平差计算。也称为固定解（fixedsolution）（2）实数解当误差消除得不够完全时，整周未知数无法估计很准确，此时直接将实数解作为最后解。也称为浮点解（floatingsolution）整周未知数和整周跳变3、多普勒法（三差法）由于连续跟踪的所有载波相位测量观测值中均含有相同的整周未知数，所以将相邻两个观测历元的载波相位相减，就将该未知数消去，从而直接接触坐标参数，这就是多普勒法。由于三差法可以消除许多误差，所以使用较广泛。整周未知数和整周跳变4、快速确定整周位置数法1990年E.Frei和G.Beutler提出了快速模糊度（即整周未知数）解算法进行快速定位的方法。采用这种方法进行短基线定位时，利用双频接收机只需观测一分钟便能成功的确定整周未知数。整周未知数和整周跳变参见书P54-56周跳的出现和处理是载波相位测量中的重要问题，整周跳变的探测与修复常用的方法有下列几种方法：1、屏幕扫描法（也就是手工编辑）2、多项式拟合法3、卫星间求差法4、根据平差后的残差发现和修复整周跳变3.GPS测量的误差源（P87-99）误差分类（性质）系统误差偶然误差卫星轨道误差卫星钟差GPS接收机钟差大气层延迟减弱修正措施多路经效应引起的误差观测误差按误差性质分类按误差性质可分为系统误差与偶然误差两类。偶然误差主要包括信号的多路径效应，系统误差主要包括卫星的星历误差、卫星钟差、接收机钟差以及大气折射的误差等。其中系统误差无论从误差的大小还是对定位结果的危害性都比偶然误差要大得多，它是GPS测量的主要误差源。同时系统误差有一定的规律可循，可采取一定的措施加以消除。系统误差是由于仪器本身不精确、或实验方法粗略、或实验原理不完善而产生的。偶然误差是由各种偶然因素对实验者、测量仪器、被测物理量的影响而产生的。3.GPS测量的误差源（续）与GPS卫星有关的误差与信号传播有关的误差与GPS接收机有关的误差GPS观测量误差源分类卫星钟差卫星轨道误差电离层对流层多路经效应测站点的选择和安置（相位中心）GPS接收机钟差载波相位整周未知数与卫星有关的误差（1）卫星钟差GPS观测量均以精密测时为依据。GPS定位中，无论码相位观测还是载波相位观测，都要求卫星钟与接收机钟保持严格同步。实际上，尽管卫星上设有高精度的原子钟，仍不可避免地存在钟差和漂移，偏差总量约在1ms内，引起的等效距离误差可达300km。卫星钟的偏差一般可通过对卫星运行状态的连续监测精确地确定，并用二阶多项式表示：

tj=a0+a1(t-t0e)+a2(t-t0e)2。式中的参数由主控站测定，通过卫星的导航电文提供给用户。与卫星有关的误差（2）卫星轨道偏差：由于卫星在运动中受多种摄动力的复杂影响，而通过地面监测站又难以可靠地测定这些作用力并掌握其作用规律，因此，卫星轨道误差的估计和处理一般较困难。目前，通过导航电文所得的卫星轨道信息，相应的位置误差约20-40m。随着摄动力模型和定轨技术的不断完善，卫星的位置精度将可提高到5-10m。卫星的轨道误差是当前GPS定位的重要误差来源之一。卫星信号传播误差（1）电离层折射影响：主要取决于信号频率和传播路径上的电子总量。通常采取的措施：•利用双频观测：电离层影响是信号频率的函数，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%.•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。•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10-6。卫星信号传播误差（2）对流层的影响对流层折射对观测量的影响可分为干分量和湿分量两部分。干分量主要与大气温度和压力有关，而湿分量主要与信号传播路径上的大气湿度和高度有关。目前湿分量的影响尚无法准确确定。对流层影响的处理方法：•定位精度要求不高时，忽略不计。•采用对流层模型加以改正。•引入描述对流层的附加待估参数，在数据处理中求解。•观测量求差。卫星信号传播误差（3）多路径效应：也称多路径误差，即接收机天线除直接收到卫星发射的信号外，还可能收到经天线周围地物一次或多次反射的卫星信号。两种信号迭加，将引起测量参考点位置变化，使观测量产生误差。在一般反射环境下，对测码伪距的影响达米级，对测相伪距影响达厘米级。在高反射环境中，影响显著增大，且常常导致卫星失锁和产生周跳。措施：•安置接收机天线的环境应避开较强发射面，如水面、平坦光滑的地面和建筑表面。•选择造型适宜且屏蔽良好的天线如扼流圈天线。•适当延长观测时间，削弱周期性影响。•改善接收机的电路设计。3.GPS测量的误差源（续）多路经效应概念接收设备有关的误差主要包括观测误差、接收机钟差、天线相位中心误差和载波相位观测的整周不确定性影响。（1）观测误差：除分辨误差外，还包括接收天线相对测站点的安置误差。分辨误差一般认为约为信号波长的1%。安置误差主要有天线的置平与对中误差和量取天线相位中心高度（天线高）误差。例如当天线高1.6m,置平误差0.10，则对中误差为2.8mm。接收设备有关的误差（2）接收机钟差GPS接收机一般设有高精度的石英钟，日频率稳定度约为10-11。如果接收机钟与卫星钟之间的同步差为1

s，则引起的等效距离误差为300m。处理接收机钟差的方法：•作为未知数，在数据处理中求解。•利用观测值求差方法，减弱接收机钟差影响。•定位精度要求较高时，可采用外接频标，如铷、铯原子钟，提高接收机时间标准精度。接收设备有关的误差（3）载波相位观测的整周未知数无法直接确定载波相位相应起始历元在传播路径上变化的整周数。同时存在因卫星信号被阻挡和受到干扰，而产生信号跟踪中断和整周变跳。（4）天线相位中心位置偏差GPS定位中，观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准，在理论上，天线相位中心与仪器的几何中心应保持一致。实际上，随着信号输入的强度和方向不同而有所变化，同时与天线的质量有关，可达数毫米至数厘米。如何减小相位中心的偏移，是天线设计的一个迫切问题。其它误差来源（1）地球自转影响（2）相对论效应在GPS定位中，除了上述各种误差外，卫星钟和接收机钟震荡器的随机误差、大气折射模型和卫星轨道摄动模型误差、地球潮汐以及信号传播的相对论效应等都会对观测量产生影响。为提高长距离相对定位的精度，满足地球动力学研究要求，研究这些误差来源，并确定它们的影响规律和改正方法，有重要意义。4.GPS定位基本原理(P74-75)接收机坐标（Receivercoordinates）

卫星坐标（satellitecoordinates）第六章GPS绝对定位原理GPS观测方程2.观测方程的线性化3.整周未知数的确定与整周跳变的修复4.动态绝对定位原理5.静态绝对定位原理6.卫星几何分布及其对定位精度的影响1.GPS观测方程A.伪距观测方程P51,P75-76B.载波相位观测方程P52-53,P77B.线性的测相伪距观测方程2.GPS观测方程的线性化A.线性的测码伪距观测方程3.整周未知数的确定与整周跳变的修复(P53-56)整周不确定（模糊度）Ambiguity载波相位观测值：小数部分精确可知整周（整数）不知3.1整周未知数确定方法整周未知数确定---AmbiguityResolution整周未知数：相对于起始历元的相位整周3.1整周未知数确定方法（续）载波相位的变化方程：P54载波相位伪距观测方程：**问题：上述二方程关系如何？最小二乘搜索法GPS接收机天线交换法KALMAN滤波法动态确定整周未知数OntheFly(OTF)3.1整周未知数确定方法（续）基本方法：4.动态绝对定位原理（P57-58）公式（5-28）

A.四颗星定位原理4.动态绝对定位原理（续）B.GPS绝对定位求解步骤：设观测点坐标初始值由公式（5-28）求得更新观测点坐标初始值重复过程2和3直至收敛（误差最小）4.动态绝对定位原理（续）C.观测卫星数大于4的定位方法最小二乘法平差求解N=4N>45.静态绝对定位原理商用软件采用上述方法特点：固定点（单点）方法：采用最小二乘平差测码伪距测相伪距6.精度因子及其对定位精度的影响(P59)A.

定位精度评价6.卫星几何分布及其对定位精度的影响（续）B.

精度因子DOP（DilutionofPrecision)PDOP：表示空间位置误差精度因子TDOP：表示钟差精度的精度因子GDOP:表示空间位置误差和时间误差综合影响HDOPVDOPDOP6.卫星几何分布及其对定位精度的影响（续）C.卫星几何分布对精度因子的影响GDOPPDOPTDOPHDOPVDOP伪距观测精度GDOP大小与卫星几何分布见周忠谟主编图6-4（P120）3.1整周未知数确定方法（续）载波相位的变化方程：P54载波相位伪距观测方程：**问题：上述二方程关系如何？载波相位伪距观测方程线性化：6.精度因子及其对定位精度的影响(P59)A.

定位精度评价6.卫星几何分布及其对定位精度的影响（续）B.

精度因子DOP（DilutionofPrecision)PDOP：表示空间位置误差精度因子TDOP：表示钟差精度的精度因子GDOP:表示空间位置误差和时间误差综合影响HDOPVDOPDOP6.卫星几何分布及其对定位精度的影响（续）C.卫星几何分布对精度因子的影响GDOPPDOPTDOPHDOPVDOP伪距观测精度GDOP大小与卫星几何分布见周忠谟主编图6-4（P120）第七章GPS相对定位原理相对定位方法概述2.静态相对定位观测方程3.静态相对定位原理4.差分GPS定位方法GPS相对定位概念

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、基线向量）。它是目前GPS定位中精度最高的一种定位方法。1.相对定位方法概述(P60)GPS相对定位

差分GPS定位

目的：消除和减弱下述误差卫星钟差，GPS接收机钟差，卫星轨道误差，电离层延迟，对流层延迟SA误差3.静态相对定位观测方程单差（Singledifference）

双差（Doubledifference）三差（Tripledifference)T1T2单差（Singledifference）3.静态相对定位观测方程（续）T1:T2:要点：二测站同时观测同一卫星卫星钟差影响已经消除，这是单差模型的一个重要优点；而卫星轨道误差与传播路径误差有一定的相关性，也可明显的减弱双差（Doubledifference）3.静态相对定位观测方程（续）要点：二测站同时观测二颗卫星T1T2接收机钟差影响已经消除，这是双差模型的一个重要优点；而卫星轨道误差与传播路径误差有一定的相关性，也可明显的减弱T1T2三差（Tripledifference)3.静态相对定位观测方程（续）要点：二测站不同时观测二颗卫星消除了整周未知数的影响，这是三差模型的一个重要优点2.差分GPS定位方法(P66)根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时地将这一改正数发送。用户不但接收GPS信号，同时也接收基准站的改正数，并对其定位结果进行改正，以提高定位精度。分为单基站差分、多基准站的局部区域差分和广域差分2.差分GPS定位方法（续）差分定位基本原理基准站移动目标修正量单站差分位置差分：位置改正数伪距差分：伪距改正数载波相位差分（RTK）：修正法与差分法位置差分GPS是一种最简单的差分方法。安置在已知精确坐标基准站GPS接收机，通过对4颗或以上卫星观测，便可实现定位，可以求出基准站的坐标但存在卫星星历、时钟等误差，该坐标与已知基准站坐标不一致，存在误差：基准站利用数据链将坐标改正数发送给用户位置差分位置差分用户接收到坐标改正数对其计算得到的坐标进行改正：经过坐标改正后的用户坐标已经消去了基准站与用户的共同误差，如星历误差、大气折射误差、卫星误差，提高精度伪距差分伪距差分时目前应用最为广泛的一种差分定位技术。通过在基准站上利用已知坐标求出站星的距离，并将其与含有误差的测量距离比较，并将测距误差传输给用户，用户用此来对测距进行相应改正。但伪距差分很大程度上依赖两站距离，随着距离增加，其公共误差减弱，如对流层、电离层，因此应考虑距离因素。RTK（RealTimeKinematic）实时差分动态定位技术是GPS测量技术与数据传输技术相结合而构成的组合系统。是GPS测量技术发展中的一个重大突破。RTK测量技术以载波相位观测测量为根据的实时差分GPS测量技术。精度速度、实时、可用2.差分GPS定位方法（续）实时动态差分GPS：RTK（RealTimeKinematic）实时传输修正量差分GPS系统(p69-72)单站差分GPS局部区域差分（LADGPS）广域差分GPS系统（WADGPS）增强型GPS系统：伪卫星、多基准站（VRS）等

坐标系统和时间系统坐标系统分类2.地球坐标系3.WGS-84坐标系和我国大地坐标系4.时间系统GPS卫星总是围绕地球质心旋转，与地球自转无关；观测站固定在地球表面，与自转有关。在全球定位系统中，为了确定用户接收机的位置，GPS卫星的瞬时位置通常应化算到统一的地球坐标系统。为何引入坐标系统？1.坐标系统分类

空间固定坐标系

(与地球自转无关的惯性参考系，对描述卫星的运行位置和状态极其方便)

天球坐标系,惯性坐标系(InertialSystem）

与地球固联的坐标系

(ECEF---Earth-centered-earth-fixed，该系统对表达地面观测站的位置和处理GPS观测数据尤为方便)地球坐标系，（WGS-84北京--54西安—80）坐标系统是由坐标原点位置、坐标轴指向和尺度所定义。2.地球坐标系椭圆子午圈子午线或经线基准经线

基础知识2.地球坐标系（续）基础知识椭圆子午圈:包含地轴的平面与地球椭球体面相交的截痕子午线或经线：两极之间的半个子午圈基准经线：通过英国伦敦格林威治天文台的经线2.地球坐标系（续）ECEF表达形式：空间直角坐标系（XYZ）大地坐标系（BLH）P12

Earth-centered-earth-fixed(ECEF)frameLocalgeodeticcoordinatesystem（NEU）2.地球坐标系（续）坐标系转换关系(P12)空间直角坐标系（XYZ）大地坐标系（BLH）N为卯酉圈的半径

a为地球椭球长半轴b为地球椭球的短半轴

A.由大地坐标系（BLH）变换到空间直角坐标系（XYZ）见P12公式（2-3）2.地球坐标系（续）B.由空间直角坐标系（XYZ）变换到大地坐标系（BLH）空间直角坐标系（XYZ）大地坐标系（BLH）N是B的函数采用迭代的方法，先将B求出，再确定H。见P12

公式（2-4）2.地球坐标系（续）A.

地球坐标系与天球坐标系的转换

B.地球坐标系其它表达形式地球参心坐标系天文坐标系站心坐标系高斯平面直角坐标系3.WGS-84坐标系和我国大地坐标系A.国家大地坐标系地球椭球的基本特征:P18

四参数北京54大地坐标系(1954年)

a=6378245(m)f=1/298.3西安80大地坐标系（1980年）

B.

卫星大地测量基准WGS-84表达形式：

世界大地坐标系WGS（WorldGeodeticSystem）GPS采用WGS-841987年开始参数见P17空间直角坐标系（XYZ）大地坐标系（BLH）3.WGS-84坐标系和我国大地坐标系(续)基本大地参数WGS-72WGS-84a(m)63781356378137f1/298.261/298.257(rad/s)7.29211510-57.29211510-5GM(km3/s2)398600.8398600.5WGS-72与WGS-84的基本大地参数在天文学和空间科学技术中，时间系统是精确描述天体和卫星运行位置及其相互关系的重要基准，也是利用卫星进行定位的重要基准。4.时间系统A.世界时(UniversalTime—UT)

平子夜为零时的格林威治平太阳B.原子时（AtomicTime-AT)

高精度时间系统

C.协调世界时(CoordinateUniversalTime—UTC)

由于世界时与原子时间的积累误差定义接近世界时的折中时间系统D.GPS时(GPST)

GPS时属于原子时系统，由GPS主控站的原子钟控制

为精密导航和测量需要，全球定位系统建立了专用的时间系统，由GPS主控站的原子钟控制。GPS时属于原子时系统，秒长与原子时相同，但与国际原子时的原点不同，即GPST与IAT在任一瞬间均有一常量偏差。IAT-GPST=19s，GPS时与协调时的时刻，规定在1980年1月6日0时一致，随着时间的积累，两者的差异将表现为秒的整数倍第三章卫星运动基础及GPS卫星星历1.

卫星的轨道参数2.GPS轨道误差对测量精度影响3.GPS卫星的星历卫星轨道在GPS定位中的意义卫星在空间运行的轨迹称为轨道，描述卫星轨道位置和状态的参数称为轨道参数。由于利用GPS进行导航和测量时，卫星作为位置已知的高空观测目标，在进行绝对定位时，卫星轨道误差将直接影响用户接收机位置的精度；而在相对定位时，尽管卫星轨道误差的影响将会减弱，但当基线较长或精度要求较高时，轨道误差影响不可忽略。此外，为了制订GPS测量的观测计划和便于捕获卫星发射的信号，也需要知道卫星的轨道参数。1.

卫星的轨道参数（P25）轨道倾角i

卫星轨道平面与赤道平面的夹角见图3-1升交点赤经

卫星从南向北越过赤道的交点为升交点升交点与春分点之间的夹角

（从春分点方向向东在赤道上量到升交点的弧距称升交点赤经）近地点角距

从升交点与近地点之间的地心夹角轨道椭圆长半轴A轨道椭圆偏心率e2.GPS轨道误差对测量精度影响轨道误差对所测基线精度的影响(P95)卫星轨道误差用户至卫星距离两观测站间的基线长度3.GPS卫星的星历卫星星历：描述卫星运动轨道的信息预报星历（广播星历）后处理星历（精密星历）GPS星历预报星历轨道参数轨道摄动改正项P33表后处理星历根据观测资料计算的卫星星历卫星的预报星历是用跟踪站以往时间的观测资料推求的参考轨道参数为基础，并加入轨道摄动项改正而外推的星历。用户在观测时可以通过导航电文实时得到，对导航和实时定位十分重要。但对精密定位服务则难以满足精度要求。后处理星历是一些国家的某些部门根据各自建立的跟踪站所获得的精密观测资料，应用与确定预报星历相似的方法，计算的卫星星历。这种星历通常是在事后向用户提供的在用户观测时的卫星精密轨道信息，因此称后处理星历或精密星历。该星历的精度目前可达分米。预报星历是通过卫星发射的含有轨道信息的导航电文传递给用户，经解码获得所需的卫星星历，也称广播星历，包括相对某一参考历元的开普勒轨道参数和必要的轨道摄动项改正参数。由于预报星历每小时更新一次，在数据更新前后，各表达式之间将会产生小的跳跃，其值可达数分米，一般可利用适当的拟合技术（如切比雪夫多项式）予以平滑。

GPS用户通过卫星广播星历可以获得的有关卫星星历参数共16个。后处理星历一般不通过卫星的无线电信号向用户传递，而是通过磁盘、电视、电传、卫星通讯等方式有偿地为所需要的用户服务。建立和维持一个独立的跟踪系统来精密测定GPS卫星的轨道，技术复杂，投资大，因此，利用GPS预报星历进行精密定位工作仍是目前一个重要的研究和开发领域。第四章GPS卫星导航电文和卫星信号1.GPS卫星导航电文GPS卫星信号构成3.GPS测距码信号GPS载波信号GPS卫星坐标计算GPS接收机基本工作原理GPS卫星的导航电文，是用户用来定位和导航的数据基础。导航电文包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时钟改正、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。导航电文又称为数据码（或D码）。导航电文也是二进制码，依规定格式组成，按帧向外播送。每帧电文含有1500比特，播送速度50bit/s，每帧播送时间30s。GPS卫星导航电文1.GPS卫星导航电文

（P34-36）导航电文卫星星历卫星工作状态时间系统卫星钟偏差校正参数轨道摄动改正参数大气折射改正参数子帧5子帧1子帧2子帧3子帧4子帧I遥测字+转换字+数据块I导航电文二进制码NavigationMessage每帧导航电文含5个子帧，每个子帧分别含有10个字，每个字30比特，故每个子帧共300比特，播发时间6s。为记载多达25颗卫星，子帧4、5各含有25页。子帧1、2、3和子帧4、5的每一页构成一个主帧。主帧中1、2、3的内容每小时更新一次，4、5的内容仅当给卫星注入新的导航电文后才得以更新。GPS卫星导航电文一帧导航电文的内容TLWHOW数据块—1时钟修正参数TLWHOW数据块—2星历表TLWHOW数据块—2星历表继续TLWHOW数据块—3卫星历书等TLWHOW数据块—3卫星历书等子帧1一个子帧6s长，10个字，每字30比特1帧30s1500比特子帧3子帧4子帧5子帧21、遥测码（TLW—TelemetryWORD）位于个子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。遥测码的第1～8比特是同步码，使用户便于解释导航电文；第9～22比特为遥测电文，其中包括地面监测系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其它信息。第23和第24比特是连接码；第25～30比特为奇偶校验码，它用于发现和纠正错误。导航电文内容导航电文内容2、转换码（HOW—HandOverWord）

紧接各子帧的遥测码，主要向用户提供用于捕获P码的Z记数。所谓Z记数是从星期日零时只能星期六24时，P码字码X1的周期（1.5秒）的重复数。因此，当知道了Z计数，便能较快地捕获到P码。导航电文内容3、第一数据块

第一数据块位于第1子帧的第3～10字码，它的主要内容包括：

a、时延差改正Tgd－就是载波L1、L2的电离层时延差。b、数据龄期AODC－是时钟改正数的外推时间间隔，它指明卫星时钟改正数的置信度。C、星期序号WN－表示从1980年1月6日子夜零点（UTC）起算的星期数，即GPS星期数。d、卫星时钟改正－GPS时间和UTC时间之间存在的差值。导航电文内容4、第二数据块

第二数据块包括第2和第3子帧，其内容表示GPS卫星的星历，描述卫星的运行及其轨道的参数，包括下列三类：

a、开普勒六参数。b、轨道摄动九参数。C、时间二参数有关卫星运行及其轨道的参数内容，具体可参见卫星大地测量有关参考书。导航电文内容5、第三数据块

第三数据块包括第4和第5子帧，其内容包括了所有GPS卫星的历书数据。当接收机捕获到某颗GPS卫星后，根据第三数据块提供的其他卫星的概略星历、时钟改正、卫星改正、卫星工作状态等数据，用户可以选择工作正常和位置适当的卫星，并且较快地捕获到所选择地卫星。2.GPS卫星信号构成（P36-40）GPS卫星信号测距码数据码(导航电文）载波P码（Y码）C/A码L1载波L2载波伪随机码L波段L1载波L2载波3.GPS测距码信号(P39)C/A码的码元宽度较大，测距误差2.9米（码宽293.1米）

P码的码元宽度较小，测距误差0.29米（码宽29.3米）

基本频率10.23MHzL1载波1575.42MHzL2载波1227.60MHzC/A码1.023MHzP码10.23MHzP码10.23MHz数据码50BPS数据码50BPS15412010204600GPS卫星信号包含三种信号分量：载波、测距码和数据码。信号分量的产生都是在同一个基本频率f0=10.23MHz的控制下产生，GPS卫星信号示意图如下GPS卫星信号的载波和调制f0x120f0x154f04.GPS载波信号(P36)基本频率控制产生三种信号分量TwoCarrierFrequencies（载波频率）L1is154xf0=1575.42MHz,whichhasawavelengthof0.19mL2is120xf0=1227.6MHz,whichhasawavelengthof0.24m4.GPS载波信号（续）L1载波C/A码P码（Y码）数据码L2载波P码（Y码）数据码Acarrierwavecanbecharacterizedbyitswavelength(l)orfrequency(f)Thefrequencyandwavelengtharerelatedbythefollowingexpression:

l=c/f;andf=c/l;wherec=speedoflight(2.99792458x108m/s)Thehigherthefrequency,theshorte