GPS 测量原理及应用课件

概論GPS的發展與由來2.GPS的組成3.GPS的特點4.美國政府的GPS政策5.GPS發展趨勢GPS的發展與由來1957年10月4日前蘇聯發射了人類的第一顆人造地球衛星；美國科學家利用多普勒頻移原理於1967年7月建成了衛星導航定位系統TRANSIT（子午衛星系統）；美國國防部從1973年開始籌建GPS，整個GPS系統於1994年3月全部建成。

GPS系統是20世紀空間技術上最重大的成就一，它是繼阿波羅計畫、太空梭計畫之後的又一龐大的空間計畫。2.GPS組成

空間衛星部分

24顆衛星6個軌道軌道高度20200KM運行週期11小時58分地面監控部分監測站主控站注入站

用戶設備部分GPS接收機天線硬體軟體包2.GPS組成（續）GPS衛星的發展可分為五個階段：

BlockⅠBlockⅡ、BlockⅡABlockⅡR、BlockⅡF

GPS空間衛星部分GPS的控制部分由分佈在全球的由若干個跟蹤站所組成。分為主控站、監控站和注入站。主控站位於美國克羅拉多Colorado的法爾孔Falcon空軍基地。它的作用是根據各監控站根據GPS的觀測數據，計算出衛星的星曆和衛星鐘的改正參數等，並將這些數據通過注入站注入到衛星中去。同時它還對衛星進行控制，向衛星發佈指令，當工作衛星出現故障時調度備用衛星替代失效的工作衛星工作。主控站也具有監控站的功能。監控站有五個。除了主控站外其他四個分別位於夏威夷(Hawaii)、阿松森群島(Ascencion)、迭哥伽西亞(DiegoGarcia)、卡瓦加蘭(Kwajalein)。監控站的作用是接收衛星信號、監測衛星的工作狀態。注入站有三個。分別位於阿松森群島、迭哥伽西亞、卡瓦加蘭。注入站的作用是將主控站計算出的衛星星曆和衛星鐘的改正數等注入到衛星中去。地面控制系統3.GPS的特點

◆

GPS相對傳統的測量技術

◆

GPS相對其他導航系統

慣性導航系統（INS）Loran-C觀測站間無需通視定位精度高（絕對精度10米，相對精度2毫米）觀測時間短操作簡單全天候作業4.美國政府的GPS政策(P64-66)(1)提供不同的用戶服務方式(2)實施SA（選擇可用性）政策(3)實施AS（精碼加密）政策4.美國的GPS政策(續）(1)提供不同的用戶服務方式

精密定位服務

PPS（PrecisePositioningService）標準定位服務SPS(StandardPositioningService)GPS衛星發射的無線電信號含有二種精度不同的測距碼P碼（又稱精碼）軍用PPS定位服務

C/A碼（又稱粗碼）民用

SPS定位服務

P碼獲得較高的定位精度，單點即時定位精度可優於10米C/A碼獲得較低的定位精度，單點即時定位精度約為30-40米左右4.美國GPS的政策(續）

(2)實施SA政策SA----SelectiveAvailability（選擇可用性）

SPS定位服務中加干擾技術-技術-技術干擾衛星星曆引入高頻抖動實施SA政策：水準定位100米，垂直定位150米（2000年5月前）4.美國政府的GPS的政策（續）(3)實施AS政策AS--Anti-Spoofing(精碼P碼加密)AS--反電子欺騙PWY特許用戶和非特許用戶定位精度

4.美國政府的GPS政策（續）非特許用戶對策

研究差分GPS技術建立獨立衛星定位系統

GLONASS伽利略(Galileo)北斗開發組合接收機和組合系統

GPS/GLONASSGPS/INS5.

GPS發展趨勢1）GIS/GPS/RS組成的3S集成系統

GIS—地理資訊系統

RS---遙感2）GPS/INS組合導航系統

INS---慣性導航系統3）GNSS/全球衛星系統

GNSS---GlobalNavigationSatelliteSystem中國---雙星定位（北斗1號）前蘇聯---GLONASS歐洲空間局---伽利略(Galileo)GLONASS系統

GLONASS是GLObalNAvigationSatelliteSystem(全球導航衛星系統)的字頭縮寫，是前蘇聯從80年代初開始建設的與美國GPS系統相類似的衛星定位系統，也由衛星星座、地面監測控制站和用戶設備三部分組成。現在由俄羅斯空間局管理。

GLONASS系統的衛星星座由24顆衛星組成，均勻分佈在3個近圓形的軌道平面上，每個軌道面8顆衛星，軌道高度19100公里，運行週期11小時15分，軌道傾角64.8°。

与美国的GPS系統不同的是GLONASS系統採用頻分多址(FDMA)方式，根據載波頻率來區分不同衛星（GPS是碼分多址（CDMA），根據調製碼來區分衛星）。每顆GLONASS衛星發播的兩種載波的頻率分別為L1=1,602+0.5625k(MHz)和L2=1,246+0.4375k(MHz)，其中k=1～24為每顆衛星的頻率編號。所有GPS衛星的載波的頻率是相同，均為L1=1575.42MHz和L2=1227.6MHz。

GLONASS衛星的載波上也調製了兩種偽隨機雜訊碼：S碼和P碼。

GLONASS系統從理論上有24顆衛星，但由於衛星使用壽命和資金緊張等問題，實際上目前只有8顆。

GLONASS系統單點定位精度水準方向為16m，垂直方向為25m。

伽俐略系統系統組成：①衛星星座：由3個獨立的圓形軌道，30顆GNSS衛星組成（27顆工作衛星，3顆備用衛星）。衛星的軌道傾角i=56°；衛星的公轉週期T=14h23m14S恒星時；軌道高度H=23616km。②地面系統：在歐洲建立2個控制中心；在全球構建監控網。③定位原理：與GPS相同。④定位精度：導航定位精度比目前任何系統都高。計畫實施：①1994年開始進入方案論證階段；②2003年開始發射兩顆試驗衛星進入試驗階段；③2008年整個伽利略（GNSS）系統建成並投入使用；1.簡述GPS的基本組成2.簡述GPS的定位服務方式及相應的定位精度3.舉例說明GPS的應用提示：精密測量，智能交通，城市規化，軍事應用，旅遊探險習題

GPS定位方法及誤差分析定位方法分類2.觀測量的基本概念3.GPS定位的誤差源4.GPS定位基本原理定位方法分類按參考點的不同位置劃分為：（1）絕對定位（單點定位）：在地球協議坐標系中，確定觀測站相對地球質心的位置。（2）相對定位：在地球協議坐標系中，確定觀測站與地面某一參考點之間的相對位置。GPS定位方法分類按用戶接收機作業時所處的狀態劃分：（1）靜態定位：在定位過程中，接收機位置靜止不動，是固定的。靜止狀態只是相對的，在衛星大地測量中的靜止狀態通常是指待定點的位置相對其周圍點位沒有發生變化，或變化極其緩慢，以致在觀測期內可以忽略。（2）動態定位：在定位過程中，接收機天線處於運動狀態。GPS定位方法分類1.GPS定位方法分類絕對定位靜態定位動態定位相對定位靜態定位動態定位定位方式基本頻率10.23MHzL1載波1575.42MHzL2載波1227.60MHzC/A碼1.023MHzP碼10.23MHzP碼10.23MHz數據碼50BPS數據碼50BPS15412010204600GPS衛星信號包含三種信號分量：載波、測距碼和數據碼。信號分量的產生都是在同一個基本頻率f0=10.23MHz的控制下產生，GPS衛星信號示意圖如下GPS基本觀測量（回憶）2.GPS觀測量的基本概念(P49-52)偽距觀測值載波相位觀測值C/A碼，碼元寬293M，精度2.9MP碼，碼元寬29.3M，精度0.29ML1載波，波長19cm，精度0.19cmL2載波，波長24cm，精度0.24cm原始觀測量載波相位觀測值優點：觀測值精度高，用精密定位存在問題整周不確定（模糊度解算）整周跳變現象2.GPS觀測量的基本概念（續）碼相位觀測偽距載波相位觀測偽距衛星r

是已知值P是測量值R是未知值對於某顆衛星：什麼叫偽距？所測偽距就是由衛星發射的測距碼信號到達GPS接收機的傳播時間乘以光速所得出的量測距離。由於衛星時鐘、接收機時鐘的誤差以及無線電信號經過電離層和對流層中的延遲，實際測出的距離與衛星到接收機的幾何距離有一定差值，因此一般稱量測出的距離為偽距。用C/A碼進行測量的偽距為C/A碼偽距，用P碼測量的偽距為P碼偽距。偽距概念2.GPS觀測量的基本概念（續）偽距法定位特點偽距法定位雖然一次定位精度不高，P碼定位誤差約為10m，C/A碼定位誤差為20-30m，但因其具有定位速度快，且無多值性問題等優點，仍然是GPS定位系統進行導航的最基本方法。同時，所測偽距又可作為載波相位測量中解決整波數不確定問題（整周模糊度）的輔助資料。偽距定位觀測方程假設衛星至觀測站的幾何距離為

ij，在忽略大氣影響的情況下可得相應的偽距：當衛星鐘與接收機鐘嚴格同步時，上式所確定的偽距即為站星幾何距離。為偽距，為真正幾何距離，為接收機和衛星之間鐘差。通常GPS衛星的鐘差可從衛星發播的導航電文中獲得，經鐘差改正後，各衛星之間的時間同步差可保持在20ns以內。如果忽略衛星之間鐘差影響，並考慮電離層、對流層折射等影響，可得：偽距定位觀測方程偽距定位觀測方程幾何距離與衛星座標（Xs,Ys,Zs）和接收機座標（X,Y,Z）之間有如下關係：其中衛星座標可根據衛星導航電文求得，所以式中只包含接收機座標三個未知數。由於電離層改正數和對流層改正數可以按照一定的模型求解出，那麼如果將接收機鐘差也作為未知數，則共有四個未知數。因此，接收機必須同時至少測定四顆衛星的距離才能解算出接收機的三維座標值。測碼偽距觀測方程的常用形式如下：偽距定位觀測方程式中j為衛星數，j＝1，2，3…。GPS載波相位測量載波相位測量是測量接收機接收到的具有多普勒頻移的載波信號，與接收機產生的參考載波信號之間的相位差，通過相位差來求解接收機位置。由於載波的波長遠小於碼長，C/A碼碼元寬度293m，P碼碼元寬度29.3m，而L1載波波長為19.03cm，L2載波波長為24.42cm，在解析度相同的情況下，L1載波的觀測誤差約為2.0mm，L2載波的觀測誤差約為2.5mm。而C/A碼觀測精度為2.9m，P碼為0.29m。載波相位觀測是目前最精確的觀測方法。載波相位測量觀測方程載波相位觀測的的觀測量是GPS接收機所接收的衛星載波信號與接收機本振參考信號的相位差。以表示k接收機在接收機鐘面時刻tk時所接受到的j衛星載波信號的相位值，表示k接收機在鐘面時刻tk時所產生的本地參考信號的相位值，則k接收機在接收機鐘面時刻tk時觀測j衛星所取得的相位觀測量可寫為：載波相位測量原理載波相位觀測的主要問題：無法直接測定衛星載波信號在傳播路徑上相位變化的整周數，存在整周不確定性問題。此外，在接收機跟蹤GPS衛星進行觀測過程中，常常由於接收機天線被遮擋、外界雜訊信號干擾等原因，還可能產生整周跳變現象。有關整周不確定性問題，通常可通過適當數據處理而解決，但將使數據處理複雜化。載波相位測量的主要問題載波相位測量值通常的相位測量或相位差測量只是測出一周以內的相位值，實際測量中，如果對整周進行計數，則自某一初始取樣時刻（t0）以後就可以取得連續的相位觀測值。Sj(t0)Sj(ti)N0kN0Int(φ)載波相位測量觀測方程t0時刻和tk

時刻的相位觀測值可以寫成：接收機在跟蹤衛星信號時，不斷測定小於一周的相位差，並利用整周計數器記錄從t0到tk

時間內的整周數變化量Int(

)，這一時間段內，要求衛星信號沒有中斷。如果過程中衛星失鎖了，那要採取其他方法進行處理。整周未知數和整周跳變確定整周未知數N0是載波相位測量的一項重要工作，常用的方法有下列幾種：1、偽距法2、經典方法－將整周未知數作為待定參數求解3、多普勒法（三差法）4、快速確定整周未知數法整周未知數和整周跳變1、偽距法偽距法是在進行載波相位測量的同時又進行了偽距測量，將偽距觀測值減去載波相位測量的實際觀測值（化為以距離為單位）後即可得到λ×N0。但由於偽距測量的精度較低，所以要有較多的觀測值取平均值後才能獲得正確的整波段數。整周未知數和整周跳變2、經典方法把整周未知數當作平差計算中的待定參數來加以估計和確定。分兩種方法：（1）整數解由於誤差影響，解得得整周未知數往往不是一個整數，然後將其固定為整數，並重新進行平差計算。也稱為固定解（fixedsolution）（2）實數解當誤差消除得不夠完全時，整周未知數無法估計很準確，此時直接將實數解作為最後解。也稱為浮點解（floatingsolution）整周未知數和整周跳變3、多普勒法（三差法）由於連續跟蹤的所有載波相位測量觀測值中均含有相同的整周未知數，所以將相鄰兩個觀測曆元的載波相位相減，就將該未知數消去，從而直接接觸座標參數，這就是多普勒法。由於三差法可以消除許多誤差，所以使用較廣泛。整周未知數和整周跳變4、快速確定整周位置數法1990年E.Frei和G.Beutler提出了快速模糊度（即整周未知數）解演算法進行快速定位的方法。採用這種方法進行短基線定位時，利用雙頻接收機只需觀測一分鐘便能成功的確定整周未知數。整周未知數和整周跳變參見書P54-56周跳的出現和處理是載波相位測量中的重要問題，整周跳變的探測與修復常用的方法有下列幾種方法：1、螢幕掃描法（也就是手工編輯）2、多項式擬合法3、衛星間求差法4、根據平差後的殘差發現和修復整周跳變3.GPS測量的誤差源（P87-99）誤差分類（性質）系統誤差偶然誤差衛星軌道誤差衛星鐘差GPS接收機鐘差大氣層延遲減弱修正措施多路經效應引起的誤差觀測誤差按誤差性質分類按誤差性質可分為系統誤差與偶然誤差兩類。偶然誤差主要包括信號的多路徑效應，系統誤差主要包括衛星的星曆誤差、衛星鐘差、接收機鐘差以及大氣折射的誤差等。其中系統誤差無論從誤差的大小還是對定位結果的危害性都比偶然誤差要大得多，它是GPS測量的主要誤差源。同時系統誤差有一定的規律可循，可採取一定的措施加以消除。系統誤差是由於儀器本身不精確、或實驗方法粗略、或實驗原理不完善而產生的。偶然誤差是由各種偶然因素對實驗者、測量儀器、被測物理量的影響而產生的。3.GPS測量的誤差源（續）與GPS衛星有關的誤差與信號傳播有關的誤差與GPS接收機有關的誤差GPS觀測量誤差源分類衛星鐘差衛星軌道誤差電離層對流層多路經效應測站點的選擇和安置（相位中心）GPS接收機鐘差載波相位整周未知數與衛星有關的誤差（1）衛星鐘差GPS觀測量均以精密測時為依據。GPS定位中，無論碼相位觀測還是載波相位觀測，都要求衛星鐘與接收機鐘保持嚴格同步。實際上，儘管衛星上設有高精度的原子鐘，仍不可避免地存在鐘差和漂移，偏差總量約在1ms內，引起的等效距離誤差可達300km。衛星鐘的偏差一般可通過對衛星運行狀態的連續監測精確地確定，並用二階多項式表示：

tj=a0+a1(t-t0e)+a2(t-t0e)2。式中的參數由主控站測定，通過衛星的導航電文提供給用戶。與衛星有關的誤差（2）衛星軌道偏差：由於衛星在運動中受多種攝動力的複雜影響，而通過地面監測站又難以可靠地測定這些作用力並掌握其作用規律，因此，衛星軌道誤差的估計和處理一般較困難。目前，通過導航電文所得的衛星軌道資訊，相應的位置誤差約20-40m。隨著攝動力模型和定軌技術的不斷完善，衛星的位置精度將可提高到5-10m。衛星的軌道誤差是當前GPS定位的重要誤差來源之一。衛星信號傳播誤差（1）電離層折射影響：主要取決於信號頻率和傳播路徑上的電子總量。通常採取的措施：•利用雙頻觀測：電離層影響是信號頻率的函數，利用不同頻率電磁波信號進行觀測，可確定其影響大小，並對觀測量加以修正。其有效性不低於95%.•利用電離層模型加以修正：對單頻接收機，一般採用由導航電文提供的或其他適宜電離層模型對觀測量進行改正。目前模型改正的有效性約為75%，至今仍在完善中。•利用同步觀測值求差：當觀測站間的距離較近（小於20km）時，衛星信號到達不同觀測站的路徑相近，通過同步求差，殘差不超過10-6。衛星信號傳播誤差（2）對流層的影響對流層折射對觀測量的影響可分為幹分量和濕分量兩部分。幹分量主要與大氣溫度和壓力有關，而濕分量主要與信號傳播路徑上的大氣濕度和高度有關。目前濕分量的影響尚無法準確確定。對流層影響的處理方法：•定位精度要求不高時，忽略不計。•採用對流層模型加以改正。•引入描述對流層的附加待估參數，在數據處理中求解。•觀測量求差。衛星信號傳播誤差（3）多路徑效應：也稱多路徑誤差，即接收機天線除直接收到衛星發射的信號外，還可能收到經天線周圍地物一次或多次反射的衛星信號。兩種信號迭加，將引起測量參考點位置變化，使觀測量產生誤差。在一般反射環境下，對測碼偽距的影響達米級，對測相偽距影響達釐米級。在高反射環境中，影響顯著增大，且常常導致衛星失鎖和產生周跳。措施：•安置接收機天線的環境應避開較強發射面，如水面、平坦光滑的地面和建築表面。•選擇造型適宜且遮罩良好的天線如扼流圈天線。•適當延長觀測時間，削弱週期性影響。•改善接收機的電路設計。3.GPS測量的誤差源（續）多路經效應概念接收設備有關的誤差主要包括觀測誤差、接收機鐘差、天線相位中心誤差和載波相位觀測的整周不確定性影響。（1）觀測誤差：除分辨誤差外，還包括接收天線相對測站點的安置誤差。分辨誤差一般認為約為信號波長的1%。安置誤差主要有天線的置平與對中誤差和量取天線相位中心高度（天線高）誤差。例如當天線高1.6m,置平誤差0.10，則對中誤差為2.8mm。接收設備有關的誤差（2）接收機鐘差GPS接收機一般設有高精度的石英鐘，日頻率穩定度約為10-11。如果接收機鐘與衛星鐘之間的同步差為1

s，則引起的等效距離誤差為300m。處理接收機鐘差的方法：•作為未知數，在數據處理中求解。•利用觀測值求差方法，減弱接收機鐘差影響。•定位精度要求較高時，可採用外接頻標，如銣、銫原子鐘，提高接收機時間標準精度。接收設備有關的誤差（3）載波相位觀測的整周未知數無法直接確定載波相位相應起始曆元在傳播路徑上變化的整周數。同時存在因衛星信號被阻擋和受到干擾，而產生信號跟蹤中斷和整周變跳。（4）天線相位中心位置偏差GPS定位中，觀測值都是以接收機天線的相位中心位置為准，在理論上，天線相位中心與儀器的幾何中心應保持一致。實際上，隨著信號輸入的強度和方向不同而有所變化，同時與天線的品質有關，可達數毫米至數釐米。如何減小相位中心的偏移，是天線設計的一個迫切問題。其他誤差來源（1）地球自轉影響（2）相對論效應在GPS定位中，除了上述各種誤差外，衛星鐘和接收機鐘震盪器的隨機誤差、大氣折射模型和衛星軌道攝動模型誤差、地球潮汐以及信號傳播的相對論效應等都會對觀測量產生影響。為提高長距離相對定位的精度，滿足地球動力學研究要求，研究這些誤差來源，並確定它們的影響規律和改正方法，有重要意義。4.GPS定位基本原理(P74-75)接收機座標（Receivercoordinates）

衛星座標（satellitecoordinates）第六章GPS絕對定位原理GPS觀測方程2.觀測方程的線性化3.整周未知數的確定與整周跳變的修復4.動態絕對定位原理5.靜態絕對定位原理6.衛星幾何分佈及其對定位精度的影響1.GPS觀測方程A.偽距觀測方程P51,P75-76B.載波相位觀測方程P52-53,P77B.線性的測相偽距觀測方程2.GPS觀測方程的線性化A.線性的測碼偽距觀測方程3.整周未知數的確定與整周跳變的修復(P53-56)整周不確定（模糊度）Ambiguity載波相位觀測值：小數部分精確可知整周（整數）不知3.1整周未知數確定方法整周未知數確定---AmbiguityResolution整周未知數：相對於起始曆元的相位整周3.1整周未知數確定方法（續）載波相位的變化方程：P54載波相位偽距觀測方程：**問題：上述二方程關係如何？最小二乘搜索法GPS接收機天線交換法KALMAN濾波法動態確定整周未知數OntheFly(OTF)3.1整周未知數確定方法（續）基本方法：4.動態絕對定位原理（P57-58）公式（5-28）

A.四顆星定位原理4.動態絕對定位原理（續）B.GPS絕對定位求解步驟：設觀測點座標初始值由公式（5-28）求得更新觀測點座標初始值重複過程2和3直至收斂（誤差最小）4.動態絕對定位原理（續）C.觀測衛星數大於4的定位方法最小二乘法平差求解N=4N>45.靜態絕對定位原理商用軟體採用上述方法特點：固定點（單點）方法：採用最小二乘平差測碼偽距測相偽距6.精度因數及其對定位精度的影響(P59)A.

定位精度評價6.衛星幾何分佈及其對定位精度的影響（續）B.

精度因數DOP（DilutionofPrecision)PDOP：表示空間位置誤差精度因數TDOP：表示鐘差精度的精度因數GDOP:表示空間位置誤差和時間誤差綜合影響HDOPVDOPDOP6.衛星幾何分佈及其對定位精度的影響（續）C.衛星幾何分佈對精度因數的影響GDOPPDOPTDOPHDOPVDOP偽距觀測精度GDOP大小與衛星幾何分佈見周忠謨主編圖6-4（P120）3.1整周未知數確定方法（續）載波相位的變化方程：P54載波相位偽距觀測方程：**問題：上述二方程關係如何？載波相位偽距觀測方程線性化：6.精度因數及其對定位精度的影響(P59)A.

定位精度評價6.衛星幾何分佈及其對定位精度的影響（續）B.

精度因數DOP（DilutionofPrecision)PDOP：表示空間位置誤差精度因數TDOP：表示鐘差精度的精度因數GDOP:表示空間位置誤差和時間誤差綜合影響HDOPVDOPDOP6.衛星幾何分佈及其對定位精度的影響（續）C.衛星幾何分佈對精度因數的影響GDOPPDOPTDOPHDOPVDOP偽距觀測精度GDOP大小與衛星幾何分佈見周忠謨主編圖6-4（P120）第七章GPS相對定位原理相對定位方法概述2.靜態相對定位觀測方程3.靜態相對定位原理4.差分GPS定位方法GPS相對定位概念

至少兩臺GPS接收機，同步觀測相同的GPS衛星，確定兩臺接收機天線之間的相對位置（座標差、基線向量）。它是目前GPS定位中精度最高的一種定位方法。1.相對定位方法概述(P60)GPS相對定位

差分GPS定位

目的：消除和減弱下述誤差衛星鐘差，GPS接收機鐘差，衛星軌道誤差，電離層延遲，對流層延遲SA誤差3.靜態相對定位觀測方程單差（Singledifference）

雙差（Doubledifference）三差（Tripledifference)T1T2單差（Singledifference）3.靜態相對定位觀測方程（續）T1:T2:要點：二測站同時觀測同一衛星衛星鐘差影響已經消除，這是單差模型的一個重要優點；而衛星軌道誤差與傳播路徑誤差有一定的相關性，也可明顯的減弱雙差（Doubledifference）3.靜態相對定位觀測方程（續）要點：二測站同時觀測二顆衛星T1T2接收機鐘差影響已經消除，這是雙差模型的一個重要優點；而衛星軌道誤差與傳播路徑誤差有一定的相關性，也可明顯的減弱T1T2三差（Tripledifference)3.靜態相對定位觀測方程（續）要點：二測站不同時觀測二顆衛星消除了整周未知數的影響，這是三差模型的一個重要優點2.差分GPS定位方法(P66)根據基準站已知精密座標，計算出基準站到衛星的距離改正數，並由基準站即時地將這一改正數發送。用戶不但接收GPS信號，同時也接收基準站的改正數，並對其定位結果進行改正，以提高定位精度。分為單基站差分、多基準站的局部區域差分和廣域差分2.差分GPS定位方法（續）差分定位基本原理基準站移動目標修正量單站差分位置差分：位置改正數偽距差分：偽距改正數載波相位差分（RTK）：修正法與差分法位置差分GPS是一種最簡單的差分方法。安置在已知精確座標基準站GPS接收機，通過對4顆或以上衛星觀測，便可實現定位，可以求出基準站的座標但存在衛星星曆、時鐘等誤差，該座標與已知基準站座標不一致，存在誤差：基準站利用資料鏈將座標改正數發送給用戶位置差分位置差分用戶接收到座標改正數對其計算得到的座標進行改正：經過座標改正後的用戶座標已經消去了基準站與用戶的共同誤差，如星曆誤差、大氣折射誤差、衛星誤差，提高精度偽距差分偽距差分時目前應用最為廣泛的一種差分定位技術。通過在基準站上利用已知座標求出站星的距離，並將其與含有誤差的測量距離比較，並將測距誤差傳輸給用戶，用戶用此來對測距進行相應改正。但偽距差分很大程度上依賴兩站距離，隨著距離增加，其公共誤差減弱，如對流層、電離層，因此應考慮距離因素。RTK（RealTimeKinematic）即時差分動態定位技術是GPS測量技術與數據傳輸技術相結合而構成的組合系統。是GPS測量技術發展中的一個重大突破。RTK測量技術以載波相位觀測測量為根據的即時差分GPS測量技術。精度速度、即時、可用2.差分GPS定位方法（續）即時動態差分GPS：RTK（RealTimeKinematic）即時傳輸修正量差分GPS系統(p69-72)單站差分GPS局部區域差分（LADGPS）廣域差分GPS系統（WADGPS）增強型GPS系統：偽衛星、多基準站（VRS）等

坐標系統和時間系統坐標系統分類2.地球坐標系3.WGS-84坐標系和我國大地坐標系4.時間系統GPS衛星總是圍繞地球質心旋轉，與地球自轉無關；觀測站固定在地球表面，與自轉有關。在全球定位系統中，為了確定用戶接收機的位置，GPS衛星的暫態位置通常應化算到統一的地球坐標系統。為何引入坐標系統？1.坐標系統分類

空間固定坐標系

(與地球自轉無關的慣性參考系，對描述衛星的運行位置和狀態極其方便)

天球坐標系,慣性坐標系(InertialSystem）

與地球固聯的坐標系

(ECEF---Earth-centered-earth-fixed，該系統對表達地面觀測站的位置和處理GPS觀測數據尤為方便)地球坐標系，（WGS-84北京--54西安—80）坐標系統是由座標原點位置、坐標軸指向和尺度所定義。2.地球坐標系橢圓子午圈子午線或經線基準經線

基礎知識2.地球坐標系（續）基礎知識橢圓子午圈:包含地軸的平面與地球橢球體面相交的截痕子午線或經線：兩極之間的半個子午圈基準經線：通過英國倫敦格林威治天文臺的經線2.地球坐標系（續）ECEF表達形式：空間直角坐標系（XYZ）大地坐標系（BLH）P12

Earth-centered-earth-fixed(ECEF)frameLocalgeodeticcoordinatesystem（NEU）2.地球坐標系（續）坐標系轉換關係(P12)空間直角坐標系（XYZ）大地坐標系（BLH）N為卯酉圈的半徑

a為地球橢球長半軸b為地球橢球的短半軸

A.由大地坐標系（BLH）變換到空間直角坐標系（XYZ）見P12公式（2-3）2.地球坐標系（續）B.由空間直角坐標系（XYZ）變換到大地坐標系（BLH）空間直角坐標系（XYZ）大地坐標系（BLH）N是B的函數採用迭代的方法，先將B求出，再確定H。見P12

公式（2-4）2.地球坐標系（續）A.

地球坐標系與天球坐標系的轉換

B.地球坐標系其他表達形式地球參心坐標系天文坐標系站心坐標系高斯平面直角坐標系3.WGS-84坐標系和我國大地坐標系A.國家大地坐標系地球橢球的基本特徵:P18

四參數北京54大地坐標系(1954年)

a=6378245(m)f=1/298.3西安80大地坐標系（1980年）

B.

衛星大地測量基準WGS-84表達形式：

世界大地坐標系WGS（WorldGeodeticSystem）GPS採用WGS-841987年開始參數見P17空間直角坐標系（XYZ）大地坐標系（BLH）3.WGS-84坐標系和我國大地坐標系(續)基本大地參數WGS-72WGS-84a(m)63781356378137f1/298.261/298.257(rad/s)7.29211510-57.29211510-5GM(km3/s2)398600.8398600.5WGS-72與WGS-84的基本大地參數在天文學和空間科學技術中，時間系統是精確描述天體和衛星運行位置及其相互關係的重要基準，也是利用衛星進行定位的重要基準。4.時間系統A.世界時(UniversalTime—UT)

平子夜為零時的格林威治平太陽B.原子時（AtomicTime-AT)

高精度時間系統

C.協調世界時(CoordinateUniversalTime—UTC)

由於世界時與原子時間的積累誤差定義接近世界時的折中時間系統D.GPS時(GPST)

GPS時屬於原子時系統，由GPS主控站的原子鐘控制

為精密導航和測量需要，全球定位系統建立了專用的時間系統，由GPS主控站的原子鐘控制。GPS時屬於原子時系統，秒長與原子時相同，但與國際原子時的原點不同，即GPST與IAT在任一瞬間均有一常量偏差。IAT-GPST=19s，GPS時與協調時的時刻，規定在1980年1月6日0時一致，隨著時間的積累，兩者的差異將表現為秒的整數倍第三章衛星運動基礎及GPS衛星星曆1.

衛星的軌道參數2.GPS軌道誤差對測量精度影響3.GPS衛星的星曆衛星軌道在GPS定位中的意義衛星在空間運行的軌跡稱為軌道，描述衛星軌道位置和狀態的參數稱為軌道參數。由於利用GPS進行導航和測量時，衛星作為位置已知的高空觀測目標，在進行絕對定位時，衛星軌道誤差將直接影響用戶接收機位置的精度；而在相對定位時，儘管衛星軌道誤差的影響將會減弱，但當基線較長或精度要求較高時，軌道誤差影響不可忽略。此外，為了制訂GPS測量的觀測計畫和便於捕獲衛星發射的信號，也需要知道衛星的軌道參數。1.

衛星的軌道參數（P25）軌道傾角i

衛星軌道平面與赤道平面的夾角見圖3-1升交點赤經

衛星從南向北越過赤道的交點為升交點升交點與春分點之間的夾角

（從春分點方向向東在赤道上量到升交點的弧距稱升交點赤經）近地點角距

從升交點與近地點之間的地心夾角軌道橢圓長半軸A軌道橢圓偏心率e2.GPS軌道誤差對測量精度影響軌道誤差對所測基線精度的影響(P95)衛星軌道誤差用戶至衛星距離兩觀測站間的基線長度3.GPS衛星的星曆衛星星曆：描述衛星運動軌道的資訊預報星曆（廣播星曆）後處理星曆（精密星曆）GPS星曆預報星曆軌道參數軌道攝動改正項P33表後處理星曆根據觀測資料計算的衛星星曆衛星的預報星曆是用跟蹤站以往時間的觀測資料推求的參考軌道參數為基礎，並加入軌道攝動項改正而外推的星曆。用戶在觀測時可以通過導航電文即時得到，對導航和即時定位十分重要。但對精密定位服務則難以滿足精度要求。後處理星曆是一些國家的某些部門根據各自建立的跟蹤站所獲得的精密觀測資料，應用與確定預報星曆相似的方法，計算的衛星星曆。這種星曆通常是在事後向用戶提供的在用戶觀測時的衛星精密軌道資訊，因此稱後處理星曆或精密星曆。該星曆的精度目前可達分米。預報星曆是通過衛星發射的含有軌道資訊的導航電文傳遞給用戶，經解碼獲得所需的衛星星曆，也稱廣播星曆，包括相對某一參考曆元的開普勒軌道參數和必要的軌道攝動項改正參數。由於預報星曆每小時更新一次，在數據更新前後，各運算式之間將會產生小的跳躍，其值可達數分米，一般可利用適當的擬合技術（如切比雪夫多項式）予以平滑。

GPS用戶通過衛星廣播星曆可以獲得的有關衛星星曆參數共16個。後處理星曆一般不通過衛星的無線電信號向用戶傳遞，而是通過磁片、電視、電傳、衛星通訊等方式有償地為所需要的用戶服務。建立和維持一個獨立的跟蹤系統來精密測定GPS衛星的軌道，技術複雜，投資大，因此，利用GPS預報星曆進行精密定位工作仍是目前一個重要的研究和開發領域。第四章GPS衛星導航電文和衛星信號1.GPS衛星導航電文GPS衛星信號構成3.GPS測距碼信號GPS載波信號GPS衛星座標計算GPS接收機基本工作原理GPS衛星的導航電文，是用戶用來定位和導航的數據基礎。導航電文包含有關衛星的星曆、衛星工作狀態、時鐘改正、衛星鐘運行狀態、軌道攝動改正、大氣折射改正和由C/A碼捕獲P碼等導航資訊。導航電文又稱為數據碼（或D碼）。導航電文也是二進位碼，依規定格式組成，按幀向外播送。每幀電文含有1500比特，播送速度50bit/s，每幀播送時間30s。GPS衛星導航電文1.GPS衛星導航電文

（P34-36）導航電文衛星星曆衛星工作狀態時間系統衛星鐘偏差校正參數軌道攝動改正參數大氣折射改正參數子幀5子幀1子幀2子幀3子幀4子幀I遙測字+轉換字+數據塊I導航電文二進位碼NavigationMessage每幀導航電文含5個子幀，每個子幀分別含有10個字，每個字30比特，故每個子幀共300比特，播發時間6s。為記載多達25顆衛星，子幀4、5各含有25頁。子幀1、2、3和子幀4、5的每一頁構成一個主幀。主幀中1、2、3的內容每小時更新一次，4、5的內容僅當給衛星注入新的導航電文後才得以更新。GPS衛星導航電文一幀導航電文的內容TLWHOW數據塊—1時鐘修正參數TLWHOW數據塊—2星曆表TLWHOW數據塊—2星曆表繼續TLWHOW數據塊—3衛星曆書等TLWHOW數據塊—3衛星曆書等子幀1一個子幀6s長，10個字，每字30比特1幀30s1500比特子幀3子幀4子幀5子幀21、遙測碼（TLW—TelemetryWORD）位於個子幀的開頭，作為捕獲導航電文的前導。遙測碼的第1～8比特是同步碼，使用戶便於解釋導航電文；第9～22比特為遙測電文，其中包括地面監測系統注入數據時的狀態資訊、診斷資訊和其他資訊。第23和第24比特是連接碼；第25～30比特為奇偶校驗碼，它用於發現和糾正錯誤。導航電文內容導航電文內容2、轉換碼（HOW—HandOverWord）

緊接各子幀的遙測碼，主要向用戶提供用於捕獲P碼的Z記數。所謂Z記數是從星期日零時只能星期六24時，P碼字碼X1的週期（1.5秒）的重複數。因此，當知道了Z計數，便能較快地捕獲到P碼。導航電文內容3、第一數據塊

第一數據塊位於第1子幀的第3～10字碼，它的主要內容包括：

a、時延差改正Tgd－就是載波L1、L2的電離層時延差。b、數據齡期AODC－是時鐘改正數的外推時間間隔，它指明衛星時鐘改正數的置信度。C、星期序號WN－表示從1980年1月6日子夜零點（UTC）起算的星期數，即GPS星期數。d、衛星時鐘改正－GPS時間和UTC時間之間存在的差值。導航電文內容4、第二數據塊

第二數據塊包括第2和第3子幀，其內容表示GPS衛星的星曆，描述衛星的運行及其軌道的參數，包括下列三類：

a、開普勒六參數。b、軌道攝動九參數。C、時間二參數有關衛星運行及其軌道的參數內容，具體可參見衛星大地測量有關參考書。導航電文內容5、第三數據塊

第三數據塊包括第4和第5子幀，其內容包括了所有GPS衛星的曆書數據。當接收機捕獲到某顆GPS衛星後，根據第三數據塊提供的其他衛星的概略星曆、時鐘改正、衛星改正、衛星工作狀態等數據，用戶可以選擇工作正常和位置適當的衛星，並且較快地捕獲到所選擇地衛星。2.GPS衛星信號構成（P36-40）GPS衛星信號測距碼數據碼(導航電文）載波P碼（Y碼）C/A碼L1載波L2載波偽隨機碼L波段L1載波L2載波3.GPS測距碼信號(P39)C/A碼的碼元寬度較大，測距誤差2.9米（碼寬293.1米）

P碼的碼元寬度較小，測距誤差0.29米（碼寬29.3米）

基本頻率10.23MHzL1載波1575.42MHzL2載波1227.60MHzC/A碼1.023MHzP碼10.23MHzP碼10.23MHz數據碼50BPS數據碼50BPS15412010204600GPS衛星信號包含三種信號分量：載波、測距碼和數據碼。信號分量的產生都是在同一個基本頻率f0=10.23MHz的控制下產生，GPS衛星信號示意圖如下GPS衛星信號的載波和調製f0x120f0x154f04.GPS載波信號(P36)基本頻率控制產生三種信號分量TwoCarrierFrequencies（載波頻率）L1is154xf0=1575.42MHz,whichhasawavelengthof0.19mL2is120xf0=1227.6MHz,whichhasawavelengthof0.24m4.GPS載波信號（續）L1載波C/A碼P碼（Y碼）數據碼L2載波P碼（Y碼）數據碼Acarrierwavecanbecharacterizedbyitswavelength(l)orfrequency(f)Thefrequencyandwavelengtharerelatedbythefollowingexpression:

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