卫星定位原理与应用复习参考

提纲卫星时空系和高程系统GNSS卫星运动与星历卫星导航与信号定位原理与应用定位误差分析控制测量实施及数据处理第一页第二页，共87页。坐标系统天球定义坐标系天球赤道坐标系(α,δ,r)天球直角坐标系(x,y,z)地球坐标系地球直角坐标系(X，Y，Z)大地坐标系（B，L，H）站心坐标系站心直角坐标(N,E,U)站心极坐标(r,A,h)天球坐标系与地球自转无关，用于描述卫星运行位置和状态。地球坐标系随同地球自转，可看作固定在地球上的坐标，用于描述地面观测站的位置。站心坐标系随同地球自转，可看作固定在地球上的坐标，用于描述地面观测站与卫星的关系、卫星在空中的分布情况。第二页第三页，共87页。单击编辑标题岁差地球接近于一个赤道隆起的椭球体，在日月和其它天体引力对地球隆起部分的作用下，地球在绕太阳运行时，自转轴方向不再保持不变，从而使春分点在黄道上产生缓慢西移章动在天文学上天极相对于黄极的位置除有长周期的岁差变化外，还有许多短周期的微小变化时间系统极移由于地球内部和外部的种种动力学因素，地球自转轴相对于地球体的位置不是固定的，地极点在地球表面上的位置随时间而变化的现象第三页第四页，共87页。坐标系统转换方程单击编辑标题地球直角坐标系的定义(X,Y,Z)和大地坐标系的定义（B,L,H）天球赤道坐标系(α,δ,r)和天球直角坐标系(x,y,z)第四页第五页，共87页。坐标系统转换方程单击编辑标题站心直角坐标(N,E,U)与站心极坐标(r,A,h)）第五页第六页，共87页。单击编辑标题时刻时刻是指发生某一现象的瞬间。在天文学和卫星定位中，所获取数据对应的时刻也称历元。时间间隔时间间隔是指发生某一现象所经历的过程，是这一过程始末的时间之差。时间系统第六页第七页，共87页。单击编辑标题时间系统时间系统计量依据恒星时以春分点为参考的地球自转太阳时、世界时以太阳为参考的地球自转历书时、力学时地球公转（已被原子时替代）原子时、卫星定位时间系统原子钟协调世界时UTC原子钟+闰秒第七页第八页，共87页。高程系统单击编辑标题高程系统点的高程：有正高、正常高、大地高、相对高程。正高：地面点沿铅垂线至大地水准面的距离。正常高：地面点沿铅垂线至似大地水准面的距离。大地高：地面点沿法线至椭球面的距离。相对高：地面点沿铅垂线至任一水准面距离。第八页第九页，共87页。卫星运动与星历单击编辑标题开普勒行星运动三定律一、卫星运行的轨道为一椭圆，该椭圆的一个焦点与地球质心重合二、卫星的地心向径在单位时间内所扫过的面积相等。表明卫星在椭圆轨道上的运行速度是不断变化的，在近地点处速度最大，在远地点处速度最小。（动能、位能之和不变）三、卫星运行周期的平方与轨道椭圆长半径的立方之比为一常量，等于GM的倒数。第九页第十页，共87页。卫星运动与星历单击编辑标题a为轨道的长半径为升交点赤经

为近地点角距v为卫星的真近点角i为轨道面倾角e为轨道椭圆偏心率第十页第十一页，共87页。卫星运动与星历单击编辑标题（Ω,ω,i）确定了开普勒椭圆在轨道平面上的定向；（Ω,i）唯一地确定了卫星轨道平面在真天球坐标系中的位置关系；（a,e,f）唯一的确定了卫星轨道的形状、大小和卫星在轨道上的瞬时位置。第十一页第十二页，共87页。卫星运动与星历单击编辑标题真近点角:

偏近点角（迭代计算）:平近点角:第十二页第十三页，共87页。卫星运动与星历单击编辑标题地球格林尼治子午面绕地球自转轴旋转，约24小时/天。GPS卫星在椭圆轨道上，以3.87km/s的速度每天旋转两圈，k卫星在时刻的地心坐标可表示为：式中，分别为k卫星时刻的升交点赤径，卫星轨道面倾角，近地点角距。第十三页第十四页，共87页。卫星运动与星历单击编辑标题协议地球坐标系中GPS卫星位置的计算步骤第一步：计算平均角速度第二步：计算归化时间第三步：计算真近点角第四步：计算升交距角及轨道摄动改正项第五步：计算卫星在轨道坐标系中的坐标第十四页第十五页，共87页。卫星星历单击编辑标题卫星星历:预报星历（广播星历）

后处理星历（精密星历、快速星历、超快速星历）广播星历与精密星历的差异：1.来源不同：广播星历来源于卫星播发的导航电文，精密星历来源于某些部门的跟踪站观测计算结果；2.时间不同：广播星历实时获得，精密星历时候获得；3.精度不同：精密星历最高可达1-2cm；4.内容不同：广播星历提供轨道参数及改正项，精密星历提供协议地球坐标系（ITRF）下的卫星位置；5.计算方法不同：广播星历通过开普勒定律计算卫星位置，精密星历通过内插法；6.获取途径不同：广播星历通过无线电信号，精密星历通过网络通信下载。第十五页第十六页，共87页。卫星导航系统与信号单击编辑标题GPS系统由三部分组成–空间部分GPS卫星星座–地面控制部分主控站：1个

监测站：5个

注入站：3个

通讯与辅助系统–用户设备部分用户机、车载机

接收设备第十六页第十七页，共87页。卫星导航系统与信号单击编辑标题GPS卫星信号包含三种信号分量：载波、测距码和数据码载波:运载调制信号的高频震荡波测距码：用于测定从卫星到接收机间距离的二进制码数据码:包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、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码等导航信息第十七页第十八页，共87页。卫星导航系统与信号单击编辑标题载波：L1载波，L2载波，L5载波由卫星上的原子钟直接产生，频率为10.23MHz,卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频第十八页第十九页，共87页。卫星导航系统与信号单击编辑标题载波频率选择的因素–所选择的频率有利于测定多普勒频移；–所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响；–选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟（电离层折射延迟于信号的频率有关）。第十九页第二十页，共87页。卫星导航系统与信号单击编辑标题测距码作用:–识别不同卫星、捕获卫星信号–测定伪距–传递导航电文（D码）–提高抗干扰能力测距码：粗码C/A码、精码P码以及Y码–粗码(C/A码)为主要民用导航测距码；–Y码用于反欺骗模式启动时替代P码；–精码(P码)，或者Y码主要是用于授权用户精确导航测距码。第二十页第二十一页，共87页。卫星导航系统与信号单击编辑标题导航电文:遥测字交接字数据块1(含有卫星钟改正参数及形钟数据龄期IODC、星期的周数编号WN、电离层延迟改正TGD、和卫星工作状态等信息)数据块2向用户提供有关计算卫星运行位置的信息。该数据一般称为卫星星历（广播星历）数据块3向用户提供GPS卫星的概略星历及卫星的工作状态信息，称为卫星的历书第二十一页第二十二页，共87页。定位原理与方法单击编辑标题伪距基本观测方程：第二十二页第二十三页，共87页。卫星导航系统与信号单击编辑标题载波相位基本观测方程：𝜆:波长𝑁:整周模糊度第二十三页第二十四页，共87页。卫星导航系统与信号单击编辑标题载波相位特性：整数性：载波相位模糊度为整数。不变性：在观测过程中，只要保持对卫星信号的连续跟踪，相位模糊度不变。周跳：载波相位观测值中整周计数发生错误周跳的大小为载波波长的整数倍障碍物遮挡、接收机天线运动、信号信噪比低、接收机质量或卫星故障等第二十四页第二十五页，共87页。卫星导航系统与信号单击编辑标题组合观测值:卫星间求一次差接收机间求一次差接收机和卫星间求二次差接收机、卫星、历元间三次差第二十五页第二十六页，共87页。卫星导航系统与信号单击编辑标题消电离层组合无几何距离组合宽巷组合窄巷组合第二十六页第二十七页，共87页。卫星导航系统与信号单击编辑标题无几何距离组合：单独利用一台接收机的伪距观测值确定待定点绝对位置的方法采用广播星历，结果为WGS84坐标采用IGS精密星历，结果为ITRF坐标优点：原理简单，实时性好单台接收机的伪距观测值即可定位缺点：伪距精度低第二十七页第二十八页，共87页。卫星定位原理与方法单击编辑标题原始伪距基本观测方程为对几何距离线性化第二十八页第二十九页，共87页。卫星定位原理与方法单击编辑标题单历元观测S颗卫星，并写成矩阵形式第二十九页第三十页，共87页。卫星定位原理与方法单击编辑标题精度衰减因子：空间位置精度因子PDOP时钟差精度因子TDOP定位几何精度因子GDOP平面位置精度因子HDOP垂直精度因子VDOP第三十页第三十一页，共87页。卫星定位原理与方法单击编辑标题载波相对定位方法优点精度高短基线省去多项误差改正缺点：数据处理复杂实时性差第三十一页第三十二页，共87页。卫星定位原理与方法单击编辑标题原始载波基本观测方程为:站间单差观测方程第三十二页第三十三页，共87页。卫星定位原理与方法单击编辑标题精密单点定位特点单台接收机作业机动灵活单点精密定位，节约成本、提高效率不需参考站，定位不受作用距离限制精度：厘米级用途：全球高精度测量、卫星定轨、对流层建模与卫星有关的误差:卫星星历、钟差：采用IGS发布的精密星历文件和钟差文件。卫星天线相位中心偏差：利用IGS公布的相位中心偏差文件进行改正。相对论效应：采用模型改正地球自转改正：采用IGS公布的地球自转参数第三十三页第三十四页，共87页。卫星定位原理与方法单击编辑标题伪距观测方程相位观测方程PPP观测方程第三十四页第三十五页，共87页。卫星定位原理与方法单击编辑标题RTK：是一种利用载波相位观测值在流动站和基准站之间进行的一种实时动态相对定位技术。双差相位观测值：在一定距离内，基准站和流动站之间有较好的误差相关性，从而可以利用基准站载波相位或求得的载波相位改正（差分法、改正法）提高流动站的定位精度，RTK的定位精度可达到厘米级。第三十五页第三十六页，共87页。卫星定位误差分析单击编辑标题单击编辑标题卫星有关的误差卫星轨道误差卫星钟差相对论效应传播途径有关的误差传播途径有关的误差电离层延迟对流层延迟多路径效应接收设备有关的误差接收机天线相位中心的偏移和变化接收机钟差接收机内部噪声第三十六页第三十七页，共87页。卫星定位误差分析单击编辑标题模型改正法原理：利用模型计算出误差影响的大小，直接对观测值进行修正所针对的误差源:相对论效应电离层延迟对流层延迟卫星钟差第三十七页第三十八页，共87页。卫星定位误差分析单击编辑标题求差法：原理：通过观测值间一定方式的相互求差，消去或消弱求差观测值中所包含的相同或相似的误差影响；所针对的误差源:电离层延迟对流层延迟卫星轨道误差第三十八页第三十九页，共87页。卫星定位误差分析单击编辑标题参数法：采用参数估计的方法，将系统性偏差求定出来适用情况：几乎适用于任何的情况第三十九页第四十页，共87页。卫星定位误差分析单击编辑标题卫星钟差：卫星上虽使用了高精度的原子钟，但仍存在着误差，既含系统性的误差（由频偏、频漂等产生的误差），也含随机误差。系统误差远比随机误差大，但前者可以通过模型加以改正。模型改正，采用钟差改正多项式：a0为toc时刻的时钟偏差（钟偏）；a1为钟速的偏差（钟漂）；a2为钟速的漂移（钟漂率）；TGD卫星群延迟。Toc为卫星时钟修正参数的参考时间。第四十页第四十一页，共87页。卫星定位误差分析单击编辑标题电离层延迟对流层troposphere（~8/18公里）；–平流层stratosphere（8/18~55/60公里）；–电离层ionosphere（55/60~1000公里）；–中间层和散逸层mesosphere；–再上面为星际空间。实质：大气对电磁波的折射效应第四十一页第四十二页，共87页。卫星定位误差分析单击编辑标题大气折射效应信号在穿过大气时，速度将发生变化，传播路径也将发生弯曲。对GPS信号来说，电离层是色散介质，对流层是非色散介质电子密度：单位体积中所包含的电子数。总电子含量：底面积为一个单位面积时沿信号传播路径贯穿整个电离层的一个柱体内所含的电子总数。第四十二页第四十三页，共87页。卫星定位误差分析单击编辑标题电离层延迟特点：–电离层延迟与信号频率的平方成反比电离层对载波和测距码的影响，大小相等，符号相反电离层延迟应对方法：–模型改正–单层电离层模型；–差分处理；–双频改正。第四十三页第四十四页，共87页。卫星定位误差分析单击编辑标题对流层延迟同电离层影响相比，对流层的影响小一个量级主要有两类经验模型，测站位置和气象要素：测站纬度、高程等干温、湿温、气压等第四十四页第四十五页，共87页。卫星定位误差分析单辑标题多路径误差在GPS测量中，用户附近的物体所反射的卫星信号被接收机天线所接收，与直接来自卫星的信号产生干涉，从而使观测值偏离真值产生所谓的“多路径误差”。应对方法：布站：选择合适的测站避开易产生多路径的环境硬件：采用抗多路径误差的设备抗多路径的天线：带抑径板或抑径圈的天线，极化天线抗多路径的接收机：窄相关技术第四十五页第四十六页，共87页。卫星定位误差分析单击编辑标题地球自转改正：GNSS信号自卫星到地面测站，需要一段传播时间，如果以用户为标准，卫星坐标发生的变化量，这必然引起卫星到测站的几何距离发生变化，设变化量可由微分公式可算出：第四十六页第四十七页，共87页。卫星定位误差分析单击编辑标题接收机天线相位中心误差:接收机天线的相位中心相对测站标石中心位置的偏差应对方法：正确对中整平或采用强制对中装置接收机天线相位中心变化的改正GNSS测量和定位时是以接收机天线的相位中心位置为准，天线的相位中心与其几何中心理论上应保持一致。GNSS信号是来自四面八方，随着GPS信号方位和高度角的变化，接收机天线的相位中心的位置也在发生变化第四十七页第四十八页，共87页。卫星控制测量实施单击编辑标题GNSS控制网：采用GNSS定位技术所建立的测量控制网，由GNSS站点和基线向量构成。优点：精度高/选点灵活/全天候作业/三维坐标缺点：对空通视/短距离测量精度受限第四十八页第四十九页，共87页。卫星定位误差分析单击编辑标题GNSS控制网分类框架基准网大地测量控制网工程控制网测图控制网观测时段定义•从测站上开始接收卫星信号至记录停止的连续观测的时间间隔，即时段长度。特点•GNSS控制测量的基本时间单位•不同等级对时段数和时段长度有不同的要求第四十九页第五十页，共87页。卫星定位误差分析单击编辑标题同步观测–定义：两台或两台以上的接收机对同一组卫星信号进行的观测–特点：某时段共有N台接收机进行了同步观测，则共可得到JN=N(N-1)/2条同步观测基线；当N>2时，可以构成不同边数的同步环。基线向量利用两台接收机同步观测所得的站间三维坐标差即为基线向量，简称基线必要基线n个测站的GNSS网的必要基线数为Jn=n-1多余基线：J独-J必非独立基线：J总-J独第五十页第五十一页，共87页。卫星定位误差分析单击编辑标题独立基线定义：•线性无关（相互函数独立）的一组基线向量某时段N台GPS接收机构成的同步观测环，有JN条同步观测基线，其中独立基线数JD=N一1。闭合环–由多条基线向量首尾相连所构成的闭合图形闭合差–组成闭合环的基线向量按同一方向的矢量和同步观测环（同步环）–三台或三台以上的接收机同步观测所获得的基线向量所构成的闭合环，简称同步环。第五十一页第五十二页，共87页。卫星误差分析单击编辑标题异步观测环（异步环）–异步观测环：在构成多边形环路的所有基线向量中，只要有非同步观测基线向量，则该多边形环路叫异步观侧环，简称异步环。独立观测环（独立环）–独立观测环：由独立观测所获得的基线向量构成的闭合环，简称独立环。闭合差检验–同步环：闭合差理论为零、实践不为零但通常很小。–异步环：闭合差理论不为零、也不一定为微小值。第五十二页第五十三页，共87页。卫星误差分析单击编辑标题设计准备项目规划资料搜集整理技术设计仪器检验和检定踏勘、选点和埋石第五十三页第五十四页，共87页。卫星误差分析单击编辑标题外业施测实地了解测区情况：卫星状况预报确定作业方案外业观测数据传输备份基线解算及其质量控制第五十四页第五十五页，共87页。卫星误差分析单击编辑标题数据处理网平差及其质量控制技术总结成果验收技术设计第五十五页第五十六页，共87页。卫星误差分析单击编辑标题设计目标质量精度观测值间相互符合的程度观测值与已知值间符合的程度可靠性发现粗差的能力抵御粗差的能力效率理论最少观测时段数与设计时段数的比值第五十六页第五十七页，共87页。卫星误差分析单击编辑标题基准设计位置基准无固定（无联测）。自由网平差（最小范数、假定基准、重心基准、拟稳基准），也称无约束平差，对网的方向和尺度无影响。固定网中一点的坐标。最小约束平差，也称无约束平差，对网的方向和尺度无影响。固定网中多点的坐标。约束平差，对网的方向和尺度有影响。第五十七页第五十八页，共87页。卫星误差分析单击编辑标题图形设计三角形网：优点：几何强度高、抗粗差能力强缺点：工作量大多边形网：效率高，工作量较小图形强度不如三角形网附合导线网：效率高，工作量较小图形强度不如三角形网和多边形网星形网：作业速度快，抗粗差能力差第五十八页第五十九页，共87页。卫星误差分析单击编辑标题观测时段数计算公式（理论值）：总基线数：J总=C·N·(N-1)/2必要基线数：J必=n-1

独立基线数：J独=C·(N-1)

多余基线数：J多=C·(N-1)–(n-1)

非独立基线数：J非独=C·N·(N-1)/2–C·(N-1)第五十九页第六十页，共87页。卫星测量数据处理单击编辑标题基线向量：利用由两台或两台以上的接收机同步观测所得的站间三维坐标差空间直角坐标与大地坐标第六十页第六十一页，共87页。卫星测量数据处理单击编辑标题空间直角坐标与站心直角坐标第六十一页第六十二页，共87页。卫星测量数据处理单击编辑标题单基线解/基线模式解算方法一次仅同时提取两台GNSS接收机的同步观测数据进行基线解算。特点•模型简单，参数较少，计算量小，最为常用•解算结果无法反映同步观测基线间的误差相关性•无法充分利用观测数据之间的关联性第六十二页第六十三页，共87页。卫星测量数据处理单击编辑标题解算方法一次提取一个观测时段中所有进行同步观测的n台接收机所采集的同步观测数据，在单一解算过程求出所有n-1条相互函数独立的基线。特点•数学模型严密，并能反映同步观测基线间的误差相关性•数学模型和解算过程复杂，计算量大多基线解/时段模式第六十三页第六十四页，共87页。卫星测量数据处理单击编辑标题整体解/战役模式解算方法•一次提取整个观测过程中所有观测数据，在一个单一解算过程中同时处理，得出所有独立基线。特点•数学模型严密，能反映出同步基线间的相关性•避免了结果在几何上的不一致性和闭合差不为零•将基线解算与网平差融为一体•数学模型和解算过程复杂，计算量大第六十四页第六十五页，共87页。卫星测量数据处理单击编辑标题GNSS网外业施测的主要内容①测绘资料收集整理②仪器检验、检定③踏勘、选点、埋石④作业队进驻⑤卫星状态预报⑥观测计划制定⑦作业调度及外业观测⑧数据传输、转储、备份⑨基线解算及质量控制⑩重测和补测第六十五页第六十六页，共87页。卫星测量数据处理单击编辑标题测量任务完成后，应上交下列资料：①测量任务书和技术设计书。②点之记、环视图、测量标志委托保管书。③卫星可见预报表和观测计划表。④外业观测记录、仪器检测资料及气象资料。⑤外业观测数据质量分析和野外检和计算资料。⑥各种磁盘、原始观测资料和成果表。⑦GNSS网展点图。⑧技术总结、成果验收报告。第六十六页第六十七页，共87页。卫星误差分析单击编辑标题矩阵形式第六十七页第六十八页，共87页。卫星误差分析单击编辑标题参数估计精度评定第六十八页第六十九页，共87页。卫星误差分析单击编辑标题基线解算的基本流程第六十九页第七十页，共87页。卫星误差分析单击编辑标题基线解算的质量控制质量评定•通过一系列的指标，对基线向量结果的质量进行评估，发现质量差（不合格）的基线质量改善•通过数据处理手段（基线精化处理），提高基线向量结果的质量第七十页第七十一页，共87页。卫星误差分析单击编辑标题基线解算质量评定的指标基于测量规范的控制指标•数据剔除率，同步环闭合差，异步环闭合差，复测基线长度较差基于统计学原理的参考指标•单位权方差（参考方差），观测值残差的RMS，RATIO值，RDOP值数据删除率•定义在基线解算时，如果观测值的改正数大于某一个阈值时，则认为该观测值含有粗差。粗差数量与观测值的总数的比值，称为数据删除率•作用数据删除率从某一方面反映出了GNSS原始观测值的质量。数据删除率越高，通常表明观测值的质量越差。•要求根据GB/T18314-2009同一时段观测值的数据剔除率宜小于10%第七十一页第七十二页，共87页。卫星定位误差分析单击编辑标题同步环闭合差异步环闭合差复测基线互差第七十二页第七十三页，共87页。卫星定位误差分析单击编辑标题单位权方差观测值残差RATIORDOP第七十三页第七十四页，共87页。卫星定位误差分析单击编辑标题基线解算的质量控制—影响因素少数卫星的观测时间太短个别卫星或个别时段周跳太多，使周跳修复不完善多路径效应比较严重，观测值的改正数普遍较大对流层折射影响或电离层折射影响较大删除该卫星的观测数据，不让其参与基线在发生周跳处增加新的模糊度参数删除周跳严重的时间段的方法缩小编辑因子的方法来剔除残差较大的观测值删除多路径误差严重的时间段或卫星的数据提高截止高度角，剔除易受对流层或电离层影响的低高度角观测数据采用模型对对流层和电离层延迟进行改正如果GNSS观测值是双频观测值，则可采用无电离层观测值（Iono-free）来进行基线解算第七十四页第七十五页，共87页。卫星定位误差分析单击编辑标题网平差的目的及意义消除由观测量和已知条件中存在的误差所引起的GNSS网在几何上的不一致改善GNSS网的质量，评定GNSS网的