GPS期末复习重点提纲解析1

GPS的来由全球定位系统（GlobalPositioningSystem,简称GPS），是在子午卫星导航系统(NNSS)基础上建立起来的新一代导航卫星定位系统卫星的这种布局保障了在地球上任何时刻、任何地点均至少可以同时观测到4颗卫星，我校B=32º9´N，L=118º2´E卫星钟标准频率F010.23MZ无论何种类型的GPS接收机它都由GPS接收机天线单元、GPS接收机主机单元和电源三部分组成GPS的建成和应用，给导航和定位技术带来了一场革命性的变化导航实时导航精度1~10m可用于海上（海船、舰艇）、空中（飞机、导弹）、陆上（各种汽车与GIS、DR联合导航）“GPS的投入是战争效益的倍增器”“三S”的联合使用威力巨大授时利用GPS进行高精度的授时和守时（天文台站、无线电数据通讯等领域）用户能获得10ns的时钟改正数（相对于GPS时间），相对于UTC可达0.1~1us(10-6~10-7)定位在测绘领域，几乎取代常规大地测量工程测量上，已经得到越来越广泛的应用在航测、土地调查、勘界等领域广泛应用GPS在交通工程中主要应用用GPS静态测量模式建立各种工程控制网：公路勘测．桥梁．隧道．航道工程等用差分GPS（RTD模式）进行水深测量的平面定位：用差分GPS（RTK模式）进行公路勘测中线实时放样与DR\MM\GIS相结合对各种交通工具（汽车．船只等）的进行导航服务GPS并不是万能的,它还存在以下不足之处:1、导航的可靠性不足：95%可靠性设计,因而只能作为民用飞机导航辅助手段2、RTK的应用还有待进一步完善：如数据传输的可靠性、电台的作用距离限制等3、高程精度有待进一步完善4、不能用于水下与井下等领域GPS以外的导航定位系统简介我国北斗系统的发展分为三步:试验系统、扩展的区域导航系统和全球导航系统。北斗试验验证系统具有如下特点:一是首次定位速度快。北斗试验系统的用户定位、电文通信和位置报告可在几秒内完成,而GPS首次定位一般需要1~3min。二是集定位、授时和报文通信（120汉字）为一体。GPS和GLONASS系统只解决了用户在何时、在何地的授时和定位问题,北斗试验系统是世界上首个集定位、授时和报文通信为一体的卫星导航系统,解决了“何人、何时、何处”的相关问题,实现了位置报告、态势共享。三是授时精度高。GPS的精密定位服务(PPS)授时精度为200ns,北斗验证系统的单向授时精度达100ns,双向定时精度达到20ns,远远高于GPS的授时精度。四是可实现分类保障。即可划分使用等级范围,授权用户与公开用户分开,公开用户也可随时进行定位保障等级的调整、优先权调配和能力集成。由于北斗-1系统具有GPS等系统不能比拟的短信报文通信功能优势,因此目前的典型民事应用主要集中于数据采集、监测类应用和监控、指挥调度类应用,充分发挥了“北斗”系统的通信优势。由于北斗-1系统在2008年汶川抗震救灾中发挥了显著的作用,因此该系统在灾害应急救援方面的应用获得了各方重视,预计应用装备将会大幅增加。目前,北斗-1系统的主要用户是涉与国家安全和经济安全的政府部门、军方和行业用户,由于终端价格的竞争劣势等原因,尚未能进入大众化的民用商业领域。北斗-1系统在民用领域的定位导航应用较少,其主要原因是系统采用有源定位体制,导致终端价格较高,定位精度与GPS相比处于劣势。总结：与GPS系统不同，所有用户终端位置的计算都是在地面控制中心站完成。因此，控制中心可以保留全部北斗终端用户机的位置与时间信息。同时，地面控制中心站还负责整个系统的监控管理。与GPS、GLONASS、Galileo等国外的卫星导航系统相比，BD–1有自己的优点。如投资少，组建快；具有通信功能；捕获信号快等。但也存在着明显的不足和差距，如用户隐蔽性差；无测高和测速功能；用户数量受限制；用户的设备体积大、重量重、能耗大等。北斗二代2012年12月27日正式开始运行.目前在轨卫星14颗。最终北斗全球导航定位系统由35颗卫星组成（5颗静止卫星和30颗非静止卫星）。系统由5颗位于地球赤道上空（36000km）静止轨道(GeostationaryOrbit,GEO)卫星,分别位于58.75°E，80°E，110.5°E，140°E和160°E为了满足高纬度地区进行信号增强工作的需求，增设了3颗IGSO（InclinedGeosynchronousOrbit,IGSO）轨道卫星。IGSO卫星高度和静止轨道卫星相同，但是倾角不为0，IGSO轨道卫星克服了GEO卫星在高纬度地区仰角过低的问题，可以对高纬度地区进行有效的信号增强。3颗IGSO卫星轨道最北到北纬55°，可对我国领土范围内进行有效的精度增强。GEO、IGSO除参加定位观测外，还可用于发射北斗二代、GPS、“伽利略”广域差分信息和完好性信息,差分定位精度可达1m。系统基本定位是由27颗MEO(MediumEarthOrbit,MEO)卫星完成的，通过三个55°倾角的轨道平面个部署9颗卫星，轨道高度21550km.我国已向国际电信联盟(ITU)申报,北斗导航系统将发射4个频率的信号:1561MHz、1589MHz、1268MHz与1207MHz(E5b北斗区域卫星导航系统(也称北斗2代1期)于2012年12月27日正式开始运行,系统由14颗卫星组成,包括5颗地球静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星和4颗中圆地球轨道卫星物联网（TheInternetofthings）的定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网的概念是在1999年提出的。物联网就是“物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。2.1坐标系统在卫星定位中，需要研究建立卫星在其轨道上运动的坐标系，并寻求卫星运动的坐标系与地面点所在坐标系之间的关系，实现坐标系之间的转换。完全定义一个坐标系必须明确：（1）坐标原点的位置；（2）三个坐标轴的指向；（3）长度单位。坐标系的表示形式有：空间直角坐标系、球面坐标系、大地坐标系。采用空间直角坐标系便于坐标转换。它可以通过平移和旋转从一个坐标系方便地转换至另一坐标系。不管采用什么形式，在一个坐标系中都要满足一一对应的关系，即一组具体的参数值（坐标值）只表示唯一的空间点位，一个空间点位也对应唯一的一组参数值（坐标值）。卫星定位中常采用空间直角坐标系与其相应的大地坐标系，一般取地球质心为坐标系的原点。根据坐标轴指向的不同，有两类坐标，天球坐标系和地球坐标系。地球坐标系随同地球自转，可看作固定在地球上的坐标系，便于描述地面观测站的空间位置；天球坐标系与地球自转无关，便于描述人造地球卫星的位置。一、天球与天球坐标系天球是以地球质心为球心，以无穷大为半径的一个假想球体。地球自转轴的延长线称为天轴天轴与天球的两个交点称为天极，即北天极和南天极。通过地球质心且与天轴垂直的平面称为天球的赤道面。地球绕太阳公转的轨道面与天球相交的大圆称为黄道；黄道与天球赤道有两个交点，其中太阳的视位置由南向北通过赤道的交点称为春分点。另外一点则称为秋分点。天球坐标系是以地心O为坐标原点的，Z轴指向北天极，X轴指向春分点，Y轴垂直XOZ轴并构成右手坐标系。球面坐标系原点与空间直角坐标系原点重合；以原点O至空间点P的距离r作为第一参数；以OP与OZ轴的夹角（取小于的值）作为第二参数（在实际工作中常以=90代替作为第二参数）。第三参数为ZOX平面与ZOP平面的夹角，自ZOX平面起算右旋为正。描述地面观测站的位置，需采用固联在地球上、随同地球自转的地球坐标系地球坐标系以地球质心为坐标原点；大地坐标系是通过一个辅助面（参考椭球面）定义的第一个参数——大地纬度B为过空间点P的椭球面法线与XOY平面的夹角，自XOY面向OZ轴方向量取为正。第二个参数——大地经度L为ZOX平面与ZOP平面的夹角，自ZOX平面起算右旋为正。第三个参数——大地高程H为过P点的椭球面法线自椭球面至P点的距离，以远离椭球面中心方向为正。建立以P1为原点的站心左手地平直角坐标系P1xyz：以P1点的法线为z轴（指向天顶为正），以子午线方向为x轴（向北为正），y轴与x、z垂直（向东为正）。此坐标系也称东北天坐标系。卫星测量是利用空中卫星的位置确定地面观测点的位置。两种坐标系的差别可表达为：WGS-84坐标属于地球坐标系GPS测得WGS-84坐标工程实践上使用的参心坐标或地方独立坐标（参考PPT）理论上，任何一个周期运动，只要它的运动是连续的，其周期是恒定的，并且是可观测和用实验复现的，都可以作为时间尺度（单位）用以测量时间的周期性运动有三类:转动体的自由旋转。如地球的自转————世界时系统开普勒运动。如地球绕太阳公转————历书时系统（也称力学时系统）谐波振荡。如原子钟的振荡————原子时系统GPS对时间的要求既要稳定又要连续。GPS时间系统的起算原点定义在1980年1月6日UTC0时。启动后不跳秒，保持时间的连续。无摄运动：只考虑地球质心引力作用的卫星运动。在研究卫星的无摄运动中，将地球和卫星看作两个质点，也称为二体问题。二体问题下的卫星运动虽然是一种近似描述，但能得到卫星运动的严密分析解，从而可以在此基础上再加上摄动力来推求卫星受摄运动的轨道。卫星的无摄运动，一般可通过参数（a、e、M0、Ω、i、）来描述，这组参数称为开普勒轨道参数，或称轨道根数。3.1.1GPS的信号组成GPS卫星向广大用户发送的导航电文是一种不归零二进制码所组成的编码脉冲。习惯上也称之为数据码或D码D码的码率fd=50Hz，对于2万公里且电能紧张的GPS卫星，如何发送给用户？（系统关键）有效办法：二级调制第一级.制：将0Hz的D码调制在两个伪随机噪声码上，形成所谓的组合码D(t)P(t)组合频率10.23MzD(t)G(t)组合频率1.023Mz目的：将D码信号的频带从50Hz扩展到10.23Mz（或1.023Mz），使信号深埋在噪声中，既节省了电能，又增强了信号杭干扰能力，实现保密传送。第二级.制：将一级调制后组合码进一步调制在两个L波段的载波上，形成两个调制波GPS信号组成如下：L1调制波：L1载波、P码、C/A码、D码L2调制波：L2载波、P码、D码GPS的C/A码和P码，都是由最长线性移位寄存器码序列（简称m序列）产生的复合码。图是一个4级反馈移位寄存器。根据m序列的统计特性，二元自相关函数可写为:m序列的互相关函数是一个比较复杂的问题经计算、研究得出了以下一个重要规律。若一个r级m序列，r16，且r4i(i=1,2,…)，则存在一组Mr个m序列。在该组内，各m序列的两两互相关函数为三值相关函数，其值为。t(r)为移位寄存器级数r的函数，下表给出了r为5~10的t(r)/Lp之值。这一组内m序列的互相关函数的绝对值较其他m序列间互相关函数绝对值的要小很多。这表明，此组内的m序列具有良好的互相关特性。若用此组内的各m序列作为各卫星的伪随机码，则不同卫星的信号就不会造成严重干扰，且解决了目标识别问题。这就是码分多址技术。这样的组内m序列的个数Mr很少，不能直接满足码分多址系统的要求。然而，其互相关函数值小这一良好特性，却为今后构成足够多的哥尔德码族提供了基础。截短码是将码长的码，截去一段Lp，而构成码长为的截短码。产生截短码的方法是：在移位寄存器反馈线路中加入一个“状态检测器”，使码长为Lp的移位寄存器在“状态检测器”的控制下，经过个状态后，发生一次跳跃，跳过后面（Lp）个状态而回到初始状态，从而得到一码长为的截短码。由两个或两个以上的短码构成的一个长码，称为复合码。复合码不仅增大了码长，更重要的是大大改善了自相关函数的特性，从而缩短了寻找最大自相关值的过程。这是构成复合码的真正意义。GPS卫星发播两种伪随机测距码：一是精密测距码p码，由两个码长互素的m码组成模2和复合码；另一个是粗捕获码C/A码，由两个具有良好互相关特性的同族m码序列构成的哥尔德码（GoldCode）族。GPS的精码——P码，P码是由两个码长互素的子码X1与X2组成的模2和复合码，两个子码X1与X2均是由24级移位寄存器产生的截短码。当各卫星信号到达接收机时，接收机产生的本地P码与卫星信号P码进行局部自相关检测。GPS的C/A码是由两个10级移位寄存器产生的m序列G1和G2，经模2和产生的复码。GPS卫星的导航电文(又叫数据码D码)主要内容包括：卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、工作状态信息以与由C/A码捕获P码的信息。开普勒六参数、轨道摄动九参数、时间二参数toe和AODE（星历的有效龄期）根据广播星历计算卫星在WGS—84坐标系中的瞬时坐标的总体思路是：首先按“二体问题”计算观测时刻的轨道参数；然后，根据导航电文给出的轨道摄动参数，计算摄动修正后的轨道参数；继而计算卫星在轨道平面坐标系中的瞬时坐标；最后，顾与地球自转的影响（`忽略章动、岁差和极移等影响），将轨道平面坐标系中的坐标进一步转换到WGS—84坐标系中观测时刻的升交点N的大地经度等于该时刻升交点赤经与格林尼治恒星时GAST之差，特别需要注意的是:既不是参考时刻升交点的赤经，也不是准确的经度，故称为准经度。信号通道是接收机的核心部分，GPS信号通道是硬软件结合的电路。微处理器是GPS接收机工作的灵魂，GPS接收机工作都是在微机指令统一协同下进行的。综上所述，接收机的主要任务是：当GPS卫星在用户视界升起时，接收机能够捕捉到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星，并能跟踪这些卫星的运行；对所接收到的GPS信号，具有变换、放大和处理的功能，以便测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置、三维速度和时间。GPS接收机不仅需要功能较强的机内软件，而且需要一个多功能的GPS数据测后处理软件包。接收机加处理软件包，才是完整的GPS用户设备。伪距的概念通过测量GPS卫星发射的测距码信号到达用户接收机的传播时间，从而求算出接收机到卫星的距离。由于存在卫星钟与接收机钟的误差以与信号在传播过程中经过电离层和对流层的延迟，此距离并不代表卫星与接收机的几何距离，与其存在一定偏差，因此称以上距离为伪距，它是伪距定位法的观测量。伪距定位的基本模型:可见,定位精度主要取决于两个因素:一是观测值的精度(它由观测中各项误差所决定)二是观测卫星的几何精度因子(因为权逆阵QXX由A决定,A又由观测矢量的方向余弦所决定,方向余弦则由测站和观测卫星所组成的图形精度因子所决定)几何精度因子就是接收卫星的几何形状对定位精度影响的大小程度。在相同的观测精度下，几何精度因子越小定位精度越高，反之越低。因此在GPS观测时，应对几何精度因子加以限制。在实际作业中常对GDOP加以限制(4至8以内)，以选择合理的卫星分布与观测时段。但是由于载波信号是一种周期性的正弦波，而相位测量只能测量出不足一周的小数部分，因此在相位测量中存在整周数的确定问题，也就是整周模糊度的精确求解问题。如何正确快速求解整周模糊度问题是相位测量定位的关键，由于卫星与地球间的相对运动，接收到的卫星信号的频率因多普勒频移而发生变化，与基准信号频率不同。将接收到的卫星信号与本机产生的基准信号混频，得到差频的中频信号，其相位值即为两个信号间的相位差。因此通过测定该中频信号的相位便可获得所需的相位差。实际上，任一历元的相位观测值为是初始历元的整周待定值，也称之为初始整周模糊度。它等于初始时刻随机给定的整周值与其理论整周数的差载波相位定位法不能进行实时绝对定位由于各种误差的影响掩盖了整周模糊度的整数特性，确定整周模糊度变得十分复杂。另外观测过程中不可避免的存在周跳现象,其处理也十分复杂。因此一般情况下不用绝对定位方法，而采用相对定位法。一次差站际、星际、历元间一次差，能消除或削弱哪些误差？二次差站际星际二次差又能消除或削弱哪些误差？站际星际间的双差观测值可以消除星钟误差和站钟误差的影响，大大削弱电离层和对流层的折射影响，大多数GPS基线向量处理软件包中均选用此模型。两次差消除了星钟与站钟误差，大大削弱了电离层、对流层的误差影响若两测站同步观测的卫星数为n个，取高度角最高的卫星为参考卫星。则每一历元可组成n-1个独立的双差观测值，若观测m个历元（连续观测且无周跳），共可形成的双差观测值方程数为：m(n-1)其中未知参数为3+n-1=n+2多余观测数为：m(n-1)-(n+2)由于GPS整周模糊度解算的重要意义，关于这方面的研究一直都是GPS领域中的热点之一定位解分为两种情况：（1）整数解（固定解）：根据整周模糊度的整数特性，通过一定的处理技术正确确定出某整数解，然后代入原方程，重新求解坐标未知参数.实数解（浮动解）：这种情况不考虑整周模糊度解的整数性，通过平差计算出来的解即为定位解，由于这时XN为实数，对应解Xc称为实数解或浮动解.快速模糊度解法FARA（FastAmbiguityResolutionAppproach）是1990年由E.Frei与G.Beutler提出的，从而实现了快速静态定位法，它与通常的静态定位方法相比，观测时间大大缩短，仅需几分钟，但其定位精度对于10km以下的短基线与静态定位精度大致相当。俫卡公司率先在Wild200接收机的SKI基线解算软件中采用了FARA技术。与常规法不同，FARA法不但利用了浮点双差解的模糊度的中误差，而且充分考虑了模糊解向量的协方差，对于所有可能组合的整数解向量中任两个整数之差，也利用协方差阵所提供的信息进行统计检验。若差值检验不能通过，则可剔除包含这两个整数的模糊度解向量，从而大大减小需探索的整数模糊度解向量的个数。与常规法不同，FARA法不但利用了浮点双差解的模糊度的中误差，而且充分考虑了模糊解向量的协方差，对于所有可能组合的整数解向量中任两个整数之差，也利用协方差阵所提供的信息进行统计检验。若差值检验不能通过，则可剔除包含这两个整数的模糊度解向量，从而大大减小需探索的整数模糊度解向量的个数。在观测时间段比较短的情况下，模糊度参数的实数解的精度低，且相关性很强。实践表明，这是造成模糊度解算困难的主要原因。整数变换(Z变换)的思想是在进行模糊度搜索之前，将模糊度参数通过整数变换矩阵变换成一组相关度较小的(非对角元素小于0.5)、具有利于搜索的参数，对新参数进行搜索，得到满足验后单位权方差或残差平方和最小的条件的一组整数组合作为它的整数解。进行逆的整数变换从而得到原始的模糊度参数的整数解。OTF的基本思想是根据GPS接收机在运动过程中，短时间(2至3分钟)接收到的卫星载波信号观测值，结合参考站的同步观测值，利用快速解算整周模糊度法，确定初始整周未知数。在为初始化所进行的短时间观测过程中，载体的瞬时位置，是根据随后确定的整周未知数，利用逆向求解的方法来确定的。该法的优点是在载体运动过程中，卫星一旦失锁，运动体不再需要停下来，重新进行初始化工作.因此要动态确定整周未知数，所必须观测的历元数与观测的卫星数有关。从理论上讲为得到确定的解同步跟踪的卫星数至多为5，而观测的历元数不得少于4。位置差分原理方法的优点是计算简单，适用于各种型号的GPS接收机。但是，该方法要求基准站与用户站必须观测同一组卫星，这在近距离可以做到，但距离较长时很难满足。伪距差分利用改正后的伪距就可按第四章的伪距观测方程计算出用户站的坐标。精度达2至5米伪距差分能将两站间的公共误差抵消，但随着基准站与用户站之间距离的增加，系统误差将会明显增加，且这种误差采用任何差分方法都不能予以消除。因此，基准站与用户站之间的距离对伪距差分的精度有决定性影响。如何尽量减少这种误差？广域差分由于载波相位测量的精度比码相位测量的精度高2个数量级，所以，若能在GPS伪距定位中充分顾与载频相位测量时多普勒计数能准确地反映伪距变化这一辅助信息，则可以获得比单独采用伪距测量更高的精度（优于1米）。这一思路称为相位平滑伪距测量。（RTD）就广播星历（20m）而言，能保证1~2ppm的相对定位精度，即对应于10km的基线，其精度为10~20mm，广播星历能满足工程测量的精度要求电离层折射率与单位面积中的电子密度成正比、与频率的平方成反比对于单频接收机，一般采用导航电文提供的电离层改正模型加以改正。几何精度因子就是接收卫星的几何形状对定位精度影响的大小程度。在相同的观测精度下，几何精度因子越小定位精度越高，反之越低。因此在GPS观测时，应对几何精度因子加以限制。在实际作业中常对GDOP加以限制(4至8以内)，以选择合理的卫星分布与观测时段。GPS控制网的分类：一类是全球或全国性的高精度GPS网，相邻点的距离在数千公里至上万公里（AA级和A级控制网），主要为全球高精度坐标框架或全国高精度坐标框架而建立，并为全球性地球动力学和空间科学方面的科学研究工作服务（或用以研究地区性的板块运动或地壳形变规律等问题）。另一类是区域性的GPS网，包括城市GPS网，GPS工程网等，这类网相邻点间的距离从几百米至几十公里（B、C、D、E级），其主要任务是直接为国民经济建设服务。对于平面坐标转换：至少需要2个平面重合点（或相当于2个重合点的已知参数）前提条件；重合点可靠高程重合点可靠且在测区内均匀分布，并要有一定的点用于检核。为此，到测区内的第一项工作就是收集已知点的资料，并正确合理的使用网形设计的好坏直接关系到建网的费用与网的成果精度（效率与精度）。同步环闭合差的大小只能说明GPS基线向量的解算是否合格，而不能说明GPS基线向量的精度高低，也不能发现接收的信号是否受到干扰而含有粗差。独立观测环（异步环）：由非同步观测获得的独立基线向量构成的闭合环，简称独立环或异步环。不同时段独立基线连在一起即构成GPS网。构成一些独立环或附合路线，从而形成一些几何检核条件。如构成三角形网、多边形网或附合路线网。确保GPS成果的精度与可靠性，有效发现粗差。也最能反映外业观测的精度选点时应注意以下几点：（1）周围便于安置接收设备和操作，视野开阔，视场内障碍物的高度角不宜超过15；（2）远离大功率无线电发射源（如电视台、电台、微波站等），其距离应大于200