【技术】GPS复习大纲

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目前各国常采用的是高斯投影和UTM投影，这两种投影具有下列特点：

（1）椭球面上任意一个角度，投影到平面上都保持不变,长度投影后会发生变形，但变形比为一个常数。

（2）中央子午线投影为纵轴，并且是投影点的对称轴，中央子午线投影后无变形，但其它长度均产生变形，且越离中央子午线越远，变形愈大。（3）高斯平面直角坐标系的坐标轴与笛卡儿直角坐标系坐标轴相反，一般将y值加上500公里，在y值前冠以带号。

（4）带号与中央子午线经度的关系为3种高程（大地高、正高、正常高）在测量中有三种高程，分别是大地高，正高，正常高，我国高程系统日常测量中采用的是正常高，GPS测量得到的是大地高H。大地水准面是假想海洋处于完全静止的平衡状态时的海水面，并延伸到大陆地面以下所形成的紧闭曲面。正高Hg是指M点源该点的铅垂线至大地水准面的距离。坐标系统间转换本章主要了解坐标系统 第三章了解卫星运动基本概念摄动力的作用下的卫星运动称为受摄运动，相应的卫星轨道称为受摄轨道卫星在上述地球引力场中的无摄运动，也称开普勒运动卫星的受力情况及运动规律在各种作用力对卫星运行轨道的影响中，地球引力场的影响为主，其它作用力的影响相对要小的多。通常把作用于卫星上的各种力按其影响的大小分为两类：一类是无摄运动，假设地球为均质球体的引力（质量集中于球体的中心），称为中心力，决定着卫星运动的基本规律和特征，由此决定的卫星轨道，可视为理想轨道，是分析卫星实际轨道的基础。另一类是摄动力或非中心力，包括地球非球形对称的作用力、日月引力、大气阻力、光辐射压力以及地球潮汐力等。摄动力使卫星的运动产生一些小的附加变化而偏离理想轨道，同时偏离量的大小也随时间而改变。在摄动力的作用下的卫星运动称为受摄运动，相应的卫星轨道称为受摄轨道。星历卫星星历是描述卫星运动轨道的信息，是一组对应某一时刻的轨道根数及其变率。根据卫星星历可以计算出任一时刻的卫星位置及其速度，GPS卫星星历分为预报星历（亦称广播星历）和后处理星历（或称精密星历）。本章计算不考第四章GPS卫星测量原理，如何测量速度，折射情况假设电磁波在真空中的传播速度为cvac，则有cvac=vacf=vac/T=/kvac。在卫星大地测量中，国际上当前采用的真空光速为c=2.´108(m/s)。实际的电磁波传播是在大气介质中，在到达地面接收机前要穿过性质、状态各异且不稳定的若干大气层，这些因素可能改变电磁波传播的方向、速度和强度，这种现象称为大气折射大气层结构按不同标准有不同的分层方法，根据对电磁波传播的不同影响，一般分为对流层和电离层。主信号组成GPS卫星所发射的信号包括载波信号、P码（或Y码）、C/A码和数据码（或D码）等多种信号分量，其中P码和C/A码统称为测距码。码的概念（相关关系数计算）在现代数字通信中，广泛使用二进制数（0和1）及其组合，来表示各种信息。表达不同信息的二进制数及其组合，称为码。一位二进制数叫一个码元或一比特。比特为码和信息量的度量单位。如果将各种信息例如声音、图象和文字等通过量化，并按某种预定规则，表示成二进制数的组合形式，则这一过程称为编码。在二进制数字化信息的传输中，每秒传输的比特数称为数码率，表示数字化信息的传输速度，单位为bit/s。GPS测距码有哪些，特点GPS卫星所发射的信号包括载波信号、P码（或Y码）、C/A码和数据码（或D码）等多种信号分量，其中P码和C/A码统称为测距码。GPS卫星所采用的两种测距码，即C/A码和P码（或Y码），均属于伪随机码。（1）C/A码：是由两个10级反馈移位寄存器组合而产生。码长Nu=210-1=1023比特，码元宽为tu=1/f1=0.97752s,（f1为基准频率f0的10分之1，1.023MHz）,相应的距离为293.1m。周期为Tu=Nutu=1ms，数码率为1.023Mbit/s。C/A码的码长短，共1023个码元，若以每秒50码元的速度搜索，只需20.5s，易于捕获，称捕获码。码元宽度大，假设两序列的码元对齐误差为为码元宽度的100分之1，则相应的测距误差为2.9m。由于精度低，又称粗码。（2）P码P码产生的原理与C/A码相似，但更复杂。发生电路采用的是两组各由12级反馈移位寄存器构成。码长Nu2.35´1014比特，码元宽为tu=1/f0=0.097752s，相应的距离为29.3m。周期为Tu=Nutu267d，数码率为10.23Mbit/s。P码的周期长，267天重复一次，实际应用时P码的周期被分成38部分，（每一部分为7天，码长约6.19´1012比特），其中1部分闲置，5部分给地面监控站使用，32部分分配给不同卫星，每颗卫星使用P码的不同部分，都具有相同的码长和周期，但结构不同。P码的捕获一般是先捕获C/A码，再根据导航电文信息，捕获P码。由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，若取码元对齐精度仍为码元宽度的1/100，则相应的距离误差为0.29m，故P码称为精码。模二相加必考！第五章误差分类，来源GPS定位中，影响观测量精度的主要误差来源分为三类：•与卫星有关的误差。

•与信号传播有关的误差。

•与接收设备有关的误差。

为了便于理解，通常均把各种误差的影响投影到站星距离上，以相应的距离误差表示，称为等效距离误差。GPS工作接收机原理，组成GPS接收机的主要结构组成：•天线（带前置放大器）

•信号处理器：用于信号识别与处理

•微处理器：用于接收机的控制、数据采集和导航计算

•用户信息传输：包括操作板、显示板等

•精密震荡器：产生标准频率

•电源绝对、相对定位基本原理绝对定位的基本原理：以GPS卫星和用户接收机天线之间的距离（或距离差）观测量为基础，根据已知的卫星瞬时坐标，来确定接收机天线所对应的点位，即观测站的位置。GPS绝对定位方法的实质是测量学中的空间距离后方交会。原则上观测站位于以3颗卫星为球心，相应距离为半径的球与观测站所在平面交线的交点上。用两台接接收机分别安置在基线的两个端点，其位置静止不动，同步观测相同的4颗以上卫星，确定两个端点在协议地球坐标系中的相对位置，这就叫做静态相对定位。静态相对定位一般均采用载波相位观测值（或测相伪距）为基本观测量，对中等长度的基线（100-500km），相对定位精度可达10-6-10-7甚至更好，静态相对定位是目前GPS精度最高的定位方式。第六章GPS网型特征计算（时段，特征计算）GPS网特征条件的计算对于由N台GPS接收机构成的同步图形中一个时段包含的基线（或简称GPS边）数为：J＝N*(N－1)/2；但其中仅有N－1条是独立边，其余为非独立边。当同步观测的GPS接收机数N＞3时，同步闭合环T的最少个数应为T＝J－(N－1)＝(N－1)(N－2)／2观测时段数计算公式：C＝n·m/N式中．C为观测时段数；n为网点数；m为每点平均设站次数；N为接收机数。故在GPS网中总基线数：J总＝C·N·（N一1）/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）依据以上公式，就可以确定出一个具体GPS网图形结构的主要特征。点连式，边连式点连式：相邻同步图形之间只有一个公共点连接。这种布网方式几何强度较弱，抗粗差能力较差，一般可以加测几个时段以增强网的异步图形闭合条件的个数。边连式：相邻同步图形由一条公共基线连接。这种布网方式几何强度较高，抗粗差能力较强，有较多的复测边和非同步图形闭合条件，在相同的仪器个数的条件下，观测时段将比点连接方式大大增加。GPS网技术设计，原则GPS网的技术设计应着眼于控制网的精度、可靠性以及经费等要求。也应遵循以下原则1：在GPS网中不应存在自由基线。2：GPS网的闭合环的基线个数不应过多。3：GPS网至少应与地面网有3－5个分布均匀的重合点，同时也应有相当数量的地面水准点与GPS网重合。4：GPS点应选在交通便利。视野开阔的地方，同时应考虑点与点之间的通视问题，以便使用经典方法扩展。设计书编写一、明确任务二、测区踏勘及收集资料三、技术设计（1）GPS控制网的精度和密度的设计（2）控制网的基准设计（3）控制网的图形设计（4）控制网的精度预计四、器材准备及人员组织五、选点及埋标（1）点位应选易于安置接收设备、视野开阔的位置。视场周国15度以上不应有障碍物，以避兔GPS信号被吸收或遮挡。（2）点位应远离大功率无线电发射源如电视台、微波站等）．其距离不小于200m远离高压输电线，其距离不得小于50m，以避免电磁场对GPP信号的干扰。（3）点位附近不应有大面积水域或强烈干扰卫星信号接收的物体．以减弱多路径效应的影响。（4）点位应选交通方便，有利于其他观测手段扩晨与联测的地方。（5）点位应选在地面基础稳定．易于点保存的地点。（6）选点入员应按技术设计进行踏勘，在实地按要求选定点位。（7）网形应有利于同步观测及边、点联结。（8）当所选点位需要进行水准联测时．选点人员应实地踏勘水准路线，提出有关建议。标志埋设点的标石必须坚固、稳定以利长久保存和使用。也可直接在基岩上嵌入金属标志。埋设完成后，应提交以下资料：点的记录GPS网的选点网图土地占用的批准文件与测量标志委托保管书选点与埋石技术总结六、外业观测计划的拟定七、外业观测八、数据预处理九、观测成果的外业检核第七章数据与处理，基线向量计算GPS控制网的数据处理就是将采集的数据经测量平差后规化到参考椭球面上并投影到所采用的平面上，得到点的准确位置。其过程大致可以分为观测数据的预处理、基线向量计算、基线向量网平差以及GPS网与地面网联合平差、评定精度等几个阶段。一、观测数据的预处理观测数据的预处理过程包括以下几个两个阶段：1.预处理的准备工作2.数据预处理的内容二、基线向量的解算GPS相对定位的结果确定测站点间的相对位置关系，这种相对位置关系通常用空间直角坐标系或大地坐标差表示。为了通过平差计算求解观测站之间的基线向量，一般取相位观测值的线性组合即差分模型。三、基线向量的解算结果分析基线解算后，可以通过RATIO、RDOP、RMS和数据删除率这几个质量指标来衡量基线解算的质量。通常认为，若RMS偏大，则说明观测值质量较差。若RDOP值较大则说明观测条件较差。需要说明的是，它们只具有某种相对意义，即它们数值的高低不能绝对的说明基线质量的高低。四、影响GPS基线解算结果因素的判别对于影响GPS基线解算结果的因素，有些是较容易判别的，如卫星观测时间太短、周跳太多、多路径效应严重、对流层或电离层折射影响过大等，但对于另外一些因素却不好判断了，如起点坐标不准确等。1、基线起点坐标不准确的判别对于由起点坐标不准确对基线解算质量造成的影响，目前还没有较容易的方法来加以判别。因此在实际工作中只有尽量提高起点坐标的准确度，以避免这种情况的发生。2、卫星观测时间短的判别关于卫星观测时间太短这类问题的判断比较简单，只要查看观测数据的记录文件中有关对与每个卫星的观测数据的数量就可以了。有些GPS后处理软件还输出了卫星的可见性图，这就更直观了。3、周跳太多的判别对于卫星观测值中周跳太多的情况，可以从基线解算后所获得的观测值残差上来分析。目前大部分的基线处理软件一般采用的是双差观测值，当在某测站对某颗卫星的观测值中含有未修复的周跳时的，所有与此相关的双差观测值的残差都会出现显著的整数倍的增大。4、多路径效应严重、对流层或电离层折射影响过大的判别对于多路径效应、对流层或电离层折射影响的判别，我们也是通过观测值残差来进行的。不过与整周跳变不同的是，当多路径效应严重、对流层或电离层折射影响过大时，观测值残差不是象周跳未修复那样出现整数倍的增大，而只是出现非整数倍的增大。一般不超过1周，但却又明显地大于正常观测值的残差。五、GPS网平差GPS控制网是由相对定位所求得的基线向量而构成的空间基线向量网。在GPS控制网的平差中，是以基线向量及协方差为基本观测量的。通常采用三维无约束平差、三维约束平差及三维联合平差三种平差模型。第八章GPS在测量、科研等方面应用GPS定位技术在测量领域主要应用于：大地测量、地球动力学的研究、精密工程测量、工程变形监测、地籍测量、海洋测量等。在导航学中的应用主要包括：车辆、船只和飞机的精密导航、测速、运动目标的监控与管理。除此之外，在导弹制导、卫星定轨、气象学、大气物理学的研究领域都有广阔的应用前景。RTK技术的控测地籍及房地产测量的控制测量和其他测量控制网相类似，测图控制点需要比较密，精度相对一般测图要求比较高。一般采用GPS静态、快速静态相对定位，测量时无需点间通