GPS原理与应用.docx
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GPS原理与应用
第一章
1，GPS卫星定位系统的组成（卫星部分地面监控部分用户接收设备部分）
地面控制部分组成：
主控站、跟踪站和注入站
作用：
监测和控制卫星运行，编算卫星星历（导航电文），保持系统时间。
主控站作用：
收集各检测站的数据，编制导航电文，监控卫星状态；通过注入站将卫星星历注入卫星，向卫星发送控制指令；卫星维护与异常情况的处理。
跟踪站作用：
接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站。
注入站作用：
将导航电文注入GPS卫星。
用户设备部分GPS信号接收机及相关设备
GPS卫星定位系统的特点
1）全球、全天候连续实时导航与定位。
2）功能多、精度高，连续导航定位。
3）实时定位速度快，一秒即可完成定位。
4）抗干扰性能好，保密性强。
GPS卫星定位系统的优点：
1作业灵活，操作简便。
定位精度高。
观测时间短，经济效益高。
4全天候作业，任何地点下连续作业
GPS卫星定位系统的应用：
军事、国防陆路交通（车辆导航、监控）、航运、航空搜索、救援遥感测量卫星定轨资源勘探通讯广播、电视电力时间传递
2,时间系统
在GPS卫星定位中，时间系统的重要性表现在：
（1）GPS卫星作为高空观测目标，位置不断变化，在给出卫星运行位置同时，必须给出相应的瞬间时刻。
例如当要求GPS卫星的位置误差小于1cm，则相应的时刻误差应小于2.610-6s。
（2）准确地测定观测站至卫星的距离，必须精密地测定信号的传播时间。
若要距离误差小于1cm，则信号传播时间的测定误差应小于310-11s。
在GPS定位中，具有重要意义的时间系统包括恒星时、力学时和原子时三种。
恒星时——以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所确定的时间称为恒星时
国际原子时——不同的地方原子时之间存在差异，为此，国际上大约100座原子钟，通过相互比对，经数据处理推算出统一的原子时系统，称为国际原子时
力学时——在天文学中，天体的星历是根据天体动力学理论建立的运动方程而编算的，其中所采用的独立变量是时间参数T，这个数学变量T定义为力学时
原子时ATI：
原子时的秒长被定义为铯原子C133s基态的两个超精细能级间跃迁辐射振荡9192631170周所持续的时间。
原子时的起点，按国际协定取为1958年1月1日0时0秒（UT2）（事后发现在这一瞬间ATI与UT2相差0．0039秒）。
GPS时间系统采用原子时AT秒长作为时间基准，但时间起算的原点定义在1980年1月6日UTC0时。
启动后不跳秒，保持时间的连续。
以后随着时间的积累，GPS时与UTC时的整秒差以及秒以下的差异通过时间服务部门定期公布（至1995年相差达10秒）。
卫星播发的卫星钟差也是相对GPS时间系统的钟差。
3、GPS常用坐标系
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，25800年绕黄极一周,从而使春分点在黄道上产生缓慢西移，此现象在天文学上称为岁差。
在日月引力等因素的影响下，瞬时北天极将绕瞬时平北天极产生旋转，轨迹大致为椭圆。
一类是在空间固定的坐标系，该坐标系与地球自转无关，对描述卫星的运行位置和状态极其方便。
另一类是与地球体相固联的坐标系统，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。
天球坐标系到地球坐标系的转换过程
（1）岁差旋转、章动旋转（平天球——真天球）
（2）旋转真春分点时角（真天球——真地球）
（3）极移旋转（真地球——协议平地球（WGS84））
WGS-84大地坐标系：
WGS-84坐标系
该坐标系由美国国防部研制，自1987年1月10日开始起用。
WGS—84坐标系的原点为地球质心M；Z轴指向BIH1984.0定义的协议地极（CTP—ConventionalTerrestrialPole）；X轴指向BIH1984.0定义的零子午面与CTP相应的赤道的交点；Y轴垂直于XMZ平面，且与Z、X轴构成右手系。
WGS—84坐标系采用的地球椭球，称为WGS—84椭球，其常数为国际大地测量学与地球物理学联合会（IUGG）第17届大会的推荐值。
4、卫星的轨道参数：
有六个轨道参数
轨道平面参数：
i为轨道平面倾角；为升交点赤经。
轨道椭圆形状参数：
as为轨道椭圆长半径；es为轨道椭圆离心率。
轨道椭圆定向参数：
s为近升角距。
时间参数：
（或fs）为卫星通过近地点的时刻。
只要已知这6个轨道参数，就可以计算卫星的瞬时位置和瞬时速度
卫星瞬时位置计算：
1）计算轨道参数a2）有已知轨道参数t和e求偏近点角E
3）计算真近点角f4）根据已知的近升角距w求升角距θ5）求卫星在轨道平面坐标系中的坐标6）做旋转变换，计算卫星在天球坐标系中的瞬时位置
5、二体问题、卫星的受摄运动、瞬时轨道参数
忽略所有的摄动力，仅考虑地球质心引力研究卫星相对于地球的运动，在天体力学中，称之为二体问题。
对于卫星精密定位来说，必须考虑地球引力场摄动力、日月摄动力、大气阻力、光压摄动力、潮汐摄动力对卫星运动状态的影响。
考虑了摄动力作用的卫星运动称为卫星的受摄运动。
第二章
1，GPS信号的组成：
（1）测距码（C/A码和P码（Y码））
（2）载波（L1、L2和L5三个民用频率，L3和L4两个军用频率）
（3）导航电文（数据码，D码）
3，码：
表达表达信息的二进制数及其组合
随机噪声码：
每一时刻，码元是0或是1完全是随机的一组码序列，这种码元幅值是完全无规律的码序列，称为随机噪声码序列。
它是一种非周期序列，无法复制。
但是，随机噪声码序列却有良好的自相关性，GPS码信号测距就是利用了GPS测距码的良好的自相关性才获得成功
4，伪随机噪声码：
虽然随机码具有良好的自相关特性，但由于它是一种非周期性的码序列，没有确定的编码规则，所以实际上无法复制和利用。
因此，为了能够实际应用，GPS采用了一种伪随机噪声码（PseudoRandomNoise-PRN），简称伪随机码或伪码。
这种码序列的主要特点是，不仅具有类似随机码的良好自相关特性，而且具有某种确定的编码规则。
它是周期性的、可人工复制的码序列。
伪随机噪声码表面上看无规律，实际上有一定的规律和周期性，且可以复制。
伪随机噪声码（PseudoRandomNoise-PRN）由多级反馈移位寄存器产生。
这种移位寄存器由一组连接在一起的存储单元组成，每个存储单元只有“0”或“1”两种状态，并接受钟脉冲和置“1”脉冲的驱动和控制。
4，GPS卫星的测距码信号：
A）C/A码-粗码特点（码长很短，易于捕获码元宽度较大）码速：
1.023MHz码元长度：
293m
B）P（Y）码-精码码速：
10.23MHz码元长度：
29.3m
解调方法（码相关技术码平方技术）
基本方法：
（1）卫星依据自己时钟（钟脉冲）发出某一结构的测距码，经过△t时的传播到达GPS接收机。
（2）接收机在自己钟脉冲驱动下，产生一组结构完全相同的复制码。
（3）通过时延器使之延迟时间τ，对两码进相关比较。
（4）直至两码完全对齐，相关系数R（t）=max=1，则该时间延迟τ即为传播时间△t（τ=△t）。
（5）距离ρ=c·△t=c·τ。
6,导航电文:
GPS卫星的导航电文主要包括：
卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、卫星工作状态信息以及由C/A码转换到捕获P码的信息。
导航电文同样以二进制码的形式播送给用户，因此又叫数据码，或称D码。
7、预报星历、星历、后处理星历：
卫星将地面监测站注人的有关卫星轨道的信息，通过发射导航电文传递给用户，用户接收到这些信号进行解码即可获得所需要的卫星星历，即预报星历。
卫星星历：
是一系列描述有关卫星运动及其轨道的参数
是一组对应某一时刻的轨道参数及其变率。
卫星星历其实就是赋值后的轨道参数。
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。
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。
9,载波是一种电磁波，由GPS卫星上原子钟的振荡器产生，其数学表达式为一正弦波
10,采用L波段的优点:
（1）频率占用率低，减少拥挤，避免“撞车”
（2）适应扩频（频带高达20MHz左右），便于传送宽带信号
（3）频率高，卫星高轨运行能获得较大的多普勒频移，有利于测量接收机的运动速度
（4）避开谐振吸收，大气衰减小，有益于研制用户设备
11、数据块1、数据块2、数据块3
第一数据块位于第1子帧的第3—10字码。
包括：
标识码，时延差改正；数据龄期AODC；卫星时钟改正系数；星期序号
数据块2位于位于第二，三子帧。
包括：
开普勒轨道六参数轨道摄动9参数时间2参数
第三数据块包括第4和第5两个子帧，包括：
卫星的概略星历、时钟改正、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的卫星.
遥测字：
（每一子帧的第1个字用作捕获导航电文的前导
交接字：
每一子帧的第2个字主要内容：
Z计数
12、GPS接收机的分类：
根据工作原理：
码相关型平方型混合型
根据型号通道类型：
多通道序贯通道多路复用通道
根据接收信号的频率：
单频双频
根据用途：
导航型测量型守（授）时型
13、接收机对天线的要求：
天线和前置放大器应密封一体，以保障其工作正常，减少信号损失；
能够接收来自任何方向的卫星信号，不产生死角；
有防护与屏蔽多路径效应的措施；
天线的相位中心保持高度的稳定，并与其几何中心尽量一致。
14、接收机的组成
接收机天线单元、接收机主机单元、电源
天线的组成:
天线单元和接收单元
（）天线单元主要将非常微弱的电磁能转转成电能，并对信号进行放大和变频处理。
（）接收单元主要是对经过放大和变频处理的信号电流进行跟踪，处理和测量
15、接收天线的类型：
1.单极或偶极天线：
属于单频天线，结构简单，体积小，通常安装在一块基板上，减弱多路径影响。
2.四线螺旋形或螺旋形结构天线：
属于单频天线，结构较单极天线复杂，生产中难以调整，但增益性好，一般不需底板。
3.锥形天线：
也称盘旋螺线型天线。
可同时在两个频道上工作，优点是增益性好，但天线较高，螺旋线在水平方向上不完全对称，天线的相位中心和几何中心不完全重合。
4.带扼流圈的振子天线：
简称扼流圈天线。
1987年由美国航空航天局（NASA）研制。
主要特点是可有效地抑制多路径误差的影响。
缺点是体积大，重量重。
5.微波传输带型天线：
简称微带天线。
结构最为简单和坚固，即可用于单频，也可用于双频，天线高度低，是安装在飞机上的理想天线。
缺点是增益性低，但可采用低噪声前置放大器加以弥补.
16、接收机的主要任务
当GPS卫星在用户视界升起时，接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星，并能够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；
测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出CPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。
18,载波相位测量原理
第三章GPS静态定位原理
1静态定位：
待定点在协议地球坐标系中的位置，被认为是固定不动的，那么确定这些待定点位置的定位测量就称为静态定位。
2动态定位：
如果在定位过程中，用户接收机天线处在运动状态，这时待定点位置将随时间变化。
确定这些运动着的待定点的位置，称为动态定位。
3单点定位（绝对定位）：
绝对定位是以地球质心为参考点，测定接收机天线在协议地球坐标系中的绝对位置。
4相对定位：
确定测站与某一地面参考点之间的相对位置。
5差分定位：
用两台GPS接收机，将一台接收机安设在基准站上固定不动，另一台接收机安置在运动的载体上，两台接收机同步观测相同的卫星，通过在观测值之间求差，以消除具有相关性的误差，提高定位精度。
而运动点位置是通过确定该点相对基准站的相对位置实现的。
8GPS测量的误差
与卫星有关的误差星历误差卫星钟差
与传播途径有关的误差对流层折射误差电离层折射误差多路径效应
与接收机有关的误差接收机的分辨率接收机钟差天线相位中心的偏差及变化各通道间的信号延迟误差
其它地球自转影响和相对论相应
9多路径效应：
是指接收机天线除直接接收到卫星的信号外，尚可能收到经天线周围物体反射的卫星信号。
减弱多路径效应的办法：
仔细选择天线安置的位置，避开较强的反射面；选择造型良好的（微带，扼流圈）天线并扩大天线盘，使之带有抑径板；针对多路径误差的周期性，采用较长观测时间的数据取平均值。
10.卫星星历误差：
是指卫星星历给出的卫星空间位置与卫星实际位置间的偏差
处理星历误差的方法：
建立我国自己的卫星跟踪网独立定规
采用轨道改进技术
采用相对定位方法
10静态绝对定位是在接收机天线处于静止状态下，确定测站的三维地心坐标。
定位所依据的观测量，是根据码相关测距原理测定的卫星至测站间的伪距。
由于定位仅需使用一台接收机，速度快，灵活方便，且无多值性问题等优点，广泛用于低精度测量和导航。
11静态相对定位：
用两台接收机分别安置在基线的两端点，其位置静止不动，同步观测相同的4颗以上GPS卫星，确定基线两端点的相对位置，这种定位模式称为静态相对定位。
在实际工作中，常常将接收机数目扩展到3台以上，同时测定若干条基线。
这样做不仅提高了工作效率，而且增加了观测量，提高了观测成果的可靠性。
静态相对定位原理由于采用载波相位观测量以及相位观测量的线性组合技术，极大地削弱了上述各类定位误差的影响，其定位相对精度高达10-8～10-9，是目前GPS定位测量中精度最高的一种方法，广泛应用于大地测量、精密工程测量以及地球动力学研究。
12绝对定位的特点：
（1）优点：
一台接收机可独立工作，完成定位；观测实施较为自由方便，数据处理也较为简单。
2）缺点；受卫星星历、大气折射等误差影响显著，定位精度低。
相对定位的特点：
（1）优点：
同步作业，各类误差相关性强，许多误差大体相同，求相对位置（求差）时误差可抵消，定位精度高
（2）缺点：
需多台（至少两台）接收机同步观测，若其中一台接收机有问题，则作业无法进行。
数据处理比较复杂。
13载波相位观测量的线性组合
单差、双差、三差、其它线性组合：
L1和L2间的线性组合
差分方式
站间差分–同步观测值在接收机间求差。
可消除卫星钟差，削弱电离层、对流层折射影响。
星间差分–同步观测值在卫星间求差。
可消除接收机钟差。
历元间差分–同步观测值在历元间求差。
可消去整周未知数。
14测站间求单差的虚拟观测模型具有下列优点。
（1）消除了卫星钟误差的影响。
（2）大大削弱了卫星星历误差的影响。
（3）大大削弱了对流层折射和电离层折射的影响（在短距离内几乎可以完全消除其影响）。
15对测站间或卫星间或历元间求过一次差后的虚拟观测方程，仍可再次求差，获得双差模型。
由于求差与先后顺序无关
（1）在测站间求单差，卫星间求双差。
（2）在卫星间求单差，历元间求双差。
（3）在历元间求单差，测站间求双差。
17周跳的探测与修复
▪周跳产生的原因
▪信号被遮挡干扰接收机运动速度过快接收机暂时的故障
▪高次差法/多项式拟合法简单的高次差星间差分的高次差残差法
18整周未知数（整周模糊度）的确定
整周未知数的平差待定参数法：
整数解（固定解）实数解（浮动解）
三差法
伪距双频法
交换天线法
周跳：
由于仪器线路的瞬间故障，卫星信号被障碍物暂时阻断，载波锁相环路的短暂失锁等原因的影响，引起计数器在某一个时间无法连续计数，这种现象就称为周跳
准动态定位法是基于在保持对卫星连续不断跟踪的条件下，整周未知数不变这一基本事实，在作业过程中，首先采用某种方式快速确定整周未知数，并在随后的迁站过程中继续保持对卫星的连续跟踪，当接收机到达新的测站后就不再需要确定整周未知数，这样在新点上只需进行1～2min的观测即可实现定位。
基于FARA算法的快速静态相对定位的基本思想是：
以数理统计理论的假设检验为基础，利用初次平差提供的所有信息，包括解向量、相应的协因数阵和单位权中误差，确定在某一置信区间整周未知数一切可能的整数解的组合，并依次将该整周未知数的组合作为已知值代入方程通过平差进行搜索，寻求平差后方差和最小的一组整周未知数作为最优解。
第四章GPS动态定位原理
1.GPS动态定位（测量），是利用GPS信号，测定相对于地球运动的用户天线的状态参数，这些状态参数包括三维坐标、三维速度和时间七个参数。
导航，是测得运动载体的状态参数，并导引运动载体准确地运动到预定的后续位置。
2.GPS测量定位的类型根据定位模式（单点定位相对定位差分定位）
根据定位时天线状态（静态定位动态定位）定位时效（事后定位实时定位）观测值类型（伪距测量载波相位测量）
3.动态绝对定位原理：
1）测码伪距单点动态定位
GPS相对绝对定位主要是以GPS卫星和用户接收机天线之间的距离为基本观测量，并利用已知的卫星瞬时坐标来确定接收机天线对应的点在协议地球坐标系统中的位置。
测码伪距单点动态定位观测方程：
线性化后：
在动态定位中，平差前需要获得待定点的初始坐标，一般将前一时刻的坐标作为当前时刻的初始坐标。
关键是确定第一点的精确坐标。
2）测相伪距单点动态定位
载波相位观测方程：
？
？
？
？
？
？
？
？
？
？
？
？
？
？
？
？
、
线性化后：
？
？
？
？
？
？
？
？
？
？
？
？
？
？
？
由于测量伪距观测方程中存在整周未知数，因而难以利用载波相位进行实时定位。
但只要接收机保持对卫星的连续跟踪，通过一个初始化过程求出整周未知数，且在载体运动过程中保持对卫星信号的连续跟踪，就可实现动态绝对定位，实际上保持连续跟踪是较为困难的。
4.位置差分原理：
是一种最简单的差分原理。
安置在已知点基准站上的GPS接收机通过对四颗以上卫星观测，便可实现定位，先求出基准站的坐标，由于存在星历误差时钟误差大气传播误差等的影响，故该坐标和已知基准站坐标不一样，存在坐标改正数，基准站利用数据链将坐标改正数发送给用户站，用户站用接收到的坐标改正数对其坐标进行改正，来消去基准站与用户站间的共同误差。
特点：
1）需要传输的差分改正数较少，计算方法简单
2）要求基准站和用户站必须观测同一组卫星，这是很难实现的，造成了定位所产生的误差可能会不很匹配
3）位置差分定位效果不如伪距差分好
5.伪距差分原理
通过在基准站上利用已知坐标求出测站至卫星的距离，并将其与测量伪距比较，然后利用一个滤波器将此差值滤波并求出其偏差，并将所有卫星的测距误差传输给用户，用户利用此测距误差来改正测量伪距，最后用户利用改正后的伪距求出自身的坐标。
如果基准站用户站均观测了相同的四颗或以上卫星，即可实现用户站的定位。
特点：
1）伪距差分提供了单颗卫星的距离改正数，故用户可任意选取四颗卫星，而不必要求两站观测卫星完全相同
2）为了使两站误差有较大的相关性，两站距离不能太大
6.相位平滑伪距差分原理
载波多普勒计数平滑伪距：
由多普勒频率计数获得载波相位变化信息，即可获得伪距变化率信息，可利用这一信息来辅助伪距差分定位，称为。
。
。
。
相位平滑伪距：
在同一颗卫星的两历元间求差，可消除整周未知数，可利用历元间的相位观测值对伪距进行修正，即所谓。
。
。
。
。
7.载波相位差分原理
在基准站上安置一台GPS接收机，对卫星进行连续观测，并通过无线电传输设备实时地将观测数据及站坐标信息传送给用户站；用户站一方面通过接收机接受GPS卫星信号，同时还通过无线电接收机设备接受基准站传送的观测数据，然后根据相对定位原理，实时地处理数据，并能实时地以厘米精度给出用户三维坐标。
修正法：
与伪距差分相同，基准站将载波相位的修正量发给用户站，以对用户站的载波相位进行改正实现定位
求差法：
将基准站的载波相位发送给用户站，并由用户站将观测值求差进行坐标的解算
定位程序：
1）用户站在保持不动的情况下，按静态相对定位求出整周未知数，这个过程叫做初始化
2）将整周未知数带入双差模型，求解出三个位置分量
3）将求出的坐标增量加上已输入的基准站的地心坐标可求出用户站地心坐标
4）利用已获得的坐标转换参数，将用户站的坐标转换到当地的坐标系中
8.整周未知数的动态求解
较少的观测值较少的计算时间迅速正确的解出整周未知数
1）最小二乘原理
2）最小二乘模糊度不相关法
3）模糊度函数法
4）综合法
9.GPSRTK
RTK测量技术是准动态测量技术与AROTF算法和数据传输技术相结合而产生的，它完全可以达到“精度、速度、实时、可用”等各方面的要求
系统构成：
GPS接收设备数据传输系统软件系统
软件系统应具有的主要功能：
1）整周未知数的快速动态解算
2）实时解算用户站的地心三维坐标
3）求解坐标系之间的转换参数
4）根据转换参数，进行坐标系统的转换
5）结算结果质量分析与评定
6）测量结果的显示与绘图
10.平面坐标的转换
1）转换参数已知
2）已知若干公共点，转换参数未知
3）仅已知地方坐标，转换参数与84坐标均未知
11.单站差分GPS
仅仅根据一个基准站所提供的差分改正信息，对用户站进行改正的差分GPS系统（基准站无线电数据通讯链用户站）
特点：
定位精度随着用户站与基准站之间的距离增加而迅速降低；用户只根据单个基准站提供的改正信息进行定位改正，所以精度和可靠性较差
12.局部区域差分GPS
多个基准站构成基准网，其中常包含一个或数个监控站，用户根据多个基准站所提供的改正信息经平差计算后求的用户站的定位改正数（LADGPS）
改正量主要有以下两种方式：
1）各基准站均以标准化的形式发射各自改正信息用户接收到的改正量取其加权平均作为用户站的改正数
2）根据各基准站分布预先在网中构成以用户站与基准站的相对位置为函数的改正数的加权平均模型，并将其统一发送给用户
13.广域差分GPS系统
在一个相当大的区域内用相对较少的基准站组成差分GPS网，各基准站将求得的距离改正数发送到数据处理中心，经统一处理后，将各种GPS观测误差加以区分，然后再发送给用户（WADGPS）
系统构成（主站监测站数据链用户设备）
系统工作流程：
1）在已知坐标的若干监测站上，跟踪观测GPS卫星的伪距相位等信息
2）将监测站上测得的伪距相位和电离层延时的双频测量结果全部传送到主站
3）主站在区域精密定轨的基础上，计算出卫星星历误差改正，卫星钟差改正及电离层时延改正模型
4）将这些误差改正用数据通信链传送到用户站
5）用户站利用这些改正信息计算出较高精度的GPS定位结果
特点：
最大限度地降低监测站与用户站间定位误差的时空相关性和对时空的强依赖性，改善和提高实时差分定位的精度
1）定位精度与用户和基准站之间的距离无关
2）广域差分系统比区域差分系统需要的监测站少，投资少
3）具有较均匀的精度分布，在其覆盖区域内任意位置定位精度相当，而且定位精度较区域差分高
4）广域差分覆盖区域可以扩展到区域差分不易作用的地域
5）设备昂贵，技术复杂，运行维护成本较高
14.利用地球同步卫星，采用L1波段转发广域差分修正信号，同
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