最新武大《GPS测量原理与应用》知识点总结Word文档格式.docx
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用户设备部分——GPS信号接收机。
7、工作卫星的地面监控系统包括:
1个主控站、3个注入站和5个监测站。
8、GPS信号接收机的任务是：
能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，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，甚至三维速度和时间。
坐标系统和时间系统是描述卫星运动、处理观测数据和表达观测站位置的数学与物理基础。
9、岁差、章动
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。
10、GPS常用坐标系
WGS-84大地坐标系、国家大地坐标系、地方独立坐标系、ITRF坐标框架
11、恒星时、平太阳日、世界时UT、原子时ATI、协调世界时UTC
恒星时ST：
以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所定义的时间系统为恒星时系统。
春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒星日，含24个恒星小时。
平太阳日MT:
平太阳连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一平太阳日，包含24个平太阳时。
平太阳时也具有地方性，常称为地方平太阳时或地方平时。
世界时UT：
以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时定义为世界时UT。
世界时与平太阳时的尺度相同，但起算点不同。
1956年以前，秒被定义为一个乎太阳日的1／86400。
这是以地球自转这一周期运动作为基础的时间尺度。
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）。
协调世界时UTC：
它采用原子时秒长，但因原子时比世界时每年快约1秒，两者之差逐年积累，便采用跳秒（闰秒）的方法使协调时与世界时的时刻相接近，其差不超过1秒。
它既保持时间尺度的均匀性，又能近似地反映地球自转的变化。
12、GPS时间系统：
GPS时间系统采用原子时ATl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。
GPS时与ATI时在任一瞬间均有一常量偏差：
TATI—TGPS=19（秒）
13、影响轨道的力：
作用力：
卫星在空间绕地球运行时，除了受地球重力场的引力作用外，还受到太阳、月亮和其它天体的引力影响，以及太阳光压、大气阻力和地球潮汐力等因素影响
13、卫星的轨道参数
as为轨道的长半径，es为轨道椭圆偏心率，确定了开普勒椭圆的形状和大小。
为升交点赤经：
即地球赤道面上升交点与春分点之间的地心夹角。
i为轨道面倾角：
即卫星轨道平面与地球赤道面之间的夹角。
这两个参数唯一地确定了卫星轨道平面与地球体之间的相对定向。
s为近地点角距：
即在轨道平面上，升交点与近地点之间的地心夹角，表达了开普勒椭圆在轨道平面上的定向。
vs为卫星的真近点角：
即轨道平面上卫星与近地点之间的地心角距。
该参数为时间的函数，确定卫星在轨道上的瞬时位置。
14、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。
受摄运动的轨道参数不再保持为常数，而是随时间变化的轨道参数。
瞬时轨道参数：
卫星在地球质心引力和各种摄动力总的影响下的轨道参数称为瞬时轨道参数；
卫星运动的真实轨道称为卫星的摄动轨道或瞬时轨道。
瞬时轨道不是椭圆，轨道平面在空间的方向也不是固定不变的。
在人造地球卫星所受的摄动力中，地球引力场摄动力最大，约为10-3量级，其他摄动力大多小于或接近于是10-6量级。
这些摄动力引起卫星位置的变化，引起轨道参数的变化。
15、预报星历、星历、参考星历：
又叫广播星星历。
常包括相对某一参考历元的开普勒轨道参数和必要的轨道摄动改正项参数。
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，即广播星历。
广播星历参数的选择采用：
开普勒轨道参数加调和项修正的方案。
为了保证卫星预报星历的必要精度，一般采用限制预报星历外推时间间隔的方法。
据此GPS卫星发播的广播星历每小时更新一次。
预报星历的精度，目前一般估计为20-40m。
卫星星历：
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。
参考星历：
相应参考历元的卫星开普勒轨道参数，是根据GPS监测站约1周的监测资料推算的。
16、GPS用户通过卫星广播星历的参数
可以获得的有关卫星星历参数共16个，其中包括1个参考时刻，6个相应参考时刻的开普勒轨道参数和9个反映摄动力影响的参数。
17、卫星的预报星历、后处理星历
是用跟踪站以往时间的观测资料推求的参考轨道参数为基础，并加入轨道摄动项改正而外推的星历。
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。
18、导航电文
导航电文：
是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码等导航信息的数据码（或D码）。
19、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
2个时间参数：
①从星期日子夜零时开始度量的星历参考历元toe；
②外推星历时的外推时间间隔AODE，亦即星历数据的龄期，它可反映外推星历的可靠程度。
数据块3
第三数据块包括第4和第5两个子帧，其内容包括了所有GPS卫星的历书数据。
当接收机捕获到某颗GPS卫星后，根据第三数据块提供的其他卫星的概略星历、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.
20、C/A码：
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。
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。
21、GPS接收机的分类：
22、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。
23、接收机的组成
接收机天线单元、接收机主机单元、电源
24、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.
24、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。
25、GPS定位原理：
GPS定位是利用测距交会的原理确定测点位置的。
GPS卫星发射测距信号和导航电文，导航电文中含有卫星的位置信息。
用户用GPS接收机在某一时刻同时接收三颗以上的GPS卫星信号，测量出测站点（接收机天线中心）户至三颗以上GPS卫星的距离并解算出该时刻GPS卫星的空间坐标，据此利用距离交会法解算出测站户的位置。
26、依据测距的原理，其定位原理与方法主要有：
伪距法定位
载波相位测量定位
差分技术
27、伪距测量
伪距法定位：
由GPS接收机在某一时刻测出得到四颗以上GPS卫星的伪距以及已知的卫星位置，采用距离交会的方法求定接收机天线所在点的三维坐标。
伪距：
就是由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得出的量测距离。
由于卫星钟、接收机钟的误差以及无线电信号经过电离层和对流层中的延迟，实际测出的距离与卫星到接收机的几何距离有一定差值，因此一般称量测出的距离为伪距。
28、伪距法定位的数学模型的各项含义：
29、接收机k是对卫星j的载波相位测量的观测方程各部分的含义：
Φjk=f（ρ-δρ1-δρ2）/c-fδtb+fδta+Njk
30、整周未知数的确定:
1.伪距法
2.将整周未知数当做平差中的待定参数—经典方法
3.多普勒法（三差法）
4.快速确定整周未知数法
31、周跳：
周跳:
如果在跟踪卫星过程中，由于某种原因，如卫星信号被障碍物挡住而暂时中断，或受无线电信号干扰造成失锁。
这样，计数器无法连续计数。
因此，当信号重新被跟踪后，整周计数就不正确，但是不到一个整周的相位观测值仍是正确的。
周跳的出现和处理是载波相位测量中的重要问题。
32、GPS绝对定位、相对定位
GPS绝对定位：
也叫单点定位，即利用GPS卫星和用户接收机之间的距离观测值直接确定用户接收机天线在WGS-84坐标系中相对于坐标系原点——地球质心的绝对位置。
GPS相对定位：
是至少用两台GPS接收机，同步观测相同的GPS卫星，确定两台接收机天线之间的相对位置（坐标差）。
它是目前GPS定位中精度最高的一种定位方法。
精度因子的数值与所测卫星的几何分布图形有关。
假设由观测站与四颗观测卫星所构成的六面体体积为y，则分析表明，精度因子GDOP与该六面体体积y的倒数成正比，即:
33、一次差：
将观测值直接相减的过程叫做求一次差。
34、二次差:
对载波相位观测值的一次差分观测值继续求差，所得结果仍可以被当作虚拟观测值，叫做载波相位观测值的二次差或双差。
35、三次差:
对二次差继续求差称为求三次差.所得结果叫作载波相位观测值的三次差或三差.
36、GPS定位中，存在着三部分误差：
1.多台接收机公有的误差：
卫星钟误差、星历误差；
2.传播延迟误差：
电离层误差、对流层误差；
3.接收机固有的误差：
内部噪声、通道延迟、多路径效应。
37、广域差分GPS系统的基本思想
WADGPS基本思想是对GPS观测量的误差源分别加以区分和"
模型化"
然后将计算出来的每一个误差源的误差修正值（差分值）通过数据通讯链传输给用户,对用户在GPS定位中的误差加以修正,以达到削弱这些误差源和改善用户GPS定位精度的目的.集中表现在三个方面：
星历误差，大气延时误差，卫星钟差误差。
38、广域差分GPS系统的工作流程
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量测结果全部传输到中心站。
③中心站在区域精密定轨计算的基础上，计算出三项误差改正，即包括卫星星历误差改正，卫星钟差改正及电离层时间延迟改正模型。
④将这些误差改正用数据通信链传输到用户站。
⑤用户利用这些误差改正自己观测到的伪距、相位和星历等，计算出高精度的GPS定位
39、广城差分GPS系统（WADGPS）的特点:
①中心站、监测站与用户站的站间距离从100km增加到2000km，定位精度不会出现明显的下降.
②在大区域内建立WADGPS网，需要的监测站数量很少，投资自然减小。
③WADGPS系统是一个定位精度均匀分布的系统，覆盖范围内任意地区定位精度相当，且定位精度较LADGPS高.
④WADGPS的覆盖区域可以扩展到LADGPS不易作用的地域，如远洋、沙漠、森林等。
⑤WADGPS使用的硬件设备及通信工具昂贵，软件技术复杂，运行和维持费用较LADG—PS高得多，而且ADGPS的可靠性与安全性可能不如单个的LADGPS。
40、RTK技术
载波相位差分技术又称RTK（RealTimeKinematic）技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。
41、差分GPS的基本原理是：
鉴于卫星的运行高度在20000km以上，对于地面相距不太远的两个点来说，卫星信号传播的路径基本相同，所以很多误差的影响也基本相同。
如果在一个已知精确位置的点上安置GPS接收机，并和用户的接收机一起进行GPS观测，然后将用户的GPS定位结果和已知点精确坐标进行比较，就可以求得多种误差对点位影响所产生的综合偏差。
进一步还能将这些偏差值通过无线电数据链传播给附近的其他用户，那么这些用户的定位精度势必大为改善。
42、AS与SA技术
反电子欺骗AS（Anti—Spoofing）技术，它是由P码和保密的W码相加而形成的Y码，用于代替P码，其结构更为严格保密。
43、美国的GPS政策
美国在研制GPS总体方案时，就已经制定了“主要为军用，同时也兼顾民用的双用途政策”。
此后，陆续出台了一系列的“双用途”政策，
44、摆脱GPS限制政策的途径
1．建立独立的卫星导航与定位系统
2．建立自己的GPS卫星跟踪网，独立确定GPS卫星精确轨道
3．改进GPS精密定位方法及软件，削弱SA和AS技术的影响
45、卫星导航:
是用导航卫星发送的导航定位信号引导运动载体安全到达目的地的一门新兴科学。
46、GPS动态定位主要方法
单点动态定位
它是用安设在一个运动载体上的GPS信号接收机，自主地测得该运动载体的实时位置，从而描绘出该运动载体的运动轨迹。
所以单点动态定位又叫绝对动态定位。
例如，行驶的汽车和火车，常用单点动态定位。
实时差分动态定位
它是用安设在一个运动载体上的GPS信号接收机，及安设在一个基准站上的另一台GPS接收机，联合测得该运动载体的实时位置，从而描绘出该运动载体的运行轨迹，故差分动态定位又称为相对动态定位。
飞机着陆和船舰进港
后处理差分动态定位
在运动载体和基准站之间，不必像实时差分动态定位那样建立实时数据传输，而是在定位观测以后，对两台GPS接收机所采集的定位数据进行测后的联合处理，从而计算出接收机所在运动载体在对应时间上的坐标位置。
在航空摄影测量
46、GPS卫星导航方法的优缺点
GPS单机导航
单机导航就是在航行体上仅装配一台GPS接收机，单独实施导航，如在地质勘探、资源调查、船只航行、汽车导航等方面，得到广泛的应用。
因此操作和使用非常简单，价格也便宜，且具有全天候、全球性、较高精度及实时三维定位和测速能力
差分GPS导航
差分GPS就是在地面已知位置设置一个地面站，地面站由一个GPS差分接收机和一个差分发射机组成。
差分接收机接收卫星信号，监测GPS差分系统的误差，并按规定的时间间隔把修正信息发送给用户，用户用修正信息校正自己的测量或位置解。
惯性导航:
完全自主式的导航系统，它利用陀螺和加速度计这两类惯性传感器的测量信息直接计算出载体的姿态、速度、位置等导航参数。
它既不向外界发射能量，也不依赖外界的任何信息，具有不受干扰、可在任何地方使用、动态性能好、导航输出信息丰富等独特的优点。
47、与信号传播有关的误差
电离层折射误差
对流层折射误差
多路径效应误差
48、电离层折射
当GPS信号通过电离层时，如同其它电磁波一样，信号的路径会发生弯曲，传播速度也会发生变化。
用信号的传播时间乘上真空中光速而得到的距离就会不等于卫星至接收机间的几何距离，这种偏差叫电离层折射误差。
49、减弱电离层影响的措施
1.利用双频观测；
2.利用电离层改正模型加以改正；
3.利用同步观测值求差。
50、减弱对流层折射改正残差影响的主要措施:
1.采用上述对流层模型加以改正。
其气象参数在测站直接测定。
2.引入描述对流层影响的附加待估参数，在数据处理中一并求得。
3.利用同步观测量求差。
4.利用水汽辐射计直接测定信号传播的影响。
51、多路径误差
在GPS测量中，如果测站周围的反射物所反射得卫星信号（反射波）进入接收机天线，这就将和直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏离真值产生所谓的“多路径效应”。
52、消弱多路径误差的方法:
1）选择合适的站址
测站应远离大面积平静地水面;
测站不宜选择在山坡、山谷和盆地中;
测站应离开高层建筑物.
2）对接收机天线的要求
53、与卫星有关的误差
卫星星历差、卫星钟误差、相对论效应
54、广播星历、实测星历
：
是卫星电文中携带的主要信息。
实测星历：
它是根据实测资料进行拟合处理而直接得出的星历。
55、解决星历误差的方法:
1）建立自己的卫星跟踪网独立定轨;
2）轨道松驰法;
3）同步观测值法.
56、卫星钟的钟误差模型改正
1.卫星钟的钟差包括由钟差、频偏、频漂等产生的误差，也包含钟的随机误差。
2.经改正后，各卫星钟之间的同步差可保持在20ns以内，由此引起的等效距离偏差不会超过6m，卫星钟差和经改正后的残余误差，则需采用在接收机间求一次差等方法来进一步消除它。
57、与接受机有关的误差
接收机钟误差、接收机位置误差、天线相应中心位置误差、几何图形强度误差
58、接收机的位置误差与天线相位中心误差
接收机天线相位中心相对观测标石中心位置的误差，叫接收机位置误差。
观测时相位中心的瞬时位置（一般称相位中心）与理论上的相位中心将有所不同，这种差别叫天线相位中心的位置偏移。
59、GPS网技术设计的依据:
GPS测量规范（规程）和测量任务书
60、GPS网图形构成的几个基本概念
①观测时段：
测站上开始接收卫星信号到观测停止，连续工作的时间段，简称时段。
②同步观测：
两台或两台以上接收机同时对同一组卫星进行的观测。
③同步观测环：
三台或三台以上接收机同步观测获得的基线向量所构成的闭合环，简称同步环。
④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。
⑤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测环，简称异步环。
⑥独立基线：
对于N台GPS接收机构成的同步观测环，有J条同步观测基线，其中独立基线数为N-1。
⑦非独立基线：
除独立基线外的其他基线叫非独立基线，总基线数与独立基线数之差即为非独立基线数。
61、GPS网的图形布设通常有及其基本特征和优缺点:
点连式、边连式、网连式及边点混合连接也有布设成星形连接、附合导线连接、三角锁形连接
点连式:
指相邻同步图形之间仅有一个公共点的连接。
点连式网的几何强度很差，需要提高网的可靠性指标。
边连式:
指同步图形之间由一条公共基线连接。
边连式布网有较多的非同步图形闭合条件，几何强度和可靠性均优于点连式。
网连式:
指相邻同步图形之间有两个以上的公共点相连接，这种方法需要4台以上的接收机。
这种密集的布图方法，它的几何强度和可靠性指标是相当高的，但花费的经费和时间较多，一般仅适于较高精度的控制测量。
边点混合连接式:
指把点连式与边连式有机地结合起来，组成GPS网.
既能保证网的几何强度，提高网的可靠指标，又能减少外业工作量，降低成本，是一种较为理想的布网方法。
三角锁（或多边形）连接
用点连式或边连式组成连续发展的三角锁连接图形，此连接形式适用于狭长地区的GPS布网，如铁路、公路及管线工程勘测。
GPS网中的三角形边由独立观测边组成。
根据经典测量的经验已知，这种图形的几何结构强，具有良好的自检能力，能够有效地发现观测成果的粗差，以保障网的可靠性。
同时，经平差后网中相邻点间基线向量的精度分布均匀。
缺点:
是观测工作量较大，尤其当接收机的数量较少时，将使观测工作的总时间大为延长。
因此通常只有当网的精度和可靠性要求较高时，才单独采用这种图形
2、价格
升级会员 