GPS测量原理及其应用教案.docx
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GPS测量原理及其应用教案
第1次课
日期周次星期学时
一、教学目的：
使学生了解GPS定位系统的历史，掌握GPS的组成。
二、教学内容：
第一章绪论
1.1GPS定位系统的历史
（1）早期的卫星定位技术
（2）子午卫星导航（多普勒定位）系统及其缺陷
（3）GPS全球定位系统的建立
1.2GPS的组成
GPS系统包括三大部分：
（1）空间部分—GPS卫星星座；
（2）地面控制部分—地面监控系统；
（3）用户设备部分—GPS信号接收机
1.3GPS在国民经济建设中的应用
（1）GPS系统的特点
（2）GPS系统的应用前景
（3）我国的GPS定位技术应用和发展情况
三、重点难点：
重点：
GPS系统的组成部分，GPS卫星信号的组成；
难点：
卫星运动理论基础。
四、作业与实验：
1、简述GPS卫星定位系统的组成，并说明各部分的作用。
2、简述GPS卫星信号产生及构成特点。
3、如何计算GPS卫星的位置？
4、什么是GPS的预报星历？
有什么特点？
5、什么是GPS的精密星历？
有什么特点？
第2次课
日期周次星期学时
一、教学目的：
本节主要介绍天球坐标系、地球坐标系和卫星测量中常用的坐标系的建立方法。
二、教学内容：
2.1天球坐标系与地球坐标系
（1）天球空间直角坐标系的定义
（2）天球球面坐标系的定义
（3）地球直角坐标系的定义
（4）地球大地坐标系的定义
2.2站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系
（1）站心赤道直角坐标系
（2）站心地平直角坐标系
（3）站心地平极坐标系
2.3卫星测量中常用坐标系
（1）瞬时极天球坐标系与地球坐标系
（2）固定极天球坐标系——平天球坐标系
（3）固定极地球坐标系——平地球坐标系
（4）坐标系的两种定义方式与协议坐标系
2.4WGS-84坐标系
2.5国家大地坐标系
1.1954年北京坐标系（BJ54旧）
坐标原点：
前苏联的普尔科沃。
参考椭球：
克拉索夫斯基椭球。
平差方法：
分区分期局部平差。
存在问题：
（1）椭球参数有较大误差。
（2）参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的系统性倾斜。
（3）几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。
（4）定向不明确。
2.1980年国家大地坐标系（GDZ80）
坐标原点：
陕西省泾阳县永乐镇。
参考椭球：
1975年国际椭球。
平差方法：
天文大地网整体平差。
特点：
（1）采用1975年国际椭球。
（2）参心大地坐标系是在1954年北京坐标系基础上建立起来的。
（3）椭球面同似大地水准面在我国境内最为密合，是多点定位。
（4）定向明确。
（5）大地原点地处我国中部。
（6）大地高程基准采用1956年黄海高程。
3.新1954年北京坐标系（BJ54新）
新1954年北京坐标系（BJ54新）是由1980年国家大地坐标系（GDZ80）转换得来的。
坐标原点：
陕西省泾阳县永乐镇。
参考椭球：
克拉索夫斯基椭球。
平差方法：
天文大地网整体平差。
BJ54新的特点：
（1）采用克拉索夫斯基椭球。
（2）是综合GDZ80和BJ54旧建立起来的参心坐标系。
（3）采用多点定位。
但椭球面与大地水准面在我国境内不是最佳拟合。
（4）定向明确。
（5）大地原点与GDZ80相同，但大地起算数据不同。
（6）大地高程基准采用1956年黄海高程。
（7）与BJ54旧相比，所采用的椭球参数相同，其定位相近，但定向不同。
（8）BJ54旧与BJ54新无全国统一的转换参数，只能进行局部转换。
三、重点难点：
重点：
各种坐标系的定义和相互关系；
难点：
各种坐标系定义和本质的理解。
四、作业与实验：
1、GPS定位中用到的坐标系统有哪几种？
其特征是什么？
第3次课
日期周次星期学时
一、教学目的：
本节主要介绍天球坐标系、地球坐标系和卫星测量中常用的坐标系的建立方法。
二、教学内容：
2.6坐标系统之间的转换
（1）不同空间直角坐标系统之间的转换
（2）不同大地坐标系的转换
（3）大地坐标系和空间大地直角坐标系的换算
2.7时间系统
（1）恒星时ST
定义：
以春分点为参考点，由它的周日视运动所确定的时间称为恒星时。
计量时间单位：
恒星日、恒星小时、恒星分、恒星秒；
一个恒星日=24个恒星小时=1440个恒星分=86400个恒星秒
分类：
真恒星时和平恒星时。
（2）平太阳时MT
定义：
以平太阳作为参考点，由它的周日视运动所确定的时间称为平太阳时。
计量时间单位：
平太阳日、平太阳小时、平太阳分、平太阳秒；
一个平太阳日=24个平太阳小时=1440平太阳分=86400个平太阳秒
平太阳时与日常生活中使用的时间系统是一致的，通常钟表所指示的时刻正是平太阳时。
（3）世界时UT
定义：
以平子午夜为零时起算的格林尼治平太阳时定义为世界时UT。
（4）原子时IAT
原子时是以物质内部原子运动的特征为基础建立的时间系统。
原子时的尺度标准：
国际制秒（SI）
原子时的原点由下式确定：
AT=UT2-0.0039（s）
（5）协调世界时UTC
为了兼顾对世界时时刻和原子时秒长两者的需要建立了一种折衷的时间系统，称为协调世界时UTC。
根据国际规定，协调世界时UTC的秒长与原子时秒长一致，在时刻上则要求尽可量与世界时接近。
协调时与国际原子时之间的关系，如下式所示：
IAT=UTC+1s×n（n为调整参数）
（6）GPS时间系统GPST
GPST属于原子时系统，它的秒长即为原子时秒长，GPST的原点与国际原子时IAT相差19s。
三、重点难点：
重点：
各种坐标系的定义和相互关系；
难点：
各种坐标系定义和本质的理解。
四、作业与实验：
1、怎样进行WGS-84坐标和地面网的坐标换算？
第4次课
日期周次星期学时
一、教学目的：
使学生了解与卫星运动有关的几个基本概念和卫星的基本运动规律。
二、教学内容：
第三章卫星运动基础及GPS卫星星历
3.1概述
1.作用在卫星上力
卫星受的作用力主要有：
地球对卫星的引力，太阳、月亮对卫星的引力，大气阻力，大气光压，地球潮汐力等。
虽然作用在卫星上的力很多，但这些力的大小却相差很悬殊。
如果将地球引力当作1的话，其它作用力均小于10-5。
2.二体问题
研究两个质点在万有引力作用下的运动规律问题称为二体问题。
3.卫星轨道和卫星轨道参数
卫星在空间运行的轨迹称为卫星轨道。
描述卫星轨道状态和位置的参数称为轨道参数。
4.无摄运动和无摄轨道
仅考虑地球质心引力作用的卫星运动称为无摄运动。
无摄运动的卫星轨道称为无摄轨道。
3.2卫星的无摄运动
3.2.1卫星运动的轨道参数
卫星的无摄运动可由一组经过选择的具有鲜明几何意义的轨道参数来描述，它们是：
Ω——升交点赤经。
i——轨道面倾角。
a——卫星轨道为椭圆。
e——卫星轨道为椭圆。
ω——近地点角距。
M——平近点角。
以上六个轨道参数，前5个是常数，不随时间变化而改变，大小由卫星发射条件所决定。
3.2.2二体问题的运动方程
3.2.3二体问题微分方程的解
三、重点难点：
重点：
名词的定义，轨道参数的含义，二体问题的运动方程；
难点：
名词定义的理解，二体问题的运动方程及求解。
四、作业与实验：
1、任意时刻的卫星位置及其运动速度可有哪几个元素唯一地确定？
第5次课
日期周次星期学时
一、教学目的：
使学生掌握GPS卫星的导航电文和卫星信号。
二、教学内容：
第四章GPS卫星的导航电文和卫星信号
4.1GPS卫星的导航电文
4.1.1遥测码（TLW，即TelemetryWord）
遥测码位于各子帧的开头，它用来表明卫星注入数据的状态，以次指示用户是否选用该颗卫星。
4.1.2转换码（HOW,即HandOverWord）
转换码位于每个子帧的第二个字码，其作用是提供帮助用户从所捕获的C/A码转换到捕获P码的Z计数，它表示从每星期天零时到星期六24小时，P码子码X1的周期（1.5秒）重复数。
4.1.3第一数据块
第一数据块位于第1子帧的第3~10字码，它的主要内容包括：
①标识码，时延差改正；②星期序号；③卫星健康状况；④数据龄期；⑤卫星时钟改正系数等。
4.1.4第二数据块
包含第2和第3子帧，其内容表示GPS卫星的星历，这些数据为用户提供了有关计算卫星运动位置的信息。
4.1.5第三数据块
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。
4.2GPS卫星信号
GPS卫星信号是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波，它包含有：
载波、测距码和数据码。
4.2.1伪随机噪声码的产生及特性
伪随机噪声码又叫伪随机码或伪噪声码，简称PRN，是一个具有一定周期的取值0和1的离散符号串。
它不仅具有高斯噪声所有的良好的自相关特征，而且具有某种确定的编码规则。
三、重点难点：
重点：
GPS卫星的导航电文；
难点：
伪随机噪声码的产生及特性。
四、作业与实验：
无
第6次课
日期周次星期学时
一、教学目的：
使学生掌握GPS卫星的导航电文和卫星信号。
二、教学内容：
第四章GPS卫星的导航电文和卫星信号
4.3GPS卫星位置的计算
（1）计算卫星运行的平均角速度n
（2）计算归化时间tk
（3）观测时刻卫星平近点角Mk的计算
（4）计算偏近点角Ek
（5）真近点角Vk的计算
（6）升交距角Φk的计算
（7）摄动改正项δu,δr,δi的计算
（8）计算经过摄动改正的升交距角uk、卫星矢径rk和轨道倾角ik
（9）计算卫星在轨道平面坐标系的坐标
（10）观测时刻升交点经度Ωk的计算
（11）计算卫星在地心固定坐标系中的直角坐标
（12）卫星在协议地球坐标系中的坐标计算
4.4GPS接收机基本工作原理
4.4.1GPS接收机的分类
4.4.2GPS接收机的组成及工作原理
GPS接收机主要由1、GPS接收机天线单元；2、GPS接收机主机单元；3、电源三部分组成。
三、重点难点：
重点：
GPS接收机基本工作原理；
难点：
GPS卫星位置的计算。
四、作业与实验：
无
第7、8次课
日期周次星期学时
一、教学目的：
介绍伪距测量和载波相位测量的基本原理。
二、教学内容：
第五章GPS卫星定位基本原理
5.1概述
GPS卫星定位基本原理:
卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信息。
实际上是将卫星作为动态空间已知点，利用距离交会的原理确定接收机的三维位置。
GPS定位的各种常用的观测量:
（1）L1载波相位观测值
（2）L2载波相位观测值
（3）调制在L1上的C/A-code伪距
（4）调制在L2上的P-code伪距
（5）Dopple观测值
5.2伪距测量
伪距定义：
GPS接收机对测距码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。
对C/A码测得的伪距称为C/A码伪距，精度约为20米左右，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2米左右。
5.2.1伪距测量
伪距测量的其本方法：
（1）接收机至卫星的距离借助于卫星发射的码信号量测并计算得到的；
（2）接收机本身按同一公式复制码信号；
（3）比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟的时间Δt；
（4）延迟时间乘以光速就是距离观测值D=C•Δt。
5.2.2伪距定位观测方程
伪距定位基本观测方程：
考虑电离层、对流层、钟差影响有：
5.3载波相位测量
5.3.1载波相位测量原理
载波信号量测精度优于波长的1/100，载波波长（L1=19cm,L2=24cm）比C/A码波长（C/A=293m）短得多，所以GPS测量采用载波相位观测值可以获得比伪距（C/A码或P码）定位高得多的成果精度。
5.3.2载波相位测量的观测方程
载波相位基本观测方程：
5.3.3整周跳变修复
5.4GPS绝对定位与相对定位
5.5差分GPS定位原理
三、重点难点：
重点：
GPS绝对定位与相对定位；
难点：
载波相位测量的观测方程。
四、作业与实验：
1、简述载波相位测量的基本原理。
第9次课
日期周次星期学时
一、教学目的：
使学生掌握GPS测量的误差来源及其影响。
二、教学内容：
第六章GPS测量的误差来源及其影响
6.1GPS测量的主要误差分类
GPS测量的主要误差分类：
（1）与卫星有关误差：
卫星星历误差即轨道偏差，卫星钟差，相对论效应。
（2）信号传播误差：
电离层延时，对流层延时，多路径效应。
（3）观测及接收设备误差：
接收机钟差，接收机噪声，天线相位中心误差，天线安置误差。
（4）其它误差：
地球固体潮，地球海潮，美国SA政策。
6.2与信号传播有关的误差
与卫星信号有关的误差主要包括大气折射误差和多路径效应。
6.3与卫星有关的误差
与GPS卫星有关的误差主要包括:
卫星的轨道误差和卫星钟的误差。
6.4与接收机有关的误差
与GPS接收机设备有关的误差主要包括:
观测误差，接收机钟差，天线相位中心误差和载波相位观测的整周不定性影响。
6.5其它误差
6.5.1地球自转的影响
6.5.2地球潮汐改正
三、重点难点：
重点：
GPS测量的主要误差；
难点：
GPS测量误差的影响确定。
四、作业与实验：
1、讨论：
如何应用原始观测量的非差分模型，进行高精度定位研究？
第10、11次课
日期周次星期学时
一、教学目的：
学会局部性的GPS控制网的图形设计，掌握GPS测量技术设计书的编写。
二、教学内容：
第七章GPS测量的设计与实施
7.1GPS测量的技术设计
7.1.1GPS网技术设计的依据
1.GPS测量规范（规程）
（1）《全球定位系统（GPS）测量规范》
（2）《全球定位系统城市测量技术规程》
（3）各行业部门的其他GPS测量规程或细则
2．测量任务书
7.1.2GPS网的精度,密度设计
7.1.3GPS网的基准设计
1．基准设计的定义：
在GPS网的技术设计中，必须明确GPS网的成果所采用的
坐标系统和起算数据的工作，称为GPS网的基准设计。
GPS网的基准包括位置基准、方位基准和尺度基准。
2．基准设计应考虑的几个问题：
（1）应在地面坐标系中选定起算数据和联测原有地方控制点若干个，用以转换坐标。
（2）对GPS网内重合的高等级国家点或原城市等级控制点，除未知点连结图形观测外，对它们也要适当地构成长边图形。
（3）联测的高程点需均匀分布于网中，对丘陵或山区联测高程点应按高程拟合曲面的要求进行布设。
（4）新建GPS网的坐标应尽可能与测区过去采用的坐标一致。
7.1.4GPS网的图形设计
7.2GPS测量的外业准备及技术设计书编写
7．2．1测区踏勘
测区踏勘主要了解下列情况：
1、交通情况；2、水系分布情况；3、植被情况；4、控制点分布情况；5、居民点分布情况；6、当地风俗民情。
7．2．2资料收集
1、各类图件；2、各类控制点成果；3、测区有关的地质、气象、交通、通讯等方面的资料；4、城市及乡、村行政区划表。
7．2．3设备、器材筹备及人员组织
设备、器材筹备及人员组织包括以下内容：
1、筹备仪器、计算机及配套设备；2、筹备机动设备及通讯设备；3、筹备施工器材，计划油料，材料的消耗；4、组建施工队伍，拟定施工人员名单及岗位；5、进行详细的投资预算。
7．2．4拟定外业观测计划
1．拟定观测计划的主要依据：
（1）GPS网的规模大小；
（2）GPS卫星星座几何图形强度；
（3）参加作业的接收机数量；
（4）交通、通讯及后勤保障。
2．观测计划的主要内容：
（1）编制GPS卫星的可见性预报图；
（2）选择卫星的几何图形强度；
（3）选择最佳观测时断；
（4）观测区域的设计与划分；
（5）编排作业调度表；作业调整度表见表8-6。
7．2．5设计GPS网与地面网的联测方案
GPS网与地面网的联测，可根据测区地形变化和地面控制点的分布而定，一般在GPS网中至少要重合观测三个以上的地面控制点作为约束点。
7．2．6GPS接收机选型及检验
7．2．7技术设计书编写
资料收集全后，编写技术设计，主要编写内容如下：
1.任务来源及工作量
包括GPS项目的来源、下达任务的项目、用途及意义；GPS测量点的数量（包括新定点数、约束点数、水准点数、检查点数）；GPS点的精度指标及坐标、高程系统。
2.测区概况
测区隶属的行政管辖；测区范围的地理坐标，控制面积；测区的交通状况和人文地理；测区的地形及气候状况；测区控制点的分布及对控制点分析、利用和评价。
3.布网方案
GPS网点的图形及基本连接方法；GPS网结构特征的测算；点位布设图的绘制。
4.选点与埋标
GPS点位的基本要求；点位标志的选用及埋设方法；点位的编号等。
5.观测
对观测工作的基本要求；观测纲要的制定；对数据采集提出注意的问题
6.数据处理
数据处理的基本方法及使用的软件；起算点坐标的决定方法，闭合差检验及点位精度的评定指标。
7.完成任务的措施
要求措施具体，方法可靠，能在实际工作中贯彻执行。
三、重点难点：
重点：
1.介绍GPS测量技术设计的依据；2.介绍GPS测量的标准；3.介绍GPS测量的图形设计。
难点：
GPS的图形设计。
四、作业与实验：
1、简述介绍GPS测量技术设计的一般要求和设计指标。
第12次课
日期周次星期学时
一、教学目的：
学会常规GPS测量数据处理方法及步骤。
二、教学内容：
第八章GPS测量数据处理
8.1GPS基线向量的解算
GPS接收机采集记录的是GPS接收机天线至卫星伪距、载波相位和卫星星历等数据。
如果采样间隔为20秒，则每20秒记录一组观测值，一台接收机连续观测一小时将有180组观测值。
观测值中有对4颗以上卫星的观测数据以及地面气象观测数据。
GPS数据处理要从原始的观测值出发得到最终的测量定位成果，其中数据处理过程大致分为GPS测量数据的基线向量解算、GPS基线向量网平差以及GPS网平差或与地面网联合平差等几个阶段。
8.1.1法方程的组成及解算
8.1.2精度评定
8.1.3基线向量解算结果分析
基线向量的解算是一个复杂的平差计算过程。
实际处理时要顾及时段中信号间断引起的数据剔除、劣质观测数据的发现及剔除、星座变化引起的整周未知参数的增加，进一步消除传播延迟改正以及对接收机钟差重新评估等问题。
基线处理完成后应对其结果作以下分析和检核：
1、观测值残差分析。
平差处理时假定观测值仅存在偶然误差。
理论上，载波相位观测精度为1%周，即对L1波段信号观测误差只有2mm。
因而当偶然误差达1cm时，应认为观测值质量存在系统误差或粗差。
当残差分布中出现突然的跳变时，表明周跳未处理成功。
2、基线向量环闭合差的计算及检核。
由同时段的若干基线向量组成的同步环和不同时段的若干基线向量组成的异步环，其闭合差应能滞相应等级的精度要求。
其闭合差值就小于相应等级的限差值。
基线向量检核合格后，便可进行基线向量网的平差计算（以解算的基线向量作为观测值进行无约束平差）。
平差后求得各GPS之间的相对坐标差值，加上基准点的坐标值，求得各GPS点的坐标。
3、基线长度的精度
基线处理后基线长度中误差应在标称精度值内。
多数接收机的基线长度标称精度为5～10±1～2ppm·D（mm）。
对于20km以内的短基线，单频数据通过差分处理可有效地消除电离层影响，从而确保相对定位结果的精度。
当基线长度增长时，双频接收机消除电离层的影响将明显优于单频接收机数据的处理结果。
4、双差固定解与双差实数解
理论上整周未知数N是一整数，但平差解算得的是一实数，称为双差实数解。
将实数确定为整数在进一步平差时不作为未知数求解时，这样的结果称为双差固定解。
短基线情况下可以精确确定整周未知数，因而其解算结果优于实数解，但两者之间的基线向量坐标应符合良好（通常要求其差小于5cm）。
当双差固定解与实数解的向量坐标差达分米级时，则处理结果可能有疑，其中原因多为观测值质量不佳。
基线长度较长时，通常以双差实数解为佳。
8.2基线向量网平差
8.2.1GPS基线向量网的无约束平差
GPS基线向量网的无约束平差常用的是三维无约束平差法。
GPS基线向量提供的尺度和定向基准属于WGS-84坐标系，进行三维无约束平差时，需要引入位置基准，引入的位置基准不应引起观测值的变形和改正。
引入位置基准的方法有三种，一种是网中有高级的GPS点时，将高级GPS点的坐标（属WGS-84坐标系）作为网平差时的位置基准；第二种方法是网中无高级GPS点时，取网中任一点的伪距定位坐标作为固定网点坐标的起算数据；第三种方法是引入合适的近似坐标系统下的亏秩自由网基准。
8.2.2GPS基线向量网的约束平差
二维约束平差
实际应用中以国家（或地方）坐标系的一个已知点和一个已知基线的方向作为起算数据，平差时将GPS基线向量观测值及其方差阵转换到国家（或地方）坐标系的二维平面（或球面）上，然后在国家（或地方）坐标系中进行二维约束平差。
转换后的GPS基线向量网与地面网在一个起算点上位置重合，在一条空间基线方向上重合。
这种转换方法避免了三维基线网转换成二维向量时地面网大地高不准确引起的尺度误差和变形，保证GPS网转换后整体及相对几何关系的不变性。
转换后，二维基线向量网与地面网之间只存在尺度差和残余的定向差，因而进行二维约束平差时只要考虑两网之间的尺度差参数和残余定向差参数。
8.2.3GPS基线向量网与地面网联合平差
当地面网除了已知数据（已知点坐标，已知边长和已知方位角）以外，还有常规观测值（如方向、边长等），则将GPS基线向量观测值与地面网的已知数据和常规观测值一起进行的平差叫做GPS基线向量网与地面网联合平差。
联合平差可以两网的原始观测量为根据，也可以两网单独平差的结果为根据。
平差时，引入坐标系统的转换参数，平差的同时完成坐标系统的转换。
三、重点难点：
重点：
1、GPS测量数据处理的基本过程；2、GPS定位数据处理与常规测量数据处理的显著特点。
难点：
GPS定位数据处理的精度。
四、作业与实验：
1．GPS数据预处理包括哪些内容?
2．对GPS基线解算结果进行检核的目标是什么?
检核的内容有哪些?
并说明各自的作用。
第13、14、15、16次课
日期周次星期学时
一、教学目的：
学习并掌握GPS测量及数据操作方法（实习）。
二、教学内容：
GPS数据采集及处理操作方法。
三、重点难点：
重点：
GPS数据采集及处理操作方法。
难点：
GPS定位数据处理的精度。
四、作业与实验：
1、分组完成指定区域的GPS控制网的布设、数据采集及数据处理工作。
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