《GPS测量原理及应用》武大第三版复习资料.docx

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《GPS测量原理及应用》武大第三版复习资料

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第一章绪论

1.GPS系统包括三大部分：

空间部分——GPS卫星星座，地面控制部分——地面监控系统，用户设备部分——GPS信号接收机。

2.GPS卫星星座部分：

由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座。

24颗在轨卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55°，各个轨道平面之间相距60°。

在地球表面上任何地点任何时刻，在高度角15°以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多可达9颗卫星。

3.GPS卫星的作用：

第一，用L波段的两个无线载波向广大用户连续不断地发送导航定位信号。

第二，在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站用S波段发送到卫星的导航电文和其他有关信息，并通过GPS信号电路，适时地发送给广大用户。

第三，接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，适时地改正运行偏差或启用备用时钟等。

4.地面监控系统：

1个主控站（美国科罗拉多）3个注入站（阿森松岛,迪哥加西亚岛，卡瓦加兰）5个监控站（1+3+夏威夷）

5.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。

6.GPS系统的特点：

定位精度高，观测时间短，测站间无需通视，可提供三维坐标，操作简便，全天候作业，功能多，应用广。

7.GPS系统的应用前景:

①用于建立高精度的国家性大地测量控制网，测定全球性的地球动态参数②用于建立陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘③用于监测地球板块运动状态和地壳形变④用于工程测量，成为建立城市与工程控制网的主要手段⑤用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置.

8.我国的GPS定位技术的应用和发展情况：

在大地测量方面，利用GPS技术开展国际联测，建立全球性大地控制网，提供高精度的地心坐标，测定和精化大地水准面；在工程测量方面，应用GPS静态相对定位技术，布设精密工程控制网，用于城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、隧道贯通测量等精密工程；在航空摄影测量方面，我国测绘工作者也应用GPS技术进行航测外业控制测量、航摄飞行导航、机载GPS航测等航测成图的各个阶段；在地球动力学方面，GPS技术用于全球板块运动监测和区域板块运动监测；此外，GPS技术还用于海洋测量、水下地形测绘、军事国防、智能交通、邮电通信、地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、土地管理、环境监测、金融、公安等部门和行业。

第二章坐标系统和时间系统

1、天球：

指以地球质心为中心，半径r为任意长度的一个假想球体，为建立球面坐标系统，必须确定球面上的一些参考点、线、面和圈。

天球坐标系

2、天球坐标系：

以天球及天球上的点线圈为基础所建立的坐标系。

3、天球坐标系的基准点：

春分点；天球坐标系的基准面：

天球赤道面。

4、天球坐标系的特点：

与地球自转无关，用于描述卫星的运行位置和状态。

5、分类三种：

瞬时真天球坐标系，瞬时平天球坐标系，协议天球坐标系；

6、分类三种关系：

协议天球坐标系——岁差——瞬时平天球坐标系——章动——瞬时真天球坐标系。

地球坐标系

7、地球坐标系：

以地球及地球上的点线圈为基础所建立的坐标系

8、地球坐标系的基准面：

地球赤道面；地球坐标系的基准点：

地球赤道面和格林尼治时间子午面的交点。

9、地球坐标系的特点：

随同地球自转，用于描述地面观测站的位置。

10、分类两种：

瞬时地球坐标系，协议地球坐标系。

11、分类两种关系：

协议地球坐标系——极移——瞬时地球坐标系。

站心坐标系

12、站心坐标系：

以测站及测站上的点线圈为基础建立的坐标系。

13、站心坐标系特点：

随同地球自转，用于描述地面观测站与卫星的关系、卫星在空中的分布情况。

14、分类两种：

站心地平直角坐标系，站心极坐标系。

15.完全定义一个空间直角坐标系必须明确：

①坐标原点位置②三个坐标轴的指向③长度单位.

16.参心坐标系和质心坐标系的定义：

参心是椭球的几何中心，质心是椭球的质量中心

17.岁差：

春分点除因地球自转轴方向改变引起的变化外还因黄道的缓慢变化而变化

18.章动：

地球瞬时自转轴在惯性空间不断改变方向的周期性运动。

19.我国目前常用的两个国家大地坐标系统：

①1954年北京坐标系（参心坐标系）②1980年国家大地坐标系（参心坐标系，大地原点设在我国西部—陕西省泾阳县永乐镇）

20、坐标转换方法：

七参数法（3个平移参数，3个旋转参数，1个尺度参数）；多项式拟合法。

21、坐标转换：

协议地球坐标系—极移改正—瞬时极地球坐标系—旋转时角—真天球坐标系—岁差—平天球坐标系—章动—协议天球坐标系

22、长时间计时方法：

阳历（儒略历，格里历），阴历，阴阳历；儒略日，简化儒略日，GPS周（GPS系统中使用的连续计时法）

23、GPS卫星位置采用WGS-84大地坐标系。

24、GPS系统中卫星钟和接收机钟均采用稳定而连续的GPS时间系统。

第三章卫星运动基础及GPS卫星星历

1.二体问题：

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。

2．卫星的无摄运动（二体运动）：

只考虑地球质心引力作用的卫星运动。

卫星的受摄运动：

在考虑中心引力的同时，考虑摄动力的影响来研究地球的运动。

3.中心引力：

质量集中于球心的质点所产生的引力。

4.开普勒轨道六参数（轨道根数a，e，V，Ω，i，ω）

①长半径a

②扁心率e（或短半径b）

③真近点角V（在轨道平面上卫星与近地点之间的地心角距）

④升交点半径Ω（在赤道面上，升交点N与春分点γ之间的地心夹角）

⑤轨道面倾角ί（卫星轨道平面与地球赤道面之间的夹角）

⑥近地点角距ω（在轨道平面上近地点A与升交点N之间的地心角距）

5、开普勒三定律：

①轨道定律：

卫星运行的轨道是一个椭圆，该椭圆的一个焦点与地球质心重合。

②面积定律：

在相同时间内所扫过的面积相等。

③周期定律：

运动周期的平方与轨道椭圆长半轴的立方之比是一个常数。

6.卫星星历：

描述卫星运动轨道的信息。

有了卫星星历就可以计算出任意时刻的卫星位置及其速度。

7.GPS卫星星历的分类：

①预报星历（广播星历）：

用户接收机接收卫星发射的含有轨道信息的导航电文，经过解码器便可获得所需的预报星历。

优点：

实时缺点：

精度低

内容：

瞬间开普勒六参数等共17个参数。

通用数据格式：

伪随机编号，年，月，日，时，分，秒，

②后处理星历：

是一些国家某些部门，根据各自建立的卫星跟踪站所获得的对GPS卫星的精密观测资料，应用与确定广播星历相似的方法而计算的卫星星历。

（包括精密星历、快速星历、超快速星历）

优点：

轨道参数准确缺点：

不能做到实时

第四章GPS卫星导航电文和卫星信号

1、GPS信号结构包括：

测距码（P码，C/A码）；数据码（导航电文，D码）；载波（L1，L2载波）。

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

导航电文

①导航电文（卫星电文、数据码/D码）：

GPS卫星的导航电文是用户用来定位和导航的数据基础。

②导航电文主要包括：

卫星星历，时钟改正，电离层时延延正，工作状态信息以及C/A码转换到捕获P码的信息。

③卫星星历每小时更新一次，12.5min播完一次。

测距码

①C/A码（粗码）：

用于分址，搜捕卫星，粗测距，民用码，仅L1调制。

②P码（精码）：

用于分址，精密测距，为军用码，L1、L2测距。

载波

①L1、L2载波

②作用：

加载低频信号（难以传输）、测距。

2、码：

表达信息的二进制数及其组合。

3、码元：

码组合中的每个二进制数均称为码元，单位是bit

4、码长：

一个周期内码元的最大个数，以Nu表示。

5、调制：

将频率较低的信号加载在频率较高的载波上的过程称为调制。

6、GPS接收机的分类：

①按用途：

导航型、测地型、授时型接收机

②按载波频率：

单频和双频接收机

③按通道数：

多通道、序贯通道、多路多用通道接收机

④按工作原理：

码相关型、平方型、混合型、干涉型接收机

7、GPS接收机的组成：

由GPS接收机天线单元，GPS接收机天线主机单元和电源三部分组成。

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第五章GPS卫星定位基本原理

1、GPS定位基本原理：

①根据地面已知点坐标，用空间前方交会求出卫星在轨位置；

②根据空中卫星的已知坐标，用空间后方交会的方法求出测站点的位置。

2、定位类型：

根据所用观测值：

①伪距定位

②载波相对定位

根据定位模式：

①绝对定位（单点定位）

②相对定位（差分定位）

根据获取定位结果的时间：

①实时定位

②事后定位

根据接收机的运动状态：

①静态定位

②动态定位

2.静态定位：

指的是对于固定不动的待定点，将GPS接收机安置于其上，观测数分钟乃至更长的时间，以确定该点的三维坐标，也叫绝对定位。

3.相对定位：

若以两台GPS接收机分别置于两个固定不变的待定点上，则通过一定时间的观测，可以确定两个待定点之间的相对位置。

4.动态定位：

至少有一台接收机处于运动状态，测定的是各观测时刻运动中的接收机的点位。

5.依据GPS测距的原理，其定位原理与方法主要有

①伪距法定位

②载波相位测量定位

③差分GPS定位等

6.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。

所测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的差值，因此一般称量测的距离为伪距。

7.伪距法距离测量的原理：

GPS卫星依据自己的时钟发出某一结构的测距码，该测距码经过T时间的传播后到达接收机。

接收机在自己的时钟控制下产生一组结构完全相同的测距码—复制码，并通过时延器使其延迟时间t将这两组测距码进行相关处理，若自相关系数R（t）≠1，则继续调整延迟时间t直至自相关系数R（t）=1为止。

8.重建载波：

在GPS信号中由于已用相位调整的方法在载波上调制了测距码和导航电文，因而接收到的载波的相位已不再连续，所以在进行载波相位测量以前，首先要进行解调工作，设法将调制在载波上的测距码和卫星电文去掉，重新获取载波，这一工作称为重建载波。

9.载波相位测量原理：

载波相位测量的观测值是GPS接收机所接收的卫星载波信号与接收机本振参考信号的相位数。

10.整周模糊度（整周未知数）的确定：

①伪距法②将整周未知数当作平差中的待定参数—经典方法③多普勒法（三差法）④快速确定整周未知数。

整周模糊度：

载波在空间传输的整周期数，无法通过观测获得的未知数。

11.整周跳变：

在跟踪过程中，由于某种原因造成卫星信号失锁，计数器无法连续计数。

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，这种现象成为整周跳变。

周跳产生的原因：

建筑物或树木等障碍物的遮挡；电离层电子活动剧烈；多路径效应的影响；卫星信噪比太低；接收机的高动态；接收机设置软件的不周全。

12.整周跳变的探测与修复常用的方法：

屏幕扫描法、用高次差或多项式拟合法、在卫星间求差法、用双频观测值修复周跳、根据平差后的残差发现和修复整周跳变。

13.GPS绝对定位（单点定位）：

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原点—地球质心的绝对位置。

①静态绝对定位：

接收机天线处于静止状态下，确定观测站坐标的方法。

②动态绝对定位：

接收机天线处于运动状态（或静止时间较短）

14.GPS相对定位：

是至少两台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）。

19.差分GPS定位技术：

是将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测。

根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时地将这一改正数发送出去。

用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。

20.差分GPS可分为单基准站差分、具有多个基准站的局部区域差分和广域差分三类。

21.单站差分按基准站发送信息方式可分为位置差分、伪距差分和载波相位差分（RTK）三种。

位置差分的优点是计算简单，适用于各种型号的GPS接收机；缺点是基准站和用户必须观测同一组卫星。

伪距差分原理的优点是基准站提供所有卫星的改正数，用户接收机观测任意4颗卫星，就可以定位；缺点是差分精度随基准站到用户的距离增加而降低。

22.局部区域差分系统：

在局部区域中应用差分GPS技术，应该在区域中布设一个差分GPS网，该网由若干个差分GPS基准站组成，通常还包含一个或多个监控站，位于该局部区域中的用户根据多个基准站所提供的改正信息，经平差后求得自己的改正数。

23.广域差分：

包括三方面，星历误差、大气延时误差和卫星钟差误差。

广域差分的工作流程：

第一，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；第二，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；第三，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；第四，将这些误差改正用数据通信链传输到用户站；第五，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定位结果。

广域差分的特点：

第一，中心站、监测站与用户站的站间距离从100千米增加到2000千米，定位精度不会出现明显下降；第二，在大区域内建立广域差分网，需要的监测站数量少，投资自然减少；第三，定位精度均匀分布；第四，覆盖区域可以扩展到不易作用的地域；第五，使用的硬件设备及通信工具昂贵，软件技术复杂，运行和维持费用较高。

24.多基准站RTK技术：

也叫网络RTK，是对普通RTK方法的改进。

它是一种基于多基准站网络的实时差分定位系统，可克服常规RTK的缺陷，实现长距离（70-100km）RTK定位。

25、RTK实时动态差分法。

这是一种新的常用的GPS测量方法，以前的静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。

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第六章GPS卫星导航

1.导航：

确定航行体运动到什么地方和向何方向运动的意思。

2.卫星导航分为：

单点动态定位、实时差分动态定位和后处理差分动态定位。

3.单点动态定位：

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行轨迹，所以单点动态定位又叫绝对动态定位。

4.实时差分动态定位：

所谓差分动态定位，就是用两台接收机在两个测站上同时测量来自相同GPS卫星的导航定位信号，用以联合测得动态用户的精确位置。

其中一个测站是位于已知坐标点，设在该已知点（又称基准点）的GPS信号接收机，叫做基准接收机。

如果及时将GPS改正值发送给若干台共视卫星用户的动态接收机，而改正后者所测得的实时位置，便叫做实时差分动态定位。

差分GPS定位

原理：

利用卫星导航系统的误差随时间变化缓慢，而且具有较强的空间相关性，从而定位结果也是具有一定的空间相关性。

利用基准站测定具有空间相关性的误差或其对测量定位结果的影响，供流动站改正其观测值或定位结果。

9.差分GPS导航：

位置差分法，伪距差分法，相位差分法。

单站差分，局部差分，广域差分

近程，中程，远程

精密单点定位（PPP）

特点：

单台接收机作业机动灵活；

单点精密定位，节约成本，提高效率；

不需参考站，定位不受作用距离限制。

12.精密单点定位数据处理步骤：

初始化，进行实时非差精密单点定位时，首先利用伪距观测值确定载波相位观测值的模糊度；点位坐标解算，按照已知的卫星轨道、卫星钟差，加入各项误差改正，逐历元进行点位坐标解算。

第七章GPS卫星测量的误差来源及影响

1.GPS测量主要误差分类：

卫星部分：

星历误差，钟误差，相对论效应；信号传播：

电离层，对流层，多路径效应；信号接收：

钟的误差，位置误差，天线相位中心变化；其他影响：

地球潮汐，负荷潮。

与信号传播有关的误差：

电离层折射误差、对流层折射误差及多路径效应误差。

2.电离层延迟：

当GPS信号通过电离层时，信号的路径会发生弯曲，传播速度也发生变化，这样产生的偏差叫电离层折射误差。

减弱电离层影响的措施：

利用双频组合观测值；

利用电离层模型改正。

3.对流层折射误差：

GPS信号通过对流层时，使传播的路径发生弯曲，从而使测量距离产生偏差，这种偏差就叫做对流层折射误差。

对流层的折射与地面气候、大气压力、温度和湿度有关，也与信号高度角有关。

减弱对流层折射改正残差影响的措施：

采用对流层模型加以改正；

引入描述对流层影响的附加待估参数；

利用同步观测量求差；

利用水汽辐射计直接测定信号传播的影响。

误差消除/消弱方法：

1、模型改正法

2、观测值线性组合

组合观测值：

差分观测值：

单差，双差，三差

星间单差：

消除接收机钟差

削弱大气折射，地球潮汐

站间单差：

消除卫星钟差，相对论效应

削弱星历误差，大气折射

历元间单差：

消除整周模糊度

削弱星历误差、钟差、大气折射和地球潮汐

站星间双差：

消除钟差、相对论效应

削弱星历误差，大气折光差，地球潮汐

三差：

消除。

。

。

。

。

。

第八章GPS测量的设计与实施

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1.GPS网技术设计的依据：

GPS测量规范和测量任务书。

测量规范是国家测绘管理部门或行业部门制定的技术法规，测量任务书是测量施工单位上级主管部门或合同甲方下达的技术要求文件。

2.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，连续观测的时段，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独立同步环：

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，总基线数和独立基线数之差就是非独立基线数。

3.GPS网的图形设计：

①点连式②边连式③网连式④边点混合连接式⑤三角锁（多边形）连接⑥导线网形连接（环形图）⑦星形布设。

①点连式：

指相邻同步图形之间仅有一个公共点的连接。

②边连式：

指同步图形之间由一条公共基线连接。

③网连式：

指相邻同步图形之间有两个以上的公共点相连接。

④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。

⑤三角锁（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。

⑥导线网形连接（环形图）：

将同步图形布设为直伸状，形如导线结构式的GPS网，各独立边应组成封闭状，形成非同步图形。

4.布网设计时应注意以下几个原则：

第一，每点应有一个以上通视方向；第二,应采用原有城市坐标系统；第三，GPS网必须由非同步独立观测边构成若干个闭合环或附合线路。

在进行GPS外业工作之前，必须做好实施前的测区踏勘、资料收集、器材筹备、观测计划拟定、GPS仪器检校及设计书编写等工作。

5.测区踏勘：

交通情况、植被情况、水系分布情况、控制点分布情况、居民点分布情况、当地风俗民情。

6.资料收集：

各类图件、各类控制点成果、测区有关的地质气象交通通信等方面的资料、城市及乡村行政区划表。

7.设备、器材筹备及人员组织：

筹备仪器、计算机及配套设备；筹备机动设备及通信设备；筹备施工器材，计划油料，材料的消耗；组建施工队伍，拟订施工人员名单及岗位；进行详细的投资预算。

8.拟订观测计划的主要依据是：

GPS网的规模大小；点位精度要求；GPS卫星星座几何图形强度；参加作业的接收机数量；交通、通信及后勤保障。

9.观测计划的主要内容：

编制GPS卫星的可见性预报图；选择卫星的几何图形强度；选择最佳的观测时段；观测区域的设计与划分；编排作业调度表。

10.GPS接收机选型及检验：

用零基线检验接收机内部噪声水平；天线相位中心稳定性检验；GPS接收机不同测程精度指标的测试；仪器的高低温实验；野外测试；光学对中器的检验。

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11.技术设计书编写内容：

任务来源及工作量；测区概况；布网方案；选点与埋标；观测；数据处理；完成任务的措施。

14.GPS测量的作业模式：

静态相对定位、快速静态相对定位、准动态相对定位和动态相对定位。

25.观测成果的外业检核内容包括：

成果是否符合调度命令和规范的要求

进行的观测数据质量分析是否符合实际。

第九章GPS测量数据处理

1、基线向量解算模型：

a、数学模型（单基线解，多基线解，整体解）

b、观测值模型（略）

c、所采用差分观测值模型（0差解，单差解，双差解，三差解）

d、模糊度的确定情况（略）

2、基线向量解算过程：

（平差过程）

a、进行初始平差，解算出整周未知参数和基线向量的实数解

b、将整周未知数固定为整数

c、将确定整周未知数作为已知值，仅将待定的测站坐标作为未知参数，进行平差，最终得到固定解。

2.基线向量解算结果分析：

观测值残差分析；基线长度的精度；基线向量环闭合差的计算及检核。

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基线向量网平差的方法

5.GPS基线向量网的平差类型：

一是经典的自由网平差，又叫无约束平差，平差时固定网中某一点的坐标，平差的主要目的是检验网本身的内部符合精度以及基线向量之间有无明显的系统误差和粗差，同时为用GPS大地高与公共点正高（或正常高）联合确定GPS网点的正高（或正常高）提供平差处理后的大地高程数据；二是非自由网平差，又叫约束平关，平差时以国家大地坐标系或地方坐标系的某些点的坐标，边长和方位角为约束条件，顾及GPS网与地面网之间的转换参数进行平差计算；三是GPS网与地面网联合平差，