GPS整理.docx

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GPS整理

第一章：

GPS星座：

21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成

⏹轨道面:

6个

⏹长半轴：

26609km

⏹偏心率：

0.008~0.004

⏹轨道面相对赤道面的倾角：

55°

⏹卫星高度：

20200km

⏹卫星运行周期：

11小时58分钟

地面控制部分组成：

一个主控站：

根据各监控站对GPS的观测数据，计算卫星星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中；

五个监控站：

接收卫星信号，监测卫星的工作状态；

三个注入站：

将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中。

⏹控制部分的作用——负责监控全球定位系统的工作：

✓监测卫星是否正常工作，是否沿预定的轨道运行

✓跟踪计算卫星的轨道参数并发送给卫星，由卫星通过导航电文发送给用户

✓保持各颗卫星的时间同步

✓必要时对卫星进行调度

⏹GPS的特点

✓全球性连续覆盖，全天候工作

✓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

第二章：

大地坐标系：

大地坐标系是通过一个辅助面（参考椭球面）定义。

空间直角坐标系：

站心赤道直角坐标系和站心地平直角坐标系。

站心赤道是以测站点作为原点，球心空间直角坐标系平行的直角坐标系，与球心空间直角坐标系具有简单平移关系。

站心地平，以站心作为原点，以测站点的法线为z轴（指向天顶位正）。

以子午线方向为x轴（向北为正），y轴与x、z垂直（向东为正）

WGS84：

类型：

协议地球坐标系，地心地固坐标系（ECEF）

定义:

原点：

地球的质心

椭球（国际大地测量与地球物理联合会第17届年会）

我大地坐标系：

1954年北京坐标系

类型：

参心坐标系

建立：

与苏联1942年普尔科沃坐标系联测

椭球：

克拉索夫斯基椭球

问题：

参考椭球面与我国大地水准面符合不好

1980年国家大地坐标系

类型：

参心坐标系

建立：

进行了我国的天文大地网整体平差，采用新的椭球元素，进行了定位和定向

大地原点：

陕西省泾阳县永乐镇

椭球：

1975年国际大地测量与地球物理联合会第16届年会

2000国家大地坐标系采用的地球椭球参数为：

参考历元为2000.0

原点：

包括海洋和大气的整个地球的质心

长半轴a=6378137m

扁率f=1/298.257222101

GPS：

WGS84

北斗：

CGCS-2000

GLONASS：

前苏联地心坐标系（PE-90）

第三章：

卫星星历：

描述卫星运动轨道的信息（一组对应某一时刻的轨道参数及其变化率）

▪由星历可计算出任一时刻的卫星位置及其速度

▪预报星历（广播星历）

预报星历有16个参数：

开普勒轨道参数6个，轨道摄正改正参数9个，参考时间1个

星历的用途：

卫星位置的计算；广播星历/预报星历包含在卫星向地面发射的导航电文中。

预报星历：

▪以跟踪站已往时间的观测资料推求的参考轨道参数为基础

▪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。

▪通过导航电文传递给用户，每小时更新一次。

▪参考星历：

相应参考历元的开普勒轨道参数。

▪用轨道参数的摄动项对已知的参考星历加以改正，可外推出任意观测历元的卫星星历。

▪C/A码星历：

精度低，民用其星历精度为数十米

▪P码星历：

精度高，军事目的其星历精度为五米左右

▪后处理星历（精密星历）

精密星历是由若干卫星跟踪站的观测数据，经事后处理算得的供卫星精密定位等使用的卫星轨道信息。

▪预报星历精度较低，难以满足精密定位工作的需求。

▪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。

▪观测事后，利用磁盘（卡）或通过电传通信等方式向用户有偿提供

以igu开头的星历文件为超快速精密星历文件；

以igr开头的星历文件为快速精密星历文件；

igs预报精密星历文件

tttwwwwd．sp3d表示星期，0表示星期日，1～6表示星期一至星期六；wwww表示GPS周；1980.1.6为gps周的起始时间。

igs12901．sp3，其中igs为计算单位名，1290为GPS周，1为星期一。

第四章：

GPS信号——卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波

卫星导航电文：

信息以二进制码的形式，按规定格式组成，按帧向外播送，

又叫数据码（D码）。

帧：

网络传输的最小单位。

导航电文包括：

卫星星历；时钟改正；电离层时延改正；工作状态信息；C/A码转换捕获P吗的信息；其它卫星的星历等。

导航电文组成

第1、2、3子帧每30s重复一次，内容每小时更新一次。

第4、5子帧是12.5min播完一次，仅在卫星注入新的导航数据后才得以更新。

遥测码

▪每个子帧的第一个字码

▪作用：

表明卫星注入数据的状态

转换码

▪位于每个子帧的第2个字码

▪作用：

帮助用户从所捕获的C/A码转换到捕获P码

第一数据块：

位于第1子帧的第3~10字码

第一数据块的内容

▪标识码

-载波L2的调制波类型

-星期序号WN（从1980年1月6日子夜零点（UTC）起算的GPS星期数）

-卫星的健康状况

▪参考历元t0e

-从GPS时每星期六/星期日子夜零时开始起算的基准时间

▪数据龄期AODC

-基准时间t0e与最近一次更新星历数据的时间tL之差。

用于评价时钟改正数的可信程度

▪卫星钟改正参数

-表示卫星的钟差、钟速及钟速的变化率

第二数据块

Ø包括第2、3子帧

Ø表示卫星的星历，包括下列三类参数：

（1）开普勒六参数

（2）轨道摄动九参数

（3）时间二参数

第三数据块

▪由第4和第5两个子帧构成

▪提供所有GPS卫星的历书数据，为第一和第二数据块的简略形式

▪用户利用第三数据块提供的其他卫星的数据，不仅能选择合适的卫星构成较理想的空间几何图形，且能够较快捕获所选择的待测卫星

文件名称格式：

[4-char][Dayofyear][Session，固定为0].[yy]n

e.g.brdc0120.02n

调制：

为了有效地传播信息，都是将频率较低的信号加载在频率较高的载波上，此过程称为调制。

就是使一个信号（如光、高频电磁振荡等）的某些参数（如振幅、频率等）按照另一个欲传输的信号（如声音、图像等）的特点变化的过程。

调制的方式：

⏹如果被控制的参数是高频振荡的幅度，则称这种调制方式为幅度调制，简称调幅（幅度调制的特点是载波的频率（波长）始终保持不变，它的振幅却是变化的

）AM

⏹如果被控制的参数是高频振荡的频率，则称这种调制方式为频率调制，简称调频（FM）

⏹如果被控制的参数是高频振荡的相位，则称这种调制方式为相位调制，简称调相

解调：

解调是调制的逆过程，它的作用是从已调波信号中取出原来的调制信号。

⏹为了进行载波相位测量，用户接收机收到卫星信号后，通过解调来恢复载波的相位。

⏹主要方法：

-复制码（结构与测距码完全相同）与卫星信号相乘

-平方解调技术

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，这一项工作称为重建载波。

重建载波一般可采用两种方法：

一种是码相关法，另一种是平方法。

（将非连续的载波信号恢复成连续的载波信号。

）

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。

卫星的测距码和数据码采用调相技术调制到载波上

▪包括：

1、为了提供卫星的瞬时位置——导航电文/数据码/D码

2、为了保密通信，提高信号的抗干扰能力；以及不同的卫星的区分选择和精密测距——伪随机码测距码：

C/A码，P码

3、为了信号的传播——将扩频后的编码脉冲对L波段的两个载波进行调制后发射载波：

L1（1575.42MHZ），L2（1227.6MHZ）

v时钟基本频率为fo=10.23MHz。

载波分类：

使用L1（1575.42MHZ）1.9cm与L2（1227.6MHZ）2.4cm载波

使用L波段的优点：

⏹减少拥挤，避免“撞车”

-频率占用率低

⏹适应扩频，传送宽带信号

⏹卫星高轨运行能获较大的多普勒频移

-有利于测量用户的行驶速度

⏹大气衰减小，有益于研制用户设备

选择这两个载波的目的：

在于测量出或消除掉由于电离层效应而引起的延迟误差。

测距码：

C/A码：

长度周期较短，易于搜索和捕获，码元宽度为293m

P码：

周期长，码率高，不易于捕获，易于保密，难于破译（如AS政策），码元：

29.3m

第五章：

GPS定位：

定位至少需要4颗卫星（伪距定位、载波相位定位）。

四个未知数：

X，Y，Z三个坐标、接收机种差

整周模糊度：

通过多历元、相位线性组合获取：

双频接收机相位

卫星钟差（导航电文*.clk中包含，钟差文件）

伪距测量：

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。

由于各种误差的存在，与卫星到测站的实际几何距离有一定差值。

▪两种测量值：

-C／A码伪距

-P码伪距

伪距法定位：

由GPS接收机在某一时刻测出到达四颗以上GPS卫星的伪距以及已知的卫星位置，采用测距交会的方法求定接收机天线所在点的三维坐标。

伪距测量的特点：

Ø适用于导航和低精度测量（P码定位误差约为10m，C/A码定位误差为20～30m）；

Ø定位速度快；

Ø可作为载波相位测量中解决整波数不确定问题（模糊度）的辅助资料。

载波相位测量：

GPS接收机所接收的卫星载波信号与接收机本地参考信号的相位差。

载波相位定位p61

初始t0时刻，小于一周的相位差为0，其整周数为

，则此时的相位观测值为：

首次观测：

0

以后的观测：

整周数变化量：

连续观测的整周数变化情况。

整周模糊度=整周未知数，如何确定？

载波相位测量的特点：

⏹优点

–精度高，测距精度可达0.1mm量级（对C/A码而言精度3m左右，P码约为30cm）

–

难点

–整周未知数问题

–整周技术问题

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，或受无线信号干扰造成失锁。

这样，计数器无法继续计数。

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乃正确。

这种现象称为整周跳变（周跳）。

原因：

卫星信号被障碍物挡住而暂时中断；

受无线信号干扰造成失锁。

整周跳变的修复方法：

1.屏幕扫描法

2.用高次差或多项式拟合法

3.在卫星间求差法

4.用双频观测值修复周跳

5.根据平差后的残差发现和修复整周跳变

绝对定位（单点定位）：

即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。

应用测距交会的原理，利用三颗以上卫星的已知空间位置交会出地面未知点（用户接收机）的在WGS-84坐标系中的位置。

载波相位测量较难应用于动态绝对定位中的原因：

•载体在运动过程中，要保持对所测相同卫星的连续跟踪，技术上有一定困难

•动态解算整周未知数的方法，其应用尚有一定的局限

精度评价：

精度因子（DOP，dilutionofprecision）：

伪距解算时权系数阵中主对角线元素的函数

▪平面位置精度因子HDOP

▪高程精度因子VDOP

▪空间位置精度因子PDOP

▪接收机钟差精度因子TDOP

▪几何精度因子GDOP（=（PDOP2+TDOP2）1/2）

▪精度因子的值与所测卫星的几何分布有关

▪几何精度因子与测站与4颗观测卫星所构成的六面体的体积成反比，即

GDOP1/V

▪一般地，六面体体积越大，GDOP值越小

相对定位：

用两台GPS接收机分别安置在基线的两端，同步观测相同的GPS卫星，以确定两台接收机天线之间的相对位置（坐标差）。

GPS相对定位—特点：

▪可以消除许多相同或相近的误差，定位精度高

▪广泛应用于大地测量、精密工程测量、地球动力学的研究和精密导航

GPS相对定位—方法：

求一次、二次、三次差的目的：

▪对两个或多个观测站同步观测相同卫星的观测值求差，可有效地消除或减弱各种误差的影响。

▪可在接收机间、卫星间、不同历元间求差

站间差分：

▪站间差分–同步观测值在接收机间求差。

▪作用：

可消除卫星钟差，卫星星历误差、削弱电离层、对流层折射影响。

星间差分：

▪星间差分–同步观测值在卫星间求差。

▪作用：

可消除接收机钟差。

历元间差分：

▪历元间差分–同步观测值在间历元求差。

▪作用：

可消去整周未知数参数。

差分观测值的组合：

•单差：

站间差分

•双差：

站间、星间二次差

•三差：

站间、星间、历元间三差

美国GPS政策：

SA和AS政策：

SA（SelectiveAvailability）技术：

有选择可用性技术，人为地将误差引入卫星钟和卫星数据中，降低GPS定位精度。

v主要内容：

▪对卫星基准频率使用δ技术，降低星历精度；

▪在卫星钟的钟频信号中加高频抖动（ε技术）

AS（Anti-Spoofing）技术：

反电子欺骗技术，将P码与保密的W码相加成Y码，Y码严格保密。

v目的：

防止敌方使用P码进行精密导航定位。

SA和AS技术对定位的影响：

▪降低单点定位精度

▪降低长距离相对定位精度

▪AS技术给确定整周未知数带来不便

差分GPS原理：

至少需两台接收机，分别在运动载体和基准站上。

两台接收机同步观测一组卫星，基准接收机为动态接收机提供差分改正数（DGPS数据），动态接收机根据自己的观测值和差分改正数，精确解算用户的三维坐标。

▪差分GPS技术可以消除的误差

差分GPS分类：

按数据处理方式：

▪实时DGPS测量

▪后处理DGPS测量

如：

GPS航空摄影测量技术

单基准站差分、具有多个基准站的局部区域差分、广域差分。

差分改正数：

1、多台接收机公有的误差，如：

卫星钟误差、星历误差；

2、传播延迟误差，如：

电离层误差、对流层误差；

3、接收机固有的误差，如：

内部噪声、通道延迟、多路径效应。

单基准站GPS差分：

位置差分、伪距差分、载波相位差分

位置差分：

▪计算基准站的精密坐标与观测坐标的改正数；

▪基准站发送坐标改正数，用户接收机接收其并对自身观测值进行修正。

特点：

Ø优点：

-消去了基准站和用户站共同的误差

-基准接收机只需向动态用户发送三个DGPS数据，易于实施数据传输

-计算简单，适用于各种型号接收机。

Ø缺点：

-基准站与用户须观测同一组卫星，距离较长（<100km）时难以满足。

-随着站间距离的加长，动态用户的位置测量精度逐渐降低

伪距差分：

▪根据基准站精确坐标和测出的卫星地心坐标，求出卫星至基准站的真正距离，计算伪距改正数及其变化率；

▪用户根据伪距改正数及其变化率求出改正后的伪距，计算用户接收机坐标。

伪距差分定位精度高的原因：

▪消除了GPS卫星时钟偏差的精度损失（用户接收机计算出的伪距同伪距改正数中的钟差相互抵消）

▪能够显著减小甚至消除电离层/对流层效应和星历误差的精度损失

Ø优点：

基准接收机发送的DGPS数据，是所有在视卫星的伪距改正数，动态接收机只需选用其中4颗以上的伪距改正值。

Ø缺点：

精度随基准站到用户的距离增加而降低。

载波相位差分：

▪RTK（RealTimeKinematic）技术

▪实时处理两个观测站载波相位观测量的差分方法。

载波相位差分方法分类：

Ø修正法（准RTK）：

将基准接收机的载波相位修正值发送给用户，改正用户接收到的载波相位，再解求坐标

Ø差分法（真RTK）：

将基准接收机的载波相位发送给用户，进行求差解算坐标

大题：

网络RTK技术：

RTK（RealTimeKinematic）技术是GPS实时动态定位的简称

多基准站RTK技术也叫做网络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。

多基准站RTK技术的基础是建立多个GPS基准站，即建立多个基准站连续运行卫星定位导航服务系统（ContinuousOperationReferenceStations，CORS）。

目前多基准站RTK系统差分改正信息生成的方式有两种。

一种是虚拟参考站技术，即VRS（VirtualReferenceStations）；另一种是区域改正数技术FKP，即AreaCorrectionParameter。

VRS技术：

其工作原理是在某一大区域（或某个城市）内，建立若干个（3个以上）连续运行的GPS基准站；根据这些GPS基准站的观测值（由于GPS基准站有长时间的观测，故点位坐标精度很高），建立区域内GPS主要误差模型（如电离层、对流层、卫星轨道等误差模型）；系统运行时将这些误差从基准站的观测值中减去，形成“无误差”的观测值；一旦接收到移动站的一个概略坐标，控制中心根据用户位置，由计算机自动选择最佳的一组固定基准站，根据这些站发来的信息，整体的改正GPS的各种误差，将高精度的差分信号发给移动站。

这个差分信号的效果相当于在移动站旁边，生成一个虚拟参考基站。

移动站与虚拟参考站进行载波相位差分改正，实现实时RTK。

虚拟参考站系统组成：

1、控制中心；2、固定站；3、用户

VRS与普通广域差分系统的区别：

Ø普通广域差分系统：

各基准站将各种误差改正数发送给移动用户

ØVRS：

各基准站不直接向移动用户发送DGPS数据，而是将其发送到控制中心，后者依据用户的实时请求，经过选择和计算，向用户发送DGPS数据

VRS相对普通RTK的优势：

1、覆盖范围广；2、费用将大幅度降低；3、相对传统RTK，提高了精度；4、可靠性提高；5、应用范围更广

FKP技术：

其工作原理是在某一大区域（或某一城市）内，建立若干个（三个以上）连续运行的GPS基准站；各基准站将每一个观测瞬间所采集的未经差分处理的同步观测值，实时地传输到控制中心站；经控制中心站实时处理，产生一个FKP误差改正数，然后通过RTCM发送给区域内的各移动站；移动站将自身的观测值和FKP误差改正数经有效组合，完成实时RTK。

第六章：

GPS授时：

▪每颗卫星上装有四台原子钟

▪GPS时间受到美国海军天文台（USNO）的监测

▪地面主控站能以优于5ns的精度，使GPS时间和世界协调时UTC之差保持在1s以内

▪GPS卫星向用户播发自己的钟差、钟速和钟漂等参数

GPS定时的目的：

▪测定用户时钟相对于GPS时间的偏差，并依据导航电文，计算出协调世界时UTC。

一站单机定时法：

▪在一个已知位置测站上，用一台GPS接收机观测一颗GPS卫星，测定用户时钟的偏差。

共视比对定时法：

▪在两个测站上各安设一台GPS接收机，在相同的时间内，观测同一颗GPS卫星，测定用户时钟偏差。

GPS姿态：

GPS干涉仪载体姿态测量：

Ø组成：

两副天线和一台GPS接收机

Ø通过测量多颗卫星在两个天线上的载波相位差，解得天线组成的基线矢量。

Ø由三个线性无关的干涉仪可测得载体的三个姿态角（三维方向）。

第七章：

GPS测量的误差源分类：

误差主要来源于GPS卫星、卫星信号的传播过程和地面接收设备。

按误差来源分类：

1、卫星部分：

星历误差、卫星钟误差、相对论效应对距离测量的影响1.5~15m

2、信号传播：

电离层折射、对流层折射、多路径效应1.5~15m

3、信号接收：

接收机钟的误差、位置误差、天线相位中心变化、各通道间的信号延迟的误差1.5~5m

4、其他影响：

地球潮汐、负荷潮1m

按误差性质可分为：

系统误差和偶然误差

偶然误差主要包括信号的多路径效应；

系统误差主要包括卫星的星历误差、卫星钟差、接收机钟差以及大气折射的误差等。

系统误差的误差大小、对定位结果的危害都比偶然误差大，因此系统误差是GPS误差的主要误差源。

dion：

电离层延迟；f：

频率；

：

TEC（总电子含量）

电离层改正的大小主要取决于电子总量和信号频率。

多路径误差：

GPS接收机天线接收到的信号：

▪直接波：

由卫星发射天线相位中心直接到达接收天线相位中心

▪间接波：

地面反射波

星体反射波

介质散射波

多路径效应——被测站附近的反射物体所反射的信号（反射波）和直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏离正确的值。

（原因）

多路径效应是GPS测量中一种重要的误差源，目前无法较好的解决消除。

多路径误差：

▪GPS信号接收机所观测的GPS信号，是直接波和间接波合成的合成波

▪多路径误差：

间接波对直接波的破坏性干涉而引起的站星距离误差，原因

▪多路径误差的大小取决于间接波的强弱和用户接收天线抗御间接波的能力

减弱多路径误差的措施：

（1）选择合适的站址

✓测站应远离大面积平静的水面

✓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

✓在天线中设置抑径板或抑径圈

✓接收天线对于极化特性不同的反射信号应该有较强的抑制作用

（3）适当延长观测时间，削弱多路径效应的周期性影响

（4）改善GPS接收机的电路设计

相对论效应：

▪含义：

由于卫星钟和接收机钟所处的状态（速度和重力位）不同而引起二者之间产生相对钟误差的现象。

根据狭义相对论：

表明卫星钟比在地球上静止的同类钟走的慢

根据广义相对论，在空间强引力场中的振荡信号，其波长大于在地球上用同一方式所产生的振荡信号波长

卫星时钟频率比放置在地面上时增大（即变快）

解决相对论效应的办法：

▪制造卫星时钟时预先把频率降低为

▪卫星标准频率为10.23MHz，所以频率应降为：

▪10.23MHz（1-4.44910-10）

▪=10.22999999545MHz

相对论效应误差：

▪GPS卫星轨道是一个椭圆，轨道上各点的运行速度各不相同。

所以，相对论效应频率补偿就不是一个常数

▪频率补偿残差称为相对论效应误差

第八章：

a：

GPS接收机标称精度中的固定误差（mm）；

b：

GPS接收机标称精度中的比例误差系数（ppm，partpermillion,百万分之一）

a+b

如

：

5mm是固有误差，每公里误差1mm。