GPS测量原理与应用总复习总结.docx

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GPS测量原理与应用总复习总结

第一章绪论

1.GPS系统的组成

空间部分（GPS卫星星座）

设计星座：

（21+3）/6

当前星座：

31颗

6个轨道平面，平均轨道高度20200km

地面控制部分（地面监控系统）

一个主控站:

成导航电文传送到注入站;负责监测整个地面监测系统的工作

三个注入站:

将主控站发来的导航电文注入发送到相应卫星

五个监测站:

主要任务：

为主控站提供卫星的观测数据

用户设备部分（GPS接收机、数据处理软件）

天线单元和接收单元

2.GPS卫星的作用

①用L波段无线载波向GPS用户连续不断地发送导航定位信号。

②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GPS用户。

③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。

3.GPS系统的特点

（1）定位精度高

•GPS相对定位精度在50km以内可达10-6,100～500km可达10-7,1OOOkm以上可达10-9。

•工程精密定位中，平面位置误差小于1mm

（2）观测时间短

（3）测站间无需通视

（4）可提供三维坐标

（5）操作简便

（6）全天候作业

（7）功能多，应用广

4.GLONASS:

（21＋3）/3

5.GALILEO

（27+3）/3

6.北斗卫星导航系统

6-1系统组成

①空间部分：

（2+1）

地球同步轨道卫星（东经80°~140°和110.5°赤道上空）

②地面控制部分

一个地面中心站:

接收用户终端的应答信号/数据处理/分发给用户

若干监测站:

③用户终端：

北斗导航定位接收机：

基本型/通信型/授时型/指挥型

6-2BDS系统的定位原理

利用两颗地球同步卫星进行双向测距，进行距离交会得到用户的平面位置（高程则由地面数字高程模型得到）

6-3BDS系统的作业流程

地面中心站→卫星1→用户→卫星1→地面中心站→用户

（l）地面中心站连续向北斗卫星发射信号，经卫星接收、放大、变频后再播发给用户；

（2）用户终端接收到卫星信号后注入必要的测站信息，放大变频后再将应答信号播发给两颗北斗导航卫星；

（3）两颗北斗导航卫星收到用户的应答信号后，放大变频，再将信号送往地面中心站；

（4）地面中心站量测出卫星信号的到达时间后，采用距离交会法求得用户的平面位置（用户的高程则是通过地面高程模型获得）；

（5）地面控制中心再通过卫星将计算结果告诉用户

6-4BDS系统的特点

①主动式定位方式（接收卫星信号，且发射应答信号），隐蔽性差

②定位速度慢，用户数量受到一定的限制

用户不能独立进行定位，计算工作必须在地面中心站内完成。

③卫星少、投资小、建成快，用户设备简单

④具备一定的短报文通信能力

6-5系统组成

空间部分（混合星座）

•5颗地球静止轨道卫星

•30颗非静止轨道卫星

27颗中高地球轨道卫星MEO

3个轨道面

3颗倾斜地球同步轨道卫星IGSO

地面控制部分

用户设备部分

6-5系统建立（三步走战略）

第一步：

建设北斗一号系统（也称北斗卫星导航试验系统）

1994年，启动北斗一号系统工程建设

至2003年3颗地球静止轨道卫星

第二步：

建设北斗二号系统

2004年，启动北斗二号系统工程建设；2012年年底，完成14颗卫星

第三步：

建设北斗全球系统

2009年，启动北斗全球系统建设，继承北斗有源服务和无源服务两种技术体制；计划2018年，面向“一带一路”沿线及周边国家提供基本服务；2020年前后，完成35颗卫星发射组网，为全球用户提供服务。

6-6

定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒

第二章坐标系统和时间系统

1.坐标系统类型

地球坐标系－地固系

随同地球自转，点位坐标不会随地球自转而变化；

用于表达地面观测站的位置和处理GPS观测数据。

天球坐标系－空固系

与地球自转无关，用于描述卫星的运行位置和状态。

轨道坐标系统

用于研究卫星在其运行轨道上的运动

2.时间系统类型

§恒星时ST（SiderealTime）

§平太阳时MT（MeanSolarTime）

§世界时UT（UniversalTime）

§原子时AT（AtomicTime）

§谐调世界时UTC（CoordinatedUniversalTime）

§GPS时间系统（GPST）

3.天球坐标系的定义：

假设地球为均质的球体，且没有其它天体摄动力的影响；即假定地球的自转轴，在空间的方向是固定的，春分点在天球上的位置保持不变。

天球空间直角坐标系

坐标原点位于地球质心

Z轴指向天球北极

x轴指向春分点

y轴垂直于xMz平面，与x轴和z轴构成右手坐标系统

天球球面坐标系

系统定义

坐标原点位于地球质心

向径长度r

赤经α

赤纬δ

点的坐标表示（r，α，δ）

4．岁差章动

在日、月引力的影响下，使北天极绕北黄极以顺时针的方向缓慢地旋转，在天球上北天极的运动轨迹，近似地构成一个以北黄极为中心，以黄赤交角为半径的小圆，这种现象称为岁差。

瞬时平北天极（简称平北天极）/平北天极相应的天球赤道/春分点：

按照岁差的变化规律在天球上运动的改正后

瞬时北天极（或真北天极）：

观测时的北天极

在日、月引力等因素的影响下，瞬时北天极绕瞬时平北天极产生旋转，大致成椭圆形轨迹，周期约为18.6年。

这种现象称为章动

5.瞬时极天球坐标系（真天球坐标系）

“以瞬时北天极和瞬时春分点为基准点建立的天球坐标系”

原点位于地球质心

z轴指向瞬时地球自转轴（瞬时北天极）

x轴指向瞬时春分点

y轴按构成右手坐标系取向

6.历元平天球坐标系：

选择某一历元时刻t，以此瞬间的地球自转轴和春分点方向分别扣除此瞬间的章动值作为z轴和x轴的指向，y轴按构成右手坐标系取向，坐标系原点仍取地球质心。

7.协议天球坐标系：

以标准历元t0（J2000.0）所定义的平天球坐标系。

8.地极移动

1、概念

地球自转轴相对地球体的位置是变化的，从而地极点在地球表面上的位置，也是随时间而变化的。

2、瞬时地球自转轴

“观测瞬间地球自转轴的位置”

3、瞬时极

“和瞬时地球自转轴相对应的极点”

9.瞬时极地球坐标系

p原点位于地球质心

pz轴指向瞬时地球自转轴方向

px轴指向瞬时赤道面和包含瞬时地球自转轴与平均天文台赤道参考点的子午面之交点

py轴构成右手坐标系取向

10.国际协议原点CIO（ConventionalInternationalOrigin）

以1900.00～1905.00年地球自转轴瞬时位置的平均位置作为地球的固定极，称为CIO。

协议地极CTP

CTS（协议地球坐标系）

原点位于地球质心

z轴指向CIO

x轴指向协议地球赤道面和包含CIO与平均天文台赤道参考点的子午面之交点

y轴构成右手坐标系取向。

11.站心地平坐标系--Pxyz

站心（左手）地平直角坐标系

测站P1为原点

P1点的法线为z轴（指向天顶为正）

子午线方向为x轴（向北为正）

y轴与x、z轴垂直（向东为正），构成左手坐标系

站心地平极坐标系--PrAh

以测站P1为原点

卫星s至P1的距离r

卫星s的方位角A

卫星s的高度角h

WGS-84世界大地坐标系：

地心地固系ECEF

协议地球坐标系CTS

12.一、时间系统的定义

要素：

（1）原点

（2）时间尺度（时间单位）

13.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；对于同一历元时刻，有真春分点和平春分点之分。

因此恒星时就有真恒星时和平恒星时（岁差引起的）/地方性

13.太阳时（SolarTime）

以太阳为参考点，由太阳的周日视运动来测定地球的自转周期并建立的时间计量系统

以平太阳（假设以真太阳周年运动的平均速度在天球赤道上作周年视运动的一个参考点，其周期与真太阳一致）为参考点，由平太阳的周日视运动所定义的时间系统

/地方性、不均匀性

14.世界时UT

以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时

世界时UT1：

引入极移改正

世界时UT2：

引入地球自转速度季节性改正

15.原子时ATI

原子时秒长被定义为铯原子Cs133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

起算原点：

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）

第三章

1.二体问题下的卫星运动就是无摄运动，即只考虑地球质心引力作用的卫星运动。

2.卫星星历：

描述卫星运动轨道信息的一组数据

3.在二体问题的研究中，通常选用6长半径

、偏心率

、真近点角V（揭示示了卫星在轨道位置）、升交点赤经、轨道倾角i（揭示了地球与轨道关系）、近地点角距w（开普勒椭圆在轨道平面的定向）6参数来描述卫星的无摄运动

4.轨道直角坐标系:

定义一：

坐标原点在地球质

心M

x轴指向近地点A

z轴垂直于轨道平

面向上

y轴在轨道平面上

垂直于x轴构成右

手坐标系

定义二：

坐标原点在地球

质心M

x轴指向升交点N

z轴垂直于轨道平

面向上

y轴在轨道平面上

垂直于x轴构成右

手坐标系

5.瞬时轨道：

即摄动轨道

6.预报星历（广播星历）

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的一组星历数据（1个参考时刻、6个对应参考时刻的开普勒轨道参数、9个反映摄动力影响的轨道摄动改正项参数）

7.参考星历

“相应参考历元的卫星开普勒轨道参数”

8.后处理星历（精密卫星星历）

是一些国家的某些部门（如美国DMA：

DefenseMappingAgency）或某些国际性组织（如IGS：

InternationalGNSSServiceforGeodynamics），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（首先推求参考轨道参数，然后以此为基础，加入轨道摄动改正）而计算的卫星星历。

精密星历不是通过GNSS卫星的导航电文实时地向用户传递，目前主要是利用Internet网络方式

9.偏近点角

10.平近点角

M=M0+w（t-t0）

Mo是to时刻近地点处平近点角

11.

第四章

1.GPS卫星信号的构成：

用于导航定位的“调制波”，包含三种信号分量：

p

载波：

L1、L2、L5

测距码（C/A码和P码）

数据码（导航电文或D码）

码或码序列：

表达不同信息的二进制数及其组合。

•码元：

在二进制中，一位二进制数叫做一个码元或一比特（Binarydigit－bit，为码的度量单位）

•编码：

将各种信息，如声音、图像和文字等通过量化，并按照某种预定的规则，表示为二进制数的组合形式，则这一过程称为编码。

•数码率：

在二进制数字化信息的传输中，每秒钟传输的比特数。

单位为bit/s或记为BPS。

2.伪随机噪声码（PseudoRandomNoise）

是一组具有良好的自相关特性、且按照某种确定

的编码规则产生的具有一定周期、容易复制、取

值0和1的二进制码序列。

伪随机噪声码的产生——m序列

当平移的码元数k＝0或整周期平移时，平移前后两码序列的结构相同，其对应的码元均相互对齐，自相关系数R（t）＝1；

GPS接收机就是利用伪随机码的自相关系数R（t）是否等于1？

！

来判断所接收的伪噪声码和机内复制产生的伪噪声码是否达到对齐同步;捕获和识别GPS卫星，解译出该卫星的导航电文，并测定站星距离。

3.C/A码:

C/A码是由两个10级反馈移位寄存器相组合而产生的组合码，称为G码，是一种用于粗测距和捕获GPS卫星信号的伪随机码：

（1）C/A码的码长很短，易于捕获。

又称捕获码。

（2）C/A码的码元宽度较大，测距精度较低，故称为粗码。

4.P码是由两个12级伪随机码PN1（t）和PN2（t）的乘积得到的

特点：

（1）P码的码长很长，不易捕获。

通常是先捕获C/A码，然后根据导航电文所提供的信息（Z计数），进一步捕获P码。

（2）P码的码元宽度仅为C/A码的码元宽度的1/10，测距精度较高，故称为精测码。

（3）根据美国国防部规定，P码是专为军用的。

5.导航电文：

就是包含有关卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、卫星工作状态信息以及由C/A码捕获P码等导航信息的数据码（或D码），是用户用来定位和导航的数据基础。

6.GPS卫星信号的调制

在无线电通信技术中，为了有效地传播信息，将频率较低的信号加载在频率较高的载波上的过程。

GPS卫星的测距码和数据码，是采用调相技术调制到载波上的。

载波L1上调制有C/A码、P（Y）码和数据码；

载波L2上只调制有P（Y）码和数据码，没有C/A码

原理：

当码值取0时，对应的码状态取为+1，码值取1时，对应的码状态取为-1；载波与码状态＋1（码值为0）相乘时，其相位不变，而当载波与码状态一1（码值为1）相乘时，其相位改变180度；当码值从0变为1或从1变为0时，将使载波相位改变180度，从而实现载波的相位调制；

7.GPS卫星信号的解调

GPS卫星信号的调制，使得载波的相位发生了变化。

在GPS定位中，当用户接收机接收到卫星信号后，必须恢复载波的相位，才能进行载波相位测量，这一过程称为解调。

技术方法

（1）.复制码与卫星信号相乘

接收的卫星信号与接收机产生的复制测距码信号，在两种码信号同步的条件下相乘，即可去掉卫星信号中的测距码而恢复原来的载波。

同时，恢复的载波中还含有数据码（导航电文）

（2）平方解调技术

将接收到的卫星信号进行平方，由于码状态为±1的调制码信号，经平方后均为＋1，而＋1对载波相位不产生影响。

因此达到解调的目的。

但是平方解调技术，在解调的过程中，不仅去掉了卫星信号中的测距码，而且同时也去掉了导航电文（数据码D码）。

8.GPS卫星位置的计算

第一种情况：

根据卫星导航电文（广播星历）所提供的轨道参数及其摄动改正，计算GPS卫星的WGS－84坐标。

第二种情况：

根据GPS卫星精密星历，按照一定的方法（如拉格朗日多项式内插的方法），在ITRF参考框架下，得到卫星的瞬时坐标。

以下研究第一种情况：

GPS卫星信号的调制一节PPT上说道：

当码值从0变为1或从1变为0时，将使载波相位改变180度，从而实现载波的相位调制，但是码值从1变为0时码状态不是为+1，相位不改变吗？

1计算卫星运行的平均角速度n

2计算归化时间tk（时间间隔）

3观测时刻t卫星平近点角的计算

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计算卫星在轨道直角坐标系中的坐标

10观测时刻升交点经度Ωk的计算

11计算卫星在地心地固坐标系中的三维空间直角坐标

12计算卫星在站心坐标系p-xyz的站心直角坐标

13计算卫星在站心极坐标系P－rAh的站心极坐标

第五章GPS卫星定位基础

1.GPS卫星定位则是利用后方空间距离交会来确定GPS接收机的3维空间位置。

2.伪距：

根据GPS接收机的码相位测量或载波相位测量，所确定的卫星至测站接收机的观测距离.（由于卫星钟、接收机钟的误差以及卫星信号经过电离层和对流层时的大气延迟影响，实际测出的距离与卫星到接收机的几何距离之间，不可避免地会存在一定差值，故称其为“伪距”。

）

3.码相位观测

测量GPS卫星发射的测距码信号C/A码或P（Y）码，到达用户接收机天线的传播时间，也称为时间延迟测量。

4.测码伪距观测值的观测方程

将站星距离在其近似值处用泰勒级数展开，并

取其一次近似后（线性化）表达式为

：

卫星至接收机的几何距离

：

卫星钟差，卫星钟时间和标准GPS时之间的时间偏差。

：

接收机钟差，接收机钟时间和标准GPS时之间

的时间偏差。

5.载波相位测量

测量GPS卫星发射的载波信号到达用户接收机天线的传播时间

优点：

载波相位测量的精度比码相位测量的精度高

缺点：

整周模糊度问题

周跳问题

6.载波重建：

GPS接收机接收到卫星信号后，在进行载波相位测量以前，首先要进行解调工作，也就是将调制在载波上的测距码和卫星电文去掉，重新获取载波，这一工作称为载波重建。

重建载波的方法

码相关法

平方法

7.载波相位测量的观测量：

GPS接收机Ti所接收到的卫星载波信号与接收机本振参考信号的相位差

然而初始时刻相位由一周以内的相位以及整周组成，在观测过程中能通过连续观测观测到一周以内的相位差及整周差，但是初始初始整周却得不到

故基本观测方程为：

载波相位测量观测值的观测方程：

将站星距离的一次近似表达式得到线性化后的载波相位观测方程：

9.测码伪距和测相伪距观测方程的比较

电离层延迟改正的符号相反

载波相位观测方程中包含整周未知数

10.GPS测量的误差来源

一、与信号传播有关的误差

●电离层折射

●对流层折射

●多路径误差

二、与卫星有关的误差

Ø卫星星历误差

Ø卫星钟误差

Ø相对论效应

三、与接收机有关的误差

✧接收机钟误差

✧接收机的位置误差

✧天线相位中心位置的偏差

四、其他误差

✓地球自转的影响

✓地球潮汐改正

11.电离层改正

电离层：

地球上空距地面高度在50～1000km之间的大气层。

电离层折射误差：

当GPS信号通过电离层时，信号的路径会发生弯曲，传播速度也会发生变化，由此而导致的信号传播路径偏差。

电离层折射对GPS卫星信号的传播影响：

单一频率的正弦波，相速大于光速

多种频率叠加的无线电波称为群波，群速小于光速

测距码是以群波的形式在电离层中传播，测码伪距大于信号传播的真正距离

载波相位测量时，载波以相速度在电离层中传播，测相伪距小于信号传播的真正距离。

码相位滞后，载波相位超前

减弱电离层折射影响的措施

（1）利用双频或多频观测技术

（2）利用电离层改正模型加以修正

模型把白天的电离层延迟看成是余弦波中正的部

分，而把晚上的电离层延迟看成是一个常数。

适用于GPS单频接收机，采用导航电文提供的电离层模型改正参数来进行。

（3）利用同步观测值求差

“利用两台接收机在基线的两端进行同步观测，然后取其观测量之差（差分观测值）进行定位”。

原因：

电离层折射影响的强相关性

适用情况：

短基线（小于20km）

12.对流层折射误差

对流层：

地面向上高度为40km以下的大气底层。

对于GNSS信号来讲，对流层为非弥散性介质。

对流层折射：

卫星信号在通过高度为50km以下的未被电离的中性大气层时所产生的信号延迟。

通常，对流层折射分为：

干分量：

由大气中干燥气体引起的大气折射，占对流层折射的90％

湿分量：

由水汽引起的大气折射，占对流层折

射的10％

对流层折射影响

电磁波在对流层中的传播速度：

小于真空中的光速C，伪距观测值大于几何距离

对流层折射的改正模型

减弱对流层折射改正影响的主要措施

采用对流层模型进行改正，其气象参数在测站直接测定；

引入描述对流层折射影响的附加待估参数，在数据处理中一并求得；

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。

此法求得的对流层折射湿分量的精度可优于lcm。

13.多路径误差

多路径误差：

在GPS测量中，测站周围的反射物所反射的卫星信号（反射波）进入接收机天线，并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。

多路径效应：

由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应。

多路径误差的影响：

消弱多路径误差的方法：

（1）选择合适的站址

（2）选择造型适宜、屏蔽良好的天线

比如：

在天线中设置抑径板或抑径圈

（3）延长观测时间，消弱多路径效应的周期性影响

（4）改善GPS接收机的电路设计

14.卫星星历误差

卫星星历误差：

由星历所给出的卫星在空间的位置与实际位置之差。

处理星历误差的方法

（1）建立自己的卫星跟踪网独立定轨

（2）轨道松弛法（轨道改进法）

“在平差模型中把卫星星历给出的卫星轨道作为初始值，视其改正数为未知参数。

通过平差同时求得测站位置及轨道的改正数”

（3）同步观测值求差法（相对定位）

15.卫星钟误差

卫星钟时间和标准GPS时之间的时间偏差

消除

卫星钟误差消除：

卫星钟差的二阶多项式改正

经改正后的残余误差，可采用在接收机间求一

次差或采用精密卫星钟差等方法来进一步消除掉。

16.相对论效应

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

狭义相对论效应：

卫星钟比静止在地球上同类钟走慢了

广义相对论效应：

卫星钟比地球上同类钟走快了

总的相对论效应：

总的相对论效应使卫星钟比止在地球上的同类钟走快了。

相对论效应的处理方法

①制造卫星钟时，预先把频率降低4.449×10－10f

即厂家在生产卫星时应把频率降为：

10.23MHz×（1-4.449×10－10）=10.22999999545MHz

②相对论效应的残差改正

17.接收机钟误差

接收机钟时间和标准GPS时之间的时间偏差。

改正：

•把每个观测历元的接收机钟差当做一个独立的

未知参数，在数据处理中一并求解。

•将接收机钟差表示为时间的多项式，在平差计

算中以多项式的系数为参数进行估计。

•通过在卫星间求一次差的方法来消除接收机钟

差。

18.接收机的位置误差

接收机天线相位中心相对测站标石中心位置的误差，包括天线的整平和对中误差以及量取天线高误差。

在精密定位中，可采用有强制对中装置的观测墩。

19.天线相位中心位置的偏差

观测时相位中心的瞬时位置与理论上的相位中心位置之间的偏差。

处理方法

•改善天线设计

•利用同步观测值求差。

20.地球自转的影响

当卫星信号传播到观测站时，与地球相固联的

地球坐标系相对卫星信号发射时的瞬时位置已

产生了旋转（绕Z轴），由此引起GPS卫星的坐标变化：

21.地球潮汐改正

固体潮：

在太阳和月球的万有引力作用下，固体地球所产生的周期性的弹性形变。

负荷潮：

在日月引力的作用下，地球上的负荷所发生的周期性变动，使地球产生周期的形变，称为负荷潮汐，例如海潮。

GPS观测量的线性组合

1.用两个频率的同一类型观测进行组合

（1）消电离层组合（Iono_Free）

特点：

消除了电离层延迟的一阶项影响。

（2）电离层残差组合（Geometry_Free）

特点：

与几何距离无关，消除了轨道误差、接收机钟和卫星钟误差、对流层延迟等误差，仅包含电离层影响和整周模糊度。

应用：

电离层研究、探测和修复周跳。

（3）宽巷组合（Widelane）

特点：

具有较长的波长（约为0.86m）和较小的量测噪声。

应用：

周跳探测与修复，初始整周模糊度的确定

（4）窄巷组合（Narrowlane）

特点：

波长较小（约0.107m），模糊度为整数

应用：

整周模糊度的确定

2.用不同类型观测（伪距和相位）进行组合

（1）Melbourne-Wübbena组合

“宽巷相位伪距与窄巷测码伪距的组合”

特点：

①消除了电离层、对流层、接收机和卫