GPS要点09级教学文稿.doc

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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。GPS要点09级-第一章子午卫星系统及其局限性简介：又叫海军导航卫星系统，由于其卫星轨道为极地轨道，故也称为子午卫星系统。利用多普勒效应进行导航定位，也被称为多普勒定位系统。美国研制、建立1958年12月在克什纳博士的领导下开始研究1964年1月建成1967年7月解密供民用系统参数：卫星数：6颗轨道数：6个轨道夹角：30轨道倾角：90卫星高度：1075km运行周期：107min载波频率：400、150MHz局限性：一次定位所需时间过长不是连续的、独立的卫星导航系统效率低、精度低GPS在各个领域中的应用：

2、GPS在军事中的应用（士兵配备GPS，GPS导航的导弹），GPS在交通运输业中的应用（航运、航空搜索，陆路交通如车辆导航、监控，船舶远洋导航和进港引水），GPS在测量中的应用（建立和维持全球性的参考框架，板块运动和监测，建立各级国家平面控制网，布设城市控制网、工程测量控制网，进行各种工程测量，在航空摄影测量、地籍测量、海洋测量中的应用，GPS在其他领域中的应用（精细农业，遥感，卫星定轨，资源勘探，GPS气象学，个人旅游及野外探险，电力、广播、电视、通讯等网络的时间同步、时间传递）其他卫星导航定位系统GLONASS(开发者：俄罗斯(前苏联)。系统构成：卫星星座、地面控制部分、用户设备。卫星数：2

3、4颗。轨道数：3个。轨道倾角：64.8。高度：19390km。运行周期：11h15min44s)伽利略卫星导航定位系统（2002年3月欧盟决定研制组建自己的民用卫星导航定位系统Galileo系统Galileo卫星星座将由27颗工作卫星和3颗备用卫星组成，这30颗卫星将均匀分布在3个轨道平面上，卫星高度为23616km，轨道倾角为56Galileo系统是一种多功能的卫星导航定位系统，具有公开服务、安全服务、商业服务和政府服务等功能，但只有前两种服务是自由公开的，后两种服务则需经过批准后才能使用）北斗卫星导航系统（我国自行研制。系统是由空间卫星、地面控制中心站和北斗用户终端三部分构成。空间部分包括

4、23颗地球同步轨道卫星。用户终端分为：定位、通信终端；差分、校时终端；集团用户管理站终端）北斗二代（系统构成:卫星星座、地面控制部分、用户设备。卫星数:30颗（3颗备用）。轨道数:3个。轨道倾角:55。定位精度：7.5m。2012年左右覆盖亚太地区，2020年左右覆盖全球）北斗卫星导航系统与GPS、GLONASS、Galileo等国外的卫星导航系统相比：BD1有自己的优点：如投资少，组建快；具有通信功能；捕获信号快等。但也存在着明显的不足和差距：如用户隐蔽性差；无测高和测速功能；用户数量受限制；用户的设备体积大、重量重、能耗大等。第二章全球定位系统空间部分6个轨道面平均轨道高度20200km轨

5、道倾角55设计星座：21+3周期11h58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次）保证在每天24小时的任何时刻，在高度角15以上，能够同时观测到4颗以上卫星GPS卫星作用：接收、存储导航电文生成用于导航定位的信号（测距码、载波）发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文）接受地面指令，进行相应操作其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。主要设备：太阳能电池板原子钟（2台铯钟、2台铷钟）信号生成与发射装置GPS的地面监控部分组成（四个部分）主控站1个：作用：管理、协调地面监控系统各部分的工作；收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站将卫星星历注

6、入卫星；监控卫星状态，向卫星发送控制指令；卫星维护与异常情况的处理。地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地。监测站5个：作用：接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站。地点：夏威夷、主控站及三个注入站。注入站3个：作用：将导航电文注入GPS卫星。地点：阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）通讯与辅助系统若干。GPS的用户部分组成（用户、接收设备：GPS信号接收机、其它仪器设备）GPS信号接收机（组成天线单元收天线、前置放大器接收单元信号通道存储器、微处理器、输入输出设备、电源分类根据用途：导航型接收机、测量型接收机、授时接收机。根据接收频率：单频率接收机、

7、双频接收机）载波类型：目前L1频率：154f0=1575.43MHz；波长19.03cmL2频率：120f0=1227.60MHz；波长24.42cm现代化后增加L5频率：115f0=1176.45MHz；波长25.48cm作用：搭载其它调制信号、测距、测定多普勒频移。特点：所选择的频率有利于测定多普勒频移；所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响；选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟（电离层折射延迟于信号的频率有关）载波相位测量：优点（精度高，测距精度可达0.20.3mm量级）难点（载波的重建、整周未知数问题、整周跳变问题）重建载波定义：将测距码和导航电文去掉，把非连续的载波

8、信号恢复成连续的载波信号。方法：码相关法（优点:同时获得载波、伪距观测值和导航电文；可获得全波长的载波；信号的信躁比较好。缺点:必须知道调制码的结构；无法恢复L2载波。）平方法（优点:无需知道码的结构；可以恢复L2载波。缺点:无法获得伪距观测值和导航电文；恢复的是半波长的载波，模糊度更难确定；信号的信躁比差；增加了数据处理的困难。）互相关（交叉相关）（定义：在不同频率的调制信号（卫星信号）进行相关处理，获取两个频率间的伪距差和相位差。优点:可获得双频伪距观测值；可获得全波长的L1和L2载波；可获得卫星导航电文。缺点:信躁比较差，但比平方法高。）Z跟踪技术（定义：将接收机复制的P码在1个W码元宽

9、度内与卫星信号（Y码）进行相关处理。优点:无需了解Y码结构，可测定双频伪距观测值；可获得卫星导航电文；可获得全波长的L1和L2载波；信号质量较平方法和互相关法好。）测距码作用：测距性质：为伪随机噪声码（PRNPseudoRandomNoise）；不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为0或1/n（n为码元数）；对齐的同一组码间的相关系数为1。类型：目前C/A码（Coarse/AcquisitionCode）粗码/捕获码；P（Y）码（PreciseCode）精码。现代化后在L2上调制C/A码；在L1和L2增加调制M码。C、P码差异（精度不同，C码300，P码30）利用测距码测定伪距的原因：

10、易于捕获微弱的卫星信号（20W、20000km）可提高测距精度和可靠性（1/100码元）采用的是CDMA（码分多址）技术便于对系统进行控制和管理（如AS）第三章GPS测量误差的分类与卫星有关的误差：卫星星历误差、卫星钟差、相对论效应与传播途径有关的误差：电离层延迟、对流层延迟、多路径效应与接收设备有关的误差：接收机天线相位中心的偏移、接收机钟差、接收机内部噪声消除或减弱各种误差影响的方法模型改正法（原理和方法：对误差的特性、机制及产生原因有较深刻了解，能建立理论或经验公式。利用模型计算出误差影响的大小，直接对观测值进行修正。所针对的误差源：电离层延迟对流层延迟卫星钟差缺点：有些误差难以模型化）

11、求差法（原理和方法：误差具有较强的空间、时间或其它类型的相关性，通过观测值间一定方式的相互求差，消去或消弱观测值中所包含的相同或相似的误差影响。所针对的误差源：电离层延迟对流层延迟卫星轨道误差缺点：空间相关性将随着测站间距离的增加而减弱）参数法（原理和方法：把误差大小作为参数，在定位过程中求解出来。所针对的误差源：几乎适用于任何的情况缺点：不能同时将所有误差均作为参数来估计）回避法（原理和方法：对误差产生的条件及原因有所了解，选择合适的观测地点，避开易产生误差的环境；采用特殊的硬件设备，消除或减弱误差的影响。所针对的误差源：电磁波干扰多路径效应缺点：无法完全避免误差的影响，具有一定的盲目性）钟

12、误差1)卫星钟差分类：物理同步误差（由GPS卫星上的卫星钟直接给出的时间与标准GPS时间之差。）数学同步误差（经多项式改正后的卫星钟时间与标准GPS时间之差。）消除方法：模型改正、采用IGS精密卫星钟差、相对定位或差分定位。2)接收机钟差（定义：接收机钟与理想的GPS时之间存在的偏差和漂移。应对方法：作为未知数处理、相对定位或差分定位）卫星星历误差定义：由星历所给出的卫星在空间中的位置与其实际位置之差。星历类型:广播星历(由GPS的地面控制部分所确定和提供的，经GPS卫星向全球所有用户公开播发的一种预报星历。)精密星历(为满足大地测量、地球动力学研究等精密应用领域的需要而研制、生产的一种高精度

13、的事后星历。)消除或削弱星历误差的方法:采用精密星历;采用相对定位或差分定位。多路径误差多路径误差：在GPS测量中，被测站附近的物体所反射的卫星信号（反射波）被接收机天线所接收，与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“多路径误差”。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称为多路径效应。多路径误差的特点：与测站环境有关；与反射体性质有关；与接收机结构、性能有关。应对多路径误差的方法：选择合适的测站，避开易产生多路径的环境；采用抗多路径误差的仪器设备（抗多路径的天线：带抑径板或抑径圈的天线。抗多路径的接收机：特定技术等）；延长观测时间；数据处理上（加权

14、、参数法、滤波法、信号分析法。）差分观测值（消除误差最有效的方式）1）差分观测值的定义：将相同频率的GPS观测值依据某种方式求差所得到的组合观测值（虚拟观测值）。2）差分观测值的特点：可以消去某些多余参数，或将某些对确定待定参数有较大负面影响的因素消去或消弱其影响。3）差分观测值的缺陷：数据利用率低,只有同步数据才能进行差分；引入基线矢量替代了位置矢量；差分观测值间具有了相关性，使处理问题复杂化；某些参数差分观测值中被消除无法求出。4）差分观测值的分类：按差分方式可分为（站间差分定义是同步观测值在接收机间求差。特点是消除了卫星钟差的影响；削弱了电离层折射的影响；削弱了对流层折射的影响；削弱了卫

15、星轨道误差的影响。；星间差分定义为同步观测值在卫星间求差，特点是消除了接收机钟差的影响。；历元间差分定义是观测值在历元间求差，特点是消去了整周未知数，削弱了卫星钟差的影响。）按差分次数可分为（单差站间一次差分；双差站间、星间各求一次差；三差站间、星间和历元间各求一次差。）什么是单差,双差和三差单差:将直接观测值相减的过程为单差.双差:载波相位测量的一次差继续求差,所获得结果可被当作虚拟观测值称为载波相位观测值的双差.1 三次差:二次差继续求差称为求三次差.站间差分：定义：同步观测值在接收机间求差。特点：消除了卫星钟差的影响；削弱了电离层折射的影响；削弱了对流层折射的影响；削弱了卫星轨道误差的影

16、响。第四章同类型不同频率观测值的线性组合组合标准：尽量保证组合后观测值模糊度的整数特性；组合后观测值具有适当的波长；组合后观测值不受或基本不受电离层折射的影响；组合观测值应具有较小的测量噪声。常用的线性组合：宽巷观测值（特点：利于求解模糊度,测量噪声大）；无电离层折射观测值。不同类型观测值的线性组合不同类型双频观测值间的线性组合；不同类型单频观测值间的线性组合。整周跳变周跳定义：在某一特定时刻的载波相位观测值为:Q=N0+Int(Q)+Fr(Q)如果在观测过程接收机保持对卫星信号的连续跟踪，则整周模糊度N0将保持不变，整周计数Int(Q)也将保持连续，但当由于某种原因使接收机无法保持对卫星信号

17、的连续跟踪时，在卫星信号重新被锁定后，N0将发生变化，而Int(Q)也不会与前面的值保持连续，这一现象称为整周跳变。产生周跳的原因：信号被遮挡，导致卫星信号无法被跟踪；仪器故障，导致差频信号无法产生；卫星信号信噪比过低，导致整周计数错误；接收机在高速动态的环境下进行观测，导致接收机无法正确跟踪卫星信号；卫星瞬时故障，无法产生信号。周跳的特点：只影响整周计数周跳为波长的整数倍；将影响从周跳发生时刻（历元）之后的所有观测值。周跳的探测、修复方法1）屏幕扫描法方法：人工在屏幕上观察观测值曲线的变化是否连续。特点：费时、只能发现大周跳，由于原始的载波观测值变化很快，通常观察的是某种观测值的组合。2）高

18、次差法原理：由于卫星和接收机间的距离在不断变化，因而载波相位测量的观测值N0+Int(Q)+Fr(Q)也随时间在不断变化。但这种变化应是有规律的，平滑的。周跳将破坏这种规律性。对于GPS卫星而言，当求至四次差时，其值已趋向于零。残留的四次差主要是由接收机的钟误差等因素引起的。高次差法的问题：接收机钟差对此方法有效性的影响；即使发现相位观测值中存在数周的不规则变化，也很难判断是否存在周跳；克服接收机钟差影响的方法卫星间求差；所以双差观测值被广泛采用。3）多项式拟合法原理：为了便于用计算机计算，常采用多项式拟合的方法。即根据n个相位测量观测值拟合一个n阶多项式，据此多项式来预估下一个观测值并与实测

19、值比较，从而来发现周跳并修正整周计数。这种方法实质上和上面介绍的高次差法是相像的，但便于计算。多项式拟合法的应用特点：由于四次差或五次差一般巳呈偶然误差特性，无法再用函数来加以拟合，所以用多项式拟合时通常也只需取至4-5阶即可。观测值可以是真正的（非差）相位观测值，也可以是经线性组合后的虚拟观测值：单差观测值和双差观测值。4）电离层残差法特点：最有效的探测周跳的方法。5）残差法方法：根据平差后的残差，进行周跳的探测与修复。特点：可以发现小周跳。整周模糊度的确定1)定义：整周模糊度又称整周未知数，是在全球定位系统技术的载波相位测量时，载波相位与基准相位之间相位差的首观测值所对应的整周未知数。正确

20、地确定它，是全球定位系统载波相位测量中非常重要且必须解决的问题之一。2)确定方法：静态相对定位中常用的几种方法（取整法、置信区间法、模糊函数法）；快速定位中常用的方法（快速定位：走走停停、快速静态。确定整周未知数的方法：已知基线法、交换天线法、快速模糊度解算法）；2 动态定位中常用的方法（初始化法、实时解算模糊度的方法）GPS测量定位方法分类按定位模式（绝对定位又叫单点定位、相对定位、差分定位）按定位时接收机天线的运动状态（静态定位：天线相对于地球坐标系静止。动态定位：天线按相对于地球坐标系运动）按获得定位结果的时效（事后定位、实时定位）按观测值类型（伪距测量、载波相位测量）GPS单点定位定义

21、：指根据卫星星历以及单台GPS接收机观测值来确定测站点在WGS84坐标系中绝对坐标的方法，也称为绝对定位。优点：一台接收机单独定位，观测简单，可瞬时定位缺点：精度主要受系统性偏差的影响，定位精度低应用领域：低精度导航、资源普查、军事、.几何原理：观测一颗卫星（测站位于以卫星位置为球心，站星距离为半径的球面上。）；观测两颗卫星(做两个球面,两球面相交为一个圆,测站位于圆上);GPS单点定位方法的实质是空间距离后方交会(观测一个站星距离-球面，观测两个站星距离圆，观测三个站星距离两点，观测三个站星距离地球-一点)单点定位小结：GPS单点定位的实质是空间距离后方交会；要同时确定测站坐标和接收机钟差必

22、须同时观测四颗或四颗以上卫星；GPS单点定位求解测站坐标一般需要迭代计算。GPS相对定位定义：确定同步观测的接收机之间相对位置的定位方法，称为相对定位。定位结果：某一坐标系下的基线向量（坐标差）；基线向量中含有：2个方位基准（一个水平方位，一个垂直方位）和1个尺度基准，不含有位置基准。优点：定位精度高。缺点：多台接收机共同作业，作业复杂；数据处理复杂；不能直接获取绝对坐标。应用：高精度测量定位及导航。差分GPS差分GPS产生的原因：绝对定位精度不能满足要求。误差的相关性：各类误差中除多路径误差外，其他误差均具较强的相关性，从而定位结果也有一定的相关性。差分GPS的基本原理：利用基准站（架设在坐

23、标精确已知的点上的接收机）测具有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。差分GPS的分类根据时效性：实时差分，事后差分。根据观测值类型：伪距差分，载波相位差分。根据差分改正数：位置差分（坐标差分），距离差分。根据工作原理和差分模型：局域差分（单基准站差分，多基准站差分），广域差分。差分GPS组成基准站（参考站、基站）：单站、多站。数据通信链：电台、广播、卫星。用户：导航、定位。数学模型：单站、多站。第五章（Plus）1.天线高天线平均相位中心至标石中心的处置距离H称为天线高2.导航电文GPS卫星向用户播发的一组反映卫星在空间的位置,卫星的工作状态,卫星钟的修正数,

24、电离层延迟修正参数等重要数据的二进制代码3.色散效应大气的色散介质,对不同频率的信号,所产生的折射效应也不同,4.电离层改正用经验模型改正,双频改正和实测模型改正等方法对电离层延迟进行的改正四.简答题(每题6分,共30分)1.GPS组成部分中的地面监控部分的主要功能是什么?功能是:跟踪GPS卫星,确定卫星的运行轨道及卫星钟改正数,进行预报后再按规定的格式编制成导航电文,并通过注入站送往卫星.还能通过注入站向卫星发布各种指令,调整卫星的轨道及时钟读数,修复故障或启用备用件等.2.GPS卫星信号由哪几部分组成?由载波,测距码,导航电文三部分组成.3.在GPS测量中采用哪些方法可以消除或减弱多路径误差?选择合适的站址选择合适的GPS接受机适当延长观测时间4.在基线解算时,求解整周未知数的常用方法有哪些?.取整法置信区间法模糊函数法整数解和实数解-