GPS课程总结.ppt

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1、一、一、GPS系统系统系统组成各部分作用GPS系统的特点全球覆盖精度高效率高全天候测站间无需通视可提供三维坐标操作简便功能多用途广二、坐标系统二、坐标系统l坐标系建立的三要素坐标系建立的三要素 坐标原点坐标原点 坐标轴指向（天球坐标系、地球坐标系）坐标轴指向（天球坐标系、地球坐标系）表示坐标的参数（直角坐标系、极坐标系）表示坐标的参数（直角坐标系、极坐标系）l按定义方式分类按定义方式分类 直接定义直接定义理论定义理论定义 间接定义间接定义协定坐标系协定坐标系l基本概念：天轴、天极、天球赤道、天球子午线基本概念：天轴、天极、天球赤道、天球子午线 时圈、黄道、黄极、春分点、岁差、章动、时圈、黄道、

2、黄极、春分点、岁差、章动、极移、国际协定原点极移、国际协定原点1、天球坐标系、天球坐标系l直角坐标系（直角坐标系（X，Y，Z）原点原点地球质心地球质心Z轴轴北天极北天极X轴轴春分点春分点右手坐标系右手坐标系l天球球面坐标系的定义（天球球面坐标系的定义（r，）原点原点地球质心地球质心O向径向径r天体天体S到天球中心的距离到天球中心的距离赤经赤经经过天体经过天体S的时圈与经过春分点时圈的时圈与经过春分点时圈的二面角的二面角赤纬赤纬天球天球S到原点与天球赤道面的夹角到原点与天球赤道面的夹角天球坐标系天球坐标系l瞬时极天球坐标系原点：地球质心Z轴：瞬时地球自转轴X轴：瞬时春分点Y轴：右手系l历元平天球

3、坐标系历元J2000.0年平天球坐标系（定义）瞬时极天球坐标系与历元平天球坐标系之间的坐标变换可通过（？）旋转变换地球坐标系地球坐标系l瞬时地球坐标系瞬时地球坐标系原点原点地球质心地球质心z轴轴 指向瞬时极指向瞬时极x轴轴 指向瞬时赤道面和包含瞬时地球自转轴与平均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天文台赤道参考点的子午面之交点y轴轴 右手坐标系右手坐标系l平地球坐标系平地球坐标系原点原点平地极平地极z轴指向轴指向CIO（协议地极）（协议地极）x轴指向协定赤道面与格林尼治子午线的交点轴指向协定赤道面与格林尼治子午线的交点y轴在协定赤道面里轴在协定赤道面里 右手

4、系统右手系统l平地球坐标系与瞬时地球坐标系的转换平地球坐标系与瞬时地球坐标系的转换 极移极移lWGS-84坐标系（原点、Z轴、X轴、Y轴、椭球）l1954年北京坐标系l1980西安坐标系l地方独立坐标系lITRF坐标框架时间系统时间系统l定义：尺度（度量工具）定义：尺度（度量工具）原点原点l度量工具度量工具 选择一种连续、均匀的物质运动度量时间选择一种连续、均匀的物质运动度量时间 运动必须满足如下要求：运动必须满足如下要求：连续的周期性连续的周期性 周期的稳定性周期的稳定性 周期的可观测周期的可观测性性l 目前选择的物质运动有：目前选择的物质运动有：地球的自转：世界时系统地球的自转：世界时系统

5、 地球的公转：历书时、力学时地球的公转：历书时、力学时 原子振荡：原子时原子振荡：原子时 一、世界时系统一、世界时系统l由于观察地球自转运动所选的空间参考点不同，由于观察地球自转运动所选的空间参考点不同，世界时系统又包括恒星时、平太阳时和世界时。世界时系统又包括恒星时、平太阳时和世界时。l恒星时（恒星时（Sidereal Time-ST）以春分点的周日视运动定义的时间系统以春分点的周日视运动定义的时间系统l平太阳平太阳时时 以平太阳的周日视运动定义的时间系统以平太阳的周日视运动定义的时间系统l世界时世界时以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时l原子时原子时l协

6、调世界时（UTC）采用原子时秒长；采用闰秒的办法使协调世界时的时刻与世界时接近。闰秒的时间定在6月30日末或12月31日末，由国际地球自转服务组织（IERS）确定并事先公布。lGPS时间系统（GPST）（原子时秒长）卫星运动基础卫星运动基础l基本概念：二体问题、卫星轨道、卫星轨道参数、无摄运动、受摄运动l开普勒轨道参示意图开普勒轨道参示意图yxz轨道春分点升交点近地点卫星地心赤道iV轨道平面倾角轨道平面倾角 i升交点赤经升交点赤经 轨道椭圆的长半径轨道椭圆的长半径 a轨道椭圆的偏心率轨道椭圆的偏心率 e近地点角距（幅角）近地点角距（幅角）真近点角真近点角 V卫星运动的轨道参数卫星运动的轨道参数

7、 中文名称符号 意义轨道平面倾角i决定轨道平面的空间位置升交点赤经轨道椭圆的长半径 a决定轨道椭圆的大小轨道椭圆的偏心率 e决定轨道椭圆的形状近地点角距（幅角）轨道平面上，升交点与近地点之间的地心夹角决定开普勒椭圆在轨道平面上的定向。真近点角V轨道平面上卫星与近地点之间的地心角距。确定卫星在轨道上的瞬时位置。GPS卫星星历卫星星历l卫星星历卫星星历：卫星星历就是一组对应某一时刻的轨：卫星星历就是一组对应某一时刻的轨道根数及其变率。道根数及其变率。l参考星历参考星历：相应参考历元的卫星瞬时开普勒轨道：相应参考历元的卫星瞬时开普勒轨道根数。根数。l广播星历广播星历：包括相对某一参考历元的开普勒轨道

8、：包括相对某一参考历元的开普勒轨道根数和必要的轨道摄动改正项参数。用轨道参数根数和必要的轨道摄动改正项参数。用轨道参数的摄动项对已知的卫星参考星历加以改正就可外的摄动项对已知的卫星参考星历加以改正就可外推出任一观测历元的卫星星历。（推出任一观测历元的卫星星历。（C/A码星历和码星历和P码星历）码星历）l精密星历精密星历：是一些国家某些部门，根据各自建立：是一些国家某些部门，根据各自建立的卫星跟踪站所获得对的卫星跟踪站所获得对GPS卫星的精密观测资料，卫星的精密观测资料，计算的卫星星历。这种星历向用户提供其观测时计算的卫星星历。这种星历向用户提供其观测时间内的精密轨道信息。间内的精密轨道信息。G

9、PS卫星的卫星的导航电文导航电文l导航电文：主要包括卫星星历、时钟改正、导航电文：主要包括卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、卫星工作状态、轨道摄电离层时延改正、卫星工作状态、轨道摄动改正、由动改正、由C/A码转换捕获码转换捕获P码等导航信息码等导航信息的数据码（或的数据码（或D码）。码）。GPS卫星信号lGPS卫星信号是卫星信号是GPS卫星向广大用户发送卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波，它的用于导航定位的调制波，它包含有包含有：载：载波、测距码和数据码。波、测距码和数据码。lC/A码：粗码粗码/捕获码；捕获码；码率：码率：1.023MHz；周期：周期：1ms；1周期含码元数：周期含码

10、元数：1023；码元宽度：码元宽度：293.05m；仅被调制在；仅被调制在L1上上 用于粗测距和捕获用于粗测距和捕获GPS卫星信号的伪随机码。卫星信号的伪随机码。lP（Y）码）码P（Y）码（）码（Precise Code精码；码率：精码；码率：10.23MHz；周期：周期：7天；天；1周期含码元数：周期含码元数：6187104000000；码元宽度：码元宽度：29.30m；被调制在；被调制在L1和和L2上上GPS接收机的分类接收机的分类l按用途分：导航型接收机测地型接收机授时型接收机l按接收机的载波频率分：单频接收机双频接收机l按接收机工作原理分卫星定位的基本原理卫星定位的基本原理l空间距离交

11、会空间距离交会：运用空间距离运用空间距离前方交会前方交会的方法的方法求出求出卫星的位置卫星的位置。运用空间距离运用空间距离后方交会后方交会的的方法求方法求测站点的位置测站点的位置。l二、二、GPSGPS定位方法及分类定位方法及分类 1 1、根据定位所采用的、根据定位所采用的观测值观测值分为：分为：伪距定位和载波相位定位伪距定位和载波相位定位伪距定位：伪距定位：观测值为观测值为GPSGPS伪距观测值伪距观测值，既可以是，既可以是C/AC/A码伪码伪距，也可以是距，也可以是P P码伪距。码伪距。优点优点是数据处理简单，对定位条是数据处理简单，对定位条件的要求低，不存在整周模糊度问题，可以非常容易的

12、实件的要求低，不存在整周模糊度问题，可以非常容易的实现实时定位。现实时定位。缺点缺点是观测值精度低。是观测值精度低。载波相位测量定位：载波相位测量定位：观测值为观测值为GPS载波相位观测值载波相位观测值，即，即L1，L2或它们的某种线性组合。或它们的某种线性组合。优点优点是观测值的精度高，是观测值的精度高，一般优于一般优于2mm。缺点缺点是数据处理过程复杂，存在整周模是数据处理过程复杂，存在整周模糊度的问题。糊度的问题。根据定位模式分为：根据定位模式分为：绝对定位绝对定位 又称又称单点定位单点定位。这是一种采用。这是一种采用一台接一台接收机收机进行定位的作业模式。它所确定的是接收机天线进行定位

13、的作业模式。它所确定的是接收机天线的绝对坐标。的绝对坐标。相对定位相对定位又称又称差分定位差分定位，这种定位模式采用，这种定位模式采用两台两台以上以上的接收机同时对一组相同的卫星进行观测，以确的接收机同时对一组相同的卫星进行观测，以确定接收机相互为之间的关系。定接收机相互为之间的关系。静态相对定位模式静态相对定位模式单点定位单点定位4 4、根据定位时接收机的运动状态分为：、根据定位时接收机的运动状态分为：静态定位静态定位 就是在整个观测过程中，接收机的位置是不就是在整个观测过程中，接收机的位置是不变的。（接收机的位置是一个不随时间变化的量）变的。（接收机的位置是一个不随时间变化的量）动态定位动

14、态定位 就是在整个观测过程中，接收机的位置是变就是在整个观测过程中，接收机的位置是变化的（接收机的位置是一个随时间变化的量）化的（接收机的位置是一个随时间变化的量）整周未知数整周未知数N N0 0的确定方法的确定方法l定义定义:载波相位测量时，载波相位与基准相位之间相位差的首载波相位测量时，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观测值所对应的整周未知数l确定方法 伪距法伪距法 将整周未知数当作平差中的待定参数将整周未知数当作平差中的待定参数 整数解（短基线）整数解（短基线）实数解（长基线）实数解（长基线）多普勒法多普勒法(三差法三差法)：将相邻两个观测历元的载波相位相减，将相

15、邻两个观测历元的载波相位相减，消去了整周未知数消去了整周未知数N0快速确定整周未知数法：快速确定整周未知数法：进行短基线定位时，利用双频接收进行短基线定位时，利用双频接收机只需观测一分钟便能成功地确定整周未知数。机只需观测一分钟便能成功地确定整周未知数。整周跳变整周跳变l定义定义静态相对定位静态相对定位至少两台接收机固定连续同步观测至少两台接收机固定连续同步观测中等长度基线（中等长度基线（100-500km100-500km），相对定位精度可达），相对定位精度可达1010-6-6-10-10-7-7甚至更好甚至更好 观测量的线性组合观测量的线性组合 t ti i时刻载波相位观测量：时刻载波相位

16、观测量：单差（单差（SD SD Single Difference Single Difference）站间一次差：站间一次差：在同一历元，不同测站、在同一历元，不同测站、同步观测相同卫星的观测量同步观测相同卫星的观测量之差之差 一次差消除了卫星种差一次差消除了卫星种差双差（双差（Double-DifferenceDouble-DifferenceDDDD）站间星际二次差：站间星际二次差：在一次差的基础进一步消在一次差的基础进一步消除了除了与接收机有关的载波相与接收机有关的载波相位及其钟差项位及其钟差项 注意选取基星注意选取基星 GPS基线向量处理时常用基线向量处理时常用的模型的模型三差（三差

17、（Triple-DifferenceTriple-DifferenceTDTD）历元间差分：在双差的基础上在双差的基础上进一步进一步消除了：初消除了：初始整周模糊度始整周模糊度 求三差后观测值求三差后观测值有效数字位大为减有效数字位大为减少，少，增加了计算过增加了计算过程中的凑整误差程中的凑整误差，三差模型求得的基三差模型求得的基线结果线结果精度不高精度不高差分差分GPSGPS定位原理定位原理将将GPSGPS接收机安置在坐标已知的点（基准接收机安置在坐标已知的点（基准站）上，计算基准站到卫星的距离改站）上，计算基准站到卫星的距离改正数，由基准站将改正数发送出去。正数，由基准站将改正数发送出去。

18、用户接收机接受卫星信号时也接收基用户接收机接受卫星信号时也接收基准站的改正数，并对定位结果进行改准站的改正数，并对定位结果进行改正。正。差分差分GPS分类分类l1.单站单站GPS的差分的差分 根据差分根据差分GPS基准站发送的信息方式可将基准站发送的信息方式可将单站单站GPS差分定位分为差分定位分为 位置差分位置差分 伪距差分伪距差分 相位差分相位差分l2.局部区域局部区域GPS差分差分 l3.广域差分广域差分GPS卫星导航l导航导航：确定并引导运载体从一个地点航行到另：确定并引导运载体从一个地点航行到另一个地点的过程。包括航行中测定并提供载体一个地点的过程。包括航行中测定并提供载体位置、航速

19、、航向、时间以及载体姿态等信息。位置、航速、航向、时间以及载体姿态等信息。导航是一种广义的动态定位。导航是一种广义的动态定位。l卫星导航的特点及应用卫星导航的特点及应用：全天候、全球、实时、：全天候、全球、实时、七维状态参数（三维坐标、三维速度、时间）、七维状态参数（三维坐标、三维速度、时间）、三维姿态参数。用户多样、速度多样、定位实三维姿态参数。用户多样、速度多样、定位实时、数据和精度多变。时、数据和精度多变。GPSGPS卫星导航原理卫星导航原理 GPSGPS导航是一种广义的导航是一种广义的GPSGPS动态定位，从目动态定位，从目前的应用看来，主要分为以下几种方法：前的应用看来，主要分为以下

20、几种方法：（1 1）单点动态定位）单点动态定位（2 2）实时差分动态定位）实时差分动态定位（3 3）后处理差分动态定位（用于摄影测量）后处理差分动态定位（用于摄影测量）一、一、单点动态定位单点动态定位单点动态定位的基本方程为单点动态定位的基本方程为 利用解算用利用解算用户位置位置时，不是直接求它，不是直接求它的三维坐的三维坐标，而是求各个坐标分量的修正量，即给定用户标，而是求各个坐标分量的修正量，即给定用户三维坐标的初始值（三维坐标的初始值（X Xu u，Y Yu u，Z Zu u），而求解三维坐），而求解三维坐标的改正值（标的改正值（X Xu u，Y Yu u，Z Zu u）和距离偏差）和距

21、离偏差d d。对（6-16-1）式中）式中X Xu u，Y Yu u，Z Zu u分别微分，便得到线性方分别微分，便得到线性方程：程：（6-1）单点动态定位单点动态定位二、二、伪距差分动态定位伪距差分动态定位原理：一台接收机在基准原理：一台接收机在基准站上，另一台接收机为动态站上，另一台接收机为动态用户接收机。对卫星同步观用户接收机。对卫星同步观测。基准接收机测得三维位测。基准接收机测得三维位置与该点已知值比较得改正置与该点已知值比较得改正数，及时将改正数发给动态数，及时将改正数发给动态接收机，动态接收机改正所接收机，动态接收机改正所测得位置，叫实时差分动态测得位置，叫实时差分动态定位。定位。

22、伪距差分动态定位伪距差分动态定位基准站基准站R测得至测得至GPS卫星卫星j的伪距的伪距伪距的改正值伪距的改正值动态接收机所测得的伪距动态接收机所测得的伪距动态接收机所测得的伪距加改正后为动态接收机所测得的伪距加改正后为伪距差分动态定位伪距差分动态定位当动态用户远离基准站在当动态用户远离基准站在1000km1000km以内时以内时则基准则基准/动态接收机的钟差之差所引起的距离偏差动态接收机的钟差之差所引起的距离偏差如果基准如果基准/动态接收机各观测了动态接收机各观测了4 4颗颗GPSGPS卫星，则可列出卫星，则可列出4 4个方程式，可解出个方程式，可解出4 4个未知数（个未知数（X Xk k，Y

23、 Yk k，Z Zk k，d dr r）。）。三、动态载波相位差分测量（了解）三、动态载波相位差分测量（了解）设设t1t1为初始时刻，为初始时刻，t t为任意时刻；为任意时刻；r r为基准站为基准站接收机，接收机，i i为动态接收机；为动态接收机；T T为接收机时间与为接收机时间与GPSGPS标准时间之差；标准时间之差；j0j0为参考卫星。则载波相位动态为参考卫星。则载波相位动态双差分方程为式（双差分方程为式（6-106-10）：）：式中式中tt时运动机星时运动机星间差分间差分-t-t时基站星间差分时基站星间差分-t1-t1时运动机星时运动机星间差分间差分-t1-t1时基站星间差分时基站星间差

24、分=-=-站间站间tt1tt1双差双差分。分。l定义：定义：单独利用一台接收机确定待定点在地固单独利用一台接收机确定待定点在地固坐标系中绝对位置的方法坐标系中绝对位置的方法l定位结果与所用星历同属一坐标系的绝对坐标定位结果与所用星历同属一坐标系的绝对坐标 采用广播星历时属采用广播星历时属WGS-84 采用采用IGS International GPS Service精密星历时精密星历时为为ITRF International Terrestrial Reference Framesl特点特点优点：一台接收机单独定位，观测简单，可瞬时定位优点：一台接收机单独定位，观测简单，可瞬时定位缺点：精度主

25、要受系统性偏差的影响，定位精度低缺点：精度主要受系统性偏差的影响，定位精度低l应用领域应用领域低精度导航、资源普查、军事、低精度导航、资源普查、军事、.单点定位单点定位精密单点定位精密单点定位PPP（Precise Point Positioning l特点特点主要观测值为载波相位主要观测值为载波相位采用精密的卫星轨道和钟数据采用精密的卫星轨道和钟数据采用复杂的模型采用复杂的模型l定位精度定位精度亚分米级亚分米级l用途用途全球高精度测量全球高精度测量卫星定轨卫星定轨单点定位的误差源及应对方法单点定位的误差源及应对方法l卫星星历卫星星历精密星历精密星历l卫星钟差卫星钟差精密钟差精密钟差、地面跟踪

26、地面跟踪l电离层延迟电离层延迟双频改正双频改正l对流层延迟对流层延迟模型改正模型改正7.1 GPS7.1 GPS测量主要误差分类测量主要误差分类一、与卫星有关误差一、与卫星有关误差 卫星星历误差：轨道偏差卫星星历误差：轨道偏差 卫星钟差卫星钟差 相对论效应相对论效应 三、观测及接收设备误差三、观测及接收设备误差 接收机钟差接收机钟差 接收机噪声接收机噪声 天线相位中心误差天线相位中心误差 天线安置误差天线安置误差 二、信号传送误差二、信号传送误差 电离层延时电离层延时 对流层延时对流层延时 多路径效应多路径效应 四、其它误差四、其它误差 地球固体潮地球固体潮 地球海潮地球海潮 一（一（1）、电

27、离层对）、电离层对C/A码影响码影响C/AC/A码是方波是方波 在电离层中以群速在电离层中以群速V Vg g传播传播 其速度与频率有关其速度与频率有关 电离层改正的大小主电离层改正的大小主要取决于电子总量和要取决于电子总量和信号频率信号频率一（一（2）、电离层对载波影响）、电离层对载波影响载波是正弦波载波是正弦波 在电离层中以相速度传播在电离层中以相速度传播 电离层影响与太阳黑子活动有关电离层影响与太阳黑子活动有关 与与卫卫星星到到接接收收机机方方向向有有关关，天天顶顶方方向向最最大大50m延延迟迟高度角高度角20时时150m延迟延迟各种误差特性及其减弱措施各种误差特性及其减弱措施误差误差特性

28、特性减弱措施减弱措施星历误差星历误差在一定时间内系统性在一定时间内系统性精密定轨精密定轨观测值求差观测值求差星钟误差星钟误差系统性、随机性系统性、随机性电文改正电文改正机间求差机间求差相对论效应相对论效应系统性系统性生产时将钟频改变生产时将钟频改变电离层电离层与频率、密度有关与频率、密度有关双频双频模型模型求差求差对流层对流层与卫星高度与卫星高度气象有关气象有关模型模型求差求差测气象测气象多路径效应多路径效应与卫星方向与卫星方向反射物有反射物有关关注意选点注意选点改进天线改进天线接收机钟差接收机钟差系统性系统性作为未知数作为未知数观测值求差观测值求差机位置误差机位置误差偶然性偶然性精密对中精密对中天线相位中心天线相位中心 系统性系统性观测时同一方位安置观测时同一方位安置地球自转地球自转系统性系统性计算改正计算改正地球潮汐地球潮汐系统性系统性计算改正计算改正