#GPS原理与应用期末复习.docx

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#GPS原理与应用期末复习

第一章绪论

定位：

确定点在某一坐标系中的位置

常规<地面）定位方法的局限性：

<1）观测点之间需要保证通视<2）需要事先布设大量的地面控制点/地面站<3）无法同时精确确定点的三维坐标<4）观测受气候、环境条件限制<5）难以确定地心坐标

传统大地控制网和水准网的缺陷：

<1）平面、高程控制网破坏严重、很多点位难以寻找观测受气候、环境条件限制<2）控制网存在误差积累、精度不高、<3）控制网点位分布不均匀<4）平面点多在山顶并远离测区<5）平面与高程控制分离、没有统一的控制系统

什么是空间定位技术<定义）

利用自然天体或人造天体来精确确定地面点的位置及其随时间变化状况的一整套方法、理论和技术称为空间定位技术。

空间定位技术的产生–必要性

<1）需要提供全球统一的地心坐标航空、航天技术的要求

<2）需要在长距离上进行高精度定位的技术全球性问题研究的要求

<3）要求具有全天候的特点，且快速简便的定位技术快速、实时定位应用的要求

空间定位技术的产生–可能性

<1）空间技术的发展<2）计算能力的加强<3）电子技术的提高

<4）通信技术的进步<通信设备和手段的进步通信技术）

空间定位技术的优点：

<1）测站间无需通视<2）数学模型简单，且能同时确定点的三维坐标

<3）易于实现全天候观测<4）在长距离上仍能获得高精度的定位结果

GPS的概念：

GPS是NAVSTAR/GPS的简称，全名应为NavigationSystemTimingandRanging/GlobalPositioningSystem，即“授时与测距导航系统/全球定位系统”。

*GPS是以卫星为基础的无线电导航定位系统。

多普勒频移:

频移:

是信号源相对于观测者运动时,观测者所接收到的信号频率,不同于信号源所发射的.

子午卫星系统及其局限性：

由6颗卫星组成，卫星轨道高度为1075km，轨道倾角约900，周期为107min。

精度：

绝对定位1m，相对定位0.1~0.5m

定位原理:

多普勒定位技术

该系统中卫星的轨道都通过地极，故称“子午

优点：

全天候；全球覆盖；自动定位；定位精度较高。

缺点：

<1）卫星数少<6颗），不能实现连续实时导航定位；

<2）卫星运行高度低，难以实现精密定位；<3）观测时间长。

GPS系统的研制计划分3个阶段实行：

<1）原理与可行性实验阶段<2）系统研制与实验阶段<3>项目发展与完成阶段

GPS的应用：

一、GPS在军事中的应用：

<1）利用GPS为导弹和智能炸弹进行精确的制导，使其能准确命中目标，以摧毁对方的指挥中心、通信系统、机场、弹药库等重要军事目标；

<2）在多军兵中的协同作战、定点轰炸、火力支援、空中加油、空投后勤补给等也得到广泛的应用；

二、GPS在交通运输中的应用：

GPS在能见度极差的条件下<如浓雾、沙尘暴等气候条件下）,飞机的起飞、进场、着陆以及飞机的途中导航方面以及外宾车队、警车等地面车辆的导航、监控、调度、管理等方面得到了广泛的应用）；

三、GPS在测量领域中的应用：

<1）建立各级国家平面控制网；

<2）布设城市控制网、项目测量控制网，进行各种项目测量；

<3）在航空摄影测量、地籍测量、海洋测量中的应用）；

四、GPS在其他领域中的应用：

<1）在精细农业和林业中的应用；

<2）在资源调查、环境监测中的应用；

<3）在移动通信中的应用）。

标准定位服务SPS：

包括定位服务和定时服务,这一服务是全天候,全球性的。

对一切用户开放，不直接向用户收费。

精密定位服务PPS：

由国防部DOD控制，连续在全球范围内提供定位定时和测速服务，服务对象限于美军以及国防部DOD有专门协定的盟军。

未经批准的民用部门不得使用。

AS和SA政策：

SA

<1）在卫星的广播星历中人为地加入误差，以降低卫星星历的精度，即ε技术。

<降低已知点的坐标精度）。

<2）有意识地使卫星钟频产生一种快速的抖动。

产生的效果相当于降低了钟的稳定度，从而影响导航定位精度，这就是δ技术。

AS

是美国国防部为防止敌对方对GPS卫星信号进行电子欺骗和电子干扰而采取的一种措施。

具体做法是在P码上加上严格保密的W码，使其模二相加产生完全保密的Y码，1994年1月31日起实行，是一种防卫性的措施。

一般采用Z跟踪技术就仍然能利用P码进行测距。

美国在2000年5月2日4时左右

其他卫星导航定位系统的简况

全球导航卫星系统（GLONASS>：

由24颗卫星组成<21颗工作，3颗在轨备用）；这24颗卫星均匀分布在三个轨道倾角为64.8°的轨道平面上。

每个轨道面上均匀分布8颗卫星。

卫星在几乎是圆形的轨道上飞行。

卫星的平均高度为19390km，运行周期为11h15min44s.

伽利略卫星导航定位系统：

整个卫星星座将由30颗卫星组成<27颗工作卫星+3颗在轨的备用卫星）。

这些卫星均匀地分布在三个倾角为56°的轨道面上。

每个轨道面上均分布有9颗工作卫星和1颗备用卫星

我国自行研制组建的北斗卫星导航定位系统：

由两颗太空卫星、控制站和接收机组成，是一个区域性的定位和通信系统，原理与GPS一样，但精度比较差<定位精度为：

平面20m,高程10m>。

北斗卫星系统由空间部分、地面控制部分和用户终端三个部分组成。

第二章全球定位系统的组成及信号结构

全球定位系统

空间部分

用户部分：

由用户及GPS接收机<包括天线、电源、输入输出设备等）等仪器设备组成。

作用：

接收GPS卫星发射的信号，以获得必要的导航和定位信息，并经数据处理而进行导航和定位工作。

根据用途的不同，GPS接收机可分为：

导航型接收机、测量型接收机、授时型接收机

按接收的卫星信号频率数可分为：

单频接收机、双频接收机

GPS的特点：

<1）定位精度高；<2）测量时间短；<3）观测站之间无需通视；

<4）提供三维坐标；<5）操作简便；<6）全天候作业；<7）功能多，应用广。

卫星星历：

是描述有关卫星运行轨道的数据。

精确的描述轨道的一组数据<星历）是精密导航和定位的基础。

卫星星历的提供方式一般有两种：

预报星历<广播星历）、后处理星历<精密星历）。

预报星历：

是通过卫星发射的含有轨道信息的导航电文传输给用户的，用户接收机接收到这些信号，经过解码便可获得所需要的卫星星历，这种星历也叫广播星历。

后处理星历：

是一些国家的某些部门，根据各自建立的跟踪站所获得的精密观测资料而计算的卫星星历。

GPS的卫星信号结构<如测距码，导航电文）：

GPS卫星发射的信号由以下三部分组成：

载波

粗码

载波：

可运载调制信号的高频振荡波。

由卫星上的原子钟所产生的基准频率f0倍频154倍后形成的。

L2载波：

由卫星上的原子钟所产生的基准频率f0倍频120倍后形成的。

）

采用两个不同频率载波的主要目的是：

为了较完善地消除电离层延迟。

采用高频率载波的目的是：

为了更精确地测定多普勒频移和载波相位<对应的距离值），从而提高测速和定位的精度，减少信号的电离层延迟。

测距码：

用于测定从卫星至接收机间的距离的二进制码。

根据性质和用途的不同，测距码可分为：

粗码

粗码

用于进行粗略测距和捕获精码的测距码。

不同的GPS卫星采用结构相异的C/A码。

特点:

测距精度低，测距误差可达29.3m~2.9m,也称粗码；码结构公开；目前，C/A码只调制在L1载波上，故无法精确地消除电离层延迟。

精码

用于精确测定从GPS卫星至接收机距离的测距码。

特点：

测距精度高<一般为0.3M>，测距误差约为2.93m~0.29m；

码元宽度仅为C/A码的1/10，也称精码；

码结构不公开，保密。

导航电文：

是由GPS卫星向用户播发的一组反映卫星在空间的位置、卫星的状态、卫星钟的修正参数、电离层延迟修正参数等重要数据的二进制代码，也称数据码

特性：

传输速率：

50bit/s，以“帧”为单位向外发送

卫星轨道：

卫星在空间运行的轨迹。

轨道参数：

描述卫星轨道位置和状态的参数。

第三章GPS定位中的误差源△

电磁波：

是一种随时间t变化的正弦<或余弦）波。

大气折射：

大气层会改变电磁波传播的方向、速度和强度，这种现象称为大气折射。

误差的分类：

从误差源来讲大致可分为三类：

与卫星有关的误差<包括卫星星历误差、卫星钟的钟误差、相对论效应）、与信号传播有关的误差<包括电离层延迟、对流层延迟、多路径误差）、与接收机有关的误差<包括接收机钟的钟误差、接收机的位置误差、接收机的测量噪声）。

卫星星历误差：

由卫星星历所给出的卫星位置与卫星的实际位置之差称为卫星星历误差。

相对论效应：

因为卫星钟和接收机钟所处的状态<运动速度和重力位）不同而引起两台钟之间产生相对误差的现象；

电离层延迟：

带电离子的存在将影响无线电信号的传播，使传播速度发生变化，传播路径产生弯曲，从而使得信号传播时间⊿t与真空中光速c的乘积ρ=⊿t·c不等于卫星至接收机的几何距离，产生所谓的电离层延迟。

对流层延迟：

通常是泛指电磁波信号在通过高度在50km以下的未被电离的中性大气层时所产生的信号延迟。

对流层中，n略大于1，与大气压力、温度和湿度有关。

多路径误差：

经某些物体表面反射后到达接收机的信号如果与直接来自卫星的信号叠加干扰后进入接收机，就将使测量值产生系统误差，这就是所谓的多路径误差。

接收机钟的钟误差：

接收机中大多采用的是石英钟，因而其钟误差较卫星钟更为显著。

按误差性质可分为：

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。

系统误差是主要的误差源）、偶然误差。

几种误差的特点：

星历误差的大小主要取决于：

卫星定轨系统的质量。

与星历的外推时间间隔也有直接关系。

钟误差既包含着系统性的误差,又包含着随机误差.系统误差远较随机误差的值大.

相对论效应主要取决于卫星的运动速度和所处位置的重力位,而且是以卫星的钟误差的形式出现的,且它对测码伪距观测值和载波相位观测值的影响是相同的。

电离层延迟取决于信号传播路径上的总电子含量TEC和信号的频率f，而TEC又与时间、地点、太阳黑子数等多种因素有关。

在仅顾及f^2项的情况下，测码伪距观测值和载波相位观测值所受到的电离层延迟大小相同，但符号相反。

对流层延迟对测码伪距观测值和载波相位观测值的影响是相同的。

多路径误差对测码伪距观测值的影响比载波相位观测值的影响大得多。

取决于测站周围的环境、接收机的性能以及观测时间的长短。

接收机钟的钟误差主要取决于钟的质量，与使用时的环境也有一定关系。

且它对测码伪距观测值和载波相位观测值的影响是相同的。

接收机的位置钟误差对测码伪距观测值和载波相位观测值的影响是相同的。

接收机的测量噪声取决于仪器性能及作业环境的优劣。

消除或大幅度削弱这些误差所造成的主要方法有：

1、建立误差改正模型<1）理论公式建立<2）经验公式建立<3）同时采用上述两种方法建立综合模型2、求差法3、选择较好的硬件和较好的观测条件

在GPS测量中一般可采用下列方法解决钟误差：

<1）忽略卫星钟的数学同步误差；

<2）利用测码伪距单点定位法来确定接收机钟的误差；

<3）通过其他渠道获取精确的卫星钟差值；

<4）通过观测值相减来消除公共的钟差项。

消除和削弱星历误差影响的方法和措施：

<1）采用精密星历<2）采用相对定位模式

减弱电离层影响的有效措施：

<1）利用两种不同的频率<双频接收机）进行观测

<2）利用电离层模型加以改正<3）两个观测站同步观测量求差

减弱对流层影响的有效措施：

<1）利用模型加以改正<2）利用基线两端同步观测求差

消除和削弱多路径误差的方法和措施：

<1）选择合适的站址：

选站时应避免附近有大面积平静的水面；测站不易选在山坡上；测站附近有高层建筑物时，卫星信号会通过墙壁反射而进入天线。

选站时应注意离开这些建筑物，观测时，汽车也不要停放得离测站过近。

<2）选择合适的GPS接收机：

在天线下设置抑径板或抑径圈；接收机天线对极化方向相反的反射信号应有较强的抑制能力；改进接收机的软、硬件。

<3）适当延长观测时间。

第四章距离测量与GPS定位△

用测距码来测定伪距的优点：

<1）易于将微弱的卫星信号提取出来。

<2）可提高测距精度

<3）便于用码分多址技术对卫星信号进行识别和处理

<4）便于对系统进行控制和管理

伪距测量：

测得的距离含有时钟误差和大气层折射延迟，而非“真实距离”,故称伪距。

进行载波相位测量的原因：

伪距测量以测距码作为量测信号。

采用码相关法时，其量测精度约为码元宽度的百分之一。

因为测距码的码元宽度较大，因而量测精度不高。

对精码约为±0.3m，对C/A码而言为±3m左右，只能满足低精度定位的要求。

载波的波长要短得多，把载波当测距信号来使用，对载波进行相位测量，能达到很高的精度。

载波相位测量原理：

若某卫星S发出一载波信号。

在某一瞬间，该信号在接收机R处的相位为ΨR，在卫星S处的相位为ψs。

则卫地距为：

ρ=λ（ψs-ΨR>。

在ρ=λ（ψs-ΨR>中，实际上无法测量到ψs，解决办法是：

接收机的震荡器能产生一个频率和初相，与卫星的载波信号完全相同的基准信号即可。

设基准信号的相位为ΦR，则卫地距为：

ρ=λ（ψs-ΨR>=λ（ΦR-ΨR>

载波相位测量的观测方程：

实际计算的观测方程为：

观测值的线性组合的方式主要有下列三种：

<1）同一类型同一频率的观测值两两相减后组成单差、双差和三差观测值。

目的：

消除卫星钟差、接收机钟差及整周模糊度等未知参数。

<2）同一类型不同频率的观测值间的线性组合。

目的：

消除电离层延迟；便于确定整周模糊度。

<3）不同类型的双频观测值间的线性组合。

目的与<2）类似。

如何消除多余参数？

<1）给多余参数一定的约束条件；<2）通过观测值相减来消除多余参数。

周跳：

整周计数Int（Φ>出现系统偏差而不足一周的部分Fr（Φ>仍然保持正确的现象称为整周跳变，简称周跳。

整周跳变的探测及修复：

探测出何时何处产生了周跳并求出丢失的整周数n的正确数值，对随后的观测值一一加以改正，把它们恢复为正确的观测值，这一工作称为整周跳变的探测及修复。

方法:

高次差法、多项式拟合法、用在卫星间求差后的单差观测值来探测修复周跳

用双频P码伪距观测值来探测和修复周跳，三次差法。

GPS定位方法分类

1.按参考点的不同位置分为：

绝对定位<或单点定位）、相对定位

2.按GPS接收机在测量中所处的状态：

动态定位、静态定位

绝对定位的分类：

1.根据用户接收机天线所处的状态：

动态绝对定位、静态绝对定位

2.根据测量距离方法的不同，绝对定位又分为：

测码伪距绝对定位ρ=c·Δt

测相伪距绝对定位ρ=（ψi+Ni>λ>

GPS绝对定位的定位精度主要取决于：

卫星分布的几何图形、观测量精度

整周模糊度的确定是载波相位测量中的关键问题,这是因为:

（1>精确的、不足1周的相位观测值Fr（Φ>和修复周跳后的正确的整周计数Int（Φ>只有与正确的整周模糊度配合使用才有意义.

（2>在一般精度的GPS定位中,定位所需的时间实际上就是正确确定整周模糊度所需要的时间.

静态相对定位中常用的几种方法：

取整法、置信区间法、整数解和实数解

静态绝对定位：

单点定位：

根据卫星星历以及一台GPS接收机的观测值来独立确定该接收机在地球坐标系中的绝对坐标的方法称为单点定位，也称绝对定位。

根据用户接收机天线所处的状态分为：

——动态绝对定位和静态绝对定位

静态相对定位：

相对定位:

确定同步跟踪相同的GPS卫星信号的若干台接收机之间的相对位置（坐标差,即ΔX、ΔY、ΔZ>的定位方法.相对定位有时也称为测定基线向量或简称为基线测量。

GPS静态相对定位一般采用载波相位观测值<测相伪距）为基本观测量。

测相伪距相对定位普遍采用求差法。

动态相对定位：

利用安置在基准点和运动载体上的GPS接收机所进行的同步观测的资料来确定运动载体相对于基准点的位置<即两者之间的基线向量）的工作。

差分GPS定位原理：

影响GPS实时单点定位精度的因素很多，其中主要的因素有卫星星历误差等。

如果能在已知点上配备一台GPS接收机并和用户一起进行GPS观测，就可能求得每个观测时刻因为上述误差而造成的影响。

假如该已知点还能通过数据通信链将求得的误差改正数及时发送给在附近工作的用户，那么这些用户在施加上述改正数后，其定位精度就能大幅度提高，这就是差分GPS的基本工作原理。

差分GPS分类及各自特点<比如RTK）：

根据基准站所提供的改正数的类型的不同，差分GPS可分为：

位置差分、距离差分；根据观测值的类型可分为：

伪距差分、相位差分、相位平滑伪距差分；根据用户进行数据处理的时间的不同分为：

实时差分和事后差分。

实时差分GPS：

是通过基准站与流动站同步观测GPS卫星，由基准站发送改正数，由流动站接收改正数并对其测量结果进行改正，以实时获得精确的定位结果。

载波相位差分技术又称RTK

即是将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。

载波相位差分可使定位精度达到厘M级。

伪距差分：

这是应用最广的一种差分。

在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的距离。

再与测得的伪距比较，得出伪距改正数，将其传输至用户接收机，提高定位精度。

这种差分，能得到M级定位精度。

第五章GPS测量的技术设计△

基本概念<基线向量，同步环，异步环等）

观测时段:

从测站上开始接收卫星信号起至停止接收卫星信号间的连续工作的时间段。

是GPS测量的基本单位.

时段长度:

观测时段持续的时间.

同步观测:

两台或两台以上的GPS接收机对同一组卫星信号的观测。

基线向量:

利用进行同步观测的GPS接收机所采集的观测数据计算出的接收机间的三维坐标差。

GPS基线向量网:

采用GPS技术布设的测量控制网，由GPS点和基线向量构成。

同步观测基线:

利用同一时段的多个同步观测站所采集的观测数据计算出的若干基线向量。

若在某时段共有n台接收机进行了同步观测，则共可得到n（n-1>/2条同步观测基线。

同步观测环<同步环）:

三台或三台以上的GPS接收机进行同步观测所获得的基线向量<完全由同一观测时段的基线向量）所构成的闭合环。

同步环检验:

检验同步环的闭合差大小。

特性：

理论上：

采用严密算法所得到的同步环，无论观测值中是否含有误差，其环闭合差必为零。

<构成同步环的基线向量之间是线性相关的）

实践中：

如果算法不严密<目前大多数的商用软件属于这种情况），其环闭合差通常不为零，但通常很小。

结论：

同步环闭合差很小，还不能说明基线解算结果一定能够满足精度要求。

独立基线向量:

线性无关的一组基线向量。

异步环：

由相互函数独立<线性无关）的基线向量所构成的闭合环。

<即非同步环）。

独立观测环检验:

检验独立观测环的闭合差大小。

特性：

与同步环闭合差不同，即使采用严密算法，并且计算过程中未发生错误，独立观测环的闭合差通常不为零，也不一定是个微小量。

结论：

独立观测环闭合差的大小，可作为评定基线解算结果质量的有力指标。

GPS网的基准包括：

位置基准、尺度基准、方位基准

位置基准的确定：

自由网平差或自由平差【对网的尺度无影响】、固定一点<最小约束平差）【对网的尺度无影响】、固定多点<约束平差）【对网的尺度有影响】。

尺度基准的确定：

GPS基线向量、测距边、已知点间的固定边、其他空间技术观测量

方位基准的确定：

GPS基线向量、起始方位、其他空间技术<如VLBI）提供的方位。

GPS测量的技术设计<如网形设计、基准设计等）

一般控制网图形设计的内容：

<1）与精度和可靠性有关的点位设计<3）观测设计<观测点、测回数等）

GPS网图形设计的内容：

<1）观测设计<同步观测图形、重复观测）

<2）GPS网无与精度和可靠性直接相关的图形设计问题<点位观测环境方面的问题除外）

两点重要提示：

<1）GPS网的图形强度与基线向量的数量和分布有关；

<2）GPS点的可靠性和精度与其相连的基线向量数密切相关，相连的基线向量数越多，精度和可靠性越高。

GPS网的基本图形：

1、三角形网：

以三角形作为基本图形所构成的GPS网。

其特点：

优点：

几何强度高，抗粗差能力强、可靠性高；缺点：

工作量大

进一步提高图形强度的方法：

加测对角线

2、多边形网，定义：

以多边形<边数n≥4>作为基本图形所构成的GPS网。

特点：

效率高，工作量较小，图形强度虽不如三角形网，但若对多边形边数加以限制，仍能保持一定的强度。

3、附合导线网：

附合导线<或称附合路线）作为基本图形所构成的GPS网。

特点：

效率高，工作量较小，图形强度虽不如三角形网和多边形网，但若对多边形边数加以限制，仍能保持一定的强度。

4、星形网：

从一个已知点上分别与各待定点进行相对定位<待定点一般无任何联系）所构成的GPS网。

特点：

抗粗差能力极差。

应用：

界址点、碎部点和低等级控制点。

工作模式：

GoandStop,RTK

提高可靠性的方法：

从两个已知点<基准站）上对同一待定点<流动站）进行观测；适当复测。

若某GPS网由n个点组成，每点的设站次数为m次，用N台GPS接收机来进行观测时，

观测时段数C：

C=n-m/N。

总基线数J总：

J总=C·N·（N-1>/2

独立基线数J独：

J独=C·（N-1>

必要基线数J必：

J必=n-1

多余基线数J多：

J独-J必=C（N-1>-（n-1>

最少观测期数：

根据规范要求，布设一GPS网，需要观测的最少时段数。

特性：

最少观测期数与网的等级、点的数量和用于观测的接收机的数量有关。

第六章数据采集

选点与埋石等采集流程<图上设计、选点埋石、埋石）

选点的流程:

1、观测站的基本要求2、设置辅助点和方位点3、选点作业4、提交资料

埋石：

标石类型、中心标志、埋石作业、上交资料

数据采集的计划制定和方法：

拟订作业计划：

分区观测、卫星可见性预报及观测时段的选择、调度命令。

调度方案：

<1）点连式：

相邻的同步图形间只通过一个公共点相连.

优点：

作业效率高,图形扩展速度快.

缺点：

图形强度低,如果连接点发生问题,将影响到后面的同步图形.

<2）边连式：

相邻的同步图形间有一条边（即两个公共点>相连.

优点：

作业效率较高,图形强度较强.

<3）网连式：

相邻的同步图形间有3个（含3个>以上的公共点相连.

优点：

图形强度最强.缺点：

作业效率低.

第八章地球坐标参照系

坐标系：

是一种在给定维数的空间中用坐标来表示点的方法，它是测量参照系的核心数学元素。

类型：

笛卡儿坐标系和曲线坐标系

位置基准：

用于描述空间位置的基准。

在测量定位中，被用做基准的量通常是作为测量或计算基础的点、线或面。

坐标参照系：

是提供系统原点、尺度、定向及其时间演变的一组协议、算法和常数。

天球坐标系与地球坐标系：

卫星测量中常用坐标系：

空间直角坐标系/笛卡儿坐标系、大地基准与大地/椭球坐标系、