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GNSS复习资料
第一章
1、GPS系统组成三大部分：
（1）空间部分:
GPS卫星星座（21+3）
（2）地面控制部分：
地面监控系统（一个主控站MCS、三个注入站、五个监测站）
（3）用户设备部分：
GPS信号接收机
2、GPS系统特点：
定位精度高、测量时间短、观测站之间无需通视、提供三维坐标、操作简便、全天候作业、功能多，应用广
第二章
1、卫星定位中两种坐标系统：
天球坐标系和地球坐标系
2、天球：
指以地球质心为中心，半径r为任意长度的一个假想球体。
3、黄道：
地球公转的轨道面与天球相交的大圆，即当地球绕太阳公转时，地球上的观测者所见到的太阳在天球上的运动轨迹。
黄道面与赤道面的夹角称为黄赤交角，约º。
4、春分点：
指太阳由南向北运动时，黄道与天球赤道的交点。
（当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时，黄道与天球赤道的交点。
）
天球空间直角坐标系与天球球面坐标系
5、天球坐标系由天球空间直角坐标系和天球球面坐标系组成。
（1）天球空间直角坐标系的定义：
原点位于地球的质心，z轴指向天球的北极Pn，x轴指向春分点，y轴与x、z轴构成右手坐标系。
（2）天球球面坐标系的定义：
原点位于地球的质心，赤经为含天轴和春分点的天球子午面与经过天体s的天球子午面之间的交角，赤纬为原点至天体的连线与天球赤道面的夹角，向径r为原点至天体的距离。
6、岁差：
由于日月引力及其它天体引力，平北天极以北黄极为中心做一种顺时针圆周运动。
（在日月和其它天体引力对地球隆起部分的作用下，地球在绕太阳运行时，自转轴方向不再保持不变，从而使春分点在黄道上产生缓慢西移，此现象在天文学上称为岁差。
）
7、章动：
在日月引力等因素的影响下，瞬时北天极将绕瞬时平北天极产生旋转，轨迹大致为椭圆。
这种现象称为章动。
8、地球坐标系有两种表达方式，即空间直角坐标系和大地坐标系。
地心空间直角坐标系的定义:
原点与地球质心重合，z轴指向地球北极，x轴指向格林尼治平子午面与赤道的交点E，y轴垂直于xoz平面构成右手坐标系。
地心大地坐标系的定义：
地球椭球的中心与地球质心重合，椭球短轴与地球自转轴重合，大地纬度B为过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角，大地经度L为过地面点的椭球子午面与格林尼治平大地子午面之间的夹角，大地高H为地面点沿椭球法线至椭球面的距离。
9、极移：
地球自转轴相对于地球体的位置不是固定的，地极点在地球表面上的位置随时间而变化的现象称为极移
10、地球坐标系分类：
采用CIO（国际协议原点）作为协议地极（conventionalTerrestrialPole——CTP），以协议地极为基准点的地球坐标系称为协议地球坐标系（ConventionalTerrestrialSystem——CTS），而与瞬时极相应的地球坐标系称为瞬时地球坐标系。
11、选择某一时刻t0作为标准历元，并将此刻地球的瞬时自转轴（指向北极）和地心至瞬时春分点的方向，经过该瞬时岁差和章动改正后，作为z轴和x轴，由此构成的空固坐标系称为所取标准历元的平天球坐标系，或协议天球坐标系，也称协议惯性坐标系（ConventionalInertialSystem—CIS）
12、瞬时极（真）天球坐标系到瞬时（真）地球坐标系的转换模型
13、世界时系统包括恒星时、平太阳时和世界时。
恒星时（SiderealTime—ST）：
以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所确定的时间称为恒星时。
平太阳时（MT）：
以平太阳为参考点，由平太阳的周日视运动所确定的时间
世界时（UniversalTime——UT）：
以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时称为世界时。
UT+极移=UT1UT1+自转速度季节性变化=UT2
14、原子时（AIT）：
原子时的原点为AT=
国际原子时（InternationalAtomicTime——IAT）
15、力学时（DynamicTime—DT）：
太阳系质心力学时（Barycentric
DynamicTime——TDB）是相对于太阳系质心的运动方程所采用的时间参数。
地球质心力学时（TerrestrialDynamicTime—TDT）是相对于地球质心的运动方程所采用的时间参数。
TDT=IAT+
若以Δ表示地球质心力学时TDT与世界时UT1之间的时差，则可得：
Δ
16、协调世界时（CoordinateuniversalTime——UTC）：
由于地球自转速度有长期变慢的趋势，近20年，世界时每年比原子时慢约1秒，且两者之差逐年积累。
为避免发播的原子时与世界时之间产生过大偏差，从1972年采用了一种以原子时秒长为基础，在时刻上尽量接近于世界时的一种折衷时间系统，称为世界协调时或协调时。
协调时与国际原子时的关系定义为：
IAT=UTC+1S
n为调整参数，由IERS发布
民用时间为UTC
17、GPS时属于原子时系统，秒长与原子时相同，但与国际原子时的原点不同，即GPST与IAT在任一瞬间均有一常量偏差。
IAT-GPST=19s
时间系统及其关系图
第三章
1、卫星轨道：
卫星在空间运行的轨迹称为轨道
2、摄动力：
摄动力或非中心力，包括地球非球形对称的作用力、日月引力、大气阻力、光辐射压力以及地球潮汐力等。
3、在摄动力的作用下的卫星运动称为受摄运动，相应的卫星轨道称为受摄轨道。
4、开普勒轨道参数：
（描述卫星无摄运动）
（1）a轨道的长半径
es轨道椭圆偏心率
这两个参数确定了开普勒椭圆的形状和大小。
（2）升交点赤经：
即地球赤道面上升交点与春分点之间的地心夹角。
轨道面倾角i：
即卫星轨道平面与地球赤道面之间的夹角。
这两个参数唯一地确定了卫星轨道平面与地球体之间的相对定向。
（3）为近地点角距：
即在轨道平面上，升交点与近地点之间的地心夹角，表达了开普勒椭圆在轨道平面上的定向。
（4）fs为卫星的真近点角:
即轨道平面上卫星与近地点之间的地心角距。
该参数为时间的函数，确定卫星在轨道上的瞬时位置。
由上述6个参数所构成的坐标系统称为轨道坐标系，广泛用于描述卫星运动。
在描述卫星无摄运动的6个开普勒轨道参数中，只有真近点角是时间的函数，其余均为常数。
故卫星瞬间位置的计算，关键在于计算真近点角。
第四章GPS卫星的导航电文和卫星信号
1、导航电文也称数据码（D码、卫星电文），是用户用来定位和导航的数据基础，由卫星星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟的运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码搜索P码的信息等组成。
是GPS定位的数据基础，是以二进制码的形式，按帧发送的。
2、卫星电文是以二进制码的形式，按帧发送的。
每帧电文包含5个子帧，其中1，2，3子帧的内容每小时更新一次，而子帧4和子帧5的内容又各分为25页，每帧电文里的子帧4和5只取其中一页，25帧为一个子帧，发送的时间为。
电文的内容
（1）遥测码（TLW—TelemetryWord）
遥测码位于各子帧开头，其中所含的同步信号为各子帧提供一个同步起点，便于用户从此起点译出电文
（2）转换码（HOW—HandOverWord）转换码紧接着遥测码，提供如何由C/A捕获P码的信息，以便捕获跟踪P码
第一数据块1中包含了卫星钟的改正数及其数据的龄期、星期的周数编号和卫星的工作状态。
第二数据块2由子帧2和子帧3组成，包含了广播星历的参数，提供卫星的轨道信息。
第三数据块3由子帧4和子帧5组成，包含了卫星的概略星历、卫星的工作状态等，用于选择适当的观测卫星，提高定位精度。
3、码：
用以表示各种不同信息的二进制数及其组合
码元：
在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为（二进制）码元。
4、随机噪声码：
码元的出现无规律，不能复制
5、自相关系数：
设有一码序列U（t）,经过j次平移后,变成U（t）序列,将两个码序列码元对齐,其中码元完全相同的个数为A个,码元不相同的为B个,则自相关系数R（t）为
6、粗码C/A码，用于粗测距和捕获GPS卫星信号的伪随机码，由两个10级反馈移位寄存器构成的G码产生
7、伪随机噪声码：
具有良好的自相关性并且按某种确定的编码规则编码，可人工复制的码序列。
伪随机噪声码的产生（四级反馈移位寄存器）
8、P码为卫星精测码，由两个伪随机码的乘积得到
第五章GPS卫星定位基本原理
1、GPS定位分类：
（1）按用户接收机作业时所处的状态划分为静态定位和动态定位
（2）按参考点的不同位置分为绝对定位（单点定位）和相对定位
（3）
2、测码伪距观测方程的常用形式如下：
式中j为卫星数，j＝1，2，3…。
忽略卫星之间钟差影响，并考虑电离层、对流层折射等影响，可得：
3、载波相位观测方程
4、整周未知数：
在信号被接收机收到之前，卫星信号在空中传播的整相位数。
5、周跳（cycleclips）是指在GPS全球定位系统技术的载波相位测量中，由于卫星信号的失锁而导致的整周计数的跳变或中断。
6、静态绝对定位:
也称单点定位，是指在协议地球坐标系中，直接确定观测站相对于坐标原点（地球质心）绝对坐标的一种方法。
伪距观测方程的线性化:
静态绝对定位时观测站是固定的，可以于不同历元同步观测不同卫星，取得充分多的伪距观测量，通过最小二乘平差，提高定位精度。
由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差，所以要同步观测4颗卫星，解算四个未知参数：
纬度,经度,大地高程h,钟差t
定位精度主要取决于
（1）所测卫星在空间的几何分布（通常称为卫星分布的几何图形）
（2）观测量精度。
精度描述使用精度因子（精度衰减因子、精度系数、精度弥散）DOP-DilutionOfPrecision
精度mx=DOP.00，DOP是权系数阵主对角线元素的函数,00伪距测量中误差
平面位置精度因子HDOP（horizontalDOP）：
相应的平面位置精度
高程精度因子VDOP（VerticalDOP）:
相应的高程精度为：
空间位置精度因子PDOP（PositionDOP）：
相应的三维定位精度：
接收机钟差精度因子TDOP（TimeDOP），钟差精度：
几何精度因子GDOP（GeometricDOP），描述空间位置误差和时间误差综合影响的精度因子，相应的中误差：
卫星六面体的体积越大，所测卫星在空间的分布范围也越大，GDOP值越小；反之，卫星分布范围越小，GDOP值越大
7、静态相对定位载波观测方程
8、单差（Single-Difference——SD）:
在不同观测站，同步观测相同卫星所得观测量之差。
表示为
9、双差（Double-Difference——DD）：
在不同观测站，同步观测同一组卫星，所得单差之差。
符号表示为
10、三差（Triple-Difference——TD）：
于不同历元，同步观测同一组卫星，所得观测量的双差之差。
表达式为：
11、一般是采用双差法求解最终结果，而三差法则只是用于确定整周未知数或求得测站坐标的近似解。
双差可以消去卫星钟的系统偏差、接收机时钟的误差、可以消去轨道（星历）误差的影响以及大气折射对观测值的影响
单差可消除与卫星相关的载波相位及其钟误差，双差可消除与接收机相关的载波相位及其钟误差，三差可消除与卫星接收机有关的初始整周模糊度N。
第七章GPS测量的误差来源及其影响（考察各类误差定义和消弱消除方法）
1、GPS定位中，影响观测量精度的主要误差来源分为三类：
与卫星有关的误差、与信号传播有关的误差、与接收设备有关的误差。
2、根据误差的性质分类：
（1）系统误差：
主要包括卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差、以及大气折射的误差等。
为了减弱和修正系统误差对观测量的影响，一般根据系统误差产生的原因而采取不同的措施，包括：
•引入相应的未知参数，在数据处理中联同其它未知参数一并求解。
•建立系统误差模型，对观测量加以修正。
•将不同观测站，对相同卫星的同步观测值求差，以减弱和消除系统误差的影响。
•简单地忽略某些系统误差的影响。
（2）偶然误差：
包括多路径效应误差和观测误差等。
3、与信号传播有关的误差
（1）电离层折射影响
通常采取的措施：
•利用双频观测
•利用电离层模型加以修正
•利用同步观测值求差
（2）对流层的影响
对流层影响的处理方法：
•定位精度要求不高时，忽略不计。
•采用对流层模型加以改正
•引入描述对流层的附加待估参数，在数据处理中求解。
•观测量求差。
（3）多路径效应：
也称多路径误差，即接收机天线除直接收到卫星发射的信号外，还可能收到经天线周围地物一次或多次反射的卫星信号。
两种信号迭加，将引起测量参考点位置变化，使观测量产生误差。
在一般反射环境下，对测码伪距的影响达米级，对测相伪距影响达厘米级。
在高反射环境中，影响显著增大，且常常导致卫星失锁和产生周跳。
措施：
•安置接收机天线的环境应避开较强反射面，如水面、平坦光滑的地面和建筑表面。
•选择造型适宜且屏蔽良好的天线如扼流圈天线。
•适当延长观测时间，削弱周期性影响。
4、与卫星有关的误差
（1）卫星钟差
（2）卫星轨道偏差（星历误差）（卫星的轨道误差是当前GPS定位的重要误差来源之一）
处理轨道误差的方法原则上有三种；
•忽略轨道误差
•采用轨道改进法处理观测数据：
分为短弧法和半短弧法。
•同步观测值求差
5、接收设备有关的误差
（1）观测误差：
除分辨误差外，还包括接收天线相对测站点的安置误差。
（2）接收机钟差
处理接收机钟差的方法：
•作为未知数，在数据处理中求解。
•利用观测值求差方法，减弱接收机钟差影响。
•定位精度要求较高时，可采用外接频标，如铷、铯原子钟，提高接收机时间标准精度。
（3）天线相位中心位置偏差
6、其他误差：
地球自转影响、相对论效应
第八章GPS测量的技术与实施
1、GPS布网设计与数据采集的技术依据主要是GPS测量规范和测量任务书。
二者同时也是数据处理等后续工作的技术依据。
2、GPS网的精度要求，主要取决于网的用途和定位技术所能达到的精度。
3、GPS网的基准包括位置基准、尺度基准、方位基准。
4、设计的一般原则是
●GPS网一般应采用独立观测边构成闭合图形，例如三角形、多边形或附合线路，以增加检核条件，提高网的可靠性。
●GPS网作为测量控制网，其相邻点间基线向量的精度，应分布均匀。
●GPS网点应尽量与原有地面控制网点相重合。
重合点一般不应少于3个（不足时应联测），且在网中应分布均匀，以利于可靠地确定GPS网与地面网之间的转换参数。
●GPS网点应考虑与水准点相重合，而非重合点，一般应根据要求以水准测量方法（或相当精度的方法）进行联测，或在网中布设一定密度的水准联测点，以便为大地水准面的研究提供资料。
●为了便于GPS的测量观测和水准联测，GPS网点一般设在视野开阔和交通便利的地方。
●为了便于用经典方法联测或扩展，可在GPS网点附近布设一通视良好的方位点，以建立联测方向。
方位点与观测站的距离，一般应大于300m。
5、图形及其特点：
①三角形网:
GPS网中的三角形边由独立观测边组成。
根据经典测量的经验已知，这种图形的几何结构强，具有良好的自检能力，能够有效地发现观测成果的粗差，以保障网的可靠性。
同时，经平差后网中的相邻点间基线向量的精度分布均匀。
这种网形的主要缺点是观测工作量较大，尤其当接收机的数量较少时，将使观测工作的总时间大为延长。
因此通常只有当网的精度和可靠性要求较高时，才单独采用这种图形。
②环形网:
由若干含有多条独立观测边的闭合环所组成的网，称为环形网。
这种网形与经典测量中的导线网相似，其图形的结构强度比三角网为差。
环形网的优点是观测工作量较小，且具有较好的自检性和可靠性，其缺点主要是，非直接观测的基线边（或间接边）精度比直接观测边低，相邻点间的基本精度分布不均匀。
③星形网星形网的几何图形简单，但其直接观测边之间，一般不构成闭合图形，所以其检验与发现粗差的能力差。
这种网形的主要优点，是观测中通常只需要两台GPS接收机，作业简单。
因此在快速静态定位和准动态定位等快速作业模式中，大都采用这种网形，它被广泛地应用于工程放样、边界测量、地籍测量和碎部测量等。
6、拟订观测计划的主要依据
GPS网的规模大小
点位精度要求
GPS卫星星座几何图形强度
参加作业的接收机数量
交通、通信及后勤保障
7、观测计划的主要内容应包括：
编制GPS卫星的可见性预报图
选择卫星的几何图形强度
选择最佳的观测时段
观测区域的设计与划分
编排作业调度表
8、技术设计书的编写
1、任务来源及工作量
2、测区概况
3、布网方案
4、选点与埋标
5、观测
6、数据处理
7、完成任务的措施
9、选点原则：
GPS选点应符合下列要求：
（1）点位应选设在易于安置接收设备和便于操作的地方，视野应开阔。
被测卫星的地平高度角一般应大于10°~15°，以减弱对流层折射的影响。
（2）点位应远离大功率无线电发射源（如电视台、微波站等，其距离不得小于200m；并应远离高压输电线，其距离不得小于50m），以避免周围磁场对GPS卫星信号的干扰。
（3）点位附近不应有强烈干扰接收卫星信号的物体，并尽量避免大面积水域，以减弱多路径误差的影响。
（4）点位应选在交通方便的地方，有利于用其他测量手段联测或扩展。
（5）地面基础稳定，利于点位保存。
（6）应充分利用符合要求的旧有控制点。
10、常用的定位方法：
（1）静态定位
采用两套接收设备，分别安置在一条基线的两个端点，同步观测4颗卫星1h左右，或同步观测5颗卫星20min左右。
注意事项所有观测过的基线应组成一系列封闭图形，以利于外业检核，提高成果可靠度。
并且可以通过平差，有助于进一步提高定位精度。
（2）快速静态定位
在测区中部选择一个基准站，并安置一套接收设备连续跟踪所有可见卫星；另一台接收机依次到各点流动设站，每点观测1~2min。
在观测时段内应确保有5颗以上卫星可供观测；流动点与基准点相距应不超过20km；流动站上的接收机在转移时，不必保持对所测卫星连续跟踪，可关闭电源以降低能耗。
（3）准动态定位
在测区选择一个基准站，安置接收机连续跟踪所有可见卫星；将另一台接收机先置于1号站观测1~2min；在保持对所测卫星连续跟踪而不失锁的情况下，将流动接收机分别在2、3、4…各点观测数秒钟。
应确保在观测时段上有5颗以上卫星可供观测；流动点与基准点距离不超过20km；观测过程中流动接收机不能失锁，否则应在失锁的流动点上延长观测时间1~2min。
（4）往返式重复设站
建立一个基准点安置接收机连续跟踪所有可见卫星；流动接收机依次到每点观测1~2min；1h后逆序返测各流动点1～2min。
流动点与基准点相距不超过20km；基准点上空开阔，能正常跟踪3颗及以上的卫星。
（5）动态定位
建立一个基准点安置接收机连续跟踪所有可见卫星；流动接收机先在出发点上静态观测1~2min；然后流动接收机从出发点开始连续运动；按指定的时间间隔自动测定运动载体的实时位置。
需同步观测5颗卫星，其中至少4颗卫星要连续跟踪；流动点与基准点相距不超过20km。
11、RTK:
实时动态定位技术
RTK测量的作业模式有哪几种RTK测量系统一般由哪三部分构成
（1）作业模式：
A快速静态相对定位（主要应于用工程测量中）。
B准动态相对定位（要求保持对所测卫星连续跟踪，不常用）。
C动态相对定位（主要用于小区域精密导航中）。
（2）构成：
GPS接收机、数据传输系统和软件系统。
12、技术总结内容：
（1）测区范围与位置，自然地理条件，气候特点，交通及电讯、电源等情况；
（2）任务来源，测区已有测量情况，项目名称，施测目的和基本精度要求；
（3）施测单位，施测起讫时间，技术依据，作业人员情况；
（4）接收设备类型与数量以及检验情况；
（5）选点所遇障碍物和环境影响的评价，埋石与重合点情况；
（6）观测方法要点与补测、重测情况，以及野外作业发生与存在问题的说明；
（7）野外数据检核，起算数据情况和数据后处理内容、方法及软件情况；
（8）工作量、工日及定额计算；
（9）方案实施与规范执行情况；
（10）上交成果尚存问题和需要说明的其它问题；
（11）各种附表与附图。
11、GPS接收机分类
（1）按接收机用途：
导航型接收机、测地型接收机、授时型接收机
（2）按接收机载波频率：
单频接收机、双频接收机
（3）按工作原理：
码相关型接收机、平方型接收机、混合型接收机、干涉型接收机
12、GPS高程系统
1．大地高程：
是以参考椭球面为基准面的高程系统，地面某点的大地高程第一位由地面点沿通过该点的椭球法线到椭球面的距离。
2．正高系统：
是以大地水准面为基准面的高程系统，地面某点的正高高程定义为由地面点沿铅垂面至大地水准面的距离。
3．正常高系统：
由于正高实际上无法精确求定，为了使用方便，人们建立了正常高高程系统
13、差分GPS定位定义：
利用设置在坐标已知的点（基准站）上的GPS接收机测定GPS测量定位误差，用以提高在一定范围内其它GPS接收机（流动站）测量定位精度的方法。
14、局域差分&广域差分
a．局域差分基准站作用距离：
数百公里。
特点：
根据多个基准站提供的改正信息，平差后得到自己的改正数——不区分误差源。
b．广域差分基准站作用距离：
数千公里特点：
将各项误差分离出来，建立误差与位置的关系。
基本思想：
对GPS观测量的误差源加以区分，并分别每一误差源模型化，利用该模型计算出每一误差源的数值，通过数据链将该改正数值传递给用户，用户利用该值进行改正。
工作流程：
在若干监测站（基准站）上观测数据（伪距、载波相位等）；将观测数据传输到中心站；中心站对数据进行处理，得到误差改正数；通过数据链将误差改正数传到用户站；用户根据这些误差改正观测数据，计算出高精度的GPS定位结果。
（观测站——中心站——处理得到改正数——用户站——改正——计算高精度定位结果）
15、GPS数据处理流程：
数据采集→数据传输→预处理→基线解算→GPS平差
16：
网络RTK为多基准站RTK，属于广域差分
问答题
1．在全球定位系统中为何要用测距码来测定伪距
答：
用测距码测距有下列优点：
（1）易于将十分微弱的卫星信号从噪声的汪洋大海中提取出来；
（2）可提高测距精度；
（3）可用码分多址技术来区分、处理不同卫星的信号；
（4）便于对整个系统进行控制和管理。
2．为什么说快速而准确地确定整周模糊度是载波相位测量中的关键问题
答：
（1）精确的（）rFφ及修复周跳后的整周计数只有与正确的N配合使用才有意义，N出错将严重损害定位精度和可靠性。
（2）在一般的GPS测量中，定位所需的时间即为确定模糊度所需的时间，快速确定N对提高GPS定位速度，提高作业效率具有重要作用。
3．什么叫多路径误差在GPS测量中可采用哪些方法来消除或消弱多路径误差
答：
经测站附近的反射物反射后的卫星信号若进入GPS接收机就将与直接进入接收机的信号产生干涉，从而使观测值产生偏差，这就是所谓的多路径误差。
解决方法
（1）选择合适的站址，远离信号反射物；
（2）选择合适的接收机（装抑径板、抑径圈，抑
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