河北工程大学GPS最终版.docx

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河北工程大学GPS最终版

●GPS系统的特点:

①定位精度高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

●GNSS全球导航卫星系统

①美国GPS全球定位系统②俄罗斯GLONASS③欧盟伽利略④中国北斗

●GPS系统包括三大部分：

GPS卫星星座、地面监控系统、GPS信号接收机

●卫星星座：

21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成了GPS卫星星座，记作（21+3）GPS卫星。

均分在6个轨道平面内，轨道平均高度约为20200km，卫星运行周期11小时58分。

●定位星座：

在用GPS信号导航定位时，为了解算测站的三维位置，必须观测4颗GPS卫星，称之为定位星座。

●C/A码（S码）：

用于捕获信号及粗略定位的伪随机码

●P码：

精密测距码（用于精密定位）

●保持各颗卫星处于同一时间系统—GPS时间系统

●GPS工作卫星的地面监控系统：

1个主控站，3个注入站，5个监测站

主控站的任务：

收集、处理本站和监测站收到的全部资料，编算出每颗卫星的星历和GPS时间系统，将预测的卫星星历、钟差、状态数据以及大气传播改正编制成导航电文传送到注入站。

注入站的任务：

将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器中

监测站的任务：

为主控站提供卫星的观测数据，采集气象要素等数据

●GPS接收机主要由：

GPS接收机天线单元，GPS接收机主机单元，电源三部分组成。

●GPS定位技术：

是通过安置在地球表面的接收机同时接收4颗以上的GPS卫星发出的信号，测定接收机的位置

GPS定位的实质是什么？

基本定位方法有哪些？

实质：

空间距离后方交会。

方法：

①绝对定位（或单点定位）：

根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。

②相对定位：

通过在多个测站上进行同步观测，测定测站之间相对位置的定位。

③静态定位：

在定位过程中，接收机天线的位置是固定的，处于静止状态时的定位方法。

④动态定位（RTK）：

在定位过程中，接收机天线处于运动状态的定位方法。

●卫星定位中常采用空间直角坐标系及其相应的大地坐标系，一般取地球质心为坐标系的原点。

●根据坐标轴指向的不同：

天球坐标系，地球坐标系

●采用空间直角坐标系便于进行坐标转换，通过平移和旋转从一个坐标系方便地转换至另一坐标系

●坐标系统与时间系统是描述卫星运动，处理观测数据，表达观测站位置的数学与物理基础

●一类是在空间固定的坐标系统（空固系）：

与地球自转无关，描述卫星的运动位置和状态；另一类是与地球体相固联的坐标系统（地固坐标系）：

表达观测站的位置

●坐标系统是由坐标原点、坐标轴的指向和尺度所定义的。

●天球：

是指以地球质心M为中心，半径r为任意长度的一个假想的球体。

●春分点：

当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时，黄道与地球赤道的交点。

●WGS-84大地坐标系（GPS时间系统）

原点位于地球质心

Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极（CTP）方向

X轴指向BIH1984.0的零子午面与CTP赤道的交点

Y轴与Z轴、X轴构成右手坐标系

WGS-84椭球：

IAG和IUGG第17届大会大地测量常数的推荐值

●国家大地坐标系

1954年北京坐标系（克拉索夫斯基椭球，大地原点：

普尔科沃）

1980年国家大地坐标系（椭球参数采用1975年IAG与IUGG第16届大会的推荐值，大地原点：

陕西省泾阳县永乐镇）

2000国家大地坐标系（原点：

地球质心，高斯-克吕格投影）

新1954年北京坐标系

●时间系统与坐标系统一样，应有其尺度（时间单位）与原点（历元）

●恒星时ST,平太阳时MT，原子时ATI（AT），世界时UT，协调世界时UTC

●GPS时间系统

①GPS系统是测时测距系统；②时间在GPS测量中是一个基本的观测量；③GPS系统中，卫星钟和接收机钟均采用稳定而连续的GPS时间系统；④GPS时间系统采用原子时AT秒长作为时间基准

●卫星轨道误差对所测基线精度的影响可按下式估算：

db：

基线误差；b：

基线长；ds：

星历误差；

：

卫星至测站的距离20200km

●考虑摄动力作用的卫星运动为卫星的受摄运动

考虑地球质心引力作用的卫星运动为卫星的无摄运动

●开普勒轨道参数（轨道根数）：

真近点角V，椭圆长半径a，偏心率e，升交点赤经

，轨道面倾角i，近地点角距

●开普勒第一定律：

卫星运动的轨道是一个椭圆，而该椭圆的一个焦点与地球质心相重合

开普勒第二定律：

卫星的地心向径，即地球质心与卫星质心的距离向量，在相同的时间内扫过的面积相等

开普勒第三定律：

卫星运动周期的平方与轨道椭圆长半径的立方之比为一常量，而该常亮等于地球引力常数GM的倒数

●卫星的受摄运动：

①地球的非中心引力

；②太阳的引力

和月球的引力

；③太阳辐射压力

；④大气阻力

；⑤地球潮汐作用力；⑥磁力等。

●卫星星历：

是描述卫星运动轨道的信息，是一组对应某时刻的轨道参数及其变率

●GPS卫星星历：

分为预报星历（广播星历）和后处理星历

●GPS广播星历参数共有16个：

1个参考时刻，6个对应参考时刻的开普勒轨道参数，9个反应摄动力影响的参数

●静态定位（绝对定位）：

指的是对于固定不动的待定点，将GPS接收机安置于其上，观测数分钟乃至更长的时间，以确定该点的三维坐标

●相对定位：

若以两台GPS接收机分别置于两个固定不变的待定点上，通过一定时间的观测，可以确定两个待定点间的相对位置

●单点定位（GPS绝对定位）：

即利用GPS卫星和用户接收机之间的距离观测值，直接确定，用户接收机天线在WGS-84坐标系中，相对于坐标原点-地球质心的绝对位置

●GPS相对定位：

是至少用两台GPS接收机，同步观测相同的GPS卫星，确定两台接收机天线之间的相对位置（坐标差）

●GPS测量主要误差分类：

①与信号传播有关的误差：

对流层折射误差，电离层折射误差，多路径效应误差

②与卫星本身有关的误差：

卫星星历差，卫星钟误差，相对论效应

③与接收机有关的误差：

接收机钟误差，接收机位置误差，天线相位中心位置误差，几何图形强度误差等

④其他误差：

地球自转，地球潮汐

上述误差，按误差性质分为系统误差和偶然误差（多路径效应）

●多路径效应（多路径误差）：

在GPS测量中，如果测站周围的反射物/所反射的卫星信号（反射波）/进入/接收机天线，这将和/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/产生所谓的“多路径误差”，这种由于/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。

●星历误差计算：

db：

由卫星星历误差而引起的基线误差；b：

基线长；ds：

星历误差；

：

卫星至测站的距离20200km

●SA：

选择可用性技术；AS：

反电子欺骗技术

●基本观测量：

码相位观测量，载波相位观测量

●根据码相位观测得出的伪距：

所谓码相位观测，即测量GPS卫星发射的测距码信号（C/A码或P码）到达用户接收机天线的传播时间。

该观测方法亦称为时间延迟测量

●根据载波相位观测得出的伪距：

载波相位观测值：

测量接收机接收到的，具有多普勒频移的载波信号，与接收机产生的参考载波信号之间的相位差。

●载波相位测量原理：

载波相位的观测量是GPS接收机所接受的卫星载波信号与接收机本振参考信号的相位差。

●整周跳变

●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

●周跳：

如果在跟踪卫星过程中，由于某种原因，如卫星信号被障碍物挡住而暂时中断，或受无线电信号干扰造成失锁。

这样，计数器无法连续计数，因此，当信号重新被跟踪后，整周计数就不正确，但是不到一个整周的相位观测值仍是正确的，这种现象称为周跳。

●差分GPS：

概念①利用相距不太远的两个GPS测站在同一时间分别进行单点定位时，所受到的卫星星历误差、大气延迟误差等误差源的空间相关性较好的原理，利用基准站上的观测结果求得上述误差的影响，并通过数据链将误差改正数发送给流动站从而提高流动站定位的精度。

概念②通过在固定测站和流动测站上进行同步观测，利用在固定测站上所测得GPS定位误差数据改正流动测站上定位结果的卫星定位。

●差分GPS分类：

单基准站差分、具有多个基准站的局部区域差分、广域差分

●单站差分按基准站发送的信息方式来分：

位置差分、伪距差分、载波相位差分

●载波相位差分方法分为：

修正法，差分法

●伪距：

是由GPS观测而得的GPS观测站到卫星的距离,由于尚未对因“卫星时钟与接收机时钟误差”的影响加以改正，在所测距离中包含着时钟误差因素在内，故称“伪距”

●连续运行卫星定位导航服务系统（CORS）

●GPS测量精度分级：

AA、A、B、C、D、E

●各等级GPS相邻点间弦长精度：

●式中：

:

GPS基线向量的弦长中误差（mm），亦即等效距离误/a:

GPS接收机标称精度中固定误差（mm）/b：

GPS接收机标称精度中比例误差系数（ppm）/d:

GPS网中相邻点间的距离（km）

●GPS网的布设按网的构成形式分为：

星形网；点连式网；边连式网；网连式网

●GPS网的基准包括位置基准、方位基准和尺度基准。

●观测时段：

测站上开始接收卫星信号到观测停止，连续工作的时间段，简称时段。

●同步观测：

两台或两台以上接收机同时对同一组卫星进行的观测。

●同步观测环：

三台或三台以上接收机同步观测获得的基线向量所构成的闭合环，简称同步环。

●独立观测环：

由独立观测所获得的基线向量构成的闭合环。

简称独立环。

●异步环侧环：

在构成多边形环路的所有基线向量中，只要有非同步观测基线向量，该多边形环路称为异步观测环，简称异步环。

●独立基线：

对于N台GPS接收机构成的同步观测环，有J条同步观测基线，其中独立基线数为N-1

●非独立基线：

除独立基线外的其他基线叫非独立基线，总基线数与独立基线数之差即为非独立基线数

●GPS网特征条件的计算：

观测时段数计算公式：

C=n·m/N

式中，C为观测时段数；n为网点数；m为每点设站次数；N为接收机数。

故在GPS网中：

总基线数：

必要基线数：

独立基线数：

多余基线数：

根据

式，对于由N台GPS接收机构成的同步图形中,

一个时段包含的GPS基线（或简称GPS边）数为:

但其中仅有N-1条是独立的GPS边，其余为非独立的GPS边。

当同步观测的GPS接收机数N≥3时，

同步闭合环的最少个数为:

●GPS网特征条件计算示例:

设某一城市D级GPS控制网，由32个GPS点组成，准备采用6台接收机进行观测，每点观测2个时段，试完成下述内容：

1）一个时段的同步基线数和独立基线数；

2）该GPS网总的观测时段数；

3）该GPS网的总基线数、必要基线数、独立基线数、多余基线数。

●GPS测量的作业模式

1）经典静态定位模式

①作业方法：

采用两台或两台以上接收设备，分别安置在一条或数条基线的两个端点，同步观测4颗以上的卫星，每时段长45min至2h或更多。

②精度：

基线的定位精度可达

，D为基线长度（km）

③适用范围：

建立全球性或国家大地控制网，建立地壳运动监测网、建立长距离检校基线、进行岛屿与大陆联测、钻井定位

④注意事项：

所有已观测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。

可通过平差，有助于进一步提高定位精度。

快速静态定位

①作业方法：

在测区中部选择一个基准站，并安置一台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，每点观测数分钟。

②精度：

流动站相对于基准站的基线中误差为

③应用范围：

控制网的建立及其加密、工程测量、地籍测量

④注意事项：

在观测时段内应确保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。

●准动态定位

①作业方法：

在测区选择一个基准点，安置接收机连续跟踪所有可见卫星；将另一台流动接收机先置于1号站观测；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。

②精度：

基线的中误差约为1～２cm

③应用范围：

开阔地区的加密控制测量、工程定位、碎步测量

④注意事项：

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

●动态定位

①作业方法：

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数分钟；然后流动接收机从出发点开始连续运动；按指定点时间间隔自动测定运动载体的实时位置。

②精度：

相对于基准点的瞬时点位精度1～２cm

③应用范围：

精密测定运动目标的轨迹；剖面测量；航道测量；

④注意事项：

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

GPS测量工作的模式：

静态、快速静态、准动态、动态

●观测成果的外业检核

外业观测成果的质量检核项目：

同步边观测数据检核;重复边检核;同步环闭合差检核;异步环闭合差检核.

1.每个时段同步观测数据的检核

●数据剔除率：

剔除的观测值个数与应获取的观测值个数的比值称为数据剔除率，同一时段观测值的数据剔除率其值应小于10%

●同步边是指接收机设于基线两端，通过多历元同步观测，经平差计算的基线边。

2.重复观测边的检核

●同一基线边，若观测了多个时段（≥2），则可得到多个基线边长。

这种具有多个独立观测结果的基线边，称为重复边。

●重复观测边的检核算例

设GPS网中有一条重复基线向量，其观测值分别为8570.274m,8570.280m,8570.282m，8570.284m和8570.278m。

若接收机的标称精度为5mm±1ppm，通过计算说明该基线向量的观测值是否合格？

3.同步环闭合差的检核

由多台接收机同步观测的结果所构成的闭合环称为同步环。

4.异步环闭合差的检核

在构成多边形环路的所有基线向量中，只要有非同步观测基线向量，则该多边形环路叫异步观测环，简称异步环。

●异步环闭合差检核示例

某一GPS网中有四边异步环，按顺序各边基线向量坐标分别为（-974.6340,-1945.8816,2027.9065）,（2723.6694,2928.9144,-2338.0368）,（-717.1387,-1191.6980,1313.6724）和

（-1031.8912,208.6638,-1003.5456）。

若接收机的标称精度为5mm±5ppm，通过计算（给出必要公式）说明该异步环是否合格？

（坐标单位：

m）

式中，（△Xi,△Yi,△Zi）为第i条基线向量的坐标。

●GPS基线向量网的平差分为三种类型：

无约束平差、约束平差、GPS网与地面网联合平差

●无约束平差的目的：

是检验网本身的内部符合精度，以及基线向量之间有无明显的系统误差和粗差

PPT上：

无约束平差，即只固定网中某一点坐标的平差方法。

无约束平差的目的是多方面的。

1.是建立GPS网的位置基准。

确定一个三维网在空间直角坐标系中的位置，需要三个坐标的定位基准，一个尺度基准和三个方向基准，即三个绝对定位和四个相对定位共七个基准。

2.是发现基线闭合环路闭合差发现不了的小的基线向量粗差，在确定没有粗差后，通过验后方差因子的χ２检验发现基线向量随机模型的误差。

3.根据平差结果，客观地评价GPS网本身的内部符合精度及网的可靠性，如单位权中误差、点位中误差、基线边中误差及其相对中误差；同时为利用GPS大地高与水准联测点的正常高联合确定GPS网点的正常高提供平差处理后的大地高程数据。

4.是以后分析GPS网坐标转换过程中，地面网基准点或约束条件中有无不相容的误差的基础。

●衡量GPS网的可靠性有三个指标：

多余观测分量，内可靠性，外可靠性

●内可靠性：

GPS网的内可靠性亦称观测的可控性，是指在一定的显著水平和检验功效下，用数理统计方法所能探测出的在基线向量中存在的最小粗差。

●外可靠性：

GPS网的外可靠性，是指每个可识别的粗差临界值，即可识别的最小粗差，对平差的未知参数及其这些参数的函数的影响。

GPS测量为什么至少要4颗卫星才能定位？

一般是至少3颗。

但进行伪距单点定位（绝对定位）时，由于每颗卫星的伪距测量观测值中都包含有接收机钟差这一误差，造成距离测量观测值很不准确，需要将接收机钟差作为一个未知数加入到伪距单点定位的计算中再加上坐标三个未知数，所以至少需要4个伪距观测值，即需要同时观测至少4颗GPS卫星。

三颗星可以确定站立点的二维平面空间坐标（经度、纬度），四颗星才能确定站立点的三维立体空间坐标（经度、纬度，加海拔）。

回复：

从理论上来说，以地面点的三维坐标（N，E，H）为待定参数，确实只需要测出3颗卫星到地面点的距离就可以确定该点的三维坐标了。

但是，卫地距离是通过信号的传播时间差Δt乘以信号的传播速度v而得到的。

其中，信号的传播速度v接近于真空中的光速，量值非常大。

因此，这就要求对时间差Δt进行非常准确的测定，如果稍有偏差，那么测得的卫地距离就会谬以千里。

而时间差Δt是通过将卫星处测得的信号发射时间tS与接收机处测得的信号达到的时间tR求差得到的。

其中，卫星上安置的原子钟，稳定度很高，我们认为这种钟的时间与GPS时吻合；接收机处的时钟是石英钟，稳定度一般，我们认为它的时钟时间与GPS时存在时间同步误差，并将这种误差作为一个待定参数。

这样，对于每个地面点实际上需要求解就有4个待定参数，因此至少需要观测4颗卫星至地面点的卫地距离数据。