武汉理工大学资环地科GPS复习

1、第一章一：什么是GPSNAVSTAR全球定位系统（GPS）是一个空基全天侯导航系统，它由美国国防部开发，用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速度和时间信息的要求。二：GPS优点（特点）v 观测站之间不需要通视 提供三维坐标 定位精度高 操作简便 观测时间短 全天候24小时作业三：GPS的发展概况v 1957年10月4日 第一颗人造卫星 Sputnik I 发射成功v 1958年12月开始设计 NNSS TRANSIT，即子午卫星系统v 1964年1月该系统正式运行v 1967年7月系统解密以供民用v 1973年12月，美国国防部批准研制GPS。v 1978年2月22日，

2、第1颗GPS试验卫星发射成功。v 1989年2月14日，第1颗GPS工作卫星发射成功。v 1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战。 v 1992年，IGS成立。（International GPS Service，国际GPS服务机构）v 1995年7月17日，GPS达到FOC 完全运行能力（Full Operational Capability）。v 1999年1月25日，美国副总统戈尔宣布，将斥资40亿美元，进行GPS现代化。v 1999年8月21/22日子夜，GPS发生GPS周结束翻转问题。v 2000年5月1日，美国总统克林顿宣布，GPS停止实施SA。四：各国导航系统v GL

3、ONASS（俄）v Galileo（欧）v 北斗导航系统（中）五：北斗与GPS的联系与区别（查资料，详细）北斗卫星导航系统是中国自行建设的区域性卫星定位、导航系统，GPS是美国国防部建设兵免费提供给全球使用的全球性卫星定位、导航系统。二者的差别有： 覆盖范围：北斗导航系统是覆盖我国本土的区域导航系统。覆盖范围东经约70°一140°，北纬5°一55°。GPS是覆盖全球的全天候导航系统。能够确保地球上任何地点、任何时间能同时观测到6-9颗卫星(实际上最多能观测到11颖)。 卫星数量和轨道特性：北斗导航系统是在地球赤道平面上设置2颗地球同步卫星颗卫星的赤道角距

4、约60°。GPS是在6个轨道平面上设置24颗卫星，轨道赤道倾角55°，轨道面赤道角距60°。航卫星为准同步轨道，绕地球一周11小时58分。 定位原理：北斗导航系统是主动式双向测距二维导航。地面中心控制系统解算，供用户三维定位数据。GPS是被动式伪码单向测距三维导航。由用户设备独立解算自己三维定位数据。“北斗一号”的这种工作原理带来两个方面的问题，一是用户定位的同时失去了无线电隐蔽性，这在军事上相当不利，另一方面由于设备必须包含发射机，因此在体积、重量上、价格和功耗方面处于不利的地位。 定位精度：北斗导航系统三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。GPS三维定位

5、精度P码目前己由16米提高到6米，C/A码目前己由25-100米提高到12米，授时精度日前约20ns。 用户容量：北斗导航系统由于是主动双向测距的询问-应答系统，用户设备与地球同步卫星之间不仅要接收地面中心控制系统的询问信号，还要求用户设备向同步卫星发射应答信号，这样，系统的用户容量取决于用户允许的信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率。因此，北斗导航系统的用户设备容量是有限的。GPS是单向测距系统，用户设备只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行测距定位，因此GPS的用户设备容量是无限的。 生存能力：和所有导航定位卫星系统一样，“北斗一号”基于中心控制系统和卫星的工作，但是“北斗一号”对中心

6、控制系统的依赖性明显要大很多，因为定位解算在那里而不是由用户设备完成的。为了弥补这种系统易损性，GPS正在发展星际横向数据链技术，使万一主控站被毁后GPS卫星可以独立运行。而“北斗一号”系统从原理上排除了这种可能性，一旦中心控制系统受损，系统就不能继续工作了。 实时性：“北斗一号”用户的定位申请要送回中心控制系统，中心控制系统解算出用户的三维位置数据之后再发回用户，其间要经过地球静止卫星走一个来回，再加上卫星转发，中心控制系统的处理，时间延迟就更长了，因此对于高速运动体，就加大了定位的误差。此外，“北斗一号”卫星导航系统也有一些自身的特点，其具备的短信通讯功能就是GPS所不具备的。六：北斗的最

7、新应用进展（2015年之后，最少四条）第二章一：各点的含义二：岁差 地球在日月引力和其他天体引力对地球隆起部分的作用下，地球自转轴方向不再保持不变，使春分点在黄道上产生缓慢的西移现象，天文学中称为岁差。 其中由于赤道运动引起的岁差称为赤道岁差，原来也被称为日、月岁差。 由于黄道运动而引起的岁差称为黄道岁差，原来被称为行星岁差。章动（课本p16）三：极移由于地球内部和外部的种种动力学因素，使得地球体对于自转轴产生相对运动，因而引起了地极的移动，这种现象称为极移。 极移包括 Chandlar分量（周期1.2年）和周年分量四：天球坐标系与地球坐标系的转换协议天球坐标系（岁差旋转）>瞬时平天球坐

8、标系（章动旋转）>观测瞬间的真天球坐标系（旋转SG角）>观测瞬间的真地球坐标系（极移改正）>平地球坐标系五：几个时间的定义（看课本了解）时间系统世界时系统【恒星时（若以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所确定的时间，称为恒星时。春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒星日，一个恒星日含24个恒星时），平太阳时，世界时（以平子夜为零时起算的格林威治平太阳时称为世界时）】，原子时，力学时，协调世界时第三章一：人卫轨道概述v 地球引力地球引力(1) 地球的球形引力或称地球中心力地球引力(2) 地球的非球形引力或称地球形状摄动力v 人卫正常轨道 满足如下假定条件下的卫星轨道，称

9、为人卫正常轨道: 地球为正球，除地球正球引力外卫星不受其它摄动力的作用人卫正常轨道的特点: 运动轨道为一椭圆,可以精确地计算出椭圆大小形状及其在空间中的定向以及卫星在轨道上的位置。二：开普勒行星运动三定律（课本p40）1，卫星运动的轨道是一个椭圆，而该椭圆的一个焦点与地球的质心重合2，卫星在过地球质心的平面内运动，其向径在相同的时间内所扫过的面积相等3，卫星运行周期的平方，同轨道椭圆长半径的立方之比为一常量，而该常量 等于地球引力常数GM的倒数三：轨道六根数升交点赤经 轨道倾角i 长半径a 偏心率e 近地点角距 卫星过近地点的时刻t0决定轨道形状的参数：长半径a 偏心率e决定轨道方向的参数：升

10、交点赤经 轨道倾角i 近地点角距决定卫星位置的参数：卫星过近地点的时刻t0（fs） 第四章一：GPS系统组成二：GPS卫星设计星座：21+3 21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55 °，周期11h 58min 保证在24小时，在高度角15°以上，能够同时观测到4至8颗卫星 当前星座：31颗三：GPS地面监控部分v GPS的地面控制部分（地面监测系统） 组成：主控站（1个）、监测站（17个）和注入站（3个） 作用：监测和控制卫星运行，编算卫星星历（导航电文），保持系统时间。v 主控站（1个）作用：收集各监测站的数据，编制导

11、航电文，监控卫星状态；通过注入站将卫星星历注入卫星，向卫星发送控制指令；卫星维护与异常情况的处理。v 监测站（17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v 注入站（3个）作用：将导航电文注入GPS卫星。四：接收机接收、跟踪、变换和测量GPS信号的设备（多数采用石英钟）(1) 单频接收机 单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线（<15km）的精密定位。(2) 双频接收机 双频接收机可以同时接收，载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样，可以消除电离层对电磁波信号延迟的影响，因此双频接收

12、机可用于长达几千公里的精密定位。五：接收机组成GPS信号接收机组成天线单元：带前置放大器 接收天线接收单元：信号通道 存储器 微处理器 输入输出设备 电源六：GPS信号结构用于导航定位的GPS信号由三部分组成： 载波（L1和L2） 测距码（C/A码和P(Y)码） 导航电文v 载波作用：搭载其它信号，也可用于测量（测距）v 类型L1：频率：1575.43MHz，波长：19cm L2：频率：1227.60MHz，波长：24cm现代化后增加L5：1176.45MHz，波长：26cm测距码方波伪随机噪声码 PRN码两种测距码： C/A码 - 粗码（3m）P(Y)码 - 精码（0.3m）GPS卫星的导航

13、电文（简称卫星电文又叫数据码）：所谓导航电文，就是包含了有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获码等导航信息的数据码(或D码)。卫星星历分为预报星历和精密星历，是用户用来定位和导航的数据基础。七：反馈移位寄存器计算题（课本p61）八：交接字与遥测字（转换码和遥测码）（课本p64.65）九：三个数据块十：几个字母（sps，pps，SA,AS）(看ppt)第五章一：静态定位和动态定位在定位过程中，接收机的位置是固定的，处于静止状态。这种静止状态是相对的。在卫星大地测量学中，所谓静止状态，通常是指待定点的位置，相对其周围的点位没有发生变化，或

14、变化极其缓慢，以致在观测期内（数天或数星期）可以忽略。 静态定位主要应用于测定板块运动、监测地壳形变、大地测量、精密工程测量、地球动力学及地震监测等领域。在定位过程中，接收机天线处于运动状态。这种运动状态也是相对的，通常是指待定点的位置，相对其周围的点位发生显著的变化，或针对所研究的问题和事物来说, 其状态在观测期内不能认为是静止的可以忽略。运动定位主要应用于飞机、船舶和陆地车辆等运动载体的导航中。二：怎样利用测距码得到伪距（1）卫星依据自己的时钟发出某一结构的测距码，该测距码经过t 时间传播后到达接收机；（2）接收机在自己的时钟控制下产生一组结构完全相同的测距码复制码，并通过时延器使其延迟时

15、间；（3）将这两组测距码进行相关处理，直到两组测距码的自相关系数 R(t) = 1为止，此时，复制码已和接收到的来自卫星的测距码对齐，复制码的延迟时间就等于卫星信号的传播时间t；（4）将t乘上光速c后即可求得卫星至接收机的伪距。v 利用测距码进行测距的原理 基本思路:r=t ·c=Dt · c 三：为什么需要四颗及以上卫星得到坐标（具体看ppt）将观测时刻接收机的改正数确定为一个未知数。这样在任何一个观测瞬间，用户至少需要同时观测4颗卫星，以便解算4个未知数。因此伪距法定位的数学模型可表示为：四：载波相位测量原理若卫星S发出一载波信号，该信号向各处传播。设某一瞬间，该信号在

16、接收机R处的相位为jR，在卫星S处的相位为jS。jR 和jS为从某一起始点开始计算的包括整周数在内的载波相位，为方便计，均以周数为单位。若载波的波长为l，则卫星S至接收机R间的距离：如果接收机的震荡器能产生一个频率与初相和卫星载波信号完全相同的基准信号，问题即可解决，因为任何一个瞬间在接收机处的基准信号的相位等于卫星处载波信号的相位。因而，（jS - jR）等于接收机产生的基准信号的相位和接收到的来自卫星的载波信号相位之差：（jS- jR）= F(tb) - j(ta) 五：周跳v 如果由于计数器无法连续计数，当信号被重新跟踪后，整周计数中将丢失某一量而变得不正确。不足一整周部分由于是一个瞬时

17、观测值，因而仍是正确的。这种现象称整周跳变（简称周跳）或丢失整周（简称失周）六：整周模糊度（课本p76）七：RTK RTK是以载波相位测量为根据的实时差分GPS测量技术。 基本原理：在基准站安置一台GPS接收机，对GPS卫星进行连续观测，并通过无线通讯设备发送给用户。用户接收机在收到卫星信号的同时，通过无线电接收到的基准站的观测数据，根据相对定位原理，实时计算出用户位置的三维坐标及其精度。第六章一：误差的来源分类v 与卫星有关的误差 卫星轨道误差 卫星钟差 相对论效应 v 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 v 与接收设备有关的误差 接收机天线相位中心的偏差和变化 接收机

18、钟差 接收机内部噪声v 消除或削弱这些误差所造成的影响的方法主要有： v 建立误差改正模型 求差法 参数法 回避法二：相对论效应及应对方法 狭义相对论效应 与钟的运动速度有关，使星钟变慢。 广义相对论效应 与钟所处位置的重力位有关，使星钟变快。 应对方法 事先调整钟速，根据卫星轨道进行修正。三：电子密度：单位体积中所包含的电子数v 电子密度 与高度有关 与地方时有关 与太阳活动有关 与季节有关 与位置有关 四：多路径效应v 多路径（Multipath）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

19、产生所谓的“多路径误差”。v 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。v 应对多路径误差的方法 观测上v 选择合适的测站：避开易发生多路径的环境，如建构筑物、山坡、成片水域等。 硬件上v 采用抗多路径误差的仪器设备v 抗多路径的天线：带抑径板或抑径圈的天线，极化天线v 抗多路径的接收机：窄相关技术等 数据处理上v 加权v 参数法v 滤波法v 信号分析法第七章一：控制测量与碎部测量 测量工作必须遵循“从整体到局部，先控制后碎部”的原则，先建立控制网，然后根据控制网进行碎部测量和测设。 控制测量 在测区内，按测量任务所要求的精度，测定一系列控制点的平面位置和高程，建立起

20、测量控制网，作为各种测量的基础，这种测量工作称为控制测量。 控制网具有控制全局，限制测量误差累积的作用，是各项测量工作的依据。 碎部测量 基于控制下直接进行的散点测量。 如地形测绘，为地形测图和工程测量建立控制网所进行的测量工作叫控制测量，而将仪器架设在控制点上进行的各地形点采集则叫碎部测量。二：一些基本概念 观测时段 从测站上开始接收信号起到停止观测间的连续工作时间称为观测时段。 同步观测 两台或两台以上的GPS接收机同时对同一组卫星信号进行观测。 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，简称基线。 同步观测环 三台或者三台以上接收机同步观测所获

21、得的基线向量构成的闭合环。 独立基线 若一组基线向量中任何一条基线向量皆不能由该组中其他基线向量的线性组合来表示，则该组基线向量就是一组独立的基线向量。 异步观测环（独立观测环） 在构成多边形的环路基线向量中，只要存在非同步观测基线向量，则该多边形环路就叫异步观测环。 三：各类GPS网A级网一般为区域或国家框架网、区域动力学网B级网为国家大地控制网或地方框架网C级网为地方控制网和工程控制网D级网为工程控制网E级网为测图网。四：同步图形的连接方式 点连式 边连式 网连式 混连式五： GPS基线向量网的设计原则v 选点的原则v 为保证对卫星的连续跟踪观测和卫星信号的质量，要求测站上空应尽可能的开阔

22、，在10°15°高度角以上不能有成片的障碍物。v 为减少各种电磁波对GPS卫星信号的干扰，在测站周围约200m的范围内不能有强电磁波干扰源，如大功率无线电发射设施、高压输电线等。v 为避免或减少多路径效应的发生，测站应远离对电磁波信号反射强烈的地形、地物，如高层建筑、成片水域等。v 为便于观测作业和今后的应用，测站应选在交通便利，上点方便的地方。v 测站应选择在易于保存的地方。 第八章一：网平差基本作用及用途 1 消除由观测量和已知条件中存在的误差所引起的GPS网在几何上的不一致。 2 改善GPS网的质量，评定GPS网精度，可得出一系列可用于评估GPS网精度的指标。 3 确

23、定GPS网中点在指定参考系下的坐标以及其他所需参数的估值。二：高程大地高系统 大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统。某点的大地高是该点到通过该点的参考椭球的法线与参考椭球面的交点间的距离。大地高也称为椭球高，大地高一般用符号H表示。大地高是一个纯几何量，不具有物理意义，同一个点，在不同的基准下，具有不同的大地高。 正高系统正高系统是以大地水准面为基准面的高程系统。某点的正高是该点到通过该点的铅垂线与大地水准面的交点之间的距离，正高用符号Hg表示。正常高系统正常高系统是以似大地水准面为基准的高程系统。某点的正常高是该点到通过该点的铅垂线与似大地水准面的交点之间的距离，正常高用Hg表示。三：

24、测定和测设* 测量学的主要内容包括测定和测设两部分。 * 测定(测绘)从地球上获取数据，并进行处理，表示成图表，测定是指用测量仪器和工具，通过测量和计算，得到一系列测量数据，或地球表面的地貌、地物缩绘成地形图，供经济建设、规划设计、科学研究和国防建设使用。* 测设（放样）把图上设计好的建筑物和构筑物的位置标定到实地上去。2000年10月31日，随着第一颗北斗导航卫星成功发射，我国成为继美、俄之后的世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。北斗卫星导航系统BDS作为中国自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，它的存在和发展一直广受关注。而GPS作为卫星导航系统的老大、最长者，无论是在技术、推广、适用

25、范围等方面，都做到了最成熟、最广泛。因而北斗卫星导航系统一直被拿来跟GPS做比较，这是不可避免也是必须的。另一边，汽车行业在20世纪开始迅猛发展之后，截至2014年底，我国机动车保有量就达到了2.64亿辆，几乎每6人中就有一辆机动车，汽车的发展使得卫星定位导航变得炙手可热，汽车的智能化、安全驾驶、定位导航离不开卫星定位导航技术。在我国，汽车定位终端模式分为两种：1、北斗车载终端，依靠北斗星导航系统进行定位跟踪；2、GPS车载终端，依据车载GPS定位系统进行跟踪定位。这两种定位终端方式哪种对车主来说更好呢？下面小编就从几个方面对两者进行比较。一、组成卫星BDS：北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨

26、道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，中国计划2012年左右，“北斗”系统将覆盖亚太地区，2020年左右覆盖全球。目前已成功发射16颗北斗导航卫星。GPS：GPS是由24颗卫星组成（21颗工作卫星；3颗备用卫星），它位于距地表20200km的上空，运行周期为12h。卫星均匀分布在6个轨道面上（每个轨道面4颗），轨道倾角为55°。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星，并能在卫星中预存导航信。二、覆盖范围BDS：北斗导航系统是覆盖中国本土的区域导航系统，覆盖范围东经约70°140°，北纬5°55°。北斗卫星系统已经对东南亚实

27、现全覆盖。GPS：覆盖全球的全天候导航系统。能够确保地球上任何地点、任何时间能同时观测到6-9颗卫星(实际上最多能观测到11颗)。三、定位精度BDS：目前，“北斗”定位系统民用服务精度已达10米，而最新一代导航芯片定位精度可达2.5米，海上北斗增强系统的精度更是已提升至3厘米级别，但在卫星数较少、卫星分布较差的区域，定位精度较差或无法定位。GPS：已经实现单机导航精度约为10米，综合定位的话，精度可达厘米级和毫米级。但民用领域开放的精度约为10米。四、主要功能BDS：快速定位，为服务区域内的用户提供全天候、实时定位服务，定位精度与GPS相当；短报文通信，一次可传送多达120个汉字的信息；精密授时，精度达20纳秒。GPS：全方位、全天候、全时段、高精度的卫星导航系统，为全球用户提供低成本、高精度的三维位置、速度和精确定时等导航信息。五、优缺点BDS：北斗具有GPS没有的通信和目标定位，GPS目前只能告诉使用者“我”在哪里，但北斗系统不但能告诉使用者“我”在哪里，还能告诉使用者“我的朋友”在哪里。但缺点是还处于发展阶段，主要应用于军用，民用推广还没做到全面普及，而且芯片造价较高，在中高纬度地区，由于北斗可见卫星数较少、卫星分布较差，定位精度较差或无法定位。GPS：技术成熟，定位准确，全球覆盖，用户容量无限，缺点是规模太大、造价太高，GPS只能用作导航却无法实现通信功能。六、总结