GPS原理 重点

1、一、绪论1， GPS卫星系统分为：卫星星座，地面控制，监测站和用户设备三个部分2， 基本参数：卫星颗数21+3，卫星轨道面6个，卫星高度20200km，轨道倾角55°，卫星运行周期为11h58min，载波频率为1575.42MHz，1227.60MHz，地面任何点任何时刻，在高度角15°以上，平均同时观测6颗卫星，最多9颗卫星。3， 衡量卫星导航性能：可用性，精度，完好性，连续性4， GPS卫星的作用：(1)，用L波段的两个无线载波（19cm和24cm）向广大用户连续不断的发送导航定位信号(2)，在卫星飞入注入站上空时，接收由地面注入站用S波段（10cm波段）发送到卫星的导

2、航电文和其他有关信息，并通过GPS信号电路，适时的发送给广大用户(3)，接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，适时的改正运行偏差或启用备用时钟等5， GPS工作卫星的地面监控系统包括1个主控站，3个注入站，5个监测站6， 主控站任务:搜集、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任务：将主控站发来的导航电文注入到相应的卫星存储器监测站：为主控站提供卫星的观测数据7，GPS接收机分为导航型跟大地型，大地型分为单频型跟双频型8，GPS系统的特点：定位精度高、观测时间短、测站间无需通

3、视、可提供三维坐标、操作简便、全天候作业、功能多应用广二、坐标系统和时间系统1， 卫星坐标系统根据坐标轴指向不同分为两类：天球坐标系和地球坐标系2， 完全定义一个空间直角坐标系必须明确：坐标原点的位置，三个坐标轴的指向，长度单位3， 天球坐标系（右手坐标系）：天球球面坐标系、天球空间直角坐标系天球球面坐标系:XYZ轴与天球空间直角坐标系一致，用赤经、赤纬、向径表示坐标系上点的位置天球空间直角坐标系：原点为地心M，X轴由地心指向春分点，Z轴指向北天极，Y轴垂直XME平面（XMY平面不是黄道面）4， 大地坐标系（右手坐标系）：大地坐标系、直角坐标系大地坐标系：XYZ轴与直角坐标系一致，用经度、纬度

4、，大地高表示坐标系上点的位置直角坐标系：原点为地心M，X轴由M指向过格林尼治平均天文台子午面与赤道的交点，Z轴过M指向北极点，Y轴过M的直线垂直于ZMX所在的平面5， 站心赤道直角坐标系：以质心M建立球心空间直角坐标系O-XYZ，以测站点P1为原点建立与O-XYZ坐标轴相应平行的P1-XYZ叫做站心赤道直角坐标系站心地平直角坐标系（左手坐标系）：建立以P1为原点P1的法线为Z轴，以子午线方向为X轴，Y轴垂直于XMZ的平面（向东为正） 建立模型弄清楚关系6， 章动：瞬时北天极绕瞬时平北天极旋转产生的椭圆轨迹7， 岁差：一个天体的自转轴指向因为重力作用导致在空间中缓慢且连续的变化8， 极移：地球瞬

5、时自转轴在地球上随时间而变化，称为地球运动9， 1900年国际大地测量与地球物理联合会以1900.001905.05年地球自转瞬时位置的平均位置作为地球的固定极成为国际协议原点CIO10，GPS单点定位的坐标系为WGS-84大地坐标系（协议天球坐标系）:原点为质心M，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极（CTP）方向，X轴指向BIH1984.0定义的零子午面与CTP赤道的交点，Y轴与ZMX平面垂直，构成右手坐标系11，国家坐标系：1954北京坐标系，1980国家大地坐标系，2000国家大地坐标系12，协议天球坐标系岁差瞬时平天球坐标系章动瞬时真天球坐标系时角旋转瞬时地球坐标系极移协议地球

6、坐标系13，两个不同的坐标系统之间的转换(这里指WGS-84坐标系转换为地面网坐标)，当重合点为3个或者三个以上的时候，可以采用布尔萨7参数转换的方法，即3个平移参数3个旋转参数1个尺度变化参数，需要已知3个控制点，实际应用中GPS网可以用基线向量求解转换参数法，此时参数只有4个，即为3个旋转参数1个尺度转换参数，只需要2个控制点【这3个点倒是是旋转用的还是用来检核】 14，恒星时：以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所定义的时间系统为恒星时系统 平太阳时：平太阳连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一平太阳日，一平太阳日分为24平太阳时 世界时：以平子午夜为零时起算的格林尼治平太阳时定义为世界

7、时UT 原子时（ATI）：秒长定义为铯原子超精细的两个能级之间跃迁所持续的时间 GPS时间系统：采用ATI时间基准，但起算的原点定义在1980年1月6日UTC零时三、卫星运动基础及GPS卫星星历1， 无摄运动：只考虑地心引力作用的卫星运动2， 确定卫星轨道椭球在天球坐标系中的方向，需要三个参数，他们是：升交点赤经，升交点N与春分点的地心夹角，升交点是指当卫星由南向北运动时，其轨道与地球赤道面的一个交点i: 轨道面的倾角，即卫星轨道平面与地球赤道面的夹角：近地点角距，平面轨道上近地点A与升交点N之间的地心角距3， 受摄运动：考虑了摄动力作用的卫星运动4， 卫星星历:描述卫星运动轨道的信息，也可以

8、说是卫星星历就是一组对应某一时刻的轨道参数和其变化率5， 预报星历：又叫广播星历，通常包括相对某一参考历元的开普勒轨道参数和必要的轨道摄动改正项参数6， GPS广播星历参数共有16个四、GPS卫星的导航电文和卫星信号 1，GPS卫星的导航电文：包括卫星星历、时钟改正、电离层延迟改正、工作状态信息以及C/A码转换到捕获P码的信息 2，遥测码:位于各子帧的开头，用来表明卫星注入数据状态 转换码：位于每个子帧的第二个字码，提供帮助用户从所捕获的C/A码转换到捕获P码的Z计数 第一数据块：包括（1）标识码，时延差改正（2）星期序号（3）卫星的健康状况 (4)数据龄期(5)卫星时钟改正系数等 第二数据块

9、：内容表示卫星的星历，这些参数为用户提供了有关计算卫星运动位置的信息 第三数据块：包括了所有GPS卫星的历书数据 3，GPS卫星信号:是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波 4，L1波：波长=19.032cm 频率：1575.42MHz L2波：波长=24.42cm 频率：1227.6MHz 5，伪随机码：是一个具有一定周期的取值为0和1的离散符号串，不仅具有高斯噪声所有的良好的自相关性，而且具有某种特定的编码规则6， C/A码码率1.023MHz，p码码率10.23MHz7， GPS接收机的分类：按用途分：导航型接收机、测地型接收机、授时型接收机按载波频率分：单频接收机、双频接收机

10、按接收机通道数分:多通道接收机、序贯通道接收机、多路多用通道接收机按工作原理分：码相关型接收机、平方型接收机、混合型接收机、干涉型接收机五、GPS卫星定位基本原理 1，静态定位: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时间，以确定该点的三维坐标2，绝对定位：也叫单点定位，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系原点-地球质心的绝对位置 3，相对定位：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坐标差 4，伪距：卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得到的量测距离

11、，由于卫星钟差及对流层电离层对信号的延迟，实际测出距离与实际几何距离存在偏差，因此一般测量测出的距离称为伪距5，为什么采用码相关技术来确定伪距？ GPS卫星发射的测距码是按照某一规律排列的，在一个周期内，每个码对应某一特定时间，应该说识别出每个码的形状特征，即用每个码的某一标志即可推算出时延值进行伪距测量。但实际上每个码产生过程中都带有随机误差，并且信号经过长距离传送后也会产生变形，所以根据码的某一标志来推算时延值就会产生比较大的误差。印册采用码相关技术在自相关系数最大的情况下来确定信号的传播时间，这样就排除了随机误差的影响，实质上就是采用了多个码特征来确定时延值得方法。6，伪距测量的原理：G

12、PS卫星依据自己的时钟发射出某一结构的测距码，该测距码经过时间的传播后到达接收机，接收机在自己的时钟控制下产生一组结构完全相同的-复制码，并通过时延器使其延迟时间'将这两组测距码进行相关处理，若自相关系数不等于1，则继续调整延迟时间'直至自相关系数为1为止。使接收机产生的复制码与接收到的GPS卫星测距码完全对齐，那么其延迟时间'即为GPS卫星信号从卫星传播到接收机所用的时间。GPS卫星信号的传播是一种无线电信号的传播，其速度等于光速c，卫星至接收机的距离即为'与c的乘积7，观测方程：Xs-X2+Ys-Y2+Zs-Z2='j+1j+2j+ctk-ctj(

13、左边为几何距离、1j为电离层改正、2j为电离层改正、ctk为接收机钟差、ctj为卫星钟差)8，为什么要进行载波重建在GPS信号中由于已用相位调整的方法在载波上调制了测距码和导航电文，因而接收到的载波的相位已经不再连续9，载波相位测量原理载波相位测量的观测量时GPS接收机所接收的卫星载波信号与接收机本身参考信号的相位差。以kjtk=ktk-kjtk表示相位差，在 t0时刻kjt0=0+N0j接收机继续跟踪卫星信号，不断测定小数部分，并记录从t0到ti之间的整周数变化量lnt()，只要信号没有中断，N0j就为常数，任意时刻有kjti=kti-kjtk+N0j+lnt()，说明从第一次开始，其观测量

14、包括了相位差的小数部分和累计的整周数10，载波相位测量观测方程kj=fc+fta-ftb-fc1-fc2+Nkj11整周模糊度N0的确定(1) 伪距法，：是在进行载波相位测量的同时又进行了伪距测量，将伪距观测值减去载波相位测量的实际观测值后即可得到*N0，但由于伪距测量精度较低，所以要有较多的*N0取平均值后才能获得正确的整波段数。(2) 将整周未知数作为平差中的待定参数-经典方法整数解、实数解(3) 多普勒法（三差法）(4) 快速确定整周未知数法12，周跳：如果在跟踪卫星过程中，由于各种原因，如卫星信号北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

15、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然是正确的，这种现象称为周跳13，周跳修复方法(1) 屏幕扫描法：此方法是由作业人员在对图像进行逐段检查，出现不规则突然变化时，用手工编辑的方法进行逐点逐段修复(2) 用高次差或多项式拟合法：相邻观测值之间求差能探测较大的周跳，曲线拟合法根据几个相位观测值拟合出一个n阶多项式，用次多项式来预估下一个观测值与观测值进行比较，从而发现周跳并修复整周计数(3) 在卫星间求差法(4) 双频观测修复周跳14，观测值的线性组合 一次差：接收机之间（常用）、卫星之间、历元之间 二次差：接收机与卫星之间（常用）、历元与卫星之间、接收机与历元之间 三次差

16、：接收机、卫星、历元之间15，静态绝对定位：接收机天线处于静止状态下，确定观测站坐标的方法称为静态绝对定位16，静态相对定位：相对定位是用两台接收机分别安置在基线两端，同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点的相对位置或基线向量17，三次差改正：（1）大大削弱卫星星历误差影响 （2）消除卫星钟差影响 （3）大大削弱电离层、对流层影响18，SA技术：称为有选择可用性技术，即人为的将误差引入卫星钟和卫星数据中，故意降低GPS定位精度，使C/A码的定位精度从20m降低到100m19,AS技术：称为反电子欺骗技术，方法是将P码与保密的M码相加成Y码，Y码严格保密，目的是防止敌方使用P码进行精密导航定位

17、，当实施AS技术时，非特许用户不能接收到P码20，GPS定位误差分类：（1）多台接收机公有误差 （2）传播延迟误差 （3）接收机的固有误差21，差分GPS可分为：单基准站差分、具有多个基准站的局部区域差分和广域差分22，单站GPS差分原理：利用已知基准站的精密坐标和在基准站上GPS接收机测出来的坐标，计算坐标改正数 优点：计算简单，适用于各种型号 缺点：基准站与用户必须观测同一组卫星，差分只适用于100km以内23，伪距差分原理：在已知坐标的基准站上观测所有卫星，根据基准站已知坐标和测出的各卫星的地心坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真正距离，计算伪距改正 数和伪距变化率改正数，将改正数发射

18、给用户进行测距改正 优点：基准值提供所有卫星的改正数，用户观测任意4颗卫星，就可完成定位 缺点：差分精度随基准站到用户的距离增加而降低24，局部区域GPS差分:在区域中布设一个差分GPS网，该网由若干个GPS基准站组成，包含一个或数个监控站，该局部区域中的用户根据基准值提供的改正信息，经平差后求得自己的改正数25，广域差分：广域差分的积分思想是对GPS观测量的误差源加以区分，并单独对每一误差源分别加以模型化，然后计算出每个误差源的数值，通过数据链传输给用户26，定位精度评价：P69页 DOP值六、GPS卫星导航1，动态定位的特点：（1）用户的广泛性 （2）定位的实时性 （3）速度的多异性七、G

19、PS误差来源及其影响1，GPS误差来源分类：（1）卫星部分：星历误差、卫星钟误差、相对论效应 （2）信号传播:电离层、对流层、多路径效应 （3）信号接收：接收机钟误差、位置误差、天线相位中心变化 （4）其他影响：地球潮汐、负荷潮2，电离层折射： 电离层及其影响：s'Neds表示沿着信号传播路径s'对电子密度进行积分，即电子总量，可见电离层改正的大小主要电子总量跟信号频率 削弱：(1) 用双频观测：分别用两个频率f1、f2来发射卫星信号，利用两个频率信号对应的两个电离层折射率方程解算电离层改正数，从而削弱电离层误差(2) 利用电离层改正模型加以修正（单频）(3) 利用同步观测值求

20、差（差分GPS技术）3，对流层折射： 对流层的折射与地面气候、大气压力、温度和湿度密切相关，这也使电离层折射比对流层折射更为复杂，要求卫星高度角为15也是为了减少对流层误差影响 削弱：(1) 用各种改正模型(2) 引入描述对对流层影响的附加待估参数(3) 利用同步观测量求差(4) 利用水汽辐射计直接计算测定信号传播的影响 4，多路径误差：测站周围的发射物所反射的卫星信号进入接收机天线，这就将和直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉 削弱：（1）选择合适的站址（2）对接收机天线的要求 5，卫星星历误差：由星历给出的卫星在空间的位置与实际位置之差为卫星星历误差 削弱：(1)建立自己的卫星跟踪网独立定

21、轨（2）轨道松弛法（3）同步轨道值求差7， 卫星钟钟差：卫星上高精度的原子钟与理想的GPS之间存在偏差或者漂移，包括钟差、偏频、频飘等产生的误差，也包含钟的随机误差8， 相对论效应:是由于卫星钟与接收钟所处的状态不同而引起的卫星钟和接收机钟之间产生相对钟误差的现象9， 与接收机有关的误差：（1） 接收机钟误差原因：高精度的石英钟导致接收机与卫星钟间的同步差削弱：a 把每个观测时刻的接收机钟差当作未知数一并求解b 建立改正模型c 差分GPS进行削弱（2） 接收机的位置误差（3） 天线相位中心位置的误差（4） GPS天线相位中心的偏差（5） 等效距离误差：各项误差投影只接收机与卫星方向的具体数值（

22、6） 几何图形强度概述：取决于空间后方交会的几何图形强度10， 其他误差：地球自转、地球潮汐改正八、GPS测量的设计与实施1，GPS网技术设计的主要依据是:GPS测量规范（规程）和测量任务书2，GPS测量包括：技术设计、外业观测、内业数据处理3，GPS网的构成概念： 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 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：三台或者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 独立观测环：由独立观测所获得的基线向量构成的闭合环 异步观测环：在构成多边形环路的所有基线向量中，只要有非同步观测的基线向量则该多边形的环路叫异步观测环 N:接收机数 C:观测时段 n：网点数 对于C个观测时段： 总基线数：J总=C*N*(N-1)/2 必要基线数：J必=n-1 独立基线数：J独= C*(N-1) 4，注意：当同步闭合环的闭合差较小时，通常只能说明GPS基线向量的计算合格，并不能说明GPS边的观测精度高，异步闭合环的闭合差是评定GPS网观测质量的重要标志 5，闭合环的闭合差：同一基线，其直接解算结果与独立基线推算所得结果之差 6，GPS网的图形设计(1) 点连式：工作量最小，无重复基线检核(2) 边连式：工作量较大，检核条件较多(3) 网连式：工作量最大，检核条件较多