GPS测量原理与应用复习资料

GPS测量原理与应用2010GIS螃蟹编PAGEPAGE8GPS测量原理及应用第一章绪论•GPS的含义：全球定位系统（GPS）是一个空基全天候导航系统，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。•卫星导航系统分类：按用户接收机是否发射信号分类：无源系统、有源系统。按测量的参数分类：测距导航系统、测距离差导航系统、卫星多普勒导航系统、测角导航系统、混合系统。按卫星运行轨道高度分类：低轨道（近地轨道）、中高轨道、同步轨道。④按工作区域分类：全球覆盖系统、区域覆盖系统。–北斗一号卫星导航定位系统：北斗导航系统同时具备定位与双向通信能力，可以独立完成移动目标的定位与调度功能；GPS系统本身不具备通信能力，需要和其他通讯系统结合才能实现移动目标的远程定位与监控功能。北斗导航系统是区域性导航系统；GPS系统是全球性导航系统。北斗导航系统是由我国自主控制；GPS系统是由美国军方控制。–欧盟伽利略系统：①空间段：由分布在三个轨道上的30颗中等高度轨道卫星（MEO）构成，每个轨道面上有10颗卫星（9颗正常工作，1颗运行备用）；轨道面倾角56度。②地面段：包括全球地面控制段、全球地面任务段、全球域网、导航管理中心、地面支持设施地面管理机构。③用户：用户端主要就是用户接收机及其同等产品，伽利略系统考虑将与GPS、GLONASS的导航信号一起组成复合型卫星导航系统，因此用户接收机将是多用途、兼容型接收机。–前苏联GLONASS系统：星座轨道为3个等间距椭圆轨道，轨道面间夹角120°，轨道倾角64.8°，偏心率0.01，每个轨道上等间距地分布8颗卫星。卫星离地高度19100km，绕地运行周期为11时15分，地迹重复周期为8天，轨道同步周期17圈。其卫星轨道倾角大于GPS卫星轨道倾角，所以在高纬度地区的可视性好。面控制系统包括1个系统控制中心、1个指令跟踪站，网络分布于俄罗斯境内。–GNSS系统：27＋3颗卫星组成，部署在3个中高度圆轨道面上，轨道高度23616km，倾角56°，设计思想是完全从民用出发，与GPS、GLONASS兼容，有2个控制中心。GPS系统组成：由空间部分、地面控制部分、用户设备部分三部分组成。–GPS卫星星座：21颗正式的工作卫星＋3颗活动的备用卫星。6个轨道面，平均高度20200km，轨道倾角55°，周期11h58min（顾及地球自转，地球—卫星的几何关系每天提前4min重复一次）。保证在24小时，在高度角15°以上，能够同时观测到4—11颗卫星。–地面监控系统：包括1个主控站、3个注入站和5个监测站。•GPS系统各部分的作用–GPS卫星：①向用户发送导航定位信号。②接收注入站发送的导航电文和其他信息。③接收调度命令，改正运行偏差或启用备用时钟。–主控站：①采集数据：主控站采集各个监测站所测得的伪距和积分多普勒观测值、气象要素、卫星时钟和工作状态的数据，监测站自身的状态数据，以及海军水面兵器中心发来的参考星历。②编辑导航电文：根据采集到的全部数据计算出每一颗卫星的星历、时钟改正数、状态数据，以及大气改正数，并按一定的格式编辑为导航电文，传送到注入站。③诊断功能：对整个地面支撑系统的协调工作进行诊断；对卫星的健康状况进行诊断，并加以编码向用户指示。④调整卫星：根据所测的卫星轨道参数，及时将卫星调整到预定轨道，使其发挥正常作用，而且还可以进行卫星调度，用备份卫星取代失效的工作卫星。–监测站：为主控站提供卫星的观测数据、气象数据。–注入站：将主控站发来的导航电文注入到相应的卫星存储器。–GPS信号接收机：①捕获卫星信号、跟踪卫星运行。②对接收的GPS信号进行变换、放大和处理。③测出信号传播时间，解译导航电文。④实时计算测站的三维坐标、三维速度和时间。•GPS系统的特点：定位精度高；观测时间短；测站间无需通视；可同时提供三维坐标；操作简便；全天候作业；功能多、应用广。第二章坐标系和空间系•坐标系统的定义：坐标原点的位置、三个坐标轴的指向、坐标轴的长度单位。任一坐标系中，坐标值与空间点位一一对应。球面坐标系：以地球质心为坐标系的原点，以天极和春分点作为天球定向基准的坐标系•常用的坐标系统–球面坐标系：以地球质心为坐标系的原点，以天极和春分点作为天球定向基准的坐标系。–大地坐标系：以参考椭球中心为原点，起始子午面和赤道面为基准面的地球坐标系。空间直角坐标系：直角坐标系定义的三要素：坐标原点的位置、三个坐标轴的指向、坐标轴长度单位•常见的时间系统–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。–平太阳时：以平太阳为参考点，由平太阳的周日视运动所定义的时间系统。（假设一个平太阳以真太阳周年运动的平均速度在天球赤道上作周年视运动，其周期与真太阳一致。–世界时：以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时。–原子时：以物质内部原子运动的特征为基础的时间系统。–协调世界时：采用原子时秒长，采用跳秒的方法使协调时与世界时的时刻相接近，其差不超过1秒。–GPS时间系统：采用原子时ATI秒长作为时间基准，起算的原点定义在1980.1.6UTC0时。GPS时是用周数＋周内时间（秒）来表示，以1980年1月6日0时0分0秒为第0周第0秒，如2004年5月1日10时5分15秒为第1268周554715秒。时间尺度：运动连续、周期恒定、可观测、可用试验复现的周期运动。第三章GPS卫星运动基础及卫星星历•卫星所受的作用力：地球对卫星的引力（主要）、日月引力、大气阻力、太阳光压、地球潮汐力。–受力分类：中心引力（地球质心引力）、摄动力（地球对卫星的非中心引力、日月引力、大气阻力、太阳光压、地球潮汐力）。卫星的运动：①无摄运动：只考虑地球质心引力作用的卫星运动。②受摄运动：考虑摄动力作用的卫星运动。•卫星运动轨道的描述：开普勒轨道六参数（轨道根数）：a、e、V、Ω、i、ω。轨道摄动九参数：△n、I、Ω、Cuc、Cus、Crc、Crs、Cic、Cis。•卫星星历：一组对应某一时刻的轨道根数及其变化率，用来描述卫星运动轨道的信息（计算出任一时刻卫星的速度和位置）。–广播星历（预报星历）：通过GPS卫星实时发送给各个用户，它加载在卫星的导航电文中，接收机在接收卫星信号时就同时接收了预报星历；相对于参考历元的外推星历，精度约为20m（精度较低），坐标系统为WGS-84；参数选择采用了开普勒轨道参数加调和项修正方案，用于普通测量和导航。–后处理星历（精密星历）：由地面跟踪站的观测资料，应用与广播星历相似的方法而计算得到，不通过导航电文向用户传递，而是利用磁带、电视、卫星通讯等方式有偿地为需要的用户服务；精度分米—米，坐标系统为TRF，可从IGS网站上下载；其参数是通过地面观测计算出的，无外推误差，适于较高精度的测量、定位中使用。ＧＰＳ广播星历参数：1个参考时刻toe；6个对应toe的轨道参数（M0,e,a,Ω0,ω0,i0）；9个摄动改正项Δn、Ώ、Ί、Cuc、Cus、Crc、Crs、Cic、Cis第四章卫星导航电文与卫星信号•导航电文的内容：GPS卫星的导航电文是用户用来定位和导航的数据基础，包括卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、工作状态信息、C/A码转换到捕获P码的Z计数。•导航电文的基本结构：电文的基本单位是长1500bit的一个主帧，一个主帧包括5个子帧。其中，第1、2、3子帧各有10个字码，每个字码有30bit；第4、5子帧各有25个页面，共有37500bit。•GPS卫星位置的计算思路与步骤：①计算卫星运行的平均角速度n。②计算归化时间tk。③观测时刻卫星平近点角Mk的计算。④计算偏近点角Ek。⑤真近点角Vk的计算。⑥升交距角Фk的计算。⑦摄动改正项δu、δr、δi的计算。⑧计算经过摄动改正的升交距角Uk、卫星矢径rk和轨道倾角ik。⑨计算卫星在轨道平面坐标系的坐标。⑩观测时刻升交点经度Ωk的计算。⑾计算卫星在地心固定坐标系中的直角坐标•GPS接收机–GPS接收机的组成：天线单元：接收天线、前置放大器主机单元：变频器、信号通道、微处理器、存储器、显示器电源：内电源、外接电源–GPS接收机的分类：①按接收机的用途分类：导航型接收机（车载型、航海型、航空型、星载型）、测地型接收机、授时接收机②按接收机的载波频率分类：单频接收机；双频接收机③按接收机通道数分类：多通道接收机、序贯通道接收机、多路多用通道接收机④按接收机工作原理分类：码相关型接收机；平方型接收机混合型接收机；干涉型接收机第五章卫星定位的基本原理•卫星定位的基本原理：测距交汇：将无线电信号发射台从地面点搬到卫星上，组成一颗卫星导航定位系统，应用无线电测距交会的原理，便可由三个以上地面已知点（控制站）交会出卫星位置，反之利用三颗以上卫星的已知空间位置又可交会出地面未知点（用户接收机）的位置。•卫星定位要解决的基本问题：①卫星的位置②卫星到测站（用户接收机）之间的距离。•伪距：由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出的测量距离，即ρ′＝cτ′。–伪距测量由GPS接收机在某一时刻测出得到四颗以上GPS卫星的伪距以及已知的卫星位置，采用距离交会的方法求定接收机天线所在点的三维坐标，其观测值为C/A码伪距、P码伪距，具有定位精度低、定位速度快（实时定位）的特点。•重建载波：将非连续的载波信号恢复成连续的载波信号。–重建载波问题的产生：①调制了测距码和导航电文后，载波不再是连续的。②要测定载波相位，必须设法使不连续的载波信号恢复为连续的载波信号。•重建载波的方法–码相关法：①方法：将所接收到的信号（卫星信号）与接收机产生的复制码相乘。②技术要点：卫星信号（弱）与接收机信号（强）相乘。③特点：需要了解码的结构（限制）；可获得导航电文和全波长的载波，信号质量好（信噪比高）（优点）。–平方法：①方法：将所接收到的调制信号（卫星信号）自乘。②技术要点：卫星信号自乘。③特点：无需了解码的结构（优点）；无法获得导航电文，所获载波波长为原来波长的一半，信号质量较差（信噪比低，降低了30dB）（缺点）。–互相关（交叉相关）技术：①方法：在不同频率的调制信号（卫星信号）进行相关处理，获取两个频率间的伪距差和相位差。②技术要点：不同频率的卫星信号进行相关。③特点：无需了解Y码的结构；可获得导航电文；可获得全波波长的载波；信号质量较平方法好（信噪比降低了27dB）。–Z跟踪技术：①原理：AS码；W码；将相关间隔限定在一个W码码元内。②技术要点：在一个W码码元内进行卫星信号（弱）与复制信号（强）的相关。③特点：无需了解Y码的结构；可测定双频伪距观测值；可获得导航电文；可获得全波波长的载波；信号质量较平方法好（信噪比降低了14dB）。•载波相位测量的基本原理：利用载波信号是周期正弦信号，通过载波测量卫星与接收机间的距离，交会出接收机的空间位置。–载波相对测量的观测值：GPS接收机所接收的卫星载波信号与接收机本真参考信号的相位差，包括载波相位观测值、t0时刻包含整周模糊度的观测值、后续ti时刻观测值。•载波相位测量需要解决的问题：整周未知数（整周模糊度）的确定–整周未知数（整周模糊度）：时刻载波在空间传输的整周期数，是一个无法通过观测获得的未知数。确定方法：①伪距法是在进行载波相位测量的同时又进行伪距测量。②当作平差的待定参数③多普勒法④快速确定整周未知数法。–周跳：在卫星跟踪过程中，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，这样计数器就无法连续计数。当信号被重新跟踪后，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。产生原因：信号被遮挡；干扰；接收机运动速度过快；接收机暂时的故障。探测与修复方法：①屏幕扫描法。②高次差法或多项式拟合法。③简单的高次差。④星间差分的高次差。⑤残差法。•绝对定位（单点定位）–定义单独利用一台接收机确定待定点在地固坐标系中绝对位置的方法。•静态相对定位–定义：两台或两台以上接收机分别安置在基线的两端，同步观测相同GPS卫星，确定基线端点的相对位置或基线向量。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。–定位基本原理：将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测。根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时地将这一改正数发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高精度。•差分GPS的类型：①单站差分：a．位置差分特点：差分改正计算的数学模型简单；差分数据量少；基准站与流动站要求观测完全相同的一组卫星。b．伪距差分特点：发送距离改正数；差分数据量较多；基准站观测所有卫星；流动站观测任意4颗卫星；精度随距离增加而降低。c．载波相位差分方法：修正法；差分法。②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）③根据时效性：实时差分；b．后处理差分。第六章GPS卫星导航动态定位–定义：GPS动态定位（测量）是利用GPS信号，测定相对于地球运动的用户天线的状态参数，这些状态参数包括三维坐标、三维速度和时间等七个。第七章GPS测量误差的来源及其影响•GPS测量误差的分类及对距离测量的影响与卫星有关的误差–卫星星历（轨道）误差：由卫星星历给出的卫星在空间的位置与卫星的实际位置之差，称为卫星星历误差。星历误差对单点定位的影响主要取决于卫星到接收机的距离以及用于定位或导航的GPS卫星与接收机构成的几何图形。由卫星星历给出的卫星在空间的位置与实际位置之差，称为卫星星历（轨道）解决方法：①建立自己的卫星跟踪网独立定轨。②当作未知数求解——轨道松法。③同步观测值求差。–卫星钟的误差：卫星钟与GPS理想时间无法保持一致，存在偏差或漂移。解决方法：利用模型改正、钟差改正多项式、相对定位或差分定位。–相对论效应：由于卫星钟和接收机所处的状态不同而引起卫星钟和接收机钟之间相对钟误差的现象。①狭义相对论（时间膨胀，钟的频率与其运动速度有关）：在狭义相对论效应作用下，卫星上钟的频率将变慢。②广义相对论（钟的频率与其所处的重力位有关）：在广义相对论效应作用下，卫星上钟的频率将变快。解决方法：在地面上调低将要搭载到卫星上去的钟的频率。•与信号传播有关的误差–电离层的延迟误差：解决方法：①经验模型改正：根据以往观测结果所建立的模型。改正效果差。②双频改正：利用双频观测值直接计算出延迟改正或组成无电离层延迟的组合观测量。改正效果最好。③实测模型改正：利用实际观测所得到的离散的电离层延迟（或电子含量），建立模型（如内插）。改正效果较好。–对流层延迟：解决方法：①利用对流层模型加以修正：霍普菲尔德改正模型、萨斯塔莫宁改正模型、勃兰克改正模型。②将对流层影响当作未知数，在数据处理时求解。③利用同步观测值求差。④利用水汽辐射计直接测定信号传播的影响。–多路径误差：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产生所谓的“多路径误差”。多路径误差与测站环境、反射体性质、接收机结构和性能有关。解决方法：①观测上：选择合适的测站，避开易产生多路径的环境（如水域、山坡、高大建筑物等）。②硬件上：采用抗多路径误差的仪器设备。抗多路径的天线：带抑径板或抑径圈的天线，极化天线；抗多路径的接收机：窄相关技术等。③适当延长观测时间。•与接收机有关的误差–接收机钟差：GPS接收机一般采用石英钟，接收机钟与理想的GPS时之间存在的偏差和漂移。解决方法：①作为未知数与测站位置一并求解。②把接收机的钟误差表示为时间的多项式进行求解。③通过卫星间求一次差。–接收机的位置误差：接收机天线的相位中心相对测站标石中心位置的偏差。解决方法：①正确的对中整平。②采用强制对中装置（变形监测时）。–天线相位中心偏差：接收机天线接收到的GPS信号是来自四面八方，随着GPS信号方位和高度角的变化，接收机天线的相位中心的位置也在发生变化。解决方法：①使用相同类型的天线并进行天线定向（限于相对定位）。②归心改正法：主要用于进行高精度单点定位以及采用不同类型的接收机天线进行相对定位。•其他误差：地球自转的影响、气球潮汐改正（固体潮、负荷潮）。•GPS测量误差的性质：①偶然误差：卫星信号发生部分的随机噪声、接收机信号接收处理部分的随机噪声、其它外部某些具有随机特征的影响。随机；量级小（毫米级）。②系统误差：其它具有某种系统性特征的误差。具有某种系统性特征；量级大（最大可达数百米）。•消除或减弱各种误差影响的方法–模型改正法：利用模型计算出误差影响的大小，直接对观测值进行修正。（改正后的观测值＝原始观测值＋模型改正）适用情况：对误差的特性、机制及产生原因有较深刻了解，能建立理论或经验公式。误差源：相对论效应、电离层延迟、对流层延迟、卫星钟差。限制：有些误差难以模型化。–求差法：通过观测值间一定方式的相互求差，消去或消弱求差观测值中所包含的相同或相似的误差影响。适用情况：误差具有较强的空间、时间或其它类型的相关性。误差源：电离层延迟、对流层延迟、卫星轨道误差等。限制：空间相关性将随着测站间距离的增加而减弱。–参数法：采用参数估计的方法，将系统性偏差求定出来。适用情况：几乎适用于任何的情况。限制：不能同时将所有影响均作为参数来估计。–回避法：选择合适的观测地点，避开易产生误差的环境；采用特殊的观测方法；采用特殊的硬件设备，消除或减弱误差的影响。适用情况：对误差产生的条件及原因有所了解；具有特殊的设备。误差源：电磁波干扰、多路径效应。限制：无法完全避免误差的影响，具有一定的盲目性。第八章GPS测量的设计与实施•GPS网基准：①方位基准：起算方位角或基线方位角。②尺度基准：测距边或已知起算点的距离。③位置基准：由起算点坐标确定。•GPS网的基本概念：①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。②基线：由GPS接收机进行相对定位所得的线段或坐标差。③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。④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。⑤异步观测环：在构成多边形环路的所有基线向量中，有非同步观测基线向量的闭合环。⑥独立观测环：由独立观测所获得的基线向量构成的闭合环。⑦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。⑧非独立基线：除独立基线外的其他基线。在同步或异步观测环中，独立基线与非独立基线是相对的。•ＧＰＳ网特征条件的计算观测时段数：C=n·m/N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）多余基线数：J多=C·（N-1）-（n-1）•ＧＰＳ网同步图形构成及独立边的选择由N台GPS接收机构成的同步图形中一个时段包含的GPS基线数为：J=N（N-1）/2当同步观测的GPS接收机数≥3时，同步三角形闭合环的最少个数为：T=J-(N-1)•GPS网设计的网形–点连式：相邻同步图形之间仅有一个公共点的连接。特点：图形几何强度很弱；非同步图形闭合条件少。–边连式：同步图形之间由一条公共基线连接。特点：图形几何强度较高；非同步图形闭合条件较多；观测时段增加。–网连式：形式：相邻的同步图形间有3个（含3个）以上的公共点相连。特点：图形强度最强；作业效率低•GPS测量的作业模式介绍–经典静态定位：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颗以上卫星，每时段长45分钟至2个小时或更多。②应用范围：建立全球性或国家级大地控制网，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、钻井定位及精密工程控制网建立等。③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，并且可以通过平差，有助于进一步提高定位精度。④精度：基线的定位精度可达5mm+1×10-6·D（D为基线长度Km）。–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应用范围：控制网的建立及其加密、工程测量、地籍测量、大批相距百米左右的点位定位。③注意事项：在测量时段内应确保有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。④特点：优点是作业速度快、精度高、能耗低；缺点是二台接收机工作时，构不成闭合图形，可靠性差。⑤精度：流动站相对于基准站的基线中误差为5mm+1×10-6·D。–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„各点观测数秒钟。②应用范围：开阔地区的加密控制测量、工程测量及碎部测量及线路测量等。③注意事项：应确保在观测时断上有5颗