GPS測量原理與應(yīng)用

1、第一章 緒論1. GPS系統(tǒng)的組成 空間部分（ GPS衛(wèi)星星座） 設(shè)計星座： （21+3）/6 當前星座： 31 顆6 個軌道平面，平均軌道高度 20200km 地面控制部分（地面監(jiān)控系統(tǒng)） 一個主控站 : 成導(dǎo)航電文傳送到注入站 ; 負責(zé)監(jiān)測整個地 面監(jiān)測系統(tǒng)的工作三個注入站 : 將主控站發(fā)來的導(dǎo)航電文注入發(fā)送到相應(yīng)衛(wèi) 星五個監(jiān)測站 : 主要任務(wù)：為主控站提供衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù) 用戶設(shè)備部分（ GPS接收機、 數(shù)據(jù)處理軟件） 天線單元和接收單元2. GPS衛(wèi)星的作用 用 L 波段無線載波向 GPS用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導(dǎo)航定位 信號。 在衛(wèi)星飛越注入站上空時，接收由地面注入站用 S 波段 發(fā)送到衛(wèi)星

2、的導(dǎo)航電文和其他有關(guān)信息，并通過 GPS信號 電路，適時地發(fā)送給廣大 GPS用戶。 接收地面主控站通過注入站發(fā)送到衛(wèi)星的調(diào)度命令，適 時地改正運行偏差或啟用備用時鐘。3. GPS系統(tǒng)的特點（1）定位精度高? GPS 相對定位精度在 50km 以內(nèi)可達 10-6, 100500km 可達 10-7,1OOOkm 以上可達 10-9 。?工程精密定位中，平面位置誤差小于1mm（2）觀測時間短（3）測站間無需通視（4）可提供三維坐標（5）操作簡便（6）全天候作業(yè)（7）功能多，應(yīng)用廣4. GLONASS:（213）/35. GALILEO （27+3） /36. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)給用戶若干監(jiān)測站 :

3、用戶終端： 北斗導(dǎo)航定位接收機：基本型 /通信型 / 授時 型/指揮型6-2 BDS系統(tǒng)的定位原理 利用兩顆地球同步衛(wèi)星進行雙向測距，進行距離交會得到 用戶的平面位置（高程則由地面數(shù)字高程模型得到）6-3 BDS 系統(tǒng)的作業(yè)流程地面中心站衛(wèi)星 1用戶衛(wèi)星 1地面中心站用戶 （ l ）地面中心站連續(xù)向北斗衛(wèi)星發(fā)射信號，經(jīng)衛(wèi)星接收、 放大、變頻后再播發(fā)給用戶；（ 2）用戶終端接收到衛(wèi)星信號后注入必要的測站信息，放大變頻后再將應(yīng)答信號播發(fā)給兩顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星；（ 3）兩顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星收到用戶的應(yīng)答信號后， 放大變頻， 再將信號送往地面中心站；（ 4）地面中心站量測出衛(wèi)星信號的到達時間后，采用距離交會法

4、求得用戶的平面位置（用戶的高程則是通過地面高 程模型獲得）；（5）地面控制中心再通過衛(wèi)星將計算結(jié)果告訴用戶6-4 BDS系統(tǒng)的特點 主動式定位方式（接收衛(wèi)星信號，且發(fā)射應(yīng)答信號）， 隱蔽性差定位速度慢，用戶數(shù)量受到一定的限制 用戶不能獨立進行定位，計算工作必須在地面中心站內(nèi)完 成。衛(wèi)星少、投資小、建成快 ，用戶設(shè)備簡單 具備一定的短報文通信能力6-5 系統(tǒng)組成 空間部分（混合星座） ?5顆地球靜止軌道衛(wèi)星 ?30顆非靜止軌道衛(wèi)星27顆中高地球軌道衛(wèi)星 MEO3個軌道面3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星 IGSO 地面控制部分 用戶設(shè)備部分6-1系統(tǒng)組成 空間部分：（ 2+1 ） 地球同步軌道衛(wèi)星 （東經(jīng)

5、 80 140和 110.5赤道上空） 地面控制部分一個地面中心站 :接收用戶終端的應(yīng)答信號 / 數(shù)據(jù)處理 / 分發(fā)6-5 系統(tǒng)建立 （三步走戰(zhàn)略 ）第一步：建設(shè)北斗一號系統(tǒng) （也稱北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)） 1994 年，啟動北斗一號系統(tǒng)工程建設(shè) 至2003年3顆地球靜止軌道衛(wèi)星第二步：建設(shè)北斗二號系統(tǒng)2004年，啟動北斗二號系統(tǒng)工程建設(shè)； 2012年年底，完成 14顆衛(wèi)星第三步：建設(shè)北斗全球系統(tǒng) 2009年，啟動北斗全球系統(tǒng)建設(shè)，繼承北斗有源服務(wù)和無 源服務(wù)兩種技術(shù)體制； 計劃 2018年，面向“一帶一路”沿 線及周邊國家提供基本服務(wù)； 2020年前后， 完成 35顆衛(wèi)星 發(fā)射組網(wǎng)，為全球用戶

6、提供服務(wù)。6-6定位精度 10米，測速精度 0.2米/秒，授時精度 10納秒第二章 坐標系統(tǒng)和時間系統(tǒng)1.坐標系統(tǒng)類型 地球坐標系地固系 隨同地球自轉(zhuǎn)，點位坐標不會隨地球自轉(zhuǎn)而變化； 用于表達地面觀測站的位置和處理 GPS觀測數(shù)據(jù)。 天球坐標系空固系 與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)，用于描述衛(wèi)星的運行位置和狀態(tài)。 軌道坐標系統(tǒng)用于研究衛(wèi)星在其運行軌道上的運動2. 時間系統(tǒng)類型恒星時 ST（ Sidereal Time）平太陽時 MT（ Mean Solar Time ）世界時 UT（ Universal Time ）原子時 AT（ Atomic Time ）諧調(diào)世界時 UTC（ Coordinated Uni

7、versal Time ）GPS時間系統(tǒng) （ GPST）3. 天球坐標系的定義： 假設(shè)地球為均質(zhì)的球體，且沒有其 它天體攝動力的影響；即假定地球的自轉(zhuǎn)軸，在空間的方 向是固定的，春分點在天球上的位置保持不變。 天球空間直角坐標系坐標原點位于地球質(zhì)心Z軸指向天球北極x 軸指向春分點y 軸垂直于 xMz 平面，與 x 軸和 z 軸構(gòu)成右手坐標系統(tǒng) 天球球面坐標系 系統(tǒng)定義坐標原點位于地球質(zhì)心向徑長度 r 赤經(jīng) 赤緯4歲差章動在日、月引力的影響下，使北天極繞北黃極以順時針的方 向緩慢地旋轉(zhuǎn)，在天球上北天極的運動軌跡，近似地構(gòu)成 一個以北黃極為中心，以黃赤交角為半徑的小圓，這種現(xiàn) 象稱為 歲差。瞬時平

8、北天極（簡稱平北天極） / 平北天極相應(yīng)的天球赤道 /春分點：按照歲差的變化規(guī)律在天球上運動的改正后 瞬時北天極（或真北天極） ：觀測時的北天極在日、月引力等因素的影響下，瞬時北天極繞瞬時平北天 極產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，大致成橢圓形軌跡，周期約為 18.6 年。這種 現(xiàn)象稱為 章動5. 瞬時極天球坐標系（真天球坐標系）“以瞬時北天極和瞬時春分點為基準點建立的天球坐標系” 原點位于地球質(zhì)心z 軸指向瞬時地球自轉(zhuǎn)軸（瞬時北天極）x 軸指向瞬時春分點y 軸按構(gòu)成右手坐標系取向6. 歷元平天球坐標系：選擇某一歷元時刻 t，以此瞬間的地球自轉(zhuǎn)軸和春分點方向 分別扣除此瞬間的章動值作為 z軸和 x軸的指向， y 軸按

9、構(gòu) 成右手坐標系取向，坐標系原點仍取地球質(zhì)心。7. 協(xié)議天球坐標系： 以標準歷元 t0（ J2000.0）所定義的平 天球坐標系。8. 地極移動1、概念地球自轉(zhuǎn)軸相對地球體的位置是變化的，從而地極點在地 球表面上的位置，也是隨時間而變化的。2、瞬時地球自轉(zhuǎn)軸“觀測瞬間地球自轉(zhuǎn)軸的位置”3、瞬時極“和瞬時地球自轉(zhuǎn)軸相對應(yīng)的極點”9. 瞬時極地球坐標系原點位于地球質(zhì)心z 軸指向瞬時地球自轉(zhuǎn)軸方向x 軸指向瞬時赤道面和包含瞬時地球自轉(zhuǎn)軸與平均天文 臺赤道參考點的子午面之交點點的坐標表示（ r，）y 軸構(gòu)成右手坐標系取向10. 國際協(xié)議原點 CIO（ Conventional Internationa

10、l Origin ） 以 1900.00 1905.00 年地球自轉(zhuǎn)軸瞬時位置的平均位置作 為地球的固定極，稱為 CIO。協(xié)議地極 CTPCTS（協(xié)議地球坐標系 ）原點位于地球質(zhì)心z 軸指向 CIOx 軸指向協(xié)議地球赤道面和包含 CIO 與平均天文臺赤道參 考點的子午面之交點y 軸構(gòu)成右手坐標系取向。11. 站心地平坐標系 -Pxyz 站心（左手）地平直角坐標系 測站 P1 為原點P1點的法線為 z 軸 （指向天頂為正） 子午線方向為 x 軸 （向北為正） y 軸與 x、z 軸垂直（向東為正） ，構(gòu)成左手坐標系站心地平極坐標系 -PrAh以測站 P1 為原點衛(wèi)星 s至 P1 的距離 r衛(wèi)星 s

11、 的方位角 A衛(wèi)星 s 的高度角 hWGS-84 世界大地坐標系： 地心地固系 ECEF 協(xié)議地球坐標系 CTS12. 一、時間系統(tǒng)的定義 要素：（ 1）原點（ 2）時間尺度（時間單位）13. 恒星時 ST以春分點為參考點，由春分點的周日視運動所定義的時間 系統(tǒng)為恒星時系統(tǒng)；對于同一歷元時刻，有真春分點和平 春分點之分。因此恒星時就有真恒星時和平恒星時（歲差 引起的） / 地方性13. 太陽時（ Solar Time ） 以太陽為參考點，由太陽的周日視運動來測定地球的自轉(zhuǎn) 周期并建立的時間計量系統(tǒng) 以平太陽（假設(shè)以真太陽周年運動的平均速度在天球赤道 上作周年視運動的一個參考點，其周期與真太陽一

12、致）為 參考點，由平太陽的周日視運動所定義的時間系統(tǒng) /地方性、不均勻性14. 世界時 UT以平子夜為零時起算的格林尼治平太陽時世界時 UT1： 引入極移改正世界時 UT2：引入地球自轉(zhuǎn)速度季節(jié)性改正15. 原子時 ATI原子時秒長被定義為銫原子 Cs133 基態(tài)的兩個超精細能級 間躍遷輻射振蕩 9192631170 周所持續(xù)的時間 起算原點：按國際協(xié)定取為 1958年1月1日 0時0秒（UT2） （事后發(fā)現(xiàn)在這一瞬間 ATI與 UT2相差 0.0039 秒）第三章1. 二體問題下的衛(wèi)星運動就是 無攝運動 ，即只考慮地球質(zhì) 心引力作用的衛(wèi)星運動。2. 衛(wèi)星星歷： 描述衛(wèi)星運動軌道信息的一組數(shù)據(jù)

13、3. 在二體問題的研究中，通常選用6 長半徑 a、偏心率 ?、?真近點角 V（揭示示了衛(wèi)星在軌道位置） 、升交點赤經(jīng)、軌 道傾角 i（揭示了地球與軌道關(guān)系） 、近地點角距 w（開普 勒橢圓在軌道平面的定向） 6 參數(shù)來描述衛(wèi)星的無攝運動4. 軌道直角坐標系 定義一： 坐標原點在地球質(zhì) 心Mx 軸指向近地點 A z 軸垂直于軌道平 面向上y 軸在軌道平面上 垂直于 x 軸構(gòu)成右 手坐標系定義二： 坐標原點在地球 質(zhì)心 M x 軸指向升交點 N z 軸垂直于軌道平 面向上y 軸在軌道平面上 垂直于 x 軸構(gòu)成右 手坐標系5. 瞬時軌道： 即攝動軌道6. 預(yù)報星歷（廣播星歷）包括相對某一參考歷元的開

14、普勒軌道參數(shù)和必要的軌道攝10. 平近點角M=M 0+w（t-t0）Mo 是 to 時刻近地點處平近點角動改正項參數(shù)的一組星歷數(shù)據(jù) （ 1個參考時刻、 6 個對應(yīng)參 考時刻的開普勒軌道參數(shù)、 9 個反映攝動力影響的軌道攝 動改正項參數(shù)）11.第四章1. GPS衛(wèi)星信號的構(gòu)成： 用于導(dǎo)航定位的 “調(diào)制波 ”，包含三種信號分量： 載波： L1、 L2、L5 測距碼（ C/A 碼和 P 碼） 數(shù)據(jù)碼（導(dǎo)航電文或 D 碼）7. 參考星歷相應(yīng)參考歷元的衛(wèi)星開普勒軌道參數(shù)8. 后處理星歷（精密衛(wèi)星星歷） 是一些國家的某些部門（如美國DMA： Defense MappingAgency）或某些國際性組織（如

15、IGS： International GNSSService for Geodynamics），根據(jù)各自建立的衛(wèi)星跟蹤站所獲 得的對 GPS衛(wèi)星的精密觀測資料，應(yīng)用與確定廣播星歷相 似的方法（首先推求參考軌道參數(shù)，然后以此為基礎(chǔ)，加 入軌道攝動改正）而計算的衛(wèi)星星歷。精密星歷不是通過 GNSS 衛(wèi)星的導(dǎo)航電文實時地向用戶傳 遞，目前主要是利用 Internet 網(wǎng)絡(luò)方式9. 偏近點角碼或碼序列：表達不同信息的二進制數(shù)及其組合。?碼元： 在二進制中， 一位二進制數(shù)叫做一個碼元或一比特（ Binarydigit bit ，為碼的度量單位） ?編碼：將各種信息，如聲音、圖像和文字等通過量化，并 按照

16、某種預(yù)定的規(guī)則，表示為二進制數(shù)的組合形式，則這 一過程稱為編碼。?數(shù)碼率： 在二進制數(shù)字化信息的傳輸中， 每秒鐘傳輸?shù)谋?特數(shù)。單位為 bit/s 或記為 BPS。2. 偽隨機噪聲碼（ Pseudo Random Noise ） 是一組具有良好的自相關(guān)特性、且按照某種確定 的編碼規(guī)則產(chǎn)生的具有一定周期、容易復(fù)制、取 值 0和 1的二進制碼序列。偽隨機噪聲碼的產(chǎn)生 m 序列 當平移的碼元數(shù) k 0 或整周期平移時， 平移前后兩碼序列 的結(jié)構(gòu)相同，其對應(yīng)的碼元均相互對齊，自相關(guān)系數(shù) R（t） 1；GPS 接收機就是利用偽隨機碼的自相關(guān)系數(shù)R（t）是否等于1？！來判斷所接收的偽噪聲碼和機內(nèi)復(fù)制產(chǎn)生的

17、偽噪聲碼 是否達到對齊同步 ;捕獲和識別 GPS衛(wèi)星， 解譯出該衛(wèi)星的 導(dǎo)航電文，并測定站星距離。3. C/A 碼: C/A碼是由兩個 10 級反饋移位寄存器相組合而產(chǎn) 生的組合碼，稱為 G碼， 是一種用于粗測距和捕獲 GPS衛(wèi) 星信號的偽隨機碼 ：（ 1） C/A 碼的碼長很短，易于捕獲。 又稱捕獲碼。（2）C/A 碼的碼元寬度較大， 測距精度較低， 故稱為粗碼。4. P 碼 是由兩個 12 級偽隨機碼 PN1（t）和 PN2（t）的乘積得到 的特點：（ 1） P 碼的碼長很長，不易捕獲。通常是先捕獲C/A碼，然后根據(jù)導(dǎo)航電文所提供的信息（ Z 計數(shù)），進一步捕 獲 P 碼。（2）P碼的碼元

18、寬度僅為 C/A 碼的碼元寬度的 1/10 ，測距 精度較高，故稱為精測碼。（3）根據(jù)美國國防部規(guī)定， P 碼是專為軍用的。5. 導(dǎo)航電文： 就是包含有關(guān)衛(wèi)星星歷、時鐘改正、電離層時延改正、衛(wèi) 星工作狀態(tài)信息以及由 C/A 碼捕獲 P 碼等導(dǎo)航信息的數(shù)據(jù) 碼（或 D 碼），是用戶用來定位和導(dǎo)航的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。6. GPS衛(wèi)星信號的調(diào)制 在無線電通信技術(shù)中，為了有效地傳播信息，將頻率較低 的信號加載在頻率較高的載波上的過程。GPS 衛(wèi)星的測距碼和數(shù)據(jù)碼，是采用調(diào)相技術(shù)調(diào)制到載波 上的。載波 L1上調(diào)制有 C/A 碼、 P（ Y）碼和數(shù)據(jù)碼；載波 L2上只調(diào)制有 P（ Y）碼和數(shù)據(jù)碼，沒有 C/A 碼

19、 原理：當碼值取 0 時，對應(yīng)的碼狀態(tài)取為 +1，碼值取 1 時， 對應(yīng)的碼狀態(tài)取為 -1 ；載波與碼狀態(tài) 1（碼值為 0）相乘 時，其相位不變，而當載波與碼狀態(tài)一1（碼值為 1）相乘時，其相位改變 180 度；當碼值從 0 變?yōu)?1 或從 1 變?yōu)?0 時，將使載波相位改變 180 度，從而實現(xiàn)載波的相位調(diào)制；7. GPS衛(wèi)星信號的解調(diào)GPS衛(wèi)星信號的調(diào)制， 使得載波的相位發(fā)生了變化。 在 GPS 定位中，當用戶接收機接收到衛(wèi)星信號后，必須恢復(fù)載波 的相位，才能進行載波相位測量，這一過程稱為解調(diào)。技術(shù)方法（1）.復(fù)制碼與衛(wèi)星信號相乘 接收的衛(wèi)星信號與接收機產(chǎn)生的復(fù)制測距碼信號，在兩種 碼信號

20、同步的條件下相乘，即可去掉衛(wèi)星信號中的測距碼 而恢復(fù)原來的載波。同時，恢復(fù)的載波中還含有數(shù)據(jù)碼（導(dǎo)航電文）（2）平方解調(diào)技術(shù)將接收到的衛(wèi)星信號進行平方，由于碼狀態(tài)為 1 的調(diào)制 碼信號，經(jīng)平方后均為 1 ，而 1 對載波相位不產(chǎn)生影響。 因此達到解調(diào)的目的。但是平方解調(diào)技術(shù)，在解調(diào)的過程中，不僅去掉了衛(wèi)星信 號中的測距碼， 而且同時也去掉了導(dǎo)航電文 （數(shù)據(jù)碼 D 碼）。8. GPS衛(wèi)星位置的計算第一種情況： 根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航電文（廣播星歷）所提供的軌道參數(shù)及其攝 動改正，計算 GPS衛(wèi)星的 WGS84 坐標。第二種情況：根據(jù) GPS衛(wèi)星精密星歷，按照一定的方法（如拉格朗日多 項式內(nèi)插的方法） ，在

21、 ITRF 參考框架下，得到衛(wèi)星的瞬時 坐標。以下研究第一種情況：GPS衛(wèi)星信號的調(diào)制一節(jié) PPT 上說道：當碼值從 0 變?yōu)?1 或從 1 變?yōu)?0 時，將使載波相位改變 180 度，從而實現(xiàn)載 波的相位調(diào)制，但是碼值從 1 變?yōu)?0 時碼狀態(tài)不是為 +1， 相位不改變嗎？1 計算衛(wèi)星運行的平均角速度 n2 計算歸化時間 tk （時間間隔）3 觀測時刻 t 衛(wèi)星平近點角的計算4 計算偏近點角 Ek5 真近點角 Vk 的計算6 升交距角 k 的計算7 攝動改正項 u， r ， i 的計算8 計算經(jīng)過攝動改正的升交距角 uk 、衛(wèi)星矢徑 rk 和軌道傾 角 ik9 計算衛(wèi)星在軌道直角坐標系中的坐

22、標10 觀測時刻升交點經(jīng)度 k 的計算11 計算衛(wèi)星在地心地固坐標系中的三維空間直角坐標12 計算衛(wèi)星在站心坐標系 p-xyz 的站心直角坐標13 計算衛(wèi)星在站心極坐標系 P rAh 的站心極坐標第五章 GPS衛(wèi)星定位基礎(chǔ)1. GPS衛(wèi)星定位則是利用 后方空間距離交會 來確定 GPS 接 收機的 3 維空間位置。2. 偽距： 根據(jù) GPS接收機的碼相位測量或載波相位測量， 所確定的衛(wèi)星至測站接收機的觀測距離 .（由于衛(wèi)星鐘、 接收 機鐘的誤差以及衛(wèi)星信號經(jīng)過電離層和對流層時的大氣延 遲影響，實際測出的距離與衛(wèi)星到接收機的幾何距離之間， 不可避免地會存在一定差值，故稱其為 “偽距 ”。 ）3.

23、碼相位觀測測量 GPS衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號 C/A 碼或 P（Y）碼，到達 用戶接收機天線的傳播時間，也稱為時間延遲測量。4. 測碼偽距觀測值的觀測方程將站星距離在其近似值處用泰勒級數(shù)展開，并取其一次近似后（線性化）表達式為：衛(wèi)星至接收機的幾何距離：衛(wèi)星鐘差，衛(wèi)星鐘時間和標準 GPS時之間的時間偏差。：接收機鐘差，接收機鐘時間和標準GPS時之間的時間偏差。周跳問題6. 載波重建： GPS接收機接收到衛(wèi)星信號后， 在進行載波相 位測量以前，首先要進行解調(diào)工作，也就是將調(diào)制在載波 上的測距碼和衛(wèi)星電文去掉，重新獲取載波，這一工作稱 為載波重建。重建載波的方法碼相關(guān)法平方法7. 載波相位測量的觀測量

24、： GPS接收機 Ti 所接收到的衛(wèi)星 載波信號與接收機本振參考信號的相位差然而初始時刻相位由一周以內(nèi)的相位以及整周組成，在觀 測過程中能通過連續(xù)觀測觀測到一周以內(nèi)的相位差及整周 差，但是初始初始整周卻得不到故基本觀測方程為：載波相位測量觀測值的觀測方程：將站星距離的一次近似表達式得到線性化后的載波相位觀 測方程：5. 載波相位測量測量 GPS衛(wèi)星發(fā)射的載波信號到達用戶接收機天線的傳播 時間優(yōu)點：載波相位測量的精度比碼相位測量的精度高缺點：整周模糊度問題9.測碼偽距和測相偽距觀測方程的比較 電離層延遲改正的符號相反 載波相位觀測方程中包含整周未知數(shù)10. GPS測量的誤差來源一、與信號傳播有關(guān)

25、的誤差電離層折射對流層折射多路徑誤差二、與衛(wèi)星有關(guān)的誤差 ? 衛(wèi)星星歷誤差 ? 衛(wèi)星鐘誤差 ? 相對論效應(yīng)三、與接收機有關(guān)的誤差接收機鐘誤差 接收機的位置誤差 天線相位中心位置的偏差四、其他誤差 ? 地球自轉(zhuǎn)的影響 ? 地球潮汐改正11. 電離層改正 電離層 ：地球上空距地面高度在 50 1000km 之間的大氣 電離層折射誤差： 當 GPS信號通過電離層時，信號的路徑 會發(fā)生彎曲，傳播速度也會發(fā)生變化，由此而導(dǎo)致的信號 傳播路徑偏差。電離層折射對 GPS衛(wèi)星信號的傳播影響： 單一頻率的正弦波，相速大于光速 多種頻率疊加的無線電波稱為群波，群速小于光速 測距碼是以群波的形式在電離層中傳播，測碼

26、偽距大于信 號傳播的真正距離 載波相位測量時，載波以相速度在電離層中傳播，測相偽 距小于信號傳播的真正距離。 碼相位滯后，載波相位超前 減弱電離層折射影響的措施（1）利用雙頻或多頻觀測技術(shù)（2）利用電離層改正模型加以修正 模型把白天的電離層延遲看成是余弦波中正的部 分，而把晚上的電離層延遲看成是一個常數(shù)。適用于 GPS單頻接收機，采用導(dǎo)航電文提供的電離層模型 改正參數(shù)來進行。（3）利用同步觀測值求差 “利用兩臺接收機在基線的兩端進行同步觀測，然后取其 觀測量之差（差分觀測值）進行定位” 。 原因：電離層折射影響的強相關(guān)性 適用情況：短基線（小于 20km ）12. 對流層折射誤差 對流層：地面

27、向上高度為 40km 以下的大氣底層。 對于 GNSS 信號來講，對流層為非彌散性介質(zhì)。對流層折射 ：衛(wèi)星信號在通過高度為 50km 以下的未被電 離的中性大氣層時所產(chǎn)生的信號延遲。 通常，對流層折射分為： 干分量：由大氣中干燥氣體引起的大氣折射，占對流層折 射的 90 濕分量：由水汽引起的大氣折射，占對流層折 射的 10 對流層折射影響 電磁波在對流層中的傳播速度：小于真空中的光速C，偽距觀測值大于幾何距離對流層折射的改正模型 減弱對流層折射改正影響的主要措施 采用對流層模型進行改正，其氣象參數(shù)在測站直接測定； 引入描述對流層折射影響的附加待估參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中一并求得；利用同步觀測量求差；

28、 利用水汽輻射計直接測定信號傳播的影響。此法求得的對 流層折射濕分量的精度可優(yōu)于 lcm 。13. 多路徑誤差多路徑誤差： 在 GPS測量中，測站周圍的反射物所反射的 衛(wèi)星信號（反射波）進入接收機天線，并和直接來自衛(wèi)星 的信號（直接波）產(chǎn)生干涉，從而使觀測值偏離真值。多路徑效應(yīng) ：由于多路徑的信號傳播所引起的干涉時延效 應(yīng)。多路徑誤差的影響： 消弱多路徑誤差的方法：（1）選擇合適的站址（2）選擇造型適宜、屏蔽良好的天線 比如：在天線中設(shè)置抑徑板或抑徑圈（3）延長觀測時間，消弱多路徑效應(yīng)的周期性影響（4）改善 GPS 接收機的電路設(shè)計14. 衛(wèi)星星歷誤差衛(wèi)星星歷誤差： 由星歷所給出的衛(wèi)星在空間的

29、位置與實際 位置之差。處理星歷誤差的方法（1）建立自己的衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)獨立定軌（2）軌道松弛法（軌道改進法） “在平差模型中把衛(wèi)星星歷給出的衛(wèi)星軌道作為初始值， 視其改正數(shù)為未知參數(shù)。通過平差同時求得測站位置及軌 道的改正數(shù)”（3）同步觀測值求差法（相對定位）15. 衛(wèi)星鐘誤差衛(wèi)星鐘時間和標準 GPS 時之間的時間偏差消除衛(wèi)星鐘誤差消除： 衛(wèi)星鐘差的二階多項式改正經(jīng)改正后的殘余誤差，可采用在接收機間求一 次差或采用精密衛(wèi)星鐘差等方法來進一步消除掉。16. 相對論效應(yīng) 由于衛(wèi)星鐘和接收機鐘所處的狀態(tài)（運動速度和重力位）測繪 1502 聞小玖 不同而引起衛(wèi)星鐘和接收機鐘之間產(chǎn)生相對鐘誤差的現(xiàn)象。 狹義

30、相對論效應(yīng)：衛(wèi)星鐘比靜止在地球上同類鐘走慢了 廣義相對論效應(yīng)：衛(wèi)星鐘比地球上同類鐘走快了 總的相對論效應(yīng)：總的相對論效應(yīng)使衛(wèi)星鐘比止在地球上 的同類鐘走快了。相對論效應(yīng)的處理方法 制造衛(wèi)星鐘時，預(yù)先把頻率降低 4.449 10 10f 即廠家在生產(chǎn)衛(wèi)星時應(yīng)把頻率降為：10.23MHz（1-4.4491010）=10.22 999 999 545MHz 相對論效應(yīng)的殘差改正17. 接收機鐘誤差接收機鐘時間和標準 GPS時之間的時間偏差。 改正：? 把每個觀測歷元的接收機鐘差當做一個獨立的 未知參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中一并求解。? 將接收機鐘差表示為時間的多項式，在平差計 算中以多項式的系數(shù)為參數(shù)進行估

31、計。? 通過在衛(wèi)星間求一次差的方法來消除接收機鐘 差。18. 接收機的位置誤差 接收機天線相位中心相對測站標石中心位置的誤差，包括 天線的整平和對中誤差以及量取天線高誤差。 在精密定位中，可采用有強制對中裝置的觀測墩。19. 天線相位中心位置的偏差 觀測時相位中心的瞬時位置與理論上的相位中心位置之間 的偏差。處理方法? 改善天線設(shè)計? 利用同步觀測值求差。20. 地球自轉(zhuǎn)的影響 當衛(wèi)星信號傳播到觀測站時，與地球相固聯(lián)的 地球坐標系相對衛(wèi)星信號發(fā)射時的瞬時位置已 產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)（繞 Z 軸），由此引起 GPS衛(wèi)星的坐標變化：21. 地球潮汐改正 固體潮：在太陽和月球的萬有引力作用下，固體地球所產(chǎn) 生

32、的周期性的彈性形變。負荷潮：在日月引力的作用下，地球上的負荷所發(fā)生的周 期性變動，使地球產(chǎn)生周期的形變，稱為負荷潮汐，例如 海潮。GPS觀測量的線性組合1. 用兩個頻率的同一（1）消電離層組合特點：消除了電離層延遲的一階項影響。2）電離層殘差組合（ Geometry_Free ）特點：與幾何距離無關(guān)，消除了軌道誤差、接收機鐘和衛(wèi) 星鐘誤差、對流層延遲等誤差，僅包含電離層影響和整周 模糊度。應(yīng)用：電離層研究、探測和修復(fù)周跳。3）寬巷組合（ Wide lane ）特點：具有較長的波長 （約為 0.86m）和較小的量測噪聲。 應(yīng)用：周跳探測與修復(fù)，初始整周模糊度的確定測繪 1502 聞小玖4 ） 窄

33、 巷 組 合 （ Narrow lane ）特點：波長較?。s 0.107m），模糊度為整數(shù)應(yīng)用：整周模糊度的確定2.用不同類型觀測（偽距和相位）進行組合（1） Melbourne -Wbbena 組合 “寬巷相位偽距與窄巷測碼偽距的組合” 特點：消除了電離層、對流層、接收機和衛(wèi)星鐘 差影響，僅受觀測噪聲和多路徑效應(yīng)的影響； 組合的結(jié)果中只包含寬巷模糊度參數(shù)。 應(yīng)用：寬巷模糊度分解，寬巷周跳的探測和修復(fù)（2）雙頻相位和偽距的電離層殘差組合 “雙頻相位的電離層殘差組合 LI 與雙頻測碼偽距的 電離層殘差組合 PI 的再次組合”特點：消除了電離層、對流層、接收機和衛(wèi)星鐘 差等誤差影響；組合的結(jié)果中

34、只包含模糊度參數(shù) 應(yīng)用：模糊度分解，周跳的探測與修復(fù)（3）雙頻相位和偽距的消電離層組合 “雙頻相位的消電離層組合 Lc 與雙頻測碼偽距的消 電離層組合 Pc 的再次組合” 特點：消除了多種誤差影響；組合的結(jié)果 中只包含有模糊度參數(shù)。應(yīng)用：模糊度分解，周跳的探測與修復(fù)（4）單頻相位和偽距的線性組合 “單頻測碼偽距和測相偽距的平均值” 特點：消除了一階電離層影響；仍然包含對流層 延遲、接收機鐘差、衛(wèi)星鐘差等誤差影響，且包 含模糊度參數(shù)。應(yīng)用：單頻接收機的單點定位，定位精度有明顯 的改進。3.用同一頻率的同一類型觀測進行組合 “GPS觀測量的差分線性組合”即在同一頻率的同一類型觀測之間進行差分運算，

35、獲取差 分組合觀測值 差分運算可在接收機、衛(wèi)星以及觀測歷元之間求差分 差分組合（1）一次差分（單差） ：將原始觀測值直接相減 ?站間單差 , 可以消除與衛(wèi)星有關(guān)的誤差項影響?星間單差，可以消除與接收機有關(guān)的誤差項影響?歷元間單差，可以消除整周模糊度參數(shù)。（ 2）二次差分（雙差） : 對載波相位觀測值的一次差分觀 測值繼續(xù)求差?站星雙差：在接收機 1、2 和衛(wèi)星 k、j 間求二次差分：消 除了接收機鐘差和衛(wèi)星鐘差的影響?星際歷元雙差：在衛(wèi)星 k、 j 和歷元 ti、ti1 間求二次差 分?站際歷元雙差：在接收機 1、2 和歷元 ti、ti1 間求二次 差分（3）三次差分（三差） ：對二次雙差觀測

36、值繼續(xù)求差 常用的方法：將 k、j 兩顆衛(wèi)星對測站接收機 1、2 的星站雙差觀測值在 不同歷元 ti 和 ti1 間繼續(xù)求差消除了接收機鐘差和衛(wèi)星鐘差以及整周模糊度的影響GPS政策1. 對不同 GPS用戶提供不同的服務(wù)方式精密定位服務(wù) PPS?提供 L1 和 L2載波上的 P 碼以及消除 SA影響的密匙 ?主要對象是美國軍方及其特許用戶標準定位服務(wù) SPS?僅提供 L1 載波上的 C/A 碼?主要對象是非經(jīng)美國政府特許的廣大用戶2. SA 政策技術(shù)： 在衛(wèi)星的廣播星歷中人為地加入誤差，以降低衛(wèi) 星星歷的精度 （ 50150m），進而影響利用 C/A 碼進行實時 單點定位的精度。技術(shù)：在衛(wèi)星鐘的

37、鐘頻信號中引入高頻抖動，降低衛(wèi)星 鐘的穩(wěn)定度，從而降低 C/A碼偽距測量精度 （50m ）. 故 SA 政策指利用 技術(shù)與 技術(shù)降低定位精度的措施政策在 SA 政策的影響下：標準定位服務(wù) SPS 的實時單點定位精度，降低為：平面位 置 l00m 、高程 156m（95%置信度 ）。精密定位服務(wù) （PPS）的用戶， 則可以利用密匙自動地消除 SA 的影響。2000 年 5 月 1 日，美國總統(tǒng)布什下令取消 SA 政策。 并且實施 GPS現(xiàn)代化計劃3. AS政策 是美國國防部為了防止敵對方對 GPS衛(wèi)星信號進 行電子欺騙和電子干擾而采取的一種措施，也叫“反電子 欺騙” 。具體做法 ：通過 P 碼與

38、機密碼 W 碼進行模 2 相加，將 P 碼轉(zhuǎn)換成完全保密的 Y 碼。4. GPS現(xiàn)代化計劃 包括：軍用部分和民用部分 民用部分：改善民用導(dǎo)航和定位的精度； 擴大服務(wù)的覆蓋面和改善服務(wù)的持續(xù)性； 提高導(dǎo)航的安全性（ Integrity ），如增強信號功率，增加 導(dǎo)航信號和頻道；注意與現(xiàn)有的和將來的其他民用空間導(dǎo)航系統(tǒng)的匹配和 兼容。本章復(fù)習(xí)思考題1. GPS衛(wèi)星定位的基本原理 ？2. GPS衛(wèi)星定位的方法？3. 測碼偽距觀測值的觀測方程及其線性化？4. 載波相位測量的觀測量？載波相位測量觀測值的觀測方 程及其線性化？5. 電離層折射對 GPS 衛(wèi)星信號傳播的影響特點？減弱電離 層折射影響的措施？

39、6. 對流層折射影響的特點？減弱對流層折射影響的主要措 施？7. 衛(wèi)星鐘差及其處理方法？8. 相對論效應(yīng)及其處理方法？9. 接收機鐘差及其處理方法？10. 地球自轉(zhuǎn)對 GPS定位的影響及其處理方法？11. 站間單差、星間單差和歷元間單差觀測值的定義和特點？ 以及能推導(dǎo)出 3 種單差觀測值的觀測方程？12. 星站雙差、星際歷元雙差和站際歷元雙差的定義和特點？ 以及能推導(dǎo)出 3 種雙差觀測值的觀測方程？13. 三差觀測值的定義和特點？以及能推導(dǎo)出三差觀測值 的觀測方程？14. 名詞： 偽距 載波重建 多路徑誤差、多路徑效應(yīng) 衛(wèi)星星歷誤差 固體潮、負荷潮 標準定位服務(wù)、精密定位服務(wù) SA政策、 AS

40、政策第六章 絕對（單點）1. GPS絕對（單點）定位概念 ：“ 采用單臺 GPS接收機獨立確定測站點在地球坐標系 （WGS 84 坐標系）中的位置坐標的方法” 優(yōu)點和缺點優(yōu)點?可實現(xiàn)“單機實時定位”?作業(yè)方便缺點?傳統(tǒng)的單點定位，定位精度較低?基于 IGS精密星歷和衛(wèi)星鐘差的非差相位精密單點定位的 精度可達 cm 級，但是其所需觀測時間較長、數(shù)據(jù)處理也 非常復(fù)雜。分為： 靜態(tài)絕對（單點）定位、動態(tài)絕對（單點）定位3. 靜態(tài)絕對（單點）定位“ GPS接收機天線處于靜止狀態(tài)下的絕對定位方法”4. 靜態(tài)絕對（單點）定位平差4-1 測碼偽距觀測方程觀測方程（線性化后）忽略測量噪聲的影響，并寫成向量的形

41、式：單歷元解算，觀測歷元 ti ，假設(shè)接收機同步觀測 4 顆衛(wèi)星多歷元解算，誤差方程式組：多歷元解算，如果觀測的時間較長，接收機鐘差的變化往往不能忽略，處理方法如下：?將接收機鐘差表示為多項式的形式， 并把多項式的系數(shù)作為未知參數(shù)?對不同觀測歷元引入不同的獨立接收機鐘差參數(shù)測碼多力元接收機鐘差表示為多項式的形式單歷元解算 ，觀測歷元 t，測站接收機同步觀測 nj 顆衛(wèi)星4-2 測相偽距觀測方程觀測值個數(shù) nj 少于未知數(shù)個數(shù) （31 nj），單歷元無法解算。 如果知道初始的整周未知數(shù)，且 GPS接收機保持對所測衛(wèi) 星的連續(xù)跟蹤，則上式可簡化為：故：同步觀測 4 顆以上衛(wèi)星， 就可實現(xiàn)實時單，

42、歷元定位， 初始整周未知數(shù)的確定是解決該問題的關(guān)鍵！測相多力元多歷元解算 對 nj 顆衛(wèi)星同步觀測的歷元數(shù)為 nt ， 且每一個觀測歷元 設(shè)置一個獨立的接收機鐘差參數(shù)。觀測的歷元數(shù)須滿足：5. 固定解： 將平差解算的非整數(shù)的整周模糊度，調(diào)整為相 近的整數(shù)，并作為固定值代入到觀測值誤差方程中，重新 求解其余的未知參數(shù)。實數(shù)解（浮動解） ： 保持平差解算的整周未知數(shù)為小數(shù)。6. 動態(tài)絕對定位 “用戶接收機安置在運動的載體上并處于動態(tài)情況下，確 定載體瞬時絕對位置的定位方法”7. 精度因子 DOP定義精度因子 DOP 與中誤差的關(guān)系精度因子 DOP 可由平差參數(shù)的協(xié)因數(shù)陣中的主 對角線元素來定義HD

43、OP：平面位置精度因子如何評價平面精度：VDOP：高程精度因子PDOP：空間位置精度因子TDOP：接收機鐘差精度因子GDOP：幾何精度因子精度因子的數(shù)值與所測衛(wèi)星的幾何分布圖形有關(guān)。分析表 明：幾何精度因子 GDOP 與測站和觀測衛(wèi)星所構(gòu)成的多面 體體積 V 的倒數(shù)成正比。實際觀測中，為了減弱大氣折射 影響，衛(wèi)星高度角不能過低。因此，在上述條件下，應(yīng)盡 可能使所測衛(wèi)星與測站所構(gòu)成的多面體體積接近最大。復(fù)習(xí)思考題1. 絕對（單點）定位、靜態(tài)絕對（單點）定位、動態(tài)絕對（單點）定位的概念？2. 測碼偽距靜態(tài)絕對 （單點） 定位單歷元和多歷元解算時， 誤差方程的列立以及法方程的組成和解算？（難點）3.

44、 測相偽距靜態(tài)絕對 （單點） 定位單歷元和多歷元解算時， 誤差方程的列立以及法方程的組成和解算？ （難點）4. 測相偽距靜態(tài)絕對定位時，為了獲得定位解，觀測的歷 元數(shù)和同步觀測衛(wèi)星數(shù)之間須滿足什么關(guān)系？5. 何謂固定解和實數(shù)解（浮動解）？6. 精度因子的概念和分類？多歷元觀測的誤差方程組7. 衛(wèi)星分布的幾何圖形對精度因子的影響特點？站間單差觀測值的誤差方程單歷元觀測的誤差方程組第七章 相對定位1. 絕對（單點） ：“采用兩臺 GNSS接收機分別安置在基線 的兩端，同步觀測相同的 GNSS衛(wèi)星，以確定基線端點的 相對位置或基線向量（坐標差） ”2. 推廣 /思路?多臺 GNSS接收機同步觀測，確

45、定多條基線向量 ?多條基線向量構(gòu)成基線向量網(wǎng)， 通過網(wǎng)平差確定測站點的 坐標。3. 站間單差 觀測方程 站間單差觀測方程線性化后4. 星站雙差 觀測方程線性化后5.三差 觀測方程6.周跳：在跟蹤衛(wèi)星過程中， 由于某種原因 （信號遮擋或干擾 ）而造成 衛(wèi)星信號失鎖，使整周計數(shù)器無法連續(xù)計數(shù)。7.整周跳變的探測與修復(fù)： 探測出在何時發(fā)生了周跳并求出丟失的整周數(shù)，對中斷后 的整周計數(shù)進行改正，將其恢復(fù)為正確的計數(shù)。周跳探測與修復(fù)的適用情況： 衛(wèi)星信號的遮擋或外界干擾而造成的信號失鎖； 而不適用于電源的故障或振蕩器本身的故障造成的信號中 斷。8. 周跳探測與修復(fù)的常用方法1、屏幕掃描法原理：在一個測站的同一個觀測時段中，每顆衛(wèi)星的載波 相位觀測值的變化率應(yīng)是連續(xù)的，由作業(yè)人員在計算機屏 幕前依次對每個站、每個時段、每顆衛(wèi)星的相位觀測值變 化率的圖像進行逐段檢查，觀測其變化率是否連續(xù)。2、高次差法原理 ?周跳現(xiàn)象會破壞載波相位觀測值隨時間而有規(guī)律變化的 特性。?在相鄰歷元的兩個觀測值間