GPS測量原理(王澤名)

GPS測量原理及應用王澤民zmwang@2007.10武漢大學

測繪學院第一章緒論

什么是GPS？

GPS的用途有哪些？美國政府的GPS政策其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的概況我們要在本課程中學習哪些內容？武漢大學

測繪學院定義

GPS的英文全稱是NAVigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositionSystem（導航星測時與測距全球定位系統(tǒng)），簡稱GPS有時也被稱作NAVSTARGPS。根據Wooden1985年所給出的定義：NAVSTAR全球定位系統(tǒng)（GPS）是一個空基全天侯導航系統(tǒng)，它由美國國防部開發(fā)，用以滿足軍方在地面或近地空間內獲取在一個通用參照系中的位置、速度和時間信息的要求。

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測繪學院GPS的發(fā)展簡史（一）1957年10月4日第一顆人造衛(wèi)星SputnikI發(fā)射成功。1958年12月開始設計NNSS(NavyNavigationSatelliteSystem)–TRANSIT，即子午衛(wèi)星系統(tǒng)。1964年1月該系統(tǒng)正式運行。1967年7月系統(tǒng)解密以供民用。TRANSIT系統(tǒng)衛(wèi)星：6顆極地軌道軌道高度：1100km信號頻率：400MHz、150MHz絕對定位精度：1m相對定位精度：0.1m~0.5m定位原理：多普勒定位定位原理：多普勒定位子午衛(wèi)星系統(tǒng)的局限性一次定位所需時間過長（10~20min）不是一個連續(xù)的、獨立的衛(wèi)星導航系統(tǒng)所需時間長，作業(yè)效率偏低定位精度低。軌道低，難以精密定軌；頻率低，難以消除電離層影響；星鐘和機鐘都不夠穩(wěn)定。武漢大學

測繪學院GPS的發(fā)展簡史（二）1973年12月，美國國防部批準研制GPS。1978年2月22日，第1顆GPS試驗衛(wèi)星發(fā)射成功。1989年2月14日，第1顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功。武漢大學

測繪學院GPS的發(fā)展簡史（三）1991年，在海灣戰(zhàn)爭中，GPS首次大規(guī)模用于實戰(zhàn)。1995年7月17日，GPS達到FOC–完全運行能力（FullOperationalCapability）。1999年1月25日，美國副總統(tǒng)戈爾宣布，將斥資40億美圓，進行GPS現代化。1999年8月21/22日子夜，GPS發(fā)生GPS周結束翻轉問題。2000年1月1日，Y2K問題。2000年5月1日，美國總統(tǒng)克林頓宣布，GPS停止實施SA。武漢大學

測繪科學與技術學院衛(wèi)星應用研究所GPS的應用軍事、國防陸路交通（車輛導航、監(jiān)控）、航運、航空搜索、救援遙感測量衛(wèi)星定軌資源勘探通訊廣播、電視電力時間傳遞….武漢大學

測繪科學與技術學院衛(wèi)星應用研究所美國政府的GPS政策不收費，也不保證系統(tǒng)的可靠性SPS與PPSSPS–標準定位服務，使用C/A碼，民用PPS–精密定位服務，可使用P碼，軍用SA（已于2000年5月1日取消）SelectiveAvailability–選擇可用性：人為降低普通用戶的測量精度。方法ε技術：軌道加繞（長周期，慢變化）δ技術：星鐘加繞（高頻抖動，短周期，快變化）AS–Anti-Spoofing反電子欺騙–P碼加密，P+W->YGPS現代化提高信號質量在L2上增加C/A碼增加第三民用頻率L5增加2個軍用碼：M1，M2局部關閉武漢大學

測繪學院其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)GLONASS（俄）-GlobalNavigationSatelliteSystem衛(wèi)星數：21+3軌道面：3軌道傾角：64.8度軌道高度：19400km運行周期：11h15min信號頻率：1602~1616MHz、1246~1256MHz坐標系：pz90時間系統(tǒng)：前蘇聯的UTC1.系統(tǒng)目標及性質發(fā)展歐洲自己的衛(wèi)星導航技術作為交通方面的一項基礎設施，將受控于國際的民間組織。定位在一種開放式的、以民用為主導的系統(tǒng)。能夠與新一代GPS系統(tǒng)相互兼容，包括時間基準和測地坐標系統(tǒng)、信號結構以及兩者的聯合使用，共同構成未來的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)，向全球各類用戶提供物流管理及安全等所需的定位、授時服務。Galileo系統(tǒng)2.系統(tǒng)定義及設計特點

全天候和全球覆蓋；獨立的、歐洲人控制的、以衛(wèi)星為基礎的民用導航和定位系統(tǒng)；獨立于GPS，但能于GPS兼容，并對其進行補充；功能與未來的GPS相似，但導航定位服務可分為全球性、區(qū)域性和局域性不同精度等級；核心星座為中軌（MEO）；提供加強的搜索和救援（SAR）以及有限的與導航相關的通訊能力；對其他合作伙伴開放3.戰(zhàn)略目標

建立一個高效經濟的民用導航及定位系統(tǒng)；

使之具備歐洲乃至世界運輸業(yè)可以信賴的高度安全性，且確保未來系統(tǒng)的安全和可靠性置于歐洲人的控制之下；該系統(tǒng)的實施將為歐洲工業(yè)進軍正在興起的衛(wèi)星導航市場的各個方面提供一個良好機會，使他們能夠在21實世紀站在一個合理的基礎上公平競爭。4.星座

每軌道衛(wèi)星個數：10(9顆工作，1顆備用)衛(wèi)星分布軌道面數:3軌道傾斜角:56度軌道高度:23616km運行周期:14小時4分衛(wèi)星壽命:20年衛(wèi)星重量:625Kg電量供應:1.5Kw

Galileo系統(tǒng)的星座

5.射電頻率:E1-L1-E2:1575.42MHz E6:1278.75MHzE5b:1207.14MHz E5a:1176.45MHz

Galileo系統(tǒng)頻率分配計劃編號信號中心頻率調制方式編碼加密加密1E5A數據信號1176.45BPSK(10)無無2E5A引導信號1176.45BPSK(10)無無數據3E5B數據信號1207.14BPSK(10)無無4E5B引導信號1207.14BPSK(10)無無數據5E6分離頻譜信號1278.75BOC(10,5)有-政府批準有6E6商業(yè)信號1278.75BPSK(5)有（商業(yè)）有7E6引導信號1278.75BPSK(5)有（商業(yè)）無數據8L1分離頻譜信號1575.42BOC(ｎ,ｍ)有-政府批準有9L1商業(yè)信號1575.42BOC(2,2)無無10L1引導信號1575.42BOC(2,2)無無數據Galileo系統(tǒng)的服務及與頻率、信號的對應關系6.地面控制部分（GCS）

功能：(1)導航控制和星座管理,(2)完好性數據檢測和分發(fā)。導航系統(tǒng)控制中心NSCC觀測跟蹤網絡系統(tǒng)OSS（15個）遙測遙控中心TCC（4個）導航電文星座運行環(huán)境數據檢測和處理數據（星歷、完好性等）IUPSICCIMSEIDS中等高度軌道衛(wèi)星TTCICCIULSL波段IMSNetwork導航控制和衛(wèi)星管理部分S波段OSSNetworkNSCCS波段完好性檢測和分發(fā)處理部分L波段Galileo系統(tǒng)地面部分工作原理示意圖7.Galileo系統(tǒng)的服務

導航定位、測速和定時服務

公開服務（Open

Service,OS）

提供定位、導航和定時服務。這種服務面向大眾導航定位應用領域，將與GPS競爭(也是和GPS兼容的)，免費使用。公開服務的雙頻定位精度水平方向約為4米，垂直方向約為8米，單頻定位精度水平方向則約為15米，垂直方向約為34米，可獲得性為99.8％，但是沒有完備性信息可用。

商業(yè)服務(CommercialService,CS)

在公開服務的基礎上提供增值服務，由商業(yè)運營公司保證在世界范圍內達到亞米級定位精度，若有局部增強增值服務，精度可提高到10厘米以內。商業(yè)服務內容包括分發(fā)加密的導航相關數據，為專業(yè)應用領域提供測距和定時服務以及導航定位和無線通訊網絡的集成應用。這種服務提供完備性信息，要收費，但服務質量有保證。

生命安全服務（SafetyofLifeService,SoL）

這種服務的設計符合某些國際組織（如國際民航組織ICAO，國際海事組織IMO）的相關要求，包括對完備性的要求，主要應用于這些領域。

公共管制服務(PublicRegulatedService,PRS)

這種服務有穩(wěn)定的信號并在歐盟成員國政府的控制之下，保證其他服務停止后歐盟成員國對Galileo系統(tǒng)的特殊使用(如用于國防、執(zhí)法等)

。搜尋與救援服務

(SearchAndRescue,SAR)

以現有的COSPAS/SARSAT衛(wèi)星為基礎，Galileo系統(tǒng)將嵌入國際救援體系，提供SAR搜救服務。在每顆衛(wèi)星上安裝支持SAR的有效荷載，它支持現有的COSPAS/SARSAT系統(tǒng)，SAR求救信號上行頻段為406-406.1MHz，衛(wèi)星用1544-1545MHz頻帶轉發(fā)到地面接收站。地面部分實現與救援協(xié)調中心（RescueCoordinationCenters）的連接，并為求救者提供反饋信號。Galileo救援體系能夠滿足IMO和ICAO在求救信號探測方面的要求。

Galileo衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)是在衛(wèi)星導航定位基礎理論得到充分研究，GPS技術得到廣泛應用的背景下提出并發(fā)展起來的。Galileo系統(tǒng)的建設開發(fā)借鑒了GPS系統(tǒng)的原理，并在設計層上克服了GPS系統(tǒng)的某些缺陷，使得Galileo系統(tǒng)具有比GPS系統(tǒng)更完善的導航定位性能。具體說來，Galileo系統(tǒng)比GPS系統(tǒng)設計上的先進性體現在如下幾個方面：

8.Galileo系統(tǒng)設計上的先進性星座設計更加合理

Galileo系統(tǒng)的設計者通過大量的仿真模擬計算、分析，最終確定了目前的星座設計方案。Galileo系統(tǒng)的星座較GPS系統(tǒng)的更合理，可視衛(wèi)星更多，對導航定位精度的影響更小。

更多的載波頻率和測距信號

Galileo系統(tǒng)總共由4個載波頻率調制10個數據信號發(fā)送給導航定位用戶。載波頻率和測距信號多，選擇具有不同特性的組合進行導航定位，可以提高導航定位精度，同時增加系統(tǒng)的安全性。此外，對于用GNSS系統(tǒng)信號進行電離層、氣象學等相關的研究也提供了更多的途徑選擇。

向用戶提供完好性信息

這是Galileo系統(tǒng)相對于GPS系統(tǒng)的一個顯著優(yōu)點，完備性信息也是現代衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的一項標準服務。評價現代衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的性能的四個指標是：可用性、連續(xù)性、精度、完好性。GPS系統(tǒng)由于設計時的局限，不能向用戶提供完備性信息，用戶不知道定位結果的可靠性，GPS系統(tǒng)的這一缺陷對可靠性要求較高的用戶造成大量的重復建設浪費。Galileo系統(tǒng)在設計上向用戶提供完備性信息，是現代衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的標志。提供SAR搜救服務

這是Galileo系統(tǒng)的設計者將Galileo系統(tǒng)與目前的國際救援衛(wèi)星系統(tǒng)COSPAS/SARSAT進行融合提供的一項全新服務，作為生命安全服務體系的一部分。

與外部增值服務的接口

經過GPS技術十多年的應用實踐，人們普遍認識到，要最大限度地發(fā)揮GPS系統(tǒng)的作用，還需要有各種類型的區(qū)域和局部輔助服務系統(tǒng)（包括增強系統(tǒng)）提供各類增值服務。Galileo系統(tǒng)主要為民間導航定位應用開發(fā)，為了完善系統(tǒng)的功能，也為了占領更大的衛(wèi)星導航定位市場份額，Galileo系統(tǒng)在設計時為各類外部增值服務提供了接口，包括全球的、區(qū)域的、本地的增值服務，外部提供的增值服務能很好地與Galileo系統(tǒng)本身進行融合。

伽利略系統(tǒng)的構成及體系結構

9.Galileo系統(tǒng)建設實施進度計劃

術語表：MCC：主控中心(MissionControlCenter)；RIMS：測距與完備性監(jiān)測站（RangingandIntegrityMonitoringStations(RIMS）；IULS：完好性注入站；ICC：完好性控制中心；IMS：完好性監(jiān)視站；TT&C：遙測、遙控和跟蹤站；TCC：遙測遙控中心；NSCC：導航系統(tǒng)控制中心：OSS：觀測跟蹤網絡系統(tǒng)；EIDS：歐洲完好性決策系統(tǒng)；ULS：注入站；GSS：監(jiān)測站；NLES：NavigationLandEarthStations；EWAN：EGNOSWideAreaNetwork；UMTS：UniversalMobileTelephoneService系統(tǒng)的組成：空間部分；地面中心站；用戶終端部分。衛(wèi)星數：2+1。未來目標：3GEO+3IGSO+5MEO北斗系統(tǒng)由2顆經度上相距60度的地球靜止衛(wèi)星對用戶雙向測距（另有一顆備份星），由1個配有數字高程模型的地面中心站解算定位結果。北斗系統(tǒng)上行為L頻段(1610~1626.5MHz)，下行為S頻段(2483.5~2500MHz)；衛(wèi)星位置為赤道面東經80度、140度和110.5度（備份星星位）。定位原理：a.地面中心站連續(xù)不斷向一顆北斗衛(wèi)星發(fā)射信號。

b.用戶終端接收并轉發(fā)給兩顆北斗衛(wèi)星。

c.兩顆北斗衛(wèi)星將信號送往地面中心站。

d.地面中心站采用距離交會法求定用戶平面位置。

e.地面控制中心再通過衛(wèi)星將計算結果告訴用戶。系統(tǒng)特點：它將導航定位，雙向數據通信和精密授時結合在一起，系統(tǒng)自身包含廣域差分標校，以提高定位精度。當用戶提出申請或按預定間隔時間進行定位時，不僅用戶知道自己的測定位置，而且其調度指揮或其他有關單位也可得知用戶所在位置。系統(tǒng)用戶容量、導航定位維數、隱蔽性等方面受到限制，在體制上不能與國際上的GNSS系統(tǒng)兼容。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（中）中國正在建設的北斗2號衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間段由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成，提供兩種服務方式，即開放服務和授權服務。開放服務是在服務區(qū)免費提供定位、測速和授時服務，定位精度為10米，授時精度為50納秒，測速精度0．2米／秒。授權服務是向授權用戶提供更安全的定位、測速、授時和通信服務以及系統(tǒng)完好性信息。中國計劃2007年初發(fā)射兩顆北斗導航衛(wèi)星，2008年左右滿足中國及周邊地區(qū)用戶對衛(wèi)星導航系統(tǒng)的需求，并進行系統(tǒng)組網和試驗，逐步擴展為全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。武漢大學

測繪學院課程內容及重點內容系統(tǒng)組成信號結構測量原理測量誤差基本測量方法及實施測量數據處理方法重點掌握基本原理、靈活運用所學知識掌握基本儀器操作掌握基本數據處理方法武漢大學

測繪學院第二章GPS系統(tǒng)的組成及信號結構

GPS系統(tǒng)構成

GPS工作原理信號結構GPS衛(wèi)星位置計算武漢大學

測繪學院GPS的系統(tǒng)組成（一）-系統(tǒng)組成GPS的系統(tǒng)組成GPS系統(tǒng)由空間部分、地面控制部分和用戶設備部分等三部分組成武漢大學

測繪學院GPS的系統(tǒng)組成（二）-空間部分（1）GPS的空間部分（GPS衛(wèi)星星座）GPS衛(wèi)星星座設計星座：21+321顆正式的工作衛(wèi)星+3顆活動的備用衛(wèi)星

6個軌道面，平均軌道高度20200km，軌道傾角55，周期11h58min（顧及地球自轉，地球-衛(wèi)星的幾何關系每天提前4min重復一次）保證在24小時，在高度角15以上，能夠同時觀測到4至8顆衛(wèi)星當前星座：28顆武漢大學

測繪學院GPS的系統(tǒng)組成（三）-空間部分（2）

GPS衛(wèi)星作用：發(fā)送用于導航定位的信號（L1,L2）

其他特殊用途，如通訊、監(jiān)測核暴等。主要設備：原子鐘（2臺銫鐘、2臺銣鐘）、信號生成與發(fā)射裝置類型：試驗衛(wèi)星：BlockⅠ

工作衛(wèi)星：BlockⅡBlockⅡBlockⅡABlockⅡRBlockⅡF（新一代的GPS衛(wèi)星）BlockIIABlockIIRBlockIIF武漢大學

測繪學院GPS的系統(tǒng)組成（四）-地面控制部分（1）GPS的地面控制部分（地面監(jiān)測系統(tǒng)）組成：主控站（1個）、跟蹤站（5個）和注入站（3個）作用：監(jiān)測和控制衛(wèi)星運行，編算衛(wèi)星星歷（導航電文），保持系統(tǒng)時間。武漢大學

測繪學院GPS的系統(tǒng)組成（四）-地面控制部分（2）主控站（1個）作用：收集各檢測站的數據，編制導航電文，監(jiān)控衛(wèi)星狀態(tài)；通過注入站將衛(wèi)星星歷注入衛(wèi)星，向衛(wèi)星發(fā)送控制指令；衛(wèi)星維護與異常情況的處理。地點：美國克羅拉多州法爾孔空軍基地。跟蹤站（5個）作用：接收衛(wèi)星數據，采集氣象信息，并將所收集到的數據傳送給主控站。地點：夏威夷、主控站及三個注入站。注入站（3個）作用：將導航電文注入GPS衛(wèi)星。地點：阿松森群島（大西洋）、迪戈加西亞（印度洋）和卡瓦加蘭（太平洋）。武漢大學

測繪學院GPS的系統(tǒng)組成（五）-用戶設備部分用戶設備部分-GPS信號接收機及相關設備接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的設備多數采用石英鐘通過增加一顆衛(wèi)星降低對接收機時鐘的要求武漢大學

測繪學院GPS接收機作用基本單元天線單元（微帶、單極、錐型）接收單元（頻率維持通常采用石英鐘）信號通道類型：（多路復用，序慣，多通道）；（碼相關通道，平方通道）存儲器;計算與顯控;電源類型依用途：大地型（測地型）、導航型與授（守）時型依能否接收測距碼（偽距碼）：有碼與無碼依接收偽距碼的種類：P碼與C/A碼依接收不同頻率載波的數量：單頻與雙頻GPS接收機的幾個重要的物理與幾何特性天線相位中心接收機鐘差接收機信號通道間的延遲GPS的用戶部分③天線單元類型單極天線微帶天線錐形（螺旋）天線四絲螺旋天線空間螺旋天線背腔平面盤旋天線GPS天線全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構>GPS的組成>GPS的用戶部分GPS的用戶部分④天線單元（續(xù)）特點單極天線單頻或雙頻（雙極結構）、需要較大的底板、相位中心穩(wěn)定、結構簡單微帶天線結構簡單、單頻或雙頻、側視角低（適合于機載應用）、低增益、應用最為廣泛錐形（螺旋）天線四絲螺旋天線–單頻、難以調整相位和極化方式、非方位對稱、增益特性好、不需要底板空間螺旋天線–雙頻、增益特性好、側視角高、非方位對稱背腔平面盤旋天線全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構>GPS的組成>GPS的用戶部分GPS的用戶部分⑤天線單元天線特性相位中心、增益方式、帶寬、極化相位中心平均相位中心與幾何中心相位中心的偏移相位中心偏移的消除：歸心改正、消去法天線高–標志至平均相位中心所在平面的垂直距離L2的平均相位中心12L1的平均相位中心r1r2H’HHH’hR全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構>GPS的組成>GPS的用戶部分GPS的用戶部分⑥接收單元接收（信號）通道定義：接收機中用來跟蹤、處理、量測衛(wèi)星信號的部件，由無線電元器件、數字電路等硬件和專用軟件所組成。類型：根據信號跟蹤方式：序慣通道、多路復用通道和多通道；根據工作原理：碼相關通道、平方通道等存儲器微處理器作用：數據處理、控制輸入輸出設備電源全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構>GPS的組成>GPS的用戶部分GPS的用戶部分⑦全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構>GPS的組成>GPS的用戶部分武漢大學

測繪科學與技術學院衛(wèi)星應用研究所GPS的位置基準與時間基準位置基準–天球坐標系與地球坐標系WGS-84（WorldGeodeticSystem-1984）廣播星歷采用建立：NIMA（DMA）參考橢球：長半軸：6378137m，扁率：1/298.257223563，大地水準面：EGMITRFIGS精密星歷采用建立：IERS參考橢球：GRS80時間基準–GPS時間（GPSTime）原子時表示方法：GPS周+一周內的秒數起點：1980年1月6日0時與UTC的關系：1980年1月6日0時與UTC一至，目前由于跳秒的原因，相差32.0秒武漢大學

測繪學院GPS工作的基本原理（一）GPS工作的基本原理–距離后方交會已知點：GPS衛(wèi)星待定點：接收機（天線）武漢大學

測繪科學與技術學院衛(wèi)星應用研究所GPS工作的基本原理（二）GPS工作的基本流程武漢大學

測繪科學與技術學院衛(wèi)星應用研究所GPS的信號結構（一）GPS信號的基本組成部分（信號分量）載波（CarrierPhase）測距碼（RangingCode）導航電文（NavigationMessage/DataMessage）載波作用：搭載其它信號，也可用于測量（測距）。類型目前L1：頻率：1575.43MHz，波長：19cmL2：頻率：1227.60MHz，波長：24cm現代化后增加L5：1176.45MHz，波長：26cm武漢大學

測繪學院GPS的信號結構（二）測距碼偽隨機噪聲碼–PRN碼目前C/A（C1）碼速：1.023MHz碼元長度：300m嗎元數：1023bitP(Y)1、P(Y)2碼速：10.23MHz碼元長度：30m嗎元數：6.19*10E12bit現代化后C2M1、M2軍用碼GPS的信號結構（三）導航電文碼速：50bps形式：以幀的形式發(fā)送；每幀（5個子幀）1500bit，

需30秒。內容：廣播星歷（導航信息），開普勒軌道6參數，軌道攝動9參數；衛(wèi)星鐘改正數;歷書（概略星歷）；電離層信息;衛(wèi)星健康狀況等。

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測繪學院GPS的信號結構（四）碼的調制（雙相調制）測距碼的調制武漢大學

測繪學院GPS的信號結構（五）GPS信號的生成GPS的信號結構（六）GPS衛(wèi)星信號構成圖GPS衛(wèi)星位置計算用廣播星歷計算衛(wèi)星位置用精密星歷計算衛(wèi)星位置武漢大學

測繪學院第三章GPS測量定位誤差誤差的分類與衛(wèi)星有關的誤差與傳播途徑有關的誤差與接收設備有關的誤差武漢大學

測繪學院概述（一）–誤差的分類誤差的分類偶然誤差（觀測噪聲）-Noise一般優(yōu)于波長/碼元長度的1/100。偏差（系統(tǒng)誤差）-Bias與衛(wèi)星有關的誤差衛(wèi)星星歷（軌道）誤差衛(wèi)星鐘差相對論效應與傳播途徑有關的誤差電離層延遲誤差對流層延遲誤差多路徑效應與接收設備有關的誤差接收機鐘差天線相位中心偏差和變化接收機不同通道間的信號延遲誤差其它軟件–模型誤差;地球潮汐影響；GPS控制系統(tǒng)概述（二）–各類誤差對導航定位的影響單頻，C/A碼雙頻，P/Y-碼武漢大學

測繪學院與衛(wèi)星有關的誤差衛(wèi)星星歷（軌道）誤差定義廣播星歷（預報星歷）與精密星歷（后處理星歷）應對方法精密定軌軌道松馳相對定位衛(wèi)星鐘差定義應對方法鐘差多項式-△t=a0+a1(t-t0)+a2(t-t0)2參數物理同步誤差與數學同步誤差相對論效應狹義相對論效應–與鐘的運動速度有關，使星鐘變慢廣義相對論效應–與鐘所處位置的重力位有關，使星鐘變快應對方法–事先調整鐘速，根據衛(wèi)星軌道進行修正武漢大學

測繪學院與傳播途徑有關的誤差電離層延遲電離層–自由電子與信號的頻率有關–與信號頻率的平方成反比（色散效應）與信號傳播途徑上的電子密度有關，而電子密度又與高度、時間、季節(jié)、地理位置、太陽活動等有關電離層對載波和測距碼的影響，大小相等，符號相反應對方法模型改正–單層電離層模型雙頻改正相對定位對流層延遲對流層對流層延遲的干分量與濕分量相對于GPS信號，與信號的頻率無關（非色散）應對方法相對定位模型改正氣象元素-干溫、濕溫、氣壓Hopefield模型、Saastamoinen模型等。多路徑效應多路徑效應應對方法–觀測地點的選擇、接收設備的性能、長時間觀測、數據處理方法多路徑效應武漢大學

測繪學院與接收設備有關的誤差接收機鐘差天線相位中心的偏差與變化天線的幾何中心、平均相位中心天線相位中心的偏差天線相位中心的變化應對方法天線定向（相對定位）模型改正接收機通道間的延遲誤差各類誤差的處理方法①模型改正法原理：利用模型計算出誤差影響的大小，直接對觀測值進行修正適用情況：對誤差的特性、機制及產生原因有較深刻了解，能建立理論或經驗公式所針對的誤差源相對論效應電離層延遲對流層延遲衛(wèi)星鐘差限制：有些誤差難以模型化消除或消弱各種誤差影響的方法②求差法原理：通過觀測值間一定方式的相互求差，消去或消弱求差觀測值中所包含的相同或相似的誤差影響適用情況：誤差具有較強的空間、時間或其它類型的相關性。所針對的誤差源：對流層延遲、電離層延遲、衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差限制：空間相關性將隨著測站間距離的增加而減弱消除或消弱各種誤差影響的方法③參數法原理：采用參數估計的方法，將系統(tǒng)性偏差求定出來適用情況：幾乎適用于任何的情況限制：不能同時將所有影響均作為參數來估計消除或消弱各種誤差影響的方法④回避法原理：選擇適宜的觀測地點，避開易產生誤差的環(huán)境；采用特殊的觀測方法；采用特殊的硬件設備，消除或減弱誤差的影響適用情況：對誤差產生的條件及原因有所了解；具有特殊的設備。所針對的誤差源：電磁波干擾、多路徑效應限制：無法完全避免誤差的影響，具有一定的盲目性武漢大學

測繪學院第四章距離測量與GPS定位

GPS測量定位的類型利用測距碼測定衛(wèi)地距載波相位測量觀測值的線性組合周跳的探測及修復整周模糊度的確定單點定位相對定位差分GPS武漢大學

測繪學院概述GPS測量定位的分類依定位時的狀態(tài)動態(tài)定位靜態(tài)定位依定位模式絕對定位（單點定位）相對定位差分定位依定位采用的觀測值偽距測量（偽距法定位）載波相位測量載波相位平滑偽距依時效實時定位事后定位依確定整周模糊度的方法及觀測時段的長短常規(guī)靜態(tài)定位快速靜態(tài)定位武漢大學

測繪學院概述相對定位武漢大學

測繪學院概述差分定位武漢大學

測繪學院概述動態(tài)定位武漢大學

測繪學院利用測距碼測定衛(wèi)地距偽距測量武漢大學

測繪學院利用測距碼測定衛(wèi)地距偽距測量武漢大學

測繪學院特點對信號的強度要求不高提高測距精度便于用碼分多址技術對衛(wèi)星信號進行識別和處理便于對系統(tǒng)進行控制和管理無模糊度（多值性）問題定位速度快，實時定位偽距測量Z跟蹤技術為了克服AS政策所造成的無法利用P碼測定偽距的影響，而發(fā)明的一種打破Y碼，將其重新分解為P碼和W碼，然后再利用P碼測定偽距的一種技術。核心是縮小積分間隔。測定偽距的精度略有降低。武漢大學

測繪學院偽距法單點定位（一）特點觀測值：偽距結果：在地固坐標系（WGS-84，ITRF）下的坐標武漢大學

測繪學院偽距法單點定位（二）偽距法定位原理武漢大學

測繪學院偽距法單點定位（三）觀測方程武漢大學

測繪學院偽距法單點定位（四）觀測方程武漢大學

測繪學院偽距法單點定位（五）DOP值–DilusionOfPrecisionHDOPVDOPGDOPTDOP武漢大學

測繪學院載波相位測量（一）偽距測量的局限性–觀測值的精度低載波相位（CarrierPhase）–L1、L2模二和雙相調制武漢大學

測繪學院載波相位測量（二）載波相位的測定重建載波碼相關法得到的觀測值為全波（fullwave）同時獲得導航電文信噪比較好平方法得到的觀測值為半波（halfwave），N更難確定無法獲得導航電文信噪比差互相關技術得到的觀測值為全波（fullwave）同時獲得導航電文信噪比差Z跟蹤技術

得到的觀測值為全波（fullwave）同時獲得導航電文信噪比較好載波相位測量（三）載波相位觀測值理想的觀測方法：信號接收時刻，衛(wèi)星端衛(wèi)星載波信號的相位(S)與接收機端衛(wèi)星載波信號的相位(R)之差。從而測定出站星距離()，即問題：衛(wèi)星端衛(wèi)星載波信號的相位(S)不能直接測定。武漢大學

測繪學院載波相位測量（三）載波相位觀測值（續(xù)）實際觀測方法：信號接收時刻，接收機模擬（復制）的衛(wèi)星端衛(wèi)星載波信號的相位(S)與接收機端衛(wèi)星載波信號的相位(

R)之差，即實際觀測值：武漢大學

測繪學院載波相位測量（四）載波相位觀測值（續(xù)）相位偽距：整周模糊度（整周未知數）-Ambiguity特性：整數若信號不失鎖或發(fā)生周跳，則保持不變武漢大學

測繪學院周跳的探測與修復周跳產生的原因信號被遮擋干擾接收機運動速度過快接收機暫時的故障高次差法/多項式擬合法簡單的高次差或多項式擬合法星間差分的高次差用雙頻觀測值修復周跳殘差法武漢大學

測繪學院整周未知數（整周模糊度）的確定偽距法多普勒法（消去法）走走停停法（StopandGo）參數法（搜索法）經典方法快速確定整周未知數的算法FARALAMBDA...固定解與浮動解（整數解與實數解）武漢大學

測繪學院差分觀測值（一）概述測站i對衛(wèi)星p的觀測值如下：必要參數和多余參數模型法消去法武漢大學

測繪學院差分觀測值（二）差分方式站間差分–同步觀測值在接收機間求差?？上l(wèi)星鐘差，削弱電離層、對流層折射影響。星間差分–同步觀測值在衛(wèi)星間求差?？上邮諜C鐘差。歷元間差分–同步觀測值在間歷元求差?？上フ芪粗獢祬怠Ｎ錆h大學

測繪學院差分觀測值（三）單差、雙差和三差單差武漢大學

測繪學院差分觀測值（四）單差、雙差和三差（續(xù)）雙差武漢大學

測繪學院差分觀測值（五）單差、雙差和三差（續(xù)）三差武漢大學

測繪學院差分觀測值（五）非差法求差法與非差法的比較求差法數據利用率低求差法引入了基線向（矢）量的概念差分觀測值之間具有了相關性求差法無法確定出一些多余參數著名的非差軟件美JPL研制的GIPSYAB(X,Y,Z)基線向量武漢大學

測繪學院兩個不同頻率的載波(L1,L2)相位觀測值間的線性組合（一）兩個不同頻率的載波(L1,L2)相位觀測值間線性組合的一般形式一般形式特性L1武漢大學

測繪學院兩個不同頻率的載波(L1,L2)相位觀測值間的線性組合（二）兩個不同頻率的載波(L1,L2)相位觀測值間線性組合的一般形式（續(xù)）L2武漢大學

測繪學院兩個不同頻率的載波(L1,L2)相位觀測值間的線性組合（三）兩個不同頻率的載波(L1,L2)相位觀測值間線性組合的一般形式（續(xù)）n,m武漢大學

測繪學院兩個不同頻率的載波(L1,L2)相位觀測值間的線性組合（四）兩個不同頻率的載波(L1,L2)相位觀測值間線性組合的一般形式（續(xù)）武漢大學

測繪學院兩個不同頻率的載波(L1,L2)相位觀測值間的線性組合（五）幾類特殊的線性組合觀測值寬巷組合（wide-lane）(n=1,m=-1)武漢大學

測繪學院兩個不同頻率的載波(L1,L2)相位觀測值間的線性組合（六）幾類特殊的線性組合觀測值窄巷組合（narrow-lane）(n=1,m=1)武漢大學

測繪學院兩個不同頻率的載波(L1,L2)相位觀測值間的線性組合（七）幾類特殊的線性組合觀測值無電離層折射的組合（iono-free）武漢大學

測繪學院第五章GPS動態(tài)定位

GPS動態(tài)定位

GPS動態(tài)定位的應用動態(tài)定位的類型（方法）武漢大學

測繪學院概述什么是GPS動態(tài)定位GPS動態(tài)定位（測量），是利用GPS信號，測定相對于地球運動的用戶天線的狀態(tài)參數，這些狀態(tài)參數包括三維坐標、三維速度和時間等七個。導航，是測得運動載體的狀態(tài)參數，并導引運動載體準確的運動到預定的后續(xù)位置。GPS動態(tài)定位的應用導航–探險、車輛、船舶、航空器等跟蹤、監(jiān)控與調度–車輛、船舶、航空器等制導–武器制導、自動駕駛等定軌–衛(wèi)星、航天器等姿態(tài)確定–衛(wèi)星、航天器、航空器等測量–放樣、監(jiān)測等武漢大學

測繪學院概述GPS動態(tài)定位的應用（續(xù)）武漢大學

測繪學院概述GPS動態(tài)定位的應用（續(xù)）武漢大學

測繪學院概述GPS動態(tài)定位的應用（續(xù)）武漢大學

測繪學院概述GPS動態(tài)定位的應用（續(xù)）武漢大學

測繪學院概述GPS動態(tài)定位的應用（續(xù)）武漢大學

測繪學院GPS動態(tài)定位的類型單點動態(tài)定位、相對動態(tài)定位和差分動態(tài)定位實時動態(tài)定位與后處理動態(tài)定位偽距動態(tài)定位與載波相位動態(tài)定位武漢大學

測繪學院GPS動態(tài)定位的基本原理單點偽距動態(tài)定位載波相位動態(tài)定位實時動態(tài)定位速度的測定時間的測定武漢大學

測繪學院差分GPS技術

差分GPS

差分GPS的類型各類差分GPS簡介武漢大學

測繪學院什么是差分GPS（DGPS–DifferentialGPS）基本思路：利用設于坐標已知的參考站，計算各類改正數影響GPS測量定位的誤差武漢大學

測繪學院什么是差分GPS（續(xù)）誤差的特性衛(wèi)星軌道誤差：影響大小與測站位置有關，距離較近時，影響大小相近（誤差的空間位置相關性）衛(wèi)星鐘差：影響大小與測站無關（時間相關性）大氣折射（電離層、對流層折射）：影響具有空間位置相關性SA：Epsilon可以歸于衛(wèi)星軌道誤差，Ditar可歸于衛(wèi)星鐘差多路徑：與測站有關，測站間無關差分GPS基準站（Reference/BaseStation）與流動站（Mobile/RoverStation）差分改正數武漢大學

測繪學院什么是差分GPS（續(xù)）差分GPS系統(tǒng)的構成武漢大學

測繪學院差分GPS的類型位置（坐標）差分與距離（偽距）差分位置改正數位置改正數的確定缺陷–要求參考站和流動站所觀測的衛(wèi)星完全相同距離改正數距離改正數的確定：計算距離–觀測距離局域差分與廣域差分局域差分GPS（LADGPS–LocalAreaDGPS）基準站作用距離：數百公里特點：計算出廣域差分GPS（WADGPS–WideAreaDGPS）基準站作用距離：數千公里特點：將各項誤差分離出來，建立誤差與位置的關系分離出的誤差：衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星鐘差建立誤差與位置的關系模型：大氣折射武漢大學

測繪學院差分GPS的類型（續(xù)）增強型的差分GPS系統(tǒng)偽衛(wèi)星（Pseudolites）LAAS–局域增強系統(tǒng)LocalAreaAugmentationSystem應用領域：機場，著陸系統(tǒng)WAAS–廣域增強系統(tǒng)WideAreaAugmentationSystem武漢大學

測繪學院RTK–RealTimeKinametic（實時動態(tài)差分）系統(tǒng)構成參考站流動站數據鏈應用網絡RTK和傳統(tǒng)RTK傳統(tǒng)RTK：RTK技術在應用中遇到的最大問題就是參考站校正數據的有效作用距離。網絡RTK:線性衰減的單點GPS誤差模型被區(qū)域型的GPS網絡誤差模型所取代，即用多個參考站組成的GPS網絡來估計一個地區(qū)的GPS誤差模型，并為網絡覆蓋地區(qū)的用戶提供校正數據。用戶收到的也不是某個實際參考站的觀測數據，而是一個虛擬參考站的數據，和距離自己位置較近的某個參考網格的校正數據，這就是VRS技術。VRS概念虛擬參考站技術（VRS）是GPS網絡RTK中一種比較成熟的、可實時提供高精度導航定位信息的技術。它主要是利用網絡內所有基準站原始觀測數據，在流動站附近實時模擬一組參考站數據，實現對“參考站數據的模擬和重建”。VRS特點覆蓋范圍更廣成本更低精度和可靠性更高應用范圍更廣改進了OTF初始化時間VRS工作原理圖VRS的算法步驟一、參考站之間的模糊度解算（一般認為已知）；二、參考站之間的改正數的解算，包括電離層和電離層；三、VRS改正數的生成，包括目前各種網絡數據生成；四、推導出VRS觀測值；五、流動站用戶定位.連續(xù)運行參考站（CORS）VRS–VirtualReferenceStation作業(yè)模型類似RTK原理利用基準站網計算出用戶附近某點（虛擬參考站）各項誤差改正，再將它們加到利用虛擬參考站坐標和衛(wèi)星坐標所計算出的距離之上，得出虛擬參考站上的虛擬觀測值，將其發(fā)送給用戶，進行實時相對定位。特點精度和可靠性高屬網絡RTK武漢大學

測繪學院GPS技術設計、數據采集及數據處理

GPS測量的步驟及質量要求

技術設計的編寫

GPS接收機的檢定

GPS網的設計

GPS的作業(yè)組織基線解算及質量評定網平差及質量評定§GPS測量的基本步驟及質量要求

一、GPS測量的工作步驟（以基線向量網為例）1.測前工作工程項目的提出測區(qū)位置及其范圍提交成果的內容用途和精度等級點位分布及點的數量時限要求投資經費。技術設計測繪資料的搜集與整理儀器的檢驗踏勘、選點埋石2.測量實施實地了解測區(qū)情況衛(wèi)星狀況預報確定作業(yè)方案外業(yè)觀測數據傳輸與轉儲基線處理與質量評估重復“確定作業(yè)方案”、“外業(yè)觀測”、“數據傳輸轉儲”及“基線處理與質量評估”四步，直至完成所有GPS觀測工作3.測后工作結果分析（網平差處理與質量評估）技術總結成果驗收二、GPS測量質量的評定

1.精度指標：網中相鄰點間的距離中誤差(mm)；a：固定誤差(mm)；b：比例誤差(ppm)；D：相鄰點間的距離(km)。2.GPS網的等級A級網一般為區(qū)域或國家框架網、區(qū)域動力學網；B級網為國家大地控制網或地方框架網；C級網為地方控制網和工程控制網；D級網為工程控制網；E級網為測圖網。美國聯邦大地測量分管委員會（FederalGeodeticControlSubcommittee-FGCS）在1988年公布的GPS相對定位的精度標準中有一個AA級的等級，其要求固定誤差≤3mm，比例誤差≤0.01ppm，此等級的網一般為全球性的坐標框架和地球動力學測量?！旒夹g設計的編寫

一、技術設計的作用作業(yè)、數據處理的技術依據二、技術設計的內容項目來源測區(qū)概況工程概況技術依據現有測繪成果施測方案作業(yè)要求觀測質量控制數據處理方案提交成果要求§GPS接收機及相關設備的檢定一、接收機的檢定零基線的檢定檢驗儀器的內部噪聲利用基線場進行儀器檢定二、其它設備的檢定基座的檢定尺的檢定§GPS網的設計

一、GPS基線向量網的布網形式跟蹤站式會戰(zhàn)式多基準站式同步圖形擴展式單基準站式1.跟蹤站式的布網形式：若干臺接收機長期固定安放在測站上，進行常年、不間斷的觀測，即一年觀測365天，一天觀測24小時，這種觀測方式很象是跟蹤站，因此，這種布網形式被稱為跟蹤站式（實際上就是跟蹤站）。數據處理通常采用精密星歷。優(yōu)點：精度極高，具有框架基準特性。缺點：需建立專門的永久性建筑即跟蹤站，觀測成本很高。適用范圍：一般用于建立GPS跟蹤站（AA級網），永久性的的監(jiān)測網（如用于監(jiān)測地殼形變、大氣物理參數等的永久性監(jiān)測網絡）。2.會戰(zhàn)式的布網形式：在布設GPS網時，一次組織多臺GPS接收機，集中在一段不太長的時間內，共同作業(yè)。在作業(yè)時，觀測分階段進行，在同一階段中，所有的接收機，在若干天的時間里分別各自在同一批點上進行多天、長時段的同步觀測，在完成一批點的測量后，所有接收機又都遷移到另外一批點上采用相同方式，進行另一階段的觀測，直至所有點觀測完畢。優(yōu)點：可以較好地消除SA等因素的影響，因而具有特高的尺度精度。適用范圍：用于布設A、B級網。3.多基準站式的布網形式：若干臺接收機在一段時間里長期固定在某幾個點上進行長時間的觀測，這些測站稱為基準站，在基準站進行觀測的同時，另外一些接收機則在這些基準站周圍相互之間進行同步觀測。優(yōu)點：各個基準站之間進行了長時間的觀測，因此，可以獲得較高精度的定位結果，這些高精度的基線向量可以作為整個GPS網的骨架。另外一方面，其余的進行了同步觀測的接收機間除了自身間有基線向量相連外，它們與各個基準站之間也存在有同步觀測，因此，也有同步觀測基線相連，這樣可以獲得更強的圖形結構。適用范圍：C，D。4.同步圖形擴展式的布網形式：多臺接收機在不同測站上進行同步觀測，在完成一個時段的同步觀測后，又遷移到其它的測站上進行同步觀測，每次同步觀測都可以形成一個同步圖形，在測量過程中，不同的同步圖形間一般有若干個公共點相連，整個GPS網由這些同步圖形構成。優(yōu)點：擴展速度快，圖形強度較高，且作業(yè)方法簡單。適用范圍：C，D。5.單基準站（星形網）式的布網形式：以一臺接收機作為基準站，在某個測站上連續(xù)開機觀測，其余的接收機在此基準站觀測期間，在其周圍流動，每到一點就進行觀測，流動的接收機之間一般不要求同步，這樣，流動的接收機每觀測一個時段，就與基準站間測得一條同步觀測基線，所有這樣測得的同步基線就形成了一個以基準站為中心得星形。優(yōu)點：效率高。缺點：圖形強度弱適用范圍：D，E。二、同步圖形的連接方式及相關概念點連式邊連式網連式混連式獨立基線與非獨立基線同步環(huán)與異步環(huán)1.點連式形式：相鄰的同步圖形間只通過一個公共點相連。優(yōu)點：作業(yè)效率高，圖形擴展迅速。缺點：圖形強度低，如果連接點發(fā)生問題，將影響到后面的同步圖形。2.邊連式形式：相鄰的同步圖形間有一條邊（即兩個公共點）相連。優(yōu)點：作業(yè)效率較高，圖形強度較強。3.網連式形式：相鄰的同步圖形間有3個（含3個）以上的公共點相連。優(yōu)點：圖形強度最強。缺點：作業(yè)效率低。4.混連式形式：相鄰的同步圖形間以點連式、邊連式、網連式等混合構成。優(yōu)點：構網圖