GNSS(GPS)复习资料(45页).doc
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1、-第一章1、GPS系统组成三大部分:(1)空间部分:GPS卫星星座(21+3)(2)地面控制部分:地面监控系统(一个主控站MCS、三个注入站、五个监测站)(3)用户设备部分:GPS信号接收机2、GPS系统特点:定位精度高、测量时间短、观测站之间无需通视 、提供三维坐标 、操作简便 、全天候作业、功能多,应用广第二章1、卫星定位中两种坐标系统:天球坐标系和地球坐标系2、天球:指以地球质心为中心,半径r为任意长度的一个假想球体。3、黄道:地球公转的轨道面与天球相交的大圆,即当地球绕太阳公转时,地球上的观测者所见到的太阳在天球上的运动轨迹。黄道面与赤道面的夹角称为黄赤交角,约23.50。4、春分点:
2、指太阳由南向北运动时,黄道与天球赤道的交点。(当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时,黄道与天球赤道的交点g。)天球空间直角坐标系与天球球面坐标系5、天球坐标系由天球空间直角坐标系和天球球面坐标系组成。(1)天球空间直角坐标系的定义:原点位于地球的质心,z轴指向天球的北极Pn,x轴指向春分点g,y轴与x、z轴构成右手坐标系。(2)天球球面坐标系的定义:原点位于地球的质心,赤经a为含天轴和春分点的天球子午面与经过天体s的天球子午面之间的交角,赤纬d为原点至天体的连线与天球赤道面的夹角,向径r为原点至天体的距离。6、岁差:由于日月引力及其它天体引力,平北天极以北黄极为中心做一种顺时针圆周运动。(
3、在日月和其它天体引力对地球隆起部分的作用下,地球在绕太阳运行时,自转轴方向不再保持不变,从而使春分点在黄道上产生缓慢西移,此现象在天文学上称为岁差。)7、章动:在日月引力等因素的影响下,瞬时北天极将绕瞬时平北天极产生旋转,轨迹大致为椭圆。这种现象称为章动。8、地球坐标系有两种表达方式,即空间直角坐标系和大地坐标系。 地心空间直角坐标系的定义:原点与地球质心重合,z轴指向地球北极,x轴指向格林尼治平子午面与赤道的交点E,y轴垂直于xoz平面构成右手坐标系。 地心大地坐标系的定义:地球椭球的中心与地球质心重合,椭球短轴与地球自转轴重合,大地纬度B为过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角,大地经度L为
4、过地面点的椭球子午面与格林尼治平大地子午面之间的夹角,大地高H为地面点沿椭球法线至椭球面的距离。9、极移:地球自转轴相对于地球体的位置不是固定的,地极点在地球表面上的位置随时间而变化的现象称为极移10、地球坐标系分类:采用CIO(国际协议原点)作为协议地极(conventional Terrestrial PoleCTP),以协议地极为基准点的地球坐标系称为协议地球坐标系(Conventional Terrestrial SystemCTS),而与瞬时极相应的地球坐标系称为瞬时地球坐标系。11、选择某一时刻t0作为标准历元,并将此刻地球的瞬时自转轴(指向北极)和地心至瞬时春分点的方向,经过该瞬
5、时岁差和章动改正后,作为z轴和x轴,由此构成的空固坐标系称为所取标准历元的平天球坐标系,或协议天球坐标系,也称协议惯性坐标系(Conventional Inertial SystemCIS)12、瞬时极(真)天球坐标系到瞬时(真)地球坐标系的转换模型13、世界时系统包括恒星时、平太阳时和世界时。 恒星时(Sidereal TimeST): 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。 平太阳时(MT):以平太阳为参考点,由平太阳的周日视运动所确定的时间世界时(Universal TimeUT):以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时称为世界时。UT+极移=UT1 UT1+自转速
6、度季节性变化=UT214、原子时(AIT):原子时的原点为AT=UT2-0.0039s 国际原子时(International Atomic TimeIAT)15、力学时(Dynamic TimeDT):太阳系质心力学时(BarycentricDynamic TimeTDB)是相对于太阳系质心的运动方程所采用的时间参数。地球质心力学时(Terrestrial Dynamic TimeTDT)是相对于地球质心的运动方程所采用的时间参数。TDT=IAT+32.184S 若以DT表示地球质心力学时TDT与世界时UT1之间的时差,则可得: DT=TDT-UT1=IAT-UT1+32.184S 16、协
7、调世界时(Coordinate universal TimeUTC):由于地球自转速度有长期变慢的趋势,近20年,世界时每年比原子时慢约1秒,且两者之差逐年积累。为避免发播的原子时与世界时之间产生过大偏差,从1972年采用了一种以原子时秒长为基础,在时刻上尽量接近于世界时的一种折衷时间系统,称为世界协调时或协调时。 协调时与国际原子时的关系定义为: IAT=UTC+1S nn为调整参数,由IERS发布民用时间为UTC17、GPS时属于原子时系统,秒长与原子时相同,但与国际原子时的原点不同,即GPST与IAT在任一瞬间均有一常量偏差。 IAT-GPST = 19s时间系统及其关系图第三章1、卫星
8、轨道:卫星在空间运行的轨迹称为轨道2、摄动力:摄动力或非中心力,包括地球非球形对称的作用力、日月引力、大气阻力、光辐射压力以及地球潮汐力等。3、在摄动力的作用下的卫星运动称为受摄运动,相应的卫星轨道称为受摄轨道。4、开普勒轨道参数:(描述卫星无摄运动)(1)a 轨道的长半径 es 轨道椭圆偏心率 这两个参数确定了开普勒椭圆的形状和大小。(2)升交点赤经W:即地球赤道面上升交点与春分点之间的地心夹角。 轨道面倾角i :即卫星轨道平面与地球赤道面之间的夹角。 这两个参数唯一地确定了卫星轨道平面与地球体之间的相对定向。 (3) ws为近地点角距:即在轨道平面上,升交点与近地点之间的地心夹角,表达了开
9、普勒椭圆在轨道平面上的定向。(4) fs为卫星的真近点角:即轨道平面上卫星与近地点之间的地心角距。该参数为时间的函数,确定卫星在轨道上的瞬时位置。 由上述6个参数所构成的坐标系统称为轨道坐标系,广泛用于描述卫星运动。在描述卫星无摄运动的6个开普勒轨道参数中,只有真近点角是时间的函数,其余均为常数。故卫星瞬间位置的计算,关键在于计算真近点角。第四章GPS卫星的导航电文和卫星信号1、导航电文也称数据码(D码、卫星电文),是用户用来定位和导航的数据基础,由卫星星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟的运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码搜索P码的信息等组成。是GPS定位的数据基础,是以二进制
10、码的形式,按帧发送的。2、卫星电文是以二进制码的形式,按帧发送的。 每帧电文包含5个子帧,其中1,2,3子帧的内容每小时更新一次,而子帧4和子帧5 的内容又各分为25页,每帧电文里的子帧4和5只取其中一页,25帧为一个子帧,发送的时间为12.5min。电文的内容 (1)遥测码(TLWTelemetry Word) 遥测码位于各子帧开头, 其中所含的同步信号为 各子帧提供一个同步起点,便于用户从此起点译出电文 (2)转换码(HOWHand Over Word)转换码紧接着遥测码,提供如何由C/A捕获P码的信息,以便捕获跟踪P码 第一数据块1中包含了卫星钟的改正数及其数据的龄期、星期的周数编号和卫
11、星的工作状态。第二数据块2由子帧2 和子帧3 组成,包含了广播星历的参数,提供卫星的轨道信息。 第三数据块3由子帧4 和子帧5 组成,包含了卫星的概略星历、卫星的工作状态等,用于选择适当的观测卫星,提高定位精度。3、码:用以表示各种不同信息的二进制数及其组合码元:在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字,这样的时间间隔内的信号称为(二进制)码元。4、随机噪声码:码元的出现无规律,不能复制5、自相关系数:设有一码序列U(t),经过j次平移后,变成U(t)序列,将两个码序列码元对齐,其中码元完全相同的个数为A个,码元不相同的为B个,则自相关系数R(t)为6、粗码C/A码,用于粗测距
12、和捕获GPS卫星信号的伪随机码,由两个10级反馈移位寄存器构成的G码产生7、伪随机噪声码:具有良好的自相关性并且按某种确定的编码规则编码,可人工复制的码序列。伪随机噪声码的产生 (四级反馈移位寄存器)8、P码为卫星精测码,由两个伪随机码的乘积得到第五章 GPS卫星定位基本原理1、GPS定位分类:(1)按用户接收机作业时所处的状态划分为静态定位和动态定位(2)按参考点的不同位置分为绝对定位(单点定位)和相对定位(3)2、测码伪距观测方程的常用形式如下:式中j为卫星数,j1,2,3。忽略卫星之间钟差影响,并考虑电离层、对流层折射等影响,可得:3、载波相位观测方程4、整周未知数:在信号被接收机收到之
13、前,卫星信号在空中传播的整相位数。5、周跳(cycle clips)是指在GPS全球定位系统技术的载波相位测量中,由于卫星信号的失锁而导致的整周计数的跳变或中断。6、静态绝对定位: 也称单点定位,是指在协议地球坐标系中,直接确定观测站相对于坐标原点(地球质心)绝对坐标的一种方法。 伪距观测方程的线性化:静态绝对定位时观测站是固定的,可以于不同历元同步观测不同卫星,取得充分多的伪距观测量,通过最小二乘平差,提高定位精度。由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差,所以要同步观测4颗卫星,解算四个未知参数:纬度j, 经度l,大地高程 h , 钟差t定位精度主要取决于 (1)所测卫星在空间的几何分布(通常称
14、为卫星分布的几何图形) (2)观测量精度。精度描述使用精度因子(精度衰减因子、精度系数、精度弥散)DOP-Dilution Of Precision精度mx=DOP.s00,DOP是权系数阵主对角线元素的函数,s00伪距测量中误差 平面位置精度因子HDOP(horizontal DOP):相应的平面位置精度 高程精度因子VDOP(Vertical DOP):相应的高程精度为: 空间位置精度因子PDOP(Position DOP):相应的三维定位精度: 接收机钟差精度因子TDOP(Time DOP),钟差精度:几何精度因子GDOP(Geometric DOP),描述空间位置误差和时间误差综合影响
15、的精度因子,相应的中误差:卫星六面体的体积越大,所测卫星在空间的分布范围也越大,GDOP值越小;反之,卫星分布范围越小,GDOP值越大 7、静态相对定位载波观测方程8、单差(Single-DifferenceSD):在不同观测站,同步观测相同卫星所得观测量之差。表示为9、双差(Double-DifferenceDD):在不同观测站,同步观测同一组卫星,所得单差之差。符号表示为10、三差(Triple-DifferenceTD):于不同历元,同步观测同一组卫星,所得观测量的双差之差。表达式为:11、一般是采用双差法求解最终结果,而三差法则只是用于确定整周未知数或求得测站坐标的近似解。 双差可以消
16、去卫星钟的系统偏差、接收机时钟的误差、可以消去轨道(星历)误差的影响以及大气折射对观测值的影响 单差可消除与卫星相关的载波相位及其钟误差,双差可消除与接收机相关的载波相位及其钟误差,三差可消除与卫星接收机有关的初始整周模糊度N。第七章GPS测量的误差来源及其影响(考察各类误差定义和消弱消除方法)1、GPS定位中,影响观测量精度的主要误差来源分为三类:与卫星有关的误差、与信号传播有关的误差、与接收设备有关的误差。2、根据误差的性质分类: (1)系统误差:主要包括卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差、以及大气折射的误差等。为了减弱和修正系统误差对观测量的影响,一般根据系统误差产生的原因而采取不同的
17、措施,包括:引入相应的未知参数,在数据处理中联同其它未知参数一并求解。建立系统误差模型,对观测量加以修正。将不同观测站,对相同卫星的同步观测值求差,以减弱和消除系统误差的影响。简单地忽略某些系统误差的影响。(2)偶然误差:包括多路径效应误差和观测误差等。3、与信号传播有关的误差 (1)电离层折射影响 通常采取的措施:利用双频观测利用电离层模型加以修正利用同步观测值求差 (2)对流层的影响 对流层影响的处理方法:定位精度要求不高时,忽略不计。采用对流层模型加以改正引入描述对流层的附加待估参数,在数据处理中求解。观测量求差。 (3)多路径效应:也称多路径误差,即接收机天线除直接收到卫星发射的信号外
18、,还可能收到经天线周围地物一次或多次反射的卫星信号。两种信号迭加,将引起测量参考点位置变化,使观测量产生误差。在一般反射环境下,对测码伪距的影响达米级,对测相伪距影响达厘米级。在高反射环境中,影响显著增大,且常常导致卫星失锁和产生周跳。措施:安置接收机天线的环境应避开较强反射面,如水面、平坦光滑的地面和建筑表面。选择造型适宜且屏蔽良好的天线如扼流圈天线。适当延长观测时间,削弱周期性影响。4、与卫星有关的误差 (1)卫星钟差 (2)卫星轨道偏差(星历误差)(卫星的轨道误差是当前GPS定位的重要误差来源之一) 处理轨道误差的方法原则上有三种; 忽略轨道误差 采用轨道改进法处理观测数据:分为短弧法和
19、半短弧法。 同步观测值求差5、接收设备有关的误差 (1)观测误差:除分辨误差外,还包括接收天线相对测站点的安置误差。 (2)接收机钟差处理接收机钟差的方法:作为未知数,在数据处理中求解。利用观测值求差方法,减弱接收机钟差影响。定位精度要求较高时,可采用外接频标,如铷、铯原子钟,提高接收机时间标准精度。 (3)天线相位中心位置偏差6、其他误差:地球自转影响、相对论效应第八章 GPS测量的技术与实施1、GPS布网设计与数据采集的技术依据主要是GPS测量规范和测量任务书。二者同时也是数据处理等后续工作的技术依据。2、GPS网的精度要求,主要取决于网的用途和定位技术所能达到的精度。3、GPS网的基准包
20、括位置基准、尺度基准、方位基准。4、设计的一般原则是GPS网一般应采用独立观测边构成闭合图形,例如三角形、多边形或附合线路,以增加检核条件,提高网的可靠性。GPS网作为测量控制网,其相邻点间基线向量的精度,应分布均匀。GPS网点应尽量与原有地面控制网点相重合。重合点一般不应少于3个(不足时应联测),且在网中应分布均匀,以利于可靠地确定GPS网与地面网之间的转换参数。GPS网点应考虑与水准点相重合,而非重合点,一般应根据要求以水准测量方法(或相当精度的方法)进行联测,或在网中布设一定密度的水准联测点,以便为大地水准面的研究提供资料。为了便于GPS的测量观测和水准联测,GPS网点一般设在视野开阔和
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