GPS測量原理及應用各章知識點總結

1、GPS測量原理及應用各章知識點總結桂林理工大學 測繪 08-1 JL （純手打）第一章 緒論1、GPS系統(tǒng)是以衛(wèi)星為基礎的無線電導航定位系統(tǒng)，具有全能性、全球性、全天候、連 續(xù)性和實時性的導航、定位和定時的功能。能為各個用戶提供三維坐標和時間。2、GPS衛(wèi)星位置采用WGS-8軟地坐標系3、GPS經歷了方案論證、系統(tǒng)論證、生產試驗三個階段。整個系統(tǒng)包括衛(wèi)星星座、地面 監(jiān)控部分、用戶接收機部分。4、GPS基本參數(shù)為：衛(wèi)星顆數(shù)為 21+3,衛(wèi)星軌道面?zhèn)€數(shù)為6,衛(wèi)星高度為20200km軌 道傾角為 55 度，衛(wèi)星運行周期為 11 小時 58 分，在地球表面任何時刻，在高度較為 15 度以上，平均可同時

2、觀測到 6顆有效衛(wèi)星，最多可以達到 9顆。5、應用雙定位系統(tǒng)的優(yōu)越性 ：能同時接收到GPS和GLONASS星信號的接收機，簡稱為雙系統(tǒng)衛(wèi)星接收機。（1）增加接收衛(wèi)星數(shù)。這樣有利于在山區(qū)和城市有障礙物遮擋的地區(qū)作業(yè)（2）提高效率。觀測衛(wèi)星數(shù)增加，所以求解整周模糊度的時間縮短，從而減 少野外作業(yè)時間，提高了生產效率。（3）提高定位的可靠性和精度。因觀測的衛(wèi)星數(shù)增加，用于定位計算的衛(wèi)星數(shù)增加， 衛(wèi)星幾何分布也更好，所以提高了定位的可靠性和精度。&在GPS信號導航的定位時，為了解算測站的三維坐標，必須觀測4顆（以上）衛(wèi)星，稱為定位星座。7、PRN 衛(wèi)星所采用的偽隨機噪聲碼8、在導航定位測量中，一般采用

3、 PRN編號。9、用于捕獲信號和粗略定位的為隨機碼叫做 C/A碼（又叫S碼），用于精密定位的精密 測距碼叫P碼10、GPS系統(tǒng)中各組成部分的作用：衛(wèi)星星座1 、向廣大用戶發(fā)送導航定位信息。2、接收注入站發(fā)送到衛(wèi)星的導航電文和其他相關信息，并通過 GPS信號電路，適時的發(fā) 送給廣大用戶。3、接收地面主控站通過注入站發(fā)送到衛(wèi)星的調度命令，適時的改正運行偏差和啟用備用 時鐘等。地面監(jiān)控系統(tǒng) 地面監(jiān)控系統(tǒng)包括 1 個主控站， 3 個注入站和 5 個監(jiān)測站。1、監(jiān)測和控制衛(wèi)星上的設備是否正常工作，以及衛(wèi)星是否一直沿著預定軌道運行。2、保持各衛(wèi)星處于同一時間。GPS 接收機接收機硬件和機內軟件以及 GPS

4、數(shù)據的后處理軟件包，構成完整的 GPS用戶設備。GPS 接收機的結構非為天線單元和接收單元兩大部分。 作用：能夠捕獲按一定衛(wèi)星高度截止角多選擇的待測衛(wèi)星信號，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行， 對說接收到的GPS信號進行變換、放大和處理，以便測量出 GPS信號從衛(wèi)星到接收機天 線的傳播時間，解譯出 GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導航電文，實時的計算出測站三位位置，甚至 三位速度時間。10、GPS勺特點：1、定位精度高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 單6、全天候作業(yè)7、功能多，應用廣第二章 坐標系統(tǒng)和時間系統(tǒng)1、 完全定義一個空間直角坐標系必須明確：1、坐標原點的位置2、三個坐標軸的指向。

5、3、長度單位。2、地球的瞬時自轉軸在地球上隨時間而變，稱為極地移動，簡稱極移。3、WGS-84坐標系WGS-84的幾何定義：原地位于地球質心，Z軸指向BIH 1984.0定義的協(xié)議地球極（CTP 方向,X軸指向BIH 1984.0的零子午面和CTP赤道的交點,Y軸與Z、X軸構成右手坐標 系。長半軸 a=6378137+-2m,a4、WGS-84地水準面N等于由GPS定位測定的點的大地高H減去該點的正高Ho5、 我國目前常用的兩個國家大地坐標系：1954北京坐標系，1980年國家大地坐標系。 1980年國家大地坐標系的的大地原點設在我國中部 -陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)，高程系統(tǒng)基準 是19556年青島

6、驗潮站求出的黃海平均海水面。& GPS寸間系統(tǒng)GPS系統(tǒng)是測試測距系統(tǒng)。GPS寸間系統(tǒng)采用原子時ATI秒長作為時間基準，但時間 起算的原點定義在1980年1月6日UTC 0時。3、衛(wèi)星運動基礎及GPS衛(wèi)星星歷1、只考慮地球地心引力作用的衛(wèi)星運動稱為衛(wèi)星的無攝運動。2、 考慮了攝動力作用的衛(wèi)星運動稱為衛(wèi)星的受攝運動。攝動力包括：地球引力場攝動力 （影響最大）、日月攝動力、大氣阻力、光壓攝動力潮汐攝動力。3、 衛(wèi)星星歷：描述衛(wèi)星運動軌道的信息。分為預報星歷和后處理星歷。4、預報星歷有叫廣播星歷。通常包括相對某一參考歷元的開普勒軌道參數(shù)和必要的軌道 攝動改正項參數(shù)。5、廣播星歷參數(shù)共有16個，包括1

7、個參考時刻，6個對應參考時刻的開普勒軌道參數(shù)和 9個反映攝動力影響的參數(shù)。& C/A碼星歷- 一種用C/A碼傳送的衛(wèi)星星歷。P碼星歷 一種用P碼傳送的衛(wèi)星星歷。7、后處理星歷（有滯后性）：一些國家某些部門，根據各自建立的衛(wèi)星跟蹤站所獲得的 對GPS1星的精密觀測資料，應用與確定廣播星歷相似的方法而計算的衛(wèi)星星歷。第四章GPS衛(wèi)星的導航電文和衛(wèi)星信號1、衛(wèi)星導航電文：是用戶用來定位和導航的數(shù)據基礎。它主要包括：衛(wèi)星星歷、時鐘改 正、電離層延遲改正、工作狀態(tài)信息 C/A碼轉換到捕獲P碼。2、GPS衛(wèi)星信號是用于導航定位的調制波，他包含有：載波、測距碼和數(shù)據碼。3、調制：將頻率較低的信號加載在頻率較

8、高的載波上的過程。4、GPS接收機分類：按用途分：導航型接收機、測地型接收機和授時型接收機按接收機的載波頻率分：單頻接收機、雙頻接收機按通道數(shù)分：多通道接收機、序貫通道接收機和多路多用通道接收機 按工作原理分：碼相關型接收機、平方型接收機、混合型接收機和干涉型接收機。5、GPS 衛(wèi)星定位基本原理1、GPS衛(wèi)星定位的基本原理：將無線電信號發(fā)射臺從地面點搬到衛(wèi)星上，組成衛(wèi)星導航 定位系統(tǒng)，應用無線電測距交會原理，便可由三個以上地面已知點（控制站）交會出衛(wèi) 星的位置，反之利用三顆以上衛(wèi)星的已知空間位置又可交會出地面未知點（用戶接收機） 的位置。2、依據測距的原理，GPS定位原理和方法主要有：偽距法定

9、位，載波相位測量定位和差 分GPS定位等。3、對于待定點來說，根據其運動狀態(tài)可以將 GPS定位分為靜態(tài)地位和動態(tài)定位。4、靜態(tài)定位：對于固定不動的待定點，將 GPS接收機安置與其上測，觀測數(shù)分鐘乃至更 長的時間，以確定改點的三維坐標。5、動態(tài)定位：至少有一臺接收機處于運動狀態(tài)，測定的是各觀測時刻（觀測歷元）運動 中的接收機的點位。6相對定位：至少用兩臺GPS接收機，同步觀測相同的GPS衛(wèi)星，確定兩臺接收機天線 之間的相對位置。7、絕對定位：（也叫單點定位）利用 GPS衛(wèi)星和用戶接收機之間的距離觀測值直接確定 用戶接收機天線在 WGS-8坐標系中相對于坐標原點-地球質心的絕對位置。8、靜態(tài)絕對定

10、位：接收機天線處于靜止狀態(tài)下，確定觀測站坐標的方法。9、動態(tài)絕對定位：在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。10、為了減少軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差以及電離層和對流層的折射誤差的影響， 常采用載波相位觀測值的各種線性組合（即差分值）作為觀測值。偽距測量11、偽距法定位：由GPS接收機在哦某一時刻測出得到四顆以上 GPS衛(wèi)星的位居及已知 的衛(wèi)星位置，采用距離交會的方法求定接收機天線所在點的三維坐標。 （所測偽距就是有 衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號到達接收機的傳播時間乘以光速所得的量測值。 ）12、偽距法定位優(yōu)點：定位速度快，且無多值性問題。缺點：13、用碼

11、相關技術來確定偽距可以排除隨機誤差的影響。14、偽距法定位觀測方程：載波相位測量15、重建載波：設法將調制在載波上的測距碼和衛(wèi)星電文去掉，重新獲取載波的工作。 一般采用碼相關法和平方法。16、載波相位測量存在整周數(shù)不確定的問題。整周未知數(shù)No的確定方法有：1、偽距法 2、將整周未知數(shù)當作平差中的待定參數(shù) 經典方法。 3、多普勒法 4、快 速確定整周未知數(shù) 偽距法：在進行載波相位測量的同時有進行偽距測量，將偽距測量值減去載波相位測量 值后即可得到入Noo整周跳變的修復1、周跳：受無線電信號干擾造成失鎖，整周計數(shù)無法連續(xù)進行而造成整周計數(shù)不正確， 但是不到一個整周的相位觀測值仍是正確的。2、產生周

12、跳的原因有：1、建筑物或樹木等障礙物的遮擋 2、電離層電子活動劇烈 3 、多路徑效應的影響4、衛(wèi)星噪聲比太低 5 、接收機的高動態(tài) 6、接收機內置軟件設計不合理3、整周跳變修復方法：1 、屏幕掃描法 2 、用高次差或多項式擬合法 3 、在衛(wèi)星間求差 4 、用雙頻觀測值 修復周跳 5 、根據平差后的殘差發(fā)現(xiàn)和修復整周跳變 3、用雙頻觀測值修復周跳的方法的優(yōu)點是：雙頻載波相位觀測值的組合中個參數(shù)之涉及 頻率，取決于電離層殘差影響，無需事先知道測站和衛(wèi)星的坐標。缺點是：不能顧及多 路徑效應和測量噪聲的影響，另外如果兩個載波相位觀測值中都出現(xiàn)周跳，則不可用此 方法。4、固定解：整周未知數(shù)解算后，不再為

13、整數(shù)，可將其調整為整數(shù)，解算出的觀測站坐標 稱為固定解，否則稱為實數(shù)解。5、精度因子：HDOP平面位置精度因子）、VDO（高程精度因子）、PDO（空間位置精度 因子）、TDOP（接收機鐘差精度因子）、GDOR幾何精度因子）6、一次差：將觀測值直接相減的過程。 （接收機間求差） ；作用：可以消除與衛(wèi)星有關的 載波相位及其鐘差項7、 二次差：對一次差分觀測值繼續(xù)求差，所得的結果仍可以當作虛擬觀測值。（接收機 間求差、衛(wèi)星間求差） 作用：與接收機有關的載波相位及其鐘差項8、三次差：對二次差分值繼續(xù)求差。（接收機間求差、 衛(wèi)星間求差、 不同歷元間求差） 作 用：消除出事整周模糊度項。9、差值法都引入了

14、線性相關。10、GPS衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號含有兩種精度不同的測距碼， 即P碼（精碼）和C/A碼（粗 碼）11、 SA和AS技術對定位的影響：（1）降低單點定位精度 （2）降低長距離相對定位的精 度（3）AS技術會對高精度相對定位數(shù)據處理，整周未知數(shù)的確定帶來不便。12、針對SA和AS政策的對策：應用P-W技術和L1與L2交叉相關技術，使L2載波相 位測量值得到恢復，其精度與使用 P碼相同。研制能同時接受 GPS和GLONAS信號的 接收機。發(fā)展DGP僑口 WADGP差分系統(tǒng)。建立獨立的 GPS衛(wèi)星測軌系統(tǒng)。建立獨 立的衛(wèi)星導航和定位系統(tǒng)。差分GPS定位原理第一章GPS定位中，存在三部分的誤差：

15、一是多臺接收機共有的誤差，如：衛(wèi)星鐘差、 星歷誤差。二是傳播延遲誤差，如：電離層延遲誤差、對流層延遲誤差。三是接收機固 有的誤差，如：內部噪聲、多路徑效應。第二章差分GPS可分為單基準站差分、具有多個基準站的局部區(qū)域差分和廣域差分三種 類型。第三章單站差分按基準站發(fā)送的信息方式可分為：位置差分、偽距差分和載波相位差分。 第四章位置差分優(yōu)點：計算簡單，適用于各種型號的 GPS接收機。缺點：基準站與用戶 必須觀測同一組衛(wèi)星，這在近距離可以做到但遠距離較長時很難滿足。故，位置差分， 值適用于100k m以內。第五章偽距差分的優(yōu)點是：基準站提供所有衛(wèi)星的改正數(shù)，用戶接收機觀測任意 4 顆衛(wèi) 星，就可以

16、完成定位。缺點：差分精度隨基準站到用戶的距離增加而降低。第六章RTK實時處理兩個測站載波相位觀測量的差分方法。 第七章廣域差分 P70。第七章 GPS 測量誤差來源及其影響與信號傳播有關的誤差有： （1）電離層折射誤差（2）對流層折射誤差 （3） 多路徑效應電離層折射誤差 ：1、電離層延遲誤差： GPS信號穿過電離層時，信號路徑發(fā)生彎曲，傳播速度也會 發(fā)生變化，從而使測量距離產生偏差，這種偏差叫電離層折射誤差。2 、減弱電離層影響的措施：a利用雙頻觀測b、利用電離層改正模型加以修正 c、 利用同步觀測值求差 對流層折射誤差：1、流層折射誤差：GPS言號穿過對流層時，信號路徑發(fā)生彎曲，傳播速度也

17、會發(fā)生 變化，從而使測量距離產生偏差，這種現(xiàn)象叫做對流層折射誤差。2、減弱對流層折射改正殘差影響的措施：a、采用對流層模型加以改正b、映入附加待估參數(shù)c、利用同步觀測量求差。多路徑效應：1、多路徑誤差：測站周圍的反射物鎖反射的衛(wèi)星信號進入接收機天線，這就和直接 來自衛(wèi)星的信號產生干涉，從而使觀測值偏離真值產生的偏差。2、多路徑效應：由于多路徑信號傳播鎖引起的干涉時延效應被稱為多路徑效應。3、消除措施：（1）、選擇合適站址a 、測站應遠離大面積平靜水面 b 、測站不宜選擇在山坡、山谷和盆地中。c、測站應離開高層建筑物。 （2）對接手機天線的要求a 、在天線中設置抑徑板 b 、接收機天線對于極化特

18、性不同的反射信號應該有較 強的抑制作用。與衛(wèi)星有關的誤差有：（1 ）衛(wèi)星星歷誤差 （ 2）衛(wèi)星鐘鐘差 （3）相對論效應 衛(wèi)星星歷誤差 ：1、衛(wèi)星星歷誤差：由星歷所給出的衛(wèi)星空間的位置與實際位置之差。2、 解決星歷誤差的方法：a、建立自己的衛(wèi)星跟蹤網獨立定軌 b、軌道松弛法c、同步 觀測值求差衛(wèi)星鐘鐘差 ：八婆擴有鐘差、頻偏、頻漂等產生的誤差，也包含鐘的隨機誤差。 相對論效應：1、相對論效應： 由于衛(wèi)星鐘和接收機鐘所處的狀態(tài)不同而引起衛(wèi)星鐘和接收機鐘之間產 生相對中誤差的現(xiàn)象。與接收機有關的誤差有： （ 1）接收機鐘誤差 （2）接收機位置誤差 （3）天線相位中心位置誤差及幾何強圖 形度誤差等1、

19、減弱接收機鐘差的方法 :a 、把每個觀測時刻的接收機鐘差當著一個獨立的未知數(shù)，在數(shù)據處理中與觀測站的 位置參數(shù)一并求解。b 、認為各觀測時刻的接收機鐘差間是相關的，像衛(wèi)星鐘那樣，將接收機鐘差表示為 時間多項式，并在觀測量的平差計算中求解多項式的系數(shù)。c 、通過衛(wèi)星間求一次差來消除接收機的鐘差。2、接收機天線相位中心相對測站標石中心位置的誤差，叫接收機位置誤差。3、天線相位中心位置誤差：觀測時相位中心的瞬時位置與理論上的相位中心將有所不同 而產生的差別。第八章 GPS 測量的設計與實施GPS測量技術設計1、GPS網技術設計的主要依據是 GPS測量規(guī)范和測量任務書。2、GPS網按級別分可分為AA

20、A、B、C、D E;按等級分為二、三、四、一級、二級。GPS網的基準設計1、在GPS網的技術設計時，必須明確 GPS網所采用的坐標系統(tǒng)和起算數(shù)據，即明確 GPS 網所采用的基準，我們稱這項工作為 GPS網的基準設計。2、GPS網的基準包括位置基準、方位基準和尺度基準。3、 方位基準一般以給定的起算方位角確定，也可以由GPS基線向量的方位作為基準。4、尺度基準一般由地面的地磁波測距邊確定，也可由兩個起算點間的距離確定，同時也 可以由GPSS線向量的距離確定。5、位置基準一般是由給定的起算點坐標確定。6 GPS網的基準設計實質上主要是指確定網的位置基準問題。7、GPS基準設計應該考慮的問題：P11

21、7.GPS網構成的幾個基本概念及網特征條件1、觀測時段：測站上從開始接受衛(wèi)星信號到觀測停止，連續(xù)的工作時間段。2、同步觀測：兩臺或兩臺以上的接收機同時對一組衛(wèi)星進行觀測。3、同步觀測環(huán)：三天或三臺以上接收機同步觀測獲得的基線向量構成的閉合環(huán)。4、獨立觀測環(huán)：由獨立觀測所獲得的基線向量構成的閉合環(huán)。5、 異步觀測環(huán)：在構成多邊形環(huán)路中的所有基線向量中，只要有非同步觀測基線向量， 則該多邊形環(huán)路叫異步觀測環(huán)。6獨立基線：對于N臺GPS接收機構成的同步觀測環(huán)，有J條同步觀測基線，其中獨立 基線數(shù)為（ N-1）7、非獨立基線：除獨立基線外的基線。8、當同步閉合環(huán)的閉合差較小時，只能說明 GPSS線向量

22、的計算合格，不能說明 GPS邊 的觀測精度高，也不能發(fā)現(xiàn)接收到的信號收到干擾而產生的某些粗差。9、為了確保GPS觀測效果的可靠性，有效的發(fā)現(xiàn)測量成果中的粗差，必須使 GPS網中的 獨立邊構成一定的幾何圖形。GPS網的圖形設計：主要取決與用戶的要求和 =、經費、時間、人力和所投入接收機的類型、數(shù)量和后勤保障 條件等。a、網形主要有：點連式、邊連式、網連式、邊點混合連接四種。b、 網形的選擇：主要取決與工程的精度要求、野外條件和GPS接收機臺數(shù)等因素。c、點連式：相鄰同步圖形間僅有一個公共點的連接。d、邊連式：相鄰同步圖形間由一條公共基線連接。e、網連式：相鄰同步圖形間由兩個以上公共點相連接。f、 邊點混合連接：把點連式和邊連式有機結合起來，組成GPS網，既能保證網的幾何強 度。提高網的可靠指標，有能減少外業(yè)工作量，降低成本。在實際布網的設計時還要注意一下幾點原則：1、GPS點間盡管不需要通視，但考慮到利用常規(guī)測量加密時的需要，每點應有一個方向 以上通視。2、為了估計原有城市的測繪成果資料以及各種大比例尺地形圖的沿用，應采用原有城市 坐標系統(tǒng)。對凡符合GPS網點要求的舊點，應該充分利用其標石。3、GPS網必須由非同步獨立觀測邊構成若干個閉合環(huán)或符合路線。