GPS重點筆記專業(yè)資料

第一章：緒論1、子午衛(wèi)星導航系統(tǒng)(NNSS：海軍衛(wèi)星導航系統(tǒng))：·美國研制；運用多普勒衛(wèi)星定位技術進行測速、定位·系統(tǒng)長處：經(jīng)濟迅速、精度均勻、能提供地心坐標、不受天氣時間限制·系統(tǒng)缺陷：①觀測時間長(一兩天)②不能進行持續(xù)、實時定位③精度較低，限制了其應用①GPS衛(wèi)星星座(空間某些)：·工作衛(wèi)星編號：在導航定位測量中，普通采用PRN(偽隨機噪聲碼)編號②地面監(jiān)控系統(tǒng)(地面控制某些)：三個注入站、五個監(jiān)測站·主控站任務：收集解決資料、糾正軌道偏離、監(jiān)測地面監(jiān)測系統(tǒng)工作·注入站任務：將主控站發(fā)來導航電文注入到相應衛(wèi)星存儲器b.監(jiān)測和控制GPS衛(wèi)星上各種設備正常工作、衛(wèi)星沿預定軌道運營S③GPS信號接受機(顧客設備某些)：g應用廣·系統(tǒng)構成：空間衛(wèi)星星座(銫原子鐘)、地面控制、顧客設備·系統(tǒng)長處：不帶任何限制和收費，可供國防和民間使用·系統(tǒng)缺陷：由于經(jīng)費緊張，在軌衛(wèi)星數(shù)較少，局限性以精準定位4、伽利略(GALILEO)系統(tǒng)實行籌劃未實現(xiàn))心②更多載波頻率和測距信號③向顧客提供完好性信息④⑤提供與外部增值服務接口⑥第二章：坐標系統(tǒng)等功能衛(wèi)星定位系統(tǒng)·系統(tǒng)構成：空間某些(2+1顆衛(wèi)星)、地面中心站、顧客某些衛(wèi)星數(shù)量少、投資小，能實現(xiàn)一定區(qū)域導航定位②具備短信通信功能，可滿足國內(nèi)陸?？者\送導航定位規(guī)定★系統(tǒng)缺陷：①不能覆蓋兩級地區(qū)，赤道附近定位精度差②二維積極式測距(接受衛(wèi)星信號，且發(fā)射應答信號)，隱蔽性差③顧客不能自己解決觀測數(shù)據(jù)，需要依托地面空間站來計算GALILEO衛(wèi)星數(shù)6軌道數(shù)66衛(wèi)星周期衛(wèi)星高度/Km0軌道傾角衛(wèi)星信號模式CDMAFAMACDMA普通定位精度0m精密定位精度設計壽命/年·歲差：地軸相對于空間變化(周期260)·章動：地軸方向相對于空間變化(周期18.6年，振幅約為9.21’’)·CIO：國際合同原點：地球自轉軸瞬時位置平均位置ERP參數(shù)和描述極移參數(shù)★定義坐標系統(tǒng)要素：原點位置、尺度、坐標軸指向、曲面物理參數(shù)(用于曲面坐標)和坐標系兩方面要素構成了完整坐標參照系統(tǒng)(1)瞬時坐標系統(tǒng)：以歷元t瞬時基準定義。特點：變化大、不唯一(2)平坐標系統(tǒng)：通過對瞬間坐標系統(tǒng)進行一定改正后某歷元t瞬間基準定義特點：有變化規(guī)律，不唯一(3)合同坐標系統(tǒng)：商定某瞬間坐標系統(tǒng)。特點：唯一★包括方面：基準和坐標系之間轉換求法：①運用公共點兩套坐標值通過最小二乘法計算轉換參數(shù)②運用基線向量求轉換參數(shù)(1)天球坐標系：相對于空間固定，用于研究天體和人造衛(wèi)星定位與運動(2)地球坐標系：相對于地球固定，用于研究地球上物體定位與運動，是以旋轉橢球為參照體建立坐標系統(tǒng)，隨同地球自轉，點位坐標不會隨處球自轉而變化(3)軌道坐標系：用于研究衛(wèi)星在其運營軌道上運動·天球子午面：包括天軸并通過地球上任一點平面天球子午圈：天球子午面與天球相交大圓·黃道：地球公轉軌道面與天球相交大圓，即太陽在天球上運動軌跡·黃極：通過天球中心且垂直于黃道面直線與天球交點(1)時角赤道坐標系(赤緯、時角、地心向徑)(2)赤經(jīng)赤道坐標系(赤緯、赤經(jīng)、地心向徑)(3)天球地平坐標系(高度角、方位角、地心向徑)(4)空間直角坐標系：天軸為Z軸(1)瞬時極天球坐標系：以瞬時北天極和瞬時春分點為基準建立天球坐標系標系(2)平天球坐標系：通過對瞬時天球坐標系歲差旋轉變換、章動旋轉變換來實現(xiàn)(3)合同天球坐標系：將瞬時極天球坐標系和平天球坐標系坐標轉換中觀測歷元t改為(1)地心空間直角坐標系(X、Y、Z)(2)地心大地坐標系(B大地緯度、L大地經(jīng)度、H大地高)(3)站心地平坐標系(P1–xyz：左手直角坐標系)或(P1-rAh：極坐標系)(4)站心赤道直角坐標系：以測站點為原點，且與地心空間直角坐標系坐標值相平行9、(1)瞬時極地球坐標系(以瞬時極為基準點)·特點：由于極移影響，瞬時極地球坐標系隨時間而變化，不便于描述地球上點位置(2)合同地球坐標系——平地球坐標系(以CIO為基準點)(3)瞬時極天球坐標系(ct)與瞬時極地球坐標系(et)坐標轉換：(兩者只是x軸指向不同，故只存在簡樸旋轉關系)9：相應格林尼治平子午面真春分點時角G★10、地球坐標系舉例：(1)54北京坐標系；(2)80西安坐標系；(3)國家坐標系yy||||zGyct(4)WGS–84坐標系；(5)PZ–90坐標系第二章：時間系統(tǒng)·在同一瞬間，兩地同一類地方時之差等于兩地經(jīng)度差(1)世界時系統(tǒng)：以地球自轉運動為基準建立時間系統(tǒng)涉及：恒星時ST、太陽時(真太陽時、平太陽時、世界時)(2)力學時系統(tǒng)：以地球公轉運動為基準建立時間系統(tǒng)(3)原子時系統(tǒng)：以物質(zhì)內(nèi)部原子運動為基本(4)其她：UTC——協(xié)調(diào)世界時；GPRT——GPS時間系統(tǒng)★定義：以春分點為參照點，由春分點周日視運動所定義時間系統(tǒng)★恒星日：春分點持續(xù)兩次通過本地子午圈時間間隔為一恒星日★特點：①地方性：同一瞬間不同測站恒星時時不同，因此恒星時也成地方時恒星時★定義：以真太陽為基本參照點，由其周日視運動擬定期間★真太陽時：真太陽持續(xù)兩次通過某地上子午圈(上中天)所經(jīng)歷時間★特點：①不均勻性：②地方性(太陽周年視運動不均勻性，是由地球繞太陽公轉不均勻性引起。再者，由于黃赤交角存在，雖然太陽在黃道上均勻運動，其在赤道上投影也是不斷變化)5、平太陽時(MT)：★平太陽：為彌補真太陽時不均勻缺陷而假象一種太陽★平太陽特點：①周年視運動周期與真太陽周年視運動周期相似②周年視運動在赤道而不是黃道上，且在赤道上時勻速·平太陽日：以假象太陽為參照點，平太陽持續(xù)兩次通過同一子午圈時間間隔★定義：以格林尼治平子夜為零時起算點平太陽時UT度季節(jié)性改正后世界時·原子時秒：銫原子基態(tài)兩個超精細能級間躍遷輻射振蕩周持續(xù)時間第三章：衛(wèi)星運動及衛(wèi)星星歷研究衛(wèi)星運動基本思想：一方面研究二體問題和衛(wèi)星無攝運動，再研究攝動力影響·二體問題：忽視所有攝動力，僅考慮中心引力作用，研究衛(wèi)星相對地球運動·無攝運動：二體問題下衛(wèi)星運動，即只考慮地球質(zhì)心引力作用衛(wèi)星運動·攝動力：非球形對稱地球引力場對衛(wèi)星產(chǎn)生非中心引力(10-8量級)、日月引力、太陽輻射壓力、地球潮汐作用力、大氣阻力(均不超過10-5量級)·瞬時軌道(攝動軌道)：衛(wèi)星運動真實軌道，即衛(wèi)星在各種攝動力影響下軌道·瞬時軌道參數(shù)：衛(wèi)星在地球質(zhì)心引力和各種攝動力影響下軌道參數(shù)★開普勒運動：衛(wèi)星在地球引力場中無攝運動，稱開普勒運動·開普勒第二定律：衛(wèi)星向徑在相似時間內(nèi)掃過面積相等·開普勒第三定律：衛(wèi)星周期平方，與軌道橢圓長半徑立方之比為常量(1)a：軌道長半徑(2)e：軌道橢圓扁心率(3)Ω：升交點赤經(jīng)：地球赤道面上升交點與春分點之間地心夾角(4)i：軌道面傾角：衛(wèi)星軌道平面與地球赤道面之間夾角·(這兩個參數(shù)唯一地擬定了衛(wèi)星軌道平面與地球體之間相對定位)(5)ω：近地點角距：在軌道平面上，升交點與近地點之間地心夾角(6)V：衛(wèi)星真近點角：在軌道平面上衛(wèi)星與近地點之間地心角距·(該參數(shù)為時間參數(shù)，擬定衛(wèi)星在軌道上瞬時位置)·定義：描述衛(wèi)星運動軌道信息一組數(shù)據(jù)，即是一組相應某一刻軌道參數(shù)及其變率照歷元衛(wèi)星開普勒軌道參數(shù)★預報星歷(廣播星歷)：：可通過導航電文實時地得到衛(wèi)星預報星歷S★后解決星歷(精密衛(wèi)星星歷)第四章：導航電文和衛(wèi)星信號星歷、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碼等導航信息數(shù)據(jù)碼(D碼)，是顧客用來定位和導航數(shù)據(jù)基本·格式：①二進制編碼文獻，按規(guī)定格式構成數(shù)據(jù)幀，按幀向外播發(fā)。儲該衛(wèi)星廣播星歷和衛(wèi)星鐘修正參數(shù)，每小時更新一次)和子幀4、5每一CA特點：頁，均構成一種主幀 (2)轉換碼(HOW)：位于每個子幀第二個字碼，重要功能是向顧客提供用于捕 (3)第一數(shù)據(jù)塊：位于第一子幀第3~10字碼。③星期序號WN④衛(wèi)星時鐘改正 2、·Z計數(shù)：就是一種時間計數(shù)，它以從每星期起始時刻開始播發(fā)D碼(導航電文)子幀★碼(碼序列)：表達不同信息二進制數(shù)及其組合★碼元：在二進制中，一位二進制數(shù)叫做一種碼元或一比特★編碼：將各種信息，如聲音、圖像、文字等通過量化，并按照某種預定規(guī)則，表達為二進制數(shù)組合形式，這一過程稱為編碼★數(shù)碼率：在二進制數(shù)字化信息傳播中，每秒鐘傳播比特數(shù)。單位bit/s★三種信號分量：載波、測距碼、數(shù)據(jù)碼L2載波：P碼(或Y碼)、數(shù)據(jù)碼(1)碼長很短，易于捕獲；(2)碼元寬度較大，測距精度較低，故稱為粗碼·P(y)碼(精碼)特點：P(2)碼元寬度僅為C/A碼十分之一，測距精度高，故稱精測碼(3)P碼為軍用5、偽隨機噪聲碼(PRN)：★定義：是一組具備良好自有關特性、且按照某種擬定編碼規(guī)則產(chǎn)生具備一定周期、容★產(chǎn)生原理：產(chǎn)生于最長線性反饋移位寄存器★m序列：由最長線性反饋移位寄存器產(chǎn)生碼序列(1)均衡性：“1”和“0”數(shù)目基本相等(2)游程分布：相似碼元連在一起稱為一種游程(4)自有關函數(shù)：(5)偽噪聲特性和測量GPS衛(wèi)星導航定位信號無線電接受設備(3)電源★分類：(1)按接受機用途：導航型接受機、測地型接受機、授時型接受機(2)按接受信號頻率：單頻接受機、雙頻接受機(3)按信號通道類型：多通道接受機、序貫通道接受機、多路復用通道接受機(4)按工作原理：碼有關型、平方型、混合型、集成接受機、軟件接受機(5)按能否從信號中提取導航電文：有碼接受機、無碼接受機(6)按測定測距碼類型：C/A碼接受機、P碼接受機★概念：GPS衛(wèi)星信號經(jīng)由天線進入接受機“途徑”★作用：分離接受到不同衛(wèi)星信號，實現(xiàn)對各衛(wèi)星信號跟蹤、解決和量測，獲得定位所需要數(shù)據(jù)和信息(2)依照通道工作原理③多通道③碼相位型通道速度和時間，甚至三維姿態(tài)參數(shù)，并保證它們達到穩(wěn)定可靠高精度第五章：GPS定位基本原理(1)碼相位觀測量：測碼偽距天線傳播時間，也成為時間延遲測量GPSGPS時之間時間偏差③電離層延遲引起距離偏差④對流層延遲引起距離偏差⑤相對論效應、多途徑效應、地球固體潮影響、偽距測量噪聲等 (2)載波相位觀測量：測相位偽距·載波重建：進行載波相位測量此前，一方面要進行解調(diào)工作，設法將調(diào)制在載波上測距碼和衛(wèi)星電文去掉，重新獲取載波，這一工作稱重建載波2、整周未知數(shù)擬定：(1)偽距法：在進行載波相位測量同步又進行了偽距測量，將偽距觀測值減去載波相位實際觀測值后即可得到整周未知數(shù)(2)典型辦法：將整周未知數(shù)當做平差中待定參數(shù)①短基線定位時采用整數(shù)解、②長基線定位時采用實數(shù)解(3)多普勒法(三差法)(4)迅速擬定整周未知數(shù)法3、整周跳變修復：★整周跳變：在跟蹤衛(wèi)星過程中，由于某種因素，計數(shù)器無法持續(xù)計數(shù)，當信號重新被象稱為周跳⑤在衛(wèi)星間求差法、⑥依照平差后殘差發(fā)現(xiàn)和修復整周跳變(1)根據(jù)定位所采用觀測值類型：(2)依照接受機運動狀態(tài)：①靜態(tài)定位、②動態(tài)定位(3)按照參照點不同位置：定位、②相對定位：離。由于衛(wèi)星鐘、接受機鐘誤差以及衛(wèi)星信號通過電離層和對流層中延遲影響，稱其為“偽距”。星位置，采用距離交會辦法求定接受機天線所在點三維坐標GPS衛(wèi)星和顧客接受機之間距離觀測值直接擬定顧客接之間相對位置(坐標差)，定位精度較高·概念：接受機天線處在靜止狀態(tài)下，擬定觀測站坐標辦法稱為靜態(tài)絕對定位法·分類：①測碼偽距靜態(tài)絕對定位、②測相位偽距靜態(tài)絕對定位(1)平面位置精度因子HDOP及其平面位置精度(2)高程精度因子VDOP及其高程精度(3)空間位置精度因子PDOP及其三維定位精度(4)接受機鐘差精度因子TDOP及其鐘差精度(5)幾何精度因子GDOP及其三維位置和時間誤差綜合影響中誤差線端點相對位置或基線向量(坐標差)。在相對定位中需要給出各種觀測站中至★觀測值線性組合：在接受機間求差、在衛(wèi)星間求差、在觀測歷元之間求差接受機持續(xù)跟蹤視場中所有可見衛(wèi)星；別的接受機(流動站)分別設立在時擬定流動站接受機瞬時位置①單基準站差分、②各種基準站局部區(qū)域差分、③廣域差分(2)依照基準站發(fā)送改正信息類型和內(nèi)容不同：①位置差分、②偽距差分、③相對平滑偽距差分、④載波相位差分(1)一次差分：將原始觀測值直接相減，·單差觀測值：一次差分所得成果作為虛擬觀測值，叫做載波相位一次差或單差①在接受機間求一次差分(站間單差)：可以消除與衛(wèi)星關于誤差項影響②在衛(wèi)星間求一次差分(星間單差)：可以消除與接受機關于誤差項影響③在觀測歷元間求一次差分(歷元間單差)：可以消除整周模糊度參數(shù)(2)·二次差分：對載波相位觀測值一次差分觀測值繼續(xù)求差·二差觀測值：二次差分所得成果被當做虛擬觀測值，稱為二次差分觀測值①星站二次差分或站星二次差分：可以消除與衛(wèi)星、接受機關于誤差項影響②星際歷元雙差③站際歷元雙差(3)·三次差分：對二次差分觀測值繼續(xù)求差·三差觀測值：三次差分所得成果被當做虛擬觀測值，稱為三次差分觀測值衛(wèi)星某些信號傳播信號接受其她方面衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘誤差、相對論效應電離層折射、對流層折射、多途徑效應鐘誤差、位置誤差、天線相位中心變化地球潮汐、負荷潮(1)衛(wèi)星星歷誤差：★概念：由衛(wèi)星星歷所給出衛(wèi)星在空間位置與實際位置之差②軌道松弛法(軌道改進法)：半圓弧法、短弧法③同步觀測值求差法(2)衛(wèi)星鐘差：★概念：衛(wèi)星鐘時間和原則GPS時之間時間偏差，涉及由鐘差、頻偏、頻漂等產(chǎn)生誤差，也包括鐘隨機誤差4、與信號傳播關于誤差②在接受機間求差③采用精密衛(wèi)星鐘(3)相對論效應：接受機鐘之間產(chǎn)生相對鐘誤差現(xiàn)象(1)接受機鐘差：式，然后在平差計算中以多項式系數(shù)為參數(shù)進行解算③通過在衛(wèi)星間求一次差辦法來消除接受機鐘差(等效于①)。(2)接受機位置誤差：差，涉及天線置平和對中誤差、量取天線高誤差(3)天線相位中心位置偏差：·概念：觀測時相位中心瞬時位置與理論上相位中心位置之間差別②運用同步觀測值求差(1)電離層折射誤差②運用電離層改正模型加以修正③運用同步觀測值求差(2)對流層折射誤差為40km如下大氣底層★特點：①對流層屬于非彌散性介質(zhì)，電磁波在其中傳播與頻率無關②引入描述對流層折射影響附加待估參數(shù)，在數(shù)據(jù)解決中一并求得③運用同步觀測量求差④運用水汽輻射計直接測定信號傳播影響勃蘭特公式正精度重要因素(3)多途徑誤差：受機天線，并和直接來自衛(wèi)星信號(直接波)產(chǎn)生干涉，從而使觀測值偏離真值★多途徑效應：由于多途徑信號傳播所引起干涉時延效應②選取造型適當、屏蔽良好天線③延長觀測時間，削弱多途徑效應周期性影響5、★固體潮：在日月引力作用下，固體地球產(chǎn)生周期性彈性形變(地球并非剛體)稱負荷潮汐，例如海潮(1)技術方案設計、(2)外業(yè)實行、(3)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)解決★2、·觀測時段：測站開始接受衛(wèi)星信號到觀測停止(涉及信號中斷)，持續(xù)工作時間·獨立觀測環(huán)：獨立觀測基線向量構成閉合環(huán)該多邊形環(huán)路叫做異步觀測環(huán)PS(1)跟蹤站式；(2)會戰(zhàn)式(A、B級網(wǎng)觀測慣用方式)(3)單基準站式(星形網(wǎng))；(4)多基準站式(樞紐點式)(5)同步圖形擴展式(1)點連式：相鄰同步圖形之間僅有一種公共點鏈接(2)邊連式：相鄰同步圖形之間由一條公共基線鏈接(3)網(wǎng)連式：相鄰同步圖形之間有兩個以上公共點相鏈接(4)邊點混連式：把點連式與邊連式有機地結合起來，進行GPS網(wǎng)布設(5)三角鎖(或多邊形)連接：點連式或邊連式構成持續(xù)發(fā)展三角鎖連接圖形(6)導線網(wǎng)環(huán)形鏈接(環(huán)形網(wǎng))(1)GPS網(wǎng)規(guī)模大??；(2)點位精度規(guī)定(3)GPS衛(wèi)星星座幾何圖形強度(PDOP)；(4)參加作業(yè)接受機數(shù)量(5)交通、通信及后勤保障(食宿、供電等)(1)編制GPS衛(wèi)星可見性預報圖(2)選取衛(wèi)星幾何圖形強度(絕對定位或相對定位，PDOP值不應不不大于6)(3)選取最佳觀測時段(衛(wèi)星多于4顆且分布均勻，PDOP值不大于6時段)(4)觀測區(qū)域設計與劃分(5)編排作業(yè)調(diào)度表(6)GPS測量外業(yè)觀測告知單選點→標志埋設→觀測(天線安頓→開機觀測→觀測記錄)(1)典型靜態(tài)相對定位(2)迅速靜態(tài)定位(3)準動態(tài)定位(4)來回式重復設站(5)動態(tài)定位(6)RTK作業(yè)模式(1)迅速靜態(tài)RTK測量：·合用：都市、礦山等區(qū)域性控制測量、工程測量和地籍測量(2)準動態(tài)RTK測量：地籍測量、碎布測量、路線測量和工程放樣·特點：規(guī)定接受機在觀測過程中，保持對所測衛(wèi)星持續(xù)跟蹤，一旦發(fā)生失鎖，需重新進行初始化設立(3)動態(tài)RTK測量★數(shù)據(jù)采集→數(shù)據(jù)傳播→預解決→基線解算→GPS網(wǎng)平差據(jù)預解決①載波相位和偽距觀測值文獻②星歷參數(shù)文獻④測站信息文獻①對原始數(shù)據(jù)進行平滑濾波檢查，剔除粗差②統(tǒng)一數(shù)據(jù)文獻格式并將各類數(shù)據(jù)文獻加工成原則化文獻(GPS衛(wèi)星軌道原則化、衛(wèi)星鐘差原則化、觀測值文獻原則化)③找出整周跳變點并修復觀測值④對觀測值進行各種模型改正(1)建立雙差觀測值模型(2)構成法方程并解算(3)精度評估：①單位權中誤差估值、②平差值估值(4)成果分析(1)觀測值殘差和單位權中誤差分析；②也許存在系統(tǒng)誤差③也許是起算數(shù)據(jù)存在問題，如衛(wèi)星星歷誤差(2)基線長度精度分析(3)每個時段同步觀測數(shù)據(jù)檢核·數(shù)據(jù)剔除率：指剔除觀測值個數(shù)與應獲取觀測值個數(shù)比值(應不大于10%)(4)重復觀測邊檢核立觀測成果基線邊(5)基線向量閉合環(huán)計算及檢核；①同步觀測環(huán)坐標閉合差理論值為0②異步觀測環(huán)坐標分量閉合差和環(huán)全長閉合差在一定(6)雙差固定解與雙差實數(shù)解①短基線狀況：固定解優(yōu)于實數(shù)解，但相差應為厘米極，否則觀測值質(zhì)量不佳②較長基線狀況：普通以雙差實數(shù)解為佳★定位正果：WGS-84坐標系下單點定位坐標以及相對定位中結算基線向量，其中點位坐標為三維直角坐標(X、Y、Z)或三維大地坐標(B、L、H)WPS4坐標系轉化為國家大地坐標系或地方坐標系·坐標轉換：(1)運用已知重疊點三維直角坐標(或大地坐標)進行坐標轉換法(2)運用已知重疊點二維高斯平面坐標(或大地坐標)進行坐標轉換·協(xié)因數(shù)陣轉換：按誤差傳播率轉換，轉換前需進行線性化移★GP