GPS測量與數(shù)據(jù)處理課件

GPS測量原理及應用

11.

GPS的產生、發(fā)展及前景2GPS是什么？3GPS的英文全稱是NAVSTARGlobalPositionSystem，簡稱GPS,其意為“導航星測時與測距全球定位系統(tǒng)”,或簡稱全球定位系統(tǒng)。NAVSTAR:NAVigationSatellite(Signal,System)TimingAndRanging?GPS是以衛(wèi)星為基礎的無線電導航定位系統(tǒng)，具有全能性（陸地、海洋、航空和航天）、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。能為各類用戶提供精密的三維坐標、速度和時間。常規(guī)（地面）定位方法采用的儀器設備尺：銦鋼尺光學與數(shù)字儀器：經緯儀，水準儀電磁波或激光儀器：測距儀綜合多種技術的儀器：全站儀觀測值角度或方向觀測距離觀測高差觀測天文觀測方法4常規(guī)定位方法的局限性需要事先布設大量的地面控制點/地面站（多于GPS，why？）觀測點之間需要保證通視需要修建覘標/架設高大的天線邊長受到限制觀測難度大效率低：無用的中間過渡點觀測受氣候、環(huán)境條件限制受系統(tǒng)誤差影響大，如地球旁折光難以確定地心坐標無法同時精確確定點的三維坐標5子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性系統(tǒng)簡介NNSS–NavyNavigationSatelliteSystem（海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)），由于其衛(wèi)星軌道為極地軌道，故也稱為Transit（子午衛(wèi)星系統(tǒng)），采用多普勒效應進行導航定位，也被稱為多普勒定位系統(tǒng)美國研制、建立1958年12月至1964年1月建成1967年7月解密供民用，總用戶9.5萬，軍方650（<1%）6子午衛(wèi)星子午衛(wèi)星星座子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性系統(tǒng)組成空間部分衛(wèi)星：發(fā)送導航定位信號（信號：4.9996MHz

30=149.988MHz；4.9996MHz

80=399.968MHz；星歷）衛(wèi)星星座–由6顆衛(wèi)星構成，6軌道面，軌道高度1075km地面控制部分包括：跟蹤站、計算中心、注入站、控制中心和海軍天文臺用戶部分多普勒接收機7大地測量多普勒接收機-1（MX1502）大地測量多普勒接收機-2（CMA751）子午衛(wèi)星系統(tǒng)應用及精度應用領域海上船舶的定位大地測量精度單點定位：15次合格衛(wèi)星通過（兩次通過之間的時間間隔為0.8h~1.6h），精度約為10m聯(lián)測定位：各站共同觀測17次合格衛(wèi)星通過，精度約為0.5m8多普勒聯(lián)測定位多普勒單點定位子午衛(wèi)星系統(tǒng)的局限性系統(tǒng)缺陷衛(wèi)星少，觀測時間和間隔時間長不是一個連續(xù)的、獨立的衛(wèi)星導航系統(tǒng)導航定位精度低衛(wèi)星信號頻率低，不利于補償電離層折射效應的影響衛(wèi)星軌道低，難以進行精密定軌9TRANSIT系統(tǒng)衛(wèi)星：6顆極地軌道軌道高度：1075km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：多普勒定位存在問題：衛(wèi)星少，無法實現(xiàn)實時定位；軌道低，難以精密定軌；頻率低，難以消除電離層影響。子午衛(wèi)星的局限性導致GPS的產生GPS的發(fā)展簡史：方案論證階段1973年12月，美國國防部批準研制GPS1978年2月22日，第1顆GPS試驗衛(wèi)星發(fā)射成功1973-1979：共發(fā)射了4顆試驗衛(wèi)星，研制了地面接收機及建立地面跟蹤網。

10GPS的發(fā)展簡史：全面研制和試驗階段1979-1987：陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗衛(wèi)星，研制了各種用途接收機。實驗表明，GPS定位精度遠遠超過設計標準。

11GPS的發(fā)展簡史：實用組網階段1989年2月14日，第1顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功。1991年，在海灣戰(zhàn)爭中，GPS首次大規(guī)模用于實戰(zhàn)。1993年底實用的GPS網即（21+3）GPS星座已經建成，今后將根據(jù)計劃更換失效的衛(wèi)星。1995年7月17日，GPS達到FOC–完全運行能力（FullOperationalCapability）。12GPSOverview建立國家:美國目的：在全球范圍內提供實時、連續(xù)、全天候的導航定位及授時服務開始籌建時間：1973年完全建成時間：1995年系統(tǒng)構成：空間部分、地面控制部分、用戶部分服務方式：由多顆衛(wèi)星所組成的衛(wèi)星星座提供導航定位服務定位原理：距離交會測距原理：被動式電磁波測距特點：全球覆蓋、全天候、不間斷、精度高132.GPS在各個領域中的應用14GPS的應用：軍事15美國海軍核潛艇

GPS的應用：交通運輸航運、航空搜索陸路交通（車輛導航、監(jiān)控）船舶遠洋導航和進港引水16電臺監(jiān)視屏計算機動態(tài)監(jiān)視GPS的應用：測繪17全球IGS跟蹤站分布圖GPS的應用：測繪18GPS的應用：測繪19GPS的應用：測繪20GPS的應用：測繪在航空攝影測量、地籍測量、海洋測量中的應用21GPS的應用：地球物理22GPS的應用：地球物理23GSRM上次課程主要內容回顧什么是GPS子午衛(wèi)星系統(tǒng)（了解）GPS的應用24GPS的應用：地球物理25GPS的應用：地球物理26GPS的應用：地球物理27GPS的應用：地球物理28Wrightetal.,GRL,2012(2011Tohoku-OkiEarthquake)GPS的應用：地球物理29Changetal.,GRL,2010GPS的應用：精準農業(yè)30GPS的應用：精密定軌31GPS的應用：大氣科學32A地基GPS大氣探測GPS掩星（空基GPS探測）GPS在其它領域中的應用資源勘探個人旅游及野外探險電力、廣播、電視、通訊等網絡的時間同步、時間傳遞….333.美國政府的GPS政策34美國政府的GPS政策SPS與PPSSPS–

標準定位服務使用C/A碼，民用2DRMS水平=100m2DRMS垂直=150-170m2DRMS時間=340nsPPS–

精密定位服務可使用P碼，軍用2DRMS水平=22m2DRMS垂直=27.7m2DRMS時間=200ns35美國政府的GPS政策SA技術（1990.3.25-2000.5.1）SelectiveAvailability–選擇可用性人為降低普通用戶的測量精度。ε技術：降低星歷精度（加入隨機變化）δ技術：衛(wèi)星鐘加高頻抖動 （短周期，快變化）AS技術（1994.1.31-至今）Anti-Spoofing–反電子欺騙P碼加密，P+W

Y36GPS現(xiàn)代化1999年1月25日，美國副總統(tǒng)戈爾宣布，將斥資40億美元，進行GPS現(xiàn)代化。GPS現(xiàn)代化實質是要加強GPS對美軍現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中的支撐和保持全球民用導航領域中的領導地位。37GPS現(xiàn)代化GPS現(xiàn)代化的內涵：保護：即GPS現(xiàn)代化是為了更好地保護美方和友好方的使用，要發(fā)展軍碼和強化軍碼的保密性能，加強抗干擾能力；阻止：即阻擾敵對方的使用，施加干擾，施加SA，AS等；保持：即是保持在有威脅地區(qū)以外的民用用戶有更精確更安全的使用。384.其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的概況39其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)：GLONASSGLONASS－GLObalNAvigationSatelliteSystem（全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)）開發(fā)者:俄羅斯（前蘇聯(lián)）系統(tǒng)構成衛(wèi)星星座地面控制部分用戶設備40GLONASS與GPS的比較參數(shù)GLONASSNAVSTARGPS系統(tǒng)中的衛(wèi)星數(shù)21＋321＋3軌道平面數(shù)36軌道傾角64.8°55°軌道高度19100km20180km軌道周期（恒星時）11h15min12h衛(wèi)星信號的區(qū)分FDMACDMAL1頻率1602~1615MHz頻道間隔0.5625MHz1575MHzL2頻率1246~1256MHz頻道間隔0.4375MHz1228MHz41其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)：GLONASS衛(wèi)星運行狀況從1982年10月12日發(fā)射第一顆GLONASS衛(wèi)星起，至1995年12月14日共發(fā)射了73顆衛(wèi)星。由于衛(wèi)星壽命過短，加之俄羅斯前一段時間經濟狀況欠佳，無法及時補充新衛(wèi)星，故該系統(tǒng)不能維持正常工作。目前，GLONASS系統(tǒng)的境況有所改善，目前，在軌能正常工作的GLONASS衛(wèi)星共有19顆，不過仍然無法提供全球全天候的服務。

42其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)：Galileo伽俐略（Galileo）衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)2002年3月24日歐盟決定研制組建自己的民用衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)——Galileo系統(tǒng)。Galileo衛(wèi)星星座將由27顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成，這30顆衛(wèi)星將均勻分布在3個軌道平面上，衛(wèi)星高度為23616km，軌道傾角為56°。Galileo系統(tǒng)是一種多功能的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，具有公開服務、安全服務、商業(yè)服務和政府服務等功能，但只有前兩種服務是自由公開的，后兩種服務則需經過批準后才能使用。43其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)：Galileo44theGalileosatelliteconstellation

其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)：Galileo2005年12月28日第一顆Galileo試驗衛(wèi)星（GalileoIn-OrbitValidationElements--GlOVE-A）成功進入高度為2.3萬Km的預定軌道。2006年1月12日，GlOVE-A已開始向地面發(fā)送信號。這標志著總投資為34億歐元（約合41億美元）的計劃已進入實施階段。伽利略系統(tǒng)建成后，美歐兩大相互兼容的導航定位系統(tǒng)將大大有助于提供導航定位的精度和可靠性。45其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)：北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)

我國自行研制的兩顆北斗導航試驗衛(wèi)星分別于2000年10月31日和12月20日從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心升空并準確進入預定的地球同步軌道（東經80o和140o的赤道上空），此外另一顆備用衛(wèi)星也被送入預定軌道（東經110.5o的赤道上空），標志著我國擁有了自己的第一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)——BD–1。46其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)：北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)

“北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)”系統(tǒng)是由空間衛(wèi)星、地面控制中心站和北斗用戶終端三部分構成。空間部分包括兩顆地球同步軌道衛(wèi)星（GEO）組成。衛(wèi)星上帶有信號轉發(fā)裝置，完成地面控制中心站和用戶終端之間的雙向無線電信號的中繼任務。47北斗1代衛(wèi)星導航系統(tǒng)組成圖其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)：北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)48用戶終端分為定位通信終端集團用戶管理站終端差分終端校時終端等其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)：北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)不同，所有用戶終端位置的計算都是在地面控制中心站完成。因此，控制中心可以保留全部北斗終端用戶機的位置及時間信息。同時，地面控制中心站還負責整個系統(tǒng)的監(jiān)控管理。與GPS、GLONASS、Galileo等國外的衛(wèi)星導航系統(tǒng)相比，BD–1有自己的優(yōu)點。如投資少，組建快；具有通信功能；捕獲信號快等。但也存在著明顯的不足和差距，如用戶隱蔽性差；無測高和測速功能；用戶數(shù)量受限制；用戶的設備體積大、重量重、能耗大等。49其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)：北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)BD–2為了使我國的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的性能有實質性的提高，中央已決定研制組建第二代北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)（BD–2）。從導航體制、測距方法、衛(wèi)星星座、信號結構及接收機等方面進行全面改進。衛(wèi)星星座計劃由GEO衛(wèi)星，IGSO衛(wèi)星和MEO衛(wèi)星組成。此項工作將成為”十一五”期間的一項重要工作，目前已經發(fā)射了11顆衛(wèi)星。50北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)51研制生產5顆GEO衛(wèi)星和30顆Non-GEO衛(wèi)星，在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用CZ-3A系列運載火箭發(fā)射共35顆衛(wèi)星，西安衛(wèi)星測控中心提供衛(wèi)星發(fā)射組網與運行測控支持。

2012年形成區(qū)域無源服務能力2020年形成全球無源服務能力北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)52空間段：由5顆GEO衛(wèi)星和30顆Non-GEO衛(wèi)星組成Non-GEO衛(wèi)星GEO衛(wèi)星星座地面控制部分：由主控站、上行注入站和監(jiān)測站組成北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)53北斗系統(tǒng)地面段系統(tǒng)組成：用戶段：由北斗用戶終端以及與其它GNSS兼容的終端組成北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)54北斗系統(tǒng)的用戶終端

信號特征

工作頻段B1:1559.052~1591.788MHzB2:1166.22~1217.37MHzB3:1250.618~1286.423MHz時間星座信號（實際發(fā)射）2012年5GEO+5IGSO+4MEO區(qū)域服務2020年5GEO+3IGSO+27MEO全球服務北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)55GPS測量原理及應用

第二章：時間系統(tǒng)與坐標系統(tǒng)561.有關時間系統(tǒng)的一些基本概念57時間是什么？是事物存在或延續(xù)的過程與長度、質量一同稱為宏觀物質世界的三個基本量是四維空間中的一維具有絕對和相對兩方面的特性時刻（歷元）時間間隔58時間系統(tǒng)-規(guī)定時間測量的標準時間系統(tǒng)的要素：參考基準（起點）、尺度時間系統(tǒng)：由定義和相應的規(guī)定從理論上進行闡述時間系統(tǒng)框架：通過守時、授時以及時間頻率測量和比對技術在全球范圍內或某一區(qū)域內來實現(xiàn)和維持統(tǒng)一的時間系統(tǒng)。59時間基準作為時間尺度的基準的運動需要滿足的條件：周期性運動，且運動周期十分穩(wěn)定運動周期具有復現(xiàn)性不同時間系統(tǒng)的產生采用不同的原點和尺度60時間系統(tǒng)的建立常用建立時間基準的基礎古代：燃香、沙漏近代：擺現(xiàn)代地球自轉（世界時時間基準，10e-8）行星繞太陽公轉（歷書時時間基準，10e-10）電子、原子的諧波振蕩（原子時時間基準，10e-14）時間系統(tǒng)的類型世界時（UT）、歷書時（DT）、原子時（AT）61守時與授時守時：用來建立和／或維持時間頻率基準，確定任一時刻的時間。評價系統(tǒng)內不同時鐘的穩(wěn)定度和準確度使用多臺鐘建立和維持時間系統(tǒng)框架授時通過媒介將時間系統(tǒng)所維持的時間信息和頻率信息傳遞給用戶62時鐘的主要技術指標頻率準確度（系統(tǒng)誤差）振蕩器所產生的實際震蕩頻率與其理論值之間的相對偏差反映鐘速是否正確頻率飄移率（頻漂）（系統(tǒng)誤差）頻率準確度在單位時間內的變化量反映鐘速的變化率（老化率）頻率穩(wěn)定度（隨機誤差）反映頻標在一定時間間隔內所輸出的平均頻率的隨機變化程度632.恒星時與太陽時64世界時系統(tǒng)世界時系統(tǒng)的時間標準以地球自轉作為時間基準的時間系統(tǒng)不同類型世界時的產生由于觀測地球自轉所選的參考點不同，形成了不同的世界時恒星時：真恒星時、平恒星時太陽時：真太陽時、平太陽時在平太陽時的基礎上，又定義了民用時和UT65恒星時（SiderealTime）參考點春分點尺度定義春分點兩次經過地方上子午圈（上中天）的時間間隔為一恒星日。并由此派生出“時”、“分”、“秒”等單位。數(shù)值定義春分點相對于本地上子午圈的時角恒星時屬于地方時66真恒星時與平恒星時真恒星時（GAST）：參考點為瞬時真春分點平恒星時（GMST）：參考點為瞬時平春分點真恒星時與平恒星時的關系67太陽時（SolarTime）參考點：太陽中心尺度定義太陽中心連續(xù)兩次經過地方上子午圈（上中天）的時間間隔為一太陽日。并由此派生出“時”、分“、“秒”等單位。數(shù)值定義太陽中心相對于本地子午圈的時角，中午為0h，子夜為12h太陽時屬于地方時68真太陽時與平太陽時真太陽時參考點：太陽中心尺度定義：太陽中心連續(xù)兩次經過當?shù)厣献游缛Φ臅r間間隔為一個真太陽日。數(shù)值定義：太陽中心相對于本地子午圈的時角，中午為0h，子夜為12h特點優(yōu)點：容易測定缺點：尺度不穩(wěn)定（由于地球繞日公轉時的速度不同，以及黃赤交角的存在，導致不同時間的真太陽時時長不同）69真太陽時與平太陽時平太陽時參考點：平太陽的中心尺度定義：平太陽中心連續(xù)兩次經過當?shù)厣献游缛Φ臅r間間隔為一個平太陽日。數(shù)值定義：平太陽中心相對于本地子午圈的時角，中午為0h，子夜為12h特點優(yōu)點：尺度穩(wěn)定平太陽：在赤道上作勻速運動的假想太陽，其速度等于真太陽周年視運動的平均速度70恒星時與太陽時假定遙遠的恒星與平太陽首次在某時刻通過當?shù)厣献游缛?，由于地球既在自轉又在繞太陽公轉，因此，當該恒星第二次通過當?shù)厣献游缛r，地球還要自轉一個角度，才能使平太陽第二次通過當?shù)厣献游缛Γ簿褪钦f，恒星時日長比太陽時日長短：一個恒星日＝一個平太陽日–3m55.909s71世界時（UniversalTime）定義：格林尼治零子午線（本初子午線）處的民用時稱為世界時。UT0、UT1、UT2問題的引出：極移和地球自轉的不均勻（長期趨勢變緩，且存在短周期變化和季節(jié)性變化）UT0：未改正的世界時UT1：引入極移改正的世界時UT2：引入極移改正和地球自轉速度的季節(jié)改正的世界時72民用時使用平太陽時的不便之處平太陽時從正午算起，同一白天日期不同民用時啟用時間：1925民用時的定義：mc=m+12h733.原子時、協(xié)調世界時與GPS時74原子時系統(tǒng)（AtomicTime）提出原子時的必要性需要穩(wěn)定度和精度更高的時間基準秒長定義1967年10月，第十三屆國際度量衡大會通過：位于海平面上的銫133原子基態(tài)在零磁場中在兩個超精細能級間躍遷，所產生輻射振蕩9192631770周所持續(xù)的時間為1原子時秒。起點定義：原本規(guī)定AT于UT2在1958年1月1日0h相同，但實際相差0.0039秒。75國際原子時（TempsAtomiqueInternational）建立時間：1971，國際時間局建立確定方法：現(xiàn)在由國際計量局（BIPM）依據(jù)全球約60個時間實驗室中大約240臺自由運轉的原子鐘所給出的數(shù)據(jù)，經數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理給出。76協(xié)調世界時（UniversalTimeCoordinated）建立UTC的原因：滿足高精度時間間隔測量的要求時刻與UT基本一致定義秒長與AT相同通過跳（閏）秒，與UT的差值保持在0.9秒內（通常在6月30日24h或12月31日24h進行跳秒）正閏秒（增加1秒）與負閏秒（減少1秒）77GPS時（GPSTime）說明GPS系統(tǒng)所采用的時間系統(tǒng)定義秒長采用原子時秒長，連續(xù)計時，1980年1月6日0h與UTC重合TAI與GPST的關系：TAI–GPST=19s784.建立在相對論框架下的時間系統(tǒng)79力學時系統(tǒng)（DynamicTime）定義：在天體運動方程中，時間T是一個獨立的變量，根據(jù)行星在太陽系中的運動所得到的時間T所定義的時間被稱為力學時。類型歷書時（ET）地球力學時（TDT）太陽系質心力學時（TDB）80上次課程主要內容回顧美國的GPS政策GPS現(xiàn)代化的內涵（保護、阻止、保持）其他衛(wèi)星定位系統(tǒng)時間系統(tǒng)（世界時、力學時、原子時）815.GPS中涉及的一些長時間計時方法82時間與衛(wèi)星導航定位的關系計算衛(wèi)星位置、速度計算衛(wèi)星到接收機天線之間的距離83時間標示法：歷法時間標示法建立在時間系統(tǒng)之上的時間表達方式歷法（日歷表示法）表示方法：年、月、日、時、分、秒?；A：建立在地球繞日公轉、月球繞地公轉等特點：反映季節(jié)變化，與日常生活密切相關；非連續(xù)，不利于數(shù)學表達。84時間標示法：儒略日儒略日（JulianDate）定義：是指從公元前4713年1月1日正午開始的天數(shù)。提出：由J.J.Scaliger在1583年提出的，所以該系統(tǒng)的名稱源自JuliusScaliger（注意，不是JuliusCaesar）。特點：連續(xù)的，利于數(shù)學表達；不直觀。85時間標示法：簡化儒略日簡化儒略日（ModifiedJulianDate-MJD）定義：從儒略日中減去2,400,000.5天來得到，給出的是從1858年11月17日子夜開始的天數(shù)。特點：連續(xù)的，利于數(shù)學表達，數(shù)值比儒略日小。86時間標示法：年積日與GPS時年積日定義：從當年1月1日開始的天數(shù)。GPS時定義：以1980年1月6日子夜為起點，用周數(shù)和周內的秒數(shù)來表示。87日歷時間與儒略日的轉換由日歷時間轉換到儒略日88日歷時間與儒略日的轉換由儒略日轉換到日歷時間89日歷時間與GPS時間的轉換由日歷時間轉換到GPS時間（兩步）第一步：計算GPS周第二步：計算一周內的秒數(shù)由GPS時間轉換到日歷時間（兩步）第一步：由GPS時間轉換到儒略日第二步：由儒略日轉換到日歷時間90年積日的計算儒略日轉換到年積日第一步：計算出日歷時間第二步：計算出當年1月1日的儒略日第三步：兩個儒略日求差加1，得出年積日年積日轉換到儒略日第一步：計算出當年1月1日的儒略日JD1第二步：年積日加JD1減1得儒略日GPS時與年積日間的相互轉換參照上面方法進行91GPS測量原理及應用

第三章：GPS的組成及信號結構921.全球定位系統(tǒng)的組成93GPS的系統(tǒng)組成GPS系統(tǒng)由三部分組成空間部分

SpaceSegment地面部分GroundSegment用戶部分UserSegment94用戶部分主控站USCG空間部分地面天線GPS的系統(tǒng)組成：空間部分95GPS衛(wèi)星星座設計星座：21+321顆正式工作衛(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）保證在每天24小時的任何時刻，在高度角15

以上，能夠同時觀測到4顆以上衛(wèi)星當前星座：31顆GPS的系統(tǒng)組成：空間部分96GPS的系統(tǒng)組成：空間部分GPS衛(wèi)星的地面軌跡97GPS的系統(tǒng)組成：空間部分GPS衛(wèi)星

作用：接收、存儲來自地面控制系統(tǒng)的導航電文在原子鐘的控制下生成用于導航定位的信號（測距碼、載波）采用二進制相位調制法將測距碼和導航電文調制在載波上發(fā)送給用戶按照地面控制系統(tǒng)的命令調整軌道、調整衛(wèi)星鐘等。其他特殊用途，如通訊、監(jiān)測核暴等。主要設備太陽能電池板原子鐘（2臺銫鐘、2臺銣鐘）信號生成與發(fā)射裝置98GPS的系統(tǒng)組成：空間部分GPS衛(wèi)星類型試驗衛(wèi)星：BlockⅠ也稱原型衛(wèi)星，重774kg（包括310kg燃料），設計壽命5年。1978-1985年共發(fā)射了11顆試驗衛(wèi)星（第七顆失?。?995年最后一顆試驗衛(wèi)星停止工作工作衛(wèi)星：BlockⅡ99GPS的系統(tǒng)組成：空間部分GPS衛(wèi)星類型試驗衛(wèi)星：BlockⅠ工作衛(wèi)星：BlockⅡBlockⅡ：9顆，重1.5t，設計壽命7.5年。存儲星歷能力為14天，具有SA和AS能力。BlockⅡA（Advanced）：19顆，重1.7t，設計壽命7.5年。衛(wèi)星間可相互通信，存儲星歷能力為180天，SV35和SV36帶有激光反射棱鏡。BlockⅡR（Replacement/Replenishment）：設計壽命10年，衛(wèi)星間可相互跟蹤、相互通信。BlockⅡF（FollowOn）：新一代的GPS衛(wèi)星,增設第三民用頻率。2010/5/28發(fā)射第一顆，2011/7/16發(fā)射第二顆IIF衛(wèi)星。100GPS的系統(tǒng)組成：空間部分101BlockIIRBlockIIABlockIIABlockIIRBlockIIFBlockIIRGPS的系統(tǒng)組成：地面監(jiān)控部分地面監(jiān)控部分（GroundSegment）組成主控站：1個監(jiān)測站：17個注入站：3個通訊與輔助系統(tǒng)102GPS的系統(tǒng)組成：地面監(jiān)控部分地面監(jiān)控部分的分布103GPS的系統(tǒng)組成：地面監(jiān)控部分主控站（1個）作用：管理、協(xié)調地面監(jiān)控系統(tǒng)各部分的工作收集各監(jiān)測站的數(shù)據(jù)，編制導航電文，送往注入站將衛(wèi)星星歷注入衛(wèi)星衛(wèi)星維護與異常情況的處理。地點：美國科羅拉多州法爾孔空軍基地104GPS的系統(tǒng)組成：地面監(jiān)控部分監(jiān)測站（17個）作用：對視場中的GPS進行偽距測量采集氣象信息對偽距觀測值進行改正后再進行編輯、平滑和壓縮，然后傳給主控站105GPS的系統(tǒng)組成：地面監(jiān)控部分注入站（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）106GPS的系統(tǒng)組成：地面監(jiān)控部分GPS地面系統(tǒng)被戰(zhàn)爭摧毀怎么辦？自主導航（利用衛(wèi)星間進行多普勒測量和偽距測量，180天星歷的URA值從5000m提高到6m）。107GPS的系統(tǒng)組成：用戶部分組成用戶接收設備接收設備GPS信號接收機其它儀器設備108GPS的系統(tǒng)組成：用戶部分組成用戶接收設備接收設備GPS信號接收機其它儀器設備109GPS的系統(tǒng)組成：用戶部分GPS信號接收機組成天線單元前置放大器接收天線接收單元信號通道存儲器微處理器輸入輸出設備電源110天線單元接收單元天線相位中心定義無線電天線發(fā)射或接收信號的點特性L1和L2的相位中心不同天線相位中心的變化隨信號方向（高度角、方位角）、信號強度變化表示方法采用平均相位中心及由相位中心的變化所引起的相位觀測值的改正兩部分來表示111消除天線平均相位中心偏差的影響歸心改正法X標石中心=X平均相位中心-r*cos(theta)Y標石中心=Y平均相位中心-r*sin(theta)消去法天線指北，并采用同類型天線112天線的相位中心至觀測點標志中心頂端的垂直距離。一般分上下兩段：上段是相位中心至天線底面的距離，作為常數(shù)由廠家給出；下段是從天線底面至觀測點標志中心頂端的距離，由用戶測定。113天線高上次課程主要內容回顧GPS衛(wèi)星的作用地面監(jiān)控系統(tǒng)的作用天線高、相位中心1141152.載波與測距碼概述116GPS衛(wèi)星的基準頻率f0由衛(wèi)星上的原子鐘直接產生頻率為10.23MHz衛(wèi)星信號的所有成分均是該基準頻率的倍頻或分頻117載波作用搭載其它調制信號測距測定多普勒頻移類型L1–頻率：154f0=1575.43MHz；波長：19.03cmL2–頻率：120f0=1227.60MHz；波長：24.42cm現(xiàn)代化后增加L5–頻率：115f0=1176.45MHz；波長：25.48cm118載波特點所選擇的頻率有利于測定多普勒頻移所選擇的頻率有利于減弱信號所受的電離層折射影響選擇兩個頻率可以較好地消除信號的電離層折射延遲（電離層折射延遲于信號的頻率有關）119測距碼(1)碼:表達信息的二進制數(shù)及其組合。如:控制測量一、二、三、四等。一二三四011011100比特:二進制組合中的每一位二進制數(shù),又叫碼元。碼長:一個碼中二進制數(shù)的個數(shù)。數(shù)碼率:每秒鐘傳播的碼長的個數(shù)(bit/s或BPS)。碼周期:傳播一個二進制數(shù)所需要的時間。

碼周期=1/數(shù)碼率120測距碼121測距碼(3)隨機噪聲碼:每一時刻,碼元是0或是1完全是隨機的一組碼序列,這種碼元幅值是完全無規(guī)律的碼序列,稱為隨機噪聲碼序列。它是一種非周期序列,無法復制。但是,隨機噪聲碼序列卻有良好的自相關性,GPS碼信號測距就是利用了GPS測距碼的良好的自相關性才獲得成功。122測距碼(4)偽隨機噪聲碼(PseudoRandomNoise-PRN)雖然隨機碼具有良好的自相關特性,但由于它是一種非周期性的碼序列,沒有確定的編碼規(guī)則,所以實際上無法復制和利用。因此,為了能夠實際應用,GPS采用了一種偽隨機噪聲碼(PseudoRandomNoise-PRN),簡稱偽隨機碼或偽碼。這種碼序列的主要特點是:不僅具有類似隨機碼的良好自相關特性,而且具有某種確定的編碼規(guī)則。它是周期性的、可人工復制的碼序列。123測距碼作用測距性質為偽隨機噪聲碼（PRN－PseudoRandomNoise）不同的碼（包括未對齊的同一組碼）間的相關系數(shù)為0或1/n（n為碼元數(shù)）對齊的同一組碼間的相關系數(shù)為1124C/A碼碼率：1.023MHz；周期：1ms；1周期含碼元數(shù)：1023；碼元寬度：293.05m；僅被調制在L1上特點：由于C/A碼的碼長較短,易于捕獲,而通過捕獲C/A碼所得到的信息,又可以方便的捕獲到P碼,所以,通常稱C/A碼為捕獲碼。C/A碼的碼元寬度較大,假設兩個序列的碼元對齊誤差為碼元寬度的1/10~1/100,則這時相應的測距誤差可達29.3~2.9m。由于其精度較低,所以C/A碼也稱為粗碼(CoarseAcquisitonCode)。125作用捕獲衛(wèi)星粗略測距P碼碼率：10.23MHz；周期：7天；1周期含碼元數(shù)：6187104000000；碼元寬度：29.30m；被調制在L1和L2上P碼的碼速率為C/A碼的10倍，碼元寬度為C/A碼的1/10，可以較精確地測定從接收機至衛(wèi)星的距離，也被稱為精碼。126其它碼Y碼原因：防止敵對方對美國軍方用戶進行電子欺騙和電子干擾產生方法：將P碼與W碼進行模二相加,以代替P碼L2C碼L2C碼的碼速率為1.023MHz,由L2CM碼和L2CL碼組成L5碼頻率：1176.45Mhz；碼速率：10.23MHz；碼元寬度：29.3m127其它碼M碼供美國軍方使用的保密碼,其生成方法及碼的結構不對外公開優(yōu)點:信號捕獲更加快捷、穩(wěn)定抗干擾力更強有利于使用基于信息的通信協(xié)議128GPS現(xiàn)代化后測距碼的變化在L2上調制C/A碼在L1和L2增加調制M碼（軍用碼）增加第三民用頻率（L5）1293.導航電文130衛(wèi)星（導航）電文作用：向用戶提供衛(wèi)星軌道參數(shù)、衛(wèi)星鐘參數(shù)、衛(wèi)星狀態(tài)信息及其它信息基本結構：字(30bit)、子幀(10個字)、主幀(5個子幀)、導航電文(25個主幀)131衛(wèi)星（導航）電文導航電文的基本單位叫幀。一幀導航電文長1500bit,含5個子幀。而每個子幀又分別含有10個字,每個字含30bit,故每一子幀共含300bit。導航電文的傳播速率為每秒50bit,所以播送一幀電文的時間需要30s,而一子幀的持續(xù)播發(fā)時間為6s。132衛(wèi)星（導航）電文基本內容133衛(wèi)星（導航）電文遙測字（TLM–TelemetryWord）每一子幀的第1個字用作捕獲導航電文的前導交接字（HOW–HandOverWord）每一子幀的第2個字主要內容：Z計數(shù)134衛(wèi)星（導航）電文第一數(shù)據(jù)塊第1子幀的第3~10個字內容：WN–GPS周L2所調制測距碼標識符–“10”表示C/A碼，“01”表示P(Y)碼傳輸參數(shù)N–URA：表明使用該衛(wèi)星進行定位可能達到的精度TGD–信號在衛(wèi)星內部的時延星鐘數(shù)據(jù)齡期AODC：代表了衛(wèi)星鐘改正數(shù)的置信度;時間越長,可信度越低。星鐘改正參數(shù)：a0（鐘偏），a1（鐘速），a2（鐘漂）135衛(wèi)星（導航）電文第二數(shù)據(jù)塊第2、3子幀的第3~10個字內容：該發(fā)送信號衛(wèi)星的星歷－廣播星歷第三數(shù)據(jù)塊第4、5子幀的第3~10個字內容：所有衛(wèi)星歷書（概略星歷）第三數(shù)據(jù)塊的內容每12.5分鐘重復一次136GPS測量原理及應用第四章：GPS定位中的誤差源1371.概述138GPS測量誤差的來源與衛(wèi)星有關的誤差衛(wèi)星軌道誤差衛(wèi)星鐘差相對論效應與傳播途徑有關的誤差電離層延遲對流層延遲多路徑效應與接收設備有關的誤差接收機天線相位中心的偏移和變化接收機鐘差接收機內部噪聲139影響參考點影響觀測值GPS測量誤差的大小SPS（無SA）140GPS測量誤差的大小SPS（有SA）141GPS測量誤差的大小PPS，雙頻，P/Y-碼142消除或消弱各種誤差影響的方法模型改正法原理：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143消除或消弱各種誤差影響的方法求差法原理：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。所針對的誤差源電離層延遲對流層延遲衛(wèi)星軌道誤差…限制：空間相關性將隨著測站間距離的增加而減弱144消除或消弱各種誤差影響的方法參數(shù)法原理：采用參數(shù)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(shù)來估計145消除或消弱各種誤差影響的方法回避法原理：選擇合適的觀測地點，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1462.相對論效應147相對論效應對衛(wèi)星鐘的影響狹義相對論(1905)原理：時間膨脹。鐘的頻率與其運動速度有關。對GPS衛(wèi)星鐘的影響：結論：在狹義相對論效應作用下，衛(wèi)星上鐘的頻率將變慢148相對論效應對衛(wèi)星鐘的影響廣義相對論原理：鐘的頻率與其所處的重力位有關對GPS衛(wèi)星鐘的影響：結論：在廣義相對論效應作用下，衛(wèi)星上鐘的頻率將變快149相對論效應對衛(wèi)星鐘的影響相對論效應對衛(wèi)星鐘的影響狹義相對論＋廣義相對論150解決相對論效應對衛(wèi)星鐘影響的方法方法（分兩步）：首先考慮假定衛(wèi)星軌道為圓軌道的情況；然后考慮衛(wèi)星軌道為橢圓軌道的情況。第一步：在地面上調低將要搭載到衛(wèi)星上的時鐘頻率第二步：根據(jù)實時軌道數(shù)據(jù)修正衛(wèi)星時鐘頻率1513.鐘誤差152鐘差對測距的影響153衛(wèi)星鐘差定義 物理同步誤差：GPS衛(wèi)星鐘給出的時間與標準GPS時之差(實際鐘差） 數(shù)學同步誤差：顧及鐘差多項式改正后衛(wèi)星鐘與標準GPS時之差（殘差）154數(shù)學同步誤差主要由鐘差多項式的預報誤差和被略去的隨機項引起的。物理同步誤差一般控制在1ms以內（300km），數(shù)學同步誤差為5-10ns（1.5-3m）。衛(wèi)星鐘差應對方法模型改正 鐘差改正多項式

其中a0為t時刻的時鐘偏差，a1為鐘的漂移，a2為老化率。相對定位或差分定位采用其它渠道獲得鐘差參數(shù)，比如IGS。155接收機鐘差定義

GPS接收機一般采用石英鐘，接收機鐘與理想的GPS時之間存在的偏差和漂移。應對方法作為未知數(shù)處理相對定位或差分定位156上次課程主要內容回顧與衛(wèi)星有關的誤差相對論效應衛(wèi)星鐘差與傳播途徑有關的誤差與接收設備有關的誤差1574.衛(wèi)星星歷誤差158衛(wèi)星星歷誤差定義：由衛(wèi)星星歷給出的衛(wèi)星軌道與衛(wèi)星的實際軌道之差。159廣播星歷定義：由GPS地面控制部分所確定和提供的，經GPS衛(wèi)星向全球用戶公開播發(fā)的一種預報星歷，其精度較差。160廣播星歷的精度(無SA)5-7米(有SA)50-100米廣播星歷的格式：參考時刻的軌道根數(shù)及其變化率精密星歷定義：為滿足大地測量、地球動力學研究等精密應用領域的需要而研制、生產的一種高精度的事后星歷。161精密星歷的精度美國國防制圖局：2米IGS:5厘米精密星歷的格式：以一定時間間隔直接給出衛(wèi)星在空間的三維坐標和三維運動速度。IGS–InternationalGNSSService162IGS產品163衛(wèi)星星歷衛(wèi)星鐘和跟蹤站接收機鐘的鐘差跟蹤站的站坐標及其變化率地球自轉參數(shù)大氣參數(shù)衛(wèi)星星歷誤差對單點定位的影響星歷誤差對單點定位的影響主要取決于衛(wèi)星到接收機的距離以及用于定位或導航的GPS衛(wèi)星與接收機構成的幾何圖形，影響值與軌道精度相當。164單點定位的觀測方程：線性化：誤差方程：衛(wèi)星星歷誤差對相對定位的影響165單差觀測方程：星歷誤差的影響（廣播星歷：10-7，精密星歷：10-9）：衛(wèi)星星歷誤差的消除辦法采用精密星歷采用相對定位1665.電離層延遲167地球大氣結構168電離層：60-1000km大氣折射效應大氣折射信號在穿過大氣時，速度將發(fā)生變化，傳播路徑也將發(fā)生彎曲。也稱大氣延遲。在GPS測量定位中，通常僅考慮信號傳播速度的變化。色散介質與非色散介質色散介質：對不同頻率的信號，所產生的折射效應也不同非色散介質：對不同頻率的信號，所產生的折射效應相同對GPS信號來說，電離層是色散介質，對流層是非色散介質169電離層對GPS影響：天頂方向十幾米，高度角5度方向可超過50米相速與群速相速群速170對于頻率略微不同的一群波來說，其最終能量的傳播可以用“群速”表示：假設單一頻率的電磁波在空間傳播，該電磁波相位的速度為：電離層延遲電離層折射對載波相位所造成的延遲改正數(shù)為：171電離層延遲電離層折射對測距碼所造成的延遲改正數(shù)為：172偽距和相位測量受電離層影響大小相等、符號相反。電離層延遲量的大小與總電子含量（TEC）相關。電子密度與總電子含量電子密度：單位體積中所包含的電子數(shù)?？傠娮雍浚═EC–TotalElectronContent）：底面積為一個單位面積時沿信號傳播路徑貫穿整個電離層的一個柱體內所含的電子總數(shù)。173電子密度與哪些因素有關？174大氣高程地方時太陽活動季節(jié)地理位置地震活動等電子密度與哪些因素有關？175大氣高程地方時太陽活動季節(jié)地理位置地震活動等電子密度與哪些因素有關？176Scharroo&Smith,

2010,JGR大氣高程地方時太陽活動季節(jié)地理位置地震活動等電子密度與哪些因素有關？177Scharroo&Smith,

2010,JGR大氣高程地方時太陽活動季節(jié)地理位置地震活動等電子密度與哪些因素有關？178Scharroo&Smith,

2010,JGR大氣高程地方時太陽活動季節(jié)地理位置地震活動等電子密度與哪些因素有關？179Heki,

2011,GRL大氣高程地方時太陽活動季節(jié)地理位置地震活動等常用電離層延遲改正方法分類經驗模型改正方法：根據(jù)以往觀測結果所建立的模型改正效果：差雙頻改正方法：利用雙頻觀測值直接計算出延遲改正或組成無電離層延遲的組合觀測量效果：改正效果最好實測模型改正方法：利用實際觀測所得到的離散的電離層延遲（或電子含量），建立模型（如內插）效果：改正效果較好180常用電離層延遲改正方法分類經驗模型改正（20-40%誤差）Bent模型國際參考電離層（IRI)克羅布歇模型181Scharroo&Smith,

2010,JGR常用電離層延遲改正方法分類經驗模型改正（20-40%誤差）Bent模型R.B.Bent提出，描述電子密度是經緯度、時間、季節(jié)和太陽輻射流量的函數(shù)國際參考電離層（IRI)由國際無線電科學聯(lián)盟和空間研究委員會提出描述50-2000km高度區(qū)間電子密度、電子溫度、電離層溫度、電離層成分等以時間、地點等為參數(shù)克羅布歇模型美國的克羅布歇提出描述電離層時延用于廣播星歷中播發(fā)182常用電離層延遲改正方法分類經驗模型改正（20-40%誤差）Bent模型國際參考電離層（IRI)克羅布歇模型183Scharroo&Smith,

2010,JGR常用電離層延遲改正方法分類經驗模型改正（20-40%誤差）Bent模型國際參考電離層（IRI)克羅布歇模型

地面控制系統(tǒng)前五天的太陽平均輻射流量計算，并編制在導航電文中供單頻接收機用戶使用。184電離層延遲的雙頻改正185線性組合消除電離層影響186電離層延遲的實測模型改正基本思想利用基準站的雙頻觀測數(shù)據(jù)計算電離層延遲利用所得到的電離層延遲量建立局部或全球的的TEC實測模型類型局部模型適用于局部區(qū)域全球模型適用于全球區(qū)域187電離層延遲的實測模型改正局部（區(qū)域性）的實測模型改正方法適用范圍：局部地區(qū)的電離層延遲改正188電離層延遲的實測模型改正全球（大范圍）的實測模型改正方法適用范圍：用于大范圍和全球的電離層延遲改正格網化的電離層延遲改正模型189上次課程主要內容回顧衛(wèi)星星歷（軌道）誤差定義廣播星歷精密星歷190上次課程主要內容回顧電離層對GPS信號傳播的影響（V表示改正數(shù)）電離層延遲誤差的改正方法雙頻改正經驗模型實測模型基本概念：電子密度與總電子含量1916.對流層延遲192對流層（Troposphere）193對流層：50km以下大氣折射效應大氣折射信號在穿過大氣時，速度將發(fā)生變化，傳播路徑也將發(fā)生彎曲。也稱大氣延遲。在GPS測量定位中，通常僅考慮信號傳播速度的變化。折射數(shù)N194對流層延遲折射數(shù)195對流層延遲將N帶入，計算天頂向對流層延遲量為：196Hydrostatic（“Dry”，干延遲）:Wet（濕延遲）:Liquid（液態(tài)水延遲）:干延遲干延遲只依賴于大氣總密度，因此，可以通過測量地面壓強計算出來：天頂干延遲約2.3米，精度能達到1mm197重力加速度緯度高程濕延遲198液態(tài)水延遲199對流層的色散效應對流層的色散效應折射率與信號波長的關系對流層對不同波長的波的折射效應結論:對于GPS衛(wèi)星所發(fā)送的電磁波信號，對流層不具有色散效應200對流層延遲對測距的影響穿刺方向(LineofSight）延遲量濕延遲通常指PWV和液態(tài)水的共同影響干延遲并不是僅僅指干氣的影響201投影函數(shù)什么是投影函數(shù)？將衛(wèi)星觀測值從穿刺方向（LineofSight）投影到天頂方向（Zenith）的函數(shù)。202投影函數(shù)簡單投影函數(shù)15度高度角方向的延遲約是天頂方向的4倍。203投影函數(shù)Marini模型:a/b/c為常數(shù)204Marini,1972,RadioSci.投影函數(shù)Niell模型：a/b/c受緯度、高程、時間等條件影響205Niell,1996,JGR投影函數(shù)改進的Niell模型：a/b/c增加氣象條件影響206Niell,2000,EPS;Veyetal.,2006,GRL對流層延遲誤差改正方法利用其它儀器實測改正（時間空間分辨率不足）模型法估計法（最小二乘或隨機過程）207霍普菲爾德（Hopfield）模型對流層折射模型208沿高度進行積分，導出垂直方向上的延遲通過投影（映射）函數(shù)，得出信號方向上的延遲薩斯塔莫寧（Saastamoinen）模型原始模型擬合后的模型209勃蘭克（Black）改正模型210對流層改正模型綜述不同模型所算出的高度角30以上方向的延遲差異不大Black模型可以看作是Hopfield模型的修正形式Saastamoinen模型與Hopfield模型的差異要大于Black模型與Hopfield模型的差異211對流層模型改正的誤差分析模型誤差模型本身的誤差氣象元素誤差量測誤差儀器誤差讀數(shù)誤差測站氣象元素的代表性誤差實際大氣狀態(tài)與大氣模型間的差異212GPS氣象若GPS對流層延遲能夠精確估計，則估計的PWV可以用于氣象研究（Bevisetal.,1992）。方法：GPS測量出ZTD結合地面觀測的氣象參數(shù)計算ZHDZWD=ZTD–ZHDPWV=Π

ZWD213上次課程主要內容回顧對流層延遲可以分為干延遲和濕延遲干延遲較大，但容易利用地面觀測氣象參數(shù)和模型改正濕延遲較小，但難于利用模型改正對流層延遲改正常用相對定位、參數(shù)估計、隨即過程方法消除GPS氣象2147. 多路徑誤差215多路徑誤差與多路徑效應多路徑（Multipath）誤差在GPS測量中，被測站附近的物體所反射的衛(wèi)星信號（反射波）被接收機天線所接收，與直接來自衛(wèi)星的信號（直接波）產生干涉，從而使觀測值偏離真值產生所謂的“多路徑誤差”。多路徑效應由于多路徑的信號傳播所引起的干涉時延效應稱為多路徑效應。216反射波反射波的幾何特性距離差異相位差異217載波相位測量中的多路徑誤差直接接收的信號：反射來的多路徑信號：疊加的信號：接收信號的另一種表示法：218載波相位測量中的多路徑誤差由上可知：最終可得：當有多個反射信號源時：219多路徑誤差的特點與測站環(huán)境有關與反射體性質有關與接收機結構、性能有關220應對多路徑誤差的方法觀測上選擇合適的測站，避開易產生多路徑的環(huán)境221易發(fā)生多路徑的環(huán)境應對多路徑誤差的方法硬件上采用抗多路徑誤差的儀器設備抗多路徑的天線：帶抑徑板或抑徑圈的天線，極化天線抗多路徑的接收機：窄相關技術MEDLL(MultipathEstimatingDelayLockLoop)等222抗多路徑效應的天線應對多路徑誤差的方法利用多路徑測量土壤水分、積雪等（Larsonetal.,2008,GRL）2238.其他誤差改正224接收機的位置誤差定義 接收機天線的相位中心相對測站標石中心位置的偏差。應對方法正確的對中整平采用強制對中裝置（變形監(jiān)測時）225天線相位中心偏差改正衛(wèi)星天線相位中心偏差改正接收機天線相位中心變化的改正GPS測量和定位時是以接收機天線的相位中心位置為準的，天線的相位中心與其幾何中心理論上應保持一致?？墒墙邮諜C天線接收到的GPS信號是來自四面八方，隨著GPS信號方位和高度角的變化，接收機天線的相位中心的位置也在發(fā)生變化。226天線相位中心偏差改正應對方法使用相同類型的天線并進行天線定向（限于相對定位）模型改正227GPS測量原理及應用

第五章：距離測量與定位方法2281.利用測距碼測定衛(wèi)地距229GPS定位的基本原理230需解決的兩個關鍵問題如何確定衛(wèi)星的位置如何測量出站星距離？測距方法231雙程測距

用于電磁波測距儀單程測距

用于GPS測距碼232測距碼測距原理①距離測定的基本思路信號（測距碼）傳播時間的測定233信號傳播時間信號傳播時間的測定測距碼測距原理②利用測距碼測距的必要條件必須了解測距碼的結構利用測距碼進行測距的優(yōu)點采用的是CDMA（碼分多址）技術易于捕獲微弱的衛(wèi)星信號可提高測距精度便于對系統(tǒng)進行控制和管理（如AS）234微弱信號的捕獲偽距測量的特點優(yōu)點無模糊度缺點精度低235GPS測量的基本觀測方程236測距碼測距的觀測方程237對流層折射延遲改正電離層折射延遲改正接收機鐘的改正數(shù)衛(wèi)星鐘的改正數(shù)信號離開衛(wèi)星的時刻（由衛(wèi)星鐘測定）信號到達接收機的時刻（由接收機鐘測定）偽距測量的觀測方程238如果考慮星歷誤差、多路徑效應及測量噪聲，則最終的觀測方程為：通常不考慮站星幾何距離：偽距測量的誤差方程239將上式線性化，并保留至一次項，得：最終的誤差方程為：Z跟蹤技術ASP碼+W碼

Y碼W碼的碼元寬度比Y碼大幾十倍Z跟蹤技術原理將相關間隔（積分間隔）限定在一個W碼碼元內240上次課程主要內容回顧測距碼測距（偽距）的基本方法測距碼測距的優(yōu)缺點偽距定位原理（觀測方程、誤差方程）2412.載波相位測量242概述載波的作用為什么需要采用載波測量？C/A碼碼元寬度300米P碼碼元寬度30米L1/L2載波波長（19.0/24.4cm）243載波相位測量的關鍵技術－重建載波重建載波GPS載波上調制了測距碼和導航電文，因此，接收到的信號（調制波）的相位已經不再連續(xù)。將非連續(xù)的載波信號恢復成連續(xù)的載波信號，去掉導航電文和測距碼。碼相關法、平方法、互相關法、Z跟蹤法244載波相位測量的關鍵技術－重建載波碼相關法方法將所接收到的調制信號（衛(wèi)星信號）與接收機產生的復制碼相乘。技術要點衛(wèi)星信號（弱）與接收機信號（強）相乘。特點限制：需要了解碼的結構。優(yōu)點：可獲得導航電文，可獲得全波長的載波，信號質量好（信噪比高）載波相位測量的關鍵技術－重建載波平方法方法將所接收到的調制信號（衛(wèi)星信號）自乘。技術要點衛(wèi)星信號（弱）自乘。特點優(yōu)點：無需了解碼的結構缺點：無法獲得導航電文，所獲載波波長為原來波長的一半，信號質量較差（信噪比低，降低了30dB）平方法載波相位測量的關鍵技術－重建載波互相關（交叉相關）方法在不同頻率的調制信號（衛(wèi)星信號）進行相關處理，獲取兩個頻率間的偽距差和相位差技術要點不同頻率的衛(wèi)星信號（弱）進行相關。特點優(yōu)點：無需了Y解碼的結構，可獲得導航電文，可獲得全波波長的載波，信號質量較平方法好（信噪比降低了27dB）載波相位測量的關鍵技術－重建載波Z跟蹤方法：將衛(wèi)星信號在一個W碼碼元內與接收機復制出的P碼進行相關處理。在一個W碼碼元內進行衛(wèi)星信號（弱）與復制信號（強）進行相關。特點優(yōu)點：無需了解Y碼結構，可測定雙頻偽距觀測值，可獲得導航電文，可獲得全波波長的載波，信號質量較平方法好（信噪比降低了14dB）GPS載波相位測量的基本原理249載波相位觀測值首次觀測值接收機提供的觀測值完整的載波相位整周計數(shù)整周未知數(shù)（整周模糊度）250載波相位觀測值載波相位測量的特點優(yōu)點精度高，測距精度可達0.1mm量級難點整周未知數(shù)問題整周跳變問題251載波相位測量的觀測方程252誤差方程為：觀測方程為：3.單差、雙差、三差觀測值253GPS測量中的未知參數(shù)及處理方法254與接收機無關與衛(wèi)星無關空間相關性強空間相關性強不隨時間變化必要參數(shù)與多余參數(shù)概述差分觀測值的定義將相同頻率的GPS載波相位觀測值依據(jù)某種方式求差所獲得的新的組合觀測值（虛擬觀測值）差分觀測值的特點可以消去某些不重要的參數(shù)，或將某些對確定待定參數(shù)有較大負面影響的因素消去或消弱其影響255同類型同頻率相位觀測值的線性組合

——差分觀測值按差分方式可分為:站間差分星間差分歷元間差分按差分次數(shù)可分為：一次差二次差三次差256站間求差（站間差分）求差方式同步觀測值在接收機間求差數(shù)學形式特點消除了衛(wèi)星鐘差影響削弱了電離層折射影響削弱了對流層折射影響削弱了衛(wèi)星軌道誤差的影響257星間求差（星間差分）求差方式同步觀測值在衛(wèi)星間求差數(shù)學形式特點消除了接收機鐘差的影響258歷元間求差（歷元間差分）差分方式觀測值在間歷元求差數(shù)學形式特點消去了整周未知數(shù)參數(shù)259單差、雙差和三差單差：站間一次差分雙差：站間、星間各求一次差（共兩次差）三差：站間、星間和歷元間各求一次差（三次差）260單差雙差三差采用差分觀測值的缺陷數(shù)據(jù)利用率低只有同步數(shù)據(jù)才能進行差分差分觀測值間具有了相關性，使處理問題復雜化參數(shù)估計時，觀測值的權陣某些參數(shù)無法求出某些信息在差分觀測值中被消除引入基線矢量替代了位置矢量261上次課程主要內容回顧重建載波相位觀測值的組成部分載波相位觀測方程站間、星間、歷元間求差單差、雙差、三差2624.其他一些常用的線性組合觀測值263同類型不同頻率觀測值的線性組合組合觀測值的一般形式特點組合觀測值是虛擬觀測值組合觀測值具有某些不同于原始觀測值特性264組合標準線性組合后的新“觀測值”能保持模糊度的整數(shù)特性具有適當?shù)牟ㄩL不受或基本不受電離層延遲的影響具有較小的測量噪聲265電磁波的一般公式266組合觀測值的一般表達式267組合觀測值的一般特性①頻率特性（由第1式）波長特性整周未知數(shù)特性（由第2式）268組合觀測值的一般特性②電離層延遲特性269組合觀測值的一般特性③對流層延遲特性誤差特性270幾種特殊的組合觀測值①寬巷組合（wide-lane）(n=1,m=-1)271幾種特殊的組合觀測值②窄巷組合（narrow-lane）(n=1,m=1)272幾種特殊的組合觀測值③無電離層影響的組合（iono-free）273不同類型觀測值的線性組合偽距和載波相位之間的組合不同類型雙頻觀測值間的線性組合不同類型單頻觀測值間的線性組合

主要是利用了電離層對載波相位和測距碼延遲大小相等、符號相反的特性2741.不同類型雙頻觀測值間的線性組合2751.不同類型雙頻觀測值間的線性組合276277上式不僅消除了電離層延遲，也消除了衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差和衛(wèi)星與接收機之間的幾何距離，僅受測量噪聲和多路徑誤差的影響。用于確定寬巷組合的整周模糊度Melbourne-Wubbena公式278上式也消除了電離層延遲、衛(wèi)星至接收機的幾何距離、衛(wèi)星鐘差和接收機鐘差的影響，可用于確定N1和N2，還可以用于探測周跳2.不同類型單頻觀測值間的線性組合279該組合消除了電離層的影響，單點定位時采用上述線性組合觀測值可顯著改善解的精度。上次課程主要內容回顧不同頻率載波相位L1/L2觀測值組合（寬巷、窄巷、無電離層）不同類型觀測值組合（L1/L2-P1/P2）2805.周跳的探測與修復281整周跳變（周跳–CycleSlips）在某一特定時刻的載波相位觀測值為如果在觀測過程接收機保持對衛(wèi)星信號的連續(xù)跟蹤，則整周模糊度N0將保持不變，整周計數(shù)也將保持連續(xù)，但當由于某種原因使接收機無法保持對衛(wèi)星信號的連續(xù)跟蹤時，在衛(wèi)星信號重新被鎖定后，N0將發(fā)生變化，而也不會與前面的值保持連續(xù)，這一現(xiàn)象稱為整周跳變。282周跳T

產生周跳的原因信號被樹木、建筑物等遮擋，導致衛(wèi)星信號無法被跟蹤儀器故障，導致差頻信號無法產生電離層、多路徑、低高度角等使得衛(wèi)星信號信噪比過低，導致整周計數(shù)錯誤接收機在高速動態(tài)的環(huán)境下進行觀測，導致接收機無法正確跟蹤衛(wèi)星信號衛(wèi)星瞬時故障，無法產生信號283周跳的特點只影響整周計數(shù)－周跳為波長的整數(shù)倍將影響從周跳發(fā)生時刻（歷元）之后的所有觀測值284周跳T

解決周跳問題的方法探測與修復設法找出周跳發(fā)生的時間和大小參數(shù)法將周跳標記出來，引入周跳參數(shù)，進行解算285周跳的探測、修復方法高次差法的原理由于衛(wèi)星和接收機間的距離在不斷變化，因而載波相位測量的觀測值N0+Int(ф)+Fr(ф)也隨時間在不斷變化。但這種變化應是有規(guī)律的，平滑的。周跳將破壞這種規(guī)律性。對于GPS衛(wèi)星而言，當求至四次差時，其值已趨向于零。殘留的四次差主要是由接收機的鐘誤差等因素引起的。286周跳的探測、修復方法高次差法28771

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808182-148779.9950-157896.9440-167055.6760-176257.9430-185502.0140-194783.1900-204102.7230-213461.0670-222855.6470-232287.4560-241754.8510-251255.0440-9116.9490-9158.7320-9202.2670-9244.0710-9281.1760-9319.5330-9358.3440-9394.5800-9431.8090-9467.3950-9500.1930-41.7830-43.5350-41.8040-37.1050-38.3570-38.8110-36.2360-37.2290-35.5860-32.7980-1.7520

1.7310

4.6990-1.2520-0.45402.5750-0.99301.64302.7880

3.4830

2.9680

-5.9510

0.79803.0290-3.5680

2.6360

1.1450-0.5150-8.91906.74902.2310-6.59706.2040-1.4910無周跳觀測值5次差分周跳的探測、修復方法高次差法288有周跳觀測值5次差分71

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808182-148779.995-157896.944-167055.676-176257.943-185502.014-194783.19-204602.723

-213961.067-223355.647-232787.456-242254.851

-251755.044-9116.949-9158.732-9202.267

-9244.071-9281.176

-9819.533

-9358.344

-9394.580

-9431.809-9467.395-9500.193

-41.783-43.535

-41.804

-37.105

-538.36

461.19-36.236

-37.229

-35.586

-32.798-1.752

1.731

4.699

-501.25999.55

-497.42

-0.993

1.643

2.7883.483

2.968

-505.95

1500.8

-1497

496.43

2.636

1.145

-0.515

-508.92

2006.7

-2997.8

1993.4

-493.8

-1.4911倍-4倍6倍-4倍1倍周跳的探測、修復方法高次差法的問題接收機鐘差對此方法有效性的影響克服接收機鐘差影響的方法－衛(wèi)星間求差289設接收機鐘的穩(wěn)定度為5X10-10，接收機采樣間隔為15s，對于L1（f1=1.57542X109Hz），則接收機鐘相鄰歷元載波相位觀測值的影響為5X10-10X15X1.57542X109=11.8周。周跳的探測、修復方法多項式擬合法：為了便于用計算機計算，常采用多項式擬合的方法。即根據(jù)n個相位測量觀測值擬合一個n階多項式，據(jù)此多項式來預估下一個觀測值并與實測值比較，從而來發(fā)現(xiàn)周跳并修正整周計數(shù)。這種方法實質上和上面介紹的高次差法是相像的，但便于計算。290周跳的探測、修復方法291多項式擬合數(shù)學模型最小二乘求解擬合系數(shù)根據(jù)擬合殘差探測周跳周跳的探測、修復方法292站間星間雙差觀測數(shù)據(jù)；顯然有多個大周跳采用多項式擬合剔除大周跳后的雙差序列周跳的探測、修復方法293一段沒有周跳的