GPS測量原理及應(yīng)用各章知識點總結(jié)

1、 GPS測量原理及應(yīng)用各章知識點總結(jié) 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(chǔ)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-84大地坐標系3、 GPS經(jīng)歷了方案論證、系統(tǒng)論證、生產(chǎn)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，平均可同時觀測到6顆有

2、效衛(wèi)星，最多可以達到9顆。5、 應(yīng)用雙定位系統(tǒng)的優(yōu)越性： 能同時接收到GPS和GLONASS衛(wèi)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(chǎn)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。6、 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(guān)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(diào)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(shè)備是否正常工作，以及衛(wèi)星是否一直沿著預(yù)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(nèi)軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理

4、軟件包，構(gòu)成完整的GPS用戶設(shè)備。GPS接收機的結(jié)構(gòu)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的特點： 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(yīng)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。3、長度單

5、位。2、 地球的瞬時自轉(zhuǎn)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(zhì)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(gòu)成右手坐標系。長半軸 a=+-2m，=1/298.4、 WGS-84大地水準面N等于由GPS定位測定的點的大地高H減去該點的正高H。5、 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(shè)在我國中部-陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)，高程系統(tǒng)基準是19556年青島驗潮站求

6、出的黃海平均海水面。6、 GPS時間系統(tǒng) GPS系統(tǒng)是測試測距系統(tǒng)。GPS時間系統(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。第3章 衛(wèi)星運動基礎(chǔ)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(yù)報星歷和后處理星歷。4、 預(yù)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

7、括1個參考時刻，6個對應(yīng)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)。6、 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(jù)各自建立的衛(wèi)星跟蹤站所獲得的對GPS衛(wèi)星的精密觀測資料，應(yīng)用與確定廣播星歷相似的方法而計算的衛(wèi)星星歷。第4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(jù)基礎(chǔ)。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(zhuǎn)換到捕獲P碼。2、 GPS衛(wèi)星信號是用于導航定位的調(diào)制波，他包含有：載波、測距碼和數(shù)據(jù)碼。3、 調(diào)制：將頻率較低的信號加載在頻

8、率較高的載波上的過程。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(guān)型接收機、平方型接收機、混合型接收機和干涉型接收機。第5章 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(yīng)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(jù)測距的原理，GPS定位原理和方法主

9、要有：偽距法定位，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(jù)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-84坐標系中相對于坐標原點-地球質(zhì)心的絕對位置。8、

10、 靜態(tài)絕對定位：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：1

11、3、 用碼相關(guān)技術(shù)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(shè)法將調(diào)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(guān)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(jīng)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No。 整周跳變的修復(fù)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

12、。2、 產(chǎn)生周跳的原因有：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(yīng)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(nèi)置軟件設(shè)計不合理3、 整周跳變修復(fù)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(fù)周跳 5、根據(jù)平差后的殘差發(fā)現(xiàn)和修復(fù)整周跳變3、 用雙頻觀測值修復(fù)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(yīng)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(diào)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)、VDOP（高程精度因子）、PDOP（空間位置精度因子）、TDOP（接收機鐘差精度因子）、GDOP（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(guān)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(jié)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(guān)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、 差值法都引入了線

14、性相關(guān)。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(shù)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(shù)會對高精度相對定位數(shù)據(jù)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(yīng)用P-W技術(shù)和L1與L2交叉相關(guān)技術(shù)，使L2載波相位測量值得到恢復(fù)，其精度與使用P碼相同。研制能同時接受GPS 和GLONASS信號的接收機。發(fā)展DGPS和WADGPS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1、 GPS定位中，存在三部分的誤差：一是多臺

15、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(nèi)部噪聲、多路徑效應(yīng)。2、 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。3、 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。4、 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100km以內(nèi)。5、 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，就可以完成定位。缺點：差分精度隨基

16、準站到用戶的距離增加而降低。6、 RTK：實時處理兩個測站載波相位觀測量的差分方法。7、 廣域差分P70。第7章 GPS測量誤差來源及其影響 與信號傳播有關(guān)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(yīng)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(chǎn)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信號穿過對流層時，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(chǎn)生偏差，這

17、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(yīng)：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(chǎn)生干涉，從而使觀測值偏離真值產(chǎn)生的偏差。2、多路徑效應(yīng)：由于多路徑信號傳播鎖引起的干涉時延效應(yīng)被稱為多路徑效應(yīng)。3、消除措施：（1）、選擇合適站址 a、測站應(yīng)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(yīng)離開高層建筑物。（2）對接手機天線的要求 a、在天線中設(shè)置抑徑板 b、接收機天線對于極化特性不同的反射信號應(yīng)該有較強的抑制作用。 與

18、衛(wèi)星有關(guān)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(yīng)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(wǎng)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(chǎn)生的誤差，也包含鐘的隨機誤差。相對論效應(yīng)：1、 相對論效應(yīng)：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(chǎn)生相對中誤差的現(xiàn)象。 與接收機有關(guān)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、 減弱接收機鐘差的方法: a、把每個觀測時刻的接收機

19、鐘差當著一個獨立的未知數(shù)，在數(shù)據(jù)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(guān)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(chǎn)生的差別。第八章 GPS測量的設(shè)計與實施GPS測量技術(shù)設(shè)計1、 GPS網(wǎng)技術(shù)設(shè)計的主要依據(jù)是GPS測量規(guī)范和測量任務(wù)書。2、 GPS網(wǎng)按級別分可分為AA、A、B、C、D、E；按等級分為二、三、四、一級、二級。

20、GPS網(wǎng)的基準設(shè)計1、 在GPS網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計時，必須明確GPS網(wǎng)所采用的坐標系統(tǒng)和起算數(shù)據(jù)，即明確GPS網(wǎng)所采用的基準，我們稱這項工作為GPS網(wǎng)的基準設(shè)計。2、 GPS網(wǎng)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GPS基線向量的距離確定。5、 位置基準一般是由給定的起算點坐標確定。6、 GPS網(wǎng)的基準設(shè)計實質(zhì)上主要是指確定網(wǎng)的位置基準問題。7、 GPS基準設(shè)計應(yīng)該考慮的問題：P117.GPS網(wǎng)構(gòu)成的幾個基本概念及網(wǎng)特征條件1、 觀測

21、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(gòu)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(gòu)成的閉合環(huán)。5、 異步觀測環(huán)：在構(gòu)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(gòu)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GPS基線向量的計算合格，不能說明GPS邊的觀測精度高，

22、也不能發(fā)現(xiàn)接收到的信號收到干擾而產(chǎn)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(wǎng)中的獨立邊構(gòu)成一定的幾何圖形。GPS網(wǎng)的圖形設(shè)計：主要取決與用戶的要求和=、經(jīng)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。1、 網(wǎng)形主要有：點連式、邊連式、網(wǎng)連式、邊點混合連接四種。2、 網(wǎng)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。3、 點連式: 相鄰?fù)綀D形間僅有一個公共點的連接。4、 邊連式:相鄰?fù)綀D形間由一條公共基線連接。5、 網(wǎng)連式:相鄰?fù)綀D形間由兩個以上公共點相連接。6、 邊點混合連接：把點連式和邊連式有機結(jié)合起來，組成GPS網(wǎng)，既能保證網(wǎng)的幾何強度。提高網(wǎng)的可靠指標，有能減少外業(yè)工作量，降低成本。在實際布網(wǎng)的設(shè)計時還要注意一下幾點原則：a、 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(yīng)有一個方向以上通視。b、 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(yīng)采用原有城市坐標系統(tǒng)。對凡符合GPS網(wǎng)點要求的舊點，應(yīng)該充分利用其標石。c、 GPS網(wǎng)必須由非同步獨立觀測邊構(gòu)成若干個閉合環(huán)或符合路線。GPS