GPS原理及其应用复习资料

GPS原理及其应用GPS概述系统构成：空间部分、地面控制部分、用户部分服务方式：通过由多颗卫星所组成的卫星星座提供导航定位服务定位原理：距离交会测距原理：被动式电磁波测距特点：全球覆盖、全天候、不间断、精度高常规定位方法的局限性需要事先布设大量的地面控制点/地面站无法同时精确确定点的三维坐标观测受气候、环境条件限制观测点之间需要保证通视受系统误差影响大，如地球旁折光难以确定地心坐标子午卫星系统及其局限性：系统缺陷卫星少，观测时间和间隔时间长，无法提供实时导航定位服务导航定位精度低卫星信号频率低，不利于补偿电离层折射效应的影响卫星轨道低，难以进行精密定轨GPS的发展简史：方案论证阶段全面研制和试验阶段实用组网阶段GPS在测量中的应用建立和维持全球性的参考框架板块运动和监测建立各级国家平面控制网布设城市控制网、工程测量控制网，进行各种工程测量在航空摄影测量、地籍测量、海洋测量中的应用SPS –标准定位服务PPS –精密定位服务SA技术选择可用性AS技术反电子欺骗其它卫星导航定位系统：GLONASS全球导航卫星系统：开发者俄罗斯（前苏联）系统构成：卫星星座地面控制部分用户设备伽俐略（Galileo）卫星导航定位系统：Galileo卫星星座将由27颗工作卫星和3颗备用卫星组成，这30颗卫星将均匀分布在3个轨道平面上，卫星高度为23616km，轨道倾角为56°北斗卫星导航系统：“北斗卫星导航系统”系统是由空间卫星、地面控制中心站和北斗用户终端三部分构成。

空间部分包括两颗地球同步轨道卫星（GEO）组成。

GPS系统由三部分组成：空间部分地面控制部分用户设备部分GPS卫星星座：1.设计星座：21+3 2.21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星3.保证在每天24小时的任何时刻，在高度角15︒以上，能够同时观测到4颗以上卫星4.当前星座：28颗GPS卫星作用：1.接收、存储导航电文2.生成用于导航定位的信号（测距码、载波）3.发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文）4.接受地面指令，进行相应操作 5.其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。

地面监控部分组成 1.主控站：1个2. 监测站：5个3. 注入站：3个通讯与辅助系统监测站作用：接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站。

主控站作用：管理、协调地面监控系统各部分的工作，收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站将卫星星历注入卫星，监控卫星状态，向卫星发送控制指令；卫星维护与异常情况的处理注入站作用：将导航电文注入GPS卫星.GPS的用户部分：组成：用户，接收设备接收设备：GPS信号接收机，其它仪器设备GPS信号接收机组成：天线单元：带前置放大器，接收天线接收单元：信号通道，存储器，微处理器，输入输出设备，电源相位中心偏移的消除：归心改正、消去法天线高–标志至平均相位中心所在平面的垂直距离GPS卫星信号的组成部分：载波（Carrier）：L1，L2测距码（Ranging Code）：C/A码（目前只被调制在L1上）P(Y)码（被分别调制在L1和L2上）卫星（导航）电文（Message）GPS卫星信号的生成：关键设备–原子钟载波作用：1.搭载其它调制信号 2.测距 3.测定多普勒频移类型：L1 –频率：154⨯f0= 1575.42MHz；波长：19.03cmL2 –频率：120⨯f0= 1227.60MHz；波长：24.42cm特点 1.所选择的频率有利于测定多普勒频移 2.所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响 3.选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟（电离层折射延迟于信号的频率有关）测距码作用：测距类型：C/A码粗码/捕获码P（Y）码：精码；码率卫星（导航）电文作用：向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参数、卫星状态信息及其它信息精密星历：按一定时间间隔给出卫星在地固坐标系下的三维位置、三维速度和钟差GPS测量误差的来源：与卫星有关的误差：1.卫星轨道误差2.卫星钟差3.相对论效应与传播途径有关的误差：1.电离层延迟2.对流层延迟3.多路径效应与接收设备有关的误差：1.接收机天线相位中心的偏移和变化2.接收机钟差3.接收机内部噪声GPS测量误差的性质：偶然误差：卫星信号发生部分的随机噪声，接收机信号接收处理部分的随机噪声，其它外部某些具有随机特征的影响系统误差：其它具有某种系统性特征的误差消除或消弱各种误差影响的方法：模型改正法原理：利用模型计算出误差影响的大小，直接对观测值进行修正适用情况：对误差的特性、机制及产生原因有较深刻了解，能建立理论或经验公式所针对的误差源：相对论效应，电离层延迟，对流层延迟，卫星钟差限制：有些误差难以模型化求差法原理：通过观测值间一定方式的相互求差，消去或消弱求差观测值中所包含的相同或相似的误差影响适用情况：误差具有较强的空间、时间或其它类型的相关性。

所针对的误差源：电离层延迟，对流层延迟，卫星轨道误差限制：空间相关性将随着测站间距离的增加而减弱参数法原理：采用参数估计的方法，将系统性偏差求定出来适用情况：几乎适用于任何的情况限制：不能同时将所有影响均作为参数来估计回避法原理：选择合适的观测地点，避开易产生误差的环境；采用特殊的观测方法；采用特殊的硬件设备，消除或减弱误差的影响适用情况：对误差产生的条件及原因有所了解；具有特殊的设备。

所针对的误差源：电磁波干扰，多路径效应限制：无法完全避免误差的影响，具有一定的盲目性卫星钟差应对方法：模型改正，相对定位或差分定位接收机钟差：定义GPS接收机一般采用石英钟，接收机钟与理想的GPS时之间存在的偏差和漂移。

应对方法：作为未知数处理，相对定位或差分定位在广义相对论效应作用下，卫星上钟的频率将变快GPS定位中的误差源：卫星星历误差，电离层延迟由卫星星历给出的卫星在空间的位置与卫星的实际位置之差称为卫星星历误差应对方法：1.精密定轨(后处理) 2.相对定位或差分定位星历误差对单点定位的影响：星历误差对单点定位的影响主要取决于卫星到接收机的距离以及用于定位或导航的GPS卫星与接收机构成的几何图形电子密度：单位体积中所包含的电子数。

总电子含量（TEC – Total Electron Content）：底面积为一个单位面积时沿信号传播路径贯穿整个电离层的一个柱体内所含的电子总数。

常用电离层延迟改正方法分类：经验模型改正方法：根据以往观测结果所建立的模型改正效果：差双频改正方法：利用双频观测值直接计算出延迟改正或组成无电离层延迟的组合观测量效果：改正效果最好实测模型改正方法：利用实际观测所得到的离散的电离层延迟（或电子含量），建立模型（如内插）效果：改正效果较好电离层改正的经验模型：Bent模型，国际参考电离层模型电离层延迟的实测模型改正：基本思想：利用基准站的双频观测数据计算电离层延迟，利用所得到的电离层延迟量建立局部或全球的的TEC实测模型对流层延迟：霍普菲尔德改正模型萨斯塔莫宁改正模型勃兰克改正模型多路径误差多路径误差：在GPS测量中，被测站附近的物体所反射的卫星信号（反射波）被接收机天线所接收，与直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏离真值产生所谓的“多路径误差”。

多路径效应：由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应称为多路径效应。

载波相位测量的关键技术－重建载波：将非连续的载波信号恢复成连续的载波信号码相关法平方法互相关（交叉相关）Z跟踪差分观测值的定义：将相同频率的GPS载波相位观测值依据某种方式求差所获得的新的组合观测值（虚拟观测值）差分观测值的特点：可以消去某些不重要的参数，或将某些对确定待定参数有较大负面影响的因素消去或消弱其影响求差方式：站间求差，卫星间求差，历元间求差站间求差（站间差分）求差方式：同步观测值在接收机间求差特点：消除了卫星钟差影响，削弱了电离层折射影响，削弱了对流层折射影响，削弱了卫星轨道误差的影响星间求差（星间差分）求差方式：同步观测值在卫星间求差特点：消除了接收机钟差的影响历元间求差（历元间差分）差分方式：观测值在间历元求差特点:消去了整周未知数参数单差、双差和三差:单差：站间一次差分双差：站间、星间各求一次差（共两次差）三差：站间、星间和历元间各求一次差（三次差）常见的线性组合:宽巷组合相位观测值,无电离层折射的组合产生周跳的原因:信号被遮挡，导致卫星信号无法被跟踪, 仪器故障，导致差频信号无法产生, 卫星信号信噪比过低，导致整周计数错误, 接收机在高速动态的环境下进行观测，导致接收机无法正确跟踪卫星信号, 卫星瞬时故障，无法产生信号周跳的探测、修复方法:屏幕扫描法，高次差法，多项式拟合法，MW观测值法，残差法单点定位：单独利用一台接收机确定待定点在地固坐标系中绝对位置的方法DOP是由GDOP几何形状的精密值强弱度PDOP位置的精密值强弱度HDOP水平坐标的精密值强弱度VDOP垂直坐标的精密值强弱度和TDOP时间的精密值强弱度单点定位的误差源及应对方法：卫星星历精密星历。

卫星钟差精密钟差、地面跟踪。

电离层延迟双频改正。

对流层延迟模型改正精密单点定位(ppp):主要观测值为载波相位，采用精密的卫星轨道和钟数据，采用复杂的模型相对定位：确定进行同步观测的接收机之间相对位置的定位方法，称为相对定位。

特点：优点：定位精度高缺点：多台接收共同作业，作业复杂，数据处理复杂不能直接获取绝对坐标各种误差对相对定位结果的影响：卫星轨道误差–削弱，卫星钟差–消除大气折射误差–削弱，接收机钟差–消除，接收机天线相位中心偏差和变化–消除差分GPS的基本原理：利用基准站（设在坐标精确已知的点上）测定具有空间相关性的误差或其对测量定位结果的影响，供流动站改正其观测值或定位结果差分改正数的类型：距离改正数：利用基准站坐标和卫星星历可计算出站星间的计算距离，计算距离减去观测距离即为距离改正数。

位置（坐标改正数）改正数：基准站上的接收机对GPS卫星进行观测，确定出测站的观测坐标，测站的已知坐标与观测坐标之差即为位置的改正数。