GPS复习资料

GPS要求掌握的部分 绪论 1. GPS的英文全称是Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System简称GPS/NAVSTAR GPS其意为【导航星测时与测距全球定位系统】或简称【全球定位系统】 2. 简述目前世界上已有和正在开发的卫星导航系统【GLONASS—Global Navigation Satellite System—全球导航卫星系统，Galileo—伽利略卫星导航定位系统，北斗卫星导航系统，GPS】 3. 举一例说明GPS应用【军事（美国海军核潜艇，配备GPS的士兵，GPS制导炮弹），交通运输（航运，航空搜索；陆路交通，车辆导航，监控；船舶远洋导航和进港引水），测量（建立和维持全球性的参考框架，板块运动和监测，建立各级国家地面控制网），精细农业，遥感，卫星定轨，资源勘探，个人旅游及野外探险，电力、广播、电视、通讯等网络的时间同步，之间传递；】 4. 美国曾经采取和正在采取的GPS政策【SPS（标准定位服务，民用，可使用C/A码）和PPS（精密定位服务，军用，可使用p码）；SA技术Selective Availability—选择可用性—人为降低普通用户的测量精度。方法： 降低星历精度（加入随机变化） 卫星钟家高频抖动（短周期，快变化） AS技术Anti Spoofing—反电子欺骗，p码加密 5. 子午卫星系统局限性【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，难以消除电离层影响；卫星轨道低，难以进行精密定轨】 6. GPS系统构成【空间部分，地面控制部分，用户部分】 7. 空间部分----卫星 作用—接受存储导航电文，接收地面控制信号，发送导航定位信号 用户部分—接收机 作用—接收卫星信号，计算测站位置，速度，时间 地面控制系统 主控站（1个）。作用：收集处理本站和监测站的资料，计算星历和时间系统，将预测星历，钟差，状态数据，大气延迟改正数据编成导航电文送入注入站；调度卫星；检测整个地面系统工作状况 注入站（3个）。作用：将导航电文注入各一个（3次/天）；向主控站每分钟报告一次工作状态 监测站（5个，其中主控站1个，三个注入站各一个，夏威夷1个），作用：利用GPS接收机观测GPS卫星；采集气象数据，将各采集数据发给主控站 坐标系统和时间系统 1. 我国常用坐标系1954年北京坐标系和1980年西安坐标系的定义【1954年北京坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球，椭球参数为a=6378245m,f=1/298.3。 1980年西安大地坐标系采用了新的椭球元素进行定位定向，所采用的地球椭圆参数采用了IAG 1975年推荐值a=6378140,f=1/298.257】 2. GPS采用的WGS—84坐标系的定义【2几何定义：原点为地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极（CTP）方向，X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z轴，X轴构成右手坐标系。】对应的WGS-84椭球的基本常数有，参考椭球长半轴（a）：6378137m 扁率(f):1/298.257 3. 七参数法坐标转换的思路【设两空间直角坐标系间有七个转换参数---3个平移参数，3个旋转参数和1个尺度参数 P24 4. 常用时间坐标系统定义【平太阳时，恒星时，世界时，原子时，协调世界时】 5. 国际地球参考框架ITRF-International Terrestrial Reference Frame.WGS 6. 原子时ATI 通过测定銫原子133在两个基态的超精细结构的能级跃迁辐射的电磁振荡周期所得到，一秒相当于电磁振荡9192631770周所经历的时间 7. 协调世界时 UTC 采用原子时秒长，时刻与世界时相差不超过上0.9秒，在每年的年中或年末，对其时刻进行一整秒的调整，是一种折中的办法，既保持了时间尺度均匀性，有近似反映地球自转的变化 第三章 卫星运动基础 1.开普勒轨道六根数【a,轨道长半径 i轨道倾角 e,轨道偏心率 ，  升交点赤经 近地点角距 M，平近点角 图P57】M，，E与时间有关。a, e确定了轨道椭圆

的形状，大小。i确定轨道所在平面和赤道面的夹角。确定轨道平面指向,即决定了椭圆长半轴相对于静止的升交点轴的位置 给出了任意时刻卫星在椭圆轨道上的位置】【公式及物理意义待续】 F=ma F万有引力a(x’’,y’’,z’’) 积分六次求得（x,y,z） 2.GPS定位原理：观测卫星，利用卫星坐标和测定的站星距离，确定地面观测者坐标需要解决的关键问题 卫星位置计算、站星距离测量、测站坐标计算 3. 摄动力 【卫星所受的除地球引力外的作用力如日月引力，光压力，大气阻力】，受摄运动 第四章 全球定位系统的组成及信号结构 1. GPS信号组成部分及各部分作用【载波 L1，L2；测距码 C/A码 目前只被调制在L1上，p码 被分别调制在L1 和L2上 ；卫星（导航）电文】 载波的作用 -搭载其它调制信号 -测距 -测定多普勒频移 测距码的作用 测距 卫星（导航）电文的作用 向用户供卫星轨道参数（星历）、卫星钟参数、电离层时延改正、卫星状态信息、C/A码捕获P码的信息 2. 导航电文格式与内容 【基本结构 （每帧含5个子帧，每个子帧含10个字，一个字30bit 1bit=0.02sec播放比特率50bit/sec） 基本内容 第一数据块 第二数据块 第三数据块掌握课件第四章P35,36,37 课本，武汉大学 GPS测量原理及应用P34,35 3． 卫星位置计算跟课件第四章 P47图一起掌握 第五章 距离测量与GPS定位 1.测距码测距原理、观测方程 测距码测距原理基本思路：c 信号传播时间

信号（测距码）传播时间的测定：dtttataTRT)'()(1)'( 利用测距码测距的必要条件：必须了解测距码的结构；优点：采用的是CDMA（码分多址）技术，易于捕获微弱的卫星信号，可提高测距精度，便于对系统进行控制和管理如（AS） 2．测距码单点定位原理 3. 载波相位测量测距原理、观测值

理想情况 )(RS

实际情况 )()(sRtt ）（时刻复制信号的相位接收机根据自身钟在RRtts )(ttsRtsR时刻所发送信号的相位时刻接收到卫星在接收机根据自身的钟在 观测值：首次观测ooFr)( 以后的观测iiiFrInt)()( 通常表示为)()(FrIntNo 整周计数 )(Int 整周未知数（整周模糊度）oN

4． 载波相位测量观测方程 5． 载波相位测量单点定位原理 6． 常用定位方法分类 定位模式：绝对定位（单点定位），相对定位，差分定位 定位时接收机天线的运动状态：静态定位—天线相对于地固坐标系静止 动态定位---天线相对于地固坐标系运动 获得定位结果失效：事后定位，实时定位 观测值类型：伪距测量，载波相对测量 7． 求差观测方程 8． GPS差分分类，位置差分原理 根据时效性—实时差分，事后差分 根据观测值类型---伪距差分，载波相位差分 根据差分改正数---位置差分（坐标差分），伪距差分（距离差分），载波相位差分（距离差分） 根据工作原理和差分模型---局域差分，广域差分 位置差分原理：差分改正计算的数学模型简单，差分数据的数量少，基准站和流动站要求观测完全相同的一组卫星 9．伪距测量 ：优点 –无模糊度；缺点-精度低 10.载波相位测量的优点-精度高，测量精度可达0.1mm量级 难点—整周未知数问题，整周跳变问题 11. 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 12．影响绝对定位精度的主要误差 主要误差---卫星轨道误差，卫星钟差，大气延迟（对流层延迟，电离层延迟），多路径效应 对定位精度的影响---定位精度=等效距离误差*PDOP PDOP通常大于1 第六章 GPS卫星导航 1.伪距差分动态定位原理 2．载波相位差分动态定位原理 第七章 GPS定位中的误差源 与卫星有关的误差 ----卫星轨道误差，卫星钟差，相对论效应 与传播途径有关的误差 ----电离层延迟，对流层延迟，多路径效应 与接收设备有关的误差 ----接收机天线相位中心的偏移和变化（接收机位置误差） -----接收机钟差 -----接收机内部噪声 GPS测量误差的性质 偶然误差----观测值大小和正负都成偶然性，无规律性，大量误差的总体有一定的统计规律，期望为0 特点：随机，量极小---毫米级 系统误差----相同观测条件下的观测误差的大小和正负呈现一定规律性，或者为常数，误差的期望不为0 特点：具有某种系统性的特征，量极大—最大可达数百米 削弱或改正各种误差影响 模型改正法 所针对的误差源：相对论相应，电离层延迟，对流层延迟，卫星钟差 求差法 所针对的误差源：电离层延迟，对流层延迟，卫星轨道误差 参数法 几乎适用于任何情况 回避法 所针对的误差源：电磁波干扰，多路径效应 1. GPS测量主要误差源及其应对方法 2. 电离层双频改正原理：令TECA3.40，课件，第七章P43，课本（武汉大学 GPS测量原理及应用P88）

相速：假设有一电磁波在空间中传播，其波长为,频率为f，该电磁波相位速度phv，

有fvph其中相位的速度又简称为相速； 群速：对于频率略微不同的一群波来说，其最终能量传播可以用“群速”来表示，群速2

ddfv

gr

*第3页的图，理解 3. 广义相对论效应作用下，卫星上钟的频率将变快；狭义相对论效应作用下，卫星上钟的频率会变慢；计算方法在课件第七章22，23页，课本 GPS测量原理及应用，武汉大学P96,97

武汉大学测绘学院 2004—2005学年第二学期期末考试 《GPS原理及其应用》课程试卷A试题标准答案 一、 填空题 1. 全球定位系统是由空间部分、地面监控部分和 用户 部分组成的。其中地面监控部分是由 主控站 、 监测站 、 注入站 、和 通信及辅助系统 组成的。 2. GPS卫星信号是由 载波 、 测距码 、和 导航电文 三部分组成的。 3. GPS卫星是采用 二进制相位调制法 来进行信号调制的。