中国矿业大学GPS复习-2015-熊阿分解

NTU2015GIS大狙崛起1GPS卫星测量2015熊哥带你装逼带你飞第一章绪论光速C=3.0*10^8m/S我国跨5个时区东八区岁差：地球在绕太阳运行时，地球自转轴的方向在天球上缓慢地移动，春分点在黄道上随之缓慢移动。赤经：指赤道坐标系的经向坐标，过天球上一点的赤经圈与过春分点的二分圈所交的球面角。GPS通用数据交换格式的名称为：Rinex接收机相位中心保持一致常用定轨方法：几何法动力学综合数值•NNSS子午卫星导航系统•多普勒定位具有经济快速，精度均匀，不受天气和时间的限制等优点。•GPS的含义：全球定位系统（GlobalPositioningSysterm）是一个空基全天候导航系统，它由美国国防部开发，用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速度和时间信息的要求。功能：导航定位授时[实时性的]•应用双定位系统的（GPS+GLONASS）优越性增加接收卫星数提高效率提高定位的可靠性和精度NTU2015GIS大狙崛起2•卫星导航系统分类：按用户接收机是否发射信号分类：无源系统有源系统按测量的参数分类：测距导航系统测距离差导航系统卫星多普勒导航系统测角导航系统混合导航系统按卫星运行轨道高度分类：低轨道（近地轨道）中高轨道同步轨道按工作区域分类：全球覆盖系统区域覆盖系统中国北斗卫星导航定位系统：2000国家大地坐标系CGCS2000突出特点:系统的空间卫星数目少用户终端设备简单（一切复杂性集中于地面中心处理站）欧盟伽利略系统：国际地球参考框架ITRF前苏联GLONASS系统：PZ-90坐标系GPS系统组成：由空间部分地面控制部分用户设备部分三部分组成《重要》GPS卫星星座：WGS-84坐标系21颗正式的工作卫星＋3颗活动的备用卫星寿命7.5年6个轨道面高度20200km轨道倾角55°周期11h58min（顾及地球自转，地球—卫星的几何关系每天提前4min重复一次）。保证在24小时，在高度角15°以上，能够同时观测到4—11颗卫星。为了解算测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座。•GPS系统各部分的作用GPS卫星：①向用户发送导航定位信号。NTU2015GIS大狙崛起3②接收注入站发送的导航电文和其他信息。③接收调度命令，改正运行偏差或启用备用时钟。地面监控系统：1主控站+3注入站+5监测站1主控站：①采集数据：主控站采集各个监测站所测得的伪距和积分多普勒观测值、气象要素、卫星时钟和工作状态的数据，监测站的状态数据，以及海军水面兵器中心发来的参考星历。②编辑导航电文：根据采集到的全部数据计算出每一颗卫星的星历、时钟改正数、状态数据，以及大气改正数，并按一定的格式编辑为导航电文，传送到注入站。③诊断功能：对整个地面支撑系统的协调工作进行诊断；对卫星健康状况进行诊断，并加以编码向用户指示。④调整卫星：根据所测的卫星轨道参数，及时将卫星调整到预定轨道，使其发挥正常作用，而且还可以进行卫星调度，用备份卫星取代失效的工作卫星。3注入站：将主控站发来的导航电文注入到相应的卫星存储器。5监测站：为主控站提供卫星的观测数据、气象数据。GPS信号接收机：①捕获卫星信号、跟踪卫星运行。②对接收的GPS信号进行变换、放大和处理。③测出信号传播时间，解译导航电文。④实时计算测站的三维坐标、三维速度和时间。•GPS系统的特点（7）：定位精度高观测时间短测站间无需通视可同时提供三维坐标操作简便全天候作业功能多、应用广特点：全能性[陆地，海洋，航空和航天]全球性全天候连续性实时性NTU2015GIS大狙崛起4第二章坐标系和空间系•极移：地球瞬时自转轴在地球上随时间而变，称为地极移动。•坐标系统的定义：原点位置、轴的指向、轴的长度单位。任一坐标系中，坐标值与空间点位一一对应。•常用的坐标系统球面坐标系：以地球质心为坐标系的原点，以天极和春分点作为天球定向基准的坐标系。大地坐标系：以参考椭球中心为原点，起始子午面和赤道面为基准面的地球坐标系。空间直角坐标系WGS-84大地坐标系：原点位于地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极（CTP）方向，X轴指向BIH（国际时间）1984.0的零子午面和CTP（协议地球极）赤道的交点，Y轴与Z,X轴构成右手坐标系。对应WGS-84大地坐标系有一WGS-84椭球。国家大地坐标系:1954北京坐标系——参心坐标系卡拉索夫斯基（5/3）1980西安坐标系国际1978长/扁=（0/7）CGCS2000(ChinaGeodeticCoordinateSystem2000)ITRF国际地球参考框架——是一个地心参考框架。实际上也是一种地固坐标系，其原点在地球体系的质心，以WGS-84椭球为参考椭球•常见的时间系统恒星时ST：以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所定义的时间系统。平太阳时MT：以平太阳为参考点，由平太阳的周日视运动所定义的时间系统。NTU2015GIS大狙崛起5（假设一个平太阳以真太阳周年运动的平均速度在天球赤道上作周年视运动，其周期与真太阳一致。世界时UT：以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时。原子时ATI：[所有导航系统]以物质内部原子运动的特征为基础的时间系统。协调世界时UTC：采用铯原子钟产生，采用原子时秒长，采用跳秒方法使协调时与世界时的时刻相接近，其差不超过1秒。GPS时间系统：采用原子时ATI秒长作为时间基准，起算的原点定义在1980.1.6UTC0时。GPS时是用周数＋周内时间（秒）来表示，以1980年1月6日0时0分0秒为第0周第0秒，如2004年5月1日10时5分15秒为第1268周554715秒。时间尺度：运动连续、周期恒定、可观测、可用试验复现的周期运动。第三章GPS卫星运动基础及卫星星历地球重力场引力是最重要的•卫星所受的作用力：地球对卫星的引力（主要）日月引力大气阻力太阳光压地球潮汐力受力分类：中心引力（地球质心引力），摄动力（地球对卫星的非中心引力、日月引力、大气阻力、太阳光压、地球潮汐力）。卫星的运动：①无摄运动：只考虑地球质心引力作用的卫星运动。②受摄运动：考虑摄动力作用的卫星运动。•卫星运动轨道的描述：开普勒轨道六参数（轨道根数）：椭圆长半径a偏心率e真近点角V升交点的赤经Ω轨道面的倾角i近地点焦距ω•卫星星历：一组对应某一时刻的轨道根数及其变化率，用来描述卫星运动轨道NTU2015GIS大狙崛起6的信息（计算出任一时刻卫星的速度和位置）。分为以下两种:广播星历（预报星历）：包括某一参考历元的轨道参数及其摄动改正项参数。共有16个参数。用C/A码传送的星历叫C/A码星历，精度为数10米。卫星将地面监测站注入的有关卫星运行轨道的信息，通过发射导航电文传递给用户，用户接收到这些信号进行解码即可获得所需要的卫星星历，这种星历就是广播星历。GPS广播星历参数：1个参考时刻toe6个对应toe的轨道参数精密星历（后处理星历）：用P码传送的星历叫P码星历，又叫精密P码星历，精度为5米。【用于军事目的大部分用户得不到。一些国家某些部门根据各自跟踪卫星的精密观测资料计算出的星历。事后提供给用户。称为后处理星历或精密星历。】由地面跟踪站的观测资料，应用与广播星历相似的方法而计算得到，不通过导航电文向用户传递，而是利用磁带、电视、卫星通讯等方式有偿地为需要的用户服务；精度分米—米，坐标系统为TRF，可从IGS网站上下载；其参数是通过地面观测计算出的，无外推误差，适于较高精度的测量、定位中使用。第四章卫星导航电文与卫星信号•导航电文：（数据码）是用户用来定位和导航的数据基础，包括卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、工作状态信息、C/A码转换到捕获P码的Z计数。•导航电文的基本结构：电文的基本单位是长1500bit的1个主帧1个主帧包括5个子帧第1、2、3子帧各有10个字码，每字码30bit第4、5子帧各有25个页面，共有37500bit•GPS卫星信号:GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波它包含有:载波测距码数据码《重要》GPS卫星基准频率f=10.23MhzL1载波相位波长=19.032cmf1=154*f0=1575.42MHZL2载波相位波长=24.42cmf2=120*f0=1227.6MHZ调制：将频率较低的信号加载在频率较高的载波上。NTU2015GIS大狙崛起7•伪随机噪声码PRN:是一个具有一定周期的取值0和1的离散符号串。他不仅具有高斯噪声所有的良好的自相关特性，而且具有某种确定的编码规则。GPS信号中使用了伪随机码技术，识别和分离各颗卫星信号，并提供无模糊度的测距数据。伪随机噪声码的产生方式很多。GPS技术采用m序列,即产生于最长线性反馈移位寄存器。最简单导航接收机的伪距测量分辨率达0.1m.•粗码C/A码：用于粗侧距和捕获GPS卫星信号的伪随机码C/A码周期1ms精码P（y)码：卫星的精测码，码率为10.23MHZ。•《重要》GPS卫星位置的计算思路与步骤：①计算卫星运行的平均角速度n②计算归化时间tk③观测时刻卫星平近点角Mk的计算④计算偏近点角Ek⑤真近点角Vk的计算⑥升交距角Фk的计算⑦摄动改正项δu、δr、δi的计算⑧计算经过摄动改正的升交距角Uk、卫星矢径rk和轨道倾角ik。⑨计算卫星在轨道平面坐标系的坐标⑩观测时刻升交点经度Ωk的计算⑾计算卫星在地心固定坐标系中的直角坐标根据导航电文计算卫星位置的步骤，最终计算的卫星坐标是在协议地球坐标系中的空间直角坐标•GPS接收机GPS接收机的组成：天线单元：接收天线、前置放大器主机单元：变频器、信号通道、微处理器、存储器、显示器电源：内电源、外接电源《重要》GPS接收机的分类：①按接收机的用途分类：导航型接收机（车载型、航海型、航空型、星载型）【价格便宜应用广泛】测地型接收机【精度高价格贵】授时接收机【高精度时间-天文台】NTU2015GIS大狙崛起8②按接收机的载波频率分类:单频接收机【只L1载波信号】双频接收机【L1&L2】③按接收机通道数分类：多通道接收机序贯通道接收机多路多用通道接收机④按接收机工作原理分类：码相关型接收机平方型接收机混合型接收机干涉型接收机第五章卫星定位的基本原理•卫星定位的基本原理----测距交汇测距交汇：将无线电信号发射台从地面点搬到卫星上，组成一颗卫星导航定位系统，应用无线电测距交会的原理，便可由三个以上地面已知点（控制站）交会出卫星位置，反之利用三颗以上卫星的已知空间位置又可交会出地面未知点（用户接收机）的位置。GPS定位方式:伪距测量、载波相位测量、多普勒测量、卫星射电干涉测量GPS定位的方法一般分静态定位和动态定位两大类。多普勒定位法：根据多普勒效应原理，利用GPS卫星较高的射电频率，由积分多普勒计数得出伪距差。•卫星定位要解决的基本问题：①卫星的位置②卫星到测站（用户接收机）之间的距离。•伪距：由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得出的测量距离，即ρ′＝cτ′。用C/A码进行测量的伪距为C/A码伪距，用P码测量的伪距为P码伪距。伪距测量：由GPS接收机在某一时刻测出得到四颗以上GPS卫星的伪距以及已知的卫星位置，采用距离交会的方法求定接收机天线所在点的三维坐标，其观测值为C/A码伪距、P码伪距，具有定位精度低、NTU2015GIS大狙崛起9定位速度快（实时定位）的特点。如果观测精度均取至测距码波长的百分之一，则伪距测量对P码而言测量精度为30cm,对C/A码而言为3m。•重建载波：将非连续的载波信号恢复成连续的载波信号。重建载波问题的产生：①调制了测距码和导航电文后，载波不再是连续的。②要测定载波相位，必须设法使不连续的载波信号恢复为连续的载波信号。•重建载波的方法码相关法：①方法：所接收到的信号（卫星信号）*接收机产生的复制码②技术要点：卫星信号（弱）与接收机信号（强）相乘。③特点：需要了解码的结构（限制）；可获得导航电文和全波长的载波，信号质量好（信噪比高）（优点）。平方法：①方法：所接收到的调制信号（卫星信号）自乘。②技术要点：卫星信号自乘。③特点：无需了解码的结构（优点）；无法获得导航电文，所获