GPS原理与应用.

Chapter1绪论一、基本概念1卫星定位:通过空间卫星的瞬时位置确定空间点位置的方法2卫星定位基本观测量：距离差、距离（1）距离差定位方式：双曲面定位系统（NNSS、TSICACA）（2）距离定位方式：球面定位系统（GPS、GLONASS、Galileo、CNSS、GNSS）二、全球定位系统（GPS）1功能特点：三大功能：导航、定位、授时2应用范围：测量学、导航学及其相关学科领域3GPS组成：（1）GPS卫星网及主要功能：21+3颗卫星（2）地面监控系统及主要功能：主控站：1个、注入站：3个、监控站：5个（3）GPS信号接收机及定位方式：Chapter2卫星大地测量基础一、坐标系统1天球坐标系：（1）章动、岁差（2）三种天球坐标系：瞬时真天球坐标系、瞬时平天球坐标系、协议天球坐标系2地球坐标系：（1）极移（2）两种地球坐标系：瞬时地球坐标系、协议地球坐标系3协议地球坐标系（1）CTS-84坐标系（2）WGS-84坐标系二、卫星大地测量中的时间系统1世界时（UT）2原子时（AT）3协调世界时（UTC）4力学时（TD）5GPS时间（GPST）三、卫星运动卫星运动状态：受地球、太阳、月球对卫星的引力，太阳光压、地球潮汐力等影响。卫星受到的作用力：1地球质心引力（中心力）------无摄运动、无摄轨道2摄动力（非中心力）------有摄运动、有摄轨道Chapter3GPS定位系统信号和接收机的基本工作原理GPS卫星信号采用组合码调制技术（伪随机码扩频技术）组合码调制技术：将卫星导航电文（基带信号）经伪随机码扩频技术成为组合码，再对L频段的载波进行BPSK调制（正交调制）。伪距：pseudodistance，接收机到GPS卫星之间的距离。1C/A码：粗码2P码：精码3GPS卫星信号构成一、伪随机码（PRNC）GPS卫星信号测距码数据码(导航电文，D码）载波P码（Y码）C/A码L1载波L2载波伪随机码L波段二、导航电文（D码）1导航电文：组成、格式2导航电文内容（1）遥测码（TLM）（2）转换码（HOW）（3）第一数据块（DATA1）（4）第二数据块（DATA2）（5）第三数据块（DATA3）三、GPS接收机1GPS接收机分类：（1）按通道工作原理分（2）按用途分（3）按载波频率分（4）按通道数分2基本结构（1）天线（2）主机（3）电源Chapter4GPS定位的基本观测量及误差分析一、GPS定位基本原理：ρ=c.Δt二、GPS定位观测量1码伪距：C/A、P码2载波相位：L1、L23多普勒频移码相位观测伪距载波相位观测伪距C/A码：码元宽293m，精度2.9mP码：码元宽29.3m，精度0.29mL1载波：波长19cm，精度0.19cmL2载波：波长24cm，精度0.24cm原始观测量三、GPS测量误差来源1与卫星有关的误差：（1）卫星钟差（2）卫星星历误差（3）地球自转影响（4）相对论效应影响2信号传播误差：（1）电离层折射影响（2）对流层折射影响（3）多路径效应3观测误差和接收设备误差：（1）观测误差（2）接收机钟差（3）天线相位中心偏差Chapter5GPS定位的基本原理和方法静态定位、动态定位绝对定位、相对定位测距码定位、载波相位定位一、测距码伪距单点定位1原理：由卫星发射的测距码到观测站的传播时间（时间延迟）乘以光速所得到的量测距离。ρ=c.Δt2瞬时绝对定位精度3精度因子DOP：PDOP、VDOP、HDOP、TDOP、GDOP二、载波相位测量1瞬时载波相位差2初始历元整周模糊度3瞬时载波相位定位三、GPS相对定位1GPS静态相对定位2GPS准动态相对定位3GPS动态相对定位四、差分观测值1一次差分观测值SD：（1）星际一次差分观测值（2）历元间一次差分观测值（3）站际一次差分观测值2二次差分观测值DD：（1）站际、星际二次差分观测值（2）星际、历元间二次差分观测值（3）站际、历元间二次差分观测值3三次差分观测值TD：星际、站际、历元间三次差分观测值五、GPS基线向量解算1基线向量平差解算方法（1）按单基线解算（2）联合解算2基线向量质量评定（1）基线长度中误差（RMS）（2）双差模糊度的整数性（RATIO）（3）同步观测环闭合差（4）异步观测环闭合差（5）重复基线闭合差六、GPS测量的周跳1周跳产生情况（1）信号失锁＞数分钟---第一类周跳（2）信号失锁＜两历元间隔---第二类周跳2通常处理方法（1）第一类周跳：利用单差观测值通过高阶拉格朗日多项式进行拟合修复（2）第二类周跳：利用单差观测值拟合或双差观测值拟合3双差固定解、双差浮点解（1）双差固定解（2）双差浮点解七、整周模糊度确定方法1经典静态相对定位法：（1）双差固定解（2）双差浮点解2快速静态解算法：（1）交换接收天线法（2）P码双频技术法（3）马吉尔配适滤波法（4）搜索法（FARA技术）3动态法（AROTF技术）：Chapter6GPS控制网建立一、GPS控制网技术设计二、GPS控制网图形设计1基本网形：（1）三角形网（2）环形网（3）星形网2GPS同步连接方式（1）点连式（2）边连式（3）网连式（4）混合式三、GPS外业观测1GPS卫星预报2GPS观测要求3GPS观测成果检验4GPS数据处理流程：2GPS同步观测（1）单基线数：（2）独立基线数：（3）同步观测环数：)1(212kkngnnCnk1kpnn)2)(1(21kkpgrnnnnn数据传输数据采集成果输出GPS网平差基线解算及检验数据预处理Chapter7GPS控制网的平差计算一、参心坐标系1参心坐标系建立（1）参心坐标系（2）参心空间直角坐标系（X、Y、Z）（3）参心大地坐标系（B、L、H）（4）两者的关系2参心坐标系定位（1）双平行定向条件（2）单点定位（3）多点定位二、高斯投影1高斯投影2高斯正、反算3投影分带4投影长度比三、UTM投影1投影条件2与GUASS投影的关系四、国家坐标系1WGS-84坐标系2国家大地坐标系（1）P54坐标系（2）C80坐标系（3）新P54坐标系五、不同坐标系的坐标转换模型1布尔沙模型（B模型）：原点不重合、坐标轴不平行、坐标尺度不一致2莫洛金斯基模型（M模型）：受尺度和旋转影响的是任意点与某一参考点的坐标差3武测模型（W模型）：受尺度影响的是任意点与某一参考点的坐标差，而受旋转影响的是任意点的坐标4三种模型比较六、转换参数求解方法1三点法2多点法VTV=min3严密平差法VTPV=min七、GPS网平差1三维无约束平差（1）空间直角坐标（2）大地坐标2三维约束平差（1）地面数据（2）基线向量观测值3二维约束平差（1）E0、E1、E2椭球（2）E1椭球变换求二维基线向量（3）E2椭球变换求二维基线向量4地面起算控制点选取原则5地面起算控制点兼容性分析八、GPS水准1常用的高程系统（1）大地高系统（2）正高系统（3）正常高系统2确定大地水准面的传统方法（1）天文大地水准法（2）天文重力水准法（3）重力场模型法（4）司托克斯（G.G.Stokes）重力大地水准面模型法3GPS高程拟合方法（1）二次曲面拟合法：利用二次曲面逼近小区域的（似）大地水准面进行拟合。（2）多重二次曲面拟合法：利用多重二次曲面逼近任何光滑的数学曲面或非数学定义的任意曲面进行拟合。（3）薄板小挠度变形模型拟合法：参照力学中数值计算的加权残差法，利用自组织原理选取薄板受离散负载时的小挠度变形模型进行拟合。4常用的GPS高程拟合方法（1）二次曲面拟合（n＞6）（2）平面拟合（n=3）（3）平移拟合（n＜3）Chapter8GPS定位技术的应用1、在测量学中的主要应用：大地测量、地球动力学的研究，地区性测量控制网的联测，海洋测量，精密工程测量，工程变形监测和地籍测量等。2、在导航学中的主要应用：车辆、船只和飞机的精密导航、测速以及运动目标的监控与管理等。3、在其它相关学科领域中的主要应用：运动载体姿态测量，弹道导弹的制导，近地卫星的定轨，精密测时以及气象学和大气物理学的研究等。