GPS总复习.

1GPS原理与应用总复习主讲：王华主讲人：王华21.全球定位系统的产生、发展及前景（了解）2.GPS在各个领域中的应用（了解）3.美国政府的GPS政策（了解）4.其它卫星导航定位系统（了解）一、绪论主讲人：王华3GPS是什么？GPS的英文全称是NAVSTARGlobalPositionSystem，简称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。NAVSTAR:NAVigationSatellite(Signal,System)TimingAndRanging?GPS是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性（陆地、海洋、航空和航天）、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能。能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。主讲人：王华4GPSOverview建立国家:美国目的：在全球范围内提供实时、连续、全天候的导航定位及授时服务开始筹建时间：1973年完全建成时间：1995年系统构成：空间部分、地面控制部分、用户部分服务方式：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、精度高主讲人：王华5美国政府的GPS政策SA技术（1990.3.25-2000.5.1）SelectiveAvailability–选择可用性人为降低普通用户的测量精度。ε技术：降低星历精度（加入随机变化）δ技术：卫星钟加高频抖动（短周期，快变化）AS技术（1994.1.31-至今）Anti-Spoofing–反电子欺骗P码加密，P+WY主讲人：王华6GPS现代化GPS现代化的内涵：保护：即GPS现代化是为了更好地保护美方和友好方的使用，要发展军码和强化军码的保密性能，加强抗干扰能力；阻止：即阻扰敌对方的使用，施加干扰，施加SA，AS等；保持：即是保持在有威胁地区以外的民用用户有更精确更安全的使用。作业1.什么是GPS？2.什么是SA和AS政策？3.GPS现代化的主要内容和实质是什么？（P8-9）主讲人：王华7二、时间系统建立时间系统的要素时间系统：世界时、力学时、原子时、（协调世界时、GPS时）时间标示法：历法、儒略日、约化儒略日、年积日、GPS时时间标示法之间的转换关系主讲人：王华8作业名词解释世界时、恒星时、太阳时协调世界时原子时GPS时主讲人：王华9主讲人：王华101.全球定位系统的组成（掌握）2.GPS卫星的信号结构（掌握）3.GPS卫星位置的计算（了解）三、GPS的组成及信号结构主讲人：王华11GPS系统由三部分组成空间部分SpaceSegment地面部分GroundSegment用户部分UserSegment用户部分主控站空间部分地面天线GPS的系统组成主讲人：王华12GPS卫星作用：接收、存储导航电文生成用于导航定位的信号（测距码、载波）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）接受地面指令，进行相应操作其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。主要设备太阳能电池板原子钟（2台铯钟、2台铷钟）信号生成与发射装置GPS的系统组成：空间部分主讲人：王华13GPS的系统组成：地面监控部分地面监控部分（GroundSegment）组成主控站：1个监测站：5个注入站：3个通讯与辅助系统GPS卫星注入站监测站主控站主讲人：王华14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的系统组成：用户部分主讲人：王华15ＧＰＳ卫星信号GPS卫星信号的组成部分载波（Carrier）L1L2测距码（RangingCode）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–原子钟主讲人：王华16载波作用搭载其它调制信号测距测定多普勒频移类型目前L1–频率：154f0=1575.43MHz；波长：19.03cmL2–频率：120f0=1227.60MHz；波长：24.42cm现代化后增加L5–频率：115f0=1176.45MHz；波长：25.48cmL119.03cmL224.42cm主讲人：王华17测距码（ＰＲＮ）作用：测距类型目前C/A码（Coarse/AcquisitionCode）–粗码/捕获码；码率：1.023MHz；周期：1ms；1周期含码元数：1023；码元宽度：293.05m；仅被调制在L1上P（Y）码（PreciseCode）–精码；码率：10.23MHz；周期：7天；1周期含码元数：6187104000000；码元宽度：29.30m；被调制在L1和L2上现代化后在L2上调制C/A码在L1和L2增加调制M码主讲人：王华18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基本结构...第1字遥测字(30bits)第2字交接字(30bits)...第10字(30bits)第1子帧（第1数据块）(300bits)第1字遥测字(30bits)第2字交接字(30bits)...第10字(30bits)第2子帧（第2数据块）(300bits)第3子帧（第2数据块）(300bits)第4子帧（第3数据块）(300bits)第5子帧（第3数据块）(300bits)第1主帧(1500bits)第2主帧(1500bits)...第1子帧（第1数据块）(300bits)...第5子帧（第3数据块）(300bits)第25主帧(1500bits)导航电文作业GPS系统由哪几部分组成？每个部分的作用是什么？GPS测量信号有哪几种？各自有什么特性和作用？主讲人：王华19主讲人：王华20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接收机钟差接收机内部噪声四、GPS测量误差的来源（重点掌握）主讲人：王华21卫星钟差定义物理同步误差：GPS卫星钟与标准GPS时之差数学同步误差：顾及改正后卫星钟与标准GPS时之差应对方法模型改正钟差改正多项式其中a0为t时刻的时钟偏差，a1为钟的漂移，a2为老化率。相对定位或差分定位2210oottattaat主讲人：王华22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主讲人：王华23相对论效应对卫星钟的影响相对论效应对卫星钟的影响狭义相对论（相对速度）＋广义相对论（重力位）在狭义相对论效应作用下，卫星上钟的频率将变慢在广义相对论效应作用下，卫星上钟的频率将变快主讲人：王华24卫星星历误差定义：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。广播星历的精度(无SA)5-7米(有SA)100米精密星历的精度可达1厘米应对方法精密定轨(后处理)相对定位或差分定位主讲人：王华25电离层延迟电离层折射对相位所造成的延迟改正数为：电离层折射对测距码所造成的延迟改正数为：常用的改正方法（经验模型、双频、实测模型）（了解）TECfdsNfVePion223.403.40)(TECfdsNfVeGion223.403.40)(主讲人：王华26电子密度与总电子含量电子密度：单位体积中所包含的电子数。总电子含量（TEC–TotalElectronContent）：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。电离层地球TEC柱体底面积为1m2主讲人：王华27对流层延迟主讲人：王华28多路径误差与多路径效应多路径（Multipath）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。作业什么是钟差？消除卫星和接收机钟差的方法是什么？什么是卫星星历误差？消除星历误差的方法有哪些？什么是广播星历与精密星历名词解释：电子密度、总电子含量、电离层延迟误差改正电离层延迟误差的常用方法有哪几类？对流层延迟误差可以分为哪几类？各有什么特性？什么是多路径效应主讲人：王华29主讲人：王华30五、距离测量与GPS定位1.利用测距码测定卫地距2.载波相位测量3.单差、双差、三差观测值4.其他一些常用的线性组合观测值5.周跳的探测及修复6.整周模糊度的确定7.单点定位8.相对定位9.网络RTK及连续运行参考系统GPS10.差分GPS主讲人：王华31信号传播时间测距码测距原理距离测定的基本思路信号（测距码）传播时间的测定dtTutTuTRT)()(1相关系数：ctc信号传播时间的测定主讲人：王华32测距码测距原理②利用测距码测距的必要条件必须了解测距码的结构利用测距码进行测距的优点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）微弱信号的捕获主讲人：王华33对流层折射延迟改正电离层折射延迟改正接收机钟的改正数卫星钟的改正数信号离开卫星的时刻（由卫星钟测定）信号到达接收机的时刻（由接收机钟测定）测距码测距的观测方程)(~SRttc伪距：RStRbtSaVtVt；设：RSsRttabtatbSRVcVccVVcttc)()]()[()(~则：tropionabVVc)(站星真实距离：RStttropionVcVcVV~故：主讲人：王华34载波相位观测值首次观测值接收机提供的观测值完整的载波相位整周计数整周未知数（整周模糊度）载波相位观测值j0=Fr(j)intj()NN0Fr0N0Int()iFrit0tiji=int(j)+Fr(j)j=N+int(j)+Fr(j)主讲人：王华35载波相位测量的特点优点精度高，测距精度可达0.1mm量级难点整周未知数问题整周跳变问题主讲人：王华36载波相位测量的观测方程ri=(ji+Ni)×lvi=-lidX-midY-nidZ-cVtR+cVtS-Nil+LiLi=(r0)i-lji-(Vion)i-Vtrop误差方程为：jil=(Xi-X)2+(Yi-Y)2+(Zi-Z)2-c×VtR+c×VtS-Nil-(Vion)i-(Vtrop)ijil=-Xi-X0(r0)idX-Yi-Y0(r0)idY-Zi-Z0(r0)idZ+(r0)i-cVtR+cVtS-Nl-(Vion)i-(Vtrop)iri=(Xi-X)2+(Yi-Y)2+(Zi-Z)2-c×VtR+c×VtS-(Vion)i-(Vtrop)i观测方程为：主讲人：王华37观测值的线性组合同类型同频率相位观测值的线性组合（差分观测值）同类型不同频率观测值的线性组合（L1/L2）不同类型观测值的线性组合（L/P/CA）（了解）主讲人：王华38与接收机无关与卫星无关空间相关性强空间相关性强不随时间变化GPS测量中的未知参数及处理方法fik(t)×l=rik(t)-Nik×l-Vionk(t)-Vtropk(t)-c×VtRi(t)+c×VtSk(t)+eij必要参数与多余参数主讲人：王华39概述差分观测值的定义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主讲人：王华40同类型同频率相位观测值的线性组合——差分观测值按差分方式可分为:站间差分星间差分历元间差分按差分次数可分为：一次差二次差三次差主讲人：王华41单差、双差和三差（定义及特点）单差：站间一次差分双差：站间、星间各求一次差