GPS测量原理与应用-总复习-总结

测绘1502闻小玖第一章绪论1.GPS系统的组成空间部分（GPS卫星星座）设计星座：(21+3)/6当前星座：31颗6个轨道平面，平均轨道高度20200km地面控制部分（地面监控系统）一个主控站:成导航电文传送到注入站;负责监测整个地面监测系统的工作三个注入站:将主控站发来的导航电文注入发送到相应卫星五个监测站:主要任务：为主控站提供卫星的观测数据用户设备部分（GPS接收机、数据处理软件）天线单元和接收单元2.GPS卫星的作用①用L波段无线载波向GPS用户连续不断地发送导航定位信号。②在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站用S波段发送到卫星的导航电文和其他有关信息，并通过GPS信号电路，适时地发送给广大GPS用户。③接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，适时地改正运行偏差或启用备用时钟。3.GPS系统的特点（1）定位精度高•GPS相对定位精度在50km以内可达10-6,100～500km可达10-7,1OOOkm以上可达10-9。•工程精密定位中，平面位置误差小于1mm（2）观测时间短（3）测站间无需通视（4）可提供三维坐标（5）操作简便（6）全天候作业（7）功能多，应用广4.GLONASS:（21＋3）/35.GALILEO（27+3）/36.北斗卫星导航系统6-1系统组成①空间部分：（2+1）地球同步轨道卫星（东经80°~140°和110.5°赤道上空）②地面控制部分一个地面中心站:接收用户终端的应答信号/数据处理/分发给用户若干监测站:③用户终端：北斗导航定位接收机：基本型/通信型/授时型/指挥型6-2BDS系统的定位原理利用两颗地球同步卫星进行双向测距，进行距离交会得到用户的平面位置（高程则由地面数字高程模型得到）6-3BDS系统的作业流程地面中心站→卫星1→用户→卫星1→地面中心站→用户（l）地面中心站连续向北斗卫星发射信号，经卫星接收、放大、变频后再播发给用户；（2）用户终端接收到卫星信号后注入必要的测站信息，放大变频后再将应答信号播发给两颗北斗导航卫星；（3）两颗北斗导航卫星收到用户的应答信号后，放大变频，再将信号送往地面中心站；（4）地面中心站量测出卫星信号的到达时间后，采用距离交会法求得用户的平面位置（用户的高程则是通过地面高程模型获得）；（5）地面控制中心再通过卫星将计算结果告诉用户6-4BDS系统的特点①主动式定位方式（接收卫星信号，且发射应答信号），隐蔽性差②定位速度慢，用户数量受到一定的限制用户不能独立进行定位，计算工作必须在地面中心站内完成。③卫星少、投资小、建成快，用户设备简单④具备一定的短报文通信能力6-5系统组成空间部分（混合星座）•5颗地球静止轨道卫星•30颗非静止轨道卫星颗中高地球轨道卫星MEO个轨道面颗倾斜地球同步轨道卫星IGSO地面控制部分用户设备部分6-5系统建立(三步走战略)第一步：建设北斗一号系统（也称北斗卫星导航试验系统）1994年，启动北斗一号系统工程建设至2003年3颗地球静止轨道卫星第二步：建设北斗二号系统测绘1502闻小玖2004年，启动北斗二号系统工程建设；2012年年底，完成14颗卫星第三步：建设北斗全球系统2009年，启动北斗全球系统建设，继承北斗有源服务和无源服务两种技术体制；计划2018年，面向“一带一路”沿线及周边国家提供基本服务；2020年前后，完成35颗卫星发射组网，为全球用户提供服务。6-6定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒第二章坐标系统和时间系统1.坐标系统类型地球坐标系－地固系随同地球自转，点位坐标不会随地球自转而变化；用于表达地面观测站的位置和处理GPS观测数据。天球坐标系－空固系与地球自转无关，用于描述卫星的运行位置和状态。轨道坐标系统用于研究卫星在其运行轨道上的运动2.时间系统类型恒星时ST（SiderealTime）平太阳时MT（MeanSolarTime）世界时UT（UniversalTime）原子时AT（AtomicTime）谐调世界时UTC（CoordinatedUniversalTime）时间系统（GPST）3.天球坐标系的定义：假设地球为均质的球体，且没有其它天体摄动力的影响；即假定地球的自转轴，在空间的方向是固定的，春分点在天球上的位置保持不变。天球空间直角坐标系坐标原点位于地球质心Z轴指向天球北极x轴指向春分点y轴垂直于xMz平面，与x轴和z轴构成右手坐标系统天球球面坐标系系统定义坐标原点位于地球质心向径长度r赤经α赤纬δ点的坐标表示（r，α，δ）4．岁差章动在日、月引力的影响下，使北天极绕北黄极以顺时针的方向缓慢地旋转，在天球上北天极的运动轨迹，近似地构成一个以北黄极为中心，以黄赤交角为半径的小圆，这种现象称为岁差。瞬时平北天极（简称平北天极）/平北天极相应的天球赤道/春分点：按照岁差的变化规律在天球上运动的改正后瞬时北天极（或真北天极）：观测时的北天极在日、月引力等因素的影响下，瞬时北天极绕瞬时平北天极产生旋转，大致成椭圆形轨迹，周期约为18.6年。这种现象称为章动5.瞬时极天球坐标系（真天球坐标系）“以瞬时北天极和瞬时春分点为基准点建立的天球坐标系”原点位于地球质心z轴指向瞬时地球自转轴（瞬时北天极）x轴指向瞬时春分点y轴按构成右手坐标系取向6.历元平天球坐标系：选择某一历元时刻t，以此瞬间的地球自转轴和春分点方向分别扣除此瞬间的章动值作为z轴和x轴的指向，y轴按构成右手坐标系取向，坐标系原点仍取地球质心。7.协议天球坐标系：以标准历元t0（J2000.0）所定义的平天球坐标系。8.地极移动1、概念地球自转轴相对地球体的位置是变化的，从而地极点在地球表面上的位置，也是随时间而变化的。2、瞬时地球自转轴“观测瞬间地球自转轴的位置”3、瞬时极“和瞬时地球自转轴相对应的极点”9.瞬时极地球坐标系原点位于地球质心轴指向瞬时地球自转轴方向轴指向瞬时赤道面和包含瞬时地球自转轴与平均天文台赤道参考点的子午面之交点轴构成右手坐标系取向测绘1502闻小玖10.国际协议原点CIO（ConventionalInternationalOrigin）以1900.00～1905.00年地球自转轴瞬时位置的平均位置作为地球的固定极，称为CIO。协议地极CTPCTS(协议地球坐标系)原点位于地球质心z轴指向CIOx轴指向协议地球赤道面和包含CIO与平均天文台赤道参考点的子午面之交点y轴构成右手坐标系取向。11.站心地平坐标系--Pxyz站心（左手）地平直角坐标系测站P1为原点P1点的法线为z轴（指向天顶为正）子午线方向为x轴（向北为正）y轴与x、z轴垂直（向东为正），构成左手坐标系站心地平极坐标系--PrAh以测站P1为原点卫星s至P1的距离r卫星s的方位角A卫星s的高度角hWGS-84世界大地坐标系：地心地固系ECEF协议地球坐标系CTS12.一、时间系统的定义要素：（1）原点（2）时间尺度（时间单位）13.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为恒星时系统；对于同一历元时刻，有真春分点和平春分点之分。因此恒星时就有真恒星时和平恒星时（岁差引起的）/地方性13.太阳时（SolarTime）以太阳为参考点，由太阳的周日视运动来测定地球的自转周期并建立的时间计量系统以平太阳（假设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的一个参考点，其周期与真太阳一致）为参考点，由平太阳的周日视运动所定义的时间系统/地方性、不均匀性14.世界时UT以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时世界时UT1：引入极移改正世界时UT2：引入地球自转速度季节性改正15.原子时ATI原子时秒长被定义为铯原子Cs133基态的两个超精细能级间跃迁辐射振荡9192631170周所持续的时间起算原点：按国际协定取为1958年1月1日0时0秒（UT2）（事后发现在这一瞬间ATI与UT2相差0.0039秒）第三章1.二体问题下的卫星运动就是无摄运动，即只考虑地球质心引力作用的卫星运动。2.卫星星历：描述卫星运动轨道信息的一组数据3.在二体问题的研究中，通常选用6长半径a、偏心率𝑒、真近点角V（揭示示了卫星在轨道位置）、升交点赤经、轨道倾角i（揭示了地球与轨道关系）、近地点角距w（开普勒椭圆在轨道平面的定向）6参数来描述卫星的无摄运动4.轨道直角坐标系:定义一：坐标原点在地球质心Mx轴指向近地点Az轴垂直于轨道平面向上y轴在轨道平面上垂直于x轴构成右手坐标系测绘1502闻小玖定义二：坐标原点在地球质心Mx轴指向升交点Nz轴垂直于轨道平面向上y轴在轨道平面上垂直于x轴构成右手坐标系5.瞬时轨道：即摄动轨道6.预报星历（广播星历）包括相对某一参考历元的开普勒轨道参数和必要的轨道摄动改正项参数的一组星历数据（1个参考时刻、6个对应参考时刻的开普勒轨道参数、9个反映摄动力影响的轨道摄动改正项参数）7.参考星历“相应参考历元的卫星开普勒轨道参数”8.后处理星历（精密卫星星历）是一些国家的某些部门（如美国DMA：DefenseMappingAgency）或某些国际性组织（如IGS：InternationalGNSSServiceforGeodynamics），根据各自建立的卫星跟踪站所获得的对GPS卫星的精密观测资料，应用与确定广播星历相似的方法（首先推求参考轨道参数，然后以此为基础，加入轨道摄动改正）而计算的卫星星历。精密星历不是通过GNSS卫星的导航电文实时地向用户传递，目前主要是利用Internet网络方式9.偏近点角10.平近点角M=M0+w(t-t0)Mo是to时刻近地点处平近点角11.第四章1.GPS卫星信号的构成：用于导航定位的“调制波”，包含三种信号分量：载波：L1、L2、L5测距码（C/A码和P码）数据码（导航电文或D码）码或码序列：表达不同信息的二进制数及其组合。•码元：在二进制中，一位二进制数叫做一个码元或一比特（Binarydigit－bit，为码的度量单位）•编码：将各种信息，如声音、图像和文字等通过量化，并按照某种预定的规则，表示为二进制数的组合形式，则这一过程称为编码。•数码率：在二进制数字化信息的传输中，每秒钟传输的比特数。单位为bit/s或记为BPS。2.伪随机噪声码（PseudoRandomNoise）是一组具有良好的自相关特性、且按照某种确定的编码规则产生的具有一定周期、容易复制、取值0和1的二进制码序列。伪随机噪声码的产生——m序列当平移的码元数k＝0或整周期平移时，平移前后两码序列的结构相同，其对应的码元均相互对齐，自相关系数R(t)＝1；GPS接收机就是利用伪随机码的自相关系数R(t)是否等于1？！来判断所接收的伪噪声码和机内复制产生的伪噪声码是否达到对齐同步;捕获和识别GPS卫星，解译出该卫星的导航电文，并测定站星距离。测绘1502闻小玖3.C/A码:C/A码是由两个10级反馈移位寄存器相组合而产生的组合码，称为G码，是一种用于粗测距和捕获GPS卫星信号的伪随机码：（1）C/A码的码长很短，易于捕获。又称捕获码。（2）C/A码的码元宽度较大，测距精度较低，故称为粗码。4.P码是由两个12级伪随机码PN1(t)和PN2(t)的乘积得到的特点：（1）P码的码长很长，不易捕获。通常是先捕获C/A码，然后根据导航电文所提供的信息（Z计数），进一步捕获P码。（2）P码的码元宽度仅为C/A码的码元宽度的1/10，测距精度较高，故称为精测码。（3）根据美国国防部规定，P码是专为军用的。5.导航电文：就是包含有关卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、卫星工作状态信息以及由C/A码捕获P码等导航信息的数据码（或D码），是用户用来定位和导航的数据基础。6.GPS卫星信号的调制在无线电通信技术中，为了有效地传播信息，将频率较低的信号加载在频率较高的载波上的过程。GPS卫星的测距码和数据码，是采用调相技术调制到载波上的。载波L1上调制有C/A码、P（Y）码和数据码；载波L2上只调制有P（Y）码和数据码，没有C/A码原理：当码值取0时，对应的码状态取为+1，码值取1时，对应的码状态取为-1；载波与码状态＋1（码值