GPS卫星导航系统复习提纲

GPS卫星导航技术复习资料08工程测量与监理2010-6-30IGPSGPSGPSGPS卫星导航系统复习提纲GPSGPSGPSGPS的英文全称是NavigationbySatelliteTimingAndRanging/GlobalPositionSystem其意为“用卫星定时和测距进行导航/全球定位系统”，或简称全球定位系统。GPSGPSGPSGPS系统组成（空间部分、地面控制部分、用户设备部分、）空间部分：24颗卫星（21+3）、6个轨道平面、55º轨道倾角、20200km轨道高度、长半轴36609KM、12小时（恒星时）轨道周期地面监控部分（4444）：主控站（1个）科罗拉多•斯必灵司作用：1管理、协调地面监控系统各部分的工作2收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站将卫星星历注入卫星3监控卫星状态，向卫星发送控制指令4卫星维护与异常情况的处理注入站（3个）：阿松森（Ascencion)、迭哥•伽西亚(DiegoGarcia)、卡瓦加兰(kwajalein)作用：将导航电文注入GPS卫星监测站（5个）=1个主控站+3个注入站+夏威夷（Hawaii)作用：接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站。通讯与辅助系统问题：如果GPSGPSGPSGPS地面监控部分发生故障，GPSGPSGPSGPS导航功能还能不能继续使用？GPSGPSGPSGPS特点：1测站间无需通视2数学模型简单且能同时确定点的三维坐标3在长距离上仍能获得高精度的定位结果4易于实现全天候观测5观测时间比较短6操作简单7功能多，应用广空固坐标系:在空间固定的坐标系，与地球自转无关，对描述卫星的运行位置和状态极其方便。地固坐标系：与地球体相固联的坐标系对表达地面观测站的位置和处理GPS观测数据尤为方便。岁差：北天极（NCP）绕北黄极（NEP）顺时针转动的现象。章动：瞬时北天极围绕瞬时平北天极产生旋转，大致成椭圆形轨迹，其长半轴约9.2″，主周期约18.6年。协议地球坐标系和协议天球坐标系关系：1）两坐标系的原点均位于地球的质心，故其原点位置相同。2）瞬时天球坐标系的z轴与瞬时地球坐标系的Z轴指向相同。3）两瞬时坐标系x轴的指向不同，其间夹角为春分点的格林尼治恒星时。转换关系((((总结如下图）三级逼近：大地水准面、旋转椭球体、参考椭球体定位WGS-84WGS-84WGS-84WGS-84坐标系的几何意义：坐标系的原点位于地球质心，z轴指向BIH（国际时间局）1984.0定义的协议地球极(CTP)方向，x轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点，y轴通过右手规则确定。高程系统：正高，正常高，大地高。时间系统（GPST）时间系统：世界时系统、原子时、力学时、协调世界时、GPS（上）开普勒三定律：第一：卫星运行的轨道为一椭圆，该椭圆的一个焦点与地球质心重合；第二：卫星的地心向径，即地球质心与卫星质心间的距离向量，在相同的时间内所扫过的面积相等；第三：卫星围绕地球运行的周期的平方与轨道椭圆长半径的立方成正比，其比值等于地球引力常数的倒数。开普勒参数：as：轨道的长半径es：轨道椭圆偏心率fs：卫星的真近点角Ω为升交点赤径i为轨道面倾角ws为近地点角距GPS卫星导航技术复习资料08工程测量与监理2010-6-30II卫星星历：预报星历（广播星历)、处理星历(精密星历)弥散介质：果电磁波在某种介质中的传播速度与频率有关，则该介质成为弥散介质。导航电文：包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、原子钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获P码等导航信息的数据码（或D码）；作用：GPS进行定位的数据基础。导航电文基本结构GPSGPSGPSGPS卫星信号的产生要考虑以下几个方面的要求：�适应多用户系统的要求（被动）�满足实时定位的需求（卫星星历）�满足高精度定位的要求（双频）④满足军事保密的需要（加密）GPSGPSGPSGPS卫星信号的组成：载波信号：L1，L2、测距码信号：C/A码，P码、数据码信号：导航电文C/AC/AC/AC/A码具有的特性：①易于捕获：由于C/A码的码长较短（周期1ms），在GPS导航和定位中，为了捕获C/A码以测定卫星信号传播的时间延迟，通常对C/A码按行逐个搜索，而C/A码总共只有1023个码元，若以每秒50码元的速度搜索，仅需约20.5s便可完成，易于捕获。而通过捕获C/A码所得到的卫星提供的导航电文信息，又可方便地捕获P码，称C/A为捕获码。②精度较低：C/A码的码元宽度t=1/f=0.97752µs，空间矢距L=293.1m较大。若两个序列的码元相关误差为码元宽度的l/10—1/100，则此时所对应的测距误差可达29.3—2.9m。由于其精度较低，所以称C/A码为粗捕获码。PPPP码具有的特性：①不易捕获：因为P码的码长较长，在GPS导航和定位中，如果采用搜索C/A码的办法来捕获P码，即逐个码元依次进行搜索，当搜索的速度仍为每秒50码元时，约需14×155天，那将是无法实现的，不易捕获。因此，一般都是先捕获C/A码，然后根据导航电文中给出的有关信息，便可捕获P码。②精度较高：P码的码元宽度t=1/f=0.097752µs，每个码元所持续的时间为C/A码的1/10。空间矢距：L=29.3m较大。若两个序列的码元相关误差仍为码元宽度的l/10—1/100，则此时所引起的测距误差仅有2.93—0.293m。仅为C/A码的1/10。所以P码可用于较精密的导航和定位，称为精码。接收机的主要任务：当GPS卫星在用户视界升起时，接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星，并能够跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号，具有变换、放大和处理的功能，以便测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出卫星所发送的导航电文，实时的计算出测站的三维位置，进而三维速度和时间。GPSGPSGPSGPS接收机分类：1）用途：导航型、测地型、授时型接收机；2）载波频率：单频、双频接收机3）通道数：多通道、序贯通道、多路多用通道接收机4）工作原理：码相关性机、平方型、混合型、干涉型接收机观测量的基本概念：①根据码相位观测得出的伪距。②根据载波相位观测得出的伪距。③由积分多普勒计数得出的伪距。④由干涉法测量得出的时间延迟。周跳：如果在跟踪卫星过程中，由于某种原因，如卫星信号被障碍物挡住而暂时中断，受无线电信号干扰造成失锁，这样计数器无法连续计数，但是不到一个整周的相位观测值仍是正确，这种现象称为周跳产生原因：1）信号被遮挡，导致卫星信号无法被跟踪2）仪器故障，导致差频信号无法产生3）卫星信号信噪比过低，导致整周计数错误4）接收机在高速动态的环境下进行观测，导致接收机无法正确跟踪卫星信号5）卫星瞬时故障，无法产生信号探测与修复常用的方法：屏幕扫描法（也就是手工编辑）、高次差或多项式拟合法、平差法屏幕扫描法：人工在屏幕上观察观测值曲线的变化是否连续。特点：（1）费时、只能发现大周跳（2）原始的载波观测值变化很快，通常观察的是某种观测值的组合123451234567891030s6s0.02s0.6s25页10个字30比特GPS卫星导航技术复习资料08工程测量与监理2010-6-30III高次差：由于卫星和接收机间的距离在不断变化，因而载波相位测量的观测值也随时间在不断变化。但这种变化应是有规律的，平滑的。周跳将破坏这种规律性。对于GPS卫星而言，当求至四次差时，其值已趋向于零。残留的四次差主要是由接收机的钟误差等因素引起的。多项式拟合法：根据n个相位测量观测值拟合一个n阶多项式，据此多项式来预估下一个观测值并与实测值比较，从而来发现周跳并修正整周计数。特点：由于四次差或五次差一般已呈偶然误差特性，无法再用函数来加以拟合，所以用多项式拟合时通常也只需取至4—5阶即可。平差法：1）卫星间求差在GPS测量中，每一瞬间要对多颗卫星进行观测，每颗卫星的载波相位观测值中，接收机振荡器的随机误差影响是相同的，卫星间求差可消除此项误差。2）双频观测值修复周跳采用双频载波相位值的组合，能够把卫星与测站的距离项和卫星与接收机的钟差象以及大气对流层折射改正项消去3）残差法根据平差后的残差进行周跳的探测与修复特点：可以发现小周跳广域差分：对GPS观测量的误差源加以区分，并对每一个误差源分别加以“模型化”，然后将计算出来的每一个误差源的误差修正值，通过数据通讯链传输给用户，达到削弱这些误差源的影响，改善用户GPS定位精度的目的。广域差分误差源：星历误差、大气延时误差、卫星钟差误差。广域差分工作流程：1）在已知的多个监测站上，跟踪观测GPS卫星的伪距、相位等信息；2）监测站将所接受的信息全部传输到中心站；3）中心站计算出三项误差改正；4）将这些误差改正用数据通讯链传输给用户；5）用户根据这些误差改正自己观测到的伪距、相位、星历等信息，计算出高精度结果。GPS误差来源与分类（不记测量的影响）消除或消弱各种误差影响的方法（大题要具体）（模型改正法、求差法、参数法、回避法）（1111）模型改正法原理：利用模型计算出误差影响的大小，直接对观测值进行修正适用情况：对误差的特性、机制及产生原因有较深刻了解，能建立理论或经验公式所针对的误差源：相对论效应、电离层延迟、对流层延迟、卫星钟差限制：有些误差难以模型化（2222）求差法原理：通过观测值间一定方式的相互求差，消去或消弱求差观测值中所包含的相同或相似的误差影响适用情况：误差具有较强的空间、时间或其它类型的相关性。所针对的误差源：电离层延迟、对流层延迟、卫星轨道误差等限制：空间相关性将随着测站间距离的增加而减弱3333）参数法原理：采用参数估计的方法，将系统性偏差求定出来适用情况：几乎适用于任何的情况限制：不能同时将所有影响均作为参数来估计4444）回避法原理：选择合适的观测地点，避开易产生误差的环境；采用特殊的观测方法；采用特殊的硬件设备，消除或减弱误差的影响适用情况：对误差产生的条件及原因有所了解；具有特殊的设备。所针对的误差源：电磁波干扰、多路径效应限制：无法完全避免误差的影响，具有一定的盲目性多路径效应：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。测量任务书：又叫测量合同，是测量施工单位上级主管部门或合同甲方下达的技术要求文件。任务书中规定的测量任务的范围、目的、精度和密度要求、提交的成果资料的项目和时间等相关规定。同步观测环：三台及以上接收机同步观测获得的基线向量构成的闭合环。异步闭合环：在构成多边形环路的所有基线向量中，只要有非同步观测基线向量，则该多边形环路称为异步闭合环。GPS网特征条件的计算：观测时段数总基线数独立基线数必要基线数：多余基线数NmnC/⋅=1)/2-N(NC⋅⋅=总J)1N(CJ−⋅=独1nJ−=必)1n()1N(C−−−⋅=多JGPS卫星导航技术复习资料08工程测量与监理2010-6-30IVGPSGPSGPSGPS控制网分类：按原则和用途：点连式、边连式、网连式及边点混连式四种。按构成的几何图形：三角形网、环形网和星形网。根据GPS接收机工作和测量的方式分为跟踪站式、会战式、多基准站式、同步图形扩展式和单基准站式。GPSGPSGPSGPS测量的作业模式主要有静态相对定位、快速静态相对定位、准动态相对定位、往返式重复设站和动态相对定位等基线向量的解算结果分析可以通过RATIO、RDOP、RMS和数据删除率这四个指标来衡量基线解算的质量。GPSGPSGPSGPS网平差目的：1）消除GPS网几何上的不一致性2）评定GPS网内符合精度3）确定点在指定参照系下的坐标GPSGPSGPSGPS网的无约束平差指的是在平差时不引入会造成GPS网产生由非观测量所引起的变形的外部起算数据。GPSGPSGPSGPS网的约束平差指的是平差时所采用的观测值完全是GPS观测值（即GPS基线向量），而且在平差时引入了使得GPS网产生由非观测量所引起的变形的外部起算数据。GPSGPSGPSGPS网的联合平差指的是平差时所采用的观测值除了GPS观测值以外，还采用了地面常规观测值