中国矿业大学GPS复习 熊阿.docx
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中国矿业大学GPS复习熊阿
GPS卫星测量2015熊哥
带你装逼带你飞
第1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
•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。
②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
第2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。
(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3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
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toe
6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=10.23Mhz
L1载波相位波长=19.032cmf1=154*f0=1575.42MHZ
L2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。
•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n
②计算归化时间tk
③观测时刻卫星平近点角Mk的计算
④计算偏近点角Ek
⑤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】
②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5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、
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,所获载
波波长为原来波长的一半,信号质量较差(信噪比低,降
低了30dB)(缺点)。
•载波相位测量的基本原理:
利用载波信号是周期正弦信号,通过载波测量卫星
与接收机间的距离,交会出接收机的空间位置。
•载波相位观测值组成
载波相位测量的观测值:
GPS接收机所接收的卫星载波信号
与接收机本振参考信号的相位差。
包括载波相位观测值、t0时刻
包含整周未知数N0的观测值、后续ti时刻观测值。
其观测量包括了相位差的小数部分和累积的整周数。
•载波相位测量需要解决的问题:
整周未知数N0(整周模糊度)的确定
整周未知数N0(整周模糊度):
时刻载波在空间传输的整周期数,
是一个无法通过观测获得的未知数。
确定方法:
①伪距法是在进行载波相位测量的同时又进行伪距测量
②当作平差的待定参数
③多普勒法
④快速确定整周未知数法
《重要》周跳:
在卫星跟踪过程中,如卫星信号被障碍物挡而暂时中断,或受无
线电信号干扰造成失锁,这样计数器就无法连续计数。
当信号被重
新跟踪后,整周计数就不正确,但是不到一个整周的相位观测值仍
是正确的。
这种现象称为周跳。
整周跳变:
接收机在信号跟踪接收过程出现信号中断使计数器无法连续计数,
恢复正常后小数部分正确,但整周数发生跳跃,即出现整周跳变。
产生原因:
信号被遮挡;干扰;接收机运动速度过快;接收机暂时的故障。
探测与修复方法:
屏幕扫描法
高次差法或多项式拟合法
简单的高次差
星间差分的高次差
残差法
•绝对定位(单点定位)
定义:
单独利用一台接收机确定待定点在地固坐标系中绝对位置的方法。
•静态相对定位
定义:
两台或两台以上接收机分别安置在基线的两端,同步观测相同GPS
卫星,确定基线端点的相对位置或基线向量。
•精度因子:
【课本P69页】一种描述纯粹因卫星几何因素对定点精度的影响,
指出了在测量时被跟踪卫星几何结构上的强度
GDOP几何精度因子
PDOP三维空间位置精度因子
HDOP水平位置精度因子
VDOP高程精度因子
TDOP钟差几何精度因子
•SA:
有选择可用性技术:
在广播星历中有意地加入误差,使定位中的已知点
(卫星)的位置精度大为降低;
有意地在卫星钟的钟频信号中加入误差,使钟的频率
产生快慢变化,导致测距精度大为降低。
AS:
反电子欺骗技术
•差分GPS定位
定义:
利用设置在坐标已知的点(基准站)上的GPS接收机测定GPS测量
定位误差,用以提高在一定范围内其它GPS接收机(流动站)测量
定位精度的方法。
定位基本原理:
将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测。
根据基准站已
知精密坐标,计算出基准站到卫星的距离改正数,并由基准
站实时地将这一改正数发送出去。
用户接收机在进行GPS
观测的同时,也接收到基准站的改正数,并对其定位结果进
行改正,从而提高精度。
•差分GPS的类型:
单站局域广域
(1)单站差分:
位置差分特点:
差分改正计算的数学模型简单;差分数据量少;基准站与流
动站要求观测完全相同的一组卫星。
伪距差分特点:
发送距离改正数;差分数据量较多;基准站观测所有卫星;
流动站观测任意4颗卫星;精度随距离增加而降低。
载波相位差分方法:
修正法;差分法。
(2)局域差分&广域差分:
局域差分基准站作用距离:
数百公里。
特点:
根据多个基准站提供的改正信息,平差后得到自己的改正
数——不区分误差源。
广域差分基准站作用距离:
数千公里
特点:
将各项误差分离出来,建立误差与位置的关系。
基本思想:
对GPS观测量的误差源加以区分,并分别每一误差源
模型化,利用该模型计算出每一误差源的数值,通过数
据链将该改正数值传递给用户,用户利用该值进行正。
工作流程:
在若干监测站(基准站)上观测数据(伪距、载波相
位等);将观测数据传输到中心站;中心站对数据进
处理,得到误差改正数;通过数据链将误差改正数传
到用户站;用户根据这些误差改正观测数据,计算出
高精度的GPS定位结果。
(观测站——中心站——处
理得到改正数——用户站——改正——计算高精度定
位结果)
(3)根据时效性:
实时差分
后处理差分
[求解起始相位模糊度:
删除法模糊度函数法FARA法消去法]
第6章GPS卫星导航
•导航:
确定并引导运载体从一个地点航行到另一个地点的过程。
包括航行中测定并提供载体位置、航速、航向、时间
以及载体姿态信息。
导航方法:
天文导航
无线电导航
惯性导航
卫星导航
卫星导航的特点及应用:
全天候、全球、实时、七维状态参数、三维
•GPS导航几种方法:
GPS单机导航差分GPS导航GPS/惯性综合导航。
•GPS导航特点:
用户多样
速度多变
定位实时
数据和精度多变
•动态定位:
GPS动态定位(测量)是利用GPS信号,测定相对于地球运动的用
户天线的状态参数,这些状态参数包括三维坐标、三维速度和时间
等七个。
第7章GPS测量误差的来源及其影响
偶然&系统(严重)
误差来源:
与GPS卫星、与信号传播、与GPS接收机有关。
此外与地球潮汐、负荷潮、相对论效应有关。
等效距离误差:
通常均把各种误差的影响投影到站星距离上,
以相应的距离误差表示。
*GPS测量误差的分类及对距离测量的影响
1与卫星有关的误差
卫星星历(轨道)误差:
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。
星历误差对单点定位的影响主要取决于
卫星到接收机的距离以及用于定位或导航的GPS
卫星与接收机构成的几何图形。
解决方法:
①建立自己的卫星跟踪网独立定轨
②当作未知数求解——轨道松法
③同步观测值求差
卫星钟的误差:
卫星钟与GPS理想时间无法保持一致,存在偏差或漂移。
解决方法:
利用模型改正
钟差改正多项式
相对定位或差分定位
相对论效应:
由于卫星钟和接收机所处的状态不同而引起卫星钟和接收机钟
之间相对钟误差的现象。
①狭义相对论(时间膨胀,钟的频率与其运动速度有关)
在狭义相对论效应作用下,卫星上钟的频率将变慢。
②广义相对论(钟的频率与其所处的重力位有关):
在广义相对论效应作用下,卫星上钟的频率将变快。
解决方法:
在地面上调低将要搭载到卫星上去的钟的频率。
2与信号传播有关的误差
电离层延迟误差
解决方法:
①经验模型改正:
根据以往观测结果所建立的模型。
改正效果差。
②双频改正:
利用双频观测值直接计算出延迟改正或组
成无电离层延迟的组合观测量。
改正效果最好。
③实测模型改正:
利用实际观测所得到的离散的电离层
延迟(或电子含量),建立模型(如
内插)。
改正效果较好。
对流层延迟误差
解决方法:
①利用对流层模型加以修正:
霍普菲尔德改正模型、
萨斯塔莫宁改正模型、
勃兰克改正模型。
②将对流层影响当作未知数,在数据处理时求解。
③利用同步观测值求差。
④利用水汽辐射计直接测定信号传播的影响。
多路径效应:
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”。
多路径误差与测站环境、反射体性质、接收机结构和性能有关。
解决方法:
①观测上:
选择合适的测站,避开易产生多路径的环境
避开(如水域、山坡、高大建筑物等)。
②硬件上:
采用抗多路径误差的仪器设备。
抗多路径的天线:
带抑径板或抑径圈的天线,极化天线;
抗多路径的接收机:
窄相关技术等。
③适当延长观测时间。
3与接收机有关的误差
接收机钟差:
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。
解决方法:
①作为未知数与测站位置一并求解。
②把接收机的钟误差表示为时间的多项式进行求解。
③通过卫星间求一次差。
接收机的位置误差:
接收机天线的相位中心相对测站标石中心位置的偏差。
解决方法:
①正确的对中整平。
②采用强制对中装置(变形监测时)。
天线相位中心偏差:
接收机天线接收到的GPS信号是来自四面八方,
随着GPS信号方位和高度角的变化,
接收机天线的相位中心的位置也在发生变化。
解决方法:
①使用相同类型的天线并进行天线定向(限于相对定位)。
②归心改正法:
主要用于进行高精度单点定位以及采用不
同类型的接收机天线进行相对定位。
4其他误差
地球自转的影响
气球潮汐改正(固体潮、负荷潮)
•GPS测量误差的性质:
①偶然误差:
卫星信号发生部分的随机噪声、接收信
号接收处理部分的随机噪声、其它外部某
些具有随机特征的影响。
随机;量级小(毫米级)。
②系统误差:
其它具有某种系统性特征的误差。
具有某种系统性特征;
量级大(最大可达数百米)。
•消除或减弱各种误差影响的方法
模型改正法求差法参数法回避法
第八章GPS测量的设计与实施
•GPS网基准:
①方位基准:
起算方位角或基线方位角。
②尺度基准:
测距边或已知起算点的距离。
③位置基准:
由起算点坐标确定。
•GPS网的基本概念
①观测时段:
测站上开始接收卫星信号到观测停止,连续工作的时间段。
②基线:
由GPS接收机进行相对定位所得的线段或坐标差。
③同步观测:
两台或两台以上接收机同时对同一组卫星进行的观测。
④同步观测环:
三台或三台以上接收机同步观测获得
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