《GPS原理与应用》复习与思考

《全球定位系统原理与应用》复习与思考（1-24题理解记忆；25-34题详细记忆）11、了解美国60年代初期研制的子午卫星导航系统组成。子午卫星导航系统（NNSS）系统组成:①卫星星座：由六颗独立轨道的极轨卫星组成。（i=90°；T=107m；H=1075km）②地面设有：4个卫星跟踪站；1个计算中心；1个控制中心；2个注入站；海军天文台（负责卫星钟差、钟频改正）。2、了解美国90年代初期建成全球定位系统（GPS）的系统组成。全球定位系统（GPS）系统全称：卫星测时测距导航/全球定位系统系统组成:①卫星星座：由6个轨道，24颗卫星组成（卫星寿命7.5年)。（i=55°；T=11h58m；H=20200km）②地面设有：5个监测站：负责监测卫星的轨道数据、大气数据，经初处理后储存和传送到主控站。1个主控站：根据各监测站资料，推算预报各卫星的星历、钟差和大气修正参数编制导航电文；对监测站的钟差、偏轨或失效卫星实行调控和调配。将电文、指令传送到注入站。3个注入站：将导航电文、控制指令注入相应的卫星。3、了解我国的北斗一号导航系统的组成，定位精度如何。我国双星导航定位系统（北斗一号）系统组成:①卫星星座：由3颗同步静止卫星组成（其中1颗在轨备用）。（i=0°；T=24h恒星时；H=36000km）②地面仅有：一个中心站:负责系统测控、定位信号的发射与接收、用户坐标的解算与发布、双向授时等。系统精度：平面精度±20m;垂直精度±10m;授时20ns。4、GPS卫星的测距码（C/A码）如何产生，有何作用？卫星测距粗码（C/A码）：C/A码——由两个10级反馈移位寄存器产生。m1⊕m2=mC/AC/A码的作用:识别卫星、锁定信号、测量距离、解扩D码、捕获P码。C/A码的频率：fC/A=f0÷10=1.023MHz=1.023Mbit/s5、掌握二进数列的模二和或者波形积的运算法则及其简单运算。二进数列的模二和——不进位的加法运算。①运算法则：1⊕1=0；1⊕0=1；0⊕1=1；0⊕0=0②运算例子：1001110010←(A)⊕）0100111001←(B)1101001011←(C)③运算规律：(A)⊕(B)=(C)(C)⊕(A)=(B)(C)⊕(B)=(A）二进数列波形的乘积（是二进数列对应的物理量的乘积。）①运算法则：(-1)×(-1)=1；1×1=1；(-1)×1=-1；1×(-1)=-1②结论：二进数列的模二和与二进数列波形的乘积是等效的③运算规律：A(t)×B(t)=C(t)C(t)×A(t)=B(t)C(t)×B(t)=A(t）（1-24题理解记忆；25-34题详细记忆）相同二进数列的模二和。①算例：1001110010②结果：获得一个位数相同的“0”数列。⊕）10011100100000000000相同二进数列波形的乘积①算例：②结果：获得一个电位恒为“+1”数列波。6、认知和掌握两个结构相同m序列模二和后，在码相同步以及码相不同步时的自相关系数学表达的差异。将一个m序列与其移动若干相位后的同序列模二和，得到的仍是m序列（结构相同）。自相关函数:当相位不同步时：R(t)=-1/N=-1/(2n-1)当相位同步时：R(t)=L/L=N/N=17、记忆卫星轨道开普勒六根数为的名称及代号。a：轨道半长径的平方根(m)e:轨道偏心率0i:历元toe的轨道倾角(弧度)0:历元toe的升交点准经度(弧度):升交点角距(弧度)0M:历元toe的平近点角(弧度)8、导航型GPS接收机可分为哪几种类型？导航型接收机：类型：船载型、车载型、机载型、星载型。特点：一般用测距码测距，速度越高对设备要求越高。9、测地型GPS接收机可分为哪几种类型？测地型接收机：类型：单站差分型、局域差分型、广域差分型。特点：一般用载波信号测距，基线越长对设备要求越高。10、了解重建载波信号的方法和原理。载波测量原理：1、重建载波信号：将调制在载波信号上的测距码、数据码去掉，恢复载波信号的过程。相关法：通过码相关同步乘法装置获得载波信号和D码混合的解调信号，读解D码后可恢复载波信号。平方法：接收机将收到的调制信号在相同步的情况下自乘恢复载波信号。2、测量相位差：接收机将卫星载波信号与本振信号作对比求相位差（Δφ）。Δφ=φ(tR)-φ(tS)3、计算相伪距：接收机根据载波信号的相位差（Δφ）计算GPS卫星到接收机伪距（D’相）。D’相=λΔφ4、测相伪距（D’相）经修正为近似的几何距离（D相），再根据导航电文的卫星坐标解算测点坐标。D相=/(XS-XR)2+(YS-YR)2+(ZS-ZR)2（1-24题理解记忆；25-34题详细记忆）11、了解GPS接收机微处理器（CPU）的工作程序。微处理器的工作程序：开机自检，测定各通道时延值。搜索锁定卫星信号，解译导航电文。结合星历、伪码或载波观测量计算站点坐标。通过站点坐标、星历计算可见卫星的方位、高度角。计算导航参数（须有明确目标）。12、用什么方法可以求解整周未知数（整周模糊度）？整周跳变：当卫星段暂失锁会导致整周计数部分丢失，这种现象叫做整周跳变（简称周跳）。整周未知数（N）的确定方法：1、已知点坐标法：①条件：有一个WGS-84坐标的已知点。②测定：将GPS定位仪在已知点上对中整平。开机锁定卫星首测得：δφ1。连续观测后得：Intφ+δφ2。用222)()()()()(RSRSRSSRtropionZZYYXXttCVVIntN解算Nn。δtR通过同一时刻卫星间求差消去确定Nn后可移动GPS定位仪测未已知点。③注意：必须保持卫星不失锁（Intφ无周跳）。2、多普勒法(四差法）：①条件：接收机可测多普勒计数。②测定：连续跟踪一颗卫星四个历元。用下式在历元间对D’相求差D’相=λ(N+Intφ+δφ)得：D’相n-0=λ(Intφ+δφ)n4个双曲面可交出测点坐标（XRYRZR)再按方法1求解:N③注意：接收机钟差δtR对精度影响大。由于N的精度不高，只作初始值使用。也可在相邻历元间对D’相求差。3、伪距法：①条件：双频接收机有伪码测距功能。②测定：用(5-8式)减(5-2式)可得：N=（D’码-2Vion)/λ-Intφ-δφ（精度很低）对卫星伪距和载波相位连测n个历元求均值。即：niiiiioniIntVDnN1码1)2(1③注意：距离λN精度应＜λ/2=9.5cm最好用P码测量伪距。4、经典方法：①思路：将N当作平差中的待定参数求解。②法一：将N当作整数解当距离λN精度＜λ/2=9.5cm将N实数解四舍五入取整。或用N实数解的标准方差的置信度取整。此法多用于短基线的相对定位。③法二：将N当作实数解在长基线的相对定位中各种误差的相关性低。由于λN的精度＞λ/2=9.5cm。此时将N实数解取整已毫无意义。有6个未知数(N1~4，δtR1~2)有8个独立方程——Nn有解。（1-24题理解记忆；25-34题详细记忆）5、快速确定整周未知数法：此法在1990年由E.Frei和G.Beutler提出。适用于短基线相对定位。对于单频机15~20分钟可确定整周未知数。对于双频机10分钟可确定整周未知数。6、用任何方法确定整周未知数之前都应确保连续跟踪测量时Intφ没有整周跳变发生，如有则要对周跳进行修复。13、用什么方法可以测定整周计数Intφ？14、了解GPS接收机载波相位测定时，产生周跳原因的各种原因。产生周跳的原因：①卫星信号被遮挡暂时阻断。②外界干扰或动态环境恶劣，导致环路跟踪失锁。③对混频器产生的频差信号无法正确解读整周计数。④由于石英振荡器频率不稳定使整周计数Intφ错误。探测修复周跳的原理：①卫星视向位移随时间的变化是有规律的。②不同卫星在相同历元对于同一接收机的频率不稳定产生周跳相同——求差消除。15、了解整周跳变探测修复的各种方法。周跳探测修复的方法：（1）屏幕扫描探测法:①此法目视判断直观，早期被广泛使用。②只能发现大周跳，无法精确修复。（2）高次差探测法:①此法可发现几十周的跳变。②原理与差值含义（55~56页表）：③可利用高次插值公式，内插修复。④但对于1~2周的跳变无法探测修复。（3）多项式拟合法:①此法可修复几周的跳变。②能实现计算机自动探测修复。③拟合公式：ΔIntφi=a0+a1(ti-ti-1)+a2(ti-ti-1)2+a3(ti-ti-1)3+a4(ti-ti-1)4④计算步骤：用i=0~5项，列方程求系数a0~4用公式预报ΔIntφ6与实测ΔIntφ6比较如无误用i=1~6，重新求系数a0~4用公式预报ΔIntφ7与实测ΔIntφ7比较如有误用ΔIntφ7修复实测ΔIntφ7修复后用i=2~7，重新求系数a0~4.......（4）在卫星间求差法:①此法可探测修复1~2周的跳变(随机跳变)。②并可甄别随机跳变或系统误差。③计算步骤：用不同卫星的四次差在相同历元间求差。发现周跳则逐周修改原始数据重新求四次差。直至四次差之差的残差很小为止。④有随机跳变的卫星不能太多。（5）用双频观测值修复周跳（1-24题理解记忆；25-34题详细记忆）16、了解美国GPS政策以及对付美国GPS政策的方法。一、美国对GPS用户的限制性政策1、对不同的GPS用户提供不同的服务方式SPS服务——用公开的C/A码定位（±20~40m）。PPS服务——用保密的P码定位（±2~4m）。PPS服务——提供比P码功率大20dB的军用M码。2、选择性可用政策（SA）——对（SPS）用户实施干扰δ技术——将钟频信号加入高频抖动ε技术——将导航电文加入人为误差3、反电子欺骗技术（A-S）——用W码对P码实施加密：P⊕W=Y二、针对美国GPS政策的对策1、建立独立的卫星导航定位系统。2、建立独立的卫星轨道精密测量系统。3、增加接收机的兼容性和接收通道。4、利用差分技术提高定位精度。17、哪些GPS测量误差可通过差分技术消除？哪些GPS测量误差不能通过差分技术消除？差分GPS定位原理影响定位精度主要误差组成：1、卫星公共误差：①卫星钟差；②星历误差。2、传播延时误差：③电离层误差④对流层误差⑤多路径反射。3、接收机的误差：⑥本机钟差；⑦通道误差。采用差分技术可将：①②⑥完全消除；③④部分消除。18、比较局域差分和广域差分的定位原理和定位精度方面的差异。局域差分的原理广局域差分的原理由多个基准站构成GPS差分网络。差分数据通过网平差后提高改正参数精度。将改正参数发送用户。主控站对各种定位误差独立解算—用户分别修正。卫星星历：用多站解算的精密星历代替广播星历。卫星钟差：用多站解算的卫星钟差代替广播钟差。大气延时：发布网格参数,由客户内插截取后用模型修正。19、了解位置差分的条件、原理和优缺点。位置差分原理①差分条件：基准站与用户必须观测同一组卫星，故范围在100km内。已知基准站的GWS-84精密坐标（X0，Y0，Z0）。②差分原理：基准站通过GPS卫星,实时(t0)测定本站坐标（X，Y，Z）。计算坐标改正数及其时间导数:ΔX=X0-X；d(ΔX)/dtΔY=Y0-Y；d(ΔY)/dtΔZ=Z0-Z；d(ΔZ)/dt将改正参数发送用户（P），修正实测坐标(X’P,Y’P,Z’P)XP=X’P+ΔX+(t-t0)d(ΔX)/dtYP=Y’P+ΔY+(t-t0)d(ΔY)/dt式中(t)为坐标校正的最后时刻ZP=Z’P+ΔZ+(t-t0)d(ΔZ)/dt③位置差分优点：计算简单，适用于各种GPS定位仪。④位置差分缺点：用户接收机通道越少或定位相对距离越远精度越低（＜50km为宜）。（1-24题理解记忆；25-34题详细记忆）20、了解伪距差分的条件、原理和优缺点。伪距差分原理①差分条件：基准站与用户至少有4颗相同的观测卫星。已知基准站的GWS-84精密坐标（X0，Y0，Z0）。②差分原理：基准站通过卫星(i)星历坐标（Xi，Yi，Zi），实时(t0)计算站星几何距离（Di）。2