GNSS(GPS)复习资料

第一章1、GPS系统组成三大部分：（1）空间部分:GPS卫星星座（21+3）（2）地面控制部分：地面监控系统（一个主控站MCS、三个注入站、五个监测站）（3）用户设备部分：GPS信号接收机2、GPS系统特点：定位精度高、测量时间短、观测站之间无需通视、提供三维坐标、操作简便、全天候作业、功能多，应用广第二章1、卫星定位中两种坐标系统：天球坐标系和地球坐标系2、天球：指以地球质心为中心，半径r为任意长度的一个假想球体。3、黄道：地球公转的轨道面与天球相交的大圆，即当地球绕太阳公转时，地球上的观测者所见到的太阳在天球上的运动轨迹。黄道面与赤道面的夹角称为黄赤交角，约23.50º。4、春分点：指太阳由南向北运动时，黄道与天球赤道的交点。（当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时，黄道与天球赤道的交点。）天球空间直角坐标系与天球球面坐标系5、天球坐标系由天球空间直角坐标系和天球球面坐标系组成。（1）天球空间直角坐标系的定义：原点位于地球的质心，z轴指向天球的北极Pn，x轴指向春分点，y轴与x、z轴构成右手坐标系。（2）天球球面坐标系的定义：原点位于地球的质心，赤经为含天轴和春分点的天球子午面与经过天体s的天球子午面之间的交角，赤纬为原点至天体的连线与天球赤道面的夹角，向径r为原点至天体的距离。6、岁差：由于日月引力及其它天体引力，平北天极以北黄极为中心做一种顺时针圆周运动。（在日月和其它天体引力对地球隆起部分的作用下，地球在绕太阳运行时，自转轴方向不再保持不变，从而使春分点在黄道上产生缓慢西移，此现象在天文学上称为岁差。）7、章动：在日月引力等因素的影响下，瞬时北天极将绕瞬时平北天极产生旋转，轨迹大致为椭圆。这种现象称为章动。8、地球坐标系有两种表达方式，即空间直角坐标系和大地坐标系。地心空间直角坐标系的定义:原点与地球质心重合，z轴指向地球北极，x轴指向格林尼治平子午面与赤道的交点E，y轴垂直于xoz平面构成右手坐标系。地心大地坐标系的定义：地球椭球的中心与地球质心重合，椭球短轴与地球自转轴重合，大地纬度B为过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角，大地经度L为过地面点的椭球子午面与格林尼治平大地子午面之间的夹角，大地高H为地面点沿椭球法线至椭球面的距离。9、极移：地球自转轴相对于地球体的位置不是固定的，地极点在地球表面上的位置随时间而变化的现象称为极移10、地球坐标系分类：采用CIO（国际协议原点）作为协议地极（conventionalTerrestrialPole——CTP），以协议地极为基准点的地球坐标系称为协议地球坐标系（ConventionalTerrestrialSystem——CTS），而与瞬时极相应的地球坐标系称为瞬时地球坐标系。11、选择某一时刻t0作为标准历元，并将此刻地球的瞬时自转轴（指向北极）和地心至瞬时春分点的方向，经过该瞬时岁差和章动改正后，作为z轴和x轴，由此构成的空固坐标系称为所取标准历元的平天球坐标系，或协议天球坐标系，也称协议惯性坐标系（ConventionalInertialSystem—CIS）12、瞬时极（真）天球坐标系到瞬时（真）地球坐标系的转换模型13、世界时系统包括恒星时、平太阳时和世界时。恒星时(SiderealTime—ST)：以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所确定的时间称为恒星时。平太阳时（MT）：以平太阳为参考点，由平太阳的周日视运动所确定的时间世界时（UniversalTime——UT）：以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时称为世界时。UT+极移=UT1UT1+自转速度季节性变化=UT214、原子时（AIT）：原子时的原点为AT=UT2-0.0039s国际原子时（InternationalAtomicTime——IAT）15、力学时（DynamicTime—DT）：太阳系质心力学时（BarycentricDynamicTime——TDB）是相对于太阳系质心的运动方程所采用的时间参数。地球质心力学时（TerrestrialDynamicTime—TDT）是相对于地球质心的运动方程所采用的时间参数。TDT=IAT+32.184S若以Δ表示地球质心力学时TDT与世界时UT1之间的时差，则可得：Δ-UT1=IAT-UT1+32.184S16、协调世界时（CoordinateuniversalTime——UTC）：由于地球自转速度有长期变慢的趋势，近20年，世界时每年比原子时慢约1秒，且两者之差逐年积累。为避免发播的原子时与世界时之间产生过大偏差，从1972年采用了一种以原子时秒长为基础，在时刻上尽量接近于世界时的一种折衷时间系统，称为世界协调时或协调时。协调时与国际原子时的关系定义为：n为调整参数，由IERS发布民用时间为UTC17、GPS时属于原子时系统，秒长与原子时相同，但与国际原子时的原点不同，即GPST与IAT在任一瞬间均有一常量偏差。IAT-GPST=19s时间系统及其关系图第三章1、卫星轨道：卫星在空间运行的轨迹称为轨道2、摄动力：摄动力或非中心力，包括地球非球形对称的作用力、日月引力、大气阻力、光辐射压力以及地球潮汐力等。3、在摄动力的作用下的卫星运动称为受摄运动，相应的卫星轨道称为受摄轨道。4、开普勒轨道参数：（描述卫星无摄运动）（1）a轨道的长半径es轨道椭圆偏心率这两个参数确定了开普勒椭圆的形状和大小。（2）升交点赤经：即地球赤道面上升交点与春分点之间的地心夹角。轨道面倾角i：即卫星轨道平面与地球赤道面之间的夹角。这两个参数唯一地确定了卫星轨道平面与地球体之间的相对定向。为近地点角距：即在轨道平面上，升交点与近地点之间的地心夹角，表达了开普勒椭圆在轨道平面上的定向。(4)fs为卫星的真近点角:即轨道平面上卫星与近地点之间的地心角距。该参数为时间的函数，确定卫星在轨道上的瞬时位置。由上述6个参数所构成的坐标系统称为轨道坐标系，广泛用于描述卫星运动。在描述卫星无摄运动的6个开普勒轨道参数中，只有真近点角是时间的函数，其余均为常数。故卫星瞬间位置的计算，关键在于计算真近点角。第四章GPS卫星的导航电文和卫星信号1、导航电文也称数据码（D码、卫星电文），是用户用来定位和导航的数据基础，由卫星星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟的运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码搜索P码的信息等组成。是GPS定位的数据基础，是以二进制码的形式，按帧发送的。2、卫星电文是以二进制码的形式，按帧发送的。每帧电文包含5个子帧，其中1，2，3子帧的内容每小时更新一次，而子帧4和子帧5的内容又各分为25页，每帧电文里的子帧4和5只取其中一页，25帧为一个子帧，发送的时间为12.5min。电文的内容（1）遥测码（TLW—TelemetryWord）遥测码位于各子帧开头，其中所含的同步信号为各子帧提供一个同步起点，便于用户从此起点译出电文（2）转换码（HOW—HandOverWord）转换码紧接着遥测码，提供如何由C/A捕获P码的信息，以便捕获跟踪P码第一数据块1中包含了卫星钟的改正数及其数据的龄期、星期的周数编号和卫星的工作状态。第二数据块2由子帧2和子帧3组成，包含了广播星历的参数，提供卫星的轨道信息。第三数据块3由子帧4和子帧5组成，包含了卫星的概略星历、卫星的工作状态等，用于选择适当的观测卫星，提高定位精度。3、码：用以表示各种不同信息的二进制数及其组合码元：在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为(二进制）码元。4、随机噪声码：码元的出现无规律，不能复制5、自相关系数：设有一码序列U(t),经过j次平移后,变成U(t)序列,将两个码序列码元对齐,其中码元完全相同的个数为A个,码元不相同的为B个,则自相关系数R(t)为6、粗码C/A码，用于粗测距和捕获GPS卫星信号的伪随机码，由两个10级反馈移位寄存器构成的G码产生7、伪随机噪声码：具有良好的自相关性并且按某种确定的编码规则编码，可人工复制的码序列。伪随机噪声码的产生（四级反馈移位寄存器）8、P码为卫星精测码，由两个伪随机码的乘积得到第五章GPS卫星定位基本原理1、GPS定位分类：（1）按用户接收机作业时所处的状态划分为静态定位和动态定位（2）按参考点的不同位置分为绝对定位（单点定位）和相对定位（3）2、测码伪距观测方程的常用形式如下：式中j为卫星数，j＝1，2，3…。忽略卫星之间钟差影响，并考虑电离层、对流层折射等影响，可得：3、载波相位观测方程4、整周未知数：在信号被接收机收到之前，卫星信号在空中传播的整相位数。5、周跳（cycleclips）是指在GPS全球定位系统技术的载波相位测量中，由于卫星信号的失锁而导致的整周计数的跳变或中断。1/2222jsssijiontropPXXYYZZctdd()jjiiiiontropPcttdd)()]()([)]()([)()(0tNtTtIcfttttftcftjijipjijijiji6、静态绝对定位:也称单点定位，是指在协议地球坐标系中，直接确定观测站相对于坐标原点（地球质心）绝对坐标的一种方法。伪距观测方程的线性化:静态绝对定位时观测站是固定的，可以于不同历元同步观测不同卫星，取得充分多的伪距观测量，通过最小二乘平差，提高定位精度。由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差，所以要同步观测4颗卫星，解算四个未知参数：纬度,经度,大地高程h,钟差t定位精度主要取决于（1）所测卫星在空间的几何分布（通常称为卫星分布的几何图形）（2）观测量精度。精度描述使用精度因子（精度衰减因子、精度系数、精度弥散）DOP-DilutionOfPrecision精度mx=DOP.00，DOP是权系数阵主对角线元素的函数,00伪距测量中误差平面位置精度因子HDOP(horizontalDOP)：相应的平面位置精度2122110)(qqHDOPHDOPmH高程精度因子VDOP(VerticalDOP):相应的高程精度为：21330)(qVDOPVDOPmV空间位置精度因子PDOP(PositionDOP)：相应的三维定位精度：213322110)(qqqPDOPPDOPmP接收机钟差精度因子TDOP(TimeDOP)，钟差精度：21440)(qTDOPTDOPmT几何精度因子GDOP(GeometricDOP)，描述空间位置误差和时间误差综合影响的精度因子，相应的中误差：212221443322110)()()(TDOPPDOPqqqqGDOPGDOPmG卫星六面体的体积越大，所测卫星在空间的分布范围也越大，GDOP值越小；反之，卫星分布范围越小，GDOP值越大7、静态相对定位载波观测方程8、单差（Single-Difference——SD）:在不同观测站，同步观测相同卫星所得观测量之差。表示为)()()(12tttjjj9、双差（Double-Difference——DD）：在不同观测站，同步观测同一组卫星，所得单差之差。符号表示为)()()()()()()(1212tttttttjjkkjkkjtropionjkjjjjtcddtczyxnml)(0][)()]()([)()(0tropionjijijijiddcftNttttftcft10、三差（Triple-Difference——TD）：于不同历元，同步观测同一组卫星，所得观测量的双差之差。表达式为：)()()()()()()()()()()(111211122122212212tttttttttttjjkkjjkkkkk11、一般是采用双差法求解最终结果，而三差法则只是用于确定整周未知数或求得测站坐标的近似解。双差可以消去卫星钟的系统偏差、接收机时钟