GPS考试复习

GPS复习第一章GPS系统的组成1.GPS的定位系统包括地面监控部分、空间卫星部分、用户接受部分2.地面监控部分由一个主控站，三个注入站和五个监测组成3.GPS接收机：按照用途分有：导航型、测地型和授时型按照携带形式分有：手持式、车载式等按照载波频率分有：单频接收机和双频接收机按照工作原理分有：码接收机和无码接收机第二章测量中的坐标系及其坐标转换1.测量中常用的坐标系：北京54坐标系，西安80坐标系，地方独立坐标系，WGS84坐标系,大地坐标系，高斯－克吕格平面直角坐标系，1956和1985黄海高程系统（了解）2.在测量中有三种高程，分别是大地高，正高，正常高第三章GPS定位的坐标系统与时间系统1.在GPS定位中，通常采用两类坐标系统：空间固定坐标系、地球体相固联坐标系统2.春分点：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。注意：在天文学和卫星大地测量学中，春分点和天球赤道面是建立参考系的重要基准点和基准面。3.根据协议地球坐标系和协议天球坐标系的区别：（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轴与X轴的指向不同，其间夹角为春分点的格林尼治恒星时。4.历元：在天文学和卫星定位中，与所获取数据对应的时刻5.测量时间必须建立一个测量的基准时间的单位（尺度）和原点（起始历元）6.恒星时：以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所确定的时间7.世界时：以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时第四章卫星运动的基础知识及GPS卫星的坐标计算1.为了研究工作和实际应用的方便，通常把作用于卫星上的各种力按其影响的大小分为两类：一类是假设地球为均质球体的引力（质量集中于球体的中心），称为中心力，决定着卫星运动的基本规律和特征，由此决定的卫星轨道，可视为理想轨道，是分析卫星实际轨道的基础，另一类是摄动力或非中心力2.开普勒轨道参数或开普勒轨道根数①as为轨道的长半径，es为轨道椭圆偏心率，这两个参数确定了开普勒椭圆的形状和大小。②Ω为升交点赤经：即地球赤道面上升交点与春分点之间的地心夹角。i为轨道面倾角：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。③s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。④fs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。3.开普勒轨道参数示意图4.GPS卫星星历分为预报星历和后处理星历（1）预报星历是通过卫星发射的含有轨道信息的导航电文传递给用户，经解码获得所需的卫星星历，也称广播星历。（2）后处理星历是一些国家的某些部门根据各自建立的跟踪站所获得的精密观测资料，应用与确定预报星历相似的方法，计算的卫星星历。第五章电磁波的传播与GPS卫星信号1.减弱对流层折射改正项残差影响主要措施：1）尽可能充分地掌握观测站周围地区的实时气象资料。2）利用水汽辐射计，准确地测定电磁波传播路径上的水汽积累量，以便精确的计算大气湿分量的改正项。但设备庞大价格昂贵，一般难以普遍采用。3）当基线较短时（20km），在稳定的大气条件下，利用相对定位的差分法来减弱大气折射的影响。4）完善对流层大气折射的改正模型。2.为减弱电离层的影响，比较有效的措施为：（1）利用两种不同的频率进行观测：两种频率电磁波同步观测时电离层对传播路径的影响分别为：2212221122128.4028.40fffNfNffff222100012211fffffffyxz轨道春分点升交点近地点卫星地心赤道ifs可得消除电离层折射影响的距离：222122121ffffff2122221ffff21222201ffff（2）两观测站同步观测量求差：用两台接收机在基线的两端进行同步观测，取其观测量之差。因为当两观测站相距不太远时，卫星至两观测站电磁波传播路径上的大气状况相似，大气状况的系统影响可通过同步观测量的差分而减弱。3.GPS卫星信号：载波信号、测距码、导航电文4.编码：如果将各种信息例如声音、图象和文字等通过量化，并按某种预定规则，表示成二进制数的组合形式这一过程5.随机序列u(t)的自相关系数R(t)定义为：R(t)=(Au-Bu)/(Au+Bu)6.GPS测距原理：假设GPS卫星发射的是一个随机码序列u(t)，而GPS接收机若能同时复制出结构与之相同的随机码序列u´(t)，则由于卫星信号时间传播延迟的影响，被接收的u(t)与u´(t)之间产生了平移，即相应的码元错开，因而R(t)≈0。如果通过一个时间延迟器来调整u(t)，使之与u(t)的码元相互完全对齐，即有R(t)=1。则可以从接收机的时间延迟器中测出卫星信号到达用户接收机的准确传播时间，从而准确测定站星距离7.m序列：移位寄存器在经历了上表所列的15种状态后，再重复全1状态，完成一个最大周期。同时，从第四级存储单元也输出一个最大周期为15tu的二进制数序列，tu为两个钟脉冲的时间间隔。这种周期最大的二进制数序列。上例中是一个码长包含有15个码元的周期序列，其中任意4个连续的二进制数所构成的码都不相同，任何一个码在周期序列中都有相应确定的位置和时刻。一般情况下，对于一个r级反馈移位寄存器来说，将产生更复杂的周期性m序列，此时移位寄存器可能经历的状态（码长）为Nu=2r-1，最多包含Nu个码元，最大周期为Tu=Nutu。3.GPS的测距码（伪随机码）：C/A码和P码（或Y码）（1）C/A码：是由两个10级反馈移位寄存器组合而产生。码长Nu=210-1=1023比特，码元宽为tu=1/f1=0.97752μs,（f1为基准频率f0的10分之1，1.023MHz）,相应的距离为293.1m。周期为Tu=Nutu=1ms，数码率为1.023Mbit/s。C/A码的码长短，共1023个码元，若以每秒50码元的速度搜索，只需20.5s，易于捕获，称捕获码。码元宽度大，假设两序列的码元对齐误差为为码元宽度的100分之1，则相应的测距误差为2.9m。由于精度低，又称粗码。（2）P码：P码产生的原理与C/A码相似，但更复杂。发生电路采用的是两组各由12级反馈移位寄存器构成。码长Nu≈2.35×1014比特，码元宽为tu=1/f0=0.097752μs，相应的距离为29.3m。周期为Tu=Nutu≈267d，数码率为10.23Mbit/s。P码的周期长，267天重复一次，实际应用时P码的周期被分成38部分，其中1部分闲置，5部分给地面监控站使用，32部分分配给不同卫星，每颗卫星使用P码的不同部分，都具有相同的码长和周期，但结构不同。P码的捕获一般是先捕获C/A码，再根据导航电文信息，捕获P码。由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，若取码元对齐精度仍为码元宽度的1/100，则相应的距离误差为0.29m，故P码称为精码。9.导航电文：包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、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）。导航电文也是二进制码，依规定格式组成，按帧向外播送。每帧电文含有1500比特，播送速度50bit/s，每帧播送时间30s。每帧导航电文含5个子帧，每个子帧分别含有10个字，每个字30比特，故每个子帧共300比特，播发时间6s。为记载多达25颗卫星，子帧4、5各含有25页。子帧1、2、3和子帧4、5的每一页构成一个主帧。主帧中1、2、3的内容每小时更新一次，4、5的内容仅当给卫星注入新的导航电文后才得以更新10.GPS卫星信号示意图如下从上图中可见，GPS卫星取L波段的两种不同电磁波频率为载波，L1载波频率为1575.42MHz，波长为19.03cm；L2载波频率为1227.60MHz，波长为24.42cm。11.任意一个时刻一个完整的载波相位测量可以表示为：)()(0iiFInN基本频率10.23MHzL1载波1575.42MHzL2载波1227.60MHzC/A码1.023MHzP码10.23MHzP码10.23MHz数据码50BPS数据码50BPS×154×120÷10÷204600第六章GPS定位的观测量、观测方程和误差分析1.定位方法分类：按参考点的不同位置划分为：（1）绝对定位（单点定位）：在地球协议坐标系中，确定观测站相对地球质心的位置。（2）相对定位：在地球协议坐标系中，确定观测站与地面某一参考点之间的相对位置。按用户接收机作业时所处的状态划分：（1）静态定位：在定位过程中，接收机位置静止不动，是固定的。静止状态只是相对的，在卫星大地测量中的静止状态通常是指待定点的位置相对其周围点位没有发生变化，或变化极其缓慢，以致在观测期内可以忽略。（2）动态定位：在定位过程中，接收机天线处于运动状态。2.观测量主要包括：（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3.基本观测量主要有码相位观测量和载波相位观测量4.由于载波的波长远小于码长，C/A码码元宽度293m，P码码元宽度29.3m，而L1载波波长为19.03cm，L2载波波长为24.42cm，在分辨率相同的情况下，L1载波的观测误差约为2.0mm，L2载波的观测误差约为2.5mm。而C/A码观测精度为2.9m，P码为0.29m。载波相位观测是目前最精确的观测方法。5.载波相位观测的主要问题：无法直接测定卫星载波信号在传播路径上相位变化的整周数，存在整周不确定性问题6.测码伪距观测方程的常用形式：)()()(~tTtIttcjigjiijiji7.观测历元t为根据的载波信号相位差：)]()([)()()](11[)](11)[()(tTtIcfttftttcftctcftjipjijijijijiji当卫星于历元t0时被跟踪锁定后，载波相位变化的整周数便被自动计数，对其后任一观测历元t的总相位差为)(tN+)t－(tN+)()(00jijijijitt8.测码伪距观测方程的线性化)()]()([)]()([])()][()()([)()(00tNtTtIttttcttntmtlttjijipjijiijjijijijijiXX第七章GPS绝对定位原理1.绝对定位（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。2.由于GPS采用单程测距原理，实际观测的站星距离均含有卫星钟和接收机钟同步差的影响（伪距），卫星钟差可根据导航电文中给出的有关钟差参数加以修正，而接收机的钟差一般难以预料。通常将其作为一个未知参数，在数据处理中与观测站坐标一并求解。一个观测站实时求解4个未知数，至少需要4个同步伪距观测值，即4颗卫星。3.实时动态定位中目前主要采用测码伪距为观测量的方法4.精度因子：平面位置精度因子HDOP、高程精度因子VDOP、空间位置精度因子PDOP、接收机钟差精度因子TDOP、几何精度因子GDOP5.观测量精度：1)()(ttiTizaaQ第八章GPS相对定位原理1.静态相对定位：用两台接接收机分别安置在基线的两个端点，其位置静止不动，同步观测相同的4颗以上卫星，确定两个端点在协议地球坐标系中的相对位置2.在高精度静态相对定位中，当仅有两台接收机时，一般应考虑将单独测定的基线向量联结成向量网（三角网或导线网），以增强几何强度，改善定位精度3.由于当距离不太远的两个测站同步观测相同卫星时GPS的各种观测误差具有较强的相关性，所以一种简单而有效的消除或减弱误差的方法就是将GPS的各种观测量进行不同的线形组合。然后作为相对定位的相关观测量。