GPS课件

第二篇全球定位系统（GPS）第一节GPS定位的坐标系统和时间系统一、坐标系统的类型1、空固坐标系、地固坐标系；2、地心坐标系、参心坐标系；3、空间直角坐标系、球面坐标系、大地坐标系；4、瞬时坐标系、协议坐标系；5、二维坐标系、三维坐标系。二、协议坐标系及其之间的转换1、天球的基本概念天球——以地心为球心，以任意长为半径的球面。天轴——地球旋转轴。天极——天轴与天球面的交点。Pn、Ps。天球赤道面——过球心且与天轴垂直的平面。黄道面——地球公转轨道所在平面，与赤道面夹角为23.5°。春分点——太阳从南半球向北半球运行时，黄道与赤道的交点。PPΠε赤道黄道春分点黄赤交角ssnnΠ2、天球坐标系的概念1）天球空间直角坐标系•原点：地球质量中心•Z轴：指向北天极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•原点：地球质量中心•赤经α：天体子午面与春分点子午面的夹角•赤纬δ：天体与地心连线和天球赤道面的夹角•向径r：天体到地心的距离XYZxyzαδ天球坐标系地心s春分点3）空间直角坐标系与球面坐标系的转换sinsincoscoscosrzyx22222arctanarctanyxzxyzyxr3、岁差与章动日月对地球赤道隆起部分的引力作用，使地球旋转轴在空间的指向发生移动。岁差：假定月球轨道固定，北天极沿圆形轨道绕北黄极的运动叫岁差，春分点每年西移50.2″，周期约为25800年。章动：由月球轨道变化引起的北天极沿椭圆形轨道运动叫章动，椭圆长半径约为9.2″，18.6年一周期。平北天极：不考虑章动的北天极。平春分点。瞬时北天极：绕平北天极18.6年转一周。真春分点。岁差与章动4、协议天球坐标系1）瞬时天球坐标系：z轴指向瞬时北天极，x轴指向瞬时春分点（真春分点）。2）平天球坐标系：z轴指向平北天极，x轴指向平春分点。3）协议天球坐标系1984年1月1日后，取2000年1月15日的平北天极为协议北天极，z轴指向协议北天极的天球坐标系称为协议天球坐标系，x轴指向协议春分点。4）三者间的转换：坐标系的旋转cossinsincosYXYYXXYXYXcossinsincosZYXZYX1000cossin0sincosZYXZYX1000cossin0sincosZA=0.640616°T+0.0003041°T2+0.0000051°T3θZ=0.5567530°T-0.00001185°T2-0.0000116°T3ξZ=0.6406161°T+0.0000839°T2+0.0000050T31000cossin0sincosZZZZZRZcos0sin010sin0coszyR1000cossin0sincoszRT=(t-t0)是从标准历元t0到观测历元t的儒略世纪数,1儒略世纪=36525日三、时间系统1、时间的概念现代测量科技与空间科技紧密结合，测量精度极高。如卫星定轨、飞机和车辆导航、地球自转与公转、研究地壳升降和板块运动等问题，不仅要求给出空间位置，而且应给出相应的时间。现代大地测量基准应是包括时间在内的四维基准。GPS测量中，时间的意义确定GPS卫星的在轨位置；确定测站位置；确定地球坐标系与天球坐标系的关系。时间包括时刻（绝对时间）与时间间隔（相对时间）两个概念。测量时间同样需要建立测量基准，包括尺度与原点。可作为时间基准的运动现象必须是周期性的，且其周期应有复现性和足够的稳定性。2、世界时1）恒星时以春分点连续两次经过本地子午线的时间间隔为一恒星日，含24恒星小时。分真春分点地方时、真春分点格林威治时、平春分点地方时、平春分点格林威治时四种。2）平太阳时以平太阳连续两次经过本地子午线的时间间隔为一平太阳日，含24平太阳小时。3）世界时以子夜为零时起算的格林威治平太阳时，用UT0表示。与平太阳时相差12小时，即UT0=GAMT+12h平太阳时和世界时均以地球自转为参照，而地球自转速度是变化的，包括极移、自转速度季节性变化和逐年变慢等。1956年引入极移改正和自转速度季节性变化改正：UT1=UT0+ΔλUT2=UT1+ΔTS加逐年变慢改正。3、原子时(AT)以铯原子基态两超精细能级的辐射跃迁定义时间尺度，以1958年1月1日零时的世界时减去0.0039秒为原点。原子钟精度极高，目前使用的氢钟精度可达10-16。4、协调世界时(UTC)尺度用原子时尺度。为了与地球自转运动相吻合，通过润秒方法尽量与世界时在时刻上接近。5、GPS时尺度是原子时秒长，原点取1980年1月6日零时的协调世界时。不润秒。故与协调世界时时间差逐年增大。6、时间基准以一定数目的守时设备确定，GPS时由主控站提供基准。第二节GPS信号与卫星坐标计算一、GPS卫星信号载波信号：L11.57542GHz。L21.22760GHz。测距码信号：C/A码，P码。数据码信号：导航电文。二、GPS卫星的导航电文（数据码）1、遥测码：主要是说明注入数据是否可靠。2、转换码：用C/A码捕获P码用。3、传输参数：定位精度，9可用于导航，9不能导航。4、电离层改正。5、钟差改正。6、星历，各卫星播发的自已的位置参数，文件类型为E文件，用于定位。7、历书，各卫星播发的所有卫星的概略位置参数，文件名以al开头，用于估算可见卫星数。8、卫星健康及其它。三、GPS卫星信号的构成基准频率10.23MHZL11575.42MHZC/A码1.023MHZP•码10.23MHZL21227.60MHZP•码10.23MHZ1015412050比特/S卫星信息电文(D码)每颗卫星都发射一系列无线电信号(基准频率ƒ)两种载波(L1和L2)两种码信号(C/A码和P码)一组导航电文(信息码，D码)四、GPS卫星的坐标计算基本思路：卫星坐标是在天球坐标系中的坐标，地面上任意一点的位置是在地球坐标系中的坐标。因此，需要将卫星坐标从天球坐标系转换为地球坐标系。第三节GPS的定位原理一、GPS定位的方法与观测量1、定位方法分类1）动态定位与静态定位：动态定位——认为接收机相对于地面是运动的。静态定位——认为接收机相对于地面静止不动。2）绝对定位与相对定位：绝对定位——求测站点相对于地心的坐标；相对定位——求测站点相对于某已知点的坐标增量；3）差分定位：在基准点上观测求得大气折射等改正，并及时发送给流动站，流动站用收到的改正数对观测数据进行改正，得精确点位。2、观测量几何距离——星站间的真实距离。伪距——由接收机观测的带有钟差的星站距离。码相位观测，得测码伪距（简称伪距）；载波相位观测，得测相伪距（简称相位）。观测量：伪距。单位权中误差——伪距观测中误差，不完全合理。码相位观测码相位观测二、观测量的误差及其影响一般按来源分类：与卫星有关的误差；与信号传播有关的误差；与接收设备有关的误差；其它误差。GPS定位误差的分类（一）与卫星有关的误差1、卫星星历误差；1）来源：地面监测站观测数据误差及星历数据计算方法不合理带来的误差。2）大小：卫星位置偏差达数米至数十米。3）性质：当地面两点间的距离较近（20km）时，对两点定位的影响具有相关性。4）减弱措施：（1）相对定位；（残余误差随边长的增大而增大）（2）差分定位；（3）采用后处理星历；（4）建立自己的地面监测站，进行GPS卫星的定轨观测，求精密星历。2、卫星钟差1）来源：钟频稳定性。2）对星站距离的影响达300km，改正后仍有6m。3）性质：同星历误差。4）减弱措施：主要是相对定位或差分定位；1、电离层折射1）不改正使星站距离产生100多米误差；2）影响性质：（1）码相位观测与载波相位观测的电离层折射大小相等，符号相反；（2）对相对定位的影响因相关性而大大减弱；3）影响电离层折射的因素（1）电磁波频率250MHz电磁波的折射数为1600MHz电磁波折射数的约30倍，L1载波与L2载波的折射数显著不同。（2）电磁波传播路径上的带电离子密度及带电粒子数：电离层高度，200~400km时密度最大；地方时，白天是晚上的5倍，地方时11时最大；季节，夏天是冬天的4倍；测站纬度，赤道最高，南北极最低；年份，太阳黑子活动周期为11年，最高年份可达1016/m2,最低年份近于零。58，69，80，91，02年最高；卫星高度：高度越大，影响越小。（三）与信号传播有关的误差4）减弱措施：双频观测（P95式6.16至6.20）；模型改正；相对定位（残余误差随边长的增大而增大）；差分定位；载波相位观测与码相位观测取平均。2、对流层折射1）对星站距离的影响达20米。2）影响对流层折射的因素：温度、气压、湿度、卫星高度。3）措施：（1）模型改正90年代以前研究测距仪的大气折射影响，90年代以后直到目前还在研究对流层对GPS定位的影响。（2）作为未知数求解；（3）相对定位（残余误差随边长的增大而增大）。3、多路径误差由卫星发射的电磁波经多条路径到达接收机而引起的误差，其中一条路径是直接到达接收机，其它路径是经多次反射后到达接收机。措施：1）静态定位；2）测站点避开反射物（建筑物、光滑地面、水域等）；3）改善天线。（四）与接收机有关的误差•接收机钟差•接收机安置误差包括对中和整平误差，观测前应严格校正对点器。•观测误差：接收机对时间的观测精度有限引起的误差•天线相位中心位置偏差•即接收机天线的相位中心与几何中心不一致。性质：与信号强弱及到达接收机的方向有关。措施：改进天线、相对定位时采用同一型号的接收机并使定向标志朝北、观测前检验接收机天线相位中心位置偏差。三、绝对定位原理1、动态绝对定位原理设观测卫星数，则用矩阵表示4mmkmkmkmkmkkkkkkkkkkkltcZcYbXavltcZcYbXavltcZcYbXav2222211111kkTkkLaaXLXaVk1其中：mkkkvvvV21111222111mkmkmkkkkkkkkcbacbacbaatcZYXXmkkkklllL21令1kTkZaaQ设44434241343332312423222114131211QQQQQQQQQQQQQQQQQZ则330220110,,QmQmQmYYX0——伪距测量中误差（1）测码伪距静态绝对定位法接收机相对于地面固定不动。一般每隔5、10或15秒观测一次（一个历元）。观测卫星数m，历元数n，则观测值的个数为m.n个，观测方程的个数也为m.n个。如观测时间较短，不考虑接收机钟差变化，则需解4个未知数。方程式的形式与动态定位相似。令nkkkktatataA21nkkkktLtLtLL21则误差方程的矩阵形式为kkkLXAVkTkkTkLAAAX12、静态绝对定位原理如果观测时间较长，应考虑接收机钟差变化——初始观测时刻其中有3个钟差改正数，3个测站坐标改正数，共6个未知数202010202202102201201101ttattaattttattaattttattaattnnn0t（2）测相伪距绝对定位法因接收机钟的稳定性有限，不同历元有不同的钟