武大《GPS测量原理与应用》知识点总结

武大《GPS测量原理与应用》知识点总结1、GPS的基本知识NAVSTAR\GPS“NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem”卫星测时测距导航/全球定位系统.以卫星为基础的无线电导航定位系统,具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时功能。2、GPS星座的基本参数24颗卫星分布在六个等间隔的轨道上，轨道面相对赤道面的倾角为55度，每个轨道面上有4颗卫星，卫星轨道为圆形，运行周期为11小时58分，3、子午导航系统的缺陷（1）卫星少，观测时间和间隔时间长，无法提供实时导航定位服务；（2）导航定位精度低（3）卫星轨道低，难以进行精密定轨（4）卫星信号频率低，不利于补偿电离层折射效应的影响；（5）观测时间长，效率低4、北斗系统的组成：“北斗卫星导航系统”系统是由空间卫星、地面控制中心站和北斗用户终端三部分构成。5、北斗系统定位原理：空间球面交会测量原理(1)地面中心站通过2颗同步静止定位卫星传送测距问询信号，如果用户需要定位则马上回复应答信号。地面中心站可根据用户的应答信号的时差计算出户星距离，这样以两颗定位卫星为中心以两个户星距离为半径可作出两个定位球,两个定位球又和地面交出两个定位圆。(2)根据地面中心站的数字地图算出用户到地心的距离，然后利用以地心为中心的圆球与交线圆形成两个交点，再进行判断。4、北斗导航定位系统的优缺点优点:如投资少，组建快；具有通信功能；捕获信号快等。不足和差距:如用户隐蔽性差；无测高和测速功能；用户数量受限制；用户的设备体积大、重量重、能耗大等。5、北斗系统三大功能快速定位、短报文通信、精密授时6、GPS系统包括三大部分：空间部分——GPS卫星星座；地面控制部分——地面监控系统；用户设备部分——GPS信号接收机。7、工作卫星的地面监控系统包括:1个主控站、3个注入站和5个监测站。8、GPS信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。坐标系统和时间系统是描述卫星运动、处理观测数据和表达观测站位置的数学与物理基础。9、岁差、章动地球接近于一个赤道隆起的椭球体，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，25800年绕黄极一周,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。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。10、GPS常用坐标系WGS-84大地坐标系、国家大地坐标系、地方独立坐标系、ITRF坐标框架11、恒星时、平太阳日、世界时UT、原子时ATI、协调世界时UTC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为恒星时系统。春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒星日，含24个恒星小时。平太阳日MT:平太阳连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一平太阳日，包含24个平太阳时。平太阳时也具有地方性，常称为地方平太阳时或地方平时。世界时UT：以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时定义为世界时UT。世界时与平太阳时的尺度相同，但起算点不同。1956年以前，秒被定义为一个乎太阳日的1／86400。这是以地球自转这一周期运动作为基础的时间尺度。原子时ATI：原子时的秒长被定义为铯原子C133s基态的两个超精细能级间跃迁辐射振荡9192631170周所持续的时间。原子时的起点，按国际协定取为1958年1月1日0时0秒(UT2)(事后发现在这一瞬间ATI与UT2相差0．0039秒)。协调世界时UTC：它采用原子时秒长，但因原子时比世界时每年快约1秒，两者之差逐年积累，便采用跳秒(闰秒)的方法使协调时与世界时的时刻相接近，其差不超过1秒。它既保持时间尺度的均匀性，又能近似地反映地球自转的变化。12、GPS时间系统：GPS时间系统采用原子时ATl秒长作为时间基准，但时间起算的原点定义在1980年1月6日UTC0时。启动后不跳秒，保持时间的连续。以后随着时间的积累，GPS时与UTC时的整秒差以及秒以下的差异通过时间服务部门定期公布(至1995年相差达10秒)。卫星播发的卫星钟差也是相对GPS时间系统的钟差。GPS时与ATI时在任一瞬间均有一常量偏差：TATI—TGPS=19(秒)13、影响轨道的力：作用力：卫星在空间绕地球运行时，除了受地球重力场的引力作用外，还受到太阳、月亮和其它天体的引力影响，以及太阳光压、大气阻力和地球潮汐力等因素影响13、卫星的轨道参数as为轨道的长半径，es为轨道椭圆偏心率，确定了开普勒椭圆的形状和大小。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。s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。vs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。14、二体问题、卫星的受摄运动、瞬时轨道参数忽略所有的摄动力，仅考虑地球质心引力研究卫星相对于地球的运动，在天体力学中，称之为二体问题。对于卫星精密定位来说，必须考虑地球引力场摄动力、日月摄动力、大气阻力、光压摄动力、潮汐摄动力对卫星运动状态的影响。考虑了摄动力作用的卫星运动称为卫星的受摄运动。受摄运动的轨道参数不再保持为常数，而是随时间变化的轨道参数。瞬时轨道参数：卫星在地球质心引力和各种摄动力总的影响下的轨道参数称为瞬时轨道参数；卫星运动的真实轨道称为卫星的摄动轨道或瞬时轨道。瞬时轨道不是椭圆，轨道平面在空间的方向也不是固定不变的。在人造地球卫星所受的摄动力中，地球引力场摄动力最大，约为10-3量级，其他摄动力大多小于或接近于是10-6量级。这些摄动力引起卫星位置的变化，引起轨道参数的变化。15、预报星历、星历、参考星历：又叫广播星星历。常包括相对某一参考历元的开普勒轨道参数和必要的轨道摄动改正项参数。卫星将地面监测站注人的有关卫星轨道的信息，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，即广播星历。广播星历参数的选择采用：开普勒轨道参数加调和项修正的方案。为了保证卫星预报星历的必要精度，一般采用限制预报星历外推时间间隔的方法。据此GPS卫星发播的广播星历每小时更新一次。预报星历的精度，目前一般估计为20-40m。卫星星历：是一组对应某一时刻的轨道参数及其变率。卫星星历其实就是赋值后的轨道参数。参考星历：相应参考历元的卫星开普勒轨道参数，是根据GPS监测站约1周的监测资料推算的。16、GPS用户通过卫星广播星历的参数可以获得的有关卫星星历参数共16个，其中包括1个参考时刻，6个相应参考时刻的开普勒轨道参数和9个反映摄动力影响的参数。17、卫星的预报星历、后处理星历是用跟踪站以往时间的观测资料推求的参考轨道参数为基础，并加入轨道摄动项改正而外推的星历。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。这种星历通常是在事后向用户提供的在用户观测时的卫星精密轨道信息，因此称后处理星历或精密星历。该星历的精度目前可达分米。后处理星历一般不通过卫星的无线电信号向用户传递，而是通过磁盘、电视、电传、卫星通讯等方式有偿地为所需要的用户服务。18、导航电文导航电文：是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）。19、数据块1、数据块2、数据块3第一数据块位于第1子帧的第3—10字码。包括：标识码，时延差改正；数据龄期AODC；卫星时钟改正系数；星期序号数据块22个时间参数：①从星期日子夜零时开始度量的星历参考历元toe；②外推星历时的外推时间间隔AODE，亦即星历数据的龄期，它可反映外推星历的可靠程度。数据块3第三数据块包括第4和第5两个子帧，其内容包括了所有GPS卫星的历书数据。当接收机捕获到某颗GPS卫星后，根据第三数据块提供的其他卫星的概略星历、时钟改正、卫星工作状态等数据，用户可以选择工作正常和位置适当的卫星，并且较快地捕获到所选择的卫星.20、C/A码：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=0.97752s,（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。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。21、GPS接收机的分类：22、接收机对天线的要求：天线和前置放大器应密封一体，以保障其工作正常，减少信号损失；能够接收来自任何方向的卫星信号，不产生死角；有防护与屏蔽多路径效应的措施；天线的相位中心保持高度的稳定，并与其几何中心尽量一致。23、接收机的组成接收机天线单元、接收机主机单元、电源24、接收天线的类型：1.单极或偶极天线：属于单频天线，结构简单，体积小，通常安装在一块基板上，减弱多路径影响。2.四线螺旋形或螺旋形结构天线：属于单频天线，结构较单极天线复杂，生产中难以调整，但增益性好，一般不需底板。3.锥形天线：也称盘旋螺线型天线。可同时在两个频道上工作，优点是增益性好，但天线较高，螺旋线在水平方向上不完全对称，天线的相位中心和几何中心不完全重合。4.带扼流圈的振子天线：简称扼流圈天线。1987年由美国航空航天局（NASA）研制。主要特点是可有效地抑制多路径误差的影响。缺点是体积大，重量重。5.微波传输带型天线：简称微带天线。结构最为简单和坚固，即可用于单频，也可用于双频，天线高度低，是安装在飞机上的理想天线。缺点是增益性低，但可采用低噪声前置放大器加以弥补.24、接收机的主要任务当GPS卫星在用户视界升起时，接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星，并能够跟踪这些卫星的运行；对所接收到的GPS信号，具有变换、放大和处理的功能；测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出CPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。25、GPS定位原理：GPS定位是利用测距交会的原理确定测点位置的。GPS卫星发射测距信号和导航电文，导航电文中含有卫星的位置信息。用户用GPS接收机在某一时刻同时接收三颗以上的GPS卫星信号，测量出测站点(接收机天线中心)户至三颗以上GPS卫星的距离并解算出该时刻GPS卫星的空间坐标，据此利用距离交会法解算出测站户的位置。26、依据测距的原理，其定位原理与方法主要有：伪距法定位载波相位测量定位差分技术27、伪距测量伪距法定位：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。伪距：就是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量测距离。由于卫星钟、接收机钟的误差以及无线电信号经过电离层和对流层中的延迟，实际测出的距离与卫星到接收机的几何距离有一定差值，因此一般称量测出的距离为伪距。28、伪距法定位的数学模型的各项含义：29、接收机k是对卫星j的载波相位测量的观测方程各部分的含义：jk=f(ρ-δρ1-δρ2）/c-fδtb+fδta+Njk30、整周未知数的确定:1.伪距法2.将整周未知数当做平差中的待定参数—经典方法3.多普勒法(三差法)4.快速确定整周未知数法31、周跳：周跳:如果在跟踪卫星过程中，由于某种原因，如卫星信号被障碍物挡住而暂时中