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GPS原理与应用考试复习重点GPS的概念:GPS是NAVSTAR/GPS的简称，全名应为NavigationSystemTimingandRanging/GlobalPositioningSystem，即“授时与测距导航系统/全球定位系统”。*GPS是以卫星为基础的无线电导航定位系统。第一章绪论1.3美国政府的GPS政策1、SA（SelectiveAvailability）政策采取SA政策的技术手段：（1）在卫星的广播星历中人为地加入误差，以降低卫星星历的精度，即ε技术。（降低已知点的坐标精度）。（2）有意识地使卫星钟频产生一种快速的抖动。产生的效果相当于降低了钟的稳定度，从而影响导航定位精度，这就是δ技术。2、AS（Anti-Spoofing）政策AS政策是美国国防部为防止敌对方对GPS卫星信号进行电子欺骗和电子干扰而采取的一种措施。具体做法是在P码上加上严格保密的W码，使其模二相加产生完全保密的Y码。（1994年1月31日起实施）。是一种防卫性的措施。一般采用Z跟踪技术就仍然能利用P码进行测距。1.4其他卫星导航定位系统：全球导航卫星系统(GLONASS)、伽利略卫星导航定位系统、我国自行研制组建的北斗卫星导航定位系统，又称无线电测向卫星业务（RDSS）系统（第一代北斗卫星导航定位系统是一种区域性的有源导航定位系统）第二章全球定位系统的组成及信号结构2.1全球定位系统的组成全球定位系统由以下三个部分组成：空间部分（GPS卫星）、地面监控部分、用户部分1、空间部分（1）GPS卫星星座：GPS卫星星座由GPS卫星组成，GPS有24颗卫星，其中21颗为工作卫星，3颗为备用卫星。它们均匀分布在倾角为550的6个轨道上，轨道平均高度约20200km。每个轨道均匀分布4颗卫星，卫星轨道面相对地球赤道面的倾角为550，各轨道平面升交点的赤经相差600。卫星运行周期为11h58min，卫星速度为3800m/s。（2）GPS卫星GPS卫星的基本功能接收并存储来自地面监控系统的导航电文；在原子钟的控制下自动生成测距码（C/A码和Y码）和载波；采用二进制相位调制法将测距码和导航电文调制在载波上播发给用户；按照地面控制系统的命令调整轨道，调整卫星钟，修复故障或启用备用件以维护整个系统的正常工作。2、地面监控部分：它由1个主控站、3个注入站、5个监测站以及通信和辅助系统组成。3、用户部分：用户部分由用户及GPS接收机（包括天线、电源、输入输出设备等）等仪器设备组成。根据用途的不同，GPS接收机可分为导航型接收机、测量型接收机、授时型接收机；按接收的卫星信号频率数可分为单频接收机、双频接收机。2.2GPS卫星的信号结构GPS卫星发射的信号由三部分组成：载波、测距码、导航电文。1、载波：可运载调制信号的高频振荡波。L1载波：由卫星上的原子钟所产生的基准频率f0倍频154倍后形成的。频率f1=1575.42MHz，波长λ1=19.03cmL2载波：由卫星上的原子钟所产生的基准频率f0倍频120倍后形成的。频率f2=1227.6MHz，波长λ2=24.42cm采用两个不同频率载波的主要目的是：为了较完善地消除电离层延迟。采用高频率载波的目的是：为了更精确地测定多普勒频移和载波相位（对应的距离值），从而提高测速和定位的精度，减少信号的电离层延迟。2、测距码：用于测定从卫星至接收机间的距离的二进制码。根据性质和用途的不同，测距码可分为：粗码（C/A码）和精码（P码或Y码）两类。3、导航电文：导航电文是由GPS卫星向用户播发的一组反映卫星在空间的位置、卫星的状态、卫星钟的修正参数、电离层延迟修正参数等重要数据的二进制代码，也称数据码（D码）。第三章GPS定位中的误差源3.1概述误差分类GPS定位中出现的各种误差从误差源来讲大致可分为以下三类：与卫星有关的误差、与信号传播有关的误差、与接收机有关的误差。1、与卫星有关的误差（1）卫星星历误差：由卫星星历所给出的卫星位置与卫星的实际位置之差称为卫星星历误差。星历误差的大小主要取决于：卫星定轨系统的质量，如定轨站的数量及其地理分布，观测值的数量及精度，定轨时所用的数学力学模型和定轨软件的完善程度等。（2）卫星钟的钟误差（3）相对论效应：由于卫星钟和接收机钟所处的状态（运动速度和重力位）不同而引起两台钟之间产生相对误差的现象。2、与信号传播有关的误差（1）电离层延迟：带电离子的存在将影响无线电信号的传播，使传播速度发生变化，传播路径产生弯曲，从而使得信号传播时间⊿t与真空中光速c的乘积ρ=⊿t·c不等于卫星至接收机的几何距离，产生所谓的电离层延迟。（2）对流层延迟：通常是泛指电磁波信号在通过高度在50km以下的未被电离的中性大气层时所产生的信号延迟。（3）多路径误差：经某些物体表面反射后到达接收机的信号如果与直接来自卫星的信号叠加干扰后进入接收机，就将使测量值产生系统误差，这就是所谓的多路径误差。多路径误差取决于测站周围的环境、接收机的性能以及观测时间的长短。3、与接收机有关的误差（1）接收机钟的钟误差（2）接收机的位置误差（3）接收机的测量噪声3.4卫星星历误差1、卫星星历：是描述有关卫星运行轨道的数据。精确的描述轨道的一组数据（星历）是精密导航和定位的基础。卫星星历的提供方式一般有两种：预报星历（广播星历）：GPS卫星的广播星历是由全球定位系统的地面控制部分所确定和提供的，经GPS卫星全球所有用户公开播发的一种预报星历，其精度较差。后处理星历（精密星历）：是为满足大地测量、地球动力学研究等精密应用领域的需要而研制、生产的一种高精度的事后星历。2、卫星星历误差：由卫星星历所给出的卫星轨道与卫星的实际轨道之差。3.5电离层延迟1、电离层的影响：对于GPS测量，因电离层折射引起电磁波传播路径的距离差，沿天顶方向最大可达50米，沿水平方向最大可达150米。如此大的偏差，无论对定位或导航都必须加以考虑。2、减弱电离层影响的有效措施（1）利用两种不同的频率（双频接收机）进行观测利用双频计算可以有效地减弱电离层折射的影响。目前，高精度卫星导航和定位，普遍采用双频观测技术。卫星信号所受到的电离层延迟与信号频率f的平方成反比。如果卫星能同时用两种频率来发射信号，那么这两种不同频率的信号就将沿着同一路径传播到达接收机。如果我们能精确确定这两种不同频率的信号到达接收机的时间差，就能分别反推出它们各自所受到的电离层延迟。这种方法称为双频改正法。（2）利用电离层模型加以改正（3）两个观测站同步观测量求差3.6对流层延迟1、基本原理：书P642、常用的集中对流程延迟模型：霍普菲尔德（Hopfield）模型、萨斯塔莫宁（Saastamoinen）模型、勃兰克（Black）模型3、改正方法：（1）利用模型加以改正实测地区气象资料，利用模型改正，能减少对流层对电磁波延迟达92%-93%。（2）利用基线两端同步观测求差当基线较短，气象条件较稳定时，可以更好地减弱大气折射的影响。3.7多路径误差消除和削弱多路径误差的方法和措施（1）选择合适的站址：选站时应避免附近有大面积平静的水面；测站不易选在山坡上；测站附近有高层建筑物时，卫星信号会通过墙壁反射而进入天线，选站时应注意离开这些建筑物，观测时，汽车也不要停放得离测站过近。（2）选择合适的GPS接收机：在天线下设置抑径板或抑径圈；接收机天线对极化方向相反的反射信号应有较强的抑制能力；改进接收机的软、硬件。（3）适当延长观测时间。第四章距离测量与GPS定位4.1利用测距码测定卫地距利用测距码测定卫地间的伪距的基本原理如下：首先假设卫星钟和接收机钟均无误差，都能与标准的GPS时间保持严格同步。在某一时刻t卫星在卫星钟的控制下发出某一结构的测距码，同时接收机在接收机钟的控制下产生或者说复制出结构完全相同的测距码（简称复制码）。由卫星所产生的测距码经△t时间的传播后到达接收机并被接收机所接收。由接收机所产生的复制码则经过一个时间延迟器延迟时间τ后与接收到的卫星信号进行比对。如果这两个信号尚未对齐，就调整延迟时间τ，直至这两个信号对齐为止。此时复制码的延迟时间τ就等于卫星信号的传播时间△t，将其乘以真空中的光速C后即可得卫地间的伪距ρ：ρ=τ․C=△t․C4.2载波相位测量1、重建载波：在进行载波相位测量前，首先要进行解调工作，设法将调制在载波上的测距码和导航电文去掉，重新恢复载波。这一工作称为重建载波。方法：码相关法、平方法、互相关技法、Z跟踪技术。2、载波相位测量原理：若某卫星S发出一载波信号。在某一瞬间，该信号在接收机R处的相位为ΨR，在卫星S处的相位为ψs。则卫地距为：ρ=λ(ψs-ΨR)。（载波相位测量实际上就是以波长λ作为长度单位，以载波作为一把“尺子”来量测卫星至接收机的距离。）在ρ=λ(ψs-ΨR)中，实际上无法测量到ψs。解决办法是：接收机的震荡器能产生一个频率和初相与卫星的载波信号完全相同的基准信号即可。设基准信号的相位为ΦR，则卫地距为：ρ=λ(ψs-ΨR)=λ(ΦR-ΨR)4.3观测值的线性组合1、同类型同频率观测值的线性组合一次差（单差）：是将直接观测值相减的过程。所获得的结果被当作虚拟观测值。可在卫星间求一次差，在接收机间以及不同历元间求差。二次差：一次差继续求差，称为二次差。如在接收机间求一次差后再在卫星间求二次差。三次差：二次差继续求差，只有一种方法，即在接收机、卫星和历元间求三次差。实际上多采用的是求差法有三种：（1）在接收机间求一次差：不同观测站同步观测相同的卫星所得观测量之差，称为一次差观测值或单差观测值。单差的一个重要优点是：卫星的钟差影响已经消除；此外，轨道误差，大气折射误差等系统误差的影响也明显减弱。（2）在接收机和卫星间求二次差：不同观测站同步观测一组卫星所得单差之差。主要优点是：能进一步消除接收机钟差的影响。在实际测量工作中，普遍采用双差模型进行相对定位。（3）在接收机、卫星和观测历元间求三次差：在不同历元，同步观测同一组卫星所得双差观测量之差。优点：可消去整周模糊度参数。在GPS测量中，广泛采用双差固定解而不采用三差解。2、同类型不同频率观测值的线性组合载波相位观测值的线性组合：（1）宽巷(Widelane)观测值：φΔ=φ1-φ2宽巷观测值的波长达86cm，很容易准确确定其整周模糊度。（2）窄巷观测值：φΔ=φ1+φ2波长10CM，用于测量精度更高。（3）无电离层折射延迟观测值：LCnf1+mf2=04.4周跳的探测及修复完整的载波相位是由N、Fr(Φ)和Int(Φ)三部分组成的。1、周跳：整周计数Int(Φ)出现系统偏差而不足一周的部分Fr(Φ)仍然保持正确的现象称为整周跳变，简称周跳。引起整周计数暂时中断的原因很多。例如：卫星信号被某障碍物阻挡而无法到达接收机；由于外界干扰或接收机所处的动态条件恶劣而引起卫星信号的暂时失锁等。上述现象都将使接收机在一段时间内无法接收到卫星信号（当然也就无法生成差频信号），从而引起计数的暂时中止。只要在下一个观测历元ti已恢复对卫星信号的跟踪（能生成差频信号），则不足一周的部分Fr(Φ)就可量测并获得正确的观测值。若信号丢失的时间很长，下一观测历元ti仍不能恢复对卫星信号的跟踪，则该历元的Fr(Φ)也无法获得。幻灯片442、周跳的探测及修复：高次差法、多项式拟合法、用双频P码伪距观测值来探测、修复周跳。4.5单点定位GPS定位方法分类按参考点的不同位置分为：绝对定位（或单点定位）、相对定位按GPS接收机在测量中所处的状态，则定位方法又可分为：动态定位、静态定位1、单点定位：根据卫星星历以及一台GPS接收机的观测值来独立确定该接收机在地球坐标系中的绝对坐标的方法称为单点定位，也称绝对定位。（在WGS-84坐标系中，确定观测站相对于地球质心（原点）的位置。）广泛应用于导航和大地测量。2、坐标系：单点定位中所确定的站坐标应属卫星星历所采用的坐标系。GPS卫星的广播星历采用的是1984年世界大地坐标系WGS-84.4.6相对定位相对定位:确定同步跟踪相同的GPS卫星信号的若干台接收机之间的相对位置(坐标差,即ΔX、ΔY