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1、GPS测量原理及应用考试重点第一讲：现有的全球卫星导航系统包括哪些？GPS卫星导航系统/GLONASS全球卫星导航系统/伽利略GNSS系统/compass导航定位系统GPS全球定位系统的组成？3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。GPS全球定位系统的三大主要功能？定位、授时、测速。GPS应用军事上的应用：协同作战方面：GPS可为各级指挥系统提供各种目标及事件所发生的时间和地点；导弹的制导，提高命中目标的精度；搜索、救援人员野外定位。海陆空的导航应用：海洋运输，利用GPS提供的位置信息，选择最佳路径，节省时间，燃料，并保障安全；陆地车辆导航
2、。定位：大地测量和工程测量的应用。授时：电力系统的并网发电。其他：农业、气象（预报）、休闲等，例如精细农业。第二讲：坐标系统和时间系统描述卫星和地面观测站的空间位置，应分别采用何种坐标系？原因是什么？1， 描述卫星的位置天球坐标系2， 描述地球上的点的位置地球坐标系3， 原因：P16GPS系统使用的是哪种坐标系统？WGS-84坐标系统 P22目前使用的时间系统有哪些主要分类？恒星时和太阳时：地球的周期性自转。历书时：地球的周期性公转。原子时：原子核外电子能级跃迁时辐射的电磁波的频率。P28恒星时：选取春分点作为参考点，用它的周日视运动周期来描述时间的时间计量系统。太阳时：选取太阳作为参考点，用
3、它的周日视运动周期来描述时间的时间计量系统。平太阳时：以平太阳的周日视运动为基础建立的时间系统。第三讲：卫星运动基础及GPS卫星星历卫星的受摄运动与无摄运动：P3236二体问题：P32二体问题：将地球和卫星视为两个质点，仅考虑地球质心引力研究卫星运动规律。6个积分常数：a-为开普勒椭圆的长半径 ；es 轨道椭圆的偏心率；i 轨道倾角，即卫星轨道平面与地球赤道面之间的夹角； 升交点赤经，即在地球赤道平面上升交点与春分点之间的地心夹角，它是卫星由南向北运行时，其轨道通过赤道面的交点；ws 近地点角距，即在轨道平面上升交点与近地点之间的地心角距；fs 卫星的真近点角，即在轨道平面上卫星与近地点之间的
4、地心角距。卫星的受摄运动在摄动力的影响下，卫星偏离理想轨道的运动。地球的非中心引力地球的非球性及其质量分布不均匀而引起的作用力。太阳的辐射压力与卫星、太阳、地球之间的相对位置有关，与卫星的反射特性，卫星的解面积质量比有关。大气阻力取决于大气密度，卫星的断面与质量比，卫星的速度。磁力（卫星在地球的磁场中运动产生的电磁力）。考虑了摄动力后，卫星的轨道参数随时间变化，不再为常数。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。卫星受到的摄动力：P36卫星星历的概念与分类：P39
5、卫星星历：一组对应某一时刻的轨道参数及其变率。由星历可计算出任一时刻的卫星位置及其速度。分类：预报星历（广播星历）、后处理星历（精密星历）。第四讲：GPS卫星的导航电文和卫星信号卫星星历、导航电文与卫星信号的关系：卫星信号：卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波，包含载波；测距码；数据码。导航电文包括：卫星星历；时钟改正；电离层时延改正；工作状态信息；C/A码转换捕获P吗的信息等。卫星星历：描述卫星运动轨道的信息(1)开普勒6参数 (2)轨道摄动9参数 (3)时间2参数星历参考时刻 &星历数据龄期。GPS卫星信号主要由哪几部分组成？它们相互之间有什么关系？GPS卫星信号：是GPS卫星向广大用
6、户发送的用于导航定位的调制波。包括： 1. 载波 2. 测距码（C/A码和P码） 3. 数据码（D码，导航电文）测距码作用：1给用户传送导航电文（D码）；2用于测量信号接收天线和GPS卫星之间的距离；3用于识别来自不同GPS卫星而同时到达接收天线的GPS信号。GPS卫星导航电文中主要包含哪些信息？卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、工作状态信息、C/A码转换到捕获P码的信息、其它卫星的星历。使用L 波段的优点：减少拥挤，避免“撞车” - 频率占用率低适应扩频，传送宽带信号；卫星高轨运行能获较大的多普勒频移- 有利于测量用户的行驶速度；大气衰减小，有益于研制用户设备 。第四讲：GPS信号接收机G
7、PS信号接收机概念：一种能够接收、跟踪、变换和测量GPS卫星导航定位信号的无线电接收设备，既具有无线电接收设备的共性，又具有捕获、跟踪和处理微弱的GPS卫星信号的特性。GPS接收机的组成（三部分）：P53最下面一段。GPS接收机信号通道的类型：P53中间部分。按通道数分：多通道接收机：具有多个信号通道，每个通道只能连续跟踪一个卫星信号。序贯通道接收机：通常只有12个通道，在软件控制下，按时序依次对卫星信号进行跟踪和量测。量测一个循环所需时间较长。多路多用通道接收机：通常只有12个通道，在软件控制下，按时序依次对卫星信号进行跟踪和量测。量测一个循环所需时间较短。 GPS接收机的主要任务：当GPS
8、卫星在用户视界升起时，捕获到待测卫星，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，测量出信号从卫星到接收天线的传播时间；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。GPS接收机的工作原理：码相关技术、平方技术、综合型技术。码相关技术的特点：优点： - 既可进行伪距测量，又可进行载波相位测量，并能获得导航电文 - 良好的信噪比缺点：- 用户须掌握伪随机码的结构。但由于美国的SA政策，一般用户无法采用码相关技术获得L2载波的观测值，因而不能通过双频技术来减弱电离层折射的影响GPS信号接收机基本性能检验的方法：1. 零基线检验2
9、. 超短基线检验第五讲：GPS卫星定位基本原理（一）GPS卫星定位的基本原理：P58 作业本。码相关伪距测量的原理：卫星依据自己的时钟发出一个测距码，经过时间后到达接收机；接收机产生一组结构完全相同的复制码，并通过时延器使其延迟时间；将两组测距码进行相关处理，直到两组测距码的自相关系数 R()=1为止，此时，复制码已和测距码对齐，复制码的延迟时间 就等于卫星信号的传播时间；将 乘上光速c后即可求得卫星至接收机的伪距。伪距测量的原理：P59三种时间系统：各颗GPS卫星的时间标准；各台GPS信号接收机的时间标准；统一上述时间标准的GPS时间系统。 伪噪声码从卫星到接收天线的传播时间： 伪噪声码从卫
10、星到达接收天线的时元T 伪噪声码在其卫星的发射时元tdt 卫星时钟相对于GPS时间系统的时间偏差（可根据导航电文求得）dT 接收机时钟相对于GPS时间系统的时间偏差（接收机钟差）根据图示标出伪噪声码的真实传播时间与观测时间：伪噪声码的真实传播时间：(tr-ts)卫星到接收天线的真实距离：卫星到接收天线的“伪距（pseudorange）”：考虑电离层/对流层影响的伪距值：C (dt dT ) 时钟偏差引起的距离偏差；dion电离层效应引起的距离偏差；dtrop对流层引起的距离偏差。在载波相位测量中，确定整周未知数主要有哪些方法？P63伪距测量和载波相位测量的观测方程中各项的意义，以及两个观测方程
11、的联系？P61伪距测量的基本方程：上式中有4个未知数（用户三维坐标和接收机的钟差dT ）。这样在任何一个观测瞬间，用户至少需要同时观测4颗卫星，以便解算4个未知数。载波相位测量的观测方程：接收机 k 对卫星 j 的载波相位测量的观测方程： f：接收机产生的固定参考频率 c: 光速 ：卫星至接收机之间的距离（未知数） 1：电离层影响 2：对流层影响 ta ：卫星钟差 tb ：接收机钟差（未知数）伪距测量与载波相位测量的观测方程的联系：由于l=c/f，则：所以，得：第五讲：GPS卫星定位基本原理（二）GPS绝对定位与相对定位的概念:GPS绝对定位：也叫单点定位，即直接确定用户接收机天线在WGS-8
12、4坐标系中相对于坐标系原点地球质心的绝对位置。GPS相对定位：用两台GPS接收机分别安置在基线的两端，同步观测相同的GPS卫星，以确定两台接收机天线之间的相对位置（坐标差）。GPS绝对定位的精度：受卫星轨道误差、钟差以及信号传播误差等影响，定位精度较低。- 静态绝对定位精度约为米级 - 动态绝对定位精度为1040m。绝对定位精度的评价：1， 所测卫星在空间的几何分布。2， 观测量的精度（在测量误差一章中介绍）。3， 精度因子的值与所测卫星的几何分布有关。4， 几何精度因子与测站与4颗观测卫星所构成的六面体的体积成反比，即GDOP 1 / V 。5， 一般地，六面体体积越大，GDOP值越小。静态
13、相对定位中观测值的一次差、二次差、三次差：分别能消除什么？P71单差：站间差分。双差：站间、星间二次差。三差：站间、星间、历元间三差。DOP（精度因子）：精度因子（DOP，dilution of precision）：伪距解算时权系数阵中主对角线元素的函数。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GDOP(=(PDOP2+TDOP2)1/2)。第五讲：GPS卫星定位基本原理（三）差分GPS的原理：至少需两台接收机，分别在运动载体和基准站上。两台接收机同步观测一组卫星，基准接收机为动态接收机提供差分改正数（DGPS数
14、据），动态接收机根据自己的观测值和差分改正数，精确解算用户的三维坐标。查分GPS优缺点：优点： 实时消除误差，实现精密定位。 缺点：需要额外的接收设备。DGPS有哪些分类？P77 作业本。差分GPS可分为单站差分（位置差分、伪距差分、载波相位差分）、具有多个基准站的局部区域差分、广域差分。按数据处理方式：实时DGPS测量、后处理DGPS测量（如GPS航空摄影测量技术）DGPS数据链：基准接收机的DGPS数据无线电发送机，与动态接收机的DGPS数据无线电接收机，构成了DGPS数据链。DGPS数据链的组成：调制解调器、无线电电台、通过RS-232-C接口与信号接收机相连。伪距差分原理：根据基准站精
15、确坐标和测出的卫星地心坐标，求出卫星至基准站的真正距离，计算伪距改正数及其变化率；用户根据伪距改正数及其变化率求出改正后的伪距，计算用户接收机坐标。伪距差分定位精度高的原因：消除了GPS卫星时钟偏差的精度损失（用户接收机计算出的伪距同伪距改正数中的钟差相互抵消）能够显著减小甚至消除电离层/对流层效应和星历误差的精度损失。网络RTK的原理、组成、功能：P82第六讲：GPS卫星定位基本原理GPS卫星导航惯性参考系：牛顿第一定律：没有受到外力作用的物体，保持匀速直线运动或静止状态不变，直到有外力迫使它改变这种状态为止。牛顿第二定律：物体的加速度跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向和力的方
16、向一致。惯性参考系：牛顿第一定律和第二定律都能成立的参考系。非惯性参考系：对惯性系作加速运动或转动的参考系，牛顿运动定律不能成立。惯性导航系统（INS）基本工作原理：通过测量运动载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置信息等。P96（用GPS重调惯性导航）两种方式的比较：短时间情况下，第二种方式精度较高；长时间工作时，由于惯导误差随时间增长，因此惯导输出的加权减小，性能和第一种方式基本相同。ppp定位原理与误差：在GPS定位中,主要的误差来源于三类：轨道误差、卫星钟差、电离层延时。只要给定卫星的精密轨道和精密钟差,采用
17、精密的观测模型,就能像伪距一样,单站计算出接收机的精确位置、钟差、模糊度以及对流层延时参数。采用双频接收机,可以利用LC相位组合,消除电离层延时的影响。第七讲：GPS卫星定位基本原理区分不同误差，提出解决办法:粗差的解决？尽量避免，粗差探测并修复。系统误差的解决？分析它对观测的影响规律，采取各种方法来消除系统误差，或者减小它对观测成果的影响。偶然误差的解决？进行多余观测，通过测量平差、数据处理理论，确定被认为是最可靠的结果。GPS测量的误差来源及种类与信号传播有关的误差：对流层折射、电离层折射、多路径效应。（1.5-15m）与卫星有关的误差：星历误差、卫星钟差、相对论效应。（1.5-15m）与接收机有关的误差：接收机钟差、位置误差、天线相位中心的偏差及变化、各通道间的信号延迟误差。（1.5-5m）其它误差：地球潮汐。（1. m）多路径误差 P105多路径效应是偶然误差，其他系统误差。GPS信号接收机所观测的GPS信号，是直接波和间接波合成的合成波。多路径误差：间接波对直接波的破坏性干涉而引起的站星距离误差。多路径误差的大小取决于间接波的强弱和用户接收天线抗御间接波的能力。