GPS测量原理及其应用教案.docx

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1、第 1 次 课日期周次星期学时一、教学目的：使学生了解 GPS 定位系统的历史,把握 GPS 的组成。二、教学内容：第一章 绪论1。1GPS 定位系统的历史(1早期的卫星定位技术（2） 子午卫星导航(多普勒定位)系统及其缺陷（3） GPS 全球定位系统的建立1。2GPS 的组成GPS 系统包括三大局部：（1） 空间局部GPS 卫星星座；（2） 地面把握局部地面监控系统；（3） 用户设备局部-GPS 信号接收机1。3GPS 在国民经济建设中的应用（1） GPS 系统的特点（2） GPS 系统的应用前景(3我国的 GPS 定位技术应用和进展状况三、重点难点:重点:GPS 系统的组成局部，GPS 卫

2、星信号的组成; 难点:卫星运动理论根底。四、作业与试验：1、简述 GPS 卫星定位系统的组成，并说明各局部的作用.2、简述 GPS 卫星信号产生及构成特点。3、如何计算 GPS 卫星的位置？4、什么是 GPS 的预报星历?有什么特点？5、什么是 GPS 的周密星历？有什么特点？第 2 次 课日期周次星期学时一、教学目的：本节主要介绍天球坐标系、地球坐标系和卫星测量中常用的坐标系的建立方法。二、教学内容：2.1 天球坐标系与地球坐标系1天球空间直角坐标系的定义(2天球球面坐标系的定义 (3地球直角坐标系的定义4地球大地坐标系的定义2.2 站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系1站心赤道直角坐标系

3、(2站心地平直角坐标系3)站心地平极坐标系2。3 卫星测量中常用坐标系1瞬时极天球坐标系与地球坐标系2)固定极天球坐标系平天球坐标系（3） 固定极地球坐标系-平地球坐标系（4） 坐标系的两种定义方式与协议坐标系2.4 WGS84 坐标系2.5 国家大地坐标系1.1954 年北京坐标系BJ54 旧) 坐标原点：前苏联的普尔科沃. 参考椭球：克拉索夫斯基椭球。平差方法：分区分期局部平差。存在问题： (1椭球参数有较大误差。(2参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的系统性倾斜。3几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。4)定向不明确。2。1980 年国家大地坐标系GDZ80 坐标原点:

4、陕西省泾阳县永乐镇。参考椭球:1975 年国际椭球。平差方法：天文大地网整体平差。特点：（1） 承受 1975 年国际椭球.（2） 参心大地坐标系是在 1954 年北京坐标系根底上建立起来的。（3） 椭球面同似大地水准面在我国境内最为密合，是多点定位。（4） 定向明确。（5） 大地原点地处我国中部.（6） 大地高程基准承受 1956 年黄海高程。3。 1954 年北京坐标系(BJ54 ) 1954 年北京坐标系BJ54 是由 1980 年国家大地坐标系GDZ80转换得来的。坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。参考椭球：克拉索夫斯基椭球。 平差方法：天文大地网整体平差。BJ54 的特点 : (1承受克

5、拉索夫斯基椭球。（2） 是综合 GDZ80 和 BJ54 旧 建立起来的参心坐标系。（3） 承受多点定位.但椭球面与大地水准面在我国境内不是最正确拟合。（4） 定向明确。（5） 大地原点与 GDZ80 一样，但大地起算数据不同。（6） 大地高程基准承受 1956 年黄海高程。7)与 BJ54 旧 相比，所承受的椭球参数一样,其定位相近，但定向不同。8)BJ54 旧 与 BJ54 无全国统一的转换参数，只能进展局部转换。三、重点难点:重点：各种坐标系的定义和相互关系；难点:各种坐标系定义和本质的理解 。四、作业与试验：1、GPS 定位中用到的坐标系统有哪几种？其特征是什么？第 3 次 课日期周次

6、星期学时一、教学目的：本节主要介绍天球坐标系、地球坐标系和卫星测量中常用的坐标系的建立方法。二、教学内容：2。6 坐标系统之间的转换(1不同空间直角坐标系统之间的转换(2不同大地坐标系的转换3大地坐标系和空间大地直角坐标系的换算2.7 时间系统1恒星时 ST定义： 以春分点为参考点,由它的周日视运动所确定的时间称为恒星时。计量时间单位：恒星日、恒星小时、恒星分、恒星秒;一个恒星日=24 个恒星小时=1440 个恒星分=86400 个恒星秒分类：真恒星时和平恒星时。(2平太阳时 MT定义：以平太阳作为参考点，由它的周日视运动所确定的时间称为平太阳时。计量时间单位：平太阳日、平太阳小时、平太阳分、

7、平太阳秒；一个平太阳日=24 个平太阳小时=1440 平太阳分=86400 个平太阳秒平太阳时与日常生活中使用的时间系统是全都的，通常钟表所指示的时刻正是平太阳时.(3)世界时 UT定义：以平子午夜为零时起算的格林尼治平太阳时定义为世界时 UT。(4原子时 IAT原子时是以物质内部原子运动的特征为根底建立的时间系统。原子时的尺度标准：国际制秒SI)原子时的原点由下式确定:AT=UT20.0039(s5)协调世界时 UTC为了兼顾对世界时时刻和原子时秒长两者的需要建立了一种折衷的时间系统，称为协调世界时 UTC。依据国际规定，协调世界时 UTC 的秒长与原子时秒长全都，在时刻上则要求尽可量与世界

8、时接近。协调时与国际原子时之间的关系，如下式所示： IAT=UTC+1snn 为调整参数(6GPS 时间系统 GPSTGPST 属于原子时系统，它的秒长即为原子时秒长，GPST 的原点与国际原子时 IAT 相差 19s。三、重点难点：重点:各种坐标系的定义和相互关系； 难点：各种坐标系定义和本质的理解 。四、作业与试验：1、怎样进展 WGS-84 坐标和地面网的坐标换算？第 4 次 课日期周次星期学时一、教学目的：使学生了解与卫星运动有关的几个根本概念和卫星的根本运动规律。二、教学内容：第三章 卫星运动根底及 GPS 卫星星历3.1 概述1。作用在卫星上力卫星受的作用力主要有：地球对卫星的引力

9、，太阳、月亮对卫星的引力，大气阻力， 大气光压,地球潮汐力等.虽然作用在卫星上的力很多，但这些力的大小却相差很悬殊 .假设将地球引力当作 1 的话，其它作用力均小于 105。2.二体问题争论两个质点在万有引力作用下的运动规律问题称为二体问题。3。卫星轨道和卫星轨道参数卫星在空间运行的轨迹称为卫星轨道。描述卫星轨道状态和位置的参数称为轨道参数。4。无摄运动和无摄轨道仅考虑地球质心引力作用的卫星运动称为无摄运动。无摄运动的卫星轨道称为无摄轨道。3.2 卫星的无摄运动3。2.1 卫星运动的轨道参数卫星的无摄运动可由一组经过选择的具有鲜亮几何意义的轨道参数来描述,它们是： -升交点赤经。i轨道面倾角。

10、a卫星轨道为椭圆。e卫星轨道为椭圆。近地点角距。M-平近点角。以上六个轨道参数，前 5 个是常数，不随时间变化而转变,大小由卫星放射条件所打算。3。2.2 二体问题的运动方程3.2。3 二体问题微分方程的解三、重点难点：重点：名词的定义，轨道参数的含义，二体问题的运动方程； 难点：名词定义的理解，二体问题的运动方程及求解。四、作业与试验：1、任意时刻的卫星位置及其运动速度可有哪几个元素唯一地确定？第 5 次 课日期周次星期学时一、教学目的：使学生把握 GPS 卫星的导航电文和卫星信号。二、教学内容：第四章 GPS 卫星的导航电文和卫星信号4.1GPS 卫星的导航电文4.1.1 遥测码TLW，即

11、 Telemetry Word)遥测码位于各子帧的开头,它用来说明卫星注入数据的状态，以次指示用户是否选用该颗卫星。4。1.2 转换码HOW,即 Hand Over Word)转换码位于每个子帧的其次个字码，其作用是供给帮助用户从所捕获的 C/A 码转换到捕获 P 码的 Z 计数，它表示从每星期天零时到星期六 24 小时，P 码子码 X1 的周期1。5 秒重复数。4.1 。3 第一数据块第一数据块位于第 1 子帧的第 310 字码，它的主要内容包括：标识码，时延差改正;星期序号;卫星安康状况；数据龄期；卫星时钟改正系数等。4。1.4 其次数据块包含第 2 和第 3 子帧，其内容表示GPS 卫星

12、的星历，这些数据为用户供给了有关计算卫星运动位置的信息。4。1.5 第三数据块第三数据块包括第 4 和第 5 两个子帧,其内容包括了全部 GPS 卫星的历书数据。4.2 GPS 卫星信号GPS 卫星信号是 GPS 卫星向宽阔用户发送的用于导航定位的调制波，它包含有：载波、测距码和数据码。4。2.1 伪随机噪声码的产生及特性伪随机噪声码又叫伪随机码或伪噪声码，简称 PRN，是一个具有确定周期的取值 0和 1 的离散符号串。它不仅具有高斯噪声全部的良好的自相关特征,而且具有某种确定的编码规章。三、重点难点:重点：GPS 卫星的导航电文；难点：伪随机噪声码的产生及特性。四、作业与试验:无第 6 次

13、课日期周次星期学时一、教学目的：使学生把握 GPS 卫星的导航电文和卫星信号.二、教学内容:第四章 GPS 卫星的导航电文和卫星信号4.3GPS 卫星位置的计算(1计算卫星运行的平均角速度 n2)计算归化时间 tk（3） 观测时刻卫星平近点角 Mk 的计算（4） 计算偏近点角 Ek（5） 真近点角 Vk的计算（6） 升交距角k 的计算（7） 摄动改正项u,r，i 的计算8)计算经过摄动改正的升交距角 u 、卫星矢径 r和轨道倾角 ikkk9)计算卫星在轨道平面坐标系的坐标（10） 观测时刻升交点经度k 的计算（11） 计算卫星在地心固定坐标系中的直角坐标（12） 卫星在协议地球坐标系中的坐标计

14、算4。4 GPS 接收机根本工作原理4。4.1 GPS 接收机的分类4。4。2 GPS 接收机的组成及工作原理GPS 接收机主要由 1、GPS 接收机天线单元；2、GPS 接收机主机单元；3、电源三局部组成。三、重点难点：重点：GPS 接收机根本工作原理； 难点：GPS 卫星位置的计算。四、作业与试验：无第 7、8 次 课日期周次星期学时一、教学目的:介绍伪距测量和载波相位测量的根本原理。二、教学内容：第五章 GPS 卫星定位根本原理5.1 概述GPS 卫星定位根本原理:卫星不连续地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信息

15、。实际上是将卫星作为动态空间点,利用距离交会的原理确定接收机的三维位置.GPS 定位的各种常用的观测量:1) L1 载波相位观测值2 L2 载波相位观测值3) 调制在 L1 上的 C/A-code 伪距4 调制在 L2 上的 P-code 伪距(5 Dopple 观测值5。2 伪距测量伪距定义:GPS 接收机对测距码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对 C/A 码测得的伪距称为 C/A 码伪距，精度约为 20 米左右，对 P 码测得的伪距称为 P 码伪距，精度约为 2 米左右.5。2。1 伪距测量伪距测量的其本方法:（1） 接收机至卫星的距

16、离借助于卫星放射的码信号量测并计算得到的；（2） 接收机本身按同一公式复制码信号；（3） 比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟的时间t；（4） 延迟时间乘以光速就是距离观测值 D=Ct。5.2。2 伪距定位观测方程伪距定位根本观测方程：r = r + C Dt考虑电离层、对流层、钟差影响有:r = r + dr + dr+ cd t- cd t j12k5.3 载波相位测量5。3.1 载波相位测量原理载波信号量测精度优于波长的 1/100，载波波长L1=19cm, L2=24cm比 C/A 码波长(C/A=293m短得多,所以 GPS 测量承受载波相位观测值可以获得比伪距(C/A 码或 P

17、 码 定位高得多的成果精度。5.3 。2 载波相位测量的观测方程载波相位根本观测方程：F j (t ) = Dj+ N J初始相位观测值k000F j (t ) = j j (t ) -j j (t ) + N J + Int(j)t 时刻相位观测值kikiki0i5.3.3 整周跳变修复5.4 GPS 确定定位与相对定位5.5 差分 GPS 定位原理三、重点难点：重点：GPS 确定定位与相对定位； 难点：载波相位测量的观测方程。四、作业与试验：1、简述载波相位测量的根本原理.第 9 次 课日期周次星期学时一、教学目的：使学生把握 GPS 测量的误差来源及其影响。二、教学内容：第六章 GPS

18、测量的误差来源及其影响6。1 GPS 测量的主要误差分类GPS 测量的主要误差分类:1与卫星有关误差：卫星星历误差即轨道偏差，卫星钟差,相对论效应。(2)信号传播误差：电离层延时，对流层延时，多路径效应。3)观测及接收设备误差：接收机钟差,接收机噪声，天线相位中心误差，天线安置误差。4)其它误差：地球固体潮，地球海潮，美国 SA 政策。6.2 与信号传播有关的误差与卫星信号有关的误差主要包括大气折射误差和多路径效应。6。3 与卫星有关的误差与 GPS 卫星有关的误差主要包括：卫星的轨道误差和卫星钟的误差。6。4 与接收机有关的误差与 GPS 接收机设备有关的误差主要包括：观测误差，接收机钟差，

19、天线相位中心误差和载波相位观测的整周不定性影响.6。5 其它误差6。5。1 地球自转的影响6。5.2 地球潮汐改正三、重点难点：重点：GPS 测量的主要误差；难点：GPS 测量误差的影响确定。四、作业与试验:1、争论：如何应用原始观测量的非差分模型，进展高精度定位争论?第 10、11 次 课日期周次星期学时一、教学目的：学会局部性的 GPS 把握网的图形设计，把握 GPS 测量技术设计书的编写。二、教学内容：第七章 GPS 测量的设计与实施7.1 GPS 测量的技术设计7。1.1 GPS 网技术设计的依据1.GPS 测量标准(规程)1全球定位系统GPS测量标准 (2全球定位系统城市测量技术规程

20、3各行业部门的其他 GPS 测量规程或细则2测量任务书7。1.2 GPS 网的精度, 密度设计7。1。3 GPS 网的基准设计1. 基准设计的定义：在 GPS 网的技术设计中，必需明确 GPS 网的成果所承受的坐标系统和起算数据的工作，称为 GPS 网的基准设计。GPS 网的基准包括位置基准、方位基准和尺度基准。2. 基准设计应考虑的几个问题:1)应在地面坐标系中选定起算数据和联测原有地方把握点假设干个 ,用以转换坐标。（2） 对 GPS 网内重合的高等级国家点或原城市等级把握点,除未知点连结图形观测外,对它们也要适当地构成长边图形。（3） 联测的高程点需均匀分布于网中,对丘陵或山区联测高程点

21、应按高程拟合曲面的要求进展布设。（4） 建 GPS 网的坐标应尽可能与测区过去承受的坐标全都. 7。1.4 GPS 网的图形设计7。2 GPS 测量的外业预备及技术设计书编写7.2.1 测区踏勘测区踏勘主要了解以下状况:1、交通状况；2、水系分布状况;3、植被状况；4、把握点分布状况；5、居民点分布状况;6、当地风俗民情。7.2.2 资料收集1、各类图件；2、各类把握点成果;3、测区有关的地质、气象、交通、通讯等方面的资料;4、城市及乡、村行政区划表。7.2.3 设备、器材筹备及人员组织设备、器材筹备及人员组织包括以下内容：1、筹备仪器、计算机及配套设备； 2、筹备机动设备及通讯设备； 3、筹

22、备施工器材，打算油料，材料的消耗；4、组建施工队伍,拟定施工人员名单及岗位;5、进展具体的投资预算.7.2.4 拟定外业观测打算 1拟定观测打算的主要依据：（1） GPS 网的规模大小；（2） GPS 卫星星座几何图形强度； (3参与作业的接收机数量；4交通、通讯及后勤保障。2观测打算的主要内容：1)编制 GPS 卫星的可见性预报图；(2选择卫星的几何图形强度； (3选择最正确观测时断；4观测区域的设计与划分;5)编排作业调度表;作业调整度表见表 8-6.7.2.5 设计 GPS 网与地面网的联测方案GPS 网与地面网的联测，可依据测区地形变化和地面把握点的分布而定，一般在 GPS 网中至少要

23、重合观测三个以上的地面把握点作为约束点。7.2.6 GPS 接收机选型及检验7.2.7 技术设计书编写资料收集全后,编写技术设计，主要编写内容如下： 1.任务来源及工作量包括 GPS 工程的来源、下达任务的工程、用途及意义;GPS 测量点的数量(包括定点数、约束点数、水准点数、检查点数;GPS 点的精度指标及坐标、高程系统.2。测区概况测区隶属的行政管辖；测区范围的地理坐标，把握面积；测区的交通状况和人文地理;测区的地形及气候状况；测区把握点的分布及对把握点分析、利用和评价。3. 布网方案GPS 网点的图形及根本连接方法;GPS 网构造特征的测算；点位布设图的绘制。4。选点与埋标GPS 点位的

24、根本要求；点位标志的选用及埋设方法;点位的编号等。5。观测对观测工作的根本要求；观测纲要的制定;对数据采集提出留意的问题6.数据处理数据处理的根本方法及使用的软件；起算点坐标的打算方法，闭合差检验及点位精度的评定指标.7。完成任务的措施要求措施具体,方法牢靠，能在实际工作中贯彻执行.三、重点难点:重点：1。介绍 GPS 测量技术设计的依据；2.介绍 GPS 测量的标准；3.介绍 GPS 测量的图形设计。难点：GPS 的图形设计。四、作业与试验：1、简述介绍 GPS 测量技术设计的一般要求和设计指标。第 12 次 课日期周次星期学时一、教学目的：学会常规 GPS 测量数据处理方法及步骤.二、教学

25、内容：第八章 GPS 测量数据处理8.1 GPS 基线向量的解算GPS 接收机采集记录的是 GPS 接收机天线至卫星伪距、载波相位和卫星星历等数据。假设采样间隔为 20 秒，则每 20 秒记录一组观测值，一台接收机连续观测一小时将有 180 组观测值.观测值中有对 4 颗以上卫星的观测数据以及地面气象观测数据。GPS 数据处理要从原始的观测值动身得到最终的测量定位成果，其中数据处理过程大致分为 GPS 测量数据的基线向量解算、GPS 基线向量网平差以及 GPS 网平差或与地面网联合平差等几个阶段。8。1。1 法方程的组成及解算8.1。2 精度评定8.1。3 基线向量解算结果分析基线向量的解算是

26、一个简洁的平差计算过程。实际处理时要顾准时段中信号连续引起的数据剔除、劣质观测数据的觉察及剔除、星座变化引起的整周未知参数的增加，进一步消退传播延迟改正以及对接收机钟差重评估等问题.基线处理完成后应对其结果作以下分析和检核：1、观测值残差分析。平差处理时假定观测值仅存在偶然误差。理论上,载波相位观测精度为 1周，即对 L1 波段信号观测误差只有 2mm。因而当偶然误差达 1cm 时,应认为观测值质量存在系统误差或粗差。当残差分布中消灭突然的跳变时，说明周跳未处理成功.2、基线向量环闭合差的计算及检核。由同时段的假设干基线向量组成的同步环和不同时段的假设干基线向量组成的异步环 ,其闭合差应能滞相

27、应等级的精度要求 .其闭合差值就小于相应等级的限差值。基线向量检核合格后，便可进展基线向量网的平差计算以解算的基线向量作为观测值进展无约束平差。平差后求得各 GPS 之间的相对坐标差值， 加上基准点的坐标值，求得各 GPS 点的坐标。3、基线长度的精度基线处理后基线长度中误差应在标称精度值内.多数接收机的基线长度标称精度为51012ppmD(mm。对于 20km 以内的短基线,单频数据通过差分处理可有效地消退电离层影响，从而确保相对定位结果的精度。当基线长度增长时,双频接收机消退电离层的影响将明显优于单频接收机数据的处理结果。4、双差固定解与双差实数解理论上整周未知数 N 是一整数,但平差解算

28、得的是一实数,称为双差实数解。将实数确定为整数在进一步平差时不作为未知数求解时,这样的结果称为双差固定解。短基线状况下可以准确确定整周未知数，因而其解算结果优于实数解,但两者之间的基线向量坐标应符合良好通常要求其差小于 5cm。当双差固定解与实数解的向量坐标差达分米级时，则处理结果可能有疑，其中缘由多为观测值质量不佳。基线长度较长时，通常以双差实数解为佳。8。2 基线向量网平差8。2.1 GPS 基线向量网的无约束平差GPS 基线向量网的无约束平差常用的是三维无约束平差法.GPS 基线向量供给的尺度和定向基准属于 WGS-84 坐标系,进展三维无约束平差时， 需要引入位置基准，引入的位置基准不

29、应引起观测值的变形和改正。引入位置基准的方法有三种，一种是网中有高级的 GPS 点时，将高级 GPS 点的坐标属 WGS84 坐标系 作为网平差时的位置基准；其次种方法是网中无高级GPS 点时，取网中任一点的伪距定位坐标作为固定网点坐标的起算数据；第三种方法是引入适宜的近似坐标系统下的亏秩自由网基准。8。2.2 GPS 基线向量网的约束平差二维约束平差实际应用中以国家(或地方坐标系的一个点和一个基线的方向作为起算数据,平差时将 GPS 基线向量观测值及其方差阵转换到国家或地方坐标系的二维平面或球面上,然后在国家或地方坐标系中进展二维约束平差。转换后的 GPS 基线向量网与地面网在一个起算点上位

30、置重合，在一条空间基线方向上重合。这种转换方法避开了三维基线网转换成二维向量时地面网大地高不准确引起的尺度误差和变形 ,保证 GPS 网转换后整体及相对几何关系的不变性.转换后，二维基线向量网与地面网之间只存在尺度差和剩余的定向差，因而进展二维约束平差时只要考虑两网之间的尺度差参数和剩余定向差参数。8.2.3 GPS 基线向量网与地面网联合平差当地面网除了数据(点坐标，边长和方位角以外，还有常规观测值如方向、边长等，则将 GPS 基线向量观测值与地面网的数据和常规观测值一起进展的平差叫做 GPS 基线向量网与地面网联合平差.联合平差可以两网的原始观测量为依据，也可以两网单独平差的结果为依据。平

31、差时，引入坐标系统的转换参数，平差的同时完成坐标系统的转换。三、重点难点：重点：1、GPS 测量数据处理的根本过程；2、GPS 定位数据处理与常规测量数据处理的显著特点.难点:GPS 定位数据处理的精度。四、作业与试验:1. GPS 数据预处理包括哪些内容?2. 对 GPS 基线解算结果进展检核的目标是什么?检核的内容有哪些?并说明各自的作用。第 13、14、15、16 次 课日期周次星期学时一、教学目的：学习并把握 GPS 测量及数据操作方法(实习.二、教学内容：GPS 数据采集及处理操作方法.三、重点难点：重点：GPS 数据采集及处理操作方法。难点:GPS 定位数据处理的精度。四、作业与试验：1、分组完成指定区域的 GPS 把握网的布设、数据采集及数据处理工作。