GPS复习

第一章

一、GPS是以卫星为基础的无线电导航定位系统。 二、美国的GPS

1 SA（Selective Availability） 采取SA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）

AS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。

美国GPS的新变化

• 在2000年5月2日4时左右（UTC）取消SA； • 对GPS系统实行现代化 三、其他卫星导航定位系统的概况

1 全球导航卫星系统(GLONASS)：与GPS极为相似，由24颗卫星组成（21颗工作，3颗在轨备用）；这24颗卫星均匀分布在三个轨道倾角为.8°的轨道平面上。每个轨道面上均匀分布8颗卫星。

2 伽利略卫星导航定位系统：整个卫星星座将由30颗卫星组成（27颗工作卫星+3颗在轨的备用卫星）。这些卫星均匀地分布在三个倾角为56°的轨道面上。每个轨道面上均分布有9颗工作卫星和1颗备用卫星

3 我国自行研制组建的北斗卫星导航定位系统

第二章 全球定位系统的组成及信号结构 一、 全球定位系统由以下三个部分组成： 空间部分（GPS卫星）：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，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。 地面监控部分

用户部分：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:只接收调制的 L1信号，精度较差。

双频接收机:同时接收L1、L2两种信号，利用双频技术，可消除或减弱电离 层折射对观测量的影响，定位精度较高。 二、GPS的特点 （1）定位精度高； （2）测量时间短；

（3）观测站之间无需通视； （4）提供三维坐标。

（5）操作简便； （6）全天候作业。

（7） 功能多，应用广。

三、卫星星历：是描述有关卫星运行轨道的数据。

卫星星历的提供方式一般有两种：预报星历（广播星历）、后处理星历（精密星历）

 预报星历：是通过卫星发射的含有轨道信息的导航电文传输给用户的，用户接收机

接收到这些信号，经过解码便可获得所需要的卫星星历，这种星历也叫广播星历。  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

料而计算的卫星星历。这种星历是在事后向用户提供的在观测时间的精密轨道信息，因此称为后处理星历或精密星历。

四、 GPS卫星发射的信号由以下三部分组成：载波（L1载波和L2载波）、测距码：

测距码：用于测定从卫星至接收机间的距离的二进制码，分为粗码（C/A码公开）和精码（P码保密）、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 一、误差分类

从误差源来讲大致可分为以下三类： 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轨道与卫星的实际轨道之差。（2）卫星钟的钟误差（3）相对论效应 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

多路径误差消除方法：选择合适的站址、选择合适的GPS接收机、适当延长观测时间 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

消除或削弱上述误差影响的方法和措施：1、建立误差改正模型2、求差法 3、选择较好的硬件和较好的观测条件

第四章 距离测量与GPS定位

一、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 ․C

上式求得的距离ρ并不等于卫星至地面测站的真正距离，称之为伪距。

二、接收机如何来判断两组信号是否对齐？

接收机根据这两组信号的相关系数R是否为1来加以判断。

三、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) 载波相位测量的实际观测值

1）跟踪到卫星信号后的首次观测值： 不足一周的部分Fr(Φ)。 （2）其余各次观测值：Int(Φ)——整周计数

实际观测值由：不足一周的部分Fr(Φ)和整周计数Int(Φ)组成。

完整的载波相位观测值由三个部分组成：不足一周的部分Fr(Φ)、整周计数Int(Φ)和整周未知数。

四、观测值的线性组合

线性组合的方式主要有下列三种：

（1）同一类型同一频率的观测值两两相减后组成单差、双差和三差观测值。 目的：消除卫星钟差、接收机钟差及整周模糊度等未知参数。

（2）同一类型不同频率的观测值间的线性组合。目的：消除电离层延迟；便于确定整周模糊度。

（3）不同类型的双频观测值间的线性组合。目的与（2）类似。

五、整周跳变：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。

周跳的探测及修复：1、高次差法2、多项式拟合法3、用双频P码伪距观测值来探测、修复周跳

五、整周模糊度的确定

整周模糊度的确定是载波相位测量中的关键问题,这是因为:(1)精确的、不足1周的相位观测值Fr(Φ)和修复周跳后的正确的整周计数Int(Φ)只有与正确的整周模糊度配合使用才有意义. (2)在一般精度的GPS定位中,定位所需的时间实际上就是正确确定整周模糊度所需要的时间. 整数解:当整周模糊度参数取整数时所求得的基线向量解,也称为固定解. 实数解:当模糊度参数取实数时所求得的基线向量解称为实数解,也称浮点解. 六、GPS定位方法分类

1.按参考点的不同位置分为： ——绝对定位（或单点定位）：根据卫星星历以及一台GPS接收机的观测值来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）。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. ——相对定位：在WGS-84坐标系中，确定观测站与某一地面参考点之间的相对位置，即ΔX、ΔY、ΔZ。

2.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：在定位过程中，接收机天线处于运动状态，测定的是各观测时刻相应的运动中的点位。 ——静态定位： 指在定位过程中，将接收机静置于测站上数分钟至1h或更长时间进行观测，以确定一个点在WGS-84坐标系中的三维坐标，或两个点之间的相对位置。

八、差分GPS

1 差分GPS原理：

影响GPS实时单点定位精度的因素很多，其中主要的因素有卫星星历误差等。如果能在已知点上配备一台GPS接收机并和用户一起进行GPS观测，就可能求得每个观测时刻由于上述误差而造成的影响。假如该已知点还能通过数据通信链将求得的误差改正数及时发送给在附近工作的用户，那么这些用户在施加上述改正数后，其定位精度就能大幅度提高。 根据基准站所提供的改正数的类型的不同，差分GPS可分为：位置差分、距离差分 根据观测值的类型可分为：伪距差分、相位差分、相位平滑伪距差分 根据用户进行数据处理的时间的不同分为实时差分和事后差分。 第五章 GPS测量的技术设计

一、若在某时段共有n台接收机进行了同步观测，则共可得到n(n-1)/2条同步观测基线。 闭合环：-由多条基线向量首尾相连所构成的图形。

闭合差：组成闭合环的 基线向量按同一方向（顺时针或逆时针）的矢量和。 同步观测环（同步环）： 三台或三台以上的GPS接收机进行同步观测所获得的基线向量（完全由同一观测时段的基线向量）所构成的闭合环。

基线向量：线性无关的一组基线向量。满足下面条件之一的为基线向量 -未构成闭合环的一组基线向量（例如：一条基线向量，未构成闭合环的一组同步观测基线）； -虽构成了闭合环，但并非所有基线都来自同一观测时段。 观测环（异步环）：由相互函数（线性无关）的基线向量所构成的闭合环。（即非同步环）

二、节 GPS网的精度和密度设计 1 GPS测量的等级及其用途 级别 AA A B C D E 用途 全球参考框架、全球动力学研究、地壳形变测量和精密定轨 国家参考框架、区域性地球动力学研究和地壳形变测量 国家大地控制、局部形变监测和各种精密工程测量 大中城市及工程测量的基本控制网 中小城市、城镇及测图、地籍、土地信息、房产、物探、勘测、建筑施工等的控制测量。 实例 IGS永久跟踪站网 国家A级网 国家B级网 三、 四、

GPS测量中的图形设计 GPS网的特征条件

三角形网、多边形网、附合导线网、星形网

总基线数、基线数、必要基线数、多余基线数

若某GPS网由n个点组成，每点的设站次数为m次，用N台GPS接收机来进行观测时， -观测时段数C：C=n·m/N; -总基线数J总： J总= C·N·(N-1)/2

(N-1) -基线数J独：J独=C·

-必要基线数J必： J必=n-1

-多余基线数J多： J独- J必=C(N-1)-(n-1)

第六章 数据采集

四、 数据采集

1 点连式：相邻的同步图形间只通过一个公共点相连.2边连式：相邻的同步图形间有一条边(即两个公共点)相连.3网连式：相邻的同步图形间有3个(含3个)以上的公共点相连. 第七章 地球坐标参照系 一、两种类型的坐标系转换

基准转换：-同一点在基于某一基准或坐标参照系的坐标系下的坐标转换为基于另一基准或坐标参照系的坐标系下的坐标。如WGS-84与19年北京坐标系下大地坐标间的相互转换，或WGS-84下空间直角坐标与19年北京坐标系下大地坐标间的相互转换。 基准转换方法：

1布尔沙-沃尔夫模型-七参数法：采用布尔沙-沃尔夫(Bursa-Wolf)模型，该模型共采用了七个参数：3个平移参数、3个旋转参数(也被称为3个欧拉角)、1个尺度参数 布尔沙模型-七参数法转换参数的确定

-原理：1 通过公共点-具有两个不同坐标系坐标的点 2至少需要三个公共点 3将公共点的坐标差作为伪观测值,确定转换参数. -数学模型

2莫洛金斯基模型：模型共用了7个参数(不过定义与布尔沙模型有所不同)：三个平移参数;三个旋转参数(也被称为3个欧拉角);1个尺度参数

两种模型的关系：1 两种模型的转换结果是等价的,但在实际应用过程中，还是有所差异。2布尔沙模型在进行全球或较大范围的基准转换时较为常用,但旋转参数与平移参数具有较高的相关性。3 采用莫洛金斯基模型可以克服这一问题,因为其旋转中心可以人为选定.当网的规模不大时,可以选取网中任意一个点，当网的规模较大时,可选取网的重心,然后以该点为固定旋转点进行旋转. 坐标系转换：同一点的坐标在相同基准或坐标参照系下由一种坐标系下的坐标转换为另一种坐标系下的坐标，如在同一坐标参照系下的空间直角坐标与大地坐标间的相互转换。 坐标系转换方法有横轴墨卡托投影、通用横轴墨卡托投影、墨卡托投影与通用横轴墨卡托投影。

二、常用坐标系

1 空间直角坐标系/笛卡儿坐标系 2 大地基准与大地/椭球坐标系 3 站心坐标系

4 平面/格网坐标系

第九章GPS测量应用中常用数据格式

一、RINEX格式：与接收机无关的数据交换格式/Receiver Independent Exchange 特点

 通用性强，已成为事实上的标准  利于多种型号的接收机联合作业  大多数软件能够处理

RINEX格式(Native Format) ：接收机内部存储数据的格式 存储方式为二进制，即ASCII/文本文件

内容有：观测值、广播星历、电离层信息、气象元素 RINEX格式命名规则和方法 命名方法：8+3文件名 命名规则：

第十一章GPS高程测量 一、大地水准面和正高 正高：某点的正高是从该点出发，沿该点与基准面间各个重力等位面的垂线所量测出来的距离。

二、似大地水准面和正常高

高程异常：沿正常重力线方向，由似大地水准面上的点量测到参考椭球面的距离，用符号ζ 表示。

三、参考椭球面和大地高

大地高（Geodetic Height)：某点的大地高（Geodetic Height)是该点沿通过该点的参考椭球面法线至参考椭球面的距离。大地高也称为椭球高（Ellipsoidal Height)，用符号H表示。 四、网络RTK

采用网络RTK技术时，需要在一个较大的区域内大体均匀地布设若干个基准站，基准站间的距离可扩大至50~100KM。在网络RTK技术中，我们首先利用在流动站周围的几个基准站的观测值及已知的站坐标来反解出基准站间的参与误差项，然后用户就能根据自己的粗略位置内插出或者说估计出自己与基准站之间的残余误差项。这样，当基准站间的距离达50~100km时，用户仍有可能获得厘米级的定位精度。 网络RTK通常是由基准站网、数据处理及数据播发中心、数据通信链路及用户等部分组成的。 （1）基准站网

基准站的数量是由覆盖范围的大小、要求的定位精度以及所在区域的外部环境等（如电离层延迟的空间相关性等）来决定，但至少应有3个基准站，基准站上应配备全波长的双频GPS接收机、数据传输设备及气象仪器等。基准站的精确坐标应已知，且具有良好的GPS观测环境。

（2）数据处理中心及数据播发中心

数据处理中心的主要任务是对来自各基准站的观测资料进行预处理和质量分析，并进行统一解算，实时估计出网内各种系统性的残余误差，建立相应的误差模型，然后通过数据播发中心将这些信息传输给用户。 （3）数据通信链路

网络RTK中的数据通信分为两类：一类是基准站、数据处理中心以及数据播发中心等固定台站间的数据通信。这类通信可以通过光纤、光缆、数据通信线等方式来实现，当然也可以通过无线通信的方式来实现，可根据现场的具体情况来确定。第二类是数据播发中心与流动用户之间的移动通信，可采用GSM,GPRS,CDMA等方式来实现。 （4）用户

3.几种常用的方法

（1）虚拟参考站（VRS）技术 （2）主辅站技术 （3）区域改正数法