原理及其應(yīng)用復習資料

1、GPS原理及其應(yīng)用GPS概述系統(tǒng)構(gòu)成：空間部分、地面控制部分、用戶部分服務(wù)方式：通過由多顆衛(wèi)星所組成的衛(wèi)星星座提供導航定位服務(wù)定位原理：距離交會測距原理：被動式電磁波測距特點：全球覆蓋、全天候、不間斷、精度高常規(guī)定位方法的局限性需要事先布設(shè)大量的地面控制點/地面站無法同時精確確定點的三維坐標觀測受氣候、環(huán)境條件限制觀測點之間需要保證通視受系統(tǒng)誤差影響大，如地球旁折光難以確定地心坐標子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性：系統(tǒng)缺陷衛(wèi)星少，觀測時間和間隔時間長，無法提供實時導航定位服務(wù)導航定位精度低衛(wèi)星信號頻率低，不利于補償電離層折射效應(yīng)的影響衛(wèi)星軌道低，難以進行精密定軌GPS的發(fā)展簡史：方案論證階段全面研制和試

2、驗階段實用組網(wǎng)階段GPS在測量中的應(yīng)用建立和維持全球性的參考框架板塊運動和監(jiān)測建立各級國家平面控制網(wǎng)布設(shè)城市控制網(wǎng)、工程測量控制網(wǎng)，進行各種工程測量在航空攝影測量、地籍測量、海洋測量中的應(yīng)用SPS 標準定位服務(wù) PPS 精密定位服務(wù)SA技術(shù) 選擇可用性 AS技術(shù) 反電子欺騙其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)：GLONASS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)：開發(fā)者俄羅斯（前蘇聯(lián)）系統(tǒng)構(gòu)成：衛(wèi)星星座 地面控制部分 用戶設(shè)備參 數(shù)GLONASSNAVSTAR GPS系統(tǒng)中的衛(wèi)星數(shù)213213軌道平面數(shù)36軌道傾角64.8 °55° 軌道高度19100km20180km軌道周期（恒星時）11h15min12h衛(wèi)

3、星信號的區(qū)分FDMA CDMAL1頻率16021615MHz頻道間隔0.5625MHz 1575MHz 伽俐略（Galileo）衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)：Galileo衛(wèi)星星座將由27顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成，這30顆衛(wèi)星將均勻分布在3個軌道平面上，衛(wèi)星高度為23616km，軌道傾角為56°北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)：“北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)”系統(tǒng)是由空間衛(wèi)星、地面控制中心站和北斗用戶終端三部分構(gòu)成?？臻g部分包括兩顆地球同步軌道衛(wèi)星（GEO）組成。GPS系統(tǒng)由三部分組成：空間部分 地面控制部分 用戶設(shè)備部分GPS衛(wèi)星星座：1.設(shè)計星座：21+3 2.21顆正式的工作衛(wèi)星+3顆活動的備用衛(wèi)星3.保證在每天

4、24小時的任何時刻，在高度角15°以上，能夠同時觀測到4顆以上衛(wèi)星4.當前星座：28顆GPS衛(wèi)星 作用：1.接收、存儲導航電文2.生成用于導航定位的信號（測距碼、載波）3.發(fā)送用于導航定位的信號（采用雙相調(diào)制法調(diào)制在載波上的測距碼和導航電文）4.接受地面指令，進行相應(yīng)操作5.其他特殊用途，如通訊、監(jiān)測核暴等。地面監(jiān)控部分 組成 1.主控站：1個2. 監(jiān)測站：5個3. 注入站：3個通訊與輔助系統(tǒng)監(jiān)測站作用：接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采集氣象信息，并將所收集到的數(shù)據(jù)傳送給主控站。主控站作用： 管理、協(xié)調(diào)地面監(jiān)控系統(tǒng)各部分的工作，收集各監(jiān)測站的數(shù)據(jù)，編制導航電文，送往注入站將衛(wèi)星星歷注入衛(wèi)星，監(jiān)控衛(wèi)星

5、狀態(tài)，向衛(wèi)星發(fā)送控制指令；衛(wèi)星維護與異常情況的處理注入站作用：將導航電文注入GPS衛(wèi)星.GPS的用戶部分：組成：用戶，接收設(shè)備接收設(shè)備：GPS信號接收機，其它儀器設(shè)備GPS信號接收機組成：天線單元：帶前置放大器，接收天線接收單元：信號通道，存儲器，微處理器，輸入輸出設(shè)備，電源相位中心偏移的消除：歸心改正、消去法天線高 標志至平均相位中心所在平面的垂直距離GPS衛(wèi)星信號的組成部分：載波（Carrier）：L1，L2測距碼（Ranging Code）：C/A碼（目前只被調(diào)制在L1上）P(Y)碼（被分別調(diào)制在L1和L2上）衛(wèi)星（導航）電文（Message）GPS衛(wèi)星信號的生成：關(guān)鍵設(shè)備 原子鐘載波作

6、用：1.搭載其它調(diào)制信號 2.測距 3.測定多普勒頻移類型：L1 頻率： 154´f0 = 1575.42MHz；波長：19.03cmL2 頻率： 120´f0 = 1227.60MHz；波長：24.42cm特點1.所選擇的頻率有利于測定多普勒頻移 2.所選擇的頻率有利于減弱信號所受的電離層折射影響 3.選擇兩個頻率可以較好地消除信號的電離層折射延遲（電離層折射延遲于信號的頻率有關(guān)）測距碼作用：測距類型：C/A碼 粗碼/捕獲碼 P（Y）碼：精碼；碼率衛(wèi)星（導航）電文作用：向用戶提供衛(wèi)星軌道參數(shù)、衛(wèi)星鐘參數(shù)、衛(wèi)星狀態(tài)信息及其它信息精密星歷：按一定時間間隔給出衛(wèi)星在地固坐標系下

7、的三維位置、三維速度和鐘差GPS測量誤差的來源：與衛(wèi)星有關(guān)的誤差：1.衛(wèi)星軌道誤差2.衛(wèi)星鐘差3.相對論效應(yīng)與傳播途徑有關(guān)的誤差：1.電離層延遲2.對流層延遲3.多路徑效應(yīng)與接收設(shè)備有關(guān)的誤差：1.接收機天線相位中心的偏移和變化2.接收機鐘差3.接收機內(nèi)部噪聲GPS測量誤差的性質(zhì)：偶然誤差：衛(wèi)星信號發(fā)生部分的隨機噪聲，接收機信號接收處理部分的隨機噪聲，其它外部某些具有隨機特征的影響系統(tǒng)誤差：其它具有某種系統(tǒng)性特征的誤差消除或消弱各種誤差影響的方法：模型改正法原理：利用模型計算出誤差影響的大小，直接對觀測值進行修正適用情況：對誤差的特性、機制及產(chǎn)生原因有較深刻了解，能建立理論或經(jīng)驗公式所針對的誤

8、差源：相對論效應(yīng)，電離層延遲，對流層延遲，衛(wèi)星鐘差限制：有些誤差難以模型化求差法原理：通過觀測值間一定方式的相互求差，消去或消弱求差觀測值中所包含的相同或相似的誤差影響適用情況：誤差具有較強的空間、時間或其它類型的相關(guān)性。所針對的誤差源：電離層延遲，對流層延遲，衛(wèi)星軌道誤差限制：空間相關(guān)性將隨著測站間距離的增加而減弱參數(shù)法原理：采用參數(shù)估計的方法，將系統(tǒng)性偏差求定出來適用情況：幾乎適用于任何的情況限制：不能同時將所有影響均作為參數(shù)來估計回避法原理：選擇合適的觀測地點，避開易產(chǎn)生誤差的環(huán)境；采用特殊的觀測方法；采用特殊的硬件設(shè)備，消除或減弱誤差的影響適用情況：對誤差產(chǎn)生的條件及原因有所了解；具有

9、特殊的設(shè)備。所針對的誤差源：電磁波干擾，多路徑效應(yīng)限制：無法完全避免誤差的影響，具有一定的盲目性衛(wèi)星鐘差應(yīng)對方法：模型改正，相對定位或差分定位接收機鐘差：定義GPS接收機一般采用石英鐘，接收機鐘與理想的GPS時之間存在的偏差和漂移。應(yīng)對方法：作為未知數(shù)處理，相對定位或差分定位在廣義相對論效應(yīng)作用下，衛(wèi)星上鐘的頻率將變快GPS定位中的誤差源：衛(wèi)星星歷誤差，電離層延遲由衛(wèi)星星歷給出的衛(wèi)星在空間的位置與衛(wèi)星的實際位置之差稱為衛(wèi)星星歷誤差應(yīng)對方法：1.精密定軌(后處理) 2.相對定位或差分定位星歷誤差對單點定位的影響：星歷誤差對單點定位的影響主要取決于衛(wèi)星到接收機的距離以及用于定位或?qū)Ш降腉PS衛(wèi)星與

10、接收機構(gòu)成的幾何圖形電子密度：單位體積中所包含的電子數(shù)。總電子含量（TEC Total Electron Content）：底面積為一個單位面積時沿信號傳播路徑貫穿整個電離層的一個柱體內(nèi)所含的電子總數(shù)。常用電離層延遲改正方法分類：經(jīng)驗?zāi)Ｐ透恼?方法：根據(jù)以往觀測結(jié)果所建立的模型 改正效果：差雙頻改正 方法：利用雙頻觀測值直接計算出延遲改正或組成無電離層延遲的組合觀測量效果：改正效果最好實測模型改正 方法：利用實際觀測所得到的離散的電離層延遲（或電子含量），建立模型（如內(nèi)插） 效果：改正效果較好電離層改正的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停築ent模型，國際參考電離層模型電離層延遲的實測模型改正：基本思想：利用基準站的

11、雙頻觀測數(shù)據(jù)計算電離層延遲， 利用所得到的電離層延遲量建立局部或全球的的TEC實測模型對流層延遲：霍普菲爾德改正模型 薩斯塔莫寧改正模型 勃蘭克改正模型多路徑誤差多路徑誤差：在GPS測量中，被測站附近的物體所反射的衛(wèi)星信號（反射波）被接收機天線所接收，與直接來自衛(wèi)星的信號（直接波）產(chǎn)生干涉，從而使觀測值偏離真值產(chǎn)生所謂的“多路徑誤差”。多路徑效應(yīng)：由于多路徑的信號傳播所引起的干涉時延效應(yīng)稱為多路徑效應(yīng)。載波相位測量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波：將非連續(xù)的載波信號恢復成連續(xù)的載波信號碼相關(guān)法 平方法 互相關(guān)（交叉相關(guān)） Z跟蹤 差分觀測值的定義：將相同頻率的GPS載波相位觀測值依據(jù)某種方式求差所獲得的新的

12、組合觀測值（虛擬觀測值）差分觀測值的特點：可以消去某些不重要的參數(shù)，或?qū)⒛承Υ_定待定參數(shù)有較大負面影響的因素消去或消弱其影響求差方式：站間求差，衛(wèi)星間求差，歷元間求差站間求差（站間差分）求差方式：同步觀測值在接收機間求差特點：消除了衛(wèi)星鐘差影響，削弱了電離層折射影響，削弱了對流層折射影響，削弱了衛(wèi)星軌道誤差的影響星間求差（星間差分）求差方式：同步觀測值在衛(wèi)星間求差特點：消除了接收機鐘差的影響歷元間求差（歷元間差分）差分方式 ：觀測值在間歷元求差特點:消去了整周未知數(shù)參數(shù)單差、雙差和三差:單差：站間一次差分雙差：站間、星間各求一次差（共兩次差）三差：站間、星間和歷元間各求一次差（三次差）常見的

13、線性組合: 寬巷組合相位觀測值, 無電離層折射的組合產(chǎn)生周跳的原因: 信號被遮擋，導致衛(wèi)星信號無法被跟蹤, 儀器故障，導致差頻信號無法產(chǎn)生, 衛(wèi)星信號信噪比過低，導致整周計數(shù)錯誤, 接收機在高速動態(tài)的環(huán)境下進行觀測，導致接收機無法正確跟蹤衛(wèi)星信號, 衛(wèi)星瞬時故障，無法產(chǎn)生信號周跳的探測、修復方法: 屏幕掃描法，高次差法，多項式擬合法，MW觀測值法，殘差法單點定位：單獨利用一臺接收機確定待定點在地固坐標系中絕對位置的方法DOP是由GDOP幾何形狀的精密值強弱度 PDOP位置的精密值強弱度 HDOP水平坐標的精密值強弱度 VDOP垂直坐標的精密值強弱度 和TDOP時間的精密值強弱度單點定位的誤差源及應(yīng)對方法：衛(wèi)星星歷 精密星歷。衛(wèi)星鐘差 精密鐘差、地面跟蹤。電離層延遲 雙頻改正。對流層延遲 模型改正精密單點定位(ppp): 主要觀測值為載波相位，采用精密的衛(wèi)星軌道和鐘數(shù)據(jù)，采用復雜的模型相對定位：確定進行同步觀測的接收機之間相對位置的定位方法，稱為相對定位。特點：優(yōu)點：定位精度高 缺點：多臺接收共同作業(yè)，作業(yè)復雜，數(shù)據(jù)處理復雜不能直接獲取絕對坐標各種誤差對相對定位結(jié)果的影響：衛(wèi)星軌道誤差 削弱 ， 衛(wèi)星鐘差 消除大氣折射誤差 削弱，接收機