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1、,GPS原理与应用,课程安排,一、使用教材及参考书目、GPS测量原理及其应用徐绍铨张华海等武汉大学出版社2003、全球定位系统原理及其应用刘基余李征航等测绘出版社1993二、授课方式教师课堂讲授为主，结合实验设计和课堂讨论。三、课程考核方式本课程为考试课，以期末考试成绩为主，综合考虑平时成绩。,一、GPS的概念1973年月，美国国防部批准它的海陆空三军联合研制一种新的军用卫星导航系统NAVSTAR GPS，我们称之为GPS卫星全球定位系统，简称为GPS系统。它的英文全称为“Navigation by Satellite Timing and Ranging Global Positioning
2、 System.二、GPS的建设过程年月日，第一颗GPS试验卫星发射成功，标志着工程研制阶段的开始，1989年月14日，第一颗GPS工作卫星的发射成功，宣告系统进入了生产作业阶段。1993年全部建成。,第一章绪论,三、GPS的定位原理、空间坐标系、空间推导、数学验证令四颗卫星的坐标分别为：令待测点坐标为：,四、GPS的优点、用途广泛、观测简便、定位精度好、经济效益高,五、传统卫星导航系统的不足、卫星少，不能实时定位、轨道低，难以精密定轨、频率低，难以补偿电离层效应的影响六、主动式导航系统与被动式导航系统、主动式导航系统、被动式导航系统,七、GPS在现实中的应用情况、大地测量、工程测量、地籍测量
3、八、GPS与相关学科的关系、GPS与地理信息系统、GPS与测绘工程、GPS与摄影测量与遥感,第二章GPS及其信号,一、GPS系统的组成、GPS卫星星座（空间部份）GPS卫星星座的组成GPS卫星的作用（）向广大用户不间断地发送导航定位信号（简称为GPS信号），并用导航电文报告自己的现势位置以及其他在轨卫星的概略位置。（）在飞越注入站上空时，接收由地面注入站用波段发送到卫星的导航电文和其他相关信息，并通过信号形成电路，适时地发送给广大用户。（）接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度指令。例如：适时地改正运行偏差，或者启用备用时钟等。,、地面监控系统、地面监控系统的组成（）、主控站位于美国科罗拉多
4、州（）、监测站主控站、三个大洋上的注入站、夏威夷的纯监测站（）、注入站三大洋上的三个注入站,地面监控系统的作用地面监控系统的主控站拥有以大型电子计算机为主体的数据收集、计算、传输、诊断等设备，其主要功能如下四个：（）收集数据主控站收集各个监测站所测得的伪距和积分多普勒观测值、气象要素、卫星时钏和工作状态的数据，以及海军水面兵器中心发来的参考星历。（）编算导航电文主控站除了控制和协调各个监测站和注入站的工作外，主要是根据所收集的数据及时的计算GPS的星历、时钟改正、状态数据、以及信号的大气传播改正，并按一定格式编制成导航电文，传送到注入站。,（）诊断状态主控站还肩负着监测整个地面监控系统是否正常
5、工作，检验注入给卫星的导航电文是否正确，监测卫星是否将导航电文发送给了用户等任务（）调度卫星当某一颗卫星偏离分配给它的轨道位置太远时，主控站能够对它进行轨改正，而且能进行卫星调度，让备用卫星去取代失效的工作卫星。注入站的作用：当某颗卫星飞越注入站上空的时候，注入站选取该颗卫星的导航电文，用微波作载波，将导航电文注射给该颗卫星。每天注射三次，每次注射天的星历。,监测站的作用是为主控站编算导航电文提供观测数据，每个监测站均用GPS信号接收机对每颗卫星每秒钟进行一次伪距测量和积分多普勒观测，采集气象要素等数据，并对它们进行各项改正（如电离层、对流层、天线相位中心、相对论效应等项的改正），每分钟平滑一
6、次观测数据，依此推算出每分钟间隔的观测值，而将它们发送给主控站。,二、GPS信号GPS信号是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的已调波，其调制波是卫星电文和伪随机噪声码（Pseudo-random Noise Code:PRN）的组合码。所谓伪噪声码，是一个具有一定周期的取值和的离散的符号串。伪噪声码的生成：与作模二和时遵循以下规则：,两个序列的互相关系数互相关系数体现了不同序列之间的相似程度，互相关系数的求法如下：记互相关系数为：、先对两个序列作模二和得到新的序列、在新的序列中作如下计算：,第三章GPS静态定位基础,一、基本概念、静态定位和动态定位 如果待定点相对于周围的固定点没有可觉察
7、到的运动，或者虽有可觉察到的运动，但由于这种运动是如此缓慢以致于在一次观测时间（一般为数小时或若干天）无法被觉察到，而只有在两次观测之间（一般为几个月至几年）这些运动才能被反映出来，因而每次进行GPS观测资料的整理时，待定点在地固坐标系中的位置都可以认为是固定不动的。确定这些待定点的位置称为静态定位。如测定板块运动以及监测地壳形变就是静态定位中的典型例子。反之，如果在一次观测期间待定点相对于周围的固定点有可觉察到的运动或明显的运动，因而在处理该时段的观测资料时待定点的位置将随时变化，确定这些运动的待定点位置称为动态定位。,、单点定位和相对定位独立确定待定点在坐标系中的绝对位置的方法称为单点定位
8、或绝对定位。相对定位则是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的一种定位方法。、差分定位的过程与优点,二、伪距法定位伪距法是导航及低精度测量中所用的一种定位方法。它具有速度快，无多值性问题等优点。其精度足以满足部分用户的需要。、如何进行伪距测量,、为什么要用码相关法来测定伪距 可以大幅度的消除各种随机误差的影响，从而大大提高测定精度.、自相关系数的测定,伪距测量的观测方程,特殊情况下的定位（约束解）如果不减少观测值的数量，而在求解时给“已知参数”以适当的权，允许该参数在“已知值”附近作微小变动，则能加强解的强度，获得较精确的结果，我们称这种方法为加权约束解。这种方法要想取
9、得成功的关键有两条：一是约束参数必须要有较高的精度，否则于事无补。二是必须给约束参数以适当的权。常用的有高程约束和时间约束。,载波相位测量,、载波相位测量的原理,3.4 整周跳变的探测与修复,修复周跳的方法：1、屏幕扫描法2、用高次差或多项式拟合来探测和修复周跳3、在卫星间求差,3.6 载波相位测量的线性组合,GPS载波相位测量值可以在卫星间求差，在接收机间求差，也可以在不同历元间求差。其中将直接观测值（即载波相位测量的基本观测值）相减的过程称为求一次差。所获得的结果被当作虚拟观测值，称为一次差或单差。在卫星间求一次差，在拉收机间求一次差及在不同历元间求一次差是常见的三种求一次差的方法。在一次
10、差的基础上还可以继续进行求二次差和求三次差。（P78）,在接收机间求一次差：1、在接收机间求一次差后可以消除卫星钟误差的影响。2、在接收机间求一次差可以大大削弱卫星星历误差的影响。3、在接收机间求一次差可以大大削弱对流层折射和电离层折射的影响。在接收机和卫星间求二次差：,求差法和非差法的比较：前面我们已经比较详细的介绍了求差法的优点，但求差法也存在一些缺点，主要是：1、数据利用率较低，许多好的观测值会因为与之配对的数据出了问题而无法被利用。2、在接收机间求差后，会引进基线矢量而不是原来的位置矢量作为基本未知数，这是一个更为复杂的问题。3、求差后会出现 观测值间的相关性问题，增加了计算的工作量。
11、4、在某些情况下难以求差，例如两站的数据输出率不相同时。5、在求差过程中有效数字将迅速减少，计算中的凑整误差等影响将增大，从而影响最终结果的精度。6、数据减少后丢失了一定的进一步的研究机会。,射电干涉测量,第四章 GPS动态测量原理,GPS动态测量，是用GPS信号实时地测得相对于地球运动的用户天线之状态参数。1、动态定位的基本特点（1）用户多样性（2）速度多异性（3）定位实时性（4）数据短时性（5）精度要求多变性2、实时定位方法（1）单点动态定位（2）实时差分动态定位（3）后处理差分动态定位,二、伪距差分动态定位三、动态载波相位测量GPSGLONASS集成接收机及其对动态测量的影响 所谓GPS
12、GLONASS集成接收机，就是用一台接收机同时接收和测量GPS和GLONASS两种卫星信号，致使在世界上任何地方和任何时候的陆海空用户能够精确测得他们的三维位置、三维速度和时间。同时接收和测量GPSGLONASS导航定位信号有以下优点1、能够消除间隙时段。2、能够实现真正的全球连续的精确导航。,GPSGLONASS集成接收机的研制难点1、寻求接收机的公共频率源。2、处理两种坐标系的坐标差。3、建立统一的时间尺度。,第五章 GPS卫星定位误差,1、概述 GPS定位中出现的各种误差，按误差性质可分为系统误差和偶然误差两大类，其中系统误差无论从误差的大小还是对定位结果的危害性讲都比偶然误差要大得多，
13、而且它又是有规律可循的，可以采取一定的措施来加以消除，因而是我们研究的重点。一、GPS定位中误差的分类1、与卫星有关的误差（1）卫星星历误差（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）电离层折射（2）对流层折射（3）多路径误差3、与接收机有关的偏差（1）接收机钟的误差（2）接收机的位置误差,二、消除、削弱上述误差影响的措施和方法1、建立误差改正模型2、求差法3、选择较好的硬件的较好的观测条件,5.3时钟误差 GPS测量的精度和时钟误差有着密切的关系。卫星钟和接收机之间的相对钟差乘以光速后就等于测距误差。因此在GPS测量中必须十分小心地消除各种时钟误差。通常采用的消除时钟
14、误差的方法有：1、把每个观测时刻的接收机钟差当作一个独立的未知数。2、认为各观测时刻的接收机钟差间是相关的，设法建立一个钟误差模型，例如采用一个时间多项式，这种方法可以大大减少未知数个数，该方法成功与否的关键在于钟误差模型的有效程度。3、通过在卫星间求一次差来消除接收机的钟差。这种方法与1是等价的。,5.8多路径误差一、反射波二、载波相位测量中的多路径误差三、站址的选择1、选站时应避免邻近有大面积的平静的水面，因为平静水面的反射系数几乎为1。2、测站不宜选择在山坡上。3、测站附近有高层建筑物时，卫星信号会通过墙面反射而进入天线。四、对接收机的要求1、在天线下设置抑径板2、接收天线对于极化特性不
15、同的反射信号应该有较强的抑制作用。,第六章 GPS数据采集,一、测量工作中的数据采集工作 GPS测量与常规测量相类似，在实际工作中也可划分为方案设计、外业实施及内业数据处理三个阶段。1、传统测量工作的工艺流程。1.1 外业数据采集1.2 数据管理与加工1.3 数据发布（数据成图）2、现代数字化测量工作中的数据采集2.1 数据类型的多样性2.2 数据采集方式的多样性,二、GPS工作中的数据采集 GPS卫星定位技术的问世，为大地测量、工程测量、航空摄影测量和海洋综合测绘开创了新的技术途径及广阔的应用前景。1、选用适宜的GPS信号接收机1、1 能够自动的捕获和跟踪在视的GPS卫星，最好具有适时选择最
16、佳定位星座和删除病态卫星的功能。1、2 能够连续不断的测量两个载波信号到达GPS信号接收天线的滞后相位，用以实现厘米甚至毫米级精度的GPS卫星定位。1、3 能够从每颗GPS卫星的导航电文中获取GPS历书和星历数据，并能不断的记录它们的变化，因而就要求接收机具有较大的内存。1、4 能够适时的计算和显示GPS测量结果，并能每秒更新一次定位结果。因而就要求具有较强功能的机内处理软件。1、5 附设有抑径板和抑径圈的GPS信号接收天线。,三、GPS静态相对定位的基本要求1、相对定位等级及其作业要求 GPS卫星虽然不存在经典大地测量控制网的那种逐级控制问题，但是，随着GPS网的应用目的之异，所遵循的作业规
17、定亦随之而变化。沿用旧规，人们仍将GPS卫星定位网划分成几个等级。,2、选择站址时注意事项2、1避开具有强烈反射的地面2、2避开具有强列反射的环境2、3避开具有电磁波强辐射源的地方,四、静态定位的数据采集1、检验GPS信号接收机的基本性能。零基线法 超短基线法2、精心设计每一个子区和子环路的实测方案3、选择适宜的定位星座4、严格要求各项操作5、及时评定GPS数据质量,五、3S集成作业模式下的现代测绘作业中的GPS数据1、GPS对于测绘工作的影响2、GPS数据采集技术的进步3、GPS数据与GIS数据库的连接4、各国新的卫星定位系统的数据采集工作,第七章 GPS数据处理,GPS接收机采集的是接收天线至卫星的距离和卫星星历等数据，而不是常规测量技术所测得的地面点间的相对关系量（如边长、角度、高差等）。因而，要得到有实用意义的测量定位成果，需要通过一系列的处理。GPS数据处理与常规测量数据处理相比具有以下显著特点：1、数据量大。2、处理过程复杂。3、处理方法形式多。4、自动化程度高。,
