武汉大学《GPS导航与应用》4
《GPS 原理及其应用》课程试卷 -测绘
武汉大学测绘学院《GPS原理及其应用》课程试卷A标准答案一、 填空题1.目前正在运行的全球卫星导航定位系统有GPS 和 GLONASS 。
我国组建的第一代卫星导航定位系统称为北斗卫星导航定位系统，欧盟计划组建的卫星导航定位系统称为 GALILEO 。
2.GPS卫星发送的信号是由载波、测距码、导航电文三部分组成的。
3.2000年5月初美国政府中止了已实施多年的SA 政策。
4.L1载波的波长约为19 厘米，L2载波的波长约为 24 厘米。
5.GPS定位误差按误差的来源分类，跟卫星有关的误差有卫星星历误差、卫星钟差、相对论效应；跟信号传播有关的误差有电离层延迟误差、对流层延迟误差、多路径误差；跟接收机有关的误差有接收机钟差、接收机的位置误差、接收机的测量噪声。
6.单站差分GPS按基准站发送的信息方式来分，可分为位置差分、伪距差分、相位差分。
7.对流层延迟改正模型中的大气折射指数N与温度、气压、湿度等因素有关。
二、判断题1.接收机的接收通道采用平方律通道的优点是：可以获得测码伪距；可以获得导航电文；重建的载波是全波长的。
错2.C/A码的一个码元对应的码元宽度为29.3米。
错3.导航电文的传输速率为50bit/s，以“帧”为单位向外发送，需要12.5分钟才能完整地播发一次。
对4.单点定位中的DOP值与卫星的数量和几何图形以及观测值的精度有关。
错5.通过GPS相对定位，可消除卫星钟差和多路径误差的影响。
错6. 同一时刻L1载波相位测量观测值与C/A 码伪距测量观测值所受到的电离层延迟是相同的。
错7. 同一时刻L1载波相位测量观测值与C/A 码伪距测量观测值所受到的对流层延迟是相同的。
对8. 同一时刻L1载波相位测量观测值与C/A 码伪距测量观测值所受到的多路径误差是相同的。
错9. 常用的对流层延迟模型有霍普菲尔德（Hopfield）改正模型、萨斯塔莫宁（Saastamoinen）改正模型和克罗布歇（Klobuchar）改正模型。
卫星导航定位技术发展(教案)
教案2013～2014学年第一学期课程名称卫星导航定位学院、部测绘工程学院系(实验室) 海洋技术授课班级海洋111主讲教师周立职称教授使用教材GPS测量原理及应用淮海工学院测绘工程学院二○一三年八月前言GPS定位与导航课程教案GPS定位与导航课程教案1、GPS定位技术的优点引出本次课教学目的与意义2、GPS静态应用3、GPS动态应用1多媒体讲解2问题教学导引3示例说明4交互讨论提问？讨论？建立地球空间框架监测地球动力系统大地测量定位精密工程测量与变形监测工程测量定位放样精密授时服务气象信息测量导航定位航空摄影测量地理信息数据采集姿态、时间与速度测量精细农业资源管理科学考察旅游探险讨论？示例示例4、GPS 应用产值（示例讲述）5、GPS 在国外应用概述作业、讨论题、思考题：1、试比较传统的土地资源调查方法与利用RTK GPS 进行土地资源调查的优缺点。
2、试比较利用GPS 测量定位技术与常规方法进行地质调查、地形测量、地籍测量的区别，并说明各自的优缺点。
（作业）课后小结：本课次主要讲述了GPS 在测绘、地理信息系统等各领域的广泛应用，示例讲授交互讨论效果较好，有条件可安排放像、参观、实现：实时 4A 服务 随时(anytime) 随地(anywhere)GPS定位与导航课程教案1、图解阐述GPS 系统构成（空间部分、地面控制部分及用户设备部分）2、GPS 星座构成（配置、分布、周期、寿命等）3、GPS 卫星结构[关键]：高稳定原子频标4、GPS 卫星功能、分类、性能5、几种卫星定位系统的比较（列表说明）6、由图解说明地面控制系统构成及作用1多媒体讲解 2图解说明 3 问题教学导引 4 对比讨论5示例分析7、对比分析载波L1/L2、C/A 码、P 码含义、特性及功能（列表）8、由图解说明GPS 接收机原理及结构（硬件与软件）空间部分控制部分用户部分 GGGG监控主注夏威夷科罗卡瓦加兰夏威夷 科罗拉多主控站卡瓦加兰迭哥加西亚阿松森监控站注入站提问GPS 定位方便，那组成如何？信号通道变频 器电源频率综合基准频率前置放大 器频率变换 器信号解扩解调D(t)伪码 测量载波相位 测量显示器C/A码发生器P 码发生器控制信号GPS 天线存储器CPU数据输出GPS定位与导航课程教案1、 协议天球坐标的相关概念（图示讲述）如：天轴、天极、天球、赤道、黄道、春分点、秋分点、岁差和章动、极移、回归年等2、地球坐标系统1多媒体讲解2举例图解说明 3问题教学导引 4启发式讲解 5交互式讨论作业、讨论题、思考题：1、简述地心空间直角坐标系、参心空间直角坐标系、站心空间直角坐标系概念及异同点？（作业）2、解释大地坐标系、平面直角坐标系概念 课后小结：学生已经学习了大地测量学基础，有了大地坐标系统的初步知识，虽然本节内容有一定难度，特别是WGS-84坐标到地方坐标的转换过程作为重点，通过多次重复讲解并举例，要求同学们理解掌握。
RTCM SC-104数据格式及其应用──GNSS卫星导航定位方法之四
1 RTCM SC-104数据格式类型RTCM SC-104数据格式，具有21类63种电文型式，它们的含义如表1所示。
从该表可见，第1类电文和第2类电文，是应用广泛而成熟的DGPS 数据格式，本文将予以重点讨论。
表1 RTCM SC-104数据格式的电文类型2 RTCM SC-104电文内容RTCM SC-104第1类电文的主要内容是，16bits 的L1-C/A 码伪距改正数PRC(t 0)、8bits 的伪距变化率改正值RRC 、2bits 的用户差分距离误差UDRE 、5bits 的GPS 卫星识别号、1bit 的改正数改正精度等级（比例尺因子）和数据龄期（IOD ，数据发布日期）。
值得注意的是，伪距改正数PRC(t 0)，是一种外推值，它是由上一个“已经过时”的GPS 数据推算出来的，DGPS 用户应该立马用于改正；伪距变化率改正值RRC ，是对伪距改正数外推值变化的补偿，而可将“过时改正值”变成“实时改正值”。
但是，DGPS 用户不能够将伪距变化率改正值RRC 当作载波多普勒测量改正值使用。
RTCM SC-104第1类电文的格式如图1所示。
该电文给出的用户差分距离误差UDRE ，分成大小四级（如表2所示）。
图1 RTCM SC-104第1类电文的格式表2 四级用户差分距离误差UDRE表3 L1-C/A码伪距改正数及其变率的改正精度等级图2 RTCM SC-104第1类电文传输数据之例导航讲座图2是RTCM SC-104第1类电文传输数据之例。
由该图可见，用户差分距离误差U DR E 是1级，即其一倍均方根差大于1m ，而小于4m 。
任一时元t 的L1-C/A 码伪距改正数PRC(t)是PRC(t) = PRC(t 0) + RRC( t - t 0 ) （1）式中，PRC (t 0)为修正后Z 计数参考时元t 0的L1-C/A 码伪距改正数；RRC 为L1-C/A 码伪距改正数随时间的变化率（简称为伪距变化率）。
(完整版)(武汉大学)GPS原理及其应用
GPS原理及其应用
绪论 > 美国政府的GPS政策
美国政府的GPS政策
• SA技术（1990.3.25~2000.5.1）
– Selective Availability – 选择可用性 – 人为降低普通用户的测量精度。方法:
• ε技术：降低星历精度（加入随机变化） • δ技术：卫星钟加高频抖动
（短周期，快变化）
– 由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间经 济状况欠佳，无法及时补充新卫星，故该系统 不能维持正常工作。
– 到目前为止（2006年3月20日）,GLONASS系统 共有17颗卫星在轨。其中有11颗卫星处于工作 状态，2颗备用，4颗已过期而停止使用。俄罗 斯计划到2007年使GLONASS系统的工作卫星数 量至少达到18颗，开始发挥导航定位功能。
NAVSTAR GPS 21＋3 6 55° 20180km 12h CDMA 1575MHz
1228MHz
GPS原理及其应用
绪论 > 其它卫星导航定位系统 > GLONASS
其它卫星导航定位系统——GLONASS
• 卫星运行状况
– 从1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星起， 至1995年12月14日共发射了73颗卫星。
• 系统构成
– 卫星星座 – 地面控制部分 – 用户设备
GPS原理及其应用
P24
绪论 > 其它卫星导航定位系统 > GLONASS
其它卫星导航定位系统——GLONASS
GLONASS satellite
GLONASS constellation
GPS原理及其应用
绪论 > 其它卫星导航定位系统 > GLONASS
GPS原理及其应用
武大测绘学院GPS原理与应用 12
广域差分
? 结构
– 基准站（多个）、数据通讯链和用户
? 数学模型（差分改正数的计算方法）
– 与普通差分不相同
? 普通差分是考虑的是误差的综合影响 ? 广域差分对各项误差加以分离，建立各自的改正模型
– 用户根据自身的位置，对观测值进行改正
? 特点
– 优点：差分精度高、差分精度与距离无关、差分范围大 – 缺点：系统结构复杂、建设费用高
GPS原理及其应用
距离测量与 GPS定位 > 差分GPS > 差分GPS的新进展
差分GPS的新进展①
? 增强型系统
– 特点
? 伪卫星技术
? 卫星通讯技术
– 类型
WAAS
? LAAS – Local Area Augmentation System
– 采用地基伪卫星
? WAAS – Wide Area Augmentation System
GPS原理及其应用
(十二)
武汉大学 测绘学院 GPS原理及其应用课程组
GPS原理及其应用
第四章 距离测量与GPS定位
§4.8 差分GPS
GPS原理及其应用
距离测量与 GPS定位 > 差分GPS > 概述
概述①
? 差分GPS产生的诱因： 绝对定位精度不能满 足要求
– GPS绝对定位的精度受 多种误差因素的影响， 完全满足某些特殊应 用的要求
多基准站局域差分
? 结构
– 基准站（多个）、数据通讯链和用户
? 数学模型（差分改正数的计算方法）
– 加权平均
– 偏导数法
– 最小方差法
? 特点
多基准站差分系统结构
武汉大学测绘学院GPS测量与数据处理复习资料
GPS测量与数据处理复习要点武汉大学测绘学院XX一、GPS网及其建立1、GPS网：采用GPS技术建立的测量控制网，由GPS点和基线向量所构成。
2、GPS静态测量的特点：（1）测量精度高（2）选点灵活，无需造标，布网成本低（3）可全天候作业（4）观测时间短，作业效率高（5）观测、处理自动化（6）可获得三维坐标3、GPS网的建立过程：（1）设计准备阶段：项目规划；技术设计；资料搜集整理；仪器检定和检验；踏勘、选点和埋石（2）测量实施/施工作业阶段：实地了解测区状况；卫星状况预报；确定作业方案；外业观测；数据传输备份；基线解算及其质量控制（3）数据处理：网平差及其质量控制；技术总结；成果验收。
4、几个基本概念：（1）观测时段：从测站上开始接受卫星信号起止停止观测间的连续工作时间段称为观测时段，简称时段，时段持续的时间称为时段长度。
（2）同步观测：两台或两台以上的GPS接收机同时对同一组卫星信号进行观测。
（3）基线向量：利用进行同步观测的GPS接收机所采集的观测数据计算出的接收机间的三维坐标差，简称为基线。
（4）同步观测基线：利用同一时段的同步观测数据所确定出的基线向量被称为同步观测基线（5）闭合环：由多条基线向量首尾相连所构成的闭合图形（6）复测基线：在某两个测站间，由多个时段的同步观测数据所获得的多个基线向量结果称为复测基线（7）同步闭合环：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所构成的闭合环，简称为同步环（8）独立基线向量：若一组基线向量中的任何一条基线向量都无法用该组中其他基线向量的线性组合来表示，则该组基线向量就是一组独立的基线向量（9）独立观测环：由独立观测基线所构成的闭合环即非同步观测环也称为异步环（独立观测环闭合差的大小可作为评定基线解算结果质量的有力指标）5、GPS网的质量及质量控制：（1）质量=精度+可靠性+（成果适用性）（2）质量控制：质量检验（指标）和质量改善（措施）（3）影响GPS质量的因素：GPS基线向量的质量（依赖于观测数据和处理方法）；常规地面观测值的质量（观测方法）；起算数据的精度、数量和分布（网的设计及已有成果的质量）；GPS网的结构（网的设计和外业观测方案）；数据处理方法的完备性（数据处理软件及其解算方案）二、GPS处理的技术设计1、技术设计的依据：GPS处理规范及规程；测量任务书或测量合同书；其他规范与规程2、GPS网的精度和密度设计：用途/目的→GPS等级（AA、A、B、C、D、E）→精度密度设计。
GPS 第一章 绪论
参考文献:1、台军是否有能力反制“北斗”导航系统
2、北斗一号系统的工作原理
地球同步卫星与地球静止卫星
• 如果卫星运行周期与地球自转周期相等，则称 为地球同步卫星。如果轨道倾角再等于零，即 卫星位于赤道上空，且为圆轨道，则卫星相对 地球静止，称为地球静止卫星。由于地球同步 卫星大都采用i=0，因此一般将地球同步卫星 理解为地球静止卫星，不再区分。 • 从地球上看，地球同步卫星就象高悬在赤道上 空的不动的转播站，对广播通信特别有利。地 球自转周期为24小时56分4秒，由"环绕速度表" 查出地球同步卫星高度为35,786km。三个互成 120 角的地球同步卫星即可覆盖全球，实现全 球转播。
GPS原理及应用
参考书目
• 1、《卫星导航系统概论》边少锋等著，电子 工业出版社。 • 2、《 GPS测量操作与数据处理》魏二虎等著， 武汉大学出版社。 • 3、《GPS卫星测量原理与其应用》 周忠谟等 编著 ， 测绘出版社。 • 4、《GPS原理及应用》李天文编著，科学出版 社。 • 5、《 GPS 定位技术及其应用》李明峰等编著， 国防工业出版社。
现代生活离不开 以为卫星为代表 的太空技术
（二）GPS的特点
1、服务空间范围广
GPS卫星覆盖全球范围，能够满足陆地、海洋、航空 航天用户的需要。
2、功能多、精度高
能够为用户提供动态目标的三维位置、三维速度和时 间信息，绝对定位能达到米级，相对定位达到厘米级 的精度。
3、全天候性
GPS测量可以不受天气和昼夜变化的影响，优越于传 统的测量方式
GPS、GLONASS和伽利略系统比较
卫星系统 GPS GLONASS 伽利略系统
卫星数
轨道面数 轨道倾角 平均高度（km） 周期（h/m） 卫星射电频率L1 卫星射电频率L2
卫星导航的相关书籍
卫星导航的相关书籍
以下是一些关于卫星导航的书籍：
《卫星导航定位工程》（谭述森著，国防工业出版社，2010年7月）《卫星导航定位基础》（孙敏著，北京大学出版社，2022年7月）
《卫星导航定位原理》（黄丁发著，武汉大学出版社）
《卫星导航系统概论》（刘天雄著，中国宇航出版社，2017年1月）《卫星导航基础原理》（Rajat Acharya著，电子工业出版社，2022年9月）
《现代导航技术与方法》（张光明著，西南交通大学出版社）
《全球导航定位技术及其应用》
《GPS测量技术》（聂琳娟主编）
《惯性导航》（朱家海主编）
《惯性导航原理》（陈永冰、钟斌著，国防工业出版社）
《卫星无线电导航》（言中、丁子明著，国防工业出版社）
这些书籍涵盖了卫星导航的基本原理、系统设计、应用等多个方面，可以作为了解和学习卫星导航的参考书籍。
武汉大学空间定位与导航工程研究所课程
·卫星轨道基础课程简介本课程主要介绍卫星轨道的分类；时间系统与坐标系统；二体问题下的卫星轨道理论与初轨计算方法；卫星的摄动轨道；卫星的轨道机动和人造卫星的轨道设计等内容。
通过学习本课程，可以基本掌握人造卫星运行轨道的基础理论知识，为进一步学习卫星轨道确定和卫星轨道设计做准备。
第四学期开设教材：卫星轨道基础（讲义），待编。
参考书目：[1]近地航天器轨道基础，国防科技大学出版社，郗晓宁、王威、高玉东，2003年；[2]航天器轨道理论，国防工业出版社，刘林，2001年6月。
·组合导航课程简介组合导航系统是随着计算机、最优滤波原理的发展而迅速发展起来的一种多系统、多功能、高可靠性的导航系统。
目前组合导航系统已在国内外航空、航天、航海和陆地车辆的导航定位中得到广泛应用，它是导航技术发展的主要方向之一。
通过本课程的学习，学生能基本掌握和了解组合导航技术，对它的基本原理、特点、应用及最新发展有一个比较全面的认识。
对组合导航系统的应用有更深入理解。
本课程包含以下内容的知识：组合导航系统的基本思想、组合导航系统的最优估计方法（卡尔曼滤波）及其特点、GPS/INS组合导航系统的原理和方法及其应用。
教学过程中采用多种教学方法结合的方式。
课堂教学采用以PowerPoint 课件授课为主并与传统教学方法相结合的授课形式；注重设计和开发具有综合性、创新性的课堂实践项目。
通过课堂实习，使学生加深对理论知识的理解。
采用网络答疑。
现代网络信息的发展，为学生的远程教学和答疑提供了良好的平台。
比如布置作业、网上讨论，网上解答疑问。
通过email形式师生相互间进行交流。
课程安排开设在第七学期，这时前导课程：《GPS原理及应用》、《GPS测量数据处理》、《Matlab》、《导航学》等都已学完。
教材：组合导航，武汉大学自编讲义。
参考书目：[1]卡尔曼滤波与组合导航原理，西北工业大学出版社，秦永元、张洪钺、汪叔华编著，1998年；[2]导航系统，，航空工业出版社，袁信，俞济祥等著1993年；[3]Integrated Navigation and Guidance Systems，American Institute of Aeronautics and Astronautics，Inc，Daniel J.Biezad，1999。
GPS单点定位
l=
Xs − X p R Ys − Yp R Zs − Z p R
（14）
m=
n=
规定上标为卫星号，下标 i 为测站号，则组成伪距定位的基本方程
⎡dρi1 ⎤ ⎡ ⎢ 2⎥ ⎢ ⎢dρi ⎥ ⎢ ⎢dρ 3 ⎥ = ⎢ ⎢ i⎥ ⎢ 4 ⎢ ⎣dρi ⎥ ⎦ ⎣
采用矩阵表示
li1 li2 li3 li4
3
n0 = GM / a 2
式中，GM=398600.5 ( km) / s 是WGS-84坐标系中地球引力常数。
3 2
(1)
利用导航电文中给出的摄动改正数 ∆n ，用下式求卫星运行的平均角速度 n ：
n = n0 + ∆n
2)对观测时刻 t ' 做卫星钟差改正：
(2)
t = t ' − ∆t
∆t = a0 + a1 (t − t0 e ) + a2 (t − t0 e )2
②继续 fgetl， 记录观测值。 观测值类型随文件头定义。 因此调出文件头观测类型信息， 经比对而确定类型顺序，并记录。此时应注意类型个数，如果超过 5 个，每个历元观测值占 据两行位置，应提前预留空间。以此继续，直至文件末尾。
3、GPS 卫星轨道坐标计算数学模型
广播星历就是卫星 GPS 将含有轨道信息的导航电文发送给用户接收机， 然后经过解码获 得的卫星星历。GPS 用户通过卫星广播星历，可以获得 16 个卫星星历参数，其中，1 个参考 时刻，6 个相应参考时刻的开普勒轨道参数和 9 个摄动力影响的参数。这些参数的定义如下 表所示：
7)计算经过摄动改正的升交角距 u 、卫星到地心距离 r 、轨道倾角 i （7）
u =u0 +δu r = as (1−es cos Es ) +δr i = i0 +δi +i(t −t0e)
GPS
GPS在测量中的应用GPS测量技术具有测量时间短、技术含量高、精确度高等优点，在工程测量实践中发挥着越来越重要的作用，但同时GPS 测量技术也同样存在着一些有待解决的问题。
根据一些所学知识以及引用一些案例，来具体的分析一下GPS 在实际工程测量中的应用。
GPS （Global Position System，全球定位系统）是由接收装置和环球通讯卫星所组成的无线电导航定位系统，能够为用户提供精确的时间信息、导航与三维坐标。
GPS 作为新一代卫星导航与定位系统，不仅具有全球性、全天候、连续的精密三维导航与定位能力，而且具有良好的抗干扰性和保密性。
随着数字化进程的不断加剧，全球定位系统的迅速发展， GPS 技术已经成为了工程测量中不可或缺的重要技术，对工程测量有着深远的影响。
1 GPS 系统概述1.1 GPS 系统组成GPS 全球定位系统由空间卫星群和地面监控系统两大部分组成。
此外，测量用户还有卫星接收设备。
GPS 的空间卫星群由24 颗高约20 万公里的GPS 卫星群组成，并均匀分布在6 个轨道面上，卫星的轨道运行周期为11 小时58 分，这样可以保证在任何时间和任何地点地平线以上可以同时接收4～11 颗GPS 卫星发送出的信号。
GPS 用户部分由GPS 接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机、气象仪器等组成，其作用是接收GPS 卫星发出的信号，利用信号进行导航定位等。
1.2 GPS 测量的技术特点相对于常规的测量方法， GPS 测量拥有诸多优势特点。
（1）测站之间无需通视：这一特点使得选点更加灵活方便。
但测站上空必须开阔，以使接收GPS 卫星信号不受干扰。
（2）定位精度高：一般双频GPS 接收机基线解精度为5mm +1 ×D，而红外仪标称精度为5mm+5×D， GPS 测量精度与红外仪相当，但随着距离的增长，GPS 测量优越性愈加突出。
（3）观测时间短：采用GPS 布设控制网时每个测站上的观测时间一般在30～40min 左右，采用快速静态定位方法，观测时间更短。
GPS原理及其应用
《GPS定位技术》课程教学大纲课程编号：050611总学时：36+12总学分：3课程性质：必修适用专业及层次：测绘工程本科相关课程：大地测量学基础教材：《GPS测量与数据处理》，李征航，黄劲松编著，武汉大学出版社，2005年推荐参考书：《GPS测量原理与应用》，周忠谟等编著，测绘出版社，1997年《GPS测量原理与应用》李天文编著，科学出版社，2003年一、课程性质、目的与任务通过本课程的学习，使学生了解GPS的产生、优点及其广泛用途，掌握GPS的组成及信号结构，GPS中的误差源，距离测量和定位方法。
二、课程内容与要求第一章：绪论内容： 1.1全球定位系统的产生，发展及前景：子午卫星系统及其局限性，GPS的产生，发展及前景1.2 GPS在各个领域中的应用：GPS在军事、交通运输、测量和其它领域中的应用，GPS在我国的应用状况。
1.3美国政府的GPS政策：SA政策、AS政策，美国政府GPS政策的新变化重点讲授：子午卫星系统的局限性、GPS的产生发展、GPS在各个领域中的应用状况，美国的GPS政策及其新变化第二章：全球定位系统的组成及信号结构内容： 2.1全球地位系统的组成：空间部分；地面控制部分；用户部分；GPS接收机，天线；天线相位中心偏差及其改正方法；天线高，接收通道2.2 GPS卫星的信号结构：载波、测距码、导航电文；卫星信号的调制方法重点讲授：GPS的组成，天线相位中心偏差，接收通道第三章：GPS定位中的误差源内容： 3.1 概述：误差分析，消除和削弱误差影响的方法和措施3.2 钟误差：卫星钟和接收机钟的钟误差及其改正方法3.3 相对论效应：相对论效应产生的原因及消除方法，近似方法和严格方法3.4 卫星星历误差：广播星历和精密星历；星历误差对定位的影响；消除和削弱星历误差影响的方法3.5 电离层延迟：电离层的概况，双频改正模型3.6 对流层延迟：对流层概况，常用的对流层延迟模型提高对流层延迟改正的方法3.7 多路径误差：反射波，载波相位测量中的多路径误差，消除和削弱多路径误差的方法和措施。
武汉大学导航学作业1
《导航学》课程学习报告（一）学院名称测绘学院专业名称测绘工程班级学号学生姓名2012年12月25日本学习报告将详细讲述导航系统发展、分类，着重讲述惯性导航的发展及趋势，并对惯性导航的一些技术进行仿真研究。
主要有以下几个方面内容：第一章介绍了导航的发展历史，对各种导航系统的优缺点进行对比，分析得出惯导作为新一代主要导航方式的原因。
第二章建立惯导的仿真平台，基于惯导工具箱对惯导解算及其不同误差对导航结果进行了仿真研究；第三章改写惯导工具箱，并对实测数据进行惯导解算以及讨论讨论捷联惯导的姿态矩阵的初始对准技术。
关键词：惯性导航，惯导解算，误差影响，粗对准第一章绪论 (1)1.1导航系统概述 (1)1.2惯性导航技术发展概述 (7)1.3惯性导航技术发展前景 (12)第二章惯导解算仿真及误差分析 (15)2.1基于惯导工具箱设计轨迹进行惯性解算 (15)2.2惯性导航系统误差传播特性分析 (26)第三章改写惯导解算及对imu数据进行粗对准 (33)3.1捷联惯导系统算法概述 (33)3.2捷联惯导解算程序设计 (34)3.3初对准技术概述 (34)3.4静基座粗对准方案 (34)3.5imu实测数据的粗对准 (35)参考文献： (36)第一章绪论1.1导航系统概述将航行载体从起始点引导到目的地的技术或方法称为导航。
导航所需要的最基本的参数就是载体的即时位置、速度和航向。
早期飞机上测量导航参数的仪表称为导航仪表，由于测量手段日趋完善和复杂，目前测量导航参数的设备称为导航系统[1]。
从上个世纪20年代的仪表导航开始，已经研制出了无线电定位系统、惯性导航系统、多普勒导航系统以及70年代以后发展起来的GPS全球定位系统[3]。
这些导航系统各自都有优点，当然也存在着不足之处。
例如，惯性导航系统具有自主性和输出多种较高精度的导航参数，但误差随时间积累；无线电定位系统的定位精度不受使用时间的影响，但它的输出信息主要是载体的位置，对精确导航来说，定位精度也不是够高，且工作范围受地面台站覆盖区域的限制；多普勒导航系统必须采用外部导航向信号，否则载体上其它航向信号误差一般不能保证小于0.5°～1�，这样仅航向误差就使定位误差大于航程的1%～2%；70年代发展起来的GPS（全球定位系统）是一种高精度的全球三维实时导航的卫星导航系统，与其它导航方式相比，具有精度高，可用性好的优点。
卫星导航定位算法与程序设计_第4课_伪距单点定位数学模型
5% 50% 95% 分布
5cm 10cm 20cm 50cm 1m 2m 5m 10m 20m 50m 100m
引用
定位精度与用户需求的关系
精密 工程 监控
地壳 形变 工程 监控
精密 大地 定位
工程与大 地定位
地理 信息 更新
地理 信息 更新
精密 交通 监控
交通 近海 自引导 监控 交通 导航
控制
卫星导航定位算法与程序设计
主讲： 刘晖 副教授
武汉大学卫星导航定位技术研究中心
课程讲授次序中的位置
软件设计相关 编程语言相关 定位算法相关
•建立起软件设计的宏观概念（战略层次）; •巩固软件设计方法的知识; •训练从设计到实现的工作流程;
•掌握软件编程平台的使用（战术层次）; •培养良好的编程习惯 •编程技巧的训练
GDOP – Geometry Dilution of Precision
PDOP – Position Dilution of Precision
TDOP – Time Dilution of Precision
HDOP – Horizontal Dilution of Precision
内容
GNSS定位技术回顾
定位技术的分类及发展 定位技术及其精度 定位精度与用户需求的关系 当前技术热点
伪距单点定位数学模型 伪距差分定位数学模型
概述
GNSS可提供全天候、高精度、高可用性、 高时效的三维空间定位
GNSS：3G+1C
3G：GPS、GLONASS、Galileo 1C：COMPASS
P ( X s X )2 (Ys Y )2 (Zs Z )2 atmos dt dT
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30
对流层延迟的模型改正
• 简化模型
对流层延迟 2.47 / sin E
卫星高度角
• 霍普菲尔德（Hopfield）模型、萨斯塔莫宁 （Saastamoinen）模型等
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第7节 多路径效应
32 © 2009~2012. 黄劲松，武汉大学测绘学院.
多路径误差与多路径效应
• 多路径（Multipath）误差
2002.5.15 1:00 – 23:00 2小时间隔全球VTEC分布
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电离层延迟的应对（单点定位）
• 双频改正
– 仅适用于双频接收机
• Klobuchar模型
– 利用导航电文中的模型参数进行改正
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对流层延迟
28 © 2009~2012. 黄劲松，武汉大学测绘学院.
对流层（Troposphere）
• 狭义相对论效应
– 时钟在惯性空间中的运动速度不同所引起的时 钟频率差异
• 狭义相对论效应对卫星钟的影响
– 狭义相对论效应使卫星上钟的频率变慢
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广义相对论效应的影响
• 广义相对论效应
– 时钟所处位置的地球引力位不同所引起的时钟 频率差异
• 广义相对论效应对GPS卫星钟的影响
– 广义相对论效应使卫星上钟的频率变快
电子密度与大气高度的关系
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电子含量与地方时的关系
夏威夷太阳观测站实测垂直方向总电子含量（VTEC）数据
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太阳活动情况与电子含量
• 电子含量与太阳活动密切相关， 太阳活动剧烈时，电子含量增 加 • 太阳活动周期约为11年，上一 高峰为2001年
1700年 – 1995年太阳黑子数
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电子含量与地理位置的关系
– 第二步：改正
在时刻t时，在卫星钟读数上加上改正数tr , tr (t ) F e A sin E (t ) 2 1 2 F 4.442807633 1010 s m1 2 2 c
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第5节 卫星星历误差
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在卫星导航定位中， 将这一部分大气对 信号的影响统称为 对流层延迟
地球大气层的结构
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大气折射效应
• 大气折射
– 信号在穿过大气时，速度将发生变化，传播路径也将 发生弯曲。也称大气延迟。在GPS测量定位中，通常仅 考虑信号传播速度的变化。
• 色散介质与非色散介质
– 色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应也 不同 – 非色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应 相同 – 对GPS信号来说，电离层是色散介质，对流层是非色散 介质
• 精密星历
– 为满足大地测量、地球动力学研究等精密应用 领域的需要而研制、生产的一种高精度的事后 星历。
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不同卫星星历的误差
IGS跟踪站网
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第6节 大气折射
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地球大气结构
在卫星导航定位中， 将这一部分大气对 信号的影响称为电 离层延迟
• 与卫星有关的因素
– 卫星轨道误差，卫星钟差，相对论效应
• 与传播途径有关的因素
– 电离层（折射）延迟，对流层（折射）延迟， 多路径效应
• 与接收设备有关的因素
– 接收机天线相位中心的偏移和变化，接收机钟 差，接收机内部噪声
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第2节 时钟误差
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相对论效应对卫星钟的综合影响
• 狭义相对论＋广义相对论
– 总体上将使得卫星的时钟相对于其在地面时加 快
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应对相对论效应的方法
• 方法（分两步）：首先考虑假定卫星轨道为圆轨 道的情况；然后考虑卫星轨道为椭圆轨道的情况。
– 第一步：地面调低钟频，入轨后由于相对论效应而大 体接近标准频率
在地面上调低将要搭载到卫星上去的钟的频率，调低后的频率为 10.23 MHz (1 4.449 10 10 ) 10.2299999954 5MHz
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电离层延迟
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电离层延迟
• 电离层延迟与下列因素有关
– 信号频率 – 信号传播途径上的总电子含量（TEC）
电 离层 TEC
柱 体底 面积 为1m
2
地球
总电子含量（TEC – Total Electron Content）： 底面积为一个单位面积沿信号传播路径贯穿整个 电离层的一个柱体内所含的电子总数。 22
在卫星导航定位中， 将这一部分大气对 信号的影响称为电 离层延迟
在卫星导航定位中， 将这一部分大气对 信号的影响统称为 对流层延迟
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对流层延迟
• 对流层延迟的一般特性
– 通常分为两部分：
1. 流体静力学延迟（干延迟）和 2. 湿延迟
– – –
与信号传播途径上温度、湿度和气压有关 与GPS信号的频率无关 天顶方向上的延迟约为2.5m
GPS导航应用
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第6章 GPS的误差源
2 © 2009~2012. 黄劲松，武汉大学测绘学院.
第1节 GPS测量的环节及影 响因素
3 © 2009~2012. 黄劲松，武汉大学测绘学院.
GPS测量的环节
单点定位 GPS测量的环节 4
影响GPS测量的因素
时钟特性及其对卫星测距的影响
• 钟差
– 钟读数与真实系统时间之间的差异，在GPS中 有卫星钟差和接收机钟差两类
• 单点定位中卫星钟差的处理方法
– 利用导航电文中的钟差改正模型参数进行改正
t a0 a1 t t0 a2 t t0
2
钟差 钟偏 钟速/钟漂
钟的老化率/频漂率
卫星星历误差
• 定义
– 由星历所给出的卫星在空间中的位置与其实际 位置之差。
• 对单点定位的影响
– 主要取决于用于定位或导航的GPS卫星与接收 机构成的几何图形，但总体上量级与星历误差 相当。
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星历类型
• 广播星历
– 由GPS的地面控制部分所确定和提供的，经 GPS卫星向全球所有用户公开播发的一种预报 星历。
• 单点定位中接收机钟差的处理方法
– 作为未知数进行估计
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第3节 相对论效应
8 2009~2012. 黄劲松，武汉大学测绘学院.
狭义相对论和广义相对论
• 狭义相对论
– 1905 – 运动将使时间、空间和 物质的质量发生变化
• 广义相对论
– 1915 – 将相对论与引力论进行 了统一
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狭义相对论效应的影响