GPS 课件解析

第二篇
全球定位系统（GPS）
第一节 GPS定位的坐标系统和时间系统 一、坐标系统的类型
1、空固坐标系、地固坐标系； 2、地心坐标系、参心坐标系；
3、空间直角坐标系、球面坐标系、大地坐标系；
4、瞬时坐标系、协议坐标系； 5、二维坐标系、三维坐标系。
Πn
Pn
二、协议坐标系及其之间的转换
Байду номын сангаас
黄道 ε 黄赤交角 赤道 春分点 Π s
3、原子时(AT) 以铯原子基态两超精细能级的辐射跃迁定义时间尺度，以1958 年1月1日零时的世界时减去0.0039秒为原点。 原子钟精度极高，目前使用的氢钟精度可达10-16。 4、协调世界时(UTC) 尺度用原子时尺度。为了与地球自转运动相吻合，通过润秒方 法尽量与世界时在时刻上接近。 5、GPS时 尺度是原子时秒长，原点取1980年1月6日零时的协调世界时。
1 1 1 1 v1 a X b Y c Z c t l k k k k k


1
Lk
其中：
v1 k 2 vk V vm k
a1 k 2 a k ak am k
1 bk bk2
3、多路径误差 由卫星发射的电磁波经多条路径到达接收机而引起的误差，其中一 条路径是直接到达接收机，其它路径是经多次反射后到达接收机。 措施： 1）静态定位； 2）测站点避开反射物（建筑物、光滑地面、水域等）； 3）改善天线。
（四） 与接收机有关的误差
• 接收机钟差 • 接收机安置误差 包括对中和整平误差，观测前应严格校正对点器。 • 观测误差：接收机对时间的观测精度有限引起的误差 • 天线相位中心位置偏差 • 即接收机天线的相位中心与几何中心不一致。 性质：与信号强弱及到达接收机的方向有关。 措施：改进天线、相对定位时采用同一型号的接收 机并使定向标志朝北、观测前检验接收机天线相位中心位 置偏差。
不润秒。故与协调世界时时间差逐年增大。
6、时间基准 以一定数目的守时设备确定，GPS时由主控站提供基准。
第二节
GPS信号与卫星坐标计算
一、GPS卫星信号 载波信号： L1 L2 1.57542GHz。 1.22760GHz 。
测距码信号：C/A码，P码。 数据码信号：导航电文。
二、GPS卫星的导航电文（数据码）
三、 GPS卫星信号的构成
基准频率
10.23MHZ
L1 1575.42MHZ L2 1227.60MHZ
10
C/A码 P•码 1.023MHZ 10 . 23MHZ
154 120 50比特/S
P•码 10.23MHZ
卫星信息电文(D码)
每颗卫星都发射一系列无线电信号(基准频率ƒ)
两种载波(L1和L2) 两种码信号(C/A码和P码) 一组导航电文(信息码，D码)
T=(t-t0)是从标准历元 t0 到观测历元 t 的儒略世纪数,1 儒略世纪=36525
三、时间系统
1、时间的概念 现代测量科技与空间科技紧密结合，测量精度极高。如卫星定 轨、飞机和车辆导航、地球自转与公转、研究地壳升降和板块运动 等问题，不仅要求给出空间位置，而且应给出相应的时间。现代大 地测量基准应是包括时间在内的四维基准。 GPS测量中，时间的意义 确定GPS卫星的在轨位置； 确定测站位置； 确定地球坐标系与天球坐标系的关系。 时间包括时刻（绝对时间）与时间间隔（相对时间）两个概念。 测量时间同样需要建立测量基准，包括尺度与原点。可作为时 间基准的运动现象必须是周期性的，且其周期应有复现性和足够的 稳定性。
码相位观测
二、观测量的误差及其影响
GPS定位误差的分类 一般按来源分类：
与卫星有关的误差；
与信号传播有关的误差； 与接收设备有关的误差； 其它误差。
（一） 与卫星有关的误差
1、卫星星历误差； 1）来源：地面监测站观测数据误差及星历数据计算方法不合理带来 的误差。 2）大小：卫星位置偏差达数米至数十米。 3）性质：当地面两点间的距离较近（<20km）时，对两点定位的影 响具有相关性。 4）减弱措施： （1）相对定位；（残余误差随边长的增大而增大） （2）差分定位； （3）采用后处理星历； （4）建立自己的地面监测站，进行GPS卫星的定轨观测，求精密 星历。 2、卫星钟差 1）来源：钟频稳定性。 2）对星站距离的影响达300km，改正后仍有6m。 3）性质：同星历误差。 4）减弱措施： 主要是相对定位或差分定位；
（三） 与信号传播有关的误差
1、电离层折射 1）不改正使星站距离产生100多米误差； 2）影响性质： （1）码相位观测与载波相位观测的电离层折射大小相等， 符号相反；（2）对相对定位的影响因相关性而大大减弱； 3）影响电离层折射的因素 （1）电磁波频率 250MHz电磁波的折射数为1600MHz电磁波折射数的约30倍，L1载波与L2 载波的折射数显著不同。 （2）电磁波传播路径上的带电离子密度及带电粒子数： 电离层高度，200~400km时密度最大； 地方时，白天是晚上的5倍，地方时11时最大； 季节，夏天是冬天的4倍； 测站纬度，赤道最高，南北极最低； 年份，太阳黑子活动周期为11年，最高年份可达1016/m2,最低年 份近于零。58，69，80，91，02年最高； 卫星高度：高度越大，影响越小。
1、遥测码：主要是说明注入数据是否可靠。 2、转换码：用C/A码捕获P码用。 3、传输参数：定位精度，<9可用于导航，>9不能导航。 4、电离层改正。 5、钟差改正。 6、星历，各卫星播发的自已的位置参数，文件类型为E文件，用于 定位。 7、历书，各卫星播发的所有卫星的概略位置参数，文件名以 al 开 头，用于估算可见卫星数。 8、卫星健康及其它。
三、绝对定位原理
1、动态绝对定位原理
设观测卫星数 m 4 ，则
2 2 2 2 2 vk ak X bk Y ck Z ct lk m m vk ak X bkmY ckmZ ct lkm
用矩阵表示
V ak X Lk X aT ak k
2、世界时 1）恒星时 以春分点连续两次经过本地子午线的时间间隔为一恒星日，含24 恒星小时。分真春分点地方时、真春分点格林威治时、平春分点地方 时、平春分点格林威治时四种。 2）平太阳时 以平太阳连续两次经过本地子午线的时间间隔为一平太阳日，含 24平太阳小时。 3）世界时 以子夜为零时起算的格林威治平太阳时，用UT0表示。与平太阳 时相差12小时，即 UT0=GAMT+12h 平太阳时和世界时均以地球自转为参照，而地球自转速度是变化 的，包括极移、自转速度季节性变化和逐年变慢等。1956年引入极移 改正和自转速度季节性变化改正： UT1=UT0+Δλ UT2=UT1+ΔTS 加逐年变慢改正。
瞬时北天极：绕平北天极18.6年转一周。真春分点。
岁差与章动
4、协议天球坐标系
1）瞬时天球坐标系：z轴指向瞬时北天极，x轴指向瞬时春分点 （真春分点）。 2）平天球坐标系：z轴指向平北天极，x轴指向平春分点。
3）协议天球坐标系
1984年1月1日后，取2000年1月15日的平北天极为协议北天极， z轴指向协议北天极的天球坐标系称为协议天球坐标系，x轴指向
1、天球的基本概念
天球——以地心为球心，以任意长为半径的球面。 Ps 天轴——地球旋转轴。 天极——天轴与天球面的交点。Pn 、Ps。 天球赤道面——过球心且与天轴垂直的平面。 黄道面——地球公转轨道所在平面，与赤道面夹角为23.5°。
春分点——太阳从南半球向北半球运行时，黄道与赤道的交点。
Z
2、天球坐标系的概念 1）天球空间直角坐标系
3）空间直角坐标系与球面坐标系的转换
x cos cos y r cos sin z sin
r x2 y2 z 2 y arct an x z arct an 2 2 x y
协议春分点。
4）三者间的转换：
坐标系的旋转
X X cos Y sin Y X sin Y cos
X cos Y sin sin X Y cos
ZA=0.640616°T+0.0003041°T2+0.0000051°T3 θ Z=0.5567530°T-0.00001185°T2-0.0000116°T3 ξ Z=0.6406161°T+0.0000839°T2+0.0000050T3
cos Z RZ Z sin Z 0
四、GPS卫星的坐标计算
基本思路： 卫星坐标是在天球坐标系中的坐标，地面上任 意一点的位置是在地球坐标系中的坐标。因此，需 要将卫星坐标从天球坐标系转换为地球坐标系。
第三节
GPS的定位原理
一、 GPS定位的方法与观测量
1、定位方法分类 1）动态定位与静态定位： 动态定位——认为接收机相对于地面是运动的。 静态定位——认为接收机相对于地面静止不动。 2）绝对定位与相对定位： 绝对定位——求测站点相对于地心的坐标； 相对定位——求测站点相对于某已知点的坐标增量； 3）差分定位：在基准点上观测求得大气折射等改正，并及时发送 给流动站，流动站用收到的改正数对观测数据进行改正，得精确点位。 2、观测量 几何距离——星站间的真实距离。 伪距——由接收机观测的带有钟差的星站距离。 码相位观测，得测码伪距（简称伪距）； 载波相位观测，得测相伪距（简称相位）。 观测量：伪距。 单位权中误差——伪距观测中误差，不完全合理。
sin Z cos Z 0
0 0 1
cos R y z 0 sin
0 sin 1 0 0 cos