GPS測量原理及應用 知識總結

GPS

第一章

1. 北斗的優勢及應用 （至少三點）

• 優勢

  1. 三頻定位，衛星定位精度更高。

     通過三個不同頻率的信號可以有效消除定位的時候產生的誤差，並且多個頻率的信號可以在某一個頻率信號出現問題的時候改用其他信號，提高定位系統的可靠性和抗干擾能力

  2. 短報互文功能

  3. 安全、方便

• 應用

  1. 氣象應用： 北斗系統在衛星氣象方面的應用，可以提升中國天氣分析和數值天氣預報、氣候變化監測和預測的水平，也可以提高空間天氣預警業務水平，提升中國氣象防災減災能力。
  2. 鐵路智能交通：北斗衛星導航系統將可提供高可靠、高精度的定位、測速、授時服務。
  3. 應急救援： 全海域出海漁船加裝北斗系統裝備，利用北斗特有的短報互文通信功能及時回傳海上遇險搜救信息，成爲海上漁民保障安全的重要工具。
  4. 居家智慧養老項目：利用“互聯網+北斗定位+社區服務組織+醫療機構+居家養老智能服務終端”，構建智能化醫、養、服務結合的居家養老實施體系，
  5. 北斗+紀檢 ：實時查詢目標車輛的精確位置和歷史軌跡，對公車實行動態監管。

2. GPS系統的組成、地面監控、GPS接收機任務

1. 系統組成

   • 空間部分——GPS衛星星座

     作用：

     ​ 1. 用兩個無限載波向用戶連續發送導航定位信號

        2. 接收導航電文及其他信息，適時的發送給廣大用戶
        3. 接收地面主控站通過注入站發送到衛星的調度命令，實時的改正運行偏差或啓用備用時鐘等。
     

   • 地面控制部分——地面監控系統

     • 一個主控站。

       美國本土科羅拉多。收集、處理本站和監測站收到的全部資料 ，編算出每顆衛星的星曆和GPS時間系統，將預測的衛星星曆、鐘差、狀態數據以及大氣傳播改正編製成導航電文傳送到注入站。

     • 三個注入站

       將主控站發來的導航電文注入到相應衛星的存儲器。

     • 五個監測站

       爲主控站提供衛星的觀測數據

   • 用戶設備部分——GPS信號接收機

     • 捕獲按一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星的信號，並跟蹤衛星運行

     • 對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理

     • 測量出信號傳播的時間，解譯出GPS衛星所發送的導航電文

     • 實時計算出測站的三維信息，甚至三位速度和時間。

2. 系統特點

   1. 定位精度高：50km以內可達10-6
   2. 觀測時間短： 20km以內的相對靜態定位，僅需15~20 分鐘
   3. 測站間無需通視：只需測站上空開闊。
   4. 可提供三維座標、時間、速度：經典大地測量將平面與高程分別施測，GPS可同時測定點的三維座標。
   5. 操作簡便
   6. 全天候作業：24小時行。
   7. 功能多、應用廣

第二章

1. 天球座標系和地球座標系是用來幹什麼的？

• 天球座標系:描述衛星的運行位置和狀態。該座標系與地球自轉無關。

  • 原點—地球質心M
  • Z軸—指向天球北極Pn
  • X軸—指向春分點
  • Y軸—垂直於XMZ平面，與X軸Z軸構成右手座標系統。

• 地球座標系:描述地面觀測站的位置，該座標系隨同地球自轉。通常採用空間直角座標系進行座標轉換。

  • 原點O：地球質心
  • Z軸：指向地球北極Pn
  • X軸：指格林尼治子午面與地球赤道的交點E
  • Y軸：垂直於XOZ平面，與X軸和Y軸構成右手座標系。

• 爲什麼選用空間直角座標系？
  任一點的空間位置可由該點在三個座標面的投影（X，Y，Z）唯一地確定，通過座標平移、旋轉和尺度轉換，可以將一個點的位置方便的從一個座標系轉換至另一個座標系。
  與某一空間直角座標系所相應的大地座標系（B，L，H），只是座標表現形式不同，實質上是完全等價的，兩者之間可相互轉化。

2. 怎麼定義座標系？

1. 座標原點的位置。
2. 三個座標軸的指向。
3. 長度單位

3. 座標系統之間的轉換

七參數

• 同一基準

  1. 空間直角座標系與空間大地座標系間的轉換。
  2. 空間座標系與平面直角座標系間的轉換。

• 不同基準

  1. 不同座標系之間的轉換實質上就是不同基準間的轉換，常用布爾薩七參數轉換方法。
  2. 布爾薩七參數：即3個平移參數，3個旋轉參數，1個尺度參數。

GPS座標與我國北京54（西安80）座標的轉換流程圖：

4. 時間系統 判斷

1. 時間：

   • 時刻：發生某一現象的瞬間.
   • 時間段：發生某一現象所經歷的過程，是這一過程始末的時刻之差。

2. 時間基準

   • 時間原點（時刻）

   • 時間尺度（時間段）

3. GPS定位對時間系統的要求

   全球統一的時間原點和高精度的時間尺度。

   原因：

   1. 時間度量的精度就意味着空間位置的精度。
   2. GPS定位是通過測定電磁波信號的傳播時間來測定站星距離的。

第三章

1. 衛星的無赦運動，確定開普勒軌道方程，要知道參數

1. 無赦運動：地球質心引力（中心引力）

   1. 第一定律：衛星運動的軌道是一個橢圓，而該橢圓的一個焦點與地球質心重合。
   2. 第二定律：衛星到地心的距離在相等的時間內所掃過的面積相等。
   3. 第三定律：衛星運行週期的平方，與軌道橢圓長半徑的立方之比爲一常量。
   • 理想軌道
   • 中心引力
   • 二體問題：將地球和衛星視爲兩個質點，僅考慮地球質心引力
     研究衛星運動規律

2. 受攝運動：地球非對稱性引力

   • 日月引力；
   • 大氣阻力；
   • 光輻射壓力

3. 攝動力

   • 地球非中心引力Fm；
   • 太陽引力Fs和月球引力Fn；
   • 太陽光的直接與間接輻射壓力Fr；
   • 大氣阻力Fa；
   • 地球潮汐作用力；
   • 磁力及其他作用力

4. 開普勒運動

5. 軌道六參數

   • 衛星軌道面與赤道面的相對位置

     • 升交點赤經Ω ：升交點和赤道面春分點的夾角

     • 近地點角距 ：軌道平面近地點和升交點的夾角

     • 軌道傾角 ：軌道面和赤道面的夾角

     • 衛星過近地點時刻

   • 衛星軌道的形狀

     • 衛星軌道長半軸

     • 衛星軌道扁率

2. GPS衛星星曆

描述衛星某一時刻運動軌道的信息

1. 預報星曆（廣播星曆）

   1. 定義：通過衛星發射到用戶接收機的含有軌道信息的導航電文信號

   2. 內容：共計17個星曆參數。

   3. 特點：

      • 每2個小時更新一次，

      • 外推的時間間隔不超過1小時

      • 預報星曆的精度一般約爲20-40m

      • 注入站----將衛星星曆、衛星鐘差等參數和各種控制命令發送到GPS衛星。

   4. 預報星曆的編制和傳送過程：

2. 後處理星曆（精密星曆）

   1. 定義：根據地面跟蹤站的精密觀測資料計算而得到的，不包含外推誤差的實測星曆。

   2. 優點： 軌道參數非常準確，也稱精密星曆。

   3. 缺點：不能做到實時。

   4. 後處理星曆的編制和傳送過程：

第四章

1. GPS衛星的導航電文

​ 用戶用來定位和導航的數據基礎。

1. 遙測碼：位於各子幀的開頭，表明衛星注入數據的狀態。
2. 轉換碼：位於每個子幀的第二個字碼，提供幫助用戶從所捕獲C/A碼轉換到捕獲P碼的時間計數（Z）。
3. 第一數據塊：位於第一子幀的第3 ~10字碼。
   • 衛星時鐘改正------以地面主控站的原子鐘爲基準
   • 電離層時延改正
   • 星期序號WN------ GPS週期數
   • 數據齡期AODC
   • 衛星的健康狀況
4. 第二數據塊：包含第2和第3子幀，其內容表示GPS 衛星的星曆。
5. 第三數據塊：包含第4和第5子幀，內容包括了所有GPS 衛星的歷書數據。可幫助用戶選擇工作正常的定位衛星。

2. GPS信號圖，信號怎麼產生的，爲什麼要兩個載波，消除有什麼影響，C/A碼，P碼

1. GPS信號

   • 運載工具（載波L1、L2）
   • 測距碼（C/A碼、P碼）
   • 導航電文（數據碼、D碼）

2. 信號圖

3. 兩個載波

   測量出或消除掉由於電離層效應而引起的延遲誤差

4. 消除有什麼影響？

5. 粗碼C/A碼

   • 碼長：1023位
   • 週期：1ms
   • 測距誤差：3~30m
   • 特點：
     • 由於C/A碼的碼長較短，易於捕獲，而通過捕獲C/A碼所得到的信息，又可以方便的捕獲到P碼，稱C/A碼爲捕獲碼。
     • C/A碼的碼元寬度較大，測距誤差可達 3~30m。由於其精度較低，所以，稱C/A碼爲粗捕獲碼。
     • 由於C/A碼單點定位精度較低，測量上採用非單點定位，即相對定位（差分定位）。

6. 精碼P碼

   • 碼長：6.19*1012 bit
   • 週期：七天
   • 測距誤差：0.3~3m
   • 特點：
     • 碼元寬度較小，精度較高，專爲軍用。
     • 目前，只有極少數接收機才能接收P碼，且價格昂貴。

3. 接收機的基本工作原理

1. 接收天線：

   將GPS信號的極危若的電磁波能轉化爲相應的電流

2. 前置放大器：

   將GPS信號電流予以放大。爲便於接收機對信號進行跟蹤、處理和兩側。

3. 接收機主機

   1. 變頻器及中頻放大器

      經過GPS前置放大器的信號仍然很微弱，爲了使接收機通道得到穩定的高增益，並使L頻段的射頻信號變爲低頻信號。採用變頻器

   2. 信號通道

      1. 搜索衛星，牽引並跟蹤衛星
      2. 對廣播電文數據信號實行解擴，解調出廣播電文
      3. 進行僞距測量、載波相位測量及多普勒頻移測量

4. 總結

   • 當GPS衛星在用戶世界升起時，接收機能夠捕獲到按一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星，並能夠跟蹤這些衛星的運行；
   • 對所接收到的GPS信號，具有變換，放大和處理的功能，
   • 以便測量出GPS信號從衛星到接收天線的傳播時間，
   • 解譯出GPS衛星所發送的導航電文，
   • 實時的計算出測站的三維位置，甚至三維速度和時間。
   • GPS信號接收機不僅需要功能較爲強大的機內軟件，而且需要一個多功能的GPS數據測後處理軟件包。
   • 接收機加處理軟件包，纔是完整的GPS信號用戶設備。

第五章

1. GPS衛星定位的基本原理，分類，四種

1. 基本原理

   • 運用空間距離前方交會的方法求出衛星的位置。
   • 運用空間距離後方交會的方法求測站點的位置。
   • 觀測值：距離
   • 用距離交會的方法求解P點的三維座標（X，Y，Z）的觀測方程：

2. 實質：

   ​ 由GPS接收機在某一時刻，同時接收四顆以上的GPS衛星信號，測量出GPS接收機到GPS衛星的距離，根據空間距離後方交會的方法求測站點的位置。

3. GPS定位方法及分類

   • 按採用觀測值

     • 僞距定位

     • 載波相位定位

   • 按獲取結果的時間

     • 實時定位
     • 事後定位

   • 按測站的運動狀態

     • 靜態定位
     • 動態定位

   • 按接收機的數量

     • 絕對定位（單點定位）
     • 相對定位（差分定位）

2. 什麼是僞距測量？原理是什麼，方程（詳細）方程各部分的意義

1. 定義

   • 僞距法定位：由GPS接收機在某一時刻測出四顆以上的GPS衛星的僞距以及已知的衛星位置，採用空間距離後方交會的方法求定天線所在點的三維座標。
   • 僞距：由衛星發射的測距碼信號到達GPS接收機的傳播時間乘以光速所得出的量測距離。而不是衛星與GPS接收機的幾何距離。

2. 原理

   時間 t 的測定：

   • 衛星 — 測距碼，經時間到達接收機。
   • 接收機 — 複製碼
   • 時延器 — 延遲複製碼，經延遲時間 使兩碼對齊，。

   使實際上是不可能的，只能使，兩種碼不可能完全對齊，導致時間有誤差。

3. 僞距測量方程

   • 爲僞距測量值
   • 爲衛星至接收機幾何距離
   • T爲測距碼的週期
   • 爲周長
   • 爲測距模糊度

   如果已知待測距離小於測距碼的波長，則n=0

4. 僞距定位觀測方程

   • 優點：定位速度快，無多值性。
   • 缺點：定位精度低，P碼的測距精度0.3m，C/A碼 的測距精度3m左右 。

3. 載波相位測量的原理，方程

1. 原理

2. 方程

4. 整週跳變原因，修復方法

1. 定義
   • 在載波相位測量中，若接收機保持對衛星信號的連續跟蹤，則整週未知數保持不變，整週計數也保持連續.
   • 但當接收機無法保持對衛星信號連續跟蹤時，在衛星信號重新被鎖定後，整週未知數將發生變化，整週計數也將不再與前面的值保持連續而發生部分丟失現象.
   • 不足一週的的相位觀測值仍是正確的
2. 原因
   1. 信號被其它物體遮攔；
   2. 大功率電磁場干擾；
   3. 電源中斷，或接收機故障（無法修復周跳，需重新觀測）
3. 修復方法
   1. 屏幕掃描法
   2. 多項式擬合法
   3. 在衛星間求差
   4. 雙頻觀測值修復周跳
   5. 根據平差後的殘差修復周跳

5. 絕對定位，相對定位

1. 絕對定位

   ​ 接收機天線處於靜止狀態下，確定觀測站座標的方法稱爲靜態絕對定位。

   這時，可以連續地在不同曆元同步觀測不同的衛星，測定衛星至觀測站的僞距，獲得充分的多餘觀測量。測後通過數據處理求得觀測站的絕對座標。

2. 相對定位

   至少用兩臺GPS接收機，同步觀測相同的GPS衛星，確定兩臺接收機天線之間的相對位置（座標差）。

   • 特點
     • 優點：定位精度高
     • 缺點：
       • 多臺接收共同作業
       • 數據處理複雜
       • 不能直接獲取絕對座標
   • 應用
     • 高精度測量定位及導航

6. 一次兩次三次差分定位

1. 單差觀測（一次差）——在接收機間求差

   爲什麼要進行單差觀測？
   不同接收機觀測同一顆衛星，在不同接收機間求一次差，可消除信號傳播的誤差（對流層、電離層等的誤差），採用單差觀測的目的就是要減少誤差的影響提高定位結果的精度。
   優點：①可消除衛星鐘差的影響；
   ②削弱星曆誤差的影響；
   ③可削弱電離層和對流層的影響。

2. 雙差觀測（二次差）——在衛星間求差

   可以消除接收機間鐘差的影響。

3. 三次差—在星曆間求差（兩個曆元的星曆間求差）

   可消除的影響（過程中由於不準造成的影響）

4. 差分定位

   差分GPS定位技術是將一臺GPS接收機安置在基準站上進行觀測。根據基準站已知精密座標，計算出基準站到衛星的距離改正數，並由基準站實時地將這一改正數發送出去。用戶接收機在進行GPS觀測的同時，也接收到基準站的改正數，並對其定位結果進行改正，從而提高定位精度。

   差分GPS可分爲:

   • 單基準站差分
     • 位置差分
     • 僞距差分
     • 載波相位差分
   • 具有多個基準站的局部區域差分
   • 廣域差分

GPS定位中，存在着三部分誤差：

1. 一是多臺接收機公有的誤差，如：衛星鐘誤差、星曆誤差；

2. 二是傳播延遲誤差，如：電離層誤差、對流層誤差；

3. 三是接收機固有的誤差，如：內部噪聲、通道延遲、多路徑效應。

   採用差分定位，可完全消除第一部分誤差，可大部分消除第二部分誤差（視基準站至用戶的距離）。

第七章

1. GPS測量的誤差來源及消除方法

1. GPS衛星: 對距離測量的影響：1.5 ~ 15m

   1. 星曆誤差：星曆包含17個參數，參數本身存在誤差。

      ​ 消除:

      • 建立自己的衛星跟蹤網；
      • 軌道鬆弛法——六個軌道參數的近似值作爲已知值，將改正數作爲參數進行平差處理。
      • 同步觀測求差——利用兩個或多個觀測站，對同一衛星的同步觀測值求差。

   2. 鍾誤差：調製波以一定的頻率形成信號，信號本身存在誤差；利用調製碼求時間，存在誤差。

      ​ 消除:

      • 加鐘差改正模型
      • 同步觀測求差——在接收機間求一次差，可消除衛星鐘差和改正後的殘餘誤差。

   3. 相對論效應：對震盪頻率產生影響，會對時間、空間距離產生影響。

      ​ 消除:

      • 在製造衛星鐘時預先把頻率降低爲

2. 衛星信號的傳播過程: 對距離測量的影響：1.5 ~ 15m

   1. 電離層：信號在傳播時會發生折射。

      ​ 消除:

      • 利用電離層改正模型加以修正（模型法）
      • 利用雙頻觀測
      • 同步觀測求差。

   2. 對流層：信號在傳播時會發生折射。

      ​ 消除:

      • 採用對流層模型加以改正；
      • 引入待估參數；
      • 同步觀測求差。

   3. 多路徑效應：測站周圍的反射物所反射的信號進入接收機天 線，與直接來自衛星的信號產生干涉。

      ​ 消除:

      • 選擇合適的站址；
      • 對接收機天線的要求；
      • 同步觀測求差。

   不論是對流層或電離層與高度角都有很大的關係， 正上方影響最小，地平方向最大。高度角越大越好。

3. 地面接收設備: 對距離測量的影響：1.5 ~ 5m

   1. 接收機鐘差：接收機鍾與衛星鐘不同步。

      ​ 消除:

      • 作爲未知數，一併求解；
      • 在衛星間求一次差；
      • 加時鐘改正模型。

   2. 位置誤差：對中、整平、水準器校正不好等。

      ​ 消除:

      • 校正儀器、仔細安置儀器、強制歸心。

   3. 天線相位中心：天線的幾何中心與電磁場相位中心不重合，類似經緯儀度盤的偏心差。

      ​ 消除:

      • 同步觀測求差。
      • 所有天線安置時方向要一致，指向標均指向北方向。

4. 其他影響

   1. 地球潮汐：海潮，固體潮
   2. 負荷潮：與地球的內部質量分佈不均勻有關，與地球的引力有關。對距離測量的影響：1.0m

第八章

1. GPS測量的設計依據，基準設計

1. 設計依據
   1. GPS測量規範：主要指國家、城市以及行業標準。
   2. 測量任務書：佈網的設計既要符合有關標準又要滿足任務要求。
2. 基準設計
   1. 位置基準：由給定的起算點確定
   2. 方位基準：由給定邊的起算方位角確定
   3. 尺度基準：測距儀測定的基線邊、GPS基線邊或
      兩個起算點間的距離確定

2. GPS網構成的幾個基本概念及網特徵條件

1. 基本概念

   1. 觀測時段：測站上開始接收衛星信號到觀測停止，連續工作的時間段。
   2. 同步觀測：兩臺或兩臺以上接收機同時對同一組衛星進行的觀測。
   3. 同步觀測環：三臺或三臺以上接收機同步觀測獲得的基線向量所構成的閉合環。
   4. 獨立觀測環：由獨立觀測所獲得的基線向量所構成的閉合環。
   5. 異步觀測環：在構成多邊形環路的所有基線向量中，只要有非同步觀測基線向量，則該多邊形環路叫異步觀測環。
   6. 獨立基線：對於N臺GPS接收機構成的同步觀測環，有J條同步觀測基線，其中獨立基線數爲 N-1。
   7. 非獨立基線：除獨立基線外的其他基線，總基線數與獨立基線數之差即爲非獨立基線數。

2. GPS網特徵條件的計算

   1. 全網觀測時段數
   2. 總基線數
   3. 必要基線數
   4. 獨立基線數
   5. 多餘基線數

3. GPS網特徵條件的計算

4. GPS外野實施，怎麼選點，觀測，不能做什麼

1. 選點

   1. 點位應安置在視野開闊，易安裝儀器的地方；
   2. 點位目標明顯，視場周圍15°以上沒有障礙物的地方；
   3. 點位應遠離大功率無線電用電器大於200m；遠離高壓電線，不小50m；
   4. 點位附近無大面積水域，無強烈信號干擾，以免造成信號衰減；
   5. 點位應選在交通便利、有利於其它觀測手段擴展和聯測；
   6. 地面基礎穩定易於點的保存；
   7. 圖形應有利於同步觀測邊、點聯測；
   8. 利用舊點時應對舊點的穩定性、完好性和站標的安全性進行檢查；

2. 觀測過程中不允許進行以下操作：

   ​ a)接收機關閉又重新啓動；
   ​ b)進行自測試；
   ​ c)改變衛星仰角；
   ​ d)改變數據採樣間隔；
   ​ e)改變天線位置；
   ​ f)按動關閉文件和刪除文件等功能鍵。

5. RTK的測量原理，基準站，移動站什麼時候發送數據

1. 測量原理

   • 在基準站上安置一臺GPS接收機，對所有可見GPS衛星進行連續的觀測，並將其觀測數據，通過無線電傳輸設備，實時的發送給用戶觀測站。

   • 在用戶站上，GPS接收機在接收GPS衛星信號的同時，通過無線電接收設備，接收基準站傳輸的觀測數據，然後根據相對定位的原理，實時的計算並顯示用戶站的三維座標及其精度。

第九章

1. GPS測量數據處理過程，原理，方法

1. 過程

2. 數據採集： GPS接收機至衛星的僞距、載波相位和衛星星曆等數據。

3. GPS數據處理：從原始的觀測值出發得到最終的測量定位成果。

4. 基線解算：

   1. 原始觀測數據的讀入
   2. 外業輸入數據的檢查與修改
   3. 設置基線解算的控制參數
   4. 基線解算
   5. 基線解算質量的檢核
   6. 結束

2. GPS高程：之間的差異

1. 大地水準面和正高（正高系統）: 以大地水準面爲基準面的高程系統。
2. 似大地水準面和正常高（正常高系統）: 以似大地水準面爲基準面的高程系統。
3. 參考橢球面和大地高（大地高系統）: 以參考橢球面爲基準面的高程系統

3. 高程計算方法：3個

1. 繪等直線圖法—— 幾何內插法

   1. 測區內有m個點，大地高均已知；

   2. 選n個點進行水準測量，得其正常高；

   3. 計算n個點的高程異常：

   4. 依據各點的座標按一定比例將點展繪在圖紙上，並在n個點旁標註出其高程異常值。

   5. 選取高程異常等高距（1～5cm），繪等值線圖。

   6. 利用內插法求出其餘m-n個點的高程異常值。

      注：n個點選取時要覆蓋整個測區。

2. 多項式曲線擬合法

   1. 在測線上有m個點，經GPS測量得其大地高；
   2. 在m個點中n個點，用水準測量方法測得其正常高。
   3. 計算n個點的高程異常：
   4. 找出與x（或y）的函數關係：
      或
      可用多項式表示：
      當工程爲帶狀時利用繪等直線法就不是很方便了，擬合的好壞與點的個數和點的位置有關。

3. 多項式曲面擬合法

   1. 在測區上有m個點，經GPS測量得其大地高；

   2. 在m個點中n個點，用水準測量方法測得其正常高。

   3. 計算n個點的高程異常：

   4. 找出 與點的座標（ x，y）的函數關係：

      可用多項式表示：
      擬合的點在測區內應分佈均勻。

Other

2. GPS功能

定位，導航，授時