GPS测量原理及应用GIS.洋2017/12/21 Thursday目录第一章绪论 (1)1.GPS全球定位系统的建立： (2)2.GPS全球定位系统组成： (2)3.GPS系统的特点： (2)4.*GPS、GALILEO、GLONASS（P10表1-4） (3)第一章坐标系统和时间系统 (3)2.1坐标系统： (3)2.2时间系统： (4)第三章卫星运动及星历 (4)3.1无摄运动 (4)3.2受摄运动 (5)3.3GPS卫星星历 (5)第四章GPS卫星的导航电文和卫星信号 (6)4.1卫星导航电文 (6)第五章GPS卫星定位基本原理 (6)5.1GPS卫星定位的基本原理 (6)5.2定位方法 (6)5.3整周未知数No的确定 (9)5.4整周跳变的修复 (9)第七章GPS测量误差 (10)7.1 GPS测量误差源 (10)7.2与信号传播有关的误差 (10)第八章GPS测量设计与实施 (11)8.1 GPS测量的技术设计 (11)8.2 GPS测量外业准备 (13)8.3GPS测量外业实施 (13)8.4数据处理及测量结果的检核 (14)第九章GPS测量数据处理 (17)9.1数据处理 (17)第一章绪论1.GPS全球定位系统的建立：GPS：Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System,卫星测时测距导航/全球定位系统，是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能型、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能。

（原理：空间距离后方交汇）2.GPS全球定位系统组成：2.1 GPS卫星星座*基本参数：○1基本的卫星数为21+3（21颗工作卫星+3颗备用卫星）○2卫星轨道面的个数为6○3卫星高度为20200Km○4轨道倾角为55°○5运行周期为11h58min○6载波频率为1575.42MHZ和1227.60 MHZGPS卫星作用：1.向广大用户发送导航定位信息。

2、接收注入站发送到卫星的导航电文和其他相关信息，并通过GPS信号电路，适时的发送给广大用户。

3、接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，适时的改正运行偏差和启用备用时钟等。

2.2地面监控系统：地面监控系统：包括1个主控站，3个注入站和5个监测站作用：1、监测和控制卫星上的设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行。

2、保持各卫星处于同一时间。

2.3 GPS信号接收机（用户设备）3.GPS系统的特点：1、定位精度高2、观测时间短3、测站间无需通视4、可提供三维坐标5、操作简单6、全天候作业7、功能多，应用广4.*GPS、GALILEO、GLONASS（P10表1-4）注：北斗导航卫星系统（其组成：空间部分、地面控制部分和用户接收部分，其定位原理为主动式二维导航双向测距。

）第一章坐标系统和时间系统2.1坐标系统：1.坐标系必须明确：○1坐标原点的位置○2三个坐标轴的指向○3长度单位（尺度）。

2.*春分点：当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时，黄道与地球赤道的交点。

在天文学和卫星大地测量学中，春分点和天球赤道面，是建立参考系的重要基准点和基准面。

3.*天球赤道面：通过地球质心并与天轴垂直的平面，称为天球赤道面。

这时天球赤道面与地球赤道面相重。

该赤道面与天球相交的大圆称为天球赤道。

4.*岁差：平北天极绕黄的运动称为岁差。

5.*章动：瞬时北天极绕顺针的转动即为章。

6.*极移：地球瞬时自转轴在地球上随时间变，称为极移。

7.WGS-84大地坐标系：WGS-84的几何定义：原地位于地球质心，Z轴指向 BIH 1984.0定义的协议地球极（CTP）方向，X轴指向BIH 1984.0的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z、X轴构成右手坐标系，其采用WGS—84椭球（基本参数：长半轴a=6378137+-2m，α=1/298.257223563，地心引力常数，地球自转角速度，正常化二阶带谐系数）。

8.国家大地坐标系：1954年北京坐标系和1980年国家大地坐标系为二维参心系、2000国家大地坐标系为三维地心系。

9.ITRF坐标框架：由空间大地测量观测站的坐标和运动速度来定义，是国际地球自转服务IERS的地面参考框架，其实质为地固坐标系，原点位于地球体系的质心，以WGS-84椭球为参考框架。

2.2时间系统：1.恒星时（ST）：以春分点为差你参考点，由春分点的周日视运动所定义的时间系统。

2.平太阳时（MT）：以平太阳为参考点，由平太阳的周日视运动所定义的时间系统（假设一个平太阳以真太阳周年运动的平均速度在天球赤道上作周年视运动，其周期与真太阳一致）3.世界时（UT）：以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时。

4.原子时（ATI）：以物质内部原子运动的特征为基础的时间系统。

5.协调世界时（UTC）：采用原子时秒长，采用跳变的方法是协调时与世界时的时刻相接近，其差不超过一秒。

6.GPS时间系统：采用原子时ATI秒长作为时间基准，起算原点定义在1980年1月6日UTC 0时。

GPS时是用周数+周内时间（秒）来表示。

即为1980年1月6日0时0分0秒内第0周0秒。

7.时间尺度：连续运动、周期恒定、可观测、可用实验复现的周期运动。

第三章卫星运动及星历3.1无摄运动1. 无摄运动：只考虑地球质心引力作用的卫星运动称为无摄运动。

2.*卫星运动的轨道参数（开普勒轨道参数）：a:椭圆的长半径e:椭圆偏心率V：真近点角（在轨道平面上卫星与近地点之间的地心角距）Ω：升交点的赤径（在地球轨道平面上，升交点N与春分点γ之间的地心夹角）τ：轨道面倾角（卫星轨道面与赤道面之间的夹角）ω：近地点角距（在轨道平面上近地点A与升交点N之间的地心角距）3. 开普勒定律：开普勒第一定律：卫星运行的轨道是一个椭圆，而该椭圆的一个焦点与地球的质心相重合。

开普勒第二定律：卫星的地心向径，即地球质心与卫星质心间的距离向量，在相同的时间内所扫过的面积相等。

开普勒第三定律：卫星运动周期的平方与轨道椭圆长半径的立方之比为一常量，而该常量等于地球引力常数GM的倒数。

3.2受摄运动1.受摄运动：考虑摄动力（地球引力场摄动力、日月摄动力、大气阻力、太阳辐射压力等）作用的卫星运动称为受摄运动。

3.3GPS卫星星历1.卫星星历：描述卫星运动轨道的信息，一组对应某一时刻的轨道参数及其变率，其分为广播星历（预报星历）和精密星历。

2.*广播星历：通常包括相对某一参考历元的开普勒轨道参数和必要的轨道摄动改正项参数，广播星历参数共有16个，包括1个参考时刻toe，6个对应参考时刻的开普勒轨道参数和9个反映摄动力影响的参数，其格式为RINIX。

3.精密星历：一些国家某些部门，根据各自建立的卫星跟踪站所获得的对GPS卫星的精密观测资料，应用与确定广播星历相似的方法而计算的卫星星历。

第四章GPS卫星的导航电文和卫星信号4.1卫星导航电文1．卫星导航电文：是用户用来定位和导航的数据基础。

它主要包括：卫星星历、时钟改正、电离层延迟改正、工作状态信息C/A码转换到捕获P码。

2．GPS卫星信号：是用于导航定位的调制波，它包含有：载波、距码和数据码。

3．调制：将频率较低的信号加载在频率较高的载波上的过程。

第五章GPS卫星定位基本原理5.1GPS卫星定位的基本原理原理：将无线电信号发射台从地面点搬到卫星上，组成卫星导航定位系统，应用无线电测距交会原理，便可由三个以上地面已知点（控制站）交会出卫星的位置，反之利用三颗以上卫星的已知空间位置又可交会出地面未知点（用户接收机）的位置。

5.2定位方法1. 依据测距的原理：伪距测量法定位，载波相位测量定位和差分GPS定位等。

○1伪距测量法：由GPS接收机在哦某一时刻测出得到四颗以上GPS卫星的位居及已知的卫星位置，采用距离交会的方法求定接收机天线所在点的三维坐标。

（所测伪距就是有卫星发射的测距码信号到达接收机的传播时间乘以光速所得的量测值。

伪距观测方程：○2载波相位测量：测量接收机接收到的、具有多普勒频移的载波信号，与接收机产生的参考载波信号之间的相位差。

载波相位观测方程：○3差分GPS定位原理（单站GPS差分、区域差分、广域差分）定义：利用设置在坐标已知的点（基准站）上的GPS接收机测定GPS测量定位误差，用以提高在一定范围内其它GPS接收机测量定位精度的方法。

原理：将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测，根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时地将这一改正数发送出去。

用户接收机·在进行GPS观测的同时，也接收到基准站的改正数，并对其定位结果进行改正，进而提高精度。

GPS差分的类型：单站差分（位置差分、伪距差分、载波相位差分）、局域差分、广域差分。

补充：多基站RTK技术（网络RTK）------基于多基站网络的实时差分定位系统，其基础是建立多个GPS基准站，即建立多个基准站连续运行卫星定位导航系统（CORS） CORS系统组成：○1连续运行的GPS基准站○2数据处理控制中心○3数据传输与发播系统○4移动站（用户）：双差相位观测可达厘米级；静态相对定位可获取毫米级三维坐标。

2.根据运动状态：静态定和动态定位*静态定位：对于固定不动的待定点，将GPS接收机安置与其上测，观测数分钟乃至更长的时间，以确定待定点坐标。

*动态定位：至少有一台接收机处于运动状态，测定的是各观测时刻（观测历元）运动中的接收机的点位。

3.*相对定位：至少用两台GPS接收机，同步观测相同的GPS卫星，确定两台接收机天线之间的相对位置。

4. *绝对定位（单点定位）：用GPS卫星和用户接收机之间的距离观测值直接确定用户接收机天线在WGS-84坐标系中相对于坐标原点-----地球质心的绝对位置。

5.*静态绝对定位：接收机天线处于静止状态下，确定观测站坐标的方法。

6.*动态绝对定位：在用户接收机安置在运动的载体上并处于动态情况下，确定载体瞬时绝对位置的定位方法。

8.绝对定位精度的评价（精度因子）○1平面位置精度因子HDOP ○2高程精度因子VDOP○3空间位置精度因子PDOP ○4接收机钟差精度因子TDOP ○5几何精度因子GDOP注：精度因子的数值与所测卫星的几何分布图形有关。

假设由观测站与四颗观测卫星所构成的六面体体积为V，则精度因子GDOP与该六面体体积V的倒数成正比（GDOP ∝~1/V）9.观测值的线性组合（单差S、双差D、三差T）○1单差S：将载波相位观测值直接相减求一次差过程。

作用：可以消除与卫星有关的载波相位及其钟差项，削弱大部分对流层、电离层影响。

SD12j(t i)=φp2j (t i)−φp1j (t i)○2双差D：对一次差分观测值继续求差，所得的结果仍可以当作虚拟观测值。