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1、本文格式为Word版，下载可任意编辑GPS卫星导航定位技术与方法知识点总结 测绘工程 第一章 全球定位系统概论 全球导航卫星系统GNSS目前包括全球定位系统GPS、俄罗斯的格罗纳斯系统GLONASS。中国的北斗卫星定位系统COMPASS以及欧洲联盟正在创办的伽利略系统GALILEO GPS利用卫星放射无线电信号举行导航定位，具有全球、全天候、高精度、快速实时的三维导航、定位、测速和授时功能。GPS主要由GPS（GPS卫星星座）空间片面、地面监控片面、用户采纳处理片面组成，GPS地面监控片面有分布在全球的若干个跟踪站组成的监控系统组成，跟踪站被分为主控站、监控站和注入站。GPS用户片面有GPS接
2、收机、数据处理软件及相应的用户设备（如计算机气象仪）组成。 GPS实施筹划共分三个阶段： 第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到1979年，共放射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。 其次阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年，又不断放射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。测验说明，GPS定位精度远远超过设计标准。 第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日，第一颗GPS工作卫星放射告成，宣告了GPS系统进入了工程创办阶段，这种工作卫星称为Block 和BlockA型卫星。这两组卫星区别是：Block 只能存储14天用的导航电文（每天更新三次）；而Bloc
3、kA卫星能存储180天用的导航电文，确保在特殊处境下使用GPS卫星。实用的GPS网即(21颗工作卫星+3颗备用卫星)GPS星座已建立，今后将根据筹划更换失效的卫星。 GPS的特点：定位精度高、观测时间短、测站无需通视、可供给三维坐标、操作简便、全天候作业。功能多，应用广 GPS卫星信号包括测距码信号(即P码和C/A码信号)、导航电文(或称D码，即数据码信号)和载波信号。 GPS卫星的导航电文主要包括：卫星星历、时钟改正参数、电离层时延改正参数、遥测码，以及由C/A码确定P码信号时的交接码等参数。电文以二进制码的形式发送，因此又叫数据码，或称D码。 GPS 根据不同的用户供给两种不同的服务。一种
4、是标准定位服务SPS、另一种是细致定位服务PPS。SPS主要面向全世界民用用户，PPS主要面向美国及其盟国的军事部门 以及民用特许用户。 SA选择可用性AS反电子坑骗 其次章 坐标与时间系统 在GPS定位中通常采用的两类坐标系统： 天球坐标系是在空间固定的坐标系，该坐标系与地球自转无关，对描述卫星的运行位置和状态极其便当。 地球坐标系是与地球体相固联的坐标系统，该系统对表达地面观测站的位置和处理GPS观测数据尤为便当。 坐标系统是由坐标原点位置、坐标轴指向和尺度所定义的。在GPS定位中，坐标系原点一般取地球质心，而坐标轴的指向具有确定的选择性，为了使用上的便当，国际上都通过协议来确定某些全球性
5、坐标系统的坐标轴指向，这种共同确认的坐标系称为协议坐标系 天球坐标系：原点位于地球质心，z轴指向瞬时地球自转方向，x轴指向瞬时春分点，y - 0 - 轴按构成右手坐标系取向。 地球坐标系：原点位于地球质心，z轴指向瞬时地球自转方向，x轴指向瞬时赤道面和包含瞬时地球自转轴与平均天文台赤道参考面的子午面的交点，y轴按构成右手坐标系取向。 天球：指以地球质心为中心，半径r为任意长度的一个假想球体。为建立球面坐标系统，务必确定球面上的一些参考点、线、面和圈。 天轴与天极：地球自转轴的延迟直线为天轴，天轴与天球的交点Pn(北天极)Ps(南天极)称为天极。 天球赤道面与天球赤道：通过地球质心与天轴垂直的平
6、面为天球赤道面，该面与天球相交的大圆为天球赤道。 天球子午面与天球子午圈：包含天轴并经过地球上任一点的平面为天球子午面，该面与天球相交的大圆为天球子午圈。 时圈：通过天轴的平面与天球相交的半个大圆。 黄道：地球公转的轨道面与天球相交的大圆，即当地球绕太阳公转时，地球上的观测者所见到的太阳在天球上的运动轨迹。黄道面与赤道面的夹角称为黄赤交角，约23.50。 黄极：通过天球中心，垂直于黄道面的直线与天球的交点。靠近北天极的交点?n称北黄极，靠近南天极的交点?s称南黄极。 春分点：当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时，黄道与天球赤道的交点?。 实际上地球接近于一个赤道隆起的椭球体，在日月和其它天
7、体引力对地球隆起片面的作用下，地球在绕太阳运行时，自转轴方向不再保持不变，从而使春分点在黄道上产生缓慢西移，此现象在天文学上称为岁差。 在日月引力等因素的影响下，瞬时北天极将绕瞬时平北天极产生旋转，轨迹大致为椭圆。这种现象称为章动。 大地坐标系的定义：B为过坐标点椭球面的法线与赤道面交角、L为过坐标点的子午线与起始子午线的夹角，H为点沿法线到椭球面的距离。 站心坐标系以地面上某基点（观测站）为原点的一种坐标系，常用的有站心平面极坐标系和站心平面直角坐标系。 地球自转轴相对于地球体的位置不是固定的，地极点在地球外观上的位置随时间而变化的现象简称地球移动，简称极移。 国际协议原点 CIO 协议地极
8、 CTP 协议地球坐标系 CTS UTM投影墨卡托投影 地球坐标系包括空间直角坐标系和大地坐标系，空间大地坐标系是通过采用大地经纬度和大地高来描述空间位置的。 WGS84即world geodetic system of 1984的简称 WGS-84大地坐标系的几何定义是：原点位于地球质心，Z轴指向国际时间局（BIH）1984年0时定义的BIH1984.0协议地球极（CTP）方向，X轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点，Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。对应于WGS-84坐标系有WGS-84椭球。 国家大地坐标系包括1954年北京坐标系、1980年西安大地坐标系、2000国家大地
9、坐标系 ITRF是指国际地球参考框架。它是由空间大地测量观测站的坐标和运动速度来定义的，是国际地球自转服务IERS的地面参考框架。 ITRF实质上也是一种地固坐标系，其原点在地球体系的质心，以WGS-84椭球为参考椭球。 恒星时(Sidereal TimeST) 定义：以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所确定的 时间称为恒星时。 利用太阳的视运动来确定时间基准，得到的时间称为太阳时MTS 平太阳时（Mean Solar TimeMT）定义：以平太阳作为参考点，由它的周日视运动所确定的时间称为平太阳时。 世界时（Universal TimeUT） 以平深夜（在平太阳日系统中,一般采用夜半时刻
10、作为平太阳日的起算点,也叫平深夜 ）为零时起算的格林尼治平太阳时称为世界时。 UTC协调世界时 20世纪50年头建立了精度和稳定性更高的以物质内部原子运动为特征的根基原子时(AT)系统（物质内部的原子跃迁所辐射和吸收的电磁波频率，具有很高的稳定度，由此建立的原子时成为最梦想的时间系统。） 国际制秒SI 国际原子时ATI 力学时（Dynamic TimeDT） 第三章 卫星轨道运动及卫星坐标计算 为了研究工作和实际应用的便当，通常把作用于卫星上的各种力按其影响的大小分为两类： 一类是假设地球为均质球体的引力（质量集中于球体的中心），称为中心引力，抉择着卫星运动的根本规律和特征，从而抉择卫星的轨道
11、，可视为梦想轨道，是分析卫星实际轨道的根基； 另一类是摄动力或非中心力，包括地球非球形对称的作用力、日月引力、大气阻力、光辐射压力以及地球潮汐力等。摄动力使卫星的运动产生一些小的附加变化而偏离梦想轨道，同时偏离量的大小也随时间而变更。 在摄动力作用下的卫星运动成为受摄运动，相应的卫星轨道称为受摄轨道。 梦想椭圆轨道六参数： 1、 轨道椭圆的长半轴a 2、 轨道椭圆的偏心率e 3、 轨道倾角i：卫星轨道平面和地球赤道面之间的夹角 4、 升交点赤经：即地球赤道面上，升交点与春分点之间的地心夹角 5、 近地点角距：即在轨道平面上，升交点与近地点之间的地心夹角，表达了开普勒椭圆 在轨道平面上的定向 6
12、、 真近地点角：即轨道平面上的卫星与近地点之间的地心角距 GPS卫星星历分为播送星历和细致星历 播送星历包括开普勒轨道参数和必要的摄动参数。当前卫星轨道参数是根据前一段时间求出的轨道参数外推得到的，所以卫星星历也称播送星历也称预报星历。 细致星历是一些国家活国际组织根据各自建立的卫星跟踪站对GPS卫星的细致观测后经处理计算出的，所以也叫后处理星历。最出名的是国际GPS动力学服务组织IGS发布的细致星历。 卫星坐标计算步骤 1、平均角速度 2、规划时刻3、平近交点4、偏近角点5、真近角点6、升交角距7、摄动改正8、改正后升交角距9、卫星在升交点轨道直角坐标系的坐标10、升交点精度 GPS卫星可见
13、性预报 ? 用户接收机在取得导航电文的轨道参数后就可以计算卫星的位置 (WGS84) 。 ? 根据概略星历(YUMA)举行卫星可见性预报。 第四章 GPS根本观测量及其误差分析 GPS根本观测量包括码伪距观测量、载波相位观测量和积分多普勒观测量（还有由干扰法测量得出的时间延迟）。 - 2 - GPS定位方法分类： （1）十足定位（单点定位）：在地球协议坐标系中，确定观测站相对地球质心的位置。 （2）相对定位：在地球协议坐标系中，确定观测站与地面某一参考点之间的相对位置。 按用户接收机作业时所处的状态划分： （1）静态定位：在定位过程中，接收机位置静止不动，是固定的。静止状态只是相对的，在卫星大
14、地测量中的静止状态通常是指待定点的位置相对其周边点位没有发生变化，或变化极其缓慢，以致在观测期内可以疏忽。 （2）动态定位：在定位过程中，接收机天线处于运动状态。 在十足定位和相对定位中，又都包含静态和动态两种形式。 所测伪距就是由卫星放射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得出的量测距离。由于卫星时钟、接收机时钟的误差以及无线电信号经过电离层和对流层中的延迟，实际测出的距离与卫星到接收机的几何距离有确定差值，因此一般称量测出的距离为伪距。 用C/A码举行测量的伪距为C/A码伪距，用P码测量的伪距为P码伪距。 伪距法定位虽然一次定位精度不高(P码定位误差约为10m，C/A码定位误差
15、为20-30m)，但因其具有定位速度快，且无多值性问题等优点，依旧是GPS定位系统举行导航的最根本方法。同时，所测伪距又可作为载波相位测量中解决整波数不确定问题（整周模糊度）的辅佐资料。载波相位观测是目前最精确的观测方法。 载波相位观测的主要问题：无法直接测定卫星载波信号在传播路径上相位变化的整周数，存在整周不确定性问题。此外，在接收机跟踪GPS卫星举行观测过程中，往往由于接收机天线被遮挡、外界噪声信号干扰等理由，还可能产生整周跳变现象。有关整周不确定性问题，通常可通过适当数据处理而解决，但将使数据处理繁杂化。 GPS测量误差来源 1、与卫星有关的误差。（卫星钟差、卫星轨道误差、卫星天线相位偏差） 2、与信号传播有关的误差：电离层延迟 3、与接收设备有关的误差。（接收机钟差、接收机天线相位钟差、周
