1、Chapter 1 Chapter 1 绪绪 论论一、基本概念1,卫星定位:通过卫星的瞬时位置利用空间距离后方交会的方法确定点位置。2,卫星定位基本观测量：距离差、距离（1）距离差定位方式：双曲面定位系统（NNSS、TSICADA）（2）距离定位方式：球面定位系统（GPS、GLONASS、,Galileo、,BDSS）（3）GPS发展趋势GIS/GPS/RS,组成的3S集成系统GPS/INS,组合导航系统GNSS/全球导航卫星系统,第1页，共32页。二、全球定位系统（二、全球定位系统（GPS）1,功能特点：,三大功能：导航、定位、授时2,应用范围：,测量学、导航学及其相关学科领域3,GPS组成
2、：,（1）GPS卫星网及主要功能,21+3颗卫星,（2）地面监控系统及主要功能,主控站：1个、,注入站：3个、,监控站：5个,（3）GPS信号接收机及定位方式第2页，共32页。Chapter 2 Chapter 2 卫星大地测量基础卫星大地测量基础一、坐标系统1,天球坐标系：,（1）章动、岁差,（2）三种天球坐标系：瞬时真天球坐标系、瞬时平天球坐标系、协议天球坐标系2,地球坐标系：,（1）极移,（2）两种地球坐标系：瞬时地球坐标系、协议地球坐标系3,协议地球坐标系：,（1）CTS-84坐标系,（2）WGS-84坐标系第3页，共32页。极移运动轨迹极移运动轨迹第4页，共32页。二、卫星大地测量中
3、的时间系统二、卫星大地测量中的时间系统1,世界时（UT）2,原子时（AT）3,协调世界时（UTC）4,力学时（TD）5,GPS时间（GPST）第5页，共32页。三、卫星运动三、卫星运动,卫星运动状态：受地球、太阳、月球对卫星的引力，太阳光压、地球潮汐力等影响。,卫星受到的作用力：1,地球质心引力（中心力）-无摄运动、无摄轨道2,摄动力（非中心力）-有摄运动、有摄轨道第6页，共32页。Chapter 3 GPSChapter 3 GPS定位系统信号和接收机定位系统信号和接收机 的基本工作原理的基本工作原理GPS卫星信号采用组合码调制技术（伪随机码扩频技术）组合码调制技术：将卫星导航电文（基带信号
4、）经伪随机码扩频技术成为组合码，再对L频段的载波进行BPSK调制（正交调制）。作,用：提高系统导航定位精度，使系统具有很高的抗电子干扰能力和极强的保密能力。分为二级调制:第一级是导航电文调制到测距随机码，第二级是测距码调制到载波。第7页，共32页。组合码调制技术组合码调制技术第8页，共32页。1,C/A码：粗码P码：精码GPS卫星信号构成一、伪随机码（一、伪随机码（PRNC）GPS卫星信号卫星信号测距码测距码数据码数据码(导航电文，导航电文，D码）码）载波载波P码（码（Y码）码）C/A码码L1载波载波L2载波载波伪随机码伪随机码L波段波段第9页，共32页。1,导航电文：组成、格式2,导航电文内
5、容,（1）遥测码（TLM）；（2）转换码（HOW）；（3）第一数据块（DATA1）；（4）第二数据块（DATA2）；（5）第三数据块（DATA3）二、导航电文（二、导航电文（D码）码）25帧帧/12.5min5123410字字/子帧，子帧，300bit/6s（子帧）（子帧）5子帧子帧/帧，帧，1500bit/30s（帧）（帧）30bit/字，字，30bit/0.6s（字）（字）0.02s/bit（比特）（比特）第10页，共32页。三、三、GPS接收机接收机1,GPS接收机分类：,（1）按通道工作原理分,（2）按用途分,（3）按载波频率分,（4）按通道数分2,基本结构,（1）天线,（2）主机,（
6、3）电源第11页，共32页。Chapter 4 GPSChapter 4 GPS定位的基本观测量定位的基本观测量 及误差分析及误差分析一、,GPS定位基本原理：=,c.t二、GPS定位观测量,1,码伪距：C/A,、P码,2,载波相位：L1、L2,3,多普勒频移：D1、D2码相位观测值码相位观测值载波相位观测值载波相位观测值C/A码：码元宽码：码元宽293m，精度，精度2.9mP码：码元宽码：码元宽29.3m，精度，精度0.29mL1载波：波长载波：波长19cm，精度，精度0.19cmL2载波：波长载波：波长24cm，精度，精度0.24cm原始观测量原始观测量第12页，共32页。三、三、GPSG
7、PS测量误差来源测量误差来源1,与卫星有关的误差：,（1）卫星钟差,（2）卫星星历误差,（3）地球自转影响,（4）相对论效应影响2,信号传播误差：,（1）电离层折射影响,（2）对流层折射影响,（3）多路径效应第13页，共32页。3 3 观测误差和接收设备误差：观测误差和接收设备误差：,（1）观测误差,（2）接收机钟差,（3）天线相位中心偏差第14页，共32页。Chapter 5 GPSChapter 5 GPS定位的基本原理和方法定位的基本原理和方法静态定位、动态定位绝对定位、相对定位测距码定位、载波相位定位一、测距码伪距单点定位1,原理：由卫星发射的测距码到观测站的传播时间（时间延迟）乘以光
8、速所得到的量测距离。,=,c.t2,瞬时绝对定位精度3,精度因子,DOP：PDOP、VDOP、HDOP、TDOP、GDOP第15页，共32页。二、载波相位测量二、载波相位测量1,瞬时载波相位差2,初始历元整周模糊度3,瞬时载波相位定位三、GPS相对定位,1,GPS静态相对定位,2,GPS准动态相对定位,3,GPS动态相对定位第16页，共32页。四、差分观测值四、差分观测值1,一次差分观测值SD：（1）星际一次差分观测值（2）历元间一次差分观测值（3）站际一次差分观测值2,二次差分观测值DD：（1）站际、星际二次差分观测值（2）星际、历元间二次差分观测值（3）站际、历元间二次差分观测值3,三次差
9、分观测值TD：,星际、站际、历元间三次差分观测值第17页，共32页。五、五、GPS基线向量解算基线向量解算1,基线向量平差解算方法（1）按单基线解算（2）联合解算2,基线向量质量评定（1）基线长度中误差（RMS）（2）双差模糊度的整数性（RATIO）（3）同步观测环闭合差（4）异步观测环闭合差（5）重复基线闭合差第18页，共32页。六、六、GPS测量的周跳测量的周跳1,周跳产生原因1）由于顶空障碍物阻挡，造成卫星信号暂时中断；2）由于电离层条件差、多路径效应和卫星高度过低等原因，造成卫星信号的信噪比过低；3）接收机软件发生故障，导致错误的信号处理。2,通常处理方法（1）第一类周跳（数分钟）：利
10、用单差观测值通过高阶拉格朗日多项式进行拟合修复（2）第二类周跳（两历元间）：利用单差观测值拟合或双差观测值拟合3,双差固定解、双差浮点解（1）双差固定解（2）双差浮点解第19页，共32页。七、整周模糊度确定方法七、整周模糊度确定方法1,经典静态相对定位法：,（1）双差固定解,（2）双差浮点解2,快速静态解算法：,（1）交换接收天线法,（2）P码双频技术法,（3）马吉尔配适滤波法,（4）搜索法（FARA技术）3,动态法（OTF技术）：第20页，共32页。Chapter 6 GPSChapter 6 GPS控制网建立控制网建立一、GPS控制网技术设计,GPS网的基准设计：位置基准、方位基准、尺度基
11、准二、,GPS控制网图形设计1,基本网形：（1）三角形网（2）环形网（3）星形网2,GPS同步连接方式（1）点连式（2）边连式（3）网连式（4）混合式第21页，共32页。三、三、GPS外业观测外业观测1,GPS卫星预报2,GPS观测要求3,GPS观测成果检验4,GPS数据处理流程：2,GPS同步观测（1）单基线数：（2）独立基线数：（3）同步观测环数：)1(212kkngnnCnk1kpnn)2)(1(21kkpgrnnnnn数据传输数据采集成果输出GPS网平差数据预处理第22页，共32页。Chapter 7 GPSChapter 7 GPS控制网的平差计算控制网的平差计算一、参心坐标系1,参
12、心坐标系建立（1）参心坐标系（2）参心空间直角坐标系（X、Y、Z）（3）参心大地坐标系（B、L、H）（4）两者的关系2,参心坐标系定位（1）双平行定向条件（2）单点定位（3）多点定位第23页，共32页。二、高斯投影1,高斯投影2,高斯正、反算3,投影分带4,投影长度比三、UTM投影1,投影条件2,与GUASS投影的关系第24页，共32页。四、国家坐标系四、国家坐标系1,WGS-84坐标系2,国家大地坐标系（1）P54坐标系（2）,C80坐标系（3）新P54坐标系第25页，共32页。五、不同坐标系的坐标转换模型五、不同坐标系的坐标转换模型1,布尔沙模型（B模型）：,原点不重合、坐标轴不平行、坐标
13、尺度不一致2,莫洛金斯基模型（M模型）,：,受尺度和旋转影响的是任意点与某一参考点的坐标差3,武测模型（W模型）,：,受尺度影响的是任意点与某一参考点的坐标差，而受旋转,影响的是任意点的坐标4,三种模型比较第26页，共32页。六、转换参数求解方法六、转换参数求解方法1,三点法2,多点法,VTV=min3,严密平差法,VTPV=min第27页，共32页。七、七、GPS网平差网平差1,三维无约束平差（1）空间直角坐标（2）大地坐标2,三维约束平差（1）地面数据（2）基线向量观测值3,二维约束平差（1）E0、E1、E2椭球（2）E1椭球变换求二维基线向量（3）E2椭球变换求二维基线向量第28页，共3
14、2页。4,地面起算控制点选取原则5,地面起算控制点兼容性分析第29页，共32页。八、八、GPS水准水准1,常用的高程系统（1）大地高系统（2）正高系统（3）正常高系统2,确定大地水准面的传统方法（1）天文大地水准法（2）天文重力水准法（3）重力场模型法（4）司托克斯（G.G.Stokes）重力大地水准面模型法第30页，共32页。3,GPS高程拟合方法（1）二次曲面拟合法：,利用二次曲面逼近小区域的（似）大地水准面进行拟合。（2）多重二次曲面拟合法：,利用多重二次曲面逼近任何光滑的数学曲面或非数学定义的任意曲面进行拟合。（3）薄板小挠度变形模型拟合法：,参照力学中数值计算的加权残差法，利用自组织
15、原理选取薄板受离散负载时的小挠度变形模型进行拟合。4,常用的GPS高程拟合方法（1）二次曲面拟合（n6）（2）平面拟合（n=3）（3）平移拟合（n3）第31页，共32页。Chapter 8 GPSChapter 8 GPS定位技术的应用定位技术的应用1、在测量学中的主要应用：,大地测量、地球动力学的研究，地区性测量控制网的联测，海洋测量，精密工程测量，工程变形监测和地籍测量等。2、在导航学中的主要应用：,车辆、船只和飞机的精密导航、测速以及运动目标的监控与管理等。3、在其它相关学科领域中的主要应用：,运动载体姿态测量，弹道导弹的制导，近地卫星的定轨，精密测时以及气象学和大气物理学的研究等。第32页，共32页。
