GPS测量原理及应用

1 GPS系统包括三大部分:空间部分—GPS卫星星座;地面控制部分—地面监控系统;用户设备部分—GPS信号接收机
2 GPS工作卫星及其星座
由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座,记作(21+3)GPS星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内,轨道倾角为55º,各个轨道平面之间相距60º。
3 GPS工作卫星的编号和试验卫星基本相同。其编号方法有:按发射先后次序编号;按PRN的不同编号;NASA编号;国际编号;按轨道位置顺序编号等。
4 用L波段的两个无线载波L1、L2(19cm和24cm波)用于捕获信号及粗略定位的伪随机码叫C/A码(粗码S码),精密测距码叫P码(精码)、
5 对于GPS定位成功的关键在于高稳定度的频率标准。这种高稳定度的频率标准由高度精确的时钟提供。每颗GPS工作卫星一般安设两台铷原子钟和两台铯原子钟。他们均源于一个基准信号(其频率为10.23GHz)
6 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可提供三维坐标地面网
⑤操作简便
⑥全天候作业
⑦功能多,应用广
  第二章
地球坐标系随同地球自转,可看做固定在地球上的坐标系,便于描述地面观测站的空间位置;天球坐标系与地球自转无关,便于描述人造地球卫星的位置。
2  完全定义一个空间直角坐标系必须明确:①坐标原点的位置。②三个坐标轴的指向。③长度单位。
3  一系列短周期变化中幅值最大的约为9",周期为18.6年,这些短周期变化统称为章动。春分点除因地球自转轴方向改变引起的变化外还因黄道的缓慢变化(行星引力对地球绕日运动轨道的摄动)而变化,称为行星岁差。
4  地球瞬时自转轴在地球上随时间而变,称为地级移动,简称极移。
5  GPS单点定位的坐标以及相对定位中解算的基线向量属于WGS-84大地坐标系。WGS-84大地坐标系属于地心坐标系,而国家大地坐标系如1954年北京坐标系、1980年国家大地坐标系都属于参心坐标系。
6  时间系统与坐标系统一样,应有其尺度(时间单位)与原点(历元)。只有把尺度与原点结合起来,才能给出时刻的概念。
7  协调世界时UTC
8  GPS时间系统采用原子时ATI秒长作为时间基准,但时间起算的原点定义在1980年1月6日UTC 0时。
                              第三章
1  在摄动力的作用下,卫星的运动将偏离二体问题的运动轨道,通常称考虑了摄动力作用的卫星运动为卫星的受摄运动。
2  开普勒轨道参数(或称轨道根数):6个参数 a:椭圆的长半径
                                          e: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,即在地球赤道平面上,升交点N与春分点γ之间的地心夹角。
i:轨道面的倾角,即卫星轨道平面与地球赤道面之间的夹角。
ω:近地点角距,即在轨道平面上近地点A与升交点N之间的地心角距。
3 卫星星历就是一组对应某一时刻的轨道参数及其变率。有了卫星星历就可以计算出任一时刻的卫星位置及其速度。GPS卫星星历分为预报星历和后处理星历。
4 预报星历又叫广播星历。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。
5 GPS广播星历参数共有17个,其中包括1个参考时刻和星历数据龄期、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 参数。
6 后处理星历是一些国家某些部门,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(也称精密星历)。
                            第四章
1  GPS卫星的导航电文(简称卫星电文)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、电离层时延改正、工作状态信息以及C/A码转换到捕获P码的信息。
2  GPS卫星信号时GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波,它包含有:载波(2个)、测距码(2个)、和数据码(导航电文 C/A码  P码)。
3按接收机的载波频率分类
  ⑴单频接收机  ⑵双频接收机
                        第五章
1  58页
2  依据测距的原理,其定位原理与方法主要有伪距法定位,载波相位测量定位以及差分GPS定位等。对于待定点来说,根据其运动状态可以将GPS定位分为静态定位和动态定位。根据定位模式:绝对和相对。根据获取定位时间分为实时定位和非实时定位。
3  所测伪距就是由卫星发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。由于卫星钟、接收机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ρ'与卫星到接收机的几何距离ρ有一定差值,因此一般称量测出的距离为伪距。
4  61页 5-8方程。
5  如果在跟踪卫星过程中,由于某种原因,如卫星信号被障碍物挡住而暂时中断,或受无
线电信号干扰造成失锁。这样,计数器无法连续计数。因此,当信号重新被跟踪后,整周计数就不正确,但是不到一个整周的相位观测仍是正确的。这种现象称为周跳。
6  69~70页方程。
7  GPS载波相位观测值可以在卫星间求差,在接收机间求差,也可以在不同历元间求差。各种求差法都是观测值的线性组合。
8  将观测值直接相减的过程叫做求一次差。所获得的结果被当做虚拟观测值,叫做载波相位观测值的一次差或单差。常用的求一次差事在接收机间求一次差。
9  对载波相位观测值的一次差分观测值继续求差,所得的结果仍可以被当做虚拟观测值,叫做载波相位观测值的二次差或双差。常用的求二次差事在接收机间求一次差后再在卫星间求二次差,叫做星站二次差分。
10  对二次差继续求差称为求三次差。所得结果叫做载波相位观测值的三次差或三差。常用的求三次差是在接收机、卫星和历元之间求三次差。
11  单差观测值中可以消除与卫星有关的载波相位及其钟差项,双差观测值中可以消除与接收机有关的载波相位及其钟差项,三差挂侧重中可以消除与卫星和接收机有关的初始整周模糊度项N。特别是双差观测值即星站二次差分模型,更是大多数GPS基线向量处理软件包中必须的模型。
12载波相位差分技术又称RTK技术,是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。
                              第七章
1  测量结果的误差主要来源于GPS卫星、卫星信号的传播过程和地面接收设备。
2  表7-1
                              第八章
1  GPS网的基准包括位置基准、方位基准和尺度基准。
2  GPS网图形构成的几个基本概念
  ①观测时段:测站上开始接收卫星信号到观测停止,连续工作的时间段,简称时段。
②同步观测:两台或两台以上接收机同时对同一组卫星进行的观测。
③同步观测环:三台或三台以上接收机同步观测获得的基线向量所构成的闭合环,简称同步环。
④独立观测环:由独立观测所获得的基线向量构成的闭合环,简称独立环。
⑤异步观测环:在构成多边形环路的所有基线向量中,只要有非同步观测基线向量,则该多边形环路叫异步观测环,简称异步环。
⑥独立基线:对于N台GPS接收机构成的同步观测环,有J条同步观测基线,其中独立基线数为N-1。
⑦非独立基线:除独立基线外的其他基线叫非独立基线,总基线数与独立基线数之差即为非独立基线数。
3 GPS网特征条件的计算:  118页。
4 根据不同的用途,GPS网的图形布设通常有点连式、边连式、网连式、边点混合连接式
、三角锁连接、导线网形连接、星形布设
5 在实际布网设计时还要注意以下几个原则:
1 GPS网的点与点间尽管不要求通视,但考虑到利用常规测量加密时的需要,每点应有一个以上通视方向。
2 为了顾及原有城市测绘成果资料以及各种大比例尺地形图的沿用,应采用原有城市坐标系统。对凡符合GPS网点要求的旧点,应充分利用其标石。
3 GPS网必须由非同步独立观测边构成若干个闭合环或符合线路。
4 接收机全面检验的内容,包括一般性检视、通电检验和实测检验。
5 选点134页
6 在GPS接收系统硬件和软件的支持下,较为普遍采用的作业模式主要有静态相对定位、快速静态相对定位、准动态相对定位和动态相对定位等。
7 在基准站上安置一台GPS接收机,对所有可见GPS卫星进行连续地观测,并将其观测数据,通过无线电传输设备,实时地发送给用户观测站。在用户站上,GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时,通过无线电接收设备,接收基准站传输的观测数据,然后根据相对定位的原理,实时地计算并显示用户站的三维坐标及其精度。
8 数据剔除率,剔除的观测值个数与应获取的观测值个数的比值称为数据剔除率。同一时段观测值的数据剔除率,其值应小于10%。
                              第九章
1  GPS数据处理基本流程图:
数据采集——>数据传播——>预处理——>基线解算——>GPS网平差
2 GPS基线向量网的平差分为三种类型:一是经典的自由网平差,有叫无约束平差。二是非自由网平差,又叫约束平差。三是GPS网与地面网联合平差。
3 引入位置基准的方法有三种,一种是网中有高级的GPS点时,将高级GPS点的坐标(属
WGS-84坐标系)作为网平差时的位置基准;第二种方法是网中无高级GPS点时,取网中任一点的伪距定位坐标作为固定网点坐标的起算数据;第三种方法是引入合适的近似坐标系统下的亏秩自由网基准。
4 作业调度表  分析PDOP值  GPS高程:大地高  正常高  正高

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