GPS测量技术课件.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,GPS,测量技术,GPS,是上世纪,70,年代发展起来的一项新技术，其应用领域十分广泛。在测量领域将逐渐取代天文测量、三角测量、导线测量等传统测量方法，多用于控制测量、施工测量、地形测量、海洋测绘等方面。,本课程所需要的基础知识有：地形测量、测量平差、控制测量、天文学、电工电子技术、电子通信技术等。,本课程重点介绍,GPS,在测量领域的应用，原理介绍以“必须、够用”为原则。,学习情境一：,GPS,测量概论,子情境,1,的组成概况,子情境,2,美国政府的限制性政策,子情境,3 GPS,的重大发展,子情境,4,其它卫星定位系统,子情境,1,测量的基本原理,1,、,GPS,的建立,2,、,GPS,组成概况,3,、,GPS,定位的基本原理,4,、,GPS,测量的特点与问题,1,、,GPS,的建立,GPS,是,1973,年由美国国防部（,DOD,）开始建立，称为全球定位系统,global positioning system,，目的是用于美国军队的定位、导航、武器制导等。拟定由颗卫星组成。到今天为止经历了个阶段，,1973,年,12,月,1978,年,2,月,22,日,为理论研究阶段（,3,颗原理可行性试验卫星），,19781989,年,2,月,14,日为建设阶段（,11,组网试验），,19901999,为建成运行阶段（工作卫星），,1993,年满,24,颗，,1995,年达预定工作能力，,2000,年,5,月,2,日,2030,为改进更新阶段。,（经费，挑战者号）,2,、,GPS,组成概况,GPS,由空间段、控制段和用户段三部分组成。,1,）空间段,24,颗（,24-18-24-,目前,32,颗）卫星分布在,6,个轨道面上，轨道面与地球赤道面的夹角为,55,，轨道面间隔为,60,，在地面上任何一点，最少可见到,4,颗卫星，最多可见到,11,颗卫星。,如图,卫星上有四台高精度原子钟，卫星的主要作用是向用户发送定位信息和提供时间标准。,GPS,卫星的主要特征,卫星平均高度,/km,20200,卫星轨道面倾角,/,55,卫星数目,/,颗,32,卫星运行周期,/min,718,载波频率,/GHz,1.57542,，,1.22760,）控制段,监测站,：,5,个，用双频接收机接收卫星信号，高精度原子钟提供时间标准，环境数据传感器采集环境数据。,主控站：,1,个，计算星历、钟差、大气折射并控制卫星轨道与姿态。,注入站,:3,个，向卫星发送数据与命令。,三者连网,除主控站外均无人值守。,3),用户段,接收机,和数据处理软件。,3,、,GPS,定位的基本原理,卫星发射信号的时间为,t1,，接收机收到信号的时间为,t2,则,t,=t2-t1 =,ct,其中,为星站距离，由接收机测得。因卫星钟很精确，而接收机钟有误差,t,，故,=,ct+c,t,在地面任一点最少可观测,4,颗卫星，得,4,个距离，解,4,个未知数,x,y,z,t,。,（原理图）,定位原理,观测四颗卫星，列出四个方程式如下：,4,、,GPS,测量的特点与问题,1,）特点,精度高；速度快；无需通视；,操作简便；全球布网；全天候作业；,三维坐标；应用广泛。,2,）问题,军民两用；,无安全承诺。,三维精度,不一致,。,子情境,2,美国政府的限制性政策,1,、精密定位服务与标准定位服务,1,）精密定位服务（,510m,）,美国军方使用，包括：,L1,：,C/A,码，,P,码；,L2,：,P,码；,消除,SA,的密匙，导航电文。,2,）标准定位服务（,100m,）,出于经济考虑，,83,年提供民用。,L1,：,C/A,，导航电文。,2,、,A-S,措施,P,码保密，只有美国军方可用，后来被解密。美国引入,W,码，并将,P,码与,W,码进行模二相加得,Y,码，难以破解。,3,、,SA,政策,84,年民用结果，精度远高于,100m,，美国为保证自身安全，,1990,年,3,月,25,日起对民用信号进行干扰，包括：,技术：干扰卫星星历；,技术：干扰定位信号。,因美国国内的就业压力及国际竞争，,1996,年,3,月,29,日，克林顿宣布,10,年内终止,SA,，,2000,年,5,月,2,日终止，但可随时在区域内恢复。,子情境,3 GPS,应用领域概述,1,、控制测量（全球、全国、城市、工程）,2,、工程测量,3,、地形地籍测量,4,、海洋测绘,5,、航测、遥感,6,、卫星定轨,7,、月球、火星测绘,8,、飞机、轮船导航与地面交通管理,9,、通信、旅游等各行,各业,子情境,3 GPS,的重大发展,1,、美国对,GPS,的政策调整与技术改进,1,）政策调整,（,1,）,1983,年提供民用；,（,2,）,1990,实施,SA,政策；,（,3,）,2000,年,5,月取消,SA,；,（,4,）,1999,年决定既保证军用安全，又提高民用精度。,2,）技术改进,GPS,现代化内容,改进时间,发射,Block R-M,卫星,L1,加,M,码，,L2,加,C/A,、,M,2005,，,5,颗,发射,Block F,卫星,L1,加,M,，,L2,加,C/A,、,M,，,L5,20062012,GPS,增强,L1,加,M,，,L2,加,C/A,、,M,，,L5,，其它未来能力,20122030,星数：,30+2,2004,2,、,GPS,应用的最新发展,1,）精密单点定位,ppp,；,2,）,GPS,测高程；,因精确的大地水准面,模型,已建立，目前,GPS,可代替三等水准。,3,）室内,GPS,接收机。,发展趋势：高精度，快速，小型，自动，抗遮挡，抗电磁干扰。,子情境,4,其它定位系统,1,、,GLONASS,；,与,GPS,相似，因技术、经济原因，目前只有,11,颗工作卫星；,2,、,Galileo,；,2005,年,12,月,28,日发射第一颗试验卫星，,0607,建成，,08,年使用。,星数：,30,，轨道数：,6,，高度：,23616km,。,特点：比,GPS,精度高，纯民用，不保密，对用户安全负责。,3,、北斗星二代：,2008,年发射试验卫星。,4,、北斗星：,激光测距卫星,，三颗。,学习情境,1,知识技能训练,1,、解释概念,空间段、控制段、用户段,、,SA,、,A-S,、精密定位服务、标准定位服务、发展阶段。,2,、回答问题,1,）,GPS,测量的基本原理如何？,2,）,GPS,由哪些部分组成？各部分分别起何作用？,3)GPS,测量有何特点与问题？,学习情境二：,GPS,定位的坐标系统与时间系统,子情境,1,坐标系的类型,1,、空固坐标系、地固坐标系；,2,、地心坐标系、参心坐标系；,3,、空间直角坐标系、球面坐标系、大地坐标系；,4,、瞬时坐标系、协议坐标系。,5,、二维坐标系、三维坐标系。,子情境,2,天球坐标系,1,、天球的基本概念,天球,以地心为球心，以任意长为半径的球面。,天轴,地球旋转轴。,天极,天轴与天球面的交点。,P,n,、,P,s,。,天球赤道面,过球心且与天轴垂直的平面。,黄道面,地球公转轨道所在平面，与赤道面夹角为,23.5,。,春分点,太阳从南半球向北半球运行时，黄道与赤道的交点。,重庆,3,月,1,日地方时,12,点春分点位置,2,、天球坐标系的概念,1,）天球空间直角坐标系,2,）天球球面坐标系,3,）空间直角坐标系与球面坐标系的转换,天球空间直角坐标系,原点：地球质量中心,Z,轴：指向北天极,P,n,X,轴：指向春分点,Y,轴：与,X,、,Z,轴构成右手坐标系,天球球面坐标系,原点：地球质量中心,赤经,：天体子午面与春分点子午面的夹角,赤纬,：天体与地心连线和天球赤道面的夹角,向径,r,：天体到地心的距离,右手坐标系,3,、岁差与章动,日月对地球赤道隆起部分的引力作用，使地球旋转轴在空间的指向发生移动。,岁差：假定月球轨道固定，北天极沿圆形轨道绕北黄极的运动叫岁差，春分点每年西移,50.2,，周期约为,25800,年。,章动：由月球轨道变化引起的北天极沿椭圆形轨道运动叫章动，椭圆长半径约为,9.2,，,18.6,年一周期。,平北天极：不考虑章动的北天极。平春分点。,瞬时北天极：绕平北天极,18.6,年转一周。真春分点。,岁差与章动,4,、,协议天球坐标系,1,）瞬时天球坐标系：,z,轴指向瞬时北天极，,x,轴指向瞬时春分点（真春分点）。,2,）平天球坐标系：,z,轴指向平北天极，,x,轴指向平春分点。,3,）协议天球坐标系,1984,年,1,月,1,日后，取,2000,年,1,月,15,日的平北天极为协议北天极，,z,轴指向协议北天极的天球坐标系称为协议天球坐标系，,x,轴指向协议春分点。,4,）三者间的转换：见教材,P17,。,坐标系的旋转,子情境,3,地球坐标系,1,、地球坐标系的概念,常用的有空间直角坐标系和大地坐标系两种。,空间直角坐标系：,原点：一般取地球质心。,Z,轴：指向地球北极。,X,轴：指向格林威治子午线与地球赤道的交点。,Y,轴：构成右手坐标系。,大地坐标系：,大地经度,L,；,大地纬度,B,大地高,H,。,空间直角坐标系与大地坐标系的转换,N,法线长度，,N=a/W,；,e,地球椭球第一偏心率；,地心纬度，即观测点和地心连线与赤道面的夹角,tan,=,Z/,（,X,2,+Y,2,）,1/2,；,W,=(1-,e,2,sin,2,B,),1/2,;,R,地心向径，,R=,（,X,2,+Y,2,+Z,2,）,1/2,。,地极移动,2,、协议地球坐标系,Z,轴指向,19001905,年平均地球北极或其它国际协定的地球北极。,应当注意，地极移动与岁差和章动是不同的概念，岁差和章动是指地球自转轴在空间指向的移动，而地极移动则是指地球北极与地面参照物的相对移动。,3,、地球坐标系与天球坐标系的转换,卫星位置用天球坐标系的坐标表示，而测站点位置用地球坐标系的坐标表示，要用卫星坐标求测站坐标，需将天球坐标系的坐标转换成地球坐标系的坐标。,转换的步骤是：,协议天球坐标系,平天球坐标系,瞬时天球坐标系,瞬时地球坐标系,协议地球坐标系。,在转换过程中，因两者的坐标原点一致，故只需多次旋转坐标轴即可。,4,、参心坐标系,参心坐标系的坐标原点在参考椭圆体中心而不在地球质心。,5,、站心坐标系,6,、高斯投影与横轴墨卡托投影,高斯投影时，中央子午线长度不变，离中央子午线愈远，长度变形愈大，对于,6,带，赤道与边界子午线交点处的投影变形为,0.138%,。,在投影带宽度不变的情况下，采用横轴墨卡托投影，使中央子午线长度缩短为原长度的,0.9996,倍（通用横轴墨卡托），以减小长度变形的绝对值。,通用横轴墨卡托投影，对于,6,带，在,y,为,180km,范围内长度缩短，以外长度伸长。,6,、地方独立坐标系,在工程测量中，当测区高程大于,160m,时，地面长度与参考椭球面长度相差太大，需建立地方独立坐标系。,建立独立坐标系时，先选一点作原点，该点的坐标与统一坐标一致，其它各点与原点的坐标增量的绝对值增大,D,（,H/R,）倍。方法有彭胀法与平移法两种，彭胀法是对各点与原点的坐标增量加改正。平移法是将参考椭圆体中心沿原点法线方向平移,H,。两种方法计算结果相差很小。,此外，当,y,坐标大于,45km,时。还需以高斯投影正反算或换带计算更换投影带中央子午线。,彭胀法与平移法的计算公式,彭胀法：,x,=,x,+,x.H,/R,y,=,y+y.H,/R,平移法：,子情境,4,大地测量基准及其转换,1,、大地测量基准的概念,大地测量基准是指描述地球大小、形状和地球在空间定位、定向的参数，包括,几何参数：长半径,a,、地球重力场二阶带谐系数,J,2,；物理参数：,GM,、,；定向定位参数。,经典大地测量基准是由几何测量确定的，缺少物理参数，现代大地测量基准是由物理测量确定的，参数齐全。,参数说明,地球重力场二阶带谐系数,J2,常用正常化二阶带球谐系数 代替。,扁率,f,与地球重力场二阶带谐系数的关系是：,大地测量坐标系与大地测量基准的异同,大地测量坐标系是理论定义，空间一点在不同坐标系之间转换不影响点位。,大地测量基准是依据若干观测点的观测数据确定的大地测量坐标系，因观测有误差，故空间一点在不同基准之间的转换会带来误差。,在多数场合下，两者不加区别。,2,、常用大地测量基准,1,）,WGS-84,坐标系,WGS-84,坐标系是美国,84,年在卫星大地测量的基础上建立的以地球质心为原点的大地测量基准。大小形状参数见后，,Z,轴指向,1984,北极，,X,轴指向,1984,格林威治子午线与赤道交点，,Y,轴与,X,、,Z,轴构成右手坐标系。,由,GPS,卫星发布的星历参数是,WGS-84,坐标系的数据，故,GPS,测量时，先求得测站点的,WGS-84,坐标，再换算为当地使用的坐标。,2,）,ITRF,参考框架,ITRF,是国际地球自转服务局根据分布全球的地面观测站，以最先进的测量技术获得的数据确定的大地测量基准。是世界公认的精度最高的大地测量基准。目前尚未普遍采用。但其日后必将代替,WGS-84,。,IERS,已发布了,ITRF88,、,89,、,90,、,91,、,92,、,93,、,94,、,96,、,97,、,2000,等多个地心参考框架，椭球参数与,WGS-84,相同，定向不同。,网站：,,www.iers.org,/,3,）北京,54,坐标系,（,1,）克拉索夫斯基椭球，与现代值相差较大；,（,2,）指向不明；,（,3,）参考椭球面与大地水准面差距大；,（,4,）误差积累大；,（,5,）未整体平差，各部分结合部有,2m,误差。,4,）西安,80,坐标系,对国家网进行了整体平差，在我国国内，椭球面与似大地水准面吻合最好。,Z,轴、,X,轴分别指向,1968,北极和格林威治子午线与赤道交点。,存在问题：,是局部基准而非全球基准；,二维坐标系，不适合卫星定位。,各基准的参数比较,坐标系统,地球椭球,1954,年北京坐标系,1980,年西安坐标系,WGS-84,世界大地坐标系,椭球名称,克拉索夫斯基,1980,大地坐标系,WGS-84,建成年代,1940,1979,1984,椭球类型,参考椭球,参考椭球,总地球椭球,a,（,m,）,6378245,6378140,6378137,J2,或,C20,(f),（,1,：,298.3,）,J2:1.0826310-3,（,1,：,298.257,）,C20,：,-484.1668510-6,（,1,：,298.257223563,）,GM,3.98600510,14,3.98600510,14,（,rad/s,）,7.29211510,-5,7.29211510,-5,3,、基准转换,1,）七参数法,(,适合于空间直角坐标系间转换）,七参数法公式,2,）四参数法（适合于高斯平面坐标间转换）,3,）参数估算,七参数法需已知三个点在两个坐标系中的坐标。,四参数法需已知两个点在两个坐标系中的坐标。,其中,m,用测距仪确定也可。,4,）地方独立坐标系,地方独立坐标系都是在北京,54,或西安,80,的基础上进行三项改化，一是将统一编号的投影带中央子午线移至测区中央，二是将投影面由参考椭球面改为测区平均高程面，三是高斯投影后将独立坐标系原点的纵横坐标加一个常数，（,105-106.25,70,52,300),。转换时，参考椭球参数除长半径加,H+,外，其它参数均不改变。,子情境,5,高程基准与大地水准面模型,高程基准有由各国或国际确定的,大地水准面、似大地水准面、参考椭球面（或地球椭球面）,。大地水准面与参考椭球面（或地球椭球面）之间有一段距离，而且此距离在各点有不同数值，其变化极不规则。使大地高与正高或正常高之间难以转换。常用转换方式有以下四种：,1,、等值线图法（由大地水准面差距图查取大地水准面差距,，,H,正,=H-,2,、地球模型法（,EGM96),：,=,f,(,L,，,B),3,、高程拟合法：,=a+bx+cy+dx,2,+ey,2,+fxy,4,、区域,似大地水准面,精化法,子情境,6,时间系统,1,、时间的概念,现代测量科技与空间科技紧密结合，测量精度极高。如卫星定轨、飞机和车辆导航、地球自转与公转、研究地壳升降和板块运动等问题，不仅要求给出空间位置，而且应给出相应的时间。现代大地测量基准应是包括时间在内的四维基准。,GPS,测量中，时间的意义,确定,GPS,卫星的在轨位置；,确定测站位置；,确定地球坐标系与天球坐标系的关系。,时间包括时刻（绝对时间）与时间间隔（相对时间）两个概念。,测量时间同样需要建立测量基准，包括尺度与原点。可作为时间基准的运动现象必须是周期性的，且其周期应有复现性和足够的稳定性。,2,、世界时,1,）恒星时,以春分点连续两次经过本地子午线的时间间隔为一恒星日，含,24,恒星小时。分真春分点地方时、真春分点格林威治时、平春分点地方时、平春分点格林威治时四种。,2,）平太阳时,以平太阳连续两次经过本地子午线的时间间隔为一平太阳日，含,24,平太阳小时。,3,）世界时,以子夜为零时起算的格林威治平太阳时，用,UT,0,表示,。与平太阳时相差,12,小时，即,UT,0,=GAMT+12h,平太阳时和世界时均以地球自转为参照，而地球自转速度是变化的，包括极移、自转速度季节性变化和逐年变慢等。,1956,年引入极移改正和自转速度季节性变化改正：,UT,1,=UT,0,+,UT,2,=UT,1,+TS,未加逐年变慢改正。,3,、原子时,以铯原子基态两超精细能级的辐射跃迁定义时间尺度，以,1958,年,1,月,1,日零时的世界时减去,0.0039,秒为原点。,原子钟精度极高，目前使用的氢钟精度可达,10,-16,。,4,、协调世界时,尺度用原子时尺度。为了与地球自转运动相吻合，通过润秒方法尽量与世界时在时刻上接近。今年与,AIT,差,32S,。,5,、,GPS,时,尺度是原子时秒长，原点取,1980,年,1,月,6,日零时的协调世界时。不润秒。故与协调世界时时间差逐年增大。,32-19,6,、时间基准,以一定数目的守时设备确定，,GPS,时由主控站提供基准。,学习情境,2,知识技能训练,1,、概念,天球坐标系、地球坐标系、空间直角坐标系、球面坐标系、大地坐标系、协议地球坐标系、地心坐标系、参心坐标系、地方独立坐标系、横轴墨卡托投影、大地测量基准、基准参数、基准转换、七参数法、四参数法、参数估算、等值线图法、地球模型法、高程拟合法、区域似大地水准面精化法、原子时、协调世界时、,GPS,时。,2,、回答问题,1,）,WGS-84,、北京,54,、西安,80,坐标系各有何优缺点？,2,）考虑到,WGS-84,与北京,54,的椭球扁率不同，将,WGS-84,的大地坐标换算为北京,54,大地坐标的步骤应如何？,3,）七参数法与四参数法各用于何种场合？,4,）如何估算转换参数？,4,、计算,设由北京,54,转换为,WGS-84,的尺度因子为,0,，旋转参数为,0,，平移参数为（,50.00,-60.00,，,128.00),，,A,点在北京,54,空间直角坐标系中的坐标为：（,5000000.000,，,3961000.000,，,0.000),求,A,点在北京,54,和,WGS-84,中的大地坐标（用计算器或软件均可）。,学习情境,3,卫星运动的基础知识与,GPS,卫星的坐标计算,子情境,1,卫星的无摄运动,卫星运动不仅受地心引力的作用，而且还受到非地心引力、日月引力、行星引力、太阳光压、地球潮汐、大气阻力等影响。除地心引力外的其它作用力称为摄动力。只考虑地心引力的卫星运动叫无摄运动，考虑其它作用力的卫星运动叫受摄运动。,1,、卫星运动的开普勒定律,第一定律：卫星轨道是椭圆，一个焦点是地心。,第二定律：卫星与地心连线在相同时间内扫过的面积相等。,第三定律：卫星运行的周期平方与轨道长半径立方成比例。,扫过的面积相等,2,、无摄运动的轨道参数,轨道形状与大小：轨道长半径,a,s,；扁心率,e,s,;,轨道椭圆在轨道平面上的定向：近地点角距,；,卫星在轨道平面上的位置：真近点角,V,（变量）,。,轨道平面与地球体之间的相对定向：升交点赤经,；轨道面倾角,i,。,辅助参数平近点角,M,和偏近点角,E,。,M=n(t-t,0,)t,0,为卫星过近地点时刻。,参数说明,近地点角距,近地点与升交点的地心夹角。,真近点角,卫星与近地点的地心夹角。,升交点赤经,升交点与春分点的地心夹角。,轨道面倾角,卫星轨道面与天球赤道面的夹角。,升交距角,卫星与升交点的地心夹角，即真近点角与近地点角距之和。,开普勒六参数,偏近点角,E,3,、偏近点角与真近点角的计算,偏近点角：,E=,M+e.sinE,真近点角：,4,、无摄卫星位置计算,在轨道直角坐标系中的位置：,卫星在天球坐标系和地球坐标系中的位置通过坐标系的转换求得。但在转换前需加摄动改正。,子情境,2,卫星的受摄运动,受摄运动的卫星位置是在无摄位置的基础上加相应的改正数求得。,1,、地球赤道隆起的影响,1,）引起升交点赤经变化，变率,；,2,）引起近地点角距变化，变率,；,3,）引起平近点角,M,变化，变率,M,或,n,或,n,；,2,、其它影响。,引起切向、法向、径向偏移。增加,6,个参数,C,us,，,C,uc,，,C,is,，,C,ic,，,C,rs,，,C,rc,。,子情境,3,GPS,卫星星历,卫星星历是描述卫星运行轨道的参数，分预报星历和后处理星历。,1,、预报星历,由卫星向用户播发。可用于实时定位。分,C/A,码星历和,P,码星历。,内容分三部分，开普勒六参数（,P35,表,2.3,中六至十一行）、轨道摄动九参数（,P35,中十二行至,P36,六行）、时间二参数（,P35,四、五行）。,预报星历的内容：,1,）开普勒六参数,e,i,0,s,0,M,0,0,星期日子夜零时的格林威治子午面与参考时刻,t,oe,时的升交点所在子午面之间的夹角。,2),轨道摄动九参数,3,）时间二参数,t,oe,星期日子夜零时起算的星历参考时刻。取值范围：,0604800s,。,AODE,数据龄期，即用于推算星历的监测站观测数据的最后观测时刻,t,L,到,t,oe,的时间间隔，,AODE=,t,oe,-,t,L,。,注：不属于星历的其它信息表,2.3,前,3,行，后,5,行，与星历同属导航电文。,1,）卫星钟差改正参数：,t,s,=a,0,+a,1,(t-t,oC,)+a,2,(t-t,oC,),2,t,oC,星钟参考时刻。,2,）,GPD,星期数，取值范围,01024,，,1980.1.61999.8.22,，,1999.8.222019.4.6,2,、后处理星历,国际组织、国家、城市、仪器制造商等由自已的跟踪站观测数据推算，由网络、手机、电视、光盘、磁带等介质以免费或收费的方式向用户提供。一般不能实时定位。,利用精密星历及其它手段进行精密单点定位，精度可达,0.1m,。,子情境,4,GPS,卫星坐标计算（,P49,）,5,、观测历元的升交距角、向径及轨道倾角,学习情境,3,知识技能训练,1,、解释概念,升交点赤经、近地点角距、真近点角、平近点角、偏近点角、升交距角、轨道面倾角、开普勒六参数、摄动力、轨道摄动九参数、星历、预报星历、后处理星历、数据表参考时刻、数据龄期。,2,、回答问题,1,）表,2.3,中，由,t,oe,判断,1997,年,11,月,9,日是星期几。,2,）当日,14,时，,PRN06,和,PRN09,的钟差各是多少？,3,）卫星在,WGS-84,中位置的计算步骤如何？,学习情境,4,电磁波传播与,GPS,卫星信号,子情境,1,电磁波的基本知识,1,、参数,周期,T,、频率,f,、速度,v,、波长,、相位,及其相互关系：,T=1/,f,，,=,T.v,，,=2 ft,。,2,、电磁波普,1,）全普与窗口,2,）卫星大地测量常用普,全普与窗口,卫星定位常用波普,符号,频率,GHz,平均波长（,cm,）,P,0.220.30,115,L,12,20,S,24,10,C,48,5,X,812.5,3,子情境,2,大气层对电磁波传播的影响,1,、大气结构及性质,对流层：,40km,以下，冷热、雨雪风、水蒸气。属非弥散介质。,电离层：,70km,以上，空气分子以带电粒子的形式存在，属弥散介质，对电磁波传播影响显著，折射率主要取决于带电子数的多少和电磁波频率的高低。,折射数,N,0,=(,n,-1)10,6,。,电离层对不同频率电磁波折射,对流层与电离层比较,对流层电离层,H,越大，,t,越低,H,越大，,t,越高,与气象有关与气象无关,与,f,无关与,f,有关,n,1,n,1,2,、,电离层,影响及对策,电离层影响：,P84,式,4-24,式,7-4,也可表示为：,d,ion,=-c40.28N,/,f,2,N,断面为,1m,2,传播路径上的电子数总合。,若,N,=510,17,，而,f,1,=,1.57542GHz,f,2,=,1.22760GHz,d,ion,1,=8.11m,，,d,ion2,=-13.36m,。,对策：,1,）双频观测（式,7-8,）；,2,）利用电离层模型改正（式,7-127-13,，是否改正取决于数据处理软件）；,3,）同步观测求差（相对定位或差分定位）。,4),载波相位观测与码相位观测取平均。,影响带电离子密度的因素,电离层高度，,200400km,时密度最大；,地方时，白天是晚上的,5,倍，地方时,11,时最大；,季节，夏天是冬天的,4,倍；,测站纬度，赤道最高，南北极最低；,年份，太阳黑子活动周期为,11,年，最高年份可达,10,16,/m,2,最低年份近于零。,58,，,69,，,80,，,91,，,02,年最高。,3,、对流层影响,与电磁波频率无关，,(,公式见,P89,）模型改正；,2,）作为未知数求解；,3,）同步观测值求差；,4,）用水汽辐射计求路径折射率。,水汽辐射计,子情境,3,GPS,卫星的测距码信号,1,、,GPS,卫星信号概述,载波信号：,L1 1.57542GHz,。,L2 1.22760GHz,。,测距码信号：,C/A,码，,P,码。,数据码信号：导航电文。,2,、码的概念及其产生,(p37),1,）码的基本概念,码,表达不同信息的二进制数及其组合。（波形与序列见下一幻灯片。）,码元,一位二进制数叫一个码元。,编码,用二进制数表示信息的过程。,信息量,某种事物有,2,r,种类型，可用,r,位二进制数表示，即含有,r,比特的信息量。,信息的传输速度,单位时间内传输的比特数。,码元宽度,传输一个码元所用时间。,绿色三概念应牢固掌握,符号与波形,名称,二进制序列,符号序列,1 1 1 0,信号电位,-1,-1,-1,1,信号波形,模二加法：,二进制码的模二加法等价于电位的乘法。,码序列,将,r,比特的二进制数看作是由,0,、,1,组成的序列。,2,）随机码,在一个码序列中，,0,和,1,出现的概率相等，而某一码元是,0,或是,1,却是随机的，事先无法确定的，这样的码序列叫随机码。,随机码特点：非周期性序列；自相关性好；无法复制。,自相关性用自相关系数表示，,自相关系数,将,U,（,t,）平移,k,个码元，平移后与平移前两序列相同码元个数,A,，相异个数,B,，（,A-B,）,/,（,A+B,）,叫自相关系数，用,R,（,t,）表示。,自相关性好,原码与复制码对齐,R,（,t,）,=1,，不对齐,0,。,自相关系数：,1110100,1110100,1110100,1110100,R,（,t,）,=(3-4)/7=-1/7,。,1110100,1110100,1110100,1110101,R(t,)=(3-4)/7=-1/7,3,）噪声码,信号强度远低于噪声强度的信号码。优点：,耗能少；隐蔽性好。,4,）伪随机噪声码及其产生,伪随机码,有良好的自相关性且按周期重复出现的二进制码。,产生：多级反馈移位寄存器（,P38,）；也可用程序产生。,111100010011010,111100010011010,码的产生,状态号 各级状态,1,，,2,，,3,，,4,输出,1 1 1 1 1 1,周日子夜零时置,1,脉,冲与钟冲,1,同时作用,2 0 1 1 1 1,钟冲,2,3 0 0 1 1 1,钟冲,3,4 0 0 0 1 1,钟冲,4,5 1 0 0 0 0,钟冲,5,6 0 1 0 0 0,钟冲,6,7 0 0 1 0 0,8 1 0 0 1 1,9 1 1 0 0 0,10 0 1 1 0 0,四级移位寄存器产生的伪随机码的特性,码序列：,111100010011010,111100010011010,钟频：,f,c,;,码元宽度：,0,=1/,f,c,；,码长：,N,u,=2,4,-1=15bit,；周期：,T=,0,.,N,u,；,自相关系数：对齐：,1,，不对齐：,-1/15,。,r,级移位寄存器产生的伪随机码的特性,码元宽度：,0,=1/,f,c,；码长：,N,u,=,2,r,-,1,；,周期：,T=,0,.,N,u,；,自相关系数：对齐：,1,，不对齐：,-1/(2,r,-,1),。,3,、,GPS,的测距码,1,）,C/A,码,两个,10,级移位寄存器产生两个伪随机码,G1,、,G2,。,G2,平移,11023,码元，得,1023,个新码，与,G1,模二相加。不同卫星用不同码。,钟频：,1.023MHz,；,码元宽度：,0.97752s,，,码长：,2,10,-1=1023bit,，,周期：,0.97752s 1023=1ms,，,测尺长度，,300km,，,测时精度：,0.97752s/100=0.0097752s,，,测距精度：,299792458m/s,9.7752,10,-9,=2.93m,。,2,）,P,码,4,个,12,级移位寄存器，每个移位寄存器产生的伪随机码的码长为：,2,12,-1=4095bit,，,设,4,个码为：,A,，,B,，,C,，,D,；将其组合成复杂的复合码，如：,ADDBACAADCBA,等。,钟频：,10.23MHz,；,码元宽度：,0.097752s,，,码长：,2.3510,14,bit,，,周期：,0.097752s2.3510,14,=267,天,测时精度：,0.097752s/100=9.775210,-10,s,，,测距精度：,2997924589.775210,-10,=,0.293m,。,子情境,4,接收机的基本原理,1,、接收机接收卫星发射的测距码并产生相同的复制码；,2,、接收码比复制码滞后一段时间；,3,、时延器将复制码延后（向后移位），直到与接收码对齐为止，记录延后时间，即为电磁波在星站间传播所用时间。,复制码,接收码,4,*,、冷启动，接收码,(,来自某卫星）与,50,多个复制码（接收机产生）一一比较，两者相同叫,锁定,。,热启动，冷启动后有记忆，以后启动不必一一比较。,数据接收,子情境,5,导航电文（,p34),1,、遥测码：主要是说明注入数据是否可靠。,2,、转换码：用,C/A,码捕获,P,码用。,3,、传输参数：定位精度，,9,不能导航。,4,、电离层改正。,5,、钟差改正。,6,、星历，各卫星播发的自已的位置参数，文件类型为,E,文件，用于定位。,7,、历书，各卫星播发的所有卫星的概略位置参数，文件名以,al,开头，用于估算可见卫星数。（,G:,教学,数据,课堂实习,ASHTECH,）,8,、卫星健康及其它。,子情境,6,卫星信号的调制与解调,、调制,调制就是在载波上加上信号码，方法是用调相技术将信号调制到载波上。,二进制码（电位）,1 (-1)0(1),载波相位 改变,180,不变,2,、解调,解调就是去掉二进制码，只留下载波。方法有两种。,1,）复制码与信号码对齐时相乘（电位相乘，二进制数模二相加）,2,）平方解调（电位平方）,解调后得载波，用载波可进行载波相位测量（原理是测出载波由卫星传播到接收机产生的载波相位延迟）。,3,、载波精度,L1,频率：,1.57542GHz,。,波长：,299792458/1.5754210,9,=19.03cm,。,测距精度：,19.03cm/100=1.9mm,。,L2,频率：,1.22760GHz,。,波长：,299792458/1.2276010,9,=24.42cm,。,测距精度：,24.42cm/100=2.4mm,。,课堂小结,码元，码元宽度，随机码，伪随机码及其特性。,接收机的基本原理。,C/A,码、,P,码的测距精度,2.93,、,0.293,。,星历和历书的异同。,载波,L1,、,L2,的测距精度,1.9mm,、,2.4mm,。,作业,5,、,6,学习情境,4,知识技能训练,1,、概念,电离层、对流层、码、码元、码元宽度、伪随机码、噪声码、复制码、接收码、自相关系数、历书、调制、解调。,2,、原理,1,）电离层和对流层各有何特性？对电磁波传播有何影响？如何减弱其影响？,2,）接收机的基本原理。,3,）,C/A,码与,P,码的码长、码元宽度、测尺长度及测时和测距精度。,学习情境五,GPS,定位,子情境,1,定位方法与观测量,1,、定位方法分类,1,）动态定位与静态定位：,动态定位,认为接收机相对于地面是运动的。,静态定位,认为接收机相对于地面静止不动。,2,）绝对定位与相对定位：,绝对定位,求测站点相对于地心的坐标；,相对定位,求测站点相对于某已知点的坐标增量；,3,）差分定位：在基准点上观测求得大气折射等改正，并及时发送给流动站，流动站用收到的改正数对观测数据进行改正，得精确点位。,2,、观测量,几何距离,星站间的真实距离。,伪距,由接收机观测的带有钟差的星站距离。,码相位观测,，得测码伪距（简称伪距）；,载波相位观测,，得测相伪距（简称相位）。,观测量：伪距。,单位权中误差,伪距观测中误差，不完全合理。,子情境,2,观测方程及其线性化,1,、测码伪距观测方程及其线性化,卫星到测站的几何距离；,卫星到测站间含有接收机钟差的伪距；,t,接收机钟的钟差；,测码伪距观测方程线性化,则观测方程可表示为：,2,、测相伪距观测方程及其线性化,子情境,3,动态绝对定位原理,子情境,4,静态绝对定位原理,1,、测码伪距静态绝对定位法,接收机相对于地面固定不动。一般每隔,5,、,10,或,15,秒观测一次（一个历元）。,观测卫星数,m,，历元数,n,，则观测值的个数为,m.n,个，观测方程的个数也为,m.n,个。如观测时间较短，不考虑接收机钟差变化，则需解,4,个未知数。方程式的形式与动态定位相似。,令,2,、测相伪距静态绝对定位法,载波相位观测应注意：,1,）整周数的变化部分由计数器记录，此间信号不能间断，如果此间到达接收机的信号被遮挡，造成失锁，遮挡期间整周记数暂停，遮挡移去后继续记数，这就丢掉了遮挡期间的若干整周数。这种情况叫整周跳。引起周跳的另一原因是强电磁干扰。,设卫星与接收机的相对运动速度为,1km/s,，,L1,载波波长为,19cm,，信号间断,1,秒钟，产生,1000/0.19=5263,周的周跳。,2,）因各项误差影响，整周未知数往往不为整数。,子情境,5,相对定位,1,、相对定位的概念,用两台或两台以上的接收机同步观测，观测量求差以消除或减弱星历误差、大气折射误差等影响的定位方法。,2,、单差,在,A,、,B,两站同步观测相同的,GPS,卫星，由,A,点所测相位与由,B,点所测相位相减，卫星钟差抵消。同时因站间距离远小于星站距离，经模型改正后的电离层和对流层折射残差也基本消除。,A,、,B,两点连线叫基线，基线起点至终点的向量叫基线向量，将其投影到三个坐标轴上得,x,、,y,、,z,，可用来表示基线向量的大小和方向。,3,、双差,在,A,、,B,两点上同步观测,J,、,K,两颗卫星，观测,J,的单差与观测,K,的单差相减，消除接收机钟差的影响。,4,、三差,将,t1,、,t2,两个历元观测的双差相减，消除整周未知数的影响。,5,、双差基线解算,