第一章 绪论

1 GPS卫星定位技术的发展

GPS：Navigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System 导航卫星测时和测距全球定位系统
GNSS：Global Navigation Satellite System 全球导航卫星系统

全球卫星导航系统（GNSS）：
美国：GPS；俄罗斯：GLONASS；中国：北斗一代、二代、北斗（BDS）三代；欧盟：Galileo
区域增强系统：
俄罗斯：SDCM；中国：MASS；欧盟：EGNOS；日本：QZSS、MSAS；印度：IPNSS、GAGAN

子午卫星系统及其局限性:
NNSS-Navy Navigation Satellite System（海军导航卫星系统），也叫Transit（子午卫星系统），利用多普勒效应进行导航定位，也称多普勒定位系统

系统组成：

  • 空间部分：卫星、149.888MHz、399.968MHz
  • 地面控制部分：跟踪站、计算中心、注入站、控制中心和海军天文台
  • 用户部分：多普勒接收机

Transit卫星及星座参数：卫星数6颗、轨道书6个、轨道夹角30°、轨道倾角90°、卫星高度175km、运行周期107min、载波频率400、150MHz

局限性：

  • 从导航角度看：
    • 从导航角度看：
      • 一次导航定位所需时间过长；
      • 不是一个连续的导航系统，只能为惯导等系统提供间断的修正，无法成为一个独立的导航系统。
    • 从测量角度看：
      • 所需时间长，作业效率偏低；
      • 定位精度低，限制了它的应用范围。

子午卫星最终被全球定位系统所取代

GPS发展简史：

  • 1979年到1987年，陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途的接收机。
  • 试验表明，GPS定位精度远远超过了设计标准。
  • 1989年2月14日，第1颗GPS工作卫星发射成功；
  • 1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战；
  • 1993年底，实用的GPS网（21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星；
  • 1995 年 7 月 17 日 ， GPS 达到 FOC （ Full Operational Capability）完全运行能力。

GNSS发展简史：

  • 1993年12月，GPS具备初步工作能力
  • 1996年初，GLONASS系统组网成功
  • 2002年3月，欧盟启动Galileo系统计划
  • 2003年，北斗导航验证系统建成
  • 2012年底，北斗系统向亚太地区提供PNT服务
  • 2020年，北斗系统向全球提供服务

2 GPS系统组成

GPS的系统构成：
空间部分、地面控制部分、用户部分

卫星星座（GPS Constellation）及其几何分布：

  • 星座部分主要由24颗（21＋3） 卫星构成，其中21颗为工作卫星，另外3颗为备用卫星。
  • 均匀分布在6个轨道平面内， 每个轨道面包含4颗卫星。
  • 轨道面相对赤道面倾角为55度， 轨道的升交点赤经各相差60度。
  • 卫星轨道为椭圆形，平均高度约20200km，运行周期大约11 小时58分。

3 美国政府的GPS政策

SA政策：Selective Availability
AS政策：Anti-Spoofing

SPS-标准定位服务：使用C/A码，民用
PPS-精密定位服务：可使用P码，军用

GPS现代化的原因：

  • GPS工作卫星的导航定位信号有如下不足，是其实施现代化的主要原因：
    • C/A码仅存在于L1载波上
    • L1-P码和L2-P码伪距的民用难获性
    • GPS信号的易受干扰性
    • P码捕获的非独立性
    • 星历更新的强依他性
  • GPS差分系统及载波相位测量技术的迅速发展使美国GPS SA政策名存实亡。
  • GLONASS、Galileo、BDS等卫星导航系统的研制动摇了美国GPS的世界霸权地位

GPS现代化的计划：

  • 在 BLOCK IIR 卫星的 L2 载波上调制 C/A 码 ， 在 BLOCK IIF卫星中增加f=1176.45MHz的民用载波频率。
  • 增强卫星信号强度，增加抗干扰能力。
  • 在卫星信号中增设新的军用码（M码），与民用码分开,并具有更好的保密性和抗干扰能力。
  • 使用新技术以阻止或干扰敌对方使用GPS。
  • 军用接收机具有更好的保护能力，特别是抗干扰能力并具有快速初始化的能力。

GPS现代化的内涵：

  • 保护：更好的保护美国军方及盟国军方使用该系统（增设M码并严格保密）。
  • 阻止：阻止、干扰敌对方使用该系统
  • 保持：保持在有威胁地区以外的民间用户更精确更安全地使用该系统。

4 其他卫星导航定位系统

GLONASS：
1982年开始发射第一颗GLONASS 卫星、1995年完成了24+1的卫星星座、共有三个轨道面，每个轨道面均匀分布8颗卫星，轨道偏心率≤0.01、轨道倾角为 64.8° ， 平均高度为 19100Km、卫星运行周期：11h15m44s(±5)
存在的问题：

  • GLONASS工作不稳定，卫星工作寿命短
  • GLONASS用户设备发展缓慢，生产厂家少，设备体积大而笨重
  • 由于GLONASS采用的是FDMA，所以用户接收机频率综合器复杂
  • 对于GPS/GLONASS兼容接收机，需解决两个系统的时间与坐标系统问题

GLONASS现代化：

  • 目前，在轨卫星27颗，23颗卫星正常工作
  • 改频计划
  • 超出俄罗斯的边界建立新的监测台站，适时改进轨道测定计划

Galileo：
伽利略卫星星座由27颗工作卫星和3颗备用卫星组成，这30颗卫星将均匀分布在3 个轨道面上，卫星高度为23616km，轨道倾角为56°
伽利略系统是一种多功能的卫星导航定位系统，具有公开服务、安全服务、商业服务和政府服务等功能
比GPS系统设计上的先进性：

  • 星座设计更加合理
  • 更多的载波频率和测距信号
  • 提供SAR搜救服务
  • 与外部增值服务的接口

北斗卫星导航系统：
“三步走”发展战略：第一步：2000年-2003年，建成由3颗卫星组成的北斗导航试验系统；第二步：建设北斗卫星导航系统，2012年形成我国及周边地区的覆盖能力；第三步：2020年左右，由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，形成全球覆盖能力
卫星星座：3颗地球同步卫星：2颗工作卫星和1颗备份卫星；每颗卫星有2个波束；覆盖范围：东经70º-140º，北纬5-55º,覆盖我国全境及周边地区
BDS-2：
卫星星座：计划由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成
服务：

  • 开放服务：在服务区内免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10m，授时精度为50ns，测速精度为0.2m/s
  • 授权服务：向授权用户提供更安全的定位、授时、测速和通信服务信息

BDS-3

第二章 坐标系统与时间系统

1 概述

GNSS的最主要功能：定位
GNSS在定位过程中的两类主体：卫星和接收机
GNSS定位采用两类坐标系统：天球坐标系和地球坐标系
坐标系统定义：坐标原点、坐标轴指向和单位尺度

协议坐标：

  • 协议惯性(天球)坐标系(CIS－Conventional Inertial System)
  • 协议地球坐标系（CTS－Conventional Terrestrial System）

2 坐标系统

基本概念：
天球：

岁差与章动：

  • 岁差：北天极（NCP）绕北黄极（NEP）顺时针转动，自转轴围绕北黄极画出一个圆锥，锥角等于黄赤交角ε＝23.5°，周期约为25800年
    • 是由于赤道平面和黄道平面的运动而引起的
    • 赤道岁差（日、月岁差）：由于太阳、月球以及行星对地球赤道隆起部分的作用力矩而导致赤道平面的进动
    • 黄道岁差（行星岁差）：太阳系中的行星对地球和月球产生万有引力，还会影响地月系质心绕日公转的轨道平面，使黄道面产生变化，进而使得春分点产生移动
  • 章动：瞬时北天极围绕瞬时平北天极产生旋转，大致成椭圆形其轨迹，其长半轴约9.2″，主周期约18.6年
    • 瞬时北天极：观测瞬间的北天极
    • 瞬时平北天极：绕北黄极均匀移动的北天极

极移：

  • 地极：地球自转轴与地面的交点称为地极；地极的移动称为极移
  • 通常用北极点的移动来反映地球自转轴在地球体内的运动
  • 极移的表象：地球自转轴通过地球质心在顶角约为0.5” 的圆锥面上运动
  • 引起极移的原因：地球表面上的物质运动（如海潮、洋流等）以及地球内部的物质运动（如地幔对流等）

天球坐标系：

  • 天球空间直角坐标系：（x，y，z)： 原点O位于天球中心；Z轴指向北天极 （NCP）；X轴指向春分点γ；Y轴垂直于XOZ平面 ，与Z轴和X轴构成右手系。
  • 天球球面坐标系：（α，δ， r ） ： 原点O位于天球中心。α表示赤经（ Right Ascension），赤经指过天体s的时圈，与经过春分点的时圈所夹的二面角。δ表示赤纬（Declination ），赤纬指天体s到原点O的连线与天球赤道面的夹角，r 指s到天球中心的距离。

天球参考系统（CRS）：

  • 建立的原因：由于赤道平面和黄道平面的运动而引起的岁差和章动的影响，瞬时天球坐标系的坐标轴指向不断变化，在这种非惯性坐标系统中，不能直接根据牛顿力学定律研究卫星的运动规律。
  • 为了方便地表示天体在空间的位置或方位，编制天体的星历表，需要在空间建立一个固定的坐标系。

1980年，国际大地测量学会（IAG）和国际天文联合会（IAU）决定，自1984年1月1日后启用新标准历元的协议天球坐标系，以儒略日JD＝2451545.0 为标准历元，记为J2000.0，公历为2000年1月1日 12h00m00s。

地球坐标系：
由于地球上一固定点在天球坐标系中的坐标随地球自转而变化，应用不方便。为了描述地面观测点的位置，有必要建立与地球体相固联的坐标系—地球坐标系。
地球坐标系与地球固连在一起，随地球一起自转， 又称地固坐标系。
地球坐标系的主要任务是用以描述地面点在地球上的位置，也可用以描述卫星在近地空间中的位置。
常见的坐标系统：

  • 空间直角坐标系
  • 大地坐标系
  • 平面直角坐标系

分类：

  • 根据坐标原点所处的位置不同：
    • 地心坐标系：原点位于地球（含大气层）的质量中心；Z轴与地球自转轴重合，X轴和Y轴位于地球赤道面上，其中 X轴指向经度零点，Y轴垂直于X轴和Z轴，组成右手坐标系。
    • 参心坐标系：原点位于参考椭球的中心；Z轴与地球自转轴平行 ，X轴和Y轴位于参考椭球的赤道面上，其中X轴平行于起始天文子午面，Y轴垂直于X轴和Z轴，组成右手坐标系。

协议地球（坐标）参考系统（CTRS）：由于地面点在瞬时地球坐标系（或真地球坐标系）中的坐标不断发生变化，不适宜用来表示地面点的位置，实际应用需要一个坐标轴的指向不随极移改变，真正与地球固连在一起的坐标系，协议地球坐标系就是这样一种坐标系

常用的坐标系统：

  • 协议地球坐标系CTS（又称国际地球参考坐标系ITRS）
  • 世界大地坐标系统WGS84
  • PZ-90坐标系统
  • 伽利略地球参考框架
  • 我国主要的坐标系统：
    • 地心坐标系统：CGC2000
    • 参心坐标系统：1954年北京坐标系、1980年西安坐标系、新1954年北京坐标系、格网坐标系统

3 时间系统

时间系统是精确描述天体和人造卫星运行位置及其相互关系的重要基准

”时间“的含义：

  • 包含了“时刻”和“时间间隔”两个概念
  • 时刻是指发生某一现象的瞬间。在天文学和卫星定位中， 与所获取数据对应的时刻也称历元。
  • 时间间隔是指发生某一现象所经历的过程，是这一过程始末的时间之差。
  • 时间间隔测量称为相对时间测量
  • 而时刻测量相应称为绝对时间测量

时间系统的分类：

  • 恒星时和太阳时：地球的周期性自传
  • 历书时：地球的周期性公转
  • 原子时

世界时系统：以地球的运动为基础，根据天体的周日视运动反映地球的自转

  • 恒星时：参照于遥远星体的地球自转周期，参考点为春分点
  • 太阳时：参照于太阳的地球自转周期，参照点为太阳
  • 平太阳时->平太阳

原子时系统TAI：物质内部的原子跃迁所辐射和吸收的电磁波频率，具有很高的稳定度和复现性，由此建立的原子时成为最理想的时间系统。
协调世界时UTC：在进行大地天文测量、天文导航和空间飞行器的跟踪定位时，仍然需要以地球自转为基础的世界时。但由于地球自转速度有长期变慢的趋势，近20年，世界时每年比原子时慢约1秒，且两者之差逐年积累。从1972年开始， 国际上开始使用一种以原子时秒长为基准，时刻上接近世界时的折衷的时间系统

GPS时间系统（GPST）：

  • 原子时系统——秒长与原子时相同
  • 原点：1980年1月6日的UTC零时，与国际原子时的原点不同，即GPST与TAI在任一瞬间均有一常量偏差
  • 没有跳秒
    GPST与UTC之间关系 GPST=UTC+ 1s (n-19)
  • 到1987年调整参数n为23，两系统之差为4秒；
  • 到1992年调整参数为26，两系统之差已达7秒；
  • 到2017年调整参数为37，两系统之差已达18秒

BDS时间系统（BDT）

第三章 卫星运动的基础知识

卫星轨道在GPS定位中的意义：
定义：卫星在空间运行的轨迹称为轨道；描述卫星轨道位置和状态的参数称为轨道参数

卫星在空间绕地球运行时，除了受地球重力场的引力作用外，还受到太阳、月亮和其它天体的引力影响，以及太阳光压、大气阻力和地球潮汐力等因素影响。
卫星实际运行轨道十分复杂，难以用简单而精确的数学模型加以描述。

引力分两类：

  • 地球质心引力（中心引力）:密度均匀或由无限多密度均匀的同心球层所构成的圆球，称之为二体问题
  • 摄动力（非中心引力仅为 10 -3量级）:非球形对称的地球引力，日、月引力，大气阻力，太阳光压，地球潮汐力等（各项作用力均小于10-5 ）

研究工作和实际应用的方便，通常分为两步：

  • 地球在中心力的作用下的卫星运动称为无摄运动，用以描述卫星的基本特征；
  • 在摄动力的作用下的卫星运动称为受摄运动，相应的卫星轨道称为受摄轨道，用以确定卫星受摄运动轨道的瞬时特征。

该研究的优点：二体问题下的卫星运动虽然是一种近似描述，但能得到卫星运动的严密分析解， 从而可以在此基础上再加上摄动力来推求卫星受摄运动的轨道。

2 卫星的无摄运动

卫星发射升至预定高度后，开始绕地球运行。根据万有引力定律，来研究地球和卫星之间的相对运动问题，在天体力学中称为二体问题。
卫星在上述地球引力场中的无摄运动，也称开普勒运动，其规律可通过开普勒定律来描述。

开普勒第一定律：卫星运行的轨道为一椭圆，该椭圆的一个焦点与地球质心重合。
开普勒第二定律：卫星的地心向径在单位时间内所扫过的面积相等。
开普勒第三定律：卫星运行周期的平方与轨道椭圆长半径的立方之比为一常量，等于GM的倒数。

开普勒轨道根数（6参数）：as 轨道椭圆长半轴 (Semi-major Axis) ；es 轨道椭圆偏心率 (eccentricity) ；i 轨道面倾角 (inclination of orbit) ；Ω 升交点赤经 (right ascension of ascending node) ；ωs：近地点角距 (argument of perigee) ；τ0：卫星过近地点的时刻 (Epoch of perigee passage)

f s 为卫星的真近点角：即轨道平面上卫星与近地点之间的地心角距。该参数为时间的函数， 确定卫星在轨道上的瞬时位置。由上述6个参数所构成的坐标系统称为轨道坐标系，广泛用于描述卫星运动。
在描述卫星无摄运动的6个开普勒轨道参数中，只有真近点角是时间的函数，其余均为常数。故卫星瞬间位置的计算，关键在于计算真近点角f s 。

3 卫星的受摄运动

卫星在摄动力的作用下，它的运动将偏离开普勒轨道。
卫星的摄动力包括：非中心引力、日月引力、太阳辐射光压、地球潮汐作用力、大气阻力…

地球引力场摄动力的影响：非球形、质量分布不均匀、引力位模型
日月引力摄动力的影响
太阳光压的影响

4 GPS卫星星历

卫星星历是描述卫星运动轨道的信息，是一组对应某一时刻的轨道根数及其变率。
根据卫星星历可以计算出任一时刻的卫星位置及其速度，精密的轨道信息是精密定位的基础。
GPS卫星星历按照发布的时间：

  • 预报星历
  • 后处理星历

GPS卫星星历按照发布的时间：

  • 广播星历
  • 精密星历（超快速预报星历、快速预报星历、事后最终精密星历）

广播星历是通过卫星发射的含有轨道信息的导航电文，传递给用户，经解码获得所需的卫星星历，广播星历都属于预报星历，包括

  • 相对某一参考历元的开普勒轨道参数
  • 必要的轨道摄动项改正参数
  • 参考星历: 参考历元的卫星开普勒轨道参数称为参考星历， 是根据GPS监测站约1周的监测资料推算的。
  • 用户在观测时可以通过导航电文实时得到，对导航和实时定位十分重要。
  • 预报星历精度目前一般为10m左右，对精密定位服务难以满足精度要求。

精密星历是一些国家的某些部门根据各自建立的跟踪站所获得的精密观测资料，进行预报或事后解算而得到的卫星星历，分为：

  • 超快速预报星历（igu）
  • 快速预报星历（igr）
  • 事后精密星历（igs）
  • 目前由IGS组织统一提供，我国武大GNSS中心可以独立计算出相应的星历
  • 目前上述精密星历的精度可达厘米级

5 卫星坐标的计算

广播星历求GPS卫星坐标：

精密星历计算卫星位置：

第四章 GPS卫星信号和导航电文

1 GPS卫星信号的组成

GPS信号——卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波
GPS卫星发射的三类信号：

  • 载波信号（Carrier Phase）
    • L1
    • L2
  • 测距码（Ranging Code）
    • P码（或Y码）（Precise code）- 分别被调制在L1和L2上
    • C/A码（oarse/ Acquisition code）- 目前只被调制在L1上
  • 卫星的导航电文（Navigation Message/Data Message）

GPS卫星信号的生成：

  • 关键设备 - 原子钟

关于GPS卫星信号：
考虑三个方面：

  1. 为了提供卫星的瞬时位置 ——将导航电文调制成编码脉冲的形式
    数据码：D码
  2. 为了保密通信，提高信号的抗干扰能力；以及不同的卫星的区分选择和精密测距 ——将编码脉冲调制到伪随机码上（扩频）
    测距码：C/A码，P码
  3. 为了信号的传播 ——将扩频后的编码脉冲对L波段的两个载波进行调制后发射
    载波：L1(1575.42MHZ)，L2(1227.6MHZ)

GPS卫星的基准频率f0：

  • 由卫星上的原子钟直接产生
  • 频率为10.23MHz
  • 卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或者分频

载波：
载波特点：

  • GPS的载波是L波段的微波，具有良好的穿透大气的能力，从卫星的发射天线发出后沿直线传播到达地球表面，发射信号强度为26.8dBw，接收最低信号强度为- 160dBw；
  • 载波的作用是作为传输工具，把搭载于其上的测距码和导航电文从卫星传播到地面；
  • 对于测量型接收机，载波又同时用作为测量信号，接收机对接收到的载波进行相位测量，获得高精度的相位观测值，从而实现厘米乃至毫米级的高精度基线测量。
    频率特点：
  • 所选择的频率有利于测定多普勒频移
  • 所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响
  • 选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟 （电离层折射延迟与信号的频率有关）

2 GPS的测距码信号

码（code）:表达不同信息的二进制数组合。
编码（coding）：将文字，图像、声音等信息， 按照一定规则，表示为二进制数组合的过程。通过编码可以将各种信息转变为相应的文本、栅格图像、矢量图形、音频、视频等具有固定格式， 便于存储、编辑、传播和显示输出的数字信息集合。
一个比特（bit）或一个码元：一位二进制数。
比特率：在信息传播的过程中，每秒传输的比特数。单位bit/s，或者用BPS（Bit Per Second）表示。
比特和比特率都是码的基本单位。

码是一组二进制的数码序列，可以表达成以0和1 为幅度的时间函数。
假设一组码序列u(t)，对某一时刻来说，码元是0 或1完全是随机的，但出现的概率均为1/2。这种码元幅度的取值完全无规律的码序列，称为随机码（Random Noice） 序列（或随机噪声码序列）

  • 不可复制的
  • 非周期性序列
  • 具有良好的自相关性：相关性的好坏，对提高利用GPS 卫星码信号测距精度，极其重要

GPS 采用了一种伪随机噪声码 （ Pseudo Random Noise-PRN）简称伪随机码或伪码，特点是：

  • 具有随机码的良好自相关性，又具有某种确定的编码规则， 是周期性的，容易复制。
  • 伪随机码是由一个“多极反馈移位寄存器”的装置产生的。
  • 移位寄存器由一组连接在一起的存储单元组成，每个存储单元只有0或1两种状态。
  • 移位寄存器的控制脉冲有两个：钟脉冲和置1脉冲。
  • 移位寄存器是在钟脉冲的驱动和置1脉冲的作用下而工作的

GPS卫星所采用的两种测距码，即C/A码和P码（或 Y码），均属于伪随机码。

  • C/A码：是由两个10级反馈移位寄存器组合产生
  • P码产生的原理与C/A码相似，但更复杂。发生电路采用的是两组各由12级反馈移位寄存器构成。

3 GPS卫星的导航电文

导航电文及其格式：
导航电文是包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获P码等导航信息的数据码（或D码）。
导航电文也是二进制码，依规定格式组成，按帧向外播送。每帧电文含有1500比特，播送速度50bit/s，每帧播送时间30s。
每帧导航电文含5个子帧，每个子帧分别含有10个字，每个字30 比特，故每个子帧共300比特，播发时间6s。为记载多达25颗卫星，子帧4、5各含有25页。
子帧1、2、3和子帧4、5的每一页构成一个主帧。主帧中1、2、3 的内容每小时更新一次，4、5的内容仅当给卫星注入新的导航电文后才得以更新。

导航电文的内容：

  1. 遥测字（TLM—Telemetry WORD）
    • 位于每个子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。
  2. 交接字（HOW—Hand Over Word）
    • 紧接各子帧的遥测字，主要向用户提供用于捕获P码的Z记数。所谓Z记数是从每个星期六/星期日子夜零时起算的时间记数，表示下一子帧开始瞬间的GPS时。
  3. 数据块Ⅰ：第一数据块位于第l子帧的第3-10字码, 含有卫星钟改正参数及数据龄期、星期的周数编号、电离层改正参数、和卫星工作状态等信息。
  4. 数据块Ⅱ ：包含在2、3两个子帧里，主要向用户提供有关计算卫星运行位置的信息。该数据一般称为卫星星历。
  5. 数据块Ⅲ ：包含在4、5两个子帧中，主要向用户提供GPS卫星的概略星历及卫星的工作状态信息， 称为卫星的历书。

4 卫星信号的调制与解调

在无线电通信中，为有效地传播信息，一般将频率较低的信号加载到频率较高的载波上，此时频率较低的信号称为调制信号。
GPS卫星的测距码和数据码是采用调相技术调制到载波上，且调制码的幅值只取0或1。如果码值取0， 则对应的码状态取+1；而码值取1时，对应码状态为-1，载波和相应的码状态相乘后，即实现了载波的调制。

GPS接收机——接收GPS卫星发射的信号， 并进行处理和量测，以获取导航电文和必要的观测量
接收机的组成：

接收机的分类：

  • 根据接收机的工作原理
    • 码相关型接收机
    • 平方型接收机
    • 混合型接收机
  • 根据接收机信号通道的类型
    • 多通道接收机
    • 序贯通道接收机
    • 多路复用接收机
  • 根据接收卫星信号频率
    • 单频接收机
    • 双频接收机
  • 根据接收机的用途
    • 导航型
    • 测量型
    • 授时型

第五章 GPS定位的误差源

1 概述

研究误差的目的：提高定位精度；为使用GPS提供一些注意事项；提出精密定位的方法。

误差的定义： 在同一量的各观测值之间，或在各观测值与其理论上的应有值之间存在差异的现象。
分类：误差的来源
从观测过程进行分析：

  • 仪器角度：测量仪器的精密度
  • 观测者角度：观测者感觉器官的鉴别能力
  • 外界条件：温度、湿度、大气折光等

GPS定位中，影响观测量精度的主要误差源

  • 与卫星有关的误差
  • 与信号传播有关的误差
  • 与接收设备有关的误差
    为了便于理解，通常均把各种误差的影响投影到站星距离上，以相应的距离误差表示，称为等效距离误差

误差的分类

  • 与信号传播有关的误差
    • 对流层折射
    • 电离层折射
    • 多路径效应
  • 与卫星有关的误差
    • 星历误差
    • 卫星钟差
    • 相对论效应
  • 与接收机有关的误差
    • 接收机钟差
    • 位置误差
    • 天线相位中心的偏差及变化
    • 各通道间的信号延迟误差
  • 其它误差
    • 地球潮汐

误差的分类（根据误差的性质分类）：

  1. 系统误差：主要包括卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差、以及大气折射的误差等。为了减弱和修正系统误差对观测量的影响，一般根据系统误差产生的原因而采取不同的措施，包括：
    • 引入相应的未知参数，在数据处理中联同其它未知参数一并求解。
    • 建立系统误差模型，对观测量加以修正。
    • 将不同观测站，对相同卫星的同步观测值求差，以减弱和消除系统误差的影响。
    • 简单地忽略某些系统误差的影响。
  2. 偶然误差：包括多路径效应误差和观测误差等。
    • 选用较好的硬件和观测条件
    • 延长观测时间

2 与卫星有关的误差

卫星钟差：
GPS观测量均以精密测时为依据。
GPS定位中，无论码相位观测还是载波相位观测， 都要求卫星钟与接收机钟保持严格同步。
实际上，尽管卫星上设有高精度的原子钟，仍不可避免地存在钟差和漂移，偏差总量约在1 ms内，引起的等效距离误差可达300km。
卫星钟经过改正的残差，在相对定位中，可通过观测量求差（差分） 方法消除。

卫星轨道偏差（星历误差） ：
由于卫星在运动中受多种摄动力的复杂影响，而通过地面监测站又难以可靠地测定这些作用力并掌握其作用规律，因此，卫星轨道误差的估计和处理一般较困难。
卫星的轨道误差是当前GPS定位的重要误差来源之一。
在相对定位中，随着基线长度的增加，卫星轨道误差将成为影响定位精度的主要因素。
处理轨道误差方法：

  • 忽略轨道误差
  • 采用轨道改进法处理观测数据
    • 短弧法
    • 半短弧法
  • 采用精密星历
  • 同步观测值求差

3 与卫星信号传播有关的误差

电离层折射对测距观测值的影响
电离层的改正方法分类：

  • 利用双频观测
  • 利用电离层模型加以改正
  • 利用同步观测值求差

减弱对流层影响的方法：

  • 利用模型改正
  • 利用同步观测值求差
  • 定位要求不高时，忽略不计
  • 引入描述对流层的附加待估参数， 在数据处理中求解

多路径效应（多路径误差）：
接收机天线除直接收到卫星发射的信号外，还可能收到经天线周围地物一次或多次反射的卫星信号。两种信号迭加，将引起测量参考点位置变化，使观测量产生误差。
多路径效应与以下一些因素有关：

  • 卫星、接收机、信号反射体三者间的相对位置
  • 反射信号的强度（信号反射体的反射率）
  • 接收机处理信号的方法

消除多路径效应的方法：

  • 选择合适的站址：远离大面积平静的水面，不宜选在山坡，山谷和盆地，离开高层建筑物
  • 天线：接收机天线的改善（抑径圈和抑径板天线）、数据处理的发展

4 与接受设备有关的误差

观测误差
位置误差
接收机钟差：
应对方法：模型法、参数法、差分法（星间差分）
天线相位中心偏差和变化
不同信号通道间的信号延迟偏差

5 其他误差来源

地球自转的影响
相对论效应

第六章 距离测量与GPS定位

1 测距码测定站星距离

伪距测量：

2 载波相位测量

3 观测值的线性组合

同类型同频率观测值的线性组合：

  • 按差分方式可分为：
    • 站间差分
    • 星间差分
    • 历元间差分
  • 按差分次数可分为：
    • 一次差
    • 二次差
    • 三次差
  • 求差方式：
    • 站间求差（站间差分）：同步观测值在接收机间求差
      特点：消除了卫星钟差影响，削弱了电离层折射影响，削弱了对流层折射影响，削弱了卫星轨道误差的影响
    • 星间求差（星间差分）：同步观测值在卫星间求差
      特点：消除了接收机钟差的影响
    • 历元间求差（历元间差分）：观测值在历元间求差
      特点：消去了整周未知数参数
  • 单差、双差和三差：
    • 单差：站间一次差分
    • 双差：站间、星间各求一次差（共两次差）
    • 三差：站间、星间和历元间各求一次差（三次差）
  • 采用差分观测值的缺陷（求差法的缺陷）：
    • 数据利用率低
    • 引入基线矢量替代了位置矢量
    • 差分观测值间具有了相关性，使处理问题复杂化
    • 某些参数无法求出

同类型不同频率相位观测值的线性组合：

  • 宽巷组合：利于求解模糊度,测量噪声大
  • 窄巷组合：低噪声
  • 无电离层折射的组合

不同类型观测值的线性组合：

  • 不同类型双频观测值间的线性组合
  • 不同类型单频观测值间的线性组合

4 周跳的探测及修复

如果在观测过程接收机保持对卫星信号的连续跟踪 ，则整周模糊度将保持不变，整周计数也将保持连续，但当由于某种原因使接收机无法保持对卫星信号的连续跟踪时，在卫星信号重新被锁定后， 将发生变化，而也不会与前面的值保持连续，这一现象称为整周跳变。
产生原因：

  • 信号被遮挡，导致卫星信号无法被跟踪
  • 仪器故障，导致差频信号无法产生
  • 卫星信号信噪比过低，导致整周计数错误
  • 接收机在高速动态的环境下进行观测，导致接收机无法正确跟踪卫星信号
  • 卫星瞬时故障，无法产生信号

特点：

  • 只影响整周计数 － 周跳为波长的整数倍
  • 将影响从周跳发生时刻（历元）之后的所有观测值

解决方法：

  • 探测与修复：设法找出周跳发生的时间和大小
    • 屏幕扫描法
    • 高次差法的原理（难点）
    • 多项式拟合法
    • 残差法
    • 参数法：将周跳标记出来，引入周跳参数，进行解算

5 整周模糊度的确定

整周未知数解算方法：

  • 伪距法： 将伪距观测值减去载波相位观测值（转换为距离单位）后即可得到整周模糊度。但由于伪距观测值的精度较低，需要较多的整周模糊度取平均值后才能获得正确值。
  • 将整周未知数当做平差中的待定参数——经典方法：将其当作待定未知参数在方程中一起解算，分为整数解和实数解。
  • 按解算时间长短划分：
    • 经典静态相对定位法
      • 取整法
      • 置信区间法
      • 模糊函数法
    • 快速解算法
      • 走走停停法：已知基线法、交换天线法
      • 快速静态定位法：快速模糊度解算法
  • 按接收机状态区分；静态法和动态法。

6 单点定位

GPS测量定位方法分类：

  • 定位模式
    • 绝对定位（单点定位）
    • 相对定位（差分定位）
  • 定位时接收机天线的运动状态
    • 静态定位－天线相对于地固坐标系静止
    • 动态定位－天线相对于地固坐标系运动
  • 获得定位结果的时效
    • 事后定位
    • 实时定位
  • 观测值类型
    • 伪距测量
    • 载波相位测量

单点定位：
定义：单独利用一台接收机确定待定点在地固坐标系中绝对位置的方法
定位结果：与所用星历同属一坐标系的绝对坐标
特点：

  • 优点：一台接收机单独定位，观测简单，可瞬时定位
  • 缺点：精度主要受系统性偏差的影响，定位精度低

应用领域 ：

  • 低精度导航、资源普查、军事、…
  • 全球高精度测量、卫星定轨…

基本原理：空间距离后方交会

DOP值（Dilution of Precision）的性质：DOP值与单点定位时，所观测卫星的数量与分布有关，它所表示的是定位的几何条件，DOP值越小，定位的几何条件越好

单点定位的误差源及应对方法：

  • 卫星星历：精密星历
  • 卫星钟差：精密钟差、地面跟踪
  • 电离层延迟：双频改正
  • 对流层延迟：模型改正

精密单点定位(PPP – Precise Point Positioning) ：指得是利用载波相位观测值以及IGS等组织提供的高精度的卫星星历及卫星钟差来进行高精度单点定位的方法。
特点：

  • 主要观测值为载波相位
  • 采用精密的卫星轨道和钟数据
  • 采用复杂的模型

定位精度：亚分米级
用途：全球高精度测量、卫星定轨

难点：

  • 非差相位的周跳探测 – Blewitt方法
  • 正确处理各项改正
  • 参数的估计方法
  • ZTD的估计方法
  • 定位解算的收敛时间
  • 软件的稳健性、容错性和可靠性

技术特点：单机定位、非差模型、载波相位定位、精度高、不受作用距离限制
优势：不需要架设基准台站；单台接收机实现高精度的静态、动态定位：作业机动灵活、节约用户成本、提高作业效率；直接得到最新ITRF框架的三维地心坐标 (ITRF2005)；获取绝对天顶对流层延迟参数（ZTD）；多系统集成（GPS+GLONASS+Galileo=G3)

7 相对定位

定义：确定进行同步观测的接收机之间相对位置的定位方法，称为相对定位。
定位结果：与所用星历同属一坐标系的基线向量（ 坐标差）及其精度信息，基线向量中含有：2个方位基准（一个水平方法，一个垂直方位）和1个尺度基准，不含有位置基准
特点：

  • 优点：定位精度高
  • 缺点：多台接收共同作业，作业复杂、数据处理复杂、不能直接获取绝对坐标

应用：高精度测量定位及导航
观测方程：非差观测方程、单差观测方程、双差观测方程
各种误差对相对定位结果的影响：

  • 卫星轨道误差 – 削弱
  • 卫星钟差 – 消除
  • 大气折射误差 – 削弱
  • 接收机钟差 – 消除
  • 接收机天线相位中心偏差和变化 – 消除

类型：

  • 静态定位：普通静态定位、快速静态定位（Go and Stop、快速确定整周未知数）
  • 动态定位：动态定位中整周未知数的确定（静态初始化、动态初始化（OTF））、实时动态定位（RTK – Real Time Kinematic）（单基准站RTK、多基准站RTK（网络RTK））

8 差分GPS

定义：在已知精密坐标的参考站上放置GPS接收机接收卫星发射的信号，从而确定卫星数据里面包含了多少误差， 并将这些信息播发出去，其他的接收机在接收GPS信号的同时也接收这些改正信息，从而提高定位的精度
特点：

  • 优点：实时消除误差， 实现精密定位
  • 缺点：需要额外的接收设备

系统的构成：

  • 基准站：具有已知精确的三维坐标，接收卫星信号，计算改正信息，并利用数据链路播发出去
  • 流动站：坐标待定的点，接收卫星信号和改正信息，进行定位
  • 数据链路：建立基准站和流动站之间的通信联系， 将基准站的改正信息向流动站播发

类型：

  1. 根据发送的改正信息
    • 位置差分
    • 伪距差分
    • 载波相位差分
  2. 根据差分的规模
    • 单站差分：基准站作用距离：几十公里
    • 局域差分 （LADGPS – Local Area DGPS）：基准站作用距离：数百公里
    • 广域差分 （WADGPS – Wide Area DGPS）：基准站作用距离：数千公里

其他形式：

  • 增强型的差分系统
  • 连续运行基准站
  • 信标差分

第七章 GPS测量设计与实施

1 GPS测量的技术设计

一、GPS测量的技术设计依据：

  1. GPS测量规范、规程等：全球定位系统（GPS）测量型接收机检定规程 CH 8016-1995、全球定位系统（GPS）测量规范 GB/T 18314-2009、卫星定位城市测量规范 CJJ/T73-2010
  2. 测量任务书(合同)：施测范围、目的、技术指标（精度）
  3. 等级要求：满足工程精度要求，人力、物力、财力等因素

二、GPS控制网的精度、密度设计：

  1. GPS测量精度指标及分类：在国标中GPS测量按精度共分为A、B、C、D、E 五个等级，常用的是B、C、D、E
  2. 相邻点弦长精度指标
  3. GPS控制网的精度、密度设计

三、GPS控制网的基准设计：

  • GPS基线向量——WGS-84坐标系的三维坐标差，明确GPS成果所采用的坐标系统和起算数据
  • GPS控制网的基准设计包括：
    • 方位基准： 可由GPS基线向量共同确定。
    • 尺度基准： 可由地面已知点边长或GPS基线向量确定。
    • 位置基准：为求定GPS点在国家或地方坐标系中的坐标，应联测地方控制地方点，用以坐标变换。

四、GPS控制网图形设计：

  1. 几个概念：
    • 观测时段 observation session ：测站上开始接收卫星信号到观测停止，连续观测的时间间隔，简称时段。
    • 同步观测 simultaneous observation ：两台或两台以上接收机同时对同一组卫星进行的观测。
    • 同步观测环 simultaneous observation loop ：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。
    • 异步观测环 independent observation loop ：由非同步观测获得的基线向量构成的闭合环。
    • 数据剔除率 percentage of data rejection ：同一时段中，删除的观测值个数与获得的观测值总数的比值。
    • 基线向量（Baseline）：对同步观测所采集的数据进行处理，所获得的同步观测测站间的坐标差。
    • 截止高度角（Cut-off Elevation）：接收机观测卫星的高度角限值，低于此限值的卫星不被观测。
    • 重复基线（复测基线）：具有两个时段以上同步观测结果的基线向量。采样间隔（Interval） 接收机连续两个观测历元间的时间间隔。
    • 独立基线（Independent Baseline）：由相互函数独立的差分观测值所确定出的基线向量。当某一时段有m 台接收机进行同步观测时，可得到m-1条独立基线。
  2. 特征条件：对于由N台GPS接收机构成的同步图形中一个时段包含 J＝ N*(N－1)/2； 其中独立边：N－1，其余为非独立边。
  3. 观测时段：S min＝ceil(n ꞏ m/N)

五、GPS控制网的布网形式：跟踪站式、会站式、多基准站式、同步图形扩展式、单基准站（星形网）式

六、调度方案：点连式、边连式、网连式

七、GPS网的技术设计原则：1.在GPS网中不应存在自由基线。2.GPS网的闭合环的基线个数不应过多。 3.GPS网至少应与地面网有3－5个分布均匀的重合点，同时也应有相当数量的地面水准点与GPS网重合。4.GPS点应选在交通便利。视野开阔的地方，同时应考虑点与点之间的通视问题，以便使用经典方法扩展。

2 GPS测量的实施

建立GPS网的三个阶段：

  • 测前：– 项目立项 – 方案设计 – 施工设计 – 测绘资料收集整理 – 仪器检验、检定 – 踏勘、选点、埋石
  • 测中：– 作业队进驻 – 卫星状态预报 – 观测计划制定 – 作业调度及外业观测 – 数据传输、转储、备份 – 基线解算及质量控制
  • 测后：– 网平差（数据处理、分析）及质量控制 – 整理成果、技术总结 – 项目验收

第八章 GPS数据采集与数据处理

1 外业观测

观测工作依据的主要技术指标 - 天线安置 - 开机观测 - 观测记录

2 数据预处理

目的：对原始数据进行编辑、加工整理、分流并产生各种专用信息文件
基本内容：

  • 外业检核
  • 数据传输：将GPS接收机记录的数据传输到电脑或硬盘上。
  • 格式转换：转换成统一的数据文件RINEX文件
  • 数据质量检测：TEQC软件

3 基线解算

单基线解算：
定义：所谓单基线解算，就是在基线解算时不顾及同步观测基线间误差相关性，对每条基线单独进行解算。
特点：单基线解算的算法简单，但由于其解算结果无法反映同步基线间的误差相关的特性，不利于后面的网平差处理，一般只用在普通等级GPS网的测设中。

多基线解算：
定义：与单基线解算不同的是，多基线解算顾及了同步观测基线间的误差相关性，在基线解算时对所有同步观测的独立基线一并解算。
特点：多基线解由于在基线解算时顾及了同步观测基线间的误差相关特性，因此，在理论上是严密的。

基线解算结果的质量评定指标：

  • 单位权方差因子：又称为参考因子，一定程度地反映了观测值质量的优劣
  • 观测值的RMS（均方根误差）：反映了观测值与参数估值间的符合程度，一定程度地反映了观测值质量的优劣，一般认为，RMS越小越好
  • 数据删除率：数据删除率从某一方面反映出了GPS原始观测值的质量。数据删除率越高，说明观测值的质量越差。
  • RATIO：反映了所确定出的整周未知数参数的可靠性 ，这一指标取决于多种因素，既与观测值的质量有关，也与观测条件的好坏有关。
  • RDOP：表明了GPS卫星的状态对相对定位的影响，即取决于观测条件的好坏，它不受观测值质量好坏的影响。
  • 同步环闭合差： 由于同步观测基线间具有一定的内在联系， 从而使得同步环闭合差在理论上应总是为0的，如果同步环闭合差超限，则说明组成同步环的基线中至少存在一条基线向量是错误的，但反过来，如果同步环闭合差没有超限，还不能说明组成同步环的所有基线在质量上均合格。
  • 异步环闭合差： 当异步环闭合差满足限差要求时，则表明组成异步环的基线向量的质量是合格的；当异步环闭合差不满足限差要求时，则表明组成异步环的基线向量中至少有一条基线向量的质量不合格，要确定出哪些基线向量的质量不合格，可以通过多个相邻的异步环或重复基线来进行。
  • 重复基线较差：当重复基线较（互）差满足限差要求时，则表明这些基线向量的质量是合格的；否则，则表明这些基线向量中至少有一条基线向量的质量不合格 ，要确定出哪些基线向量的质量不合格，可以通过多重条件进行。

影响基线解算结果的主要因素及应对方法：

  • 基线解算时所设定的起点坐标不准确：设定较准确的起点坐标，采用同一点或同一点的衍生点起算
  • 少数卫星的观测时间太短，导致这些卫星的整周未知数无法准确确定：剔除观测时间太短的卫星
  • 在整个观测时段里，有个别时间段或个别卫星周跳太多，致使周跳无法完全修复：剔除周跳多的卫星，截去周跳多的时间段
  • 在观测时段内，多路径效应比较严重，观测值的改正数普遍较大：剔除受多路径影响严重的观测值
  • 对流层折射或电离层折射影响太大：模型改正、采用Iono-Free观测值 、无电离层影响组合观测值

4 网平差

  • 无约束平差：GPS网的无约束平差指的是在平差时不引入会造成 GPS网产生由非观测量所引起的变形的外部起算数据。常见的GPS网的无约束平差，一般是在平差时没有起算数据或没有多余的起算数据。
  • 约束平差：GPS网的约束平差指的是平差时所采用的观测值完全是GPS观测值（即GPS基线向量），而且，在平差时引入了使得GPS网产生由非观测量所引起的变形的外部起算数据。
  • 联合平差： GPS网的联合平差指的是平差时所采用的观测值除了 GPS观测值以外，还采用了地面常规观测值，这些地面常规观测值包括边长、方向、角度等观测值等。

第九章 GNSS应用

1 GNSS在大地测量中的应用

应用范畴：

  • 建立和维持高精度三维地心坐标系统
  • 局部大地控制网之间的联测与转换检核与改善常规地面控制网
  • 测量全球性的地球动态参数等地球动力学研究
  • 建立新的地面测量控制网
  • GNSS技术与水准测量和重力测量技术相结合、研究与精化大地水准面
  • 测图控制点加密

2 GNSS在工程测量以及变形监测中的应用

GNSS在普通工程测量中的应用：

  • 工业民用建设设计、施工、放样和峻工测量
  • 各类工程地图的测绘
  • 陆地和海上钻井的定位
  • 地质勘探普查与详查
  • 矿山测量
  • 道路测量
  • 一般隧道测量
  • 城市规划设计测量
  • 港口和河流航道的疏通测量
  • 地籍测量等。

在精密工程测量中的应用：

  • 大型设备的超精密安装放样
  • 大型长隧道、地铁的贯通测量
  • 大型桥梁的定位定向测量
  • 高层建筑物、水坝的形变或沉降监测，滑坡、危岩的灾害监测，沿海大城市地面沉降监测以及大量开采地下资源（如抽取地下水、采油、采矿等）的地区的沉降监测等

3 GNSS在地球动力学以及地震中的应用

陆态网络：
定义：陆态网络以监测地壳运动服务地震预测预报为主， 同时服务于军事测绘保障、大地测量和气象预报， 兼顾科学研究、教育发展、社会减灾和经济建设， 并为其产业化发展打下坚实基础。
陆态网络将建立高时空分辨率、高精度、多尺度和多种卫星定位系统兼容的基础设施，资源通过国家部委向全社会开放。该网络服务于公共安全、国土规划、城乡建设、精准农业、工程测绘、地籍管理、智能交通和物流管理等，同时推动我国卫星导航定位服务系统及产品的研发和应用，形成国家新兴产业，促进国民经济建设。
技术思路：以多种卫星定位系统观测为主，VLBI、SLR和精密重力测量为辅，连续观测与流动观测相结合、局部密集与均匀布设相结合，布设由基准网、区域网和数据系统构成的地壳构造运动监测网络。
建设规模：基准网、区域网、数据系统

4 GNSS在气象中的应用

利用GNSS理论和技术来遥测地球大气，进行气象学的理论和方法研究，如测定大气温度及水汽含量 ，监测气候变化等，叫GNSS气象学（GNSS/MET ）。
根据GNSS/MET观测站的空间分布来分类，可以分为两大类：

  • 地基GNSS气象学
  • 空基GNSS气象学

大气的温度、压力、密度和水汽含量，这些参数值及其变化是气象预报的客观依据。

利用GNSS技术来遥感气象参数的基本原理是:GNSS卫星发送的 GNSS信号穿过大气层里的对流层时，受到对流层折射影响，会产生信号传播时间的延迟，而信号的延迟量平均可达2米左右。
在GNSS定位测量中，通常采用模型改正的方法来消除或削弱对流层时延对定位结果的影响。如果GNSS观测站的位置已精确测定，则可通过对GNSS卫星的观测，反过来推求对流层的延迟量。

5 GNSS在其他领域的应用

GNSS在军事中的应用：

  • 导弹制导
  • 炮兵\战略导航部队阵地定向
  • 舰艇、飞机等导航
  • 单兵导航

GNSS在交通运输中的应用

  • 航运、航空搜索
  • 陆路交通（车辆导航、监控）
  • 船舶远洋导航和进港引水
  • 车载导航系统
  • 动态目标监控
  • 车辆跟踪系统
  • 飞机导航
  • 水路交通

小结部分

Chap1：

  1. GNSS系统组成及各部分的功能作用
    答：GNSS系统由空间部分、地面控制部分、用户部分三大组成部分构成：
  • 空间部分：由卫星星座组成，负责向地面发送定位信号。
  • 地面控制部分：包括跟踪站、控制中心、注入站、海军天文台等，主要负责卫星轨道控制、时间同步与状态监测。
  • 用户部分：GNSS接收设备，接收信号并进行定位、测速和授时计算。
  1. 掌握GNSS测量的优点
    答：GNSS测量具有以下优势：
  • 高精度：可提供米级到毫米级精度；
  • 自动化程度高：减少人工干预；
  • 全天候：不受天气、光照限制；
  • 全球覆盖：不限于本地作业；
  • 作业效率高：快速获取坐标，适合大面积测量；
  • 适应性强：适用于平原、山区、城市等多种地形。
  1. 现今主流GNSS系统的进展以及各自的特色
    答：
  • GPS（美国）：最早建立（1979年起），1995年实现完全运行能力（FOC）；采用CDMA，多数设备兼容，已完成多次现代化升级。
  • GLONASS（俄罗斯）：1996年组网，采用FDMA，存在信号兼容问题，卫星寿命短；现已开展现代化计划并建立新监测站。
  • BDS（中国）：采取“三步走”战略，2020年实现全球服务。提供开放服务和授权服务，具备高安全性和双向通信功能。
  • Galileo（欧盟）：2002年启动，卫星设计更合理，支持SAR搜救、开放与商业服务并重，系统独立性强。

Chap2：

  1. GNSS坐标系、时间系统的定义
    答：
  • 坐标系统：由原点、轴方向和单位尺度构成，是描述地面点或天体位置的数学模型。
  • 时间系统：为准确描述卫星与接收机时刻关系而建立，包含绝对时间（时刻）和相对时间（时间间隔）。
  1. 坐标/时间系统之间的坐标转换
    答：坐标转换考虑岁差、章动、极移等因素，如从协议惯性天球坐标系（CIS）转换到协议地球坐标系（CTS）时需使用时间依赖的转换矩阵。
  2. 天球坐标系、地球坐标系、时间系统的构成和特点
    答：
  • 天球坐标系：描述天体位置。X轴指春分点，Z轴指北天极，赤经α和赤纬δ描述位置。
  • 地球坐标系：与地球固连，描述地面点位置。分为地心和参心两种。常见如CTS、WGS-84等。
  • 时间系统：包括世界时（以地球自转为基础）、原子时（高精度）、协调时UTC（结合两者）和GPS时间（无闰秒）。
  1. 掌握WGS-84 坐标系统的含义，CGCS2000定义及异同
    答：
  • WGS-84：美国制定的地心坐标系统，国际广泛采用，原点为地球质心。
  • CGCS2000（中国大地坐标系统）：我国自建的地心坐标系统，与ITRF2000兼容，精度更适合本国测量。
  • 异同：两者原点、轴定义一致，差异体现在参考椭球参数和实现方式略有不同。
  1. 掌握GNSS坐标系统之间转换关系
    答：如WGS-84与CGCS2000之间可通过平移、旋转、尺度参数进行三维坐标转换。通常使用七参数转换模型。
  2. 从协议天球坐标系转换到协议地球坐标系
    答：需考虑岁差、章动、极移等影响，使用地球自转角和姿态角进行坐标变换，从而将天球系下天体位置投影到地球坐标系中。

Chap3：

  1. 开普勒轨道六参数
    答：
  • a：轨道长半轴
  • e：轨道偏心率
  • i：轨道倾角
  • Ω：升交点赤经
  • ω：近地点角距
  • τ0：过近地点时刻
  1. 无摄运动和受摄运动的含义
    答：
  • 无摄运动：仅受地球中心引力影响的理想运动，也称开普勒运动，用于描述卫星轨道的平均特性。
  • 受摄运动：考虑太阳、月亮、大气、地球非球形等摄动力影响后的真实轨道。
  1. 了解如何计算无摄运动时卫星的真近点角和瞬时位置？
    答：
  • 先通过轨道六参数计算卫星在参考时刻的平均近点角；
  • 然后通过迭代求解开普勒方程，得到偏近点角与真近点角；
  • 最终通过轨道坐标系转换得到空间位置。
  1. GPS卫星星历的分类和特点
    答：
  • 广播星历：由卫星发出，精度较低（约10m），但实时性好，包含轨道根数及摄动改正项；
  • 精密星历：由机构（如IGS）提供，精度达厘米级，包含事后解算的高精度轨道与钟差，可用于高精度定位。
  1. 理解如何计算GPS卫星的坐标？
    答：
  • 广播星历：基于参考历元和轨道参数，解开普勒方程，结合摄动修正得到卫星坐标。
  • 精密星历：直接提供精确时刻的卫星位置，用插值法计算任意时刻位置。

Chap4：

  1. GPS信号的分类
    答：GPS卫星信号分为三种类型：

  • 载波信号：用于信号的传播和高精度相位测量。GPS使用L波段微波，频率为L1 = 1575.42 MHz，L2 = 1227.6 MHz，由原子钟产生的10.23 MHz基频倍频得出。

  • 测距码（伪随机码）：用于测定接收机与卫星之间的传播时间。包括：

    • C/A码（Coarse/Acquisition）：调制在L1上，周期短，便于捕获，供民用；

    • P码（Precise code）：调制在L1和L2上，周期长，军用；

  • 导航电文：调制在C/A码或P码上，包含星历、时间、状态、电离层改正等导航信息。

  1. 了解PRN
    答：PRN码（Pseudo-Random Noise）是伪随机码，它具备类似随机噪声的自相关性和可控性：
  • 由“多级反馈移位寄存器”产生；
  • 每颗GPS卫星使用不同的PRN码，便于识别；
  • C/A码由两个10级寄存器生成，周期1ms；
  • P码由两个12级寄存器生成，周期长达7天，后加密为Y码。
  1. 导航电文的格式和内容
    答：导航电文是GPS信号中的主要数据部分，调制在L1信号上：
  • 传输速率：50 bit/s
  • 一帧导航电文：1500比特，分为5个子帧，每帧持续30秒；
  • 子帧结构：
    • 子帧1：卫星钟参数、健康信息、电离层数据；
    • 子帧2、3：广播星历；
    • 子帧4、5：包含25页数据，包含其他卫星的历书、系统信息等。
  1. 了解信号的调制和解调
    答：调制是将数据码或测距码调制到高频载波上，GPS采用二进制相位调制（BPSK）：
  • 码值为0表示 +1，码值为1表示 −1；
  • 将其与载波信号相乘，实现调制；
  • 接收机通过解调过程从接收信号中恢复原始码与导航电文。
  1. GPS接收机的分类、工作原理和基本构成
    答：
  • 分类：
    • 按工作原理：码相关型、平方型、混合型；
    • 按信号通道数：多通道、序贯通道；
    • 按频率：单频、双频；
    • 按用途：导航型、测量型、授时型。
  • 工作原理：接收机接收载波信号，通过相关检测解码伪距和电文，再进行定位解算。
  • 基本构成：天线、前端接收模块、信号处理器、控制处理单元、数据输出接口等。

Chap5：

  1. 掌握定位误差源分类及其消除方法
    • 对流层折射误差
    • 电离层折射误差
    • 多路径传播效应
    • 卫星钟差
      答：
      一）与信号传播有关的误差：
  • 对流层折射误差：电磁波在对流层折射导致传播速度减慢；
    • 消除：模型改正（如Hopfield模型）、差分法、估算附加参数；
  • 电离层折射误差：电离层中的自由电子影响信号传播；
    • 消除：双频观测（L1/L2）、使用电离层模型、同步差分法；
  • 多路径效应：信号被反射后进入接收机，叠加误差；
    • 消除：选择开阔环境、使用抑径天线、后处理滤波。
      二）与卫星有关的误差：
  • 星历误差：卫星轨道数据不准确；
    • 消除：使用精密星历、差分观测；
  • 卫星钟差：尽管卫星有原子钟，但仍有偏差；
    • 消除：星历提供钟差改正项，或通过站间差分消除；
  • 相对论效应：由于卫星高速运动和高空位置，时间存在相对论性偏差；
    • 已在星历计算中加以考虑。
      三）与接收设备有关的误差：
  • 接收机钟差：接收机内部钟不如卫星精确；
    • 消除：联合解算中作为未知量估计，或站间差分消除；
  • 天线相位中心偏差：天线不同方向接收信号路径不同；
    • 使用天线模型进行改正；
  • 不同通道延迟误差：多通道接收信号延迟不一致；
    • 通过硬件标定或软件修正。

Chap6：

  1. 伪距测量原理
    答：GPS通过测量信号从卫星到接收机传播的时间，再乘以光速，得到“伪”距离。因钟差、折射等存在偏差，所以称“伪距”。
  2. 载波相位测量原理
    答：接收机记录到载波相位变化，可达毫米级精度。其观测值为整数个波长加上小数部分，需解算整周模糊度。
  3. 观测相伪距测量线性组合的几种形式、特点
    答：
  • 同频同类型组合：站间差（消卫星钟差）、星间差（消接收机钟差）、历元差（消模糊度）；
  • 频率不同组合：宽巷组合（易解模糊度，噪声大）、窄巷组合（噪声小）、无电离层组合。
  1. 单差、双差、三差的含义、作用
    答：
  • 单差：站间一次差分，消除卫星钟差；
  • 双差：站间+星间各一次差分，消除接收机钟差；
  • 三差：再加上历元间差，消除模糊度。
  1. 整周跳变的概念
    答：当接收机中断卫星信号跟踪时，模糊度会突然变化一个波长的整数倍，影响后续观测值。
  2. 整周未知数的概念
    答：是指载波观测中整周波数，是载波相位定位中最关键的参数之一，必须解算为整数。
  3. 理解实数解和整数解含义
    答：模糊度解可以是实数（初步解算）或整数（提高精度所需的最终解），需要进行固定处理。
  4. 了解高次差法进行整周跳变的探测和修复方法
    答：通过三差或高次差分分析相邻历元变化，识别突变，判定周跳位置和大小。
  5. 了解几种整周未知数的确定方法
    答：伪距法（通过载波与伪距差确定）、经典平差法（模糊函数法、置信区间法等）。
  6. 单点定位的原理
    答：通过一台接收机测量至少4颗卫星的伪距，解算出三维坐标和接收机钟差。
  7. DOP的概念与含义
    答：DOP（Dilution of Precision）为几何精度因子，反映卫星几何分布对定位误差的放大效应，值越小，定位精度越好。
  8. 精密单点定位（PPP）
    答：PPP是基于单接收机、精密星历和载波相位进行高精度定位的方法。精度高，支持全球作业，收敛时间长，适用于科学测量和工程监测。
  9. 相对定位方法概念
    答：利用两台及以上接收机同时观测同一颗或多颗卫星，通过求差消除钟差等误差，提高定位精度。
  10. 相对定位的类型
    答：包括静态相对定位、快速静态、动态定位、RTK、网络RTK等。
  11. 单基准站差分、局域差分、广域差分的区别及优缺点？
    答：
  • 单基准站：数十公里内有效，设备简单；
  • 局域差分（LADGPS）：百公里级，需多个站；
  • 广域差分（WADGPS）：上千公里，覆盖面广，依赖空间段。
  1. 什么是CORS？它有哪些优势？
    答：CORS（Continuously Operating Reference Stations）是一种连续运行的GNSS基准站网络。
    优势：提供稳定改正服务、支持RTK和PPP、精度高、覆盖广、作业自动化程度高。

Chap7：

  1. GPS控制网的布网形式
    答：
  • 星形网：以一个基准点向外扩展；
  • 会站式：各测站集中观测；
  • 跟踪站式：类似连续运行站；
  • 同步图形扩展式、多基准站式：提高网精度与冗余度。
  1. 计算题：设GPS控制网有50个测站点，每点平均测站3次，4台GPS接收机，请求出观测时段数、总基线数、独立基线数、必要基线数和多余基线数
    答：观测时段数：Smin = ceil(n m / N) = ceil(50 3 / 4) = 38
    总基线数：J总 = S N (N - 1) / 2 = 38 4 3 / 2 = 228
    必要基线数：J必 = n - 1 = 50 - 1 = 49
    独立基线数：J独 = S (N - 1) = 114
    多余基线数：J多 = S     (N - 1) - (n - 1) = 65

Chap8：

  1. 外业观测的注意事项
    答：选择良好观测环境（空旷、无遮挡）、天线垂直安装、记录天气和设备信息、满足观测时长和卫星数量要求。
  2. 数据预处理如何进行？
    答：包括数据下载、RINEX格式转换、数据检查（如周跳检测）、文件归类与备份。
  3. 基线解算结果的质量评定指标
    答：包括单位权方差、RMS值、RATIO值、RDOP、同步/异步闭合差、重复基线较差等，综合评估解算可靠性与观测数据质量。

Chap9：

  1. GNSS在大地测量领域中的应用
    答：用于建立和维护地心三维坐标系、联测常规控制网、研究地球动态参数、确定大地水准面等。
  2. GNSS在工程测量以及变形监测中的应用
    答：服务于隧道施工、矿山测量、建筑物变形监测、水坝监测、港口航道测量等。
  3. GNSS在地球动力学以及地震中的应用
    答：构建“陆态网络”监测地壳运动，服务地震预测、科学研究与减灾。
  4. GNSS在气象中的应用
    答：形成GNSS气象学，通过分析对流层延迟推求大气湿度、水汽含量，用于气象预报和气候变化研究。