GPS卫星定位技术与应用

GPS 卫星定位技术与应用 第一章第一章 绪论绪论 一 基本概念一 基本概念 1 卫星导航定位及基本作用 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 优点 经济 快速 精度均匀 不受天气和时间限制 可以全天候作业 原理 1 通过卫星进行距离交会是 GPS 系统的基础 2 接收机通过测定信号传播时间来测定卫星与接收机之间的距离 3 为了测定信号的传播时间 GPS 需要有高精度的钟 4 要进行定位 用户除了要知道卫星的距离外 还需要知道卫星的位置 5 GPS 信号穿过地球的电离层和对流层时 会产生信号延迟 2 卫星导航 通常指运载工具的实时动态定位 即三维位置 速度和包括航向偏转 纵向摇摆 横向摇摆三个角度的姿态的确定 3 基本作用 向各类用户和运动平台实时提供准确 连续的位置 速度和时间信息 目前的卫星导航系统 GPS GLONASS GALILEO BDS 4W 时空信息 when where what object what change 4A 服务目标 anyone anything anytime anywhere 4 卫星三角测量 由地面上的测站拍摄卫星的瞬时位置测定地面点的坐标 2 卫星定位的基本观测量 距离 距离差 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 BDS 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 二 全球定位系统 二 全球定位系统 GPSGPS 1 功能特点 导航 定位 授时 1 采用距离定位方式 进行测距空间交会定点 2 提供精密的全天候的位置 速度和时间信息 3 能够进行连续的 实时的三维定位 2 卫星导航定位应用 1 在测量学中的主要应用 大地测量 地球动力学研究 测量控制网联测 航空遥感 测量 地形测量 地籍测量 土地资源调查测量 海洋测量 精密工程测量 工程 变形监测等 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 4 在海陆空的应用 1 卫星导航定位陆地应用 国家 区域 工程等大地测量控制网测设 工程建设的 施工放样测量 土建工程的实时监控 大型建筑和油气 田的沉降监测 地球板块运动状态和地壳形变测量 陆 地 海洋大地测量基准的测定 精细农业监测 2 卫星导航定位海洋应用 海底大地测量控制网的布测 海底地形的精细测量 浮 标抛设和暗礁爆破等海洋工程的精确定位 水文测量 验潮网的测设 海洋油气平台的就位和复位测定 海底 沉船位置的精确探测 海底管道敷设测量 远洋船舶最 佳航线测定 在途航行实时调度和监测 内河船只的实 时调度和自主导航测量 3 卫星导航定位航空 航天应用 航空应用 民航飞机的在途自主导航 飞机精密着陆 摄影和遥感飞机的七维状态参数和三维姿态参数测量 飞机空中加油控制 机群编队飞行的安全保护 航空援 救的探寻和定点测量 机载地球物理勘探 飞机探测灾 区大小和标定测量 航天应用 低轨通讯卫星群的实时轨道测量 卫星入轨 和卫星回收的实时点位测量 载人航天器在轨防护探测 星载 GPS 的遮掩天体大小和大气参数测量 对地观测 卫星的七维状态参数和三维姿态参数测量 3 GPS 组成 1 空间星座部分 GPS 卫星网 21 3 颗卫星 2 地面监控部分 地面监控系统 主控站 1 注入站 3 监控站 5 3 用户设备部分 GPS 信号接收机 4 GNSS 常规的 主要的应用技术 DGPS 技术 静态相对定位技术 RTK 技术 实时动态差分技术 PPP 技术 GPS 精密单点定位测量技术 FKP VRS MAC 技术 多基站 网络 RTK 定位技术 ITS 技术 智能交通技术 STGPS 技术 超站式集成测绘系统 5 GNSS 技术的 四多 特性 多领域 多模式 多用途 多机型 三 中国的三 中国的 GPS 技术发展技术发展 1 中国卫星导航技术应用 1 通讯 通信行业用 GNSS 进行时间同步测控 2 电力 有线电视 城市地下管道采用 GNSS 布设线路 3 交通 运输部门用 GNSS 等相关集成技术营建 ITS 系统和监控系统 4 公安 银行 医疗 消防等用 GNSS 营建紧急救援或报警系统 5 汽车 船舶 飞机等用 GNSS 导航定位 6 GIS 数据提供商用 GNSS 采集地理信息相关数据 并提供位置信息相关服务 LBS 7 广播电视行业用 GNSS 与罗盘制造卫星电视定向接收天线 8 电子商务领域 GNNS 甚至应用于 CRM 客户管理和物流配送体系 9 数字城市 智慧城市广泛采用 GNSS 系统 2 我国卫星定位产业四个重点发展方向 1 单一 GPS 接收机将向多星座兼容接收机发展 高精度定位向综合服务技术迅速发展 2 卫星导航在智能交通的应用迅速发展 以车载导航为核心的移动目标监控 管理与 服务市场 3 以差分定位技术为核心的差分网建设 网络差分技术迅速发展 4 以个性化移动信息终端为核心的移动导航产品市场 个人位置服务将成为卫星导航 应用新领域 第二章第二章 卫星大地测量基础卫星大地测量基础 一 卫星大地测量及技术一 卫星大地测量及技术 1 卫星大地测量学 研究利用人造地球卫星解决大地测量学问题 利用空间技术手段进 行区域或全球大地测量的学科 2 卫星大地测量学的技术 1 卫星地面跟踪观测技术 2 卫星对地观测技术 3 卫星对卫星观测技术 3 几种现代卫量测量技术 1 VLBI 甚长基线干涉测量 2 GPS 全球定位系统 3 SLR 卫星激光测距 4 SA 卫星雷达测高 二 坐标系统二 坐标系统 1 天球坐标系 与地球自转无关 用于描述卫星的位置和状态的坐标系 1 章动 岁差 原因 日 月 地球与其他星体的相对运动 地球内部质量分布的不均匀 岁差 地球差异旋转产生的回归年与恒星年的时间差 1 日月岁差 由于日月引力作用而引起的地球自转轴绕黄道的垂直轴旋转的一 种长期运动 50 371 年 周期约为 25800 年 2 行星岁差 由于行星引力对地球绕日运动轨道的摄动而引起的变化 0 134 年周期约为 100 万年 3 总岁差 赤道与黄道由于日月岁差和行星岁差引起的缓慢运动 章动 地球在公转轨道上左右摇摆的周期运动 2 三种天球坐标系 1 瞬时真天球坐标系 由瞬时真天极 瞬时真赤道面和瞬时真春分点所定义的 天球坐标系 2 瞬时平天球坐标系 由瞬时平天极 瞬时平赤道面和瞬时平春分点所定义的 天球坐标系 3 协议天球坐标系 相应于某一确定时刻为标准历元的一种特定的天球坐标系 2 地球坐标系 随地球自转 用于表示地球观测站的空间位置的坐标系 1 极移 由于地球体内复杂的运动而引起自转轴相对于表面不断变动的现象 2 两种地球坐标系 1 瞬时地球坐标系 准地固坐标系 固联在地球上 以地球质心为原点 Z 轴 指向瞬时地北极 X 轴指向瞬时真赤道与格林威治平子午 线交点方向 构成右手坐标系 以确定 Y 轴方向 2 协议地球坐标系 地固坐标系 固联在地球上 以地球质心为原点 Z 轴指 向国际协议原点 CIO X 轴指向协议赤道与格林威治平 子午线交点方向 构成右手坐标系 以确定 Y 轴方向 3 协议地球坐标系 1 CTS 84 坐标系 协议地球坐标系 由一组具有已知的精确地心坐标的台站所具体体 现的 2 WGS 84 坐标系 固联在地球上 以地球质心为原点 Z 轴指向 BIH 系统所定义的 协议地极 CTP 的方向 X 轴指向 BIH1984 0 的零度子午面与 CTP 赤道的交点方向 构成右手坐标系 以确定 Y 轴方向 椭球基本大地参数 书 P31 椭球几何参数 长长 三 卫星大地测量中的时间系统三 卫星大地测量中的时间系统 1 世界时 UT 以平子夜为零时起算的平太阳时 以地球自转运动来计量 2 原子时 AT 以稳定度很高的原子能级跃迁的频率作为标准的时间 3 协调世界时 UTC 是一种介于原子时和世界时之间的标准时间的服务方法 定义接近世界时的折中时间系统 秒长采用原子钟进行控 制 4 力学时 DT 人造地球卫星动力学中所要求的时间系统 其基本单位采用国 际秒制 与原子时的尺度相一致 5 GPS 时间 GPST GPS 时属于原子时系统 由 GPS 主控站的原子钟控制 GP S 时与协调世界时 UTC 在 1980 年 1 月 6 日 0 时相一致 其后随着时间成整倍数积累 至 1987 年该差值 4S 四 卫星运动 四 卫星运动 了解了解 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 第三章第三章 GPSGPS 定位系统信号和接收机的基本工作原理定位系统信号和接收机的基本工作原理 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 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 伪距 接收机到 GPS 卫星之间的距离 码 表达信息的二进制数及其组合 卫星信号的调制分为二级调制 第一级是导航电文调制到测距随机码 采用二进制编 码序列 模二和 算法 调制结果是把数据码 导航电 文 从 50Hz 扩展到 1 023MHz 对于 C A 码 从而在接 收信号时 采用 CDMA 原理 可提高获取数据码的信 什么时候开始 从何处 1432 4 2 0 5 6378137 3 986005 10 4 8416685 10 7 292115 10 am GMms c rad s 噪比 第二级是测距码调制到载波 采用二进制信号 波形 相乘 的算法 将导航电文与测距码合成后的二进制 码调制到载波上 实现了第二次扩频 把测距码 C A 从 1 023MHz 扩展到 1575 42MHz L1 在接 收机接收 GPS 信号时 根据 CDMA 原理 可以提高 C A 码的信噪比 一 伪随机码 由二进制码组成的伪随机序列 由一 伪随机码 由二进制码组成的伪随机序列 由 多级反馈移位寄存器多级反馈移位寄存器 产生 产生 伪随机序列 具有非随机序列自相关特性的有周期性的二进制序列 1 C A 码 粗码 用于分址 搜捕卫星信号 粗测距 具有一定抗干扰能力 并提供民 用的明码 2 P 码 精码 用于分址 通过 C A 码获取卫星信号 精密测距 具有较强抗干扰能力 提供特许用户使用的受控密码 3 GPS 卫星信号构成 载波信号 测距信号 导航信号 GPS 定位系统通常采用两种伪随机码 C A 码和 P 码 GPSGPS测距码测距码 P P L1L1 伪随机码伪随机码 L L 二 导航电文 二 导航电文 D 码 码 1 导航电文 1 组成 卫星星历 卫星工作状态 时间系统 卫星钟偏差校正参数 轨 道摄动改正参数 大气折射改正参数 遥测码 交换信息等 2 格式 组成数据帧 按帧向外播发 由 25 帧组成 播发时间 12 5min 播发速度 50bit s 1 帧 5 子帧 1 子帧 10 字 1 字 30bit 1bit 需 0 02s 25 1500bit 帧 25 5 300bit 子帧 2 导航电文内容 1 遥测码 TLM 用于指导用户是否可选用卫星 2 转换码 HOW 用于辅助用户转换 C A 码至 P 码 3 第一数据块 DATA1 4 第二数据块 DATA2 5 第三数据块 DATA3 3 卫星星历 用于确定卫星瞬间位置的信息 可以分为三类 1 卫星历书 Almanac 精度 数 km 2 广播星历 Broadcast Ephemeris 精度 1m 也叫预报星历 是指相对参考历 元的外推星历 3 精密星历 Precise Ephemeris 精度 5 20cm 精密星历是不含外推误差的 实测后处理星历 卫星轨道参数 六个开普勒元素 轨轨道道长长半半轴轴 轨轨道道偏偏心心率率 升升交交点点赤赤经经 卫卫星星轨轨道道倾倾角角 近近升升角角距距 真真近近点点角角 s f w i e a 轨轨道道椭椭圆圆形形状状参参数数 轨轨道道相相对对定定向向参参数数 轨轨道道椭椭圆圆定定向向参参数数 卫卫星星瞬瞬时时位位置置参参数数 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 3 电源 四五六七为重点 第四章第四章 GPS 定位的基本观测量及误差分析定位的基本观测量及误差分析 一 一 GPS 定位基本原理 定位基本原理 c c t t 二 二 GPS 定位基本观测量定位基本观测量 码码 载载 C A L1 原原 1 码相位伪距测量 将伪码发生器产生的与卫星信号结构完全相同的码经过延时器 延时同本机复制码进行相关处理 得到卫星信号延迟传播时间 t 从而获得伪距 c t 测量原理 c t 基基准准信信号号 f0 10 23MHZ C A码码 f1 0 1f0 1 023MHZ 码码元元宽宽 293 1m P码码 f2 f0 10 23MHZ 码码元元宽宽 29 3m 利用测距码测距的必要条件 必须了解测距码的结构 利用测距码进行测距的优点 采用的是 CDMA 码分多址 技术 易于捕获微弱的卫星信号 可提高测距精度 便于对系统进行控制和管理 如 AS 2 载波相位测量 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 获得高精度的载波相位观测值 从而实 现厘米乃至毫米级的高精度基线测量 测量原理 基基准准信信号号 f0 10 23MHZ L1载载波波 f1 154f0 1575 42MHZ 1 19 03cm L2载载波波 f2 120f0 1227 60MHZ 2 24 42cm 整周模糊度 载波相位观测值小数部分精确可知 整周 整数 不知 周跳 在跟踪卫星过程中 由于信号被障碍物挡住而暂时中断或受无线电信号干扰 而造成信号失锁 发生周跳现象 要解决的问题 1 载波重建技术 重建载波 将非连续的载波信号恢复成连续的载 波信号 2 整周未知数解算 3 周跳判断 修复 三 三 GPS 数据观测值格式数据观测值格式 1 GPS 观测值形式 C A 码伪距 L1 1 P 码伪距 L1 L2 2 载波相位 L1 L2 3 多普勒频移 L1 L2 4 2 GPS 数据观测值格式 1 本机格式 接收机存储数据的格式 2 RINEX 格式 统一格式 与接收机无关的数据交换格式 3 SP3 格式 精密星历格式 IGS 精密星历采用此格式 四 四 GPS 误差来源误差来源 与与GPSGPS 与信号传播有关的误差与信号传播有关的误差 观测误差和接收设备误差观测误差和接收设备误差 GPSGPS 卫星钟差卫星钟差 电离层电离层 测站点选择和安置 相位中心 测站点选择和安置 相位中心 1 与卫星有关的误差 1 卫星钟差 卫星时钟不稳定 偏差 漂移和漂移速率 总量可达 1 ms 钟差为 1 ms 等效距离为 300 km 由 GPS 主控站测 0 a 1 a 2 a 定 卫星钟差 卫星钟在参考历元的钟差 t 0 a 0 t 卫星钟的钟速 卫星钟的钟速变化率 1 a 2 a 通过钟差改正后可达到 偏差 20 ns 等效距离为 6m 卫星钟残差部分通过观测值差分技术来消除 多普勒频移 由于卫星和接收机之间的相对运动 接收到的载波频率发生变化 反映了卫星和接收 机的相对运动速度 卫星速度已知 利用多普勒 频移观测值可以求得接收机的瞬时运动速度 2 01020 s t aa tta tt 2 卫星星历误差 卫星位置误差 由卫星星历给出的卫星轨道与实际的卫星轨道误 差 广播星历 短基线相对定位 精密星历 长基线 高精度定位 3 地球自转影响 采用 WGS 84 协议地球坐标系 地球自转引起时间延迟 进而引起为行为之变化 4 相对论效应影响 卫星钟比地面钟快 2 信号传播误差 1 电离层折射影响 电离层含有较高密度的电子 当 GPS 信号通过电离层时 信号的 路径会发生弯曲 传播速度也会发生变化 延迟影响因素 与传播路径上的电子总量有关 与传播到 GPS 天线的方位有关 常用的电离层改正模型 本特 Bent 模型 国际参考电离层 IRI 模型 克罗 布歇 Klobuchar 模型 2 对流层折射影响 对流层与地面接触并从地面得到辐射热能 其温度随高度的上升 而降低 GPS 信号通过对流层时 使传播的路径发生弯曲 从而 使测量距离产生偏差 电磁波在对流层中的传播速度与频率无关 与大气折射率有关和电磁波传播方向有 关 对流层大气折射率与大气压力 温度和密度有关 分成两部分讨论 干分量 湿分 量 干分量与大气温度和压力有关 湿分量与大气温度和湿度有关 常用的对流层改正模型 霍普菲尔德 Hopfield 模型 萨斯塔莫宁 Sastamoinen 模型 勃兰克 Black 模型 3 多路径效应 由于接收机周围高大建筑物或水面对电磁波产生的反射作用而引起的 定位误差 金属材料 水面等反射较强 多路径效应对 GPS 定位的影响可以达到分米级 减小多路径效应的方法 1 天线安置尽量避开强反射物 2 选用防多路径效应的天线 3 观测误差和接收设备误差 1 观测误差 1 与观测分辨率有关 2 与天线安置精度有关 2 接收机钟差 采用石英晶体振荡器 解决方法 1 单点定位 钟差作为未知数在观测方程中求解 2 载波相位定位 对观测值求差有效地消除接收机钟差 3 高精度定位 使用外接频标 为接收机提供高精度时间标准 3 天线相位中心偏差 天线相位中心的瞬时位置与几何中心的偏差 第五章第五章 GPS 定位的基本原理和方法定位的基本原理和方法 GPS 测量定位分类 1 按定位状态 静态定位 动态定位 2 按时效 实时定位 事后定位 3 按定位模式 绝对定位 单点定位 相对定位 差分定位 4 按确定整周模糊度的解算方法及观测时段的长短 常规静态定位 快速静态定 位 5 按定位采用的观测值 伪距测量 伪距法定位 载波相位测量 44434241 34333231 24232221 14131211 qqqq qqqq qqqq qqqq qQ ij 绝绝 事事 静静 静静 定定 相相 差差 绝对定位 采用单台 GPS 接收机独立作业进行定位 也称单点定位 直接确定信息 事件 和目标相对于参考坐标系统的坐标位置测量 相对定位 采用两台或两台以上 GPS 接收机联合作业确定相对位置的定位 确定信息 事 件和目标相对于坐标系统内另一已知或相关的信息 事件和目标的坐标位置关 系 差分定位 基于已知基准站 信标台 空基增强系统 SBAS 卫星播发差分改正信号的定位方式 GPS 基本观测量 1 码伪距定位 主要用于单点定位 伪距差分定位 2 载波相位定位 主要进行相对定位 载波差分定位 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 乘光速所得到的量测距 离 c t 伪距观测值 C A码码 f1 0 1f0 1 023MHZ 相相当当于于 1 293 1m P 码码 f2 f0 10 23MHZ 相相当当于于 2 29 3m 卫星钟差及接收机钟差 定位要求 接收机钟和卫星钟要严格同步 且保持频标稳定 而实际上无法满足以上要求 存在钟差 钟差 某时刻 i 钟面时与 GPS 标准时 GPST 之差 接收机钟差 卫星钟差 iii kkk ttT iii jjj ttT 卫星钟差改正 2 01020 iii jjj taa Tta Tt 测量原理 0 iiiiiii kjkjkjkjiontrop k j ic TTc Tc ttctt 原始观测值 0 iiii kjkjiontrop k j ic ttk j ictt 经过导航电文改正后观测值 0 ii jiontropk k j ik j ic tk j ic t 2 瞬时绝对定位精度 2 0 DmQ 222 j k j k j k zzyyxx tropion Ttc 0 3 精度因子 DOP PDOP 与空间几何结构有关 VDOP HDOP TDOP 与钟差测定精 度有关 GDOP PDOP 表示空间位置精度因子 TDOP 表示钟差精度因子 GDOP 表示空间位置误差和时间误差综合影响 1 空间位置精度因子 PDOP 112233 qqq 222 HDOPVDOPPDOP 平面位置精度因子 HDOP 大地高精度因子 VDOP 1122 qq 33 q 2 时钟差精度因子 TDOP 44 q 3 测站定位几何精度因子 GDOP 11223344 qqqq 222 GDOPPDOPTDOP 二 载波相位测量二 载波相位测量 1 瞬时载波相位差 某一指定时刻接收机产生的参考载波信号与此时接收到的卫星载波 信号的相位之差 2 初始历元整周模糊度 从历元 1 到任一历元 i 由接收机获得的相位观测值中的 整周数均与其正确值相差同一个整数 该值称作初始历元整周模 糊度 初始历元整周待定值 0 1N k j 整周模糊度个数 对于 L1 和 L2 载波来说 1 1 个测站同时观测颗卫星 则有个整周模糊度 j n j n 2 个测站同时观测颗卫星 则有个整周模糊度 k n j n kj nn 载波信号等价的传播时间 发射时刻 卫星 接收时刻 接收机 ii jj tT ii kk tT 瞬时传播时间 iiiiii kjkjkkj tTTttT iii jjj Ttt 实际时间观测值 iiii tttt kjkjiontrop 3 载波相位定位 联立求解多个历元 多颗卫星以及多个测站的观测方程 可以实现载波相位绝对定 位 优点 抗干扰性能好 定位精度高 用于精密定位 要解决的问题 载波重建技术 整周模糊度解算 周跳探测与修复 三 三 GPS 相对定位相对定位 1 相对定位方式 GPS 相对定位 差分 GPS 定位 利用两台以上的 GPS 接收机 分别安置在若干基线的两端 通过同步观测 GPS 卫 星 以确定多条基线端点的相对位置或基线向量 目的 消除和减弱 1 卫星轨道误差 2 卫星钟差 3 接收机钟差 4 电离层误差 5 对流层误差 折射误差 2 载波相对定位常用方法 1 GPS 静态相对定位 两台 GPS 接收机分别安置在两个不同的点上 同步观测卫星 载波信号 利用载波相位差分观测值 消除多种误差的影响 获得两点间高精度的 GPS 基线向量 2 GPS 准动态相对定位 静态安置两台 GPS 接收机 利用起始基线向量确定初始整周 模糊度 然后一台 GPS 接收机在周围的观测站流动 并且 在每一观测站上静态进行观测 停留数分钟 以确定流动 站与基准站之间的相对位置 3 GPS 动态相对定位 用一台 GPS 接收机安置在基准站上固定不动 另一台接收机安 设在运动载体上 同步观测卫星载波信号 利用载波相位差分 观测值 消除多种误差的影响 以确定运动点相对于基准点的 实时位置 四 载波差分四 载波差分 GPS 定位定位 1 差分 GPS 产生的诱因 绝对定位精度不能满足要求 影响绝对定位精度的主要误差 1 卫星轨道误差 2 卫星钟差 3 大气延迟 对流层延迟 对流层延迟 4 多路径效应 差分 GPS 利用设置在坐标已知的点 基准站 上的 GPS 接收机测定 GPS 测量定位误 差 用以提高在一定范围内其它 GPS 接收机 流动站 测量定位精度的方法 2 差分 GPS 的基本原理 1 误差的空间相关性 各类误差中除多路径效应均具有较强的空间相关性 从而定位 结果也有一定的空间相关性 2 差分 GPS 原理 利用基准站测定具有空间相关性的误差或其对测量定位结果的影 响 供流动站改正其观测值或定位结果 3 差分改正模式 1 距离改正数 利用基准站坐标和卫星星历可计算出站星间的计算距离 计算距离 减去观测距离即为距离改正数 2 位置改正数 坐标改正数 基准站对 GPS 卫星进行观测 确定出测站的观测坐 标 与已知坐标之差即为位置的改正数 4 差分 GPS 分类 1 根据时效性 实时差分 事后差分 2 根据观测值类型 码伪距差分 载波相位差分 3 根据差分改正数 位置差分 坐标差分 距离差分 4 根据工作原理和差分模型 单基准站差分 多基准站差分 局域 差分 广域差分 5 差分模式 1 位置差分特点 差分改正计算的数学模型简单 差分数据的数据量少 基准站与流动站要求观测完全相同的一组卫星 2 距离差分特点 差分改正计算的数学模型较复杂 差分数据的数据量较多 基准站与流动站不要求观测完全相同的一组卫星 3 单基准站局域差分 结构 一个基准站 数据通讯链和用户 数学模型 差分改正数的计算方法 提供距离改正和距离改正的变率 优点 结构 模型简单 缺点 差分范围小 精度随距基准站距离的增加而下降 可靠性低 4 多基准站局域差分 结构 多个基准站 数据通讯链和用户 数学模型 差分改正数的计算方法 加权平均 偏导数法 最小方差 法 优点 差分精度高 可靠性高 差分范围增大 缺点 差分范围仍然有限 模型不完善 5 广域差分 结构 多个基准站 数据通讯链和用户 数学模型 差分改正数的计算方法 1 对各项误差加以分离 建立 各自的改正模型 2 用户根据 自身的位置 对观测值进行改正 优点 差分精度高 差分精度与距离无关 差分范围大 缺点 系统结构复杂 建设费用高 五 五 GPS 观测值的线性组合观测值的线性组合 观测值类型 码伪距 载波相位 1 同类型同频率观测值的线性组合 主要目的 消除卫星钟差 接收机钟差和整周模糊度等未知数 GPS 观测三要素 测站 卫星 观测历元 相位差分的不同只取决于求差的要素和求差次数 但与求差顺序无关 1 一次差分观测值 SD 1 星际一次差分观测值 12 k ji 由测站 k 在历元 i 对不同卫星 的相位差观测值求差 n j 测站 k 历元 i N 颗卫星 有 N 1 个不相关的一次差分观测值 n j 特点 可以消除或减弱接收机钟差 可以抵消部分大气折射影响 电离层 对流层 但不能完全消除 不能减弱卫星钟差的影响 2 历元间一次差分观测值 12 k j i 在测站 k 对某一卫星 j 的两相邻历元 的相位差观测值求差 n i 特点 可以消除初始历元整周待定值 初始历元整周模糊度 可以抵消大部分大气折射影响 电离层 对流层 但不能完全消除 可以消除共同的钟差偏差 卫星钟 接收机钟 且钟速变化影响较小 3 站际一次差分观测值 12 kj i 由不同测站 在同一历元 i 对同一卫星 j 的相位差观测值求差 n k 单差观测值 历元 i 卫星 j 测站 有个不相关的一次差分观测值 k S n k1 k S 特点 可以消除和减弱短基线大气折射影响 电离层 对流层 可以消除和减弱卫星钟差 但接收机钟差不能有效减弱 可以减弱卫星轨道误差的影响 2 二次差分观测值 DD 1 站际 星际二次差分观测值 1212 kji 由同一历元 不同卫星的站际一次差分观测值求差 双差观测值 特点 可以减少初始整周模糊度个数 基本上消除接收机钟差影响 可以转化成二次模型表示 可以消除或减弱大气折射影响 电离层 对流层 主要用于 GPS 相对定位 2 星际 历元间二次差分观测值 1212 k ji 特点 可以消除初始历元整周模糊度 基本上消除卫星 接收机钟差影响 大大减弱大气折射影响 电离层 对流层 但不能完全消除 可以对测站进行精密单点定位 3 站际 历元间二次差分观测值 1212 kj i 由同一卫星 不同历元的站际一次差分观测值求差 特点 可以消除初始整周模糊度 可以抵消短基线大部分大气折射影响 电离层 对流层 可以消除共同的钟差偏差 卫星钟 接收机钟 3 三次差分观测值 TD 1 星际 站际 历元间三次差分观测值 121212 kji 由不同历元 不同卫星 不同测站间二次差分观测值求差 特点 可以消除整周待定值 基本上消除接收机钟差影响 可以消除或减弱大气折射影响 电离层 对流层 相关性增强 解的稳定性差 精度不高 数据利用率降低 观测值大量丢失 2 同类型不同频率观测值的线性组合 主要目的 消除电离层延迟 便于确定整周模糊度 两个不同频率的载波 L1 L2 相位观测值间线性组合的一般形式 12n mLL nm 的特性 n m N 12 12 1212 12 21 12 12 21 12 n mLL n m n m n mLL LL ionn mionLionL LL ionn m LL ionn m n mLL fn fm f cc fn fm fmn n Nm N n fm f nmA ff n fm fA t fffn f 值率 波值 整周模糊度 值离值延值 相位延值值值延值 12 22 n mn mn m LL n m m f nm 相位值值值的值差特性 相位值差距离值差 特殊的双频载波相位观测值线性组合 1 宽巷组合观测值 LW n 1 m 1 有利于求解模糊度 但测量噪声大 特点 模糊度保持整数特性 波长较长 模糊度容易确定 测距精度略低 应用 在动态定位时通常用此观测值 辅助确定 Iono free 组合观测值的模糊度 2 窄巷组合观测值 LN n 1 m 1 特点 模糊度保持整数特性 波长短 模糊度较难确定 应用 辅助确定 Iono free 组合观测值的模糊度 3 消电离层组合观测值 LC 2 112 2222 1212 LLL LLLL fff nm ffff 特点 模糊度不具有整数特性 电离层折射延迟为 0 应用 长基线解算 电离层活跃期或活跃地区基线的解算 3 载波双差观测值及其观测方程 有效消除或减弱 GPS 测量的系统误差方法 对瞬时相位观测值进行线性组合 1 双差观测方程 1 观测值数量和获取已知点坐标方法 1 单基线双差观测值 双差观测值数 基线数 1 1 i n j i n 2 1 2 1 k nkk Cn n 2 已知点坐标获取 基星 基站 提供法 已知一点的绝对坐标 WGS 84 坐标 观测法 单点定位解算 静态观测若干小时 基星的选择 高度角高 信号质量好 待机时间长 2 待定参数及系数 单基线双差 1 测站 k2 的三维直角坐标 X Y Z 2 两接收机钟差参数 t1 t2 3 双差整周模糊度 N 初始整周模糊度线性组合 3 单基线误差方程 111I tIIt VASL 其中 3 12 1 j tna t 3 未知点数 钟差数量 整周模糊度数量 卫 星失锁等增添整周模糊度数量 双差观测值个数 1 1 i n j i In 2 载波相位差分观测值随机模型 假定瞬时相位是独立的 不相关的等精度观测值 基线单差 单差数量 12 kj i 1 i n j i n 1 基线单差观测值协方差阵 1 原始观测值协方差阵 是原始观测值的方差 2 DE 2 对于两颗卫星 基线单差观测值 11 12121 12212 22 1 1 0 0 0 0 1 1 kj i kj ikj i F kj ikj i kj i 2 基线单差观测值协方差阵 对于两颗卫星 2 2 22 20 02 T DFD FEE 是单差观测值的方差 2 3 多颗卫星基线单差观测值协方差阵 i 时刻 2i DE 不同卫星 按单基线求解的单差观测值是相互独立且等精度的 4 多测站 多颗星单差观测值 多基线单差 基线单差个数 kj i 1 1 i n jk i nn 以两条基线两颗卫星为例 11 121 21 131 31 12 122 22 132 32 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 kj i kj i kj i kj ikj i F kj ikj i kj i kj i kj i 22 2 11 0 5 1 20 5 1 2 11 0 5 1 20 5 1 T DFD F 同一历元 同一卫星的两个基线单差观测值之间是相关的 同一历元 不同卫星的两个基线单差观测值之间是不相关的 多测站 多颗星单差观测值协方差阵同上 2 基线双差观测值协方差阵 单基线双差 双差个数 12 kj i 1 1 i n j i n 对于 4 颗卫星 基线双差观测值 121 1212 122 1213 123 1214 124 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 kj i kji kj i kjiF kj i kji kj i 311 1 131 2 113 i P 双差观测值的方差 22 22 2 1 1 10 5 0 5 1 2 10 510 5 1 1 20 5 0 51 iT DFD F 多颗星基线双差观测值权阵 11 2 1 11 j i j j j n Pn n n 同一历元的 nj 1 单基线双差观测值是相关的 某时段多颗星基线双差观测值权阵 同一历元的 单基线双差观测值是相关1 j n 的 不同历元的单基线双差观测值是互为独立的 多测站 多颗星 多基线双差观测值权阵 多基线双差 双差个数 kj i 1 11 i n jk i nn 六 六 GPS 基线向量解算基线向量解算 1 GPS 基线解算的内涵 定义 利用多个测站的 GPS 同步观测数据 确定这些测站之间坐标差的 XYZ 过程 观测值 GPS 载波相位观测值 原始观测值 差分观测值 不同频率的组合观测值 GPS 伪距观测值 结果 基线向量 精度 中误差 及误差相关性信息 协因数阵 2 GPS 基线向量的表达方式 1 地心地固坐标 笛卡儿坐标系 大地坐标系 XYZ BLH 2 站心地平坐标系 直角坐标系 N 北方向 E 东方向 U 垂直方向 N E U 极坐标系 S 距离 A 方位角 H 高度角 S A H 3 基线向量平差解算方法 1 按单基线解算 不论同一测段上有多少个接收机同步观测 每次解算都仅取两个测 站所有的线性独立双差观测值进行平差解算 单基线双差 单基线双差个数 12 kj i 1 1 i n j i n 基线数量 2 1 2 1 k nkk Cn n 合理做法 应用 条独立基线参与平差 以保证参与平差的观测值之间线1 k n 性独立 2 联合解算 取同一测段内所有非基星相对于基星的双差观测值解算全部基线 平差解 算工作量较大 多基线双差 双差个数 kj i 1 1 1 i n jk i nn 基线数量 1 k n 4 基线向量质量评定 1 双差观测值单位权中误差 一般看作内符合精度的一项指标 2 基线长度中误差 RMS 短基线要求 ms 1 2cm 一般看作基线可信性的一项指标 3 双差观测值整周模糊度的整数性 Ratio 85 较好 80 85 一般 数分钟 处理方法 利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 信号失锁 两历元间隔 处理方法 利用单差观测值拟合或双差观测值 拟合 2 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 造成卫星信号信噪比过低 导致整周计数错误 3 接收机软件发生故障 导致错误的信号处理 4 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 5 卫星发生瞬时故障 无法产生信号 2 周跳的探测 修复方法 首先需要进行周跳定位 并确定周跳大小 周跳探测 通过构造一个检验量来判断 周跳修复 通过对周跳发生后的全部相位观测量改正一个固定值来完成 1 屏幕扫描法 人工在屏幕上观察观测值曲线的变化是否连续 2 高次差法 接收机钟差影响此方法的有效性 通过星际 历元间求差消除钟差 大 气延迟的影响 3 三差观测值探测法 通过载波观测值差分 单差 双差 三差 消除整周模糊度 但观测值数量明显减少 4 多项式拟合法 根据 n 个相位测量观测值拟合一个 n 阶多项式 据此多项式来预估 下一个观测值并与实测值比较 从而来发现周跳并修正整周计数 5 双频 P 码伪距观测值法 利用宽巷组合 6 残差法 根据平差后的残差 进行周跳的探测与修复 二 整周模糊度确定方法二 整周模糊度确定方法 基本解算方法 静态定位法静态定位法 动态定位解算法动态定位解算法 静态相对定位解算法静态相对定位解算法 快速定位解算法快速定位解算法 基基 本本 方方 直接取整法直接取整法 置信区间法置信区间法 模糊函数法模糊函数法 已知基线法已知基线法 天线交换法天线交换法 P P码双频技术法码双频技术法 马吉尔配适滤波法马吉尔配适滤波法 快速模糊度解算法快速模糊度解算法 初始化法初始化法 实时解算法实时解算法 经典静态相对定位法 双差固定解 双差浮点解 实时解算模糊度方法 AROTF 技术 1 确定搜索区域 坐标搜索法 模糊度搜索法 2 可采用的方法 模糊度函数法 最小二乘模糊度搜索法 FARA 法 快速模糊度搜索滤波法 LAMBDA 法 三 三 GPS 高程测量高程测量 GPS 高程测量主要包括 1 精化大地水准面 综合利用水准测量和重力测量 数字地面模型资料 确定 大地水准 面高程 2 拟合大地水准面 综合利用几何水准测量资料 拟合地面点的高程 1 常用的高程系统 大地高系统 H 以参考椭球面为基准面的高程系统 利用 GPS 定位技术 可以直接测定地面点在 W GS 84 坐标中的大地高 正高系统 Hg 以大地水准面为基准面的高程系统 正常高系统 Hr 以似大地水准面为基准面的高程系统 rg HHHN 2 确定大地水准面的传统方法 1 天文大地水准法 应用天文大地测量资料来确定似大地水准面高程的方法 2 天文重力水准法 综合应用天文大地测量资料和重力测量资料来确定似大地水 准面高程的方法 我国采用天文重力测量方法建立了全国范围内的高程异常值 3 重力场模型法 综合利用卫星观测资料和重力测量资料 以球谐级数建立地球 重力场模型和高程异常模型的方法 4 司托克斯重力大地水准面模型法 利用地面重力测量资料来推算大地水准面高 程的实用方法 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 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 n 6 二次多项式 22 012345 aaxayaxayax y 2 平面拟合 n 3 一次多项式 012 aaxay 3 平移拟合 n 3 零次多项式 用于平坦地区 小区域范围 0 a 第七章第七章 GPS 控制网建立与应用控制网建立与应用 一 一 GPS 控制网分类控制网分类 1 GPS 控制网 应用 GPS 卫星定位技术建立的控制网 2 根据用途划分 框架基准网 大地控制网 工程控制网 测图控制网 连续运行的参考站网 二 二 GPS 控制网技术设计控制网技术设计 1 GPS 网设计的目的 1 质量的要求 保证成果质量 便与质量控制 2 应用的要求 利于成果的应用 3 观测的要求 保证观测质量 保证观测效率 便于观测施工 2 GPS 控制网设计一般原则 1 充分考虑建立 GPS 控制网的应用范围 2 采用分级布网的建设方案 3 确定 GPS 测量精度标准 4 GPS 网的基准设计 位置基准 方位基准 尺度基准 5 GPS 高程基准 6 确定选点原则 位置基准 与测区的坐标系统一致 通常由给定的起算点坐标确定 方位基准 通过给定的起算方位角确定 或直接选用 GPS 基线向量的方位角 尺度基准 由地面电磁波测距边确定 或由给定的起算点坐标确定 或直接选用 GP S 基线向量的距离 3 GPS 网设计内容 1 基准设计 起算条件 数量级分布 2 网形设计 同步观测图形的设置 3 观测设计 仪器要求 观测要