五、GPS卫星定位基本原理PPT课件VIP

-,5.1概述,被动单程测距GPS系统利用距离后方交会的原理进行定位。,五、GPS卫星定位基本原理,-,GPS定位的各种常用的观测量,L1载波相位观测值L2载波相位观测值调制在L1上的C/A-code伪距调制在L2上的P-code伪距Dopple观测值,-,GPS定位的各种常用的观测量（续）,测码伪距观测值,测相伪距观测值,C/A码，码元宽293m，精度2.9mP码，码元宽29.3m，精度0.29m,L1载波，波长19cm，精度0.19cmL2载波，波长24cm，精度0.24cm,原始观测量,测相伪距观测值,优点：观测值精度高，用精密定位存在问题,优点：观测值精度高，用精密定位存在问题,整周不确定（模糊度解算）整周跳变现象,-,GPS定位方法分类,按参考点的不同位置划分为：（1）绝对定位（单点定位）：在地球协议坐标系中，确定观测站相对地球质心的位置。（2）相对定位：在地球协议坐标系中，确定观测站与地面某一参考点之间的相对位置。,-,GPS定位方法分类,按用户接收机作业时所处的状态划分：（1）静态定位：在定位过程中，接收机位置静止不动，是固定的。静止状态只是相对的，在卫星大地测量中的静止状态通常是指待定点的位置相对其周围点位没有发生变化，或变化极其缓慢，以致在观测期内可以忽略。（2）动态定位：在定位过程中，接收机天线处于运动状态。,-,绝对定位,静态定位动态定位,相对定位,静态定位动态定位,定位方式,GPS定位方法分类,-,5.2伪距测量,利用测距码进行测距的原理基本思路:=c=tc伪距：由于星钟与机钟非同步使所测站星距离与站星的几何距离之间有差异，这种含有钟差影响的距离被称为“伪距”伪距的测定方法,-,自相关系数的测定方法由接收机锁相环路中的相关器和积分器来完成,卫星,接收机(t-),相关器,积分器,时钟cp,码发生器(t+t),码移位控制(t+t-),(t),R(),接收机时钟与卫星钟时钟的钟差,本地码移位（延迟）,-,码相关(对齐)精度：码元宽度的1%，,-,（测码）伪距测量的观测方程,t=a0+a1(t-t0e)+a2(t-t0e)2,卫星钟差,卫星钟速,卫星钟速变化率,卫星钟改正数,第I数据块中卫星钟改正参数,最后一个表达式：有4未知数，需要4个卫星,-,（测码）伪距测量的误差方程,-,5.3载波相位测量,-,信号量测精度优于波长的1/100载波波长（L1=19cm,L2=24cm)比C/A码波长(C/A=293m)短得多所以，GPS测量采用载波相位观测值可以获得比伪距（C/A码或P码）定位高得多的成果精度,-,5.3载波相位测量,载波相位测量的特点优点精度高,测距精度可达mm甚至亚mm级,难点整周未知数问题:接收机不能测定某起始历元t0载波相位在传播路径上变化的整周数,只能测定非整周的小数部分。整周跳变问题：接收机收到并跟踪（锁定）信号后，对整周数可以自动记数，如果信号被阻挡或受干扰中断（失锁），重新锁定信号后，小数部分连续，整数部分不再连续，这种情况称为整周跳变或周跳,-,载波相位测量的基本原理利用载波测定卫地距载波相位观测值的测定,利用载波测定卫地距,-,载波相位观测值观测值接收机接收到的具有多普勒频移的载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差,载波相位观测值,-,是整周未知数（整周模糊度）是整周计数,-,载波相位测量（测相）伪距的观测方程,等于伪距观测值,电磁波在弥散介质中传播速度与频率有关测码群速传播速度变快改正值为负；测相相速传播速度变慢改正值为正。,-,Diffraction,Multipaths,Direct,Reflected,Wall,建筑物或树木等障碍物的遮挡电离层电子活动剧烈多路径效应的影响卫星信噪比(SNR)太低接收机的高动态接收机内置软件的设计不周全,周跳产生的原因,5.4整周跳变的修复,-,周跳的特点（1/2）,周跳只引起载波相位观测量的整周数发生跳跃，周跳为波长的整数倍，小数部分则是正确的。周跳具有继承性，即从发生周跳的历元开始，以后所有历元的相位观测值都受到这个周跳的影响。周跳发生非常频繁。,-,周跳修复的必要性,相位观测值中存在周跳，相当于观测值中存在粗差，将会严重影响GPS基线解算过程中的最小二乘估计，使基线解算失败或严重歪曲基线解算的结果。在GPS动态定位中，如数值为1周的周跳不修复，将会导致数10cm的误差。这对于高精度的GPS测量是无法接受的。周跳的探测与修复是GPS载波相位数据处理中不可缺少的组成部分,只有消除了周跳的“干净”相位数据，才能用于GPS精密定位。,-,周跳探测的基本思路,周跳探测的原理是建立在粗差定位的基础上的。首先，由观测数据组成适当的检测量序列，使得周跳在该检测量序列中以粗差的形式表示出来。然后，检测该检测量序列中的粗差，确定周跳的位置和大小。这样就要求在去掉检测量序列的系统性变化后剩下的随机变化部分要远远小于可能发生的最小周跳值。,-,5.5GPS绝对定位,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,-,绝对（单点）定位定义：仅单独利用一台接收机确定待定点在地固坐标系中的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采用广播星历时属WGS-84采用IGSInternationalGPSService精密星历时为ITRFInternationalTerrestrialReferenceFrames特点优点：一台接收机单独定位，作业方法简单缺点：定位精度低应用领域低精度导航资源普查军事，等.,-,伪距绝对（单点）定位的观测方程,-,伪距绝对（单点）定位误差方程对于卫星i，误差方程为若在某历元同时观测了n颗卫星，则误差方程及其解为,用最小2乘法求解误差阵,伪距测量中误差,权系数阵,解的中误差,-,卫星几何分布及其对定位精度的影响,卫星几何分布对精度因子的影响,-,伪距绝对（单点）定位（续）DOPDilutionofPrecision精度因子（导航学中的概念）GDOPGeometryDilutionofPrecision几何精度因子PDOPPositionDilutionofPrecision空间位置精度因子TDOPTimeDilutionofPrecision接收机钟差精度因子HDOPHorizontalDilutionofPrecision平面位置精度因子VDOPVerticalDilutionofPrecision高程精度因子,空间坐标权系数阵,大地坐标权系数阵,卫星几何分布及其对定位精度的影响,-,GDOP较大,GDOP较小,卫星高度角不能过低（削弱大气折射），尽量使卫星与测站构成的6面体体积最大。,mG=GDOP.0,GDOP大小与卫星几何分布图,-,载波相位单点定位误差方程对于卫星i，误差方程为若在k个历元里每历元均观测了n颗相同的卫星，则误差方程,-,-,-,误差及应对方法卫星星历精密星历卫星钟差精密星历、地面跟踪电离层延迟双频改正对流层延迟模型改正PPPPrecisionPointPositioning,-,相对定位：它是目前GPS定位中精度最高的一种定位方法。定义1：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。定义2：确定进行同步观测的接收机之间相对位置（坐标差、基线向量）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）采用广播星历时属WGS-84采用IGSInternationalGPSService精密星历时为ITRFInternationalTerrestrialReferenceFrames特点优点：精度高缺点：多台接收共同作业，作业复杂应用高精度测量定位,5.6相对定位,-,-,相对定位观测方程,-,各种误差对相对定位结果的影响卫星轨道误差卫星钟差大气折射误差接收机钟差接收机天线相位中心偏差和变化,-,差分定位/差分GPS（DGPSDifferentialGPS）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在参考点（已知点）上固定一台接收机，通过参考点的观测，由卫星和参考点已知坐标及观测数据求得星站距离或位置改正数，将此改正数发送给流动站接收机，流动站接收机用观测数据和收到的改正数计算流动站的精确位置。,差分GPS定位原理(1),-,差分GPS的基本原理利用误差的空间相关性以上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。差分GPS的基本原理利用基准站（设在坐标精确已知的点上）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差分改正数的类型距离改正数：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。位置（坐标改正数）改正数：基准站上的接收机对GPS卫星进行观测，确定出测站的观测坐标，测站的已知坐标与观测坐标之差即为位置的改正数。,差分GPS定位原理(2),-,位置差分,距离差分,距离改正,坐标改正,差分GPS的分类根据时效性实时差分事后差分根据观测值类型伪距差分载波相位差分根据差分改正数位置差分（坐标差分）距离差分根据工作原理和差分模型局域差分（LADGPSLocalAreaDGPS）单基准站差分多基准站差分广域差分（WADGPSWideAreaDGPS）,差分GPS定位原理(3),-,位置差分GPS是一种最简单的差分方法。安置在已知精确坐标基准站GPS接收机，通过对4颗或以上卫星观测，便可实现定位，可以求出基准站的坐标但存在卫星星历、时钟等误差，该坐标与已知基准站坐标不一致，存在误差：,基准站利用数据链将坐标改正数发送给用户,位置差分,-,位置差分,用户接收到坐标改正数对其计算得到的坐标进行改正：,经过坐标改正后的用户坐标已经消去了基准站与用户的共同误差，如星历误差、大气折射误差、卫星误差，提高精度。,-,伪距差分,伪距差分时目前应用最为广泛的一种差分定位技术。通过在基准站上利用已知坐标求出站星的距离，并将其与含有误差的测量距离比较，并将测距误差传输给用户，用户用此来对测距进行相应改正。但伪距差分很大程度上依赖两站距离，随着距离增加，其公共误差减弱，如对流层、电离层，因此应考虑距离因素。,-,RTK（RealTimeKinematic）,实时差分动态定位技术是GPS测量技术与数据传输技术相结合而构成的组合系统。是GPS测量技术发展中的一个重大突破。RTK测量技术以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量技术。精度速度、实时、可用,-,差分GPS定位方法（续）,实时动态差分GPS：RTK（RealTimeKinematic）,实时传输修正量,-,单站差分GPS局部区域差分（LADGPS）广域差分GPS系统（WADGPS）增强型GPS系统：伪卫星、多基准站（VRS）等,差分GPS系统,-,单站差分位置差分：位置改正数伪距差分：伪距改正数载波相位差分（RTK）：修正法与差分法,-,差分GPS定位,差分观测值的形成站间差分、星间差分和历元间差分,-,-,-,差分观测值,单差：双差：三差：实际工作中通常采用双差观测值,-,相对定位的基本观测量及其线性组合,基线端点的接收机Ti（i=1，2）GPS卫星sj和sk观测历元t1和t2进行同步观测可得到多少个独立载波相位观测量？,8个,-,-,线性组合（一）,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。特点：消除卫星钟差影响，明显减弱轨道误差、大气折射误差等系统性误差的影响（短基线20km效果明显），缺点是观测方程的数量减少。,不同测站，同步观测相同卫星的观测量之差。,-,线性组合（二）,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。,不同测站，同步观测同一组卫星的单差之差。,-,线性组合（三）,将t1、t2两个历元观测的双差相减，消除整周未知数的影响。,不同历元，同步观测同一组卫星的观测量双差之差。,-,相对定位,RTKRealTimeKinematic（实时动态）,-,本章练习题,1名词解释：绝对定位；相对定位；静态定位；动态定位；静态绝对定位；静态相对定位；整周未知数；整周跳变（周跳）。2说明完整的载波相位观测值都有哪些部分组成？3试写出伪距观测量的表达式（顾及大气折射影响），并说明各项符号的意义？4设在某测站上做单点定位，静态观测了一小时，若历元间隔为秒，问可组成多少伪距观测方程？列出其中1个？5试写出TDOP、PDOP、GDOP、VDOP、HDOP的定义？6简单论述卫星空间几何分布对三维定位精度的影响？7试写出当基线长度小于10km时载波相位观测方程的表达式，并说明其中各项符号的意义？8如何由载波相位观测方程转化为测相伪距观测方程