GPS测量原理王泽名

GPS测量原理及应用,王泽民zmwang2007.10,武汉大学测绘学院,第一章绪论,什么是GPS？GPS的用途有哪些？美国政府的GPS政策其它卫星导航定位系统的概况我们要在本课程中学习哪些内容？,武汉大学测绘学院,定义,GPS的英文全称是NAVigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositionSystem（导航星测时与测距全球定位系统），简称GPS有时也被称作NAVSTARGPS。根据Wooden1985年所给出的定义：NAVSTAR全球定位系统（GPS）是一个空基全天侯导航系统，它由美国国防部开发，用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速度和时间信息的要求。,武汉大学测绘学院,GPS的发展简史（一）,1957年10月4日第一颗人造卫星SputnikI发射成功。1958年12月开始设计NNSS(NavyNavigationSatelliteSystem)TRANSIT，即子午卫星系统。1964年1月该系统正式运行。1967年7月系统解密以供民用。,TRANSIT系统卫星：6颗极地轨道轨道高度：1100km信号频率：400MHz、150MHz绝对定位精度：1m相对定位精度：0.1m0.5m定位原理：多普勒定位,定位原理：多普勒定位,子午卫星系统的局限性,一次定位所需时间过长（1020min）不是一个连续的、独立的卫星导航系统所需时间长，作业效率偏低定位精度低。轨道低，难以精密定轨；频率低，难以消除电离层影响；星钟和机钟都不够稳定。,武汉大学测绘学院,GPS的发展简史（二）,1973年12月，美国国防部批准研制GPS。1978年2月22日，第1颗GPS试验卫星发射成功。1989年2月14日，第1颗GPS工作卫星发射成功。,武汉大学测绘学院,GPS的发展简史（三）,1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战。1995年7月17日，GPS达到FOC完全运行能力（FullOperationalCapability）。1999年1月25日，美国副总统戈尔宣布，将斥资40亿美圆，进行GPS现代化。1999年8月21/22日子夜，GPS发生GPS周结束翻转问题。2000年1月1日，Y2K问题。2000年5月1日，美国总统克林顿宣布，GPS停止实施SA。,武汉大学测绘科学与技术学院卫星应用研究所,GPS的应用,军事、国防陆路交通（车辆导航、监控）、航运、航空搜索、救援遥感测量卫星定轨资源勘探通讯广播、电视电力时间传递.,武汉大学测绘科学与技术学院卫星应用研究所,美国政府的GPS政策,不收费，也不保证系统的可靠性SPS与PPSSPS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SA（已于2000年5月1日取消）SelectiveAvailability选择可用性：人为降低普通用户的测量精度。方法技术：轨道加绕（长周期，慢变化）技术：星钟加绕（高频抖动，短周期，快变化）ASAnti-Spoofing反电子欺骗P码加密，P+W-YGPS现代化提高信号质量在L2上增加C/A码增加第三民用频率L5增加2个军用码：M1，M2局部关闭,武汉大学测绘学院,其它卫星导航定位系统,GLONASS（俄）-GlobalNavigationSatelliteSystem卫星数：21+3轨道面：3轨道倾角：64.8度轨道高度：19400km运行周期：11h15min信号频率：16021616MHz、12461256MHz坐标系：pz90时间系统：前苏联的UTC,1.系统目标及性质,发展欧洲自己的卫星导航技术作为交通方面的一项基础设施，将受控于国际的民间组织。定位在一种开放式的、以民用为主导的系统。能够与新一代GPS系统相互兼容，包括时间基准和测地坐标系统、信号结构以及两者的联合使用，共同构成未来的全球导航卫星系统(GNSS)，向全球各类用户提供物流管理及安全等所需的定位、授时服务。,Galileo系统,2.系统定义及设计特点,全天候和全球覆盖；独立的、欧洲人控制的、以卫星为基础的民用导航和定位系统；独立于GPS，但能于GPS兼容，并对其进行补充；功能与未来的GPS相似，但导航定位服务可分为全球性、区域性和局域性不同精度等级；核心星座为中轨（MEO）；提供加强的搜索和救援（SAR）以及有限的与导航相关的通讯能力；对其他合作伙伴开放,3.战略目标,建立一个高效经济的民用导航及定位系统；使之具备欧洲乃至世界运输业可以信赖的高度安全性，且确保未来系统的安全和可靠性置于欧洲人的控制之下；该系统的实施将为欧洲工业进军正在兴起的卫星导航市场的各个方面提供一个良好机会，使他们能够在21实世纪站在一个合理的基础上公平竞争。,4.星座,每轨道卫星个数：10(9颗工作，1颗备用)卫星分布轨道面数:3轨道倾斜角:56度轨道高度:23616km运行周期:14小时4分卫星寿命:20年卫星重量:625Kg电量供应:1.5Kw,Galileo系统的星座,5.射电频率:E1-L1-E2:1575.42MHzE6:1278.75MHzE5b:1207.14MHzE5a:1176.45MHz,Galileo系统频率分配计划,Galileo系统的服务及与频率、信号的对应关系,6.地面控制部分（GCS）,功能：(1)导航控制和星座管理,(2)完好性数据检测和分发。,中等高度轨道卫星,TTC,7.Galileo系统的服务,导航定位、测速和定时服务,公开服务（OpenService,OS）,提供定位、导航和定时服务。这种服务面向大众导航定位应用领域，将与GPS竞争(也是和GPS兼容的)，免费使用。公开服务的双频定位精度水平方向约为4米，垂直方向约为8米，单频定位精度水平方向则约为15米，垂直方向约为34米，可获得性为99.8，但是没有完备性信息可用。,商业服务(CommercialService,CS),在公开服务的基础上提供增值服务，由商业运营公司保证在世界范围内达到亚米级定位精度，若有局部增强增值服务，精度可提高到10厘米以内。商业服务内容包括分发加密的导航相关数据，为专业应用领域提供测距和定时服务以及导航定位和无线通讯网络的集成应用。这种服务提供完备性信息，要收费，但服务质量有保证。,生命安全服务（SafetyofLifeService,SoL）,这种服务的设计符合某些国际组织（如国际民航组织ICAO，国际海事组织IMO）的相关要求，包括对完备性的要求，主要应用于这些领域。,公共管制服务(PublicRegulatedService,PRS),这种服务有稳定的信号并在欧盟成员国政府的控制之下，保证其他服务停止后欧盟成员国对Galileo系统的特殊使用(如用于国防、执法等)。,搜寻与救援服务(SearchAndRescue,SAR),以现有的COSPAS/SARSAT卫星为基础，Galileo系统将嵌入国际救援体系，提供SAR搜救服务。在每颗卫星上安装支持SAR的有效荷载，它支持现有的COSPAS/SARSAT系统，SAR求救信号上行频段为406-406.1MHz，卫星用1544-1545MHz频带转发到地面接收站。地面部分实现与救援协调中心（RescueCoordinationCenters）的连接，并为求救者提供反馈信号。Galileo救援体系能够满足IMO和ICAO在求救信号探测方面的要求。,Galileo卫星导航定位系统是在卫星导航定位基础理论得到充分研究，GPS技术得到广泛应用的背景下提出并发展起来的。Galileo系统的建设开发借鉴了GPS系统的原理，并在设计层上克服了GPS系统的某些缺陷，使得Galileo系统具有比GPS系统更完善的导航定位性能。具体说来，Galileo系统比GPS系统设计上的先进性体现在如下几个方面：,8.Galileo系统设计上的先进性,星座设计更加合理Galileo系统的设计者通过大量的仿真模拟计算、分析，最终确定了目前的星座设计方案。Galileo系统的星座较GPS系统的更合理，可视卫星更多，对导航定位精度的影响更小。,更多的载波频率和测距信号Galileo系统总共由4个载波频率调制10个数据信号发送给导航定位用户。载波频率和测距信号多，选择具有不同特性的组合进行导航定位，可以提高导航定位精度，同时增加系统的安全性。此外，对于用GNSS系统信号进行电离层、气象学等相关的研究也提供了更多的途径选择。,向用户提供完好性信息这是Galileo系统相对于GPS系统的一个显著优点，完备性信息也是现代卫星导航定位系统的一项标准服务。评价现代卫星导航定位系统的性能的四个指标是：可用性、连续性、精度、完好性。GPS系统由于设计时的局限，不能向用户提供完备性信息，用户不知道定位结果的可靠性，GPS系统的这一缺陷对可靠性要求较高的用户造成大量的重复建设浪费。Galileo系统在设计上向用户提供完备性信息，是现代卫星导航定位系统的标志。,提供SAR搜救服务这是Galileo系统的设计者将Galileo系统与目前的国际救援卫星系统COSPAS/SARSAT进行融合提供的一项全新服务，作为生命安全服务体系的一部分。,与外部增值服务的接口经过GPS技术十多年的应用实践，人们普遍认识到，要最大限度地发挥GPS系统的作用，还需要有各种类型的区域和局部辅助服务系统（包括增强系统）提供各类增值服务。Galileo系统主要为民间导航定位应用开发，为了完善系统的功能，也为了占领更大的卫星导航定位市场份额，Galileo系统在设计时为各类外部增值服务提供了接口，包括全球的、区域的、本地的增值服务，外部提供的增值服务能很好地与Galileo系统本身进行融合。,伽利略系统的构成及体系结构,9.Galileo系统建设实施进度计划,术语表：,MCC：主控中心(MissionControlCenter)；RIMS：测距与完备性监测站（RangingandIntegrityMonitoringStations(RIMS）；IULS：完好性注入站；ICC：完好性控制中心；IMS：完好性监视站；TT计算与显控;电源类型依用途：大地型（测地型）、导航型与授（守）时型依能否接收测距码（伪距码）：有码与无码依接收伪距码的种类：P码与C/A码依接收不同频率载波的数量：单频与双频GPS接收机的几个重要的物理与几何特性天线相位中心接收机钟差接收机信号通道间的延迟,GPS的用户部分,天线单元类型单极天线微带天线锥形（螺旋）天线四丝螺旋天线空间螺旋天线背腔平面盘旋天线,GPS天线,全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的用户部分,GPS的用户部分,天线单元（续）特点单极天线单频或双频（双极结构）、需要较大的底板、相位中心稳定、结构简单微带天线结构简单、单频或双频、侧视角低（适合于机载应用）、低增益、应用最为广泛锥形（螺旋）天线四丝螺旋天线单频、难以调整相位和极化方式、非方位对称、增益特性好、不需要底板空间螺旋天线双频、增益特性好、侧视角高、非方位对称背腔平面盘旋天线,全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的用户部分,GPS的用户部分,天线单元天线特性相位中心、增益方式、带宽、极化相位中心平均相位中心与几何中心相位中心的偏移相位中心偏移的消除：归心改正、消去法天线高标志至平均相位中心所在平面的垂直距离,全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的用户部分,GPS的用户部分,接收单元接收（信号）通道定义：接收机中用来跟踪、处理、量测卫星信号的部件，由无线电元器件、数字电路等硬件和专用软件所组成。类型：根据信号跟踪方式：序惯通道、多路复用通道和多通道；根据工作原理：码相关通道、平方通道等存储器微处理器作用：数据处理、控制输入输出设备电源,全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的用户部分,GPS的用户部分,全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的用户部分,武汉大学测绘科学与技术学院卫星应用研究所,GPS的位置基准与时间基准,位置基准天球坐标系与地球坐标系WGS-84（WorldGeodeticSystem-1984）广播星历采用建立：NIMA（DMA）参考椭球：长半轴：6378137m，扁率：1/298.257223563，大地水准面：EGMITRFIGS精密星历采用建立：IERS参考椭球：GRS80时间基准GPS时间（GPSTime）原子时表示方法：GPS周+一周内的秒数起点：1980年1月6日0时与UTC的关系：1980年1月6日0时与UTC一至，目前由于跳秒的原因，相差32.0秒,武汉大学测绘学院,GPS工作的基本原理（一）,GPS工作的基本原理距离后方交会已知点：GPS卫星待定点：接收机（天线）,武汉大学测绘科学与技术学院卫星应用研究所,GPS工作的基本原理（二）,GPS工作的基本流程,武汉大学测绘科学与技术学院卫星应用研究所,GPS的信号结构（一）,GPS信号的基本组成部分（信号分量）载波（CarrierPhase）测距码（RangingCode）导航电文（NavigationMessage/DataMessage）载波作用：搭载其它信号，也可用于测量（测距）。类型目前L1：频率：1575.43MHz，波长：19cmL2：频率：1227.60MHz，波长：24cm现代化后增加L5：1176.45MHz，波长：26cm,武汉大学测绘学院,GPS的信号结构（二）,测距码伪随机噪声码PRN码目前C/A（C1）码速：1.023MHz码元长度：300m吗元数：1023bitP(Y)1、P(Y)2码速：10.23MHz码元长度：30m吗元数：6.19*10E12bit现代化后C2M1、M2军用码,GPS的信号结构（三）,导航电文码速：50bps形式：以帧的形式发送；每帧（5个子帧）1500bit，需30秒。内容：广播星历（导航信息），开普勒轨道6参数，轨道摄动9参数；卫星钟改正数;历书（概略星历）；电离层信息;卫星健康状况等。,武汉大学测绘学院,GPS的信号结构（四）,码的调制（双相调制）,测距码的调制,武汉大学测绘学院,GPS的信号结构（五）,GPS信号的生成,GPS的信号结构（六）,GPS卫星信号构成图,GPS卫星位置计算,用广播星历计算卫星位置用精密星历计算卫星位置,武汉大学测绘学院,第三章GPS测量定位误差,误差的分类与卫星有关的误差与传播途径有关的误差与接收设备有关的误差,武汉大学测绘学院,概述（一）误差的分类,误差的分类偶然误差（观测噪声）-Noise一般优于波长/码元长度的1/100。偏差（系统误差）-Bias与卫星有关的误差卫星星历（轨道）误差卫星钟差相对论效应与传播途径有关的误差电离层延迟误差对流层延迟误差多路径效应与接收设备有关的误差接收机钟差天线相位中心偏差和变化接收机不同通道间的信号延迟误差其它软件模型误差;地球潮汐影响；GPS控制系统,概述（二）各类误差对导航定位的影响,单频，C/A码,双频，P/Y-码,武汉大学测绘学院,与卫星有关的误差,卫星星历（轨道）误差定义广播星历（预报星历）与精密星历（后处理星历）应对方法精密定轨轨道松驰相对定位卫星钟差定义应对方法钟差多项式-t=a0+a1(t-t0)+a2(t-t0)2参数物理同步误差与数学同步误差相对论效应狭义相对论效应与钟的运动速度有关，使星钟变慢广义相对论效应与钟所处位置的重力位有关，使星钟变快应对方法事先调整钟速，根据卫星轨道进行修正,武汉大学测绘学院,与传播途径有关的误差,电离层延迟电离层自由电子与信号的频率有关与信号频率的平方成反比（色散效应）与信号传播途径上的电子密度有关，而电子密度又与高度、时间、季节、地理位置、太阳活动等有关电离层对载波和测距码的影响，大小相等，符号相反应对方法模型改正单层电离层模型双频改正相对定位对流层延迟对流层对流层延迟的干分量与湿分量相对于GPS信号，与信号的频率无关（非色散）应对方法相对定位模型改正气象元素-干温、湿温、气压Hopefield模型、Saastamoinen模型等。多路径效应多路径效应应对方法观测地点的选择、接收设备的性能、长时间观测、数据处理方法,多路径效应,武汉大学测绘学院,与接收设备有关的误差,接收机钟差天线相位中心的偏差与变化天线的几何中心、平均相位中心天线相位中心的偏差天线相位中心的变化应对方法天线定向（相对定位）模型改正接收机通道间的延迟误差,各类误差的处理方法,模型改正法原理：利用模型计算出误差影响的大小，直接对观测值进行修正适用情况：对误差的特性、机制及产生原因有较深刻了解，能建立理论或经验公式所针对的误差源相对论效应电离层延迟对流层延迟卫星钟差限制：有些误差难以模型化,消除或消弱各种误差影响的方法,求差法原理：通过观测值间一定方式的相互求差，消去或消弱求差观测值中所包含的相同或相似的误差影响适用情况：误差具有较强的空间、时间或其它类型的相关性。所针对的误差源：对流层延迟、电离层延迟、卫星轨道误差、卫星钟差、接收机钟差限制：空间相关性将随着测站间距离的增加而减弱,消除或消弱各种误差影响的方法,参数法原理：采用参数估计的方法，将系统性偏差求定出来适用情况：几乎适用于任何的情况限制：不能同时将所有影响均作为参数来估计,消除或消弱各种误差影响的方法,回避法原理：选择适宜的观测地点，避开易产生误差的环境；采用特殊的观测方法；采用特殊的硬件设备，消除或减弱误差的影响适用情况：对误差产生的条件及原因有所了解；具有特殊的设备。所针对的误差源：电磁波干扰、多路径效应限制：无法完全避免误差的影响，具有一定的盲目性,武汉大学测绘学院,第四章距离测量与GPS定位,GPS测量定位的类型利用测距码测定卫地距载波相位测量观测值的线性组合周跳的探测及修复整周模糊度的确定单点定位相对定位差分GPS,武汉大学测绘学院,概述,GPS测量定位的分类依定位时的状态动态定位静态定位依定位模式绝对定位（单点定位）相对定位差分定位依定位采用的观测值伪距测量（伪距法定位）载波相位测量载波相位平滑伪距,依时效实时定位事后定位依确定整周模糊度的方法及观测时段的长短常规静态定位快速静态定位,武汉大学测绘学院,概述,相对定位,武汉大学测绘学院,概述,差分定位,武汉大学测绘学院,概述,动态定位,武汉大学测绘学院,利用测距码测定卫地距,伪距测量,武汉大学测绘学院,利用测距码测定卫地距,伪距测量,武汉大学测绘学院,特点对信号的强度要求不高提高测距精度便于用码分多址技术对卫星信号进行识别和处理便于对系统进行控制和管理无模糊度（多值性）问题定位速度快，实时定位,伪距测量,Z跟踪技术,为了克服AS政策所造成的无法利用P码测定伪距的影响，而发明的一种打破Y码，将其重新分解为P码和W码，然后再利用P码测定伪距的一种技术。核心是缩小积分间隔。测定伪距的精度略有降低。,武汉大学测绘学院,伪距法单点定位（一）,特点观测值：伪距结果：在地固坐标系（WGS-84，ITRF）下的坐标,武汉大学测绘学院,伪距法单点定位（二）,伪距法定位原理,武汉大学测绘学院,伪距法单点定位（三）,观测方程,武汉大学测绘学院,伪距法单点定位（四）,观测方程,武汉大学测绘学院,伪距法单点定位（五）,DOP值DilusionOfPrecisionHDOPVDOPGDOPTDOP,武汉大学测绘学院,载波相位测量（一）,伪距测量的局限性观测值的精度低载波相位（CarrierPhase）L1、L2,模二和,双相调制,武汉大学测绘学院,载波相位测量（二）,载波相位的测定重建载波码相关法得到的观测值为全波（fullwave）同时获得导航电文信噪比较好平方法得到的观测值为半波（halfwave），N更难确定无法获得导航电文信噪比差互相关技术得到的观测值为全波（fullwave）同时获得导航电文信噪比差Z跟踪技术得到的观测值为全波（fullwave）同时获得导航电文信噪比较好,载波相位测量（三）,载波相位观测值理想的观测方法：信号接收时刻，卫星端卫星载波信号的相位(S)与接收机端卫星载波信号的相位(R)之差。从而测定出站星距离()，即问题：卫星端卫星载波信号的相位(S)不能直接测定。,武汉大学测绘学院,载波相位测量（三）,载波相位观测值（续）实际观测方法：信号接收时刻，接收机模拟（复制）的卫星端卫星载波信号的相位(S)与接收机端卫星载波信号的相位(R)之差，即实际观测值：,武汉大学测绘学院,载波相位测量（四）,载波相位观测值（续）相位伪距：整周模糊度（整周未知数）-Ambiguity特性：整数若信号不失锁或发生周跳，则保持不变,武汉大学测绘学院,周跳的探测与修复,周跳产生的原因信号被遮挡干扰接收机运动速度过快接收机暂时的故障高次差法/多项式拟合法简单的高次差或多项式拟合法星间差分的高次差用双频观测值修复周跳残差法,武汉大学测绘学院,整周未知数（整周模糊度）的确定,伪距法多普勒法（消去法）走走停停法（StopandGo）参数法（搜索法）经典方法快速确定整周未知数的算法FARALAMBDA.固定解与浮动解（整数解与实数解）,武汉大学测绘学院,差分观测值（一）,概述测站i对卫星p的观测值如下：必要参数和多余参数模型法消去法,武汉大学测绘学院,差分观测值（二）,差分方式站间差分同步观测值在接收机间求差。可消除卫星钟差，削弱电离层、对流层折射影响。星间差分同步观测值在卫星间求差。可消除接收机钟差。历元间差分同步观测值在间历元求差。可消去整周未知数参数。,武汉大学测绘学院,差分观测值（三）,单差、双差和三差单差,武汉大学测绘学院,差分观测值（四）,单差、双差和三差（续）双差,武汉大学测绘学院,差分观测值（五）,单差、双差和三差（续）三差,武汉大学测绘学院,差分观测值（五）,非差法求差法与非差法的比较求差法数据利用率低求差法引入了基线向（矢）量的概念差分观测值之间具有了相关性求差法无法确定出一些多余参数著名的非差软件美JPL研制的GIPSY,武汉大学测绘学院,两个不同频率的载波(L1,L2)相位观测值间的线性组合（一）,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一般形式特性L1,武汉大学测绘学院,两个不同频率的载波(L1,L2)相位观测值间的线性组合（二）,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（续）L2,武汉大学测绘学院,两个不同频率的载波(L1,L2)相位观测值间的线性组合（三）,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（续）n,m,武汉大学测绘学院,两个不同频率的载波(L1,L2)相位观测值间的线性组合（四）,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（续）,武汉大学测绘学院,两个不同频率的载波(L1,L2)相位观测值间的线性组合（五）,几类特殊的线性组合观测值宽巷组合（wide-lane）(n=1,m=-1),武汉大学测绘学院,两个不同频率的载波(L1,L2)相位观测值间的线性组合（六）,几类特殊的线性组合观测值窄巷组合（narrow-lane）(n=1,m=1),武汉大学测绘学院,两个不同频率的载波(L1,L2)相位观测值间的线性组合（七）,几类特殊的线性组合观测值无电离层折射的组合（iono-free）,武汉大学测绘学院,第五章GPS动态定位,GPS动态定位GPS动态定位的应用动态定位的类型（方法）,武汉大学测绘学院,概述,什么是GPS动态定位GPS动态定位（测量），是利用GPS信号，测定相对于地球运动的用户天线的状态参数，这些状态参数包括三维坐标、三维速度和时间等七个。导航，是测得运动载体的状态参数，并导引运动载体准确的运动到预定的后续位置。GPS动态定位的应用导航探险、车辆、船舶、航空器等跟踪、监控与调度车辆、船舶、航空器等制导武器制导、自动驾驶等定轨卫星、航天器等姿态确定卫星、航天器、航空器等测量放样、监测等,武汉大学测绘学院,概述,GPS动态定位的应用（续）,武汉大学测绘学院,概述,GPS动态定位的应用（续）,武汉大学测绘学院,概述,GPS动态定位的应用（续）,武汉大学测绘学院,概述,GPS动态定位的应用（续）,武汉大学测绘学院,概述,GPS动态定位的应用（续）,武汉大学测绘学院,GPS动态定位的类型,单点动态定位、相对动态定位和差分动态定位实时动态定位与后处理动态定位伪距动态定位与载波相位动态定位,武汉大学测绘学院,GPS动态定位的基本原理,单点伪距动态定位载波相位动态定位实时动态定位速度的测定时间的测定,武汉大学测绘学院,差分GPS技术,差分GPS差分GPS的类型各类差分GPS简介,武汉大学测绘学院,什么是差分GPS（DGPSDifferentialGPS）,基本思路：利用设于坐标已知的参考站，计算各类改正数影响GPS测量定位的误差,武汉大学测绘学院,什么是差分GPS（续）,误差的特性卫星轨道误差：影响大小与测站位置有关，距离较近时，影响大小相近（误差的空间位置相关性）卫星钟差：影响大小与测站无关（时间相关性）大气折射（电离层、对流层折射）：影响具有空间位置相关性SA：Epsilon可以归于卫星轨道误差，Ditar可归于卫星钟差多路径：与测站有关，测站间无关差分GPS基准站（Reference/BaseStation）与流动站（Mobile/RoverStation）差分改正数,武汉大学测绘学院,什么是差分GPS（续）,差分GPS系统的构成,武汉大学测绘学院,差分GPS的类型,位置（坐标）差分与距离（伪距）差分位置改正数位置改正数的确定缺陷要求参考站和流动站所观测的卫星完全相同距离改正数距离改正数的确定：计算距离观测距离局域差分与广域差分局域差分GPS（LADGPSLocalAreaDGPS）基准站作用距离：数百公里特点：计算出广域差分GPS（WADGPSWideAreaDGPS）基准站作用距离：数千公里特点：将各项误差分离出来，建立误差与位置的关系分离出的误差：卫星轨道、卫星钟差建立误差与位置的关系模型：大气折射,武汉大学测绘学院,差分GPS的类型（续）,增强型的差分GPS系统伪卫星（Pseudolites）LAAS局域增强系统LocalAreaAugmentationSystem应用领域：机场，着陆系统,WAAS广域增强系统WideAreaAugmentationSystem,武汉大学测绘学院,RTKRealTimeKinametic（实时动态差分）,系统构成参考站流动站数据链应用,网络RTK和传统RTK,传统RTK：RTK技术在应用中遇到的最大问题就是参考站校正数据的有效作用距离。,网络RTK:线性衰减的单点GPS误差模型被区域型的GPS网络误差模型所取代，即用多个参考站组成的GPS网络来估计一个地区的GPS误差模型，并为网络覆盖地区的用户提供校正数据。用户收到的也不是某个实际参考站的观测数据，而是一个虚拟参考站的数据，和距离自己位置较近的某个参考网格的校正数据，这就是VRS技术。,VRS概念,虚拟参考站技术（VRS）是GPS网络RTK中一种比较成熟的、可实时提供高精度导航定位信息的技术。它主要是利用网络内所有基准站原始观测数据，在流动站附近实时模拟一组参考站数据，实现对“参考站数据的模拟和重建”。,VRS特点,覆盖范围更广成本更低精度和可靠性更高应用范围更广改进了OTF初始化时间,VRS工作原理图,VRS的算法步骤,一、参考站之间的模糊度解算（一般认为已知）；二、参考站之间的改正数的解算，包括电离层和电离层；三、VRS改正数的生成，包括目前各种网络数据生成；四、推导出VRS观测值；五、流动站用户定位.,连续运行参考站（CORS）,VRSVirtualReferenceStation作业模型类似RTK原理利用基准站网计算出用户附近某点（虚拟参考站）各项误差改正，再将它们加到利用虚拟参考站坐标和卫星坐标所计算出的距离之上，得出虚拟参考站上的虚拟观测值，将其发送给用户，进行实时相对定位。特点精度和可靠性高属网络RTK,武汉大学测绘学院,GPS技术设计、数据采集及数据处理,GPS测量的步骤及质量要求技术设计的编写GPS接收机的检定GPS网的设计GPS的作业组织基线解算及质量评定网平差及质量评定,GPS测量的基本步骤及质量要求一、GPS测量的工作步骤（以基线向量网为例）,1.测前工作工程项目的提出测区位置及其范围提交成果的内容用途和精度等级点位分布及点的数量时限要求投资经费。,技术设计测绘资料的搜集与整理仪器的检验踏勘、选点埋石,2.测量实施实地了解测区情况卫星状况预报确定作业方案外业观测数据传输与转储基线处理与质量评估重复“确定作业方案”、“外业观测”、“数据传输转储”及“基线处理与质量评估”四步，直至完成所有GPS观测工作,3.测后工作结果分析（网平差处理与质量评估）技术总结成果验收,二、GPS测量质量的评定1.精度指标,：网中相邻点间的距离中误差(mm)；a：固定误差(mm)；b：比例误差(ppm)；D：相邻点间的距离(km)。,2.GPS网的等级,A级网一般为区域或国家框架网、区域动力学网；B级网为国家大地控制网或地方框架网；C级网为地方控制网和工程控制网；D级网为工程控制网；E级网为测图网。美国联邦大地测量分管委员会（FederalGeodeticControlSubcommittee-FGCS）在1988年公布的GPS相对定位的精度标准中有一个AA级的等级，其要求固定误差3mm，比例误差0.01ppm，此等级的网一般为全球性的坐标框架和地球动力学测量。,技术设计的编写一、技术设计的作用,作业、数据处理的技术依据,二、技术设计的内容,项目来源测区概况工程概况技术依据现有测绘成果施测方案作业要求观测质量控制数据处理方案提交成果要求,GPS接收机及相关设备的检定,一、接收机的检定零基线的检定检验仪器的内部噪声利用基线场进行仪器检定二、其它设备的检定基座的检定尺的检定,GPS网的设计一、GPS基线向量网的布网形式,跟踪站式会战式多基准站式同步图形扩展式单基准站式,1.跟踪站式的布网,形式：若干台接收机长期固定安放在测站上，进行常年、不间断的观测，即一年观测365天，一天观测24小时，这种观测方式很象是跟踪站，因此，这种布网形式被称为跟踪站式（实际上就是跟踪站）。数据处理通常采用精密星历。优点：精度极高，具有框架基准特性。缺点：需建立专门的永久性建筑即跟踪站，观测成本很高。适用范围：一般用于建立GPS跟踪站（AA级网），永久性的的监测网（如用于监测地壳形变、大气物理参数等的永久性监测网络）。,2.会战式的布网,形式：在布设GPS网时，一次组织多台GPS接收机，集中在一段不太长的时间内，共同作业。在作业时，观测分阶段进行，在同一阶段中，所有的接收机，在若干天的时间里分别各自在同一批点上进行多天、长时段的同步观测，在完成一批点的测量后，所有接收机又都迁移到另外一批点上采用相同方式，进行另一阶段的观测，直至所有点观测完毕。优点：可以较好地消除SA等因素的影响，因而具有特高的尺度精度。适用范围：用于布设A、B级网。,3.多基准站式的布网,形式：若干台接收机在一段时间里长期固定在某几个点上进行长时间的观测，这些测站称为基准站，在基准站进行观测的同时，另外一些接收机则在这些基准站周围相互之间进行同步观测。优点：各个基准站之间进行了长时间的观测，因此，可以获得较高精度的定位结果，这些高精度的基线向量可以作为整个GPS网的骨架。另外一方面，其余的进行了同步观测的接收机间除了自身间有基线向量相连外，它们与各个基准站之间也存在有同步观测，因此，也有同步观测基线相连，这样可以获得更强的图形结构。适用范围：C，D。,4.同步图形扩展式的布网,形式：多台接收机在不同测站上进行同步观测，在完成一个时段的同步观测后，又迁移到其它的测站上进行同步观测，每次同步观测都可以形成一个同步图形，在测量过程中，不同的同步图形间一般有若干个公共点相连，整个GPS网由这些同步图形构成。优点：扩展速度快，图形强度较高，且作业方法简单。适用范围：C，D。,5.单基准站（星形网）式的布网,形式：以一台接收机作为基准站，在某个测站上连续开机观测，其余的接收机在此基准站观测期间，在其周围流动，每到一点就进行观测，流动的接收机之间一般不要求同步，这样，流动的接收机每观测一个时段，就与基准站间测得一条同步观测基线，所有这样测得的同步基线就形成了一个以基准站为中心得星形。优点：效率高。缺点：图形强度弱适用范围：D，E。,二、同步图形的连接方式及相关概念,点连式边连式网连式混连式独立基线与非独立基线同步环与异步环,1.点连式,形式：相邻的同步图形间只通过一个公共点相连。优点：作业效率高，图形扩展迅速。缺点：图形强度低，如果连接点发生问题，将影响到后面的同步图形。,2.边连式,形式：相邻的同步图形间有一条边（即两个公共点）相连。优点：作业效率较高，图形强度较强。,3.网连式,形式：相邻的同步图形间有3个（含3个）以上的公共点相连。优点：图形强度最强。缺点：作业效率低。,4.混连式,形式：相邻的同步图形间以点连式、边连式、网连式等混合构成。优点：构网图形灵活机动，便于组织。缺点：作业效率一般，精度不均匀。,三、快速静态布网方式,星型布网法双基准菱形布网法双基准鱼形布网法,四、GPS基线向量网的设计指标,效率指标可靠性指标精度指标费用指标,1.效率指标,Smin：最少观测时段数；R：每个点的最少重复观测期数；n：点数；m：仪器数。,Sd：设计观测时段数。,2.可靠性指标,lr：多余独立观测基线数；lt：总独立观测基线数。,3.精度指标,相邻点距离中误差。点位中误差。采用协因数矩阵Q或与其有关的一些指标来衡量。,五、GPS基线向量网的设计原则1.选点的原则,为保证对卫星的连续跟踪观测和卫星信号的质量，要求测站上空应尽可能的开阔，在1015高度角以上不能有成片的