GPS静态测量论文

包头铁道职业技术学院毕业设计论文I摘要GPS定位的基本原理是以GPS卫星至用户接收机天线之间的距离（或距离差）为观测量，根据已知的卫星瞬时坐标，利用空间距离后方交会，确定用户接收机天线所对应的观测站的位置。GPS静态定位指接收机在定位过程中位置静止不动，包含绝对定位和相对定位两种方式。无论是静态绝对定位还是静态相对定位，所依据的观测量都是卫星到观测站的伪距，根据观测量的不同，静态定位又可分为测码伪距静态定位和测相伪距静态定位。基于载波相位测量的静态相对定位，是目前精度最高的一种方式。关键词GPS、后方交会、静态定位、伪距、精度包头铁道职业技术学院毕业设计论文II目录摘要IGPS简介错误未定义书签。第1章静态定位概述3第2章静态绝对定位原理421伪距观测方程的线性化422伪距法绝对定位的解算423用载波相位观测值进行静态绝对定位5第3章静态相对定位原理631观测量的线性组合632观测方程的线性化及平差模型6第4章整周未知数的确定方法941经典静态相对定位法确定整周未知数942交换天线法确定整周未知数1043P码双频技术确定整周未知数10第5章周跳分析1251利用单差观测值的高次差探测与修复周跳1252利用双差观测值的高次差探测与修复周跳1253利用平差后的残差探测与修复周跳13致谢14参考文献15包头铁道职业技术学院毕业设计论文III包头铁道职业技术学院毕业设计论文1GPS简介GPS是英文GLOBALPOSITIONINGSYSTEM（全球定位系统）的简称，而其中文简称为“球位系”。GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98的24颗GPS卫星星座己布设完成。在机械领域GPS则有另外一种含义产品几何技术规范GEOMETRICALPRODUCTSPECIFICATIONS简称GPS。另外一种解释为G/S（GBPERS）GPS系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统（TRANSIT），1958年研制，64年正式投入使用。该系统用5到6颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球13次，并且无法给出高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。然而，子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为GPS系统的研制埋下了铺垫。由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。为此，美国海军研究实验室（NRL）提出了名为TINMATION的用12到18颗卫星组成10000KM高度的全球定位网计划，并于67年、69年和74年各发射了一颗试验卫星，在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统，这使GPS系统精确定位的基础。而美国空军则提出了621B的以每星群4到5颗卫星组成3至4个星群的计划，这些卫星中除1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为24H的倾斜轨道该计划以伪随机码（PRN）为基础传播卫星测距信号，其强大的功能，当信号密度低于环境噪声的1时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是GPS系统得以取得成功的一个重要基础。海军的计划主要用于为舰船提供低动态的2维定位，空军的计划能供提供高动态服务，然而系统过于复杂。由于同时研制两个系统会造成巨大的费用而且这里两个计划都是为了提供全球定位而设计的，所以1973年美国国防部将2者合二为一，并由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局（JPO）领导，还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。该机构成员众多，包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表。最初的GPS计划在联合计划局的领导下诞生了，该方案将24颗卫星放置在互成120度的三个轨道上。每个轨道上有8颗卫星，地球上任何一点均能观测到6至9颗卫星。这样，粗码精度可达100M，精码精度为10M。由于预算压缩，GPS计划不得不减少卫星发射数量，改为将18颗卫星分布在互成60度的6个轨道上。然而这一方案使得卫星可靠性得不到保障。1988年又进行了最后一次修改21颗包头铁道职业技术学院毕业设计论文2工作星和3颗备用星工作在互成30度的6条轨道上。这也是现在GPS卫星所使用的工作方式。GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。GPS的空间部分是由24颗卫星组成（21颗工作卫星；3颗备用卫星），它位于距地表20200KM的上空，均匀分布在6个轨道面上（每个轨道面4颗），轨道倾角为55。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能在卫星中预存导航信息，GPS的卫星因为大气摩擦等问题；随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。地面控制系统由监测站MONITORSTATION）、主控制站（MASTERMONITORSTATION）、地面天线（GROUNDANTENNA）所组成，主控制站位于美国科罗拉多州春田市（COLORADOSPRING）。地面控制站负责收集由卫星传回之讯息，并计算卫星星历、相对距离，大气校正等数据用户设备部分即GPS信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。其次则为使用者接收器，现有单频与双频两种，但由于价格因素，一般使用者所购买的多为单频接收器。注以上资料来自百度百科，仅供参考包头铁道职业技术学院毕业设计论文3第1章静态定位概述在定位过程中，接收机的位置是固定的，处于静止状态，这种定位方式称之为静态定位，根据参考点的位置不同，静态定位又包括绝对定位和相对定位两种方式。绝对定位（也叫单点定位）以卫星与观测站之间的距离（距离差）观测为基础，根据已知的卫星瞬时坐标，来确定观测站的位置，其实质就是测量学里面的空间后方交会。由于卫星钟与接收机钟难以保持严格同步，所测站星距离均包含了卫星钟与接收机钟不同步的影响，故习惯的称之为伪距。卫星钟差可以根据导航电文中的参数进行改正，而接收机钟差通常难以确定。一般将接收机钟差作为未知参数，与观测站的坐标一并求解。因此，进行绝对定位在一个观测站至少需要同步观测4颗卫星才能求出观测站三维坐标分量与接收机钟差4个未知参数。当接收机处于静止状态下，用于确定观测站绝对坐标的方法称之为静态绝对定位。这时，由于可以连续的测定卫星至观测站的伪距，所以可获得充分多余观测量，相应的可以提高定位的精度。单点定位没有测站的同步数据可以比较，大气折光、卫星钟差等误差项就无法通过同步观测的线性组合加以消除或减弱，只能依靠相应的模型来修正。因此，静态绝对定位目前只能达到厘米级精度。静态相对定位，就是将多台GPS接收机安置在不同的观测站上，保持各接收机固定不动，同步的观测相同的GPS卫星，以确定各观测站在WGS84坐标系中的相对位置或基线向量的方法。在多个观测站同步观测相同卫星的情况下，卫星轨道误差、卫星钟差、接收机钟差、电离折射误差和对流层折射误差等，对观测量的影响具有一定的相关性，所以，利用这些观测量的不同组合进行相对定位，便可有效的消除或减弱上述误差的影响，从而提高相对定位的精度。静态相对定位一般采用载波相位观测量作为基本观测量，这一点位方法，是目前GPS定位中精度坐高的一种。包头铁道职业技术学院毕业设计论文4第2章静态绝对定位原理静态绝对定位以卫星至观测站的伪距为观测量，根据已知卫星的瞬时坐标，同步观测至少4颗卫星来确定观测站的位置。静态绝对定位要求接收机静止不动，静止不动意味着在一个待测点上可获取更多的观测量，一般来说多余的观测量越多，相对定位的精度就越高。21伪距观测方程的线性化将任一个历元的卫星J至测站K的伪距观测方程展开成台劳级数取一次项即可。000TXYZ,TXYZ分别为测站坐标的近似值与改正数，TK为接收机钟差，令0000000002221/20000/JJJXSJJJYSJJJZSJJJJSSSDDXXXLDDYYYMDDZZZNXXYYZZ式中则伪距观测方程的线性化形式为JJJJTKZYXJJJJTCCNML21022伪距法绝对定位的解算对任一历元同步观测的四颗卫星J1,2,3,4,令TKC，则方程组形式如下215111144241433231322221211211144433322211140302010TCTCTCTCNMLNMLNMLNMLZYX包头铁道职业技术学院毕业设计论文5TIJJJJJJZYXILLLLLTCLXNMLNMLNMLNMLAT43210214443332221111111令则（521）式可简写为2250IILXA当同步观测的卫星数多于四颗时，则可组成误差方程式235IIILXAV按最小二乘法解算2451ITIITILAAAX权系数阵2551ITIXAAQ未知数的中误差为2650IIXQM静态定位多个历元的方程组成了一个大的方程组，还是按最小二乘法求解即可，不过要注意接收机钟差随时间的变化如何处理。23用载波相位观测值进行静态绝对定位应用载波相位观测值进行静态绝对定位需加入电离层、对流层改正，探测出周跳并修复，并且固定整周未知数，解算的结果高于伪距绝对定位。包头铁道职业技术学院毕业设计论文6第3章静态相对定位原理相对定位又称为差分定位，这种定位模式采用两台以上的接收机，同时对一组相同的卫星进行观测，以确定接收机天线间的相互位置关系。静态相对定位一般均采用载波相位观测值（或测相伪距）为基本观测量，对中等长度的基线（100500KM），相对定位精度可达106107甚至更好。31观测量的线性组合假设安置在基线两端点的接收机1、2，在历元TI和TI1对GPS卫星K和J进行了同步观测，可以得到如下的载波相位观测量121121IJIJIKIKTTTT和，和目前普遍采用的差分组合形式有三种1单差（SINGLEDIFFERENCESD）在不同观测站，同步观测相同卫星所得观测量之差。表示为12211221539KKKIIIJJJIIISDTTTSDTTT对TI1历元可列出类似的单差观测值。2双差（DOUBLEDIFFERENCEDD）在不同观测站，同步观测同一组卫星，所得单差之差。符号表示为4151212121212IKIKIJIJIKIJIKJTTTTTSDTSDTDD对TI1历元可列出类似的双差观测值。3三差（TRIPLEDIFFERENCETD）于不同历元，同步观测同一组卫星，所得观测量的双差之差。表达式为12112112,542KJKJKJIIIITDTTDDTDDT载波相位原始观测量的不同线性组合，都可作为相对定位的相关观测量。32观测方程的线性化及平差模型包头铁道职业技术学院毕业设计论文7首先将前面所述的载波相位测量的观测方程线性化，设测站K的坐标近似值向量为0000KKKKZYXX，其改正数向量为KKKKZYXX，则其线性化形式为0543KJJJJJKKKKKKKXTLTMTNTYZ1单差观测方程的误差方程式模型将上式代如单差观测值模型,得其相应的误差方程为222222548JJJJJJXFVTLTMTNTYFTTNLTCZ式中121020TSDTTCFLJJJJ。若两观测站同步观测卫星数为NJ，则误差方程组为111212122222222222212121221TLTLTLNNNTTFZYXTNTMTLTNTMTLTNTMTLCFTVTVTVJJJJJJNNNNNN若进一步假设同步观测同一组卫星的历元数为NT，同理可列出相应的误差方程组。按最小二乘法求解未知参数。2双差观测方程的误差方程式模型模型两观测站，同步观测卫星和SK，并以SJ为参考卫星，同理可求得双差观测方程的误差方程式为222222552KKKKKKXFVTLTMTNTYNLTCZ若同步观测卫星数为NJ，基线两端同步观测同一组卫星的历元数为NT，则相应的误差方程组为包头铁道职业技术学院毕业设计论文8TNTTNTTNTTNTTVTVTVTLTLTLTBTBTBTATATA212121212VLBALNXBAV相应的法方程式及其解可表示为210555,TTTNXNXXNXNUNABPABUABPL包头铁道职业技术学院毕业设计论文9第4章整周未知数的确定方法当卫星于TO历元被跟踪后，多普勒整周计数值NIJTTO可由接收机自动连续计数，因此，载波相位观测量中的IJTNIJTTO可视为已知量，于是，在利用载波相位观察量进行精密定位时，整周未知数NIJTO的确定便成为一个关键的问题。准确和快速地解算整周未知数，对于确保相对定位的高精度，缩短观测时间以提高作业效率，开拓高精度动态定位新方法，都具有极重要的意义。近年来广大从事GPS定位测量的科技工作者，对快速解算（甚至动态解算）整周未知数的问题，进行了广泛深入的研究，取得了丰硕成果，大大拓宽了GPS的应用领域。41经典静态相对定位法确定整周未知数这种方法早在20实际80年代就出现了。它是将整周未知数N（TO）作为待定参数，在平差计算中与其他未知参数（如XI、YI、ZI等）一并求解的方法。一般是由载波相位观测值组成双差观测方程，并对观测方程进行线性化，得到误差方程，则该误差方程中仅包含待定侧站的三个坐标改正数XI、YI、ZI以及整周未知数的线性组合NK这四个未知数。理论上，在两个或多个观测站同步观测4颗以上卫星的情况下，至少需要观测2个历元即可平差解算出整周未知数。但是，如果同步观测的时间太短，所测卫星的几何分布变化太小，也就是说观测站至卫星的距离变化太小，这会降低不同历元观测结果的作用，在平差计算中，将使法方程性质变坏，影响解的可靠性，因此，利用这种方法确定整周未知数一般需要较长的观测时间（几十分钟至几小时）。由于这种方法解算精度高，常用于静态相对定位中，尤其是长距离静态相对定位中。在平差计算中，整周未知数的取值一般有两种情况，整数解（或固定解）和实数解（或浮动解、非整数解）。1整数解（或固定解）。整周未知数具有整数的特性，但由于各种误差的影响，通过上述平差解得的整周未知数一般并非为整数，这时，可将其固定为整数，并作为已知量带入原观测方程重新平差，解算其他待定参数。这种方法，只有当观测误差和外界误差对观测值影响较小的情况下才有效，一般常用于短基线的相对定位。包头铁道职业技术学院毕业设计论文102实数解（或浮动解、非整数解）。当联测基线较长时，误差的相关性降低，如果外界误差的影响较大，在两测站间求差分时，就不能较好的消除或削弱这些误差的影响，其残差将使所确定的整周未知数精度降低。这时，我们不再考虑整周未知数的整数特性，而取其实际解算值实数解作为最后解。在长基线相对定位中，常采用这种方法。42交换天线法确定整周未知数在观测工作开始前，先将一台接收机安置在固定参考站（基准站）上，另一台接收机安置在相距510M的任一天线交换点上，同步观测若干历元（如28个历元）后，将两台接收机的天线从三脚架上小心取下并互换位置，且在互换位置的过程中保持对卫星的连续跟踪，重新同步观测若干历元后，再按相同步骤把两台结合搜集的天线恢复到原位置。这时，把固定参考站的天线交换点间的基线向量作为起始基线向量，并利用天线交换前后的同步观测量求解起始基线向量，进而确定整周未知数，这一方法，称为交换天线法。该方法解算整周未知数时间较短、精度较高，因而在准动态相对定位中得到应用。43P码双频技术确定整周未知数由于码相位观测不受整周未知数的影响，所以，通过码相位于载波相位观测量的综合处理，在理论上，便提供了一种确定载波相位整周未知数的可能性。若在进行载波相位测量的同时，又进行码相位测量，则测码伪距观测方程式与测相伪距观测方程式两者求差便可得整周未知数。由于码相位观测量的精度较低，同时，由于电离层的弥散性质，其对码信号与载波信号传播的影响不相同，即便采用P码与载波相位观测量直接比较，仍难以满足确定整周未知数的精度。因此，不能简单利用P码的原始测量与载波信号观测量直接相比较求解整周未知数，而必须先进行适当变换，即进行线性组合。所谓P码双频技术，就是将L1和L2载波相位观测值进行某种线性组合，使其变成一种波长较长的组合波宽波（或称宽巷），而将调制于载波L1和L2上的P码相位观测值，组合成虚拟P码窄巷相位观测值，然后将这两种组合后的相位观测值进行综合包头铁道职业技术学院毕业设计论文11处理，来求解整周未知数的方法。采用P码双频技术确定整周未知数只需观测一个历元，因此，该方法可实现整周未知数的实时结算，这对缩短相对定位的观测时间、提高作业效率、开拓其在动态相对定位中欧冠的应用具有十分重要的意义。但是，目前由于P码的保密性，使这一方法的普遍应用受到了限制。包头铁道职业技术学院毕业设计论文12第5章周跳分析前已述及，任意时刻的载波相位实际观测量是由两部分组成的一部分是不足整周额部分，能以极高的精度测定另一部分是整周计数部分，只要接收机对卫星信号的跟踪不中断（失锁），接收机便会自动给出在跟踪期间载波相位整周的变化。但是，实际工作中，往往由于某种原因，如卫星信号被暂时阻挡或外界干扰等因素的影响，引起卫星跟踪的暂时中断。这样一来，接收机对整周的计数也会随之中断。虽然当接收机恢复对该卫星的跟踪后，所测相位的小数部分将不受跟踪中断的影响，仍是连续的，但整周计数，由于失去了在失锁期间载波相位变化的整周期，便不再连续了，而且使其后的相位观测量均含有相同的整周误差。这就是所谓的整周跳变现象，简称周跳。发生周跳并不会影响载波相位观测量的不足整周部分的正确性，如果能探测出在何时发生周跳并求出丢失的整周数的话，我们就有可能对中断后的整周计数进行改正，将其恢复为正确计数，这一工作成为整周跳变的探测与修复。在GPS定位工作中，周跳的产生是难免的，特别是随着观测时间的延长，周跳会显著影响定位成果的精度。因此，在对观测数据进行平差处理前，必须对其中可能存在的周跳加以探测与修复。51利用单差观测值得高次差探测与修复周跳由于同步观测的多颗卫星所获得的载波相位观测值中包含了相同的接受机振荡器的随机误差影响，在卫星间求差后即可消除此项误差的影响。消除了接收机振荡器随机误差影响的单差观测值的高次差，一般残留下的值很小，就有可能发现与卫星有关的较小周跳。发现周跳后，即可利用高次