演示文稿5-GPS卫星定位基本原理

1、第五章第五章 GPS定位测量定位测量 * * 2 主要内容主要内容 概概 述述 G P S 定定 位位 测测 量量 分分 类类 G P S 定定 位位 的的 方方 法法 与与 观观 测测 量量 伪伪 距距 测测 量量 载载 波波 相相 位位 测测 量量 整整 周周 跳跳 变变 的的 修修 复复 G P S 绝绝 对对 定定 位位 与与 相相 对对 定定 位位 美美 国国 的的 G P S 政政 策策 差差 分分 G P S 定定 位位 原原 理理 G P S 测测 量量 误误 差差 的的 来来 源源 5.1 概述概述测距交会测距交会 如图所示，如图所示，A、B为坐标为坐标 已知的控制点，已知的

2、控制点，P为待求为待求 点，在点，在A、B两点已分别两点已分别 利用全站仪测了距离利用全站仪测了距离Sa和和 Sb。 222 222 ()() ()() apapa bpbpb Sxxyy Sxxyy 2021-7-17 3 无线电导航定位系统无线电导航定位系统 设想在地面上有三个无线电设想在地面上有三个无线电 信号发射台，其坐标为已知信号发射台，其坐标为已知 ，用户接收机在某一时刻采，用户接收机在某一时刻采 用无线电测距的方法分别测用无线电测距的方法分别测 得了接收机至三个发射台的得了接收机至三个发射台的 距离距离d1、d2、d3。只需以三。只需以三 个发射台为球心，以个发射台为球心，以d1

3、、d2 、d3为半径作出三个定位球为半径作出三个定位球 面，即可交会出用户接收机面，即可交会出用户接收机 的空间位置。的空间位置。 2021-7-17 4 无线电导航定位系统无线电导航定位系统 如果只有两个无线电如果只有两个无线电 发射台，则可根据用发射台，则可根据用 户接收机的概略位置户接收机的概略位置 交会出接收机的平面交会出接收机的平面 位置。位置。 2021-7-17 5 卫星激光测距系统卫星激光测距系统 近代卫星大地测量中的卫星激光测距定位也是应用了近代卫星大地测量中的卫星激光测距定位也是应用了 测距交会定位的原理与方法。虽然用于激光测距的卫测距交会定位的原理与方法。虽然用于激光测距

4、的卫 星是在不停地运动中，但总可以利用固定于地面上的星是在不停地运动中，但总可以利用固定于地面上的 三个已知点上的卫星激光测距仪同时测定某一时刻至三个已知点上的卫星激光测距仪同时测定某一时刻至 卫星的空间距离，应用测距交会的原理便可确定该时卫星的空间距离，应用测距交会的原理便可确定该时 刻卫星的空间位置。刻卫星的空间位置。 2021-7-17 6 一、卫星定位的基本原理 1、卫星的位置：靠地面监测站（点的坐标已知）， 地面监测站时刻监测卫星，测出二者之间的距离，然后由地 已知点的坐标交会出卫星的位置。 监测方法： 已知：（X,Y,Z）i， i=1,2,3 观测：1，2，3 计算：（X,Y,Z）

5、s 2、测站的位置： GPS 卫星发射测距信号 和导航电 文，导航电文中含 有卫星的位置信息。 监测方法： 如果测距无误差， 已知：（X,Y,Z）s， s=1,2,3 观测：1，2，3 计算：（X,Y,Z）p 3、卫星定位的基本原理 运用空间距离前方交会的方法求出卫星的位置。 运用空间距离后方交会的方法求测站点的位置。 观测值：距离 用距离交会的方法求解P点 的三维坐标（X，Y，Z）的观 测方程： 2121212 1 )()()(ZZYYXX 2222222 2 )()()(ZZYYXX 2323232 3 )()()(ZZYYXX GPS定位基本原理定位基本原理 将无线电信号发射台从地面将无

6、线电信号发射台从地面 电搬到卫星上，组成一颗卫电搬到卫星上，组成一颗卫 星导航定位系统，应用无线星导航定位系统，应用无线 电测距交会原理，便可由三电测距交会原理，便可由三 个以上地面已知点交会出卫个以上地面已知点交会出卫 星的位置，反之利用三颗以星的位置，反之利用三颗以 上卫星的已知空间位置又可上卫星的已知空间位置又可 交会出地面未知点的位置。交会出地面未知点的位置。 这便是这便是GPS卫星定位的基本卫星定位的基本 原理。原理。 演示动画 2021-7-17 10 GPS定位基本原理定位基本原理 GPS卫星发射测距信号和导航电文，导航电文含有卫卫星发射测距信号和导航电文，导航电文含有卫 星的位

7、置信息。用户用星的位置信息。用户用GPS接收机在某一时刻同时接接收机在某一时刻同时接 收三颗以上的卫星信号，测量出测站点收三颗以上的卫星信号，测量出测站点(接收机的天接收机的天 线中心线中心)P到三颗以上卫星的距离并解算出该时刻卫星到三颗以上卫星的距离并解算出该时刻卫星 的空间坐标，据此利用距离交会法解算出测站点的空间坐标，据此利用距离交会法解算出测站点P的的 位置。位置。 2021-7-17 11 GPS定位基本原理定位基本原理 如图所示，设在时刻如图所示，设在时刻t在测站点在测站点P用用GPS接收机同时接收机同时 测得测得P点至三颗点至三颗GPS卫星的距离，通过卫星的距离，通过GPS电文解

8、电文解 译出该时刻三颗译出该时刻三颗GPS卫星的三维坐标，用距离交会卫星的三维坐标，用距离交会 的方法求得的方法求得P点的三维坐标。点的三维坐标。 21 21 21 2 1 2222222 2 23 23 23 2 3 ()()() ()()() ()()() XXYYZZ XXYYZZ XXYYZZ 2021-7-17 12 GPS定位方法定位方法 GPS定位的方法是多种多样的，用户可以根据不定位的方法是多种多样的，用户可以根据不 同的用途采用不同的定位方法。同的用途采用不同的定位方法。GPS定位方法可定位方法可 依据不同的分类标准，作如下划分依据不同的分类标准，作如下划分: 2021-7-

9、17 13 1、根据定位所采用的观测值、根据定位所采用的观测值 1)伪距定位伪距定位 2)载波相位定位载波相位定位 2021-7-17 14 2、根据定位时接收机的、根据定位时接收机的 运动状态运动状态 静态定位静态定位 对于固定不动的待对于固定不动的待 定点，将定点，将GPS接收接收 机安装在上面，观机安装在上面，观 测数分钟乃至更长测数分钟乃至更长 的时间，以确定该的时间，以确定该 点的三维坐标。点的三维坐标。 2021-7-17 15 2、根据定位时接收机的、根据定位时接收机的 运动状态运动状态 动态定位动态定位 至少有一台接收至少有一台接收 机处于运动状态机处于运动状态 ，测定的是各观

10、，测定的是各观 测时刻运动中的测时刻运动中的 接收机的点位。接收机的点位。 2021-7-17 16 3.根据定位的模式根据定位的模式 绝对定位绝对定位 独立确定待定点独立确定待定点 在坐标系统中的在坐标系统中的 绝对位置的方法绝对位置的方法 称为绝对定位或称为绝对定位或 单点定位。单点定位。 2021-7-17 17 3.根据定位的模式根据定位的模式 相对定位相对定位 相对定位是确定同相对定位是确定同 步跟踪相同的步跟踪相同的GPS 卫星信号的若干台卫星信号的若干台 接收机之间的相对接收机之间的相对 位置的一种定位方位置的一种定位方 法。法。 2021-7-17 18 3.根据定位的模式根据

11、定位的模式 差分定位差分定位 在基准点上观测求得大气折射等改正，并及时发送在基准点上观测求得大气折射等改正，并及时发送 给流动站，流动站用收到的改正数对观测数据进行给流动站，流动站用收到的改正数对观测数据进行 改正，得精确点位。改正，得精确点位。 2021-7-17 19 4.根据获取定位结果的时间根据获取定位结果的时间 实时定位实时定位 实时定位是根据接收机观测到的数据，实时地解算实时定位是根据接收机观测到的数据，实时地解算 出接收机天线所在的位置。出接收机天线所在的位置。 2021-7-17 20 4.根据获取定位结果的时间根据获取定位结果的时间 非实时定位非实时定位 非实时定位又称后处理

12、定位，它是通过对接收机接非实时定位又称后处理定位，它是通过对接收机接 收到的数据进行后处理以进行定位的方法。收到的数据进行后处理以进行定位的方法。 2021-7-17 21 小结小结 2021-7-17 22 GPS定位测量的分类 （1）静态定位与动态定位 （2）单点定位和相对定位 （3）主动式测距和被动式测距 （4）用GPS定位的基本方法 5.2.GPS定位测量概述 23 GPS的定位实质： 把卫星视为“动态”的控制点，在已 知其瞬时坐标的条件下，进行空间距离 后方交会，确定用户接收机天线所处 的位置。 24 定位方式： v按接收机天线所处的状态不同 （1）静态定位 （2）动态定位 v按参考

13、点位置的不同 （1）单点定位 （2）相对定位。 25 GPS接收机在进行定位时，待定点 的位置相对其周围的点位没有发生变化 ，其天线位置处于固定不动的静止状态 。 26 在定位过程中，接收机位于运动着的 载体，天线也处于运动状态的定位。 27 （1）静态定位与动态定位 可靠性强，定位 精度高，在大地测量、 工程测量中得到了广 泛的应用，是精密定 位中的基本模式。 可测定一个动点 的实时位置、运动载 体的状态参数。如速 度、时间和方位等。 28 （2）单点定位与相对定位 在一个测站上同步观测4个伪 距观测值，求解出4个未知参数 （3个点位坐标分量和1个钟差系 数）。 29 采用两台以上的接收 机

14、同步观测相同的GPS 卫星，以确定接收机天 线间的相互位置关系的 一种方法。 （2）单点定位与相对定位 30 （3）主动式测距与被动式测距 用电磁波测距仪发射测距信号，通过 反射器反射回来，再由测距仪接收。 根据测距信号的传播时间求解距离 。 31 只要求仪器钟自身能在信号往、返 时间段中保持稳定，不影响测距精度。 （3）主动式测距与被动式测距 用户须发射信号，因而难以隐蔽自 己。对军事用户十分不利。 32 （3）主动式测距与被动式测距 发射站在规定时刻内准确发出信号，用 户根据自己的时钟记录信号到达时间，根 据时差t 求解距离。 33 （3）主动式测距与被动式测距 用户无需发射信号，便于隐蔽

15、自己；所 需装置也较简单，仅接收设备即可。 接收机钟和各卫星钟不能与GPS时间 系统保持绝对同步，由此所引起的钟差 对测距带来了影响。 34 （4）GPS定位的基本方法 卫星射电干涉测量 多普勒定位法 伪距定位法 载波相位测量 35 卫星射电干涉测量 利用GPS卫星射电信号具有白噪 声的特性，由两个测站同时观测一颗 GPS卫星，通过测量这颗卫星的射电 信号到达两个测站的时间差，可以求 得站间距离。 射电，即射电天文学，是通过观测天体的 无线电波来研究天文现象的一门学科。由于 地球大气的阻拦，从天体来的无线电波只有 波长约 1毫米到30米左右的才能到达地面， 迄今为止，绝大部分的射电天文研究都是

16、在 这个波段内进行的。射电天文学以无线电接 收技术为观测手段，观测的对象遍及所有天 体：从近处的太阳系天体到银河系中的各种 对象，直到极其遥远的银河系以外的目标。 白噪声是指在较宽的频 率范围内，各等带宽的频 带所含的噪声能量相等的 噪声。 36 卫星射电干涉测量 GPS卫星的信号强度比类星体的信号强度大10万倍，利用 GPS卫星射电信号具有白噪声的特性，由两个测站同时观测 一颗GPS卫星，通过测量 这颗卫星的射电信号到达两个测站 的时间差，可以求得站间距离。由于在进行干涉测量时，只 把GPS卫星信号当作噪声信号来使用，因而无需了解信号的 结构，所以这种方法对于无法获得P码的用户是很有引引力

17、的。其模型与在接收机间求一次差的载波相位测量定位模型 十分相似。 37 多普勒定位法 多普勒效应是多普勒效应是19421942年奥地利物理学家多普勒首先发现的。它的年奥地利物理学家多普勒首先发现的。它的 具体内容是：具体内容是： 当波源与观测者做相对运动时，观测者接收到的信号频率与波当波源与观测者做相对运动时，观测者接收到的信号频率与波 源发射的信号频率不相同。这种由于波源相对与观测者运动而引起源发射的信号频率不相同。这种由于波源相对与观测者运动而引起 的信号频率的移动称为多普勒频移，其现象称为多普勒效应。的信号频率的移动称为多普勒频移，其现象称为多普勒效应。 根据多普勒效应原理，利用GPS卫

18、星较高的发射频率，由 积分多普勒记数得出伪距差。当采用积分多普勒记数法进行测 量时，所需观测时间一般较常（数小时），同时，在观测过程 中接收机的震荡器要求保持高度稳定。 38 伪距定位法 在某一瞬间利用GPS接收机同时 测定至少四颗卫星的伪距，根据已 知的卫星位置和伪距观测值，采用 距离交会法求出接收机的三维坐标 和时钟改正数。 39 一次位的精度并不高，但定位速度快， 经几小时的定位也可达米级。 若再增加观测时间，精度还可以提高。 （3）伪距定位法 40 载波相位测量 把载波作为量测信号，对载波 进行相位测量可以达到很高的精度。 通过测量载波的相位而求得接收机 到GPS卫星的距离。 41 *

19、 42 5.3GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量 1、定位原理：、定位原理： 测距交会测距交会 2、进行定位的两个条件：、进行定位的两个条件： 测距信号测距信号 导航电文导航电文 利用测距信号确定站星距离利用测距信号确定站星距离 利用导航电文确定卫星位置利用导航电文确定卫星位置 * 43 一、概述一、概述 一个站星距离一个站星距离 测站位于以卫星为球心，测站位于以卫星为球心， 站星距离为半径的球面站星距离为半径的球面 上上 GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量概述概述 * 44 一、概述一、概述 两个站星距离两个站星距离 作两个球面作两个球面 两个球面相交为圆两个球面相交为圆 测

20、站位于圆圈上测站位于圆圈上 GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量概述概述 * 45 一、概述一、概述 三个站星距离三个站星距离 作三个球面作三个球面 三个球面两两相交于两三个球面两两相交于两 点点 测站位于其中一点测站位于其中一点 GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量概述概述 * 46 一、概述一、概述 GPS单点定位方法的实质是空间距离后方交会单点定位方法的实质是空间距离后方交会 一个站星距离一个站星距离 = 球面球面 两个站星距离两个站星距离 = 圆圆 三个站星距离三个站星距离 = 两点两点 三个站星距离三个站星距离 + 地球地球 = 一点一点 GPS定位的方法与观测量定位的方

21、法与观测量概述概述 * 47 一、概述一、概述 GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量概述概述 2121211 )()()(ZZYYXXR sss 2222222 )()()(ZZYYXXR sss 2323233 )()()(ZZYYXXR sss 阈值 earth RZYX 222 * 48 二、定位方法的分类二、定位方法的分类 1、按照参考点的不同位置分：、按照参考点的不同位置分： 绝对定位（单点定位）绝对定位（单点定位） 相对定位相对定位 2、按用户接收机在作业中所处状态分：、按用户接收机在作业中所处状态分： 静态定位静态定位 动态定位动态定位 另外在绝对定位和相对定位中，又都包含

22、静态与另外在绝对定位和相对定位中，又都包含静态与 动态两种形式。动态两种形式。 GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量定位方法的分类定位方法的分类 * 49 二、定位方法的分类二、定位方法的分类 3、按照测距原理分：、按照测距原理分： 伪距法定位伪距法定位 载波相位测量定位载波相位测量定位 差分差分GPS定位定位 GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量定位方法的分类定位方法的分类 * 50 三、观测量的基本概念三、观测量的基本概念 GPS卫星信号含有多种定位信息，根据不同的要卫星信号含有多种定位信息，根据不同的要 求，可以从中获得不同的观测量，其中主要包括：求，可以从中获得不同的观测量

23、，其中主要包括： 根据码相位观测得出的伪距根据码相位观测得出的伪距 根据载波相位观测得出的伪距根据载波相位观测得出的伪距 由积分多普勒计数得出的伪距差由积分多普勒计数得出的伪距差 由干涉法测量得出的时间延迟由干涉法测量得出的时间延迟 目前广泛采用的基本观测量主要有两种，即码相目前广泛采用的基本观测量主要有两种，即码相 位观测量和载波相位观测量。位观测量和载波相位观测量。 GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量观测量的基本概念观测量的基本概念 * 51 三、观测量的基本概念三、观测量的基本概念 所谓码相位观测，所谓码相位观测，即测量即测量GPS卫星发射的测距码信号卫星发射的测距码信号 （C/

24、A码或码或P码），到达用户接收机天线（观测站）的传码），到达用户接收机天线（观测站）的传 播时间，因此这种观测方法，也称为时间延迟测量。播时间，因此这种观测方法，也称为时间延迟测量。 只只 能用于单点绝对定位，如导航型能用于单点绝对定位，如导航型GPS接收机。接收机。 载波相位观测，载波相位观测，是测量接收机接收到具有多普勒频移是测量接收机接收到具有多普勒频移 的载波信号，与接收机产生的参考载波信号之间的相位差。的载波信号，与接收机产生的参考载波信号之间的相位差。 主要的应用是进行相对定位，如测地型主要的应用是进行相对定位，如测地型GPS接收机。接收机。 GPS定位的方法与观测量定位的方法与观

25、测量观测量的基本概念观测量的基本概念 * 52 三、观测量的基本概念三、观测量的基本概念 由于载波的波长远小于码的波长，所以在分辨率相同的情由于载波的波长远小于码的波长，所以在分辨率相同的情 况下，载波相位的观测精度远高于码相位的观测精度。况下，载波相位的观测精度远高于码相位的观测精度。 但是载波相位观测的主要问题是，它无法直接测定卫星载但是载波相位观测的主要问题是，它无法直接测定卫星载 波信号在传播路线上相位变化的整周数，因而存在波信号在传播路线上相位变化的整周数，因而存在整周不整周不 确定性问题确定性问题。另外，在接收机跟踪。另外，在接收机跟踪GPS信号进行观测的过信号进行观测的过 程中，

26、常常由于多种原因，还可能产生程中，常常由于多种原因，还可能产生整周跳变现象整周跳变现象。这。这 样一来，使得数据处理变得很复杂。样一来，使得数据处理变得很复杂。 GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量观测量的基本概念观测量的基本概念 * 53 三、观测量的基本概念三、观测量的基本概念 高精度高精度GPS基线向量的获取：基线向量的获取： 将两台将两台GPS接收机分别安置在两个不同的点上，同接收机分别安置在两个不同的点上，同 时观测卫星载波信号，利用载波相位差分观测值，消除或时观测卫星载波信号，利用载波相位差分观测值，消除或 削弱多种误差的影响，从而获得高精度削弱多种误差的影响，从而获得高精度

27、GPS基线向量。基线向量。 载波相位观测量的原始意义：载波相位观测量的原始意义： 它是卫星的载波信号与接收机参考信号之间的相位差。它是卫星的载波信号与接收机参考信号之间的相位差。 在实用上，采用原始相位观测值的各种线性组合（即差分）在实用上，采用原始相位观测值的各种线性组合（即差分） 作为观测量，以减弱各种误差。作为观测量，以减弱各种误差。 GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量观测量的基本概念观测量的基本概念 * 54 三、观测量的基本概念三、观测量的基本概念 由于全球定位系统采用由于全球定位系统采用单程测距原理单程测距原理，所以，要准确地测，所以，要准确地测 定卫星至观测站的距离，就必

28、须使卫星钟与用户接收机钟定卫星至观测站的距离，就必须使卫星钟与用户接收机钟 保持严格同步。但在实践中这是难以实现的。因此，实际保持严格同步。但在实践中这是难以实现的。因此，实际 上，通过上述码相位观测或载波相位观测所确定的卫星至上，通过上述码相位观测或载波相位观测所确定的卫星至 观测站的距离，都不可避免地会观测站的距离，都不可避免地会含有卫星钟和接收机钟非含有卫星钟和接收机钟非 同步误差的影响同步误差的影响。为了与上述的几何距离相区别，这种含。为了与上述的几何距离相区别，这种含 有钟差影响的距离，通常均称为有钟差影响的距离，通常均称为“伪距伪距”，并把它视为，并把它视为 GPS定位的基本观测量

29、。定位的基本观测量。 GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量观测量的基本概念观测量的基本概念 * 55 三、观测量的基本概念三、观测量的基本概念 伪距：伪距： GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离， 由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称 为伪距。为伪距。 测码伪距：测码伪距： 由码相位观测所确定的伪距。由码相位观测所确定的伪距。 测相伪距：测相伪距： 由载波相位观测所确定的伪距。由载波相位观测所确定的伪距。 GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量观测量的基本概念观测量的基本概

30、念 * 56 三、观测量的基本概念三、观测量的基本概念 GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量观测量的基本概念观测量的基本概念 接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距 地心 S i P ij Pj ri Rj Rj = r i +Pij 有关各观测量及已知数据如下：有关各观测量及已知数据如下： r 为已知的卫地矢量 P为观测量（伪距） R为未知的测站点位矢量 * 57 三、观测量的基本概念三、观测量的基本概念 GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量观测量的基本概念观测量的基本概念 接收机至卫星的距离借助于卫星发射的码信号量测并计算 得到的 接收机本身按同一公式

31、复制码信号 比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟的时间t 传播延迟时间乘以光速就是距离观测值=C t 卫星钟调制的码信号 接收机时钟复制的码信号 t t 5.4 伪距测量 目前广泛应用的基本观测量主要是码相位观测量 和载波相位观测量。 7/17/2021 由于卫星时钟、接收机时钟的误差以及无线电信号 经过电离层和对流层中的延迟，实际测出的距离与 卫星到接收机的几何距离有一定差值，因此一般称 量测出的距离为伪距。 用C/A码进行测量的伪距为C/A码伪距，用P码测量 的伪距为P码伪距。 伪距：定义为信号接收时间 与信号发射时间 之间的差异再乘以光速。 ( ) u t t ( ) () s tt

32、 7/17/2021 伪距伪距 7/17/2021 伪距定位观测方程 伪距观测方程： 简写成： 真实 距离 接收 机钟 差 卫星 钟差 电离 层延 时 对流 层延 时 伪距 测量 噪声 7/17/2021 伪距法定位是由GNSS接收机在某一时刻测出的到四 颗以上GNSS卫星的伪距以及已知的卫星位置，采用 距离交会的方法，求定接收机天线所在点的三维坐 标。 7/17/2021 载波相位测量是接收机测量接收到的载波信号，与接收机载波相位测量是接收机测量接收到的载波信号，与接收机 产生的参考载波信号之间的产生的参考载波信号之间的相位差相位差，通过相位差来求解接，通过相位差来求解接 收机位置。收机位置

33、。 由于载波的波长远小于码长，由于载波的波长远小于码长，C/AC/A码码元宽度码码元宽度293293m m，P P 码码 码元宽度码元宽度29.329.3m m，而而L1L1载波波长为载波波长为19.0319.03cmcm， L2 L2载波波长载波波长 为为24.4224.42cmcm，在分辨率相同的情况下，在分辨率相同的情况下， L1L1载波的观测误差载波的观测误差 约为约为2.02.0mmmm， L2 L2载波的观测误差约为载波的观测误差约为2.52.5mmmm。而而C/AC/A码观测码观测 精度为精度为2.92.9m m，P P码为码为0.290.29m m。 载波相位观测是目前最精确的

34、观测方法载波相位观测是目前最精确的观测方法。 5.5 载波相位测量载波相位测量 7/17/2021 载波相位差对应着距离差载波相位差对应着距离差 载波相位测量值是载波相位测量值是GPSGPS接收机所接收的卫星载波信号与接接收机所接收的卫星载波信号与接 收机本振参考信号的相位差。收机本振参考信号的相位差。 载波相位测量值载波相位测量值 载波相位测量观测方程 载波 波长 周整 模糊 度 这是利用载波相位进行定位的基本方程式； 电离层延时对码相位和载波相位的影响不同！ 强调：载波相位测量实际上是载波相位差的测量。 伪距 电离层 影响不 同 载波相位观测的主要问题：无法直接测定卫星载波信号在传 播路径

35、上相位变化的整周数，存在整周不确定性问题。 此外，在接收机跟踪GPS卫星进行观测过程中，常常由于接 收机天线被遮挡、外界噪声信号干扰等原因，还可能产生整 周跳变现象。 有关整周不确定性问题，通常可通过适当数据处理而解决， 但将使数据处理复杂化。 载波相位测量的主要问题 整周未知数与整周跳变 7/17/2021 整周未知数 确定整周未知数N是载波相位测量的一项重要工作， 常用的方法有下列几种： 1、伪距法 2、经典方法将整周未知数作为待定参数求解 3、多普勒法（三差法） 4、快速确定整周未知数法 7/17/2021 整周未知数 1、伪距法 伪距法是在进行载波相位测量的同时又进行了伪 距测量，将伪

36、距观测值减去载波相位测量的实际观 测值（化为以距离为单位）后即可得到N0。 但由于伪距测量的精度较低，所以要有较多的观 测值取平均值后才能获得正确的整波段数。 7/17/2021 整周未知数 2、经典方法 把整周未知数当作平差计算中的待定参数来加以估计 和确定。分两种方法： （1）整数解 由于误差影响，解得得整周未知数往往不是一个整 数，然后将其固定为整数，并重新进行平差计算。也 称为固定解（fixed solution） （2）实数解 当误差消除得不够完全时，整周未知数无法估计很准 确，此时直接将实数解作为最后解。也称为浮点解 （floating solution） 7/17/2021 整周

37、未知数 3、多普勒法（三差法） 由于连续跟踪的所有载波相位测量观测值中 均含有相同的整周未知数，所以将相邻两个观 测历元的载波相位相减，就将该未知数消去， 从而直接接触坐标参数，这就是多普勒法。 由于三差法可以消除许多误差，所以使用较 广泛。 7/17/2021 整周未知数 4、快速确定整周位置数法 1990年E.Frei和G.Beutler提出了快速模糊度 （即整周未知数）解算算法进行快速定位的方 法。采用这种方法进行短基线定位时，利用双 频接收机只需观测一分钟便能成功的确定整周 未知数。 7/17/2021 整周跳变 如果在跟踪卫星过程中，由于某种原因，如卫 星信号被障碍物挡住而暂时中断，

38、或受无线电信 号干扰造成失锁，这样计数器无法连续计数； 因此，当信号重新被跟踪后，整周计数就不正 确，但是不到一个整周的相位观测值仍是正确的， 这种现象称为周跳。 7/17/2021 整周未知数和整周跳变 周跳的出现和处理是载波相位测量中的重 要问题，整周跳变的探测与修复常用的方法 有下列几种方法： 1、屏幕扫描法（也就是手工编辑） 2、多项式拟合法 3、卫星间求差法 4、根据平差后的残差发现和修复整周跳变 关于周跳探测与回复的方法，此处不进行详 细介绍，可参见有关参考资料。 7/17/2021 伪距和载波相位是伪距和载波相位是GPS接收机的两个基本距离测接收机的两个基本距离测 量值，两者既明

39、显区别，又相互补充。量值，两者既明显区别，又相互补充。 伪距与载波相位测量方法的对伪距与载波相位测量方法的对 比比 伪距测量值 至少4颗可见卫星的伪距就可单点 定位 测量值较为粗略，误差达到几米级 别； 受多径影响大； 载波相位测量值 存在周整模糊度问题，无法独立测 距。 测量值平滑、精度很高，定位精度 可以达到mm级别； 受多径影响小； 相互补充 利用载波相位测量值来平滑伪距测量值； 利用伪距来辅助确定载波相位中的周整模糊度。 VS 7/17/2021 * 76 5GPS绝对定位与相对定位绝对定位与相对定位 * 77 一、概述一、概述 绝对定位绝对定位单点定位单点定位 WGS-84坐标坐标

40、静态定位：米级精度静态定位：米级精度 动态定位：动态定位：10-40米精度米精度 相对定位相对定位 相对坐标差相对坐标差 静态定位：精度静态定位：精度mm级级 动态定位：精度动态定位：精度cm级级 绝对定位与相对定位绝对定位与相对定位概述概述 * 78 二、静态绝对定位二、静态绝对定位 1、绝对定位的概念、绝对定位的概念 绝对定位，也叫单点定位，通常是指在协议地绝对定位，也叫单点定位，通常是指在协议地 球坐标系中，直接确定观测站相对于坐标系原球坐标系中，直接确定观测站相对于坐标系原 点（地球质心）绝对坐标的一种定位方法。点（地球质心）绝对坐标的一种定位方法。 绝对定位与相对定位绝对定位与相对定

41、位静态绝对定位静态绝对定位 * 79 二、静态绝对定位二、静态绝对定位 2、静态绝对定位静态绝对定位 接收机天线处于静止状态下，确定观测站点接收机天线处于静止状态下，确定观测站点 坐标的方法称为静态绝对定位。坐标的方法称为静态绝对定位。 绝对定位与相对定位绝对定位与相对定位静态绝对定位静态绝对定位 * 80 二、静态绝对定位二、静态绝对定位 3、几个概念：几个概念： 1.平面位置精度因子：平面位置精度因子：HDOP 2.高程精度因子：高程精度因子：VDOP 3.空间位置精度因子：空间位置精度因子：PDOP 4.接收机钟差精度因子：接收机钟差精度因子：TDOP 5.几何精度因子：几何精度因子：G

42、DOP 绝对定位与相对定位绝对定位与相对定位静态绝对定位静态绝对定位 * 81 三、静态相对定位三、静态相对定位 相对定位是用两台或两台以上相对定位是用两台或两台以上GPS接收机分别接收机分别 安置在不同的测站上，同步观测相同的安置在不同的测站上，同步观测相同的GPS卫卫 星，以确定基线端点的相对位置或基线向量。星，以确定基线端点的相对位置或基线向量。 绝对定位与相对定位绝对定位与相对定位静态相对定位静态相对定位 * 82 三、静态相对定位三、静态相对定位 利用不同观测值的线性组合（求差）进行相对利用不同观测值的线性组合（求差）进行相对 定位，有单差、双差、三差。求差过程可以有定位，有单差、双

43、差、三差。求差过程可以有 效地消除或减弱相关误差的影响，从而提高相效地消除或减弱相关误差的影响，从而提高相 对定位的精度。对定位的精度。 绝对定位与相对定位绝对定位与相对定位静态相对定位静态相对定位 * 83 6美国的美国的GPS政策政策 * 84 一、美国的一、美国的SA和和AS政策政策 1、GPS 系统针对不同用户提供两种不同类型的系统针对不同用户提供两种不同类型的 服务：服务： 1、标准定位服务、标准定位服务(SPSStandard Positioning Service) ； SPS采用明码广播，任何用户均可使用。采用明码广播，任何用户均可使用。 2、精密定位服务、精密定位服务(PPS

44、Precision PositioningService) 。 PPS供美国和选定的（授权的）盟军用户使用。供美国和选定的（授权的）盟军用户使用。 美国的美国的GPS政策政策美国的美国的SA和和AS政策政策 * 85 一、美国的一、美国的SA和和AS政策政策 2、SA技术和技术和AS技术技术 （1）SA技术技术选择可用性技术选择可用性技术 它是为控制非授权用户获得高精度实时定位的它是为控制非授权用户获得高精度实时定位的 一种方法。采用一种方法。采用和和技术实现。技术实现。 技术技术 是将卫星发送的是将卫星发送的GPS卫星轨道参数有意识地施卫星轨道参数有意识地施 加一个慢变偏移，使广播星历精度由

45、原来的加一个慢变偏移，使广播星历精度由原来的25m降低降低 到到100m，达到降低定位精度的目的。，达到降低定位精度的目的。 美国的美国的GPS政策政策美国的美国的SA和和AS政策政策 * 86 一、美国的一、美国的SA和和AS政策政策 2、SA技术和技术和AS技术技术 （1）SA技术技术选择可用性技术选择可用性技术 它是为控制非授权用户获得高精度实时定位的它是为控制非授权用户获得高精度实时定位的 一种方法。采用一种方法。采用和和技术实现。技术实现。 技术技术 是对卫星的基准频率（是对卫星的基准频率（10.23Hz）施加高频率抖动噪）施加高频率抖动噪 声信号。这些信号是随机，并受美国军方控制的

46、。声信号。这些信号是随机，并受美国军方控制的。 由于信号抖动产生测距误差和测速误差，使由于信号抖动产生测距误差和测速误差，使C/A码单码单 点定位由原来的点定位由原来的25m降低到降低到100m。 美国的美国的GPS政策政策美国的美国的SA和和AS政策政策 * 87 一、美国的一、美国的SA和和AS政策政策 2、SA技术和技术和AS技术技术 （2）AS技术技术反电子欺骗技术反电子欺骗技术 它是将它是将P码与更加保密的码与更加保密的W码模码模2相加形成相加形成Y码，码， 使得非授权用户无法接收使得非授权用户无法接收L2频率的频率的P码信号。码信号。 美国的美国的GPS政策政策美国的美国的SA和和

47、AS政策政策 * 88 二、二、GPS现代化计划现代化计划 内容内容包括：包括： 增加民用信号增加民用信号 改善现有信号改善现有信号 克服大气层效应克服大气层效应 改善地面设施改善地面设施 开发第三代开发第三代GPS卫星卫星 美国的美国的GPS政策政策GPS现代化计划现代化计划 * 89 三、针对三、针对SA和和AS政策的对策政策的对策 针对美国政府的针对美国政府的SA和和AS技术政策，应采用以下技术政策，应采用以下 几项措施：几项措施： 研究解密技术研究解密技术,破译破译P码或码或Y码码 研制接收双定位系统卫星信号接收机研制接收双定位系统卫星信号接收机 发展发展DGPS和和WADGPS差分差

48、分GPS系统系统 建立独立的建立独立的GPS卫星测轨系统卫星测轨系统 建立独立的卫星导航与定位系统建立独立的卫星导航与定位系统 美国的美国的GPS政策政策针对针对SA和和AS政策的对策政策的对策 * 90 7差分差分GPS定位原理定位原理 * 91 一、差分的基本概念一、差分的基本概念 观测值之间求差，消除公共误差，以提高定位精观测值之间求差，消除公共误差，以提高定位精 度。度。 1、在一个测站上对两个观测目标观测、在一个测站上对两个观测目标观测,将观测值求差将观测值求差; 2、在两个测站上对同一观测目标观测、在两个测站上对同一观测目标观测,将观测值求差将观测值求差; 3、在一个测站上对同一观

49、测目标两次观测求差。、在一个测站上对同一观测目标两次观测求差。 差分差分GPS定位原理定位原理差分的基本概念差分的基本概念 * 92 二、差分的作用二、差分的作用 GPS定位中，存在着三部分的误差：定位中，存在着三部分的误差： 1、多台接收机公有的误差：如卫星钟差、星历误差等；、多台接收机公有的误差：如卫星钟差、星历误差等； 2、传播延迟误差：如电离层误差、对流层误差；、传播延迟误差：如电离层误差、对流层误差； 3、接收机固有的误差：如内部噪声、通道延迟、多路、接收机固有的误差：如内部噪声、通道延迟、多路 径效应等。径效应等。 差分差分GPS定位原理定位原理差分的作用差分的作用 * 93 二、

50、差分的作用二、差分的作用 可以消去卫星钟的系统偏差可以消去卫星钟的系统偏差 可以消去接收机时钟的误差可以消去接收机时钟的误差 P i k P lj P ij Pj P l k Pk Sl Si 可以消去轨道（星历）误差的影响可以消去轨道（星历）误差的影响 可以削弱大气折射对观测值的影响可以削弱大气折射对观测值的影响 组成星际站际两次差分观测值组成星际站际两次差分观测值 差分差分GPS定位原理定位原理差分的作用差分的作用 * 94 三、差分三、差分GPS的种类的种类 区区 域域 差差 分；分； 广广 域域 差差 分。分。 差分差分GPS定位原理定位原理差分差分GPS的种类的种类 * 95 四、差

51、分技术提高定位精度的思路四、差分技术提高定位精度的思路 行行 观观 测，测， 根根 据据 基基 准准 站站 已已 知知 精精 密密 坐坐 标，标， 计计 算算 出出 基基 准准 站站 到到 卫卫 星星 的的 距距 离离 改改 正正 数，数， 并并 由由 基基 准准 站站 实实 时时 地地 将将 这这 一一 改改 正正 数数 发发 送送 出出 去。去。 用用 户户 接接 收收 机机 在在 进进 行行 G P S 观观 测测 的的 同同 时，时， 也也 接接 收收 到到 基基 准准 站站 的的 改改 正正 数，数， 并并 将将 其其 定定 位位 结结 果果 进进 行行 改改 正，正， 从从 而而

52、提提 高高 定定 位位 精精 度。度。 差分差分GPS定位原理定位原理差分技术提高定位精度的思路差分技术提高定位精度的思路 8.4 GPS8.4 GPS测量误差测量误差 7/17/2021 GPS测量误差来源及其影响 GPS测量通过地面接收设备接收卫星传送的信息 来确定地面点的三维坐标。 GPS定位中，影响观测量精度的主要误差来源分 为三类： 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。 7/17/2021 GPS测量误差分类及其对距离影响（单位：m） 按误差性质分类 按误

53、差性质可分为系统误差与偶然误差两类。 偶然误差主要包括信号的多路径效应; 系统误差主要包括卫星的星历误差、卫星钟差、接收机钟差以及 大气折射的误差等。 系统误差无论从误差的大小还是对定位结果的危害性都比偶然误 差要大得多，它是GPS测量的主要误差源。 系统误差有一定的规律可循，可采取一定的措施加以消除。 系统误差是由于仪器本身不精确、或实验方法粗略、或实验 原理不完善而产生的。 偶然误差是由各种偶然因素对实验者、测量仪器、被测物理量的 影响而产生的。 7/17/2021 8.4.1 与卫星有关的误差 （1）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

54、，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。 卫星钟的偏差一般可通过对卫星运行状态的连续监测精确地 确定，并用二阶多项式表示：tj=a0+a1(t-t0e)+a2(t-t0e)2。 式中的参数由主控站测定，通过卫星的导航电文提供给用户。 7/17/2021 （2）卫星轨道偏差： 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。 目前，通过导航电文所得的卫星轨道信息，相应的位

55、 置误差约20-40m。 随着摄动力模型和定轨技术的不断完善，卫星的位置 精度将可提高到5-10m。 卫星的轨道误差是当前GPS定位的重要误差来源之一。 7/17/2021 7/17/2021 相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的状态（运动 速度和重力位）不同而引起卫星钟和接收机钟之间产生 相对钟误差的现象。 一台在惯性坐标系中频率为f 的钟，安置在GPS卫星上 后，根据狭义相对论的观点将产生df1= -0.83510-10f 的频率偏差，根据广义相对论的观点，又将产生df2= 5.28410-10f 的引力频移，则总的相对论效应影响为 df= df1+ df2= 4.44910-10f。 克服相对论效应的简单方法是，在厂家在制造卫星钟 时预先将频率降低4.44910-10f，这样当卫星钟进入 轨道受到相对论效应的影响后，其频率正好变为标准 频率。 （3）相对论效应导致的误