GPS绝对定位课件

1、GPS测量定位发展情况测量定位发展情况1定位模式定位模式绝对定位绝对定位相对定位相对定位差分定位差分定位5天线的运动状态天线的运动状态静态定位静态定位动态定位动态定位相对于地相对于地固坐标系固坐标系3获得定位获得定位结果的时效结果的时效事后定位事后定位实时定位实时定位2观测值类型观测值类型伪距测量伪距测量载波相位测量载波相位测量非差定位非差定位4数据处理方式数据处理方式绝对定位绝对定位相对定位相对定位伪距单点定位伪距单点定位载波静态定位载波静态定位伪距差分定位伪距差分定位常规常规RTK广域差分定位广域差分定位非差精密单点定位非差精密单点定位网络网络RTK定位技术定位技术-X第一代第一代第二代第

2、二代第三代第三代第四代第四代GPS测量定位方法分类测量定位方法分类4.1单点定位单点定位单点定位简介单点定位简介 定义定义单独利用一台接收机确定待定点在地固坐单独利用一台接收机确定待定点在地固坐标系中绝对位置的方法。标系中绝对位置的方法。 定位结果定位结果 与所用星历同属一坐标系的绝对坐标。与所用星历同属一坐标系的绝对坐标。采用广播星历时属采用广播星历时属WGS-84采用采用IGS International GNSS Service精密星历时为精密星历时为ITRF International Terrestrial Reference Frames（常规测量中，测出的点位与控制点同属一（常规

3、测量中，测出的点位与控制点同属一个坐标系原理类似）个坐标系原理类似）单点定位原理单点定位原理1234P (X, Y, Z) +P (X, Y, Z) +dTdT观测值：观测值：i i或或i i未知参数：未知参数：X,Y,Z,dTX,Y,Z,dT22211u1u1u22222u2u2u22233u3u3uxxyyzzxxyyzzxxyyzz22244u4u4uxxyyzzuuuctctctuct伪距单点定位伪距单点定位1. 1.伪距观测方程的线性化伪距观测方程的线性化 伪距观测方程的线性化形式为伪距观测方程的线性化形式为: : jjjjtkzyxjjjjtccnml210)(2/12020200

4、000000)()()(/ )()/(/ )()/(/ )()/(000ZZYYXXnZZdzdmYYdydlXXdxdjsjsjsjjjjszjjjsyjjjsx式中其中其中:电离层电离层延迟延迟对流层对流层延迟延迟卫星卫星鈡差鈡差伪距观伪距观测值测值2.2.伪距单点定位的解算伪距单点定位的解算 对任一历元同步观测的四颗卫星对任一历元同步观测的四颗卫星j=1,2,3,4, j=1,2,3,4, 令令 , , 则方程组形式如下：则方程组形式如下： tkc442414332313222212112111444333222111403020101111tctctctcnmlnmlnmlnmlzyx

5、TijjjjjjzyxiLLLLLtcLXnmlnmlnmlnmlAT43210214443332221111111令0iiLXA方程组简化为方程组简化为：解方程求解解方程求解2.2.伪距法绝对定位的解算伪距法绝对定位的解算当同步观测的卫星数多于四颗时，则可组成误差方程式：当同步观测的卫星数多于四颗时，则可组成误差方程式： iiiLXAV)()(1iTiiTiLAAAX最小二乘法最小二乘法求解求解1)(iTixAAQ协因数阵协因数阵iixqM0未知数的未知数的中误差中误差 伪距测量中误伪距测量中误差差 特点特点优点：一台接收机单独定位，观测简单，优点：一台接收机单独定位，观测简单，可瞬时定位可

6、瞬时定位缺点：精度主要受系统性偏差的影响，定缺点：精度主要受系统性偏差的影响，定位精度低位精度低 应用领域应用领域低精度导航、资源普查、军事、低精度导航、资源普查、军事、.伪距单点定位伪距单点定位3. 3.非差载波相位观测值单点定位非差载波相位观测值单点定位PPPPPP 难点：难点：进行周跳探测修复及整进行周跳探测修复及整 周模糊周模糊度的固定。度的固定。需要对各种误差进行修正需要对各种误差进行修正1234P (X, Y, Z) 观测值观测值：载波相位：载波相位i、伪距观测值、伪距观测值Pi卫星星历卫星星历：IGS精密卫星星历精密卫星星历卫星鈡差卫星鈡差：IGS精密卫星鈡差精密卫星鈡差单点定位

7、的误差源及应对方法单点定位的误差源及应对方法 卫星星历精密星历 卫星钟差精密钟差、地面跟踪 电离层延迟双频改正 对流层延迟模型改正)()(intttNpk)()()()()()(int)(0tTtItdtctttNcnmlpkpkporbpitkzyxjjjj)()()()()(0tTtItdtctcnmlpkpkporbptkzyxjjjj1. 1.观测方程的线性化观测方程的线性化 2/12020200000000)()()(/ )()/(/ )()/(/ )()/(000ZZYYXXnZZdzdmYYdydlXXdxdjsjsjsjjjjszjjjsyjjjsx式中P伪距伪距载波载波其中：

8、其中：NoImage对任一历元同步观测的四颗卫星对任一历元同步观测的四颗卫星j=1,2,3,4,j=1,2,3,4,则方程组形式如下：则方程组形式如下： )()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()(int)()()()()()(int)()()()()()(int)()()()()()(int00000000000000000000000000004444433333222221111144444433333322222211111143214443332221114443332221114030201040302010tTtItdtctPtTtIt

9、dtctPtTtItdtctPtTtItdtctPtTtItdtcttttTtItdtcttttTtItdtcttttTtItdtctttNNNNcnmlcnmlcnmlcnmlcnmlcnmlcnmlcnmlPPPPkkorbkkorbkkorbkkorbkkorbkkorbkkorbkkorbtkzyx1. 1.观测方程的线性化观测方程的线性化 当某历元观测颗卫星时，需要列个方程。包含当某历元观测颗卫星时，需要列个方程。包含 个未知量。个未知量。2nn+4因此需要同步观测因此需要同步观测4颗以上卫星！颗以上卫星！2.2.的解算的解算当同步观测的卫星数多于四颗时，则可组成误差方程式：当同步观

10、测的卫星数多于四颗时，则可组成误差方程式： iiiLXAV)()(1iTiiTiLAAAX最小二乘法最小二乘法求解求解1)(iTixAAQ协因数阵协因数阵iixqM0未知数的未知数的中误差中误差 伪距测量中误伪距测量中误差差 精密单点定位精密单点定位PPP Precise Point Positioning特点特点 主要观测值为载波相位主要观测值为载波相位 采用精密的卫星轨道和钟数据采用精密的卫星轨道和钟数据 采用复杂的模型采用复杂的模型定位精度定位精度 亚分米级亚分米级用途用途 全球高精度测量全球高精度测量 卫星定轨卫星定轨4.2卫星几何分布及授时卫星几何分布及授时GPSGPS绝对定位的定位

11、精度主要取决于：绝对定位的定位精度主要取决于： 1) 1)卫星分布的几何图形卫星分布的几何图形 2) 2)观测量精度观测量精度权系数阵权系数阵Q Qx x ：44434241343332312423222114131211qqqqqqqqqqqqqqqqQx333231232221131211qqqqqqqqqQB空空间间直直角角坐坐标标形形式式大大地地坐坐标标形形式式RQRQxB333231232221131211sinsincoscoscos0cossincossinsincossinqqqqqqqqqQBLBLBLLBLBLBRX式中0 DOPMx等效距离误差等效距离误差精度因子精度因子

12、精度因子精度因子DOP(1/2)DOP(1/2)平面位置精度因子平面位置精度因子HDOP(horizontal DOP) 及其相应的平面位置精度及其相应的平面位置精度 02211HDOPMqqHDOPH高程精度因子高程精度因子VDOP(Vertical DOP) 及其相应的高程精度及其相应的高程精度 033VDOPMqVDOPV精度因子精度因子DOP(2/2)DOP(2/2)空间位置精度因子空间位置精度因子PDOP(Position DOP)及其相应及其相应的三维定位精度的三维定位精度 0332211PDOPMqqqPDOPP接收机钟差精度因子接收机钟差精度因子TDOP(Time DOP)及其

13、钟及其钟差精度差精度 044TDOPMqTDOPT几何精度因子几何精度因子GDOP(Geometric DOP)及其相应的中误差及其相应的中误差 02244332211)()(GDOPMTDOPPDOPqqqqGDOPG卫星几何分布对精度因子的影响卫星几何分布对精度因子的影响 精度因子与所测卫星的空间分布有关精度因子与所测卫星的空间分布有关 GDOP 1/VGDOP 1/V 六面体体积六面体体积V V 最大情形：一颗最大情形：一颗卫星处于天顶，卫星处于天顶，其余其余3 3颗卫星相颗卫星相距距1201200 0 DOP值值 DOP值与定位精度 DOP值的性质单点定位时，DOP值与所观测卫星的数量

14、与分布有关，它所表示的是定位的几何条件DOP值越小，定位的几何条件越好posposmURA PDOPmURA其中：为位置中误差，为用户等效距离误差。4.2.2 GPS授时授时 1.单测站测时 2.共视法测时RStttropionjijijiVcVcVVzzyyxx22211112121211RStttropioniiiVcVcVVzzyyxx22222222222RStttropioniiiVcVcVVzzyyxx4.3相对定位相对定位静态相对定位概述静态相对定位概述 定义定义确定进行同步观测的接收机之间确定进行同步观测的接收机之间相对位置的定位方法相对位置的定位方法 定位结果定位结果与所用星

15、历同属一坐标系的与所用星历同属一坐标系的基线基线向量向量（坐标差）及其精度信息（坐标差）及其精度信息p采用广播星历时属采用广播星历时属WGS-84WGS-84p采用采用IGS IGS 精密星历时为精密星历时为ITRFITRF基线向量中含有：基线向量中含有：2 2个方位基个方位基准（一个水平方位，一个垂直准（一个水平方位，一个垂直方位）和方位）和1 1个尺度基准，不含有个尺度基准，不含有位置基准位置基准静态相对定位概述静态相对定位概述 特点特点优点：定位精度高缺点： 多台接收共同作业，作业复杂 数据处理复杂 不能直接获取绝对坐标 应用应用高精度测量定位及导航相对定位相对定位4.3 4.3 静态相

16、对定位静态相对定位 参考站参考站未知站未知站至少两台接收机固至少两台接收机固定连续同步观测定连续同步观测 。采用载波相位观采用载波相位观测值（或测相伪距）测值（或测相伪距）为基本观测量。为基本观测量。 中等长度的基线（中等长度的基线（100-100-500km500km），相对定位精），相对定位精度可达度可达1010-6-6-10-10-7-7甚至更好甚至更好 单差（单差（Single-DifferenceSingle-DifferenceSDSD） )()()()()()(12121212ijijijikikiktttSDtttSDu站间单差：站间单差：消除了与卫星有关消除了与卫星有关的误差

17、：如卫星钟差的误差：如卫星钟差 站间距不大时可消站间距不大时可消除大部分大气误差除大部分大气误差 多测站时注意选取多测站时注意选取基站基站1. 1. 观测量的线性组合观测量的线性组合 t ti i时刻载波相位观测量：时刻载波相位观测量： kjtropkjionkjktjtkjjkjjkjjkjkjkitropkiionkiktitkiikiikiikikiVVcVcVNdZndYmdXlVVcVcVNdZndYmdXlSRSR)()()()()()()()(00pjpikjki和和,组单差观测方程：组单差观测方程： kjitropkjiionkjijitkjijikjijikjijikjiki

18、kjkjiVVcVNdZndYmdXlR,0,)()()(非差线性观测方程非差线性观测方程：双差（双差（Double-DifferenceDouble-DifferenceDDDD）u星际二次差：星际二次差：)()()()()()()(1212121212ikikijijikijikjtttttSDtSDtDD在一次差的基础进一步在一次差的基础进一步消除了与接收机有关的消除了与接收机有关的载波相位及其钟差项载波相位及其钟差项 注意选取基星注意选取基星 GPSGPS基线向量处理时常基线向量处理时常用的模型用的模型lkjitroplkjiionlkjilkjijilkjijilkjijilkjiljitropkjitropljiionkjiionljikjiljikjijiljikjijiljikjijiljikjikjiljilkjiVVNdZndYmdXlVVVVNNdZnndYmmdXll,0,0,0,)()()()()()