GPSppt-7定位基本原理

1、GPS原理及其应用原理及其应用GPS测量定位方法分类测量定位方法分类u定位模式定位模式 绝对定位（单点定位）绝对定位（单点定位） 相对定位相对定位 差分定位差分定位u定位时接收机天线的运动状态定位时接收机天线的运动状态 静态定位：天线相对于地球坐标系静止静态定位：天线相对于地球坐标系静止 动态定位：天线相对于地球坐标系运动动态定位：天线相对于地球坐标系运动 准动态定位：搬站过程中保持信号连续观测准动态定位：搬站过程中保持信号连续观测u获得定位结果的时效获得定位结果的时效事后定位事后定位实时定位实时定位u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GPS测量定位方法分类测量定位方

2、法分类u单点定位单点定位u相对定位相对定位u差分差分GPSGPS主要内容主要内容7.1 GPS单点定位的概念单点定位的概念GPS单点定位的几何原理单点定位的几何原理GPS单点定位的求解单点定位的求解GPS单点定位小结单点定位小结我在哪我在哪里？里？航空摄影摄区航空摄影摄区1、GPS单点单点定位的概念定位的概念u GPS单点单点定位是指根定位是指根据卫星星历以及据卫星星历以及单台单台GPS接收机接收机观测值来观测值来确定测站点在确定测站点在WGS84坐标系坐标系中绝对坐标的中绝对坐标的方法，也称为绝对定方法，也称为绝对定位。位。O（0,0,0）XYZ（X,Y,Z）（XS,YS,ZS）优点：优点：

3、一台接收机单独定位，观测简单，一台接收机单独定位，观测简单，可瞬时定位可瞬时定位缺点：缺点：精度主要受系统性偏差的影响，定位精度低精度主要受系统性偏差的影响，定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、.u 在在待测点上设站待测点上设站，向，向3个或个或3个以上已知点进行角个以上已知点进行角度观测，通过后方交会方法求出待测点的坐标。度观测，通过后方交会方法求出待测点的坐标。平面后方交会方法回顾平面后方交会方法回顾2 1 3 1 2 2、GPS单点单点定位的几何原理定位的几何原理u观测一颗卫星观测一颗卫星测站位于以卫星位置为球心，测站位于以卫星位置为球心，站

4、星距离为半径的球面上。站星距离为半径的球面上。2121211)()()(ZZYYXXR(X1,Y1,Z1,)(X,Y,Z,)2、GPS单点单点定位的几何原理定位的几何原理u观测两颗卫星观测两颗卫星做两个球面做两个球面两球面相交为一个圆两球面相交为一个圆测站位于圆上测站位于圆上2121211)()()(ZZYYXXR2222222)()()(ZZYYXXR(X2,Y2,Z2,)(X1,Y1,Z1,)2、GPS单点单点定位的几何原理定位的几何原理u观测三颗卫星观测三颗卫星做三个球面做三个球面三个球面相交为两点三个球面相交为两点测站位于其中一点上测站位于其中一点上(X3,Y3,Z3,)(X2,Y2,

5、Z2,)(X1,Y1,Z1,)2121211)()()(ZZYYXXR2222222)()()(ZZYYXXR2323233)()()(ZZYYXXR2、GPS单点单点定位的几何原理定位的几何原理uGPS单点定位方法的实质是单点定位方法的实质是空间距离后方交会空间距离后方交会观测一个站星距离观测一个站星距离观测两个站星距离观测两个站星距离观测三个站星距离观测三个站星距离观测三个站星距离地球观测三个站星距离地球球面球面圆圆两点两点一点一点3、GPS单点单点定位的求解定位的求解232323322222222121211)()()()()()()()()(ZZYYXXRZZYYXXRZZYYXXR

6、earthRZYX 222GPS卫星在卫星在“T”时刻发射信号时刻发射信号GPS接收机于接收机于“T+t”时刻接收到信号时刻接收到信号站星距离站星距离= = t t光速光速电离层电离层对流层对流层由于大气误差的影响，由于大气误差的影响，GPS卫星钟和卫星钟和GPS接收机钟接收机钟都含有误差，造成星站距离观测值并非星站几何距离。都含有误差，造成星站距离观测值并非星站几何距离。atmosSRatmosTtCtC )(atmosGPSSGPSRdTTdttC )()(_atmosGPSSGPSRdTCdtCTtC )(_atmosdTCdtCR atmosSSSdTCdtCYYYYXX 222)()

7、()(大气引起的误差卫星钟差接收机钟差测站坐标卫星坐标伪距观测值:),(:),(:atmosSSSdTdtZYXZYX atmosSSSdTZYX大气误差卫星钟差误差卫星坐标已知：),(dtZYX接收机钟差测站坐标求：),(X,Y,Z,dt)S1S2S3S444444333332222211111),( ,),( ,),( ,),( ,dTZYXdTZYXdTZYXdTZYX 442424244332323233222222222112121211)()()()()()()()()()()()(atmosatmosatmosatmosCdTCdtZZYYXXCdTCdtZZYYXXCdTCdt

8、ZZYYXXCdTCdtZZYYXX iatmosiiiiiCdTCdtZZYYXX 222)()()(给定待定点的初始坐标给定待定点的初始坐标 (X0,Y0,Z0)iatmosiiiiiiiiiCdTCdtdZRZZdYRYYdXRXXR 00000002020200)()()(ZZYYXXRiiii iiiiiiiiiRZZnRYYmRXXl000000, 令：令：)4 , 3 , 2 , 1(0 idTdtdZndYmdXlRiatmosiiiiii CdtiCdT 432143214443332221114030201043211111atmosatmosatmosatmosdTdTd

9、TdTdtdZdYdXnmlnmlnmlnmlRRRR 43214321403020104321444333222111,1111atmosatmosatmosatmosdTdTdTdTRRRRLdtdZdYdXXnmlnmlnmlnmlA 0 LXA LAX1 TTTdZdYdXZYXZYX)()()(000 natmosatmosatmosnnnnnndTdTdTdtdZdYdXnmlnmlnmlRRR 21212221110201021111 natmosatmosatmosnnnnnndTdTdTRRRLdtdZdYdXXnmlnmlnmlA 21210201021222111,111

10、观测到多颗卫星观测到多颗卫星LXAV LAA)(AXT1T40nmVVT120)(AADTXmTTTdZdYdXZYXZYX)()()(000 DOP（Dilution of Precision） GDOP Geometry Dilution of Precision PDOP Position Dilution of Precision TDOP Time Dilution of Precision HDOP Horizontal Dilution of Precision VDOP Vertical Dilution of Precision1 )(AAQT tttZtYtXZtZZZYZ

11、XYtYZYYYXXtXZXYXXqqqqqqqqqqqqqqqqQttZZYYXXqqqqGDOP ZZYYXXqqqPDOP ttqTDOP HHqVDOP EENNqqHDOP N,E,H为站心坐标系下的坐标分量为站心坐标系下的坐标分量DOP值与定位精度值与定位精度DOP值的性质值的性质DOP值与单点定位时，所观测卫星的数量值与单点定位时，所观测卫星的数量与分布有关，它所表示的是定位的几何条件与分布有关，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值越小，定位的几何条件越好为用户等效距离误差为位置中误差，其中，URAmPDOPURAmpospos GPSGPS单点定位计算过

12、程单点定位计算过程计算观测卫星的位置（计算观测卫星的位置（Xi,Yi,Zi）,卫星钟差卫星钟差dTi ,大气大气误差改正误差改正得到伪距观测值得到伪距观测值确定未知数初值（确定未知数初值（X0, Y0, Z0） 组成误差方程式组成误差方程式解求坐标未知数改正数解求坐标未知数改正数迭代计算，并检查是否收敛迭代计算，并检查是否收敛i信号发送时刻还是信号发送时刻还是信号接收时刻？信号接收时刻？信号发送时刻的卫星位信号发送时刻的卫星位置，在信号接收时刻地置，在信号接收时刻地球坐标系下的坐标。球坐标系下的坐标。i 4、GPS单点单点定位小结定位小结 GPS单点定位的实质是单点定位的实质是空间距离后方交会

13、空间距离后方交会； 要同时确定测站坐标和接收机钟差必须同时观要同时确定测站坐标和接收机钟差必须同时观测测四颗或四颗以上卫星四颗或四颗以上卫星； GPS单点定位求解测站坐标一般需要单点定位求解测站坐标一般需要迭代计算迭代计算。说明说明: :首历元计算时，初始值首历元计算时，初始值(0,0,0)，需迭代，需迭代3-5次次其后历元令其后历元令 ，迭代，迭代1-2次次iiXX 017.2 精密单点定位精密单点定位（PPP Precise Point Positioning）u特点特点主要采用载波相位观测值主要采用载波相位观测值采用精密卫星轨道和卫星钟差数据采用精密卫星轨道和卫星钟差数据采用复杂的数学模

14、型采用复杂的数学模型u定位精度定位精度厘米级厘米级u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载波相位单点定位的误差方程载波相位单点定位的误差方程iatmosiiiiiiNCdTCdtZZYYXX 222)()()(载波相位观测方程载波相位观测方程iatmosiiiiiiiiCdTNCdtdZndYmdXlV 0如果某个历元观测了如果某个历元观测了n颗卫星则颗卫星则误差方程个数为：误差方程个数为：n未知数个数为：未知数个数为：(4+n)是否可是否可解？解？静态情况下静态情况下k个历元里，每历元均观测了个历元里，每历元均观测了n颗相同的卫星颗相同的卫星误差方程个数为：误差方程个数为：k

15、n未知数个数为：未知数个数为：3+k+n什么情况什么情况下可解？下可解？kn (3+k+n)knknknknnkknknknknkkkkkkkkknnnnnnnnnnnnnnnnnCdTNCdtdZndYmdXlVCdTNCdtdZndYmdXlVCdTNCdtdZndYmdXlVCdTNCdtdZndYmdXlVCdTNCdtdZndYmdXlVCdTNCdtdZndYmdXlV 0111101111121222022222212121210122121212111110111111111111101111111111.误差方程式为误差方程式为: ；Tnkknknknkkknnnnnnknk

16、nnNNNdtdtdtdZdYdXXnmlnmlnmlnmlnmlnmlAvvvvvvLAX.001.00.0.01.00.000.10.0.00.10.000.01.0.00.01VV21211112222121211111111111221111 用矩阵形式表示为用矩阵形式表示为:nkknVVQDAAQLAAAX 3)()(T0201TT1T；解为： knknkknkkkknnnnnndtdtdtdtdtdtL0101120222210212211011111011111.7.3 相对定位相对定位 相对定位的概念相对定位的概念 相对定位的特点相对定位的特点 相对定位的观测方程相对定位的观测

17、方程 相对定位的类型相对定位的类型1、相对定位的概念相对定位的概念u定义：确定同步观测的定义：确定同步观测的接收机之间接收机之间相对位置相对位置的定的定位方法，称为相对定位。位方法，称为相对定位。u 定位结果定位结果 某一坐标系下的某一坐标系下的基线向量基线向量（坐标差）（坐标差） 基线向量中含有：基线向量中含有：2 2个方位基准个方位基准（一个水平方位，一个垂直方位）（一个水平方位，一个垂直方位）和和1 1个尺度基准，不含有位置基准个尺度基准，不含有位置基准2、相对定位的特点相对定位的特点u优点：优点：定位精度高定位精度高u缺点：缺点：多台接收机共同作业，作业复杂多台接收机共同作业，作业复杂

18、数据处理复杂数据处理复杂不能直接获取绝对坐标不能直接获取绝对坐标u应用应用高精度测量定位及导航高精度测量定位及导航3、观测方程观测方程 非差观测方程非差观测方程 单差观测方程单差观测方程 双差观测方程双差观测方程pjpjkjtpjjpjjpjjpjpjpipikitpiipiipiipipicVcVNdZndYmdXlcVcVNdZndYmdXlRR 00)()(pijpijijtpijijpijijpijijpijpijcVNdZndYmdXlR 0)(pijpqijpqijijpqijijpqijijpqijpqijNdZndYmdXl 0)(u 静态相对定位静态相对定位u 动态相对定位动

19、态相对定位u 准动态相对定位准动态相对定位4、相对定位的类型相对定位的类型1) 概念：概念：RTK(Real Time Kinematic)是一种利用是一种利用GPS载波相位观测值进行载波相位观测值进行实时动态相对定位实时动态相对定位的技术。的技术。2) 仪器设备仪器设备至少至少2台接收机台接收机数据通讯链（无线电台数据通讯链（无线电台2个）个）RTK软件软件3) 特点和用途特点和用途 在短时间内获得厘米级精度，广泛应用于图根控制测量、在短时间内获得厘米级精度，广泛应用于图根控制测量、施工放样、工程测量和地形测量施工放样、工程测量和地形测量5、RTK技术技术7.8 差分差分GPS差分差分GPS原理原理差分差分GPS的分类的分类差分差分GPS的新进展的新进展1、概述概述差分差分GPSGPS产生的原因：绝对定位精度不能满足要求产生的原因：绝对定位精度