第三章 GPS卫星定位原理

1、第三章第三章 GPS卫星定位原理卫星定位原理Slide 2OutlineGPSGPS定位的方法概述定位的方法概述绝对定位绝对定位相对定位相对定位差分定位差分定位Slide 3第一节概述uGPS定位基础回顾定位基础回顾uGPS定位原理定位原理uGPS定位方法概述定位方法概述Slide 4一、GPS定位基础回顾GPS系统组成系统组成卫星的运动和卫星星历卫星的运动和卫星星历GPS信号和观测值信号和观测值定位误差源定位误差源系统工作流程卫星位置卫地距离影响定位精度定位定位方法空间交会Slide 5二、GPS定位原理卫星广播卫星广播 精密的时间精密的时间 轨道信息轨道信息 卫星健康卫星健康接收机测量来自

2、卫星的时间接收机测量来自卫星的时间延迟，通过交会，获得：延迟，通过交会，获得： 位置位置 速度速度232323232222222221212121)()()()()()()()()(zzyyxxzzyyxxzzyyxxSlide 6三、GPS定位的方法概述根据使用的观测值根据使用的观测值： 伪距测量、载波相位测量根据测站的运动状态根据测站的运动状态 静态、动态根据观测方式根据观测方式 绝对定位、相对定位Slide 7第二节、伪距测量原理第二节、伪距测量原理GPS的测距码的测距码粗测码粗测码C/A码码精测码精测码P码码C/APp49Slide 81、伪随机噪声码测距、伪随机噪声码测距FromSa

3、telliteFrom ReceiverMeasure time difference betweenthe same part of code距离=速度*传播时间Slide 9伪距测量伪距测量)(ta)(tat时刻时刻tc ttt +t时刻时刻)(ta)(ttaSlide 10伪距测量伪距测量u卫星和接收机同时产生卫星和接收机同时产生PRN码码u卫星向地面发射，经传播时间卫星向地面发射，经传播时间 达到接收机达到接收机 时刻：时刻：u 时刻，接收机时刻，接收机u卫地距离卫地距离aa,t)(tat)()(tatatcsSlide 112、伪距观测方程、伪距观测方程1、钟差、钟差2、整周、整周3

4、、折射、折射tc Slide 12（1）钟差问题）钟差问题t)(tat)(tat标准时间标准时间jtt卫星时间卫星时间ktt接收机时间接收机时间jkttt观测值观测值ReceiverSatelliteTime deferenceSlide 13钟差影响钟差影响)(jkttcdt)(ta)(tta)(jtta)(tttakjktttSlide 14（2）整周对齐）整周对齐u卫地距离是多少？卫地距离是多少？uC/A码长是多少码长是多少?ReceiverSatelliteTime deferenceNTcdSlide 15（3）大气折射）大气折射电离层对流层50200kmkm卫星轨道卫星轨道2020

5、0kmtc tropiondiontropSlide 16伪距观测值伪距观测值对流层延迟电离层延迟卫星的钟差接收机的钟差真空中的光速离卫星到接收机的真实距的伪距观测值其中：tropionjktropionjkttcGPSttc)(Slide 17伪距观测方程伪距观测方程222)()()(ZZYYXXSSStropionjkSSStctcZZYYXX222)()()(tropionjkttc)(Slide 18伪距定位伪距定位空间后方交会，至少四颗卫星空间后方交会，至少四颗卫星Slide 19GPS定位原理定位原理 给定一颗卫星 可以确定我们的位置在一个球面上可以确定我们的位置在一个球面上Sli

6、de 20GPS定位原理定位原理 给定两颗卫星 可以确定我们的位置在两个球面相交的公共部分可以确定我们的位置在两个球面相交的公共部分Slide 21GPS定位原理定位原理 给定三颗卫星 可以确定我们的位置在三个球面相交的公共部分可以确定我们的位置在三个球面相交的公共部分Slide 22GPS定位原理定位原理 给定四颗卫星 可以确定我们的位置在四个球面相交的公共部分可以确定我们的位置在四个球面相交的公共部分Slide 23说明说明四个距离四个距离 = = 一个点一个点Note: Note: 第四个距离是不必要的第四个距离是不必要的但是，由于接收机时钟但是，由于接收机时钟误差需要确定，增加了误差需

7、要确定，增加了一个未知数，需要第四一个未知数，需要第四颗卫星颗卫星Slide 24伪距的特点小结伪距的特点小结u无模糊测距无模糊测距u可以实现实时定位可以实现实时定位u精度低精度低Slide 25第三节、载波相位观测值第三节、载波相位观测值u定义定义接收机接收的卫星载接收机接收的卫星载波信号和接收机产生的参考载波信号和接收机产生的参考载波信号的相位差波信号的相位差SR( )tR( )tS接收机根据自身的钟在 时刻复制信号的相位tR接收机根据自身的钟在 时刻所接收到卫星在时刻所发送信号的相位tRtS tR tSSlide 26与测距码类比与测距码类比ReceiverSatelliteTime d

8、eferenceSlide 271、意义、意义测距信号测距信号波长波长/ /码长码长测距精度测距精度C/AC/AP PL1L1L2L2293293mm29.329.3mm29.329.3mm2.932.93mm1919cmcm1.91.9cmcm2424cmcm2.42.4cmcmSlide 28问题：整周对齐问题：整周对齐u卫地距离是多少？卫地距离是多少？uC/A码长是多少码长是多少?uL1载波波长是多少？载波波长是多少？ReceiverSatelliteTime deferenceNTcdSlide 292、整周模糊度、整周模糊度u载波在卫星到接收机载波在卫星到接收机间相位变化的整周数间相

9、位变化的整周数 = 不足整周波长不足整周波长NN = 整周模糊度整周模糊度D距离距离 D = N + Slide 30载波相位测量载波相位测量12396连续的载波相位测量连续的载波相位测量Slide 31类比伪距观测值类比伪距观测值tropionjkSSStropionjktctcZZYYXXttc222)()()()(u伪距观测值伪距观测值/观测方程观测方程)()()(jjiittt)(Ntu载波相位观测值载波相位观测值tropionjkttc)(u考虑钟差、大气折射考虑钟差、大气折射tropionjkSSStctNtcZZYYXX)()()()(222u载波相位观测方程载波相位观测方程Sl

10、ide 32思考！思考！u利用载波相位观测值可以实现实时定位吗？利用载波相位观测值可以实现实时定位吗？u某一时刻，观测四颗卫星，利用载波相位定某一时刻，观测四颗卫星，利用载波相位定位有几个观测值？有几个未知数？位有几个观测值？有几个未知数？tropionjkSSStctNtcZZYYXX)()()()(222u载波相位观测方程载波相位观测方程Slide 33解算解算u某一时刻，观测四颗卫星，利用载波相位定某一时刻，观测四颗卫星，利用载波相位定位有几个观测值？有几个未知数？位有几个观测值？有几个未知数？u锁定卫星后，第二次测量有几个观测值？有锁定卫星后，第二次测量有几个观测值？有几个未知数？几个

11、未知数？Slide 343、周跳、周跳u定义定义由于卫星信号失锁而使载波相位差由于卫星信号失锁而使载波相位差观测值中的整周计数发生突变。观测值中的整周计数发生突变。-20000000200000040000006000000800000018.819.019.219.419.619.8L1_phaseL2_phasePhase (cycles)HrsCycle slip at L2Slide 35周跳的影响周跳的影响:1t，10N:2t，)int(20N0N10N)int(2:3t，)int(30NSlide 36思考题：思考题：两种观测值的比较？两种观测值的比较？Slide 37载波相位观测

12、值的特点载波相位观测值的特点u无模糊测距无模糊测距u可以实现实时定位可以实现实时定位u精度低精度低u模糊测距模糊测距u不可以实现实时定位不可以实现实时定位u精度高精度高u容易出现周跳问题容易出现周跳问题u容易受误差影响，解算复杂容易受误差影响，解算复杂Slide 38静态测量的观测文件静态测量的观测文件导航电文导航电文测距码测距码载波载波61203080.TOO61203080.DAT传输传输转换转换61203080.04N61203080.04OSlide 39静态测量的观测文件静态测量的观测文件61203080.04N61203080.04O 2 NAVIGATION DATA RINEX

13、 VERSION / TYPECCRINEXN V1.6.0 UX CDDIS 16-JAN-00 20:32 PGM / RUN BY / DATE IGS BROADCAST EPHEMERIS FILE COMMENT 0.2980D-07 0.2980D-07 -0.1192D-06 0.0000D+00 ION ALPHA 0.1516D+06 -0.1638D+06 0.0000D+00 0.6554D+05 ION BETA 0.838190317154D-08 0.222044604925D-13 503808 1149 DELTA-UTC: A0,A1,T,W 13 LEAP

14、 SECONDS END OF HEADER 1 02 1 16 16 0 0.0 0.211737118661D-03 0.147792889038D-11 0.000000000000D+00 0.160000000000D+03-0.923125000000D+02 0.448090093322D-08-0.150005755213D+01 -0.460073351860D-05 0.528647471219D-02 0.406056642532D-05 0.515370207596D+04 0.316800000000D+06 0.614672899246D-07-0.42370239

15、2951D+00 0.162050127983D-06 0.967604434620D+00 0.303406250000D+03-0.172598812748D+01-0.818819821418D-08 -0.140720147273D-09 0.100000000000D+01 0.114900000000D+04 0.000000000000D+00 0.280000000000D+01 0.000000000000D+00-0.325962901115D-08 0.160000000000D+03 0.309618000000D+06 0.400000000000D+01 0.000

16、000000000D+00 0.000000000000D+00载波相载波相位观测位观测值值伪距观伪距观测值测值Slide 404、周跳与模糊度、周跳与模糊度u模糊度模糊度u周跳周跳Slide 41（1）、整周模糊度）、整周模糊度ND距离距离 D = N + u定义：载波在传播路径上定义：载波在传播路径上的相位变化的整周数。的相位变化的整周数。Integer ambiguitySlide 42整周模糊度的解算方法整周模糊度的解算方法u伪距法伪距法u三差法三差法u参数法参数法Slide 43u伪距观测方程伪距观测方程u载波相位观测方程载波相位观测方程1)伪距法伪距法tropiondddTdtcp

17、)(tropiondddTdtcN)(Slide 442)三差法三差法u观测值进行组合，削去了整周模糊度观测值进行组合，削去了整周模糊度u三差：接收机间、卫星间、历元间求差三差：接收机间、卫星间、历元间求差Slide 453)参数法参数法BNAXY2,1minYQNCNXBXAXYZXNRXCu将整周模糊度作为一个参数，引入到观测方将整周模糊度作为一个参数，引入到观测方程中，和坐标未知数一起求解。程中，和坐标未知数一起求解。tropiondddTdtcN)(Slide 46u第一步是获得实数解（浮点解第一步是获得实数解（浮点解 ）参数法的一般步骤参数法的一般步骤NCBXAXYNNXQNXCX)

18、(1NXXCCCXNQQXNXXNNCNu第三步获得位置向量的整数解（固定解）第三步获得位置向量的整数解（固定解）min1 NXQNXNXNNNu第二步是通过搜索找到满足下列关系的模第二步是通过搜索找到满足下列关系的模糊度参数的整数值糊度参数的整数值 Slide 47（2 2）、周跳）、周跳cycle slipcycle slipT0T1T2u定义：由于信号失锁而使载波相位观测值定义：由于信号失锁而使载波相位观测值的整周计数发生突变。的整周计数发生突变。Slide 48来源、影响及解决来源、影响及解决u周跳的来源：周跳的来源：信号的暂时中断信号的暂时中断 卫星信号的信噪比过低卫星信号的信噪比过

19、低 接收机软件发生故障接收机软件发生故障u周跳的性质：周跳的性质：相当于在观测之中引入了一个相当于在观测之中引入了一个粗差粗差u周跳的解决：周跳的解决：需要在平差之前数据预处理阶段，需要在平差之前数据预处理阶段，诊断并找出周跳位置，对周跳进行修正。即诊断并找出周跳位置，对周跳进行修正。即周跳周跳的探测与修复的探测与修复。Slide 49周跳探测与修复的方法周跳探测与修复的方法基本思想基本思想：载波相位观测值体现了卫地距离的变化，它应该是一个连续的变化的量。u高次差法高次差法u曲线拟和曲线拟和u卫星间求差卫星间求差u电离层延迟方法电离层延迟方法-2000000020000004000000600

20、0000800000018.819.019.219.419.619.8L1_phaseL2_phasePhase (cycles)HrsCycle slip at L2Slide 501）求高次差法）求高次差法u相位观测值反应卫相位观测值反应卫地距离变化地距离变化u一次差反应了相位一次差反应了相位观测值的变化率观测值的变化率u求高次差可突出周求高次差可突出周跳的影响跳的影响Slide 51不含周跳影响的载波相位观测值及其差不含周跳影响的载波相位观测值及其差值值Slide 52含周跳影响的载波相位观测值及其差值含周跳影响的载波相位观测值及其差值Slide 53特点特点u只能检验较大的周跳（大于五

21、周）只能检验较大的周跳（大于五周），因为由于接收机振荡引起的变化，因为由于接收机振荡引起的变化都可能超过两周。都可能超过两周。Slide 542）卫星间求差法）卫星间求差法u根据每颗卫星的载波相位观测值所受根据每颗卫星的载波相位观测值所受到的接收机振荡引起的随机误差影响是到的接收机振荡引起的随机误差影响是相同的。相同的。u卫星间求差法在高次差的基础上，对卫星间求差法在高次差的基础上，对不同卫星间的高次差值求差，从而消除不同卫星间的高次差值求差，从而消除随机误差影响，突出小周跳的影响。随机误差影响，突出小周跳的影响。Slide 55卫星间求差法图例卫星间求差法图例若sv6第106个观测值丢失一周

22、Slide 563）曲线拟合法）曲线拟合法根据n个相位观测值，拟和一个m阶的多项式，据此多项式预估下一个观测值，并与实测值比较，从而发现并修复周跳。Slide 574）双频观测值修复）双频观测值修复 构造检验量构造检验量电离层残差观测值电离层残差观测值)1 ()()()(222121122112211LLLLLLLLLLLLffftANffNtfftu如果没有周跳，组合观测值的瞬时变化量很小如果没有周跳，组合观测值的瞬时变化量很小u周跳的标志是在连续观测值中突然发生了跳变周跳的标志是在连续观测值中突然发生了跳变)()()()()(22112211tfftttfftttNLLLLLLLLNcft

23、tctropionjk)(Slide 585）其他方法）其他方法u屏幕扫描法屏幕扫描法u卡尔曼滤波法卡尔曼滤波法u丢弃质量太差、周跳频繁的观测段丢弃质量太差、周跳频繁的观测段Slide 59检测周跳的几点说明检测周跳的几点说明u检测周跳是个复杂的过程，需要上面检测周跳是个复杂的过程，需要上面各种方法的综合各种方法的综合u通常使用的时候，使用双差观测值进通常使用的时候，使用双差观测值进行探测行探测Slide 60伪距定位与载波相位定位伪距定位与载波相位定位伪距定位伪距定位 采用伪距观测值，测距直接，定采用伪距观测值，测距直接，定位精度低位精度低载波相位定位载波相位定位 采用载波相位观测值，观测值

24、转采用载波相位观测值，观测值转化成距离有一定难度，定位精度高化成距离有一定难度，定位精度高 C/A码：码： 29.3m P码：码： 2.93mL1载波：载波： 1.9cmL2载波：载波： 2.4cmSlide 61第四节第四节 绝对定位绝对定位r2d1d2d3d4r1r3r4原理概述原理概述定位的数学模型定位的数学模型有关概念的区分说明有关概念的区分说明卫星的几何精度因子卫星的几何精度因子教材第五章教材第五章p57p57Slide 62几点说明：几点说明：单点定位主要是采用伪距定位；载波相位测量一般都是采用相对定位；单点定位和相对定位均可以动态，也可以静态；由相对定位引申出来了差分定位；Sli

25、de 63l 静态定位静态定位：在定位过程中，接收在定位过程中，接收机的位置是固定的，处于静止状态机的位置是固定的，处于静止状态。( (这种静止状态是相对的这种静止状态是相对的) )l 动态定位动态定位：在定位过程中，接在定位过程中，接收机天线处于运动状态。收机天线处于运动状态。广泛应用于动态目标的监测，导航广泛应用于动态目标的监测，导航静态定位和动态定位静态定位和动态定位Slide 64绝对定位和相对定位绝对定位和相对定位绝对定位（单点定位）绝对定位（单点定位）：一台接收机独立确定待定点一台接收机独立确定待定点在坐标系中的绝对位置。在坐标系中的绝对位置。相对定位相对定位：两台（或多台）接收机

26、同步两台（或多台）接收机同步观测观测GPSGPS卫星，确定它们之间卫星，确定它们之间的相对位置的方法。的相对位置的方法。精密定位的基本方法精密定位的基本方法Slide 651、绝对定位原理、绝对定位原理以GPS卫星和接收机天线之间的距离观测值为基础，根据已知的卫星瞬时坐标，来确定用户接收机天线对应的点位，也就是测站的位置Slide 662 2、定位的数学模型、定位的数学模型伪距观测方程伪距观测方程tropionjkttc)(对流层延迟改正。电离层延迟改正；卫星钟差；接收机种差观测的伪距几何距离；其中：: :;:tropionjkttSlide 67定位的数学模型（定位的数学模型（1 1）kss

27、sjtropiioniisssssstcZzYyXxtciZYXzyxZzYyXx2122221222)()()()()(:,:,)()()(观测值，有：顾及前式，对于卫星测站坐标。卫星坐标；其中：伪距观测方程伪距观测方程Slide 68定位的数学模型（定位的数学模型（2 2）观测误差。测站近似坐标；其中：:,)()()(000212020200vZYXZzYyXxsssiksssijtropiioniitcdZZzdYYyXdXxtcv0)()(00,00),(),(xLxLXFLFxLFxxLF观测方程线性化观测方程线性化误差方程误差方程Slide 69定位的数学模型（定位的数学模型（3

28、3）000)()()(zznyymxxlsss定义vtctcdZndYmXdljtropiioniiik)()(0）（vltdZdYdXcnmlik)()(0）（jtropiioniiiitcl误差方程误差方程Slide 70一个历元的误差方程一个历元的误差方程一个历元测站同时观测一个历元测站同时观测m m颗卫星颗卫星VLAXvvvllltdZdYdXcnmlcnmlcnmlmmkmmm212122211111144)()()(mimimitVtLXtASlide 71多个历元的误差方程多个历元的误差方程静态静态n n个历元个历元, ,每个历元测站同时观测每个历元测站同时观测m m颗卫星颗卫星

29、11144)()()(mimimitVtLXtA1个历元：个历元：n个历元：个历元：)()()()()()()()()(222111nnntVtLXtAtVtLXtAtVtLXtA11144)()()(nmnmnmtVtLXtASlide 72最小二乘解最小二乘解ftcllllLtcdZdYdXZzYyXxbbbLijtropiioniiinkisisisnpvvPlBPBxxbBBxvTTTi0102121)()()(,1,Slide 73思考思考如果用载波相位观测值进行如果用载波相位观测值进行单点定位？单点定位？如果用进行动态单点定位？如果用进行动态单点定位？Slide 743、定位精度和

30、特点、定位精度和特点特点：特点：一般使用伪距观测值 只使用一台接收机 精度较低 广泛应用于实时应用定位精度：定位精度：动态：1030米 静态：510米Slide 754 4、卫星几何分布、卫星几何分布精度评定精度评定：QDtnPVVPBBQTT2010)(影响定位的因素：影响定位的因素： 观测值的精度 卫星的空间几何分布tttztytxztzzzyzxytyzyyyxxtxzxyxxqqqqqqqqqqqqqqqqQD2200Slide 76精度的评定精度的评定通常采用大地坐标的方差进行评价HLBmmm、)()(HLBZYXR44434241343332312423222114131211qq

31、qqqqqqqqqqqqqqQx333231232221131211qqqqqqqqqQB330220110qmqmqmHLB等效距离误差等效距离误差精度因子精度因子Slide 77精度评定精度评定 引入导航学中的概念引入导航学中的概念DOP值值 Dilusion Of PrecisionDOPm0110qmB2/12211)(qqHDOPHDOP Horizontal DOP2/133)(qVDOPVDOP Vertical DOP2/1332211)(qqqPDOPPDOP Position DOP2/144332211)(qqqqGDOPGDOP Geometrics DOP2/144)

32、(qTDOP TDOP Time DOPSlide 78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意义：选星指导测量QUALITY DOP很好很好 1-3好好4-5差差6很差很差6Slide 79卫星预报卫星预报“mission” planning Slide 805、应用、应用车船导航车辆管理旅游运输公共事业Slide 81第五节第五节 相对定位相对定位方法、特点方法、特点数学模型数学模型Slide 821 1、原理概述、原理概述相对定位相对定位：用两台接收机分别安置在基线的两端，并同步观测相同的GPS卫星，已确定基线端点在协议坐标系中的相对位置或基线向量理论依据理论依据：测站

33、同步观测 相同卫星，卫星轨道误差、卫星钟差、接收机钟差、以及电离层和对流层的折射误差，对观测量的影响具有一定的 相关性Slide 83测站卫星历元2121ttkjTT、)()()()()()()()(2222212112121111ttttttttkjkjkjkj、2、数学模型、数学模型基本观测值tropionjkNttc)(Slide 84(1)观测值的差分方式观测值的差分方式站间差分站间差分星间差分星间差分历元间差分历元间差分Slide 85站间差分站间差分站间差分站间差分 同步观测值同步观测值在接收机间求差。在接收机间求差。作用：可消除卫星钟差，作用：可消除卫星钟差，卫星星历误差、削弱电

34、离卫星星历误差、削弱电离层、对流层折射影响。层、对流层折射影响。)()()(1212ikikiktttSlide 86星间差分星间差分星间差分星间差分 同步观测值在同步观测值在卫星间求差。卫星间求差。作用：可消除作用：可消除接收机钟差。接收机钟差。)()()(111111tttkjkjSlide 87历元间差分历元间差分历元间差分历元间差分 同步观同步观测值在间历元求差。测值在间历元求差。作用：可消去整周未知作用：可消去整周未知数参数。数参数。)()(),(1121211ttttkkkSlide 88(2) 差分观测值的组合差分观测值的组合单差：站间差分双差：站间、星间二次差三差：站间、星间、

35、历元间三差Slide 89单差单差-站间差分的观测方程站间差分的观测方程载波相位观测方程载波相位观测方程tropionjkNttc)(站间差分的组合观测值站间差分的组合观测值)()()(1212ikikikttt)()()()()()()()()()()()()()()(121212121212iktropiktropikionikionkkikikiiikikikttttNNttttttttctttSlide 90单差单差-站间差分的观测方程站间差分的观测方程)()()()()()()()()()()()()()()(121212121212iktropiktropikionikionkki

36、kikiiikikikttttNNttttttttcttt)()()()()(12121212kkiiikikikNNttttcttt结论：站间差分可消除卫星钟差、卫星轨道误差影响 可大大消除和大气折射的影响（条件：距离不能太长）Slide 91单差观测方程的线性化单差观测方程的线性化)()()()()(12121212kkiiikikikNNttttcttt设两测站中T1为已知，根据：222222222022)()()()()(dZtZzdYtYyXdtXxttiksiksiksikik得到单差误差方程：kiikikikNttcttt12121212)()()()(简写：kiikikikNt

37、tcdZndYmdXlttt121222222202112)()()()(Slide 92单差观测方程的解算单差观测方程的解算kiikikikNttcdZndYmdXlttt121222222202112)()()()(一个历元：一个历元：m个观测卫星？个观测卫星？n个历元：个历元：m个观测卫星？个观测卫星？Slide 93站星双差观测方程站星双差观测方程)()()()()(12121212kkiiikikikNNttttcttt站间单差观测方程)()()(112112112tttkjkj站星双差观测方程)()()()()()()()()(12121212121212kkjjiiiiikiki

38、jijikjNNNNttttttttctttttSlide 94站星双差观测方程站星双差观测方程)()()()()()()()()(12121212121212kkjjiiiiikikijijikjNNNNttttttttcttttt)()()()()(1212121212kkjjikikijijikjNNNNttttt线性化：kjjkjkjkikijikijikjNdZnndYmmdXllttttt1222222222202021112)()()()()()()()(Slide 95双差观测方程的解算双差观测方程的解算一个历元：一个历元：m个观测卫星？个观测卫星？n个历元：个历元：m个观测卫

39、星？个观测卫星？kjjkjkjkikijikijikjNdZnndYmmdXllttttt1222222222202021112)()()()()()()()(Slide 96三差三差)()(),(1122122112ttttkjkjkj)()()()()(1212121212kkjjikikijijikjNNNNtttttSlide 97(3)(3)组合观测值的随机模型组合观测值的随机模型)()()(1212ikikikttt)()()()()()()(11121112112112112tttttttkkjjkjkj)()()()()()()()()()(),(111211122122212

40、21122122112ttttttttttttkkjjkkjjkjkjkj单差双差三差Slide 98组合观测值的随机模型组合观测值的随机模型双差（一个历元，观测m个卫星）)()()(11121131211212tttm、)()()()()(100100110001101111)()()(1212212111211111121131211212ttttttttmm)()()()()()()(11121112112112112tttttttkkjjkjkjSlide 993、说明、说明非差精密单点定位的发展求差法与非差法的比较求差法与非差法的比较求差法数据利用率低求差法数据利用率低求差法引入了基

41、线向（矢）量的概念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求差法无法确定出一些多余参数著名的非差软件著名的非差软件美美JPLJPL研制的研制的GIPSYGIPSY不同频率的两个观测值的线性组合Slide 1004、特点及应用、特点及应用特点特点 一般采用载波相位观测值 是精密GPS定位一般采用的方法应用应用 大地测量、地球动力学、精密工程测量、精密导航Slide 1015、常用的观测模式、常用的观测模式Slide 102第六节第六节 差分定位差分定位美国的GPS政策(5.6)差分GPS(5.7)Slide 103一、美国的

42、一、美国的GPS政策政策美国限制美国限制GPS使用的政策使用的政策影响当前政策变化的因素：影响当前政策变化的因素：Galileo系统系统GPS现代化计划现代化计划Slide 1041 1、美国阻碍、美国阻碍GPS应用的应用的政策政策SPS与PPSSAASSlide 105(1)SPS与与PPSSPSStandard Positioning Service 标准定位服务 使用C/A码 民用 1030米PPS Precise Positioning Service 精密定位服务 使用P码 军用 510米Slide 106(2)SA政策政策SASelective availability选择可用性

43、目的目的：人为降低普通用户的定位精度方法方法： 技术：在卫星钟的钟频信号中加抖动 技术：对卫星轨道加干扰，降低轨道参数的精度 影响影响：单点实时定位精度1030m100m2000年5月1日，美国总统克林顿宣布取消SASlide 107(3)AS政策政策ASAnti-spoofing 反电子欺骗 对P码加密，将它与w码相加成Y码 Y码严格保密 P+WYSlide 108SA和和AS政策的应对方法政策的应对方法信号的接收技术方面结合多种导航系统发展外部增强系统DGPS建立独立的GPS卫星测轨系统建立独立的卫星导航定位系统Slide 1092、GPS现代化United States GPS Poli

44、cy“Our goals are to:Encourage private sector investment in and use of U.S. GPS technologies and services.”Slide 110GPS现代化现代化GPS现代化GPS Modernization起因：垄断地位受到挑战内涵：更好的保护美方使用，发展军码和强化军码的保密性能，加强抗干扰阻止敌方使用，施加干扰，施加SA、AS等保持在有威胁地区以外的民用用户有更精确、安全的使用 Slide 111Basic Positioning: Before May 2000 C/A Code on L1 Sele

45、ctive AvailabilitySlide 112Basic Positioning: Today C/A Code on L1 No Selective AvailabilitySlide 113Basic Positioning: By 2009 C/A Code on L1 C/A Code on L2Slide 114Basic Positioning: By 2013 C/A Code on L1 C/A Code on L2 New Code on L5Slide 115GPS现代化的意义现代化的意义标准的GPS服务可代替很多DGPS的服务，从而节省了投资接收机销售的增长，导致

46、价格的降低将扩展出各种新的应用Slide 116二、差分GPS什么是差分什么是差分GPSGPS差分差分GPSGPS的系统组成的系统组成差分差分GPSGPS的类型的类型 单站差分 局域差分GPS 广域差分GPS增强型的差分增强型的差分GPSGPS系统系统Slide 1171、什么是差分GPS（DGPS Differential GPS）基本思路：基本思路：利用设于坐标已知的参考站，计算各类改正数工作原理：工作原理：在已知精密坐标的参考站上放置GPS接收机接收卫星发射的信号，从而确定卫星数据里面包含了多少误差，并将这些信息播发出去，其他的接收机在接收GPS信号的同时也接收这些改正信息，从而提高定位

47、的精度 优点：优点：精度和可靠性提高 缺点：缺点：需要额外的接收设备Slide 1182、差分GPS系统的构成基准站：基准站： reference station具有已知精确的三维坐标，接收卫星信号，计算改正信息，并利用数据链路播发出去流动站：流动站： mobile station 坐标待定的点 接收卫星信号和改正信息，进行定位数据链路：数据链路：data link 建立基准站和流动站之间的通信联系， 将基准站的改正信息向流动站播发Slide 119系统组成系统组成Slide 120用户接收机的定位用户接收机的定位DifferentialCorrectionReceiverGPSRTCM SC

48、104Serial Data StreamRTCM SC104SignalDGPS AntennaGPS AntennaTaskControllerNMEA 0183Serial Data StreamSlide 121定位误差的影响定位误差的影响X50 mX21mSlide 122差分GPS对定位精度的提高Blue: GPS Alone Standing Still in the center of the tennis court.Red: GPS Alone Walking the lines of the tennis court.Green: Differential GPS Wal

49、king the lines of the tennis court. Shows how Differential corrections improve the accuracy of the GPS.36 feetSlide 1233、差分GPS的类型根据发送的改正信息根据发送的改正信息根据差分的规模根据差分的规模Slide 124(1)根据发送的改正信息根据发送的改正信息位置差分位置差分伪距差分伪距差分载波相位差分载波相位差分Slide 125位置差分测量结果测量结果实际点位实际点位优点：优点：计算简单，方便实用缺点：缺点：要求用户和基准站观测相同的卫星；作用范围较小),(ZYXZYX

50、Slide 126伪距差分优点优点：参考站获得四颗卫星的改正即可定位缺点缺点：改正精度随距离增加而降低GPS Rx DGRS GSM RxBTS Known Position!Slide 127载波相位差分RTK载波相位差分：载波相位差分：RTKReal Time Kinematic(1)修正法将载波相位改正数发给用户(2)差分法将基准站载波相位观测值发给用户Slide 128(2)根据差分的规模根据差分的规模单站差分单站差分局域差分局域差分（LADGPS Local Area DGPS）基准站作用距离：数百公里基准站作用距离：数百公里广域差分广域差分（WADGPS Wide Area DGPS）基准站作用距离：数千公里基准站作用距离：数千公里Slide 129单站差分单站差分基准站只有一个根据硬件的水平可进行三种形式的差分：位置、伪距、载波相位差分改正效果随距离增加而降低Slide 130局域差分局域差分GPS系统由差分基准网提供改正信息用户对基准网内的各个基准站获得的改正值进行加权平均作用 范围500km以内Slide 131广域差分广域差分GPSu基本思想：对对GPS观测量的观测量的误差源进行区分，单独对每种误误差源进行区分，单独对每种误差源进行模型化，然后将计算出差源进行模型化，然后将计算出的每一误差源的数值，通过数据的每一