(GPS原理及其应用)第七章gps卫星定位基本原理课件

第五章GPS卫星定位基本原理第五章GPS卫星定位基本原理15.4GPS绝对定位与相对定位

5.4.1静态绝对定位

只用一台接收机即可实时定位一般使用伪距定位或载波相位定位又称单点定位5.4GPS绝对定位与相对定位5.4.1静态绝对定位21)伪距静态绝对定位

1234P(X,Y,Z)+dT观测值：ρi或Φi未知参数：X,Y,Z,dT1)伪距静态绝对定位1234P(X,Y,32)用载波相位观测值进行

静态绝对定位

精度高于伪距法静态绝对定位需加电离层、对流层等改正观测值为Φi进行周跳探测修复及整周模糊度的固定其结果一般作为相对定位参考站的近似坐标Φ1Φ2Φ3Φ4P(X,Y,Z)2)用载波相位观测值进行

静态绝对定位精度高于伪距法静态43).绝对定位精度评定

GPS绝对定位的定位精度主要取决于：①卫星分布的几何图形②观测量精度权系数阵Qx：空间直角坐标形式大地坐标形式等效距离误差精度因子3).绝对定位精度评定GPS绝对定位的定位精度主要取决于：5精度因子DOP(1/2)平面位置精度因子HDOP(horizontalDOP)及其相应的平面位置精度

高程精度因子VDOP(VerticalDOP)及其相应的高程精度

精度因子DOP(1/2)平面位置精度因子HDOP(horiz6精度因子DOP(2/2)空间位置精度因子PDOP(PositionDOP)及其相应的三维定位精度

接收机钟差精度因子TDOP(TimeDOP)及其钟差精度

几何精度因子GDOP(GeometricDOP)及其相应的中误差

精度因子DOP(2/2)空间位置精度因子PDOP(Posit75.4.2静态相对定位

至少两台接收机实时或事后处理数据可用伪距或载波相位观测值差分定位参考站未知站5.4.2静态相对定位至少两台接收机参考站未知站8①观测量的线性组合

ti时刻载波相位观测量

①观测量的线性组合ti时刻载波相位观测量9单差（Single-Difference—SD）

站间单差：消除了与卫星有关的误差：如卫星钟差站间距不大时可消除大部分大气误差多测站时注意选取基站单差（Single-Difference—SD）站间单差：10双差（Double-Difference—DD）星际二次差在一次差的基础进一步消除了与接收机有关的载波相位及其钟差项注意选取基星GPS基线向量处理时常用的模型双差（Double-Difference—DD）星际二次差在11三差（Triple-Difference—TD）

历元间差分在双差的基础上进一步消除了：初始整周模糊度当然还有一些其它的载波相位观测值的线性组合三差（Triple-Difference—TD）历元间差分12差分模型的优缺点优点：消除或减弱一些具有系统性误差的影响减少平差计算中未知数的个数缺点：原始独立观测量通过求差将引起差分量之间的相关性平差计算中，差分法将使观测方程数明显减少基站和基星选取情况随接收机的数量增多情况越来越复杂差分模型的优缺点优点：缺点：135.5美国的GPS政策SA技术：降低广播星历中卫星位置的精度，降低星钟改正数的精度，对卫星基准频率加上高频的抖动（使伪距和相位的量测精度降低），由标准定位精度由原来的30米下降到100米左右。AS技术：即将P码改变为Y码，即对精密伪距测量进一步限制，而美国军方和特许用户不受这些政策的影响SA政策的解除：2000年5月1日，白宫宣布从午夜开始中止对GPS公众服务信号降低精度（SA政策〕的措施。民用GPS精度将会提高10倍以上。

5.5美国的GPS政策SA技术：降低广播星历中卫星位置的14P=正确位置P防电子欺骗技术(AS)将P码加密为Y码选择性服务政策(SA)*SA技术已经于2000年5月取消理论上利用C/A码可获取10-30m的定位精度30m100mP=正确位置P防电子欺骗技术(AS)30m100m15+/-100m(95%)美国防部人为降低卫星广播信息的精度，限制非许可用户的非法使用在基准信号上人为加入一个高频抖动信号(δ技术)人为降低卫星星历精度(ε技术)此项技术称为选择可用性技术点位精度为100m(95%)P=正确位置P理论上基于C/A码的定位精度约为10-30m选择可用性技术(SA)30m100m+/-100m(95%)美国防部人为降低卫16SA和AS实施的目的使非特许用户不能获得高精度定位信息用户的对策采用DGPS技术对付SA政策采用下面3种对付AS政策P-W技术L1、L2互相关技术窄相关技术SA和AS实施的目的17

美国GPS政策的改变2000年5月美国国防部宣布取消SA政策，使得水平单点定位精度恢复到20~30m将逐步开放L2的C/A码L2上的C/A码的开放，将使得GPS的精度和功能提高，且可使用户方便的利用双频进行电离层影响的改正。届时可使水平单点定位精度提高到2.5m将启用一个新的民用频率L5和和军队专用的M码L5将大大缩短整周模糊度的搜索时间，从而使得动态定位和快速静态定位技术有更大的发展美国GPS政策的改变18第七章GPS测量的误差来源及其影响一）、与卫星有关误差卫星星历误差：轨道偏差卫星钟差相对论效应

二）、信号传送误差电离层延时对流层延时多路径效应第七章GPS测量的误差来源及其影响一）、与卫星有关误差19三）、观测及接收设备误差接收机钟差接收机噪声天线相位中心误差天线安置误差

四）、其它误差地球固体潮地球海潮美国SA政策三）、观测及接收设备误差20一）与卫星有关误差

1）、卫星星历误差1.

广播星历：由地面监测站测定卫星轨道外推轨道，精度25m。精密历：实测后处理提供星历，＜5cmIGS站上取，中国地壳形变网一）与卫星有关误差1）、卫星星历误差213.解决方法①建立卫星跟踪网精密定轨②轨道松弛法：半短弧法：三个方向为未知数短弧法：6个轨道根数为未知数③二站同步观测相对定位消除3.解决方法222）、卫星钟误差卫星钟有偏差和漂移，差1ms，相当于300KM。l

导航电文中提供修正参数用模型改正。t为参数历元。改正后可达到20ns，6m误差l

消除方法：二站同步观测相对定位消除2）、卫星钟误差233）、相对论效应由于卫星钟和接收机钟所处运动状态和重力位不同引起卫星钟和接收机钟时间差。l

狭义相对论卫星钟频率，＝3874m/s，l

广义相对论：卫星频率为10.22999999545MHg(标准10.23MHg)3）、相对论效应24二）与信号传播有关误差

1）、电离层延迟由地面50-1000KM高空中由太阳幅射造成气体电离形成电离层。电磁波信号经过电离层速度发生变化。二）与信号传播有关误差1）、电离层延迟25l

对C/A码影响：C/A码是方波是群速度l

对C/A码影响：C/A码是方波是群速度26l

对载波影响：载波是正弦波，是相速度电离层影响与太阳黑子活动有关，与卫星到接收机方向有关。天顶最大50m延迟高度角20°150m延迟l

对载波影响：载波是正弦波，是相速度电离层影响与太阳黑子27减弱电离层影响方法

l

利用双频接收机：令A＝C×40.28减弱电离层影响方法l

利用双频接收机：28l

模型改正：KlobacharDC：5ns，TP：14h

为地磁强度

l

模型改正：Klobachar29二站同步观测减弱相距≦20KM二站同步观测减弱302）、对流层影响

从地面到高空40KM大气层为对流层。电磁波经过对流层会产生延迟，和温度、湿度、气压有关。天顶方向可达2.3m，高度角10o，可达13~20m2）、对流层影响31

l

模型改正：霍普菲尔德（Hopfield）l

差分方法可以消除l

模型改正：霍普菲尔德（Hopfield）l

323）、多路径误差3）、多路径误差33L1载波最大可达4.8cmL2载波最大可达6.1cm码影响可达10m多路径影响结果

L1载波最大可达4.8cm多路径影响结果34多路径消除方法选择合适的站址：远离反射物、山坡、沙丘、水面等带有抑制板的天线长时间观测多路径消除方法选择合适的站址：远离反射物、山坡、沙丘、水面等35三）与接收机有关误差天线相位中心偏移：应小于5mm接收机钟差：作为未知数求解星间差消除 利用模型改正内部噪声：小于0.1mm天线安置误差：小于1mm三）与接收机有关误差天线相位中心偏移：应小于5mm36

载波相位差分技术又称为RTK技术（realtimekinematic），是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。

与伪距差分原理相同，由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站。用户站接收GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行实时处理，能实时给出厘米级的定位结果。

实现载波相位差分GPS的方法分为两类：修正法和差分法。前者与伪距差分相同，基准站将载波相位修正量发送给用户站，以改正其载波相位，然后求解坐标。后者将基准站采集的载波相位发送给用户台进行求差解算坐标。前者为准RTK技术，后者为真正的RTK技术。

载波相位差分技术又称为RTK技术（realt37差分GPS定位系统是由一个基准站和多个用户台组成。基准站与用户台之间的联系，即由基准站计算出的改正数发送到用户台的手段是靠数据链完成的。数据链由调制解调器和电台组成。差分GPS定位系统是由一个基准站和多38RTK通讯技术:新的Trimble内置或外挂电台保证实施高品质的RTK使用转发站或特殊的RTK天线扩展了控制距离应用蜂窝电话或信息包调置解调器RTK通讯技术:39单参考站RTK覆盖范围:1,250km2(500sqmi)[传统RTK>300km2(120sqmi)]精度1cm+1ppm平面,2cm+2ppm高程单参考站RTK40野外工作者最佳的选择舒适的人体工程学设计灵活多样的野外便携设计可腰挂携带单杆便携设计可置入背包携带装置于三角架上装置于各种交通工具上野外工作者最佳的选择舒适的人体工程学设计灵活多样的野外便41第五章GPS卫星定位基本原理第五章GPS卫星定位基本原理425.4GPS绝对定位与相对定位

5.4.1静态绝对定位

只用一台接收机即可实时定位一般使用伪距定位或载波相位定位又称单点定位5.4GPS绝对定位与相对定位5.4.1静态绝对定位431)伪距静态绝对定位

1234P(X,Y,Z)+dT观测值：ρi或Φi未知参数：X,Y,Z,dT1)伪距静态绝对定位1234P(X,Y,442)用载波相位观测值进行

静态绝对定位

精度高于伪距法静态绝对定位需加电离层、对流层等改正观测值为Φi进行周跳探测修复及整周模糊度的固定其结果一般作为相对定位参考站的近似坐标Φ1Φ2Φ3Φ4P(X,Y,Z)2)用载波相位观测值进行

静态绝对定位精度高于伪距法静态453).绝对定位精度评定

GPS绝对定位的定位精度主要取决于：①卫星分布的几何图形②观测量精度权系数阵Qx：空间直角坐标形式大地坐标形式等效距离误差精度因子3).绝对定位精度评定GPS绝对定位的定位精度主要取决于：46精度因子DOP(1/2)平面位置精度因子HDOP(horizontalDOP)及其相应的平面位置精度

高程精度因子VDOP(VerticalDOP)及其相应的高程精度

精度因子DOP(1/2)平面位置精度因子HDOP(horiz47精度因子DOP(2/2)空间位置精度因子PDOP(PositionDOP)及其相应的三维定位精度

接收机钟差精度因子TDOP(TimeDOP)及其钟差精度

几何精度因子GDOP(GeometricDOP)及其相应的中误差

精度因子DOP(2/2)空间位置精度因子PDOP(Posit485.4.2静态相对定位

至少两台接收机实时或事后处理数据可用伪距或载波相位观测值差分定位参考站未知站5.4.2静态相对定位至少两台接收机参考站未知站49①观测量的线性组合

ti时刻载波相位观测量

①观测量的线性组合ti时刻载波相位观测量50单差（Single-Difference—SD）

站间单差：消除了与卫星有关的误差：如卫星钟差站间距不大时可消除大部分大气误差多测站时注意选取基站单差（Single-Difference—SD）站间单差：51双差（Double-Difference—DD）星际二次差在一次差的基础进一步消除了与接收机有关的载波相位及其钟差项注意选取基星GPS基线向量处理时常用的模型双差（Double-Difference—DD）星际二次差在52三差（Triple-Difference—TD）

历元间差分在双差的基础上进一步消除了：初始整周模糊度当然还有一些其它的载波相位观测值的线性组合三差（Triple-Difference—TD）历元间差分53差分模型的优缺点优点：消除或减弱一些具有系统性误差的影响减少平差计算中未知数的个数缺点：原始独立观测量通过求差将引起差分量之间的相关性平差计算中，差分法将使观测方程数明显减少基站和基星选取情况随接收机的数量增多情况越来越复杂差分模型的优缺点优点：缺点：545.5美国的GPS政策SA技术：降低广播星历中卫星位置的精度，降低星钟改正数的精度，对卫星基准频率加上高频的抖动（使伪距和相位的量测精度降低），由标准定位精度由原来的30米下降到100米左右。AS技术：即将P码改变为Y码，即对精密伪距测量进一步限制，而美国军方和特许用户不受这些政策的影响SA政策的解除：2000年5月1日，白宫宣布从午夜开始中止对GPS公众服务信号降低精度（SA政策〕的措施。民用GPS精度将会提高10倍以上。

5.5美国的GPS政策SA技术：降低广播星历中卫星位置的55P=正确位置P防电子欺骗技术(AS)将P码加密为Y码选择性服务政策(SA)*SA技术已经于2000年5月取消理论上利用C/A码可获取10-30m的定位精度30m100mP=正确位置P防电子欺骗技术(AS)30m100m56+/-100m(95%)美国防部人为降低卫星广播信息的精度，限制非许可用户的非法使用在基准信号上人为加入一个高频抖动信号(δ技术)人为降低卫星星历精度(ε技术)此项技术称为选择可用性技术点位精度为100m(95%)P=正确位置P理论上基于C/A码的定位精度约为10-30m选择可用性技术(SA)30m100m+/-100m(95%)美国防部人为降低卫57SA和AS实施的目的使非特许用户不能获得高精度定位信息用户的对策采用DGPS技术对付SA政策采用下面3种对付AS政策P-W技术L1、L2互相关技术窄相关技术SA和AS实施的目的58

美国GPS政策的改变2000年5月美国国防部宣布取消SA政策，使得水平单点定位精度恢复到20~30m将逐步开放L2的C/A码L2上的C/A码的开放，将使得GPS的精度和功能提高，且可使用户方便的利用双频进行电离层影响的改正。届时可使水平单点定位精度提高到2.5m将启用一个新的民用频率L5和和军队专用的M码L5将大大缩短整周模糊度的搜索时间，从而使得动态定位和快速静态定位技术有更大的发展美国GPS政策的改变59第七章GPS测量的误差来源及其影响一）、与卫星有关误差卫星星历误差：轨道偏差卫星钟差相对论效应

二）、信号传送误差电离层延时对流层延时多路径效应第七章GPS测量的误差来源及其影响一）、与卫星有关误差60三）、观测及接收设备误差接收机钟差接收机噪声天线相位中心误差天线安置误差

四）、其它误差地球固体潮地球海潮美国SA政策三）、观测及接收设备误差61一）与卫星有关误差

1）、卫星星历误差1.

广播星历：由地面监测站测定卫星轨道外推轨道，精度25m。精密历：实测后处理提供星历，＜5cmIGS站上取，中国地壳形变网一）与卫星有关误差1）、卫星星历误差623.解决方法①建立卫星跟踪网精密定轨②轨道松弛法：半短弧法：三个方向为未知数短弧法：6个轨道根数为未知数③二站同步观测相对定位消除3.解决方法632）、卫星钟误差卫星钟有偏差和漂移，差1ms，相当于300KM。l

导航电文中提供修正参数用模型改正。t为参数历元。改正后可达到20ns，6m误差l

消除方法：二站同步观测相对定位消除2）、卫星钟误差643）、相对论效应由于卫星钟和接收机钟所处运动状态和重力位不同引起卫星钟和接收机钟时间差。l

狭义相对论卫星钟频率，＝3874m/s，l

广义相对论：卫星频率为10.22999999545MHg(标准10.23MHg)3）、相对论效应65二）与信号传播有关误差

1）、电离层延迟由地面50-1000KM高空中由太阳幅射造成气体电离形成电离层。电磁波信号经过电离层速度发生变化。二）与信号传播有关误差1）、电离层延迟66l

对C/A码影响：C/A码是方波是群速度l

对C/A码影响：C/A码是方波是群速度67l

对载波影响：载波是正弦波，是相速度电离层影响与太阳黑子活动有关，与卫星到接收机方向有关。天顶最大50m延迟高度角20°150m延迟l

对载波影响：载波是正弦波，是相速度电离层影响与太阳黑子68减弱电离层影响方法

l

利用双频接收机：令A＝C×40.28减弱电离层影响方法l

利用双频接收机：69l

模型改正：KlobacharDC：5ns，TP：14h

为地磁强度

l

模型改正：Klobachar70二站同步观测减弱相距≦20KM二站同步观测减弱712）、对流层影响

从地面到高空40KM大气层为对流层。电磁波经过对流层会产生延迟，和温度、湿度、气压有关。天顶方向可达2.3m，高度角10o，可达13~20m2）、对流层影响72

l

模型改正：霍普菲尔德（Hopfield）l

差分方法可以消除l

模型改正：霍普菲尔德（Hopfield）l

733）、多路径误差3）、多路径误差74L1载波最大可达4.8cmL2载波最大可达6.1cm码影响可达10m多路径影响结果

L1载波最大可达4.8cm多路径影响结果75多路径消除方