GPS卫星定位的基本原理课件

GPS原理及应用讲授:杨利兵测绘本科生课程Tel:差分GPS定位原理美国的GPS政策第八讲GPS卫星定位基本原理（三）差分定位静态定位中：相对定位动态定位中：差分定位讲授内容一个测站上对两个目标的观测值；两个测站上对同一目标的观测值；一个测站上对一个目标的两次观测值；

…利用求差后的观测值解算两观测站间的基线向量。差分技术在相对定位中的运用“(DGPS)DifferentialGPS”至少需两台接收机，分别在运动载体和基准站上。两台接收机同步观测一组卫星，基准接收机为动态接收机提供差分改正数（DGPS数据），动态接收机根据自己的观测值和差分改正数，精确解算用户的三维坐标。基准接收机动态接收机DGPS数据链基准接收机的DGPS数据无线电发送机，与动态接收机的DGPS数据无线电接收机，构成了DGPS数据链差分改正数RS-232-C接口数据终端设备和数据通信设备间的串行二进制数据交换的接口在基准站上：将DGPS数据送到调制解调器在动态站上：从调制解调器取得DGPS数据，并送到信号接收机调制解调器在基准站上：将DGPS数据进行编码，进而将其调制在载波上，送到无线电发射机在动态站上：从已调波中解调出DGPS数据，通过RS-232-C接口送到信号接收机GPS信号接收机RS-232-C接口调制解调器无线电发射机无线电收发机在基准站上：无线电发射机以电磁波的形式将DGPS数据发送给用户在动态站上：接收DGPS数据差分GPS技术可以消除的误差多台接收机公有的误差（可完全消除）

-卫星钟误差、星历误差传播延迟误差（大部分消除）

-电离层误差、对流层误差接收机固有的误差

-内部噪声、通道延迟误差、多路径效应差分GPS分类（一）按数据处理方式：实时DGPS测量后处理DGPS测量

如：GPS航空摄影测量技术差分GPS分类（二）单基准站GPS差分局部区域差分广域差分位置差分伪距差分载波相位差分位置差分的计算步骤基准站的精密坐标已知（X0,Y0,Z0）,在基准站上的接收机测得的坐标为（X,Y,Z）（包含各种误差），所以，坐标改正数为：基准站用数据链将改正数发送出去，用户接收机在解算时加上改正数：经过改正后的坐标：位置差分的特点优点：

-消去了基准站和用户站共同的误差

-基准接收机只需向动态用户发送三个DGPS数据，易于实施数据传输

-计算简单，适用于各种型号接收机。缺点：

-基准站与用户须观测同一组卫星，距离较长时难以满足。

-随着站间距离的加长，动态用户的位置测量精度逐渐降低伪距差分原理根据基准站精确坐标和测出的卫星地心坐标，求出卫星至基准站的真正距离，计算伪距改正数及其变化率；用户根据伪距改正数及其变化率求出改正后的伪距，计算用户接收机坐标。伪距差分的计算步骤（续）基准站将j和dj发送给用户，用户在测出的伪距j上加上改正，求出经改正后的伪距：然后按下式计算坐标：用户接收机钟差接收机噪声C/A码伪距的单点定位和DGPS测量的精度估值比较伪距差分定位精度高的原因消除了GPS卫星时钟偏差的精度损失（用户接收机计算出的伪距同伪距改正数中的钟差相互抵消）能够显著减小甚至消除电离层/对流层效应和星历误差的精度损失RTK（RealTimeKinematic）技术实时处理两个观测站载波相位观测量的差分方法。载波相位差分载波相位差分方法分类修正法（准RTK）：

将基准接收机的载波相位修正值发送给用户，改正用户接收到的载波相位，再解求坐标差分法（真RTK）：

将基准接收机的载波相位发送给用户，进行求差解算坐标静态法伪距法经典方法多普勒法快速确定法需要对GPS卫星的静态观测来实现伪距法将载波相位测量的观测值(化为以距离为单位)减去伪距实际观测值后即可得到λ·No。由于伪距测量的精度较低，所以要有较多的λ·No取平均值后才能获得正确的整波段数。所以，得经典方法将整周未知数当做平差中的待定参数整数解实数解多普勒法（三差法）由于连续跟踪的所有载波相位观测值中均含有相同的整周未知数N0，所以将相邻两个观测历元的载波相位相减，就可消去N0，从而解出坐标。然后再根据坐标值求解N0

。快速确定整周未知数法

1990年E．Frei和G．Beutler提出基本思路：利用初始平差的解向量及其精度信息，以参数估计和统计假设检验为基础，确定在某一置信区间内N0的可能的整数解的组合；依次将N0的每一组合作为已知值，重复进行平差计算。使估值的验后平差或方差和为最小的一组N0

，即为最佳估值。单站差分技术的局限测量精度随着站间距离的增加而降低如：采用伪距法DGPS测量，站间距离为500km时，用户定位误差为12.2m；站间距离为600km时，用户定位误差为14.4m克服单站差分技术的局限局部区域差分（LADGPS）广域差分（WADGPS）局部区域差分（LADGPS）在局部区域布设差分GPS网，该网由若干个基准站组成，通常还包含一个或数个监控站。位于区域中的用户根据多个基准站提供的改正信息，经平差后求得自己的改正数。局部区域差分（续）用户接收机通常采用加权平均法或最小方差法对来自多个基准站的改正信息进行平差计算，求得自己的坐标改正数或距离改正数用户与基准站之间的距离一般在500km以内才能获得较好的精度广域差分的基本思想对GPS观测量的误差源加以区分，并单独对每一误差源分别加以“模型化”，然后将计算出的每一误差源的数值，通过数据链传输给用户，对用户GPS定位的误差加以改正。广域差分示意图电离层改正卫星星历改正卫星时钟改正广域差分可纠正的误差种类星历误差依赖区域精密定轨，确定精密星历，取代广播星历大气延时误差通过建立精确的区域大气延时模型，能够精确地计算出作用区内的大气时延量卫星钟差误差可计算出卫星钟各时刻的精确钟差广域差分的工作流程在已知坐标的若干监测站上，跟踪观测GPS卫星的伪距、相位等信息；将测得的伪距、相位和电离层延时的量测结果传输到中心站；中心站计算出星历误差改正、卫星钟差改正及电离层延迟误差改正；将上述改正数用数据通信链传输到用户站；用户利用这些改正数修正自己的观测值，计算出精密结果。广域差分的特点定位精度对空间距离的敏感程度比局部区域差分低得多；更大的经济效益；定位精度均匀分布，且精度高；覆盖区域广；硬件昂贵，技术复杂。可靠性和安全性不如单个的局域差分。我国建立广域差分系统的方案北京、拉萨、乌鲁木齐、上海四个永久性GPS监测站；计划增加武汉、哈尔滨两站；拟在北京及武汉建立中心站。我国广域差分GPS系统C／A码单点定位试验以库尔勒、喀什、和田为监测站，构成小区域网，选择距这一小网不同距离的四个地点作为用户位置根据小网计算卫星相对钟差，用伪距法计算用户测站坐标，并与国家Ａ级点计算坐标比较虚拟参考站法（VRS）区域改正技术（FKP)

(AreaCorrectionParameter)多基站RTK技术（网络RTK）虚拟参考站系统组成控制中心既是通讯控制中心，也是数据处理中心。通过通讯线（光缆，ISDN（综合业务数字网），电话线）与所有的固定参考站通讯；通过无线网络（GSM，CDMA，GPRS..）与移动用户通讯

固定站分布在整个网络中，最少要3个站，站与站之间的距离可达70公里，数据实时的传送到控制中心用户用户的接收机加上无线通讯的调制解调器。通过无线网络将自己初始位置发给控制中心，并接收中心的差分信号，生成厘米级的位置信息VRS工作步骤各固定参考站将所有的原始数据通过数据通讯线发给控制中心移动用户在工作前，先向控制中心发送一个概略坐标，控制中心根据用户位置，由计算机自动选择最佳的一组固定基准站，根据这些站发来的信息，整体的改正GPS的各种误差，将高精度的差分信号发给移动站。这个差分信号的效果相当于在移动站旁边，生成一个虚拟参考基站移动站与虚拟参考站进行载波相位差分改正，实现实时RTK。VRS与普通广域差分系统的区别普通广域差分系统：各基准站将各种误差改正数模型发送给移动用户VRS：各基准站不直接向移动用户发送DGPS数据，而是将其发送到控制中心，后者依据用户的实时请求，经过选择和计算，向用户发送DGPS数据VRS相对于普通RTK的优势覆盖范围广按边长70公里计算，一个三角形可覆盖面积为2200多平方公里。北京市区面积900多平方公里，那么一个三角形（3个站）就可控制整个北京市区。10个站就可以完全控制北京全市。VRS的优势2.费用将大幅度降低

70公里的边长使建GPS网络费用大大降低，用户不再架设自己的基准站

3.相对传统RTK，提高了精度。

在VRS网络控制范围内，精度始终在1-2个厘米。

4.可靠性提高

采用了多个参考站的联合数据，大大提高可靠性。

5.应用范围更广城市规划，市政建设，交通管理，机械控制，气象，环保，农业等。

网络RTK的发展前景将极大扩展GPS的应用领域，业内人士认为，未来5至10年，GPS网络建设将高速发展，而这种网络RTK技术，将代表着GPS发展的方向。目前我国只有深圳、北京（在建）、成都（在建）等地采用了此项技术。美国的GPS政策美国的SA和AS政策针对SA和AS政策的政策GPS现代化计划SA和AS政策GPS卫星发射的测距码：

P码精密定位服务（PPS）

C/A码标准定位服务（SPS）1989.11~1990.9：“SA”和“AS”实验1991.7：实施SA技术SA（SelectiveAvailability）技术人为地将误差引入卫星钟和卫星数据中，降低GPS定位精度。主要内容：对卫星基准频率使用δ技术，降低星历精度；在卫星钟的钟频信号中加高频抖动（ε技术）AS（Anti-Spoofing）技术将P码与保密的W码相加成Y码，Y码严格保密。目的：防止敌方使用P码进行精密导航定位。SA和AS技术对定位的影响降低单点定位精度降低长距离相对定位精度

AS技术给确定整周未知数带来不便是否实施SA政策，可以从导航电文中的测距精度（URA）中判别（书上例子）针对SA和AS政策的政策应用P-W技术和L1与L2交叉相关技术研制能同时接收GPS和GLONASS信号的接收机发展DGPS和WADGPS差分GPS系统建立独立的GPS卫星测轨系统建立独立的卫星导航与定位系统应用P-W技术和L1与L2交叉相关技术目的：使L2载波相位观测值得到恢复，其精度与使用P码相同P-W技术：将接收到的L1和L2信号和接收机生成的以原P码信号为基础的人工复制信号相关，并将频带宽度降低得到密码带宽，便可获知W码的估值，将上述接收到的信号减去W码估值，恢复P码L1与L2交叉相关技术：可辨认Y1-Y2的值，进一步得到L2码伪距研制能同时接收GPS和GLONASS信号的接收机GLONASS无SA技术，定位精度高于GPS接收机发展DGPS和WADGPS差分GPS系统已在不少国家和地区得到了发展定位精度达厘米级应用领域广泛建立独立的GPS卫星测轨系统利用GPS卫星，建立独立的跟踪系统，以精密地测定卫星轨道，为用户提供精密星历服务加拿大、澳大利亚和欧洲的一些国家在实施建立区域性或全球精密测轨系统的计划以美国为首从1986年开始建立的国际合作GPS卫星跟踪网（CIGNET）建