第四章-GPS定位原理xin概论课件

第四章GPS定位原理4.1绝对定位原理4.2卫星的几何分布与授时4.3相对定位原理4.4差分定位原理4.5广域差分4.6整周未知数与周跳第四章GPS定位原理4.1绝对定位原理1回顾：GPS定位所获得的点位坐标是？GPS定位获得的是WGS84坐标回顾：GPS定位所获得的点位坐标是？24.1GPS绝对定位原理一、绝对定位的定义（单点定位）是指在协议地球坐标系中，直接确定观测站相对于坐标原点（地球质心）绝对坐标的一种方法。4.1GPS绝对定位原理一、绝对定位的定义3观测方式数据处理定位精度应用范围绝对定位相对定位观测方式绝对定位相对定位4单点定位精度较低单点定位精度较低5二、绝对定位的基本原理以GPS卫星和用户接收机天线之间的距离（或距离差）观测量为基础，根据已知的卫星瞬时坐标，来确定接收机天线所对应的点位，即观测站的位置。实质是测量学中的空间距离后方交会。二、绝对定位的基本原理以GPS卫星和用户接收机天线之间的距6二、绝对定位的基本原理**一个观测站至少需要同步观测4颗卫星**实际观测的站星距离均含有卫星钟和接收机钟同步差的影响（伪距）------------卫星钟差----可以修正。------------接收机的钟差一般难以预料。二、绝对定位的基本原理7三、GPS绝对定位的分类动态绝对定位静态绝对定位测码伪距绝对定位测相伪距绝对定位根据观测量的性质根据天线所处的状态三、GPS绝对定位的分类动态绝对定位测码伪距绝对定位根据观测84.1.1测码伪距观测方程及其线性化4.1.1测码伪距观测方程及其线性化9将站星几何距离线性化后得到以测站三维地心坐标的近似值为中心用泰勒级数展开并取一次项将站星几何距离线性化后得到以测站三维地心坐标的近似值为中心用104.1.2测相伪距观测方程及其线性化4.1.2测相伪距观测方程及其线性化114.1.2测相伪距观测方程及其线性化4.1.2测相伪距观测方程及其线性化124.1.2测相伪距观测方程及其线性化当采用相对定位且基线较长时应采用严密方程。（即卫星发射信号时刻为未知，此处不做讨论）4.1.2测相伪距观测方程及其线性化当采用相对定位且基线较134.1.3动态绝对定位原理精度较低、一般用于导航，对于测码伪距来说：对伪距观测量进行修正线性化4.1.3动态绝对定位原理精度较低、一般用于导航，对于测码144.1.3动态绝对定位原理如观测n颗卫星如存在多余观测，即可按最小二乘法求解。测站位置的三维坐标为：4.1.3动态绝对定位原理如观测n颗卫星如存在多余观测，即154.1.3动态绝对定位原理GPS动态绝对定位一般采用测距码伪距定位方法如采用载波相位伪距测量方法在解算方程时增加了nj个整周未知数4.1.3动态绝对定位原理GPS动态绝对定位一般采用测距码16由于观测方程中增加了整周未知数，因此需对卫星连续跟踪，但实际很难做到。相应的误差方程为：由于观测方程中增加了整周未知数，因此需对卫星相应的误差方程为17思考测距码伪距定位载波相位伪距定位的不同动态绝对定位主要采用测距码伪距定位法思考测距码伪距定位载波相位伪距定位的不同动态绝对定位主要采用184.1.4静态绝对定位原理4.1.4静态绝对定位原理194.1.4静态绝对定位原理j取1，2，3，44.1.4静态绝对定位原理j取1，2，3，420第四章-GPS定位原理xin概论课件21第四章-GPS定位原理xin概论课件22第四章-GPS定位原理xin概论课件23第四章-GPS定位原理xin概论课件244.2观测卫星的几何分布与GPS授时4.2.1卫星几何分布精度因子4.2观测卫星的几何分布与GPS授时25第四章-GPS定位原理xin概论课件26三维位置中误差为三维位置中误差为27第四章-GPS定位原理xin概论课件28第四章-GPS定位原理xin概论课件29第四章-GPS定位原理xin概论课件30选星选星31观测计划的主要内容(1)编制GPS卫星的可见性预报图；在高度角＞15度的限制下，输入测区中心某一测站的概略坐标，输入日期和时间．应使用不超过20天的星历文件，即可编制GPS卫星的可见性预报图。（2）卫星的几何图形强度；在GPS定位中，所测卫星与观测站所组成的几何图形，其强度因子可用空间位置因子（PDOP）来代表，无论是绝对定位还是相对定位，PDOP值不应大于6。（3）选择最佳的观测时段：卫星＞4颗且分布均匀，PDOP值小于6的时段就是最佳时段。

选星观测计划的主要内容选星32第四章-GPS定位原理xin概论课件33第四章-GPS定位原理xin概论课件344.2.2GPS测时1、单站单机测时法2、共视法4.2.2GPS测时1、单站单机测时法2、共视法351.单站单机测时法1.单站单机测时法36T1T22.共视法T1T22.共视法37第四章-GPS定位原理xin概论课件384.3GPS相对定位原理4.3GPS相对定位原理394.3.1相对定位的概念1、静态相对定位概念4.3.1相对定位的概念1、静态相对定位概念40第四章-GPS定位原理xin概论课件412.动态相对定位2.动态相对定位42第四章-GPS定位原理xin概论课件43去除星历误差利用此伪距改正值可消除运动接收机的公共误差的影响基准站与用户间小于100Km时定位精度可达米级去除星历误差利用此伪距改正值可消除运动接收机的公共误差的影响44第四章-GPS定位原理xin概论课件45第四章-GPS定位原理xin概论课件46根据GPS观测误差在同步观测相同卫星时的相关性4.3.2静态相对定位的观测方程及其解算根据GPS观测误差在同步观测相同卫星时的相关性4.3.2静47第四章-GPS定位原理xin概论课件48由上式知卫星钟差已消除，且由于对流层和电离层折射的影响的相关性，可消除大气折射误差。由上式知卫星钟差已消除，且由于对流层和电离层折射的影响的相关49测站间求单差观测模型的特点：方程一般了解测站间求单差观测模型的特点：方程一般了解502、双差模型及其结算2、双差模型及其结算513、三差模型3、三差模型52总结：单差模型消除了卫星钟误差双差模型消除了接收机误差三差模型不存在整周未知数总结：单差模型消除了卫星钟误差53差分GPS单基准差分多基准的局部区域差分广域差分差分GPS伪距差分相位差分位置差分系统构成信息发送方式4.4差分GPS测量原理差分GPS单基准差分多基准的局部区域差分广域差分差分GPS伪54第四章-GPS定位原理xin概论课件55基本原理：其中：利用已知的基准站的坐标求出站星距离与测量距离比较求出偏差，并将此偏差传输给用户，用户改正距离后求出坐标。改正过后的伪距为：4.4.1伪距差分原理基本原理：其中：利用已知的基准站的坐标求出站星距离与测量距离56考虑信号传送伪距改正数的时间变化率基准站与用户的公共误差的抵消性，随距离的增加而减弱，基准站与用户间的距离对定位精度有很大影响考虑信号传送伪距改正数的时间变化率基准站与用户的公共误差的抵57利用对卫星的连续跟踪可以求出基准站的坐标，该坐标与已知坐标存在误差：4.2.2位置差分原理利用对卫星的连续跟踪可以求出基准站的坐标，4.2.2位置差58坐标差分的特点优点：传输的差分改正数少，计算方法简单缺点：要求基准站与用户保持观测同组卫星定位效果不如伪距差分好坐标差分的特点优点：59原理：基准站安置接收机对卫星保持连续跟踪通过无线电设备实时向用户传送观测数据和测站坐标用户接收卫星和来自基准站的信息进行数据处理实时获取三维坐标。方法：1、改正法向用户发送载波相位测量值的改正量2、求差法直接发送载波相位测量值，在用户站求差解算4.4.3载波相位差分原理原理：基准站安置接收机对卫星保持连续跟踪方法：4.4.3载601、改正法1、改正法61第四章-GPS定位原理xin概论课件62第四章-GPS定位原理xin概论课件632、求差法原理：基准站发送载波相位测量值到用户站，在用户站求单差、双差、三差，从而求解坐标。（1）初始化—求解整周未知数（2）将N0带入双差模型求解坐标增量。2、求差法原理：基准站发送载波相位测量值到用户站，在用户站求644.5广域差分GPS4.5广域差分GPS652.无线电数据通讯链2.无线电数据通讯链66基准站数据通讯链流动站（用户）基准站数据通讯链流动站（用户）67原理：较大区域布设多个基准站，构成网，位于该区域的用户根据多个基准站提供的改正信息平差后，求得改正数。实现方法：1、各基准站以标准格式发送改正信息至用户用户加权平均后，作为用户的改正数权可根据用户与基准站的相互位置确定对通讯带宽要求高，效率较低2、根据网形和用户位置，确定用户与基准站相对位置为函数的加权平均值模型，统一发送给用户是一种较为有效的方法原理：较大区域布设多个基准站，构成网，位于该实现方法：68采用统一的改正模型，改正不同因素的影响显得不合理，待测点的定位精度与距接收站的距离远近有关因此要求基准站有一定的密度，这是该方法的限制。采用统一的改正模型，改正不同因素的影响显得不691、基本思想将观测误差分类：星历误差卫星钟差大气折射误差1、基本思想将观测误差分类：70第四章-GPS定位原理xin概论课件71处理误差的方法，分离与模型化。（1）星历误差：基准站对卫星连续跟踪，对卫星进行区域精密定轨，用精密星历取代广播星历。（2）大气折射误差：建立精确的区域大气延时模型代替传统的综合改正。（3）卫星钟差误差：可以计算出卫星钟各时刻的精确钟差值代替传统的利用广播星历提供卫星钟差改正数。处理误差的方法，分离与模型化。（1）星历误差：基准站对卫星连722、系统的构成与工作流程2、系统的构成与工作流程73主站：根据各监测站的坐标和观测量计算GPS星历建立电离层延时改正模型计算卫星钟差改正数将改正参数传送到发射电台监测站：设备，一台铯钟，一台双频接收机将观测数据、气象数据通过数据链发送到主站数据链：监测站与主站的通讯广域网与用户的通讯设备为数据通讯专用网或通信卫星用户设备：接收机和数据链用户端系统各部分功能主站：系统各部分功能741、站间距离增大，精度不明显下降，定位精度受用户和基准站之间距离影响很小。2、相比区域差分，监测站数量少3、网内，不同区域定位精度相当。4、区域可扩展至海洋、沙漠、森林等。5、设备昂贵、软件技术复杂，维护成本高3.系统特点1、站间距离增大，精度不明显下降，定位精度3.系统特点75差分GPS的新进展①增强型系统特点伪卫星技术卫星通讯技术类型LAAS–LocalAreaAugmentationSystem采用地基伪卫星WAAS–WideAreaAugmentationSystem采用空基伪卫星采用通讯卫星发送差分改正数WAAS差分GPS的新进展①增强型系统WAAS76广域增强技术利用地球同步卫星，转发差分GPS修正信号省去电台、增加测距卫星源，提高可靠性。广域增强技术77实时动态测量（RTK）RealTimeKinematicRTK测量技术是全球卫星导航定位技术与数据通信技术相结合的载波相位实时动态差分定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果。在RTK测量模式下，参考站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站，流动站不仅采集卫星观测数据，还通过数据链接收来自参考站的数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理。实时动态测量（RTK）RealTimeKinemat78连续运行参考站系统（CORS系统）ContinuouslyOperatingReferenceStation由多个GNSS（GNSS是GlobalNavigationSatelliteSystem的缩写。中文译名应为全球导航卫星系统。）基准站组成，通过互联网或无线通信网络向系统覆盖的服务区内用户提供参考站坐标和参考站卫星观测数据，用户根据参考站数据进行事后精密定位，也可接收数据播发站发播的载波相位观测数据进行实时精密定位。连续运行参考站系统（CORS系统）Continuous79CORS系统由基准站网、数据处理中心、数据传输系统、定位导航数据播发系统、用户应用系统五个部分组成，各基准站与监控分析中心间通过数据传输系统连接成一体，形成专用网络。CORS系统由80差分GPS的新进展②网络RTK作业模型类似RTK原理利用基准站网计算出用户附近某点（虚拟参考站）各项误差改正，再将它们加到利用虚拟参考站坐标和卫星坐标所计算出的距离之上，得出虚拟参考站上的虚拟观测值，将其发送给用户，进行实时相对定位。特点精度和可靠性高差分GPS的新进展②网络RTK81差分GPS的新进展②网络RTK差分GPS的新进展②网络RTK824.6整周未知数的确定方法与周跳分析4.6整周未知数的确定方法与周跳分析83整周未知数（整周模糊度－Ambiguity）整周未知数（整周模糊度－Ambiguity）844.6.1整周未知数的静态求解方法1.平差待定参数法2.三差法3.交换天线法4.6.1整周未知数的静态求解方法1.平差待定参数法851.平差待定参数法（1）整数解： 基本方法1)求初始解2)将整周模糊度固定为整数3)求固定解（取平差后方差最小的一组）（2）实数解： 基线较长，误差相关性减弱，初始解的误差将随之增大，从而使模糊度参数很难固定，整数化的意义不大。1.平差待定参数法（1）整数解：86在平差计算中，整周未知数的取值分两种情况：•整数解（固定解）：将平差计算所得的整周未知数取为相近的整数，并作为已知数代入原方程，重新解算其它待定参数。当观测误差和外界误差（或残差）对观测值影响较小时，该方法较有效，一般应用于基线较短的相对定位中。在平差计算中，整周未知数的取值分两种情况：87•非整数解（实数解或浮动解）：如果外界误差影响较大，求解的整周未知数精度较低(误差影响大于半个波长)，将其凑成整数，无助于提高解的精度。此时，不考虑整周未知数的整数性质，平差计算所得的整周未知数，不再进行凑整和重新计算。一般用于基线较长相对定位中。•非整数解（实数解或浮动解）：882.三差法该方法在长距离静态相对定位中是一种常用方法，其数学模型有单差和双差模型。也可采用三差模型首先消除整周未知数，在观测站坐标确定后，再根据单差和双差模型，求解相应的整周未知数。2.三差法该方法在长距离静态相对定位中是一种常用方法，其数学893、交换天线法原理：在观测之前，先在基准站附近5-10m处选择一个天线交换点，将两台接收机天线分别安置在该基线两端，同步观测2-8个历元后，相互交换天线，并继续观测若干历元；最后将两天线恢复到原来位置。此时固定站与天线交换点之间的基线向量视为起始基线向量，利用天线交换前后的同步观测量，求解基线向量，进而确定整周未知数。3、交换天线法原理：在观测之前，先在基准站附近5-190第四章-GPS定位原理xin概论课件91第四章-GPS定位原理xin概论课件92上述模型与静态三差模型相类似，区别在于上式是根据不同历元同步观测量的双差之和而建立的。由于所选起始基线很短，此时卫星轨道误差和大气折射误差对该模型的影响可忽略不计。

该方法观测时间短（数分钟），精度较高，操作方便，在准动态相对定位中得到应用。上述模型与静态三差模型相类似，区别在934.6.2整周未知数的动态求解方法

（一般了解）一）初始化法 运动载体处于静止状态时与地面基准站一起通过“初始化”来确定整周模糊度，然后运动载体开始运动，进行定位。二）实时解算模糊度的方法4.6.2整周未知数的动态求解方法

（一般了解）一）初始化法94实时解算模糊度的方法（1）确定搜索区域坐标搜索法模糊度搜索法（2）可采用的方法模糊度函数法最小二乘模糊度搜索法FARA法快速模糊度搜索滤波法LAMBDA法实时解算模糊度的方法（1）确定搜索区域95周跳的探测与修复1．屏幕扫描法2．高次差法3.多项式拟合法周跳的探测与修复96整周跳变（周跳–CycleSlips）在某一特定时刻的载波相位观测值为如果在观测过程接收机保持对卫星信号的连续跟踪，则整周模糊度将保持不变，整周计数也将保持连续，但当由于某种原因使接收机无法保持对卫星信号的连续跟踪时，在卫星信号重新被锁定后，将发生变化，而也不会与前面的值保持连续，这一现象称为整周跳变。周跳T

整周跳变（周跳–CycleSlips）在某一特定时刻的97产生周跳的原因信号被遮挡，导致卫星信号无法被跟踪仪器故障，导致差频信号无法产生卫星信号信噪比过低，导致整周计数错误接收机在高速动态的环境下进行观测，导致接收机无法正确跟踪卫星信号卫星瞬时故障，无法产生信号产生周跳的原因信号被遮挡，导致卫星信号无法被跟踪98周跳的特点只影响整周计数－周跳为波长的整数倍将影响从周跳发生时刻（历元）之后的所有观测值周跳T

周跳将使周跳发生后的所有观测值包含相同的整周计数错误周跳的特点只影响整周计数－周跳为波长的整数倍周跳T周跳99解决周跳问题的方法探测与修复设法找出周跳发生的时间和大小参数法将周跳标记出来，引入周跳参数，进行解算解决周跳问题的方法探测与修复100探测和修复周跳的方法很多，采用何种方法应根据实际情况而定。一般在开始时采用较简便精度不高的方法发现和修复大周跳，然后用精度较高的公式寻找并修复小周跳，并通过残差来加以检验。屏幕扫描法：如果观测值中出现整周跳变，则相位观测值的变化率将不再连续。凡曲线出现不规则变换时，就意味着在相应的观测值中出现了整周跳变。该方法在早期GPS相位测量数据处理中应用，主要靠作业人员依据变化率图象逐段检查。探测和修复周跳的方法很多，采用何种方法应根据实际情况而定101周跳的探测、修复方法①屏幕扫描法方法：人工在屏幕上观察观测值曲线的变化是否连续。特点费时、只能发现大周跳。周跳的探测、修复方法①屏幕扫描法102周跳的探测、修复方法②高次差法的原理由于卫星和接收机间的距离在不断变化，因而载波相位测量的观测值N0+Int(ф)+Fr(ф)也随时间在不断变化。但这种变化应是有规律的，平滑的。周跳将破坏这种规律性。对于GPS卫星而言，当求至四次差时，其值已趋向于零。残留的四次差主要是由接收机的钟误差等因素引起的。周跳的探测、修复方法②高次差法的原理103周跳的探测、修复方法②高次差法周跳的探测、修复方法②高次差法104历元

ij(t)1次差2次差3次差4次差T1475833.2251T2487441.978411608.7531T3499450.545512008.5671399.8140T4511861.433812410.8883402.32122.5072T5524676.571012815.1372404.24891.9277-0.5795T6537898.848713222.2777407.14052.89160.9639T7551530.886413632.0377409.76002.6195-0.2721T8565574.881714043.9953411.95762.1976-0.4219历元ij(t)1次差2次差3次差4次差T1475833.2105历元

ij(t)1次差2次差3次差4次差T1475833.2251T2487441.978411608