武大GPS原理及其应用课件04距离测量与GPS定位

第四章距离测量与GPS定位§4.1利用测距码测定卫地距§4.1利用测距码测定卫地距GPS定位的基本原理需解决的两个关键问题如何确定卫星的位置如何测量出站星距离？测距方法双程测距

用于电磁波测距仪单程测距

用于GPS距离测量与GPS定位>利用测距码测定卫地距>测距方法测距码C/A码（测距时有模糊度）P码距离测量与GPS定位>利用测距码测定卫地距>测距码信号传播时间测距码测距原理①距离测定的基本思路信号（测距码）传播时间的测定信号传播时间的测定距离测量与GPS定位>利用测距码测定卫地距>测距码测距原理测距码测距原理②利用测距码测距的必要条件必须了解测距码的结构利用测距码进行测距的优点采用的是CDMA（码分多址）技术易于捕获微弱的卫星信号可提高测距精度便于对系统进行控制和管理（如AS）每颗GPS卫星都采用特定的伪随机噪声码微弱信号的捕获距离测量与GPS定位>利用测距码测定卫地距>测距码测距原理Z跟踪技术ASP码+W码

Y码W码的码元宽度比Y码大几十倍Z跟踪技术原理将相关间隔（积分间隔）限定在一个W码码元内距离测量与GPS定位>利用测距码测定卫地距>Z跟踪技术伪距测量的特点优点无模糊度缺点精度低距离测量与GPS定位>利用测距码测定卫地距>伪距测量的特点GPS测量的基本观测方程距离测量与GPS定位>利用测距码测定卫地距>GPS测量的基本观测方程对流层折射延迟改正电离层折射延迟改正接收机钟的改正数卫星钟的改正数信号离开卫星的时刻（由卫星钟测定）信号到达接收机的时刻（由接收机钟测定）测距码测距的观测方程距离测量与GPS定位>利用测距码测定卫地距>测距码测距的观测方程伪距测量的误差方程距离测量与GPS定位>利用测距码测定卫地距>测距码测距的误差方程§4.2 载波相位测量

载波相位测量距离测量与GPS定位>载波相位测量载波相位测量的关键技术－重建载波①重建载波将非连续的载波信号恢复成连续的载波信号。载波调制了电文之后变成了非连续的波伪距测量与载波相位测量距离测量与GPS定位>载波相位测量>载波相位测量的关键技术－重建载波载波相位测量的关键技术－重建载波②码相关法方法将所接收到的调制信号（卫星信号）与接收机产生的复制码相乘。技术要点卫星信号（弱）与接收机信号（强）相乘。特点限制：需要了解码的结构。优点：可获得导航电文，可获得全波长的载波，信号质量好（信噪比高）码相关法距离测量与GPS定位>载波相位测量>载波相位测量的关键技术－重建载波载波相位测量的关键技术－重建载波③平方法方法将所接收到的调制信号（卫星信号）自乘。技术要点卫星信号（弱）自乘。特点优点：无需了解码的结构缺点：无法获得导航电文，所获载波波长为原来波长的一半，信号质量较差（信噪比低，降低了30dB）平方法距离测量与GPS定位>载波相位测量>载波相位测量的关键技术－重建载波载波相位测量的关键技术－重建载波④互相关（交叉相关）方法在不同频率的调制信号（卫星信号）进行相关处理，获取两个频率间的伪距差和相位差技术要点不同频率的卫星信号（弱）进行相关。特点优点：无需了Y解码的结构，可获得导航电文，可获得全波波长的载波，信号质量较平方法好（信噪比降低了27dB）距离测量与GPS定位>载波相位测量>载波相位测量的关键技术－重建载波载波相位测量的关键技术－重建载波⑤Z跟踪方法：将卫星信号在一个W码码元内与接收机复制出的P码进行相关处理。在一个W码码元内进行卫星信号（弱）与复制信号（强）进行相关。特点优点：无需了解Y码结构，可测定双频伪距观测值，可获得导航电文，可获得全波波长的载波，信号质量较平方法好（信噪比降低了14dB）距离测量与GPS定位>载波相位测量>载波相位测量的关键技术－重建载波载波测距距离测量与GPS定位>载波相位测量>载波测距GPS载波相位测量的基本原理距离测量与GPS定位>载波相位测量>GPS载波相位测量的基本原理理想情况实际情况载波相位观测值观测值整周计数整周未知数（整周模糊度）载波相位观测值距离测量与GPS定位>载波相位测量>载波相位观测值载波相位测量的特点优点精度高，测距精度可达0.1mm量级难点整周未知数问题整周跳变问题距离测量与GPS定位>载波相位测量>载波相位测量的特点载波相位测量的观测方程原始形式：线性化后：误差方程为：距离测量与GPS定位>载波相位测量>载波相位测量的观测方程GPS原理及其应用

(九)第四章距离测量与GPS定位§4.3观测值的线性组合§4.3 观测值的线性组合同类型同频率观测值的线性组合同类型不同频率观测值的线性组合不同类型观测值的线性组合同类型同频率相位观测值的线性组合

——差分观测值按差分方式可分为:站间差分星间差分历元间差分按差分次数可分为：一次差二次差三次差距离测量与GPS定位>观测值的线性组合>同类型同频率相位观测值的线性组合概述差分观测值的定义将相同频率的GPS载波相位观测值依据某种方式求差所获得的新的组合观测值（虚拟观测值）差分观测值的特点可以消去某些不重要的参数，或将某些对确定待定参数有较大负面影响的因素消去或消弱其影响求差方式站间求差卫星间求差历元间求差距离测量与GPS定位>观测值的线性组合>同类型同频率相位观测值的线性组合与接收机无关与卫星无关空间相关性强空间相关性强不随时间变化原始载波相位观测值距离测量与GPS定位>观测值的线性组合>同类型同频率相位观测值的线性组合站间求差（站间差分）求差方式同步观测值在接收机间求差数学形式特点消除了卫星钟差影响削弱了电离层折射影响削弱了对流层折射影响削弱了卫星轨道误差的影响距离测量与GPS定位>观测值的线性组合>同类型同频率相位观测值的线性组合星间求差（星间差分）求差方式同步观测值在卫星间求差数学形式特点消除了接收机钟差的影响距离测量与GPS定位>观测值的线性组合>同类型同频率相位观测值的线性组合历元间求差（历元间差分）差分方式观测值在间历元求差数学形式特点消去了整周未知数参数距离测量与GPS定位>观测值的线性组合>同类型同频率相位观测值的线性组合单差、双差和三差单差：站间一次差分双差：站间、星间各求一次差（共两次差）三差：站间、星间和历元间各求一次差（三次差）单差双差三差距离测量与GPS定位>观测值的线性组合>同类型同频率相位观测值的线性组合采用差分观测值的缺陷（求差法的缺陷）数据利用率低只有同步数据才能进行差分引入基线矢量替代了位置矢量差分观测值间具有了相关性，使处理问题复杂化参数估计时，观测值的权阵某些参数无法求出某些信息在差分观测值中被消除距离测量与GPS定位>观测值的线性组合>同类型同频率相位观测值的线性组合同类型不同频率观测值的线性组合L1的特性 L2的特性距离测量与GPS定位>观测值的线性组合>同类型不同频率相位观测值的线性组合不同频率的载波(L1,L2)相位观测值两个不同频率的载波(L1,L2)相位观测值间线性组合的一般形式

n,m距离测量与GPS定位>观测值的线性组合>同类型不同频率相位观测值的线性组合

n,m的特性距离测量与GPS定位>观测值的线性组合>同类型不同频率相位观测值的线性组合常见的线性组合——宽巷组合相位观测值宽巷组合（wide-lane）(n=1,m=-1)*利于求解模糊度,测量噪声大.距离测量与GPS定位>观测值的线性组合>同类型不同频率相位观测值的线性组合常见的线性组合——无电离层折射的相位观测值无电离层折射的组合（iono-free）距离测量与GPS定位>观测值的线性组合>同类型不同频率相位观测值的线性组合不同类型观测值的线性组合不同类型双频观测值间的线性组合不同类型单频观测值间的线性组合距离测量与GPS定位>观测值的线性组合>不同类型观测值的线性组合1.不同类型双频观测值间的线性组合距离测量与GPS定位>观测值的线性组合>不同类型观测值的线性组合1.不同类型双频观测值间的线性组合距离测量与GPS定位>观测值的线性组合>不同类型观测值的线性组合1.不同类型双频观测值间的线性组合距离测量与GPS定位>观测值的线性组合>不同类型观测值的线性组合1.不同类型双频观测值间的线性组合距离测量与GPS定位>观测值的线性组合>不同类型观测值的线性组合2.不同类型单频观测值间的线性组合距离测量与GPS定位>观测值的线性组合>不同类型观测值的线性组合第四章距离测量与GPS定位§4.4周跳的探测与修复§4.5整周模糊度的确定§4.4 周跳的探测与修复1．屏幕扫描法2．高次差法多项式拟合法MW观测值法三差法4.4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

距离测量与GPS定位

>周跳的探测与修复>整周跳变（周跳–CycleSlips）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，无法产生信号距离测量与GPS定位

>周跳的探测与修复>产生周跳的原因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距离测量与GPS定位>周跳的探测与修复>周跳的特点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，进行解算距离测量与GPS定位

>周跳的探测与修复>解决周跳问题的方法周跳的探测、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。由于原始的载波观测值变化很快，通常观察的是某种观测值的组合，如。距离测量与GPS定位

>周跳的探测与修复>屏幕扫描法周跳的探测、修复方法②高次差法距离测量与GPS定位>周跳的探测与修复>高次差法周跳的探测、修复方法②

（续）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。距离测量与GPS定位>周跳的探测与修复>高次差法周跳的探测、修复方法②（续）高次差法的问题接收机钟差对此方法有效性的影响克服接收机钟差影响的方法－卫星间求差距离测量与GPS定位>周跳的探测与修复>高次差法周跳的探测、修复方法②（续）高次差法的问题即使发现相位观测值中存在数周的不规则变化，也很难判断是否存在周跳。所以双差观测值被广泛采用。距离测量与GPS定位>周跳的探测与修复>高次差法周跳的探测、修复方法③多项式拟合法：为了便于用计算机计算，常采用多项式拟合的方法。即根据n个相位测量观测值拟合一个n阶多项式，据此多项式来预估下一个观测值并与实测值比较，从而来发现周跳并修正整周计数。这种方法实质上和上面介绍的高次差法是相像的，但便于计算。距离测量与GPS定位>周跳的探测与修复>多项式拟合法周跳的探测、修复方法③（续）多项式拟合法的应用特点由于四次差或五次差一般巳呈偶然误差特性，无法再用函数来加以拟合，所以用多项式拟合时通常也只需取至4—5阶即可。观测值可以是真正的（非差）相位观测值，也可以是经线性组合后的虚拟观测值：单差观测值和双差观测值。距离测量与GPS定位>周跳的探测与修复>多项式拟合法周跳的探测、修复方法④MW观测值法距离测量与GPS定位

>周跳的探测与修复>MW观测值法周跳的探测、修复方法⑤残差法方法根据平差后的残差，进行周跳的探测与修复特点可以发现小周跳载波相位双差观测值的残差图距离测量与GPS定位

>周跳的探测与修复>残差法§4.5整周模糊度的确定整周未知数（整周模糊度－Ambiguity）距离测量与GPS定位

>整周未知数N0的确定>整周未知数4.5.1静态相对定位中常用的几种方法待定参数法-经典方法

1）取整法

2）置信区间法

XNi为模糊度的实数解

mXNi=s0(QNiNi)1/2为该参数的中误差

置信区间为［XNi-b·mXNi，XNi+b·mXNi］

b＝xt(f,α/2),根据自由度（f=n-u)和置信水平（1-α），从t分布的数值表中查取。 如：f=2500,1-α=99.9%,b=3.28

整数解在置信区间之内。

3）模糊函数法距离测量与GPS定位

>整周未知数N0的确定>静态相对定位中常用的几种方法4.5.1静态相对定位中常用的几种方法一）整数解： 基本方法1)求初始解 确定基线向量的实数解和整周未知数的实数解2)将整周模糊度固定为整数3)求固定解二）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。距离测量与GPS定位

>整周未知数N0的确定>静态相对定位中常用的几种方法4.5.2快速定位中常用的方法走走停停和快速静态定位法是两种具有代表性的快速定位法。 确定整周未知数的方法：一）走走停停法（StopandGo）已知基线法交换天线法二）快速静态定位法快速模糊度解算法（FARA）距离测量与GPS定位

>整周未知数N0的确定>快速定位中常用的方法已知基线法将已修复周跳、剔除粗差后的双差载波相位观测值组成法方程式，然后将已知的基线向量代入法方程式并求解模糊度参数，最后再用取整法或置信区间法将求得的实数模糊度固定为整数。距离测量与GPS定位

>整周未知数N0的确定>已知基线法交换天线法距离测量与GPS定位

>整周未知数N0的确定>交换天线法快速模糊度解算法（FARA）由瑞士的E.Frei和G.Beutler提出过程：距离测量与GPS定位

>整周未知数N0的确定>快速模糊度解算法（FARA）快速模糊度解算法（FARA）（续）1、搜索候选模糊度：

根据

P｛|XNi-XNAi|≤b

mXNi｝=1-αXNi为模糊度的实数解

XNAi为相应的候选整数解

mXNi=s0(qNiNi)1/2为该参数的中误差

b＝xt(f,α/2),根据自由度（f=n-u)和置信水平（1-α），从t分布的数值表中查取。 这样将［XNi-b·mXNi，XNi+b·mXNi］中的所有模糊度值挑选出来，构成很多候选模糊度组合。距离测量与GPS定位

>整周未知数N0的确定>快速模糊度解算法（FARA）快速模糊度解算法（FARA）（续）2、确定最优整数模糊度组合

距离测量与GPS定位

>整周未知数N0的确定>快速模糊度解算法（FARA）快速模糊度解算法（FARA）（续）3、对备选模糊度组合进行数理统计检验

1)互差检验：对XNAik=XNAi

-

XNAk进行检核。

P｛|XNijk-XNAik|≤b·mxNik

｝=1-α

整数模糊度实数差：XNik=XNi-XNk

(i,k=1,2…r,i≠k)

对应的候选整数模糊度差：XNAik=XNAi-XNAk

mXNik=s0(qNiNi-2qNiNk+qNkNk)1/2 2)双频检验

XNi、XNk分别表示对同一卫星的L1、L2载波模糊度的实数解。令：

XLik

=XNi-XNk(λ2/λ1),

XLAik

=XNAi-XNAk(λ2/λ1)P｛|XLik-XLAik|≤b·mXNLik｝=1-α距离测量与GPS定位

>整周未知数N0的确定>快速模糊度解算法（FARA）

4、确认最优解的三项统计检验:

将搜索出来的最优整数模糊度组合，代回原法方程式平差计算,得出基线向量解和方差阵。１）基线向量的整数解和初始解的一致性检验。２）整数解和初始解的单位权中误差的一致性检验。３）整数解中最小单位权中误差与次最小单位权中误差间的显著性检验。快速模糊度解算法（FARA）（续）距离测量与GPS定位

>整周未知数N0的确定>快速模糊度解算法（FARA）4.5.3动态定位中常用的方法一）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距离测量与GPS定位

>整周未知数N0的确定>动态定位中常用的方法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法距离测量与GPS定位

>整周未知数N0的确定>实时解算模糊度的方法第四章距离测量与GPS定位§4.6 单点定位§4.7 相对定位§4.6 单点定位GPS测量定位方法分类定位模式绝对定位（单点定位）相对定位差分定位定位时接收机天线的运动状态静态定位－天线相对于地固坐标系静止动态定位－天线相对于地固坐标系运动获得定位结果的时效事后定位实时定位观测值类型伪距测量载波相位测量距离测量与GPS定位>单点定位>GPS测量定位方法分类单点定位简介定义单独利用一台接收机确定待定点在地固坐标系中绝对位置的方法定位结果－与所用星历同属一坐标系的绝对坐标采用广播星历时属WGS-84采用IGS–InternationalGPSService精密星历时为ITRF–InternationalTerrestrialReferenceFrames特点优点：一台接收机单独定位，观测简单，可瞬时定位缺点：精度主要受系统性偏差的影响，定位精度低应用领域低精度导航、资源普查、军事、...距离测量与GPS定位

>单点定位>单点定位简介伪距单点定位的误差方程①对于卫星i，在某一个历元的误差方程为距离测量与GPS定位

>单点定位>伪距单点定位的误差方程单点定位有4个待定参数，因而至少需要同时观测4颗以上的卫星，才能同时确定出所有的待定参数。伪距单点定位的误差方程②对在某历元同时观测的n颗卫星，其误差方程及位置解为距离测量与GPS定位

>单点定位>伪距单点定位的误差方程DOP值①DOP（DilutionofPrecision）GDOP–GeometryDilutionofPrecisionPDOP–PositionDilutionofPrecisionTDOP–TimeDilutionofPrecisionHDOP–HorizontalDilutionofPrecisionVDOP–VerticalDilutionofPrecisionDOP值的定义距离测量与GPS定位

>单点定位>DOP值DOP值②DOP值与定位精度DOP值的性质DOP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DOP值越小，定位的几何条件越好距离测量与GPS定位

>单点定位>DOP值DOP值③距离测量与GPS定位

>单点定位>DOP值DOP值④距离测量与GPS定位

>单点定位>DOP值载波相位单点定位的误差方程①对于卫星i，误差方程为距离测量与GPS定位>单点定位>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②若在k个历元里每历元均观测了n颗相同的卫星，则误差方程距离测量与GPS定位>单点定位>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③距离测量与GPS定位>单点定位>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④距离测量与GPS定位>单点定位>载波相位单点定位的误差方程假定在k个历元中连续对n颗卫星进行了观测，则通常有3+k+n个待定参数（3个位置参数、k个整周模糊度参数和n个接收机钟差参数），因而，仅采用载波相位观测值无法实现瞬时单点定位。单点定位的误差源及应对方法卫星星历精密星历卫星钟差精密钟差、地面跟踪电离层延迟双频改正对流层延迟模型改正距离测量与GPS定位

>单点定位>单点定位的误差源及应对方法精密单点定位精密单点定位PPP–PrecisePointPositioning特点主要观测值为载波相位采用精密的卫星轨道和钟数据采用复杂的模型定位精度亚分米级用途全球高精度测量卫星定轨距离测量与GPS定位

>单点定位>精密单点定位§4.7 相对定位概述①定义确定进行同步观测的接收机之间相对位置的定位方法，称为相对定位。定位结果与所用星历同属一坐标系的基线向量（坐标差）及其精度信息采用广播星历时属WGS-84采用IGS–InternationalGPSService精密星历时为ITRF–InternationalTerrestrialReferenceFrame基线向量中含有：2个方位基准（一个水平方法，一个垂直方位）和1个尺度基准，不含有位置基准距离测量与GPS定位

>相对定位>概述概述②特点优点：定位精度高缺点：多台接收共同作业，作业复杂数据处理复杂不能直接获取绝对坐标应用高精度测量定位及导航相对定位距离测量与GPS定位

>相对定位>概述观测方程非差观测方程单差观测方程双差观测方程距离测量与GPS定位>相对定位>观测方程各种误差对相对定位结果的影响卫星轨道误差–削弱卫星钟差–消除大气折射误差–削弱接收机钟差–消除接收机天线相位中心偏差和变化–消除距离测量与GPS定位

>相对定位>各种误差对相对定位结果的影响相对定位的类型静态定位普通静态定位快速静态定位GoandStop快速确定整周未知数动态定位动态定位中整周未知数的确定静态初始化动态初始化（OTF）实时动态定位（RTK–RealTimeKinematic）单基准站RTK多基准站RTK（网络RTK）距离测量与GPS定位>相对定位>相对定位的类型RTK–实时动态RealTimeKinematic距离测量与GPS定位

>相对定位>RTK–实时动态第四章距离测量与GPS定位§4.8差分GPS概述①差分GPS产生的诱因：绝对定位精度不能满足要求GPS绝对定位的精度受多种误差因素的影响，完全满足某些特殊应用的要求美国的GPS政策对GPS绝对定位精度的影响（选择可用性SA）SA关闭前后GPS绝对定位精度的变化距离测量与GPS定位

>差分GPS>概述概述②差分GPS（DGPS–DifferentialGPS）利用设置在坐标已知的点（基准站）上的GPS接收机测定GPS测量定位误差，用以提高在一定范围内其它GPS接收机（流动站）测量定位精度的方法RTCM-104格式距离测量与GPS定位

>差分GPS>概述影响绝对定位精度的主要误差主要误差卫星轨道误差卫星钟差大气延迟（对流层延迟、对流层延迟）多路径效应对定位精度的影响距离测量与GPS定位

>差分GPS>影响绝对定位精度的主要误差差分GPS的基本原理误差的空间相关性以上各类误差中除多路径效应均具有较强的空间相关性，从而定位结果也有一定的空间相关性。差分GPS的基本原理利用基准站（设在坐标精确已知的点上）测定具有空间相关性的误差或其对测量定位结果的影响，供流动站改正其观测值或定位结果差分改正数的类型距离改正数：利用基准站坐标和卫星星历可计算出站星间的计算距离，计算距离减去观测距离即为距离改正数。位置（坐标改正数）改正数：基准站上的接收机对GPS卫星进行观测，确定出测站的观测坐标，测站的已知坐标与观测坐标之差即为位置的改正数。距离测量与GPS定位

>差分GPS>差分GPS的基本原理差分GPS对