第五讲_gps定位原理(1).ppt

1、1,第四章 GPS定位原理,测绘与地理信息学院.李建章,2,第一节 定位方法与观测量 一、定位方法分类 1）按接收机运动状态分为：动态定位与静态定位： 动态定位认为接收机相对于地面是运动的。 静态定位认为接收机相对于地面静止不动。 2）按定位模式分：绝对定位、相对定位 绝对定位求测站点相对于地心的坐标； 相对定位在不同地点的接收机同步跟踪相同的GPS卫星信号，确定若干接收机之间的相对位置，这种方式叫做相对定位。 差分定位：在基准点上观测求得大气折射等改正，并及时发送给流动站，流动站用收到的改正数对观测数据进行改正，得精确点位。 3）按照时效分为：实时定位和事后定位。,3,4,二、观测量 几何距

2、离星站间的真实距离。 伪距由接收机观测的带有钟差、电离层和对流层延迟的的星站距离。 码相位观测（如图），得测码伪距（简称伪距）； 载波相位观测（如图） ，得测相伪距（简称相位）。 观测量：伪距。,5,6,7,第二节 测码伪距观测方程与测相伪距观测方程,设信号发射时刻的卫星钟面时为tj，相应的GPS标准时间为tj(gps)，钟差为j；设信号接收时刻的接收机钟面 时为tk，相应的标准GPS时间为tk(GPS)，接收机钟差 为k ，则测量所得的信号传播时间为:,传播时间乘以光速得伪距：,1、测码伪距观测方程及其线性化,8,考虑到电离层改正和对流层改正，得：,9,设卫星的已知坐标为 ，接收机的位置坐标

3、为 ，其近似值为 ，改正数为 ，则有 将此式展开成泰勒级数可取至一次项，并令,10,11,则观测方程可表示为 取 则有： 此式中有四个未知数，最少需观测四颗卫星才能求得四个未知数。如果多于四颗卫星，按最小二乘法解算。,12,2、测相伪距观测方程及其线性化,载波信号是正弦波 ，卫星发射载波信号的时刻为tj ，接收机收到卫星信号的时刻为tk ，载波信号传播的时间为： 则星站距离为 以周为单位。,13,14,由上式可得 在接收机初始跟踪到卫星时刻t0 ，测得上式中的左端。右端的两项为未知数。当接收机锁定卫星，到 ti 时刻，接收机测得的相位含有三项：一是整周固定部分，称为整周未知数或整周模糊度；二是

4、整周变化部分，由整周计数器记录；三是不足整周部分。 用 表示整周变化部分与不足整周部分之和，并考虑接收机钟差，则载波相位观测方程为 以卫星和接收机的坐标带入上式并考虑电离层和对流层改正后线性化，可得 式中的 包括几何距离近似值及对流层和电离层改正。式中有五个未知数，如观测5颗卫星则有9个未知数。,15,一、动态绝对定位原理,设观测卫星数 ，则 用矩阵表示,第三节 GPS绝对定位原理,16,其中：,17,令,设,则,伪距测量中误差,18,二、 静态绝对定位原理,1、测码伪距静态绝对定位法 接收机相对于地面固定不动。一般每隔5、10或15秒观测一次（一个历元）。 观测卫星数m，历元数n，则观测值的

5、个数为m.n个，观测方程的个数也为m.n个。如观测时间较短，不考虑接收机钟差变化，则需解4个未知数。方程式的形式与动态定位相似。,令,则误差方程的矩阵形式为,19,如果观测时间较长，应考虑接收机钟差变化 初始观测时刻 其中有3个钟差改正数，3个测站坐标改正数，共6个未知数,20,2、测相伪距绝对定位法 因接收机钟的稳定性有限，不同历元有不同的钟差。以初始历元t0 为参考历元，用三阶方程式表示钟差： 观测卫星数 m ，历元数 n，3个测站坐标未知数，3个钟差系数为未知数，另外每颗卫星有一个整周未知数。共 6+m个未知数，观测历元数应 如果要进行测相伪距绝对定位，观测前应将接收机固定在 一点上观测

6、一段时间，以求得整周未知数，这一过程称为初始化，然后才能进行测相伪距动态绝对定位。,21,载波相位观测应注意： 1）整周数的变化部分由计数器记录，此间信号不能间断，如果此间到达接收机的信号被遮挡，造成失锁，遮挡期间整周记数暂停，遮挡移去后继续记数，这就丢掉了遮挡期间的若干整周数。这种情况叫整周跳。引起周跳的另一原因是强电磁干扰。 设卫星与接收机的相对运动速度为1km/s，L1载波波长为19cm，信号间断1秒钟，产生1000/0.19=5263周的周跳。 2）因各项误差影响，整周未知数往往不为整数。,22,23,三、 精度衰减因子,在测码伪距绝对定位中，误差方程的系数阵为A，令 则 式中,伪距测

7、量中误差,24,如取符号 则 测站点在大地坐标系中的全系数阵。 精度衰减因子全系数阵住对角线元素的函数，用DOP表示。,25,精度衰减因子的种类 平面位置精度衰减因子 高程精度衰减因子 空间位置精度衰减因子 接收机钟差精度衰减因子 几何精度衰减因子 DOP是观测卫星空间分布的函数，常用PDOP,26,结 论： GPS绝对定位的误差与精度因子DOP的大小成正比，在 伪距观测精度0确定的情况下，如何使精度因子的数值 尽可能减小，是提高定位精度的一个重要途径。 由于精度因子与所测卫星的空间分布有关，因此也称观 测卫星的图形强度因子。由于卫星的运动以及观测卫星 的选择不同，所测卫星在空间分布的几何图形

8、是变化 的，导致精度因子的数值也是变化的。 假设观测站与4颗观测卫星所构成的六面体体积为，研 究表明，精度因子GDOP与该六面体体积的倒数成正 比。GDOP 1/。,27,28,结 束,29,B,A,B,A,C,N,E,30,B,A,B,A,C,N,E,31,32,33,第三节 GPS测时,34,35,36,37,第四节 GPS接收机载体航速的测定,对于动态GPS用户，除了需要确定GPS接收机载体的实时位置，往往还要测定载体的实时航行速度。假设于历元t1和t2测定的载体实时位置分别为X1(t1)和X2(t2)，则其运动速度可简单地表示为：,由此可得载体运行方向的速度为：,38,结论： 、上述测

9、定航速的方法，不需要新的观测量，计算简单，测速的实质仍是定位。上述计算是在时间段t内的平均速度，如果计算过程中所取时间间隔过短或过长，都难以正确描述载体的实时运行速度。因此可以采用观测载波多普勒频移的方法，来实时测定载体运行速度。 、由于GPS用户接收机载体和GPS卫星之间的相对运动，接收机接收到的GPS载波信号与卫星发射的载波信号频率不同，其间的频率差称为多普勒频移。频移的大小与接收机与卫星之间距离的变率有关。,39,假设df为多普勒频移（已知观测量），f为卫星发射的载波频率，c为光速，则有：,如果大气折射对伪距观测量的影响已改正，则站星伪距观测方程：,考虑卫星钟差可由导航电文给出的参数加以修正，则伪距的时间变率为：,40,