GPS测量与定位原理概要.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2019年12月5日,2025年4月27日,1,GPS,卫星测量 与定位,原理,2,2025年4月27日,第四章,GPS,卫星测量与定位原理,1.,伪距测量原理,2.,载波相位测量原理,3.GPS,定位原理,4.,差分,GPS,定位原理,3,2025年4月27日,第一节 伪 距 测 量,一、伪距定位的基本原理,1,、概念,:,伪距,2,、分类,:,对,P,码进行测量,(,一次导航,定位的精度一般为,10m,左,右,),。,对,C/A,码进行测量,(,一次导,航定位的精度一般为,20m,至,30m),。,42025年4月27日,5,2025年4月27日,3,、伪距法定位的特点,:,1,）,.,精度不高。,2,）,.,定位速度快。,3,）,.,无多值解。,4,）,.,可获得,WGS,84,坐,标系统的坐标。,6,2025年4月27日,二、伪距测量方法,(P66),：,卫星信号到接收机：,a,（,t,）,接收机产生的复制码为：,a,（,t+,t,）,现将复制码,a,依次延迟：,1,2,i,n,则其变为：,a,（,t,t,i,）,现求两码相关系数,:,7,2025年4月27日,R(,i,)=0,直到：,R,（,n,）,=1,（,max?,）,即有：,t,=,t,t,n,=,n,t,两边同乘,c,可有c,t,8,2025年4月27日,其中,:,为伪距，,为实际距离,而,c,t,为由于星、机钟误差造成的距离差。,则,c,t=c,t,j,c,t,k,若同时考虑,电离层,和,对流层,对卫星信号的折,射影响,(,1,和,2,),：,=,1,2,c,t,k,c,t,j,此式即为伪距,(,),与实际距离,(,),的关系式,!,9,2025年4月27日,三、伪距测量观测方程,因为,:,其中,:,为卫星,j,的已知坐标,j=1 2 n,。,为所要求的测站坐标。,若将,t,k,亦视为未知数 则,伪距定位观测方程,:,10,2025年4月27日,第二节 载 波 相 位 测 量,为什么要进行载波相位测量对于,P,码,:,=29.3m;,对于,C/A,码,:,=293m;,而,:L,1,载波,:,1,=19 cm,;,L,2,载波,:,2,=24 cm;,80,年代末期,Trimble,首先推,出对载波相位进行测量的大,地型,GPS,接收机。,L2,P2,D(t),L1,C/A,P1,11,2025年4月27日,载波相位测量的特点,:,1),、精度高。,(,对载波进行测量可达,:,1mm,2mm),。,2),、解算麻烦。,(,整周模糊度,N,的确定,),L2,P2,D(t),L1,C/A,P1,12,2025年4月27日,接收机接收到的载波信号,:,X(t)=ACoS,（,t+),调制,X,(t)=ACoS,（,t+),13,2025年4月27日,概念,:,重建载波,!(,信号的解调,),X,(t)=ACoS,（,t+),解调,X(t)=ACoS,（,t+),14,2025年4月27日,重建载波的方法,:,1),、码相关法,(,三因素法,):,X(t)=ACoS,（,t+),调制,X,(t)=ACoS,（,t+),X,(t)=ACoS,（,t+),再解调,X(t)=ACoS,（,t+),码相关法的特点,:,方法简单可获得导航电文,但必须,要掌握测距码的结构。,15,2025年4月27日,2),、平方法,(,白噪声法,):,平方法的特点,:,不必知道测距码的结构,但去,掉测距码的同时亦失去了导航电文。,3),、互相关法,(,混合型接收机,),利用上面二法的优点对信号进行解调,重新获得,载波信号。,16,2025年4月27日,一、测量原理：,载波相位测量的观测量？,(P74),在,t,0,时：,17,2025年4月27日,在,t,0,t,i,时：,整波长的变化量,Int(,),在信号,没有失锁时,可以计录下来。,这里只有,N,0,j,为未知数,称为,初,始整周模糊度,。,18,2025年4月27日,二、观测方程,:,=(t,b,),j,(t,a,);,T,a,=t,a,t,a,，,T,b,=,t,b,t,b,则,:,=(T,b,t,b,),j,(T,a,t,a,),一般有,:,(t+t)=(t),f t,而且,T,b,=Ta,(T,b,)=,j,(Ta),f ,=(T,b,),f t,b,j,(T,a,),+,f t,a,=f,f t,b,f t,a,又因为,:=C,-1,(,1,2,),所以,:=fC,-1,(,1,2,),f t,a,f t,b,19,2025年4月27日,现顾及载波相位的整周数,:,则测站,K,对卫星,j,的,载波相位测量的观测方,程,为,:,式中各符号的意义,!,20,2025年4月27日,回顾,:,伪距测量原理,载波相位测量原理,多普勒测量原理,GPS,定位原理,21,2025年4月27日,回顾,:,伪距测量原理,伪距测量观测方程1,2,c,t,k,c,t,j,伪距定位观测方程,(,),(,),(,),j,j,j,j,k,j,s,j,s,j,s,t,c,t,c,Z,Z,Y,Y,X,X,d,dr,dr,r,d,-,+,+,=,-,-,+,-,+,-,2,1,2,1,2,2,2,22,2025年4月27日,回顾,:,载波相位测量原理,23,2025年4月27日,载波相位测量的观测量,在,t,0,时：,=,24,2025年4月27日,在,t,0,t,i,时：,整波长的变化量,Int(,),在信号,没有失锁时,可以计录下来。,这里只有,N,0,j,为未知数,称为,初,始整周模糊度,。,25,2025年4月27日,=(t,b,),j,(t,a,),-,不足一周的相位值,因为,:,t,a,=Ta-t,a,，,t,b,=Tb,-t,b,-,星钟和机钟标准时间,所以,:,=(Tb,t,b,),j,(Ta,t,a,),一般情况下有,:,(t+t)=(t),f t,而且,Tb=Ta,所以,:(Tb)=,j,(Ta),f ,-(Tb)-,j,(Ta)=f ,=(Tb),f t,b,(,j,(T,a,)-f t,a,),=f,f t,b,f t,a,又因为,:=C,-1,(,1,2,),-,伪距与光速之比,所以,:=fC,-1,(,1,2,),f t,a,f t,b,26,2025年4月27日,测站,K,对卫星,j,的,载波相位测量的观测方程,为,:,),(,0,2,1,j,dr,dr,d,d,r,Int,N,t,f,t,f,j,C,f,C,f,b,a,C,f,j,K,+,+,-,-,-,+,=,F,站星,距离,星钟,误差,机钟,误差,电离层改正,对流层改正,初始整周未知数,整周数的变化量,27,2025年4月27日,三、初始整周未知数,N,0,的确定,1,、伪距法,在进行载波相位测量的同时也进行伪距测量，则将伪距测量所获得的伪距观测值减去载波相位测量观测值中不足一周的部分和整周变化量部分（假设他们都已经转化为距离的单位）后即等于,N,0,=,=,(),),(,0,j,j,Int,N,+,+,D,28,2025年4月27日,2,、,将,N,0,视为平差中的待定参数来求解,N,0,的取值,:,实数 凑整 整数,实数解 整数解,凑整方法,:1),四舍五入法。,2),取,N,0,3m,N,内的整数。,实数解和整数解的不同使用,!,29,2025年4月27日,3,、多普勒法（三差法）,利用测站、卫星和历元间求三差的方法来解算坐标未知参数，将其作为未知数的初始值代入双差模型再求解整周未知数。,30,2025年4月27日,四、整周跳变的修复,:,1,、整周跳变,:,信号失锁,：由于某些原因导致,GPS,信号被,暂时阻断的情况被称为信号失锁。,整周跳变,(,周跳,),：,由于某种原因，接收机整波计数器在一段时间内记录下来的整周数的变化量产生错误，即错误地记录了整周数的变化量。这种现象被称为整周跳变。,31,2025年4月27日,2,、整周跳变（,Int(,),有误差）产生的原因,:,1).,卫星信号发生失锁。,2).,接收机振荡器的故障。,3).,外界信号的干扰。,32,2025年4月27日,*3,、整周跳变的修复,:,整周跳变的修复,：是指利用一定的方法探测出在何时产生了整周跳变，采取相应的模型确定丢失的整周数，将其恢复成为正确的计数，这一过程成为整周跳变的修复。,33,2025年4月27日,修复方法：,1),、屏幕扫描法,(Int(,),的变化率应呈连续性,),。,2),、用高次差或多项式拟合法,(见表格,),。,3),、卫星间求差法。,4),、利用双频观测值修复周跳（电离层残差法）。,5),、根据平差后的残差发现和修复周跳。,2025年4月27日,34,2025年4月27日,35,36,2025年4月27日,*,第三节 多普勒测量原理,一、,多普勒效应,由于波源相对于观测者有高速运动而引起的信号频率额移动即称为多普勒频移，这种现象称为多普勒效应。,37,2025年4月27日,现设,GPS,卫星发射信号的频率为,f,s,而地球上的测站点接收到的信号频率为,f,r,则：,一般情况下：,f,r,=f,s,(1+V,R,/c),-1,其中：,V,R,为,GPS,卫星的径向速度。,则多普勒频移值为：,f,s,-f,r,=f,s,*V,R,/c,38,2025年4月27日,二、多普勒测量原理,根据多普勒频移可以求出测站点与卫星在不同时刻的距离差，因此又称为距离差测量。,通常用于测量计算运动载体的运动速度。,39,2025年4月27日,第四节,GPS,定位原理,GPS,绝对定位（单点定位）,GPS,相对定位（差分定位）,40,2025年4月27日,一、,GPS,绝对定位,GPS,绝对定位：,是一个用户利用,GPS,接收机，以地球质心为参考点，对卫星信号进行接收和观测，确定接收机天线在,WGS-84,坐标系中的绝对位置，又称单点定位或伪距定位。,41,2025年4月27日,基本原理：,以GPS,卫星和用户接收机天线之间的距离观测量为基准，根据已知的卫星瞬时坐标，来确定用户接收天线所对应的位置,。,现令,:(,X,j,Y,j,Z,j,),为卫星,j,的已知坐标,j=1,，,2 n,。,42,2025年4月27日,2,、绝对定位的精度评价,:,（,1,）平面位置精度因子,HDOP,（,2,）高程精度因子,VDOP,（,3,）空间位置精度因子,PDOP,（,4,）几何精度因子,GDOP,（,5,）接收机钟差精度因子,TDOP,注,:,1,）,DOP,值,1/V,V,为星站六面体的体积。,2,）亦要考虑大气传播误差的影响。,43,2025年4月27日,为什么要进行相对定位,?,测站1:(X,1,Y,1,Z,1,),测站,2:(X,2,Y,2,Z,2,),两坐标的精度都不高,!,现求两站的坐标差,:,X,12,=,X,2,X,1,Y,12,=,Y,2,Y,1,Z,12,=,Z,2,Z,1,两站的坐标差的精,度却非常高,(,为什么,?),44,2025年4月27日,二、,GPS,相对定位,GPS,相对定位,：是利用两台或两台以上,GPS,接收机分别安置在不同的,GPS,点上，并同步观测相同的,GPS,卫星，将所获得观测值按一定的方法进行差分处理，消除一些误差对各观测值影响的相关部分，然后在进行解算，可以获得,GPS,点间的相对位置或基线向量。,45,2025年4月27日,载波相位测量的观测方程,:,卫星间求差分,测站间求差分,历元间求差分,46,2025年4月27日,1,、一次差分观测值,:,1).,站际一次差分观测,其消除了与卫星有关的,误差,(,星钟误差等,),影响,削,弱了大气传播误差,(,电离层,和对流层折射误差,),影响。,观测站,1,观测站,2,卫星,47,2025年4月27日,2).,星际一次差分观测,其消除了与接收机有关的,误差,(,机钟误差等,),影响,削弱,了大气传播误差,(,电离层和对,流层折射误差,),的影响。,观测站,卫星,j,卫星,k,48,2025年4月27日,3).,历元间一次差分观测,SD=,？,其削弱了大部分误差,的影响,同时消去了,N,0,(,初始整周模糊度,),。,观测站,卫星,j(t,1,),卫星,j,（,t,2,）,49,2025年4月27日,2,、二次差分观测值,:,1).,站际与星际二次差分观测值,:,部分误差的影响,得到了消除或削弱。,观测站,1,观测站,2,卫星,j,卫星,k,50,2025年4月27日,2).,星际与历元间二次差分观测值,:,部分误差的影响得到了消除或削弱。同时消去了,N0,(,初始整周模糊度,),。,观测站,卫星,j(t,1,),卫星,j,（,t,2,）,卫星,k(t,1,),卫星,k,（,t,2,）,51,2025年4月27日,3).,站际与历元间二次差分观测值,:,部分误差的影响得到了消除或削弱。同时消去了,N0,(,初始整周模糊度,),。,观测站,1,观测站,2,卫星,j(t,0,),卫星,j(t,1,),52,2025年4月27日,3,、三次差分观测值,:,观测站,卫星,j(t,1,),卫星,j,（,t,2,）,卫星,k(t,1,),卫星,k,（,t,2,）,观测站,53,2025年4月27日,在三次差分观测值中已消除或削弱了,GPS,观,测中绝大部分误差的影响,同时消去了,N,0,(,初始,整周模糊度,),。,54,2025年4月27日,第五节 差分,GPS,定位原理,基本思想,(,与前面差分方法不一样,),！,在,GPS,测量定位中的,三大误差源,:,（1,）与卫星有关的误差,(,如卫星钟误差、卫星星历,误差,),。,（,2,）与信号传播有关的误差（电离层折射误差、,对流层折射误差）。,（,3,）与接收机有关的误差（内部噪声误差、多路,径效应误差等）。,55,2025年4月27日,一、单站,GPS,的差分,(SRDGPS):,1,、位置差分原理,:,现设基准站的精密坐标为,(X,0,Y,0,Z,0,),施测坐标为,(X Y Z),则其坐标改正数为,:,X=,X,0,X;,Y=Y,0,Y;,Z=Z,0,Z;,基准站将坐标改正数利用数据链传给用户站,用户站,的施测坐标为,(X,P,Y,P,Z,P,),则其改正后坐标为,:,X,P,=X,P,+,X;,Y,P,=Y,P,+,Y;,Z,P,=Z,P,+,Z;,56,2025年4月27日,若顾及用户位置的瞬时变化可利用下式：,X,P,=X,P,+,X,d,（,X,）,/dt,（,t,t,0,）；,Y,P,=Y,P,+,Y,d,（,Y,）,/dt,（,t,t,0,）；,Z,P,=Z,P,+,Z,d,（,Z,）,/dt,（,t,t,0,）；,位置差分的特点：,（,1,）、计算简单，适用于各种型号,GPS,接收机。,（,2,）、基准站和用户站必须观测同一组卫星，而且,基准站和用户站间的距离应小于,100Km,。,57,2025年4月27日,2,、伪距差分原理,:,现设基准站的精密坐标为,(X,0Y,0,Z,0,),所观测卫星,的坐标为（,X,j,Y,j,Z,j,）,;,其中,:j=1 2 n,。,则卫星至基准站的真正距离为：,基准站的伪距观测值为,j,0,，,则其伪距改正数：,j,=,R,j,j,0,及其变化率：,d,j,=,j,/t,58,2025年4月27日,基准站将,j,和,d,j,传给用户站,用户利用,j,和,d,j,对其伪距观测值,j,进行改正,：,j,p,（,t,）,=,j,（,t,）,+,j,（,t,）,+d,j,（,t-t,0,）；,并利用下式计算用户站的坐标（,X,p,Y,p,Z,p,）：,其中,:,t,为接收机钟差，,V,1,为接收机躁声。,59,2025年4月27日,伪距差分的特点：,（,1,）、基准站提供所有卫星的伪距改正数,及其变化率，用户站可任选四颗卫星进行观,测。,（,2,）、差分精度随距离的增加而降低。,60,2025年4月27日,3,、载波相位差分原理,:,载波相位差分技术亦称,RTK,技术,其方法共分两类,:(,Real Time Kinematic,),（,1,）、修正法,.,（,2,）、差分法,.,61,2025年4月27日,载波相位差分的方程式,:,上式中各符号的意义,!,载波相位差分的方法比前两种方法的精度要高,(,可达,cm,级,).,但其精度也受基准站至用户站的距离限制。,62,2025年4月27日,二、局部区域,GPS,差分系统,(LADGPS).,用户站将各基准站的改正,信息采用,加权平均值法,或,最小方差法,求得自己的改,正数进行改正,(,坐标改正,数或距离改正数,),。,基准站和用户站的距离,在,500km,以内可以获得较,好的效果。,63,2025年4月27日,三、广域差分系统,(WADGPS),1,、广域差分系统,基本思想,：,对,GPS,测量中的误差源加以区分，分别对每一中误差源予以,“模型化”,（,卫星星历误差，大气延时误差，卫星钟误差,），然后将计算出的每一项误差源的数值并利用数据链传输给用户，用户利用它对,GPS,测量定位的观测值进行改正，达到提高,GPS,定位精度的目的。,64,2025年4月27日,2,、广域差分系统组成及工作流程：,坐标已知的监测站（若干）,数据通讯链,中心站,数据通讯链,用户站,65,2025年4月27日,3,、广域差分系统特点：,（,1,）、定位精度对空间距离的敏感程度较低，一般,距离在,2000Km,范围内时定位精度不会明显下降。,（,2,）、在大区域内建立,WADGPS,网比建立,LADGPS,网所需要的监测站的数目要少得多。,（,3,）、在,WADGPS,网的覆盖区域内定位精度均匀,而且其定位精度比,LADGPS,要高。,66,2025年4月27日,（,4,）、,WADGPS,网的覆盖区域可以扩展到不易作,用的区域,如沙漠、森林、海洋等。,（,5,WADGPS,所使用的硬件设备和通讯工具价,格昂贵，软件技术复杂,运行和维持费用比,LADGPS,要高得多。且其可靠性和安全性不如,LADGPS,。,67,2025年4月27日,思 考 题,1.,什么叫绝对定位和相对定位？,2.,伪距定位的基本原理？,(,语言叙述或利用公式表示,),3.,如何利用测距码的自相关特性来确定卫星信号的,传播时间？,4.,什么叫重建载波？重建载波有哪些方法？各有什,么特点？,5.,载波相位观测值求差分的各种形式（一次差分、,二次差分、三次差分）？,68,2025年4月27日,6.,差分,GPS,定位的基本思想。,7,什么叫整周跳变和整周跳变的修复？,8.,用公式表示单站差分的三种形式,!,9.GPS,广域差分系统的基本思想及特点,!,