GPS导航定位原理教程.pptx

Slide 1GPSGPS导航定位原理导航定位原理u伪距测量伪距测量u载波相位测量载波相位测量u绝对定位和相对定位绝对定位和相对定位u导航原理与方法导航原理与方法uGPS测量误差来源测量误差来源Slide 2定位方法分类定位方法分类按参考点的不同位置划分为：按参考点的不同位置划分为：（1）绝对定位（单点定位）：在地球协议坐）绝对定位（单点定位）：在地球协议坐标系中，确定观测站相对地球质心的位置。标系中，确定观测站相对地球质心的位置。（2）相对定位：在地球协议坐标系中，确定）相对定位：在地球协议坐标系中，确定观测站与地面某一参考点之间的相对位置。观测站与地面某一参考点之间的相对位置。GPS定位方法分类定位方法分类Slide 3按用户接收机作业时所处的状态划分：按用户接收机作业时所处的状态划分：（1）静态定位：在定位过程中，接收机位置）静态定位：在定位过程中，接收机位置静止不动，是固定的。静止状态只是相对的，静止不动，是固定的。静止状态只是相对的，在卫星大地测量中的静止状态通常是指待定点在卫星大地测量中的静止状态通常是指待定点的位置相对其周围点位没有发生变化，或变化的位置相对其周围点位没有发生变化，或变化极其缓慢，以致在观测期内可以忽略。极其缓慢，以致在观测期内可以忽略。（2）动态定位：在定位过程中，接收机天线）动态定位：在定位过程中，接收机天线处于运动状态。处于运动状态。在绝对定位和相对定位中，又都包含静态和动在绝对定位和相对定位中，又都包含静态和动态两种形式。态两种形式。GPS定位方法分类定位方法分类Slide 4GPS观测量的基本概念观测量的基本概念无论采取何种无论采取何种GPS定位方法，都是通过定位方法，都是通过观测观测GPS卫星而获得某种观测量来实现卫星而获得某种观测量来实现的。的。GPS卫星信号含有多种定位信息，卫星信号含有多种定位信息，根据不同的要求，可以从中获得不同的根据不同的要求，可以从中获得不同的观测量，主要包括：观测量，主要包括：根据码相位观测得出的伪距。根据码相位观测得出的伪距。根据载波相位观测得出的伪距。根据载波相位观测得出的伪距。由积分多普勒计数得出的伪距。由积分多普勒计数得出的伪距。由干涉法测量得出的时间延迟。由干涉法测量得出的时间延迟。Slide 5GPS观测量的基本概念观测量的基本概念采用积分多普勒计数法进行定位时，所需采用积分多普勒计数法进行定位时，所需观测时间较长，一般数小时，同时观测过观测时间较长，一般数小时，同时观测过程中，要求接收机的震荡器保持高度稳定。程中，要求接收机的震荡器保持高度稳定。干涉法测量时，所需设备较昂贵，数据处干涉法测量时，所需设备较昂贵，数据处理复杂。理复杂。这两种方法在这两种方法在GPS定位中，尚难以获得广定位中，尚难以获得广泛应用。泛应用。目前广泛应用的基本观测量主要有码相位目前广泛应用的基本观测量主要有码相位观测量和载波相位观测量。观测量和载波相位观测量。Slide 6GPSGPS伪距测量伪距测量伪距法定位是由伪距法定位是由GPS接收机在某一时刻测接收机在某一时刻测出的到四颗以上出的到四颗以上GPS卫星的伪距以及已知卫星的伪距以及已知的卫星位置，采用距离交会的方法（原理的卫星位置，采用距离交会的方法（原理与观测方程将随后介绍）求定接收机天线与观测方程将随后介绍）求定接收机天线所在点的三维坐标。所在点的三维坐标。Slide 7什么叫伪距？什么叫伪距？所测伪距就是由卫星发射的测距码信号到所测伪距就是由卫星发射的测距码信号到达达GPS接收机的传播时间乘以光速所得出接收机的传播时间乘以光速所得出的量测距离。由于卫星时钟、接收机时钟的量测距离。由于卫星时钟、接收机时钟的误差以及无线电信号经过电离层和对流的误差以及无线电信号经过电离层和对流层中的延迟，实际测出的距离与卫星到接层中的延迟，实际测出的距离与卫星到接收机的几何距离有一定差值，因此一般称收机的几何距离有一定差值，因此一般称量测出的距离为伪距。量测出的距离为伪距。用用C/A码进行测量的伪距为码进行测量的伪距为C/A码伪距，码伪距，用用P码测量的伪距为码测量的伪距为P码伪距。码伪距。Slide 8伪距法定位特点伪距法定位特点伪距法定位虽然一次定位精度不高，伪距法定位虽然一次定位精度不高，P码码定位误差约为定位误差约为10m，C/A码定位误差为码定位误差为20-30m，但因其具有定位速度快，且无但因其具有定位速度快，且无多值性问题等优点，仍然是多值性问题等优点，仍然是GPS定位系统定位系统进行导航的最基本方法。同时，所测伪距进行导航的最基本方法。同时，所测伪距又可作为载波相位测量中解决整波数不确又可作为载波相位测量中解决整波数不确定问题（整周模糊度）的辅助资料。定问题（整周模糊度）的辅助资料。Slide 9sj(t1)sj(t2)XYZYiXiZiij(t1)ij(t2)GPSGPS定位的几何关系定位的几何关系Slide 10伪距定位观测方程伪距定位观测方程假设卫星至观测站的几何距离为假设卫星至观测站的几何距离为 ij，在忽略在忽略大气影响的情况下可得相应的伪距：大气影响的情况下可得相应的伪距：当卫星钟与接收机钟严格同步时，上式所确当卫星钟与接收机钟严格同步时，上式所确定的伪距即为站星几何距离。定的伪距即为站星几何距离。为伪距，为伪距，为真正几何距离，为真正几何距离，为接收机和卫星之间为接收机和卫星之间钟差。钟差。Slide 11通常通常GPS卫星的钟差可从卫星发播的导航电卫星的钟差可从卫星发播的导航电文中获得，经钟差改正后，各卫星之间的时文中获得，经钟差改正后，各卫星之间的时间同步差可保持在间同步差可保持在20ns以内。如果忽略卫以内。如果忽略卫星之间钟差影响，并考虑电离层、对流层折星之间钟差影响，并考虑电离层、对流层折射影响，可得：射影响，可得：伪距定位观测方程伪距定位观测方程Slide 12伪距定位观测方程伪距定位观测方程几何距离几何距离 与卫星坐标（与卫星坐标（Xs,Ys,Zs）和接收机坐标（和接收机坐标（X,Y,Z）之间有如下关系：之间有如下关系：其中卫星坐标可根据卫星导航电文求得，所其中卫星坐标可根据卫星导航电文求得，所以式中只包含接收机坐标三个未知数。由于以式中只包含接收机坐标三个未知数。由于电离层改正数和对流层改正数可以按照一定电离层改正数和对流层改正数可以按照一定的模型求解出，那么如果将接收机钟差的模型求解出，那么如果将接收机钟差 也作为未知数，则共有四个未知数。因此，也作为未知数，则共有四个未知数。因此，接收机必须同时至少测定四颗卫星的距离才接收机必须同时至少测定四颗卫星的距离才能解算出接收机的三维坐标值。能解算出接收机的三维坐标值。Slide 13测码伪距观测方程的常用形式如下：测码伪距观测方程的常用形式如下：伪距定位观测方程伪距定位观测方程式中式中j为卫星数，为卫星数，j1，2，3。Slide 14第三部分第三部分 GPSGPS导航定位原理导航定位原理u伪距测量伪距测量u载波相位测量载波相位测量u绝对定位和相对定位绝对定位和相对定位u导航原理与方法导航原理与方法uGPS测量误差来源测量误差来源Slide 15GPSGPS载波相位测量载波相位测量载波相位测量是测量接收机接收到的具有多载波相位测量是测量接收机接收到的具有多普勒频移的载波信号，与接收机产生的参考普勒频移的载波信号，与接收机产生的参考载波信号之间的相位差，通过相位差来求解载波信号之间的相位差，通过相位差来求解接收机位置。接收机位置。由于载波的波长远小于码长，由于载波的波长远小于码长，C/A码码元宽码码元宽度度293m，P 码码元宽度码码元宽度29.3m，而而L1载波载波波长为波长为19.03cm，L2载波波长为载波波长为24.42cm，在分辨率相同的情况下，在分辨率相同的情况下，L1载波的观测载波的观测误差约为误差约为2.0mm，L2载波的观测误差约为载波的观测误差约为2.5mm。而而C/A码观测精度为码观测精度为2.9m，P码码为为0.29m。载波相位观测是目前最精确的观测方法。载波相位观测是目前最精确的观测方法。Slide 16载波相位观测的主要问题：无法直接测定卫载波相位观测的主要问题：无法直接测定卫星载波信号在传播路径上相位变化的整周数，星载波信号在传播路径上相位变化的整周数，存在整周不确定性问题。此外，在接收机跟存在整周不确定性问题。此外，在接收机跟踪踪GPS卫星进行观测过程中，常常由于接收卫星进行观测过程中，常常由于接收机天线被遮挡、外界噪声信号干扰等原因，机天线被遮挡、外界噪声信号干扰等原因，还可能产生整周跳变现象。有关整周不确定还可能产生整周跳变现象。有关整周不确定性问题，通常可通过适当数据处理而解决，性问题，通常可通过适当数据处理而解决，但将使数据处理复杂化。但将使数据处理复杂化。载波相位测量的主要问题载波相位测量的主要问题Slide 17载波相位测量观测方程载波相位测量观测方程载波相位观测的的观测量是载波相位观测的的观测量是GPS接收机所接接收机所接收的卫星载波信号与接收机本振参考信号的收的卫星载波信号与接收机本振参考信号的相位差。以相位差。以 表示表示k接收机在接收接收机在接收机钟面时刻机钟面时刻tk时所接受到的时所接受到的j卫星载波信号的卫星载波信号的相位值，相位值，表示表示k接收机在钟面时刻接收机在钟面时刻tk时所产生的本地参考信号的相位值，则时所产生的本地参考信号的相位值，则k接接收机在接收机钟面时刻收机在接收机钟面时刻tk时观测时观测j卫星所取得卫星所取得的相位观测量可写为：的相位观测量可写为：Slide 18载波相位测量观测方程载波相位测量观测方程通常的相位测量或通常的相位测量或相位差测量只是测相位差测量只是测出一周以内的相位出一周以内的相位值，实际测量中，值，实际测量中，如果对整周进行计如果对整周进行计数，则自某一初始数，则自某一初始取样时刻（取样时刻（t0）以以后就可以取得连续后就可以取得连续的相位观测值。的相位观测值。Sj(t0)Sj(ti)N0kN0Int()Slide 19载波相位测量观测方程载波相位测量观测方程t0 时刻和时刻和tk 时刻的相位观测值可以写成：时刻的相位观测值可以写成：接收机在跟踪卫星信号时，不断测定小于接收机在跟踪卫星信号时，不断测定小于一周的相位差，并利用整周计数器记录从一周的相位差，并利用整周计数器记录从t0 到到tk 时间内的整周数变化量时间内的整周数变化量Int()，这这一时间段内，要求卫星信号没有中断。如一时间段内，要求卫星信号没有中断。如果过程中卫星失锁了，那要采取其他方法果过程中卫星失锁了，那要采取其他方法进行处理。进行处理。Slide 20载波相位测量观测方程载波相位测量观测方程载波相位观测量是接收机和卫星位置的函数，载波相位观测量是接收机和卫星位置的函数，只有得到了它们之间的函数关系，才能从观只有得到了它们之间的函数关系，才能从观测量中求解接收机的位置。测量中求解接收机的位置。前述的相位差观测量都是时间的函数，那么前述的相位差观测量都是时间的函数，那么如何引入接收机和卫星位置？如何引入接收机和卫星位置？卫星信号从卫星传播到接收机需要一定时间，卫星信号从卫星传播到接收机需要一定时间，称为传播延迟称为传播延迟 kj(T)。在地固坐标系中，传在地固坐标系中，传播延迟是接收机与卫星位置的函数，也是时播延迟是接收机与卫星位置的函数，也是时间的函数。间的函数。Slide 21载波相位测量观测方程载波相位测量观测方程将载波相位观测量方程展开，表达为时间、将载波相位观测量方程展开，表达为时间、卫星至接收机的距离、载波频率的函数，同卫星至接收机的距离、载波频率的函数，同时考虑电离层和对流层对卫星信号传播的影时考虑电离层和对流层对卫星信号传播的影响，并做一定简化，可以得到载波相位测量响，并做一定简化，可以得到载波相位测量的观测方程：的观测方程：Slide 22整周未知数和整周跳变整周未知数和整周跳变确定整周未知数确定整周未知数N0是载波相位测量的一项是载波相位测量的一项重要工作，常用的方法有下列几种：重要工作，常用的方法有下列几种：1、伪距法、伪距法2、经典方法将整周未知数作为待定参数、经典方法将整周未知数作为待定参数求解求解3、多普勒法（三差法）、多普勒法（三差法）4、快速确定整周未知数法、快速确定整周未知数法Slide 23整周未知数和整周跳变整周未知数和整周跳变1、伪距法、伪距法伪距法是在进行载波相位测量的同时又进伪距法是在进行载波相位测量的同时又进行了伪距测量，将伪距观测值减去载波相行了伪距测量，将伪距观测值减去载波相位测量的实际观测值（化为以距离为单位）位测量的实际观测值（化为以距离为单位）后即可得到后即可得到N0。但由于伪距测量的精但由于伪距测量的精度较低，所以要有较多的观测值取平均值度较低，所以要有较多的观测值取平均值后才能获得正确的整波段数。后才能获得正确的整波段数。Slide 24整周未知数和整周跳变整周未知数和整周跳变2、经典方法、经典方法把整周未知数当作平差计算中的待定参数来加把整周未知数当作平差计算中的待定参数来加以估计和确定。分两种方法：以估计和确定。分两种方法：（1）整数解）整数解 由于误差影响，解得得整周未知数往往不是一由于误差影响，解得得整周未知数往往不是一个整数，然后将其固定为整数，并重新进行平个整数，然后将其固定为整数，并重新进行平差计算。也称为固定解（差计算。也称为固定解（fixed solution）（2）实数解）实数解当误差消除得不够完全时，整周未知数无法估当误差消除得不够完全时，整周未知数无法估计很准确，此时直接将实数解作为最后解。也计很准确，此时直接将实数解作为最后解。也称为浮点解（称为浮点解（floating solution）Slide 25整周未知数和整周跳变整周未知数和整周跳变3、多普勒法（三差法）、多普勒法（三差法）由于连续跟踪的所有载波相位测量观测值中均由于连续跟踪的所有载波相位测量观测值中均含有相同的整周未知数，所以将相邻两个观测含有相同的整周未知数，所以将相邻两个观测历元的载波相位相减，就将该未知数消去，从历元的载波相位相减，就将该未知数消去，从而直接接触坐标参数，这就是多普勒法。而直接接触坐标参数，这就是多普勒法。由于三差法可以消除许多误差，所以使用较广由于三差法可以消除许多误差，所以使用较广泛。泛。Slide 26整周未知数和整周跳变整周未知数和整周跳变4、快速确定整周位置数法、快速确定整周位置数法1990年年E.Frei和和G.Beutler提出了快速模糊度提出了快速模糊度（即整周未知数）解算法进行快速定位的方法。（即整周未知数）解算法进行快速定位的方法。采用这种方法进行短基线定位时，利用双频接采用这种方法进行短基线定位时，利用双频接收机只需观测一分钟便能成功的确定整周未知收机只需观测一分钟便能成功的确定整周未知数。数。Slide 27整周未知数和整周跳变整周未知数和整周跳变如果在跟踪卫星过程中，由于某种原因，如如果在跟踪卫星过程中，由于某种原因，如卫星信号被障碍物挡住而暂时中断，受无线卫星信号被障碍物挡住而暂时中断，受无线电信号干扰造成失锁，这样计数器无法连续电信号干扰造成失锁，这样计数器无法连续计数，因此，当信号重新被跟踪后，整周计计数，因此，当信号重新被跟踪后，整周计数就不正确，但是不到一个整周的相位观测数就不正确，但是不到一个整周的相位观测值仍是正确的，这种现象称为周跳。值仍是正确的，这种现象称为周跳。Slide 28整周未知数和整周跳变整周未知数和整周跳变周跳的出现和处理是载波相位测量中的重要周跳的出现和处理是载波相位测量中的重要问题，整周跳变的探测与修复常用的方法有问题，整周跳变的探测与修复常用的方法有下列几种方法：下列几种方法：1、屏幕扫描法（也就是手工编辑）、屏幕扫描法（也就是手工编辑）2、多项式拟合法、多项式拟合法3、卫星间求差法、卫星间求差法4、根据平差后的残差发现和修复整周跳变、根据平差后的残差发现和修复整周跳变关于周跳探测与回复的方法，此处不进行详关于周跳探测与回复的方法，此处不进行详细介绍，可参见有关参考资料。细介绍，可参见有关参考资料。Slide 29第三部分第三部分 GPSGPS导航定位原理导航定位原理u伪距测量伪距测量u载波相位测量载波相位测量u绝对定位和相对定位绝对定位和相对定位u导航原理与方法导航原理与方法uGPS测量误差来源测量误差来源Slide 30绝对定位也称单点定位，是指在协议地球坐绝对定位也称单点定位，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。（地球质心）绝对坐标的一种方法。绝对定位的基本原理：以绝对定位的基本原理：以GPS卫星和用户接卫星和用户接收机天线之间的距离（或距离差）观测量为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。收机天线所对应的点位，即观测站的位置。GPS绝对定位方法的实质是测量学中的空间绝对定位方法的实质是测量学中的空间距离后方交会。原则上观测站位于以距离后方交会。原则上观测站位于以3颗卫颗卫星为球心，相应距离为半径的球与观测站所星为球心，相应距离为半径的球与观测站所在平面交线的交点上。在平面交线的交点上。绝对定位方法概述绝对定位方法概述Slide 31GPS相对定位也叫差分相对定位也叫差分GPS定位，是至少用两台定位，是至少用两台GPS接收机，同步观测相同的接收机，同步观测相同的GPS卫星，确定两卫星，确定两台接收机天线之间的相对位置（坐标差）。台接收机天线之间的相对位置（坐标差）。相对定位时，用两台接收机分别安置在基线的两相对定位时，用两台接收机分别安置在基线的两端，同步观测相同的端，同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点卫星，以确定基线端点的相对位置或基线向量。同样，多台接收机安置的相对位置或基线向量。同样，多台接收机安置在若干条基线的端点，通过同步观测在若干条基线的端点，通过同步观测GPS卫星可卫星可以确定多条基线向量。在一个端点坐标已知的情以确定多条基线向量。在一个端点坐标已知的情况下，可以用基线向量推求另一待定点的坐标。况下，可以用基线向量推求另一待定点的坐标。相对定位是目前相对定位是目前GPS定位中精度最高的一种定位定位中精度最高的一种定位方法。方法。相对定位方法概述相对定位方法概述Slide 32绝对定位可根据天线所处的状态分为动绝对定位可根据天线所处的状态分为动态绝对定位和静态绝对定位。无论动态态绝对定位和静态绝对定位。无论动态还是静态，绝对定位所依据的观测量都还是静态，绝对定位所依据的观测量都是所测的站星伪距。动态定位将在后面是所测的站星伪距。动态定位将在后面的导航部分讲述。的导航部分讲述。静态绝对定位可以根据伪距观测量或载静态绝对定位可以根据伪距观测量或载波相位观测量来进行。波相位观测量来进行。静态绝对定位静态绝对定位Slide 33利用伪距观测量进行静态绝对定位时，通过利用伪距观测量进行静态绝对定位时，通过连续地在不同历元观测不同的卫星，测定卫连续地在不同历元观测不同的卫星，测定卫星到观测站的伪距，获得充分的多余观测量，星到观测站的伪距，获得充分的多余观测量，然后利用伪距测量的观测方程进行求解。然后利用伪距测量的观测方程进行求解。首先将伪距观测方程线性化，展开后进行解首先将伪距观测方程线性化，展开后进行解算并求定误差。算并求定误差。利用伪距进行静态绝对定位利用伪距进行静态绝对定位Slide 34应用载波相位进行静态绝对定位，其精度高应用载波相位进行静态绝对定位，其精度高于用伪距进行静态绝对定位。于用伪距进行静态绝对定位。在载波相位静态绝对定位中，应注意对观测在载波相位静态绝对定位中，应注意对观测值加入电离层、对流层等各项改正，防止和值加入电离层、对流层等各项改正，防止和修复整周跳变，以提高定位精度。整周未知修复整周跳变，以提高定位精度。整周未知数解算后，不再为整数，可将其调整为整数，数解算后，不再为整数，可将其调整为整数，解算出的观测站坐标称为固定解，否则称为解算出的观测站坐标称为固定解，否则称为实数解。载波相位静态绝对定位解算的结果实数解。载波相位静态绝对定位解算的结果可以为相对定位的参考站（或基准站）提供可以为相对定位的参考站（或基准站）提供较为精密的起始坐标。较为精密的起始坐标。利用载波相位观测量进行静态绝对定位利用载波相位观测量进行静态绝对定位Slide 35为了评价定位结果，在导航学中，一般采用为了评价定位结果，在导航学中，一般采用有关精度因子（精度衰减因子、精度系数、有关精度因子（精度衰减因子、精度系数、精度弥散）精度弥散）DOP（Dilution Of Precision）的概念。的概念。在实践中，根据不同在实践中，根据不同要求，可选用不同的精度评价模型和相应的要求，可选用不同的精度评价模型和相应的精度因子，通常有：精度因子，通常有：平面位置精度因子平面位置精度因子HDOP(horizontal DOP)高程精度因子高程精度因子VDOP(Vertical DOP)空间位置精度因子空间位置精度因子PDOP(Position DOP)接收机钟差精度因子接收机钟差精度因子TDOP(Time DOP)几何精度因子几何精度因子GDOP(Geometric DOP)，描述空描述空间位置误差和时间误差综合影响的精度因子间位置误差和时间误差综合影响的精度因子定位精度的评价定位精度的评价Slide 36相对定位也分静态定位和动态定位。安置在基相对定位也分静态定位和动态定位。安置在基线端点的接收机固定不动，通过连续观测，取线端点的接收机固定不动，通过连续观测，取得充分的多余观测数据，改善定位精度。得充分的多余观测数据，改善定位精度。静态相对定位一般均采用载波相位观测值（或测相伪距）为基本观测量。静态相对定位静态相对定位T1T2S1S2S3S4Slide 37在两个观测站或多个观测站同步观测相同卫在两个观测站或多个观测站同步观测相同卫星的情况下，卫星的轨道误差、卫星钟差、星的情况下，卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差等对观测量的影响具有一定的相关性，利用等对观测量的影响具有一定的相关性，利用这些观测量的不同组合（求差）进行相对定这些观测量的不同组合（求差）进行相对定位，可有效地消除或减弱相关误差地影响，位，可有效地消除或减弱相关误差地影响，从而提高相对定位的精度。从而提高相对定位的精度。静态相对定位静态相对定位Slide 38GPS载波相位观测值可以在卫星间求差，在载波相位观测值可以在卫星间求差，在接收机间求差，也可以在不同历元之间求差。接收机间求差，也可以在不同历元之间求差。各种求差法都是观测值的线性组合。各种求差法都是观测值的线性组合。将观测值直接相减的过程叫做求一次差，所将观测值直接相减的过程叫做求一次差，所得结果称单差。对一次差继续求差，所得结得结果称单差。对一次差继续求差，所得结果称为双差，同样还有三差。这些差分观测果称为双差，同样还有三差。这些差分观测值模型能够有效地消除各种偏差项。值模型能够有效地消除各种偏差项。求解过程也是首先将观测方程线性化后求解求解过程也是首先将观测方程线性化后求解并确定误差。并确定误差。静态相对定位静态相对定位Slide 39第三部分第三部分 GPSGPS导航定位原理导航定位原理u伪距测量伪距测量u载波相位测量载波相位测量u绝对定位和相对定位绝对定位和相对定位u导航原理与方法导航原理与方法uGPS测量误差来源测量误差来源Slide 40导航的概念首先起源于航海事业，其最初的导航的概念首先起源于航海事业，其最初的含义是引导运载体从一个地点航行到另一个含义是引导运载体从一个地点航行到另一个地点的过程。导航的首要问题就是确定航行地点的过程。导航的首要问题就是确定航行体的即时位置，还要测定其速度、时间、姿体的即时位置，还要测定其速度、时间、姿态等状态参数。由此可见，导航是一种广义态等状态参数。由此可见，导航是一种广义的动态定位。的动态定位。卫星导航是用导航卫星发射的导航定位信息卫星导航是用导航卫星发射的导航定位信息引导运动载体安全到达目的地的一门新兴科引导运动载体安全到达目的地的一门新兴科学。学。GPS在导航领域的应用，有着比在导航领域的应用，有着比GPS静静态定位更为广阔的前景。态定位更为广阔的前景。卫星导航概念卫星导航概念Slide 41GPS导航是一种广义的导航是一种广义的GPS动态定位，从目动态定位，从目前的应用看来，主要分为以下几种方法：前的应用看来，主要分为以下几种方法：（1）单点动态定位）单点动态定位（2）实时差分动态定位）实时差分动态定位（3）后处理差分动态定位）后处理差分动态定位GPS动态定位方法分类动态定位方法分类Slide 42单点动态定位是用安设在一个运动载体上单点动态定位是用安设在一个运动载体上的的GPS信号接收机，自主地测得该运动载信号接收机，自主地测得该运动载体的实时位置，从而描述出该运动载体的体的实时位置，从而描述出该运动载体的运动轨迹。所以运动轨迹。所以单点动态定位又叫绝对动单点动态定位又叫绝对动态定位态定位。例如，行驶的汽车和火车，常用。例如，行驶的汽车和火车，常用单点动态定位。单点动态定位。GPS单点动态定位单点动态定位Slide 43实时差分动态定位是用安设在一个运动载实时差分动态定位是用安设在一个运动载体上的体上的GPS信号接收机，及安设在一个基信号接收机，及安设在一个基准站上的另一台准站上的另一台GPS接收机，联合测得该接收机，联合测得该运动载体的实时位置，从而描述出该运动运动载体的实时位置，从而描述出该运动载体的运行轨迹，故载体的运行轨迹，故差分动态定位又称为差分动态定位又称为相对动态定位相对动态定位。例如，飞机着陆和船舰进。例如，飞机着陆和船舰进港，一般要求采用实时差分动态定位，以港，一般要求采用实时差分动态定位，以满足它们所要求的较高定位精度。满足它们所要求的较高定位精度。GPS实时差分动态定位实时差分动态定位Slide 44后处理差分动态定位和实时差分动态定位后处理差分动态定位和实时差分动态定位的主要差别在于，在运动载体和基准站之的主要差别在于，在运动载体和基准站之间，不必像实时差分动态定位那样建立实间，不必像实时差分动态定位那样建立实时数据传输，而是在定位观测以后，对两时数据传输，而是在定位观测以后，对两台台GPS接收机所采集的定位数据进行测后接收机所采集的定位数据进行测后的联合处理，从而计算出接收机所在运动的联合处理，从而计算出接收机所在运动载体在对应时间上的坐标位置。例如，在载体在对应时间上的坐标位置。例如，在航空摄影测量时，用航空摄影测量时，用GPS信号测量每一个信号测量每一个摄影瞬间的摄站位置，就可以采用后处理摄影瞬间的摄站位置，就可以采用后处理差分动态定位。差分动态定位。GPS后处理差分动态定位后处理差分动态定位Slide 45对于动态对于动态GPS用户，除了需要确定用户，除了需要确定GPS接接收机载体的实时位置，往往还要测定载体收机载体的实时位置，往往还要测定载体的实时航行速度。假设于历元的实时航行速度。假设于历元t1和和t2测定测定的载体实时位置分别为的载体实时位置分别为X1(t1)和和X2(t2)，则其运动速度可简单地表示为：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：由此可得载体运行方向的速度为：GPS接收机载体航速的测定接收机载体航速的测定Slide 46定时有着广泛的应用。从日常生活到航天发射，定时有着广泛的应用。从日常生活到航天发射，从出外步行到航空航海，都离不开定时。从出外步行到航空航海，都离不开定时。利用利用GPS信号进行时间传递，一般采用两种方信号进行时间传递，一般采用两种方法：法：（1）一站单机测时：应用一台）一站单机测时：应用一台GPS接收机在接收机在一个已知坐标的观测站上进行测时的方法。一个已知坐标的观测站上进行测时的方法。（2）共视对比定时法：在两个测站上各设一）共视对比定时法：在两个测站上各设一台台GPS接收机，同步观测同一卫星，来测定两接收机，同步观测同一卫星，来测定两用户时钟的相对偏差，达到高精度时间比对的用户时钟的相对偏差，达到高精度时间比对的目的。目的。GPS定时定时Slide 47第三部分第三部分 GPSGPS导航定位原理导航定位原理u伪距测量伪距测量u载波相位测量载波相位测量u绝对定位和相对定位绝对定位和相对定位u导航原理与方法导航原理与方法uGPS测量误差来源测量误差来源Slide 48GPSGPS测量误差来源及其影响测量误差来源及其影响GPS测量通过地面接收设备接收卫星传送测量通过地面接收设备接收卫星传送的信息来确定地面点的三维坐标。的信息来确定地面点的三维坐标。GPS定位中，影响观测量精度的主要误差定位中，影响观测量精度的主要误差来源分为三类：来源分为三类：与卫星有关的误差。与卫星有关的误差。与信号传播有关的误差。与信号传播有关的误差。与接收设备有关的误差。与接收设备有关的误差。为了便于理解，通常均把各种误差的影响为了便于理解，通常均把各种误差的影响投影到站星距离上，以相应的距离误差表投影到站星距离上，以相应的距离误差表示，称为示，称为等效距离误差等效距离误差。Slide 49误差来源误差来源P码码C/A码码卫星卫星星历与模型误差星历与模型误差钟差与稳定度钟差与稳定度卫星摄动卫星摄动相位不确定性相位不确定性其它其它合计合计4.23.01.00.50.95.44.23.01.00.50.95.4信号传播信号传播电离层折射电离层折射对流层折射对流层折射多路径效应多路径效应其它其它合计合计2.32.01.20.53.35.0-10.02.01.20.55.5-10.3接收机接收机接收机噪声接收机噪声其它其它合计合计1.00.51.17.50.57.5总计总计6.410.8-13.6GPS测量误差分类及其对距离影响测量误差分类及其对距离影响Slide 50按误差性质分类按误差性质分类上述误差，按误差性质可分为上述误差，按误差性质可分为系统误差系统误差与与偶然偶然误差误差两类。偶然误差主要包括信号的多路径效两类。偶然误差主要包括信号的多路径效应，系统误差主要包括卫星的星历误差、卫星应，系统误差主要包括卫星的星历误差、卫星钟差、接收机钟差以及大气折射的误差等。其钟差、接收机钟差以及大气折射的误差等。其中系统误差无论从误差的大小还是对定位结果中系统误差无论从误差的大小还是对定位结果的危害性都比偶然误差要大得多，它是的危害性都比偶然误差要大得多，它是GPS测测量的主要误差源。同时系统误差有一定的规律量的主要误差源。同时系统误差有一定的规律可循，可采取一定的措施加以消除。可循，可采取一定的措施加以消除。系统误差是由于仪器本身不精确、或实验方法粗略、系统误差是由于仪器本身不精确、或实验方法粗略、或实验原理不完善而产生的。或实验原理不完善而产生的。偶然误差是由各种偶然因素对实验者、测量仪器、被偶然误差是由各种偶然因素对实验者、测量仪器、被测物理量的影响而产生的。测物理量的影响而产生的。Slide 51与卫星有关的误差与卫星有关的误差（1）卫星钟差）卫星钟差GPS观测量均以精密测时为依据。观测量均以精密测时为依据。GPS定位中，定位中，无论码相位观测还是载波相位观测，都要求卫无论码相位观测还是载波相位观测，都要求卫星钟与接收机钟保持严格同步。实际上，尽管星钟与接收机钟保持严格同步。实际上，尽管卫星上设有高精度的原子钟，仍不可避免地存卫星上设有高精度的原子钟，仍不可避免地存在钟差和漂移，偏差总量约在在钟差和漂移，偏差总量约在1 ms内，引起的内，引起的等效距离误差可达等效距离误差可达300km。卫星钟的偏差一般可通过对卫星运行状态的连卫星钟的偏差一般可通过对卫星运行状态的连续监测精确地确定，并用二阶多项式表示：续监测精确地确定，并用二阶多项式表示：tj=a0+a1(t-t0e)+a2(t-t0e)2。式中的参数由式中的参数由主控站测定，通过卫星的导航电文提供给用户。主控站测定，通过卫星的导航电文提供给用户。Slide 52与卫星有关的误差与卫星有关的误差（2）卫星轨道偏差：）卫星轨道偏差：由于卫星在运动中受多种摄动力的复杂影响，由于卫星在运动中受多种摄动力的复杂影响，而通过地面监测站又难以可靠地测定这些作而通过地面监测站又难以可靠地测定这些作用力并掌握其作用规律，因此，卫星轨道误用力并掌握其作用规律，因此，卫星轨道误差的估计和处理一般较困难。目前，通过导差的估计和处理一般较困难。目前，通过导航电文所得的卫星轨道信息，相应的位置误航电文所得的卫星轨道信息，相应的位置误差约差约20-40m。随着摄动力模型和定轨技术的随着摄动力模型和定轨技术的不断完善，卫星的位置精度将可提高到不断完善，卫星的位置精度将可提高到5-10m。卫星的轨道误差是当前卫星的轨道误差是当前GPS定位的重定位的重要误差来源之一。要误差来源之一。Slide 53卫星信号传播误差卫星信号传播误差（1）电离层折射影响：主要取决于信号频率和传播路）电离层折射影响：主要取决于信号频率和传播路径上的电子总量。通常采取的措施：径上的电子总量。通常采取的措施：利用双频观测：电离层影响是信号频率的函数，利用利用双频观测：电离层影响是信号频率的函数，利用不同频率电磁波信号进行观测，可确定其影响大小，不同频率电磁波信号进行观测，可确定其影响大小，并对观测量加以修正。其有效性不低于并对观测量加以修正。其有效性不低于95%.利用电离层模型加以修正：对单频接收机，一般采用利用电离层模型加以修正：对单频接收机，一般采用由导航电文提供的或其它适宜电离层模型对观测量进由导航电文提供的或其它适宜电离层模型对观测量进行改正。目前模型改正的有效性约为行改正。目前模型改正的有效性约为75%，至今仍在，至今仍在完善中。完善中。利用同步观测值求差：当观测站间的距离较近（小于利用同步观测值求差：当观测站间的距离较近（小于20km）时，卫星信号到达不同观测站的路径相近，通时，卫星信号到达不同观测站的路径相近，通过同步求差，残差不超过过同步求差，残差不超过10-6。Slide 54卫星信号传播误差卫星信号传播误差（2）对流层的影响）对流层的影响对流层折射对观测量的影响可分为干分量和湿分对流层折射对观测量的影响可分为干分量和湿分量两部分。干分量主要与大气温度和压力有关，量两部分。干分量主要与大气温度和压力有关，而湿分量主要与信号传播路径上的大气湿度和高而湿分量主要与信号传播路径上的大气湿度和高度有关。目前湿分量的影响尚无法准确确定。对度有关。目前湿分量的影响尚无法准确确定。对流层影响的处理方法：流层影响的处理方法：定位精度要求不高时，忽略不计。定位精度要求不高时，忽略不计。采用对流层模型加以改正。采用对流层模型加以改正。引入描述对流层的附加待估参数，在数据处理中引入描述对流层的附加待估参数，在数据处理中求解。求解。观测量求差。观测量求差。Slide 55卫星信号传播误差卫星信号传播误差（3）多路径效应：）多路径效应：也称多路径误差，即接收机天也称多路径误差，即接收机天线除直接收到卫星发射的信号外，还可能收到经天线线除直接收到卫星发射的信号外，还可能收到经天线周围地物一次或多次反射的卫星信号。两种信号迭加，周围地物一次或多次反射的卫星信号。两种信号迭加，将引起测量参考点位置变化，使观测量产生误差。在将引起测量参考点位置变化，使观测量产生误差。在一般反射环境下，对测码伪距的影响达米级，对测相一般反射环境下，对测码伪距的影响达米级，对测相伪距影响达厘米级。在高反射环境中，影响显著增大，伪距影响达厘米级。在高反射环境中，影响显著增大，且常常导致卫星失锁和产生周跳。措施：且常常导致卫星失锁和产生周跳。措施：安置接收机天线的环境应避开较强发射面，如水面、安置接收机天线的环境应避开较强发射面，如水面、平坦光滑的地面和建筑表面。平坦光滑的地面和建筑表面