第四讲GPS定位原理.pptx

第四讲第四讲 GPS卫星定位的基本原理卫星定位的基本原理掌握掌握GPSGPS静态绝对定位原理；静态绝对定位原理；掌握掌握GPSGPS动态绝对定位原理，了解绝动态绝对定位原理，了解绝对定位的精度评价；对定位的精度评价；掌握掌握GPSGPS相对定位基本原理，差分相对定位基本原理，差分GPSGPS的概念及差分定位原理。的概念及差分定位原理。学习目标学习目标第四讲第四讲 GPS卫星定位的基本原理卫星定位的基本原理第一节第一节 绝对定位原理绝对定位原理第四讲第四讲 GPS卫星定位的基本原理卫星定位的基本原理掌握掌握GPSGPS静态绝对定位原理；静态绝对定位原理；掌握掌握GPSGPS动态绝对定位原理，了解绝动态绝对定位原理，了解绝对定位的精度评价；对定位的精度评价；掌握掌握GPSGPS相对定位基本原理，差分相对定位基本原理，差分GPSGPS的概念及差分定位原理。的概念及差分定位原理。学习目标学习目标一、静态绝对定位原理一、静态绝对定位原理令令令令:1.1.测码伪距绝对定位测码伪距绝对定位一、静态绝对定位原理一、静态绝对定位原理再变形得：当观测四颗以上的卫星时：误差方程为：误差方程为：当增加历元时：当增加历元时：一、静态绝对定位原理一、静态绝对定位原理最小二乘解为：注意：当历元不同时，观测的卫星数量也不同。GPS钟差的变化也应考虑到。一般可用多项式表示钟差，将其系数作为未知数，参与平差。或者引入不同的钟差未知数。一、静态绝对定位原理一、静态绝对定位原理2.测相伪距绝对定位测相伪距绝对定位一、静态绝对定位原理一、静态绝对定位原理以上为一个历元的误差方程，试分析以上为一个历元的误差方程，试分析nt个历元的情况下：个历元的情况下：1.未知数的个数；未知数的个数；2.可以建立的方程个数；可以建立的方程个数；3.观测观测4颗卫星，至少需要几个历元才能完成定位。颗卫星，至少需要几个历元才能完成定位。一、静态绝对定位原理一、静态绝对定位原理1.测码伪距动态绝对定位测码伪距动态绝对定位 某一历元同时观测某一历元同时观测4颗以上卫星，即可颗以上卫星，即可解算坐标。（测站运动，观测量将减少。）解算坐标。（测站运动，观测量将减少。）2.测相伪距动态绝对定位测相伪距动态绝对定位 测相伪距定位观测测相伪距定位观测4颗卫星有几个方程，几个未知数？颗卫星有几个方程，几个未知数？怎么处理？怎么处理？初始化每颗卫星与测站的整周未知数。即未知数变为初始化每颗卫星与测站的整周未知数。即未知数变为4个。个。二、动态绝对定位原理二、动态绝对定位原理什么是动态什么是动态绝对定位？绝对定位？三、绝对定位精度评价三、绝对定位精度评价DOPDOP(Dilution of(Dilution of PrecisionPrecision）几何精度衰减因子几何精度衰减因子空间位置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接收机钟差精度衰减因子平面位置精度衰减因子平面位置精度衰减因子高程精度衰减因子高程精度衰减因子第四讲第四讲 GPS卫星定位的基本原理卫星定位的基本原理第二节第二节 相对定位原理相对定位原理第二节第二节 相对定位原理相对定位原理定义：定义：定义：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，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。称为相对定位。诱因：诱因：诱因：诱因：绝对定位精度不能满足精密定位的要求。绝对定位精度不能满足精密定位的要求。绝对定位精度不能满足精密定位的要求。绝对定位精度不能满足精密定位的要求。优点：优点：优点：优点：轨道、钟差、大气层延迟误差等具有相关性。用观测轨道、钟差、大气层延迟误差等具有相关性。用观测轨道、钟差、大气层延迟误差等具有相关性。用观测轨道、钟差、大气层延迟误差等具有相关性。用观测方程的不同组合即求差可以大大提高精度。方程的不同组合即求差可以大大提高精度。方程的不同组合即求差可以大大提高精度。方程的不同组合即求差可以大大提高精度。缺点：缺点：缺点：缺点：多台接收共同作业，作业复杂；数据处理复杂；不能多台接收共同作业，作业复杂；数据处理复杂；不能直接获取绝对坐标直接获取绝对坐标静态相对定位定义：静态相对定位定义：设在基线两端的设在基线两端的GPS接收机静止不动，接收机静止不动，通过连续观测以确定其相对位置关系的定位方法。通过连续观测以确定其相对位置关系的定位方法。原理：原理：通过长时间的观测以便精确的确定整周未知数，当通过长时间的观测以便精确的确定整周未知数，当整周未知数确定的情况下，增加观测时间对精度的影响不大。整周未知数确定的情况下，增加观测时间对精度的影响不大。快速静态定位：快速静态定位：一台接收机作为基站，另一台在附件流动，一台接收机作为基站，另一台在附件流动，可快速定位。但是流动站接收机需要对卫星保持连续跟踪。一可快速定位。但是流动站接收机需要对卫星保持连续跟踪。一旦失锁，需要初始化。旦失锁，需要初始化。一、静态相对对定位原理一、静态相对对定位原理1.1.1.1.观测值的线性组合观测值的线性组合观测值的线性组合观测值的线性组合常用的差分法有三种形式：常用的差分法有三种形式：（一）（一）同步同步观测同颗卫星在接收机间求一次差（单差）观测同颗卫星在接收机间求一次差（单差）（二）（二）不同观测站不同观测站不同观测站不同观测站同步同步观测观测同组同组卫星的单差之差（双差）卫星的单差之差（双差）（三）不同历元的双差之差（三差）（三）不同历元的双差之差（三差）一、静态相对对定位原理一、静态相对对定位原理将观测值直接相减的过程将观测值直接相减的过程叫做求一次差。所获得的叫做求一次差。所获得的结果被当做虚拟观测值，结果被当做虚拟观测值，也叫做载波相位观测值的也叫做载波相位观测值的一次差或一次差或单差单差。（一）单差（一）单差 单差可消去卫星钟差参数单差可消去卫星钟差参数观测方程：观测方程：（一）单差（一）单差平差模型：平差模型：T1为基站，坐标已知。为基站，坐标已知。忽略大气折射延迟，误差方程：忽略大气折射延迟，误差方程：多个历元（多个历元（nt）：）：对载波相位观测值的一次对载波相位观测值的一次差分观测值继续求差，所差分观测值继续求差，所得的结果仍可作为虚拟观得的结果仍可作为虚拟观测值，叫做载波相位观测测值，叫做载波相位观测值的二次差或双差。值的二次差或双差。双差可消去两测站接收机的相对钟差改正双差可消去两测站接收机的相对钟差改正 （二）双差（二）双差单差方程：单差方程：双差方程：双差方程：大气折射延迟的二次差略去不计。大气折射延迟的二次差略去不计。线性化：线性化：（二）双差（二）双差试列出误差方程式？试列出误差方程式？（二）双差（二）双差（三）三差（三）三差 对二次差继续求差称为对二次差继续求差称为求三次差。引入三差的求三次差。引入三差的目的，主要是为了协助目的，主要是为了协助解决整周未知数的问题。解决整周未知数的问题。三差消除了初始整周未知数项三差消除了初始整周未知数项 N N0 0 0 0。双差方程式：双差方程式：三差方程为：三差方程为：（三）三差（三）三差一、动态定位的特点一、动态定位的特点二、单点动态定位二、单点动态定位三、伪距差分动态定位三、伪距差分动态定位四、位置差分动态定位四、位置差分动态定位五、载波相位差分五、载波相位差分二二 GPS GPS 动态相对定位原理动态相对定位原理 动态相对定位又称为差分定位。动态相对定位又称为差分定位。动态相对定位又称为差分定位。动态相对定位又称为差分定位。差分差分差分差分GPSGPS定位分类：定位分类：定位分类：定位分类：实时差分与后处理差分；实时差分与后处理差分；实时差分与后处理差分；实时差分与后处理差分；单基准站差分与多基准站差分；单基准站差分与多基准站差分；单基准站差分与多基准站差分；单基准站差分与多基准站差分；二二 GPS GPS 动态相对定位原理动态相对定位原理 一台在运动载体上一台在运动载体上一台在运动载体上一台在运动载体上两台接收机两台接收机两台接收机两台接收机一台在一台在一台在一台在基站基站基站基站上静止不动上静止不动上静止不动上静止不动同步观测同步观测同步观测同步观测实时位置实时位置实时位置实时位置（1 1）单基准站差分单基准站差分a.a.位置差分位置差分基站已知坐标基站已知坐标 求差求差 基站测量坐标基站测量坐标流动站测量坐标流动站测量坐标 加上加上 基站求得的改正数基站求得的改正数b.b.伪距差分伪距差分基站计算基站计算 伪距改正值和伪距变化率伪距改正值和伪距变化率改正数据通过无线电传送给流动站，改正伪距。改正数据通过无线电传送给流动站，改正伪距。完成定位。完成定位。两者可提供米级定位精度。两者可提供米级定位精度。c.c.载波相位差分载波相位差分测相伪距修正法测相伪距修正法将基站的伪距改正值，传送给流动站将基站的伪距改正值，传送给流动站将基站的伪距改正值，传送给流动站将基站的伪距改正值，传送给流动站载波相位求差法载波相位求差法将载波相位观测值，实时传送给流动站，由流动站根将载波相位观测值，实时传送给流动站，由流动站根将载波相位观测值，实时传送给流动站，由流动站根将载波相位观测值，实时传送给流动站，由流动站根据差分原理完成定位。据差分原理完成定位。据差分原理完成定位。据差分原理完成定位。（1 1）单基准站差分单基准站差分课堂作业！课堂作业！a.a.多基准站差分的分类多基准站差分的分类b.b.多基准站差分的各自特点及原理多基准站差分的各自特点及原理（2 2）多基准站差分多基准站差分本章小结本章小结把卫星视为把卫星视为“动态动态”的控制点，在已的控制点，在已 知其瞬时坐标的条件下，以知其瞬时坐标的条件下，以GPSGPS卫卫星和用户接收机天线之间的距离星和用户接收机天线之间的距离（或距离差）为观测量，进行空间（或距离差）为观测量，进行空间距离后方交会，从而确定用户接收距离后方交会，从而确定用户接收机天线相位中心所处的位置。机天线相位中心所处的位置。1 1GPSGPS定位的实质定位的实质本章小结本章小结卫星射电干涉测量卫星射电干涉测量多普勒定位法多普勒定位法伪距定位法伪距定位法载波相位测量载波相位测量 2 2GPSGPS的定位方法的定位方法本章小结本章小结3 3伪距伪距在测定的卫星至接收机的距离中，在测定的卫星至接收机的距离中，不可避免地包含着两台钟不同步的不可避免地包含着两台钟不同步的误差和电离层、对流层延迟误差影误差和电离层、对流层延迟误差影响，它并不是卫星与接收机之间的响，它并不是卫星与接收机之间的实际距离，所以称之为伪距。实际距离，所以称之为伪距。在某一瞬间利用在某一瞬间利用GPSGPS接收机同时测定接收机同时测定至少四颗卫星的伪距，根据已知的卫至少四颗卫星的伪距，根据已知的卫星位置和伪距观测值，采用距离交会星位置和伪距观测值，采用距离交会法求出接收机的三维坐标和时钟改正法求出接收机的三维坐标和时钟改正数。数。4 4伪距法定位的基本原理伪距法定位的基本原理本章小结本章小结本章小结本章小结接收机在某一时刻跟踪卫星信号，接收机在某一时刻跟踪卫星信号，并对恢复后的载波进行相位测量。并对恢复后的载波进行相位测量。5 5载波相位测量的原理载波相位测量的原理本章小结本章小结6 6载波相位测量的三种差分法载波相位测量的三种差分法 单差（消去卫星钟差参数单差（消去卫星钟差参数 ）双差（消去两接收机相对钟差改正）双差（消去两接收机相对钟差改正）三差（消去初始整周未知数项三差（消去初始整周未知数项 ）本章小结本章小结7.7.动态定位的特点动态定位的特点 用户的广泛性用户的广泛性定位的实时性定位的实时性速度的多异性速度的多异性