第四章GPS测量与定位原理概要.ppt

GPS卫星星测量量 与定位与定位原理原理2024/5/22 周三1.第四章第四章 GPS卫星星测量与定位原理量与定位原理1.伪距距测量原理量原理2.载波相位波相位测量原理量原理3.GPS定位原理定位原理4.差分差分GPS定位原理定位原理2024/5/22 周三2.第一第一节 伪 距距 测 量量一、伪距定位的基本原理1、概念:伪距距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)。2024/5/22 周三3.2024/5/22 周三4.3、伪距法定位的特点距法定位的特点:1）.精度不高。2）.定位速度快。3）.无多值解4）.可获得WGS84坐标系统的坐标。2024/5/22 周三5.二、二、伪距距测量方法量方法(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（tt i）现求两码相关系数:2024/5/22 周三6.R(i)=0 直到：R（n）=1（max?）即有：t =tt n =n t 两边同乘 c 可有：=c t2024/5/22 周三7.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 tk若同时考虑电离离层和对流流层对卫星信号的折射影响(1和 2)：=1 2 c tkc t j 此式即为伪距()与实际距离()的关系式!2024/5/22 周三8.三、三、伪距距测量量观测方程方程因为: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 tk亦视为未知数 则伪距定位距定位观测方程方程:2024/5/22 周三9.第二第二节 载 波波 相相 位位 测 量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:L1载波:1=19 cm;L2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。L2P2 D(t)L1C/A P1 2024/5/22 周三10.载波相位波相位测量的特点量的特点:1)、精度高。(对载波进行测量可达:1mm2mm)。2)、解算麻烦。(整周模糊度 N 的确定)L2P2 D(t)L1C/A P1 2024/5/22 周三11.n接收机接收到的接收机接收到的载波信号波信号:X(t)=ACoS（t+)调制 X(t)=ACoS（t+)2024/5/22 周三12.概念:重建重建载波波!(信号的解信号的解调)X(t)=ACoS（t+)解调 X(t)=ACoS（t+)2024/5/22 周三13.重建重建载波的方法波的方法:1)、码相关法相关法(三因素法三因素法):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。2024/5/22 周三14.2)、平方法、平方法(白噪声法白噪声法):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、互相关法(混合型接收机混合型接收机)利用上面二法的优点对信号进行解调,重新获得载波信号。2024/5/22 周三15.一、一、测量原理：量原理：载波相位测量的观测量？(P74)在 t 0 时：2024/5/22 周三16.在 t 0t 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 N0j 为未知数,称为初初始整周模糊度始整周模糊度。2024/5/22 周三17.二、二、观测方程方程:=(tb)j(ta);Ta=ta ta ，Tb=tb tb 则:=(Tb tb)j(Ta ta)一般有:(t+t)=(t)f t而且 Tb=Ta (Tb)=j(Ta)f =(Tb)f tbj(Ta)+f ta =f f tb f ta 又因为:=C-1(1 2)所以:=fC-1(12)f taf tb2024/5/22 周三18.现顾及载波相位的整周数:则测站K对卫星 j 的载波相位波相位测量的量的观测方方程程为:式中各符号的意义!2024/5/22 周三19.回回顾:n伪距距测量原理量原理n载波相位波相位测量原理量原理n多普勒多普勒测量原理量原理nGPS定位原理定位原理2024/5/22 周三20.回回顾:n伪距距测量原理量原理n 伪距距测量量观测方程方程n =1 2 c tkc t j n 伪距定位距定位观测方程方程()()()jjjjkjsjsjstctcZZYYXXd ddrdrdrdrr rd d-+=-+-+-21212222024/5/22 周三21.回回顾:n载波相位波相位测量原理量原理2024/5/22 周三22.载波相位波相位测量的量的观测量量 在在 t 0 时：=2024/5/22 周三23.在在 t 0t 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 N0j 为未知数,称为初初始整周模糊度始整周模糊度。2024/5/22 周三24.=(tb)j(ta)-不足一周的相位不足一周的相位值 因因为:ta=Ta-ta，tb=Tb-tb-星星钟和机和机钟标准准时间 所以所以:=(Tb tb)j(Ta ta)一般情况下有一般情况下有:(t+t)=(t)f t 而且而且 Tb=Ta 所以所以:(Tb)=j(Ta)f -(Tb)-j(Ta)=f =(Tb)f tb(j(Ta)-f ta)=f f tb f ta 又因又因为:=C-1(1 2)-伪距与光速之比距与光速之比 所以所以:=fC-1(12)f taf tb2024/5/22 周三25.测站站K对卫星星 j 的的载波相位波相位测量的量的观测方程方程为:)(021j jdrdrdrdrd dd dr rIntNtftfjCfCfbaCfjK+-+=F F站星站星距离距离星星钟误差差机机钟误差差电离离层改正改正对流流层改正改正初始整周初始整周未知数未知数整周数的整周数的变化量化量2024/5/22 周三26.三、初始整周未知数三、初始整周未知数N0的确定的确定1、伪距法距法 在在进行行载波相位波相位测量的同量的同时也也进行行伪距距测量，量，则将将伪距距测量所量所获得的得的伪距距观测值减去减去载波相位波相位测量量观测值中不足一周的部分和整周中不足一周的部分和整周变化量部分化量部分（假（假设他他们都已都已经转化化为距离的距离的单位）后即等于位）后即等于 N0 =()(0j jj jIntN+D D2024/5/22 周三27.2、将、将N0视为平差中的待定参数来求解平差中的待定参数来求解 N0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N03mN内的整数。实数解和整数解的不同使用数解和整数解的不同使用!2024/5/22 周三28.n3、多普勒法（三差法）、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。2024/5/22 周三29.四、整周跳四、整周跳变的修复的修复:1、整周跳、整周跳变:信号失信号失锁：由于某些原因：由于某些原因导致致GPS信号被信号被 暂时阻断的情况被称阻断的情况被称为信号失信号失锁。整周跳整周跳变(周跳周跳)：由于某种原因，接收机由于某种原因，接收机整波整波计数器在一段数器在一段时间内内记录下来的整周下来的整周数的数的变化量化量产生生错误，即，即错误地地记录了整了整周数的周数的变化量。化量。这种种现象被称象被称为整周跳整周跳变。2024/5/22 周三30.2、整周跳、整周跳变（Int()有有误差）差）产生的原因生的原因: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。2024/5/22 周三31.*3、整周跳、整周跳变的修复的修复:整周跳整周跳变的修复的修复：是指利用一定的方法探：是指利用一定的方法探测出在何出在何时产生了整周跳生了整周跳变，采取相，采取相应的模型的模型确定确定丢失的整周数，将其恢复成失的整周数，将其恢复成为正确的正确的计数，数，这一一过程成程成为整周跳整周跳变的修复。的修复。2024/5/22 周三32.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。2024/5/22 周三33.2024/5/22 周三34.2024/5/22 周三35.*第三节 多普勒测量原理n一、多普勒效多普勒效应n由于波源相由于波源相对于于观测者有高速运者有高速运动而引起而引起的信号的信号频率率额移移动即称即称为多普勒多普勒频移，移，这种种现象称象称为多普勒效多普勒效应。2024/5/22 周三36.现设GPS卫星星发射信号的射信号的频率率为fs,而地球上而地球上的的测站点接收到的信号站点接收到的信号频率率为fr,则：n一般情况下：n fr=fs(1+VR/c)-1n其中：VR为GPS卫星的径向速度。则多普勒频移值为：fs-fr=fs*VR/c2024/5/22 周三37.n二、多普勒二、多普勒测量原理量原理n 根据多普勒根据多普勒频移可以求出移可以求出测站点与站点与卫星星在不同在不同时刻的距离差，因此又称刻的距离差，因此又称为距离差距离差测量。量。通常用于通常用于测量量计算运算运动载体的运体的运动速度。速度。2024/5/22 周三38.第四第四节 GPS定位原理nGPS绝对定位（定位（单点定位）点定位）nGPS相相对定位（差分定位）定位（差分定位）2024/5/22 周三39.一、一、GPS绝对定位定位nGPS绝对定位：定位：是一个用是一个用户利用利用GPS接接收机，以地球收机，以地球质心心为参考点，参考点，对卫星信号星信号进行接收和行接收和观测，确定接收机天，确定接收机天线在在WGS-84坐坐标系中的系中的绝对位置，又称位置，又称单点定位或点定位或伪距定位。距定位。2024/5/22 周三40.基本原理：基本原理：以以GPS卫星和用星和用户接收机天接收机天线之之间的距离的距离观测量量为基准，根据已知的基准，根据已知的卫星瞬星瞬时坐坐标，来确定用，来确定用户接收天接收天线所所对应的位置的位置。现令:(Xj Yj Zj)为卫星 j 的已知坐标,j=1，2 n。2024/5/22 周三41.2、绝对定位的精度定位的精度评价价:（1）平面位置精度因子）平面位置精度因子HDOP（2）高程精度因子）高程精度因子VDOP（3）空）空间位置精度因子位置精度因子PDOP（4）几何精度因子）几何精度因子GDOP（5）接收机）接收机钟差精度因子差精度因子TDOP注注: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。2024/5/22 周三42.为什么要进行相对定位?测站1:(X1 Y1 Z1)测站2:(X2 Y2 Z2)两坐标的精度都不高!现求两站的坐标差:X12=X2 X1 Y12=Y2 Y1 Z12 =Z2 Z1两站的坐两站的坐标差的精差的精度却非常高度却非常高(为什么什么?)2024/5/22 周三43.二、二、GPS相相对定位定位nGPS相相对定位定位：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。2024/5/22 周三44.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2024/5/22 周三45.1、一次差分、一次差分观测值:1).站站际一次差分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2024/5/22 周三46.2).星星际一次差分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k2024/5/22 周三47.3).历元元间一次差分一次差分观测SD=其削弱了大部分误差的影响,同时消去了N0(初始整周模糊度初始整周模糊度)。观测站卫星j(t1)卫星j（t2）2024/5/22 周三48.2、二次差分、二次差分观测值:1).站站际与星与星际二次差分二次差分观测值: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k2024/5/22 周三49.2).星星际与与历元元间二次差分二次差分观测值:部分误差的影响得到了消除或削弱。同时消去了N0(初初始整周模糊度始整周模糊度)。观测站卫星j(t1)卫星j（t2）卫星k(t1)卫星k（t2）2024/5/22 周三50.3).站站际与与历元元间二次差分二次差分观测值:部分误差的影响得到了消除或削弱。同时消去了N0(初初始整周模糊度始整周模糊度)。观测站1观测站2卫星j(t0)卫星j(t1)2024/5/22 周三51.3、三次差分、三次差分观测值:观测站卫星j(t1)卫星j（t2）卫星k(t1)卫星k（t2）观测站2024/5/22 周三52.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N0(初始初始整周模糊度整周模糊度)。2024/5/22 周三53.第五第五节 差分差分GPS定位原理定位原理基本思想(与前面差分方法不一样)！在GPS测量定位中的三大三大误差源差源:（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）。2024/5/22 周三54.一、一、单站站GPS的差分的差分(SRDGPS):1、位置差分原理、位置差分原理:现设基准站的精密坐标为(X0 Y0 Z0),施测坐标为(X Y Z)则其坐标改正数为:X=X0X;Y=Y0Y;Z=Z0Z;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(XP YP ZP),则其改正后坐标为:XP=XP+X;YP=YP+Y;ZP=ZP+Z;2024/5/22 周三55.若顾及用户位置的瞬时变化可利用下式：XP=XP+X d（X）/dt （tt0）；YP=YP+Y d（Y）/dt （tt0）；ZP=ZP+Z d（Z）/dt （tt0）；位置差分的特点：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。2024/5/22 周三56.2、伪距差分原理距差分原理:现设基准站的精密坐标为(X0 Y0 Z0),所观测卫星的坐标为（Xj Yj Zj）;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j0 ，则其伪距改正数：j =R j j0 及其变化率：dj =j/t2024/5/22 周三57.基准站将 j和dj传给用户站,用户利用j和dj对其伪距观测值 j进行改正：j p（t）=j（t）+j（t）+dj （t-t0）；并利用下式计算用户站的坐标（Xp Yp Zp）：其中:t为接收机钟差，V1为接收机躁声。2024/5/22 周三58.伪距差分的特点：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。2024/5/22 周三59.3、载波相位差分原理波相位差分原理: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.2024/5/22 周三60.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。2024/5/22 周三61.二、局部区域二、局部区域GPS差差分系分系统(LADGPS).用户站将各基准站的改正信息采用加加权平均平均值法法或最小方差法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。2024/5/22 周三62.三、广域差分系三、广域差分系统(WADGPS)1、广域差分系统基本思想基本思想：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。2024/5/22 周三63.2、广域差分系统组成及工作流程：坐坐标已知的已知的监测站（若干）站（若干）数据通讯链 中心站中心站 数据通讯链 用用户站站2024/5/22 周三64.3、广域差分系、广域差分系统特点：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2024/5/22 周三65.（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。2024/5/22 周三66.思思 考考 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）？2024/5/22 周三67.6.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!2024/5/22 周三68.