测量原理与应用第五章.pptx

GPS测测量量原原理理与与应应用用一、卫星定位基本概念一、卫星定位基本概念 1 1、静态定位与动态定位、静态定位与动态定位 如果在定位时，接收机的天线在跟踪如果在定位时，接收机的天线在跟踪GPS卫星过程中，位置处于固定不动的卫星过程中，位置处于固定不动的静止状态，这种定位方式称为静止状态，这种定位方式称为静态定位静态定位。这时接收机高精度地测量这时接收机高精度地测量GPS信号的传信号的传播时间，根据播时间，根据GPS卫星已知瞬间卫星已知瞬间位位置，置，算得固定不动的接收机天线的三维坐标。算得固定不动的接收机天线的三维坐标。由于接收机的位置固定不动，就有由于接收机的位置固定不动，就有可能进行大量的重复观测，所以可能进行大量的重复观测，所以静态定静态定位可靠性强，定位精度高，它在大地测位可靠性强，定位精度高，它在大地测量、工程测量中得到了广泛应用，是精量、工程测量中得到了广泛应用，是精密定位中的基本模式密定位中的基本模式。如果在定位过程中，接收机位于运如果在定位过程中，接收机位于运动着的载体，天线也处于运动状态，这动着的载体，天线也处于运动状态，这种定位方式叫作动态定位种定位方式叫作动态定位。动态定位是。动态定位是用用GPSGPS信号实时地测得运动载体的位置。信号实时地测得运动载体的位置。GPS测测量量原原理理与与应应用用GPS测测量量原原理理与与应应用用 按照接收机载体的运行速度，按照接收机载体的运行速度，又将又将动态定位分成低动态动态定位分成低动态(秒速至几十米秒速至几十米)、中等动态中等动态(秒速至几百米秒速至几百米)、高动态、高动态(秒秒速至几公里速至几公里)三种形式。三种形式。动态定位的特动态定位的特点是测定一个动点的实时位置，多余观点是测定一个动点的实时位置，多余观测量少、定位精度较低。目前在飞机、测量少、定位精度较低。目前在飞机、船舶、车辆中广泛应用的导航，可以说船舶、车辆中广泛应用的导航，可以说是一种广义的动态定位，它除了要求测是一种广义的动态定位，它除了要求测定动点的实时位置外，一般还要求测定定动点的实时位置外，一般还要求测定运动载体的状态参数，如速度、时间和运动载体的状态参数，如速度、时间和方位等。方位等。2、单点定位和相对定位、单点定位和相对定位 1 1）所谓所谓单点定位单点定位(也叫也叫绝对定位绝对定位)，就是独，就是独立确定待定点在坐标系统中的绝对位置。立确定待定点在坐标系统中的绝对位置。由于目由于目前全球定位系统采用的是世界大地坐标系统前全球定位系统采用的是世界大地坐标系统WGSWGS一一8484；所以单点定位的结果也属于该坐标系统。；所以单点定位的结果也属于该坐标系统。GPS单点定位的实质是空间距离后方交会单点定位的实质是空间距离后方交会。对此，在一个测站上观测对此，在一个测站上观测3颗卫星获取颗卫星获取3个独立的个独立的距离观测量就够了。但是由于距离观测量就够了。但是由于GPS采用了单程测采用了单程测距原理，此时卫星钟与用户接收机钟难于严格保距原理，此时卫星钟与用户接收机钟难于严格保持同步，所以实际的观测距离均含有卫星钟和接持同步，所以实际的观测距离均含有卫星钟和接收机钟不同步的误差影响，习惯上称之为收机钟不同步的误差影响，习惯上称之为伪距伪距。GPS测测量量原原理理与与应应用用GPS测测量量原原理理与与应应用用 卫星钟差可以应用卫星电文中提供的卫星钟差可以应用卫星电文中提供的钟差参数加以修正，而接收机的钟差难以钟差参数加以修正，而接收机的钟差难以预先确定，通常把它作为一个未知参数，预先确定，通常把它作为一个未知参数，与测站的坐标在数据处理中一并求解。因与测站的坐标在数据处理中一并求解。因此，在一个测站上为了适时求解此，在一个测站上为了适时求解4个未知个未知参数（参数（3个点位坐标分量和个点位坐标分量和1个钟差系数个钟差系数)，至少需要至少需要4个同步伪距观测值。也就是个同步伪距观测值。也就是说，至少必须同时观测说，至少必须同时观测4颗卫星。颗卫星。单点定位的优点单点定位的优点是只需一台接收机即可独立是只需一台接收机即可独立定位，外业观测的组织及实施较为方便，数据定位，外业观测的组织及实施较为方便，数据处理也较为简单。处理也较为简单。缺点缺点是定位精度较低，受着是定位精度较低，受着卫星轨道误差、钟同步误差及信号传播误差等卫星轨道误差、钟同步误差及信号传播误差等因素的影响，只能达到米级；所以这种定位模因素的影响，只能达到米级；所以这种定位模式不能满足大地测量精密定位的要求。但是，式不能满足大地测量精密定位的要求。但是，它在地质矿产勘查等低精度测量领域，仍然有它在地质矿产勘查等低精度测量领域，仍然有着广泛的应用前景。着广泛的应用前景。2）若若用用不不同同地地点点的的接接收收机机同同步步跟跟踪踪相相同同的的GPSGPS卫卫星星信信号号，确确定定若若干干台台接接收收机机之之间间的的相相对对位位置，这种定位方式就称为置，这种定位方式就称为相对定位相对定位。GPS测测量量原原理理与与应应用用 相对定位的最基本情况是用两台接收机分别相对定位的最基本情况是用两台接收机分别安置在基线的两端（安置在基线的两端（图图3-1），同步观测相同的），同步观测相同的GPS卫星，确定基线端点在卫星，确定基线端点在WGS84系统中的相系统中的相对位置或坐标差对位置或坐标差(基线向量基线向量)，已知其中一点的坐已知其中一点的坐标后可求得另一点的坐标。相对定位可以推广到标后可求得另一点的坐标。相对定位可以推广到多台接收机安置在若干条基线的端点，通过同步多台接收机安置在若干条基线的端点，通过同步观测观测GPS卫星确定多条基线向量。卫星确定多条基线向量。由于同步观测由于同步观测值之间有着多种误差，其影响是相同的或大体相值之间有着多种误差，其影响是相同的或大体相同的，这些误差在相对定位过程中可以得到消除同的，这些误差在相对定位过程中可以得到消除或减弱，从而使相对定位获得极高的精度。当然，或减弱，从而使相对定位获得极高的精度。当然，相对定位时需要多台相对定位时需要多台(至少两台至少两台)接收机进行接收机进行同步同步观测观测，因而增加了外业观测组织和实施的难度。，因而增加了外业观测组织和实施的难度。在单点定位和相对定位中，又都可能包括在单点定位和相对定位中，又都可能包括静态定静态定位和动态定位位和动态定位两种方式。两种方式。GPS测测量量原原理理与与应应用用3 3、主动式测距和被动式测距、主动式测距和被动式测距 利利用用物物理理方方法法来来测测定定距距离离一一般般分分为为两两种种方方式式。如图-2所示，一一种种方方式式如如电电磁磁波波测测距距仪仪，它它由由一一端端的的测测距距仪仪发发射射测测距距信信号号，通通过过另另一一端端的的反反射射器器反反射射回回来来，再再由由测测距距仪仪接接收收。根根据据测测距距信信号号的的往往、返返传传播播时时间间推推求求出出往往返返距距离离22。由由于于测测站站点点需需主主动动发发出出测测距距信信号号，故故称称这这种种测测距方式为距方式为主动式测距主动式测距。GPS测测量量原原理理与与应应用用GPS测测量量原原理理与与应应用用 主动式测距只要求仪器能够精确测主动式测距只要求仪器能够精确测定信号往、返的时间，它不要求仪器钟定信号往、返的时间，它不要求仪器钟必须和某一时间系统严格保持一致。只必须和某一时间系统严格保持一致。只要仪器钟自身能在信号往、返时间段中要仪器钟自身能在信号往、返时间段中保持稳定，就不会影响测距精度。保持稳定，就不会影响测距精度。主动主动式测距的缺点式测距的缺点是用户必须发射信号因而是用户必须发射信号因而难以隐蔽自己，这对军事用户十分不利。难以隐蔽自己，这对军事用户十分不利。此外要求用户同时具有发射设备和接收此外要求用户同时具有发射设备和接收设备，装置较为复杂。设备，装置较为复杂。另一种测距方式是另一种测距方式是发射站发射站(例如卫星例如卫星)在规定的时刻内准确地发出信号，用户在规定的时刻内准确地发出信号，用户则根据自己的时钟记录信号到达的时间，则根据自己的时钟记录信号到达的时间，根据这一时差根据这一时差 tt求得单程距离求得单程距离。由。由于用户只需被动的接收信号，故将这种于用户只需被动的接收信号，故将这种测距方式称为测距方式称为被动式测距被动式测距。全球定位方全球定位方式采用了被动式测距方式式采用了被动式测距方式。被动式测距。被动式测距的优点是用户无需发射信号，因而便于的优点是用户无需发射信号，因而便于隐蔽自己，用户装置也较简单，只配备隐蔽自己，用户装置也较简单，只配备接收设备即可。接收设备即可。GPS测测量量原原理理与与应应用用4 4、用、用GPSGPS信号进行定位的基本方法信号进行定位的基本方法 根据对根据对GPSGPS信号的不同观测量，可以区分为信号的不同观测量，可以区分为四种定位方法：四种定位方法：1)1)伪伪距距定定位位法法用用GPSGPS卫卫星星的的伪伪噪噪声声编编码码信信号号，测定接收机到测定接收机到GPSGPS卫星的距离。卫星的距离。2)多多普普勒勒定定位位法法它它是是根根据据多多普普勒勒效效应应原原理理，利利用用GPS卫卫星星较较高高的的射射电电频频率率，由由积积分分多多普普勒勒计数得出伪距差。计数得出伪距差。3)3)载载波波相相位位测测量量它它是是通通过过测测量量载载波波的的相相位位而求得接收机到而求得接收机到GPSGPS卫星的距离。卫星的距离。GPS测测量量原原理理与与应应用用 4)4)卫卫星星射射电电干干涉涉测测量量利利用用GPSGPS卫卫星星射射电电信信号号具具有有白白噪噪声声的的特特性性，由由两两个个测测站站同同时时观观测测一一颗颗GPSGPS卫卫星星，通通过过测测量量这这颗颗卫卫星星的的射射电电信信号号到到达达两个测站的时间差，可以求得站间距离。两个测站的时间差，可以求得站间距离。二、卫星定位的基本原理二、卫星定位的基本原理 空间后方交会。空间后方交会。GPS测测量量原原理理与与应应用用55 伪距法定位伪距法定位 一、伪距及其测定一、伪距及其测定 GPSGPS定定位位采采用用的的是是被被动动式式单单程程测测距距。它它的的信信号号发发射射时时刻刻是是由由卫卫星星钟钟确确定定的的，收收到到时时刻刻则则是是由由接接收收机机钟钟确确定定的的，这这就就在在测测定定的的卫卫星星至至接接收收机机的的距距离离中中，不不可可避避免免地地包包含含着着两两台台钟钟不不同同步步的误差影响，所以称其为伪距的误差影响，所以称其为伪距。同同时时我我们们知知道道，GPS卫卫星星信信号号包包含含有有三三种种信信号号分分量量，即即载载波波、测测距距码码(P码码和和CA。码码)、数数据据码码(导导航航电电文文)。在在无无线线电电通通讯讯技技术术中中，一一般般均均将将频频率率较较低低的的信信号号加加载载到到频频率率较较高高的的载载波波上上，GPS卫卫星星的的测测距距码码和和数数据据码码采采用用了了调调相相技技术术调调制到载波上。制到载波上。GPS测测量量原原理理与与应应用用 如图如图3 34 4，当卫星依据自己的时钟发出的含有测距，当卫星依据自己的时钟发出的含有测距码的调制信号，经过了码的调制信号，经过了tt时间的传播后到达接收机，时间的传播后到达接收机，此时接收机收到的测距码为此时接收机收到的测距码为U(t-t)U(t-t)。而接收机的伪随。而接收机的伪随机噪声码发生器，在接收机时钟的控制下，又产生一个机噪声码发生器，在接收机时钟的控制下，又产生一个与卫星发射的测距码结构完全相同的复制码与卫星发射的测距码结构完全相同的复制码U(t-)U(t-)。并且通过接收机的时间延迟器进行移相，对接收到的。并且通过接收机的时间延迟器进行移相，对接收到的卫星测距码和接收机的复制码作相关处理，两两信号之卫星测距码和接收机的复制码作相关处理，两两信号之间的自相关系数达到最大，即近于间的自相关系数达到最大，即近于l l时，说明在积分间时，说明在积分间隔隔T T内复制码已经和测距码内复制码已经和测距码“对齐对齐”。否则继续调整时。否则继续调整时间延迟间延迟，直至，直至R(t)R(t)maxmax，于是就由时延器测定出两，于是就由时延器测定出两信号间的时间延迟信号间的时间延迟。在理想的情况下，时延在理想的情况下，时延就就等于卫星信号的传播时间等于卫星信号的传播时间tt，此时将，此时将乘以光乘以光速值速值C C，就可以求得卫星至接收机的距离。，就可以求得卫星至接收机的距离。GPS测测量量原原理理与与应应用用 以伪距作基本观测量来求定点位的方法就以伪距作基本观测量来求定点位的方法就称为称为伪距法定位伪距法定位。二、伪距法定位原理二、伪距法定位原理 为了解决定位问题，首先需将观测时得到为了解决定位问题，首先需将观测时得到的伪距的伪距 改正为卫星至接收机之间的实际距改正为卫星至接收机之间的实际距离离。设在卫星钟的瞬时读数为设在卫星钟的瞬时读数为t ta a时发出信号，时发出信号，其正确的标准时刻为其正确的标准时刻为a a；该信号到达接收机读；该信号到达接收机读得的时间为得的时间为t tb b，其正确的标准时刻为，其正确的标准时刻为b b；伪距；伪距测量中测得的时延测量中测得的时延实际为实际为 GPS测测量量原原理理与与应应用用 顾及信号并非在真空中传播，尚需加上顾及信号并非在真空中传播，尚需加上电电离层折射改正离层折射改正 和对流层折射改正和对流层折射改正 ，此时卫星至接收机的实际距离为，此时卫星至接收机的实际距离为 上式中，上式中，为卫星钟差，为卫星钟差，为接收机钟差。实为接收机钟差。实际距离际距离与卫星坐标（与卫星坐标（x x，y y，z z）和接收机坐标）和接收机坐标（X X，Y Y，Z Z）之间的关系为：）之间的关系为：GPS测测量量原原理理与与应应用用 在实用中，我们将接收机钟差在实用中，我们将接收机钟差 视为未知视为未知数，因而在上式中存在四个未知数即数，因而在上式中存在四个未知数即X、Y、Z和和 ，所以至少需要接收四颗卫星，才能列出四个方，所以至少需要接收四颗卫星，才能列出四个方程，就能求解出四个未知数。当然接收卫星颗数程，就能求解出四个未知数。当然接收卫星颗数越多解算时多余观测量就越多，解算精度就越高。越多解算时多余观测量就越多，解算精度就越高。三、伪距定位法计算三、伪距定位法计算 GPS测测量量原原理理与与应应用用四、伪距定位法的应用四、伪距定位法的应用 伪距法定位主要用于单点定位，定伪距法定位主要用于单点定位，定位速度快，处理方便，但由于美国限制位速度快，处理方便，但由于美国限制性政策，精度往往较低。性政策，精度往往较低。如果有若干台如果有若干台接收机同时对相同的卫星进行伪距测量，接收机同时对相同的卫星进行伪距测量，此时卫星钟的误差、卫星星历误差、电此时卫星钟的误差、卫星星历误差、电离层和对流层折射误差对各同步观测站离层和对流层折射误差对各同步观测站的影响基本相同，在求坐标差时可以自的影响基本相同，在求坐标差时可以自行消除，使测站点间的相对位置精度大行消除，使测站点间的相对位置精度大大提高。大提高。GPS测测量量原原理理与与应应用用GPS测测量量原原理理与与应应用用 伪距法进行相对定位可以采用两种伪距法进行相对定位可以采用两种办法：办法：(1)间接相对定位间接相对定位：各同步测站分：各同步测站分别进行单点定位，求得各测站坐标，然别进行单点定位，求得各测站坐标，然后相减求得坐标差。后相减求得坐标差。(2)直接相对定位直接相对定位：由伪距定位法的数学模型可知，当两个由伪距定位法的数学模型可知，当两个测站进行同步观测时，产生两个数学式。测站进行同步观测时，产生两个数学式。553 3 载波相位测量载波相位测量GPS测测量量原原理理与与应应用用 伪距测距伪距测距是以测距码作为量测信号的，由是以测距码作为量测信号的，由于测距码的波长较长，难以达到较高的精度。于测距码的波长较长，难以达到较高的精度。而而载波相位测量载波相位测量不使用码信号，不受码控制的不使用码信号，不受码控制的影响，属于非码测量系统。载波信号的波长要影响，属于非码测量系统。载波信号的波长要短得多，其中短得多，其中l l信号的波长为信号的波长为19cm19cm，L L2 2信号波信号波长为长为24cm24cm。所以把载波作为量测信号，对载波。所以把载波作为量测信号，对载波进行相位测量就可以达到很高的精度，目前的进行相位测量就可以达到很高的精度，目前的测地型接收机载波相位测量精度一般为测地型接收机载波相位测量精度一般为1 12mm2mm。但是，载波信号是一种周期性的正弦信号，。但是，载波信号是一种周期性的正弦信号，相位测量只能测定其不足一个波长的小数部分，相位测量只能测定其不足一个波长的小数部分，无法测定其整波长个数。因而存在着整周数的无法测定其整波长个数。因而存在着整周数的不确定性问题，使得解算过程复杂化。不确定性问题，使得解算过程复杂化。GPS测测量量原原理理与与应应用用一、载波相位测量基本原理一、载波相位测量基本原理 接收机所接收到的接收机所接收到的GPS卫星信号中，已用相卫星信号中，已用相位调制技术在载波上调制了测距码和卫星电文，位调制技术在载波上调制了测距码和卫星电文，所以载波已不再连续。为此要在载波相位测量之所以载波已不再连续。为此要在载波相位测量之前进行解调工作，设法将调制在载波上的测距码前进行解调工作，设法将调制在载波上的测距码和卫星电文去掉，恢复载波的相位。和卫星电文去掉，恢复载波的相位。如果在时刻如果在时刻t t0 0接收机产生的基准信号的相位接收机产生的基准信号的相位是是(R)(R)，接收机接收到的载波信号的相位是，接收机接收到的载波信号的相位是(S)(S)，若能测定出二者相位之差，若能测定出二者相位之差(R)(R)一一(S)(S)，则由载波波长，则由载波波长就可以求出该瞬间从就可以求出该瞬间从卫星至接收机的距离：卫星至接收机的距离：=(R)一(S)=N0+Fr()式中式中N0为基准信号与接收信号相位差的整周数；为基准信号与接收信号相位差的整周数；Fr()为相位差中不足一整周的小数部分。为相位差中不足一整周的小数部分。实实际际上上，接接收收机机所所接接收收的的GPSGPS信信号号经经过过解解调调以以后后，与与基基准准信信号号进进行行混混频频，从从而而得得到到一一个个中中频频的的差差频频信信号号，差差频频信信号号的的相相位位也也就就是是基基准准信信号号与与接接收收信信号号的的相相位位差差值值。这这就就是是说说，接接收收机机产产生生的的基基准准信信号号与与接接收收的的载载波波信信号号的的相相位位差差是是通过量测差频信号的相位值得到的。通过量测差频信号的相位值得到的。设设接接收收机机本本机机振振荡荡器器产产生生的的基基准准信信号号为为coscos(1 1t t十十1 1)，接接收收到到的的载载波波信信号号为为cos(cos(2 2t t十十2 2)，混频后可以产生两个新信号，混频后可以产生两个新信号:GPS测测量量原原理理与与应应用用cos(1t十1)cos(2t十2)1/2 cos(1十2)t(1 2)cos(12)t(1 2)上上式式右右端端第第二二项项就就是是混混频频后后产产生生的的差差频频信信号号，它它的的相相位位(12)就就等等于于基基准准信信号号与与接接收收信信号号的的相相位位之之差差。所所以以，载载波波相相位位测测量量值值就就等等于混频后的差频信号的相位值。于混频后的差频信号的相位值。把把前前面面的的讨讨论论加加以以归归纳纳可可以以看看出出，只只要要接接收收机机对对卫卫星星信信号号连连续续跟跟踪踪而而不不中中断断(失失锁锁)，那那么么每每个个完完整整的的载载波波相相位位观观测测值值；均均由由下下列列几几部部分组成：分组成：GPS测测量量原原理理与与应应用用GPS测测量量原原理理与与应应用用式中式中N0 0是载波相位在传播路径上延迟的整是载波相位在传播路径上延迟的整周数；周数；Int()是自起始时刻是自起始时刻t0至观测时刻至观测时刻ti之间载波相位变化的整周数，它是自之间载波相位变化的整周数，它是自t0 0至至ti时间内用计数器逐个累计的差频信号的整时间内用计数器逐个累计的差频信号的整周数；周数；Fr()则是差频信号不足一整周的部则是差频信号不足一整周的部分，它是在分，它是在ti时刻的一个瞬时量测值。它时刻的一个瞬时量测值。它们的几何意义如们的几何意义如图图35所示所示.设在设在GPS标准时刻标准时刻Ta（卫星钟面时（卫星钟面时刻刻ta）卫星）卫星Sj发射的载波信号相位为发射的载波信号相位为（ta），经传播延迟），经传播延迟后，在后，在GPS标准标准时刻时刻Tb（卫星钟面时刻（卫星钟面时刻tb）到达接收机。）到达接收机。其载波相位观测方程为：其载波相位观测方程为：二、载波相位测量的观测方程二、载波相位测量的观测方程GPS测测量量原原理理与与应应用用 常用方法：常用方法：伪距法、经典方法、三差法、快伪距法、经典方法、三差法、快速确定整周未知数法。速确定整周未知数法。四、整周跳变的修复四、整周跳变的修复 1.周跳：在跟踪卫星过程中，由于某种原因，周跳：在跟踪卫星过程中，由于某种原因，使得卫星信号暂时中断，造成卫星信号失锁，使得卫星信号暂时中断，造成卫星信号失锁，计数器无法连续计数，当信号重新跟踪后，整计数器无法连续计数，当信号重新跟踪后，整周计数就不正确，这种现象就称为周计数就不正确，这种现象就称为周跳。周跳。整周跳变的探测与修复整周跳变的探测与修复是指探测出何时发是指探测出何时发生了周跳并求出丢失的整周数，对中断后的整生了周跳并求出丢失的整周数，对中断后的整周计数进行修改，将其恢复为正确的计数。周计数进行修改，将其恢复为正确的计数。三、整周未知数的确定三、整周未知数的确定GPS测测量量原原理理与与应应用用2.整周跳变的探测与修复方法有：整周跳变的探测与修复方法有：1）屏幕扫描法屏幕扫描法 2）用高次差或二项式拟合法）用高次差或二项式拟合法 3）在卫星间求差法）在卫星间求差法 4）用双频观测值修复周跳）用双频观测值修复周跳 优点优点：双频载波相位观测值的组合：双频载波相位观测值的组合 中各参数只涉及频率，取决于电离层残差的影中各参数只涉及频率，取决于电离层残差的影响，无须预先知道测站和卫星的坐标。响，无须预先知道测站和卫星的坐标。GPS测测量量原原理理与与应应用用GPS测测量量原原理理与与应应用用 缺点缺点：不能顾及多路经效应和测量噪：不能顾及多路经效应和测量噪声的影响，如果两个载波相位观测值中都声的影响，如果两个载波相位观测值中都出现周跳，则不能采用这种方法。出现周跳，则不能采用这种方法。5）根据平差后的残差发现和修复整）根据平差后的残差发现和修复整周跳变周跳变GPS单点定位（绝对定位）单点定位（绝对定位）GPS相对定位相对定位GPS测测量量原原理理与与应应用用双程测距与单程测距双程测距与单程测距GPS测测量量原原理理与与应应用用伪距测定原理伪距测定原理GPS测测量量原原理理与与应应用用载波相位测量原理载波相位测量原理GPS测测量量原原理理与与应应用用GPS测测量量原原理理与与应应用用5-4 整周跳变的修复整周跳变的修复 如果在跟踪卫星过程中，由于某种原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，因，如卫星信号被障碍物挡住而暂时中断，或受无线电信号干扰造成失锁。这样，计或受无线电信号干扰造成失锁。这样，计数器无法连续计数。因此，当信号重新被数器无法连续计数。因此，当信号重新被跟踪后，整周计数就不正确，但是不到一跟踪后，整周计数就不正确，但是不到一个整周的相位观测值仍是正确的。这种现个整周的相位观测值仍是正确的。这种现象称为象称为周跳周跳。周跳的出现和处理是载波相周跳的出现和处理是载波相位测量中的重要问题。位测量中的重要问题。GPS测测量量原原理理与与应应用用 整周跳变的探测与修复整周跳变的探测与修复是指探测出在何时发生了周跳并求出丢失的整周数，对中断后的整周记数进行改正，将其恢复为正确的计数，使这部分观测值仍可使用。如果是因为电源的故障或振荡器本身的故障使信号暂时中断，那么中断前后信号本身失去了连续性。恢复正常工作后的观测值中不但整周计数不正确，不足整周的部分也不对。这时，修复周跳没有什么意义，而必须将资料分为两个时段，各设一个整周未知数单独进行处理。如果是其他原因，如果是其他原因，如卫星信号被某些障碍物挡住，外界干扰使信如卫星信号被某些障碍物挡住，外界干扰使信号暂时失锁等，使信号整周计数暂时中断，而号暂时失锁等，使信号整周计数暂时中断，而不足一周的相位差部分仍是正确的。则探测与不足一周的相位差部分仍是正确的。则探测与修复周跳才有意义。修复周跳才有意义。整周跳变的探测与修复常用的方整周跳变的探测与修复常用的方法有下列几种：法有下列几种：1.屏幕扫描法屏幕扫描法 此种方法是由作业人员在计算机屏幕前依次此种方法是由作业人员在计算机屏幕前依次对每个站、每个时段、每个卫星的相位观测值变对每个站、每个时段、每个卫星的相位观测值变化率的图像进行逐段检查，观测其变化率是否连化率的图像进行逐段检查，观测其变化率是否连续。如果出现不规则的突然变化时，就说明在相续。如果出现不规则的突然变化时，就说明在相应的相位观测中出现了整周跳变现象。然后用手应的相位观测中出现了整周跳变现象。然后用手工编辑的方法逐点、逐段修复。工编辑的方法逐点、逐段修复。GPS测测量量原原理理与与应应用用GPS测测量量原原理理与与应应用用2.用高次差或多项式拟台法用高次差或多项式拟台法 该方法是根据有周跳现象的发生将会破坏该方法是根据有周跳现象的发生将会破坏载波相位测量的观测值随时间而有规律变化的载波相位测量的观测值随时间而有规律变化的特性来探测的。特性来探测的。GPS卫星的径向速度最大可达卫星的径向速度最大可达09kms，因而整周计数每秒钟可变化数千周。，因而整周计数每秒钟可变化数千周。如果每如果每15s输出一个观测值的话，相邻观测值间输出一个观测值的话，相邻观测值间的差值可达数万周，那么对于几十周的跳变就的差值可达数万周，那么对于几十周的跳变就不易发现。但如果在相邻的两个观测值间依次不易发现。但如果在相邻的两个观测值间依次求差而求得观测值的一次差的话，这些一次差求差而求得观测值的一次差的话，这些一次差的变化就要小得多。在一次差的基础上再求二的变化就要小得多。在一次差的基础上再求二次差，三次差、四次差、五次差时，其变化就次差，三次差、四次差、五次差时，其变化就小得更多了。小得更多了。GPS测测量量原原理理与与应应用用3.在卫星间求差法在卫星间求差法 在在GPS测量中，每一瞬间要对多颗卫星进行测量中，每一瞬间要对多颗卫星进行观测，因而在每颗卫星的载波相位测量观测观测，因而在每颗卫星的载波相位测量观测值中，所受到的接收机振荡器的随机误差的影值中，所受到的接收机振荡器的随机误差的影响是相同的。在卫星间求差后即可消除此项误响是相同的。在卫星间求差后即可消除此项误差的影响。差的影响。GPS测测量量原原理理与与应应用用4.用双频观测值修复周跳用双频观测值修复周跳 用双频观测值探测和修复周跳的方法优点用双频观测值探测和修复周跳的方法优点是，双频载波相位观测值的组合是，双频载波相位观测值的组合A由中各参数只由中各参数只涉及频率，取决于电离层残差影响，无须预先涉及频率，取决于电离层残差影响，无须预先知道测站和卫星的坐标。缺点是不能顾及多路知道测站和卫星的坐标。缺点是不能顾及多路径效应和测量噪声的影响，另外如果两个载波径效应和测量噪声的影响，另外如果两个载波相位观测值中都出现周跳，则不能采用这种方相位观测值中都出现周跳，则不能采用这种方法，而只能采用其他方法探测与修复周跳。法，而只能采用其他方法探测与修复周跳。5-5 差分差分GPS定位原理定位原理概述：概述：1）差分技术在测绘工作中的应用；）差分技术在测绘工作中的应用；2）GPS定位技术存在三部分误差：定位技术存在三部分误差：一是多台一是多台接收机共有的误差，接收机共有的误差，如：卫星钟误差、星历误差；如：卫星钟误差、星历误差；二是传播延迟误差，二是传播延迟误差，如：电离层误差、对流层误如：电离层误差、对流层误差；差；三是接收机固有的误差，三是接收机固有的误差，如：内部噪声、通如：内部噪声、通道延迟、多路径效应。道延迟、多路径效应。采用差分定位，可完全消除第一部分误差，采用差分定位，可完全消除第一部分误差，可大部分消除第二部分误差可大部分消除第二部分误差(视基准站至用户的距视基准站至用户的距离离)。3）差分差分GPS可分为可分为单基准站差分、具有多个单基准站差分、具有多个基准站的局部区域差分和广域差分基准站的局部区域差分和广域差分三种类型。三种类型。GPS测测量量原原理理与与应应用用GPS测测量量原原理理与与应应用用1.单点单点GPS差分（差分（SRDGPS)SRDGPS)单站差分按基准站发送的信息方式来分，单站差分按基准站发送的信息方式来分，可分为可分为位置差分、伪距差分和载波相位差分位置差分、伪距差分和载波相位差分三种，其工作原理大致相同。三种，其工作原理大致相同。1)1)位置差分原理位置差分原理 设基准站的精密坐标已知设基准站的精密坐标已知(X0，Y0，Z0)，在基准站上的，在基准站上的GPS接收机测出的坐标为：接收机测出的坐标为：X、Y、Z(包含着轨道误差、时钟误差、包含着轨道误差、时钟误差、SA影响、大气影响、多路径效应及其他误差影响、大气影响、多路径效应及其他误差)，即可按下式求出其坐标改正数为：即可按下式求出其坐标改正数为：基准站用数据链，将这些改正数发送出去，基准站用数据链，将这些改正数发送出去，用户接收机在解算时，加入以上改正数：用户接收机在解算时，加入以上改正数：若顾及用户接收机位置改正值的瞬时变化，若顾及用户接收机位置改正值的瞬时变化，上式可以进一步写成：上式可以进一步写成：GPS测测量量原原理理与与应应用用 这这种种方方法法的的优优点点是是：计计算算简简单单，适适用用于于各各种型号的种型号的GPSGPS接收机。接收机。这种方法的这种方法的缺点缺点是：基准站与用户必须观是：基准站与用户必须观测同一组卫星，这在近距离可以做到，但距离测同一组卫星，这在近距离可以做到，但距离较长时很难满足。故位置差分，只适用于较长时很难满足。故位置差分，只适用于100km以内。以内。2）伪距差分原理）伪距差分原理 这是应用最广的一种差分。在基准站上，这是应用最广的一种差分。在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标观测所有卫星，根据基准站已知坐标(X0，Y0，Z0)和测出的各卫星的地心坐标和测出的各卫星的地心坐标(Xj，Yj，Zj)，按下式求出每颗卫星每一时刻到基准站的真正按下式求出每颗卫星每一时刻到基准站的真正距离距离Rj：GPS测测量量原原理理与与应应用用其伪距为，则伪距改正数为：其伪距为，则伪距改正数为：基准站将基准站将j和和dj发送给用户，用户在测出发送给用户，用户在测出的伪距的伪距j上加改正，求出经改正后的伪距：上加改正，求出经改正后的伪距：其中其中 GPS测测量量原原理理与与应应用用最后可按下式计算坐标：最后可按下式计算坐标：其中为其中为 为钟差，为钟差，V V1 1为接收机噪声。为接收机噪声。伪伪距距差差分分的的优优点点是是：基基准准站站提提供供所所有有卫卫星星的的改改正正数数，用用户户接接收收机机观观测测任任意意4 4颗颗卫卫星星，就就可可完完成成定定位位。因因提提供供的的是是j j和和f f改改正正数数，可可满满足足RTCMSCRTCMSCl04l04标标准准(国国际际海海事事无无线线电电委委员员会会)。缺点是：差分精度随基准站到用户的距离增缺点是：差分精度随基准站到用户的距离增加而降低。加而降低。GPS测测量量原原理理与与应应用用3）载波相位差分原理）载波相位差分原理 位置差分和伪距差分，能满足米级定位精度，位置差分和伪距差分，能满足米级定位精度，已广泛应用于导航、水下测量等。而载波相位差已广泛应用于导航、水下测量等。而载波相位差分，可使实时三维定位精度达到厘米级。分，可使实时三维定位精度达到厘米级。载波相位差分技术又称载波相位差分技术又称RTK(Real Time RTK(Real Time Kinematic)Kinematic)技术，是实时处理两个测站载波相位技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。观测量的差分方法。载波相位差分方法分为两类：载波相位差分方法分为两类：一类是修正法，另一类是差分法。一类是修正法，另一类是差分法。所谓修正法，所谓修正法，即将基准站的载波相位修正值发送给用户，改正即将基准站的载波相位修正值发送给用户，改正用户接收到的载波相位，再解求坐标。用户接收到的载波相位，再解求坐标。所谓差分所谓差分法即是将基准站采集的载波相位发送给用户，进法即是将基准站采集的载波相位发送给用户，进行求差解算坐标。行求差解算坐标。可见修正法属可见修正法属准准RTKRTK，差分法，差分法为为真正真正RTKRTK。观测方程：。观测方程：GPS测测量量原原理理与与应应用用 式中，式中，表示用户接收机起始相位模糊度，表示用户接收机起始相位模糊度，为基准站接收机起始相位模糊度，为基准站接收机起始相位模糊度，为用户接为用户接收机起始历元至观测历元相位整周数，收机起始历元至观测历元相位整周数，为基为基准站接收机起始历元至观测历元相位整周数，准站接收机起始历元至观测历元相位整周数，为用户接收机测量相位的小数部分，为用户接收机测量相位的小数部分，为基准为基准站接收机测量相位的小数部分，站接收机测量相位的小数部分，为同一观测为同一观测历元各项残差。历元各项残差。这里关键是求解起始相位模糊度，常用方法这里关键是求解起始相位模糊度，常用方法有：删除法、模糊度函数法、有：删除法、模糊度函数法、FARA法、消去法法、消去法等。等。GPS测测量量原原理理与与应应用用 差差分分定定位位的的关关键键技技术术是是高高波波特特率率数数据据传传输输的可靠性和抗干扰问题。的可靠性和抗干扰问题。单单站站差差分分GPS系系统统结结构构和和算算法法简简单单，技技术术上较为成熟。主要用于小范围的差分定位工作。上较为成熟。主要用于小范围的差分定位工作。通常把一般的差分定位系统称为通常把一般的差分定位系统称为DGPS，局部区域差分定位系统称为局部区域差分定位系统称为LADGPS，广域差，广域差分定位系统称为分定位系统称为WADGPS。2、局部区域、局部区域GPS差分系统差分系统（LANDGPS）3、广域差分、广域差分GPS测测量量原原理理与与应应用用GPS测测量量原原理理与与应应用用4、多基准站、多基准站RTK技术（网络技术（网络RTK）连续运行参考站系统连续运行参考站系统(CORS)（Continuous Operational Reference System，简称CORS系统）即一个或若干个固定的、连续运行的即一个或若干个固定的、连续运行的GPS参考参考站，利用现代计算机技术、数据通讯和互联网站，利用现代计算机技术、数据通讯和互联网（LAN/WAN）技术组成的网络，实时地向不）技术组成的网络，实时地向不同类型、不同需求、不同层次的用户自动地提同类型、不同需求、不同层次的用户自动地提供经过检验的不同类型的供经过检验的不同类型的GPS观测值（载波相观测值（载波相位，伪距）、各种改正数据、状态信息、以及位，伪距）、各种改正数据、状态信息、以及其他有关其他有关GPS服务项目的系统。与传统的服务项目的系统。与传统的GPS作业相比连续参考站具有作用范围广、精度高、作业相比连续参考站具有作用范围广、精度高、野外单机作业等众多优点。野外单机作业等众多优点。CORS RTK测量方式：测量方式：GPS测测量量原原理理与与应应用用 CORS RTK技术就是技术就是利用地面布设的一个利用地面布设的一个或多个基准站组成或多个基准站组成GPS连续运行参考站连续运行参考站（CORS），综合利用各个基站的观测信息，通），综合利用各个基站的观测信息，通过建立精确的误差修正