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GPS原理及其应用主讲：付建红第七讲 GPS定位的基本原理GPS原理及其应用GPS测量定位方法分类u定位模式绝对定位（单点定位）相对定位差分定位u定位时接收机天线的运动状态静态定位：天线相对于地球坐标系静止动态定位：天线相对于地球坐标系运动准动态定位：搬站过程中保持信号连续观测u获得定位结果的时效事后定位实时定位u观测值类型伪距测量载波相位测量GPS测量定位方法分类u单点定位u相对定位u差分GPS主要内容7.1 单点定位GPS单点定位的概念GPS单点定位的几何原理GPS单点定位的求解GPS单点定位小结我在哪里？航空摄影摄区1、GPS单点定位的概念单点定位的概念uGPS单点单点定位是指根据定位是指根据卫星星历以及卫星星历以及单台单台GPS接收机接收机观测值来确定测观测值来确定测站点在站点在WGS84坐标系坐标系中绝对坐标的方法，也中绝对坐标的方法，也称为绝对定位。称为绝对定位。O（0,0,0）XYZ（X,Y,Z）（XS,YS,ZS）优点：一台接收机单独定位，观测简单，可瞬时定位缺点：精度主要受系统性偏差的影响，定位精度低应用领域低精度导航、资源普查、军事、.u在在待测点上设站待测点上设站，向，向3个或个或3个以上已知点进行角个以上已知点进行角度观测，通过后方交会方法求出待测点的坐标。度观测，通过后方交会方法求出待测点的坐标。平面后方交会方法回顾平面后方交会方法回顾2、GPS单点定位的几何原理单点定位的几何原理u观测一颗卫星测站位于以卫星位置为球心，站星距离为半径的球面上。(X1,Y1,Z1,)(X,Y,Z,)2、GPS单点定位的几何原理单点定位的几何原理u观测两颗卫星做两个球面两球面相交为一个圆测站位于圆上(X2,Y2,Z2,)(X1,Y1,Z1,)2、GPS单点定位的几何原理单点定位的几何原理u观测三颗卫星做三个球面三个球面相交为两点测站位于其中一点上(X3,Y3,Z3,)(X2,Y2,Z2,)(X1,Y1,Z1,)2、GPS单点定位的几何原理单点定位的几何原理uGPS单点定位方法的实质是空间距离后方交会观测一个站星距离观测两个站星距离观测三个站星距离观测三个站星距离地球球面圆两点一点3、GPS单点定位的求解单点定位的求解GPS卫星在“T”时刻发射信号GPS接收机于“T+t”时刻接收到信号站星距离=t光速电离层对流层由于大气误差的影响，由于大气误差的影响，GPS卫星钟和卫星钟和GPS接收机钟接收机钟都含有误差，造成星站距离观测值并非星站几何距离。都含有误差，造成星站距离观测值并非星站几何距离。(X,Y,Z,dt)S1S2S3S4给定待定点的初始坐标 (X0,Y0,Z0)观测到多颗卫星DOP（Dilution of Precision）GDOP Geometry Dilution of PrecisionPDOP Position Dilution of PrecisionTDOP Time Dilution of PrecisionHDOP Horizontal Dilution of PrecisionVDOP Vertical Dilution of PrecisionN,E,H为站心坐标系下的坐标分量DOP值与定位精度DOP值的性质DOP值与单点定位时，所观测卫星的数量与分布有关，它所表示的是定位的几何条件DOP值越小，定位的几何条件越好GPS单点定位计算过程计算观测卫星的位置（Xi,Yi,Zi）,卫星钟差dTi,大气误差改正得到伪距观测值确定未知数初值（X0,Y0,Z0）组成误差方程式解求坐标未知数改正数迭代计算，并检查是否收敛信号发送时刻还是信号接收时刻？信号发送时刻的卫星位置，在信号接收时刻地球坐标系下的坐标。4、GPS单点定位小结单点定位小结GPS单点定位的实质是单点定位的实质是空间距离后方交会空间距离后方交会；要同时确定测站坐标和接收机钟差必须同时观要同时确定测站坐标和接收机钟差必须同时观测测四颗或四颗以上卫星四颗或四颗以上卫星；GPS单点定位求解测站坐标一般需要单点定位求解测站坐标一般需要迭代计算迭代计算。说明:首历元计算时，初始值(0,0,0)，需迭代3-5次其后历元令 ，迭代1-2次7.2 精密单点定位精密单点定位（PPP PRECISE POINT POSITIONING）u特点主要采用载波相位观测值采用精密卫星轨道和卫星钟差数据采用复杂的数学模型u定位精度厘米级u用途全球高精度测量卫星定轨载波相位单点定位的误差方程载波相位观测方程如果某个历元观测了n颗卫星则误差方程个数为：n未知数个数为：(4+n)是否可解？静态情况下k个历元里，每历元均观测了n颗相同的卫星误差方程个数为：kn未知数个数为：3+k+n什么情况下可解？kn (3+k+n)误差方程式为:用矩阵形式表示为:7.3 相对定位相对定位相对定位的概念相对定位的概念相对定位的特点相对定位的特点相对定位的观测方程相对定位的观测方程相对定位的类型相对定位的类型1、相对定位的概念u定义：确定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。u定位结果某一坐标系下的基线向量（坐标差）基线向量中含有：2个方位基准（一个水平方位，一个垂直方位）和1个尺度基准，不含有位置基准2、相对定位的特点u优点：定位精度高u缺点：多台接收机共同作业，作业复杂数据处理复杂不能直接获取绝对坐标u应用高精度测量定位及导航3、观测方程非差观测方程单差观测方程双差观测方程u静态相对定位u动态相对定位u准动态相对定位4、相对定位的类型1)概念：RTK(Real Time Kinematic)是一种利用GPS载波相位观测值进行实时动态相对定位的技术。2)仪器设备至少2台接收机数据通讯链（无线电台2个）RTK软件3)特点和用途 在短时间内获得厘米级精度，广泛应用于图根控制测量、施工放样、工程测量和地形测量5、RTK技术7.8 差分差分GPS差分差分GPS原理原理差分差分GPS的分类的分类差分差分GPS的新进展的新进展1、概述差分GPS产生的原因：绝对定位精度不能满足要求各种观测误差的影响美国实施的SA政策SA取消前后的定位结果2、差分GPS的基本原理u误差的相关性各类误差中除多路径误差外，其他误差均具较强的相关性，从而定位结果也有一定的相关性。u差分GPS的基本原理利用基准站（架设在坐标精确已知的点上的接收机）测定具有相关性的误差或其对测量定位结果的影响，供流动站改正其观测值或定位结果。3、差分GPS的分类u根据时效性实时差分事后差分u根据观测值类型伪距差分载波相位差分3、差分GPS的分类u根据差分改正数位置差分（坐标差分）距离差分u根据工作原理和差分模型局域差分（LADGPS Local Area DGPS）l单基准站差分l多基准站差分广域差分（WADGPS Wide Area DGPS）4、差分GPS的新进展增强型系统u特点l伪卫星技术l卫星通讯技术