GPSppt-7定位基本原理

1、GPS原理及其應用原理及其應用GPS測量定位方法分類測量定位方法分類u定位模式定位模式 絕對定位（單點定位）絕對定位（單點定位） 相對定位相對定位 差分定位差分定位u定位時接收機天線的運動狀態(tài)定位時接收機天線的運動狀態(tài) 靜態(tài)定位：天線相對于地球坐標系靜止靜態(tài)定位：天線相對于地球坐標系靜止 動態(tài)定位：天線相對于地球坐標系運動動態(tài)定位：天線相對于地球坐標系運動 準動態(tài)定位：搬站過程中保持信號連續(xù)觀測準動態(tài)定位：搬站過程中保持信號連續(xù)觀測u獲得定位結(jié)果的時效獲得定位結(jié)果的時效事后定位事后定位實時定位實時定位u觀測值類型觀測值類型偽距測量偽距測量載波相位測量載波相位測量GPS測量定位方法分類測量定位方

2、法分類u單點定位單點定位u相對定位相對定位u差分差分GPSGPS主要內(nèi)容主要內(nèi)容7.1 GPS單點定位的概念單點定位的概念GPS單點定位的幾何原理單點定位的幾何原理GPS單點定位的求解單點定位的求解GPS單點定位小結(jié)單點定位小結(jié)我在哪我在哪里？里？航空攝影攝區(qū)航空攝影攝區(qū)1、GPS單點單點定位的概念定位的概念u GPS單點單點定位是指根定位是指根據(jù)衛(wèi)星星歷以及據(jù)衛(wèi)星星歷以及單臺單臺GPS接收機接收機觀測值來觀測值來確定測站點在確定測站點在WGS84坐標系坐標系中絕對坐標的中絕對坐標的方法，也稱為絕對定方法，也稱為絕對定位。位。O（0,0,0）XYZ（X,Y,Z）（XS,YS,ZS）優(yōu)點：優(yōu)點：

3、一臺接收機單獨定位，觀測簡單，一臺接收機單獨定位，觀測簡單，可瞬時定位可瞬時定位缺點：缺點：精度主要受系統(tǒng)性偏差的影響，定位精度低精度主要受系統(tǒng)性偏差的影響，定位精度低應用領域應用領域低精度導航、資源普查、軍事、低精度導航、資源普查、軍事、.u 在在待測點上設站待測點上設站，向，向3個或個或3個以上已知點進行角個以上已知點進行角度觀測，通過后方交會方法求出待測點的坐標。度觀測，通過后方交會方法求出待測點的坐標。平面后方交會方法回顧平面后方交會方法回顧2 1 3 1 2 2、GPS單點單點定位的幾何原理定位的幾何原理u觀測一顆衛(wèi)星觀測一顆衛(wèi)星測站位于以衛(wèi)星位置為球心，測站位于以衛(wèi)星位置為球心，站

4、星距離為半徑的球面上。站星距離為半徑的球面上。2121211)()()(ZZYYXXR(X1,Y1,Z1,)(X,Y,Z,)2、GPS單點單點定位的幾何原理定位的幾何原理u觀測兩顆衛(wèi)星觀測兩顆衛(wèi)星做兩個球面做兩個球面兩球面相交為一個圓兩球面相交為一個圓測站位于圓上測站位于圓上2121211)()()(ZZYYXXR2222222)()()(ZZYYXXR(X2,Y2,Z2,)(X1,Y1,Z1,)2、GPS單點單點定位的幾何原理定位的幾何原理u觀測三顆衛(wèi)星觀測三顆衛(wèi)星做三個球面做三個球面三個球面相交為兩點三個球面相交為兩點測站位于其中一點上測站位于其中一點上(X3,Y3,Z3,)(X2,Y2,

5、Z2,)(X1,Y1,Z1,)2121211)()()(ZZYYXXR2222222)()()(ZZYYXXR2323233)()()(ZZYYXXR2、GPS單點單點定位的幾何原理定位的幾何原理uGPS單點定位方法的實質(zhì)是單點定位方法的實質(zhì)是空間距離后方交會空間距離后方交會觀測一個站星距離觀測一個站星距離觀測兩個站星距離觀測兩個站星距離觀測三個站星距離觀測三個站星距離觀測三個站星距離地球觀測三個站星距離地球球面球面圓圓兩點兩點一點一點3、GPS單點單點定位的求解定位的求解232323322222222121211)()()()()()()()()(ZZYYXXRZZYYXXRZZYYXXR

6、earthRZYX 222GPS衛(wèi)星在衛(wèi)星在“T”時刻發(fā)射信號時刻發(fā)射信號GPS接收機于接收機于“T+t”時刻接收到信號時刻接收到信號站星距離站星距離= = t t光速光速電離層電離層對流層對流層由于大氣誤差的影響，由于大氣誤差的影響，GPS衛(wèi)星鐘和衛(wèi)星鐘和GPS接收機鐘接收機鐘都含有誤差，造成星站距離觀測值并非星站幾何距離。都含有誤差，造成星站距離觀測值并非星站幾何距離。atmosSRatmosTtCtC )(atmosGPSSGPSRdTTdttC )()(_atmosGPSSGPSRdTCdtCTtC )(_atmosdTCdtCR atmosSSSdTCdtCYYYYXX 222)()

7、()(大氣引起的誤差衛(wèi)星鐘差接收機鐘差測站坐標衛(wèi)星坐標偽距觀測值:),(:),(:atmosSSSdTdtZYXZYX atmosSSSdTZYX大氣誤差衛(wèi)星鐘差誤差衛(wèi)星坐標已知：),(dtZYX接收機鐘差測站坐標求：),(X,Y,Z,dt)S1S2S3S444444333332222211111),( ,),( ,),( ,),( ,dTZYXdTZYXdTZYXdTZYX 442424244332323233222222222112121211)()()()()()()()()()()()(atmosatmosatmosatmosCdTCdtZZYYXXCdTCdtZZYYXXCdTCdt

8、ZZYYXXCdTCdtZZYYXX iatmosiiiiiCdTCdtZZYYXX 222)()()(給定待定點的初始坐標給定待定點的初始坐標 (X0,Y0,Z0)iatmosiiiiiiiiiCdTCdtdZRZZdYRYYdXRXXR 00000002020200)()()(ZZYYXXRiiii iiiiiiiiiRZZnRYYmRXXl000000, 令：令：)4 , 3 , 2 , 1(0 idTdtdZndYmdXlRiatmosiiiiii CdtiCdT 432143214443332221114030201043211111atmosatmosatmosatmosdTdTd

9、TdTdtdZdYdXnmlnmlnmlnmlRRRR 43214321403020104321444333222111,1111atmosatmosatmosatmosdTdTdTdTRRRRLdtdZdYdXXnmlnmlnmlnmlA 0 LXA LAX1 TTTdZdYdXZYXZYX)()()(000 natmosatmosatmosnnnnnndTdTdTdtdZdYdXnmlnmlnmlRRR 21212221110201021111 natmosatmosatmosnnnnnndTdTdTRRRLdtdZdYdXXnmlnmlnmlA 21210201021222111,111

10、觀測到多顆衛(wèi)星觀測到多顆衛(wèi)星LXAV LAA)(AXT1T40nmVVT120)(AADTXmTTTdZdYdXZYXZYX)()()(000 DOP（Dilution of Precision） GDOP Geometry Dilution of Precision PDOP Position Dilution of Precision TDOP Time Dilution of Precision HDOP Horizontal Dilution of Precision VDOP Vertical Dilution of Precision1 )(AAQT tttZtYtXZtZZZYZ

11、XYtYZYYYXXtXZXYXXqqqqqqqqqqqqqqqqQttZZYYXXqqqqGDOP ZZYYXXqqqPDOP ttqTDOP HHqVDOP EENNqqHDOP N,E,H為站心坐標系下的坐標分量為站心坐標系下的坐標分量DOP值與定位精度值與定位精度DOP值的性質(zhì)值的性質(zhì)DOP值與單點定位時，所觀測衛(wèi)星的數(shù)量值與單點定位時，所觀測衛(wèi)星的數(shù)量與分布有關(guān)，它所表示的是定位的幾何條件與分布有關(guān)，它所表示的是定位的幾何條件DOP值越小，定位的幾何條件越好值越小，定位的幾何條件越好為用戶等效距離誤差為位置中誤差，其中，URAmPDOPURAmpospos GPSGPS單點定位計算過

12、程單點定位計算過程計算觀測衛(wèi)星的位置（計算觀測衛(wèi)星的位置（Xi,Yi,Zi）,衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星鐘差dTi ,大氣大氣誤差改正誤差改正得到偽距觀測值得到偽距觀測值確定未知數(shù)初值（確定未知數(shù)初值（X0, Y0, Z0） 組成誤差方程式組成誤差方程式解求坐標未知數(shù)改正數(shù)解求坐標未知數(shù)改正數(shù)迭代計算，并檢查是否收斂迭代計算，并檢查是否收斂i信號發(fā)送時刻還是信號發(fā)送時刻還是信號接收時刻？信號接收時刻？信號發(fā)送時刻的衛(wèi)星位信號發(fā)送時刻的衛(wèi)星位置，在信號接收時刻地置，在信號接收時刻地球坐標系下的坐標。球坐標系下的坐標。i 4、GPS單點單點定位小結(jié)定位小結(jié) GPS單點定位的實質(zhì)是單點定位的實質(zhì)是空間距離后方交會

13、空間距離后方交會； 要同時確定測站坐標和接收機鐘差必須同時觀要同時確定測站坐標和接收機鐘差必須同時觀測測四顆或四顆以上衛(wèi)星四顆或四顆以上衛(wèi)星； GPS單點定位求解測站坐標一般需要單點定位求解測站坐標一般需要迭代計算迭代計算。說明說明: :首歷元計算時，初始值首歷元計算時，初始值(0,0,0)，需迭代，需迭代3-5次次其后歷元令其后歷元令 ，迭代，迭代1-2次次iiXX 017.2 精密單點定位精密單點定位（PPP Precise Point Positioning）u特點特點主要采用載波相位觀測值主要采用載波相位觀測值采用精密衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差數(shù)據(jù)采用精密衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差數(shù)據(jù)采用復雜的數(shù)學模

14、型采用復雜的數(shù)學模型u定位精度定位精度厘米級厘米級u用途用途全球高精度測量全球高精度測量衛(wèi)星定軌衛(wèi)星定軌載波相位單點定位的誤差方程載波相位單點定位的誤差方程iatmosiiiiiiNCdTCdtZZYYXX 222)()()(載波相位觀測方程載波相位觀測方程iatmosiiiiiiiiCdTNCdtdZndYmdXlV 0如果某個歷元觀測了如果某個歷元觀測了n顆衛(wèi)星則顆衛(wèi)星則誤差方程個數(shù)為：誤差方程個數(shù)為：n未知數(shù)個數(shù)為：未知數(shù)個數(shù)為：(4+n)是否可是否可解？解？靜態(tài)情況下靜態(tài)情況下k個歷元里，每歷元均觀測了個歷元里，每歷元均觀測了n顆相同的衛(wèi)星顆相同的衛(wèi)星誤差方程個數(shù)為：誤差方程個數(shù)為：k

15、n未知數(shù)個數(shù)為：未知數(shù)個數(shù)為：3+k+n什么情況什么情況下可解？下可解？kn (3+k+n)knknknknnkknknknknkkkkkkkkknnnnnnnnnnnnnnnnnCdTNCdtdZndYmdXlVCdTNCdtdZndYmdXlVCdTNCdtdZndYmdXlVCdTNCdtdZndYmdXlVCdTNCdtdZndYmdXlVCdTNCdtdZndYmdXlV 0111101111121222022222212121210122121212111110111111111111101111111111.誤差方程式為誤差方程式為: ；Tnkknknknkkknnnnnnknk

16、nnNNNdtdtdtdZdYdXXnmlnmlnmlnmlnmlnmlAvvvvvvLAX.001.00.0.01.00.000.10.0.00.10.000.01.0.00.01VV21211112222121211111111111221111 用矩陣形式表示為用矩陣形式表示為:nkknVVQDAAQLAAAX 3)()(T0201TT1T；解為： knknkknkkkknnnnnndtdtdtdtdtdtL0101120222210212211011111011111.7.3 相對定位相對定位 相對定位的概念相對定位的概念 相對定位的特點相對定位的特點 相對定位的觀測方程相對定位的觀測

17、方程 相對定位的類型相對定位的類型1、相對定位的概念相對定位的概念u定義：確定同步觀測的定義：確定同步觀測的接收機之間接收機之間相對位置相對位置的定的定位方法，稱為相對定位。位方法，稱為相對定位。u 定位結(jié)果定位結(jié)果 某一坐標系下的某一坐標系下的基線向量基線向量（坐標差）（坐標差） 基線向量中含有：基線向量中含有：2 2個方位基準個方位基準（一個水平方位，一個垂直方位）（一個水平方位，一個垂直方位）和和1 1個尺度基準，不含有位置基準個尺度基準，不含有位置基準2、相對定位的特點相對定位的特點u優(yōu)點：優(yōu)點：定位精度高定位精度高u缺點：缺點：多臺接收機共同作業(yè)，作業(yè)復雜多臺接收機共同作業(yè)，作業(yè)復雜

18、數(shù)據(jù)處理復雜數(shù)據(jù)處理復雜不能直接獲取絕對坐標不能直接獲取絕對坐標u應用應用高精度測量定位及導航高精度測量定位及導航3、觀測方程觀測方程 非差觀測方程非差觀測方程 單差觀測方程單差觀測方程 雙差觀測方程雙差觀測方程pjpjkjtpjjpjjpjjpjpjpipikitpiipiipiipipicVcVNdZndYmdXlcVcVNdZndYmdXlRR 00)()(pijpijijtpijijpijijpijijpijpijcVNdZndYmdXlR 0)(pijpqijpqijijpqijijpqijijpqijpqijNdZndYmdXl 0)(u 靜態(tài)相對定位靜態(tài)相對定位u 動態(tài)相對定位動

19、態(tài)相對定位u 準動態(tài)相對定位準動態(tài)相對定位4、相對定位的類型相對定位的類型1) 概念：概念：RTK(Real Time Kinematic)是一種利用是一種利用GPS載波相位觀測值進行載波相位觀測值進行實時動態(tài)相對定位實時動態(tài)相對定位的技術(shù)。的技術(shù)。2) 儀器設備儀器設備至少至少2臺接收機臺接收機數(shù)據(jù)通訊鏈（無線電臺數(shù)據(jù)通訊鏈（無線電臺2個）個）RTK軟件軟件3) 特點和用途特點和用途 在短時間內(nèi)獲得厘米級精度，廣泛應用于圖根控制測量、在短時間內(nèi)獲得厘米級精度，廣泛應用于圖根控制測量、施工放樣、工程測量和地形測量施工放樣、工程測量和地形測量5、RTK技術(shù)技術(shù)7.8 差分差分GPS差分差分GPS原理原理差分差分GPS的分類的分類差分差分GPS的新進展的新進展1、概述概述差分差分GPSGPS產(chǎn)生的原因：絕對定位精度不能滿足要求產(chǎn)生的原因：絕對定位精度