第五章 GPS衛(wèi)星定位基本原理

1、2022-2-21第五章 GPS衛(wèi)星定位基本原理2022-2-225.GPS衛(wèi)星定位基本原理 5.1 概述 5.2 偽距測(cè)量（重點(diǎn)） 5.3 載波相位測(cè)量（重點(diǎn)和難點(diǎn)） 5.4 整周跳變的修復(fù) 5.5 GPS絕對(duì)定位與相對(duì)定位 5.6 美國(guó)的GPS政策 5.7 差分GPS定位原理（重點(diǎn)和難點(diǎn)）2022-2-235.1 概述2022-2-24測(cè)距交會(huì) 如圖所示，A、B為坐標(biāo)已知的控制點(diǎn)，P為待求點(diǎn)，在A、B兩點(diǎn)已分別利用全站儀測(cè)了距離Sa和Sb。 222222()()()()apapabpbpbSxxyySxxyy2022-2-25無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng) 設(shè)想在地面上有三個(gè)無(wú)線電信號(hào)發(fā)射臺(tái)，其坐標(biāo)為

2、已知，用戶接收機(jī)在某一時(shí)刻采用無(wú)線電測(cè)距的方法分別測(cè)得了接收機(jī)至三個(gè)發(fā)射臺(tái)的距離d1、d2、d3。只需以三個(gè)發(fā)射臺(tái)為球心，以d1、d2、d3為半徑作出三個(gè)定位球面，即可交會(huì)出用戶接收機(jī)的空間位置。2022-2-26無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng) 如果只有兩個(gè)無(wú)線電發(fā)射臺(tái)，則可根據(jù)用戶接收機(jī)的概略位置交會(huì)出接收機(jī)的平面位置。2022-2-27衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng) 近代衛(wèi)星大地測(cè)量中的衛(wèi)星激光測(cè)距定位也是應(yīng)用了測(cè)距交會(huì)定位的原理與方法。雖然用于激光測(cè)距的衛(wèi)星是在不停地運(yùn)動(dòng)中，但總可以利用固定于地面上的三個(gè)已知點(diǎn)上的衛(wèi)星激光測(cè)距儀同時(shí)測(cè)定某一時(shí)刻至衛(wèi)星的空間距離，應(yīng)用測(cè)距交會(huì)的原理便可確定該時(shí)刻衛(wèi)星的空間位置。20

3、22-2-28GPS定位基本原理 將無(wú)線電信號(hào)發(fā)射臺(tái)從地面電搬到衛(wèi)星上，組成一顆衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，應(yīng)用無(wú)線電測(cè)距交會(huì)原理，便可由三個(gè)以上地面已知點(diǎn)交會(huì)出衛(wèi)星的位置，反之利用三顆以上衛(wèi)星的已知空間位置又可交會(huì)出地面未知點(diǎn)的位置。這便是GPS衛(wèi)星定位的基本原理。演示動(dòng)畫(huà)2022-2-29GPS定位基本原理 GPS衛(wèi)星發(fā)射測(cè)距信號(hào)和導(dǎo)航電文，導(dǎo)航電文含有衛(wèi)星的位置信息。用戶用GPS接收機(jī)在某一時(shí)刻同時(shí)接收三顆以上的衛(wèi)星信號(hào)，測(cè)量出測(cè)站點(diǎn)(接收機(jī)的天線中心)P到三顆以上衛(wèi)星的距離并解算出該時(shí)刻衛(wèi)星的空間坐標(biāo)，據(jù)此利用距離交會(huì)法解算出測(cè)站點(diǎn)P的位置。2022-2-210GPS定位基本原理 如圖所示，設(shè)在

4、時(shí)刻t在測(cè)站點(diǎn)P用GPS接收機(jī)同時(shí)測(cè)得P點(diǎn)至三顆GPS衛(wèi)星的距離，通過(guò)GPS電文解譯出該時(shí)刻三顆GPS衛(wèi)星的三維坐標(biāo)，用距離交會(huì)的方法求得P點(diǎn)的三維坐標(biāo)。21 21 21 212222222223 23 23 23()()()()()()()()()XXYYZZXXYYZZXXYYZZ2022-2-211GPS定位方法 GPS定位的方法是多種多樣的，用戶可以根據(jù)不同的用途采用不同的定位方法。GPS定位方法可依據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，作如下劃分:2022-2-2121、根據(jù)定位所采用的觀測(cè)值 1)偽距定位 2)載波相位定位2022-2-2132、根據(jù)定位時(shí)接收機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)靜態(tài)定位對(duì)于固定不動(dòng)的待定點(diǎn)，

5、將GPS接收機(jī)安裝在上面，觀測(cè)數(shù)分鐘乃至更長(zhǎng)的時(shí)間，以確定該點(diǎn)的三維坐標(biāo)。2022-2-2142、根據(jù)定位時(shí)接收機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)動(dòng)態(tài)定位至少有一臺(tái)接收機(jī)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，測(cè)定的是各觀測(cè)時(shí)刻運(yùn)動(dòng)中的接收機(jī)的點(diǎn)位。2022-2-2153.根據(jù)定位的模式 絕對(duì)定位 獨(dú)立確定待定點(diǎn)在坐標(biāo)系統(tǒng)中的絕對(duì)位置的方法稱為絕對(duì)定位或單點(diǎn)定位。2022-2-2163.根據(jù)定位的模式 相對(duì)定位 相對(duì)定位是確定同步跟蹤相同的GPS衛(wèi)星信號(hào)的若干臺(tái)接收機(jī)之間的相對(duì)位置的一種定位方法。2022-2-2173.根據(jù)定位的模式 差分定位 在基準(zhǔn)點(diǎn)上觀測(cè)求得大氣折射等改正，并及時(shí)發(fā)送給流動(dòng)站，流動(dòng)站用收到的改正數(shù)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行改正，得

6、精確點(diǎn)位。2022-2-2184.根據(jù)獲取定位結(jié)果的時(shí)間 實(shí)時(shí)定位 實(shí)時(shí)定位是根據(jù)接收機(jī)觀測(cè)到的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)地解算出接收機(jī)天線所在的位置。2022-2-2194.根據(jù)獲取定位結(jié)果的時(shí)間 非實(shí)時(shí)定位 非實(shí)時(shí)定位又稱后處理定位，它是通過(guò)對(duì)接收機(jī)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理以進(jìn)行定位的方法。2022-2-220小結(jié)2022-2-2215.2 偽距測(cè)量2022-2-2225.2 偽距測(cè)量 定義 偽距法定位是由GPS接收機(jī)在某一時(shí)刻測(cè)出得到四顆以上GPS衛(wèi)星的偽距以及己知的衛(wèi)星位置，采用距離交會(huì)的方法求定接收機(jī)天線所在點(diǎn)的三維坐標(biāo)。2022-2-2235.2 偽距測(cè)量 所測(cè)偽距就是由衛(wèi)星發(fā)射的測(cè)距碼信號(hào)到達(dá)GP

7、S接收機(jī)的傳播時(shí)間乘以光速所得出的量測(cè)距離。演示動(dòng)畫(huà)2022-2-2245.2 偽距測(cè)量 由于衛(wèi)星鐘、接收機(jī)鐘的誤差以及無(wú)線電信號(hào)經(jīng)過(guò)電離層和對(duì)流層的延遲，實(shí)際測(cè)出的距離與衛(wèi)星到接收機(jī)的幾何距離有一定差值，因此稱量測(cè)出的距離為偽距。2022-2-225偽距測(cè)量原理2022-2-226偽距測(cè)量原理方程12jkc tc t 偽距測(cè)量值; 衛(wèi)星至接收機(jī)的幾何距離;c 為信號(hào)傳播速度，即光速; 接收機(jī)鐘差，下標(biāo)k表示接收機(jī)號(hào); 衛(wèi)星鐘差，上標(biāo)j表示衛(wèi)星號(hào); 分別為電離層、對(duì)流層改正項(xiàng);ktjt122022-2-227偽距定位觀測(cè)方程 在上式中，電離層和對(duì)流層改正可以按照一定的模型進(jìn)行計(jì)算，衛(wèi)星鐘差可以

8、自導(dǎo)航電文中取得。而幾何距離與衛(wèi)星坐標(biāo)(Xs,Ys,Zs )與接收機(jī)坐標(biāo)(X,Y,Z)之間有如下關(guān)系:2222()()()sssXXYYZZ2022-2-228偽距定位觀測(cè)方程 式中衛(wèi)星坐標(biāo)可根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航電文求出，所以式中只有接收機(jī)坐標(biāo)三個(gè)未知數(shù)。 如果將接收機(jī)鐘差也作為未知數(shù)，則共有四個(gè)未知數(shù)，接收機(jī)必須同時(shí)至少測(cè)定四顆衛(wèi)星的距離才能解算出接收機(jī)的三維坐標(biāo)值.因此上兩式可寫(xiě)成:222 1/212()()() jjjssskjjjjXXYYZZc tc t2022-2-2295.3 載波相位測(cè)量2022-2-230為什么采用載波相位測(cè)量 載波相位測(cè)量是利用GPS衛(wèi)星發(fā)射的載波為測(cè)距信號(hào)。 由于

9、載波的波長(zhǎng)(L119cm，L224cm) 比測(cè)距碼波長(zhǎng)(C/A=293m,p=29.3m)要短得多，因此對(duì)載波進(jìn)行相位測(cè)量，就可能得到較高的測(cè)量定位精度。2022-2-231重建載波 碼相關(guān)法 平方法2022-2-2325.3.1 載波相位測(cè)量原理2022-2-2335.3.1 載波相位測(cè)量原理 測(cè)站對(duì)某一衛(wèi)星的載波相位觀測(cè)值由三部分組成：(1)初始整周未知數(shù)N0；(2)t0至ti時(shí)刻的整周記數(shù) Int（） ；(3)小于一周的 相位差(t)如果信號(hào)沒(méi)有失鎖，則每一個(gè)觀測(cè)值包含同一個(gè)初始整周未知數(shù)N0 ，為了利用載波相位進(jìn)行定位，必須設(shè)法先解算出初始整周未知數(shù)，取得總觀測(cè)值0( )( )( )(

10、 )jjjkikikitttNInt2022-2-2345.3.2 載波相位測(cè)量的觀測(cè)方程12jjkabkffff tf tNccc 2022-2-2355.3.3 整周未知數(shù)N0的確定 整周未知數(shù)N0的確定是載波相位測(cè)量中特有的問(wèn)題，也是進(jìn)一步提高GPS定位精度、提高作業(yè)速度的關(guān)鍵所在。 目前，確定整周未知數(shù)的方法主要有四種：偽距法、N0作為未知數(shù)參與平差法、三差法和快速確定整周未知數(shù)法。 2022-2-236載波相位觀測(cè)應(yīng)注意：整周數(shù)的變化部分由計(jì)數(shù)器記錄，此間信號(hào)不能間斷，如果此間到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)被遮擋，造成失鎖，遮擋期間整周記數(shù)暫停，遮擋移去后繼續(xù)記數(shù)，這就丟掉了遮擋期間的若干整周數(shù)。

11、這種情況叫整周跳整周跳。引起周跳的另一原因是強(qiáng)電磁干擾。設(shè)衛(wèi)星與接收機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為1km/s，L1載波波長(zhǎng)為19cm，信號(hào)間斷1秒鐘，產(chǎn)生1000/0.19=5263周的周跳。2022-2-237載波相位觀測(cè)應(yīng)注意：因各項(xiàng)誤差影響，整周未知數(shù)往往不為整數(shù)。2022-2-2385.4 整周跳變的修復(fù)2022-2-239 任意時(shí)刻ti的載波相位測(cè)量的實(shí)際量值為：0( )( )jjkitNInt 0jN( )Int 小于一周的相位差 初始時(shí)刻t0的整周數(shù) 從初始時(shí)刻t0到ti時(shí)刻為止用計(jì)數(shù)器逐個(gè)累計(jì) 的差頻信號(hào)的整周數(shù)2022-2-240什么是周跳 如果在跟蹤衛(wèi)星過(guò)程中，由于某種原因，如衛(wèi)星信號(hào)

12、被障礙物擋住而暫時(shí)中斷，受無(wú)線電信號(hào)干擾造成失鎖，這樣，計(jì)數(shù)器無(wú)法連續(xù)計(jì)數(shù)，因此，當(dāng)信號(hào)重新被跟蹤后，整周計(jì)數(shù)就不正確，但是不到一個(gè)整周的相位觀測(cè)值仍是正確的。 這種現(xiàn)象稱為周跳。2022-2-241整周跳變的探測(cè)與修復(fù) 定義： 探測(cè)出在何時(shí)發(fā)生了周跳并求出丟失的整周數(shù)，對(duì)中斷后的整周記數(shù)進(jìn)行改正，將其恢復(fù)為正確的計(jì)數(shù)，使這部分觀測(cè)值仍可使用。2022-2-242在何種情況下修復(fù)周跳有意義？ 如果因?yàn)殡娫吹墓收匣蛘袷幤鞅旧淼墓收鲜剐盘?hào)暫時(shí)中斷，那么中斷前后信號(hào)本身失去了連續(xù)性?；謴?fù)正常工作后的觀測(cè)值中不但整周計(jì)數(shù)不正確，不足整周的部分也不對(duì)。 這時(shí)，修復(fù)周跳沒(méi)有意義。2022-2-243在何種

13、情況下修復(fù)周跳有意義？ 如果是其他原因，如衛(wèi)星信號(hào)被某些障礙物擋住，外界干擾使信號(hào)暫時(shí)失鎖等，使信號(hào)整周計(jì)數(shù)暫時(shí)中斷，而不足一周的相位差部分仍是正確的。 這時(shí)，修復(fù)周跳才有意義。2022-2-244 整周跳變的探測(cè)與修復(fù)常用的方法 屏幕掃描法 此種方法是由作業(yè)人員在計(jì)算機(jī)屏幕前依次對(duì)每個(gè)站、每個(gè)時(shí)段、每個(gè)衛(wèi)星的相位觀測(cè)值變化率的圖像進(jìn)行逐段檢查 ，觀測(cè)其變化率是否連續(xù)。如果出現(xiàn)不規(guī)則的突然變化時(shí)，就說(shuō)明在相應(yīng)的相位觀測(cè)中出現(xiàn)了整周跳變現(xiàn)象。然后用手工編輯的方法逐點(diǎn)、逐段修復(fù)。2022-2-245 整周跳變的探測(cè)與修復(fù)常用的方法 用高次差或多項(xiàng)式擬合法2022-2-246整周跳變的探測(cè)與修復(fù)常用

14、的方法 在衛(wèi)星間求差法 在 GPS測(cè)量中，每一瞬間要對(duì)多顆衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)，因而在每顆衛(wèi)星的載波相位測(cè)量觀測(cè)值中，所受到的接收機(jī)振蕩器的隨機(jī)誤差的影響是相同的。在衛(wèi)星間求差后即可消除此項(xiàng)誤差的影響。2022-2-247整周跳變的探測(cè)與修復(fù)常用的方法 用雙頻觀測(cè)值修復(fù)周跳 對(duì)于雙頻接受機(jī)，有兩個(gè)載波頻率f1和f2，載波相位觀測(cè)值可寫(xiě)為：111111121abffffftftNccc 222222222abffffftftNccc 2022-2-248用雙頻觀測(cè)值修復(fù)周跳 采用雙頻載波相位觀測(cè)值的組合，并考慮到電離層折射改正 ，則有2fAf111212222121/ffAANNffcfcff 2022

15、-2-249用雙頻觀測(cè)值修復(fù)周跳 利用組合后的 值，便可探測(cè)整周數(shù)的跳變，因?yàn)殡婋x層殘差項(xiàng)很小。 所以這種方法又叫電離層殘差法。2022-2-250用雙頻觀測(cè)值修復(fù)周跳 優(yōu)點(diǎn)： 組合后的 值中，只涉及頻率，取決于電離層殘差影響，無(wú)須預(yù)先知道測(cè)站和衛(wèi)星的坐標(biāo)。2022-2-251用雙頻觀測(cè)值修復(fù)周跳 缺點(diǎn)： 不能顧及多路徑效應(yīng)和測(cè)量噪聲的影響，另外如果兩個(gè)載波相位觀測(cè)值中都出現(xiàn)周跳，則不能采用這種方法，而只能采用其他方法探測(cè)和修復(fù)周跳。2022-2-252整周跳變的探測(cè)與修復(fù)常用的方法 根據(jù)平差后的殘差發(fā)現(xiàn)和修復(fù)整周跳變 用這些觀測(cè)值來(lái)進(jìn)行平差計(jì)算，求得各觀測(cè)值的殘差。由于載波相位測(cè)量的精度很高

16、，因而這些殘差的數(shù)值一般均很小。有周跳的觀測(cè)值上則回出現(xiàn)很大的殘差，據(jù)此可以發(fā)現(xiàn)和修復(fù)周跳。2022-2-2535.5 GPS絕對(duì)定位與相對(duì)定位2022-2-254GPSGPS絕對(duì)（單點(diǎn)）定位原理2022-2-255絕對(duì)定位的定義 絕對(duì)定位也稱單點(diǎn)定位，是指在協(xié)議地球坐標(biāo)系中，直接確定觀測(cè)站相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)（地球質(zhì)心）絕對(duì)坐標(biāo)的一種方法。 ”絕對(duì)”一詞主要是為了區(qū)別相對(duì)定位，絕對(duì)定位和相對(duì)定位在觀測(cè)方式、數(shù)據(jù)處理、定位精度以及應(yīng)用范圍等方面均有原則區(qū)別。2022-2-256絕對(duì)定位的分類 絕對(duì)定位可根據(jù)天線所處的狀態(tài)分為動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位和靜態(tài)絕對(duì)定位。無(wú)論動(dòng)態(tài)還是靜態(tài)，所依據(jù)的觀測(cè)量都是所測(cè)的站星偽

17、距。 根據(jù)觀測(cè)量的性質(zhì)，偽距有測(cè)碼偽距和測(cè)相偽距，絕對(duì)定位相應(yīng)分為測(cè)碼偽距絕對(duì)定位和測(cè)相偽距絕對(duì)定位。2022-2-257靜態(tài)絕對(duì)定位原理 靜態(tài)絕對(duì)定位時(shí)觀測(cè)站是固定的，可以于不同歷元同步觀測(cè)不同衛(wèi)星，取得充分多的偽距觀測(cè)量，通過(guò)最小二乘法平差，提高定位精度。2022-2-258最小二乘法 最小二乘法是一種數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)，它通過(guò)最小化誤差的平方和找到一組數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。 最小二乘法是用最簡(jiǎn)的方法求得一些絕對(duì)不可知的真值，而令誤差平方之和為最小。 2022-2-259最小二乘法 比如從最簡(jiǎn)單的一次函數(shù)y=kx+b講起： 已知坐標(biāo)軸上有些點(diǎn)：(1.1,2.0),(2.1,3.2),(3,4.0)

18、,(4,6),(5.1,6.0), 求經(jīng)過(guò)這些點(diǎn)的圖象的一次函數(shù)關(guān)系式. 當(dāng)然這條直線不可能經(jīng)過(guò)每一個(gè)點(diǎn),我們只要做到5個(gè)點(diǎn)到這條直線的距離的平方和最小即可。2022-2-260最小二乘平差 在實(shí)際測(cè)量工作中，一般要進(jìn)行多余觀測(cè)。這對(duì)觀測(cè)值可能的誤差有補(bǔ)償作用，更重要的是可以改進(jìn)測(cè)量成果的質(zhì)量。由于有了多余觀測(cè)，就不能得到精確地滿足條件的唯一解。2022-2-261最小二乘平差 因此，必須采取一定的方法來(lái)改正觀測(cè)值以滿足條件。每個(gè)觀測(cè)值的改正數(shù)稱為觀測(cè)殘差。 最小二乘平差方法通過(guò)使觀測(cè)值殘差平方和為最小的條件，使觀測(cè)值滿足模型要求，此殘差被稱為最小二乘改正數(shù)。2022-2-262測(cè)碼偽距靜態(tài)絕

19、對(duì)定位 若n為觀測(cè)歷元數(shù)，在忽略接收機(jī)鐘差隨時(shí)間變化的情況下，可得相應(yīng)的誤差方程：2022-2-263測(cè)碼偽距靜態(tài)絕對(duì)定位2022-2-264測(cè)碼偽距靜態(tài)絕對(duì)定位 如果觀測(cè)的時(shí)間較長(zhǎng)，接收機(jī)鐘差的變化往往不能忽略。根據(jù)不同情況，或者將鐘差表示為多項(xiàng)式形式，把多項(xiàng)式系數(shù)作為未知數(shù)在平差計(jì)算中求解；或簡(jiǎn)單地對(duì)不同觀測(cè)歷元引入相異的獨(dú)立鐘差參數(shù)，在平差計(jì)算中一并解算。2022-2-265動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位 在用戶接受機(jī)安置在運(yùn)動(dòng)的載體上并處于動(dòng)態(tài)情況下，確定載體瞬時(shí)絕對(duì)位置的定位方法。 關(guān)于動(dòng)態(tài)定位的原理和方法，在第六章中討論。2022-2-266應(yīng)用載波相位觀測(cè)值進(jìn)行靜態(tài)絕對(duì)定位 載波相位觀測(cè)值精度高，

20、有可能獲得精度較高的定位結(jié)果。但定位精度仍受衛(wèi)星軌道誤差和大氣折射誤差等影響，只有當(dāng)衛(wèi)星軌道精度較高，并以必要的精度對(duì)觀測(cè)量加入電離層和對(duì)流層等項(xiàng)修正，才能發(fā)揮測(cè)相法絕對(duì)定位潛能； 同時(shí)如何防止和修復(fù)整周變跳，對(duì)保障定位精度十分重要。2022-2-267應(yīng)用載波相位觀測(cè)值進(jìn)行靜態(tài)絕對(duì)定位 另外，整周未知數(shù)N0,理論上是整數(shù)，但由于觀測(cè)誤差和各修正量誤差的影響，平差求解后不再是整數(shù)。 如果把非整數(shù)的整周未知數(shù)調(diào)整為相近的整數(shù)，作為固定值代入重新求解其它未知參數(shù)，所得的解稱為固定解，而相應(yīng)整周未知數(shù)為非整數(shù)的解成為浮動(dòng)解。2022-2-268觀測(cè)衛(wèi)星的幾何分布及其對(duì)絕對(duì)定位精度的影響 利用GPS進(jìn)

21、行絕對(duì)定位或單點(diǎn)定位時(shí)，定位精度主要取決于（1）所測(cè)衛(wèi)星在空間的幾何分布（通常稱為衛(wèi)星分布的幾何圖形）（2）觀測(cè)量精度2022-2-269絕對(duì)定位精度的評(píng)價(jià) 由偽距絕對(duì)定位的權(quán)系數(shù)陣Qx可知，其在空間直角坐標(biāo)中的一般形式為：2022-2-270絕對(duì)定位精度的評(píng)價(jià) 實(shí)際應(yīng)用中，為了估算測(cè)站點(diǎn)的位置精度，常采用其在大地坐標(biāo)系統(tǒng)中的表達(dá)形式。假設(shè)在大地坐標(biāo)系統(tǒng)中相應(yīng)點(diǎn)位坐標(biāo)的權(quán)系數(shù)陣為：2022-2-271絕對(duì)定位精度的評(píng)價(jià) 根據(jù)方差與協(xié)方差傳播定律可得： 式中2022-2-272絕對(duì)定位精度的評(píng)價(jià) 為了評(píng)價(jià)定位結(jié)果，在導(dǎo)航學(xué)中，一般采用有關(guān)精度因子（精度衰減因子、精度系數(shù)、精度彌散）DOP（Dil

22、ution Of Precision）的概念， 其定義： DOP是權(quán)系數(shù)陣主對(duì)角線元素的函數(shù)， 0是等效距離誤差。2022-2-273絕對(duì)定位精度的評(píng)價(jià) 在實(shí)踐中，根據(jù)不同要求，可選用不同的精度評(píng)價(jià)模型和相應(yīng)的精度因子，通常有：2022-2-274絕對(duì)定位精度的評(píng)價(jià)1.平面位置精度因子HDOP (horizontal DOP)及相應(yīng)的平面位置精度：2022-2-275絕對(duì)定位精度的評(píng)價(jià)2.高程精度因子 VDOP (Vertical DOP)及其相應(yīng)的高程精度：2022-2-276絕對(duì)定位精度的評(píng)價(jià)3.空間位置精度因子 PDOP (Position DOP)及其相應(yīng)的三維定位精度：2022-2-

23、277絕對(duì)定位精度的評(píng)價(jià)4.接收機(jī)鐘差精度因子TDOP (Time DOP)及其鐘差精度：2022-2-278絕對(duì)定位精度的評(píng)價(jià)5.幾何精度因子GDOP(Geometric DOP)及其三維位置和時(shí)間誤差綜合影響的中誤差MG：2022-2-279絕對(duì)定位精度的評(píng)價(jià) 精度因子的數(shù)值與所測(cè)衛(wèi)星的幾何分布圖形有關(guān)。假設(shè)由觀測(cè)站與四顆觀測(cè)衛(wèi)星所構(gòu)成的六面體體積為 V，則分析表明，精度因子GDOP與該六面體體積V的倒數(shù)成正比，即：2022-2-280絕對(duì)定位精度的評(píng)價(jià) 六面體的體積越大，所測(cè)衛(wèi)星在空間的分布范圍也越大，GDOP值越?。环粗?，衛(wèi)星分布范圍越小，GDOP值越大。2022-2-281絕對(duì)定位精

24、度的評(píng)價(jià) 實(shí)際工作中選擇和評(píng)價(jià)觀測(cè)衛(wèi)星分布圖形：一顆衛(wèi)星處于天頂，其余3顆衛(wèi)星相距1200時(shí)，所構(gòu)成的六面體體積接近最大。2022-2-282相對(duì)定位 相對(duì)定位是用兩臺(tái)接收機(jī)分別安置在基線的兩端，同步觀測(cè)相同的GPS衛(wèi)星，以確定基線端點(diǎn)的相對(duì)位置或基線向量。同樣，多臺(tái)接收機(jī)安置在若干條基線的端點(diǎn)，通過(guò)同步觀測(cè) GPS衛(wèi)星可以確定多條基線向量。在一個(gè)端點(diǎn)坐標(biāo)已知的情況下，可以用基線向量推求另一待定點(diǎn)的坐標(biāo)。2022-2-283相對(duì)定位 相對(duì)定位有靜態(tài)相對(duì)定位和動(dòng)態(tài)相對(duì)定位之分。 動(dòng)態(tài)相對(duì)定位在第六章中詳細(xì)敘述，這里僅討論靜態(tài)相對(duì)定位。2022-2-284靜態(tài)相對(duì)定位2022-2-285觀測(cè)值的線

25、性組合 在兩個(gè)觀測(cè)站或多個(gè)觀測(cè)站同步觀測(cè)相同衛(wèi)星的情況下，衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差以及電離層和對(duì)流層的折射誤差等對(duì)觀測(cè)量的影響具有一定的相關(guān)性，利用這些觀測(cè)量的不同組合(求差)進(jìn)行相對(duì)定位，可有效地消除或減弱相關(guān)誤差的影響，從而提高相對(duì)定位的精度。2022-2-286觀測(cè)值的線性組合 GPS載波相位觀測(cè)值可以在衛(wèi)星間求差，在接收機(jī)間求差，也可以在不同歷元間求差。各種求差法都是觀測(cè)值的線性組合。2022-2-287一次差 將觀測(cè)值直接相減的過(guò)程叫做求一次差。所獲得的結(jié)果被當(dāng)作虛擬觀測(cè)值，叫做載波相位觀測(cè)值的一次差或單差。 常用的求一次差是在接收機(jī)間求一次差。2022-2-288二次差

26、 對(duì)載波相位觀測(cè)值的一次差分觀測(cè)值繼續(xù)求差，所得的結(jié)果仍可以被當(dāng)作虛擬觀測(cè)值，叫做載波相位觀測(cè)值的二次差或雙差。2022-2-289三次差 對(duì)二次差繼續(xù)求差稱為求三次差。所得結(jié)果叫做載波相位觀測(cè)值的三次差或三差。常用的求三次差是在接收機(jī)、衛(wèi)星和歷元之間求三次差。2022-2-290差分觀測(cè)值 上述各種差分觀測(cè)值模型能夠有效地消除各種偏差項(xiàng)。 單差觀測(cè)值中可以消除與衛(wèi)星有關(guān)的載波相位及其鐘差項(xiàng)， 雙差觀測(cè)值中可以消除與接收機(jī)有關(guān)的載波相位及其鐘差項(xiàng)， 三差觀測(cè)值中可以消除與衛(wèi)星和接收機(jī)有關(guān)的初始整周模糊度項(xiàng)N。2022-2-291差分觀測(cè)值 因而差分觀測(cè)值模型是 GPS測(cè)量應(yīng)用中廣泛采用的平差模

27、型。特別是雙差觀測(cè)值即站星二次差分模型，更是大多數(shù)GPS基線向量處理軟件包中必選的模型。2022-2-292觀測(cè)方程的線性化及平差模型 為了求解觀測(cè)站之間的基線向量，首先應(yīng)將觀測(cè)方程線性化，然后列出相應(yīng)的誤差方程式，應(yīng)用最小二乘平差原理求解觀測(cè)站之間的基線向量。2022-2-293觀測(cè)方程的線性化及平差模型 (1)單差觀測(cè)方程的誤差方程式模型2022-2-294觀測(cè)方程的線性化及平差模型 (2)雙差觀測(cè)方程的誤差方程式模型2022-2-295觀測(cè)方程的線性化及平差模型 與單差觀測(cè)值不同的是，雙差觀測(cè)值之間有相關(guān)性 ，這里的權(quán)陣P不再是對(duì)角陣。如在一次觀測(cè)中對(duì)nj個(gè)衛(wèi)星進(jìn)行了相位測(cè)量，可以組成n

28、j 1個(gè)雙差觀測(cè)值。形成這些雙差觀測(cè)值時(shí)，有的單差觀測(cè)值被使用多次，因而雙差觀測(cè)值是相關(guān)的。2022-2-296觀測(cè)方程的線性化及平差模型 為使權(quán)陣形式較為簡(jiǎn)潔，可以選擇一個(gè)參考衛(wèi)星，其它衛(wèi)星的觀測(cè)值都與參考衛(wèi)星的單差觀測(cè)值組成雙差。2022-2-2975.6 美國(guó)的GPS政策2022-2-298美國(guó)的SA和AS政策 GPS衛(wèi)星發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)含有兩種精度不同的測(cè)距碼，即所謂P碼(也稱精碼)和 C/A碼(也稱粗碼)。 相應(yīng)兩種測(cè)距碼GPS將提供兩種定位服務(wù)方式，即精密定位服務(wù)(PPS)和標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)(SPS)。2022-2-299美國(guó)的SA和AS政策 精密定位服務(wù)的主要對(duì)象是美國(guó)軍事部門(mén)和其他

29、特許的部門(mén)。 標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)的主要對(duì)象是廣大的民間用戶。2022-2-2100美國(guó)的SA和AS政策 美國(guó)為了防止未經(jīng)許可的用戶把GPS用于軍事目的(進(jìn)行高精度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位)，于1989年11月開(kāi)始至1990年9月，進(jìn)行“SA”和“AS”技術(shù)的實(shí)驗(yàn)，并于1941年7月開(kāi)始實(shí)施SA技術(shù)。2022-2-2101SA技術(shù) SA (Selective Availability）技術(shù)稱為有選擇可用性技術(shù)，即人為地將誤差引入衛(wèi)星鐘和衛(wèi)星數(shù)據(jù)中，故意降低 GPS定位精度。使 C/A碼定位的精度從原來(lái)的20m降低到100m。2022-2-2102SA技術(shù) SA技術(shù)的主要內(nèi)容:(1)在廣播星歷中，對(duì)GPS衛(wèi)星的基準(zhǔn)

30、頻率采用技術(shù)，使星歷精度降低，其變化為無(wú)規(guī)律的隨機(jī)變化。(2)在衛(wèi)星鐘的鐘頻信號(hào)中加高頻抖動(dòng)(即技術(shù))。2022-2-2103AS技術(shù) AS (AntiSpoofing)技術(shù)稱為反電子欺騙技術(shù)。 其方法是:將P碼與保密的W碼相加成Y碼，Y碼嚴(yán)格保密。 其目的是:防止敵方使用P碼進(jìn)行精密導(dǎo)航定位。 當(dāng)實(shí)施AS技術(shù)時(shí)，非特許用戶將不能接收到P碼。這項(xiàng)技術(shù)，僅在特殊情況下使用。2022-2-2104 SA和AS技術(shù)對(duì)定位的影響(1)降低單點(diǎn)定位的精度。(2)降低長(zhǎng)距離相對(duì)定位的精度。(3)AS技術(shù)會(huì)對(duì)高精度相對(duì)定位數(shù)據(jù)處理，整周未知數(shù)的確定帶來(lái)不便。2022-2-2105GPS現(xiàn)代化計(jì)劃2022-2

31、-2106單點(diǎn)定位: 2000: 2000年五月以前2022-2-2107單點(diǎn)定位：目前2022-2-2108單點(diǎn)定位: : 到20092009年2022-2-2109單點(diǎn)定位: : 到201320132022-2-2110RTKRTK定位: Today: Today2022-2-2111RTKRTK定位: : 將來(lái)將來(lái)2022-2-2112針對(duì)SA和AS政策的對(duì)策(1)應(yīng)用PW技術(shù)和L1與L2交叉相關(guān)技術(shù)，使L2載波相位觀測(cè)值得到恢復(fù)，其精度與使用P碼相同。(2)研制能同時(shí)接收GPS和GLONASS信號(hào)的接收機(jī)。(3)發(fā)展DGPS和WADGPS差分GPS系統(tǒng)。2022-2-2113針對(duì)SA和

32、AS政策的對(duì)策(4)建立獨(dú)立的GPS衛(wèi)星測(cè)軌系統(tǒng)。(5)建立獨(dú)立的衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。2022-2-21145.7 差分GPS定位原理2022-2-2115概述 差分GPS產(chǎn)生的誘因：絕對(duì)定位精度不能滿足要求 GPS絕對(duì)定位的精度受多種誤差因素的影響，不能完全滿足某些特殊應(yīng)用的要求 美國(guó)的GPS政策對(duì)GPS絕對(duì)定位精度的影響（選擇可用性SA）SA關(guān)閉前后關(guān)閉前后GPS絕對(duì)定位精度的變化絕對(duì)定位精度的變化2022-2-2116概述 差分GPS（DGPS Differential GPS） 利用設(shè)置在坐標(biāo)已知的點(diǎn)（基準(zhǔn)站）上的GPS接收機(jī)測(cè)定GPS測(cè)量定位誤差，用以提高在一定范圍內(nèi)其它GPS接收機(jī)

33、（流動(dòng)站）測(cè)量定位精度的方法。2022-2-2117影響GPS定位的主要誤差多臺(tái)接受機(jī)公有的誤差：衛(wèi)星鐘誤差星歷誤差采用差分技術(shù)，可以完全消除這部分誤差。2022-2-2118影響GPS定位的主要誤差傳播延遲的誤差：電離層誤差對(duì)流層誤差采用差分技術(shù)，可以部分消除這部分誤差。（視基準(zhǔn)站至用戶的距離）2022-2-2119影響GPS定位的主要誤差 接收機(jī)固有的誤差內(nèi)部噪聲通道延遲多路徑效應(yīng)2022-2-2120差分GPS對(duì)測(cè)量定位精度的改進(jìn)2022-2-2121距距離離改改正正差分GPS的分類根據(jù)時(shí)效性根據(jù)時(shí)效性 實(shí)時(shí)差分 事后差分根據(jù)觀測(cè)值類型根據(jù)觀測(cè)值類型 偽距差分 載波相位差分根據(jù)差分改正數(shù)

34、根據(jù)差分改正數(shù) 位置差分（坐標(biāo)差分） 距離差分根據(jù)工作原理和差分模型根據(jù)工作原理和差分模型 局域差分（LADGPS Local Area DGPS） 單基準(zhǔn)站差分 多基準(zhǔn)站差分 廣域差分（WADGPS Wide Area DGPS）坐坐標(biāo)標(biāo)改改正正位置差分位置差分距離差分距離差分2022-2-2122位置差分和距離差分的特點(diǎn) 位置差分 差分改正計(jì)算的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單 差分?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量少 基準(zhǔn)站與流動(dòng)站要求觀測(cè)完全相同的一組衛(wèi)星 距離差分 差分改正計(jì)算的數(shù)學(xué)模型較復(fù)雜 差分?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量較多 基準(zhǔn)站與流動(dòng)站不要求觀測(cè)完全相同的一組衛(wèi)星2022-2-21235.7.1 單站GPS的差分2022-2-21

35、24單站GPS的差分 根據(jù)差分GPS基準(zhǔn)站發(fā)送的信息方式可將差分GPS定位分為三類，即： 位置差分 偽距差分 相位差分 基準(zhǔn)基準(zhǔn)站站數(shù)據(jù)通數(shù)據(jù)通訊鏈訊鏈流動(dòng)站流動(dòng)站（用戶）（用戶）2022-2-2125單站GPS的差分 這3類差分方式的工作原理是相同的，即都是由基準(zhǔn)站發(fā)送改正數(shù)，由用戶站接收并對(duì)其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行改正，以獲得精確的定位結(jié)果。所不同的是，發(fā)送改正數(shù)的具體內(nèi)容不一樣，其差分定位精度也不同。2022-2-2126位置差分原理 這是一種最簡(jiǎn)單的差分方法，任何一種GPS接收機(jī)均可改裝和組成這種差分系統(tǒng)。 安裝在基準(zhǔn)站上的GPS接收機(jī)觀測(cè)4顆衛(wèi)星后便可進(jìn)行三維定位，解算出基準(zhǔn)站的坐標(biāo)。由于存在

36、著軌道誤差、時(shí)鐘誤差、SA影響、大氣影響、多徑效應(yīng)以及其他誤差，解算出的坐標(biāo)與基準(zhǔn)站的已知坐標(biāo)是不一樣的，存在誤差。基準(zhǔn)站利用數(shù)據(jù)鏈將此改正數(shù)發(fā)送出去，由用戶站接收，并且對(duì)其解算的用戶站坐標(biāo)進(jìn)行改正。2022-2-2127位置差分原理 最后得到的改正后的用戶坐標(biāo)已消去了基準(zhǔn)站和用戶站的共同誤差，例如衛(wèi)星軌道誤差、SA影響、大氣影響等，提高了定位精度。 以上先決條件是基準(zhǔn)站和用戶站觀測(cè)同一組衛(wèi)星的情況。 位置差分法適用于用戶與基準(zhǔn)站間距離在100km以內(nèi)的情況。2022-2-2128偽距差分原理 偽距差分是目前用途最廣的一種技術(shù)。幾乎所有的商用差分GPS接收機(jī)均采用這種技術(shù)。國(guó)際海事無(wú)線電委員會(huì)

37、推薦的RTCMSC-104標(biāo)準(zhǔn)也采用了這種技術(shù)。 2022-2-2129偽距差分原理 在基準(zhǔn)站上的接收機(jī)要求得它至可見(jiàn)衛(wèi)星的距離，并將此計(jì)算出的距離與含有誤差的測(cè)量值加以比較。利用一個(gè)-濾波器將此差值濾波并求出其偏差。然后將所有衛(wèi)星的測(cè)距誤差傳輸給用戶，用戶利用此測(cè)距誤差來(lái)改正測(cè)量的偽距。 最后，用戶利用改正后的偽距來(lái)解出本身的位置，就可消去公共誤差，提高定位精度。 2022-2-2130偽距差分原理 與位置差分相似，偽距差分能將兩站公共誤差抵消，但隨著用戶到基準(zhǔn)站距離的增加又出現(xiàn)了系統(tǒng)誤差，這種誤差用任何差分法都是不能消除的。 用戶和基準(zhǔn)站之間的距離對(duì)精度有決定性影響。 2022-2-213

38、1載波相位差分原理 差分GPS的出現(xiàn)，能實(shí)時(shí)給定載體的位置，精度為米級(jí)，滿足了引航、水下測(cè)量等工程的要求。位置差分、偽距差分、偽距差分相位平滑等技術(shù)已成功地用于各種作業(yè)中。 隨之而來(lái)的是更加精密的測(cè)量技術(shù)-載波相位差分技術(shù)。 2022-2-2132載波相位差分原理 載波相位差分技術(shù)又稱為RTK技術(shù)（real time kinematic），是建立在實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)站的載波相位基礎(chǔ)上的。 它能實(shí)時(shí)提供觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并達(dá)到厘米級(jí)的高精度。2022-2-2133載波相位差分原理 實(shí)現(xiàn)載波相位差分GPS的方法分為兩類：修正法和差分法。2022-2-2134修正法 與偽距差分相同，基準(zhǔn)站將載波相位修正

39、量發(fā)送給用戶站，以改正其載波相位，然后求解坐標(biāo)。 此方法屬于準(zhǔn)RTK技術(shù)。 2022-2-2135差分法 將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)送給用戶，進(jìn)行求差解算坐標(biāo)。 此法為真正的RTK技術(shù)。2022-2-2136 單站差分GPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和算法簡(jiǎn)單，技術(shù)上較為成熟。主要用于小范圍的差分定位工作。 對(duì)于較大范圍的區(qū)域，則應(yīng)用局部區(qū)域差分技術(shù)。 對(duì)于一國(guó)或幾個(gè)國(guó)家范圍的廣大區(qū)域，應(yīng)用廣域差分技術(shù)。2022-2-21375.7.2 局部區(qū)域GPS差分系統(tǒng)2022-2-2138 結(jié)構(gòu) 基準(zhǔn)站（多個(gè)）、數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶 數(shù)學(xué)模型（差分改正數(shù)的計(jì)算方法） 加權(quán)平均 偏導(dǎo)數(shù)法 最小方差法 特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：差分精度高、可

40、靠性高，差分范圍增大 缺點(diǎn)：差分范圍仍然有限，模型不完善局部區(qū)域GPS差分系統(tǒng)2022-2-21395.7.3 廣域差分2022-2-2140廣域差分GPS系統(tǒng)的基本思想 對(duì)GPS觀測(cè)量的誤差源加以區(qū)分，并單獨(dú)對(duì)每一種誤差源分別加以“模型化”，然后將計(jì)算出的每一誤差源的數(shù)值，通過(guò)數(shù)據(jù)鏈傳輸給用戶，以對(duì)用戶GPS定位的誤差加以改正，達(dá)到削弱這些誤差源，改善用戶GPS定位精度的目的。2022-2-2141 結(jié)構(gòu) 基準(zhǔn)站（多個(gè)）、數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶 數(shù)學(xué)模型（差分改正數(shù)的計(jì)算方法） 與普通差分不相同 普通差分是考慮的是誤差的綜合影響 廣域差分對(duì)各項(xiàng)誤差加以分離，建立各自的改正模型 用戶根據(jù)自身的位置，

41、對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行改正 優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：差分精度高、差分精度與距離無(wú)關(guān)、差分范圍大 缺點(diǎn)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、建設(shè)費(fèi)用高2022-2-2142廣域差分GPS系統(tǒng)的基本思想具體而言，它集中表現(xiàn)在三個(gè)方面：星歷誤差大氣延時(shí)誤差1. 衛(wèi)星鐘差誤差2022-2-2143廣域差分GPS系統(tǒng)的工作流程2022-2-2144廣域差分GPS系統(tǒng)的特點(diǎn) 廣域差分GPS技術(shù)區(qū)分誤差的目的就是最大限度地降低監(jiān)測(cè)站與用戶站間定位誤差的時(shí)空相關(guān)，克服LADGPS對(duì)時(shí)空的強(qiáng)依賴性，改善和提高LADGPS中實(shí)時(shí)差分定位的精度。 同LADGPS相比，WADGPS有如下特點(diǎn): 2022-2-2145廣域差分GPS系統(tǒng)的特點(diǎn) (1)中心站、監(jiān)測(cè)站與用戶站的站間距離從100km增加到2000km，定位精度不