演示文稿5-GPS衛(wèi)星定位基本原理

演示文稿5-GPS衛(wèi)星定位基本原理第一頁，共113頁。*2主要內(nèi)容

概述GPS定位測量分類GPS定位的方法與觀測量

偽距測量

載波相位測量整周跳變的修復(fù)

GPS絕對定位與相對定位美國的GPS政策差分GPS定位原理

GPS測量誤差的來源第二頁，共113頁。§5.1概述測距交會(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了距離Sa和Sb。2022/11/273第三頁，共113頁。無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)設(shè)想在地面上有三個(gè)無線電信號(hào)發(fā)射臺(tái)，其坐標(biāo)為已知，用戶接收機(jī)在某一時(shí)刻采用無線電測距的方法分別測得了接收機(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。2022/11/274第四頁，共113頁。無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)如果只有兩個(gè)無線電發(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。2022/11/275第五頁，共113頁。衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)近代衛(wèi)星大地測量中的衛(wèi)星激光測距定位也是應(yīng)用了測距交會(huì)定位的原理與方法。雖然用于激光測距的衛(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)星激光測距儀同時(shí)測定某一時(shí)刻至衛(wèi)星的空間距離，應(yīng)用測距交會(huì)的原理便可確定該時(shí)刻衛(wèi)星的空間位置。2022/11/276第六頁，共113頁。一、衛(wèi)星定位的基本原理1、衛(wèi)星的位置：靠地面監(jiān)測站（點(diǎn)的坐標(biāo)已知），地面監(jiān)測站時(shí)刻監(jiān)測衛(wèi)星，測出二者之間的距離，然后由地已知點(diǎn)的坐標(biāo)交會(huì)出衛(wèi)星的位置。

監(jiān)測方法：已知：（X,Y,Z）i，i=1,2,3

觀測：ρ1，ρ2，ρ3

計(jì)算：（X,Y,Z）s第七頁，共113頁。2、測站的位置：

GPS衛(wèi)星發(fā)射測距信號(hào)和導(dǎo)航電文，導(dǎo)航電文中含有衛(wèi)星的位置信息。監(jiān)測方法：如果測距無誤差，已知：（X,Y,Z）s，s=1,2,3

觀測：ρ1，ρ2，ρ3

計(jì)算：（X,Y,Z）p第八頁，共113頁。3、衛(wèi)星定位的基本原理運(yùn)用空間距離前方交會(huì)的方法求出衛(wèi)星的位置。運(yùn)用空間距離后方交會(huì)的方法求測站點(diǎn)的位置。觀測值：距離用距離交會(huì)的方法求解P點(diǎn)的三維坐標(biāo)（X，Y，Z）的觀測方程：第九頁，共113頁。GPS定位基本原理將無線電信號(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)用無線電測距交會(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2022/11/2710第十頁，共113頁。GPS定位基本原理GPS衛(wèi)星發(fā)射測距信號(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)，測量出測站點(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)法解算出測站點(diǎn)P的位置。2022/11/2711第十一頁，共113頁。GPS定位基本原理如圖所示，設(shè)在時(shí)刻t在測站點(diǎn)P用GPS接收機(jī)同時(shí)測得P點(diǎn)至三顆GPS衛(wèi)星的距離，通過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)。2022/11/2712第十二頁，共113頁。GPS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:2022/11/2713第十三頁，共113頁。1、根據(jù)定位所采用的觀測值1)偽距定位2)載波相位定位2022/11/2714第十四頁，共113頁。2、根據(jù)定位時(shí)接收機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)靜態(tài)定位對于固定不動(dòng)的待定點(diǎn)，將GPS接收機(jī)安裝在上面，觀測數(shù)分鐘乃至更長的時(shí)間，以確定該點(diǎn)的三維坐標(biāo)。2022/11/2715第十五頁，共113頁。2、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)，測定的是各觀測時(shí)刻運(yùn)動(dòng)中的接收機(jī)的點(diǎn)位。2022/11/2716第十六頁，共113頁。3.根據(jù)定位的模式絕對定位獨(dú)立確定待定點(diǎn)在坐標(biāo)系統(tǒng)中的絕對位置的方法稱為絕對定位或單點(diǎn)定位。2022/11/2717第十七頁，共113頁。3.根據(jù)定位的模式相對定位相對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)之間的相對位置的一種定位方法。2022/11/2718第十八頁，共113頁。3.根據(jù)定位的模式差分定位在基準(zhǔn)點(diǎn)上觀測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)對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行改正，得精確點(diǎn)位。2022/11/2719第十九頁，共113頁。4.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。2022/11/2720第二十頁，共113頁。4.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，它是通過對接收機(jī)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理以進(jìn)行定位的方法。2022/11/2721第二十一頁，共113頁。小結(jié)2022/11/2722第二十二頁，共113頁。GPS定位測量的分類（1）靜態(tài)定位與動(dòng)態(tài)定位（2）單點(diǎn)定位和相對定位（3）主動(dòng)式測距和被動(dòng)式測距（4）用GPS定位的基本方法定位測量概述23第二十三頁，共113頁。GPS的定位實(shí)質(zhì)：

把衛(wèi)星視為“動(dòng)態(tài)”的控制點(diǎn)，在已知其瞬時(shí)坐標(biāo)的條件下，進(jìn)行空間距離后方交會(huì)，確定用戶接收機(jī)天線所處的位置。24第二十四頁，共113頁。定位方式：按接收機(jī)天線所處的狀態(tài)不同

（1）靜態(tài)定位（2）動(dòng)態(tài)定位按參考點(diǎn)位置的不同

（1）單點(diǎn)定位（2）相對定位。25第二十五頁，共113頁。靜態(tài)定位

GPS接收機(jī)在進(jìn)行定位時(shí)，待定點(diǎn)的位置相對其周圍的點(diǎn)位沒有發(fā)生變化，其天線位置處于固定不動(dòng)的靜止?fàn)顟B(tài)。

26第二十六頁，共113頁。

在定位過程中，接收機(jī)位于運(yùn)動(dòng)著的載體，天線也處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的定位。動(dòng)態(tài)定位按照接收機(jī)載體的運(yùn)動(dòng)速度（1）低動(dòng)態(tài)（幾十米/秒）（2）中等動(dòng)態(tài)（幾百米/秒）（3）高動(dòng)態(tài)（幾千米/秒）27第二十七頁，共113頁。（1）靜態(tài)定位與動(dòng)態(tài)定位靜態(tài)定位與動(dòng)態(tài)定位的不同點(diǎn)靜態(tài)定位

可靠性強(qiáng)，定位精度高，在大地測量、工程測量中得到了廣泛的應(yīng)用，是精密定位中的基本模式。動(dòng)態(tài)定位

可測定一個(gè)動(dòng)點(diǎn)的實(shí)時(shí)位置、運(yùn)動(dòng)載體的狀態(tài)參數(shù)。如速度、時(shí)間和方位等。28第二十八頁，共113頁。（2）單點(diǎn)定位與相對定位

在一個(gè)測站上同步觀測4個(gè)偽距觀測值，求解出4個(gè)未知參數(shù)（3個(gè)點(diǎn)位坐標(biāo)分量和1個(gè)鐘差系數(shù)）。單點(diǎn)定位29第二十九頁，共113頁。

采用兩臺(tái)以上的接收機(jī)同步觀測相同的GPS衛(wèi)星，以確定接收機(jī)天線間的相互位置關(guān)系的一種方法。（2）單點(diǎn)定位與相對定位相對定位（差分定位）優(yōu)點(diǎn)：獲得較高的精度缺點(diǎn)：增加了外業(yè)組織和實(shí)施難度30第三十頁，共113頁。（3）主動(dòng)式測距與被動(dòng)式測距主動(dòng)式測距（雙程測距）

用電磁波測距儀發(fā)射測距信號(hào)，通過反射器反射回來，再由測距儀接收。根據(jù)測距信號(hào)的傳播時(shí)間求解距離ρ。31第三十一頁，共113頁。

只要求儀器鐘自身能在信號(hào)往、返時(shí)間段中保持穩(wěn)定，不影響測距精度。（3）主動(dòng)式測距與被動(dòng)式測距主動(dòng)式測距的優(yōu)點(diǎn)主動(dòng)式測距的缺點(diǎn)

用戶須發(fā)射信號(hào)，因而難以隱蔽自己。對軍事用戶十分不利。32第三十二頁，共113頁。（3）主動(dòng)式測距與被動(dòng)式測距被動(dòng)式測距（單程測距）

發(fā)射站在規(guī)定時(shí)刻內(nèi)準(zhǔn)確發(fā)出信號(hào)，用戶根據(jù)自己的時(shí)鐘記錄信號(hào)到達(dá)時(shí)間，根據(jù)時(shí)差Δt求解距離ρ。33第三十三頁，共113頁。（3）主動(dòng)式測距與被動(dòng)式測距

用戶無需發(fā)射信號(hào)，便于隱蔽自己；所需裝置也較簡單，僅接收設(shè)備即可。被動(dòng)式測距的優(yōu)點(diǎn)被動(dòng)式測距的缺點(diǎn)

接收機(jī)鐘和各衛(wèi)星鐘不能與GPS時(shí)間系統(tǒng)保持絕對同步，由此所引起的鐘差對測距帶來了影響。34第三十四頁，共113頁。（4）GPS定位的基本方法①衛(wèi)星射電干涉測量②多普勒定位法③偽距定位法④載波相位測量35第三十五頁，共113頁。①衛(wèi)星射電干涉測量

利用GPS衛(wèi)星射電信號(hào)具有白噪聲的特性，由兩個(gè)測站同時(shí)觀測一顆GPS衛(wèi)星，通過測量這顆衛(wèi)星的射電信號(hào)到達(dá)兩個(gè)測站的時(shí)間差，可以求得站間距離。

射電，即射電天文學(xué)，是通過觀測天體的無線電波來研究天文現(xiàn)象的一門學(xué)科。由于地球大氣的阻攔，從天體來的無線電波只有波長約1毫米到30米左右的才能到達(dá)地面，迄今為止，絕大部分的射電天文研究都是在這個(gè)波段內(nèi)進(jìn)行的。射電天文學(xué)以無線電接收技術(shù)為觀測手段，觀測的對象遍及所有天體：從近處的太陽系天體到銀河系中的各種對象，直到極其遙遠(yuǎn)的銀河系以外的目標(biāo)。

白噪聲是指在較寬的頻率范圍內(nèi)，各等帶寬的頻帶所含的噪聲能量相等的噪聲。

36第三十六頁，共113頁。①衛(wèi)星射電干涉測量

GPS衛(wèi)星的信號(hào)強(qiáng)度比類星體的信號(hào)強(qiáng)度大10萬倍，利用GPS衛(wèi)星射電信號(hào)具有白噪聲的特性，由兩個(gè)測站同時(shí)觀測一顆GPS衛(wèi)星，通過測量

這顆衛(wèi)星的射電信號(hào)到達(dá)兩個(gè)測站的時(shí)間差，可以求得站間距離。由于在進(jìn)行干涉測量時(shí)，只把GPS衛(wèi)星信號(hào)當(dāng)作噪聲信號(hào)來使用，因而無需了解信號(hào)的結(jié)構(gòu)，所以這種方法對于無法獲得P碼的用戶是很有引引力的。其模型與在接收機(jī)間求一次差的載波相位測量定位模型十分相似。

37第三十七頁，共113頁。②多普勒定位法

多普勒效應(yīng)是1942年奧地利物理學(xué)家多普勒首先發(fā)現(xiàn)的。它的具體內(nèi)容是：

當(dāng)波源與觀測者做相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測者接收到的信號(hào)頻率與波源發(fā)射的信號(hào)頻率不相同。這種由于波源相對與觀測者運(yùn)動(dòng)而引起的信號(hào)頻率的移動(dòng)稱為多普勒頻移，其現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。

根據(jù)多普勒效應(yīng)原理，利用GPS衛(wèi)星較高的發(fā)射頻率，由積分多普勒記數(shù)得出偽距差。當(dāng)采用積分多普勒記數(shù)法進(jìn)行測量時(shí)，所需觀測時(shí)間一般較常（數(shù)小時(shí)），同時(shí)，在觀測過程中接收機(jī)的震蕩器要求保持高度穩(wěn)定。

38第三十八頁，共113頁。③偽距定位法

在某一瞬間利用GPS接收機(jī)同時(shí)測定至少四顆衛(wèi)星的偽距，根據(jù)已知的衛(wèi)星位置和偽距觀測值，采用距離交會(huì)法求出接收機(jī)的三維坐標(biāo)和時(shí)鐘改正數(shù)?；驹?9第三十九頁，共113頁。偽距定位法的優(yōu)點(diǎn)一次位的精度并不高，但定位速度快，經(jīng)幾小時(shí)的定位也可達(dá)米級。若再增加觀測時(shí)間，精度還可以提高。（3）偽距定位法40第四十頁，共113頁。④載波相位測量

把載波作為量測信號(hào)，對載波進(jìn)行相位測量可以達(dá)到很高的精度。通過測量載波的相位而求得接收機(jī)到GPS衛(wèi)星的距離。41第四十一頁，共113頁。*425.3GPS定位的方法與觀測量1、定位原理：測距交會(huì)2、進(jìn)行定位的兩個(gè)條件：測距信號(hào)導(dǎo)航電文利用測距信號(hào)確定站星距離利用導(dǎo)航電文確定衛(wèi)星位置第四十二頁，共113頁。*43一、概述一個(gè)站星距離測站位于以衛(wèi)星為球心，站星距離為半徑的球面上GPS定位的方法與觀測量>概述第四十三頁，共113頁。*44一、概述兩個(gè)站星距離作兩個(gè)球面兩個(gè)球面相交為圓測站位于圓圈上GPS定位的方法與觀測量>概述第四十四頁，共113頁。*45一、概述三個(gè)站星距離作三個(gè)球面三個(gè)球面兩兩相交于兩點(diǎn)測站位于其中一點(diǎn)GPS定位的方法與觀測量>概述第四十五頁，共113頁。*46一、概述GPS單點(diǎn)定位方法的實(shí)質(zhì)是空間距離后方交會(huì)一個(gè)站星距離=球面兩個(gè)站星距離=圓三個(gè)站星距離=兩點(diǎn)三個(gè)站星距離+地球=一點(diǎn)GPS定位的方法與觀測量>概述第四十六頁，共113頁。*47一、概述GPS定位的方法與觀測量>概述第四十七頁，共113頁。*48二、定位方法的分類1、按照參考點(diǎn)的不同位置分：絕對定位（單點(diǎn)定位）相對定位2、按用戶接收機(jī)在作業(yè)中所處狀態(tài)分：靜態(tài)定位動(dòng)態(tài)定位另外在絕對定位和相對定位中，又都包含靜態(tài)與動(dòng)態(tài)兩種形式。GPS定位的方法與觀測量>定位方法的分類第四十八頁，共113頁。*49二、定位方法的分類3、按照測距原理分：偽距法定位載波相位測量定位差分GPS定位GPS定位的方法與觀測量>定位方法的分類第四十九頁，共113頁。*50三、觀測量的基本概念GPS衛(wèi)星信號(hào)含有多種定位信息，根據(jù)不同的要求，可以從中獲得不同的觀測量，其中主要包括：根據(jù)碼相位觀測得出的偽距根據(jù)載波相位觀測得出的偽距由積分多普勒計(jì)數(shù)得出的偽距差由干涉法測量得出的時(shí)間延遲目前廣泛采用的基本觀測量主要有兩種，即碼相位觀測量和載波相位觀測量。GPS定位的方法與觀測量>觀測量的基本概念第五十頁，共113頁。*51三、觀測量的基本概念所謂碼相位觀測，即測量GPS衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號(hào)（C/A碼或P碼），到達(dá)用戶接收機(jī)天線（觀測站）的傳播時(shí)間，因此這種觀測方法，也稱為時(shí)間延遲測量。只能用于單點(diǎn)絕對定位，如導(dǎo)航型GPS接收機(jī)。載波相位觀測，是測量接收機(jī)接收到具有多普勒頻移的載波信號(hào)，與接收機(jī)產(chǎn)生的參考載波信號(hào)之間的相位差。主要的應(yīng)用是進(jìn)行相對定位，如測地型GPS接收機(jī)。GPS定位的方法與觀測量>觀測量的基本概念第五十一頁，共113頁。*52三、觀測量的基本概念由于載波的波長遠(yuǎn)小于碼的波長，所以在分辨率相同的情況下，載波相位的觀測精度遠(yuǎn)高于碼相位的觀測精度。但是載波相位觀測的主要問題是，它無法直接測定衛(wèi)星載波信號(hào)在傳播路線上相位變化的整周數(shù)，因而存在整周不確定性問題。另外，在接收機(jī)跟蹤GPS信號(hào)進(jìn)行觀測的過程中，常常由于多種原因，還可能產(chǎn)生整周跳變現(xiàn)象。這樣一來，使得數(shù)據(jù)處理變得很復(fù)雜。GPS定位的方法與觀測量>觀測量的基本概念第五十二頁，共113頁。*53三、觀測量的基本概念高精度GPS基線向量的獲?。?/p>

將兩臺(tái)GPS接收機(jī)分別安置在兩個(gè)不同的點(diǎn)上，同時(shí)觀測衛(wèi)星載波信號(hào)，利用載波相位差分觀測值，消除或削弱多種誤差的影響，從而獲得高精度GPS基線向量。載波相位觀測量的原始意義：它是衛(wèi)星的載波信號(hào)與接收機(jī)參考信號(hào)之間的相位差。在實(shí)用上，采用原始相位觀測值的各種線性組合（即差分）作為觀測量，以減弱各種誤差。GPS定位的方法與觀測量>觀測量的基本概念第五十三頁，共113頁。*54三、觀測量的基本概念由于全球定位系統(tǒng)采用單程測距原理，所以，要準(zhǔn)確地測定衛(wèi)星至觀測站的距離，就必須使衛(wèi)星鐘與用戶接收機(jī)鐘保持嚴(yán)格同步。但在實(shí)踐中這是難以實(shí)現(xiàn)的。因此，實(shí)際上，通過上述碼相位觀測或載波相位觀測所確定的衛(wèi)星至觀測站的距離，都不可避免地會(huì)含有衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘非同步誤差的影響。為了與上述的幾何距離相區(qū)別，這種含有鐘差影響的距離，通常均稱為“偽距”，并把它視為GPS定位的基本觀測量。GPS定位的方法與觀測量>觀測量的基本概念第五十四頁，共113頁。*55三、觀測量的基本概念偽距：

GPS接收機(jī)對碼的量測就可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，由于含有接收機(jī)衛(wèi)星鐘的誤差及大氣傳播誤差，故稱為偽距。測碼偽距：由碼相位觀測所確定的偽距。測相偽距：由載波相位觀測所確定的偽距。GPS定位的方法與觀測量>觀測量的基本概念第五十五頁，共113頁。*56三、觀測量的基本概念GPS定位的方法與觀測量>觀測量的基本概念

接收機(jī)對跟蹤的每一顆衛(wèi)星進(jìn)行測距地心SiPijPj

riRjRj=ri+Pij有關(guān)各觀測量及已知數(shù)據(jù)如下：r—為已知的衛(wèi)地矢量P—為觀測量（偽距）R—為未知的測站點(diǎn)位矢量第五十六頁，共113頁。*57三、觀測量的基本概念GPS定位的方法與觀測量>觀測量的基本概念接收機(jī)至衛(wèi)星的距離借助于衛(wèi)星發(fā)射的碼信號(hào)量測并計(jì)算得到的接收機(jī)本身按同一公式復(fù)制碼信號(hào)比較本機(jī)碼信號(hào)及到達(dá)的碼信號(hào)確定傳播延遲的時(shí)間t傳播延遲時(shí)間乘以光速就是距離觀測值=C?t衛(wèi)星鐘調(diào)制的碼信號(hào)接收機(jī)時(shí)鐘復(fù)制的碼信號(hào)tt第五十七頁，共113頁。5.4偽距測量目前廣泛應(yīng)用的基本觀測量主要是碼相位觀測量和載波相位觀測量。11/27/2022第五十八頁，共113頁。由于衛(wèi)星時(shí)鐘、接收機(jī)時(shí)鐘的誤差以及無線電信號(hào)經(jīng)過電離層和對流層中的延遲，實(shí)際測出的距離與衛(wèi)星到接收機(jī)的幾何距離有一定差值，因此一般稱量測出的距離為偽距。用C/A碼進(jìn)行測量的偽距為C/A碼偽距，用P碼測量的偽距為P碼偽距。偽距：定義為信號(hào)接收時(shí)間與信號(hào)發(fā)射時(shí)間之間的差異再乘以光速。11/27/2022第五十九頁，共113頁。偽距11/27/2022第六十頁，共113頁。偽距定位觀測方程偽距觀測方程：簡寫成：真實(shí)距離接收機(jī)鐘差衛(wèi)星鐘差電離層延時(shí)對流層延時(shí)偽距測量噪聲11/27/2022第六十一頁，共113頁。GNSS偽距測量偽距法定位是由GNSS接收機(jī)在某一時(shí)刻測出的到四顆以上GNSS衛(wèi)星的偽距以及已知的衛(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)。11/27/2022第六十二頁，共113頁。載波相位測量是接收機(jī)測量接收到的載波信號(hào)，與接收機(jī)產(chǎn)生的參考載波信號(hào)之間的相位差，通過相位差來求解接收機(jī)位置。由于載波的波長遠(yuǎn)小于碼長，C/A碼碼元寬度293m，P碼碼元寬度29.3m，而L1載波波長為19.03cm，L2載波波長為24.42cm，在分辨率相同的情況下，L1載波的觀測誤差約為2.0mm，L2載波的觀測誤差約為2.5mm。而C/A碼觀測精度為2.9m，P碼為0.29m。載波相位觀測是目前最精確的觀測方法。5.5載波相位測量11/27/2022第六十三頁，共113頁。載波相位差對應(yīng)著距離差第六十四頁，共113頁。載波相位測量值是GPS接收機(jī)所接收的衛(wèi)星載波信號(hào)與接收機(jī)本振參考信號(hào)的相位差。載波相位測量值第六十五頁，共113頁。載波相位測量觀測方程載波波長周整模糊度這是利用載波相位進(jìn)行定位的基本方程式；電離層延時(shí)對碼相位和載波相位的影響不同！強(qiáng)調(diào)：載波相位測量實(shí)際上是載波相位差的測量。偽距電離層影響不同第六十六頁，共113頁。載波相位觀測的主要問題：無法直接測定衛(wèi)星載波信號(hào)在傳播路徑上相位變化的整周數(shù)，存在整周不確定性問題。此外，在接收機(jī)跟蹤GPS衛(wèi)星進(jìn)行觀測過程中，常常由于接收機(jī)天線被遮擋、外界噪聲信號(hào)干擾等原因，還可能產(chǎn)生整周跳變現(xiàn)象。有關(guān)整周不確定性問題，通?？赏ㄟ^適當(dāng)數(shù)據(jù)處理而解決，但將使數(shù)據(jù)處理復(fù)雜化。載波相位測量的主要問題——整周未知數(shù)與整周跳變11/27/2022第六十七頁，共113頁。整周未知數(shù)確定整周未知數(shù)N是載波相位測量的一項(xiàng)重要工作，常用的方法有下列幾種：1、偽距法2、經(jīng)典方法－將整周未知數(shù)作為待定參數(shù)求解3、多普勒法（三差法）4、快速確定整周未知數(shù)法11/27/2022第六十八頁，共113頁。整周未知數(shù)1、偽距法偽距法是在進(jìn)行載波相位測量的同時(shí)又進(jìn)行了偽距測量，將偽距觀測值減去載波相位測量的實(shí)際觀測值（化為以距離為單位）后即可得到λ×N0。但由于偽距測量的精度較低，所以要有較多的觀測值取平均值后才能獲得正確的整波段數(shù)。11/27/2022第六十九頁，共113頁。整周未知數(shù)2、經(jīng)典方法把整周未知數(shù)當(dāng)作平差計(jì)算中的待定參數(shù)來加以估計(jì)和確定。分兩種方法：（1）整數(shù)解由于誤差影響，解得得整周未知數(shù)往往不是一個(gè)整數(shù)，然后將其固定為整數(shù)，并重新進(jìn)行平差計(jì)算。也稱為固定解（fixedsolution）（2）實(shí)數(shù)解當(dāng)誤差消除得不夠完全時(shí)，整周未知數(shù)無法估計(jì)很準(zhǔn)確，此時(shí)直接將實(shí)數(shù)解作為最后解。也稱為浮點(diǎn)解（floatingsolution）11/27/2022第七十頁，共113頁。整周未知數(shù)3、多普勒法（三差法）由于連續(xù)跟蹤的所有載波相位測量觀測值中均含有相同的整周未知數(shù)，所以將相鄰兩個(gè)觀測歷元的載波相位相減，就將該未知數(shù)消去，從而直接接觸坐標(biāo)參數(shù)，這就是多普勒法。由于三差法可以消除許多誤差，所以使用較廣泛。11/27/2022第七十一頁，共113頁。整周未知數(shù)4、快速確定整周位置數(shù)法1990年E.Frei和G.Beutler提出了快速模糊度（即整周未知數(shù)）解算算法進(jìn)行快速定位的方法。采用這種方法進(jìn)行短基線定位時(shí)，利用雙頻接收機(jī)只需觀測一分鐘便能成功的確定整周未知數(shù)。11/27/2022第七十二頁，共113頁。整周跳變?nèi)绻诟櫺l(wèi)星過程中，由于某種原因，如衛(wèi)星信號(hào)被障礙物擋住而暫時(shí)中斷，或受無線電信號(hào)干擾造成失鎖，這樣計(jì)數(shù)器無法連續(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)整周的相位觀測值仍是正確的，這種現(xiàn)象稱為周跳。11/27/2022第七十三頁，共113頁。整周未知數(shù)和整周跳變周跳的出現(xiàn)和處理是載波相位測量中的重要問題，整周跳變的探測與修復(fù)常用的方法有下列幾種方法：1、屏幕掃描法（也就是手工編輯）2、多項(xiàng)式擬合法3、衛(wèi)星間求差法4、根據(jù)平差后的殘差發(fā)現(xiàn)和修復(fù)整周跳變關(guān)于周跳探測與回復(fù)的方法，此處不進(jìn)行詳細(xì)介紹，可參見有關(guān)參考資料。11/27/2022第七十四頁，共113頁。偽距和載波相位是GPS接收機(jī)的兩個(gè)基本距離測量值，兩者既明顯區(qū)別，又相互補(bǔ)充。偽距與載波相位測量方法的對比偽距測量值至少4顆可見衛(wèi)星的偽距就可單點(diǎn)定位測量值較為粗略，誤差達(dá)到幾米級別；受多徑影響大；載波相位測量值存在周整模糊度問題，無法獨(dú)立測距。測量值平滑、精度很高，定位精度可以達(dá)到mm級別；受多徑影響?。幌嗷パa(bǔ)充利用載波相位測量值來平滑偽距測量值；利用偽距來輔助確定載波相位中的周整模糊度。VS11/27/2022第七十五頁，共113頁。*76§5

GPS絕對定位與相對定位第七十六頁，共113頁。*77一、概述絕對定位——單點(diǎn)定位

WGS-84坐標(biāo)靜態(tài)定位：米級精度動(dòng)態(tài)定位：10-40米精度相對定位相對坐標(biāo)差靜態(tài)定位：精度mm級動(dòng)態(tài)定位：精度cm級絕對定位與相對定位>概述第七十七頁，共113頁。*78二、靜態(tài)絕對定位1、絕對定位的概念絕對定位，也叫單點(diǎn)定位，通常是指在協(xié)議地球坐標(biāo)系中，直接確定觀測站相對于坐標(biāo)系原點(diǎn)（地球質(zhì)心）絕對坐標(biāo)的一種定位方法。絕對定位與相對定位>靜態(tài)絕對定位第七十八頁，共113頁。*79二、靜態(tài)絕對定位2、靜態(tài)絕對定位接收機(jī)天線處于靜止?fàn)顟B(tài)下，確定觀測站點(diǎn)坐標(biāo)的方法稱為靜態(tài)絕對定位。絕對定位與相對定位>靜態(tài)絕對定位第七十九頁，共113頁。*80二、靜態(tài)絕對定位3、幾個(gè)概念：1.平面位置精度因子：HDOP2.高程精度因子：VDOP3.空間位置精度因子：PDOP4.接收機(jī)鐘差精度因子：TDOP5.幾何精度因子：GDOP絕對定位與相對定位>靜態(tài)絕對定位第八十頁，共113頁。*81三、靜態(tài)相對定位相對定位是用兩臺(tái)或兩臺(tái)以上GPS接收機(jī)分別安置在不同的測站上，同步觀測相同的GPS衛(wèi)星，以確定基線端點(diǎn)的相對位置或基線向量。絕對定位與相對定位>靜態(tài)相對定位第八十一頁，共113頁。*82三、靜態(tài)相對定位利用不同觀測值的線性組合（求差）進(jìn)行相對定位，有單差、雙差、三差。求差過程可以有效地消除或減弱相關(guān)誤差的影響，從而提高相對定位的精度。絕對定位與相對定位>靜態(tài)相對定位第八十二頁，共113頁。*83§6

美國的GPS政策第八十三頁，共113頁。*84一、美國的SA和AS政策1、GPS系統(tǒng)針對不同用戶提供兩種不同類型的服務(wù)：1、標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)(SPS–StandardPositioningService)；

SPS采用明碼廣播，任何用戶均可使用。2、精密定位服務(wù)(PPS–PrecisionPositioningService)。

PPS供美國和選定的（授權(quán)的）盟軍用戶使用。美國的GPS政策>美國的SA和AS政策第八十四頁，共113頁。*85一、美國的SA和AS政策2、SA技術(shù)和AS技術(shù)（1）SA技術(shù)——選擇可用性技術(shù) 它是為控制非授權(quán)用戶獲得高精度實(shí)時(shí)定位的一種方法。采用ε和δ技術(shù)實(shí)現(xiàn)。 ①ε技術(shù) 是將衛(wèi)星發(fā)送的GPS衛(wèi)星軌道參數(shù)有意識(shí)地施加一個(gè)慢變偏移，使廣播星歷精度由原來的25m降低到100m，達(dá)到降低定位精度的目的。美國的GPS政策>美國的SA和AS政策第八十五頁，共113頁。*86一、美國的SA和AS政策2、SA技術(shù)和AS技術(shù)（1）SA技術(shù)——選擇可用性技術(shù) 它是為控制非授權(quán)用戶獲得高精度實(shí)時(shí)定位的一種方法。采用ε和δ技術(shù)實(shí)現(xiàn)。 ②δ技術(shù)是對衛(wèi)星的基準(zhǔn)頻率（10.23Hz）施加高頻率抖動(dòng)噪聲信號(hào)。這些信號(hào)是隨機(jī)，并受美國軍方控制的。由于信號(hào)抖動(dòng)產(chǎn)生測距誤差和測速誤差，使C/A碼單點(diǎn)定位由原來的25m降低到100m。美國的GPS政策>美國的SA和AS政策第八十六頁，共113頁。*87一、美國的SA和AS政策2、SA技術(shù)和AS技術(shù)（2）AS技術(shù)——反電子欺騙技術(shù) 它是將P碼與更加保密的W碼模2相加形成Y碼，使得非授權(quán)用戶無法接收L2頻率的P碼信號(hào)。美國的GPS政策>美國的SA和AS政策第八十七頁，共113頁。*88二、GPS現(xiàn)代化計(jì)劃內(nèi)容包括：增加民用信號(hào)改善現(xiàn)有信號(hào)克服大氣層效應(yīng)改善地面設(shè)施開發(fā)第三代GPS衛(wèi)星美國的GPS政策>GPS現(xiàn)代化計(jì)劃第八十八頁，共113頁。*89三、針對SA和AS政策的對策針對美國政府的SA和AS技術(shù)政策，應(yīng)采用以下幾項(xiàng)措施：研究解密技術(shù),破譯P碼或Y碼研制接收雙定位系統(tǒng)衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)發(fā)展DGPS和WADGPS差分GPS系統(tǒng)建立獨(dú)立的GPS衛(wèi)星測軌系統(tǒng)建立獨(dú)立的衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)美國的GPS政策>針對SA和AS政策的對策第八十九頁，共113頁。*90§7

差分GPS定位原理第九十頁，共113頁。*91一、差分的基本概念觀測值之間求差，消除公共誤差，以提高定位精度。1、在一個(gè)測站上對兩個(gè)觀測目標(biāo)觀測,將觀測值求差;2、在兩個(gè)測站上對同一觀測目標(biāo)觀測,將觀測值求差;3、在一個(gè)測站上對同一觀測目標(biāo)兩次觀測求差。差分GPS定位原理>差分的基本概念第九十一頁，共113頁。*92二、差分的作用GPS定位中，存在著三部分的誤差：1、多臺(tái)接收機(jī)公有的誤差：如衛(wèi)星鐘差、星歷誤差等；2、傳播延遲誤差：如電離層誤差、對流層誤差；3、接收機(jī)固有的誤差：如內(nèi)部噪聲、通道延遲、多路徑效應(yīng)等。差分GPS定位原理>差分的作用第九十二頁，共113頁。*93二、差分的作用可以消去衛(wèi)星鐘的系統(tǒng)偏差可以消去接收機(jī)時(shí)鐘的誤差PikPljPijPjPlkPkSlSi可以消去軌道（星歷）誤差的影響可以削弱大氣折射對觀測值的影響組成星際站際兩次差分觀測值差分GPS定位原理>差分的作用第九十三頁，共113頁。*94三、差分GPS的種類

單基準(zhǔn)站差分；多基準(zhǔn)站的局部區(qū)域差分；廣域差分。差分GPS定位原理>差分GPS的種類第九十四頁，共113頁。*95四、差分技術(shù)提高定位精度的思路將一臺(tái)GPS接收機(jī)安置在基準(zhǔn)站上進(jìn)行觀測，根據(jù)基準(zhǔn)站已知精密坐標(biāo)，計(jì)算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，并由基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)地將這一改正數(shù)發(fā)送出去。用戶接收機(jī)在進(jìn)行GPS觀測的同時(shí)，也接收到基準(zhǔn)站的改正數(shù)，并將其定位結(jié)果進(jìn)行改正，從而提高定位精度。差分GPS定位原理>差分技術(shù)提高定位精度的思路第九十五頁，共113頁。8.4GPS測量誤差11/27/2022第九十六頁，共113頁。GPS測量誤差來源及其影響GPS測量通過地面接收設(shè)備接收衛(wèi)星傳送的信息來確定地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)。GPS定位中，影響觀測量精度的主要誤差來源分為三類：與衛(wèi)星有關(guān)的誤差。與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差。與接收設(shè)備有關(guān)的誤差。為了便于理解，通常均把各種誤差的影響投影到站星距離上，以相應(yīng)的距離誤差表示，稱為等效距離誤差。11/27/2022第九十七頁，共113頁。GPS測量誤差分類及其對距離影響（單位：m）第九十八頁，共113頁。按誤差性質(zhì)分類按誤差性質(zhì)可分為系統(tǒng)誤差與偶然誤差兩類。偶然誤差主要包括信號(hào)的多路徑效應(yīng);系統(tǒng)誤差主要包括衛(wèi)星的星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差以及大氣折射的誤差等。系統(tǒng)誤差無論從誤差的大小還是對定位結(jié)果的危害性都比偶然誤差要大得多，它是GPS測量的主要誤差源。系統(tǒng)誤差有一定的規(guī)律可循，可采取一定的措施加以消除。系統(tǒng)誤差是由于儀器本身不精確、或?qū)嶒?yàn)方法粗略、或?qū)嶒?yàn)原理不完善而產(chǎn)生的。偶然誤差是由各種偶然因素對實(shí)驗(yàn)者、測量儀器、被測物理量的影響而產(chǎn)生的。11/27/2022第九十九頁，共113頁。8.4.1與衛(wèi)星有關(guān)的誤差（1）衛(wèi)星鐘差GPS觀測量均以精密測時(shí)為依據(jù)。GPS定位中，無論碼相位觀測還是載波相位觀測，都要求衛(wèi)星鐘與接收機(jī)鐘保持嚴(yán)格同步。實(shí)際上，盡管衛(wèi)星上設(shè)有高精度的原子鐘，仍不可避免地存在鐘差和漂移，偏差總量約在1ms內(nèi)，引起的等效距離誤差可達(dá)300km。衛(wèi)星鐘的偏差一般可通過對衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測精確地確定，并用二階多項(xiàng)式表示：tj=a0+a1(t-t0e)+a2(t-t0e)2。式中的參數(shù)由主控站測定，通過衛(wèi)星的導(dǎo)航電文提供給用戶。11/27/2022第一百頁，共113頁。（2）衛(wèi)星軌道偏差：由于衛(wèi)星在運(yùn)動(dòng)中受多種攝動(dòng)力的復(fù)雜影響，而通過地面監(jiān)測站又難以可靠地測定這些作用力并掌握其作用規(guī)律，因此，衛(wèi)星軌道誤差的估計(jì)和處理一般較困難。目前，通過導(dǎo)航電文所得的衛(wèi)星軌道信息，相應(yīng)的位置誤差約20-40m。隨著攝動(dòng)力模型和定軌技術(shù)的不斷完善，衛(wèi)星的位置精度將可提高到5-10m。衛(wèi)星的軌道誤差是當(dāng)前GPS定位的重要誤差來源之一。11/27/2022第一百零一頁，共113頁。11/27/2022相對論效應(yīng)是由于衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘所處的狀態(tài)（運(yùn)動(dòng)速度和重力位）不同而引起衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘之間產(chǎn)生相對鐘誤差的現(xiàn)象。一臺(tái)在慣性坐標(biāo)系中頻率為f的鐘，安置在GPS衛(wèi)星上后，根據(jù)狹義相對論的觀點(diǎn)將產(chǎn)生df1=-0.835×10-10f的頻率偏差，根據(jù)廣義相對論的觀點(diǎn)，又將產(chǎn)生df2=5.284×10-10f的引力頻移，則總的相對論效應(yīng)影響為df=df1+df2=4.449×10-10f。

克服相對論效應(yīng)的簡單方法是，在廠家在制造衛(wèi)星鐘時(shí)預(yù)先將頻率降低4.449×10-10f，這樣當(dāng)衛(wèi)星鐘進(jìn)入軌道受到相對論效應(yīng)的影響后，其頻率正好變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)頻率。

（3）相對論效應(yīng)導(dǎo)致的誤差第一百零二頁，共113頁。8.4.2衛(wèi)星信號(hào)傳播誤差第一百零三頁，共113頁。11/27/2022對于GPS而言，衛(wèi)星的電磁波信號(hào)從信號(hào)發(fā)射天線傳播到地面GPS接收機(jī)天線，其傳播路徑并非真空，而是要穿過性質(zhì)與狀態(tài)各異、且不穩(wěn)定的大氣層，使