GPS衛(wèi)星定位基本原理

第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.1概述5.2偽距測量5.3載波相位測量5.4整周跳變的修復(fù)5.5GPS絕對定位與相對定位5.6美國的GPS政策5.7差分GPS定位原理第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.1概述1.測角交會法1)前方交會

2)惻方交會

3)后方交會

2.測邊交會法(距離交會)第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理測角交會法ABP側(cè)方交會前方交會ABPA、B和C點坐標(biāo)已知，P點坐標(biāo)未知后方交會PCAB第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理測邊（距）交會法PCABd1d2d3飛機輪船仍舊使用的一種導(dǎo)航定位方法如只有兩個無線電發(fā)射臺，可根據(jù)用戶接收機的概略位置交會出接收機的平面位置

無線電導(dǎo)航定位衛(wèi)星激光測距定位無線電發(fā)射臺或激光測距儀3.無線電接收機或衛(wèi)星1)ABC為三個無線電信號發(fā)射臺,坐標(biāo)已知2)P為用戶接收機3)采用無線電測距方法測得PAPBPC4)以ABC為球心,以三個長為半徑作出三個定位球面,即可交出接收機的平面位置第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.1概述PCABd1d2d31)P點為激光測距衛(wèi)星2)ABC為固定于地面上三個的衛(wèi)星激光測距儀(坐標(biāo)已知)3)確定出P點位置4)利用三個衛(wèi)星位置在地面上有第四個位置,利用所測定的三個空間距離交會出該地面點的位置4.近代衛(wèi)星大地測量(衛(wèi)星激光測距）第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.GPS衛(wèi)星定位的基本原理(1)觀測方程P點的三維坐標(biāo)（X，Y，Z）5.1概述1)內(nèi)容:應(yīng)用測距交會原理,利用三顆以上衛(wèi)星的已知空間位置交會出地面未知點的位置2).第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理3)GPS衛(wèi)星定位方法a.依據(jù)測距的原理劃分：

1）偽距法定位（測碼）

2）載波相位測量定位（測相）

3）差分GPS定位b.根據(jù)待定點的運動狀態(tài)劃分：

1）靜態(tài)定位(絕對)2）動態(tài)定位(相對)

c.獲得定位結(jié)果的時效(補充）

1)事后定位(靜態(tài))2)實時定位(RTK)5.GPS衛(wèi)星定位的基本原理(2)5.1概述第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.2偽距測量1.偽距：由衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號到達(dá)GPS接收機的傳播時間乘以光速所得出的量測距離。由于各種誤差的存在，與衛(wèi)星到測站的實際幾何距離有一定差值。2.兩種測量值：-C／A碼偽距誤差20---30米-P碼偽距誤差10米3.偽距定位法:由GPS接收機在某一時刻測出到達(dá)四顆以上GPS衛(wèi)星的偽距以及已知的衛(wèi)星位置，采用測距交會的方法求定接收機天線所在點的三維坐標(biāo)。4.特點1)適用于導(dǎo)航和低精度測量

2)定位速度快；

3)可作為載波相位測量中解決整波數(shù)不確定問題（模糊度）的輔助資料。第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.2.1偽距測量1.衛(wèi)星發(fā)出一個測距碼，該測距碼經(jīng)過τ時間后到達(dá)接收機；2.接收機產(chǎn)生一組結(jié)構(gòu)完全相同的測距碼—復(fù)制碼，并通過時延器使其延遲時間τ’；5.2偽距測量5.2.1.1偽距測量的方法第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理3.將兩組測距碼進(jìn)行相關(guān)處理，直到兩組測距碼的自相關(guān)系數(shù)R(τ’)=1為止，此時，復(fù)制碼已和測距碼對齊，復(fù)制碼的延遲時間τ’就等于衛(wèi)星信號的傳播時間τ；4.將τ’乘上光速c后即可求得衛(wèi)星至接收機的偽距。5.2.1.1偽距測量的方法(續(xù))5.2.1偽距測量第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.2.1.2為什么利用碼相關(guān)法測定偽距？為什么不利用碼的標(biāo)志來推算時延值？1.隨機誤差的存在：

每個測距碼在產(chǎn)生時；測距碼在傳播過程中由于外界干擾產(chǎn)生變形；復(fù)制碼在產(chǎn)生時。2.僅根據(jù)測距碼中的某一標(biāo)志來進(jìn)行量測會帶來較大誤差。利用碼相關(guān)技術(shù)在自相關(guān)系數(shù)R(τ’)=max的情況下來確定信號的傳播時間τ，實質(zhì)上是采用了多個碼特征來確定τ

，排除了隨機誤差的影響。5.2.1偽距測量第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.2.1.3偽距測量的原理(1)1.三種時間系統(tǒng)：1)各顆GPS衛(wèi)星的時間標(biāo)準(zhǔn)2)各臺GPS信號接收機的時間標(biāo)準(zhǔn)3)統(tǒng)一上述時間標(biāo)準(zhǔn)的GPS時間系統(tǒng)5.2.1偽距測量第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.2.1.3偽距測量的原理（2）偽噪聲碼從衛(wèi)星到接收天線的傳播時間：偽噪聲碼從衛(wèi)星到達(dá)接收天線的時元偽噪聲碼在其衛(wèi)星的發(fā)射時元5.2.1偽距測量2.第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.2.1.3偽距測量的原理（3）dt—衛(wèi)星時鐘相對于GPS時間系統(tǒng)的時間偏差（可根據(jù)導(dǎo)航電文求得）dT—接收機時鐘相對于GPS時間系統(tǒng)的時間偏差（接收機鐘差）5.2.1偽距測量第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.2.1.3偽距測量的原理（4）衛(wèi)星到接收天線的真實距離：衛(wèi)星到接收天線的“偽距（pseudorange）”：偽噪聲碼的真實傳播時間5.2.1偽距測量3：第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.2.1.3偽距測量的原理（5）4.考慮電離層/對流層影響的偽距值：C(dt–dT)—時鐘偏差引起的距離偏差dion電離層效應(yīng)引起的距離偏差dtrop對流層引起的距離偏差5.2.1偽距測量第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.2.2偽距定位觀測方程是衛(wèi)星在軌位置和用戶位置的函數(shù)，即：—第j顆衛(wèi)星在時元t

的三維坐標(biāo)，可從導(dǎo)航電文中求得—用戶接收天線在時元t

的三維坐標(biāo)，為待求的未知數(shù)第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理上式中有4個未知數(shù)（用戶三維坐標(biāo)和接收機的鐘差dT）。這樣在任何一個觀測瞬間，用戶至少需要同時觀測4顆衛(wèi)星，以便解算4個未知數(shù)。5.2.2偽距測量的基本方程（續(xù)）第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.3載波相位測量(1)1.偽距測量的不足：測距碼的碼元長度較長，因此量測精度較低。（對C/A碼而言精度3m左右，P碼約為30cm）2.如果把載波作為量測信號，載波的波長要短得多（L1=19cm，L2=24cm），比P碼碼元的長度小兩個數(shù)量級。對載波進(jìn)行相位測量，可以達(dá)到很高的精度。3.載波信號是一種周期性正弦信號，相位測量只能測定其不足一個波長的部分，因而存在著整周數(shù)不確定性的問題，使解算過程變得比較復(fù)雜。第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.3載波相位測量(2)4.重建載波：1)概念:將調(diào)制在載波上的測距碼和導(dǎo)航電文去掉，重新獲得載波。2)方法：

碼相關(guān)法：(1)方法:將所接收到的調(diào)制信號(衛(wèi)星信號)與接收機產(chǎn)生的復(fù)制碼相乘

(2)特點:局限制需了解碼的結(jié)構(gòu)優(yōu)點可獲得導(dǎo)航電文,可獲得全波長的載波,信號質(zhì)量好平方法

:(1)方法:將所接收到的調(diào)制信號(衛(wèi)星信號)自乘

(2)優(yōu)點無需了解碼的結(jié)構(gòu)缺點無法獲得導(dǎo)航電文,所獲載波波長為原來波長的一半,信號質(zhì)量較差第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.3載波相位測量(3)5.3.1載波相位測量原理5.3.2載波相位測量的觀測方程5.3.3整周未知數(shù)N0的確定第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.3.1載波相位測量原理k接收機在接收機鐘面時刻tk

時觀測j

衛(wèi)星所取得的相位觀測量k接收機在接收機鐘面時刻tk

時所產(chǎn)生的本地參考信號的相位值k接收機在接收機鐘面時刻tk

時所接收到的j

衛(wèi)星載波信號的相位值1.載波相位測量的觀測量

GPS接收機所接收的衛(wèi)星載波信號與接收機本振參考信號的相位差。2.第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理初始t0時刻，小于一周的相位差為0，其整周數(shù)為，則此時的相位觀測值為：3.第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理

任一時刻ti衛(wèi)星Sj到k接收機的相位差：整周數(shù)變化量整周模糊度（常數(shù)）三差法第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.3.2載波相位測量的觀測方程(1)

1.載波相位測量是接收機（天線）和衛(wèi)星位置的函數(shù)。只有得到了它們之間的函數(shù)關(guān)系，才能從觀測量中求解接收機（或衛(wèi)星）的位置。2.1)設(shè)在GPS標(biāo)準(zhǔn)時刻Ta（衛(wèi)星鐘時刻ta）衛(wèi)星Sj發(fā)射的載波信號相位為（ta），經(jīng)傳播延遲后，在GPS標(biāo)準(zhǔn)時刻Tb（接收機鐘時刻tb）到達(dá)接收機。

2)根據(jù)電磁波傳播原理，Tb時接收到的和Ta時發(fā)射時的相位不變，即j（Tb）

=j（ta）

3)在Tb時，載波相位觀測量為：=（tb）-j（Tb）

=（tb）-j（ta）第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.3.2載波相位測量的觀測方程(2)

4)考慮衛(wèi)星鐘差和接收機鐘差，有Ta=ta+ta,Tb=tb+tb,則：=（Tb-tb）-j（Ta-ta）(1)5)載波信號的相位與頻率的關(guān)系為:（t+t）=（t）+ft（2）6)將(2)代入(1)得=（Tb）-fitb-j（Ta）+fjta（3）

fi=fj=f7)Tb=Ta+，由公式（2），得：

Nkj+（Tb）=j（Ta）+f8)公式（3）可改寫為：=j（Ta）+f-ftb-j（Ta）+fta-Nkj=f-ftb+fta-

Nkj

（4）第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.3.2載波相位測量的觀測方程(3)

3.傳播延遲中考慮電離層和對流層的影響1和2

，則：

代入公式（4），得：第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.3.2載波相位測量的觀測方程(3)

f：接收機產(chǎn)生的固定參考頻率c:光速ρ：衛(wèi)星至接收機之間的距離（未知數(shù)）δρ1：電離層影響δρ2：對流層影響δta：衛(wèi)星鐘差δtb：接收機鐘差（未知數(shù)）4.1)接收機k對衛(wèi)星j的載波相位測量的觀測方程：第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.3.2載波相位測量的觀測方程(4)由于=c/f，則上式為：兩邊同乘λ,得:2)偽距測量與載波相位測量的觀測方程的聯(lián)系第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.3.3整周未知數(shù)N0的確定

靜態(tài)方法動態(tài)方法第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.3.3.1靜態(tài)方法偽距法經(jīng)典方法多普勒法快速測定整周未知數(shù)法(FARA)Fastambiguityresolutionapproach第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理一偽距法2.將載波相位測量的觀測值(化為以距離為單位)減去偽距實際觀測值后即可得到λ·No。3.由于偽距測量的精度較低，所以要有較多的λ·No取平均值后才能獲得正確的整波段數(shù)。所以，得5.3.3.1靜態(tài)方法1.第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理二經(jīng)典方法

將整周未知數(shù)當(dāng)做平差中的待定參數(shù)一)整數(shù)解二)實數(shù)解5.3.3.1靜態(tài)方法第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理二經(jīng)典方法—整數(shù)解1.短基線定位時一般采用這種方法。2具體步驟：

1)首先根據(jù)衛(wèi)星位置和修復(fù)了周跳后的相位觀測值進(jìn)行平差計算，求得基線向量和整周未知數(shù)。

2)解得的整周未知數(shù)是一個實數(shù)，將其固定為整數(shù)(四舍五入法)，并重新進(jìn)行平差計算。

3)在計算中整周未知數(shù)采用整周值并視為已知數(shù)，以求得基線向量的最后值。5.3.3.1靜態(tài)方法第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理二經(jīng)典方法—實數(shù)解1.基線較長時采用這種方法。2.具體步驟類似整數(shù)解方法，區(qū)別在于解得的整周未知數(shù)是一個實數(shù)。注:采用經(jīng)典方法時，需要較長的觀測時間，影響了作業(yè)效率，所以只有在高精度定位領(lǐng)域中才應(yīng)用5.3.3.1靜態(tài)方法第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理三多普勒法（三差法）1.由于連續(xù)跟蹤的所有載波相位觀測值中均含有相同的整周未知數(shù)N0，所以將相鄰兩個觀測歷元的載波相位相減，就可消去N0，從而解出坐標(biāo)。然后再根據(jù)坐標(biāo)值求解N0

。5.3.3.1靜態(tài)方法2.1)tm時刻衛(wèi)星Sj到k接收機的相位差：(1)2)tn時刻衛(wèi)星Sj到k接收機的相位差：(2)公式（1）-（2），即可消除N03.兩個歷元間的載波相位觀測值之差受接收機鐘及衛(wèi)星鐘的隨機誤差影響，所以精度不太好，往往用來求整周數(shù)的初始值。第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理1.1990年E．Frei和G．Beutler提出2.基本思路：

1)利用初始平差的解向量及其精度信息，以參數(shù)估計和統(tǒng)計假設(shè)檢驗為基礎(chǔ)，確定在某一置信區(qū)間內(nèi)N0的可能的整數(shù)解的組合；

2)依次將N0的每一組合作為已知值，重復(fù)進(jìn)行平差計算。使估值的驗后平差或方差和為最小的一組N0

，即為最佳估值。

3)利用這種方法進(jìn)行短基線定位時，利用雙頻接收機只須觀測一分鐘即可確定整周未知數(shù)

此方法已在快速靜態(tài)定位中得到了廣泛應(yīng)用四快速確定整周未知數(shù)法(FARA)Fastambiguityresolutionapproach第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理補充靜態(tài)法的不足使用靜態(tài)方法時，一旦對所測衛(wèi)星失鎖，則接收機載體必須停下來，重新確定整周未知數(shù)，嚴(yán)重限制了載波相位觀測法在高精度動態(tài)定位中的有效應(yīng)用。第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.3.3.2動態(tài)初始化法AROFAmbiguityresolutiononthefly1993年徠卡公司開發(fā)成功基本思想：

根據(jù)接收機在運動過程中對載波信號的短時間觀測值，與參考站的同步觀測值一起，利用快速解算法確定N0。然后利用逆向求解方法來確定載體在上述短時間內(nèi)的瞬時位置。第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理動態(tài)初始化法的特點在載體的運動過程中，所觀測的衛(wèi)星一旦失鎖，為確定整周未知數(shù)，運動載體不需停下來重新進(jìn)行初始化工作。已在短距離（<10km）的實時動態(tài)相對定位中，得到了成功應(yīng)用，定位精度可達(dá)厘米級。第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理作業(yè)GPS衛(wèi)星定位的基本原理是什么？2.什么叫偽距？偽距測量的特點有哪些？3.為什么采用碼相關(guān)法測定偽距？4.解釋重建載波，主要方法有哪些？各有什么優(yōu)缺點？5.在載波相位測量中，確定整周未知數(shù)主要有哪些方法？

第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.4整周跳變的修復(fù)5.4.1屏幕掃描法5.4.2用高次差或多項式擬合法5.4.3在衛(wèi)星間求差法5.4.4用雙頻觀測值修復(fù)周跳5.5.5根據(jù)平差后的殘差發(fā)現(xiàn)和修復(fù)整周跳變第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.4.1

整周跳變的修復(fù)任一時刻ti衛(wèi)星Sj到k接收機的相位差不足一周的相位差ti

時刻的整周數(shù)第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理周跳的含義

在跟蹤衛(wèi)星過程中，由于某種原因，使得計數(shù)器無法連續(xù)計數(shù)。當(dāng)信號重新被跟蹤后，整周計數(shù)就不正確，但是不到一個整周的相位觀測值仍是正確的。這種現(xiàn)象稱為整周跳變，簡稱周跳。第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理周跳的含義（續(xù)）1.如果是因為電源的故障或振蕩器本身的故障使信號暫時中斷，那么中斷前后信號本身失去了連續(xù)性。恢復(fù)正常工作后的觀測值中不但整周計數(shù)不正確，不足整周的部分也不對。這時，修復(fù)周跳沒有什么意義。2.必須將資料分為兩個時段，各設(shè)一個整周未知數(shù)單獨進(jìn)行處理。第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理整周跳變的修復(fù)方法

5.4.1屏幕掃描法5.4.2用高次差或多項式擬合法5.4.3在衛(wèi)星間求差法5.4.4用雙頻觀測值修復(fù)周跳5.4.5根據(jù)平差后的殘差發(fā)現(xiàn)和修復(fù)整周跳變第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.4.1屏幕掃描法

作業(yè)員在計算機屏幕前依次對每個站、每個時段、每顆衛(wèi)星的相位觀測值的變化率的圖像進(jìn)行逐段檢查，觀測其是否連續(xù)。如果出現(xiàn)不規(guī)則的突然變化，說明出現(xiàn)了周跳現(xiàn)象。手工編輯修復(fù)。第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.4.2用高次差或多項式擬合法5.4.2.1.高次差法：1.依據(jù)：該方法是根據(jù)有周跳現(xiàn)象的發(fā)生將會破壞載波相位測量的觀測值Int（Φ）+△Φ隨時間而有規(guī)律變化的特性來探測的2.方法：在相鄰的觀測值間依次求差（一次差、二次差、…、五次差），檢查是否出現(xiàn)異常。3.缺點：用求差法一般難于探測出只有幾周的小周跳，可用曲線擬合方法即可第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.4.2用高次差或多項式擬合法（續(xù)）5.4.2.2多項式擬合法：根據(jù)幾個相位觀測量擬合一個n階多項式，據(jù)此預(yù)估下一個觀測值，并與實測值比較，從而來發(fā)現(xiàn)周跳并修正整周計數(shù)。第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.4.2用高次差或多項式擬合法（續(xù)）用高次差檢查周跳高次差具有隨機特性，無周跳現(xiàn)象存在。第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.4.2用高次差或多項式擬合法（續(xù)）歷元t5觀測值有周跳，使四次差產(chǎn)生異常。用高次差檢查周跳（續(xù)）第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.4.3在衛(wèi)星間求差法

由于每顆衛(wèi)星的載波相位觀測值受到接收機振蕩器的隨機誤差的影響相同，所以在衛(wèi)星間求差即可消除接收機振蕩器的隨機誤差引起的周跳誤差第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.4.4用雙頻觀測值修復(fù)周跳1.又稱電離層殘差法2.對雙頻載波相位觀測值進(jìn)行組合運算，同時考慮電離層折射改正，結(jié)果中只剩下整周數(shù)之差和電離層折射的殘差項。利用此結(jié)果即可探測周跳。第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.4.4用雙頻觀測值修復(fù)周跳（續(xù)）雙頻接收機的兩個載波頻率的相位觀測量：考慮到電離層折射改正則有：已消去距離項和鐘差項，以及對流層改正項。只剩整周數(shù)之差與電離層折射的殘差項（值很?。?。第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.4.4用雙頻觀測值修復(fù)周跳（續(xù)）優(yōu)點：

-中只涉及頻率，取決于電離層殘差影響，無須預(yù)先知道測站和衛(wèi)星坐標(biāo)。缺點：

1.如果兩個載波相位觀測值中都出現(xiàn)周跳，則無法采用此方法。

2.不能顧及多路徑效應(yīng)和測量噪聲的影響。第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.4.5根據(jù)平差后的殘差發(fā)現(xiàn)和修復(fù)周跳1.經(jīng)過上述處理的觀測值中還可能存在一些小周跳,修復(fù)后的周跳可能會引入1~2周的偏差。2.對修復(fù)后的觀測值進(jìn)行平差計算，求得各觀測值的殘差。有周跳的觀測值會出現(xiàn)很大的殘差。第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.5GPS絕對定位與相對定位A1.GPS絕對定位也叫單點定位，即直接確定用戶接收機天線在WGS-84坐標(biāo)系中相對于坐標(biāo)系原點——地球質(zhì)心的絕對位置。第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.5GPS絕對定位與相對定位2.絕對定位實質(zhì)：應(yīng)用測距交會的原理，利用三顆以上衛(wèi)星的已知空間位置交會出地面未知點（用戶接收機）的在WGS-84坐標(biāo)系中的位置。第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.5GPS絕對定位與相對定位

靜態(tài)動態(tài)：偽距法3絕對定位

偽距法（測碼）載波相位測量（測相）載波相位測量較難應(yīng)用于動態(tài)絕對定位中的原因：載體在運動過程中，要保持對所測相同衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤，技術(shù)上有一定困難動態(tài)解算整周未知數(shù)的方法，其應(yīng)用尚有一定的局限第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.5GPS絕對定位與相對定位4.受衛(wèi)星軌道誤差、鐘差以及信號傳播誤差等影響，定位精度較低

-靜態(tài)絕對定位精度約為米級

-動態(tài)絕對定位精度為10~40m第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.5GPS絕對定位與相對定位B相對定位1.定義：是至少用兩臺GPS接收機，同步觀測相同的GPS衛(wèi)星，確定兩臺接收機天線之間的相對位置（坐標(biāo)差）2.它是目前GPS定位中精度最高的一種定位方法3.應(yīng)用范圍：精密導(dǎo)航、大地測量、精密工程測量、地球動力學(xué)研究等第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.5GPS絕對定位與相對定位5.5.1靜態(tài)絕對定位5.5.2靜態(tài)相對定位第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.5.1靜態(tài)絕對定位5.5.1.1偽距法絕對定位5.5.1.2偽距法絕對定位的解算5.5.1.3應(yīng)用載波相位觀測值進(jìn)行靜態(tài)絕對定位5.5.1.4絕對定位精度評價第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.5.1靜態(tài)絕對定位注：上式中有4個未知數(shù)（用戶三維坐標(biāo)和接收機的鐘差dT）。在任何一個觀測瞬間，用戶至少需要同時觀測4顆衛(wèi)星，以便解算4個未知數(shù)。1.觀測方程：5.5.1.1偽距法絕對定位第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.5.1.1偽距法絕對定位令(X0

Y0

Z0)T，(xyz)T分別為測站坐標(biāo)的近似值與改正數(shù)。令其中：偽距觀測方程的線性化形式：2.觀測方程的線性化：5.5.1靜態(tài)絕對定位第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.5.1.2偽距法絕對定位的解法1利用最小二乘原理（通過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）求解測站坐標(biāo)的改正數(shù)(xyz)。

2是一個迭代的過程。將每次計算出的坐標(biāo)和鐘差作為初始值，重新代入進(jìn)行解算。直到結(jié)果符合一定閾值。注：具體解算看書5.5.1靜態(tài)絕對定位第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.5.1.3應(yīng)用載波相位觀測值進(jìn)行靜態(tài)絕對定位f：接收機產(chǎn)生的固定參考頻率c:光速ρ：衛(wèi)星至接收機之間的距離（未知數(shù)）

:整周未知數(shù)（未知數(shù)）δρ1：電離層影響δρ2：對流層影響δta：衛(wèi)星鐘差δtb：接收機鐘差（未知數(shù)）1.接收機k對衛(wèi)星j的載波相位測量的觀測方程：5.5.1靜態(tài)絕對定位第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.5.1.3應(yīng)用載波相位觀測值進(jìn)行靜態(tài)絕對定位2.將觀測方程線性化3.利用最小二乘原理求解測站坐標(biāo)、接收機鐘差、整周未知數(shù)4.由于存在整周未知數(shù)問題，在觀測4顆衛(wèi)星的情況下，至少必須3個歷元，對相同的衛(wèi)星進(jìn)行同步觀測5.精度高于偽距法靜態(tài)絕對定位

整周未知數(shù)－＞固定解/實數(shù)解6.解算結(jié)果可為相對定位的參考站提供較為精密的起始坐標(biāo)第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.5.1.4絕對定位精度評價1.DOP值的性質(zhì)

a用于單點定位時，所觀測衛(wèi)星的數(shù)量與分布有關(guān)，它表示的是定位的幾何條件

b它的值越小，定位的幾何條件越好。2.GPS絕對定位精度主要取決于

1）衛(wèi)星分布的幾何條件

2）觀測量的精度

3.精度因子看書

4.精度因子的數(shù)值與所觀測衛(wèi)星的幾何分布有關(guān)第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.5.1.4絕對定位精度評價一般地，六面體體積越大，GDOP值越小精度高接收機GDOP較小接收機GDOP較大第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理選星問題實際觀測中，為了減弱大氣折射的影響，所測衛(wèi)星的高度角不能過低。在這一條件下，盡可能使衛(wèi)星與測站構(gòu)成的六面體體積最大。理論分析表明：在觀測四顆星時，任意兩方向之間的夾角為109度時，其六面體的體積最大?？捎捎脩艚邮赵O(shè)備自動完成。第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理單點定位的誤差源及應(yīng)對方法衛(wèi)星星歷精密星歷衛(wèi)星鐘差精密鐘差、地面跟蹤電離層延遲雙頻改正對流層延遲模型改正補充第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理精密單點定位精密單點定位PPP–PrecisePointPositioning特點主要觀測值為載波相位采用精密的衛(wèi)星軌道和鐘數(shù)據(jù)采用復(fù)雜的模型定位精度亞分米級用途全球高精度測量衛(wèi)星定軌補充第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理1.概念：用兩臺GPS接收機分別安置在基線的兩端，同步觀測相同的GPS衛(wèi)星，以確定兩臺接收機天線之間的相對位置（坐標(biāo)差）。5.5.2靜態(tài)相對定位第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.5.2靜態(tài)相對定位

靜態(tài)：載波相位測量（測相）

動態(tài)相對定位

偽距法（測碼）載波相位測量2.特點：1）可以消除許多相同或相近的誤差，定位精度高

2）廣泛應(yīng)用于大地測量、精密工程測量、地球動力學(xué)的研究和精密導(dǎo)航3.分類第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.5.2靜態(tài)相對定位4.1）在高精度靜態(tài)相對定位中，當(dāng)僅有兩臺接收機時，一般應(yīng)考慮將單獨測定的基線向量聯(lián)結(jié)成向量網(wǎng)（三角網(wǎng)或?qū)Ь€網(wǎng)），以增強幾何強度，改善定位精度。

2）當(dāng)有多臺接收機時，應(yīng)采用網(wǎng)定位方式，可檢核和控制多種誤差對觀測量的影響，明顯提高定位精度。第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理作業(yè)1.什么是周跳？它是如何產(chǎn)生的？修復(fù)的方法有哪些？2.如何評價絕對定位的精度？3.一次差、二次差、三次差分別能消除什么誤差？第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.6美國的GPS政策5.6.1美國的SA和AS政策5.6.2針對SA和AS政策的政策5.6.3GPS現(xiàn)代化計劃第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.6.1SA和AS政策1.GPS衛(wèi)星發(fā)射的測距碼：

1）P碼精密定位服務(wù)（PPS）精度10米軍用、得到特許的部門

2）C/A碼標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS）精度20—30米民用AS政策后100米1989.11~1990.9：“SA”和“AS”實驗1991.7：實施SA技術(shù)第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.6.1.1SA（SelectiveAvailability）技術(shù)1.SA技術(shù)稱有選擇可用性技術(shù)2.目的：降低非特許用戶GPS實時定位精度

水平定位精度100米高程定位精度140米定時精度340納秒3.主要內(nèi)容：

1）廣播星歷：對衛(wèi)星基準(zhǔn)頻率使用δ技術(shù)，降低星歷精度；

2）在衛(wèi)星鐘的鐘頻信號中加高頻抖動（ε技術(shù)）第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.6.1.1SA（SelectiveAvailability）技術(shù)（續(xù)）4現(xiàn)狀補充

1）2001年5月1日下午，美國宣布取消SA政策2）隨著GPS系統(tǒng)的增強，第二頻率上蔣發(fā)播C/A碼偽距，增強第三頻率，衛(wèi)星鐘差和電離層延時的影響進(jìn)一步減小。雙頻單點定位精度可達(dá)12米。第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.6.1.2AS（Anti-Spoofing）技術(shù)1.反電子欺騙技術(shù)2.將P碼與保密的W碼相加成Y碼，Y碼嚴(yán)格保密。3.目的：防止敵方使用P碼進(jìn)行精密導(dǎo)航定位。第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.6.1.3SA和AS技術(shù)對定位的影響1.降低單點定位精度2.降低長距離相對定位精度3.AS技術(shù)給確定整周未知數(shù)帶來不便是否實施SA政策，可以從導(dǎo)航電文中的測距精度（URA）中判別（書上例子）第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.6.1.2針對SA和AS政策的政策1.應(yīng)用P-W技術(shù)和L1與L2交叉相關(guān)技術(shù)2研制能同時接收GPS和GLONASS信號的接收機3發(fā)展DGPS和WADGPS差分GPS系統(tǒng)4建立獨立的GPS衛(wèi)星測軌系統(tǒng)5建立獨立的衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理應(yīng)用P-W技術(shù)和L1與L2交叉相關(guān)技術(shù)目的：使L2載波相位觀測值得到恢復(fù)，其精度與使用P碼相同P-W技術(shù)：將接收到的L1和L2信號和接收機生成的以原P碼信號為基礎(chǔ)的人工復(fù)制信號相關(guān)，并將頻帶寬度降低得到密碼帶寬，便可獲知W碼的估值，將上述接收到的信號減去W碼估值，恢復(fù)P碼L1與L2交叉相關(guān)技術(shù)：可辨認(rèn)Y1-Y2的值，進(jìn)一步得到L2碼偽距第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理研制能同時接收GPS和GLONASS信號的接收機GLONASS無SA技術(shù)，定位精度高于GPS接收機第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理發(fā)展DGPS和WADGPS差分GPS系統(tǒng)已在不少國家和地區(qū)得到了發(fā)展定位精度達(dá)厘米級應(yīng)用領(lǐng)域廣泛第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理建立獨立的GPS衛(wèi)星測軌系統(tǒng)利用GPS衛(wèi)星，建立獨立的跟蹤系統(tǒng)，以精密地測定衛(wèi)星軌道，為用戶提供精密星歷服務(wù)加拿大、澳大利亞和歐洲的一些國家在實施建立區(qū)域性或全球精密測軌系統(tǒng)的計劃以美國為首從1986年開始建立的國際合作GPS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)（CIGNET）第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理建立獨立的衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)GLONASS、伽俐略計劃、北斗計劃技術(shù)復(fù)雜、耗資巨大第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理GPS現(xiàn)代化計劃

增加民用信號改善現(xiàn)有信號克服大氣層效應(yīng)改善地面設(shè)施開發(fā)第三代GPS衛(wèi)星第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理增加民用信號民用空間信號：標(biāo)準(zhǔn)精度服務(wù)SPS1998年美國副總統(tǒng)戈爾宣布在L2=1227.6MHz頻率上廣播第二民用信號2005年在L5=1176.45MHz上廣播第三民用信號對于單點定位的用戶，利用第二和第三民用信號改善定位精度，提高信號的可用性和服務(wù)的連續(xù)性第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理軍用信號保護(hù)作戰(zhàn)區(qū)內(nèi)的軍用服務(wù)，防止敵方使用GPS服務(wù)，保存區(qū)域外的民用服務(wù)軍用PPS服務(wù)中提供新的軍用M碼，比現(xiàn)有的P碼功率大第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理改善現(xiàn)有信號為了提高對歐盟GNSS定位系統(tǒng)的競爭力，2000年5月2日，克林頓總統(tǒng)宣布：即日起停止SA技術(shù)用戶可得到優(yōu)于22m的水平SPS定位精度第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理克服大氣層效應(yīng)使用L2C/A碼與L1相結(jié)合，使電離層誤差從7.0m降低到0.1m第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理改善地面設(shè)施改善地面控制設(shè)備，提高對GPS衛(wèi)星的監(jiān)測能力，使控制網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定，提高定位精度第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理差分定位靜態(tài)定位中：相對定位動態(tài)定位中：差分定位講授內(nèi)容5.7差分GPS定位原理第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理兩臺GPS接收機分別安置在基線的兩端，同步觀測相同的GPS衛(wèi)星，以確定兩臺接收機天線之間的相對位置（坐標(biāo)差）。GPS相對定位第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理

一個測站上對兩個目標(biāo)的觀測值；兩個測站上對同一目標(biāo)的觀測值；一個測站上對一個目標(biāo)的兩次觀測值；

…利用求差后的觀測值解算兩觀測站間的基線向量。差分技術(shù)在相對定位中的運用第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理“(DGPS)DifferentialGPS”至少需兩臺接收機，分別在運動載體和基準(zhǔn)站上。兩臺接收機同步觀測一組衛(wèi)星，基準(zhǔn)接收機為動態(tài)接收機提供差分改正數(shù)（DGPS數(shù)據(jù)），動態(tài)接收機根據(jù)自己的觀測值和差分改正數(shù)，精確解算用戶的三維坐標(biāo)。第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理基準(zhǔn)接收機動態(tài)接收機DGPS數(shù)據(jù)鏈基準(zhǔn)接收機的DGPS數(shù)據(jù)無線電發(fā)送機，與動態(tài)接收機的DGPS數(shù)據(jù)無線電接收機，構(gòu)成了DGPS數(shù)據(jù)鏈差分改正數(shù)第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理DGPS數(shù)據(jù)鏈的組成調(diào)制解調(diào)器無線電電臺通過RS-232-C接口與信號接收機相連GPS信號接收機RS-232-C接口調(diào)制解調(diào)器無線電發(fā)射機基準(zhǔn)站上的DGPS數(shù)據(jù)鏈第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理RS-232-C接口數(shù)據(jù)終端設(shè)備和數(shù)據(jù)通信設(shè)備間的串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換的接口在基準(zhǔn)站上：將DGPS數(shù)據(jù)送到調(diào)制解調(diào)器在動態(tài)站上：從調(diào)制解調(diào)器取得DGPS數(shù)據(jù)，并送到信號接收機第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理調(diào)制解調(diào)器在基準(zhǔn)站上：將DGPS數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，進(jìn)而將其調(diào)制在載波上，送到無線電發(fā)射機在動態(tài)站上：從已調(diào)波中解調(diào)出DGPS數(shù)據(jù)，通過RS-232-C接口送到信號接收機GPS信號接收機RS-232-C接口調(diào)制解調(diào)器無線電發(fā)射機第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理無線電收發(fā)機在基準(zhǔn)站上：無線電發(fā)射機以電磁波的形式將DGPS數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶在動態(tài)站上：接收DGPS數(shù)據(jù)第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理

基準(zhǔn)站基準(zhǔn)站坐標(biāo)(X0,Y0,Z0)L1、L2(P’、INT、Frd（φ）)流動站第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理差分GPS技術(shù)可以消除的誤差1.多臺接收機公有的誤差（可完全消除）

-衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差2.傳播延遲誤差（大部分消除）

-電離層誤差、對流層誤差3.接收機固有的誤差

-內(nèi)部噪聲、通道延遲誤差、多路徑效應(yīng)第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理差分GPS分類（一）按數(shù)據(jù)處理方式：實時DGPS測量后處理DGPS測量如：GPS航空攝影測量技術(shù)第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理差分GPS分類（二）5.7.1單基準(zhǔn)站GPS差分5.7.2局部區(qū)域差分5.7.3廣域差分

位置差分偽距差分載波相位差分第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.7.1.單站GPS的差分5.7.1.1位置差分5.7.1.2偽距差分5.7.1.3載波相位差分第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理1.原理1)計算基準(zhǔn)站的精密坐標(biāo)與觀測坐標(biāo)的改正數(shù)；2)基準(zhǔn)站發(fā)送坐標(biāo)改正數(shù)，用戶接收機接收其并對自身觀測值進(jìn)行修正。5.7.1.1位置差分第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.7.1.1位置差分2.計算步驟

1）基準(zhǔn)站的精密坐標(biāo)已知（X0，Y0，Z0），在基準(zhǔn)站上的接收機測得的坐標(biāo)為（X，Y，Z）（包含各種誤差），所以，坐標(biāo)改正數(shù)為：2）基準(zhǔn)站用數(shù)據(jù)鏈將改正數(shù)發(fā)送出去，用戶接收機在解算時加上改正數(shù)：經(jīng)過改正后的坐標(biāo)：第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理3位置差分的特點優(yōu)點：

-消去了基準(zhǔn)站和用戶站共同的誤差

-基準(zhǔn)接收機只需向動態(tài)用戶發(fā)送三個DGPS數(shù)據(jù)，易于實施數(shù)據(jù)傳輸

-計算簡單，適用于各種型號接收機。缺點：

-基準(zhǔn)站與用戶須觀測同一組衛(wèi)星，距離較長時難以滿足。

-隨著站間距離的加長，動態(tài)用戶的位置測量精度逐漸降低5.7.1.1位置差分第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.7.1.2偽距差分1.原理根據(jù)基準(zhǔn)站精確坐標(biāo)和測出的衛(wèi)星地心坐標(biāo)，求出衛(wèi)星至基準(zhǔn)站的真正距離，計算偽距改正數(shù)及其變化率；用戶根據(jù)偽距改正數(shù)及其變化率求出改正后的偽距，計算用戶接收機坐標(biāo)。第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理2.計算步驟1）根據(jù)基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)（X0,Y0,Z0）和觀測到的衛(wèi)星星歷,計算每顆衛(wèi)星每一時刻到基準(zhǔn)站的真實距離，如下：偽距改正數(shù)為：其變化率為：偽距5.7.1.2偽距差分第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理5.7.1.2偽距差分2）基準(zhǔn)站將j和dj發(fā)送給用戶，用戶在測出的偽距j上加上改正，求出經(jīng)改正后的偽距：然后按下式計算坐標(biāo)：用戶接收機鐘差接收機噪聲第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理3C/A碼偽距的單點定位和DGPS測量的精度估值比較第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理4.偽距差分定位精度高的原因消除了GPS衛(wèi)星時鐘偏差的精度損失（用戶接收機計算出的偽距同偽距改正數(shù)中的鐘差相互抵消）能夠顯著減小甚至消除電離層/對流層效應(yīng)和星歷誤差的精度損失5.7.1.2偽距差分第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理優(yōu)點：

基準(zhǔn)接收機發(fā)送的DGPS數(shù)據(jù)，是所有在視衛(wèi)星的偽距改正數(shù)，動態(tài)接收機只需選用其中4顆以上的偽距改正值。缺點：

精度隨基準(zhǔn)站到用戶的距離增加而降低。5.偽距差分的特性5.7.1.2偽距差分第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理1RTK（RealTimeKinematic）技術(shù)2實時處理兩個觀測站載波相位觀測量的差分方法。3分類修正法（準(zhǔn)RTK）：將基準(zhǔn)接收機的載波相位修正值發(fā)送給用戶，改正用戶接收到的載波相位，再解求坐標(biāo)差分法（真RTK）：將基準(zhǔn)接收機的載波相位發(fā)送給用戶，進(jìn)行求差解算坐標(biāo)5.7.1.3載波相位差分第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理4載波相位差分觀測量方程RTK的工作原理5.7.1.3載波相位差分第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理靜態(tài)方法動態(tài)方法載波相位差分求解的關(guān)鍵起始相位模糊度的確定第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理靜態(tài)法偽距法經(jīng)典方法多普勒法快速確定法需要對GPS衛(wèi)星的靜態(tài)觀測來實現(xiàn)第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理偽距法將載波相位測量的觀測值(化為以距離為單位)減去偽距實際觀測值后即可得到λ·No。由于偽距測量的精度較低，所以要有較多的λ·No取平均值后才能獲得正確的整波段數(shù)。所以，得第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理經(jīng)典方法

將整周未知數(shù)當(dāng)做平差中的待定參數(shù)

整數(shù)解實數(shù)解第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理多普勒法（三差法）由于連續(xù)跟蹤的所有載波相位觀測值中均含有相同的整周未知數(shù)N0，所以將相鄰兩個觀測歷元的載波相位相減，就可消去N0，從而解出坐標(biāo)。然后再根據(jù)坐標(biāo)值求解N0

。第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理快速確定整周未知數(shù)法1990年E．Frei和G．Beutler提出基本思路：利用初始平差的解向量及其精度信息，以參數(shù)估計和統(tǒng)計假設(shè)檢驗為基礎(chǔ)，確定在某一置信區(qū)間內(nèi)N0的可能的整數(shù)解的組合；依次將N0的每一組合作為已知值，重復(fù)進(jìn)行平差計算。使估值的驗后平差或方差和為最小的一組N0

，即為最佳估值。第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理單站差分技術(shù)的局限測量精度隨著站間距離的增加而降低如：采用偽距法DGPS測量，站間距離為500km時，用戶定位誤差為12.2m；站間距離為600km時，用戶定位誤差為14.4m第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理克服單站差分技術(shù)的局限局部區(qū)域差分（LADGPS）廣域差分（WADGPS）第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理局部區(qū)域差分（LADGPS）在局部區(qū)域布設(shè)差分GPS網(wǎng)，該網(wǎng)由若干個基準(zhǔn)站組成，通常還包含一個或數(shù)個監(jiān)控站。位于區(qū)域中的用戶根據(jù)多個基準(zhǔn)站提供的改正信息，經(jīng)平差后求得自己的改正數(shù)。第五章GPS衛(wèi)星定位基本原理局部區(qū)域差分（續(xù)）用戶接收機通常采用加權(quán)平均法或最小方差法對來自多個基準(zhǔn)站的改正信息進(jìn)行平差計算，求得自己的坐標(biāo)改正數(shù)或距離改正數(shù)用戶與基準(zhǔn)站之間的距離一般在500km以