GPS衛(wèi)星定位基本原理

第五章

GPS衛(wèi)星定位基本原理2024/5/2925.GPS衛(wèi)星定位基本原理5.1概述5.2偽距測量（重點）5.3載波相位測量（重點和難點）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（重點和難點）2024/5/2935.1概述2024/5/294測距交會如圖所示，A、B為坐標(biāo)已知的控制點，P為待求點，在A、B兩點已分別利用全站儀測了距離Sa和Sb。2024/5/295無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)設(shè)想在地面上有三個無線電信號發(fā)射臺，其坐標(biāo)為已知，用戶接收機(jī)在某一時刻采用無線電測距的方法分別測得了接收機(jī)至三個發(fā)射臺的距離d1、d2、d3。只需以三個發(fā)射臺為球心，以d1、d2、d3為半徑作出三個定位球面，即可交會出用戶接收機(jī)的空間位置。2024/5/296無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)如果只有兩個無線電發(fā)射臺，則可根據(jù)用戶接收機(jī)的概略位置交會出接收機(jī)的平面位置。2024/5/297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)星是在不停地運動中，但總可以利用固定于地面上的三個已知點上的衛(wèi)星激光測距儀同時測定某一時刻至衛(wèi)星的空間距離，應(yīng)用測距交會的原理便可確定該時刻衛(wèi)星的空間位置。2024/5/298GPS定位基本原理將無線電信號發(fā)射臺從地面電搬到衛(wèi)星上，組成一顆衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，應(yīng)用無線電測距交會原理，便可由三個以上地面已知點交會出衛(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出地面未知點的位置。這便是GPS衛(wèi)星定位的基本原理。演示動畫2024/5/299GPS定位基本原理GPS衛(wèi)星發(fā)射測距信號和導(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)在某一時刻同時接收三顆以上的衛(wèi)星信號，測量出測站點(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刻衛(wèi)星的空間坐標(biāo)，據(jù)此利用距離交會法解算出測站點P的位置。2024/5/2910GPS定位基本原理如圖所示，設(shè)在時刻t在測站點P用GPS接收機(jī)同時測得P點至三顆GPS衛(wèi)星的距離，通過GPS電文解譯出該時刻三顆GPS衛(wèi)星的三維坐標(biāo)，用距離交會的方法求得P點的三維坐標(biāo)。2024/5/2911GPS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:2024/5/29121、根據(jù)定位所采用的觀測值1)偽距定位2)載波相位定位2024/5/29132、根據(jù)定位時接收機(jī)的運動狀態(tài)靜態(tài)定位對于固定不動的待定點，將GPS接收機(jī)安裝在上面，觀測數(shù)分鐘乃至更長的時間，以確定該點的三維坐標(biāo)。2024/5/29142、根據(jù)定位時接收機(jī)的運動狀態(tài)動態(tài)定位至少有一臺接收機(jī)處于運動狀態(tài)，測定的是各觀測時刻運動中的接收機(jī)的點位。2024/5/29153.根據(jù)定位的模式絕對定位獨立確定待定點在坐標(biāo)系統(tǒng)中的絕對位置的方法稱為絕對定位或單點定位。2024/5/29163.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)星信號的若干臺接收機(jī)之間的相對位置的一種定位方法。2024/5/29173.根據(jù)定位的模式差分定位在基準(zhǔn)點上觀測求得大氣折射等改正，并及時發(fā)送給流動站，流動站用收到的改正數(shù)對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行改正，得精確點位。2024/5/29184.根據(jù)獲取定位結(jié)果的時間實時定位實時定位是根據(jù)接收機(jī)觀測到的數(shù)據(jù)，實時地解算出接收機(jī)天線所在的位置。2024/5/29194.根據(jù)獲取定位結(jié)果的時間非實時定位非實時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。2024/5/2920小結(jié)2024/5/29215.2偽距測量2024/5/29225.2偽距測量定義偽距法定位是由GPS接收機(jī)在某一時刻測出得到四顆以上GPS衛(wèi)星的偽距以及己知的衛(wèi)星位置，采用距離交會的方法求定接收機(jī)天線所在點的三維坐標(biāo)。2024/5/29235.2偽距測量所測偽距就是由衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號到達(dá)GPS接收機(jī)的傳播時間乘以光速所得出的量測距離。演示動畫2024/5/29245.2偽距測量由于衛(wèi)星鐘、接收機(jī)鐘的誤差以及無線電信號經(jīng)過電離層和對流層的延遲，實際測出的距離ρ’與衛(wèi)星到接收機(jī)的幾何距離ρ有一定差值，因此稱量測出的距離為偽距。2024/5/2925偽距測量原理2024/5/2926偽距測量原理方程ρ’——偽距測量值;ρ——衛(wèi)星至接收機(jī)的幾何距離;c——為信號傳播速度，即光速;——接收機(jī)鐘差，下標(biāo)k表示接收機(jī)號;——衛(wèi)星鐘差，上標(biāo)j表示衛(wèi)星號;—分別為電離層、對流層改正項;2024/5/2927偽距定位觀測方程在上式中，電離層和對流層改正可以按照一定的模型進(jìn)行計算，衛(wèi)星鐘差可以自導(dǎo)航電文中取得。而幾何距離ρ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:2024/5/2928偽距定位觀測方程式中衛(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)，則共有四個未知數(shù)，接收機(jī)必須同時至少測定四顆衛(wèi)星的距離才能解算出接收機(jī)的三維坐標(biāo)值.因此上兩式可寫成:2024/5/29295.3載波相位測量2024/5/2930為什么采用載波相位測量載波相位測量是利用GPS衛(wèi)星發(fā)射的載波為測距信號。由于載波的波長(λL1＝19cm，λL2＝24cm)比測距碼波長(λC/A=293m,λp=29.3m)要短得多，因此對載波進(jìn)行相位測量，就可能得到較高的測量定位精度。2024/5/2931重建載波碼相關(guān)法平方法2024/5/29325.3.1載波相位測量原理2024/5/29335.3.1載波相位測量原理測站對某一衛(wèi)星的載波相位觀測值由三部分組成：(1)初始整周未知數(shù)N0；(2)t0至ti時刻的整周記數(shù)Int（φ）；(3)小于一周的相位差Δφ(t)如果信號沒有失鎖，則每一個觀測值包含同一個初始整周未知數(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)，取得總觀測值2024/5/29345.3.2載波相位測量的觀測方程2024/5/29355.3.3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量中特有的問題，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。2024/5/2936載波相位觀測應(yīng)注意：整周數(shù)的變化部分由計數(shù)器記錄，此間信號不能間斷，如果此間到達(dá)接收機(jī)的信號被遮擋，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)。這種情況叫整周跳。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)的相對運動速度為1km/s，L1載波波長為19cm，信號間斷1秒鐘，產(chǎn)生1000/0.19=5263周的周跳。2024/5/2937載波相位觀測應(yīng)注意：因各項誤差影響，整周未知數(shù)往往不為整數(shù)。2024/5/29385.4整周跳變的修復(fù)2024/5/2939任意時刻ti的載波相位測量的實際量值為：——小于一周的相位差——初始時刻t0的整周數(shù)——從初始時刻t0到ti時刻為止用計數(shù)器逐個累計的差頻信號的整周數(shù)2024/5/2940什么是周跳如果在跟蹤衛(wèi)星過程中，由于某種原因，如衛(wèi)星信號被障礙物擋住而暫時中斷，受無線電信號干擾造成失鎖，這樣，計數(shù)器無法連續(xù)計數(shù)，因此，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)象稱為周跳。2024/5/2941整周跳變的探測與修復(fù)定義：探測出在何時發(fā)生了周跳并求出丟失的整周數(shù)，對中斷后的整周記數(shù)進(jìn)行改正，將其恢復(fù)為正確的計數(shù)，使這部分觀測值仍可使用。2024/5/2942在何種情況下修復(fù)周跳有意義？如果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?；謴?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)周跳沒有意義。2024/5/2943在何種情況下修復(fù)周跳有意義？如果是其他原因，如衛(wèi)星信號被某些障礙物擋住，外界干擾使信號暫時失鎖等，使信號整周計數(shù)暫時中斷，而不足一周的相位差部分仍是正確的。這時，修復(fù)周跳才有意義。2024/5/2944整周跳變的探測與修復(fù)常用的方法屏幕掃描法此種方法是由作業(yè)人員在計算機(jī)屏幕前依次對每個站、每個時段、每個衛(wèi)星的相位觀測值變化率的圖像進(jìn)行逐段檢查，觀測其變化率是否連續(xù)。如果出現(xiàn)不規(guī)則的突然變化時，就說明在相應(yīng)的相位觀測中出現(xiàn)了整周跳變現(xiàn)象。然后用手工編輯的方法逐點、逐段修復(fù)。2024/5/2945整周跳變的探測與修復(fù)常用的方法用高次差或多項式擬合法2024/5/2946整周跳變的探測與修復(fù)常用的方法在衛(wèi)星間求差法在GPS測量中，每一瞬間要對多顆衛(wèi)星進(jìn)行觀測，因而在每顆衛(wèi)星的載波相位測量觀測值中，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誤差的影響。2024/5/2947整周跳變的探測與修復(fù)常用的方法用雙頻觀測值修復(fù)周跳對于雙頻接受機(jī)，有兩個載波頻率f1和f2，載波相位觀測值可寫為：2024/5/2948用雙頻觀測值修復(fù)周跳采用雙頻載波相位觀測值的組合，并考慮到電離層折射改正，則有2024/5/2949用雙頻觀測值修復(fù)周跳利用組合后的值，便可探測整周數(shù)的跳變，因為電離層殘差項很小。所以這種方法又叫電離層殘差法。2024/5/2950用雙頻觀測值修復(fù)周跳優(yōu)點：組合后的值中，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)星的坐標(biāo)。2024/5/2951用雙頻觀測值修復(fù)周跳缺點：不能顧及多路徑效應(yīng)和測量噪聲的影響，另外如果兩個載波相位觀測值中都出現(xiàn)周跳，則不能采用這種方法，而只能采用其他方法探測和修復(fù)周跳。2024/5/2952整周跳變的探測與修復(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值來進(jìn)行平差計算，求得各觀測值的殘差。由于載波相位測量的精度很高，因而這些殘差的數(shù)值一般均很小。有周跳的觀測值上則回出現(xiàn)很大的殘差，據(jù)此可以發(fā)現(xiàn)和修復(fù)周跳。2024/5/29535.5GPS絕對定位與相對定位2024/5/2954GPS絕對（單點）定位原理2024/5/2955絕對定位的定義絕對定位也稱單點定位，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)原點（地球質(zhì)心）絕對坐標(biāo)的一種方法?！苯^對”一詞主要是為了區(qū)別相對定位，絕對定位和相對定位在觀測方式、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。2024/5/2956絕對定位的分類絕對定位可根據(jù)天線所處的狀態(tài)分為動態(tài)絕對定位和靜態(tài)絕對定位。無論動態(tài)還是靜態(tài)，所依據(jù)的觀測量都是所測的站星偽距。根據(jù)觀測量的性質(zhì)，偽距有測碼偽距和測相偽距，絕對定位相應(yīng)分為測碼偽距絕對定位和測相偽距絕對定位。2024/5/2957靜態(tài)絕對定位原理靜態(tài)絕對定位時觀測站是固定的，可以于不同歷元同步觀測不同衛(wèi)星，取得充分多的偽距觀測量，通過最小二乘法平差，提高定位精度。2024/5/2958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的方法求得一些絕對不可知的真值，而令誤差平方之和為最小。

2024/5/2959最小二乘法比如從最簡單的一次函數(shù)y=kx+b講起：已知坐標(biāo)軸上有些點：(1.1,2.0),(2.1,3.2),(3,4.0),(4,6),(5.1,6.0),求經(jīng)過這些點的圖象的一次函數(shù)關(guān)系式.

當(dāng)然這條直線不可能經(jīng)過每一個點,我們只要做到5個點到這條直線的距離的平方和最小即可。2024/5/2960最小二乘平差在實際測量工作中，一般要進(jìn)行多余觀測。這對觀測值可能的誤差有補(bǔ)償作用，更重要的是可以改進(jìn)測量成果的質(zhì)量。由于有了多余觀測，就不能得到精確地滿足條件的唯一解。2024/5/2961最小二乘平差因此，必須采取一定的方法來改正觀測值以滿足條件。每個觀測值的改正數(shù)稱為觀測殘差。最小二乘平差方法通過使觀測值殘差平方和為最小的條件，使觀測值滿足模型要求，此殘差被稱為最小二乘改正數(shù)。2024/5/2962測碼偽距靜態(tài)絕對定位若n為觀測歷元數(shù)，在忽略接收機(jī)鐘差隨時間變化的情況下，可得相應(yīng)的誤差方程：2024/5/2963測碼偽距靜態(tài)絕對定位2024/5/2964測碼偽距靜態(tài)絕對定位如果觀測的時間較長，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式形式，把多項式系數(shù)作為未知數(shù)在平差計算中求解；或簡單地對不同觀測歷元引入相異的獨立鐘差參數(shù)，在平差計算中一并解算。2024/5/2965動態(tài)絕對定位在用戶接受機(jī)安置在運動的載體上并處于動態(tài)情況下，確定載體瞬時絕對位置的定位方法。關(guān)于動態(tài)定位的原理和方法，在第六章中討論。2024/5/2966應(yīng)用載波相位觀測值進(jìn)行靜態(tài)絕對定位載波相位觀測值精度高，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，并以必要的精度對觀測量加入電離層和對流層等項修正，才能發(fā)揮測相法絕對定位潛能；同時如何防止和修復(fù)整周變跳，對保障定位精度十分重要。2024/5/2967應(yīng)用載波相位觀測值進(jìn)行靜態(tài)絕對定位另外，整周未知數(shù)N0,理論上是整數(shù)，但由于觀測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)的解成為浮動解。2024/5/2968觀測衛(wèi)星的幾何分布及其對絕對定位精度的影響利用GPS進(jìn)行絕對定位或單點定位時，定位精度主要取決于（1）所測衛(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）觀測量精度2024/5/2969絕對定位精度的評價由偽距絕對定位的權(quán)系數(shù)陣Qx可知，其在空間直角坐標(biāo)中的一般形式為：2024/5/2970絕對定位精度的評價實際應(yīng)用中，為了估算測站點的位置精度，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)點位坐標(biāo)的權(quán)系數(shù)陣為：2024/5/2971絕對定位精度的評價根據(jù)方差與協(xié)方差傳播定律可得：式中2024/5/2972絕對定位精度的評價為了評價定位結(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（DilutionOfPrecision）的概念，其定義：DOP是權(quán)系數(shù)陣主對角線元素的函數(shù)，σ0是等效距離誤差。2024/5/2973絕對定位精度的評價在實踐中，根據(jù)不同要求，可選用不同的精度評價模型和相應(yīng)的精度因子，通常有：2024/5/2974絕對定位精度的評價1.平面位置精度因子HDOP(horizontalDOP)及相應(yīng)的平面位置精度：2024/5/2975絕對定位精度的評價2.高程精度因子VDOP(VerticalDOP)及其相應(yīng)的高程精度：2024/5/2976絕對定位精度的評價3.空間位置精度因子PDOP(PositionDOP)及其相應(yīng)的三維定位精度：2024/5/2977絕對定位精度的評價4.接收機(jī)鐘差精度因子TDOP(TimeDOP)及其鐘差精度：2024/5/2978絕對定位精度的評價5.幾何精度因子GDOP(GeometricDOP)及其三維位置和時間誤差綜合影響的中誤差MG：2024/5/2979絕對定位精度的評價精度因子的數(shù)值與所測衛(wèi)星的幾何分布圖形有關(guān)。假設(shè)由觀測站與四顆觀測衛(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：2024/5/2980絕對定位精度的評價六面體的體積越大，所測衛(wèi)星在空間的分布范圍也越大，GDOP值越小；反之，衛(wèi)星分布范圍越小，GDOP值越大。2024/5/2981絕對定位精度的評價實際工作中選擇和評價觀測衛(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，所構(gòu)成的六面體體積接近最大。2024/5/2982相對定位相對定位是用兩臺接收機(jī)分別安置在基線的兩端，同步觀測相同的GPS衛(wèi)星，以確定基線端點的相對位置或基線向量。同樣，多臺接收機(jī)安置在若干條基線的端點，通過同步觀測GPS衛(wèi)星可以確定多條基線向量。在一個端點坐標(biāo)已知的情況下，可以用基線向量推求另一待定點的坐標(biāo)。2024/5/2983相對定位相對定位有靜態(tài)相對定位和動態(tài)相對定位之分。動態(tài)相對定位在第六章中詳細(xì)敘述，這里僅討論靜態(tài)相對定位。2024/5/2984靜態(tài)相對定位2024/5/2985觀測值的線性組合在兩個觀測站或多個觀測站同步觀測相同衛(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流層的折射誤差等對觀測量的影響具有一定的相關(guān)性，利用這些觀測量的不同組合(求差)進(jìn)行相對定位，可有效地消除或減弱相關(guān)誤差的影響，從而提高相對定位的精度。2024/5/2986觀測值的線性組合GPS載波相位觀測值可以在衛(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值的線性組合。2024/5/2987一次差將觀測值直接相減的過程叫做求一次差。所獲得的結(jié)果被當(dāng)作虛擬觀測值，叫做載波相位觀測值的一次差或單差。常用的求一次差是在接收機(jī)間求一次差。2024/5/2988二次差對載波相位觀測值的一次差分觀測值繼續(xù)求差，所得的結(jié)果仍可以被當(dāng)作虛擬觀測值，叫做載波相位觀測值的二次差或雙差。2024/5/2989三次差對二次差繼續(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。2024/5/2990差分觀測值上述各種差分觀測值模型能夠有效地消除各種偏差項。單差觀測值中可以消除與衛(wèi)星有關(guān)的載波相位及其鐘差項，雙差觀測值中可以消除與接收機(jī)有關(guān)的載波相位及其鐘差項，三差觀測值中可以消除與衛(wèi)星和接收機(jī)有關(guān)的初始整周模糊度項N。2024/5/2991差分觀測值因而差分觀測值模型是GPS測量應(yīng)用中廣泛采用的平差模型。特別是雙差觀測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。2024/5/2992觀測方程的線性化及平差模型為了求解觀測站之間的基線向量，首先應(yīng)將觀測方程線性化，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站之間的基線向量。2024/5/2993觀測方程的線性化及平差模型

(1)單差觀測方程的誤差方程式模型2024/5/2994觀測方程的線性化及平差模型

(2)雙差觀測方程的誤差方程式模型2024/5/2995觀測方程的線性化及平差模型與單差觀測值不同的是，雙差觀測值之間有相關(guān)性，這里的權(quán)陣P不再是對角陣。如在一次觀測中對nj個衛(wèi)星進(jìn)行了相位測量，可以組成nj－1個雙差觀測值。形成這些雙差觀測值時，有的單差觀測值被使用多次，因而雙差觀測值是相關(guān)的。2024/5/2996觀測方程的線性化及平差模型為使權(quán)陣形式較為簡潔，可以選擇一個參考衛(wèi)星，其它衛(wèi)星的觀測值都與參考衛(wèi)星的單差觀測值組成雙差。2024/5/29975.6美國的GPS政策2024/5/2998美國的SA和AS政策GPS衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號含有兩種精度不同的測距碼，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)。2024/5/2999美國的SA和AS政策精密定位服務(wù)的主要對象是美國軍事部門和其他特許的部門。標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)的主要對象是廣大的民間用戶。2024/5/29100美國的SA和AS政策美國為了防止未經(jīng)許可的用戶把GPS用于軍事目的(進(jìn)行高精度實時動態(tài)定位)，于1989年11月開始至1990年9月，進(jìn)行“SA”和“AS”技術(shù)的實驗，并于1941年7月開始實施SA技術(shù)。2024/5/29101SA技術(shù)SA(SelectiveAvailability）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的20m降低到100m。2024/5/29102SA技術(shù)SA技術(shù)的主要內(nèi)容:(1)在廣播星歷中，對GPS衛(wèi)星的基準(zhǔn)頻率采用δ技術(shù)，使星歷精度降低，其變化為無規(guī)律的隨機(jī)變化。(2)在衛(wèi)星鐘的鐘頻信號中加高頻抖動(即ε技術(shù))。2024/5/29103AS技術(shù)AS(Anti—Spoofing)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)實施AS技術(shù)時，非特許用戶將不能接收到P碼。這項技術(shù)，僅在特殊情況下使用。2024/5/29104

SA和AS技術(shù)對定位的影響(1)降低單點定位的精度。(2)降低長距離相對定位的精度。(3)AS技術(shù)會對高精度相對定位數(shù)據(jù)處理，整周未知數(shù)的確定帶來不便。2024/5/29105GPS現(xiàn)代化計劃2024/5/29106單點定位:2000年五月以前2024/5/29107單點定位：目前2024/5/29108單點定位:到2009年2024/5/29109單點定位:到20132024/5/29110RTK定位:Today2024/5/29111RTK定位:將來2024/5/29112針對SA和AS政策的對策(1)應(yīng)用P—W技術(shù)和L1與L2交叉相關(guān)技術(shù)，使L2載波相位觀測值得到恢復(fù)，其精度與使用P碼相同。(2)研制能同時接收GPS和GLONASS信號的接收機(jī)。(3)發(fā)展DGPS和WADGPS差分GPS系統(tǒng)。2024/5/29113針對SA和AS政策的對策(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)。2024/5/291145.7差分GPS定位原理2024/5/29115概述差分GPS產(chǎn)生的誘因：絕對定位精度不能滿足要求GPS絕對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)用的要求美國的GPS政策對GPS絕對定位精度的影響（選擇可用性SA）SA關(guān)閉前后GPS絕對定位精度的變化2024/5/29116概述差分GPS（DGPS–DifferentialGPS）利用設(shè)置在坐標(biāo)已知的點（基準(zhǔn)站）上的GPS接收機(jī)測定GPS測量定位誤差，用以提高在一定范圍內(nèi)其它GPS接收機(jī)（流動站）測量定位精度的方法。2024/5/29117影響GPS定位的主要誤差多臺接受機(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。2024/5/29118影響GPS定位的主要誤差傳播延遲的誤差：——電離層誤差——對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）2024/5/29119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)2024/5/29120差分GPS對測量定位精度的改進(jìn)2024/5/29121距離改正差分GPS的分類根據(jù)時效性實時差分事后差分根據(jù)觀測值類型偽距差分載波相位差分根據(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局域差分（LADGPS–LocalAreaDGPS）單基準(zhǔn)站差分多基準(zhǔn)站差分廣域差分（WADGPS–WideAreaDGPS）坐標(biāo)改正位置差分距離差分2024/5/29122位置差分和距離差分的特點位置差分差分改正計算的數(shù)學(xué)模型簡單差分?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量少基準(zhǔn)站與流動站要求觀測完全相同的一組衛(wèi)星距離差分差分改正計算的數(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)站與流動站不要求觀測完全相同的一組衛(wèi)星2024/5/291235.7.1單站GPS的差分2024/5/29124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)站數(shù)據(jù)通訊鏈流動站（用戶）2024/5/29125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)，由用戶站接收并對其測量結(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。2024/5/29126位置差分原理這是一種最簡單的差分方法，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)。由于存在著軌道誤差、時鐘誤差、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?；鶞?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，并且對其解算的用戶站坐標(biāo)進(jìn)行改正。2024/5/29127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。2024/5/29128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)。國際海事無線電委員會推薦的RTCMSC-104標(biāo)準(zhǔn)也采用了這種技術(shù)。2024/5/29129偽距差分原理在基準(zhǔn)站上的接收機(jī)要求得它至可見衛(wèi)星的距離，并將此計算出的距離與含有誤差的測量值加以比較。利用一個α-β濾波器將此差值濾波并求出其偏差。然后將所有衛(wèi)星的測距誤差傳輸給用戶，用戶利用此測距誤差來改正測量的偽距。最后，用戶利用改正后的偽距來解出本身的位置，就可消去公共誤差，提高定位精度。

2024/5/29130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)站之間的距離對精度有決定性影響。2024/5/29131載波相位差分原理差分GPS的出現(xiàn)，能實時給定載體的位置，精度為米級，滿足了引航、水下測量等工程的要求。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。隨之而來的是更加精密的測量技術(shù)----載波相位差分技術(shù)。2024/5/29132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），是建立在實時處理兩個測站的載波相位基礎(chǔ)上的。它能實時提供觀測點的三維坐標(biāo)，并達(dá)到厘米級的高精度。2024/5/29133載波相位差分原理實現(xiàn)載波相位差分GPS的方法分為兩類：修正法和差分法。2024/5/29134修正法與偽距差分相同，基準(zhǔn)站將載波相位修正量發(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)。2024/5/29135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)。2024/5/29136單站差分GPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和算法簡單，技術(shù)上較為成熟。主要用于小范圍的差分定位工作。對于較大范圍的區(qū)域，則應(yīng)用局部區(qū)域差分技術(shù)。對于一國或幾個國家范圍的廣大區(qū)域，應(yīng)用廣域差分技術(shù)。2024/5/291375.7.2局部區(qū)域GPS差分系統(tǒng)2024/5/29138結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)站（多個）、數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶數(shù)學(xué)模型（差分改正數(shù)的計算方法）加權(quán)平均偏導(dǎo)數(shù)法最小方差法特點優(yōu)點：差分精度高、可靠性高，差分范圍增大缺點：差分范圍仍然有限，模型不完善局部區(qū)域GPS差分系統(tǒng)2024/5/291395.7.3廣域差分2024/5/29140廣域差分GPS系統(tǒng)的基本思想對GPS觀測量的誤差源加以區(qū)分，并單獨對每一種誤差源分別加以“模型化”，然后將計算出的每一誤差源的數(shù)值，通過數(shù)據(jù)鏈傳輸給用戶，以對用戶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。2024/5/29141結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)站（多個）、數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶數(shù)學(xué)模型（差分改正數(shù)的計算方法）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各項誤差加以分離，建立各自的改正模型用戶根據(jù)自身的位置，對觀測值進(jìn)行改正優(yōu)缺點優(yōu)點：差分精度高、差分精度與距離無關(guān)、差分范圍大缺點：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、建設(shè)費用高2024/5/29142廣域差分GPS系統(tǒng)的基本思想具體而言，它集中表現(xiàn)在三個方面：星歷誤差大氣延時誤差衛(wèi)星鐘差誤差2024/5/29143廣域差分GPS系統(tǒng)的工作流程2024/5/29144廣域差分GPS系統(tǒng)的特點廣域差分GPS技術(shù)區(qū)分誤差的目的就是最大限度地降低監(jiān)測站與用戶站間定位誤差的時空相關(guān)，克服LADGPS對時空的強(qiáng)依賴性，改善和提高LADGPS中實時差分定位的精度。同LADGPS相比，WADGPS有如下特點:2024/5/29145廣域差分GPS系統(tǒng)的特點(1)中心站、監(jiān)測站與用戶站的站間距離從100km增加到2000km，定位精度不會出現(xiàn)明顯的下降，這就是說，WADGPS中用戶的定位精度對空間距離的敏感程度比LADGPS低得多。(2)在大區(qū)域內(nèi)建立WADGPS網(wǎng)，需要的監(jiān)測站數(shù)量很少，投資