GNSS定位測量技術（第二版）課件：GPS定位的基本原理

GPS衛(wèi)星定位原理

GPS衛(wèi)星定位原理●了解GPS測速原理和定時原理。●理解主動式測距和被動式測距、偽距及測定與計算、動態(tài)定位的特點?！裾莆誈PS定位、靜態(tài)定位、動態(tài)定位、單點定位、相對定位等的基本概念和載波相位測量方法。學習目標

GPS衛(wèi)星定位原理

任務一

GNSS衛(wèi)星定位原理概況

任務二

載波相位測量

任務三

偽距測量

任務四

GNSS絕對定位

任務五

GNSS相對定位

本項目小結

GPS衛(wèi)星定位原理

GPS的定位實質：把衛(wèi)星視為“動態(tài)”的控制點，在已知其瞬時坐標的條件下，進行空間距離后方交會，確定用戶接收機天線所處的位置。

GPS衛(wèi)星定位原理需解決的兩個關鍵問題如何確定衛(wèi)星的位置如何測量出星站距離？？？？GPS定位方法分類定位模式（1）絕對定位（單點定位）（2）相對定位（3）差分定位定位時接收機天線的運動狀態(tài)（1）靜態(tài)定位－天線相對于地固坐標系靜止（2）動態(tài)定位－天線相對于地固坐標系運動獲得定位結果的時效（1）事后定位（2）實時定位觀測值類型（1）測碼偽距測量（2）載波相位測量

GPS定位方法分類按參考點的不同位置劃分為：（1）絕對定位（單點定位）：在地球協(xié)議坐標系中，確定觀測站相對地球質心的位置。（2）相對定位：在地球協(xié)議坐標系中，確定觀測站與地面某一參考點之間的相對位置。采用兩臺以上的接收機同步觀測相同的GPS衛(wèi)星，以確定接收機天線間的相互位置關系的一種方法。GPS定位方法分類相對定位（差分定位）優(yōu)點：獲得較高的精度缺點：增加了外業(yè)組織和實施難度按用戶接收機作業(yè)時所處的狀態(tài)劃分：（1）靜態(tài)定位：在定位過程中，接收機位置靜止不動，是固定的。靜止狀態(tài)只是相對的，在衛(wèi)星大地測量中的靜止狀態(tài)通常是指待定點的位置相對其周圍點位沒有發(fā)生變化，或變化極其緩慢，以致在觀測期內可以忽略。（2）動態(tài)定位：在定位過程中，接收機天線處于運動狀態(tài)。在絕對定位和相對定位中，又都包含靜態(tài)和動態(tài)兩種形式。GPS定位方法分類GPS定位方法分類靜態(tài)定位與動態(tài)定位的不同點靜態(tài)定位可靠性強，定位精度高，在大地測量、工程測量中得到了廣泛的應用，是精密定位中的基本模式。動態(tài)定位可測定一個動點的實時位置、運動載體的狀態(tài)參數(shù)。如速度、時間和方位等。GPS定位方法分類主動式測距（雙程測距）用電磁波測距儀發(fā)射測距信號，通過反射器反射回來，再由測距儀接收。根據(jù)測距信號的傳播時間求解距離ρ。只要求儀器鐘自身能在信號往、返時間段中保持穩(wěn)定，不影響測距精度。GPS定位方法分類主動式測距的優(yōu)點主動式測距的缺點用戶須發(fā)射信號，因而難以隱蔽自己。對軍事用戶十分不利。GPS定位方法分類被動式測距（單程測距）發(fā)射站在規(guī)定時刻內準確發(fā)出信號，用戶根據(jù)自己的時鐘記錄信號到達時間，根據(jù)時差Δt求解距離ρ。GPS定位方法分類用戶無需發(fā)射信號，便于隱蔽自己；所需裝置也較簡單，僅接收設備即可。被動式測距的優(yōu)點被動式測距的缺點接收機鐘和各衛(wèi)星鐘不能與GPS時間系統(tǒng)保持絕對同步，由此所引起的鐘差對測距帶來了影響。GPS觀測量的基本概念無論采取何種GPS定位方法，都是通過觀測GPS衛(wèi)星而獲得某種觀測量來實現(xiàn)的。GPS衛(wèi)星信號含有多種定位信息，根據(jù)不同的要求，可以從中獲得不同的觀測量，主要包括：

（一）衛(wèi)星射電干涉測量（二）多普勒定位法（三）測距碼偽距定位法（四）載波相位測量（一）衛(wèi)星射電干涉測量

利用GPS衛(wèi)星射電信號，由兩個測站同時觀測一顆GPS衛(wèi)星，通過測量這顆衛(wèi)星的射電信號到達兩個測站的時間差，可以求得兩站間距離。干涉法測量時，所需設備較昂貴，數(shù)據(jù)處理復雜。（二）多普勒定位法

根據(jù)多普勒效應原理，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。采用積分多普勒計數(shù)法進行定位時，所需觀測時間較長，一般數(shù)小時，同時觀測過程中，要求接收機的震蕩器保持高度穩(wěn)定。（三）測距碼偽距定位法

在某一瞬間利用GPS接收機同時測定至少四顆衛(wèi)星的偽距，根據(jù)已知的衛(wèi)星位置和偽距觀測值，采用距離交會法求出接收機的三維坐標和時鐘改正數(shù)?；驹頊y距碼偽距定位法的優(yōu)點一次定位的精度并不高，但定位速度快，經(jīng)幾小時的定位也可達到米級。若再增加觀測時間，精度還可以提高。（三）測距碼偽距定位法（四）載波相位測量

把載波作為量測信號，對載波進行相位測量可以達到很高的精度。通過測量載波的相位而求得接收機到GPS衛(wèi)星的距離。

任務二

測距碼偽距測量導航定位的最基本方法優(yōu)越性速度快、無多值性問題，利用增加觀測時間可以提高定位精度雖然測量定位精度低，但足以滿足部分用戶的需要。

任務二

測距碼偽距測量一、測定偽距的方法二、偽距法定位的原理三、偽距定位法的應用

一、測碼偽距的方法將測距碼和數(shù)據(jù)碼調制到載波上由衛(wèi)星發(fā)射機將調制信號發(fā)出接收機收到測距碼接收機產(chǎn)生復制碼測距碼和復制碼作相關處理一、測定偽距的方法

由時延器測定出兩信號間的時間延遲。

在理想的情況下，時間延遲τ等于衛(wèi)星信號的傳播時間。將τ乘以光速c，就可以求得衛(wèi)星至接收機的距離ρ。一、測定偽距的方法衛(wèi)星鐘和接收機鐘不完全同步自相關系數(shù)最大條件下求得的時延τ和真空中光速c的乘積含有誤差，這個乘積就稱為偽距以偽距作基本觀測量定位的方法偽距法定位二、偽距法定位的原理電離層折射延遲改正接收機鐘的改正數(shù)衛(wèi)星鐘的改正數(shù)信號離開衛(wèi)星的時刻（由衛(wèi)星鐘測定）信號到達接收機的時刻（由接收機鐘測定）二、偽距法定位的原理將觀測時得到的偽距改正為衛(wèi)星至接收機之間的實際距離ρ。

—偽距—電離層折射改正—對流層折射改正—衛(wèi)星的鐘差—接收機的鐘差二、偽距法定位的原理列出實際距離與衛(wèi)星坐標和接收機坐標的關系（x、y、z）（X、Y、Z）—衛(wèi)星坐標—接收機坐標四、測距碼偽距法定位的應用

利用測距碼進行測距的優(yōu)點采用的是CDMA（碼分多址）技術（即每顆衛(wèi)星都采用特定的偽隨機噪聲碼）易于捕獲微弱的衛(wèi)星信號便于對系統(tǒng)進行控制和管理（如AS）利用測距碼進行測距的缺點精度低第三節(jié)載波相位測量

偽距以測距碼作為量測信號，因測距碼的波長較長，難以達到較高的精度。而載波相位測量不使用測距碼信號，不受測距碼控制，屬于非測距碼測量系統(tǒng)。

載波信號是一種周期性的正弦信號，相位測量只能測定起不足一個波長的小數(shù)部分，無法測定起正波長個數(shù)。因而存在著整周數(shù)的不確定性問題，使得解算過程復雜化。我們接收到的GPS信號是調制波，即在載波上搭載著測距碼及導航電文，使得接收到的載波的相位不再連續(xù)，所以在使用載波信號測量之前必須先要進行重建載波的工作第三節(jié)載波相位測量重建載波--將非連續(xù)的載波信號恢復成連續(xù)的載波信號。載波調制了導航電文之后變成了非連續(xù)的波重建載波的方法碼相關法方法將所接收到的調制信號（衛(wèi)星信號）與接收機產(chǎn)生的復制碼相乘。技術要點衛(wèi)星信號（弱）與接收機信號（強）相乘。特點限制：需要了解碼的結構。優(yōu)點：可獲得導航電文，可獲得全波長的載波，信號質量好（信噪比高）平方法方法將所接收到的調制信號（衛(wèi)星信號）自乘。技術要點衛(wèi)星信號（弱）自乘。特點優(yōu)點：無需了解碼的結構缺點：無法獲得導航電文，所獲載波波長為原來波長的一半，信號質量較差（信噪比低，降低了30dB）互相關（交叉相關）方法在不同頻率的調制信號（衛(wèi)星信號）進行相關處理，獲取兩個頻率間的偽距差和相位差技術要點不同頻率的衛(wèi)星信號（弱）進行相關。特點優(yōu)點：無需了解Y碼的結構，可獲得導航電文，可獲得全波波長的載波，信號質量較平方法好（信噪比降低了27dB）Z跟蹤方法：將衛(wèi)星信號在一個W碼碼元內與接收機復制出的P碼進行相關處理。在一個W碼碼元內進行衛(wèi)星信號（弱）與復制信號（強）進行相關。特點優(yōu)點：無需了解Y碼結構，可測定雙頻偽距觀測值，可獲得導航電文，可獲得全波波長的載波，信號質量較平方法好（信噪比降低了14dB）第三節(jié)載波相位測量一、載波相位測量原理二、載波相位測量觀測方程三、載波相位測量的特點一、載波相位測量原理將測距碼和數(shù)據(jù)碼調制到載波上由衛(wèi)星發(fā)射機將調制信號發(fā)出接收機解調出純凈的載波信號接收機產(chǎn)生基準信號載波信號和基準信號求相位差若在t0時刻接收機產(chǎn)生的基準信號的相位是，接收機接收到的載波信號的相位是，若能測定出二者相位之差，則由載波波長λ就可以求出該瞬間從衛(wèi)星至接收機的距離：

一、載波相位測量原理二、載波相位測量觀測方程觀測值整周計數(shù)整周未知數(shù)（整周模糊度）整周未知數(shù)

（整周模糊度Ambiguity）只與開機時間有關，與衛(wèi)星有關，開機后，對同一顆衛(wèi)星而言，整周未知數(shù)不變整周未知數(shù)確定整周未知數(shù)N0是載波相位測量的一項重要工作，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)法整周未知數(shù)1、偽距法偽距法是在進行載波相位測量的同時又進行了偽距測量，將偽距觀測值減去載波相位測量的實際觀測值（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)。整周未知數(shù)2、經(jīng)典方法把整周未知數(shù)當作平差計算中的待定參數(shù)來加以估計和確定。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)往往不是一個整數(shù)，然后將其固定為整數(shù)，并重新進行平差計算。也稱為固定解（fixedsolution）（2）實數(shù)解當誤差消除得不夠完全時，整周未知數(shù)無法估計很準確，此時直接將實數(shù)解作為最后解。也稱為浮點解（floatingsolution）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。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)）解算法進行快速定位的方法。采用這種方法進行短基線定位時，利用雙頻接收機只需觀測一分鐘便能成功的確定整周未知數(shù)。整周跳變（周跳–CycleSlips）在某一特定時刻的載波相位觀測值為如果在觀測過程接收機保持對衛(wèi)星信號的連續(xù)跟蹤，則整周模糊度將保持不變，整周計數(shù)也將保持連續(xù)，但當由于某種原因使接收機無法保持對衛(wèi)星信號的連續(xù)跟蹤時，在衛(wèi)星信號重新被鎖定后，就不會與前面的值保持連續(xù)，這一現(xiàn)象稱為整周跳變。周跳T

產(chǎn)生周跳的原因主要原因就是信號失鎖信號被遮擋，導致衛(wèi)星信號無法被跟蹤儀器故障，導致差頻信號無法產(chǎn)生衛(wèi)星信號信噪比過低，導致整周計數(shù)錯誤接收機在高速動態(tài)的環(huán)境下進行觀測，導致接收機無法正確跟蹤衛(wèi)星信號衛(wèi)星瞬時故障，無法產(chǎn)生信號周跳的特點只影響整周計數(shù)

－周跳為波長的整數(shù)倍將影響從周跳發(fā)生時刻（歷元）之后的所有觀測值周跳T

因周跳而丟失的周數(shù)將使周跳發(fā)生后的所有相位觀測值都含有這個周數(shù)的偏差解決周跳問題的方法探測與修復設法找出周跳發(fā)生的時間和大小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)和修復整周跳變參數(shù)法將周跳標記出來，引入周跳參數(shù)，進行解算三、載波相位測量的特點優(yōu)點精度高，測距精度可達0.1mm量級難點整周未知數(shù)問題整周跳變問題任務四絕對定位原理定義單獨利用一臺接收機確定待定點在地固坐標系中絕對位置的方法，又叫做單點定位定位結果

－與所用星歷同屬一坐標系的絕對坐標采用廣播星歷時屬WGS-84采用IGS–InternationalGPSService精密星歷時為ITRF–InternationalTerrestrialReferenceFrames（國際地球參考框架）特點優(yōu)點：一臺接收機單獨定位，觀測簡單，可瞬時定位缺點：精度主要受系統(tǒng)性偏差的影響，定位精度低應用領域低精度導航、資源普查、軍事、...單點定位的誤差源及應對方法衛(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)星定軌定位精度評價——精度衰減因子DOP值DOP（DilutionOfPrecision）值DOP值與定位精度DOP值的性質DOP值與單點定位時，所觀測衛(wèi)星的數(shù)量與分布有關，它所表示的是定位的幾何條件DOP值恒大于1，最高精度為1.DOP值越小，定位的幾何條件越好定位精度評價——精度衰減因子DOP值在實踐中，根據(jù)不同要求，可選用不同的精度評價模型和相應的精度因子，通常有：※平面位置精度因子HDOP(horizontalDOP)※高程精度因子VDOP(VerticalDOP)※空間位置精度因子PDOP(PositionDOP)※接收機鐘差精度因子TDOP(TimeDOP)※幾何精度因子GDOP(GeometricDOP)，描述空間位置誤差和時間誤差綜合影響的精度因子任務五GPS相對定位定義

確定進行同步觀測的接收機之間相對位置的定位方法，稱為相對定位。定位結果與所用星歷同屬一坐標系的基線向量（坐標差）及其精度信息采用廣播星歷時屬WGS-84采用IGS–InternationalGPSService精密星歷時為ITRF–InternationalTerrestrialReferenceFrame基線向量中含有：2個方位基準（一個水平方法，一個垂直方位）和1個尺度基準，不含有位置基準優(yōu)點：定位精度高缺點：多臺接收共同作業(yè)，作業(yè)復雜；數(shù)據(jù)處理復雜；不能直接獲取絕對坐標應用高精度測量定位及導航

相對定位也分靜態(tài)定位和動態(tài)定位。安置在基線端點的接收機固定不動，通過連續(xù)觀測，取得充分的多余觀測數(shù)據(jù)，改善定位精度。靜態(tài)相對定位一般均采用載波相位觀測值（或測相偽距）為基本觀測量。靜態(tài)相對定位T1T2S1S2S3S4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性，利用這些觀測量的不同組合（求差）進行相對定位，可有效地消除或減弱相關誤差地影響，從而提高相對定位的精度。靜態(tài)相對定位觀測量的線性組合GPS相對定位是通過觀測量的不同組合求差得到的差分觀測值的定義將相同頻率的GPS載波相位觀測值依據(jù)某種方式求差所獲得的新的組合觀測值（虛擬觀測值）差分觀測值的特點可以消去某些不重要的參數(shù)，或將某些對確定待定參數(shù)有較大負面影響的因素消去或消弱其影響求差方式站間求差衛(wèi)星間求差歷元間求差站間求差（站間差分）求差方式同步觀測值在接收機間求差數(shù)學形式特點消除了衛(wèi)星鐘差影響削弱了電離層折射影響削弱了對流層折射影響削弱了衛(wèi)星軌道誤差的影響星間求差（星間差分）求差方式同步觀測值在衛(wèi)星間求差數(shù)學形式特點消除了接收機鐘差的影響歷元間求差（歷元間差分）差分方式觀測值在間歷元求差數(shù)學形式特點消去了整周未知數(shù)參數(shù)單差、雙差和三差單差：站間一次差分雙差：站間、星間各求一次差（共兩次差）三差：站間、星間和歷元間各求一次差（三次差）單差采用差分觀測值的缺陷（求差法的缺陷）數(shù)據(jù)利用率低只有同步數(shù)據(jù)才能進行差分引入基線矢量替代了位置矢量差分觀測值間具有了相關性，使處理問題復雜化參數(shù)估計時，觀測值的權陣某些參數(shù)無法求出某些信息在差分觀測值中被消除差分GPS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，完全滿足某些特殊應用的要求美國的GPS政策對GPS絕對定位精度的影響（選擇可用性SA）SA關閉前后GPS絕對定位精度的變化差分GPS差分GPS即動態(tài)相對定位利用設置在坐標已知點（基準點）上的GPS接收機測定GPS測量定位誤差，用以提高在一定范圍內其它GPS接收機（流動站）測量定位精度的方法影響絕對定位精度的主要誤差主要誤差衛(wèi)星軌道誤差衛(wèi)星鐘差大氣延遲（電離層延遲、對流層延遲）多路徑效應對定位精度的影響差分GPS的基本原理誤差的空間相關性以上各類誤差中除多路徑效應均具有較強的空間相關性，從而定位結果也有一定的空間相關性。差分GPS的基本原理利用基準站（設在坐標精確已知的點上）測定具有空間相關性的誤差或其對測量定位結果的影響，供流動站改正其觀測值或定位結果差分GPS對測量定位精度的改進差分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）單基準站差分多基準站差分廣域差分（WADGPS–WideAreaDGPS）位置差分距離差分距離改正坐標改正單基準站差分的分類位置（坐標差分）差分：基準站上的接收機對GPS衛(wèi)星進行觀測，確定出測站的