《GPS相對定位原》課件

GPS相對定位原理GPS相對定位是一種常用的定位技術(shù)，它通過測量兩個接收機之間的距離差來確定目標(biāo)位置。相對定位不需要知道衛(wèi)星的精確位置，因此可以用于沒有衛(wèi)星信號覆蓋的區(qū)域。GPS基本概念全球定位系統(tǒng)GPS是美國國防部研制的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，能夠提供全天候、全球范圍內(nèi)的三維位置、速度和時間信息。衛(wèi)星星座GPS系統(tǒng)由24顆工作衛(wèi)星組成，分布在6個軌道面上，每個軌道面有4顆衛(wèi)星。信號傳輸GPS衛(wèi)星向地面發(fā)射無線電信號，包含時間、軌道信息和衛(wèi)星編號等數(shù)據(jù)。接收機定位地面接收機接收衛(wèi)星信號，根據(jù)信號時間差和衛(wèi)星位置信息計算出接收機的三維坐標(biāo)。相對定位簡介相對定位是一種重要的GPS定位技術(shù)，它利用多個接收機同時接收來自同一顆或多顆衛(wèi)星的信號，通過測量接收機之間的距離變化來確定目標(biāo)位置。與絕對定位不同，相對定位不需要已知位置的參考點，而是通過測量接收機之間的相對位置來確定目標(biāo)位置。相對定位的優(yōu)勢1高精度消除衛(wèi)星鐘差和軌道誤差影響，提高位置精度。2無需已知點不需要預(yù)先知道任何參考點的坐標(biāo)，適用于未知區(qū)域測量。3適應(yīng)性強適應(yīng)各種地形和環(huán)境條件，應(yīng)用范圍廣泛。4成本效益高相對定位技術(shù)降低了測量成本，提高了效率。相對定位的工作原理1接收信號兩個或多個接收機同時接收來自同一顆衛(wèi)星的信號。2時間差計算每個接收機接收到的信號到達(dá)時間差。3距離差將時間差轉(zhuǎn)換為兩個接收機到衛(wèi)星的距離差。4基線解算通過多個衛(wèi)星信號的距離差計算出兩個接收機之間的距離和方向。相對定位的關(guān)鍵是利用多個接收機同時接收來自相同衛(wèi)星的信號，從而精確測量接收機之間距離和方向，最終得到目標(biāo)點的坐標(biāo)。參考衛(wèi)星的選擇可見衛(wèi)星數(shù)量選擇至少4顆衛(wèi)星，確保定位精度。衛(wèi)星分布范圍廣，提高定位精度。衛(wèi)星高度角衛(wèi)星高度角高，信號強，降低誤差。高度角低，信號弱，容易受到干擾，影響精度。衛(wèi)星幾何構(gòu)型衛(wèi)星幾何構(gòu)型好，定位精度高。衛(wèi)星幾何構(gòu)型差，定位精度低，容易出現(xiàn)多解。衛(wèi)星信號質(zhì)量選擇信號質(zhì)量好的衛(wèi)星，避免干擾。信號質(zhì)量差，影響定位精度，甚至無法定位。偽距測量偽距測量是GPS定位中的一種基本測量方法。它通過測量衛(wèi)星信號到達(dá)接收機的時間，進(jìn)而計算出衛(wèi)星到接收機的距離，即偽距。偽距測量需要考慮多種誤差源，例如衛(wèi)星鐘差、大氣延遲、多徑效應(yīng)等。這些誤差會影響偽距的精度，從而影響最終的定位結(jié)果。雙頻偽距測量雙頻偽距測量單頻偽距測量利用兩個頻率的偽距觀測值只利用一個頻率的偽距觀測值可消除電離層延遲的影響無法消除電離層延遲的影響精度更高精度較低載波相位測量載波相位測量是相對定位中一種高精度測量方法，通過接收機接收到的衛(wèi)星信號載波相位變化來確定接收機與衛(wèi)星之間的距離變化。載波相位測量精度遠(yuǎn)高于偽距測量，可以達(dá)到毫米級甚至厘米級。1相位信號周期內(nèi)變化的次數(shù)2頻率信號每秒變化的次數(shù)3波長信號在一個周期內(nèi)傳播的距離4λ衛(wèi)星信號波長載波相位平差多路徑誤差載波相位測量會受到多路徑效應(yīng)的影響，導(dǎo)致測量值偏差。平差過程中需要考慮多路徑誤差的影響，進(jìn)行校正。大氣層延遲大氣層中的水汽和電離層會使信號延遲，導(dǎo)致測量偏差。平差過程需要考慮大氣層延遲的影響，進(jìn)行校正。衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星鐘差會影響信號到達(dá)時間，導(dǎo)致測量偏差。平差過程需要考慮衛(wèi)星鐘差的影響，進(jìn)行校正。接收機誤差接收機本身也會產(chǎn)生誤差，影響測量精度。平差過程需要考慮接收機誤差的影響，進(jìn)行校正。平差模型平差過程需要建立一個數(shù)學(xué)模型，將以上誤差因素考慮進(jìn)去，進(jìn)行誤差修正。協(xié)方差矩陣及誤差分析協(xié)方差矩陣協(xié)方差矩陣反映觀測值之間的相關(guān)性，評估定位誤差的分布情況。誤差分析分析各誤差源對定位精度影響，包括大氣層延遲、多徑效應(yīng)、衛(wèi)星鐘差等。精度評估通過協(xié)方差矩陣和誤差分析，評估相對定位結(jié)果的精度。位置解算方法1最小二乘法最小二乘法是一種常用的方法，它通過最小化誤差平方和來估計未知參數(shù)。該方法在GPS相對定位中廣泛應(yīng)用。2卡爾曼濾波卡爾曼濾波是一種遞歸算法，它利用所有可用信息來估計系統(tǒng)狀態(tài)。該方法適用于動態(tài)相對定位，可以有效地處理噪聲和系統(tǒng)誤差。3粒子濾波粒子濾波是一種非線性濾波方法，它使用粒子群來近似系統(tǒng)狀態(tài)的后驗分布。該方法可以處理非線性系統(tǒng)和非高斯噪聲。靜態(tài)相對定位靜態(tài)相對定位是一種常用的GPS相對定位方法，廣泛應(yīng)用于大地測量、工程測量等領(lǐng)域。1數(shù)據(jù)采集在同一時間段內(nèi)對多個測站進(jìn)行連續(xù)觀測，獲取GPS數(shù)據(jù)。2數(shù)據(jù)處理利用專用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計算基線向量和坐標(biāo)。3精度評估通過誤差分析和可靠性檢驗，評估定位精度。靜態(tài)相對定位的優(yōu)點是精度高，但需要長時間觀測，效率較低。動態(tài)相對定位1實時測量接收機持續(xù)運動2快速處理實時計算位置3應(yīng)用廣泛導(dǎo)航、測繪、工程動態(tài)相對定位是指接收機在運動過程中進(jìn)行的相對定位。這種方法通常用于實時導(dǎo)航和測繪應(yīng)用，例如車輛導(dǎo)航、無人機測繪等。動態(tài)相對定位流程1數(shù)據(jù)采集接收機同步采集數(shù)據(jù)，記錄衛(wèi)星信號。2數(shù)據(jù)預(yù)處理對數(shù)據(jù)進(jìn)行粗差剔除和信號質(zhì)量評估。3解算定位使用卡爾曼濾波算法進(jìn)行定位解算。4結(jié)果輸出輸出定位結(jié)果，包含經(jīng)緯度、高度等信息。相對定位精度影響因素衛(wèi)星信號干擾大氣層延遲、多徑效應(yīng)等因素會影響衛(wèi)星信號接收，導(dǎo)致定位誤差。接收機噪聲接收機內(nèi)部噪聲會影響信號處理精度，進(jìn)而影響定位精度。基線長度基線長度越長，相對定位精度越高，反之亦然。大氣層延遲效應(yīng)電離層延遲電離層中的自由電子會使GPS信號速度變慢，導(dǎo)致到達(dá)接收機的信號延遲，從而影響定位精度。對流層延遲對流層中的水汽和氣壓會使GPS信號速度變慢，導(dǎo)致到達(dá)接收機的信號延遲，從而影響定位精度。延遲模型為了減小大氣層延遲的影響，可以使用各種延遲模型，例如，克萊姆延遲模型和馬普模型。多徑效應(yīng)11.信號反射衛(wèi)星信號到達(dá)接收機時，會受到地面、建筑物等物體反射，產(chǎn)生多個信號路徑。22.信號疊加多條路徑的信號疊加會產(chǎn)生誤差，影響接收機對信號的識別和定位精度。33.誤差累積多徑效應(yīng)會導(dǎo)致偽距和載波相位測量誤差，最終影響位置解算的精度。44.影響因素接收機天線高度、周圍環(huán)境、信號頻率等因素會影響多徑效應(yīng)的大小。衛(wèi)星鐘差和軌道誤差衛(wèi)星鐘差每個衛(wèi)星都配備了原子鐘，但存在一定的誤差，影響精度。軌道誤差衛(wèi)星軌道受到地球引力、太陽引力等影響，存在誤差。誤差修正通過精密鐘差和軌道數(shù)據(jù)，進(jìn)行誤差修正，提高精度。接收機噪聲和精密度接收機噪聲接收機噪聲影響接收機對衛(wèi)星信號的測量精度，噪聲越大，精度越低。使用高性能接收機，可降低噪聲的影響。精密度精密度是指接收機重復(fù)測量同一位置的精度，也稱為重復(fù)性。高精度接收機可提供更準(zhǔn)確的測量結(jié)果。影響因素接收機噪聲和精密度受多種因素影響，包括接收機類型、天線質(zhì)量、信號強度等。相對定位精度評估精度指標(biāo)評估相對定位精度，主要指標(biāo)包括：水平精度垂直精度時間精度評估方法常用的評估方法包括：殘差分析誤差傳播分析統(tǒng)計檢驗基線長度對精度的影響基線長度是指兩個接收機之間的距離，基線長度越長，相對定位精度越高?；€長度是影響相對定位精度的關(guān)鍵因素之一，隨著基線長度的增加，相對定位精度會逐步提高?？煽啃詸z驗數(shù)據(jù)一致性檢查各觀測值之間的一致性，如偽距和載波相位觀測值是否符合預(yù)期關(guān)系。殘差分析分析觀測值與模型擬合之間的偏差，以識別異常數(shù)據(jù)或模型誤差。衛(wèi)星數(shù)量評估衛(wèi)星數(shù)量是否足夠，確保定位精度和可靠性。時間同步檢查接收機時間同步是否準(zhǔn)確，確保觀測數(shù)據(jù)的時序性。數(shù)據(jù)采集要求接收機設(shè)置確保接收機正確設(shè)置時間、頻率、采樣率等參數(shù)。并檢查天線連接是否牢固，周圍是否有遮擋物。觀測時間觀測時間需滿足相對定位精度要求，一般需要長時間觀測，并盡量避開大氣層延遲效應(yīng)強的時段。同步觀測多個接收機需同步觀測，以保證觀測數(shù)據(jù)的時間一致性，并確保所有接收機接收同一顆衛(wèi)星信號。環(huán)境條件觀測環(huán)境應(yīng)盡量開闊，避免遮擋物影響衛(wèi)星信號接收，并注意記錄觀測時的天氣狀況。數(shù)據(jù)處理注意事項數(shù)據(jù)質(zhì)量數(shù)據(jù)質(zhì)量對相對定位結(jié)果至關(guān)重要。需要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，例如剔除異常值和噪聲，確保數(shù)據(jù)可靠性。數(shù)據(jù)校正應(yīng)考慮衛(wèi)星鐘差、軌道誤差等因素，對數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，提高定位精度。數(shù)據(jù)格式數(shù)據(jù)格式應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。相對定位應(yīng)用前景相對定位技術(shù)應(yīng)用廣泛，在測繪、導(dǎo)航、工程建設(shè)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。該技術(shù)可應(yīng)用于地形圖繪制、城市規(guī)劃、橋梁和隧道建設(shè)，以及精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和精準(zhǔn)定位等方面。相對定位未來發(fā)展趨勢多系統(tǒng)融合將GPS與北斗、伽利略等其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)整合，提高定位精度和可靠性。多傳感器融合將GPS與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、視覺定位系統(tǒng)等融合，實現(xiàn)更精確、更魯棒的定位。人工智能應(yīng)用利用深度學(xué)習(xí)和機器學(xué)習(xí)技術(shù)，提升相對定位的精度和效率，并實現(xiàn)智能化。應(yīng)用領(lǐng)域拓展將相對定位技術(shù)應(yīng)用于更多領(lǐng)域，例如無人駕駛