(GPS原理及其應(yīng)用)第七章gps衛(wèi)星定位基本原理課件

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15.4GPS絕對定位與相對定位

5.4.1靜態(tài)絕對定位

只用一臺接收機即可實時定位一般使用偽距定位或載波相位定位又稱單點定位5.4GPS絕對定位與相對定位5.4.1靜態(tài)絕對定位21)偽距靜態(tài)絕對定位

1234P(X,Y,Z)+dT觀測值：ρi或Φi未知參數(shù)：X,Y,Z,dT1)偽距靜態(tài)絕對定位1234P(X,Y,32)用載波相位觀測值進行

靜態(tài)絕對定位

精度高于偽距法靜態(tài)絕對定位需加電離層、對流層等改正觀測值為Φi進行周跳探測修復(fù)及整周模糊度的固定其結(jié)果一般作為相對定位參考站的近似坐標(biāo)Φ1Φ2Φ3Φ4P(X,Y,Z)2)用載波相位觀測值進行

靜態(tài)絕對定位精度高于偽距法靜態(tài)43).絕對定位精度評定

GPS絕對定位的定位精度主要取決于：①衛(wèi)星分布的幾何圖形②觀測量精度權(quán)系數(shù)陣Qx：空間直角坐標(biāo)形式大地坐標(biāo)形式等效距離誤差精度因子3).絕對定位精度評定GPS絕對定位的定位精度主要取決于：5精度因子DOP(1/2)平面位置精度因子HDOP(horizontalDOP)及其相應(yīng)的平面位置精度

高程精度因子VDOP(VerticalDOP)及其相應(yīng)的高程精度

精度因子DOP(1/2)平面位置精度因子HDOP(horiz6精度因子DOP(2/2)空間位置精度因子PDOP(PositionDOP)及其相應(yīng)的三維定位精度

接收機鐘差精度因子TDOP(TimeDOP)及其鐘差精度

幾何精度因子GDOP(GeometricDOP)及其相應(yīng)的中誤差

精度因子DOP(2/2)空間位置精度因子PDOP(Posit75.4.2靜態(tài)相對定位

至少兩臺接收機實時或事后處理數(shù)據(jù)可用偽距或載波相位觀測值差分定位參考站未知站5.4.2靜態(tài)相對定位至少兩臺接收機參考站未知站8①觀測量的線性組合

ti時刻載波相位觀測量

①觀測量的線性組合ti時刻載波相位觀測量9單差（Single-Difference—SD）

站間單差：消除了與衛(wèi)星有關(guān)的誤差：如衛(wèi)星鐘差站間距不大時可消除大部分大氣誤差多測站時注意選取基站單差（Single-Difference—SD）站間單差：10雙差（Double-Difference—DD）星際二次差在一次差的基礎(chǔ)進一步消除了與接收機有關(guān)的載波相位及其鐘差項注意選取基星GPS基線向量處理時常用的模型雙差（Double-Difference—DD）星際二次差在11三差（Triple-Difference—TD）

歷元間差分在雙差的基礎(chǔ)上進一步消除了：初始整周模糊度當(dāng)然還有一些其它的載波相位觀測值的線性組合三差（Triple-Difference—TD）歷元間差分12差分模型的優(yōu)缺點優(yōu)點：消除或減弱一些具有系統(tǒng)性誤差的影響減少平差計算中未知數(shù)的個數(shù)缺點：原始獨立觀測量通過求差將引起差分量之間的相關(guān)性平差計算中，差分法將使觀測方程數(shù)明顯減少基站和基星選取情況隨接收機的數(shù)量增多情況越來越復(fù)雜差分模型的優(yōu)缺點優(yōu)點：缺點：135.5美國的GPS政策SA技術(shù)：降低廣播星歷中衛(wèi)星位置的精度，降低星鐘改正數(shù)的精度，對衛(wèi)星基準(zhǔn)頻率加上高頻的抖動（使偽距和相位的量測精度降低），由標(biāo)準(zhǔn)定位精度由原來的30米下降到100米左右。AS技術(shù)：即將P碼改變?yōu)閅碼，即對精密偽距測量進一步限制，而美國軍方和特許用戶不受這些政策的影響SA政策的解除：2000年5月1日，白宮宣布從午夜開始中止對GPS公眾服務(wù)信號降低精度（SA政策〕的措施。民用GPS精度將會提高10倍以上。

5.5美國的GPS政策SA技術(shù)：降低廣播星歷中衛(wèi)星位置的14P=正確位置P防電子欺騙技術(shù)(AS)將P碼加密為Y碼選擇性服務(wù)政策(SA)*SA技術(shù)已經(jīng)于2000年5月取消理論上利用C/A碼可獲取10-30m的定位精度30m100mP=正確位置P防電子欺騙技術(shù)(AS)30m100m15+/-100m(95%)美國防部人為降低衛(wèi)星廣播信息的精度，限制非許可用戶的非法使用在基準(zhǔn)信號上人為加入一個高頻抖動信號(δ技術(shù))人為降低衛(wèi)星星歷精度(ε技術(shù))此項技術(shù)稱為選擇可用性技術(shù)點位精度為100m(95%)P=正確位置P理論上基于C/A碼的定位精度約為10-30m選擇可用性技術(shù)(SA)30m100m+/-100m(95%)美國防部人為降低衛(wèi)16SA和AS實施的目的使非特許用戶不能獲得高精度定位信息用戶的對策采用DGPS技術(shù)對付SA政策采用下面3種對付AS政策P-W技術(shù)L1、L2互相關(guān)技術(shù)窄相關(guān)技術(shù)SA和AS實施的目的17

美國GPS政策的改變2000年5月美國國防部宣布取消SA政策，使得水平單點定位精度恢復(fù)到20~30m將逐步開放L2的C/A碼L2上的C/A碼的開放，將使得GPS的精度和功能提高，且可使用戶方便的利用雙頻進行電離層影響的改正。屆時可使水平單點定位精度提高到2.5m將啟用一個新的民用頻率L5和和軍隊專用的M碼L5將大大縮短整周模糊度的搜索時間，從而使得動態(tài)定位和快速靜態(tài)定位技術(shù)有更大的發(fā)展美國GPS政策的改變18第七章GPS測量的誤差來源及其影響一）、與衛(wèi)星有關(guān)誤差衛(wèi)星星歷誤差：軌道偏差衛(wèi)星鐘差相對論效應(yīng)

二）、信號傳送誤差電離層延時對流層延時多路徑效應(yīng)第七章GPS測量的誤差來源及其影響一）、與衛(wèi)星有關(guān)誤差19三）、觀測及接收設(shè)備誤差接收機鐘差接收機噪聲天線相位中心誤差天線安置誤差

四）、其它誤差地球固體潮地球海潮美國SA政策三）、觀測及接收設(shè)備誤差20一）與衛(wèi)星有關(guān)誤差

1）、衛(wèi)星星歷誤差1.

廣播星歷：由地面監(jiān)測站測定衛(wèi)星軌道外推軌道，精度25m。精密歷：實測后處理提供星歷，＜5cmIGS站上取，中國地殼形變網(wǎng)一）與衛(wèi)星有關(guān)誤差1）、衛(wèi)星星歷誤差213.解決方法①建立衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)精密定軌②軌道松弛法：半短弧法：三個方向為未知數(shù)短弧法：6個軌道根數(shù)為未知數(shù)③二站同步觀測相對定位消除3.解決方法222）、衛(wèi)星鐘誤差衛(wèi)星鐘有偏差和漂移，差1ms，相當(dāng)于300KM。l

導(dǎo)航電文中提供修正參數(shù)用模型改正。t為參數(shù)歷元。改正后可達到20ns，6m誤差l

消除方法：二站同步觀測相對定位消除2）、衛(wèi)星鐘誤差233）、相對論效應(yīng)由于衛(wèi)星鐘和接收機鐘所處運動狀態(tài)和重力位不同引起衛(wèi)星鐘和接收機鐘時間差。l

狹義相對論衛(wèi)星鐘頻率，＝3874m/s，l

廣義相對論：衛(wèi)星頻率為10.22999999545MHg(標(biāo)準(zhǔn)10.23MHg)3）、相對論效應(yīng)24二）與信號傳播有關(guān)誤差

1）、電離層延遲由地面50-1000KM高空中由太陽幅射造成氣體電離形成電離層。電磁波信號經(jīng)過電離層速度發(fā)生變化。二）與信號傳播有關(guān)誤差1）、電離層延遲25l

對C/A碼影響：C/A碼是方波是群速度l

對C/A碼影響：C/A碼是方波是群速度26l

對載波影響：載波是正弦波，是相速度電離層影響與太陽黑子活動有關(guān)，與衛(wèi)星到接收機方向有關(guān)。天頂最大50m延遲高度角20°150m延遲l

對載波影響：載波是正弦波，是相速度電離層影響與太陽黑子27減弱電離層影響方法

l

利用雙頻接收機：令A(yù)＝C×40.28減弱電離層影響方法l

利用雙頻接收機：28l

模型改正：KlobacharDC：5ns，TP：14h

為地磁強度

l

模型改正：Klobachar29二站同步觀測減弱相距≦20KM二站同步觀測減弱302）、對流層影響

從地面到高空40KM大氣層為對流層。電磁波經(jīng)過對流層會產(chǎn)生延遲，和溫度、濕度、氣壓有關(guān)。天頂方向可達2.3m，高度角10o，可達13~20m2）、對流層影響31

l

模型改正：霍普菲爾德（Hopfield）l

差分方法可以消除l

模型改正：霍普菲爾德（Hopfield）l

323）、多路徑誤差3）、多路徑誤差33L1載波最大可達4.8cmL2載波最大可達6.1cm碼影響可達10m多路徑影響結(jié)果

L1載波最大可達4.8cm多路徑影響結(jié)果34多路徑消除方法選擇合適的站址：遠離反射物、山坡、沙丘、水面等帶有抑制板的天線長時間觀測多路徑消除方法選擇合適的站址：遠離反射物、山坡、沙丘、水面等35三）與接收機有關(guān)誤差天線相位中心偏移：應(yīng)小于5mm接收機鐘差：作為未知數(shù)求解星間差消除 利用模型改正內(nèi)部噪聲：小于0.1mm天線安置誤差：小于1mm三）與接收機有關(guān)誤差天線相位中心偏移：應(yīng)小于5mm36

載波相位差分技術(shù)又稱為RTK技術(shù)（realtimekinematic），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)，并達到厘米級的高精度。

與偽距差分原理相同，由基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈實時將其載波觀測量及站坐標(biāo)信息一同傳送給用戶站。用戶站接收GPS衛(wèi)星的載波相位與來自基準(zhǔn)站的載波相位，并組成相位差分觀測值進行實時處理，能實時給出厘米級的定位結(jié)果。

實現(xiàn)載波相位差分GPS的方法分為兩類：修正法和差分法。前者與偽距差分相同，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)。后者將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)送給用戶臺進行求差解算坐標(biāo)。前者為準(zhǔn)RTK技術(shù)，后者為真正的RTK技術(shù)。

載波相位差分技術(shù)又稱為RTK技術(shù)（realt37差分GPS定位系統(tǒng)是由一個基準(zhǔn)站和多個用戶臺組成?；鶞?zhǔn)站與用戶臺之間的聯(lián)系，即由基準(zhǔn)站計算出的改正數(shù)發(fā)送到用戶臺的手段是靠數(shù)據(jù)鏈完成的。數(shù)據(jù)鏈由調(diào)制解調(diào)器和電臺組成。差分GPS定位系統(tǒng)是由一個基準(zhǔn)站和多38RTK通訊技術(shù):新的Trimble內(nèi)置或外掛電臺保證實施高品質(zhì)的RTK使用轉(zhuǎn)發(fā)站或特殊的RTK天線擴展了控制距離應(yīng)用蜂窩電話或信息包調(diào)置解調(diào)器RTK通訊技術(shù):39單參考站RTK覆蓋范圍:1,250km2(500sqmi)[傳統(tǒng)RTK>300km2(120sqmi)]精度1cm+1ppm平面,2cm+2ppm高程單參考站RTK40野外工作者最佳的選擇舒適的人體工程學(xué)設(shè)計靈活多樣的野外便攜設(shè)計可腰掛攜帶單桿便攜設(shè)計可置入背包攜帶裝置于三角架上裝置于各種交通工具上野外工作者最佳的選擇舒適的人體工程學(xué)設(shè)計靈活多樣的野外便41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425.4GPS絕對定位與相對定位

5.4.1靜態(tài)絕對定位

只用一臺接收機即可實時定位一般使用偽距定位或載波相位定位又稱單點定位5.4GPS絕對定位與相對定位5.4.1靜態(tài)絕對定位431)偽距靜態(tài)絕對定位

1234P(X,Y,Z)+dT觀測值：ρi或Φi未知參數(shù)：X,Y,Z,dT1)偽距靜態(tài)絕對定位1234P(X,Y,442)用載波相位觀測值進行

靜態(tài)絕對定位

精度高于偽距法靜態(tài)絕對定位需加電離層、對流層等改正觀測值為Φi進行周跳探測修復(fù)及整周模糊度的固定其結(jié)果一般作為相對定位參考站的近似坐標(biāo)Φ1Φ2Φ3Φ4P(X,Y,Z)2)用載波相位觀測值進行

靜態(tài)絕對定位精度高于偽距法靜態(tài)453).絕對定位精度評定

GPS絕對定位的定位精度主要取決于：①衛(wèi)星分布的幾何圖形②觀測量精度權(quán)系數(shù)陣Qx：空間直角坐標(biāo)形式大地坐標(biāo)形式等效距離誤差精度因子3).絕對定位精度評定GPS絕對定位的定位精度主要取決于：46精度因子DOP(1/2)平面位置精度因子HDOP(horizontalDOP)及其相應(yīng)的平面位置精度

高程精度因子VDOP(VerticalDOP)及其相應(yīng)的高程精度

精度因子DOP(1/2)平面位置精度因子HDOP(horiz47精度因子DOP(2/2)空間位置精度因子PDOP(PositionDOP)及其相應(yīng)的三維定位精度

接收機鐘差精度因子TDOP(TimeDOP)及其鐘差精度

幾何精度因子GDOP(GeometricDOP)及其相應(yīng)的中誤差

精度因子DOP(2/2)空間位置精度因子PDOP(Posit485.4.2靜態(tài)相對定位

至少兩臺接收機實時或事后處理數(shù)據(jù)可用偽距或載波相位觀測值差分定位參考站未知站5.4.2靜態(tài)相對定位至少兩臺接收機參考站未知站49①觀測量的線性組合

ti時刻載波相位觀測量

①觀測量的線性組合ti時刻載波相位觀測量50單差（Single-Difference—SD）

站間單差：消除了與衛(wèi)星有關(guān)的誤差：如衛(wèi)星鐘差站間距不大時可消除大部分大氣誤差多測站時注意選取基站單差（Single-Difference—SD）站間單差：51雙差（Double-Difference—DD）星際二次差在一次差的基礎(chǔ)進一步消除了與接收機有關(guān)的載波相位及其鐘差項注意選取基星GPS基線向量處理時常用的模型雙差（Double-Difference—DD）星際二次差在52三差（Triple-Difference—TD）

歷元間差分在雙差的基礎(chǔ)上進一步消除了：初始整周模糊度當(dāng)然還有一些其它的載波相位觀測值的線性組合三差（Triple-Difference—TD）歷元間差分53差分模型的優(yōu)缺點優(yōu)點：消除或減弱一些具有系統(tǒng)性誤差的影響減少平差計算中未知數(shù)的個數(shù)缺點：原始獨立觀測量通過求差將引起差分量之間的相關(guān)性平差計算中，差分法將使觀測方程數(shù)明顯減少基站和基星選取情況隨接收機的數(shù)量增多情況越來越復(fù)雜差分模型的優(yōu)缺點優(yōu)點：缺點：545.5美國的GPS政策SA技術(shù)：降低廣播星歷中衛(wèi)星位置的精度，降低星鐘改正數(shù)的精度，對衛(wèi)星基準(zhǔn)頻率加上高頻的抖動（使偽距和相位的量測精度降低），由標(biāo)準(zhǔn)定位精度由原來的30米下降到100米左右。AS技術(shù)：即將P碼改變?yōu)閅碼，即對精密偽距測量進一步限制，而美國軍方和特許用戶不受這些政策的影響SA政策的解除：2000年5月1日，白宮宣布從午夜開始中止對GPS公眾服務(wù)信號降低精度（SA政策〕的措施。民用GPS精度將會提高10倍以上。

5.5美國的GPS政策SA技術(shù)：降低廣播星歷中衛(wèi)星位置的55P=正確位置P防電子欺騙技術(shù)(AS)將P碼加密為Y碼選擇性服務(wù)政策(SA)*SA技術(shù)已經(jīng)于2000年5月取消理論上利用C/A碼可獲取10-30m的定位精度30m100mP=正確位置P防電子欺騙技術(shù)(AS)30m100m56+/-100m(95%)美國防部人為降低衛(wèi)星廣播信息的精度，限制非許可用戶的非法使用在基準(zhǔn)信號上人為加入一個高頻抖動信號(δ技術(shù))人為降低衛(wèi)星星歷精度(ε技術(shù))此項技術(shù)稱為選擇可用性技術(shù)點位精度為100m(95%)P=正確位置P理論上基于C/A碼的定位精度約為10-30m選擇可用性技術(shù)(SA)30m100m+/-100m(95%)美國防部人為降低衛(wèi)57SA和AS實施的目的使非特許用戶不能獲得高精度定位信息用戶的對策采用DGPS技術(shù)對付SA政策采用下面3種對付AS政策P-W技術(shù)L1、L2互相關(guān)技術(shù)窄相關(guān)技術(shù)SA和AS實施的目的58

美國GPS政策的改變2000年5月美國國防部宣布取消SA政策，使得水平單點定位精度恢復(fù)到20~30m將逐步開放L2的C/A碼L2上的C/A碼的開放，將使得GPS的精度和功能提高，且可使用戶方便的利用雙頻進行電離層影響的改正。屆時可使水平單點定位精度提高到2.5m將啟用一個新的民用頻率L5和和軍隊專用的M碼L5將大大縮短整周模糊度的搜索時間，從而使得動態(tài)定位和快速靜態(tài)定位技術(shù)有更大的發(fā)展美國GPS政策的改變59第七章GPS測量的誤差來源及其影響一）、與衛(wèi)星有關(guān)誤差衛(wèi)星星歷誤差：軌道偏差衛(wèi)星鐘差相對論效應(yīng)

二）、信號傳送誤差電離層延時對流層延時多路徑效應(yīng)第七章GPS測量的誤差來源及其影響一）、與衛(wèi)星有關(guān)誤差60三）、觀測及接收設(shè)備誤差接收機鐘差接收機噪聲天線相位中心誤差天線安置誤差

四）、其它誤差地球固體潮地球海潮美國SA政策三）、觀測及接收設(shè)備誤差61一）與衛(wèi)星有關(guān)誤差

1）、衛(wèi)星星歷誤差1.

廣播星歷：由地面監(jiān)測站測定衛(wèi)星軌道外推軌道，精度25m。精密歷：實測后處理提供星歷，＜5cmIGS站上取，中國地殼形變網(wǎng)一）與衛(wèi)星有關(guān)誤差1）、衛(wèi)星星歷誤差623.解決方法①建立衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)精密定軌②軌道松弛法：半短弧法：三個方向為未知數(shù)短弧法：6個軌道根數(shù)為未知數(shù)③二站同步觀測相對定位消除3.解決方法632）、衛(wèi)星鐘誤差衛(wèi)星鐘有偏差和漂移，差1ms，相當(dāng)于300KM。l

導(dǎo)航電文中提供修正參數(shù)用模型改正。t為參數(shù)歷元。改正后可達到20ns，6m誤差l

消除方法：二站同步觀測相對定位消除2）、衛(wèi)星鐘誤差643）、相對論效應(yīng)由于衛(wèi)星鐘和接收機鐘所處運動狀態(tài)和重力位不同引起衛(wèi)星鐘和接收機鐘時間差。l

狹義相對論衛(wèi)星鐘頻率，＝3874m/s，l

廣義相對論：衛(wèi)星頻率為10.22999999545MHg(標(biāo)準(zhǔn)10.23MHg)3）、相對論效應(yīng)65二）與信號傳播有關(guān)誤差

1）、電離層延遲由地面50-1000KM高空中由太陽幅射造成氣體電離形成電離層。電磁波信號經(jīng)過電離層速度發(fā)生變化。二）與信號傳播有關(guān)誤差1）、電離層延遲66l

對C/A碼影響：C/A碼是方波是群速度l

對C/A碼影響：C/A碼是方波是群速度67l

對載波影響：載波是正弦波，是相速度電離層影響與太陽黑子活動有關(guān)，與衛(wèi)星到接收機方向有關(guān)。天頂最大50m延遲高度角20°150m延遲l

對載波影響：載波是正弦波，是相速度電離層影響與太陽黑子68減弱電離層影響方法

l

利用雙頻接收機：令A(yù)＝C×40.28減弱電離層影響方法l

利用雙頻接收機：69l

模型改正：KlobacharDC：5ns，TP：14h

為地磁強度

l

模型改正：Klobachar70二站同步觀測減弱相距≦20KM二站同步觀測減弱712）、對流層影響

從地面到高空40KM大氣層為對流層。電磁波經(jīng)過對流層會產(chǎn)生延遲，和溫度、濕度、氣壓有關(guān)。天頂方向可達2.3m，高度角10o，可達13~20m2）、對流層影響72

l

模型改正：霍普菲爾德（Hopfield）l

差分方法可以消除l

模型改正：霍普菲爾德（Hopfield）l

733）、多路徑誤差3）、多路徑誤差74L1載波最大可達4.8cmL2載波最大可達6.1cm碼影響可達10m多路徑影響結(jié)果

L1載波最大可達4.8cm多路徑影響結(jié)果75多路徑消除方