GPS測量原理及應用51211課件

第五章GPS衛(wèi)星定位的基本原理§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§5.5

GPS絕對定位與相對定位§5.6差分GPS定位原理§5.7美國的GPS政策§5.1概述一、衛(wèi)星定位的基本原理1、衛(wèi)星的位置：靠地面監(jiān)測站（點的坐標已知），GPS衛(wèi)星發(fā)射測距信號和導航電文，導航電文中含有衛(wèi)星的位置信息。地面監(jiān)測站時刻監(jiān)測衛(wèi)星，測出二者之間的距離，然后由地面已知點的坐標交會出衛(wèi)星的位置。

2、測站的(待測點)位置：

GPS衛(wèi)星發(fā)射測距信號和導航電文，導航電文中含有衛(wèi)星的位置信息。地面監(jiān)測站時刻監(jiān)測衛(wèi)星，測出二者之間的距離，然后由空間衛(wèi)星的位置交會出測站點的位置。監(jiān)測方法：如果測距無誤差，已知：（X,Y,Z）s，s=1,2,3

觀測：ρ1，ρ2，ρ3

計算：（X,Y,Z）p原理：根據空中衛(wèi)星的已知坐標，用空間距離后方交會的方法，求出測站點的位置。3、衛(wèi)星定位的基本原理運用空間距離前方交會的方法求出衛(wèi)星的位置。運用空間距離后方交會的方法求測站點的位置。觀測值：距離用距離交會的方法求解P點的三維坐標（X，Y，Z）的觀測方程：5、GPS定位的實質：

由GPS接收機在某一時刻，同時接收四顆以上的GPS衛(wèi)星信號，測量出GPS接收機到GPS衛(wèi)星的距離，根據空間距離后方交會的方法求測站點的位置。觀測方程：（j=1，2，3，4）式中：為衛(wèi)星的坐標；為測站的坐標；為接收機鐘差。二、GPS定位方法及分類1、根據定位所采用的觀測值分為：

偽距定位和載波相位定位

偽距定位所采用的觀測值為GPS偽距觀測值，既可以是C/A碼偽距，也可以是P碼偽距。優(yōu)點是數據處理簡單，對定位條件的要求低，不存在整周模糊度問題，可以非常容易的實現實時定位。缺點是觀測值精度低，C/A碼的精度一般為3米，而P碼的精度一般也在30厘米左右。另外若采用精度較高的P碼偽距觀測值還存在AS政策問題。2、根據定位模式分為：

絕對定位又稱單點定位。這是一種采用一臺接收機進行定位的作業(yè)模式。它所確定的是接收機天線的絕對坐標。這種定位模式的特點是作業(yè)方式簡單，可以單機作業(yè)，絕對定位一般用于導航和定位精度要求不高的應用中。

相對定位又稱差分定位，這種定位模式采用兩臺以上的接收機同時對一組相同的衛(wèi)星進行觀測，以確定接收機相互為之間的關系。3、根據獲取定位結果的時間分為：

實時定位是根據接收機觀測到的數據，實時的解算出接收機天線所在的位置。

非實時定位又稱后處理定位，它是通過對接收機接收到數據進行后處理，以定位的方法。4、根據定位時接收機的運動狀態(tài)分為：

靜態(tài)定位就是在整個觀測過程中，接收機的位置是不變的。（接收機的位置是一個不隨時間變化的量）

動態(tài)定位就是在整個觀測過程中，接收機的位置是變化的（接收機的位置是一個隨時間變化的量）返回時間的測定方法：衛(wèi)星—測距碼，經時間到達接收機。接收機—復制碼時延器—延遲復制碼，經延遲時間使兩碼對齊，。那么，延遲時間即為GPS衛(wèi)星信號從衛(wèi)星傳播到GPS接收機的時間。使實際上是不可能的，只能使，兩種碼不可能完全對齊，導致時間有誤差。二、偽距測量的原理碼相關三、偽距定位觀測方程所測偽距與真正的幾何距離之間的關系：優(yōu)點：定位速度快，無多值性。缺點：定位精度低，P碼的測距精度30cm，C/A碼的測距精度3m左右。返回§5.3載波相位測量一、載波相位測量原理載波相位測量的觀測量是GPS接收機所接收的衛(wèi)星載波信號與接收機本振信號的相位差?！跁r刻j號衛(wèi)星的相位——接收機在時刻的本振相位（以周為單位）在初始時刻，載波相位的觀測值：二、載波相位測量的觀測方程接收機k對衛(wèi)星j的載波相位測量的觀測方程：三、整周未知數的確定1、偽距法：方法簡單，誤差較大2、將作為待定參數進行平差如果將代入

可知，有5個未知數。把整周未知數當作平差計算中的待定參數來加以估計和確定有兩種方法：（1）整數解（固定解）：適合于短基線（20km以內）步驟：

①按四舍五入的原則將平差后得到的實數化為整數；復習題1、GPS衛(wèi)星定位的基本原理及相應的觀測方程，并繪圖說明。2、GPS定位的實質？3、GPS定位方法的分類？4、什么叫偽距？寫出偽距觀測方程？分析其優(yōu)缺點？5、載波相位測量的基本原理？產生周跳的原因？§5.5GPS絕對定位與相對定位GPS絕對定位又稱單點定位。即利用GPS衛(wèi)星和用戶接收機之間的距離觀測值直接確定用戶接收機天線在WGS-84坐標系中相對于坐標原點—地球質心的絕對坐標。GPS絕對定位又分為靜態(tài)絕對定位和動態(tài)絕對定位。靜態(tài)定位精度為米級，動態(tài)定位的精度為10~40米。相對定位至少用兩臺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（坐標差）。是目前GPS定位中精度最高的一種定位方法。一、GPS絕對定位接收機天線處于靜止狀態(tài)下，確定觀測站坐標的方法稱為靜態(tài)絕對定位。這時，可以連續(xù)地在不同歷元同步觀測不同的衛(wèi)星，測定衛(wèi)星至觀測站的偽距，獲得充分的多余觀測量。測后通過數據處理求得觀測站的絕對坐標。（1）偽距觀測方程的線性化偽距觀測方程：解方程可得，（接收機鐘差），并且要進行精度評定。線性化方程：式中：將偽距方程按臺勞級數展開：（2）偽距法絕對定位的解算對于任一歷元ti，由觀測站觀測四顆衛(wèi)星，則j=1，2，3，4，令：令上式可簡寫為：當同步觀測衛(wèi)星多于四顆時：根據最小二乘求解未知數：未知數中誤差：——偽距測量中誤差——為權系數陣主對角線元素在靜態(tài)絕對定位的情況下，由于觀測站不動，可以與不同歷元同步觀測不同的衛(wèi)星，以n表示觀測的歷元數，忽略接收機鐘差隨時間變化的情況，可得誤差方程式組：式中：3、絕對定位精度評價權系數陣在空間直角坐標系中的一般形式為：實際應用中，為了估算點的位置精度，常采用其在大地坐標中的表達形式。假設在大地坐標系統中相應點位的權系數陣為：根據誤差傳播率：式中：由權系數陣主對角線元素定義精度因子“DOP”后，則相應精度可表示為：式中為等效距離誤差。精度因子通常有：（1）平面位置精度因子HDOP及其相應的平面位置精度：（2）高程精度因子VDOP及其相應的高程精度：（3）空間位置精度因子PDOP及其相應的三維定位精度：（4）接收機鐘差精度因子TDOP及其相應的鐘差精度：（5）幾何精度因子GDOP及其三維位置和時間誤差綜合影響的中誤差：精度因子的數值與所測衛(wèi)星的幾何分布圖形有關。精度因子GDOP與六面體的體積V的倒數成反比，即：一般來說，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?。环粗?，六面體的體積越小，所測衛(wèi)星在空間的分布范圍也越小，GDOP值越大。二、GPS相對定位GPS相對定位：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（坐標差）。基線長度的中誤差特點優(yōu)點：定位精度高缺點：多臺接收共同作業(yè)，作業(yè)復雜數據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相對定位的類型靜態(tài)定位普通靜態(tài)定位快速靜態(tài)定位GoandStop快速確定整周未知數動態(tài)定位動態(tài)定位中整周未知數的確定靜態(tài)初始化動態(tài)初始化（OTF）實時動態(tài)定位（RTK–RealTimeKinematic）單基準站RTK多基準站RTK（網絡RTK）基本觀測量：載波相位Ф中間成果：dX，dY，dZ，dis，及相應精度最終成果：觀測站點的坐標及精度通過單差、雙差和三差法可得到最終的dX，dY，dZ。GPS按載波相位觀測值可以在衛(wèi)星間求差，在接收機間求差，也可以在不同歷元間求差。各類求差方法都是觀測值的線性組合。S1S2S3S4B△X,△Y,△ZA1、單差觀測（一次差）——在接收機間求差例：S1衛(wèi)星測站1測站2同樣在測站間可對每顆衛(wèi)星的相位觀測值求差。式中的ρ可用坐標表示。SDdX，dY，dZ，dis。Ф2i(ti)Ф1i(ti)P1P2為什么要進行單差觀測？不同接收機觀測同一顆衛(wèi)星，在不同接收機間求一次差，可消除信號傳播的誤差（對流層、電離層等的誤差），采用單差觀測的目的就是要減少誤差的影響提高定位結果的精度。優(yōu)點：①可消除衛(wèi)星鐘差的影響；②削弱星歷誤差的影響；③可削弱電離層和對流層的影響。為了消除接收機間鐘差的影響，需采用雙差觀測。2、雙差觀測（二次差）——在衛(wèi)星間求差對載波相位觀測值的一次差分觀測值繼續(xù)求差，所得的結果可以被當作虛擬觀測值，作載波相位觀測值的二次差或雙差。常用的求二次差是在接收機間求一次差后再在衛(wèi)星間求二次差，叫做星站二次差分。例：S1衛(wèi)星，S2衛(wèi)星DDdX，dY，dZ，dis。優(yōu)點：可以消除掉接收機誤差的影響。

P1P2S1S23、三次差—在星歷間求差（兩個歷元的星歷間求差）三次差是在接收機、衛(wèi)星和歷元之間求三次差。=S1從時刻ti到

tj

S2從時刻ti到

tj例：t1時刻含有t2時刻含有優(yōu)點：可消除的影響（在確定過程中不準造成的影響）SDDD線性化，，TD返回在確定整周模糊度時，僅僅為一估值，不是真值，為減弱整周模糊度的影響，采用三差觀測?！?.6差分GPS定位原理差分GPS定位技術是將一臺GPS接收機安置在基準站上進行觀測。根據基準站已知精密坐標，計算出基準站到衛(wèi)星的距離改正數，并由基準站實時地將這一改正數發(fā)送出去。用戶接收機在進行GPS觀測的同時，也接收到基準站的改正數，并對其定位結果進行改正，從而提高定位精度。GPS定位中，存在著三部分誤差：一是多臺接收機公有的誤差，如：衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差；二是傳播延遲誤差，如：電離層誤差、對流層誤差；三是接收機固有的誤差，如：內部噪聲、通道延遲、多路徑效應。采用差分定位，可完全消除第一部分誤差，可大部分消除第二部分誤差（視基準站至用戶的距離）。差分GPS可分為單基準站差分、具有多個基準站的局部區(qū)域差分和廣域差分三種類型。差分GPS的基本原理利用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。差分改正數的類型距離改正數：利用基準站坐標和衛(wèi)星星歷可計算出站星間的計算距離，計算距離減去觀測距離即為距離改正數。位置（坐標改正數）改正數：基準站上的接收機對GPS衛(wèi)星進行觀測，確定出測站的觀測坐標，測站的已知坐標與觀測坐標之差即為位置的改正數。一、單站GPS的差分（SRDGPS)單站差分按基準站發(fā)送的信息方式來分，可分為位置差分、偽距差分和載波相位差分三種，其工作原理大致相同。1．位置差分原理設基準站的精密坐標已知，在基準站上的GPS接收機測出的坐標為X，Y，Z（包含著軌道誤差、時鐘誤差、SA影響、大氣影響、多路徑效應及其他誤差），即可按下式求出其坐標改正數為：基準站用數據鏈，將這些改正數發(fā)送出去，用戶接收機在解算時加人以上改正數：為用戶接收機自身觀測結果，為經過改正后的坐標。顧及用戶接收機位置改正值的瞬時變化，上式可進一步寫成：式中，to為校正的有效時刻。這樣，經過改正后的用戶坐標就消去了基準站與用戶站共同的誤差。優(yōu)點：計算簡單，適用于各種型號的GPS接收機。缺點：基準站與用戶必須觀測同一組衛(wèi)星，這在近距離可以做到，但距離較長時很難滿足。故位置差分，只適用于100km以內。2、偽距差分原理這是應用最廣的一種差分。在基準站上，觀測所有衛(wèi)星，根據基準站已知坐標和測出的各衛(wèi)星的地心坐標，可計算衛(wèi)星道測站的幾何距離：其偽距為，則偽距改正數：基準站將和發(fā)送給用戶，用戶在測出的偽距上加改正，求出改正后的偽距：并按下式計算坐標：為鐘差，為接收機噪聲。優(yōu)點：基準站提供所有衛(wèi)星的改正數，用戶接收機觀測任意4顆衛(wèi)星，就可完成定位。缺點：差分精度隨基準站到用戶的距離增加而降低。3、載波相位差分原理位置差分和偽距差分，能滿足米級定位精度，已廣泛應用于導航、水下測量等。而載波相位差分，可使實時三維定位精度達到厘米級。載波相位差分技術又稱RTK（realTimeKinematic）技術，是實時處理兩個測站載波相位觀測量的差分方法。載波相位差分方法分為兩類：一類是修正法，另一類是差分法。所謂修正法：即將基準站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。所謂差分法：即是將基準站采集的載波相位發(fā)送給用戶，進行求差解算坐標?？梢娦拚▽贉蔙TK,差分法為真正RTK。三、廣域差分四、多基準站RTK技術二、局部區(qū)域GPS差分系統（LADGPS)

RTK(RealTimeKinematic)技術是GPS實時動態(tài)定位技術，它將GPS與數傳技術相結合，實時解算并進行數據處理，在1～2s的時間里得到高精度的位置信息。RTK工作原理

常規(guī)RTK技術是一種對動態(tài)用戶進行實時相對定位的技術，該技術也可用于快速靜態(tài)定位。進行常規(guī)RTK工作時，基準站需將自己所獲得的載波相位觀測值(最好加上測碼偽距觀測值)及站坐標，通過數據通信鏈實時播發(fā)給在其周圍工作的動態(tài)用戶。于是這些動態(tài)用戶就能依據自己獲得的相同歷元的載波相位觀測值(最好加上測碼偽距觀測值)和廣播星歷進行實時相對定位，并進而根據基準站的站坐標求得自己的瞬時位置。為消除衛(wèi)星鐘和接收機鐘的鐘差，削弱衛(wèi)星星歷誤差、電離層延遲誤差和對流層延遲誤差的影響，在RTK中通常都采用雙差觀測值。多基準站RTK技術也叫網絡RTK，這是對普通RTK方法的改進。目前應用于網絡RTK數據處理的方法有：虛擬參考站法（VirtualReferenceStationVRS）、偏導數法、線性擂法和條件平差法，其中虛擬參考站VRS技術最為成熟。深圳市連續(xù)運行GPS系統就采虛擬參考站技術。常規(guī)單基站RTK受參考站至流動站距離限制（誤差影響的相關性隨邊長的增長而減弱）；連續(xù)運行的永久GPS參考站的建立；網絡技術和無線通訊技術的高速發(fā)展；建立國家統一的空間數據基礎設施的需要，減少部門獨立應用所造成的資源浪費。1、多基準站RTK系統工作原理在某一大區(qū)域（或某一城市）內，建立若干個（三個以上）連續(xù)運行的GPS基準站，根據這GPS基準站的觀測值（由于GPS基準站有長時間的觀測數據，故點位坐標精度很高），建立區(qū)域內GPS主要誤差模型（如電離層、對流層、衛(wèi)星軌道等誤差模型），系統運行時，將這些誤差從基準站的觀測值中減去，形成“無誤差”的觀測值，然后利用這些無誤差的觀測值和移動站（用戶—單臺GPS接收機）的觀測值，經有效地組合，在移動站附近（幾米到幾十米）建立起一個虛擬參考站，移動站與虛擬參考站進行載波相位差分改正，實現實時RTK。2、多基準站RTK系統組成及功能多基準站RTK系統由若干個連續(xù)運行的GPS基準站、計算中心、數據發(fā)布中心和移動站（用戶—GPS接收機）組成。連續(xù)運行GPS基準站：連續(xù)進行GPS觀測，并實時將觀測值傳輸至計算中心。計算中心：根據各GPS基準站的觀測值，計算區(qū)域電離層、對流層和衛(wèi)星軌道等誤差模型，并實時將各基準站的觀測值減去其誤差改正，得出無誤差觀測值，再結合移動站的觀測值，計算出在移動站附近的虛擬參考站的相位差分改正，并實時地傳給數據發(fā)布中心。數據發(fā)布中心：實時接收計算中心的相位差分改正信息，并實時發(fā)布（可采用FM、或GSM、或COPD、或CDMA或Internet）。移動站：接收數據發(fā)布中心發(fā)布的相位差分改正，結合自身GPS觀測值，組成雙差相位觀測值，快速確定整周模糊度參數和位置信息，完成實時定位。多基準站RTK系統發(fā)播的差分信息，可應用于LADGPS和WADGPS。常規(guī)RTK存在的問題常規(guī)的RTK（實時動態(tài)測量）無論是在基線長度（流動站至參考站的距離）還是在解的質量控制與保障方面均存在很多問題，實際上常規(guī)RTK僅局限在短距離范圍內。常規(guī)RTK僅局限在短距離范圍內，原因：1、常規(guī)RTK的作業(yè)隨著基線的增長，各類誤差源的相關性減弱甚至消失，距離相關誤差影響無法消除，整周模糊度不能實時的正確固定，導致定位精度下降。2、RTK要求實時（或準實時）解算，多余觀測數大大減少（相對于后處理而言）；3、數傳方式及其協議的影響，其數傳方式和點對點的解算模式很難實現數據和解的實時質量控制與保障。4、解的可靠性缺乏理論和實際上的保證。5、常規(guī)RTK在參考站為中心15km范圍內流動站與參考站之間誤差強相關，但是，隨著距離的增大，系統誤差相關性減弱甚至消失，導致難以正確確定整周未知數，無法取得固定解，定位精度迅速下降。當間距大于50km時，常規(guī)RTK單歷元解算精度僅為分米級。消除距離相關誤差，解決精度均勻性；網絡RTK定位技術的興起為了解決常規(guī)RTK技術存在的缺陷，實現區(qū)域范圍內厘米級、精度均勻的實時動態(tài)定位，網絡RTK技術應運而生。GPS技術應用的日益廣泛和不斷發(fā)展，各種用途的連續(xù)運行參考站系統（CORS）相繼建成，隨著互聯網的高速發(fā)展，區(qū)域和世界范圍內的信息和據數交換已變得相當容易，這就決定了由多基站構成網絡式的GPS服務體系成為GPS技術發(fā)展的最終目標，這種影響在實時動態(tài)定位領域產生了革命性的進步。最初的網絡RTK是多參考站常規(guī)RTK，如果要使基線精度優(yōu)于3厘米，需要在一個區(qū)域內密集的布設參考站，站間距離應小于30km。精度隨著基線的增長而衰減，如果要求按一定精度覆蓋整個區(qū)域，需要架設較多的參考站。多參考站常規(guī)RTK模式雖然控制范圍大，但需要的投資也是巨大的，在一個較大的范圍內均勻稀松的布設參考站，利用參考站網絡的實時觀測數據進行系統誤差建模，然后對觀測站系統誤差進行估計，盡可能消除系統誤差影響，獲得厘米級實時定位結果，這樣網絡RTK技術的精度覆蓋范圍大大增大，且精度分布均勻，目前多數使用這種方式。虛擬參考站方式圖解作業(yè)示意圖網絡RTK優(yōu)勢和布網要求

1、覆蓋范圍廣，由三個參考站組成的參考站網可以覆蓋兩千平方千米以上，這就是網絡RTK的優(yōu)勢所在。

2、網絡RTK是在一個較大的區(qū)域內均勻布設參考站，參考站間距離依據RTK要達到的精度和當地的電離層活動狀況而定，要提供1～3cm的相對定位精度，站間距離應在50～100km，在電離層活動頻繁的區(qū)域，站間距離小于40km；而在有些大氣穩(wěn)定的區(qū)域，站間距離可以超過100km。網絡RTK和測區(qū)的關系圖VRS實際測量模擬國外發(fā)展現狀網絡RTK國外發(fā)展速度很快，主要是在以往稀松的CORS間增設新站，以滿足RTK的要求，很多地區(qū)已經建立起實驗性的多參考站網絡，有些已經投入運行。比如：巴西Recife的RBMC、新加坡的SIMRSN、澳大利亞Victoria的GPSnet及其其它等。國內發(fā)展現狀1從2000年起，我國深圳、香港、成都等各大城市采用網絡RTK虛擬基站技術，相繼建立了本地的城市綜合衛(wèi)星定位服務系統。國內發(fā)展現狀2鑒于VRS技術的廣泛應用前景，2004年下半年起，建立基于VRS技術的城市綜合衛(wèi)星定位服務系統在我國快速發(fā)展起來，目前天津、武漢\上海等城市正在建設之中，河北、廣東、重慶江蘇等省市也正在積極地籌備之中。國內發(fā)展現狀32002年底，四川省地震局在成都啟動了“成都虛擬參考站衛(wèi)星定位服務系統”(簡稱CDVRS)的建設，2004年7月建成運行，成功搭建了我國第一個設計最合理、運行最穩(wěn)定、功能最完善、覆蓋面積最大的基于VRS技術的城市綜合衛(wèi)星定位服務系統。全球RTK實際上就是實時精密單點定位（PPP）成都VRS系統的介紹CDVRS以成都市為中心，建立了6個連續(xù)運行的永久衛(wèi)星地面跟蹤站，構成一個基準網。GPS基準站觀測墩GPS重力點與水準點GPS基準站觀測室CDVRS由下面四個子系統組成：衛(wèi)星跟蹤基準站、系統控制中心、數據通信網絡、用戶。昆明市VRS系統的介紹昆明市GPS參考站系統分布圖昆明市賽馬場站

2005年11月天寶公司宣布為我國提供了全球定位系統（GPS）參考站和Trimble虛擬參考站（VRS）軟件，以便在中國增設5個新的基礎設施網絡。位于上海、武漢、東莞、天津和北京的這些多功能網絡將在這些地區(qū)提供地理空間基礎設施。網絡將能夠為不同的應用提供快速而精確的GPS定位，應用包括測量、城市規(guī)劃、城市及鄉(xiāng)村建設、環(huán)境監(jiān)測、資源及區(qū)域管理、防災救災、精準農業(yè)、科研以及交通管理。在此之前，中國的成都和深圳已經安裝了Trimble虛擬參考站。

珠峰HD6000網絡TRK

GPS是中海達公司潛心研發(fā)的全新一代基于網絡技術的RTKGPS系統。返回§5.7美國的GPS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）。相應兩種測距碼GPS將提供兩