《GPS定位的觀測(cè)量》課件

GPS定位的觀測(cè)量GPS定位系統(tǒng)利用衛(wèi)星信號(hào)來確定位置，觀測(cè)量是GPS系統(tǒng)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。定位的基本概念接收機(jī)接收機(jī)接收來自衛(wèi)星的信號(hào)并進(jìn)行處理。衛(wèi)星衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)，提供時(shí)間和位置信息。地圖地圖提供空間參考框架，用于將接收機(jī)位置轉(zhuǎn)換為地理坐標(biāo)。坐標(biāo)系與時(shí)間系統(tǒng)GPS定位系統(tǒng)使用特定的坐標(biāo)系和時(shí)間系統(tǒng)，以確定物體在地球上的位置。WGS-84坐標(biāo)系是GPS系統(tǒng)中使用的標(biāo)準(zhǔn)地理坐標(biāo)系，采用大地經(jīng)緯度和高程來表示位置。GPS時(shí)間系統(tǒng)與UTC時(shí)間系統(tǒng)密切相關(guān)，但具有微小的偏差。GPS時(shí)間系統(tǒng)以1980年1月6日0時(shí)0分0秒為基準(zhǔn)。衛(wèi)星的定位原理1接收衛(wèi)星信號(hào)GPS接收機(jī)接收來自至少四顆衛(wèi)星的信號(hào)。2測(cè)量衛(wèi)星距離接收機(jī)通過測(cè)量信號(hào)傳播時(shí)間來計(jì)算與衛(wèi)星的距離。3定位計(jì)算根據(jù)多個(gè)衛(wèi)星的距離，利用幾何原理，計(jì)算接收機(jī)的位置。偽距測(cè)量偽距測(cè)量是GPS定位中的一種基本測(cè)量方法。它利用衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間，計(jì)算衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，即偽距。偽距測(cè)量是GPS定位中最常用的方法之一，它可以用于確定接收機(jī)的三維坐標(biāo)。偽距測(cè)量是基于衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)的傳播時(shí)間來進(jìn)行的，該時(shí)間會(huì)受到多種因素的影響，例如大氣延遲、衛(wèi)星鐘差和接收機(jī)鐘差等。相位測(cè)量偽距測(cè)量相位測(cè)量測(cè)量信號(hào)的到達(dá)時(shí)間測(cè)量信號(hào)的相位差精度較低精度較高易受大氣和電離層影響不受大氣和電離層影響載波波相位測(cè)量原理載波波相位測(cè)量通過測(cè)量信號(hào)的相位變化來確定距離。這種方法可以比偽距測(cè)量更精確，因?yàn)橄辔粶y(cè)量不受衛(wèi)星鐘差的影響。方法載波波相位測(cè)量通過測(cè)量信號(hào)的相位變化來確定距離，可以使用單頻或雙頻測(cè)量。優(yōu)勢(shì)載波波相位測(cè)量可以獲得更高精度的定位結(jié)果，但需要更復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理過程。應(yīng)用載波波相位測(cè)量廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，包括大地測(cè)量、工程測(cè)量和導(dǎo)航。相位中的常量整周模糊度整周模糊度是相位測(cè)量中一個(gè)未知的整數(shù)常數(shù)，代表載波相位循環(huán)的整數(shù)倍數(shù)。它取決于接收機(jī)和衛(wèi)星之間的距離，以及衛(wèi)星信號(hào)傳播路徑上的大氣延遲。接收機(jī)鐘差接收機(jī)鐘差是指接收機(jī)時(shí)鐘與衛(wèi)星時(shí)鐘之間的偏差，它會(huì)影響接收機(jī)測(cè)量的偽距和載波相位。接收機(jī)鐘差可以通過衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行校正。衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星鐘差是指衛(wèi)星時(shí)鐘與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之間的偏差，它也會(huì)影響衛(wèi)星信號(hào)的傳播時(shí)間，進(jìn)而影響接收機(jī)測(cè)量的偽距和載波相位。衛(wèi)星鐘差可以通過衛(wèi)星導(dǎo)航電文進(jìn)行校正。電離層延遲電離層延遲是指電離層對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的延遲，它會(huì)影響接收機(jī)測(cè)量的偽距和載波相位。電離層延遲可以通過雙頻觀測(cè)或模型進(jìn)行校正。相位觀測(cè)量的建立1測(cè)量時(shí)間記錄接收機(jī)接收到衛(wèi)星信號(hào)的精確時(shí)間2載波相位測(cè)量衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)接收機(jī)時(shí)的載波相位3衛(wèi)星軌道信息使用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的衛(wèi)星軌道信息4大氣延遲估計(jì)信號(hào)傳播過程中大氣層對(duì)信號(hào)的延遲影響相位觀測(cè)量是GPS定位的重要基礎(chǔ)，需要通過精確測(cè)量才能獲得高精度定位結(jié)果。偽距觀測(cè)量的建立1衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星內(nèi)部時(shí)鐘誤差2大氣延遲電離層和對(duì)流層延遲3接收機(jī)鐘差接收機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘誤差4多路徑效應(yīng)信號(hào)反射引起的誤差5衛(wèi)星軌道誤差衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)誤差偽距觀測(cè)量的建立過程需要考慮多個(gè)誤差源。衛(wèi)星鐘差和接收機(jī)鐘差是由于時(shí)鐘不精確導(dǎo)致的誤差。大氣延遲是指信號(hào)通過大氣層時(shí)產(chǎn)生的延遲。多路徑效應(yīng)是由于信號(hào)反射導(dǎo)致的誤差。衛(wèi)星軌道誤差是指衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)誤差。這些誤差需要在后續(xù)的處理過程中進(jìn)行校正。定位方程基本公式GPS定位方程是基于測(cè)距方程推導(dǎo)出來的。測(cè)距方程是計(jì)算衛(wèi)星到接收機(jī)距離的公式。而定位方程則是利用多個(gè)測(cè)距方程來確定接收機(jī)的坐標(biāo)。線性方程組定位方程是一個(gè)非線性方程組，需要進(jìn)行線性化處理才能求解。線性化后，可以利用最小二乘法求解接收機(jī)的坐標(biāo)。單點(diǎn)定位的計(jì)算步驟接收機(jī)觀測(cè)值接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)，測(cè)量偽距和載波相位。觀測(cè)值預(yù)處理對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行必要的校正，例如衛(wèi)星鐘差、電離層延遲、對(duì)流層延遲等。建立定位方程根據(jù)觀測(cè)值和已知參數(shù)，建立定位方程，解算出接收機(jī)坐標(biāo)。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將計(jì)算得到的坐標(biāo)從WGS84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到目標(biāo)坐標(biāo)系。定位坐標(biāo)的精度分析定位坐標(biāo)的精度指的是測(cè)定點(diǎn)位置的準(zhǔn)確性。影響定位坐標(biāo)精度的因素主要包括：10衛(wèi)星數(shù)量衛(wèi)星數(shù)量越多，定位精度越高。20衛(wèi)星幾何分布衛(wèi)星幾何分布越理想，定位精度越高。30信號(hào)質(zhì)量信號(hào)質(zhì)量越好，定位精度越高。50大氣影響大氣影響越小，定位精度越高。GPS測(cè)量精度的影響因素11.衛(wèi)星信號(hào)的誤差衛(wèi)星軌道誤差和鐘差會(huì)影響信號(hào)傳播時(shí)間，進(jìn)而影響定位精度。22.接收機(jī)噪聲接收機(jī)內(nèi)部噪聲會(huì)影響信號(hào)的接收質(zhì)量，降低定位精度。33.大氣層的影響電離層和對(duì)流層會(huì)使信號(hào)傳播路徑發(fā)生變化，影響信號(hào)傳播時(shí)間。44.多路徑效應(yīng)信號(hào)反射會(huì)導(dǎo)致多條路徑到達(dá)接收機(jī)，影響信號(hào)接收質(zhì)量。多星觀測(cè)的優(yōu)點(diǎn)觀測(cè)幾何條件多星觀測(cè)可以改善衛(wèi)星的幾何位置，提高定位精度。觀測(cè)誤差多顆衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行平均，降低隨機(jī)誤差的影響。數(shù)據(jù)冗余多星觀測(cè)提供更多的數(shù)據(jù)，可用于更可靠的解算和誤差分析。雙頻觀測(cè)的優(yōu)點(diǎn)消除電離層延遲雙頻觀測(cè)利用不同頻率的信號(hào)，可以有效消除電離層對(duì)信號(hào)傳播的影響，提高定位精度。提高測(cè)量精度雙頻觀測(cè)可以提高偽距和載波相位觀測(cè)量的精度，進(jìn)而提高定位精度。改善模糊度解算雙頻觀測(cè)可以有效地改善模糊度解算，從而提高定位精度。差分定位的基本原理1基準(zhǔn)站觀測(cè)基準(zhǔn)站接收衛(wèi)星信號(hào)，并精確計(jì)算位置。2差分修正計(jì)算基準(zhǔn)站與用戶站觀測(cè)誤差的差異。3用戶站定位用戶站利用差分修正值進(jìn)行定位計(jì)算。差分定位利用一個(gè)已知位置的基準(zhǔn)站，接收衛(wèi)星信號(hào)并進(jìn)行精確的定位計(jì)算。通過比較基準(zhǔn)站與用戶站之間的觀測(cè)誤差，可以計(jì)算出用戶站的位置誤差。然后，將這些誤差修正值傳遞給用戶站，用于改善用戶站的定位精度。基線向量的確定1基線向量定義連接兩個(gè)GPS接收機(jī)天線中心的直線稱為基線向量，是差分定位計(jì)算中最重要的參數(shù)之一。2基線向量計(jì)算通過已知點(diǎn)坐標(biāo)和接收機(jī)坐標(biāo)之間的差值，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和向量運(yùn)算，得到基線向量。3基線向量應(yīng)用基線向量可以用于計(jì)算兩個(gè)接收機(jī)之間的距離、方位角和高差，以及進(jìn)行差分定位的精度分析。雙差觀測(cè)量的建立1觀測(cè)值GPS觀測(cè)值2單差消除衛(wèi)星鐘差和接收機(jī)鐘差3雙差消除電離層延遲和對(duì)流層延遲雙差觀測(cè)量可以消除衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差、電離層延遲和對(duì)流層延遲，從而提高定位精度。雙差觀測(cè)量的建立是通過對(duì)不同衛(wèi)星和不同接收機(jī)之間的觀測(cè)值進(jìn)行差分來實(shí)現(xiàn)的。雙差定位計(jì)算的步驟1數(shù)據(jù)預(yù)處理數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和誤差校正2形成雙差方程利用觀測(cè)數(shù)據(jù)建立雙差方程組3解算基線向量利用最小二乘法解算未知參數(shù)4坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將基線向量轉(zhuǎn)換為地理坐標(biāo)雙差定位計(jì)算的步驟包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、形成雙差方程、解算基線向量和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)11.連續(xù)接收衛(wèi)星信號(hào)動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。22.精確位置信息動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)可以提供車輛、人員或其他目標(biāo)的實(shí)時(shí)位置信息。33.跟蹤目標(biāo)移動(dòng)動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)可以跟蹤目標(biāo)的移動(dòng)軌跡，并將其繪制在電子地圖上。44.應(yīng)用領(lǐng)域廣泛動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)在交通運(yùn)輸、物流、安全管理等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。動(dòng)態(tài)定位的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ш较到y(tǒng)汽車導(dǎo)航、船舶導(dǎo)航、航空導(dǎo)航等。無人機(jī)無人機(jī)控制、航拍、物流運(yùn)輸。車輛追蹤車輛管理、運(yùn)輸監(jiān)控、貨物跟蹤。戶外活動(dòng)徒步、登山、探險(xiǎn)、救援等。靜態(tài)相對(duì)定位的應(yīng)用工程測(cè)量高精度靜態(tài)相對(duì)定位可用于橋梁、隧道等大型工程的測(cè)量。它可提供厘米級(jí)甚至毫米級(jí)的精度，確保工程的精度和安全。大地測(cè)量靜態(tài)相對(duì)定位可用于大地測(cè)量，確定地球的形狀、大小和重力場(chǎng)。它可用于研究地球板塊運(yùn)動(dòng)、地殼變形等地質(zhì)現(xiàn)象。相對(duì)定位精度的分析相對(duì)定位精度受多種因素影響，包括觀測(cè)誤差、大氣延遲、多路徑效應(yīng)、衛(wèi)星鐘差等。通過優(yōu)化觀測(cè)策略、采用更高精度的接收機(jī)、改進(jìn)數(shù)據(jù)處理方法等措施，可以提高相對(duì)定位精度。相對(duì)定位精度主要由基線長(zhǎng)度、觀測(cè)時(shí)間、觀測(cè)頻率、接收機(jī)類型等因素決定。基線長(zhǎng)度越短，觀測(cè)時(shí)間越長(zhǎng)，觀測(cè)頻率越高，接收機(jī)精度越高，相對(duì)定位精度越高。相對(duì)定位精度一般用基線誤差來衡量，通常用厘米級(jí)或毫米級(jí)來表示。高精度相對(duì)定位技術(shù)可以達(dá)到毫米級(jí)甚至亞毫米級(jí)的精度。高精度相對(duì)定位技術(shù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)利用多個(gè)衛(wèi)星同時(shí)觀測(cè)，提高數(shù)據(jù)量和精度。精密計(jì)時(shí)采用原子鐘等高精度計(jì)時(shí)系統(tǒng)，提高時(shí)間同步精度。雙頻接收機(jī)利用雙頻信號(hào)消除電離層延遲影響，提升定位精度。精密測(cè)量設(shè)備使用高精度測(cè)量?jī)x器，如高精度接收機(jī)、高精度天線。相對(duì)定位的誤差分析大氣延遲誤差大氣折射會(huì)影響電磁波傳播速度，造成誤差。電離層和對(duì)流層會(huì)引起延遲，影響定位精度。不同頻率的電磁波受大氣影響程度不同，因此雙頻觀測(cè)可以部分消除大氣延遲誤差。衛(wèi)星鐘差誤差衛(wèi)星鐘與地面鐘存在時(shí)間差異，導(dǎo)致定位誤差。衛(wèi)星鐘差可以通過衛(wèi)星鐘改正值來消除。高精度相對(duì)定位中，通過雙差觀測(cè)可以有效消除衛(wèi)星鐘差的影響。多路徑效應(yīng)誤差衛(wèi)星信號(hào)反射到接收機(jī)，導(dǎo)致多路徑效應(yīng)，影響定位精度。多路徑效應(yīng)可以通過天線設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理方法來減輕。采用低噪聲接收機(jī)，可以有效提高信噪比，減少多路徑效應(yīng)的影響。接收機(jī)誤差接收機(jī)本身存在誤差，例如接收機(jī)鐘差、噪聲等。接收機(jī)誤差可以通過校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)處理方法來減輕。高精度接收機(jī)一般都具有高精度時(shí)鐘，可以有效降低接收機(jī)鐘差誤差。相對(duì)定位的數(shù)據(jù)處理1數(shù)據(jù)預(yù)處理觀測(cè)值、衛(wèi)星歷書、電離層和對(duì)流層數(shù)據(jù)等2基線向量計(jì)算雙差觀測(cè)值建立方程求解3坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將基線向量轉(zhuǎn)換為最終坐標(biāo)4精度分析評(píng)估定位結(jié)果的精度數(shù)據(jù)處理流程是保證相對(duì)定位結(jié)果準(zhǔn)確的關(guān)鍵。對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，消除誤差影響。通過基線向量計(jì)算，確定待測(cè)點(diǎn)與參考點(diǎn)的相對(duì)位置。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將結(jié)果轉(zhuǎn)換為目標(biāo)坐標(biāo)系。最終，需要進(jìn)行精度分析，評(píng)估定位結(jié)果的可靠性。實(shí)踐應(yīng)用案例分析GPS定位技術(shù)在各種領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。例如，在測(cè)量中，GPS可以快速準(zhǔn)確地獲取地面點(diǎn)坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)高精度地形測(cè)繪和工程測(cè)量。在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，GPS導(dǎo)航系統(tǒng)可以幫助車輛實(shí)時(shí)定位，規(guī)劃最優(yōu)路線，提高駕駛效率和安全性。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，GPS可以用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，優(yōu)化施肥、灌溉等農(nóng)事活動(dòng)，提高作