《GPS靜態(tài)定位原理》課件

GPS靜態(tài)定位原理本課程介紹了GPS靜態(tài)定位原理。投稿人：GPS定位系統(tǒng)概述全球定位系統(tǒng)GPS是全球定位系統(tǒng)的縮寫，是由美國(guó)國(guó)防部研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，它由空間段、控制段和用戶段組成?？臻g段由24顆衛(wèi)星組成，它們以特定軌道運(yùn)行，向地面發(fā)送無線電信號(hào)。定位原理接收機(jī)通過接收衛(wèi)星信號(hào)，計(jì)算出與衛(wèi)星的距離，然后利用幾何原理，確定接收機(jī)的三維坐標(biāo)。工作原理衛(wèi)星信號(hào)接收接收機(jī)接收來自至少四顆衛(wèi)星的信號(hào)時(shí)間測(cè)量接收機(jī)測(cè)量信號(hào)到達(dá)時(shí)間距離計(jì)算利用信號(hào)傳播時(shí)間計(jì)算衛(wèi)星到接收機(jī)的距離坐標(biāo)定位根據(jù)多個(gè)距離信息，計(jì)算接收機(jī)坐標(biāo)GPS信號(hào)特點(diǎn)高精度GPS信號(hào)可以提供米級(jí)甚至厘米級(jí)的定位精度。全球覆蓋GPS衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)覆蓋全球，任何地方都可以接收信號(hào)。全天候可用GPS系統(tǒng)不受天氣影響，全天候可用。接收機(jī)功能信號(hào)接收接收來自衛(wèi)星的信號(hào)，包含時(shí)間信息和衛(wèi)星位置信息。信號(hào)處理對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解碼、校正和濾波，以獲取準(zhǔn)確的時(shí)間和位置信息。定位計(jì)算根據(jù)接收到的信號(hào)，使用定位算法計(jì)算接收機(jī)的三維坐標(biāo)。數(shù)據(jù)輸出將定位結(jié)果以不同的格式輸出，例如經(jīng)緯度、UTM坐標(biāo)等。坐標(biāo)系統(tǒng)大地坐標(biāo)系以地球橢球面為參考面，用經(jīng)度、緯度和大地高程表示點(diǎn)的位置。空間直角坐標(biāo)系以地球質(zhì)心為原點(diǎn)，用三個(gè)互相垂直的坐標(biāo)軸表示點(diǎn)的位置。投影坐標(biāo)系將大地坐標(biāo)系投影到平面上，用平面直角坐標(biāo)表示點(diǎn)的位置。偽距測(cè)量1衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)時(shí)間測(cè)量衛(wèi)星信號(hào)從發(fā)射到接收機(jī)的時(shí)間2衛(wèi)星軌道信息衛(wèi)星軌道參數(shù)，計(jì)算衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離3偽距衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)時(shí)間與衛(wèi)星軌道信息相結(jié)合，計(jì)算得到偽距載波相位測(cè)量1測(cè)量原理利用載波相位變化來測(cè)量衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離變化。2精度優(yōu)勢(shì)相位測(cè)量精度遠(yuǎn)高于偽距測(cè)量，可達(dá)到毫米級(jí)。3應(yīng)用場(chǎng)景適用于高精度定位、大地測(cè)量和精密工程等。定位模型數(shù)學(xué)模型通過測(cè)量衛(wèi)星信號(hào)的時(shí)間延遲，計(jì)算出用戶接收機(jī)與衛(wèi)星之間的距離。地球模型考慮地球的形狀、大小和重力場(chǎng)，準(zhǔn)確地計(jì)算用戶的位置。衛(wèi)星軌道模型精確地描述衛(wèi)星在太空中的運(yùn)動(dòng)軌跡，以便確定衛(wèi)星的位置。幾何幾何法1基本原理利用衛(wèi)星的幾何位置和信號(hào)到達(dá)時(shí)間，計(jì)算接收機(jī)的位置.2計(jì)算步驟1.測(cè)量衛(wèi)星到接收機(jī)的距離.2.利用衛(wèi)星位置和距離信息，計(jì)算接收機(jī)坐標(biāo).3優(yōu)勢(shì)簡(jiǎn)單易懂，計(jì)算量小，適用于靜態(tài)定位.最小二乘法1誤差最小化通過最小化觀測(cè)值與模型預(yù)測(cè)值之間的平方誤差之和來確定最佳參數(shù)。2線性模型假設(shè)GPS觀測(cè)值與未知參數(shù)之間存在線性關(guān)系。3矩陣求解利用矩陣運(yùn)算求解參數(shù)的最佳估計(jì)值，以最大程度地減少觀測(cè)誤差。定位精度影響因素大氣層延遲電離層和對(duì)流層會(huì)影響信號(hào)傳播速度，造成誤差。衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星鐘與原子鐘存在偏差，需要進(jìn)行校準(zhǔn)。接收機(jī)噪聲接收機(jī)內(nèi)部噪聲會(huì)影響信號(hào)接收質(zhì)量，引入誤差。多徑效應(yīng)信號(hào)反射會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)接收多個(gè)信號(hào)，造成誤差。大氣層延遲1.5米最大誤差電離層和對(duì)流層對(duì)GPS信號(hào)造成延時(shí)20厘米典型誤差影響定位精度，尤其在高緯度地區(qū)10厘米修正后利用模型和校正方法可降低影響衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星鐘差是指衛(wèi)星內(nèi)部原子鐘與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之間的偏差。由于衛(wèi)星鐘的誤差會(huì)影響定位精度，所以需要進(jìn)行鐘差改正。接收機(jī)噪聲影響描述偽距測(cè)量誤差降低定位精度載波相位測(cè)量誤差降低定位精度多徑效應(yīng)信號(hào)反射GPS信號(hào)到達(dá)接收機(jī)時(shí)，可能會(huì)被周圍的物體反射，形成多條信號(hào)路徑。誤差影響多徑效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)測(cè)量到的信號(hào)延遲時(shí)間不準(zhǔn)確，進(jìn)而影響定位精度?？臻g幾何構(gòu)型衛(wèi)星數(shù)量定位精度越多越好越高衛(wèi)星高度角定位精度越高越好越高衛(wèi)星分布定位精度均勻分布越高差分GPS提高精度差分GPS通過引入?yún)⒖颊?，消除公共誤差，大幅提升定位精度?；鶞?zhǔn)站校正參考站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)衛(wèi)星信號(hào)，計(jì)算誤差并發(fā)送給接收機(jī)。誤差補(bǔ)償接收機(jī)利用參考站數(shù)據(jù)對(duì)自身測(cè)量值進(jìn)行校正，提高定位精度?；鶞?zhǔn)站原理1實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站持續(xù)接收來自GPS衛(wèi)星的信號(hào)。2精確時(shí)間基準(zhǔn)站配備高精度原子鐘，確保時(shí)間同步。3數(shù)據(jù)廣播基準(zhǔn)站將自身位置、時(shí)間和大氣層延遲等信息廣播出去。單點(diǎn)定位模式單點(diǎn)定位接收機(jī)獨(dú)立接收至少四顆衛(wèi)星的信號(hào)，進(jìn)行定位計(jì)算。無需基準(zhǔn)站相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，但精度受各種誤差影響。應(yīng)用范圍一般用于非高精度定位需求，如導(dǎo)航、地圖繪制等。相對(duì)定位模式1基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)的參考點(diǎn)2移動(dòng)站未知坐標(biāo)的測(cè)量點(diǎn)3差分信號(hào)基準(zhǔn)站與移動(dòng)站的誤差差值相對(duì)定位模式利用已知坐標(biāo)的基準(zhǔn)站和未知坐標(biāo)的移動(dòng)站之間的距離差來計(jì)算移動(dòng)站的坐標(biāo)?；鶞?zhǔn)站接收來自衛(wèi)星的信號(hào)，并將測(cè)量的誤差修正值發(fā)送給移動(dòng)站。移動(dòng)站利用這些修正值來提高其定位精度。此模式在工程測(cè)量和導(dǎo)航中得到廣泛應(yīng)用。靜態(tài)定位1觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)2接收機(jī)固定3應(yīng)用基準(zhǔn)站動(dòng)態(tài)定位1實(shí)時(shí)跟蹤持續(xù)更新位置信息2移動(dòng)物體車輛、船舶等移動(dòng)目標(biāo)3應(yīng)用場(chǎng)景導(dǎo)航、追蹤、監(jiān)控測(cè)試數(shù)據(jù)分析在進(jìn)行GPS靜態(tài)定位后，需要對(duì)收集到的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以評(píng)估定位精度和可靠性。分析過程包括以下步驟：數(shù)據(jù)預(yù)處理定位結(jié)果計(jì)算誤差分析精度評(píng)價(jià)平面位置精度1-2厘米級(jí)靜態(tài)定位模式5-10米級(jí)動(dòng)態(tài)定位模式高程精度因素影響衛(wèi)星數(shù)量更多衛(wèi)星，更精確大氣層延遲大氣層延遲影響高程精度接收機(jī)噪聲噪聲影響高程測(cè)量精度多徑效應(yīng)多徑效應(yīng)降低高程精度應(yīng)用領(lǐng)域地理信息系統(tǒng)GPS靜態(tài)定位可用于建立高精度地理空間數(shù)據(jù)庫，為土地管理、城市規(guī)劃、資源調(diào)查等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。測(cè)繪工程可用于控制網(wǎng)測(cè)量、地形圖測(cè)繪、工程測(cè)量等，提高測(cè)量精度和效率。精密農(nóng)業(yè)可用于精準(zhǔn)施肥、精準(zhǔn)灌溉、病蟲害監(jiān)測(cè)等，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和效益。校準(zhǔn)調(diào)整GPS數(shù)據(jù)校準(zhǔn)通過對(duì)原始GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，消除誤差，提高定位精度。接收機(jī)參數(shù)調(diào)整根據(jù)實(shí)際環(huán)境，調(diào)整接收機(jī)的參數(shù)設(shè)置，優(yōu)化定位性能。坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換將GPS坐