GPS定位的基本原理

GPS定位的基本原理第1頁/共43頁第三章GPS定位的基本原理3.1概述3.2GPS定位的基本觀測量3.3GPS定位原理3.4GPS定位模式第2頁/共43頁3.1概述1.GPS定位原理：利用空間分布已知位置的衛(wèi)星以及衛(wèi)星與地面點(diǎn)的距離交會(huì)得出的地面點(diǎn)位置坐標(biāo)。C為光速，δt為接收機(jī)鐘差2.GPS定位方法分類1）按參照位置分類：絕對(duì)定位、相對(duì)定位；2）按接收機(jī)在作業(yè)中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分類：靜態(tài)定位、動(dòng)態(tài)定位；動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位、動(dòng)態(tài)相對(duì)定位、靜態(tài)絕對(duì)定位、靜態(tài)相對(duì)定位。3）依照測距的觀測量分類：測碼偽距法定位、測相偽距法定位。第3頁/共43頁3.2GPS定位的基本觀測量偽距：由于各種誤差源的影響，GPS衛(wèi)星到用戶接收機(jī)的觀測距離并非真實(shí)地反映衛(wèi)星到用戶接收機(jī)的幾何距離，這種帶有誤差的GPS觀測距離稱為偽距。GPS定位的觀測量：

①測碼偽距觀測量（碼相位觀測量）；

②測相偽距觀測量（載波相位觀測量）；

③多普勒積分計(jì)數(shù)偽距差；

④干涉法測量時(shí)間延遲。3.2.1測碼偽距觀測量

第4頁/共43頁2.測碼偽距觀測方程及其線性化忽略GPS衛(wèi)星鐘的誤差，可得測碼偽距方程的常用形式：碼相關(guān)精度約為碼元寬度的1%，利用P碼測量精度可達(dá)0.29米，C/A測距可達(dá)2.9米。第5頁/共43頁泰勒公式第6頁/共43頁第7頁/共43頁3.2.2測相偽距觀測量載波相位測量載波相位測量通過測量GPS衛(wèi)星發(fā)射的載波信號(hào)從GPS衛(wèi)星發(fā)射到GPS接收機(jī)之間傳播路程上相位的變化，從而確定傳播距離，又稱測相偽距測量。將調(diào)制在載波上的測距碼和導(dǎo)航電文解調(diào)，重新獲取載波的過程，稱為重建載波。一般采用兩種方法：碼相關(guān)法和平方法。接收機(jī)接收到的衛(wèi)星信號(hào)與接收機(jī)復(fù)制的參考載波信號(hào)的相位差，就是載波相位觀測量——相位延遲第8頁/共43頁

整周未知數(shù)不足一周部分整周計(jì)數(shù)，接收機(jī)可測定的量第9頁/共43頁2.載波信號(hào)的傳播時(shí)間第10頁/共43頁第11頁/共43頁第12頁/共43頁第13頁/共43頁測相偽距方程：測碼偽距方程：從上面兩式中可以看出測相偽距方程比測碼偽距方程多出了一個(gè)參數(shù)——整周模糊度第14頁/共43頁3.2.3整周模糊度的確定1、平差待定參數(shù)法（1）整數(shù)解（固定解）：由整周模糊度的整數(shù)解獲得的待定點(diǎn)坐標(biāo)估值稱為固定解。適用于基線比較短，觀測誤差和外界誤差比較小的情況。（2）非整數(shù)解（實(shí)數(shù)解或浮動(dòng)解）：由整周模糊度的實(shí)數(shù)解獲得的待定點(diǎn)坐標(biāo)估值稱為固定解。觀測時(shí)間需要1個(gè)小時(shí)甚至更長，作業(yè)效率比較低。2、快速解算法（FARA）以數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論的參數(shù)估值和假設(shè)檢驗(yàn)為基礎(chǔ)，充分利用初始平差的解向量及精度信息，確定在某一個(gè)置信區(qū)間整周模糊度可能的整數(shù)解的組合，然后依次將每個(gè)解組合作為已知值，重復(fù)進(jìn)行平差計(jì)算，其中使估值驗(yàn)后方差最小的一組即為最佳估值。在短基線的情況下，只需數(shù)分鐘的雙頻觀測成果，相對(duì)定位精度達(dá)厘米級(jí)。第15頁/共43頁3、動(dòng)態(tài)法GPS接收機(jī)確定初始整周模糊度的過程稱為GPS的初始化。（2）AROF（AmbiguityResolutionOntheFly） 1993年徠卡公司首先開發(fā)了動(dòng)態(tài)確定整周模糊度的方法。首先確定搜索區(qū)域（初始坐標(biāo)或整周模糊度解的三倍標(biāo)準(zhǔn)差內(nèi)），在區(qū)域內(nèi)遍歷每個(gè)可能的值，依據(jù)一定的條件（如模糊函數(shù)值最大或方差最?。┐_定估值。（1）初始化法： GPS接收機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)行初始化，在運(yùn)動(dòng)之后持續(xù)跟蹤4顆以上衛(wèi)星，才能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)相對(duì)定位。第16頁/共43頁3.2.4周跳的探測分析與修復(fù)周跳：由于各種原因接收機(jī)計(jì)數(shù)器發(fā)生中斷，無法準(zhǔn)確記錄整周計(jì)數(shù)，導(dǎo)致記錄的整周計(jì)數(shù)和正確的整周計(jì)數(shù)存在偏差，稱為周跳。周跳有兩種類型：

（1）中斷數(shù)分鐘以上，在數(shù)個(gè)歷元中沒有載波相位觀測值；

（2）周跳發(fā)生在兩個(gè)觀測歷元之間。周跳探測與修復(fù)方法：

（1）高次差法；無周跳的高次差值具有隨機(jī)特性。

（2）多項(xiàng)式擬合法：利用前面正確的相位觀測值利用多項(xiàng)式外推下一個(gè)觀測值，并與實(shí)際的觀測值比較，從而發(fā)現(xiàn)周跳。

（3）其他方法：星際差分法、殘差法等。第17頁/共43頁第18頁/共43頁3.3GPS定位原理GPS定位絕對(duì)定位相對(duì)定位靜態(tài)絕對(duì)定位動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位靜態(tài)相對(duì)定位動(dòng)態(tài)相對(duì)定位（差分GPS定位）測碼偽距靜態(tài)絕對(duì)定位測相偽距靜態(tài)絕對(duì)定位測碼偽距動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位一般采用測相偽距觀測量單基準(zhǔn)站GPS差分多基準(zhǔn)站GPS差分位置差分偽距差分載波相位差分測相偽距修正法載波相位求差法局部區(qū)域差分廣域差分多基準(zhǔn)站RTK測相偽距動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位第19頁/共43頁1、測碼偽距靜態(tài)絕對(duì)定位設(shè)代入測碼偽距方程可得3.3.1絕對(duì)定位原理第20頁/共43頁

第21頁/共43頁靜態(tài)測量時(shí)，可以觀測多顆衛(wèi)星不同歷元的觀測值，故

第22頁/共43頁2、測相偽距靜態(tài)絕對(duì)定位整周模糊度

第23頁/共43頁3、測碼偽距動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位測碼偽距動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位和測碼偽距靜態(tài)絕對(duì)定位的主要區(qū)別是動(dòng)態(tài)定位的觀測量很少，必須至少同步觀測4顆以上衛(wèi)星。解出方程后，得到的是各坐標(biāo)的分量，因此可以把前一點(diǎn)的坐標(biāo)當(dāng)做后一個(gè)點(diǎn)的初始值。第24頁/共43頁3、測相偽距動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位

第25頁/共43頁3.3.2絕對(duì)定位精度評(píng)價(jià)地面點(diǎn)一定的情況下，影響單點(diǎn)定位精度的因素：

觀測量的精度；

觀測衛(wèi)星的空間幾何分布。

（1）平面位置精度衰減因子HDOP（2）高程精度衰減因子VDOP（3）空間位置精度衰減因子PDOP，包含平面位置誤差和高程誤差（4）接收機(jī)鐘差精度衰減因子TDOP（5）幾何精度衰減因子GDOP，包含空間位置誤差和時(shí)間誤差假設(shè)測站與4顆觀測衛(wèi)星所構(gòu)成的六面體體積為V，GDOP與V的倒數(shù)成正比。V越大GDOP越小，精度越好。但衛(wèi)星高度角月底，電離層、對(duì)流層誤差越大。第26頁/共43頁3.3.3相對(duì)定位原理相對(duì)定位：采用兩臺(tái)以上的接收機(jī)同步觀測相同的GPS衛(wèi)星，以確定接收機(jī)天線間的相互位置關(guān)系的一種方法。分為靜態(tài)相對(duì)定位和動(dòng)態(tài)相對(duì)定位。靜態(tài)相對(duì)定位：設(shè)置在基線兩段點(diǎn)的接收機(jī)相對(duì)于周圍的參照物固定不動(dòng)，通過連續(xù)觀測獲得充分的多余觀測數(shù)據(jù)，解算基線向量，稱為靜態(tài)相對(duì)定位。動(dòng)態(tài)相對(duì)定位：將其中一臺(tái)接收機(jī)固定在測站上，另一臺(tái)接收機(jī)安置在運(yùn)動(dòng)的載體上，在運(yùn)動(dòng)中與固定觀測站的接收機(jī)進(jìn)行同步觀測，確定運(yùn)動(dòng)載體相對(duì)于固定觀測站的瞬時(shí)位置。相對(duì)定位的特點(diǎn)：測量的是接收機(jī)天線間的相對(duì)位置。第27頁/共43頁1、靜態(tài)相對(duì)定位一般采用測相偽距觀測量作為基本觀測量，是當(dāng)前GPS定位精度最高的一種方法。經(jīng)典快速定位：一般需要45分鐘以上準(zhǔn)動(dòng)態(tài)相對(duì)定位：也稱快速定位法，右圖中，表示兩個(gè)接收機(jī)對(duì)兩顆衛(wèi)星進(jìn)行兩個(gè)歷元觀測，得到的獨(dú)立觀測量。利用這些觀測量間的不同組合求差來進(jìn)行相對(duì)定位，可以消除或削弱相關(guān)誤差，求差方式有：單差、雙差、三差第28頁/共43頁單差：不同測站同步觀測同一顆衛(wèi)星所得的觀測量之差（測站間求差）。

將測相偽距觀測方程代入可得，結(jié)果：消除了衛(wèi)星鐘誤差，削弱了電離層、對(duì)流層延遲誤差。第29頁/共43頁雙差：不同測站同步觀測同組衛(wèi)星所得的觀測量單差之差（先在測站間求差，再在衛(wèi)星間求差）。將測相偽距觀測方程代入，得雙差的觀測方程結(jié)果：接收機(jī)鐘差消除，大氣折射殘差進(jìn)一步削弱，可以略去。第30頁/共43頁三差：不同歷元同步觀測同組衛(wèi)星所得的觀測量雙差之差（先在測站間求差，再在衛(wèi)星間求差，然后在歷元間求差）。將測相偽距觀測方程代入，得三差的觀測方程結(jié)果：進(jìn)一步削弱了整周模糊度的影響。第31頁/共43頁準(zhǔn)動(dòng)態(tài)相對(duì)定位

將一臺(tái)接收機(jī)固定在基準(zhǔn)站不動(dòng)，另一臺(tái)接收機(jī)在其周圍的觀測站流動(dòng)，每個(gè)測站靜止觀測幾分鐘，確定基準(zhǔn)站和流動(dòng)站之間的相對(duì)位置。

特點(diǎn)：可以在比較短的時(shí)間內(nèi)獲得與經(jīng)典相對(duì)定位相當(dāng)?shù)木取ｌo態(tài)相對(duì)定位的平差的相關(guān)內(nèi)容不做考試要求。平差的一般流程：

列出觀測方程

線性化

列出誤差方程

按最小二乘法求解

精度評(píng)定第32頁/共43頁2、動(dòng)態(tài)相對(duì)定位（差分GPS定位）為什么叫差分定位？按數(shù)據(jù)處理時(shí)間的不同，分為：實(shí)時(shí)差分GPS定位和后處理差分GPS定位按提供修正數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)站數(shù)量不同，分為：單基準(zhǔn)站差分、多基準(zhǔn)站差分多基準(zhǔn)站差分有可以分為：局部區(qū)域差分、廣域差分第33頁/共43頁單基準(zhǔn)站GPS差分A.位置差分：使用基準(zhǔn)站的位置改正數(shù)去修正流動(dòng)站的位置計(jì)算值，以求得比較準(zhǔn)確的流動(dòng)站位置坐標(biāo)。B.偽距差分：使用基準(zhǔn)站的偽距改正數(shù)去修正流動(dòng)站的偽距觀測量，消除或減弱共有誤差的影響，以求得比較準(zhǔn)確的流動(dòng)站位置坐標(biāo)。C.載波相位差分：也稱RTK（RealTimeKinematic），基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)將其載波相位觀測值和位置信息發(fā)送給流動(dòng)站，并與流動(dòng)站的載波相位觀測值進(jìn)行差分處理，實(shí)時(shí)給出流動(dòng)站的精確坐標(biāo)。以上兩種差分可達(dá)米級(jí)的定位精度。第34頁/共43頁C.載波相位差分：也稱RTK（RealTimeKinematica）測相偽距修正法基準(zhǔn)站接收機(jī)與衛(wèi)星之間的測相偽距改正數(shù)在基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)解算出，并通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送給流動(dòng)站用戶，利用偽距改正數(shù)去修正用戶接收機(jī)到衛(wèi)星之間的測相偽距，獲得比較準(zhǔn)確的偽距值，再實(shí)時(shí)算出流動(dòng)站的精確坐標(biāo)。b）載波相位求差法基準(zhǔn)站不計(jì)算測相偽距的改正數(shù)，而是將其觀測的載波相位觀測值有數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)發(fā)送給流動(dòng)站，然后由流動(dòng)站進(jìn)行載波相位求差，在解算出用戶的位置。RTK定位過程：（1）初始化，確定整周模糊度；（2）將整周模糊度代入雙差方程，解算出流動(dòng)站坐標(biāo)。第35頁/共43頁多基準(zhǔn)站差分A、局部區(qū)域差分（LADGPS）

在局部區(qū)域設(shè)置若干個(gè)差分GPS基準(zhǔn)站和一個(gè)或數(shù)個(gè)監(jiān)控站，位于該區(qū)域中的用戶，同時(shí)接收多個(gè)基準(zhǔn)站所提供的修正信息，采用加權(quán)平均法或最小二乘法進(jìn)行平差計(jì)算，求得自己的修正數(shù)，從而對(duì)用戶的觀測結(jié)果進(jìn)行修正，獲得更高的定位結(jié)果。B、廣域差分（WADGPS）

對(duì)GPS觀測量的誤差源加以區(qū)分，并單獨(dú)對(duì)每一種誤差源分別模型化，然后將計(jì)算出的每種誤差源的數(shù)值，通過數(shù)據(jù)鏈傳輸給用戶，以對(duì)用戶GPS定位的誤差進(jìn)行改正，改善用戶GPS定位精度的目的。誤差源包括：星歷誤差、大氣延遲誤差和衛(wèi)星鐘差。第36頁/共43頁B、多基準(zhǔn)站RTK（網(wǎng)絡(luò)RTK）

常用的網(wǎng)絡(luò)RTK數(shù)據(jù)處理技術(shù)：

VRS（Virtualreferencestation，虛擬參考站）

FKP（flachenkorrekturparameter，局域改正數(shù)）

MAX/

MAC（Masterauxiliaryconcept，主輔站技術(shù)）第37頁/共43頁VRS即虛擬參考站，是網(wǎng)絡(luò)RTK的一種定位技術(shù)，顧名思義,該參考站實(shí)際上是不存在的而是虛擬的,虛擬的條件是在GPS實(shí)際觀測點(diǎn)附近(其近似坐標(biāo))作為虛擬參考站,根據(jù)GPS基準(zhǔn)站的觀測數(shù)據(jù)和計(jì)算得到的各種誤差分布，模擬計(jì)算出虛擬參考站的GPS觀測數(shù)據(jù),由于模擬參考站與實(shí)際觀測點(diǎn)距離很近,可以認(rèn)為是超短基線,各種誤差通過差分可以較好地得到消除,而且其定位計(jì)算的原理和軟件與傳統(tǒng)方法完全一樣。第38頁/共43頁各基準(zhǔn)站的觀測數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳送至一個(gè)數(shù)據(jù)處理中心,數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)各基準(zhǔn)站的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性檢查,然后進(jìn)行處理計(jì)算出該區(qū)域與時(shí)間和空間有關(guān)的GPS誤差,同時(shí)根據(jù)流動(dòng)站送來的近似坐標(biāo)（可用偽距單點(diǎn)定位法求得）判定出該站位于哪三個(gè)基準(zhǔn)站所組成的三角形內(nèi)，再根據(jù)三個(gè)基準(zhǔn)站的觀測數(shù)據(jù)求出虛擬參考站所受到的系統(tǒng)誤差并發(fā)給流動(dòng)站用戶。由于虛擬參考站離流動(dòng)站非常近，可以認(rèn)為其觀測數(shù)據(jù)的各項(xiàng)誤差與流動(dòng)站觀測數(shù)據(jù)的各項(xiàng)誤差相等，因而用虛擬參考站的誤差來改正流動(dòng)站的觀測數(shù)據(jù)基本可以將影響GPS測量的各種誤差減小到最低，從而達(dá)到快速、高精度定位的目的。

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