4GPS動(dòng)態(tài)定位測(cè)量

6、GPS動(dòng)態(tài)定位測(cè)量GPS測(cè)量及應(yīng)用石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院測(cè)繪工程系11/21/20231一、GPS定位方法分類(lèi)GPS測(cè)量定位的類(lèi)型依據(jù)定位模式：?jiǎn)吸c(diǎn)定位〔確定定位〕相對(duì)定位差分定位依據(jù)定位時(shí)接收機(jī)天線的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：靜態(tài)定位動(dòng)態(tài)定位依據(jù)定位時(shí)效：實(shí)時(shí)定位事后定位依據(jù)觀測(cè)值類(lèi)型：偽距測(cè)量載波相位測(cè)量11/21/20232二、GPS動(dòng)態(tài)定位

GPS動(dòng)態(tài)定位概述

GPS動(dòng)態(tài)定位的應(yīng)用

GPS動(dòng)態(tài)定位的特點(diǎn)

動(dòng)態(tài)定位的類(lèi)型〔方法〕GPS動(dòng)態(tài)定位的根本原理整周未知數(shù)的動(dòng)態(tài)求解

RTK〔Real

Time

Kinematic〕GPS技術(shù)

——載波相位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)11/21/202331、概述什么是GPS動(dòng)態(tài)定位GPS動(dòng)態(tài)定位〔測(cè)量〕，是利用GPS信號(hào)，測(cè)定相對(duì)于地球運(yùn)動(dòng)的用戶(hù)天線的狀態(tài)參數(shù)，這些狀態(tài)參數(shù)包括三維坐標(biāo)、三維速度和時(shí)間七個(gè)參數(shù)。導(dǎo)航，是測(cè)得運(yùn)動(dòng)載體的狀態(tài)參數(shù)，并導(dǎo)引運(yùn)動(dòng)載體準(zhǔn)確地運(yùn)動(dòng)到預(yù)定的后續(xù)位置。11/21/20234GPS動(dòng)態(tài)定位的應(yīng)用導(dǎo)航–探險(xiǎn)、車(chē)輛、船舶、航空器等跟蹤、監(jiān)控與調(diào)度–車(chē)輛、船舶、航空器等制導(dǎo)–武器制導(dǎo)、自動(dòng)駕駛等定軌–衛(wèi)星、航天器等姿勢(shì)確定–衛(wèi)星、航天器、航空器等測(cè)量–測(cè)圖、放樣、監(jiān)測(cè)等11/21/202352、GPS動(dòng)態(tài)定位的特點(diǎn)用戶(hù)多樣性速度多異性定位實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)短時(shí)性精度要求多變性11/21/202363、GPS動(dòng)態(tài)定位的類(lèi)型〔1〕單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位〔動(dòng)態(tài)確定定位〕〔2〕實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位法：①位置差分②偽距差分③相位平滑偽距差分：載波多普勒計(jì)數(shù)平滑偽距、載波相位平滑偽距④載波相位差分：修正法、求差法11/21/202374、GPS動(dòng)態(tài)定位的根本原理單點(diǎn)偽距動(dòng)態(tài)定位〔動(dòng)態(tài)確定定位〕

GPS確定定位主要是以GPS衛(wèi)星和用戶(hù)接收機(jī)天線之間的距離為根本觀測(cè)量，并利用的衛(wèi)星瞬時(shí)坐標(biāo)來(lái)確定接收機(jī)天線對(duì)應(yīng)的點(diǎn)位在協(xié)議地球坐標(biāo)系中的位置。動(dòng)態(tài)確定定位是確定處于運(yùn)動(dòng)載體上的接收機(jī)在運(yùn)動(dòng)的每一瞬間的位置。由于接收機(jī)天線處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，故天線點(diǎn)位的坐標(biāo)是一個(gè)變化的量，因此確定每一瞬間坐標(biāo)的觀測(cè)方程只有較少的多余觀測(cè)(甚至沒(méi)有多余觀測(cè))，且一般常利用測(cè)距碼偽距進(jìn)展動(dòng)態(tài)確定定位。因此，其精度較低，一般僅有幾十米的精度，在SA政策影響下，其精度甚至低于百米。通常這種定位方法只用于精度要求不高的飛機(jī)、船舶以及陸地車(chē)輛等運(yùn)動(dòng)載體的導(dǎo)航。11/21/20238位置差分原理

位置差分GPS是一種最簡(jiǎn)潔的差分方法。安置在點(diǎn)基準(zhǔn)站上的GPS接收機(jī)，經(jīng)過(guò)對(duì)4顆及4顆以上的衛(wèi)星觀測(cè)，便可實(shí)現(xiàn)定位。先求出基準(zhǔn)站的坐標(biāo)(X′，Y′，Z′)，由于存在著衛(wèi)星星歷、時(shí)鐘誤差、大氣折射等誤差的影響，該坐標(biāo)與基準(zhǔn)站坐標(biāo)(X，Y，Z)不一樣，存在誤差。即：式中：ΔX、ΔY、ΔZ為坐標(biāo)改正數(shù)，基準(zhǔn)站利用數(shù)據(jù)鏈將坐標(biāo)改正數(shù)發(fā)送給用戶(hù)站。11/21/20239位置差分原理

用戶(hù)站用接收到的坐標(biāo)改正數(shù)對(duì)其坐標(biāo)進(jìn)展改正：

經(jīng)過(guò)坐標(biāo)改正后的用戶(hù)坐標(biāo)已消去了基準(zhǔn)站與用戶(hù)站的共同誤差，如衛(wèi)星星歷誤差、大氣折射誤差、衛(wèi)星鐘差、SA政策影響等，提高了定位的精度。11/21/202310位置差分的優(yōu)點(diǎn)是需要傳輸?shù)牟罘指恼龜?shù)較少，計(jì)算方法較簡(jiǎn)潔，任何一種GPS接收機(jī)均可改裝成這種差分系統(tǒng)。其缺點(diǎn)主要為：〔1)要求基準(zhǔn)站與用戶(hù)站必需保持觀測(cè)同一組衛(wèi)星，由于基準(zhǔn)站與用戶(hù)站接收機(jī)配備的不完全一樣，且兩站觀測(cè)環(huán)境也不完全一樣，因此難以保證兩站觀測(cè)同一組衛(wèi)星，并會(huì)導(dǎo)致定位所產(chǎn)生的誤差可能會(huì)不很匹配，從而影響定位精度?！?)位置差分定位效果不如偽距差分好。11/21/202311偽距差分原理偽距差分是目前應(yīng)用最廣泛的一種差分定位技術(shù)之一。該定位技術(shù)通過(guò)在基準(zhǔn)站上利用坐標(biāo)求出測(cè)站至衛(wèi)星的距離，并將其與含有誤差的測(cè)量距離比較，然后利用一個(gè)α-β濾波器將此差值濾波并求出其偏差，并將全部衛(wèi)星的測(cè)距誤差傳輸給用戶(hù)，用戶(hù)利用此測(cè)距誤差來(lái)改正測(cè)量的偽距。最終，用戶(hù)利用改正后的偽距求出自身的坐標(biāo)。假設(shè)基準(zhǔn)站、用戶(hù)站均觀測(cè)了一樣的4顆或4顆以上的衛(wèi)星，即可實(shí)現(xiàn)用戶(hù)站的定位。11/21/202312偽距差分原理其定位根本公式如下：

11/21/202313由于偽距差分可供給單顆衛(wèi)星的距離改正數(shù)，因此用戶(hù)站可選其中任意4顆一樣衛(wèi)星的偽距改正數(shù)進(jìn)展改正，而不必要求兩站觀測(cè)的衛(wèi)星完全一樣，且偽距改正數(shù)是直接在WGS-84坐標(biāo)系上進(jìn)展的，是一種直接改正數(shù)，不必先變換為當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)，定位精度更高，且使用更便利。11/21/202314由于偽距差分定位依靠于兩站公共誤差的抵消來(lái)提高定位精度，誤差抵消的程度打算了精度的凹凸。而誤差的公共性在很大程度依靠于兩站距離，隨著兩站距離的增加，其誤差公共性漸漸減弱，例如對(duì)流層、電離層誤差。因此用戶(hù)和基準(zhǔn)站之間的距離對(duì)精度有著打算性的影響，用戶(hù)站離基準(zhǔn)站的距離越大，偽距差分后的剩余誤差越大，定位精度越低。11/21/202315相位平滑偽距差分原理偽距差分實(shí)際上是在測(cè)站之間求偽距觀測(cè)值的一次差，因而消退了兩偽距觀測(cè)值中所含有的共同的系統(tǒng)誤差，但是卻無(wú)法消退偽距觀測(cè)值中所含有的隨機(jī)誤差，從而限制了偽距差分定位的精度。載波相位測(cè)量的精度較測(cè)距碼偽距測(cè)量的精度高2個(gè)數(shù)量級(jí)，假設(shè)能用載波相位觀測(cè)值對(duì)偽距觀測(cè)值進(jìn)展修正，就可提高偽距定位的精度，但是載波相位整周數(shù)無(wú)法直接測(cè)得，因而難以直接利用載波觀測(cè)值。

11/21/202316相位平滑偽距差分原理

雖然整周數(shù)無(wú)法獲得，但可由多普勒頻率計(jì)數(shù)獲得載波相位的變化信息，即可獲得偽距變化率的信息，可利用這一信息來(lái)幫助偽距差分定位，稱(chēng)為載波多普勒計(jì)數(shù)平滑偽距差分；另外，在同一顆衛(wèi)星的兩歷元間求差，可消退整周未知數(shù)，可利用歷元間的相位差觀測(cè)值對(duì)偽距進(jìn)展修正，即所謂的相位平滑偽距差分。

11/21/202317載波相位差分原理載波相位差分GPS定位與偽距差分GPS原理相類(lèi)似，其根本思想是：在基準(zhǔn)站上安置一臺(tái)GPS接收機(jī)，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)展連續(xù)觀測(cè)，并通過(guò)無(wú)線電傳輸設(shè)備實(shí)時(shí)地將觀測(cè)數(shù)據(jù)及站坐標(biāo)信息傳送給用戶(hù)站；用戶(hù)站一方面通過(guò)接收機(jī)接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，同時(shí)還通過(guò)無(wú)線電接收設(shè)備接收基準(zhǔn)站傳送的觀測(cè)數(shù)據(jù)，然后依據(jù)相對(duì)定位原理，實(shí)時(shí)地處理數(shù)據(jù)，并能實(shí)時(shí)地以厘米級(jí)的精度給出用戶(hù)站的三維坐標(biāo)。11/21/202318載波相位差分原理

載波相位差分GPS有兩種定位方法，一種與偽距差分一樣，基準(zhǔn)站將載波相位的修正量發(fā)送給用戶(hù)站，以對(duì)用戶(hù)站的載波相位進(jìn)展改正實(shí)現(xiàn)定位，該方法稱(chēng)為修正法。另一種是將基準(zhǔn)站的載波相位發(fā)送給用戶(hù)站，并由用戶(hù)站將觀測(cè)值求差進(jìn)展坐標(biāo)解算，這種方法稱(chēng)為求差法。11/21/202319最小二乘搜尋法最小二乘模糊度不相關(guān)法〔LAMBDA〕模糊度函數(shù)法綜合法〔AOTF〕5、整周未知數(shù)的動(dòng)態(tài)求解11/21/202320實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)〔RealTimeKinematic——RTK〕測(cè)量系統(tǒng)，是GPS測(cè)量技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合而構(gòu)成的組合系統(tǒng)。它是GPS測(cè)量技術(shù)進(jìn)展中的一個(gè)新的突破。RTK測(cè)量技術(shù)，是以載波相位觀測(cè)量為依據(jù)的實(shí)時(shí)差分GPS測(cè)量技術(shù)。RTK測(cè)量技術(shù)是準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)與AROTF算法和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的，它完全可以到達(dá)“精度、速度、實(shí)時(shí)、可用”等各方面的要求。6、載波相位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)——RTK〔RealTimeKinematic〕GPS技術(shù)11/21/202321RTK–RealTimeKinametic〔實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分〕系統(tǒng)構(gòu)成參考站〔基準(zhǔn)站〕流淌站數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用11/21/202322三、廣域差分GPS技術(shù)

差分GPS系統(tǒng)與單站差分GPS〔SRDGPS〕

局部區(qū)域差分〔LADGPS〕

廣域差分GPS系統(tǒng)〔WADGPS〕

增加型的差分GPS系統(tǒng)11/21/2023231、什么是差分GPS〔DGPS–DifferentialGPS〕根本思路：利用設(shè)于坐標(biāo)的參考站，計(jì)算各類(lèi)改正數(shù)影響GPS測(cè)量定位的誤差11/21/202324

誤差的特性衛(wèi)星軌道誤差：影響大小與測(cè)站位置有關(guān)，距離較近時(shí)，影響大小相近〔誤差的空間位置相關(guān)性〕衛(wèi)星鐘差：影響大小與測(cè)站無(wú)關(guān)大氣折射〔電離層、對(duì)流層折射〕：影響具有空間位置相關(guān)性SA：Epsilon可以歸于衛(wèi)星軌道誤差，Dither可歸于衛(wèi)星鐘差多路徑：與測(cè)站有關(guān)，測(cè)站間無(wú)關(guān)11/21/202325差分GPS基準(zhǔn)站〔Reference/BaseStation〕與流淌站〔Mobile/RoverStation〕差分改正數(shù)11/21/202326差分GPS系統(tǒng)的構(gòu)成11/21/2023272、局域差分與廣域差分差分局域差分局域差分GPS〔LADGPS–LocalAreaDGPS〕基準(zhǔn)站作用距離：數(shù)百公里特點(diǎn)：用戶(hù)依據(jù)多個(gè)基準(zhǔn)站所供給的改正信息經(jīng)平差計(jì)算后求的用戶(hù)站定位改正數(shù)11/21/202328廣域差分GPS〔WADGPS–WideAreaDGPS〕基準(zhǔn)站作用距離：數(shù)千公里特點(diǎn)：將各項(xiàng)誤差分別出來(lái)，建立誤差與位置的關(guān)系——分別出的誤差：衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星鐘差——建