《GNSS定位測(cè)量技術(shù)》 課件 子項(xiàng)目4、5 GPS定位的基本原理、GPS測(cè)量的主要誤差來(lái)源及其影響

子項(xiàng)目四GPS衛(wèi)星定位原理子項(xiàng)目四GPS衛(wèi)星定位原理●了解GPS測(cè)速原理和定時(shí)原理。●理解主動(dòng)式測(cè)距和被動(dòng)式測(cè)距、偽距及測(cè)定與計(jì)算、動(dòng)態(tài)定位的特點(diǎn)。●掌握GPS定位、靜態(tài)定位、動(dòng)態(tài)定位、單點(diǎn)定位、相對(duì)定位等的基本概念和載波相位測(cè)量方法。學(xué)習(xí)目標(biāo)子項(xiàng)目四GPS衛(wèi)星定位原理

任務(wù)一

GNSS衛(wèi)星定位原理概況

任務(wù)二

載波相位測(cè)量

任務(wù)三

偽距測(cè)量

任務(wù)四

GNSS絕對(duì)定位

任務(wù)五

GNSS相對(duì)定位

本項(xiàng)目小結(jié)子項(xiàng)目四GPS衛(wèi)星定位原理

GPS的定位實(shí)質(zhì)：把衛(wèi)星視為“動(dòng)態(tài)”的控制點(diǎn)，在已知其瞬時(shí)坐標(biāo)的條件下，進(jìn)行空間距離后方交會(huì)，確定用戶接收機(jī)天線所處的位置。

子項(xiàng)目四GPS衛(wèi)星定位原理需解決的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題如何確定衛(wèi)星的位置如何測(cè)量出星站距離？GPS定位方法分類定位模式（1）絕對(duì)定位（單點(diǎn)定位）（2）相對(duì)定位（3）差分定位定位時(shí)接收機(jī)天線的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（1）靜態(tài)定位－天線相對(duì)于地固坐標(biāo)系靜止（2）動(dòng)態(tài)定位－天線相對(duì)于地固坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)獲得定位結(jié)果的時(shí)效（1）事后定位（2）實(shí)時(shí)定位觀測(cè)值類型（1）測(cè)碼偽距測(cè)量（2）載波相位測(cè)量

GPS定位方法分類按參考點(diǎn)的不同位置劃分為：（1）絕對(duì)定位（單點(diǎn)定位）：在地球協(xié)議坐標(biāo)系中，確定觀測(cè)站相對(duì)地球質(zhì)心的位置。（2）相對(duì)定位：在地球協(xié)議坐標(biāo)系中，確定觀測(cè)站與地面某一參考點(diǎn)之間的相對(duì)位置。采用兩臺(tái)以上的接收機(jī)同步觀測(cè)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。GPS定位方法分類相對(duì)定位（差分定位）優(yōu)點(diǎn)：獲得較高的精度缺點(diǎn)：增加了外業(yè)組織和實(shí)施難度按用戶接收機(jī)作業(yè)時(shí)所處的狀態(tài)劃分：（1）靜態(tài)定位：在定位過(guò)程中，接收機(jī)位置靜止不動(dòng)，是固定的。靜止?fàn)顟B(tài)只是相對(duì)的，在衛(wèi)星大地測(cè)量中的靜止?fàn)顟B(tài)通常是指待定點(diǎn)的位置相對(duì)其周?chē)c(diǎn)位沒(méi)有發(fā)生變化，或變化極其緩慢，以致在觀測(cè)期內(nèi)可以忽略。（2）動(dòng)態(tài)定位：在定位過(guò)程中，接收機(jī)天線處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在絕對(duì)定位和相對(duì)定位中，又都包含靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種形式。GPS定位方法分類GPS定位方法分類靜態(tài)定位與動(dòng)態(tài)定位的不同點(diǎn)靜態(tài)定位可靠性強(qiáng)，定位精度高，在大地測(cè)量、工程測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用，是精密定位中的基本模式。動(dòng)態(tài)定位可測(cè)定一個(gè)動(dòng)點(diǎn)的實(shí)時(shí)位置、運(yùn)動(dòng)載體的狀態(tài)參數(shù)。如速度、時(shí)間和方位等。GPS定位方法分類主動(dòng)式測(cè)距（雙程測(cè)距）用電磁波測(cè)距儀發(fā)射測(cè)距信號(hào)，通過(guò)反射器反射回來(lái)，再由測(cè)距儀接收。根據(jù)測(cè)距信號(hào)的傳播時(shí)間求解距離ρ。只要求儀器鐘自身能在信號(hào)往、返時(shí)間段中保持穩(wěn)定，不影響測(cè)距精度。GPS定位方法分類主動(dòng)式測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)主動(dòng)式測(cè)距的缺點(diǎn)用戶須發(fā)射信號(hào)，因而難以隱蔽自己。對(duì)軍事用戶十分不利。GPS定位方法分類被動(dòng)式測(cè)距（單程測(cè)距）發(fā)射站在規(guī)定時(shí)刻內(nèi)準(zhǔn)確發(fā)出信號(hào)，用戶根據(jù)自己的時(shí)鐘記錄信號(hào)到達(dá)時(shí)間，根據(jù)時(shí)差Δt求解距離ρ。GPS定位方法分類用戶無(wú)需發(fā)射信號(hào)，便于隱蔽自己；所需裝置也較簡(jiǎn)單，僅接收設(shè)備即可。被動(dòng)式測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)被動(dòng)式測(cè)距的缺點(diǎn)接收機(jī)鐘和各衛(wèi)星鐘不能與GPS時(shí)間系統(tǒng)保持絕對(duì)同步，由此所引起的鐘差對(duì)測(cè)距帶來(lái)了影響。GPS觀測(cè)量的基本概念無(wú)論采取何種GPS定位方法，都是通過(guò)觀測(cè)GPS衛(wèi)星而獲得某種觀測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。GPS衛(wèi)星信號(hào)含有多種定位信息，根據(jù)不同的要求，可以從中獲得不同的觀測(cè)量，主要包括：

（一）衛(wèi)星射電干涉測(cè)量（二）多普勒定位法（三）測(cè)距碼偽距定位法（四）載波相位測(cè)量（一）衛(wèi)星射電干涉測(cè)量

利用GPS衛(wèi)星射電信號(hào)，由兩個(gè)測(cè)站同時(shí)觀測(cè)一顆GPS衛(wèi)星，通過(guò)測(cè)量這顆衛(wèi)星的射電信號(hào)到達(dá)兩個(gè)測(cè)站的時(shí)間差，可以求得兩站間距離。干涉法測(cè)量時(shí)，所需設(shè)備較昂貴，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。（二）多普勒定位法

根據(jù)多普勒效應(yīng)原理，利用GPS衛(wèi)星較高的發(fā)射頻率，由積分多普勒記數(shù)得出偽距差。采用積分多普勒計(jì)數(shù)法進(jìn)行定位時(shí)，所需觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，一般數(shù)小時(shí)，同時(shí)觀測(cè)過(guò)程中，要求接收機(jī)的震蕩器保持高度穩(wěn)定。（三）測(cè)距碼偽距定位法

在某一瞬間利用GPS接收機(jī)同時(shí)測(cè)定至少四顆衛(wèi)星的偽距，根據(jù)已知的衛(wèi)星位置和偽距觀測(cè)值，采用距離交會(huì)法求出接收機(jī)的三維坐標(biāo)和時(shí)鐘改正數(shù)?；驹頊y(cè)距碼偽距定位法的優(yōu)點(diǎn)一次定位的精度并不高，但定位速度快，經(jīng)幾小時(shí)的定位也可達(dá)到米級(jí)。若再增加觀測(cè)時(shí)間，精度還可以提高。（三）測(cè)距碼偽距定位法（四）載波相位測(cè)量

把載波作為量測(cè)信號(hào)，對(duì)載波進(jìn)行相位測(cè)量可以達(dá)到很高的精度。通過(guò)測(cè)量載波的相位而求得接收機(jī)到GPS衛(wèi)星的距離。

任務(wù)二

測(cè)距碼偽距測(cè)量導(dǎo)航定位的最基本方法優(yōu)越性速度快、無(wú)多值性問(wèn)題，利用增加觀測(cè)時(shí)間可以提高定位精度雖然測(cè)量定位精度低，但足以滿足部分用戶的需要。

任務(wù)二

測(cè)距碼偽距測(cè)量一、測(cè)定偽距的方法二、偽距法定位的原理三、偽距定位法的應(yīng)用

一、測(cè)定偽距的方法將測(cè)距碼和數(shù)據(jù)碼調(diào)制到載波上由衛(wèi)星發(fā)射機(jī)將調(diào)制信號(hào)發(fā)出接收機(jī)收到測(cè)距碼接收機(jī)產(chǎn)生復(fù)制碼測(cè)距碼和復(fù)制碼作相關(guān)處理一、測(cè)定偽距的方法

由時(shí)延器測(cè)定出兩信號(hào)間的時(shí)間延遲。

在理想的情況下，時(shí)間延遲τ等于衛(wèi)星信號(hào)的傳播時(shí)間。將τ乘以光速c，就可以求得衛(wèi)星至接收機(jī)的距離ρ。一、測(cè)定偽距的方法衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘不完全同步自相關(guān)系數(shù)最大條件下求得的時(shí)延τ和真空中光速c的乘積含有誤差，這個(gè)乘積就稱為偽距以偽距作基本觀測(cè)量定位的方法偽距法定位二、偽距法定位的原理電離層折射延遲改正接收機(jī)鐘的改正數(shù)衛(wèi)星鐘的改正數(shù)信號(hào)離開(kāi)衛(wèi)星的時(shí)刻（由衛(wèi)星鐘測(cè)定）信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)刻（由接收機(jī)鐘測(cè)定）二、偽距法定位的原理將觀測(cè)時(shí)得到的偽距改正為衛(wèi)星至接收機(jī)之間的實(shí)際距離ρ。

—偽距—電離層折射改正—對(duì)流層折射改正—衛(wèi)星的鐘差—接收機(jī)的鐘差二、偽距法定位的原理列出實(shí)際距離與衛(wèi)星坐標(biāo)和接收機(jī)坐標(biāo)的關(guān)系（x、y、z）（X、Y、Z）—衛(wèi)星坐標(biāo)—接收機(jī)坐標(biāo)四、測(cè)距碼偽距法定位的應(yīng)用

利用測(cè)距碼進(jìn)行測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)采用的是CDMA（碼分多址）技術(shù)（即每顆衛(wèi)星都采用特定的偽隨機(jī)噪聲碼）易于捕獲微弱的衛(wèi)星信號(hào)便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理（如AS）利用測(cè)距碼進(jìn)行測(cè)距的缺點(diǎn)精度低第三節(jié)載波相位測(cè)量

偽距以測(cè)距碼作為量測(cè)信號(hào)，因測(cè)距碼的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，難以達(dá)到較高的精度。而載波相位測(cè)量不使用測(cè)距碼信號(hào)，不受測(cè)距碼控制，屬于非測(cè)距碼測(cè)量系統(tǒng)。

載波信號(hào)是一種周期性的正弦信號(hào)，相位測(cè)量只能測(cè)定起不足一個(gè)波長(zhǎng)的小數(shù)部分，無(wú)法測(cè)定起正波長(zhǎng)個(gè)數(shù)。因而存在著整周數(shù)的不確定性問(wèn)題，使得解算過(guò)程復(fù)雜化。我們接收到的GPS信號(hào)是調(diào)制波，即在載波上搭載著測(cè)距碼及導(dǎo)航電文，使得接收到的載波的相位不再連續(xù)，所以在使用載波信號(hào)測(cè)量之前必須先要進(jìn)行重建載波的工作第三節(jié)載波相位測(cè)量重建載波--將非連續(xù)的載波信號(hào)恢復(fù)成連續(xù)的載波信號(hào)。載波調(diào)制了導(dǎo)航電文之后變成了非連續(xù)的波重建載波的方法碼相關(guān)法方法將所接收到的調(diào)制信號(hào)（衛(wèi)星信號(hào)）與接收機(jī)產(chǎn)生的復(fù)制碼相乘。技術(shù)要點(diǎn)衛(wèi)星信號(hào)（弱）與接收機(jī)信號(hào)（強(qiáng)）相乘。特點(diǎn)限制：需要了解碼的結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)：可獲得導(dǎo)航電文，可獲得全波長(zhǎng)的載波，信號(hào)質(zhì)量好（信噪比高）平方法方法將所接收到的調(diào)制信號(hào)（衛(wèi)星信號(hào)）自乘。技術(shù)要點(diǎn)衛(wèi)星信號(hào)（弱）自乘。特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需了解碼的結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)：無(wú)法獲得導(dǎo)航電文，所獲載波波長(zhǎng)為原來(lái)波長(zhǎng)的一半，信號(hào)質(zhì)量較差（信噪比低，降低了30dB）互相關(guān)（交叉相關(guān)）方法在不同頻率的調(diào)制信號(hào)（衛(wèi)星信號(hào)）進(jìn)行相關(guān)處理，獲取兩個(gè)頻率間的偽距差和相位差技術(shù)要點(diǎn)不同頻率的衛(wèi)星信號(hào)（弱）進(jìn)行相關(guān)。特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需了解Y碼的結(jié)構(gòu)，可獲得導(dǎo)航電文，可獲得全波波長(zhǎng)的載波，信號(hào)質(zhì)量較平方法好（信噪比降低了27dB）Z跟蹤方法：將衛(wèi)星信號(hào)在一個(gè)W碼碼元內(nèi)與接收機(jī)復(fù)制出的P碼進(jìn)行相關(guān)處理。在一個(gè)W碼碼元內(nèi)進(jìn)行衛(wèi)星信號(hào)（弱）與復(fù)制信號(hào)（強(qiáng)）進(jìn)行相關(guān)。特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需了解Y碼結(jié)構(gòu)，可測(cè)定雙頻偽距觀測(cè)值，可獲得導(dǎo)航電文，可獲得全波波長(zhǎng)的載波，信號(hào)質(zhì)量較平方法好（信噪比降低了14dB）第三節(jié)載波相位測(cè)量一、載波相位測(cè)量原理二、載波相位測(cè)量觀測(cè)方程三、載波相位測(cè)量的特點(diǎn)一、載波相位測(cè)量原理將測(cè)距碼和數(shù)據(jù)碼調(diào)制到載波上由衛(wèi)星發(fā)射機(jī)將調(diào)制信號(hào)發(fā)出接收機(jī)解調(diào)出純凈的載波信號(hào)接收機(jī)產(chǎn)生基準(zhǔn)信號(hào)載波信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)求相位差若在t0時(shí)刻接收機(jī)產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號(hào)的相位是，接收機(jī)接收到的載波信號(hào)的相位是，若能測(cè)定出二者相位之差，則由載波波長(zhǎng)λ就可以求出該瞬間從衛(wèi)星至接收機(jī)的距離：

一、載波相位測(cè)量原理二、載波相位測(cè)量觀測(cè)方程觀測(cè)值整周計(jì)數(shù)整周未知數(shù)（整周模糊度）整周未知數(shù)

（整周模糊度Ambiguity）只與開(kāi)機(jī)時(shí)間有關(guān)，與衛(wèi)星有關(guān)，開(kāi)機(jī)后，對(duì)同一顆衛(wèi)星而言，整周未知數(shù)不變整周未知數(shù)確定整周未知數(shù)N0是載波相位測(cè)量的一項(xiàng)重要工作，常用的方法有下列幾種：1、偽距法2、經(jīng)典方法－將整周未知數(shù)作為待定參數(shù)求解3、多普勒法（三差法）4、快速確定整周未知數(shù)法整周未知數(shù)1、偽距法偽距法是在進(jìn)行載波相位測(cè)量的同時(shí)又進(jìn)行了偽距測(cè)量，將偽距觀測(cè)值減去載波相位測(cè)量的實(shí)際觀測(cè)值（化為以距離為單位）后即可得到λ×N0。但由于偽距測(cè)量的精度較低，所以要有較多的觀測(cè)值取平均值后才能獲得正確的整波段數(shù)。整周未知數(shù)2、經(jīng)典方法把整周未知數(shù)當(dāng)作平差計(jì)算中的待定參數(shù)來(lái)加以估計(jì)和確定。分兩種方法：（1）整數(shù)解由于誤差影響，解得得整周未知數(shù)往往不是一個(gè)整數(shù)，然后將其固定為整數(shù)，并重新進(jìn)行平差計(jì)算。也稱為固定解（fixedsolution）（2）實(shí)數(shù)解當(dāng)誤差消除得不夠完全時(shí)，整周未知數(shù)無(wú)法估計(jì)很準(zhǔn)確，此時(shí)直接將實(shí)數(shù)解作為最后解。也稱為浮點(diǎn)解（floatingsolution）整周未知數(shù)3、多普勒法（三差法）由于連續(xù)跟蹤的所有載波相位測(cè)量觀測(cè)值中均含有相同的整周未知數(shù)，所以將相鄰兩個(gè)觀測(cè)歷元的載波相位相減，就將該未知數(shù)消去，從而直接接觸坐標(biāo)參數(shù)，這就是多普勒法。由于三差法可以消除許多誤差，所以使用較廣泛。整周未知數(shù)4、快速確定整周位置數(shù)法1990年E.Frei和G.Beutler提出了快速模糊度（即整周未知數(shù)）解算法進(jìn)行快速定位的方法。采用這種方法進(jìn)行短基線定位時(shí)，利用雙頻接收機(jī)只需觀測(cè)一分鐘便能成功的確定整周未知數(shù)。整周跳變（周跳–CycleSlips）在某一特定時(shí)刻的載波相位觀測(cè)值為如果在觀測(cè)過(guò)程接收機(jī)保持對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的連續(xù)跟蹤，則整周模糊度將保持不變，整周計(jì)數(shù)也將保持連續(xù)，但當(dāng)由于某種原因使接收機(jī)無(wú)法保持對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的連續(xù)跟蹤時(shí)，在衛(wèi)星信號(hào)重新被鎖定后，就不會(huì)與前面的值保持連續(xù)，這一現(xiàn)象稱為整周跳變。周跳T

產(chǎn)生周跳的原因主要原因就是信號(hào)失鎖信號(hào)被遮擋，導(dǎo)致衛(wèi)星信號(hào)無(wú)法被跟蹤儀器故障，導(dǎo)致差頻信號(hào)無(wú)法產(chǎn)生衛(wèi)星信號(hào)信噪比過(guò)低，導(dǎo)致整周計(jì)數(shù)錯(cuò)誤接收機(jī)在高速動(dòng)態(tài)的環(huán)境下進(jìn)行觀測(cè)，導(dǎo)致接收機(jī)無(wú)法正確跟蹤衛(wèi)星信號(hào)衛(wèi)星瞬時(shí)故障，無(wú)法產(chǎn)生信號(hào)周跳的特點(diǎn)只影響整周計(jì)數(shù)

－周跳為波長(zhǎng)的整數(shù)倍將影響從周跳發(fā)生時(shí)刻（歷元）之后的所有觀測(cè)值周跳T

因周跳而丟失的周數(shù)將使周跳發(fā)生后的所有相位觀測(cè)值都含有這個(gè)周數(shù)的偏差解決周跳問(wèn)題的方法探測(cè)與修復(fù)設(shè)法找出周跳發(fā)生的時(shí)間和大小常用的方法有下列幾種方法：1、屏幕掃描法（也就是手工編輯）2、多項(xiàng)式擬合法3、衛(wèi)星間求差法4、根據(jù)平差后的殘差發(fā)現(xiàn)和修復(fù)整周跳變參數(shù)法將周跳標(biāo)記出來(lái)，引入周跳參數(shù)，進(jìn)行解算三、載波相位測(cè)量的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)精度高，測(cè)距精度可達(dá)0.1mm量級(jí)難點(diǎn)整周未知數(shù)問(wèn)題整周跳變問(wèn)題任務(wù)四絕對(duì)定位原理定義單獨(dú)利用一臺(tái)接收機(jī)確定待定點(diǎn)在地固坐標(biāo)系中絕對(duì)位置的方法，又叫做單點(diǎn)定位定位結(jié)果

－與所用星歷同屬一坐標(biāo)系的絕對(duì)坐標(biāo)采用廣播星歷時(shí)屬WGS-84采用IGS–InternationalGPSService精密星歷時(shí)為ITRF–InternationalTerrestrialReferenceFrames（國(guó)際地球參考框架）特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：一臺(tái)接收機(jī)單獨(dú)定位，觀測(cè)簡(jiǎn)單，可瞬時(shí)定位缺點(diǎn)：精度主要受系統(tǒng)性偏差的影響，定位精度低應(yīng)用領(lǐng)域低精度導(dǎo)航、資源普查、軍事、...單點(diǎn)定位的誤差源及應(yīng)對(duì)方法衛(wèi)星星歷精密星歷衛(wèi)星鐘差精密鐘差、地面跟蹤電離層延遲雙頻改正對(duì)流層延遲模型改正精密單點(diǎn)定位PPP–PrecisePointPositioning特點(diǎn)主要觀測(cè)值為載波相位采用精密的衛(wèi)星軌道和鐘數(shù)據(jù)采用復(fù)雜的模型定位精度亞分米級(jí)用途全球高精度測(cè)量衛(wèi)星定軌定位精度評(píng)價(jià)——精度衰減因子DOP值DOP（DilutionOfPrecision）值DOP值與定位精度DOP值的性質(zhì)DOP值與單點(diǎn)定位時(shí)，所觀測(cè)衛(wèi)星的數(shù)量與分布有關(guān)，它所表示的是定位的幾何條件DOP值恒大于1，最高精度為1.DOP值越小，定位的幾何條件越好定位精度評(píng)價(jià)——精度衰減因子DOP值在實(shí)踐中，根據(jù)不同要求，可選用不同的精度評(píng)價(jià)模型和相應(yīng)的精度因子，通常有：※平面位置精度因子HDOP(horizontalDOP)※高程精度因子VDOP(VerticalDOP)※空間位置精度因子PDOP(PositionDOP)※接收機(jī)鐘差精度因子TDOP(TimeDOP)※幾何精度因子GDOP(GeometricDOP)，描述空間位置誤差和時(shí)間誤差綜合影響的精度因子任務(wù)五GPS相對(duì)定位定義

確定進(jìn)行同步觀測(cè)的接收機(jī)之間相對(duì)位置的定位方法，稱為相對(duì)定位。定位結(jié)果與所用星歷同屬一坐標(biāo)系的基線向量（坐標(biāo)差）及其精度信息采用廣播星歷時(shí)屬WGS-84采用IGS–InternationalGPSService精密星歷時(shí)為ITRF–InternationalTerrestrialReferenceFrame基線向量中含有：2個(gè)方位基準(zhǔn)（一個(gè)水平方法，一個(gè)垂直方位）和1個(gè)尺度基準(zhǔn)，不含有位置基準(zhǔn)優(yōu)點(diǎn)：定位精度高缺點(diǎn)：多臺(tái)接收共同作業(yè)，作業(yè)復(fù)雜；數(shù)據(jù)處理復(fù)雜；不能直接獲取絕對(duì)坐標(biāo)應(yīng)用高精度測(cè)量定位及導(dǎo)航

相對(duì)定位也分靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位。安置在基線端點(diǎn)的接收機(jī)固定不動(dòng)，通過(guò)連續(xù)觀測(cè)，取得充分的多余觀測(cè)數(shù)據(jù)，改善定位精度。靜態(tài)相對(duì)定位一般均采用載波相位觀測(cè)值（或測(cè)相偽距）為基本觀測(cè)量。靜態(tài)相對(duì)定位T1T2S1S2S3S4在兩個(gè)觀測(cè)站或多個(gè)觀測(cè)站同步觀測(cè)相同衛(wèi)星的情況下，衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差以及電離層和對(duì)流層的折射誤差等對(duì)觀測(cè)量的影響具有一定的相關(guān)性，利用這些觀測(cè)量的不同組合（求差）進(jìn)行相對(duì)定位，可有效地消除或減弱相關(guān)誤差地影響，從而提高相對(duì)定位的精度。靜態(tài)相對(duì)定位觀測(cè)量的線性組合GPS相對(duì)定位是通過(guò)觀測(cè)量的不同組合求差得到的差分觀測(cè)值的定義將相同頻率的GPS載波相位觀測(cè)值依據(jù)某種方式求差所獲得的新的組合觀測(cè)值（虛擬觀測(cè)值）差分觀測(cè)值的特點(diǎn)可以消去某些不重要的參數(shù)，或?qū)⒛承?duì)確定待定參數(shù)有較大負(fù)面影響的因素消去或消弱其影響求差方式站間求差衛(wèi)星間求差歷元間求差站間求差（站間差分）求差方式同步觀測(cè)值在接收機(jī)間求差數(shù)學(xué)形式特點(diǎn)消除了衛(wèi)星鐘差影響削弱了電離層折射影響削弱了對(duì)流層折射影響削弱了衛(wèi)星軌道誤差的影響星間求差（星間差分）求差方式同步觀測(cè)值在衛(wèi)星間求差數(shù)學(xué)形式特點(diǎn)消除了接收機(jī)鐘差的影響歷元間求差（歷元間差分）差分方式觀測(cè)值在間歷元求差數(shù)學(xué)形式特點(diǎn)消去了整周未知數(shù)參數(shù)單差、雙差和三差單差：站間一次差分雙差：站間、星間各求一次差（共兩次差）三差：站間、星間和歷元間各求一次差（三次差）單差采用差分觀測(cè)值的缺陷（求差法的缺陷）數(shù)據(jù)利用率低只有同步數(shù)據(jù)才能進(jìn)行差分引入基線矢量替代了位置矢量差分觀測(cè)值間具有了相關(guān)性，使處理問(wèn)題復(fù)雜化參數(shù)估計(jì)時(shí)，觀測(cè)值的權(quán)陣某些參數(shù)無(wú)法求出某些信息在差分觀測(cè)值中被消除差分GPS差分GPS產(chǎn)生的誘因：絕對(duì)定位精度不能滿足要求GPS絕對(duì)定位的精度受多種誤差因素的影響，完全滿足某些特殊應(yīng)用的要求美國(guó)的GPS政策對(duì)GPS絕對(duì)定位精度的影響（選擇可用性SA）SA關(guān)閉前后GPS絕對(duì)定位精度的變化差分GPS差分GPS即動(dòng)態(tài)相對(duì)定位利用設(shè)置在坐標(biāo)已知點(diǎn)（基準(zhǔn)點(diǎn)）上的GPS接收機(jī)測(cè)定GPS測(cè)量定位誤差，用以提高在一定范圍內(nèi)其它GPS接收機(jī)（流動(dòng)站）測(cè)量定位精度的方法影響絕對(duì)定位精度的主要誤差主要誤差衛(wèi)星軌道誤差衛(wèi)星鐘差大氣延遲（電離層延遲、對(duì)流層延遲）多路徑效應(yīng)對(duì)定位精度的影響差分GPS的基本原理誤差的空間相關(guān)性以上各類誤差中除多路徑效應(yīng)均具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性，從而定位結(jié)果也有一定的空間相關(guān)性。差分GPS的基本原理利用基準(zhǔn)站（設(shè)在坐標(biāo)精確已知的點(diǎn)上）測(cè)定具有空間相關(guān)性的誤差或其對(duì)測(cè)量定位結(jié)果的影響，供流動(dòng)站改正其觀測(cè)值或定位結(jié)果差分GPS對(duì)測(cè)量定位精度的改進(jìn)差分GPS的分類根據(jù)時(shí)效性實(shí)時(shí)差分事后差分根據(jù)觀測(cè)值類型偽距差分載波相位差分根據(jù)差分改正數(shù)位置差分（坐標(biāo)差分）距離差分根據(jù)工作原理和差分模型局域差分（LADGPS–LocalAreaDGPS）單基準(zhǔn)站差分多基準(zhǔn)站差分廣域差分（WADGPS–WideAreaDGPS）位置差分距離差分距離改正坐標(biāo)改正單基準(zhǔn)站差分的分類位置（坐標(biāo)差分）差分：基準(zhǔn)站上的接收機(jī)對(duì)GPS衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)，確定出測(cè)站的觀測(cè)坐標(biāo)，測(cè)站的已知坐標(biāo)與觀測(cè)坐標(biāo)之差即為位置的改正數(shù)。距離差分：利用基準(zhǔn)站坐標(biāo)和衛(wèi)星星歷可計(jì)算出星站間的計(jì)算距離，計(jì)算距離減去觀測(cè)距離即為距離改正數(shù)。載波相位差分：RTK技術(shù)位置差分和距離差分的特點(diǎn)位置差分差分改正計(jì)算的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單差分?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量少基準(zhǔn)站與流動(dòng)站要求觀測(cè)完全相同的一組衛(wèi)星距離差分差分改正計(jì)算的數(shù)學(xué)模型較復(fù)雜差分?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量較多基準(zhǔn)站與流動(dòng)站不要求觀測(cè)完全相同的一組衛(wèi)星單基準(zhǔn)站局域差分結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)站（一個(gè)）、數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)、模型簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：差分范圍小，精度隨距基準(zhǔn)站距離的增加而下降，可靠性低基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)通訊鏈流動(dòng)站（用戶）載波相位差分多基準(zhǔn)站局域差分結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)站（多個(gè)）、數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：差分精度高、可靠性高，差分范圍增大缺點(diǎn)：差分范圍仍然有限，模型不完善多基準(zhǔn)站差分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)廣域差分結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)站（多個(gè)）、數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：差分精度高、差分精度與距離無(wú)關(guān)、差分范圍大缺點(diǎn)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、建設(shè)費(fèi)用高差分GPS的新進(jìn)展網(wǎng)絡(luò)RTK作業(yè)模型類似RTK原理利用基準(zhǔn)站網(wǎng)計(jì)算出用戶附近某點(diǎn)（虛擬參考站）各項(xiàng)誤差改正，再將它們加到利用虛擬參考站坐標(biāo)和衛(wèi)星坐標(biāo)所計(jì)算出的距離之上，得出虛擬參考站上的虛擬觀測(cè)值，將其發(fā)送給用戶，進(jìn)行實(shí)時(shí)相對(duì)定位。特點(diǎn)精度和可靠性高差分GPS的新進(jìn)展②網(wǎng)絡(luò)RTK動(dòng)態(tài)定位的特點(diǎn)（1）用戶的廣泛性（2）定位的實(shí)時(shí)性（3）速度的多異性在用戶天線以每秒幾米到幾公里的速度相對(duì)于地球運(yùn)動(dòng)的情況下，需要用GPS信號(hào)測(cè)定它們的七維狀態(tài)參數(shù)：三維坐標(biāo)、三維速度、時(shí)間。GPS測(cè)速基于站星距離的測(cè)量，將動(dòng)態(tài)用戶三維速度和接收機(jī)時(shí)鐘偏差變化率（時(shí)速）看作未知數(shù)。觀測(cè)四顆在視GPS衛(wèi)星，解得四個(gè)未知數(shù)。最后求得運(yùn)動(dòng)載體的運(yùn)動(dòng)速度。

GPS定時(shí)GPS定時(shí)的實(shí)質(zhì)：測(cè)定用戶時(shí)鐘相對(duì)于GPS時(shí)間的偏差，并根據(jù)衛(wèi)星電文給出的有關(guān)參數(shù)，計(jì)算出世界協(xié)調(diào)時(shí)（UTC）。1子項(xiàng)目五：GNSS衛(wèi)星定位系統(tǒng)誤差來(lái)源及影響

了解衛(wèi)星星歷誤差，衛(wèi)星鐘差及相對(duì)論效應(yīng)。理解接收機(jī)鐘誤差，相位中心位置誤差的產(chǎn)生與消減方法。掌握電離層折射誤差、對(duì)流層折射誤差、多路徑誤差的產(chǎn)生與消減方法。2子項(xiàng)目五：GNSS衛(wèi)星定位系統(tǒng)誤差來(lái)源及影響學(xué)習(xí)目標(biāo)任務(wù)一GPS測(cè)量誤差的來(lái)源及分類任務(wù)二與衛(wèi)星有關(guān)的誤差任務(wù)三與衛(wèi)星信號(hào)傳播有關(guān)的誤差任務(wù)四與接收機(jī)有關(guān)的誤差任務(wù)五其他誤差3子項(xiàng)目五：GNSS衛(wèi)星定位系統(tǒng)誤差來(lái)源及影響學(xué)習(xí)內(nèi)容任務(wù)一GPS測(cè)量誤差的來(lái)源及分類L2P2D(t)L1C/AP1一、GPS測(cè)量誤差的來(lái)源與衛(wèi)星有關(guān)的誤差衛(wèi)星軌道誤差衛(wèi)星鐘差相對(duì)論效應(yīng)與傳播途徑有關(guān)的誤差電離層延遲對(duì)流層延遲多路徑效應(yīng)與接收設(shè)備有關(guān)的誤差接收機(jī)天線相位中心的偏移和變化接收機(jī)鐘差接收機(jī)內(nèi)部噪聲二、GPS測(cè)量誤差的性質(zhì)偶然誤差內(nèi)容衛(wèi)星信號(hào)發(fā)生部分的隨機(jī)噪聲接收機(jī)信號(hào)接收處理部分的隨機(jī)噪聲其它外部某些具有隨機(jī)特征的影響特點(diǎn)隨機(jī)量級(jí)小–

毫米級(jí)系統(tǒng)誤差（偏差）內(nèi)容其它具有某種系統(tǒng)性特征的誤差特點(diǎn)具有某種系統(tǒng)性特征量級(jí)大–

最大可達(dá)數(shù)百米88區(qū)分不同誤差，提出解決辦法粗差的解決？

盡量避免，粗差探測(cè)并修復(fù)系統(tǒng)誤差的解決？

分析它對(duì)觀測(cè)的影響規(guī)律，采取各種方法來(lái)消除系統(tǒng)誤差，或者減小它對(duì)觀測(cè)成果的影響。偶然誤差的解決？

進(jìn)行多余觀測(cè)，通過(guò)測(cè)量平差、數(shù)據(jù)處理理論，確定被認(rèn)為是最可靠的結(jié)果。三、GPS測(cè)量誤差的大小等效距離誤差

為了表明誤差對(duì)GPS測(cè)量影響的大小，將誤差換算為衛(wèi)星至觀測(cè)站的距離，用相應(yīng)的距離誤差來(lái)表示，稱為等效距離誤差這樣能夠顯而易見(jiàn)的看出某誤差對(duì)GPS測(cè)量的影響有多大三、GPS測(cè)量誤差的大小SPS（有SA）三、GPS測(cè)量誤差的大小PPS，雙頻，P/Y-碼三、GPS測(cè)量誤差的大小SPS（無(wú)SA）四、消除或消弱各種誤差影響的方法模型改正法原理：利用模型計(jì)算出誤差影響的大小，直接對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行修正適用情況：對(duì)誤差的特性、機(jī)制及產(chǎn)生原因有較深刻了解，能建立理論或經(jīng)驗(yàn)公式所針對(duì)的誤差源相對(duì)論效應(yīng)電離層延遲對(duì)流層延遲衛(wèi)星鐘差限制：有些誤差難以模型化四、消除或消弱各種誤差影響的方法求差法原理：通過(guò)觀測(cè)值間一定方式的相互求差，消去或消弱求差觀測(cè)值中所包含的相同或相似的誤差影響適用情況：誤差具有較強(qiáng)的空間、時(shí)間或其它類型的相關(guān)性。所針對(duì)的誤差源電離層延遲對(duì)流層延遲衛(wèi)星軌道誤差…限制：空間相關(guān)性將隨著測(cè)站間距離的增加而減弱四、消除或消弱各種誤差影響的方法參數(shù)法原理：采用參數(shù)估計(jì)的方法，將系統(tǒng)性偏差求定出來(lái)適用情況：幾乎適用于任何的情況限制：不能同時(shí)將所有影響均作為參數(shù)來(lái)估計(jì)四、消除或消弱各種誤差影響的方法回避法原理：選擇合適的觀測(cè)地點(diǎn)，避開(kāi)易產(chǎn)生誤差的環(huán)境；采用特殊的觀測(cè)方法；采用特殊的硬件設(shè)備，消除或減弱誤差的影響適用情況：對(duì)誤差產(chǎn)生的條件及原因有所了解；具有特殊的設(shè)備。所針對(duì)的誤差源電磁波干擾多路徑效應(yīng)限制：無(wú)法完全避免誤差的影響，具有一定的盲目性

一、衛(wèi)星星歷誤差二、衛(wèi)星鐘差三、相對(duì)論效應(yīng)GPS衛(wèi)星的發(fā)射5任務(wù)二與衛(wèi)星有關(guān)的誤差1．星歷誤差來(lái)源

2．星歷誤差對(duì)定位的影響

3．減弱星歷誤差影響的途徑GPS衛(wèi)星工作星座6一、衛(wèi)星星歷誤差（衛(wèi)星軌道誤差）任務(wù)二與衛(wèi)星有關(guān)的誤差1．星歷誤差來(lái)源

衛(wèi)星星歷誤差

某一瞬間的衛(wèi)星位置，是由衛(wèi)星星歷提供的，衛(wèi)星星歷誤差就是衛(wèi)星位置的確定誤差，即衛(wèi)星星歷提供的衛(wèi)星空間位置與真實(shí)位置的偏差。星歷誤差來(lái)源

其大小主要取決于衛(wèi)星跟蹤站的數(shù)量及空間分布、觀測(cè)值的數(shù)量及精度、軌道計(jì)算時(shí)所用的軌道模型及定軌軟件的完善程度。一、衛(wèi)星星歷誤差（衛(wèi)星軌道誤差）廣播星歷根據(jù)美國(guó)GPS控制中心跟蹤站的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行外推，通過(guò)GPS衛(wèi)星發(fā)播的一種預(yù)報(bào)星歷。（精度米級(jí)）實(shí)測(cè)星歷

根據(jù)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行擬合處理而直接得出的星歷。（精度厘米級(jí)）星歷（1）廣播星歷（2）實(shí)測(cè)星歷7一、衛(wèi)星星歷誤差（衛(wèi)星軌道誤差）1．星歷來(lái)源

絕對(duì)定位

廣播星歷誤差對(duì)測(cè)站坐標(biāo)的影響有SA政策時(shí)達(dá)100米，無(wú)SA政策時(shí)為20~30米星歷誤差對(duì)單點(diǎn)定位的影響主要取決于衛(wèi)星到接收機(jī)的距離以及用于定位或?qū)Ш降腉PS衛(wèi)星與接收機(jī)構(gòu)成的幾何圖形相對(duì)定位

利用兩站的同步觀測(cè)資料進(jìn)行相對(duì)定位時(shí)，由于星歷誤差對(duì)兩站的影響具有很強(qiáng)的相關(guān)性，所以在求坐標(biāo)差時(shí)，共同的影響可自行消去，從而獲得高精度的相對(duì)坐標(biāo)。82．星歷誤差對(duì)定位的影響b——基線長(zhǎng)；db——衛(wèi)星星歷誤差所引起的基線誤差；p——衛(wèi)星至測(cè)站的距離；ds——星歷誤差；

——衛(wèi)星星歷的相對(duì)誤差。

根據(jù)一次觀測(cè)的結(jié)果，可以導(dǎo)出星歷誤差對(duì)定位影響的估算式為：2．星歷誤差對(duì)定位的影響

由此可見(jiàn)，隨著基線距離的增加，衛(wèi)星星歷誤差引起的誤差將不斷增加。如果要進(jìn)行長(zhǎng)距離，高精度的GPS測(cè)量，必須采用后處理星歷。（1）建立自己的GPS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)獨(dú)立定軌（2）相對(duì)定位或者差分定位（3）采用后處理星歷93．減弱星歷誤差影響的途徑

衛(wèi)星鐘采用的是GPS時(shí)，但盡管GPS衛(wèi)星均設(shè)有高精度的原子鐘（銣鐘和銫鐘）,它們與理想的GPS時(shí)之間仍存在著難以避免的頻率偏差或頻率漂移,也包含鐘的隨機(jī)誤差。這些偏差總量在1ms以內(nèi)，由此引起的等效距離可達(dá)300km。主要誤差源11二、衛(wèi)星鐘的鐘誤差任務(wù)二與衛(wèi)星有關(guān)的誤差

衛(wèi)星鐘差的改正衛(wèi)星鐘差可通過(guò)下式得到改正：11二、衛(wèi)星鐘的鐘誤差

經(jīng)上述鐘差改正后，各衛(wèi)星鐘之間的同步差可保持在20ns以內(nèi)，由此引起的等效距離偏差不超過(guò)6m。衛(wèi)星鐘差或經(jīng)改正后的殘差，在相對(duì)定位中可通過(guò)差分法在一次求差中得到消除。二、衛(wèi)星鐘的鐘誤差

相對(duì)論效應(yīng)是由于衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘所處的狀態(tài)不同而引起的衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘之間產(chǎn)生相對(duì)鐘差的現(xiàn)象。狹義相對(duì)論—1905年：運(yùn)動(dòng)將使時(shí)間、空間和物質(zhì)的質(zhì)量發(fā)生變化。廣義相對(duì)論—1915年：將相對(duì)論與引力論進(jìn)行了統(tǒng)一。

不可忽視12三、相對(duì)論效應(yīng)任務(wù)二與衛(wèi)星有關(guān)的誤差狹義相對(duì)論觀點(diǎn)——

一個(gè)頻率為f0的振蕩器在一個(gè)運(yùn)動(dòng)載體上相對(duì)于地面上的觀測(cè)者來(lái)說(shuō)將產(chǎn)生頻率偏移。廣義相對(duì)論觀點(diǎn)——

處于不同等位面的振蕩器，其頻率將因引力位不同而發(fā)生變化。

相對(duì)論效應(yīng)的影響并非常數(shù)，經(jīng)改正后仍有殘差，它對(duì)GPS時(shí)的影響最大可達(dá)70ns，對(duì)精密定位仍不可忽略。三、相對(duì)論效應(yīng)一、電離層折射二、對(duì)流層折射三、多路徑誤差13任務(wù)三與衛(wèi)星信號(hào)傳播有關(guān)的誤差衛(wèi)星軌道電離層對(duì)流層大氣折射大氣折射效應(yīng)大氣折射信號(hào)在穿過(guò)大氣時(shí)，速度將發(fā)生變化，傳播路徑也將發(fā)生彎曲。也稱大氣延遲。在GPS測(cè)量定位中，通常僅考慮信號(hào)傳播速度的變化。色散介質(zhì)與非色散介質(zhì)

色散介質(zhì)：對(duì)不同頻率的信號(hào)，所產(chǎn)生的折射效應(yīng)也不同

非色散介質(zhì)：對(duì)不同頻率的信號(hào)，所產(chǎn)生的折射效應(yīng)相同對(duì)GPS信號(hào)來(lái)說(shuō)，電離層是色散介質(zhì)，對(duì)流層是非色散介質(zhì)

電離層折射誤差地面向上50~1000km的大氣層使路徑彎曲傳播速度變慢電離層影響天頂方向50米地平方向150米15一、電離層折射相波與群波

相波：按單一頻率傳播的波（載波）

群波：多種頻率疊加形成的波（測(cè)距碼）

相折射率:相波在電離層中的折射系數(shù)

群折射率:群波在電離層中的折射系數(shù)

相速:相波在電離層中的傳播速度

群速:群波在電離層中的傳播速度

電離層中的相對(duì)折射率與群折射率是不同的。碼相位測(cè)量和載波相位測(cè)量應(yīng)分別采用群折射率和相折射率。所以，載波相位測(cè)量時(shí)的電離層折射改正數(shù)和偽距測(cè)量時(shí)的改正數(shù)是不同的，兩者大小相等，符號(hào)相反。電離層改正的大小主要取決于電子總量和信號(hào)頻率一、電離層折射

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電離層折射誤差大小因素白天比晚上嚴(yán)重夏季比冬季嚴(yán)重跟頻率有關(guān)跟接收機(jī)方位有關(guān)一、電離層折射電子密度與總電子含量電子密度與總電子含量電子密度：?jiǎn)挝惑w積中所包含的電子數(shù)?？傠娮雍浚旱酌娣e為一個(gè)單位面積時(shí)沿信號(hào)傳播路徑貫穿整個(gè)電離層的一個(gè)柱體內(nèi)所含的電子總數(shù)。電子密度與大氣高度的關(guān)系電子含量與地方時(shí)的關(guān)系電子含量與太陽(yáng)活動(dòng)情況的關(guān)系與太陽(yáng)活動(dòng)密切相關(guān)，太陽(yáng)活動(dòng)劇烈時(shí)，電子含量增加太陽(yáng)活動(dòng)周期約為11年1700年–1995年太陽(yáng)黑子數(shù)一、電離層折射同步觀測(cè)求差適用于短基線利用碼/載波相位擴(kuò)散技術(shù)選擇最佳的觀測(cè)時(shí)間進(jìn)行

觀測(cè)（晚上或夜間）

16減弱電離層影響的有效措施一、電離層折射雙頻接收機(jī)雙頻接收機(jī)，獲得兩個(gè)觀測(cè)值求差雙頻修正后，距離殘差可達(dá)厘米級(jí)高精度導(dǎo)航和定位都用雙頻接收機(jī)電離層模型進(jìn)行改正（D碼）適用于單頻接收機(jī)改正后殘差為實(shí)際的20%—40%減弱電離層影響的有效措施

對(duì)流層折射誤差地面向上40m的大氣底層使路徑彎曲傳播速度與信號(hào)頻率無(wú)關(guān)對(duì)流層影響天頂方向2.3米地平方向20米17二、對(duì)流層折射

1、對(duì)流層及其影響對(duì)流層的色散效應(yīng)折射率與信號(hào)波長(zhǎng)的關(guān)系對(duì)流層對(duì)不同波長(zhǎng)的波的折射效應(yīng)結(jié)論對(duì)于GPS衛(wèi)星所發(fā)送的電磁波信號(hào)，對(duì)流層不具有色散效應(yīng)

1、對(duì)流層及其影響對(duì)流層折射率N與溫度、氣壓和濕度的關(guān)系Smith和Weintranb，1954

1、對(duì)流層及其影響利用模型進(jìn)行改正（氣象參數(shù)）修正后仍有5%-10%誤差霍普菲爾德（Hopfield）改正模型薩斯塔莫寧（Saastamoinen）改正模型勃蘭克（Black）改正模型利用同步觀測(cè)求差法適用于短基線（<20km）衛(wèi)星間差分比測(cè)站間差分效果好作為未知數(shù)，平差時(shí)求解

2、減弱對(duì)流層影響的措施20注：不同