《GPS相對(duì)定位原》課件

GPS相對(duì)定位原理GPS相對(duì)定位是一種常用的定位技術(shù)，它通過測(cè)量兩個(gè)接收機(jī)之間的距離差來確定目標(biāo)位置。相對(duì)定位不需要知道衛(wèi)星的精確位置，因此可以用于沒有衛(wèi)星信號(hào)覆蓋的區(qū)域。GPS基本概念全球定位系統(tǒng)GPS是美國國防部研制的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，能夠提供全天候、全球范圍內(nèi)的三維位置、速度和時(shí)間信息。衛(wèi)星星座GPS系統(tǒng)由24顆工作衛(wèi)星組成，分布在6個(gè)軌道面上，每個(gè)軌道面有4顆衛(wèi)星。信號(hào)傳輸GPS衛(wèi)星向地面發(fā)射無線電信號(hào)，包含時(shí)間、軌道信息和衛(wèi)星編號(hào)等數(shù)據(jù)。接收機(jī)定位地面接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)，根據(jù)信號(hào)時(shí)間差和衛(wèi)星位置信息計(jì)算出接收機(jī)的三維坐標(biāo)。相對(duì)定位簡介相對(duì)定位是一種重要的GPS定位技術(shù)，它利用多個(gè)接收機(jī)同時(shí)接收來自同一顆或多顆衛(wèi)星的信號(hào)，通過測(cè)量接收機(jī)之間的距離變化來確定目標(biāo)位置。與絕對(duì)定位不同，相對(duì)定位不需要已知位置的參考點(diǎn)，而是通過測(cè)量接收機(jī)之間的相對(duì)位置來確定目標(biāo)位置。相對(duì)定位的優(yōu)勢(shì)1高精度消除衛(wèi)星鐘差和軌道誤差影響，提高位置精度。2無需已知點(diǎn)不需要預(yù)先知道任何參考點(diǎn)的坐標(biāo)，適用于未知區(qū)域測(cè)量。3適應(yīng)性強(qiáng)適應(yīng)各種地形和環(huán)境條件，應(yīng)用范圍廣泛。4成本效益高相對(duì)定位技術(shù)降低了測(cè)量成本，提高了效率。相對(duì)定位的工作原理1接收信號(hào)兩個(gè)或多個(gè)接收機(jī)同時(shí)接收來自同一顆衛(wèi)星的信號(hào)。2時(shí)間差計(jì)算每個(gè)接收機(jī)接收到的信號(hào)到達(dá)時(shí)間差。3距離差將時(shí)間差轉(zhuǎn)換為兩個(gè)接收機(jī)到衛(wèi)星的距離差。4基線解算通過多個(gè)衛(wèi)星信號(hào)的距離差計(jì)算出兩個(gè)接收機(jī)之間的距離和方向。相對(duì)定位的關(guān)鍵是利用多個(gè)接收機(jī)同時(shí)接收來自相同衛(wèi)星的信號(hào)，從而精確測(cè)量接收機(jī)之間距離和方向，最終得到目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)。參考衛(wèi)星的選擇可見衛(wèi)星數(shù)量選擇至少4顆衛(wèi)星，確保定位精度。衛(wèi)星分布范圍廣，提高定位精度。衛(wèi)星高度角衛(wèi)星高度角高，信號(hào)強(qiáng)，降低誤差。高度角低，信號(hào)弱，容易受到干擾，影響精度。衛(wèi)星幾何構(gòu)型衛(wèi)星幾何構(gòu)型好，定位精度高。衛(wèi)星幾何構(gòu)型差，定位精度低，容易出現(xiàn)多解。衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量選擇信號(hào)質(zhì)量好的衛(wèi)星，避免干擾。信號(hào)質(zhì)量差，影響定位精度，甚至無法定位。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。它通過測(cè)量衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算出衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，即偽距。偽距測(cè)量需要考慮多種誤差源，例如衛(wèi)星鐘差、大氣延遲、多徑效應(yīng)等。這些誤差會(huì)影響偽距的精度，從而影響最終的定位結(jié)果。雙頻偽距測(cè)量雙頻偽距測(cè)量單頻偽距測(cè)量利用兩個(gè)頻率的偽距觀測(cè)值只利用一個(gè)頻率的偽距觀測(cè)值可消除電離層延遲的影響無法消除電離層延遲的影響精度更高精度較低載波相位測(cè)量載波相位測(cè)量是相對(duì)定位中一種高精度測(cè)量方法，通過接收機(jī)接收到的衛(wèi)星信號(hào)載波相位變化來確定接收機(jī)與衛(wèi)星之間的距離變化。載波相位測(cè)量精度遠(yuǎn)高于偽距測(cè)量，可以達(dá)到毫米級(jí)甚至厘米級(jí)。1相位信號(hào)周期內(nèi)變化的次數(shù)2頻率信號(hào)每秒變化的次數(shù)3波長信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)傳播的距離4λ衛(wèi)星信號(hào)波長載波相位平差多路徑誤差載波相位測(cè)量會(huì)受到多路徑效應(yīng)的影響，導(dǎo)致測(cè)量值偏差。平差過程中需要考慮多路徑誤差的影響，進(jìn)行校正。大氣層延遲大氣層中的水汽和電離層會(huì)使信號(hào)延遲，導(dǎo)致測(cè)量偏差。平差過程需要考慮大氣層延遲的影響，進(jìn)行校正。衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星鐘差會(huì)影響信號(hào)到達(dá)時(shí)間，導(dǎo)致測(cè)量偏差。平差過程需要考慮衛(wèi)星鐘差的影響，進(jìn)行校正。接收機(jī)誤差接收機(jī)本身也會(huì)產(chǎn)生誤差，影響測(cè)量精度。平差過程需要考慮接收機(jī)誤差的影響，進(jìn)行校正。平差模型平差過程需要建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型，將以上誤差因素考慮進(jìn)去，進(jìn)行誤差修正。協(xié)方差矩陣及誤差分析協(xié)方差矩陣協(xié)方差矩陣反映觀測(cè)值之間的相關(guān)性，評(píng)估定位誤差的分布情況。誤差分析分析各誤差源對(duì)定位精度影響，包括大氣層延遲、多徑效應(yīng)、衛(wèi)星鐘差等。精度評(píng)估通過協(xié)方差矩陣和誤差分析，評(píng)估相對(duì)定位結(jié)果的精度。位置解算方法1最小二乘法最小二乘法是一種常用的方法，它通過最小化誤差平方和來估計(jì)未知參數(shù)。該方法在GPS相對(duì)定位中廣泛應(yīng)用。2卡爾曼濾波卡爾曼濾波是一種遞歸算法，它利用所有可用信息來估計(jì)系統(tǒng)狀態(tài)。該方法適用于動(dòng)態(tài)相對(duì)定位，可以有效地處理噪聲和系統(tǒng)誤差。3粒子濾波粒子濾波是一種非線性濾波方法，它使用粒子群來近似系統(tǒng)狀態(tài)的后驗(yàn)分布。該方法可以處理非線性系統(tǒng)和非高斯噪聲。靜態(tài)相對(duì)定位靜態(tài)相對(duì)定位是一種常用的GPS相對(duì)定位方法，廣泛應(yīng)用于大地測(cè)量、工程測(cè)量等領(lǐng)域。1數(shù)據(jù)采集在同一時(shí)間段內(nèi)對(duì)多個(gè)測(cè)站進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，獲取GPS數(shù)據(jù)。2數(shù)據(jù)處理利用專用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算基線向量和坐標(biāo)。3精度評(píng)估通過誤差分析和可靠性檢驗(yàn)，評(píng)估定位精度。靜態(tài)相對(duì)定位的優(yōu)點(diǎn)是精度高，但需要長時(shí)間觀測(cè)，效率較低。動(dòng)態(tài)相對(duì)定位1實(shí)時(shí)測(cè)量接收機(jī)持續(xù)運(yùn)動(dòng)2快速處理實(shí)時(shí)計(jì)算位置3應(yīng)用廣泛導(dǎo)航、測(cè)繪、工程動(dòng)態(tài)相對(duì)定位是指接收機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中進(jìn)行的相對(duì)定位。這種方法通常用于實(shí)時(shí)導(dǎo)航和測(cè)繪應(yīng)用，例如車輛導(dǎo)航、無人機(jī)測(cè)繪等。動(dòng)態(tài)相對(duì)定位流程1數(shù)據(jù)采集接收機(jī)同步采集數(shù)據(jù)，記錄衛(wèi)星信號(hào)。2數(shù)據(jù)預(yù)處理對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行粗差剔除和信號(hào)質(zhì)量評(píng)估。3解算定位使用卡爾曼濾波算法進(jìn)行定位解算。4結(jié)果輸出輸出定位結(jié)果，包含經(jīng)緯度、高度等信息。相對(duì)定位精度影響因素衛(wèi)星信號(hào)干擾大氣層延遲、多徑效應(yīng)等因素會(huì)影響衛(wèi)星信號(hào)接收，導(dǎo)致定位誤差。接收機(jī)噪聲接收機(jī)內(nèi)部噪聲會(huì)影響信號(hào)處理精度，進(jìn)而影響定位精度?；€長度基線長度越長，相對(duì)定位精度越高，反之亦然。大氣層延遲效應(yīng)電離層延遲電離層中的自由電子會(huì)使GPS信號(hào)速度變慢，導(dǎo)致到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)延遲，從而影響定位精度。對(duì)流層延遲對(duì)流層中的水汽和氣壓會(huì)使GPS信號(hào)速度變慢，導(dǎo)致到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)延遲，從而影響定位精度。延遲模型為了減小大氣層延遲的影響，可以使用各種延遲模型，例如，克萊姆延遲模型和馬普模型。多徑效應(yīng)11.信號(hào)反射衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)接收機(jī)時(shí)，會(huì)受到地面、建筑物等物體反射，產(chǎn)生多個(gè)信號(hào)路徑。22.信號(hào)疊加多條路徑的信號(hào)疊加會(huì)產(chǎn)生誤差，影響接收機(jī)對(duì)信號(hào)的識(shí)別和定位精度。33.誤差累積多徑效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致偽距和載波相位測(cè)量誤差，最終影響位置解算的精度。44.影響因素接收機(jī)天線高度、周圍環(huán)境、信號(hào)頻率等因素會(huì)影響多徑效應(yīng)的大小。衛(wèi)星鐘差和軌道誤差衛(wèi)星鐘差每個(gè)衛(wèi)星都配備了原子鐘，但存在一定的誤差，影響精度。軌道誤差衛(wèi)星軌道受到地球引力、太陽引力等影響，存在誤差。誤差修正通過精密鐘差和軌道數(shù)據(jù)，進(jìn)行誤差修正，提高精度。接收機(jī)噪聲和精密度接收機(jī)噪聲接收機(jī)噪聲影響接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的測(cè)量精度，噪聲越大，精度越低。使用高性能接收機(jī)，可降低噪聲的影響。精密度精密度是指接收機(jī)重復(fù)測(cè)量同一位置的精度，也稱為重復(fù)性。高精度接收機(jī)可提供更準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。影響因素接收機(jī)噪聲和精密度受多種因素影響，包括接收機(jī)類型、天線質(zhì)量、信號(hào)強(qiáng)度等。相對(duì)定位精度評(píng)估精度指標(biāo)評(píng)估相對(duì)定位精度，主要指標(biāo)包括：水平精度垂直精度時(shí)間精度評(píng)估方法常用的評(píng)估方法包括：殘差分析誤差傳播分析統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)基線長度對(duì)精度的影響基線長度是指兩個(gè)接收機(jī)之間的距離，基線長度越長，相對(duì)定位精度越高?；€長度是影響相對(duì)定位精度的關(guān)鍵因素之一，隨著基線長度的增加，相對(duì)定位精度會(huì)逐步提高?？煽啃詸z驗(yàn)數(shù)據(jù)一致性檢查各觀測(cè)值之間的一致性，如偽距和載波相位觀測(cè)值是否符合預(yù)期關(guān)系。殘差分析分析觀測(cè)值與模型擬合之間的偏差，以識(shí)別異常數(shù)據(jù)或模型誤差。衛(wèi)星數(shù)量評(píng)估衛(wèi)星數(shù)量是否足夠，確保定位精度和可靠性。時(shí)間同步檢查接收機(jī)時(shí)間同步是否準(zhǔn)確，確保觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)序性。數(shù)據(jù)采集要求接收機(jī)設(shè)置確保接收機(jī)正確設(shè)置時(shí)間、頻率、采樣率等參數(shù)。并檢查天線連接是否牢固，周圍是否有遮擋物。觀測(cè)時(shí)間觀測(cè)時(shí)間需滿足相對(duì)定位精度要求，一般需要長時(shí)間觀測(cè)，并盡量避開大氣層延遲效應(yīng)強(qiáng)的時(shí)段。同步觀測(cè)多個(gè)接收機(jī)需同步觀測(cè)，以保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間一致性，并確保所有接收機(jī)接收同一顆衛(wèi)星信號(hào)。環(huán)境條件觀測(cè)環(huán)境應(yīng)盡量開闊，避免遮擋物影響衛(wèi)星信號(hào)接收，并注意記錄觀測(cè)時(shí)的天氣狀況。數(shù)據(jù)處理注意事項(xiàng)數(shù)據(jù)質(zhì)量數(shù)據(jù)質(zhì)量對(duì)相對(duì)定位結(jié)果至關(guān)重要。需要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，例如剔除異常值和噪聲，確保數(shù)據(jù)可靠性。數(shù)據(jù)校正應(yīng)考慮衛(wèi)星鐘差、軌道誤差等因素，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，提高定位精度。數(shù)據(jù)格式數(shù)據(jù)格式應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。相對(duì)定位應(yīng)用前景相對(duì)定位技術(shù)應(yīng)用廣泛，在測(cè)繪、導(dǎo)航、工程建設(shè)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。該技術(shù)可應(yīng)用于地形圖繪制、城市規(guī)劃、橋梁和隧道建設(shè)，以及精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和精準(zhǔn)定位等方面。相對(duì)定位未來發(fā)展趨勢(shì)多系統(tǒng)融合將GPS與北斗、伽利略等其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)整合，提高定位精度和可靠性。多傳感器融合將GPS與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、視覺定位系統(tǒng)等融合，實(shí)現(xiàn)更精確、更魯棒的定位。人工智能應(yīng)用利用深度學(xué)習(xí)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，提升相對(duì)定位的精度和效率，并實(shí)現(xiàn)智能化。應(yīng)用領(lǐng)域拓展將相對(duì)定位技術(shù)應(yīng)用于更多領(lǐng)域，例如無人駕駛