卫星定位原理二课件.ppt

1、 一、伪距测量观测方程一、伪距测量观测方程 二、载波相位测量观测方程二、载波相位测量观测方程 = i( ti ) j( tj )因为因为: tj = tj(GPS) -tj ， ti = ti(GPS) -ti 所以所以: = iti(GPS) -ti jtj(GPS) -tj 一般情况下有一般情况下有:(t+t) = (t) f t 而且而且 ti(GPS) = tj(GPS) t 所以所以:(ti(GPS) ) = j(tj(GPS) ) f t - ti(GPS) jtj(GPS) = f t = ti(GPS) f ti(jtj(GPS) - f tj) =ft f ti f tj 又

2、因为又因为:t =C-1 Iij (t) Tij (t) 所以所以: =fC-1 Iij (t) Tij (t) f tjf ti 载波相位观测方程：ij =fC-1 Iij (t) Tij (t) f tjf ti +N0j (t0)+Int()站星站星距离距离星钟星钟误差误差机钟机钟误差误差电离层电离层改正改正对流层对流层改正改正初始整周初始整周未知数未知数整周数的整周数的变化量变化量初始整周未知数初始整周未知数N0的确定的确定1、伪距法、伪距法 在进行载波相位测量的同时也进行伪距测量，在进行载波相位测量的同时也进行伪距测量，则将伪距测量所获得的伪距观测值减去载波相位则将伪距测量所获得的伪

3、距观测值减去载波相位测量观测值中不足一周的部分和整周变化量部分测量观测值中不足一周的部分和整周变化量部分（假设他们都已经转化为距离的单位）后即等于（假设他们都已经转化为距离的单位）后即等于 N0 = = ( ) )(0j jj jIntN+ + +D D2、将将N0视为平差中的待定参数来求解视为平差中的待定参数来求解 N0的取值: 实数 凑整 整数 实数解 整数解。 3、多普勒法（三差法）、多普勒法（三差法） 利用测站、卫星和历元间求三差的方法来解算坐标未知参数，将其作为未知数的初始值代入双差模型再求解整周未知数。整周跳变的修复整周跳变的修复:1、整周跳变、整周跳变: 信号失锁信号失锁：由于某

4、些原因导致：由于某些原因导致GPS信号被信号被 暂时阻断的情况被称为信号失锁。暂时阻断的情况被称为信号失锁。 整周跳变整周跳变( 周跳周跳 )：由于某种原因，接收机由于某种原因，接收机整波计数器在一段时间内记录下来的整周整波计数器在一段时间内记录下来的整周数的变化量产生错误，即错误地记录了整数的变化量产生错误，即错误地记录了整周数的变化量。这种现象被称为整周跳变。周数的变化量。这种现象被称为整周跳变。2、整周跳变（、整周跳变（ Int()有误差）产生的原因有误差）产生的原因:1).卫星信号发生失锁。2).接收机振荡器的故障。3).外界信号的干扰。*3、整周跳变的修复、整周跳变的修复: 整周跳变

5、的修复整周跳变的修复：是指利用一定的方法探测：是指利用一定的方法探测出在何时产生了整周跳变，采取相应的模型出在何时产生了整周跳变，采取相应的模型确定丢失的整周数，将其恢复成为正确的计确定丢失的整周数，将其恢复成为正确的计数，这一过程成为整周跳变的修复。数，这一过程成为整周跳变的修复。修复方法：1)、屏幕扫描法(Int()的变化率应呈连续性) 。2)、用高次差或多项式拟合法(见表格) 。3)、卫星间求差法。4)、利用双频观测值修复周跳（电离层残差法）。三、GPS绝对定位 GPS绝对定位：绝对定位：是一个用户利用是一个用户利用GPS接接收机，以地球质心为参考点，对卫星信号收机，以地球质心为参考点，

6、对卫星信号进行接收和观测，确定接收机天线在进行接收和观测，确定接收机天线在WGS-84坐标系中的绝对位置，又称单点定位或坐标系中的绝对位置，又称单点定位或伪距定位。伪距定位。绝对定位的精度评价绝对定位的精度评价(P88):（1）平面位置精度因子）平面位置精度因子HDOP（2）高程精度因子）高程精度因子VDOP（3）空间位置精度因子）空间位置精度因子PDOP（4）几何精度因子）几何精度因子GDOP（5）接收机钟差精度因子）接收机钟差精度因子TDOP注注: 1）DOP值 1/V , V为星站六面体的体积。 2）亦要考虑大气传播误差的影响 。为什么要进行相对定位?测站1: (X1 Y1 Z1)测站2

7、: (X2 Y2 Z2)两坐标的精度都不高!现求两站的坐标差: X12= X2 X1 Y12 = Y2 Y1 Z12 = Z2 Z1两站的坐标差的精两站的坐标差的精度却非常高度却非常高(为什么为什么?)四、相对定位原理 GPS相对定位相对定位：是利用两台或两台以上GPS接收机分别安置在不同的GPS点上，并同步观测相同的GPS卫星，将所获得观测值按一定的方法进行差分处理，消除一些误差对各观测值影响的相关部分，然后在进行解算，可以获得GPS点间的相对位置或基线向量。1、一次差分观测值、一次差分观测值:1) .站际一次差分观测站际一次差分观测其消除了与卫星有关的误差(星钟误差等)影响,削弱了大气传播

8、误差(电离层和对流层折射误差)影响。);()()(1212iKiKiKtttSD观测站1观测站2卫星2).星际一次差分观测星际一次差分观测其消除了与接收机有关的误差(机钟误差等)影响,削弱了大气传播误差(电离层和对流层折射误差) 的影响。);()(111ikijkjttSD观测站卫星j卫星k3).历元间一次差分观测历元间一次差分观测SD=？其削弱了大部分误差的影响,同时消去了N0 ( 初始整周模糊度初始整周模糊度 )。观测站卫星j(t1)卫星j（t2）2、二次差分观测值、二次差分观测值:1).站际与星际二次差分观测值站际与星际二次差分观测值:部分误差的影响得到了消除或削弱。)()()(1212

9、12ikijikjtSDtSDtDD)()()(1212ikjikjikjtSDtSDtDD观测站1观测站2卫星j卫星k2).星际与历元间二次差分观测值星际与历元间二次差分观测值:);()(),(11111ikjikjiikjtSDtSDttDD+部分误差的影响得到了消除或削弱。同时消去了N0 (初初始整周模糊度始整周模糊度)。观测站卫星j(t1)卫星j（t2）卫星k(t1)卫星k（t2）3).站际与历元间二次差分观测值站际与历元间二次差分观测值:);,(),(),(1112112+iikiikiikttSDttSDttDD);()(),(12112112ikikiiktSDtSDttDD+部

10、分误差的影响得到了消除或削弱。同时消去了N0 (初初始整周模糊度始整周模糊度)。观测站1观测站2卫星j(t0)卫星j(t1)3、三次差分观测值、三次差分观测值:观测站卫星j(t1)卫星j（t2）卫星k(t1)卫星k（t2）观测站在三次差分观测值中已消除或削弱了GPS观测中绝大部分误差的影响,同时消去了N0 (初始初始整周模糊度整周模糊度)。);()(),(12112112ikjikjiikjtDDtDDttTD+);,(),(),(112112112+iikiijiikjttDDttDDttTD);,(),(),(1112112+iikjiikjiikjttDDttDDttTD 第五节第五节

11、差分差分GPS定位原理定位原理基本思想(与前面差分方法不一样) ！在GPS测量定位中的三大误差源三大误差源 :（1）与卫星有关的误差(如卫星钟误差、卫星星历误差)。（2）与信号传播有关的误差（电离层折射误差、对流层折射误差）。（3）与接收机有关的误差（内部噪声误差、多路径效应误差等）。一、单站一、单站GPS的差分的差分(SRDGPS):1、位置差分原理、位置差分原理:现设基准站的精密坐标为(X0 Y0 Z0),施测坐标为(X Y Z)则其坐标改正数为: X= X0X ; Y= Y0Y ; Z = Z0Z ;基准站将坐标改正数利用数据链传给用户站,用户站的施测坐标为(XP YP ZP ),则其改

12、正后坐标为: XP =XP + X ; YP =YP + Y ; ZP =ZP + Z ;若顾及用户位置的瞬时变化可利用下式： XP =XP + X d（X）/dt （tt0）； YP =YP + Y d（Y）/dt （tt0）； ZP =ZP + Z d（Z）/dt （tt0）；位置差分的特点：位置差分的特点：（1）、计算简单，适用于各种型号GPS接收机。（2）、基准站和用户站必须观测同一组卫星，而且基准站和用户站间的距离应小于100Km。2、伪距差分原理、伪距差分原理: 现设基准站的精密坐标为(X0 Y0 Z0),所观测卫星的坐标为（Xj Yj Zj）;其中:j = 1 2 n 。则卫星至

13、基准站的真正距离为：基准站的伪距观测值为j0 ，则其伪距改正数： j = R j j0 及其变化率： dj = j / t21202020ZZYYXXRjjjj+ 基准站将 j和dj传给用户站,用户利用j和dj对其伪距观测值 j进行改正 ： j p（t）= j （t）+ j（t）+dj （t-t0）；并利用下式计算用户站的坐标（Xp Yp Zp ）：其中 : t为接收机钟差， V1为接收机躁声。121222VtcZZYYXXpjpjpjjp+伪距差分的特点：伪距差分的特点：（1）、基准站提供所有卫星的伪距改正数及其变化率，用户站可任选四颗卫星进行观测。（2）、差分精度随距离的增加而降低。 3、

14、载波相位差分原理、载波相位差分原理: 载波相位差分技术亦称RTK技术,其方法共分两类: (Real Time Kinematic)（1）、修正法. （2）、差分法.载波相位差分的方程式:上式中各符号的意义!载波相位差分的方法比前两种方法的精度要高(可达cm级).但其精度也受基准站至用户站的距离限制。 jjdZZYYXXNNNNRpjpjpjjjpjjpjjpjD+212220000)()(（二、局部区域二、局部区域GPS差差分系统分系统(LADGPS).用户站将各基准站的改正信息采用加权平均值法加权平均值法或最小方差法最小方差法求得自己的改正数进行改正(坐标改正数或距离改正数) 。基准站和用户

15、站的距离在500km以内可以获得较好的效果。三、广域差分系统三、广域差分系统(WADGPS)1、广域差分系统基本思想基本思想： 对GPS测量中的误差源加以区分，分别对每一中误差源予以“模型化模型化”（卫星星历误差，大气延时误差，卫星钟误差），然后将计算出的每一项误差源的数值并利用数据链传输给用户，用户利用它对GPS测量定位的观测值进行改正，达到提高GPS定位精度的目的。2、广域差分系统组成及工作流程： 坐标已知的监测站（若干）坐标已知的监测站（若干）数据通讯链 中心站中心站 数据通讯链 用户站用户站3、广域差分系统特点：、广域差分系统特点：（1）、定位精度对空间距离的敏感程度较低，一般距离在2

16、000Km范围内时定位精度不会明显下降。（2）、在大区域内建立WADGPS网比建立LADGPS网所需要的监测站的数目要少得多。（3）、在WADGPS网的覆盖区域内定位精度均匀,而且其定位精度比LADGPS要高。（4）、 WADGPS网的覆盖区域可以扩展到不易作用的区域,如沙漠、森林、海洋等。（5）、WADGPS所使用的硬件设备和通讯工具价格昂贵，软件技术复杂,运行和维持费用比LADGPS要高得多。且其可靠性和安全性不如LADGPS。四、多基准站四、多基准站RTK技术技术多基准站RTK技术也叫网络网络RTK。1、多基准站、多基准站RTK的工作原理的工作原理:2、多基准站、多基准站RTK的组成及功

17、能的组成及功能:（1）GPS基准站(若干个):连续运行对卫星进行观测,并将观测值传输给计算中心。（2）计算中心:据各基准站的观测值计算区域内各误差模型,并将有关数据实时地传给数据发布中心。（3）数据发布中心:实时地将接收到的差分改正信息向外发布。（4）移动站(用户):实时地接收数据发布中心发布的差分改正信息,结合自身的GPS观测值,组成双差相位观测值并快速确定整周未知数和位置信息,完成实时定位。*多普勒测量原理 一、多普勒效应多普勒效应 由于波源相对于观测者有高速运动而引起由于波源相对于观测者有高速运动而引起的信号频率额移动即称为多普勒频移，这的信号频率额移动即称为多普勒频移，这种现象称为多普勒效应。种现象称为多普勒效应。现设现设GPS卫星发射信号的频率为卫星发射信号的频率为fs,而地球上而地球上的测站点接收到的信号频率为的测站点接收到的信号频率为fr,则：则： 一般情况下： fr = fs(1+VR/c)-1 其中：VR为GPS卫星的径向速度。则多普勒频移值为： fs- fr = fs * VR/c 二、多普勒测量原理二、多普勒测量原理 根据多普勒频移可以求出测站点与卫星根据多普勒频移可以求出测站点与卫星在不同时刻的距离差，因此又称为距离差在不同时刻的距离差，因此又称为距离差测量。测量。通常用于测量计算运动载体的运动通常用于测量计算运动载体的运动速度。速度。