gps定位原理

1、第五章ＧＰＳ定位原理,主要內(nèi)容,５.１　ＧＰＳ定位類型,５.２　偽距法測量,５.４　周跳的探測與修復(fù),５.３　載波相位測量,５.５　差分觀測值,５.7　 差分ＧＰＳ,５.６　觀測值的線性組合,5.1 ＧＰＳ定位類型,依定位時接收機天線的運動狀態(tài)：,靜態(tài)定位動態(tài)定位,5.1.1靜態(tài)定位和動態(tài)定位,靜態(tài)定位,在定位過程中，接收機的位置是固定的，處于靜止狀態(tài)。這種靜止狀態(tài)是相對的。在衛(wèi)星大地測量學(xué)中，所謂靜止狀態(tài)，通常是指待定點的位置

2、，相對其周圍的點位沒有發(fā)生變化，或變化極其緩慢，以致在觀測期內(nèi)（數(shù)天或數(shù)星期）可以忽略。 靜態(tài)定位主要應(yīng)用于測定板塊運動、監(jiān)測地殼形變、大地測量、精密工程測量、地球動力學(xué)及地震監(jiān)測等領(lǐng)域。,在定位過程中，接收機天線處于運動狀態(tài)。這種運動狀態(tài)也是相對的，通常是指待定點的位置，相對其周圍的點位發(fā)生顯著的變化，或針對所研究的問題和事物來說, 其狀態(tài)在觀測期內(nèi)不能認為是靜止的可以忽略。 運動定位主要應(yīng)用于飛機、船舶和陸地車輛等運

3、動載體的導(dǎo)航中。,注意：針對不同的研究問題，同一對象可以在二者之間進行轉(zhuǎn)換,動態(tài)定位,動態(tài)定位,5.1 ＧＰＳ定位類型,依定位模式：,絕對定位（單點定位）相對定位,5.1.2 絕對定位和相對定位,絕對定位,又稱單點定位，獨立確定待定點在坐標系中的絕對位置。由于目前GPS系統(tǒng)采用WGS-84系統(tǒng)，因而單點定位的結(jié)果也屬該坐標系統(tǒng)。絕對定位的優(yōu)點是一臺接收機即可獨立定位，但定位精度較差。 該定位模式在船舶、飛機的導(dǎo)航，地質(zhì)礦產(chǎn)勘

4、探，暗礁定位，建立浮標，海洋捕魚及低精度測量領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。,相對定位,確定同步跟蹤相同的GPS信號的若干臺接收機之間的相對位置的方法?？梢韵S多相同或相近的誤差（如衛(wèi)星鐘、衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星信號傳播誤差等），定位精度較高。但其缺點是外業(yè)組織實施較為困難，數(shù)據(jù)處理更為煩瑣。 在大地測量、工程測量、地殼形變監(jiān)測等精密定位領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。,相對定位,注意：,在絕對定位和相對定位中，又都包含靜態(tài)定位和動態(tài)定位兩種方式。因此形成了動態(tài)

5、絕對定位和靜態(tài)絕對定位，動態(tài)相對定位和靜態(tài)相對定位。 為縮短觀測時間，提供作業(yè)效率，近年來發(fā)展了一些快速定位方法，如準動態(tài)相對定位法和快速靜態(tài)相對定位法等。,差分定位,差分技術(shù)很早就被人們所應(yīng)用。它實際上是在一個測站對兩個目標的觀測量、兩個測站對一個目標的兩次觀測量之間進行求差。其目的在于消除公共項，包括公共誤差和公共參數(shù)。在以前的無線電定位系統(tǒng)中已被廣泛地應(yīng)用。差分定位采用單點定位的數(shù)學(xué)模型，具有相對定位的特性（使用多臺接收機

6、、基準站與流動站同步觀測）。,依觀測值類型,偽距測量（偽距法定位）載波相位測量,依定位時效,實時定位事后定位,依確定整周模糊度的方法及觀測時段的長短：,常規(guī)靜態(tài)定位快速靜態(tài)定位,5.2.1 偽距測量,5.2 偽距法測量,利用測距碼進行測距的原理 基本思路:?=? ·c=?t · c 偽距 偽距的測定方法,測定偽距的示意圖,偽距的測定步驟,（1）衛(wèi)星依據(jù)自己的時鐘發(fā)出某一結(jié)構(gòu)的測 距碼，

7、該測距碼經(jīng)過?t 時間傳播后到達接收 機；,（2）接收機在自己的時鐘控制下產(chǎn)生一組結(jié)構(gòu) 完全相同的測距碼—復(fù)制碼，并通過時延器使 其延遲時間τ；,（3）將這兩組測距碼進行相關(guān)處理，直到兩組測距碼的自相關(guān)系數(shù) R(t) = 1為止，此時，復(fù)制碼已和接收到的來自衛(wèi)星的測距碼對齊，復(fù)制碼的延遲時間τ就等于衛(wèi)星信號的傳播時間?t；,（4）將?t乘上光速c后即可求得衛(wèi)星至接收機的偽距。,特點,無模糊度（多值性）問題 定位速度快，

8、實時定位 可提高測距精度 對信號的強度要求不高，易于捕獲 微弱的衛(wèi)星信號 采用的是CDMA（碼分多址）技術(shù) 便于對系統(tǒng)進行控制和管理,碼相關(guān)法測量偽距時，有一個基本假設(shè)，即衛(wèi)星 鐘和接收機鐘是完全同步的。但實際上這兩臺鐘之間總是有差異的。因而在R(t) =max的情況下求得的時延τ就不嚴格等于衛(wèi)星信號的傳播時間Δt，它還包含了兩臺鐘不同步的影響在內(nèi)。此外，由于信號并不是完全在真空中傳播，因而觀測值τ中也包含了大氣傳播延遲誤

9、差。在偽距測量中，一般把在R(t) =max的情況下求得的時延τ和真空中的光速c的乘積當作觀測值，需建立衛(wèi)星與接收機之間的距離同觀測值之間的關(guān)系。,偽距測量的觀測方程,5.2.2 偽距測量定位原理,設(shè)在某一瞬間衛(wèi)星發(fā)出一個信號，該瞬間衛(wèi)星鐘的讀數(shù)為ta ，但正確的標準時應(yīng)為?a，該信號在正確的標準時間?b到達接收機，但根據(jù)接收機鐘讀得的時間為Tb。偽距測量中測得的時延?實際上是Tb和ta之差，即,發(fā)射時刻的改正數(shù)為Vta，接收時刻接收機

10、鐘的改正數(shù)為VTb，則有,衛(wèi)星信號經(jīng)過電離層和對流層到達地面測站后，經(jīng)電離層折射改正后??ion和對流層折射改正后??trop，求得衛(wèi)星至接收機的集合距離?： ?= c（?b-?a）+ ??ion + ??trop于是幾何距離ρ與 偽距之間的關(guān)系式為：,那么測定了偽距 就等于測定了幾何距離 ?，而?與為坐標（Xs，Ys，Zs）與接收機坐標（天線相位中心的坐標）（X，Y，Z）之間有如下關(guān)系：,假定： 電離層

11、和對流層折射改正均可精確求得 衛(wèi)星鐘和接收機鐘的改正數(shù) 、 精確已知,偽距測量的誤差方程——原理,、,由于衛(wèi)星坐標可根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航電文求得，因此在上式中有3個未知數(shù)。若用戶同時對三顆衛(wèi)星進行偽距測量，即可解出接收機的位置（X，Y，Z）。,上述假設(shè)中，精確已知任一觀測瞬間的時鐘改正數(shù)只有對穩(wěn)定度特別好的原子鐘才有可能實現(xiàn)，在數(shù)目有限的衛(wèi)星上配備原子鐘是可以辦到的，但在每一個接收機上都安裝原子鐘是不現(xiàn)實的，不僅需要大大增加成本，而且

12、也增加接收機的體積和重量。解決這個問題的方法是：將觀測時刻接收機的改正數(shù)確定為一個未知數(shù)。,（i=1,2,3,4,....）,式中Vti是第i個衛(wèi)星在信號發(fā)射瞬間的鐘改正數(shù)，它可以根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航電文中給出的系數(shù)求出。,這樣在任何一個觀測瞬間，用戶至少需要同時觀測4顆衛(wèi)星，以便解算4個未知數(shù)。因此偽距法定位的數(shù)學(xué)模型可表示為：,,本身的數(shù)值大小并不是關(guān)鍵問題，只要能滿足其在方程組中保持固定不變就可以了。由于接收機是同時（多通道接收機）或在很

13、短的時間內(nèi)（多路復(fù)式通道、快速序貫通道）完成對各衛(wèi)星的測距工作的。因而只需要質(zhì)量較好的石英鐘，上述要求一般即可得到滿足。,5.3.1載波相位測量,偽距測量觀測精度低，載波相位測量精度高,5.3載波相位測量,偽距測量和碼相位測量是以測距碼為量測信號的。量測精度是一個碼元長度的百分之一。由于測距碼的碼元長度較長，因此量測精度較低（C/A碼為3m，P碼為30cm）。載波的波長要短得多（λL1 = 19cm, λL2 = 24cm），對載波進

14、行相位測量，可以達到很高的精度。目前大地型接收機的載波相位測量精度一般為0.2~0.3mm。但載波信號是一種周期性的余弦信號，相位測量只能測定其不足一個波長的部分，因而存在整周不確定性問題，解算復(fù)雜。,載波相位 – L1、L2,模二和,雙相調(diào)制,載波的結(jié)構(gòu)——余弦波,由于GPS信號中已用相位調(diào)制的方法在載波上調(diào)制了測距碼和導(dǎo)航電文，因而接收到的載波的相位已不再連續(xù)（凡是調(diào)制信號從0變1或從1變0時，載波的相位均要變化180°）

15、。所以在進行載波相位測量之前，首先要進行解調(diào)工作，設(shè)法將調(diào)制在載波上的測距碼和導(dǎo)航電文去掉，重新獲得載波，即所謂載波重建。,載波重建,重建載波方法,碼相關(guān)法特點：需要了解碼的結(jié)構(gòu)，可獲得導(dǎo)航電文，可獲得全波長的載波，信號質(zhì)量好。,平方法特點：無需了解碼的結(jié)構(gòu)，無法獲得導(dǎo)航電文，所獲載波波長為原來波長的一半，信號質(zhì)量較差（信噪比低，降低了30dB）。,互相關(guān)（交叉相關(guān)）方法：獲取兩個頻率間的偽距差和相位差,特點：無需了Y解碼的結(jié)構(gòu)，

16、可獲得導(dǎo)航電文，可獲得全波波長的載波，信號質(zhì)量較平方法好（信噪比降低了27dB）,特點：無需了解Y碼結(jié)構(gòu)，可測定雙頻偽距觀測值，可獲得導(dǎo)航電文，可獲得全波波長的載波，信號質(zhì)量較平方法好（信噪比降低了14dB）,Z跟蹤,5.3.2 載波相位測量的原理,若衛(wèi)星S發(fā)出一載波信號，該信號向各處傳播。設(shè)某一瞬間，該信號在接收機R處的相位為?R，在衛(wèi)星S處的相位為?S。?R 和?S為從某一起始點開始計算的包括整周數(shù)在內(nèi)的載波相位，為方便計，均以周數(shù)

17、為單位。若載波的波長為?，則衛(wèi)星S至接收機R間的距離：,,但因無法觀測?S，因此該方法無法實施。,如果接收機的震蕩器能產(chǎn)生一個頻率與初相和衛(wèi)星載波信號完全相同的基準信號，問題即可解決，因為任何一個瞬間在接收機處的基準信號的相位等于衛(wèi)星處載波信號的相位。因而，（?S - ?R）等于接收機產(chǎn)生的基準信號的相位和接收到的來自衛(wèi)星的載波信號相位之差：　　　　?。?S- ?R）= ?(?b) - ?(?a),5.3.3 載波相位測量的實際觀測

18、值,跟蹤衛(wèi)星信號后的首次量測值,假定：　接收機跟蹤上衛(wèi)星信號，并在t0 時刻進行首次載波　　　相位測量;　此時接收機所產(chǎn)生的基準信號的相位為?0(R);　接收到的來自衛(wèi)星的載波信號的相位為?0(S);　?0(R)和?0(S)相位之差是由N0個整周及不足一整周　　　的部分F0r(?)組成，即: ?0(R) - ?0(S) =?s - ?R=N0+F0r(?),在進行測量時，儀器實際上測定的只是不足一整周的部分F0r(?

19、)。因為載波只是一種單純的余弦波，不帶有任何識別標記，因而無法判斷正在量測的是第幾周的信號。于是在載波相位測量中便出現(xiàn)了一個整周未知數(shù)N0，需要通過其他途徑解算出后N0才能求得從衛(wèi)星至接收機的距離，從而使數(shù)學(xué)處理較偽距測量更為麻煩。,跟蹤衛(wèi)星信號后的其余各次量測值,首次載波相位測量后，以后進行的實際量測值中不僅包含不足一整波段的部分Fir(?)，而且包含了整波段數(shù)Inti(?)。根據(jù)上述討論可以看出：　載波相位測量的實際觀測值由整周

20、部分　　　Int(?)和不足整周部分Fr(?)組成，首次觀測　　　值中的Int (?)為零，以后Int (?)可為正整　　數(shù)或為負整數(shù)。,只要接收機保持對衛(wèi)星信號的連續(xù)跟蹤而不　　　失鎖，則在每個載波相位測量觀測值都含有　　相同的整周未知數(shù)N0。即每個完整的載波相　　位觀測值　　　　? =N0+ Int (?)+Fr(?) 　如果由于計數(shù)器無法連續(xù)計數(shù)，當信號被重　　新跟蹤后，整周計數(shù)中將丟失某一量而

21、變得　　不正確。不足一整周部分由于是一個瞬時觀　　測值，因而仍是正確的。這種現(xiàn)象稱整周跳　　變（簡稱周跳）或丟失整周（簡稱失周）,觀測值,載波相位觀測值,載波相位觀測值總結(jié),簡化的觀測方程,：載波相位觀測值（cycle）,：載波波長（m）,：站星距（m）,：真空中的光速（m/s）,：接收機鐘差（s）,：衛(wèi)星鐘差（s）,5.3.4 載波相位測量的觀測方程,：觀測歷元時刻,：整周模糊度 （cycle）,：衛(wèi)星星歷誤差（m）,：電離層折

22、射（m）,：對流層折射（m）,改用IGS等組織所提供的精密衛(wèi)星鐘差，并采用適當?shù)姆椒ㄟM行內(nèi)插；把衛(wèi)星導(dǎo)航電文所給出的衛(wèi)星鐘差僅僅當做初始近似值。在此基礎(chǔ)上重新引入新的鐘差參數(shù)，并通過對載波相位觀測值進行平差計算來估計其正確值，或通過求差法將其消除。,5.4周跳的探測與修復(fù),什么是整周跳變（周跳）,5.4.1 整周跳變（周跳）,產(chǎn)生周跳的原因信號被遮擋儀器故障信號被干擾接收機在高速動態(tài)的環(huán)境下進行觀測,周跳的特點　只影響整周計

23、數(shù) － 周跳為波長的整數(shù)倍將影響從周跳發(fā)生時刻（歷元）之后的所有觀測值,載波相位觀測值的殘差圖,5.4.2周跳的探測與修復(fù),周跳的探測與修復(fù)方法　高次差法 多項式擬合法,整周未知數(shù)（整周模糊度 － Ambiguity）,5.4.3 整周未知數(shù)N0的確定,取整法 模糊函數(shù)法　多普勒法（三差法）　走走停停法（Stop and Go）　參數(shù)法（搜索法）,整周未知數(shù)（整周模糊度）的確定,快速確定整周未知數(shù)的算法 F

24、ARA LAMBDA ...,測站 i 對衛(wèi)星 p 的觀測值如下：,5.5差分觀測值,5.5.1 概述,5.5.2 差分方式,站間差分：　　同步觀測值在接收機間求差?？上l(wèi)星鐘　　差，削弱電離層、對流層折射影響。,星間差分:　　同步觀測值在衛(wèi)星間求差。可消除接收機鐘差。,歷元間差分:　　觀測值在間歷元求差?？上フ芪粗獢?shù)參數(shù)。,一次差、二次差、三次差　單差、雙差和三差　　單差：站間一次差分　　雙差：站

25、間、星間二次差　　三差：站間、星間和歷元間三次差　實際工作中通常采用雙差觀測值,單差、雙差和三差,單差,雙差,三差,5.6 觀測值的線性組合,組合觀測值是虛擬觀測值,,,,,,5.6.1 概述,組合觀測值的一般形式,組合觀測值具有某些不同于原始觀測值特性,線性組合的標準,線性組合后構(gòu)成的新“觀測值”應(yīng)能保持模糊度的整數(shù)特性，以利于正確確定整周模糊度。線性組合后構(gòu)成的新“觀測值”應(yīng)具有適當?shù)牟ㄩL。線性組合后構(gòu)成的新“觀測值”應(yīng)不受

26、或基本不受電離層延遲的影響。線性組合后構(gòu)成的新“觀測值”應(yīng)具有較好的測量噪聲。,寬巷組合觀測值（wide-lane）(n=1, m=-1),5.6.2 幾種特殊的組合觀測值,窄巷組合觀測值（narrow-lane）(n=1, m=1),,,,無電離層影響組合觀測值（iono-free）,,,5.7 差分GPS,5.7.1 概述,GPS絕對定位的精度,差分GPS（DGPS – Differential GPS）,利用設(shè)置在坐標已知的點（

27、基準站）上測定GPS測量定位誤差，用以提高在一定范圍內(nèi)其它GPS接收機（流動站）測量定位精度的方法。,5.9.2 差分GPS原理,影響單點（絕對）定位精度的主要誤差 衛(wèi)星軌道誤差　　　衛(wèi)星鐘差　　　大氣延遲　　對流層延遲　　對流層延遲　　　 多路徑效應(yīng),差分GPS的基本原理　利用基準站測定具有空間相關(guān)性的誤差或其對測量定位結(jié)果的影響，供流動站改正其觀測值或定位結(jié)果。,誤差的空間相關(guān)性 以上各類誤差中除

28、多路徑效應(yīng)均具有較強的空間相關(guān)性。,5.9.3 差分GPS的分類,根據(jù)時效性　　　實時差分　　　事后差分,根據(jù)觀測值類型　　　偽距差分　　　載波相位差分,根據(jù)差分改正數(shù)　　位置差分（坐標差分）　　距離差分,根據(jù)工作原理和差分模型　　局域差分（LADGPS – Local Area DGPS）　單基準站差分　多基準站差分　　廣域差分（WADGPS – Wide Area DGPS）,單基準站局域差分,,V為距離改正數(shù)；

29、,為距離改正數(shù)的變率。,特點優(yōu)點：結(jié)構(gòu)、模型簡單缺點：差分范圍小，精度隨距基準站距離的增加而下降，可靠性低,結(jié)構(gòu)：基準站（一個）數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶 數(shù)學(xué)模型,多基準站局域差分,結(jié)構(gòu)：基準站（多個）數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶,數(shù)學(xué)模型 加權(quán)平均 偏導(dǎo)數(shù)法 最小方差法,特點 優(yōu)點：差分精度高、可靠性高，差分范圍增大 缺點：差分范圍仍然有限，模型不完善,廣域差分,數(shù)學(xué)模型：對各類誤差加以分離

30、，建立各自的改正模型,結(jié)構(gòu)：基準站（多個）數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶,特點優(yōu)點：差分精度高、差分精度與距離無關(guān)、差 分范圍大缺點：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、建設(shè)費用高,差分GPS的新進展,WAAS,增強型系統(tǒng) LAAS – Local Area Augmentation System WAAS – Wide Area Augmentation System,VRS – Virtual Reference Station,RTK,RTK是