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1、第三章 GPS卫星定位原理,Slide 2,Outline,GPS定位的方法概述 绝对定位 相对定位 差分定位,Slide 3,第一节概述,GPS定位基础回顾 GPS定位原理 GPS定位方法概述,Slide 4,一、GPS定位基础回顾,GPS系统组成 卫星的运动和卫星星历 GPS信号和观测值 定位误差源,Slide 5,二、GPS定位原理,卫星广播 精密的时间 轨道信息 卫星健康,接收机测量来自卫星的时间延迟，通过交会，获得： 位置 速度,Slide 6,三、GPS定位的方法概述,根据使用的观测值： 伪距测量、载波相位测量 根据测站的运动状态 静态、动态 根据观测方式 绝对定位、相对定位,Sl
2、ide 7,第二节、伪距测量原理,p49,Slide 8,1、伪随机噪声码测距,From Satellite,From Receiver,Measure time difference between the same part of code,距离=速度*传播时间,Slide 9,伪距测量,t时刻,t +t时刻,Slide 10,伪距测量,卫星和接收机同时产生PRN码 卫星向地面发射，经传播时间 达到接收机 时刻： 时刻，接收机 卫地距离,Slide 11,2、伪距观测方程,问题： 1、钟差 2、整周 3、折射,Slide 12,（1）钟差问题,标准时间,卫星时间,接收机时间,观测值,Sli
3、de 13,钟差影响,Slide 14,（2）整周对齐,卫地距离是多少？ C/A码长是多少?,Slide 15,（3）大气折射,卫星轨道,20200,km,Slide 16,伪距观测值,Slide 17,伪距观测方程,Slide 18,伪距定位,空间后方交会，至少四颗卫星,Slide 19,GPS定位原理,给定一颗卫星 ,可以确定我们的位置在一个球面上,Slide 20,GPS定位原理,给定两颗卫星 ,可以确定我们的位置在两个球面相交的公共部分,Slide 21,GPS定位原理,给定三颗卫星 ,可以确定我们的位置在三个球面相交的公共部分,Slide 22,GPS定位原理,给定四颗卫星 ,可以确
4、定我们的位置在四个球面相交的公共部分,Slide 23,说明,四个距离 = 一个点 Note: 第四个距离是不必要的 但是，由于接收机时钟误差需要确定，增加了一个未知数，需要第四颗卫星,Slide 24,伪距的特点小结,无模糊测距 可以实现实时定位 精度低,Slide 25,第三节、载波相位观测值,定义接收机接收的卫星载波信号和接收机产生的参考载波信号的相位差,Slide 26,与测距码类比,Slide 27,1、意义,测距信号,波长/码长,测距精度,C/A,P,L1,L2,293m,29.3m,29.3m,2.93m,19cm,1.9cm,24cm,2.4cm,Slide 28,问题：整周对
5、齐,卫地距离是多少？ C/A码长是多少? L1载波波长是多少？,Slide 29,2、整周模糊度,载波在卫星到接收机间相位变化的整周数,Dl = 不足整周波长,N = 整周模糊度,距离 D = Nl + Dl,Slide 30,载波相位测量,Slide 31,类比伪距观测值,伪距观测值/观测方程,载波相位观测值,考虑钟差、大气折射,载波相位观测方程,Slide 32,思考！,利用载波相位观测值可以实现实时定位吗？,某一时刻，观测四颗卫星，利用载波相位定位有几个观测值？有几个未知数？,载波相位观测方程,Slide 33,解算,某一时刻，观测四颗卫星，利用载波相位定位有几个观测值？有几个未知数？,
6、锁定卫星后，第二次测量有几个观测值？有几个未知数？,Slide 34,3、周跳,定义由于卫星信号失锁而使载波相位差观测值中的整周计数发生突变。,Slide 35,周跳的影响,Slide 36,思考题：,两种观测值的比较？,Slide 37,载波相位观测值的特点,无模糊测距 可以实现实时定位 精度低,Slide 38,静态测量的观测文件,61203080.TOO 61203080.DAT,61203080.04N 61203080.04O,Slide 39,静态测量的观测文件,61203080.04N 61203080.04O,Slide 40,4、周跳与模糊度,模糊度 周跳,Slide 41,
7、（1）、整周模糊度,距离 D = Nl + Dl,定义：载波在传播路径上的相位变化的整周数。,Integer ambiguity,Slide 42,整周模糊度的解算方法,伪距法 三差法 参数法,Slide 43,伪距观测方程 载波相位观测方程,1)伪距法,Slide 44,2)三差法,观测值进行组合，削去了整周模糊度 三差：接收机间、卫星间、历元间求差,Slide 45,3)参数法,将整周模糊度作为一个参数，引入到观测方程中，和坐标未知数一起求解。,Slide 46,第一步是获得实数解（浮点解 ）,参数法的一般步骤,第三步获得位置向量的整数解（固定解）,第二步是通过搜索找到满足下列关系的模糊度
8、参数的整数值,Slide 47,（2）、周跳cycle slip,T0 T1 T2 ,定义：由于信号失锁而使载波相位观测值的整周计数发生突变。,Slide 48,来源、影响及解决,周跳的来源：信号的暂时中断 卫星信号的信噪比过低 接收机软件发生故障 周跳的性质：相当于在观测之中引入了一个粗差 周跳的解决：需要在平差之前数据预处理阶段，诊断并找出周跳位置，对周跳进行修正。即周跳的探测与修复。,Slide 49,周跳探测与修复的方法,基本思想：载波相位观测值体现了卫地距离的变化，它应该是一个连续的变化的量。,高次差法 曲线拟和 卫星间求差 电离层延迟方法,Slide 50,1）求高次差法,相位观测
9、值反应卫地距离变化 一次差反应了相位观测值的变化率 求高次差可突出周跳的影响,Slide 51,不含周跳影响的载波相位观测值及其差值,Slide 52,含周跳影响的载波相位观测值及其差值,Slide 53,特点,只能检验较大的周跳（大于五周），因为由于接收机振荡引起的变化都可能超过两周。,Slide 54,2）卫星间求差法,根据每颗卫星的载波相位观测值所受到的接收机振荡引起的随机误差影响是相同的。 卫星间求差法在高次差的基础上，对不同卫星间的高次差值求差，从而消除随机误差影响，突出小周跳的影响。,Slide 55,卫星间求差法图例,若sv6第106个观测值丢失一周,Slide 56,3）曲线拟
10、合法,根据n个相位观测值，拟和一个m阶的多项式，据此多项式预估下一个观测值，并与实测值比较，从而发现并修复周跳。,Slide 57,4）双频观测值修复,构造检验量电离层残差观测值,如果没有周跳，组合观测值的瞬时变化量很小 周跳的标志是在连续观测值中突然发生了跳变,Slide 58,5）其他方法,屏幕扫描法 卡尔曼滤波法 丢弃质量太差、周跳频繁的观测段,Slide 59,检测周跳的几点说明,检测周跳是个复杂的过程，需要上面各种方法的综合 通常使用的时候，使用双差观测值进行探测,Slide 60,伪距定位与载波相位定位,伪距定位 采用伪距观测值，测距直接，定位精度低 载波相位定位 采用载波相位观测
11、值，观测值转化成距离有一定难度，定位精度高,C/A码： 29.3m P码： 2.93m L1载波： 1.9cm L2载波： 2.4cm,Slide 61,第四节 绝对定位,原理概述 定位的数学模型 有关概念的区分说明 卫星的几何精度因子,教材第五章p57,Slide 62,几点说明：,单点定位主要是采用伪距定位； 载波相位测量一般都是采用相对定位； 单点定位和相对定位均可以动态，也可以静态； 由相对定位引申出来了差分定位；,Slide 63,静态定位：在定位过程中，接收机的位置是固定的，处于静止状态。(这种静止状态是相对的) 动态定位：在定位过程中，接收机天线处于运动状态。 广泛应用于动态目标
12、的监测，导航,静态定位和动态定位,Slide 64,绝对定位和相对定位,绝对定位（单点定位）： 一台接收机独立确定待定点在坐标系中的绝对位置。 相对定位： 两台（或多台）接收机同步观测GPS卫星，确定它们之间的相对位置的方法。 精密定位的基本方法,Slide 65,1、绝对定位原理,以GPS卫星和接收机天线之间的距离观测值为基础，根据已知的卫星瞬时坐标，来确定用户接收机天线对应的点位，也就是测站的位置,Slide 66,2、定位的数学模型,伪距观测方程,Slide 67,定位的数学模型（1）,伪距观测方程,Slide 68,定位的数学模型（2）,观测方程线性化误差方程,Slide 69,定位的
13、数学模型（3）,定义,误差方程,Slide 70,一个历元的误差方程,一个历元测站同时观测m颗卫星,Slide 71,多个历元的误差方程静态,n个历元,每个历元测站同时观测m颗卫星,1个历元：,n个历元：,Slide 72,最小二乘解,Slide 73,思考,如果用载波相位观测值进行单点定位？ 如果用进行动态单点定位？,Slide 74,3、定位精度和特点,特点：一般使用伪距观测值 只使用一台接收机 精度较低 广泛应用于实时应用 定位精度：动态：1030米 静态：510米,Slide 75,4、卫星几何分布,精度评定：,影响定位的因素： 观测值的精度 卫星的空间几何分布,Slide 76,精度
14、的评定,通常采用大地坐标的方差进行评价,等效距离误差,精度因子,Slide 77,精度评定,引入导航学中的概念,DOP值 Dilusion Of Precision,HDOP Horizontal DOP,VDOP Vertical DOP,PDOP Position DOP,GDOP Geometrics DOP,TDOP Time DOP,Slide 78,卫星几何分布对精度因子的影响,意义： 选星 指导测量,Slide 79,卫星预报“mission” planning,Slide 80,5、应用,车船导航 车辆管理 旅游 运输 公共事业,Slide 81,第五节 相对定位,方法、特点
15、数学模型,Slide 82,1、原理概述,相对定位： 用两台接收机分别安置在基线的两端，并同步观测相同的GPS卫星，已确定基线端点在协议坐标系中的相对位置或基线向量 理论依据： 测站同步观测 相同卫星，卫星轨道误差、卫星钟差、接收机钟差、以及电离层和对流层的折射误差，对观测量的影响具有一定的 相关性,Slide 83,测站 卫星 历元,2、数学模型,基本观测值,Slide 84,(1)观测值的差分方式,站间差分 星间差分 历元间差分,Slide 85,站间差分,站间差分 同步观测值在接收机间求差。 作用：可消除卫星钟差，卫星星历误差、削弱电离层、对流层折射影响。,Slide 86,星间差分,星间差分 同步观测值在卫星间求差。 作用：可消除接收机钟差。,Slide 87,历元间差分,历元间差分 同步观测值在间历元求差。 作用：可消去整周未知数参数。,Slide 88,(2) 差分观测值的组合,单差：站间差分 双差：站间、星间二次差 三差：站间、星间、历元间三差,Slide 89,单差-站间差分的观测方程
