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1、GPS定位技术与方法第四章 基本观测量与误差分析,土木工程学院测量工程系,2020/9/19,GPS技术与应用,2,1 GPS定位的方法与观测量,1.定位方法分类 按参考点的不同位置划分为： 绝对定位（单点定位）：在地球协议坐标系中，确定观测站相对地球质心的位置。 相对定位：在地球协议坐标系中，确定观测站与地面某一参考点之间的相对位置。 按用户接收机作业时所处的状态划分： 静态定位：在定位过程中，接收机位置静止不动，是固定的。 动态定位：在定位过程中，接收机天线处于运动状态。 在绝对定位和相对定位中，又都包含静态和动态两种形式。,2020/9/19,GPS技术与应用,3,2. 回顾：GPS信号
2、,2020/9/19,GPS技术与应用,4,3. 基本观测量,根据码相位观测得出的伪距 精码 P1, P2 ：军用 粗码 C/A ：民用 根据载波相位观测得出的伪距 L1, L2载波相位：大地测量、测绘工程 由积分多普勒计数得出的伪距 由干涉法测量得出的时间延迟 目前广泛应用的基本观测量主要有码相位观测量和载波相位观测量。,2020/9/19,GPS技术与应用,5,3. 基本观测量,码相位观测 测量GPS卫星发射的测距码信号（C/A码或P码）到达用户接收机天线（观测站）的传播时间。也称时间延迟测量。 载波相位观测 测量接收机接收到的具有多普勒频移的载波信号，与接收机产生的参考载波信号之间的相位
3、差。 载波的波长远小于码长，C/A码码元宽度293m，P 码码元宽度29.3m，而L1载波波长为19.03cm， L2载波波长为24.42cm，在分辨率相同的情况下， L1载波的观测误差约为2.0mm， L2载波的观测误差约为2.5mm。而C/A码观测精度为2.9m，P码为0.29m。载波相位观测是目前最精确的观测方法。,2020/9/19,GPS技术与应用,6,载波相位观测的主要问题 无法直接测定卫星载波信号在传播路径上相位变化的整周数，存在整周不确定性问题。 在接收机跟踪GPS卫星进行观测过程中，常常由于接收机天线被遮挡、外界噪声信号干扰等原因，还可能产生整周跳变现象 通过码相位观测或载波
4、相位观测所确定的站星距离都不可避免地含有卫星钟与接收机钟非同步误差的影响，含钟差影响的距离通常称为伪距。 由码相位观测所确定的伪距简称测码伪距 由载波相位观测所确定的伪距简称为测相伪距,3. 基本观测量,2020/9/19,GPS技术与应用,7,3. 双频相位线性组合,双频相位观测量的线性组合定义 因此组合相位的频率 相应的波长,2020/9/19,GPS技术与应用,8,整数线性组合,宽巷观测量 当取=1，=-1时，可得宽巷观测量 窄巷观测量 当取=1，=1时，可得窄巷观测量 宽巷与窄巷常用于模糊度分解,cm,cm,2020/9/19,GPS技术与应用,9,实数线性组合,消电离层观测量 电离层
5、残差观测量 消电离层观测量常用于长基线解算，电离层残差观测量常用于周跳检测 注意：顾及观测值误差传递,2020/9/19,GPS技术与应用,10,4. GPS 数据格式,Receivers use there own propriety (binary) formats but programs convert these to standard format called Receiver Independent Exchange Format (RINEX) teqc available at http:/www.unavco.ucar.edu/data_support/software/
6、teqc/teqc.html is one of the most common The link to the RINEX format is: ftp:/igscb.jpl.nasa.gov/igscb/data/format/rinex2.txt,2020/9/19,GPS技术与应用,11,Rinex header,2 OBSERVATION DATA G (GPS) RINEX VERSION / TYPE ASHTORIN 04 - JAN - 03 22:56 PGM / RUN BY / DATE COMMENT 0015 MARKER NAME MARKER NUMBER OB
7、SERVER / AGENCY ASHTECH UZ-12 ZC00 0A13 REC # / TYPE / VERS ANT # / TYPE -1332774.6000 5325356.9700 3237371.2900 APPROX POSITION XYZ 0.1132 0.0000 0.0000 ANTENNA: DELTA H/E/N 1 1 WAVELENGTH FACT L1/2 7 L1 L2 C1 P1 P2 D1 D2 # / TYPES OF OBSERV 10.0000 INTERVAL LEAP SECONDS 2003 1 1 1 52 10.000000 GPS
8、 TIME OF FIRST OBS 2003 1 1 7 32 0.000000 GPS TIME OF LAST OBS END OF HEADER,2020/9/19,GPS技术与应用,12,RINEX Data block,03 1 1 1 52 10.0000000 0 6G01G02G03G20G25G13 0.000000001 10185587.54311 7948396.28051 21348512.858 21348513.6115 21348509.7485 2211.739 1723.433 10290568.39211 8028016.96051 20908561.3
9、52 20908561.5665 20908558.0755 -88.269 -68.781 10137141.95811 7921677.35351 22080166.190 22080166.4985 22080163.9795 2985.965 2326.726 10376475.59911 8090767.50551 22834982.907 22834983.5025 22834980.0605 -1798.220 -1401.210 10349756.47411 8068684.52551 22116508.688 22116510.1875 22116506.7085 -1259
10、.935 -981.768 10111007.33711 7906165.31451 24517873.958 24517875.5665 24517871.0025 3439.280 2679.958 03 1 1 1 52 20.0000000 0 6G01G02G03G20G25G13 0.000000006 10163499.790 1 7931185.04841 21344309.738 21344310.4274 21344306.5554 2206.774 1719.564 10291477.555 1 8028725.40041 20908734.284 20908734.63
11、24 20908731.0804 -92.527 -72.099 ,2020/9/19,GPS技术与应用,13,5.5 观测量的误差来源及其影响,误差的分类 GPS定位中，影响观测量精度的主要误差来源分为三类： 与卫星有关的误差 与信号传播有关的误差 与接收设备有关的误差 为了便于理解，通常均把各种误差的影响投影到站星距离上，以相应的距离误差表示，称为等效距离误差。,2020/9/19,GPS技术与应用,14,测码伪距的等效距离误差,2020/9/19,GPS技术与应用,15,根据误差的性质可分为： 系统误差 主要包括卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差、以及大气折射的误差等。为了减弱和修正系
12、统误差对观测量的影响，一般根据系统误差产生的原因而采取不同的措施，包括： 引入相应的未知参数，在数据处理中联同其它未知参数一并求解。 建立系统误差模型，对观测量加以修正。 将不同观测站，对相同卫星的同步观测值求差，以减弱和消除系统误差的影响。 简单地忽略某些系统误差的影响。 偶然误差：包括多路径效应误差和观测误差等。,误差分类,2020/9/19,GPS技术与应用,16,2. 与卫星有关的误差,（1）卫星钟差 GPS观测量均以精密测时为依据。GPS定位中，无论码相位观测还是载波相位观测，都要求卫星钟与接收机钟保持严格同步。实际上，尽管卫星上设有高精度的原子钟，仍不可避免地存在钟差和漂移，偏差总
13、量约在1 ms内，引起的等效距离误差可达300km 卫星钟的偏差一般可通过对卫星运行状态的连续监测精确地确定，并用二阶多项式表示：tj=a0+a1(t-t0e)+a2(t-t0e)2。式中的参数由主控站测定，通过卫星的导航电文提供给用户。 经钟差模型改正后，各卫星钟之间的同步差保持在20ns以内，引起的等效距离偏差不超过6m。卫星钟经过改正的残差，在相对定位中，可通过观测量求差（差分）方法消除。,2020/9/19,GPS技术与应用,17,（2）卫星轨道偏差,由于卫星在运动中受多种摄动力的复杂影响，而通过地面监测站又难以可靠地测定这些作用力并掌握其作用规律，因此，卫星轨道误差的估计和处理一般较
14、困难。 目前，通过导航电文所得的卫星轨道信息，相应的位置误差约20-40m。随着摄动力模型和定轨技术的不断完善，卫星的位置精度将可提高到5-10m。 卫星的轨道误差是当前GPS定位的重要误差来源之一。,2020/9/19,GPS技术与应用,18,GPS卫星到地面观测站的最大距离约为25000km，如果基线测量的允许误差为1cm，则当基线长度不同时，允许的轨道误差大致如下表所示。从表中可见，在相对定位中，随着基线长度的增加，卫星轨道误差将成为影响定位精度的主要因素。,卫星轨道允许误差,2020/9/19,GPS技术与应用,19,在GPS定位中，根据不同要求，处理轨道误差的方法原则上有三种； 忽略
15、轨道误差：广泛用于实时单点定位。 采用轨道改进法处理观测数据：卫星轨道的偏差主要由各种摄动力综合作用而产生，摄动力对卫星6个轨道参数的影响不相同，而且在对卫星轨道摄动进行修正时，所采用的各摄动力模型精度也不一样。 用轨道改进法进行数据处理时，根据引入轨道偏差改正数的不同，分为短弧法和半短弧法。,2020/9/19,GPS技术与应用,20,短弧法 引入全部6个轨道偏差改正，作为待估参数，在数据处理中与其它待估参数一并求解。可明显减弱轨道偏差影响，但计算工作量大。 半短弧法 根据摄动力对轨道参数的不同影响，只对其中影响较大的参数，引入相应的改正数作为待估参数。据分析，目前该法修正的轨道偏差不超过10m，而计算量明显减小。 同步观测值求差 由于同一卫星的位置误差对不同观测站同步观测量的影响具有系统性。利用两个或多个观测站上对同一卫星的同步观测值求差，可减弱轨道误差影响。当基线较短时，有效性尤其明显，而对精密相对定位，也有极其重要意义。,2020/9/19,GPS技术与应用,21,3. 卫星信号传播误差,（1）电离层折射影响：主要取决于信号频率和传播路径上的电子总量。 通常采取的措施 利用双频观测：电离层影响是信号频率的函数，利用不同频率电磁波信号进行观测，可确定其影响大小，并对观测量加以修正。其有效性不低于95%. 利用电离层模型加以修正：对
