《gps定位原理》ppt课件

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1、第十章 GPS在控制测量中的应用,本章提要 10.1 GPS概述 10.2 GPS定位原理 10.3 GPS控制网的设计 10.4 GPS外业观测 10.5 GPS数据处理 10.6 昆明市连续运行GPS参考站系统 10.7 GPS参考站系统在控制测量中的应用,习题,本章提要 主要讲述GPS定位系统的组成、GPS定位原理、GPS控制网的技术设计和外业观测，GPS数据处理等内容。并结合昆明市GPS连续运行参考站的建立，讲述了运行参考站技术在控制测量中的应用。,10.1 GPS概述,1GPS定位系统 全球定位系统（Global Positioning SystemGPS）是一种定时和测距的空间交会

2、定点的导航系统，可以向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置、三维速度和时间信息。,2 系统组成 GPS系统包括三大部分：地面控制部分；空间部分；用户分。,地面控制部分：地面控制部分：主控站、监控站和注入站。, 主控站：位于美国科罗拉多（ Colorado ）的法尔孔（ Falcon ）空军基地。 根据各监控站对 GPS 的观测数据，计算出卫星的星历和卫星时钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去； 对卫星进行控制，向卫星发布指令；当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作； 主控站还具有监控站的功能。 监控站：主控站、夏威夷（ Hawaii ）、阿松森群岛 （

3、Ascencion ）、迭哥伽西亚（ Diego Garcia ）、和卡瓦加兰 （ Kwajalein ）。 接收卫星信号，监测卫星的工作状态。 注入站：阿松森群岛（ Ascencion ）、迭哥伽西亚（ Diego Garcia ）、和卡瓦加兰（ Kwajalein ）。其作用和功能是： 注入站的作用是将主控站计算的卫星星历和卫星时钟的改正参数等注入到卫星中去。,空间部分 卫星分布组成：由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座。, 卫星分布情况 24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间夹角为60度，即轨道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平面内各颗卫

4、星之间的升交角相差90度。每颗卫星的正常运行周期为11h58min，若考虑地球自转等因素，将提前4min进入下一周期。 GPS卫星信号 载波：L波段双频L1 1575.42MHz，L2 1227.60MHz 卫星识别：码分多址（CDMA） 测距码：C/A码（民用），P码（美国军方及特殊授户） 导航数据：卫星轨道坐标、卫星钟差方程式参数、电离 层延迟修正,用户部分 组成：GPS接收机、气象仪器、计算机、钢尺等仪器设成。 GPS接收机：天线单元，信号处理部分，记录装置和源。 天线单元：由天线和前置放大器组成，灵敏度高，抗干扰性强。GPS天线分为单极天线、微带天线、锥型天线等。 信号处理部分：是GP

5、S接收机的核心部分，进行滤波和信号处理，由跟踪环路重建载波，解码得到导航电文，获得伪距定位结果。 记录装置 : 主要有接收机的内存硬盘或记录卡（CF卡）。 电源: 分为外接和内接电池（12V），机内还有一锂电池。,PTK系统,导航型接收机,大地型接收机, GPS接收机的基本类型：大地型、导航型和授时型三种。大地型接收机按接收载波信号的差异分为单频（L1）型和双频（L1，L2）型。,3 GPS系统的特点 定位精度高 GPS相对定位精度在50km以内可达10-6 ，100-500km可达10-7 ，1000km可达10-9 。在300-1500m工程精密定位中，1小时以上观测的解其平面其平面位置误

6、差小于1mm。 观测时间短 20KM以内快速静态相对定位，仅需15-20分钟；RTK测量时，当每个流动站与参考站相距在15KM以内时，流动站观测时间只需1-2分钟。 测站间无须通视 可节省大量的造标费用。由于无需点间通视，点位位置可根据需要，可稀可密，使选点工作甚为灵活，也可省去经典大地网中的传算点、过渡点的测量工作。,可提供三维坐标 GPS可同时精确测定测站点的三维坐标(平面+大地高)。通过局部大地水准面精化，GPS水准可满足四等水准测量的精度。 操作简便 全天候作业 GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行。 功能多、应用广 可用于测量、导航，精密工程的变形监测，还可用于测速、测时。,4

7、 GPS的应用 （1）GPS应用于导航 主要是为船舶、汽车、飞机等运动物体进行定位导航。 船舶远洋导航和进港引水； 机航路引导和进场降落； 汽车自主导航； 地面车辆跟踪和城市智能交通管理； 紧急救生；个人旅游及野外探险； 个人通讯终端（与手机，PDA，电子地图等集一体）。,（2）GPS应用于授时校频GPS时间系统建立的示意图 GPS全部卫星与地面测控站构成一个闭环的自动修正系统。采用协调世界时UTC（USNO/MC）为参考基准。,GPS时间系统建立的示意图,（3）GPS应用于高精度测量 各种等级的大地测量，控制测量； 道路和各种线路放样； 水下地形测量； 地壳形变测量，大坝和大型建筑物变形监测

8、； GIS数据动态更新；工程机械（轮胎吊，推土机等）控制；精细农业。,10.2 GPS定位原理,1. GPS定位中的误差源 （1）卫星有关的误差 卫星星历误差 卫星星历误差：由卫星星历所给出的卫星位置与卫星的实际位置之差。 星历误差的大小主要取决于卫星定轨系统的质量，观测值的数量及精度，定轨时所有的数学力学模型和定轨软件的完善程度等。此外与星历的外推时间间隔（实测星历的外推时间间隔可视为零）也有直接关系。 轨道误差对基线测量的影响可用下式表示： 式中，dr为轨道误差；D为基线长； 为卫星至地球表面距离，大约25000km；db为基线误差。, 卫星钟的钟误差 卫星上虽然使用了高精度的原子钟，但它

9、们也不可避免地存在误差，这种误差既包含着系统性的误差（如钟差、钟速、频漂等偏差），也包含着随机误差。,（2）与信号传播有关的误差 电离层延迟 电离层（含平流层）是高度在先501000km间的大气层。 电离层延迟：带电粒子的存在影响无线电信号的传播，使传播速度发生变化，传播路径产生弯曲，从而使信号传播时间 t 与真空中光速c的乘积 不等于卫星至接收机的几何距离。 电离层延迟取决于信号传播路径上的总电子含量TEC和信号的频率f。而TEC又与时间、地点、太阳黑子数等多种因素有关。, 对流层延迟 对流层是高度在50km以下的大气层。 GPS卫星信号在对流层中的传播速度V=c/n。c为真空中的光速，n为

10、大气折射率，其值取决于气温、气压和相对湿度等因子。 多路径误差 多路径误差:经某些物体表面反射后到达接收机的信号如果与直接来自卫星的信号叠加干扰后进入接收机，就将使测量值产生系统误差。 多路径误差对测距码伪距观测值的影响要比对载波相位观测值的影响大得多。多路径误差取决于测站周围的环境、接收机的性能以及观测时间的长短。,（3）与接收机有关的误差 接收机的钟误差 接收机钟有误差。接收机钟差主要取决于钟的质量，与使用时的环境也有一定关系。它对测距码伪距观测值和载波相位观测值的影响是相同的。 接收机的位置误差 在进行授时和定轨时，接收机的位置是已知的，其误差将使授时和定轨的结果产生系统误差。 接收机的

11、测量噪声 用接收机进行GPS测量时，由于仪器设备及外界环境影响而引起的随机测量误差，其值取决于仪器性能及作业环境的优劣。观测足够长的时间后，测量噪声的影响通常可以忽略不计。,（4） 相对论效应 相对论效应：由于卫星钟和接收机钟所处运动状态和重力位不同引起卫星钟和接收机钟之间产生相对钟误差的现象 狭义相对论 若卫星在地心惯性坐标系中的运动速度为Vs，则在地面频率为f 的钟安置到卫星上，其频率 将变为： 两者的频率差为：,广义相对论 原理：由广义相对论可知，若卫星所处的重力位为，地面测站处的重力位为，那么同一台钟放在卫星上和放在地面上时钟频率将相差： 其中，,总的影响 总的相对论效应会使一台钟放到

12、卫星上去后比在地面时增加 ,那么解决相对论效应的最简单的办法就是在制造卫星钟时预先把频率降低 。 （5）其它因素 GPS控制部分人为或计算机造成的影响； 由于GPS控制部分的问题或用户在进行数据处理时引入的误差等； 数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响。,2 GPS基本定位原理,（1）概述 被动式 有源无线电定位技术 利用距离交会的原理确定接收机的三维位置及钟差,（1）GPS定位的各种常用的观测量,L1载波相位观测值 L2载波相位观测值 调制在L1上的C/A-code伪距 调制在L2上的P-code伪距 Dopple观测值,（2）对卫星进行测距,Pij,Pj,Rj,ri,有关各观测量及已知

13、数据如下： r 为已知的卫地矢量 P为观测量（伪距） R为未知的测站点位矢量,接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距,（3）GPS定位的分类,按定位方式 单点定位 相对定位（差分定位）,按接收机的运动状态分 动态定位 静态定位,（4）伪距测量,伪距观测值的计算,接收机至卫星的距离借助于卫星发射的码信号量测并计算得到的 接收机本身按同一公式复制码信号 比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟的时间t 传播延迟时间乘以光速就是距离观测值=C t,整周跳变修复,整周跳变：卫星信号失锁，使接收机的整周计数不正确，但不到一整周的相位观测值仍是正确的。这种现象称为周跳。,屏幕扫描法 高次差或多项式拟和法 在卫星

14、间求差法 用双频观测值修复周跳 根据平差后的残差发现和修复整周跳变,屏幕扫描法,根据卫星的相位观测值变化率的图像的连 续性进行手动修复。,高次差或多项式拟和法,（1）高次差法 高次差根据周跳会破坏载波相位测量的观测值Int()+随时间而有规律变化的特性来探测的。例见下表。,表4 高次差法周跳影响规律,（2）多项式拟和法,基本思想 首先用时间多项式拟合观测值序列，然后分析拟合残差发现周跳并确定周跳的大小。 适用范围 多项式拟合可以用于原始相位观测值，也可以用于相位观测值的线性组合。实践中，常用单差相位拟合和双差相位拟合。不过一般而言，由于双差观测值可以消除接收机和卫星的钟差的影响，双差相位拟合法

15、在相对定位中用得更广泛。 以下介绍双差相位拟合法。,多项式拟合法,注意事项： 1. 时间必须标准化,双差序列的拟和多项式,2. 检验量为双差序列相邻历元之差,当nm+1时，有多余观测，组成误差方程：,最小二乘法求解,在卫星间求差法,在GPS测量中，每一瞬间要对多颗卫星进行观测，因而在每颗卫星的载波相位测量观测值中，所受到的接收机振荡器的随机误差的影响是相同的。在卫星间求差后即可消除此项误差的影响。,根据平差后的残差发现和修复整周跳变,修复周跳后的观测值中也可能引入12周的偏差。平差计算后，有周跳的观测值上则会出现很大的残差，据此可以发现和修复周跳。,3整周未知数N0的确定(1/2),N(t0)

16、: 未知的整周未知数 (ti): 相位差的小数部分 接收机记录 绿色部分为整周计数 接收机 记录,伪距法 将伪距观测值减去载波相位测量的实际观测值(化为以距离 为单位)后即可得到N0 。 将整周未知数当作平差中的待定参数经典方法 1)整数解 短基线测量 2)实数解 长基线测量 多普勒法(三差法) 将相邻两个观测历元的载波相位相减，消去了整周未知数N0， 从而直接解出坐标参数。常用来获得未知参数的初始值。 快速确定整周未知数法 这种方法对某一置信区间所有整数组合一一进行平差，取 估值的验后方差或方差和为最小的一组整周未知数作为整周未 知数的最佳估值。 进行短基线定位时，利用双频接收机只需观测一分钟便能 成功地确定整周未知数。,整周未知数N0的确定方法,由此，在一定置信水平1条件下，相应于任一整周模糊度的置信区间应为:,上式中，tr,1-为显著水平为，自由度为r(双差浮点解平差中的多余观测数)的t分布密度函数的双尾