第8章 GNSS测量与定位

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1、第第8 8章章 GNSSGNSS测量与定位测量与定位7/31/20248.1 伪距测量8.2 载波相位测量8.3 定位原理8.4 GPS测量误差来源8.5 差分GNSS8.6 绝对定位和相对定位第第8 8章章 GNSSGNSS测量与定位测量与定位7/31/20248.1 8.1 伪距测量伪距测量目前目前广泛应用的基本观测量广泛应用的基本观测量主要是主要是码相位码相位观测量观测量和载波相位观测量和载波相位观测量。7/31/2024由于由于卫星时钟、接收机时钟的误差以及无线电信号卫星时钟、接收机时钟的误差以及无线电信号经过电离层和对流层中的延迟经过电离层和对流层中的延迟，实际测出的距离与，实际测出

2、的距离与卫星到接收机的几何距离有一定差值，因此一般称卫星到接收机的几何距离有一定差值，因此一般称量测出的距离为量测出的距离为伪距伪距。用用C/AC/A码进行测量的伪距为码进行测量的伪距为C/AC/A码伪距，用码伪距，用P P码测量码测量的伪距为的伪距为P P码伪距。码伪距。伪距：定义为信号接收时间 与信号发射时间之间的差异再乘以光速。 7/31/2024伪距伪距7/31/2024伪距定位观测方程伪距定位观测方程伪距观测方程：伪距观测方程：简写成：简写成：真真实距离距离接收接收机机钟差差卫星星钟差差电离离层延延时对流流层延延时伪距距测量量噪声噪声7/31/2024GNSSGNSS伪距测量伪距测量

3、伪距法伪距法定位定位是由是由GNSSGNSS接收机接收机在某一时刻测出的到四在某一时刻测出的到四颗颗以上以上GNSSGNSS卫星卫星的伪距以及已知的卫星位置，采用的伪距以及已知的卫星位置，采用距离交会的距离交会的方法，求方法，求定接收机天线所在点的三维坐定接收机天线所在点的三维坐标。标。7/31/2024载波相位测量是接收机测量接收到的载波信号，与接收机产生的参考载波信号之间的相位差，通过相位差来求解接收机位置。由于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

4、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。7.2 7.2 载波相位测量载波相位测量7/31/2024载波相位差对应着距离差载波相位测量值是GPS接收机所接收的卫星载波信号与接收机本振参考信号的相位差。载波相位测量值载波相位测量值载波相位测量观测方程载波相位测量观测方程载波波波波长周整周整模糊模糊度度这是利用载波相位进行定位的基本方程式；这是利用载波相位进行定位的基本方程式；电离层延时对码相位和载波相位的影响不同！电离层延时对码相位和载波相位的影响不同！强调：强调：载波相位测量实际上是载波相位差的测量载

5、波相位测量实际上是载波相位差的测量。伪距伪距电离离层影响不影响不同同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，存在播路径上相位变化的整周数，存在整周不确定性整周不确定性问题问题。此外此外，在接收机跟踪，在接收机跟踪GPSGPS卫星进行观测过程中，常常由于接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，还可能产生收机天线被遮挡、外界噪声信号干扰等原因，还可能产生整整周跳变现象周跳变现象。有关有关整周不确定性问题，通常可通过适当数据处理而解决，整周不确定性问题，通常可通过适当数据处理而解

6、决，但将使数据处理复杂化。但将使数据处理复杂化。载波相位测量的载波相位测量的主要问题主要问题整周未知数与整周跳变整周未知数与整周跳变7/31/2024整周未知整周未知数数确定确定整周未知数整周未知数N N是是载波相位测量的一项重要工作，载波相位测量的一项重要工作，常用的方法有下列几种常用的方法有下列几种：1 1、伪距法、伪距法2 2、经典方法将整周未知数作为待定参数求解、经典方法将整周未知数作为待定参数求解3 3、多普勒法（三差法）、多普勒法（三差法）4 4、快速确定整周未知数法、快速确定整周未知数法7/31/2024整周未知整周未知数数1 1、伪距法、伪距法伪距法是在进行载波相位测量的同时又

7、进行了伪伪距法是在进行载波相位测量的同时又进行了伪距测量，将伪距观测值减去载波相位测量的实际观距测量，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）后即可得到测值（化为以距离为单位）后即可得到NN0 0。但但由于伪距测量的精度较低，所以要有较多的观由于伪距测量的精度较低，所以要有较多的观测值取平均值后才能获得正确的整波段数。测值取平均值后才能获得正确的整波段数。7/31/2024整周未知整周未知数数2 2、经典方法、经典方法把整周未知数当作平差计算中的待定参数来加以估计把整周未知数当作平差计算中的待定参数来加以估计和确定。分两种方法：和确定。分两种方法：（1 1）整数解）整数解

8、由于误差影响，解得得整周未知数往往不是一个整由于误差影响，解得得整周未知数往往不是一个整数，然后将其固定为整数，并重新进行平差计算。也数，然后将其固定为整数，并重新进行平差计算。也称为固定解（称为固定解（fixed solutionfixed solution）（2 2）实数解）实数解当误差消除得不够完全时，整周未知数无法估计很准当误差消除得不够完全时，整周未知数无法估计很准确，此时直接将实数解作为最后解。也称为浮点解确，此时直接将实数解作为最后解。也称为浮点解（floating solutionfloating solution）7/31/2024整周未知整周未知数数3 3、多普勒法（三差法

9、）、多普勒法（三差法）由于连续跟踪的所有载波相位测量观测值中由于连续跟踪的所有载波相位测量观测值中均含有相同的整周未知数，所以将相邻两个观均含有相同的整周未知数，所以将相邻两个观测历元的载波相位相减，就将该未知数消去，测历元的载波相位相减，就将该未知数消去，从而直接接触坐标参数，这就是多普勒法。从而直接接触坐标参数，这就是多普勒法。由于三差法可以消除许多误差，所以使用较由于三差法可以消除许多误差，所以使用较广泛。广泛。7/31/2024整周未知整周未知数数4 4、快速确定整周位置数法、快速确定整周位置数法19901990年年E.FreiE.Frei和和G.BeutlerG.Beutler提出了

10、快速模糊度提出了快速模糊度（即（即整周未知数整周未知数）解算算法解算算法进行快速定位的方进行快速定位的方法。采用这种方法进行短基线定位时，利用法。采用这种方法进行短基线定位时，利用双双频接收机频接收机只需只需观测一分钟观测一分钟便能成功的确定整周便能成功的确定整周未知数。未知数。7/31/2024整整周跳变周跳变如果在跟踪卫星过程中，由于某种原因，如卫星如果在跟踪卫星过程中，由于某种原因，如卫星信号被障碍物挡住而暂时中断信号被障碍物挡住而暂时中断，或受，或受无线电信号无线电信号干扰造成失锁，这样计数器无法连续干扰造成失锁，这样计数器无法连续计数；计数；因此因此，当信号重新被跟踪后，整周计数就不

11、正确，当信号重新被跟踪后，整周计数就不正确，但是不到一个整周的相位观测值仍是正确的，这但是不到一个整周的相位观测值仍是正确的，这种现象称为种现象称为周跳周跳。7/31/2024整周未知数和整周未知数和整周跳变整周跳变周跳的出现和处理是载波相位测量中的重周跳的出现和处理是载波相位测量中的重要问题，整周跳变的探测与修复常用的方法要问题，整周跳变的探测与修复常用的方法有下列几种方法：有下列几种方法：1 1、屏幕扫描法（也就是手工编辑）、屏幕扫描法（也就是手工编辑）2 2、多项式拟合法、多项式拟合法3 3、卫星间求差法、卫星间求差法4 4、根据平差后的残差发现和修复整周跳变、根据平差后的残差发现和修复

12、整周跳变关于周跳探测与回复的方法，此处不进行详关于周跳探测与回复的方法，此处不进行详细介绍，可参见有关参考资料。细介绍，可参见有关参考资料。7/31/2024伪距和载波相位是GPS接收机的两个基本距离测量值，两者既明显区别，又相互补充。伪距与载波相位测量方法的对比伪距与载波相位测量方法的对比伪距测量值伪距测量值至少至少4颗可见卫星的伪距就可单点颗可见卫星的伪距就可单点定位定位测量值较为粗略，误差达到几米级测量值较为粗略，误差达到几米级别；别；受多径影响大；受多径影响大；载波相位测量值载波相位测量值存在周整模糊度问题，无法独立测存在周整模糊度问题，无法独立测距。距。测量值平滑、精度很高，定位精度

13、测量值平滑、精度很高，定位精度可以达到可以达到mm级别；级别；受多径影响小；受多径影响小；相互补充相互补充利用载波相位测量值来平滑伪距测量值；利用载波相位测量值来平滑伪距测量值；利用伪距来辅助确定载波相位中的周整模糊度。利用伪距来辅助确定载波相位中的周整模糊度。VSVS7/31/2024PNPN码测距与载波相位测距的码测距与载波相位测距的精度精度7/31/20248.3 8.3 定位原理定位原理已知多颗可见卫星的坐标，和用户接收机到卫星的已知多颗可见卫星的坐标，和用户接收机到卫星的伪距测量值，怎么求解用户的坐标伪距测量值，怎么求解用户的坐标xyz？伪距观测量校正误差后接收机到卫星n的几何距离：

14、定位原理定位原理7/31/2024忽略伪距测量误差 的影响，可得如下四元非线性方程组：上述方程组称为伪距定位、定时方程组。当接收机有四颗或以上的可见卫星的伪距测量值，则上述伪距测量方程至少由4个组成，接收机就可以求解其中的4个未知量，从而实现定位、定时。定位原理定位原理7/31/2024功能：定位与定时GPS定位的基本依据是三角学，即通过测量接收机到多颗位置已知卫星的距离，在根据简单的三角关系来推算接收机自身的位置。定位原理定位原理7/31/2024伪距定位过程就是求解伪距定位方程组的过程。方法：利用牛顿迭代法将非线性方程线性化，利用最小二乘法求解每次牛顿迭代循环中的线性矩阵方程。牛顿迭代法简

15、介：伪距定位算法伪距定位算法7/31/2024牛顿迭代法简介牛顿迭代法简介泰勒级数展开泰勒级数展开第一步：准备数据与设置初始解（1）计算同一时刻的多颗可见卫星的伪距测量值，并进行各种误差的校正；（2）从导航电文中获得星历信息，并计算卫星的空间位置坐标。（3）设置接收机当前位置坐标的初始估计值和接收机钟差的初始估计值。伪距定位算法伪距定位算法7/31/2024第二步：非线性方程组的线性化（泰勒展开）伪距定位算法伪距定位算法7/31/2024用户位移在卫星观测反方向上的投影，等于此位移引起的卫星和用户之间的距离变化量。第三步：利用最小二乘法求解线性方程组 也可以采用加权最小二乘法求解。伪距定位算法

16、伪距定位算法7/31/2024第四步：更新非线性方程组的根伪距定位算法伪距定位算法7/31/2024第五步：判断牛顿迭代的收敛性如果牛顿迭代收敛到所需要的精度，牛顿迭代法可以终止循环计算，并将最后一次迭代更新值作为接收机的定位和定时结果。否则，k值增加1，返回第二步，进入下一次迭代计算。收敛判决准则： 是否已经小于一个预设门限伪距定位算法伪距定位算法7/31/2024考虑测量误差，则定位方程写成：求解得：影响定位误差的因素：（1）测量误差（2）卫星的几何分布（与卫星信号强弱无关）定位误差分析定位误差分析测量量误差差定位定位误差差卫星分布的星分布的几何矩几何矩阵（JacobJacob）7/31/

17、20248.4 GPS8.4 GPS测量误差测量误差7/31/2024GPSGPS测量误差来源及其影响测量误差来源及其影响GPSGPS测量通过地面接收设备接收卫星传送的信息测量通过地面接收设备接收卫星传送的信息来确定地面点的三维坐标。来确定地面点的三维坐标。GPSGPS定位中，影响观测量精度的主要误差来源分定位中，影响观测量精度的主要误差来源分为三类：为三类：与与卫星有关的误差。卫星有关的误差。与与信号传播有关的误差。信号传播有关的误差。与与接收设备有关的误差。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

18、示，称为站星距离上，以相应的距离误差表示，称为等效等效距离误差距离误差。7/31/2024GPSGPS测量误差分类及其对距离测量误差分类及其对距离影响（单位：影响（单位：m m）误差来源差来源P码C/A码卫星星星星历与模型与模型误差差钟差与差与稳定度定度卫星星摄动相位不确定性相位不确定性其它其它合合计4.23.01.00.50.95.44.23.01.00.50.95.4信号信号传播播电离离层折射折射对流流层折射折射多路径效多路径效应其它其它合合计2.32.01.20.53.35.0-10.02.01.20.55.5-10.3接收机接收机接收机噪声接收机噪声其它其它合合计1.00.51.17.

19、50.57.5总计6.410.8-13.6按误差性质分类按误差性质分类按按误差性质可分为系统误差与偶然误差两类误差性质可分为系统误差与偶然误差两类。偶然误差偶然误差主要包括信号的多路径主要包括信号的多路径效应效应; ;系统误差系统误差主要包括卫星的星历误差、卫星钟差、接收机钟差以及主要包括卫星的星历误差、卫星钟差、接收机钟差以及大气折射的误差等大气折射的误差等。系统误差系统误差无论从误差的大小还是对定位结果的危害性都比偶然误无论从误差的大小还是对定位结果的危害性都比偶然误差要大得多，它差要大得多，它是是GPSGPS测量的主要误差源测量的主要误差源。系统误差系统误差有一定的规律可循，可采取一定的

20、措施加以消除。有一定的规律可循，可采取一定的措施加以消除。系统误差是由于仪器本身不精确、或实验方法粗略、或实验系统误差是由于仪器本身不精确、或实验方法粗略、或实验原理不完善而产生的。原理不完善而产生的。 偶然误差偶然误差是由各种偶然因素对实验者、测量仪器、被测物理量的是由各种偶然因素对实验者、测量仪器、被测物理量的影响而产生的。影响而产生的。7/31/20248.4.1 8.4.1 与与卫星有关的误差卫星有关的误差（1 1）卫星钟差卫星钟差GPSGPS观测量均以精密测时为依据。观测量均以精密测时为依据。GPSGPS定位中，无论码相位观定位中，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

21、钟保持严格同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。步。实际上，尽管卫星上设有高精度的原子钟，仍不可避免实际上，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地存在钟差和漂移，偏差总量约在，偏差总量约在1 1 msms内，引起的等效距离内，引起的等效距离误差可达误差可达300300kmkm。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：确定，并用二阶多项式表示： t tj j=a=a0 0+a+a1 1(t-t(t-t0e0e)+a)+a2 2(t-t(t-t0e0e) )2 2。式式

22、中的参数由主控站测定，通过卫星的导航电文提供给用户。中的参数由主控站测定，通过卫星的导航电文提供给用户。7/31/2024（2 2）卫星轨道偏差卫星轨道偏差：由于由于卫星在运动中受多种摄动力的复杂影响卫星在运动中受多种摄动力的复杂影响，而通过，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困用规律，因此，卫星轨道误差的估计和处理一般较困难难。目前目前，通过导航电文所得的卫星轨道信息，相应的位通过导航电文所得的卫星轨道信息，相应的位置误差约置误差约20-4020-40m m。随着随着摄动力模型和定轨技

23、术的不断完善，卫星的位置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精度将可提高到5-105-10m m。卫星卫星的轨道误差是当前的轨道误差是当前GPSGPS定位的重要误差来源之一定位的重要误差来源之一。7/31/20247/31/2024相对论效应相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的状态（运动是由于卫星钟和接收机钟所处的状态（运动速度和重力位）不同而引起卫星钟和接收机钟之间产生速度和重力位）不同而引起卫星钟和接收机钟之间产生相对钟误差的现象相对钟误差的现象。一一台在惯性坐标系中频率为台在惯性坐标系中频率为f f 的钟，安置在的钟，安置在GPSGPS卫星上卫星上后，根据狭义相对论

24、的观点将产生后，根据狭义相对论的观点将产生dfdf1 1= -0.83510= -0.83510-10-10f f 的频率偏差，根据广义相对论的观点，又将产生的频率偏差，根据广义相对论的观点，又将产生dfdf2 2= = 5.284105.28410-10-10f f 的引力频移，则总的相对论效应影响为的引力频移，则总的相对论效应影响为dfdf= = df df1 1+ + df df2 2= 4.44910= 4.44910-10-10f f。 克服相对论效应的简单方法是，在厂家在制造卫星钟克服相对论效应的简单方法是，在厂家在制造卫星钟时预先将频率降低时预先将频率降低4.449104.449

25、10-10-10f f，这样当卫星钟进入，这样当卫星钟进入轨道受到相对论效应的影响后，其频率正好变为标准轨道受到相对论效应的影响后，其频率正好变为标准频率频率。 （3 3）相对论效应导致的误差）相对论效应导致的误差8.4.2 8.4.2 卫星卫星信号传播误差信号传播误差7/31/2024对对于于GPSGPS而而言言，卫卫星星的的电电磁磁波波信信号号从从信信号号发发射射天天线线传传播播到到地地面面GPSGPS接接收收机机天天线线，其其传传播播路路径径并并非非真真空空，而而是是要要穿穿过过性性质质与与状状态态各各异异、且且不不稳稳定定的的大大气气层层，使使其其传传播播的的方方向向、速速度度和和强强

26、度度发发生生变变化化，这这种种现现象象称称为为大气折射大气折射大气折射大气折射。大大气气折折射射对对GPSGPS观观测测结结果果的的影影响响，往往往往超超过过GPSGPS精精密密定定位位所所容容许许的的误误差差范范围围，因因此此在在数数据据处处理理过过程程中中必必须须考考虑虑。根根据据对对电电磁磁波波传传播播的的不不同同影影响响，一一般般将将大大气层分为对流层和电离层。气层分为对流层和电离层。（1 1）电离层折射影响电离层折射影响：主要取决于：主要取决于信号频率和传播路信号频率和传播路径上的电子总量径上的电子总量。通常采取的措施：。通常采取的措施：利用利用双频观测双频观测：电离层影响是信号频率

27、的函数，利：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。其有效性不低于小，并对观测量加以修正。其有效性不低于95%.95%.利用利用电离层模型加以修正电离层模型加以修正：对单频接收机，一般采：对单频接收机，一般采用由导航电文提供的或其它适宜电离层模型对观测用由导航电文提供的或其它适宜电离层模型对观测量进行改正。目前模型改正的有效性约为量进行改正。目前模型改正的有效性约为75%75%，至今，至今仍在完善中。仍在完善中。利用利用同步观测值求差同步观测值求差：当观测站间的距离较近（小：当观测站间的距离较

28、近（小于于2020kmkm）时，卫星信号到达不同观测站的路径相近，时，卫星信号到达不同观测站的路径相近，通过同步求差，残差不超过通过同步求差，残差不超过1010-6-6。7/31/2024（2 2）对流层的影响对流层的影响对流层折射对观测量的影响可分为干分量和湿分量对流层折射对观测量的影响可分为干分量和湿分量两部分两部分。干干分量主要与大气温度和压力分量主要与大气温度和压力有关有关; ;湿湿分量主要与信号传播路径上的大气湿度和高度有分量主要与信号传播路径上的大气湿度和高度有关。关。目前湿分量的影响尚无法准确确定目前湿分量的影响尚无法准确确定。对流层对流层影响的处理方法：影响的处理方法：定位定位

29、精度要求不高时，忽略不计。精度要求不高时，忽略不计。采用采用对流层模型加以改正。对流层模型加以改正。引入引入描述对流层的附加待估参数，在数据处理中描述对流层的附加待估参数，在数据处理中求解。求解。观测观测量求差。量求差。7/31/2024（3 3）多径效应多径效应：接收机接收机天线除直接收到卫星发射的信号外，还可能收到经天天线除直接收到卫星发射的信号外，还可能收到经天线周围地物一次或多次反射的卫星信号线周围地物一次或多次反射的卫星信号。两种。两种信号迭加，将信号迭加，将引起测量参考点位置变化，使观测量产生误差引起测量参考点位置变化，使观测量产生误差。在在一般反射环境下，对测码伪距的影响达米级，

30、对测相伪距一般反射环境下，对测码伪距的影响达米级，对测相伪距影响达厘米级。在高反射环境中，影响显著增大，且常常导影响达厘米级。在高反射环境中，影响显著增大，且常常导致致卫星卫星信号信号失锁失锁和产生周跳和产生周跳。7/31/20247/31/2024措施：措施：安置接收机天线的环境应避开较强发射面，如水面、安置接收机天线的环境应避开较强发射面，如水面、平坦光滑的地面和建筑表面。平坦光滑的地面和建筑表面。选择造型适宜且屏蔽良好的天线如扼流圈天线。选择造型适宜且屏蔽良好的天线如扼流圈天线。适当延长观测时间，削弱周期性影响。适当延长观测时间，削弱周期性影响。改善接收机的电路设计。改善接收机的电路设计

31、。8.4.3 8.4.3 接收接收设备有关的误差设备有关的误差主要包括主要包括观测误差、接收机钟差、天线相位中心误差观测误差、接收机钟差、天线相位中心误差和载波相位观测的整周不确定性影响和载波相位观测的整周不确定性影响。7/31/2024（1 1）观测误差观测误差包括分辨误差和接收天线相对测站包括分辨误差和接收天线相对测站点的安置误差。点的安置误差。分辨误差一般认为约为信号波长分辨误差一般认为约为信号波长的的1%1%。安置误差主要有天线的置平与对安置误差主要有天线的置平与对中误差和量取天线相位中心高度中误差和量取天线相位中心高度（天线高）误差。（天线高）误差。（2 2）接收机接收机钟差钟差GP

32、SGPS接收机一般设有高精度的石英钟，日频率稳定度接收机一般设有高精度的石英钟，日频率稳定度约为约为1010-11-11。如果接收机钟与卫星钟之间的同步差为。如果接收机钟与卫星钟之间的同步差为1 1 s s，则引起的等效距离误差为则引起的等效距离误差为300300m m。处理处理接收机钟差的方法：接收机钟差的方法：作为作为未知数，在数据处理中求解。未知数，在数据处理中求解。利用利用观测值求差方法观测值求差方法，减弱接收机钟差影响。，减弱接收机钟差影响。定位定位精度要求较高时，可采用外接频标，如铷、精度要求较高时，可采用外接频标，如铷、铯原子钟，提高接收机时间标准精度。铯原子钟，提高接收机时间标

33、准精度。7/31/20247/31/2024（3 3）载波相位观测的整周未知数载波相位观测的整周未知数无法直接确定载波相位相应起始历元在传播路无法直接确定载波相位相应起始历元在传播路径上变化的整周数径上变化的整周数。同时同时存在因卫星信号被阻挡和受到干扰，而产存在因卫星信号被阻挡和受到干扰，而产生信号跟踪中断和整周变跳。生信号跟踪中断和整周变跳。（4 4）天线相位中心位置偏差天线相位中心位置偏差GPSGPS定位中，观测值都是以接定位中，观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准，收机天线的相位中心位置为准，在理论上，天线相位中心与仪器在理论上，天线相位中心与仪器的几何中心应保持一致。的几何中心应

34、保持一致。实际上，随着信号输入的强度实际上，随着信号输入的强度和方向不同而有所变化，同时与和方向不同而有所变化，同时与天线的质量有关，可达数毫米至天线的质量有关，可达数毫米至数厘米。如何减小相位中心的偏数厘米。如何减小相位中心的偏移，是天线设计的一个迫切问题。移，是天线设计的一个迫切问题。7/31/20248.4.4 其它其它误差来源误差来源地球地球自转影响自转影响卫星卫星钟和接收机钟震荡器的随机误差、大气折钟和接收机钟震荡器的随机误差、大气折射模型和卫星轨道摄动模型误差、地球潮汐以射模型和卫星轨道摄动模型误差、地球潮汐以及信号传播的相对论效应等都会对观测量产生及信号传播的相对论效应等都会对观

35、测量产生影响影响。为提高长距离相对定位的精度，满足地球动力为提高长距离相对定位的精度，满足地球动力学研究要求，研究这些误差来源，并确定它们学研究要求，研究这些误差来源，并确定它们的影响规律和改正方法，有重要意义。的影响规律和改正方法，有重要意义。7/31/2024减小GNSS测量误差的有效措施之一是使用差分GNSS。依据：卫星时钟误差、卫星星历误差、电离层延时、对流层延时等具有空间相关性和时间相关性。8.5 8.5 差分差分GNSSGNSS使用两个GNSS接收机：一个基准站接收机和一个流动站接收机。基准站接收机的位置是预先精确知道的，可以获得卫星到基准站的真实几何距离。基准站对卫星进行测量的距

36、离测量值与这一真实几何距离相比较，其差异就是基准站对卫星的测量误差。基准站将这个测量误差（称为差分校正量）通过无线电台广播出去。流动站利用接收到的基准站的测量误差，来校正流动站对同一个卫星的距离测量值，从而提高流动站的测量和定位精度。差分差分GNSSGNSS的原理的原理7/31/2024差分差分GNSSGNSS7/31/2024差分校正量差分校正量位置差分位置差分播发的差分校正量是播发的差分校正量是位置差位置差7/31/2024差分校正量差分校正量伪距差分伪距差分播发的差分校正量是播发的差分校正量是伪距差分伪距差分7/31/2024单点单点GNSSGNSS与差分与差分GNSSGNSS的性能比较

37、的性能比较7/31/2024定位方法分类定位方法分类按按参考点的不同位置参考点的不同位置划分为：划分为：（1 1）绝对定位绝对定位（单点定位）：在地球协议坐标系中，（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。确定观测站相对地球质心的位置。（2 2）相对定位：相对定位：在地球协议坐标系中，确定观测站与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。地面某一参考点之间的相对位置。8.6 8.6 绝对定位与相对定位绝对定位与相对定位7/31/2024按按用户接收机作业用户接收机作业时所处的状态划分：时所处的状态划分：（1 1）静态定位：在定位过程中，接收机位置静止不

38、）静态定位：在定位过程中，接收机位置静止不动，是固定的。静止状态只是相对的，在卫星大地测动，是固定的。静止状态只是相对的，在卫星大地测量中的静止状态通常是指待定点的位置相对其周围点量中的静止状态通常是指待定点的位置相对其周围点位没有发生变化，或变化极其缓慢，以致在观测期内位没有发生变化，或变化极其缓慢，以致在观测期内可以忽略。可以忽略。（2 2）动态定位：在定位过程中，接收机天线处于运）动态定位：在定位过程中，接收机天线处于运动状态。动状态。 在在绝对定位和相对定位中，又都包含静态和动态绝对定位和相对定位中，又都包含静态和动态两种形式。两种形式。8.6.1 GPS8.6.1 GPS定位方法分类

39、定位方法分类7/31/2024绝对定位也称绝对定位也称单点定位单点定位，是指在协议地球坐标系中，是指在协议地球坐标系中，直接确定观测站相对于坐标原点（地球质心）绝对坐直接确定观测站相对于坐标原点（地球质心）绝对坐标的一种方法标的一种方法。绝对定位的基本原理：以绝对定位的基本原理：以GPSGPS卫星和用户接收机天线卫星和用户接收机天线之间的距离（或距离差）观测量为基础，根据已知的之间的距离（或距离差）观测量为基础，根据已知的卫星瞬时坐标，来确定接收机天线所对应的点位，即卫星瞬时坐标，来确定接收机天线所对应的点位，即观测站的位置观测站的位置。GPSGPS绝对定位方法的实质是测量学中的空间距离后方绝

40、对定位方法的实质是测量学中的空间距离后方交会。交会。原则上原则上观测站位于以观测站位于以3 3颗卫星为球心，相应距颗卫星为球心，相应距离为半径的球与观测站所在平面交线的交点上。离为半径的球与观测站所在平面交线的交点上。绝对定位方法绝对定位方法概述概述7/31/2024GPSGPS相对定位也叫相对定位也叫差分差分GPSGPS定位定位，是至少用两台，是至少用两台GPSGPS接收机，接收机，同步观测相同的同步观测相同的GPSGPS卫星，确定两台接收机天线之间的相对卫星，确定两台接收机天线之间的相对位置（坐标差）位置（坐标差）。相对定位时，用两台接收机分别安置在基线的两端，同步相对定位时，用两台接收机

41、分别安置在基线的两端，同步观测相同的观测相同的GPSGPS卫星，以确定基线端点的相对位置或基线向卫星，以确定基线端点的相对位置或基线向量。同样，多台接收机安置在若干条基线的端点，通过同步量。同样，多台接收机安置在若干条基线的端点，通过同步观测观测GPSGPS卫星可以确定多条基线向量。在一个端点坐标已知卫星可以确定多条基线向量。在一个端点坐标已知的情况下，可以用基线向量推求另一待定点的坐标。的情况下，可以用基线向量推求另一待定点的坐标。相对定位相对定位是目前是目前GPSGPS定位中精度最高的一种定位方法。定位中精度最高的一种定位方法。相对定位方法相对定位方法概述概述 7/31/2024绝对定位可

42、根据天线所处的状态分为动态绝对绝对定位可根据天线所处的状态分为动态绝对定位和静态绝对定位。无论动态还是静态，绝对定位和静态绝对定位。无论动态还是静态，绝对定位所依据的观测量都是所测的站星伪距定位所依据的观测量都是所测的站星伪距。静态绝对定位静态绝对定位可以根据伪距观测量或载波相位可以根据伪距观测量或载波相位观测量来进行。观测量来进行。8.6.2 8.6.2 静态定位静态定位7/31/2024静态绝对定位静态绝对定位利用伪距观测量进行静态绝对定位时，通过连续利用伪距观测量进行静态绝对定位时，通过连续地在不同历元观测不同的卫星，测定卫星到观测站地在不同历元观测不同的卫星，测定卫星到观测站的伪距，获

43、得充分的多余观测量，然后利用伪距测的伪距，获得充分的多余观测量，然后利用伪距测量的观测方程进行求解。量的观测方程进行求解。首先将伪距观测方程线性化，展开后进行解算并首先将伪距观测方程线性化，展开后进行解算并求定误差。求定误差。利用伪距进行静态绝对定位利用伪距进行静态绝对定位7/31/2024应用载波相位进行静态绝对定位，其精度高于用伪应用载波相位进行静态绝对定位，其精度高于用伪距进行静态绝对定位。距进行静态绝对定位。在载波相位静态绝对定位中，应注意对观测值加入在载波相位静态绝对定位中，应注意对观测值加入电离层、对流层等各项改正，防止和修复整周跳变，电离层、对流层等各项改正，防止和修复整周跳变，

44、以提高定位精度以提高定位精度。整整周未知数解算后，不再为整数，可将其调整为整周未知数解算后，不再为整数，可将其调整为整数，解算出的观测站坐标称为固定解，否则称为实数，解算出的观测站坐标称为固定解，否则称为实数解数解。载波载波相位静态绝对定位解算的结果可以为相对定位相位静态绝对定位解算的结果可以为相对定位的参考站（或基准站）提供较为精密的起始坐标。的参考站（或基准站）提供较为精密的起始坐标。利用载波相位观测量进行静态绝对定位利用载波相位观测量进行静态绝对定位静态绝对定位静态绝对定位7/31/2024为了评价定位结果为了评价定位结果，一般采用精度因子，一般采用精度因子DOP（Dilution Of

45、 Precision）的概念。的概念。 在实践中，在实践中，根据不同要求，可选用不同的精度评价模型和相应的根据不同要求，可选用不同的精度评价模型和相应的精度因子，通常有：精度因子，通常有：平面位置精度因子平面位置精度因子HDOP(horizontal DOP)高程精度因子高程精度因子VDOP(Vertical DOP)空间位置精度因子空间位置精度因子PDOP(Position DOP)接收机钟差精度因子接收机钟差精度因子TDOP(Time DOP)几何精度因子几何精度因子GDOP(Geometric DOP)，描述空间位置误差描述空间位置误差和时间误差综合影响的精度因子和时间误差综合影响的精度

46、因子定位精度的评价定位精度的评价7/31/2024相对定位也分静态定位和动态定位。安置在基线端点的接收机固定不动，通过连续观测，取得充分的多余观测数据，改善定位精度。静态相对定位一般均采用载波相位观测值（或测相伪距）为基本观测量 。静态静态相对定位相对定位T1T2S1S2S3S47/31/2024在两个观测站或多个观测站同步观测相同卫星的情况在两个观测站或多个观测站同步观测相同卫星的情况下，下，卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及电卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差离层和对流层的折射误差等对观测量的影响具有一定等对观测量的影响具有一定的的相关性相关性，利用这些

47、观测量的不同组合（求差）进行，利用这些观测量的不同组合（求差）进行相对定位，可有效地消除或减弱相关误差地影响，从相对定位，可有效地消除或减弱相关误差地影响，从而提高相对定位的精度。而提高相对定位的精度。静态相对定位静态相对定位静态相对定位静态相对定位7/31/2024GPSGPS载波相位观测值可以载波相位观测值可以在卫星间求差，在接收机间求差，在卫星间求差，在接收机间求差，也可以在不同历元之间求差也可以在不同历元之间求差。各种求差法都是观测值的线性。各种求差法都是观测值的线性组合。组合。将观测值直接相减的过程叫做求一次差，所得结果称将观测值直接相减的过程叫做求一次差，所得结果称单差单差。对一次

48、差继续求差，所得结果称为对一次差继续求差，所得结果称为双差双差，同样还有，同样还有三差三差。这。这些差分观测值模型能够有效地消除各种偏差项。些差分观测值模型能够有效地消除各种偏差项。求解过程也是首先求解过程也是首先将观测方程线性化后将观测方程线性化后求解并确定误差。求解并确定误差。静态相对定位静态相对定位静态相对定位静态相对定位7/31/20247/31/2024GPSGPS导航是一种广义的导航是一种广义的GPSGPS动态定位，从目前的应用动态定位，从目前的应用看来，主要分为以下几种方法：看来，主要分为以下几种方法：（1 1）单点动态定位）单点动态定位（2 2）实时差分动态定位）实时差分动态定

49、位（3 3）后处理差分动态定位）后处理差分动态定位8.6.3 GPS动态动态定位定位7/31/2024单点动态定位是用安设在一个运动载体上的单点动态定位是用安设在一个运动载体上的GPSGPS信信号接收机，自主地测得该运动载体的实时位置，从而号接收机，自主地测得该运动载体的实时位置，从而描述出该运动载体的运动轨迹。所以描述出该运动载体的运动轨迹。所以单点动态定位又单点动态定位又叫绝对动态定位叫绝对动态定位。例如例如，行驶的汽车和火车，常用单点动态定位。，行驶的汽车和火车，常用单点动态定位。GPSGPS单点动态定位单点动态定位单点动态定位单点动态定位7/31/2024实时差分动态定位是用安设在一个

50、运动载体上的实时差分动态定位是用安设在一个运动载体上的GPSGPS信号接收机，及安设在一个基准站上的另一台信号接收机，及安设在一个基准站上的另一台GPSGPS接收接收机，联合测得该运动载体的实时位置，从而描述出该机，联合测得该运动载体的实时位置，从而描述出该运动载体的运行轨迹，故运动载体的运行轨迹，故差分动态定位又称为相对动差分动态定位又称为相对动态定位态定位。例如例如，飞机着陆和船舰进港，一般要求采用实时差，飞机着陆和船舰进港，一般要求采用实时差分动态定位，以满足它们所要求的较高定位精度。分动态定位，以满足它们所要求的较高定位精度。GPSGPS实时差分动态定位实时差分动态定位实时差分动态定位

51、实时差分动态定位7/31/2024后处理差分动态定位后处理差分动态定位和实时差分动态定位的主要差和实时差分动态定位的主要差别在于，在运动载体和基准站之间，不必像实时差分别在于，在运动载体和基准站之间，不必像实时差分动态定位那样建立实时数据传输，而是在定位观测以动态定位那样建立实时数据传输，而是在定位观测以后，对两台后，对两台GPSGPS接收机所采集的定位数据进行测后的接收机所采集的定位数据进行测后的联合处理，从而计算出接收机所在运动载体在对应时联合处理，从而计算出接收机所在运动载体在对应时间上的坐标位置间上的坐标位置。例如例如，在航空摄影测量时，用，在航空摄影测量时，用GPSGPS信号测量每一

52、个信号测量每一个摄影瞬间的摄站位置，就可以采用后处理差分动态定摄影瞬间的摄站位置，就可以采用后处理差分动态定位。位。GPSGPS后处理差分动态定位后处理差分动态定位后处理差分动态定位后处理差分动态定位7/31/2024对于动态对于动态GPSGPS用户，除了需要确定用户，除了需要确定GPSGPS接收机载体接收机载体的实时位置，往往还要测定载体的的实时位置，往往还要测定载体的实时航行速度实时航行速度。假设于历元假设于历元t t1 1和和t t2 2测定的载体实时位置分别为测定的载体实时位置分别为X X1 1(t(t1 1) )和和X X2 2(t(t2 2) )，则其运动速度可简单地表示为：则其运

53、动速度可简单地表示为：由此可得载体运行方向的速度为：由此可得载体运行方向的速度为：8.6.4 GPS接收机载体航速的测定接收机载体航速的测定7/31/2024授时有着授时有着广泛的应用。从日常生活到航天发射，从出广泛的应用。从日常生活到航天发射，从出外步行到航空航海，都离不开定时外步行到航空航海，都离不开定时。利用利用GPSGPS信号进行时间传递，一般采用两种方法：信号进行时间传递，一般采用两种方法：（1 1）一站单机测时一站单机测时：应用一台：应用一台GPSGPS接收机在一个已知接收机在一个已知坐标的观测站上进行测时的方法坐标的观测站上进行测时的方法。 本质：利用本质：利用GPSGPS时间来校准本地时钟或振荡器。时间来校准本地时钟或振荡器。8.6.5 GPS授时授时7/31/2024GPSGPS授时授时（2 2）共视对比定时法共视对比定时法：在两个测站上各设一台：在两个测站上各设一台GPSGPS接收机，同步观测同一卫星，来测定接收机，同步观测同一卫星，来测定两用户时钟的两用户时钟的相对偏差相对偏差，达到高精度时间比对的目的。，达到高精度时间比对的目的。本质上，本质上，GPSGPS测量误差的公共测量误差的公共 部分被抵消掉。部分被抵消掉。7/31/2024