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6、GPS动态定位测量动态定位测量GPSGPS测量及应用石家庄铁路职业技术学院石家庄铁路职业技术学院测绘工程测绘工程系系10/30/20221一、GPS定位方法分类GPS测量定位的类型测量定位的类型依据定位模式：依据定位模式：单点定位（确单点定位（确定定位）定定位）相对定位相对定位差分定位差分定位依据定位时接依据定位时接收机天线的运收机天线的运动状态：动状态：静态定位静态定位动态定位动态定位依据定位时效：依据定位时效：实时定位实时定位事后定位事后定位依据观测值类依据观测值类型：型：伪距测量伪距测量载波相位测量载波相位测量10/30/20222二、二、GPS动态定位动态定位 GPS动态定位概述动态定位概述GPS动态定位的应用动态定位的应用GPS动态定位的特点动态定位的特点动态定位的类型（方法）动态定位的类型（方法）GPS动态定位的基本原理动态定位的基本原理整周未知数的动态求解整周未知数的动态求解RTK（RealTimeKinematic）GPS技术技术载波相位实时动态差分技术载波相位实时动态差分技术10/30/202231、概述、概述什么是什么是GPS动态定位动态定位GPS动态定位（测量），是利用动态定位（测量），是利用GPS信号，测信号，测定相对于地球运动的用户天线的状态参数，这定相对于地球运动的用户天线的状态参数，这些状态参数包括三维坐标、三维速度和时间七些状态参数包括三维坐标、三维速度和时间七个参数。个参数。导航，是测得运动载体的状态参数，并导引运导航，是测得运动载体的状态参数，并导引运动载体精确地运动到预定的后续位置。动载体精确地运动到预定的后续位置。10/30/20224GPS动态定位的应用动态定位的应用导航导航探险、车辆、船舶、航空器等探险、车辆、船舶、航空器等跟踪、监控与调度跟踪、监控与调度车辆、船舶、航空器等车辆、船舶、航空器等制导制导武器制导、自动驾驶等武器制导、自动驾驶等定轨定轨卫星、航天器等卫星、航天器等姿态确定姿态确定卫星、航天器、航空器等卫星、航天器、航空器等测量测量测图、放样、监测等测图、放样、监测等10/30/202252、GPS动态定位的特点动态定位的特点用户多样性用户多样性速度多异性速度多异性定位实时性定位实时性数据短时性数据短时性精度要求多变性精度要求多变性10/30/202263、GPS动态定位的类型动态定位的类型（1 1）单点动态定位（动态确定定位）单点动态定位（动态确定定位）（2 2）实时差分动态定位法：）实时差分动态定位法：位置差分位置差分 伪距差分伪距差分 相位平滑伪距差分：载波多普勒计数平滑相位平滑伪距差分：载波多普勒计数平滑伪距、载波相位平滑伪距伪距、载波相位平滑伪距 载波相位差分：修正法、求差法载波相位差分：修正法、求差法10/30/202274、GPS动态定位的基本原理动态定位的基本原理单点伪距动态定位（动态确定定位）单点伪距动态定位（动态确定定位）GPS确定定位主要是以确定定位主要是以GPS卫星和用户接收机卫星和用户接收机天线之间的距离为基本观测量，并利用已知的卫星天线之间的距离为基本观测量，并利用已知的卫星瞬时坐标来确定接收机天线对应的点位在协议地球瞬时坐标来确定接收机天线对应的点位在协议地球坐标系中的位置。坐标系中的位置。动态确定定位是确定处于运动载体上的接收机动态确定定位是确定处于运动载体上的接收机在运动的每一瞬间的位置。由于接收机天线处于运在运动的每一瞬间的位置。由于接收机天线处于运动状态，故天线点位的坐标是一个变更的量，因此动状态，故天线点位的坐标是一个变更的量，因此确定每一瞬间坐标的观测方程只有较少的多余观测确定每一瞬间坐标的观测方程只有较少的多余观测(甚至没有多余观测甚至没有多余观测)，且一般常利用测距码伪距进，且一般常利用测距码伪距进行动态确定定位。因此，其精度较低，一般仅有几行动态确定定位。因此，其精度较低，一般仅有几十米的精度，在十米的精度，在SA政策影响下，其精度甚至低于政策影响下，其精度甚至低于百米。通常这种定位方法只用于精度要求不高的飞百米。通常这种定位方法只用于精度要求不高的飞机、船舶以及陆地车辆等运动载体的导航。机、船舶以及陆地车辆等运动载体的导航。10/30/20228位置差分原理位置差分原理位置差分位置差分GPS是一种最简洁的差分方法。安置是一种最简洁的差分方法。安置在已知点基准站上的在已知点基准站上的GPS接收机，经过对接收机，经过对4颗及颗及4颗以颗以上的卫星观测，便可实现定位。先求出基准站的坐上的卫星观测，便可实现定位。先求出基准站的坐标标(X，Y，Z)，由于存在着卫星星历、时钟误差、，由于存在着卫星星历、时钟误差、大气折射等误差的影响，该坐标与已知基准站坐标大气折射等误差的影响，该坐标与已知基准站坐标(X，Y，Z)不一样，存在误差。即：不一样，存在误差。即：式中：式中：X、Y、Z为坐标改正数，基准站利用数为坐标改正数，基准站利用数据链将坐标改正数发送给用户站。据链将坐标改正数发送给用户站。10/30/20229位置差分原理位置差分原理 用户站用接收到的坐标改正数对其坐标进行改正：用户站用接收到的坐标改正数对其坐标进行改正：经过坐坐标改改正正后后的的用用户坐坐标已已消消去去了了基基准准站站与与用用户站站的的共共同同误差差，如如卫星星星星历误差差、大大气气折折射射误差差、卫星星钟差差、SASA政策影响等，提高了定位的精度。政策影响等，提高了定位的精度。10/30/202210 位置差分的位置差分的优点是点是须要要传输的差分改正数的差分改正数较少，少，计算方法算方法较简洁，任何一种，任何一种GPSGPS接收机均可改装成接收机均可改装成这种种差分系差分系统。其缺点主要。其缺点主要为：（1)1)要求基准站与用要求基准站与用户站必需保持站必需保持观测同一同一组卫星，由于基准站与用星，由于基准站与用户站接收机配站接收机配备的不完全相同，的不完全相同，且两站且两站观测环境也不完全相同，因此境也不完全相同，因此难以保以保证两站两站观测同一同一组卫星，并会星，并会导致定位所致定位所产生的生的误差可能会不差可能会不很匹配，从而影响定位精度。很匹配，从而影响定位精度。（2)2)位置差分定位效果不如位置差分定位效果不如伪距差分好。距差分好。10/30/202211伪距差分原理伪距差分原理伪距差分是目前应用最广泛的一种差分定位技伪距差分是目前应用最广泛的一种差分定位技术之一。该定位技术通过在基准站上利用已知坐标术之一。该定位技术通过在基准站上利用已知坐标求出测站至卫星的距离，并将其与含有误差的测量求出测站至卫星的距离，并将其与含有误差的测量距离比较，然后利用一个距离比较，然后利用一个-滤波器将此差值滤波并滤波器将此差值滤波并求出其偏差，并将全部卫星的测距误差传输给用户，求出其偏差，并将全部卫星的测距误差传输给用户，用户利用此测距误差来改正测量的伪距。最终，用用户利用此测距误差来改正测量的伪距。最终，用户利用改正后的伪距求出自身的坐标。假如基准站、户利用改正后的伪距求出自身的坐标。假如基准站、用户站均观测了相同的用户站均观测了相同的4颗或颗或4颗以上的卫星，即可颗以上的卫星，即可实现用户站的定位。实现用户站的定位。10/30/202212伪距差分原理伪距差分原理 其定位基本公式如下：其定位基本公式如下：10/30/202213 由于伪距差分可供应单颗卫星的距离改正数 ，因此用户站可选其中随意4颗相同卫星的伪距改正数进行改正，而不必要求两站观测的卫星完全相同，且伪距改正数是干脆在WGS-84坐标系上进行的，是一种干脆改正数，不必先变换为当地坐标，定位精度更高，且运用更便利。10/30/202214 由于伪距差分定位依靠于两站公共误差的抵消来提高定位精度，误差抵消的程度确定了精度的凹凸。而误差的公共性在很大程度依靠于两站距离，随着两站距离的增加，其误差公共性渐渐减弱，例如对流层、电离层误差。因此用户和基准站之间的距离对精度有着确定性的影响，用户站离基准站的距离越大，伪距差分后的剩余误差越大，定位精度越低。10/30/202215相位平滑伪距差分原理相位平滑伪距差分原理伪距差分事实上是在测站之间求伪距观测值的一伪距差分事实上是在测站之间求伪距观测值的一次差，因而消退了两伪距观测值中所含有的共同的次差，因而消退了两伪距观测值中所含有的共同的系统误差，但是却无法消退伪距观测值中所含有的系统误差，但是却无法消退伪距观测值中所含有的随机误差，从而限制了伪距差分定位的精度。随机误差，从而限制了伪距差分定位的精度。载波相位测量的精度较测距码伪距测量的精度高载波相位测量的精度较测距码伪距测量的精度高2个数量级，假如能用载波相位观测值对伪距观测值个数量级，假如能用载波相位观测值对伪距观测值进行修正，就可提高伪距定位的精度，但是载波相进行修正，就可提高伪距定位的精度，但是载波相位整周数无法干脆测得，因而难以干脆利用载波观位整周数无法干脆测得，因而难以干脆利用载波观测值。测值。10/30/202216相位平滑伪距差分原理相位平滑伪距差分原理虽然整周数无法获得，但可由多普勒频率计数获虽然整周数无法获得，但可由多普勒频率计数获得载波相位的变更信息，即可获得伪距变更率的信得载波相位的变更信息，即可获得伪距变更率的信息，可利用这一信息来帮助伪距差分定位，称为载息，可利用这一信息来帮助伪距差分定位，称为载波多普勒计数平滑伪距差分；另外，在同一颗卫星波多普勒计数平滑伪距差分；另外，在同一颗卫星的两历元间求差，可消退整周未知数，可利用历元的两历元间求差，可消退整周未知数，可利用历元间的相位差观测值对伪距进行修正，即所谓的相位间的相位差观测值对伪距进行修正，即所谓的相位平滑伪距差分。平滑伪距差分。10/30/202217载波相位差分原理载波相位差分原理载波相位差分载波相位差分GPS定位与伪距差分定位与伪距差分GPS原理相类原理相类似，其基本思想是：在基准站上安置一台似，其基本思想是：在基准站上安置一台GPS接收接收机，对卫星进行连续观测，并通过无线电传输设备机，对卫星进行连续观测，并通过无线电传输设备实时地将观测数据及站坐标信息传送给用户站；用实时地将观测数据及站坐标信息传送给用户站；用户站一方面通过接收机接收户站一方面通过接收机接收GPS卫星信号，同时还卫星信号，同时还通过无线电接收设备接收基准站传送的观测数据，通过无线电接收设备接收基准站传送的观测数据，然后依据相对定位原理，实时地处理数据，并能实然后依据相对定位原理，实时地处理数据，并能实时地以厘米级的精度给出用户站的三维坐标。时地以厘米级的精度给出用户站的三维坐标。10/30/202218载波相位差分原理载波相位差分原理 载载波波相相位位差差分分GPSGPS有有两两种种定定位位方方法法，一一种种与与伪伪距距差差分分相相同同，基基准准站站将将载载波波相相位位的的修修正正量量发发送送给给用用户户站站，以以对对用用户户站站的的载载波波相相位位进进行行改改正正实实现现定定位位，该该方方法法称称为为修修正正法法。另另一一种种是是将将基基准准站站的的载载波波相相位位发发送送给给用用户户站站，并并由由用用户户站站将将观观测测值值求求差差进进行行坐坐标标解解算算，这这种种方方法法称称为为求求差法差法。10/30/202219最小二乘搜寻法最小二乘搜寻法最小二乘模糊度不相关法（最小二乘模糊度不相关法（LAMBDA）模糊度函数法模糊度函数法综合法（综合法（AOTF）5、整周未知数的动态求解、整周未知数的动态求解10/30/202220 实时差差分分动态（Real Real Time Time KinematicRTKKinematicRTK）测量量系系统，是是GPSGPS测量量技技术与与数数据据传输技技术相相结合合而而构构成成的的组合合系系统。它是。它是GPSGPS测量技量技术发展中的一个新的突破。展中的一个新的突破。RTK RTK 测量量技技术，是是以以载波波相相位位观测量量为依依据据的的实时差差分分GPSGPS测量技量技术。RTK RTK 测量量技技术是是准准动态测量量技技术与与AROTFAROTF算算法法和和数数据据传输技技术相相结合合而而产生生的的，它它完完全全可可以以达达到到“精精度度、速速度度、实时、可用、可用”等各方面的要求。等各方面的要求。6、载波相位实时动态差分技术、载波相位实时动态差分技术RTK（RealTimeKinematic）GPS技术技术10/30/202221RTKRealTimeKinametic（实时动态差分）（实时动态差分）系统构成系统构成参考站（基准站）参考站（基准站）流淌站流淌站数据链数据链应用应用10/30/202222三、广域差分三、广域差分GPS技术技术 差分差分GPSGPS系系统与与单站差分站差分GPSGPS（SRDGPSSRDGPS）局部区域差分（局部区域差分（LADGPSLADGPS）广域差分广域差分GPSGPS系系统（WADGPSWADGPS）增加型的差分增加型的差分GPSGPS系系统10/30/2022231、什么是差分、什么是差分GPS（DGPSDifferentialGPS）基本思路：利用设于坐标已知的参考站，计算各类基本思路：利用设于坐标已知的参考站，计算各类改正数改正数影响影响GPS测量定位的误差测量定位的误差10/30/202224误差的特性误差的特性卫星轨道误差：影响大小与测站位置有关，距离卫星轨道误差：影响大小与测站位置有关，距离较近时，影响大小相近（误差的空间位置相关性）较近时，影响大小相近（误差的空间位置相关性）卫星钟差：影响大小与测站无关卫星钟差：影响大小与测站无关大气折射（电离层、对流层折射）：影响具有空大气折射（电离层、对流层折射）：影响具有空间位置相关性间位置相关性SA：Epsilon可以归于卫星轨道误差，可以归于卫星轨道误差，Dither可归可归于卫星钟差于卫星钟差多路径：与测站有关，测站间无关多路径：与测站有关，测站间无关10/30/202225差分差分GPS基准站（基准站（Reference/BaseStation）与流淌站）与流淌站（Mobile/RoverStation）差分改正数差分改正数10/30/202226差分差分GPS系统的构成系统的构成10/30/2022272、局域差分与广域差分差分、局域差分与广域差分差分局域差分局域差分局域差分局域差分GPS（LADGPSLocalAreaDGPS）基准站作用距离：数百公里基准站作用距离：数百公里特点：用户依据多个基准站所供应的改正信息特点：用户依据多个基准站所供应的改正信息经平差计算后求的用户站定位改正数经平差计算后求的用户站定位改正数10/30/202228广域差分广域差分GPS（WADGPSWideAreaDGPS）基准站作用距离：数千公里基准站作用距离：数千公里特点：将各项误差分别出来，建立误差与位特点：将各项误差分别出来，建立误差与位置的关系置的关系分别出的误差：卫星轨道、卫星钟差分别出的误差：卫星轨道、卫星钟差建立误差与位置的关系模型：大气折建立误差与位置的关系模型：大气折射射10/30/202229增加型的差分增加型的差分GPS系统系统伪卫星（伪卫星（Pseudolites）LAAS局域增加系统局域增加系统LocalAreaAugmentationSystem应用领域：机场，着陆系统应用领域：机场，着陆系统WAAS广域增加系统广域增加系统WideAreaAugmentationSystem连续运行参考站（连续运行参考站（CORS）3、增加型的差分、增加型的差分GPS系统系统10/30/202230