GPS概论-第五章-GPS卫星定位基本原理ppt课件.ppt

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1、1全球定位原理全球定位原理资源与环境学院资源与环境学院林承达林承达 2第五章第五章 GPS卫星定位基本原理卫星定位基本原理GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量 利用测距码测定利用测距码测定3GPS的基本定位原理的基本定位原理 GPS的基本定位原理是：的基本定位原理是：卫星不间断地发卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信维位置，三维方向以及运动速度和时间信息。息。4GPS定位的方法定位的方法 绝对定位绝对定位（单点定位）（单点定位） 在

2、地球协议坐标系中，确定观测站相在地球协议坐标系中，确定观测站相对地球质心的位置（认为参考点与地球对地球质心的位置（认为参考点与地球质心相重合）质心相重合） 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，确定观测站与某一地面参考点之间的相对位置某一地面参考点之间的相对位置按参考点的位置不同分类按参考点的位置不同分类5GPS定位的方法定位的方法按接收机在作业中所处的状态按接收机在作业中所处的状态 静态定位静态定位 在定位的过程中，接收机的位置是固定在定位的过程中，接收机的位置是固定不动的。不动的。 动态定位动态定位 在定位的过程中天线处于运动状态在定位的过程中天线处于运动状

3、态6GPS观测量观测量 根据码相位观测得出的伪距根据码相位观测得出的伪距 根据载波相位观测得出的伪距根据载波相位观测得出的伪距 由积分多普勒计算得出的伪距差由积分多普勒计算得出的伪距差 由干涉法测量得出的时间延迟。由干涉法测量得出的时间延迟。7GPS定位的基本原理定位的基本原理 需解决的两个关键问题需解决的两个关键问题 如何确定卫星的位置如何确定卫星的位置 如何测量出站星距离如何测量出站星距离8码相位观测和载波相位测量码相位观测和载波相位测量 码相位观测码相位观测：测量：测量GPS卫星发射的测距卫星发射的测距码信号（码信号（C/A码或码或P码），到达用户接收码），到达用户接收天线的传播时间，因

4、此这种方法，也称天线的传播时间，因此这种方法，也称为时间延迟测量。为时间延迟测量。 载波相位测量载波相位测量：是测量接收机接收到的，：是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差。是产生的参考载波信号之间的相位差。是目前最精确的观测方法。目前最精确的观测方法。95.2 伪距测量伪距测量 双程测距双程测距 用于电磁用于电磁波测距仪波测距仪 单程测距单程测距 用于用于GPS测距方法测距方法10为什么叫伪距为什么叫伪距 全球定位系统采用单程测距原理，必须全球定位系统采用单程测距原理，必须使卫星钟和接收机钟保持严格同步。使卫星

5、钟和接收机钟保持严格同步。 在实践中，不可避免的含有卫星钟和接在实践中，不可避免的含有卫星钟和接收机钟非同步的影响，为了与几何距离收机钟非同步的影响，为了与几何距离相区别，把这种含有钟差影响的距离，相区别，把这种含有钟差影响的距离，通常称为通常称为“伪距伪距”。 为简述方便，码相位观测确定的距离，为简述方便，码相位观测确定的距离，称为测码伪距；由载波相位观测的伪距，称为测码伪距；由载波相位观测的伪距，称为测相伪距。称为测相伪距。11测距码测距码C/A码（测距时有模糊度）码（测距时有模糊度）P码码12信号传信号传播时间播时间测距码测距原理测距码测距原理 距离测定的基本思路距离测定的基本思路 信号

6、（测距码）传播时间的测定信号（测距码）传播时间的测定dtTutTuTRT)()(1相关系数：ctc信号传播时间的测定信号传播时间的测定13测距码测距原理测距码测距原理 利用测距码测距的必要条件利用测距码测距的必要条件 必须了解测距码的结构必须了解测距码的结构 利用测距码进行测距的优点利用测距码进行测距的优点 采用的是采用的是CDMA（码分多址）（码分多址）技术技术 易于捕获微弱的卫星信号易于捕获微弱的卫星信号 可提高测距精度可提高测距精度 便于对系统进行控制和管理便于对系统进行控制和管理（如（如AS）每颗每颗GPS卫星都采用特定的卫星都采用特定的伪随机噪声码伪随机噪声码微弱信号的捕获微弱信号的

7、捕获14伪距测量的特点伪距测量的特点 优点优点 无模糊度无模糊度 缺点缺点 精度低精度低15GPS测量的基本观测方程测量的基本观测方程SR( )tR( )tS接收机根据自身的钟在 时刻复制信号的相位tR接收机根据自身的钟在 时刻所接收到卫星在时刻所发送信号的相位tRtS tR tS16对流层折射延对流层折射延迟改正迟改正电离层折射延电离层折射延迟改正迟改正接收机钟的接收机钟的改正数改正数卫星钟的改卫星钟的改正数正数信号离开信号离开卫星的时卫星的时刻（由卫刻（由卫星钟测定）星钟测定）信号到达接信号到达接收机的时刻收机的时刻（由接收机（由接收机钟测定）钟测定）RSRSsRRStttropiontr

8、opionabttabtatbSRtRbtSaSRVcVcVVVVcVcVccVVcttcVtVtttc)()()()()()(故：站星真实距离：则：；设：伪距：测距码测距的观测方程测距码测距的观测方程175.3 载波相位测量载波相位测量 载波相位测量载波相位测量itjtitijttR(c )2002, 黄劲松185.3 载波相位测量的基本原理载波相位测量的基本原理SR SR)SR ()tR ()tS接 收 机 根 据 自 身的 钟 在时 刻 复制 信 号 的 相 位tR接 收 机 根 据 自 身的 钟 在时 刻 所接 收 到 卫 星 在时 刻 所 发 送 信 号的 相 位tRtS tR tS

9、理想情况理想情况实际情况实际情况19载波相位观测值载波相位观测值 观测值观测值 整周计数整周计数 整周未知数（整周模糊度）整周未知数（整周模糊度）载波相位观测值载波相位观测值)()()()()(000FrIntNFrIntFriii通常表示为：以后的观测：首次观测： Int0NN0Fr0N0Int( )iFrit0ti20tropiioniiiittiiiiiVVLLcVcVNdZndYmdXlvSR)()(其中：0载波相位测量的观测方程载波相位测量的观测方程tropiionttiiiitropiionttiiiVVcVcVNVVcVcVNSRSR)()()(原始形式：原始形式：线性化后：线性

10、化后：tropiionttiiiiiiitropiionttiiiiiiiiVVcVcVNdZZzdYYydXXxVVcVcVNdZzZdYyYdXxXSRSR)()()()()()()()()()(00000000000000误差方程为：误差方程为：21 载波相位测量的关键技术载波相位测量的关键技术-重建载波重建载波 将非连续的载波信号恢复成连续的载波信号。将非连续的载波信号恢复成连续的载波信号。载波调制了电文之后载波调制了电文之后变成了非连续的波变成了非连续的波伪距测量与载波相位测量伪距测量与载波相位测量5.3 载波相位测量载波相位测量22 载波相位测量的关键技术载波相位测量的关键技术-重

11、重建载波建载波 码相关法码相关法 方法方法 将所接收到的调制信号（卫星信号）将所接收到的调制信号（卫星信号）与接收机产生的复制码相乘。与接收机产生的复制码相乘。 技术要点技术要点 卫星信号（弱）与接收机信号（强）卫星信号（弱）与接收机信号（强）相乘。相乘。 特点特点 限制：需要了解码的结构。限制：需要了解码的结构。 优点：可获得导航电文，可获得全优点：可获得导航电文，可获得全波长的载波，信号质量好（信噪比波长的载波，信号质量好（信噪比高）高）卫星信号的生成接收机重建载波(c )2002, 黄劲松码相关法码相关法5.3 载波相位测量载波相位测量23 载波相位测量的关键技术载波相位测量的关键技术-

12、重重建载波建载波 平方法平方法 方法方法 将所接收到的调制信号（卫星信将所接收到的调制信号（卫星信号）自乘。号）自乘。 技术要点技术要点 卫星信号（弱）自乘。卫星信号（弱）自乘。 特点特点 优点：无需了解码的结构优点：无需了解码的结构 缺点：无法获得导航电文，所获缺点：无法获得导航电文，所获载波波长为原来波长的一半，信载波波长为原来波长的一半，信号质量较差（信噪比低，降低了号质量较差（信噪比低，降低了30dB）平方法平方法5.3 载波相位测量载波相位测量24 载波相位测量的关键技术载波相位测量的关键技术-重建载波重建载波 互相关（交叉相关）互相关（交叉相关） 方法方法 在不同频率的调制信号（卫

13、星信号）进行相关处理，获取两个在不同频率的调制信号（卫星信号）进行相关处理，获取两个频率间的伪距差和相位差频率间的伪距差和相位差 技术要点技术要点 不同频率的卫星信号（弱）进行相关。不同频率的卫星信号（弱）进行相关。 特点特点 优点：无需了优点：无需了Y解码的结构，可获得导航电文，可获得全波波解码的结构，可获得导航电文，可获得全波波长的载波，信号质量较平方法好（信噪比降低了长的载波，信号质量较平方法好（信噪比降低了27dB）)()(12/, 12, 1, 2/, 12LLACLLYLYLACLLRRRR5.3 载波相位测量载波相位测量25 载波相位测量的关键技术载波相位测量的关键技术-重建载波

14、重建载波 Z跟踪跟踪 方法：将卫星信号在一个方法：将卫星信号在一个W码码元内与接收机码码元内与接收机复制出的复制出的P码进行相关处理。码进行相关处理。 在一个在一个W码码元内进行卫星信号（弱）与复制码码元内进行卫星信号（弱）与复制信号（强）进行相关。信号（强）进行相关。 特点特点 优点：无需了解优点：无需了解Y码结构，可测定双频伪距观测值，码结构，可测定双频伪距观测值，可获得导航电文，可获得全波波长的载波，信号质可获得导航电文，可获得全波波长的载波，信号质量较平方法好（信噪比降低了量较平方法好（信噪比降低了14dB）5.3 载波相位测量载波相位测量26载波相位测量的特点载波相位测量的特点 优点

15、优点 精度高，测距精度可达精度高，测距精度可达0.1mm量级量级 难点难点 整周未知数问题整周未知数问题 整周跳变问题整周跳变问题27载波相位测量的主要问题载波相位测量的主要问题 无法直接进行测量卫星载波信号在传播无法直接进行测量卫星载波信号在传播路线上相位变化的整周数，因存在整周路线上相位变化的整周数，因存在整周不确定性的问题。不确定性的问题。 GPS卫星测量受到阻挡、外界噪声的干卫星测量受到阻挡、外界噪声的干扰，还可能产生整周跳变现象。扰，还可能产生整周跳变现象。28整周未知数的确定整周未知数的确定 常用方法：常用方法： 伪距法伪距法 待定参数法待定参数法 三差法三差法 快速确定整周未知数

16、法快速确定整周未知数法295.4 GPS绝对定位与相对定位绝对定位与相对定位 定位模式定位模式 绝对定位（单点定位）绝对定位（单点定位） 相对定位相对定位 差分定位差分定位 定位时接收机天线的运动状态定位时接收机天线的运动状态 静态定位天线相对于地固坐标系静止静态定位天线相对于地固坐标系静止 动态定位天线相对于地固坐标系运动动态定位天线相对于地固坐标系运动 获得定位结果的时效获得定位结果的时效 事后定位事后定位 实时定位实时定位 观测值类型观测值类型 伪距测量伪距测量 载波相位测量载波相位测量GPS测量定位方法分类测量定位方法分类30315.4 绝对定位（单点定位）绝对定位（单点定位） 定义定

17、义 单独利用一台接收机确定待定点在地固坐标系中绝对位单独利用一台接收机确定待定点在地固坐标系中绝对位置的方法置的方法 定位结果与所用星历同属一坐标系的绝对坐标定位结果与所用星历同属一坐标系的绝对坐标 采用广播星历时属采用广播星历时属WGS-84 采用采用IGS International GPS Service精密星历时为精密星历时为ITRF International Terrestrial Reference Frames 特点特点 优点：一台接收机单独定位，观测简单，可瞬时定位优点：一台接收机单独定位，观测简单，可瞬时定位 缺点：精度主要受系统性偏差的影响，定位精度低缺点：精度主要受系统

18、性偏差的影响，定位精度低 应用领域应用领域 低精度导航、资源普查、军事、低精度导航、资源普查、军事、.325.4 GPS的绝对定位技术的绝对定位技术 绝对定位：利用绝对定位：利用GPS确定用户接收机天线在确定用户接收机天线在WGS-84中的绝对位置。中的绝对位置。 基本原理：是以基本原理：是以GPS卫星和用户天线之间的距离卫星和用户天线之间的距离（或距离差）观测量为基础，并根据已知卫星的（或距离差）观测量为基础，并根据已知卫星的瞬时坐标，来确定用户接收机天线所对应的点位。瞬时坐标，来确定用户接收机天线所对应的点位。 卫星钟差：可由导航电文给出。接收机钟差：不卫星钟差：可由导航电文给出。接收机钟

19、差：不能确定。因此在一个观测站上，为了实时求解四能确定。因此在一个观测站上，为了实时求解四个位置参数（个位置参数（3个点坐标分量和个点坐标分量和1个钟差参数），个钟差参数），至少需要四个同步伪距观测值。至少需要四个同步伪距观测值。33伪距单点定位的误差方程伪距单点定位的误差方程 对于卫星对于卫星i，在某一个历元的误差方程为，在某一个历元的误差方程为itropiionitiitiiiiVVVcVcdZndYmdXlVSR)()()(034单点定位有单点定位有4个待定参数，个待定参数，因而至少需因而至少需要同时观测要同时观测4颗以上的卫颗以上的卫星，才能同星，才能同时确定出所时确定出所有的待定参有

20、的待定参数。数。伪距单点定位的误差方程伪距单点定位的误差方程 对在某历元同时观测的对在某历元同时观测的n颗卫星，其误差方颗卫星，其误差方程及位置解为程及位置解为4)()()()()(.)()()()()()(1.11.)()()(.)()()()()()(2011020222210111122211121022222022221111101111nVVVcVVVcVVVccVdZdYdXnmlnmlnmlVVVVVVcVcdZndYmdXlVVVVcVcdZndYmdXlVVVVcVcdZndYmdXlVnntropnionntntropionttropionttnnnnntropnionnt

21、nntnnnntropiontttropionttSSSRSRSRSRVVQDBBQlBBBxlxBVlBxVT0TTT；用矩阵形式表示：35载波相位单点定位的误差方程载波相位单点定位的误差方程 对于卫星对于卫星i，误差方程为，误差方程为0()()()RSiiiitiiiiionitropitVl dXmdYndZc VNc VVV 36载波相位单点定位的误差方程载波相位单点定位的误差方程 若在若在k个历元里每历元均观测了个历元里每历元均观测了n颗相同的卫颗相同的卫星，则误差方程星，则误差方程kntropknionkntnknnktknknknknntropnionntnnntnnnnntro

22、pnionntnntnnnnntropnionntnnntnnnntropionttVVVcNVcdZndYmdXlVVVVcNVcdZndYmdXlVVVVcNVcdZndYmdXlVVVVcNVcdZndYmdXlVVVVcNVcdZndYmdXlVSRSRSRSRSR)()()(.)()()(.)()()()()()(.)()()(20222220222221111101211110111111011111137单点定位的误差源及应对方法单点定位的误差源及应对方法 卫星星历卫星星历 精密星历精密星历 卫星钟差卫星钟差 精密钟差、地面跟踪精密钟差、地面跟踪 电离层延迟电离层延迟 双频改正双

23、频改正 对流层延迟对流层延迟 模型改正模型改正38精密单点定位精密单点定位 精密单点定位精密单点定位 PPP Precise Point Positioning 特点特点 主要观测值为载波相位主要观测值为载波相位 采用精密的卫星轨道和钟数据采用精密的卫星轨道和钟数据 采用复杂的模型采用复杂的模型 定位精度定位精度 亚分米级亚分米级 用途用途 全球高精度测量全球高精度测量 卫星定轨卫星定轨39观测卫星的几何分布及其对绝对定位精观测卫星的几何分布及其对绝对定位精度的影响度的影响 单点定位的精度取决于： 所测卫星在空间的几何分布，通常称为卫星分布的几所测卫星在空间的几何分布，通常称为卫星分布的几何图

24、形；何图形； 观测量的精度 绝对定位的精度评价 采用有关精度因子采用有关精度因子DOP（Dilution of Precision).根据根据不同的要求，采用不同的精度评价模型和相应的精度因子。不同的要求，采用不同的精度评价模型和相应的精度因子。通常有：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) 几何精度因子（几何精度因子（Geometric DOP) 接收机钟差精度因子（接收机钟差精度因子（Time DOP)40415.

25、5 相对定位相对定位42概述概述 定义定义 确定进行同步观测的接收机之间相对位确定进行同步观测的接收机之间相对位置的定位方法，称为置的定位方法，称为相对定位相对定位。 定位结果定位结果 与所用星历同属一坐标系的基线向量与所用星历同属一坐标系的基线向量（坐标差）及其精度信息（坐标差）及其精度信息 采用广播星历时属采用广播星历时属WGS-84 采用采用IGS International GPS Service精密精密星历时为星历时为ITRF International Terrestrial Reference Frame 基线向量中含有：基线向量中含有：2个方位基准（一个个方位基准（一个水平方法

26、，一个垂直方位）和水平方法，一个垂直方位）和1个尺度个尺度基准，不含有位置基准基准，不含有位置基准43概述概述 特点特点 优点：定位精度高优点：定位精度高 缺点：缺点： 多台接收共同作业，作业复杂多台接收共同作业，作业复杂 数据处理复杂数据处理复杂 不能直接获取绝对坐标不能直接获取绝对坐标 应用应用 高精度测量定位及导航高精度测量定位及导航相对定位相对定位445.5 GPS相对定位的原理相对定位的原理 目前绝对定位的精度可以达到米级，这目前绝对定位的精度可以达到米级，这一精度远远不能满足于大地测量精密定一精度远远不能满足于大地测量精密定位的要求。位的要求。 相对定位的最基本原理：相对定位的最基

27、本原理：利用两台利用两台GPS接收机，分别安置在基线的两端，并同接收机，分别安置在基线的两端，并同步观测相同的步观测相同的GPS卫星，以确定基线端卫星，以确定基线端点在协议地球坐标系中的相对位置或基点在协议地球坐标系中的相对位置或基线向量。线向量。45为什么要观测同样的卫星为什么要观测同样的卫星 在同步观测卫星的情况下，卫星的轨道在同步观测卫星的情况下，卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及电离误差、卫星钟差、接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差等，对观测量的层和对流层的折射误差等，对观测量的影响具有一定的相关性，所以利用这些影响具有一定的相关性，所以利用这些观测量的不同组合，进行相对定位

28、，便观测量的不同组合，进行相对定位，便可消除或减弱上述误差的影响，从而提可消除或减弱上述误差的影响，从而提高相对定位的精度。高相对定位的精度。46同步观测是生产基线向量的工艺同步观测是生产基线向量的工艺 相对定位至少需要使用两台（多则不限）接收机同相对定位至少需要使用两台（多则不限）接收机同步观测，观测处理后的成果是步观测，观测处理后的成果是基线向量基线向量。 观测中要求各接收机的采样率一致，也是时间同步观测中要求各接收机的采样率一致，也是时间同步的体现。的体现。 BA47观测方程观测方程 非差观测方程非差观测方程 单差观测方程单差观测方程 双差观测方程双差观测方程.)()()()()()()

29、()(00kjtropkjionkjktjtkjjkjjkjjkjkjkjkitropkiionkiktitkiikiikiikikikiVVcVcVNdZndYmdXlvVVcVcVNdZndYmdXlvSRSRkjitropkjiionkjijitkjijikjijikjijikjikjikjikikjkikjkikikjkjVVcVNdZndYmdXlvvvvvR,0,)()()()()(lkjitroplkjiionlkjilkjijilkjijilkjijilkjilkjilkjikjikjiljiljiVVNdZndYmdXlvvv,0,)()()()()(kikjkjiOOO,k

30、jiljilkjiOOO,48各种误差对相对定位结果的影响各种误差对相对定位结果的影响 卫星轨道误差卫星轨道误差 削弱削弱 卫星钟差卫星钟差 消除消除 大气折射误差大气折射误差 削弱削弱 接收机钟差接收机钟差 消除消除 接收机天线相位中心偏差和变化接收机天线相位中心偏差和变化 消除消除为基线长度误差。为基线长度；上的投影；为轨道误差在站星径向为站星距离；其中：DDDD4110149相对定位的类型相对定位的类型 静态定位静态定位 普通静态定位普通静态定位 快速静态定位快速静态定位 Go and Stop 快速确定整周未知数快速确定整周未知数 动态定位动态定位 动态定位中整周未知数的确定动态定位中

31、整周未知数的确定 静态初始化静态初始化 动态初始化（动态初始化（OTF） 实时动态定位（实时动态定位（RTK Real Time Kinematic） 单基准站单基准站RTK 多基准站多基准站RTK（网络（网络RTK）50静态相对定位静态相对定位法法 设置在基线端点的接收机是固定不动的，设置在基线端点的接收机是固定不动的，一般采用载波相位观测为基本观测量。一般采用载波相位观测为基本观测量。是现在是现在GPS定位中精度最高的一种方法，定位中精度最高的一种方法，广泛应用于工程测量、大地测量和地球广泛应用于工程测量、大地测量和地球动力学研究工作。动力学研究工作。 在载波相位观测的数据处理中，为了可在

32、载波相位观测的数据处理中，为了可靠的确定载波相位的整周未知数，一般靠的确定载波相位的整周未知数，一般需要较长的观测时间。需要较长的观测时间。51准动态相对定位法准动态相对定位法 一台接收机在参考点上固定不动，并对所有可见一台接收机在参考点上固定不动，并对所有可见的的GPS卫星进行连续观测，而另一台接收机在其卫星进行连续观测，而另一台接收机在其周围的观测站流动，并在每一站上静止的周围的观测站流动，并在每一站上静止的 观测，观测，一确定流动站和基准站之间的相对位置。一确定流动站和基准站之间的相对位置。 在形式上与动态相对定位法相似，但是实际上在在形式上与动态相对定位法相似，但是实际上在每个流动站上

33、，仍需静止地观测，只是停留的时每个流动站上，仍需静止地观测，只是停留的时间很短。所以称为准动态相对定位法。间很短。所以称为准动态相对定位法。 缺点：在接收机移动的过程中，必须保持对观测缺点：在接收机移动的过程中，必须保持对观测卫星的连续跟踪。一旦失锁，重新初始化工作。卫星的连续跟踪。一旦失锁，重新初始化工作。52快速静态相对定位快速静态相对定位 可以快速地确定载波相位的整周未知数，可以快速地确定载波相位的整周未知数，所以当接收机在观测站之间移动时，无所以当接收机在观测站之间移动时，无需保持对卫星的连续跟踪。需保持对卫星的连续跟踪。 在每一个流动观测站上，与基线站的同在每一个流动观测站上，与基线

34、站的同步观测时间只需数分钟，定位精度与经步观测时间只需数分钟，定位精度与经典静态相对定位相当典静态相对定位相当53动态相对定位法动态相对定位法 是用一台接收机安设在基准站上不动，是用一台接收机安设在基准站上不动，另一台安设在运动的载体上，两台接收另一台安设在运动的载体上，两台接收机同步观测卫星，以确定运动点相对基机同步观测卫星，以确定运动点相对基准站的实时位置。准站的实时位置。 根据采用的观测量不同，通常可分为测根据采用的观测量不同，通常可分为测码伪距观测量的动态相对定位和以测相码伪距观测量的动态相对定位和以测相码为观测量的动态相对定位。码为观测量的动态相对定位。54动态相对定位动态相对定位5

35、5动态相对定位法（动态相对定位法（续）续） 动态定位根据数据处理的方式不同可分动态定位根据数据处理的方式不同可分为：实时处理和测后处理为：实时处理和测后处理。56静态相对定位差分模型静态相对定位差分模型 单差单差 双差双差 三差三差57站间单差：站间单差：消除了与卫星有消除了与卫星有关的误差：如卫星关的误差：如卫星钟差钟差站间距不大时可站间距不大时可消除大部分大气误消除大部分大气误差差多测站时注意选多测站时注意选取基站取基站)()()()()()(12121212ijijijikikiktttSDtttSD单差（单差（Single-DifferenceSD ）58星际二次差星际二次差)()()

36、()()()()(1212121212ikikijijikijikjtttttSDtSDtDD在一次差的基础进一步在一次差的基础进一步消除了与接收机有关的载消除了与接收机有关的载波相位及其钟差项波相位及其钟差项 注意选取基星注意选取基星GPS基线向量处理时常基线向量处理时常用的模型用的模型双差（双差（Double-DifferenceDD）59历元间差分历元间差分在双差的基础上在双差的基础上进一步消除了：进一步消除了：初始整周模糊度初始整周模糊度当然还有一些其当然还有一些其它的载波相位观它的载波相位观测值的线性组合测值的线性组合)()(),(12112112ikjikjiikjtDDtDDtt

37、TD三差（三差（Triple-DifferenceTD)60优点：优点：消除或减弱一些具有消除或减弱一些具有 系统性误差的影响系统性误差的影响减少平差计算中未知减少平差计算中未知 数的个数数的个数 缺点：缺点：原始独立观测量原始独立观测量通过通过 求差将引起差分求差将引起差分量之量之 间的相关性间的相关性 平差计算中，差平差计算中，差分法分法 将使观测将使观测方程数明显减少方程数明显减少 基站和基星选取基站和基星选取情况情况 随接收机的随接收机的数量增多情况越来数量增多情况越来越复杂越复杂 差分模型的优缺点差分模型的优缺点61主要特点主要特点 可以消除一些具有系统性误差的影响。可以消除一些具有

38、系统性误差的影响。 可减少平差计算中未知数的数量可减少平差计算中未知数的数量 原始的独立观测量，通过求差将引起分原始的独立观测量，通过求差将引起分量之间的相关性。量之间的相关性。 在平差计算中，差分法将使观测方程的在平差计算中，差分法将使观测方程的数目明显减少。数目明显减少。62RTK 实时动态实时动态 RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分（量方法，它采用了载波相位动态实时差分（Real - time kinematic）方法，是）方法，是GPS应用的重大里应用的重大里程碑程碑 63双频双频RTK GPS测量系统

39、测量系统64GPS RTK（Real Time Kinematic）技术能够实时地提供测量点在指定坐）技术能够实时地提供测量点在指定坐标系中的三维坐标（标系中的三维坐标（x,y,z），并能够达到厘米级的精度。），并能够达到厘米级的精度。RTK技术的出现技术的出现可以说是测量技术史上的一场革命，由于其在野外作业时能够实时提供测可以说是测量技术史上的一场革命，由于其在野外作业时能够实时提供测量点的三维坐标，具备灵活、快速、省时、省力及精度高等优点，能极大量点的三维坐标，具备灵活、快速、省时、省力及精度高等优点，能极大地提高工作效率，深受众多测量单位的欢迎。地提高工作效率，深受众多测量单位的欢迎。6

40、55.6 差分差分GPS 什么是什么是差分差分GPS（DGPS Differential GPS） 基本思路：利用设于坐标已知的参考站，基本思路：利用设于坐标已知的参考站，计算各类改正数计算各类改正数 影响影响GPS测量定位的误差测量定位的误差 目的目的: 消除公共误差，消除公共误差， 提高定位精度提高定位精度6667什么是差分什么是差分GPS（续）（续） 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，距离较近卫星轨道误差：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）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

41、小与测站无关 大气折射（电离层、对流层折射）：影响具有空间位大气折射（电离层、对流层折射）：影响具有空间位置相关性置相关性 SA：Epsilon可以归于卫星轨道误差，可以归于卫星轨道误差，Dither可归于可归于卫星钟差卫星钟差 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 差分差分GPS 基准站（基准站（Reference/Base Station）与流动站）与流动站（Mobile/Rover Station） 差分改正数差分改正数68概述概述 差分差分GPS产生的诱因：产生的诱因：绝对定位精度不能满绝对定位精度不能满足要求足要求 GPS绝对定位的精度绝对定位的精度受多种误差

42、因素的影受多种误差因素的影响，完全满足某些特响，完全满足某些特殊应用的要求殊应用的要求 美国的美国的GPS政策对政策对GPS绝对定位精度的绝对定位精度的影响（选择可用性影响（选择可用性SA）SA关闭前后关闭前后GPS绝对定位精度的变化绝对定位精度的变化69概述概述 差分差分GPS（DGPS Differential GPS） 利用设置在坐标已知的点（基准站）上的利用设置在坐标已知的点（基准站）上的GPS接收机测定接收机测定GPS测量定位误差，用以提高在一测量定位误差，用以提高在一定范围内其它定范围内其它GPS接收机（流动站）测量定位接收机（流动站）测量定位精度的方法精度的方法 RTCM SC

43、104格式：差分全球导航卫星系格式：差分全球导航卫星系统（差分全球导航卫星）统（差分全球导航卫星） 标准格式标准格式70影响绝对定位精度的主要误差影响绝对定位精度的主要误差 主要误差主要误差 卫星轨道误差卫星轨道误差 卫星钟差卫星钟差 大气延迟（对流层延迟、对流层延迟）大气延迟（对流层延迟、对流层延迟） 多路径效应多路径效应 对定位精度的影响对定位精度的影响。通常大于等效距离误差定位精度1PDOPPDOP71差分差分GPS的基本原理的基本原理 误差的空间相关性误差的空间相关性 以上各类误差中除多路径效应均具有较强的空间相关以上各类误差中除多路径效应均具有较强的空间相关性，从而定位结果也有一定的

44、空间相关性。性，从而定位结果也有一定的空间相关性。 差分差分GPS的基本原理的基本原理 利用基准站（设在坐标精确已知的点上）测定具有空利用基准站（设在坐标精确已知的点上）测定具有空间相关性的误差或其对测量定位结果的影响，供流动间相关性的误差或其对测量定位结果的影响，供流动站改正其观测值或定位结果站改正其观测值或定位结果72差分差分GPS的基本原理的基本原理 差分改正数的类型差分改正数的类型 距离改正数：利用基准站坐标和卫星星历可计距离改正数：利用基准站坐标和卫星星历可计算出站星间的计算距离，计算距离减去观测距算出站星间的计算距离，计算距离减去观测距离即为距离改正数。离即为距离改正数。 位置（坐

45、标改正数）改正数：基准站上的接收位置（坐标改正数）改正数：基准站上的接收机对机对GPS卫星进行观测，确定出测站的观测坐卫星进行观测，确定出测站的观测坐标，测站的已知坐标与观测坐标之差即为位置标，测站的已知坐标与观测坐标之差即为位置的改正数。的改正数。73差分差分GPS对测量定位精度的改进对测量定位精度的改进74差分差分GPS的分类的分类根据时效性根据时效性 实时差分实时差分 事后差分事后差分根据观测值类型根据观测值类型 伪距差分伪距差分 载波相位差分载波相位差分根据差分改正数根据差分改正数 位置差分（坐标差分）位置差分（坐标差分） 距离差分距离差分根据工作原理和差分模型根据工作原理和差分模型

46、局域差分（局域差分（LADGPS Local Area DGPS） 单基准站差分单基准站差分 多基准站差分多基准站差分 广域差分（广域差分（WADGPS Wide Area DGPS）位置差分位置差分距离差分距离差分距距离离改改正正坐坐标标改改正正75位置差分和距离差分的特点位置差分和距离差分的特点 位置差分位置差分 差分改正计算的数学模型简单差分改正计算的数学模型简单 差分数据的数据量少差分数据的数据量少 基准站与流动站要求观测完全相同的一组卫星基准站与流动站要求观测完全相同的一组卫星 距离差分距离差分 差分改正计算的数学模型较复杂差分改正计算的数学模型较复杂 差分数据的数据量较多差分数据的

47、数据量较多 基准站与流动站不要求观测完全相同的一组卫基准站与流动站不要求观测完全相同的一组卫星星76单基准站局域差分单基准站局域差分 结构结构 基准站（一个）、数据通讯链和用户基准站（一个）、数据通讯链和用户 数学模型（差分改正数的计算方法数学模型（差分改正数的计算方法） 提供距离改正和距离改正的变率提供距离改正和距离改正的变率 特点特点 优点：结构、模型简单优点：结构、模型简单 缺点：差分范围小，精度随距基准站距离的增加而下缺点：差分范围小，精度随距基准站距离的增加而下降，可靠性低降，可靠性低的变率。为距离改正数为距离改正数；dtdVVtdtdVtVttVii)()(77基准站基准站数据通讯

48、链数据通讯链流动站（用户）流动站（用户）78 结构结构 基准站（多个）、数据通讯链和用户基准站（多个）、数据通讯链和用户 数学模型（差分改正数的计算方法数学模型（差分改正数的计算方法） 加权平均加权平均 偏导数法偏导数法 最小方差法最小方差法 特点特点 优点：差分精度高、可靠性高，差分范围增大优点：差分精度高、可靠性高，差分范围增大 缺点：差分范围仍然有限，模型不完善缺点：差分范围仍然有限，模型不完善多基准站局域差多基准站局域差分分79多基准站差分系统结构多基准站差分系统结构80广域差分广域差分 结构结构 基准站（多个）、数据通讯链和用户基准站（多个）、数据通讯链和用户 数学模型（差分改正数的

49、计算方法数学模型（差分改正数的计算方法） 与普通差分不相同与普通差分不相同 普通差分是考虑的是误差的综合影响普通差分是考虑的是误差的综合影响 广域差分对各项误差加以分离，建立各自的改正模型广域差分对各项误差加以分离，建立各自的改正模型 用户根据自身的位置，对观测值进行改正用户根据自身的位置，对观测值进行改正 特点特点 优点：差分精度高、差分精度与距离无关、差分范围优点：差分精度高、差分精度与距离无关、差分范围大大 缺点：系统结构复杂、建设费用高缺点：系统结构复杂、建设费用高81差分差分GPS的新进展的新进展 增强型系统增强型系统 特点特点 伪卫星技术伪卫星技术 卫星通讯技术卫星通讯技术 类型类

50、型 LAAS Local Area Augmentation System 采用地基伪卫星采用地基伪卫星 WAAS Wide Area Augmentation System 采用空基伪卫星采用空基伪卫星 采用通讯卫星发送差分改正数采用通讯卫星发送差分改正数WAAS82差分差分GPS的新进展的新进展 网络网络RTK 作业模型类似作业模型类似RTK 原理原理 利用基准站网计算出用户附近某点（虚拟参考站）利用基准站网计算出用户附近某点（虚拟参考站）各项误差改正，再将它们加到利用虚拟参考站坐标各项误差改正，再将它们加到利用虚拟参考站坐标和卫星坐标所计算出的距离之上，得出虚拟参考站和卫星坐标所计算出的