GPS测量原理与应用-讲义-第五讲.pdf
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1、第五讲第五讲 GPS动态定位原理动态定位原理(The Dynamic Position Theory of GPS)动态动态GPS的应用前景。的应用前景。5.1 GPS动态绝对定位原理动态绝对定位原理特点:特点:GPS动态绝对定位动态绝对定位在在GPS动态绝对定位中,则是要确定处于运动载体上的接收机天线相位中心的瞬间位置。由于接收机天线处于运动状态,故天线相位中心的坐标是一个连续变化的量,因此确定每一瞬间坐标的观测方程只有较少的多余观测动态绝对定位中,则是要确定处于运动载体上的接收机天线相位中心的瞬间位置。由于接收机天线处于运动状态,故天线相位中心的坐标是一个连续变化的量,因此确定每一瞬间坐标
2、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),且绝对定位一般利用,且绝对定位一般利用C/A码伪距作为观测量,因此其定位精度较低,往往仅有十几到几十米的精度,在码伪距作为观测量,因此其定位精度较低,往往仅有十几到几十米的精度,在SA政策执行期间,其定位精度甚至低于百米。通常这种定位方法只用于精度要求不高的飞机、船舶以及陆地车辆等运动载体的导航。政策执行期间,其定位精度甚至低于百米。通常这种定位方法只用于精度要求不高的飞机、船舶以及陆地车辆等运动载体的导航。 数学模型数学模型如果在历元如果在历元t时刻,观测了测站到卫星之间的伪距,则有时刻,观测了测站到卫星之间的伪距,则有( )
3、( )( )( )( )( )jjjiiiiiDtItTDtct ttctt=+%如果利用导航电文提供的改正量以及改正模型,对伪距观测量)(tDji进行修正,并取( )( )()( )jjiijiiDtItT tcDttt=+%(5-1)(5-2)则伪距观测方程(51) 可写为( )()jijiiDtcttDt+=(5-3)222()( )()jjjiijiiDxtxyyzz=+(5-3)线性化后可得0( )( )( )( )( )( )jjjiijjiiiiiiilmnDtDttXtYtZct t=+假设在历元t,由测站i同步观测j颗卫星(1,2,., )jn=则可得由n个方程组成的伪距观测
4、方程组:0001111122222( )( )( )( )( )( )( )( )( )( ).( )( )( )( )( )iiiiiiiiiiiiiiiiiinnnnniiiiiiiiiDtDtltXmtYntZctDtDtltXmtYntZctDtDtltXmtYntZct=+=+=+可得误差方程的矩阵形式:( )( )( )iV tA tXL t=+(1)当观测4颗卫星时( )( )AL0tXt=1( )( )XALtt=(2)当观测4颗以上卫星时由最小二乘法,可求得由最小二乘法,可求得)()()()(1tLtAtAtAXTT=由此可得待定点的三维坐标:由此可得待定点的三维坐标:+=i
5、iiiiiiiiZYXZYXZYX000第五讲第五讲 GPS动态定位原理动态定位原理(The Dynamic Position Theory of GPS)5.2 GPS动态相对定位与差分动态相对定位与差分GPSGPS动态绝对定位动态绝对定位优势优势:作业简单,易于快速实现;:作业简单,易于快速实现;缺点缺点:受到卫星星历误差、钟差及信号传播误差等诸多传播因素的影响,其定位精度不高。:受到卫星星历误差、钟差及信号传播误差等诸多传播因素的影响,其定位精度不高。相对定位的精度高相对定位的精度高解决动态问题GPS 动 态相对定位动 态相对定位用两台GPS接收机,将一台接收机安设在基准站上固定不动,另
6、一台接收机安置在运动的载体上,两台接收机同步观测相同的卫星,通过在观测值之间求差,以消除具有相关性的误差,提高定位精度。差分GPS定位定位误差GPSDGPS定位误差GPSDGPS卫星星历误差/m100.000.00卫星钟误差/m5.000.00电离层/对流层延迟误差/m6.41/0.400.15接收机噪声/量化误差/m2.440.61接收机通道误差/m0.610.61多路径效应/m3.053.05UERE(rms)/m100.403.97水平位置误差(HDOP=1.5)/m150.605.95垂直位置误差(VDOP=2.5)/m251.005.95GPS定位和差分定位和差分GPS定位的误差估计
7、定位的误差估计 5.3 差分GPS定位原理位置差分位置差分GPS是一种最简单的差分方法。安置在已知点基准站上的是一种最简单的差分方法。安置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颗以上的卫星观测,便可实现定位。先求出基准站的坐标颗以上的卫星观测,便可实现定位。先求出基准站的坐标(X,Y,Z),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,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(X,Y,Z)不一样,存在误差。即:不一样,存在误差。即:XXXYYYZZZ=kkkkkkXXXYYYZZZ=+=+=+优点:(优点
8、:(1)需要传输的差分改正数较少;()需要传输的差分改正数较少;(2)计算方法较简单;()计算方法较简单;(3)便于改装。)便于改装。缺点:(缺点:(1)要求基准站与用户站必须保持观测同一组卫星,由于基准站与用户站接收机配备的可能不完全相同,且两站观测环境也不会完全相同,因此难以保证两站观测同一组卫星,并会导致定位所产生的误差可能会不很匹配,从而影响定位精度;()要求基准站与用户站必须保持观测同一组卫星,由于基准站与用户站接收机配备的可能不完全相同,且两站观测环境也不会完全相同,因此难以保证两站观测同一组卫星,并会导致定位所产生的误差可能会不很匹配,从而影响定位精度;(2) 坐标差分定位效果不
9、如以下介绍的伪距差分好。坐标差分定位效果不如以下介绍的伪距差分好。伪距差分伪距差分是目前应用最广泛的差分定位技术之一。是目前应用最广泛的差分定位技术之一。其基本原理是:其基本原理是:在基准站上利用已知坐标求出测站至卫星的距离;然后将其与接收机测定的含有各种误差的伪距进行比较,并利用一个滤波器对所获得的差值进行滤波求出其偏差(在基准站上利用已知坐标求出测站至卫星的距离;然后将其与接收机测定的含有各种误差的伪距进行比较,并利用一个滤波器对所获得的差值进行滤波求出其偏差(伪距改正数伪距改正数);最后将所有卫星的伪距改正数传输给用户站,用户站利用此伪距改正数改正所测量的伪距,求出用户站自身的坐标 。)
10、;最后将所有卫星的伪距改正数传输给用户站,用户站利用此伪距改正数改正所测量的伪距,求出用户站自身的坐标 。jijijijijijidDTIttcDD+=)(测站i与卫星j之间在t时刻的伪距为:222)()()(ijijijjiZZYYXXD+=(基准站理想伪距)jijkjiDDD=(基准站伪距改正)jijijiDDD=优点:优点:由于伪距差分可提供单颗卫星的距离改正数,因此用户站可选其中任意由于伪距差分可提供单颗卫星的距离改正数,因此用户站可选其中任意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,且伪距改正数是直接在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
11、完全相同,且伪距改正数是直接在WGS-84坐标系上进行的,是一种直接改正数,不必先变换为当地坐标,定位精度更高,且使用更方便。坐标系上进行的,是一种直接改正数,不必先变换为当地坐标,定位精度更高,且使用更方便。局限性:局限性:由于差分定位依赖于两站公共误差的抵消来提高定位精度,误差抵消的程度决定了定位精度的高低。而误差的公共性在很大程度依赖于两站距离,随着两站距离的增加,其误差公共性逐渐减弱,例如对流层、电离层误差。因此用户站和基准站之间的距离对精度有着决定性的影响。由于差分定位依赖于两站公共误差的抵消来提高定位精度,误差抵消的程度决定了定位精度的高低。而误差的公共性在很大程度依赖于两站距离,
12、随着两站距离的增加,其误差公共性逐渐减弱,例如对流层、电离层误差。因此用户站和基准站之间的距离对精度有着决定性的影响。jiD相位平滑伪距差分相位平滑伪距差分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,如果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,但是载波相位整周数无法直接测得,因而难以直接利用载波观测值。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化信息,即可获得伪距变化率的信息,可利用这一信息来辅助伪距差分定位,称为载波多普勒计数平滑伪距;另外,在两历元间求差,可消除整周未知数,可利用历元间的相位差观测值对伪距进行修正,即所谓的相位平滑伪距。 5.
13、4 载波相位差分载波相位差分GPS定位原理定位原理(先交代为什么采用?技术难点,问题解决)(先交代为什么采用?技术难点,问题解决)基本思想基本思想是:在基准站上安置一台是:在基准站上安置一台GPS 接收机,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;用户站一方面通过接收机接收接收机,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;用户站一方面通过接收机接收GPS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,然后根据相对定位原理,实时地进行处理数据,并实时地以厘米级的精度给出用户站的三维坐标 。卫星信号,同时还
14、通过无线电接收设备接收基准站传送的观测数据,然后根据相对定位原理,实时地进行处理数据,并实时地以厘米级的精度给出用户站的三维坐标 。修正法求差法方法修正法求差法方法 修正法基准站将载波相位的修正量发送给用户站,以对用户站的载波相位进行改正实现定位。修正法基准站将载波相位的修正量发送给用户站,以对用户站的载波相位进行改正实现定位。 求差法求差法求差法求差法就是将基准站观测的载波相位观测值实时地发送给用户观测站,在用户站对载波相位观测值求差,获得诸如静态相对定位的单差、双差、三差求解模型,并采用与静态相对定位类似的求解方法进行求解。就是将基准站观测的载波相位观测值实时地发送给用户观测站,在用户站对
15、载波相位观测值求差,获得诸如静态相对定位的单差、双差、三差求解模型,并采用与静态相对定位类似的求解方法进行求解。 整周未知数的动态求解整周未知数的动态求解在在GPS动态定位中,快速准确求定动态定位中,快速准确求定“整周未知数整周未知数”的整数解较的整数解较GPS静态定位具有更为重要的意义。由于在动态定位的短时间观测中,卫星位置相对接收机变化非常小静态定位具有更为重要的意义。由于在动态定位的短时间观测中,卫星位置相对接收机变化非常小(因为卫星轨道很高 ,约因为卫星轨道很高 ,约2104km),此时,准确求定整周未知数具有相当难度。如整周未知数为实数,则由载波相位观测值求得的,此时,准确求定整周未
16、知数具有相当难度。如整周未知数为实数,则由载波相位观测值求得的GPS伪距观测值不准确,从而导致伪距观测值不准确,从而导致GPS基线解的精度不高,难以实现基线解的精度不高,难以实现快速准确快速准确定位。反之,当整周未知数以整数正确确定,则高精度的载波相位观测值就可以作为高精度的伪距观测值,极大地提高基线解的精度,从而达到大大缩短观测时间的目的。因此整周知数的快速准确确定,是定位。反之,当整周未知数以整数正确确定,则高精度的载波相位观测值就可以作为高精度的伪距观测值,极大地提高基线解的精度,从而达到大大缩短观测时间的目的。因此整周知数的快速准确确定,是GPS动态定位的动态定位的瓶颈瓶颈问题,成为目
17、前问题,成为目前GPS研究的热点领域之一。研究的热点领域之一。FARA(Fast Ambiguity Resolution Approach)-快速静态整周未知数解算法快速静态整周未知数解算法OTF ( On The Fly Ambiguity Resolution)-运动中快速求解整周未知数运动中快速求解整周未知数(1)最小二乘搜索法)最小二乘搜索法基本思想基本思想是首先确定未知点的初始坐标,进而得到整周未知数的初值,然后以此值为中心,建立搜索区域,最后按最小二乘原理在此区域内搜索出正确的整周未知数。是首先确定未知点的初始坐标,进而得到整周未知数的初值,然后以此值为中心,建立搜索区域,最后按
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- GPS 测量 原理 应用 讲义 第五
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