GPS卫星定位基本原理课件.ppt

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1、第五章第五章 GPS卫星定位基本原理卫星定位基本原理2023/2/725.GPS卫星定位基本原理卫星定位基本原理l5.1 概述l5.2 伪距测量（重点）l5.3 载波相位测量（重点和难点）l5.4 整周跳变的修复l5.5 GPS绝对定位与相对定位l5.6 美国的GPS政策l5.7 差分GPS定位原理（重点和难点）2023/2/735.1 概述概述2023/2/74测距交会测距交会l如图所示，A、B为坐标已知的控制点，P为待求点，在A、B两点已分别利用全站仪测了距离Sa和Sb。2023/2/75无线电导航定位系统无线电导航定位系统l设想在地面上有三个无线电信号发射台，其坐标为已知，用户接收机在某

2、一时刻采用无线电测距的方法分别测得了接收机至三个发射台的距离d1、d2、d3。只需以三个发射台为球心，以d1、d2、d3为半径作出三个定位球面，即可交会出用户接收机的空间位置。2023/2/76无线电导航定位系统无线电导航定位系统l如果只有两个无线电发射台，则可根据用户接收机的概略位置交会出接收机的平面位置。2023/2/77卫星激光测距系统卫星激光测距系统l近代卫星大地测量中的卫星激光测距定位也是应用了测距交会定位的原理与方法。虽然用于激光测距的卫星是在不停地运动中，但总可以利用固定于地面上的三个已知点上的卫星激光测距仪同时测定某一时刻至卫星的空间距离，应用测距交会的原理便可确定该时刻卫星的

3、空间位置。2023/2/78GPS定位基本原理定位基本原理l将无线电信号发射台从地面电搬到卫星上，组成一颗卫星导航定位系统，应用无线电测距交会原理，便可由三个以上地面已知点交会出卫星的位置，反之利用三颗以上卫星的已知空间位置又可交会出地面未知点的位置。这便是GPS卫星定位的基本原理。演示动画演示动画2023/2/79GPS定位基本原理定位基本原理lGPS卫星发射测距信号和导航电文，导航电文含有卫星的位置信息。用户用GPS接收机在某一时刻同时接收三颗以上的卫星信号，测量出测站点(接收机的天线中心)P到三颗以上卫星的距离并解算出该时刻卫星的空间坐标，据此利用距离交会法解算出测站点P的位置。2023

4、/2/710GPS定位基本原理定位基本原理l如图所示，设在时刻t在测站点P用GPS接收机同时测得P点至三颗GPS卫星的距离，通过GPS电文解译出该时刻三颗GPS卫星的三维坐标，用距离交会的方法求得P点的三维坐标。2023/2/711GPS定位方法定位方法lGPS定位的方法是多种多样的，用户可以根据不同的用途采用不同的定位方法。GPS定位方法可依据不同的分类标准，作如下划分:2023/2/7121、根据定位所采用的观测值、根据定位所采用的观测值l1)伪距定位l2)载波相位定位2023/2/7132、根据定位时接收机的运动状、根据定位时接收机的运动状态态l静态定位l对于固定不动的待定点，将GPS接

5、收机安装在上面，观测数分钟乃至更长的时间，以确定该点的三维坐标。2023/2/7142、根据定位时接收机的运动状、根据定位时接收机的运动状态态l动态定位l至少有一台接收机处于运动状态，测定的是各观测时刻运动中的接收机的点位。2023/2/7153.根据定位的模式根据定位的模式l绝对定位l独立确定待定点在坐标系统中的绝对位置的方法称为绝对定位或单点定位。2023/2/7163.根据定位的模式根据定位的模式l相对定位l相对定位是确定同步跟踪相同的GPS卫星信号的若干台接收机之间的相对位置的一种定位方法。2023/2/7173.根据定位的模式根据定位的模式l差分定位l在基准点上观测求得大气折射等改正

6、，并及时发送给流动站，流动站用收到的改正数对观测数据进行改正，得精确点位。2023/2/7184.根据获取定位结果的时间根据获取定位结果的时间l实时定位l实时定位是根据接收机观测到的数据，实时地解算出接收机天线所在的位置。2023/2/7194.根据获取定位结果的时间根据获取定位结果的时间l非实时定位l非实时定位又称后处理定位，它是通过对接收机接收到的数据进行后处理以进行定位的方法。2023/2/720小结小结2023/2/7215.2 伪距测量伪距测量2023/2/7225.2 伪距测量伪距测量l定义l伪距法定位是由GPS接收机在某一时刻测出得到四颗以上GPS卫星的伪距以及己知的卫星位置，采

7、用距离交会的方法求定接收机天线所在点的三维坐标。2023/2/7235.2 伪距测量伪距测量l所测伪距就是由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得出的量测距离。演示动画演示动画2023/2/7245.2 伪距测量伪距测量l由于卫星钟、接收机钟的误差以及无线电信号经过电离层和对流层的延迟，实际测出的距离与卫星到接收机的几何距离有一定差值，因此称量测出的距离为伪距。2023/2/725伪距测量原理伪距测量原理2023/2/726伪距测量原理方程伪距测量原理方程 伪距测量值伪距测量值;卫星至接收机的几何距离卫星至接收机的几何距离;c 为信号传播速度，即光速为信号传播速度，即光速;

8、接收机钟差，下标接收机钟差，下标k表示接收机号表示接收机号;卫星钟差，上标卫星钟差，上标j表示卫星号表示卫星号;分别为电离层、对流层改正项分别为电离层、对流层改正项;2023/2/727伪距定位观测方程伪距定位观测方程l在上式中，电离层和对流层改正可以按照一定的模型进行计算，卫星钟差可以自导航电文中取得。而几何距离与卫星坐标(Xs,Ys,Zs)与接收机坐标(X,Y,Z)之间有如下关系:2023/2/728伪距定位观测方程伪距定位观测方程l式中卫星坐标可根据卫星导航电文求出，所以式中只有接收机坐标三个未知数。l如果将接收机钟差也作为未知数，则共有四个未知数，接收机必须同时至少测定四颗卫星的距离才

9、能解算出接收机的三维坐标值.因此上两式可写成:2023/2/7295.3 载波相位测量载波相位测量2023/2/730为什么采用载波相位测量为什么采用载波相位测量l载波相位测量是利用GPS卫星发射的载波为测距信号。l由于载波的波长(L119cm，L224cm)比测距码波长(C/A=293m,p=29.3m)要短得多，因此对载波进行相位测量，就可能得到较高的测量定位精度。2023/2/731重建载波重建载波l码相关法l平方法2023/2/7325.3.1 载波相位测量原理载波相位测量原理2023/2/7335.3.1 载波相位测量原理载波相位测量原理l测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成：

10、(1)初始整周未知数N0；(2)t0至ti时刻的整周记数 Int（）；(3)小于一周的 相位差(t)如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初始整周未知如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初始整周未知数数N0，为了利用载波相位进行定位，必须设法先解算出初始整，为了利用载波相位进行定位，必须设法先解算出初始整周未知数，取得总观测值周未知数，取得总观测值2023/2/7345.3.2 载波相位测量的观测方程载波相位测量的观测方程2023/2/7355.3.3 整周未知数整周未知数N0的确定的确定l整周未知数N0的确定是载波相位测量中特有的问题，也是进一步提高GPS定位精度、提高作业速度的关

11、键所在。l目前，确定整周未知数的方法主要有四种：伪距法、N0作为未知数参与平差法、三差法和快速确定整周未知数法。2023/2/736载波相位观测应注意：载波相位观测应注意：1.整周数的变化部分由计数器记录，此间信号不能间断，如果此间到达接收机的信号被遮挡，造成失锁，遮挡期间整周记数暂停，遮挡移去后继续记数，这就丢掉了遮挡期间的若干整周数。这种情况叫整周跳整周跳。引起周跳的另一原因是强电磁干扰。l设卫星与接收机的相对运动速度为1km/s，L1载波波长为19cm，信号间断1秒钟，产生1000/0.19=5263周的周跳。2023/2/737载波相位观测应注意：载波相位观测应注意：2因各项误差影响，

12、整周未知数往往不为整数。2023/2/7385.4 整周跳变的修复整周跳变的修复2023/2/739l任意时刻ti的载波相位测量的实际量值为：小于一周的相位小于一周的相位差差 初始时刻初始时刻t0的整周数的整周数 从初始时刻从初始时刻t0到到ti时刻为止用计数器逐个累计时刻为止用计数器逐个累计 的差频信号的整周数的差频信号的整周数2023/2/740什么是周跳什么是周跳l 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，受无线电信号干扰造成失锁，这样，计数器无法连续计数，因此，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。l这种现象称为周跳

13、。2023/2/741整周跳变的探测与修复整周跳变的探测与修复l定义：l探测出在何时发生了周跳并求出丢失的整周数，对中断后的整周记数进行改正，将其恢复为正确的计数，使这部分观测值仍可使用。2023/2/742在何种情况下修复周跳有意义？在何种情况下修复周跳有意义？l如果因为电源的故障或振荡器本身的故障使信号暂时中断，那么中断前后信号本身失去了连续性。恢复正常工作后的观测值中不但整周计数不正确，不足整周的部分也不对。l这时，修复周跳没有意义。2023/2/743在何种情况下修复周跳有意义？在何种情况下修复周跳有意义？l如果是其他原因，如卫星信号被某些障碍物挡住，外界干扰使信号暂时失锁等，使信号整

14、周计数暂时中断，而不足一周的相位差部分仍是正确的。l这时，修复周跳才有意义。2023/2/744 整周跳变的探测与修复常用的方法整周跳变的探测与修复常用的方法l屏幕扫描法l此种方法是由作业人员在计算机屏幕前依次对每个站、每个时段、每个卫星的相位观测值变化率的图像进行逐段检查，观测其变化率是否连续。如果出现不规则的突然变化时，就说明在相应的相位观测中出现了整周跳变现象。然后用手工编辑的方法逐点、逐段修复。2023/2/745 整周跳变的探测与修复常用的方法整周跳变的探测与修复常用的方法l用高次差或多项式拟合法2023/2/746整周跳变的探测与修复常用的方法整周跳变的探测与修复常用的方法l在卫星

15、间求差法l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。2023/2/747整周跳变的探测与修复常用的方法整周跳变的探测与修复常用的方法l用双频观测值修复周跳l对于双频接受机，有两个载波频率f1和f2，载波相位观测值可写为：2023/2/748用双频观测值修复周跳用双频观测值修复周跳l采用双频载波相位观测值的组合，并考虑到电离层折射改正 ，则有2023/2/749用双频观测值修复周跳用双频观测值修复周跳l利用组合后的 值，便可探测整周数的跳变，因为电离层残差项很小。l所以

16、这种方法又叫电离层残差法。2023/2/750用双频观测值修复周跳用双频观测值修复周跳l优点：l组合后的 值中，只涉及频率，取决于电离层残差影响，无须预先知道测站和卫星的坐标。2023/2/751用双频观测值修复周跳用双频观测值修复周跳l缺点：l不能顾及多路径效应和测量噪声的影响，另外如果两个载波相位观测值中都出现周跳，则不能采用这种方法，而只能采用其他方法探测和修复周跳。2023/2/752整周跳变的探测与修复常用的方法整周跳变的探测与修复常用的方法l根据平差后的残差发现和修复整周跳变l用这些观测值来进行平差计算，求得各观测值的残差。由于载波相位测量的精度很高，因而这些残差的数值一般均很小。

17、有周跳的观测值上则回出现很大的残差，据此可以发现和修复周跳。2023/2/7535.5 GPS绝对定位与相对定位绝对定位与相对定位2023/2/754GPS绝对（单点）定位原理绝对（单点）定位原理2023/2/755绝对定位的定义绝对定位的定义l绝对定位也称单点定位，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）绝对坐标的一种方法。l”绝对”一词主要是为了区别相对定位，绝对定位和相对定位在观测方式、数据处理、定位精度以及应用范围等方面均有原则区别。2023/2/756绝对定位的分类绝对定位的分类l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，所

18、依据的观测量都是所测的站星伪距。l根据观测量的性质，伪距有测码伪距和测相伪距，绝对定位相应分为测码伪距绝对定位和测相伪距绝对定位。2023/2/757静态绝对定位原理静态绝对定位原理l静态绝对定位时观测站是固定的，可以于不同历元同步观测不同卫星，取得充分多的伪距观测量，通过最小二乘法平差，提高定位精度。2023/2/758最小二乘法最小二乘法l最小二乘法是一种数学优化技术，它通过最小化误差的平方和找到一组数据的最佳函数匹配。l最小二乘法是用最简的方法求得一些绝对不可知的真值，而令误差平方之和为最小。2023/2/759最小二乘法最小二乘法l比如从最简单的一次函数y=kx+b讲起：l已知坐标轴上

19、有些点：(1.1,2.0),(2.1,3.2),(3,4.0),(4,6),(5.1,6.0),l求经过这些点的图象的一次函数关系式.当然这条直线不可能经过每一个点当然这条直线不可能经过每一个点,我们只要做到我们只要做到5个个点到这条直线的距离的平方和最小即可。点到这条直线的距离的平方和最小即可。2023/2/760最小二乘平差最小二乘平差l在实际测量工作中，一般要进行多余观测。这对观测值可能的误差有补偿作用，更重要的是可以改进测量成果的质量。由于有了多余观测，就不能得到精确地满足条件的唯一解。2023/2/761最小二乘平差最小二乘平差l因此，必须采取一定的方法来改正观测值以满足条件。每个观

20、测值的改正数称为观测残差。l最小二乘平差方法通过使观测值残差平方和为最小的条件，使观测值满足模型要求，此残差被称为最小二乘改正数。2023/2/762测码伪距静态绝对定位测码伪距静态绝对定位l若n为观测历元数，在忽略接收机钟差随时间变化的情况下，可得相应的误差方程：2023/2/763测码伪距静态绝对定位测码伪距静态绝对定位2023/2/764测码伪距静态绝对定位测码伪距静态绝对定位l如果观测的时间较长，接收机钟差的变化往往不能忽略。根据不同情况，或者将钟差表示为多项式形式，把多项式系数作为未知数在平差计算中求解；或简单地对不同观测历元引入相异的独立钟差参数，在平差计算中一并解算。2023/2

21、/765动态绝对定位动态绝对定位l在用户接受机安置在运动的载体上并处于动态情况下，确定载体瞬时绝对位置的定位方法。l关于动态定位的原理和方法，在第六章中讨论。2023/2/766应用载波相位观测值进行静态绝应用载波相位观测值进行静态绝对定位对定位l载波相位观测值精度高，有可能获得精度较高的定位结果。但定位精度仍受卫星轨道误差和大气折射误差等影响，只有当卫星轨道精度较高，并以必要的精度对观测量加入电离层和对流层等项修正，才能发挥测相法绝对定位潜能；l同时如何防止和修复整周变跳，对保障定位精度十分重要。2023/2/767应用载波相位观测值进行静态绝应用载波相位观测值进行静态绝对定位对定位l另外，

22、整周未知数N0,理论上是整数，但由于观测误差和各修正量误差的影响，平差求解后不再是整数。l如果把非整数的整周未知数调整为相近的整数，作为固定值代入重新求解其它未知参数，所得的解称为固定解，而相应整周未知数为非整数的解成为浮动解。2023/2/768观测卫星的几何分布及其对绝对观测卫星的几何分布及其对绝对定位精度的影响定位精度的影响l利用GPS进行绝对定位或单点定位时，定位精度主要取决于（1）所测卫星在空间的几何分布（通常称为卫星分布的几何图形）（2）观测量精度2023/2/769绝对定位精度的评价绝对定位精度的评价l由伪距绝对定位的权系数阵Qx可知，其在空间直角坐标中的一般形式为：2023/2

23、/770绝对定位精度的评价绝对定位精度的评价l实际应用中，为了估算测站点的位置精度，常采用其在大地坐标系统中的表达形式。假设在大地坐标系统中相应点位坐标的权系数阵为：2023/2/771绝对定位精度的评价绝对定位精度的评价l根据方差与协方差传播定律可得：l式中2023/2/772绝对定位精度的评价绝对定位精度的评价l为了评价定位结果，在导航学中，一般采用有关精度因子（精度衰减因子、精度系数、精度弥散）DOP（Dilution Of Precision）的概念，l其定义：lDOP是权系数阵主对角线元素的函数，l0是等效距离误差。2023/2/773绝对定位精度的评价绝对定位精度的评价l在实践中，

24、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：2023/2/774绝对定位精度的评价绝对定位精度的评价1.平面位置精度因子HDOP(horizontal DOP)及相应的平面位置精度：2023/2/775绝对定位精度的评价绝对定位精度的评价2.高程精度因子 VDOP(Vertical DOP)及其相应的高程精度：2023/2/776绝对定位精度的评价绝对定位精度的评价3.空间位置精度因子 PDOP(Position DOP)及其相应的三维定位精度：2023/2/777绝对定位精度的评价绝对定位精度的评价4.接收机钟差精度因子TDOP(Time DOP)及其钟差精度：2023/

25、2/778绝对定位精度的评价绝对定位精度的评价5.几何精度因子GDOP(Geometric DOP)及其三维位置和时间误差综合影响的中误差MG：2023/2/779绝对定位精度的评价绝对定位精度的评价l精度因子的数值与所测卫星的几何分布图形有关。假设由观测站与四颗观测卫星所构成的六面体体积为 V，则分析表明，精度因子GDOP与该六面体体积V的倒数成正比，即：2023/2/780绝对定位精度的评价绝对定位精度的评价l六面体的体积越大，所测卫星在空间的分布范围也越大，GDOP值越小；反之，卫星分布范围越小，GDOP值越大。2023/2/781绝对定位精度的评价绝对定位精度的评价l实际工作中选择和评

26、价观测卫星分布图形：一颗卫星处于天顶，其余3颗卫星相距1200时，所构成的六面体体积接近最大。2023/2/782相对定位相对定位l相对定位是用两台接收机分别安置在基线的两端，同步观测相同的GPS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，通过同步观测 GPS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。2023/2/783相对定位相对定位l相对定位有静态相对定位和动态相对定位之分。l动态相对定位在第六章中详细叙述，这里仅讨论静态相对定位。2023/2/784静态相对定位静态相对定位2023/2/785观测值的线

27、性组合观测值的线性组合l 在两个观测站或多个观测站同步观测相同卫星的情况下，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，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的影响，从而提高相对定位的精度。2023/2/786观测值的线性组合观测值的线性组合lGPS载波相位观测值可以在卫星间求差，在接收机间求差，也可以在不同历元间求差。各种求差法都是观测值的线性组合。2023/2/787一次差一次差l将观测值直接相减的过程叫做求一次差。所获得的结果被当作虚拟观测值，叫做载波相位观测值的一次差或单差。l常用的求一次差是在接收

28、机间求一次差。2023/2/788二次差二次差l对载波相位观测值的一次差分观测值继续求差，所得的结果仍可以被当作虚拟观测值，叫做载波相位观测值的二次差或双差。2023/2/789三次差三次差l对二次差继续求差称为求三次差。所得结果叫做载波相位观测值的三次差或三差。常用的求三次差是在接收机、卫星和历元之间求三次差。2023/2/790差分观测值差分观测值l上述各种差分观测值模型能够有效地消除各种偏差项。l单差观测值中可以消除与卫星有关的载波相位及其钟差项，l双差观测值中可以消除与接收机有关的载波相位及其钟差项，l三差观测值中可以消除与卫星和接收机有关的初始整周模糊度项N。2023/2/791差分

29、观测值差分观测值l因而差分观测值模型是 GPS测量应用中广泛采用的平差模型。特别是双差观测值即站星二次差分模型，更是大多数GPS基线向量处理软件包中必选的模型。2023/2/792观测方程的线性化及平差模型观测方程的线性化及平差模型l为了求解观测站之间的基线向量，首先应将观测方程线性化，然后列出相应的误差方程式，应用最小二乘平差原理求解观测站之间的基线向量。2023/2/793观测方程的线性化及平差模型观测方程的线性化及平差模型l(1)单差观测方程的误差方程式模型2023/2/794观测方程的线性化及平差模型观测方程的线性化及平差模型l(2)双差观测方程的误差方程式模型2023/2/795观测

30、方程的线性化及平差模型观测方程的线性化及平差模型l与单差观测值不同的是，双差观测值之间有相关性，这里的权阵P不再是对角阵。如在一次观测中对nj个卫星进行了相位测量，可以组成nj 1个双差观测值。形成这些双差观测值时，有的单差观测值被使用多次，因而双差观测值是相关的。2023/2/796观测方程的线性化及平差模型观测方程的线性化及平差模型l为使权阵形式较为简洁，可以选择一个参考卫星，其它卫星的观测值都与参考卫星的单差观测值组成双差。2023/2/7975.6 美国的美国的GPS政策政策2023/2/798美国的美国的SA和和AS政策政策lGPS卫星发射的无线电信号含有两种精度不同的测距码，即所谓

31、P码(也称精码)和 C/A码(也称粗码)。l相应两种测距码GPS将提供两种定位服务方式，即精密定位服务(PPS)和标准定位服务(SPS)。2023/2/799美国的美国的SA和和AS政策政策l精密定位服务的主要对象是美国军事部门和其他特许的部门。l标准定位服务的主要对象是广大的民间用户。2023/2/7100美国的美国的SA和和AS政策政策l美国为了防止未经许可的用户把GPS用于军事目的(进行高精度实时动态定位)，于1989年11月开始至1990年9月，进行“SA”和“AS”技术的实验，并于1941年7月开始实施SA技术。2023/2/7101SA技术技术lSA(Selective Avail

32、ability）技术称为有选择可用性技术，即人为地将误差引入卫星钟和卫星数据中，故意降低 GPS定位精度。使 C/A码定位的精度从原来的20m降低到100m。2023/2/7102SA技术技术l SA技术的主要内容:(1)在广播星历中，对GPS卫星的基准频率采用技术，使星历精度降低，其变化为无规律的随机变化。(2)在卫星钟的钟频信号中加高频抖动(即技术)。2023/2/7103AS技术技术lAS(AntiSpoofing)技术称为反电子欺骗技术。l其方法是:将P码与保密的W码相加成Y码，Y码严格保密。l其目的是:防止敌方使用P码进行精密导航定位。l当实施AS技术时，非特许用户将不能接收到P码。

33、这项技术，仅在特殊情况下使用。2023/2/7104 SA和和AS技术对定位的影响技术对定位的影响(1)降低单点定位的精度。(2)降低长距离相对定位的精度。(3)AS技术会对高精度相对定位数据处理，整周未知数的确定带来不便。2023/2/7105GPS现代化计划现代化计划2023/2/7106单点定位单点定位:2000年五月以前年五月以前2023/2/7107单点定位：目前单点定位：目前2023/2/7108单点定位单点定位:到到2009年年2023/2/7109单点定位单点定位:到到20132023/2/7110RTK定位定位:Today2023/2/7111RTK定位定位:将来将来2023

34、/2/7112针对针对SA和和AS政策的对策政策的对策(1)应用PW技术和L1与L2交叉相关技术，使L2载波相位观测值得到恢复，其精度与使用P码相同。(2)研制能同时接收GPS和GLONASS信号的接收机。(3)发展DGPS和WADGPS差分GPS系统。2023/2/7113针对针对SA和和AS政策的对策政策的对策(4)建立独立的GPS卫星测轨系统。(5)建立独立的卫星导航与定位系统。2023/2/71145.7 差分差分GPS定位原理定位原理2023/2/7115概述概述l差分GPS产生的诱因：绝对定位精度不能满足要求lGPS绝对定位的精度受多种误差因素的影响，不能完全满足某些特殊应用的要求

35、l美国的GPS政策对GPS绝对定位精度的影响（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2023/2/7116概述概述l差分GPS（DGPS Differential GPS）l利用设置在坐标已知的点（基准站）上的GPS接收机测定GPS测量定位误差，用以提高在一定范围内其它GPS接收机（流动站）测量定位精度的方法。2023/2/7117影响影响GPS定位的主要误差定位的主要误差l多台接受机公有的误差：卫星钟误差星历误差l采用差分技术，可以完全消除这部分误差。2023/2/7118影响影响GPS定位的主要误差定位的主要误差l传播延迟的误差：电离层误差对流层误差

36、l采用差分技术，可以部分消除这部分误差。（视基准站至用户的距离）2023/2/7119影响影响GPS定位的主要误差定位的主要误差l接收机固有的误差内部噪声通道延迟多路径效应2023/2/7120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2023/2/7121距距离离改改正正差分差分GPS的分类的分类l根据时效性根据时效性l实时差分l事后差分l根据观测值类型根据观测值类型l伪距差分l载波相位差分l根据差分改正数根据差分改正数l位置差分（坐标差分）l距离差分l根据工作原理和差分模型根据工作原理和差分模型l局域差分（LADGPS Local Area DGPS）l单基准站差分l多基准站差

37、分l广域差分（WADGPS Wide Area DGPS）坐坐标标改改正正位置差分位置差分距离差分距离差分2023/2/7122位置差分和距离差分的特点位置差分和距离差分的特点l位置差分l差分改正计算的数学模型简单l差分数据的数据量少l基准站与流动站要求观测完全相同的一组卫星l距离差分l差分改正计算的数学模型较复杂l差分数据的数据量较多l基准站与流动站不要求观测完全相同的一组卫星2023/2/71235.7.1 单站单站GPS的差分的差分2023/2/7124单站单站GPS的差分的差分l根据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分GPS定位分为三类，即：l位置差分l伪距差分l相位差分 基准基准站

38、站数据数据通讯通讯链链流动流动站站（用（用户）户）2023/2/7125单站单站GPS的差分的差分l这3类差分方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。所不同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。2023/2/7126位置差分原理位置差分原理 l这是一种最简单的差分方法，任何一种GPS接收机均可改装和组成这种差分系统。l安装在基准站上的GPS接收机观测4颗卫星后便可进行三维定位，解算出基准站的坐标。由于存在着轨道误差、时钟误差、SA影响、大气影响、多径效应以及其他误差，解算出的坐标与基准站的已知坐标是不一样的，

39、存在误差。基准站利用数据链将此改正数发送出去，由用户站接收，并且对其解算的用户站坐标进行改正。2023/2/7127位置差分原理位置差分原理l最后得到的改正后的用户坐标已消去了基准站和用户站的共同误差，例如卫星轨道误差、SA影响、大气影响等，提高了定位精度。l以上先决条件是基准站和用户站观测同一组卫星的情况。l位置差分法适用于用户与基准站间距离在100km以内的情况。2023/2/7128伪距差分原理伪距差分原理l伪距差分是目前用途最广的一种技术。几乎所有的商用差分GPS接收机均采用这种技术。国际海事无线电委员会推荐的RTCMSC-104标准也采用了这种技术。2023/2/7129伪距差分原理

40、伪距差分原理l在基准站上的接收机要求得它至可见卫星的距离，并将此计算出的距离与含有误差的测量值加以比较。利用一个-滤波器将此差值滤波并求出其偏差。然后将所有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。l最后，用户利用改正后的伪距来解出本身的位置，就可消去公共误差，提高定位精度。2023/2/7130伪距差分原理伪距差分原理l与位置差分相似，伪距差分能将两站公共误差抵消，但随着用户到基准站距离的增加又出现了系统误差，这种误差用任何差分法都是不能消除的。l用户和基准站之间的距离对精度有决定性影响。2023/2/7131载波相位差分原理载波相位差分原理l差分GPS的出现，能实时给定

41、载体的位置，精度为米级，满足了引航、水下测量等工程的要求。位置差分、伪距差分、伪距差分相位平滑等技术已成功地用于各种作业中。l随之而来的是更加精密的测量技术-载波相位差分技术。2023/2/7132载波相位差分原理载波相位差分原理l载波相位差分技术又称为RTK技术（realtimekinematic），是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。l它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。2023/2/7133载波相位差分原理载波相位差分原理l实现载波相位差分GPS的方法分为两类：修正法和差分法。2023/2/7134修正法修正法l与伪距差分相同，基准站将载波相位修正量发送给用户站，

42、以改正其载波相位，然后求解坐标。l此方法属于准RTK技术。2023/2/7135差分法差分法l将基准站采集的载波相位发送给用户，进行求差解算坐标。l此法为真正的RTK技术。2023/2/7136l单站差分GPS系统结构和算法简单，技术上较为成熟。主要用于小范围的差分定位工作。l对于较大范围的区域，则应用局部区域差分技术。l对于一国或几个国家范围的广大区域，应用广域差分技术。2023/2/71375.7.2 局部区域局部区域GPS差分系统差分系统2023/2/7138l结构l基准站（多个）、数据通讯链和用户l数学模型（差分改正数的计算方法）l加权平均l偏导数法l最小方差法l特点l优点：差分精度高

43、、可靠性高，差分范围增大l缺点：差分范围仍然有限，模型不完善局部区域局部区域GPS差分系统差分系统2023/2/71395.7.3 广域差分广域差分2023/2/7140广域差分广域差分GPS系统的基本思想系统的基本思想l对GPS观测量的误差源加以区分，并单独对每一种误差源分别加以“模型化”，然后将计算出的每一误差源的数值，通过数据链传输给用户，以对用户GPS定位的误差加以改正，达到削弱这些误差源，改善用户GPS定位精度的目的。2023/2/7141l结构l基准站（多个）、数据通讯链和用户l数学模型（差分改正数的计算方法）l与普通差分不相同l普通差分是考虑的是误差的综合影响l广域差分对各项误差

44、加以分离，建立各自的改正模型l用户根据自身的位置，对观测值进行改正l优缺点l优点：差分精度高、差分精度与距离无关、差分范围大l缺点：系统结构复杂、建设费用高2023/2/7142广域差分广域差分GPS系统的基本思想系统的基本思想l具体而言，它集中表现在三个方面：1.星历误差2.大气延时误差3.卫星钟差误差2023/2/7143广域差分广域差分GPS系统的工作流程系统的工作流程2023/2/7144广域差分广域差分GPS系统的特点系统的特点l广域差分GPS技术区分误差的目的就是最大限度地降低监测站与用户站间定位误差的时空相关，克服LADGPS对时空的强依赖性，改善和提高LADGPS中实时差分定位

45、的精度。l同LADGPS相比，WADGPS有如下特点:2023/2/7145广域差分广域差分GPS系统的特点系统的特点l(1)中心站、监测站与用户站的站间距离从100km增加到2000km，定位精度不会出现明显的下降，这就是说，WADGPS中用户的定位精度对空间距离的敏感程度比LADGPS低得多。l(2)在大区域内建立WADGPS网，需要的监测站数量很少，投资自然减小，比LADGPS具有更大的经济效益。2023/2/7146广域差分广域差分GPS系统的特点系统的特点l(3)WADGPS系统是一个定位精度均匀分布的系统，覆盖范围内任意地区定位精度相当，而且定位精度较LADGPS高。l(4)WAD

46、GPS的覆盖区域可以扩展到LADGPS不易作用的地域，如远洋、沙漠、森林等。2023/2/7147广域差分广域差分GPS系统的特点系统的特点l(5)WADGPS使用的硬件设备及通信工具昂贵，软件技术复杂，运行和维持费用较LADGPS高得多，而且WADGPS的可靠性与安全性可能不如单个的LADGPS。2023/2/7148我国建立广域差分我国建立广域差分GPS系统的方系统的方案案l目前我国已初步建立了北京、拉萨、乌鲁木齐、上海四个永久性 GPS监测站，还计划增设武汉、哈尔滨两站，拟订在北京或武汉建立数据处理中心和数据通信中心(中心站)，各站之间的关系及数据流程如下图：2023/2/7149202

47、3/2/7150我国广域差分我国广域差分GPS系统系统C/A码单码单点定位试验点定位试验l表中结果表明:采用广域差分GPS技术进行差分定位，在3000km范围，利用C/A码伪距单点定位精度几乎没有什么变化，其分量精度一般优于2m，点位精度一般优于4m，这充分体现了广域差分GPS系统的精度潜力。2023/2/7151常规常规RTK定位的局限性定位的局限性1.测量范围：l要到达13厘米级实时定位的要求，用户站和参考站的距离需小于10km，随着基线长度的增长（如：大于50km），以上误差的相关性大大减少，以致求差后残余误差很大，导致整周模糊度参数无法固定，基线精度一般只能达到分米级。2023/2/7

48、152常规常规RTK定位的局限性定位的局限性2.通信数据链l常规RTK的数据传输多采用超高频UHF、甚高频VHF播发RTCM差分信号，由于UHF和VHF的衍射性能差，而且都是站间直线传播，这要求站间的天线必须“准光学通视”，所以在丘陵和山区实施RTK作业很不方便。2023/2/7153常规常规RTK定位的局限性定位的局限性3.其它限制：l测量过程中，需要不断设置和更换参考站。2023/2/7154网络网络RTK定位技术的兴起定位技术的兴起l常规RTK的限制给中长距离用户和某些特殊要求的用户带来了不便，针对以上常规RTK定位存在的问题，网络RTK（Network RTK）应运而生。2023/2/

49、71555.7.4 网络网络RTK技术技术2023/2/7156网络网络RTK技术技术l作业模型类似RTKl原理l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和卫星坐标所计算出的距离之上，得出虚拟参考站上的虚拟观测值，将其发送给用户，进行实时相对定位。l特点l精度和可靠性高2023/2/7157网络网络RTK技术技术l数据处理的方法：虚拟参考站法偏导数法线性内插法条件平差法2023/2/7158网络网络RTK技术技术l系统组成：连续运行的GPS基准站计算中心数据发布中心移动站RTCMControl CenterCORSRaw Observation DataRaw Observation DataRaw Observation DataROVERCORSCORSVRSNMEA 0183