《GPS静态定位原理》PPT课件.ppt
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1、吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用第四章第四章 静态定位的基本原理静态定位的基本原理基本观测量和定位模式基本观测量和定位模式伪距法定位伪距法定位 载波相位测量载波相位测量 整周跳变的探测与修复整周跳变的探测与修复整周模糊度的确定整周模糊度的确定载波测量的线性组合载波测量的线性组合 静态定位的基本原理中国古中国古代捉萤代捉萤火虫看火虫看书那哥书那哥们为什们为什么每天么每天晚上忙晚上忙着看书着看书呢,因呢,因为他白为他白天忙着天忙着去捉萤去捉萤火火吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用基本观测量
2、和定位模式基本观测量和定位模式GPS定位的最基本原理四种基本观测量四种基本定位模式差分定位(DGPS分类)主动和被动测距吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用基本观测量和定位模式基本观测量和定位模式-GPS定位定位的最基本原理需解决的两个关键问题如何确定卫星的位置如何测量出站星距离即已知控制点、瞬间位置距离(距离差)观测量,交会吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用基本观测量和定位模式基本观测量和定位模式-四种基本观测量1、测码伪距2、载波相位观测得出的伪距3、由积分多普勒计数得出的伪距差4、由
3、卫星射电干涉测量得出的时间延迟 局限性:积分多普勒计数法,观测时间一般较长(数小时),同时对接收机的振荡器要求高度稳定。卫星射电干涉测量时,所需的设备比较昂贵,数据处理较为复杂。吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用基本观测量和定位模式基本观测量和定位模式(静、动静、动)静态定位和动态定位静态定位和动态定位按照用户接收机在定位过程中所处的运动状态,分为静静静静态态态态定定定定位位位位和动态定位动态定位动态定位动态定位两类。静态定位静态定位:?卫星大地测量学-什么是“所谓静止状态”主主要要用用于于:测定板块运动、监测地壳形变、大地测量、精密工程测
4、量、地球动力学及地震监测等领域。动态定位:动态定位:在定位过程中,接收机天线处于运动状态。静态定位的基本原理基本概念吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用按照参考点的不同位置,分为绝对定位绝对定位和相对定位相对定位相对定位相对定位两类绝对定位绝对定位(单点定位):优点:一台(独立),外业、实测和数据处理(简单)缺点:精度较差用途:船舶(飞机)的导航;地质矿产勘探、暗礁定位、建立浮标、海洋捕鱼及低精度测量领域。相对定位相对定位:优点:精度较高-消除许多相同或相近的误差(卫星钟或星历、卫星信号传播误差等)缺点:用途:大地(工程)测量、地壳形变监测等
5、精密定位领域。静态定位的基本原理基本概念基本观测量和定位模式(绝对、相对绝对、相对)吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用绝对定位:相对定位:相对定位:其它定位模式:缩短观测时间,提供作业效率:准动态相对定位法 快速静态相对定位法差分定位(差分定位(DGPSDGPS分类)分类)-相对定位范畴之内注意分类:根据观测值不同分为:RTD、RTK;处理数据的时间不同分为:实时和事后;工作原理和数学模型分为:SRDGPS、LADGPS、WADGPS、WAAS和LASS。静态定位的基本原理基本概念基本观测量和定位模式(四种基本模式四种基本模式)吉长东(qq
6、群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用静态定位的基本原理基本概念基本观测量和定位模式(主、被动测距)双程测距用于电磁波测距仪单程测距用于GPS注意军事上的差别吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用伪距法定位伪距法定位伪距及其测量伪距法定位原理伪距定位计算静态定位的基本原理伪距法定位吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用定义:伪距;伪距(观测量)定位伪距;伪距(观测量)定位伪距;伪距(观测量)定位伪距;伪距(观测量)定位应用:导航及低精度测量特点:精度低、速度
7、快和数据处理简单。可以用于协助求解整周未知数。静态定位的基本原理伪距法定位伪距法定位伪距法定位-概念概念吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用伪距法定位-时延测定a)卫星-自己时钟-发出某一结构的测距码-经t时间-接收机;b)接收机-自己的时钟-产生一组结构完全相同的测距码(复制码)-时延器-延迟时间;c)两组测距码-相关处理-自相关系数R(t)=1(两组对齐)-(复制码的延迟时间)=t(卫星信号的传播时间);d)t*c=卫星至接收机的伪距。吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用1、测距码按照某
8、一规律编排,可以复制,每个码都对应着某一特定的时间(一周期内)2、码在产生(随机误差),传播过程(于外界干扰产生变形),因而仅根据测距码中的某一标志(如某个码的前沿)来进行量测会带来较大误差,利用码相关技术在自相关系数R(t)=max的情况下来确定信号的传播时间,实际上就是根据参加比对的n个码来共同确定传播时间。3、在自相关系数最大情况下测定的传播时间,从某种意义上讲就是用n个标志测定的信号传播时间的平均值(各种随机误差,精度)。静态定位的基本原理伪距法定位伪距及测量伪距法定位伪距法定位-利用码相关法测定伪距的原因(利用码相关法测定伪距的原因(补补)测距码(C/A与P码)二进制(0,1)编码,
9、常由一个幅度为1的矩形波来表示。根据乘法规则,于是,测距码U(t-t)和复制码U(t-)之间的自相关系数可以表示为:吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用伪距法定位伪距法定位-伪距的另外一种解伪距的另外一种解释释静态定位的基本原理伪距法定位伪距及测量R(t)=max卫星钟和接收机钟完全同步(成立)。而实际,(时延)不严格=t(卫星信号的传播时间)受两台钟不同步、信号并不是完全在真空中传播(大气延迟)。吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用伪距法定位伪距法定位-伪距测量的观测方程伪距测量的观测方程
10、静态定位的基本原理伪距法定位伪距及测量吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用静态定位的基本原理 伪距法定位 伪距及测量伪距法定位伪距法定位-伪距测量的观测方程伪距测量的观测方程吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用伪距法定位伪距法定位-数学模型数学模型静态定位的基本原理伪距法定位伪距法定位原理吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用讨论题目1、最少4颗卫星是如何来的2、GPS接收机为什么可以用用稳定度109的石英钟3、如果收到3颗卫星,如何解算吉长
11、东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用讨论题目静态定位的基本原理伪距法定位伪距法定位原理1、卫星坐标(根据卫星导航电文求得),因模型当中就有3个未知数,将观测时刻接收机的钟改正数也视为一个未知数。这样为了求解4个未知数,就得至少观测4颗卫星。2、由于钟差以视为未知数,所以其只需稳定就可以。原子钟(价格、体积和重量)在数目有限的卫星上是可以的,要是每个接收机上都安装原子钟是不现实的。解决这个问题的方法是视其为未知数。3、解算二维坐标(无高程)。吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用伪距法定位伪距法定位
12、-绝对定位解算绝对定位解算静态定位的基本原理伪距法定位伪距法定位原理吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用静态定位的基本原理伪距法定位伪距定位计算伪距法定位伪距法定位-绝对定位解算绝对定位解算吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用静态定位的基本原理伪距法定位伪距定位计算伪距法定位伪距法定位-相对定位解算相对定位解算吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用(补充)精密单点定位精密单点定位-基础基础定义:利用单台GPS双频双码接收机的观测数据在数千平方
13、公里乃至全球范围内的任意位置都可以实现实时的或事后的高精度定位精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)。l前提:精密星历和精密钟差(IGS提供或自己计算)。观测方程组成(双频无电离层组合观测值):吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用(补充)精密单点定位精密单点定位-基础基础吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用精密单点定位精密单点定位-主要误差源及改正模型主要误差源及改正模型PPPPPP用用非非差差观观测测值值(函函数数),而而咱咱们们一一般般学学的的都都是是
14、差差分分观观测测值值。不能通过差分方式消除或削弱误差,只能通过不同频率观测值间的组合、模型改正或加参数来估计。PPP的主要误差:的主要误差:和测站、和卫星及和信号传播路径有关的误差(3)吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用精密单点定位精密单点定位-误差误差-测站有关测站有关固体潮对测站的影响包含着与纬度有关的长期偏移和主要由日周期、半日周期组成的周期变化(观测一天,基本可以平均掉),模型进行改正。吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用精密单点定位精密单点定位-误差误差-测站有关测站有关大洋负荷
15、潮改正地球自转改正吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用精密单点定位精密单点定位-误差误差-卫星有关卫星有关GPS卫星钟比地面钟走得快。将GPS卫星钟的f0减小约.0045MHz实现。注意:不是常数还有残差,为此吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用精密单点定位精密单点定位-误差误差-卫星有关卫星有关相位缠绕改正(phasewind-up):卫星发射右旋极化(RCP)的电磁波信号,GPS相位观测值的大小同卫星信号发射天线和GPS接收机接收天线间的方位有关。接收机或卫星天线绕中心轴的旋转会改变载波
16、相位观测值的大小。因此,由于卫星天线或接收机天线的旋转运动而产生的相位观测值的改变,这种效应就称为相位缠绕。相位缠绕改正模型为:吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用精密单点定位精密单点定位-误差误差-信号传播信号传播吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用载波相位测量载波相位测量载波相位测量载波相位测量的观测方程载波信号的传播时间静态定位的基本原理载波相位测量吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用载波相位测量精度高的原因?与伪距测量相比:尺度一致
17、,对象:码元和波长(C/A码为3m,P码为30cm)(L1=19cm,L2=24cm)。为何大地型接收机的载波相位测量精度为12mm?存在问题:载波信号是一种周期性的正弦信号,测不足一个波长,存在N0不确定。由于GPS信号中,在载波上调制了测距码和导航电文,因而接收到的载波的相位已不再连续(凡是调制信号从0变1或从1变0时,载波的相位均要变化180)。所以在进行载波相位测量之前,首先要进行解调工作,设法将调制在载波上的测距码和导航电文去掉,重新获得载波,即所谓载波重建。载波重建一般可采用两种方法:码相关法和平方法。静态定位的基本原理载波相位测量载波相位测量载波相位测量载波相位测量吉长东(qq群
18、:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用载波相位测量的载波相位测量的基本原理基本原理静态定位的基本原理载波相位测量载波相位测量吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用载波相位测量的实际观测值载波相位测量的实际观测值1、跟踪卫星信号后的首次量测值、跟踪卫星信号后的首次量测值静态定位的基本原理载波相位测量载波相位测量吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用载波相位测量的实际观测值载波相位测量的实际观测值 续续 2 2、其余各次量测值、其余各次量测值静态定位的基本原理载波
19、相位测量载波相位测量吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用整波段数Int()(图)静态定位的基本原理载波相位测量载波相位测量周跳:整周计数不正确用计数器累计不足一周正确!不足一周正确!整周跳变(简称周跳)或丢失整周(简称失周)载波相位测量的实际观测值载波相位测量的实际观测值续续吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用载波相位测量的观测方程载波相位测量的观测方程于是有:于是有:吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用为实际观测值(周),上式两边同时乘上
20、=c/f,则有:载波相位测量的观测方程载波相位测量的观测方程吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用载波相位测量的数学模型载波相位测量的数学模型代入观测方程:吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用静态定位的基本原理载波相位测量载波相位测量的观测方程载波相位测量的数学模型载波相位测量的数学模型引入近似坐标和改正数引入近似坐标和改正数,在近似坐标在近似坐标处展开有:处展开有:吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用静态定位的基本原理载波相位测量载波相位测
21、量的观测方程载波相位测量的数学模型载波相位测量的数学模型误差方程式:左边未知数加常数项,右边是已知的!误差方程式:左边未知数加常数项,右边是已知的!但须注意:任意时刻,卫星钟改正差,但须注意:任意时刻,卫星钟改正差,电文(电文(电文(电文(20ns20ns20ns20ns),难),难),难),难以满足大地定位需以满足大地定位需以满足大地定位需以满足大地定位需要要要要 所以误差方程中必所以误差方程中必所以误差方程中必所以误差方程中必须引入瞬间卫星钟须引入瞬间卫星钟须引入瞬间卫星钟须引入瞬间卫星钟差这一未知数!差这一未知数!差这一未知数!差这一未知数!这可以样改化:这可以样改化:迭代求得迭代求得吉
22、长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用静态定位的基本原理载波相位测量载波相位测量的观测方程精度较低载波相位测量既可进行单点和相对定位。大地(工程)测量、地球动力学、地震监测等精密定位领域转换参数及相对定位(一个端点的绝对坐标)精度较高?载波相位测量的数学模型载波相位测量的数学模型吉长东(qq群:4042615,email:)辽宁工程技术大学测绘工程系GPS技术及应用载波相位测量载波相位测量-信号传播时间信号传播时间静态定位的基本原理载波相位测量载波信号的传播时间小小t(卫星信号的传播时间):(卫星信号的传播时间):卫星钟与接收机钟同步卫星钟与接收
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