第五章 GPS卫星定位基本原理.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5.1 概述概述5.2 伪距测量伪距测量5.3 载波相位测量载波相位测量5.4 整周跳变的修复整周跳变的修复5.5 GPS绝对定位与相对定位绝对定位与相对定位5.6 美国的美国的GPS政策政策5.7 差分差分GPS定位原理定位原理5.8 GNSS测量误差影响及对策测量误差影响及对策5.1 概述概述一、测量中定位基本原理一、测量中定位基本原理1.测角交会法测角交会法 1)前方交会前方交会 2)侧方交会侧方交会 3)后方交会后方交会 测角交会法测角交会法A AB BP P侧方交会侧方交会前方交会前方交会A AB BP PA、B和和C点坐标已知，点坐

2、标已知，P点坐标未知点坐标未知后方交会后方交会P PC CA AB B5.1 概述概述P PC CA AB Bd d1 1d d2 2d d3 3飞机轮船仍旧使用的一种导航定位方法飞机轮船仍旧使用的一种导航定位方法如只有两个无线电发射台，可根据用户接收机的概略位置交会出接如只有两个无线电发射台，可根据用户接收机的概略位置交会出接如只有两个无线电发射台，可根据用户接收机的概略位置交会出接如只有两个无线电发射台，可根据用户接收机的概略位置交会出接收机的平面位置收机的平面位置收机的平面位置收机的平面位置2.测边交会法测边交会法(距离交会距离交会)（1 1）无线电接收机或卫星）无线电接收机或卫星）无线

3、电接收机或卫星）无线电接收机或卫星1)ABC为三个无线电信号发射台为三个无线电信号发射台,坐标已坐标已知知2)P为用户接收机为用户接收机3)采用无线电测距方法测得采用无线电测距方法测得PA PB PC4)以以ABC为球心为球心,以三个长为半径作出三以三个长为半径作出三个定位球面个定位球面,即可交出接收机的平面位置即可交出接收机的平面位置5.1 概述概述5.1概述概述P PC CA AB Bd d1 1d d2 2d d3 31)P点为激光测距卫星点为激光测距卫星2)A B C为固定于地面上为固定于地面上三个的卫星激光测距仪三个的卫星激光测距仪(坐标已知坐标已知)3)确定出确定出P点位置点位置4

4、)利用三个卫星位置利用三个卫星位置,在地面上有在地面上有第四个位置第四个位置,利用所测定的三个空利用所测定的三个空间距离交会出该地面点的位置间距离交会出该地面点的位置（2 2）近代卫星大地测量）近代卫星大地测量）近代卫星大地测量）近代卫星大地测量(卫星激光测距）卫星激光测距）卫星激光测距）卫星激光测距）二、二、GPS卫星定位的基本原理卫星定位的基本原理观测方程观测方程P点的三维坐标（点的三维坐标（X，Y，Z）1)内容内容:应用测距交会原理应用测距交会原理,利用三颗以上卫星的已知空间位置利用三颗以上卫星的已知空间位置交会出地面未知点的位置交会出地面未知点的位置2).5.1概述概述3)GPS卫星定

5、位方法卫星定位方法a.依据测距的原理划分：依据测距的原理划分：1）伪距法定位（测码）伪距法定位（测码）2）载波相位测量定位（测相）载波相位测量定位（测相）3）差分）差分GPS定位定位b.根据待定点的运动状态划分：根据待定点的运动状态划分：1）静态定位）静态定位(绝对绝对)2）动态定位）动态定位(相对相对)c.获得定位结果的时效获得定位结果的时效(补充）补充）1)事后定位事后定位(静态静态)2)实时定位实时定位(RTK)二、二、二、二、GPSGPS卫星定位的基本原理卫星定位的基本原理卫星定位的基本原理卫星定位的基本原理5.1 5.1 概述概述概述概述5.2 伪距测量伪距测量1.伪距：由卫星发射的

6、测距码信号到达伪距：由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间接收机的传播时间乘以光速所得出的量测距离。由于各种误差的存在，与卫乘以光速所得出的量测距离。由于各种误差的存在，与卫星到测站的实际几何距离有一定差值。星到测站的实际几何距离有一定差值。2.两种测量值：两种测量值：-CA码伪距码伪距 误差误差20-30米米 -P码伪距码伪距 误差误差10米米3.伪距定位法伪距定位法:由由GPS接收机在某一时刻测出到达四颗以上接收机在某一时刻测出到达四颗以上GPS卫星的伪距以及已知的卫星位置，采用卫星的伪距以及已知的卫星位置，采用测测距交会的方距交会的方法求定接收机天线所在点的三维坐标。法求定接收

7、机天线所在点的三维坐标。4.特点特点 1)适用于导航和低精度测量适用于导航和低精度测量 2)定位速度快；定位速度快；3)可作为载波相位测量中解决整波数不确定问题（模可作为载波相位测量中解决整波数不确定问题（模糊度）的辅助资料。糊度）的辅助资料。5.2.1 伪距测量伪距测量利用测距码进行测距的原理利用测距码进行测距的原理基本思路基本思路:=c=t c之间有差异，这种含有钟差影响的距离被称为之间有差异，这种含有钟差影响的距离被称为“伪伪距距”伪距的测定方法伪距的测定方法5.2.1伪距测量伪距测量1.卫星发出一个测距码，该测距码经过卫星发出一个测距码，该测距码经过时间时间后到达接收机；后到达接收机；

8、2.接收机产生一组结构完全相同的测距码接收机产生一组结构完全相同的测距码复制码，并通过时延器使其延迟时间复制码，并通过时延器使其延迟时间；5.2 5.2 伪距测量伪距测量伪距测量伪距测量5.2.1.15.2.1.1伪距测量的方法伪距测量的方法伪距测量的方法伪距测量的方法3.将两组测距码进行相关处理，直到两组测距码的将两组测距码进行相关处理，直到两组测距码的自相关系数自相关系数 R()=1为止，此时，复制码已和测距为止，此时，复制码已和测距码对齐，复制码的延迟时间码对齐，复制码的延迟时间 就等于卫星信号的就等于卫星信号的传播时间传播时间；4.将将 乘上光速乘上光速c后即可求得卫星至接收机的伪距。

9、后即可求得卫星至接收机的伪距。5.2.1.1伪距测量的方法伪距测量的方法(续续)5.2.15.2.1伪距测量伪距测量伪距测量伪距测量5.2.1.2为什么利用码相关法测定伪距？为什么利用码相关法测定伪距？v为什么不利用码的标志来推算时延值？为什么不利用码的标志来推算时延值？1.随机误差的存在：随机误差的存在：每个测距码在产生时都带有随机误差；测距码在传播过程中由于每个测距码在产生时都带有随机误差；测距码在传播过程中由于外界干扰产生变形。外界干扰产生变形。2.仅根据测距码中的某一标志来进行量测会带来较大仅根据测距码中的某一标志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误差。利用码相关技术

10、在自相关系数R()=max 的的情况下来确定信号的传播时间情况下来确定信号的传播时间，实质上是采用了多，实质上是采用了多个码特征来确定个码特征来确定，排除了随机误差的影响。，排除了随机误差的影响。5.2.15.2.1伪距测量伪距测量伪距测量伪距测量5.2.1.3伪距测量的原理伪距测量的原理(1)1.三种时间系统：三种时间系统：1)各颗各颗GPS卫星的时间标准卫星的时间标准2)各台各台GPS信号接收机的时间标准信号接收机的时间标准3)统一上述时间标准的统一上述时间标准的GPS时间系统时间系统5.2.15.2.1伪距测量伪距测量伪距测量伪距测量自相关系数的测定方法自相关系数的测定方法自相关系数的测

11、定方法自相关系数的测定方法由接收机锁相环路中的相关器和积分器来完成由接收机锁相环路中的相关器和积分器来完成由接收机锁相环路中的相关器和积分器来完成由接收机锁相环路中的相关器和积分器来完成卫星接收机(t-)相关器 积分器 时钟 cp码发生器(t+t)码移位控制(t+t-)(t)R()接收机时钟与卫星钟时钟的钟差本地码移位（延迟）码相关码相关(对齐对齐)精度：码元宽度的精度：码元宽度的1%，5.2.1.3伪距测量的原理（伪距测量的原理（3）调整本地码延迟调整本地码延迟，可使相关输出达到最大值：，可使相关输出达到最大值：R(T)=Rmax(t)t-=t+t-=+t+nT =+ct+n 其中，其中，为

12、伪距测量值；为伪距测量值；为卫星至接收机的几何距离；为卫星至接收机的几何距离；T为测距码的周期；为测距码的周期；=cT为测距码的波长为测距码的波长;n为整数；为整数；c为信号传播速度；为信号传播速度；n称为测距模糊度。称为测距模糊度。5.2.15.2.1伪距测量伪距测量伪距测量伪距测量-（伪距测量的基本方程）（伪距测量的基本方程）（伪距测量的基本方程）（伪距测量的基本方程）-（1 1）5.2.1.3伪距测量的原理（伪距测量的原理（3）如果已知待测距离小于测距码的波长，则如果已知待测距离小于测距码的波长，则n=0，且有，且有：=+ct 称为无模糊度测距。称为无模糊度测距。可可知知，伪伪距距观观测

13、测值值是是待待测测距距离离与与钟钟差差等等效效距距离离之之和和。钟钟差差t 包含卫星钟差包含卫星钟差tk和接收机钟差和接收机钟差tj，即，即 t=tj-tk再考虑电离层和大气对流层再考虑电离层和大气对流层延迟，则延迟，则 =+1+2+ctk-ctj5.2.15.2.1伪距测量伪距测量伪距测量伪距测量5.2.2伪距定位观测方程伪距定位观测方程 是卫星在轨位置和用户位置的函数，即：是卫星在轨位置和用户位置的函数，即：第第j 颗卫星在时元颗卫星在时元t 的三维的三维坐标，可从导航电文中求得坐标，可从导航电文中求得 用户接收天线在时元用户接收天线在时元t 的三维的三维坐标，为待求的未知数坐标，为待求的

14、未知数上式中有上式中有4个未知数（用户三维坐标和接收机的个未知数（用户三维坐标和接收机的钟差钟差dT）。这样在任何一个观测瞬间，用户至）。这样在任何一个观测瞬间，用户至少需要同时观测少需要同时观测4颗卫星，以便解算颗卫星，以便解算4个未知数。个未知数。5.2.2伪距测量的基本方程（续）伪距测量的基本方程（续）5.3 载波相位测量载波相位测量5.3.1 载波相位测量原理载波相位测量原理5.3.2 载波相位测量的观测方程载波相位测量的观测方程5.3.3 整周未知数整周未知数N0 0的确定的确定5.3.1 载波相位测量原理载波相位测量原理1.伪距测量的不足：伪距测量的不足：测距码的码元长度较长，因此

15、量测精度较低。测距码的码元长度较长，因此量测精度较低。（对（对C/A码码而言精度而言精度3m左右左右，P码约为码约为30cm）2.如果把载波作为量测信号，载波的波长要短得多如果把载波作为量测信号，载波的波长要短得多（L1=19cm，L2=24cm），比），比P码码元的长度码码元的长度小两个数量级。对载波进行相位测量，可以达到小两个数量级。对载波进行相位测量，可以达到很高的精度。很高的精度。3.载波信号是一种周期性正弦信号，相位测量只能载波信号是一种周期性正弦信号，相位测量只能测定其不足一个波长的部分，因而存在着整周数测定其不足一个波长的部分，因而存在着整周数不确定性的问题，使解算过程变得比较复

16、杂。不确定性的问题，使解算过程变得比较复杂。5.3.1 载波相位测量原理载波相位测量原理4.4.重建载波：重建载波：重建载波：重建载波：1)1)概念概念概念概念:将调制在载波上的测距码和导航电文去掉，重新获得载波。将调制在载波上的测距码和导航电文去掉，重新获得载波。将调制在载波上的测距码和导航电文去掉，重新获得载波。将调制在载波上的测距码和导航电文去掉，重新获得载波。2)2)方法：方法：方法：方法：码相关法、平方法码相关法、平方法码相关法、平方法码相关法、平方法 、互相关法、互相关法、互相关法、互相关法、Z Z跟踪技术跟踪技术跟踪技术跟踪技术码相关法：码相关法：码相关法：码相关法：(1)(1)

17、方法方法方法方法:将所接收到的调制信号将所接收到的调制信号将所接收到的调制信号将所接收到的调制信号(卫星信号卫星信号卫星信号卫星信号)与接收机产生的复制与接收机产生的复制与接收机产生的复制与接收机产生的复制码相乘码相乘码相乘码相乘(2)(2)特点特点特点特点:局限制局限制局限制局限制 需了解码的结构需了解码的结构需了解码的结构需了解码的结构 优点优点优点优点 :可获得导航电文可获得导航电文可获得导航电文可获得导航电文,可获得全波长的载波可获得全波长的载波可获得全波长的载波可获得全波长的载波,信号质量好信号质量好信号质量好信号质量好5.3.1 载波相位测量原理载波相位测量原理 平方法平方法:(1

18、)方法方法:将所接收到的调制将所接收到的调制 信号信号(卫星信号卫星信号)自乘自乘 (2)优点优点 无需了解码的结构无需了解码的结构 缺点缺点 无法获得导航电文无法获得导航电文,所获载波波长为原来波长的一半所获载波波长为原来波长的一半,信号质量较差（信噪比降低信号质量较差（信噪比降低30dB）互相关法、互相关法、Z跟踪技术跟踪技术5.3.1 载波相位测量原理载波相位测量原理k 接收机在接收机钟面时刻接收机在接收机钟面时刻tk 时观时观测测j 卫星所取得的相位观测量卫星所取得的相位观测量k 接收机在接收机钟面时刻接收机在接收机钟面时刻tk 时所时所产生的本地参考信号的相位值产生的本地参考信号的相

19、位值k 接收机在接收机钟面时刻接收机在接收机钟面时刻tk 时所接收到的时所接收到的j 卫星载波卫星载波信号的相位值信号的相位值1.载波相位测量的观测量载波相位测量的观测量 GPS接收机所接收的卫星载波信号与接收机本振接收机所接收的卫星载波信号与接收机本振参考信号的相位差。参考信号的相位差。2.初始初始t0时刻，小于一周的相位差为时刻，小于一周的相位差为 0，其，其整周数为整周数为 ，则此时的相位观测值为：，则此时的相位观测值为：3.3.任一时刻任一时刻ti卫星卫星Sj 到到k接收机的相位差：接收机的相位差：整周数变化量整周数变化量整周模糊度（常数）整周模糊度（常数）三差法三差法5.3.1 载波

20、相位测量原理载波相位测量原理5.3 载波相位测量载波相位测量5.3.1 载波相位测量原理载波相位测量原理5.3.2 载波相位测量的观测方程载波相位测量的观测方程5.3.3 整周未知数整周未知数N0 0的确定的确定5.3.2 载波相位测量的观测方程(1)1.载波相位测量是接收机（天线）和卫星位置的函数。只有载波相位测量是接收机（天线）和卫星位置的函数。只有得到了它们之间的函数关系，才能从观测量中求解接收机得到了它们之间的函数关系，才能从观测量中求解接收机（或卫星）的位置。（或卫星）的位置。2.1)设在设在GPS标准时刻标准时刻Ta（卫星钟时刻（卫星钟时刻ta）卫星）卫星Sj发射的载发射的载波信号

21、相位为波信号相位为（ta），经传播延迟，经传播延迟后，在后，在GPS标准时标准时刻刻Tb（接收机钟时刻（接收机钟时刻tb）到达接收机。）到达接收机。2)根据电磁波传播原理，根据电磁波传播原理，Tb时接收到的和时接收到的和Ta时发射时的时发射时的 相位不变，即相位不变，即 j（Tb）=j（ta）3)在在Tb 时，载波相位观测量为：时，载波相位观测量为：=（tb）-j（Tb）=（tb）-j（ta）5.3.2 载波相位测量的观测方程(2)4)考虑卫星钟差和接收机钟差，有考虑卫星钟差和接收机钟差，有Ta=ta+ta,Tb=tb+tb,则：则：=（Tb-tb）-j（Ta-ta）(1)5)载波信号的相位与

22、频率的关系为载波信号的相位与频率的关系为:（t+t）=（t）+f t （2）6)将将(2)代入代入(1)得得F=（Tb）-fi tb-j（Ta）+f j ta （3）fi=f j=f 7)Tb=Ta+，由公式（，由公式（2），得：），得：Nkj+（Tb）=j（Ta）+f 8)公式（公式（3）可改写为：）可改写为：=j（Ta）+f -f tb-j（Ta）+f ta-Nkj =f -f tb+f ta-Nkj （4）5.3.2 载波相位测量的观测方程(3)3.传播延迟传播延迟中考虑电离层和对流层的影响中考虑电离层和对流层的影响1和和2，则：，则：代入公式（代入公式（4），得：），得：5.3.2 载

23、波相位测量的观测方程(3)f：接收机产生的固定参考频率：接收机产生的固定参考频率c:光速光速：卫星至接收机之间的距离：卫星至接收机之间的距离（未知数）（未知数）1：电离层影响：电离层影响2：对流层影响：对流层影响ta ：卫星钟差：卫星钟差tb ：接收机钟差（未知数）：接收机钟差（未知数）4.1)接收机接收机 k 对卫星对卫星 j 的载波相位测量的观测方程：的载波相位测量的观测方程：5.3.2 载波相位测量的观测方程(4)由于由于=c/f，则上式为：，则上式为：两边同乘两边同乘,得得:2)伪距测量与载波相位测量的观测方程的联系伪距测量与载波相位测量的观测方程的联系5.3 载波相位测量载波相位测量

24、5.3.1 载波相位测量原理载波相位测量原理5.3.2 载波相位测量的观测方程载波相位测量的观测方程5.3.3 整周未知数整周未知数N0 0的确定的确定5.3.3 整周未知数N0的确定静态方法静态方法动态方法动态方法一一伪距法二二经典方法三三多普勒法四四快速测定整周未知数法(FARA)Fast ambiguity resolution approach5.3.3.1 静态方法静态方法一一 伪距法伪距法2.将伪距观测值减去载波相位测量的实际观测值将伪距观测值减去载波相位测量的实际观测值(化为以距离为单位化为以距离为单位)后即可得到后即可得到No。3.由于伪距测量的精度较低，所以要有较多的由于伪距

25、测量的精度较低，所以要有较多的No取平均值后才能获得正确的整波段数。取平均值后才能获得正确的整波段数。所以，得所以，得5.3.3.15.3.3.1静态方法静态方法静态方法静态方法1.二二 经典方法经典方法v 将整周未知数将整周未知数N0当做待定参数估算当做待定参数估算5.3.3.15.3.3.1静态方法静态方法静态方法静态方法 此时，方程增加一个未知参数此时，方程增加一个未知参数N0，需要观测五颗卫星定位。，需要观测五颗卫星定位。一一)整数解整数解二二)实数解实数解二二 经典方法经典方法整数解整数解1.短基线定位时一般采用这种方法。短基线定位时一般采用这种方法。2 具体步骤：具体步骤：1)首先

26、根据卫星位置和修复了周跳后的相位观测首先根据卫星位置和修复了周跳后的相位观测值进行平差计算，求得基线向量和整周未知数。值进行平差计算，求得基线向量和整周未知数。2)解得的整周未知数是一个实数，将其固定为整解得的整周未知数是一个实数，将其固定为整数数(四舍五入法四舍五入法)，并重新进行平差计算。，并重新进行平差计算。3)在计算中整周未知数采用整周值并视为已知数，在计算中整周未知数采用整周值并视为已知数，以求得基线向量的最后值。以求得基线向量的最后值。5.3.3.15.3.3.1静态方法静态方法静态方法静态方法二二 经典方法经典方法实数解实数解1.基线较长时采用这种方法。基线较长时采用这种方法。2

27、.具体步骤类似整数解方法，区别在于具体步骤类似整数解方法，区别在于解得的整周未知数是一个实数。解得的整周未知数是一个实数。注注:采用经典方法时，需要较长的观测时间，采用经典方法时，需要较长的观测时间，影响了作业效率，所以只有在高精度定位影响了作业效率，所以只有在高精度定位领域中才应用领域中才应用5.3.3.15.3.3.1静态方法静态方法静态方法静态方法三三 多普勒法（三差法）多普勒法（三差法）1.由于连续跟踪的所有载波相位观测值中均含有相同的由于连续跟踪的所有载波相位观测值中均含有相同的整周未知数整周未知数N0，所以将相邻两个观测历元的载波相，所以将相邻两个观测历元的载波相位相减，就可消去位

28、相减，就可消去N0，从而解出坐标。然后再根据，从而解出坐标。然后再根据坐标值求解坐标值求解N0。5.3.3.15.3.3.1静态方法静态方法静态方法静态方法2.1)tm时刻卫星时刻卫星Sj到到k接收机的相位差：接收机的相位差：(1)2)tn时刻卫星时刻卫星Sj到到k接收机的相位差接收机的相位差：(2)公式（公式（1）-（2），即可消除），即可消除N03.两个历元间的载波相位观测值之差受接收机钟及卫星钟的随两个历元间的载波相位观测值之差受接收机钟及卫星钟的随机误差影响，机误差影响，所以精度不太好，往往用来求整周数的初始值。所以精度不太好，往往用来求整周数的初始值。1.1990年年EFrei和和G

29、Beutler提出提出2.基本思路：基本思路：1)利用初始平差的解向量及其精度信息，以参数估计和统计假利用初始平差的解向量及其精度信息，以参数估计和统计假设检验为基础，确定在某一置信区间内设检验为基础，确定在某一置信区间内N0的可能的整数解的组合；的可能的整数解的组合；2)依次将依次将N0的每一组合作为已知值，重复进行平差计算。使的每一组合作为已知值，重复进行平差计算。使估值的验后平差或方差和为最小的一组估值的验后平差或方差和为最小的一组N0，即为最佳估值。，即为最佳估值。3)利用这种方法进行短基线定位时，利用双频接收机只须观利用这种方法进行短基线定位时，利用双频接收机只须观测一分钟即可确定整

30、周未知数测一分钟即可确定整周未知数 此方法已在快速静态定位中得到了广泛应用此方法已在快速静态定位中得到了广泛应用四四 快速确定整周未知数法快速确定整周未知数法(FARA)Fast ambiguity resolution approach5.3.3.2 动态方法动态方法一、动态初始化法一、动态初始化法AROFAmbiguity resolution on the flyAmbiguity resolution on the fly1993年徕卡公司开发成功年徕卡公司开发成功基本思想：基本思想：根据接收机在运动过程中对载波信号的短时间观测值，与根据接收机在运动过程中对载波信号的短时间观测值，与参

31、考站的同步观测值一起，利用快速解算法确定参考站的同步观测值一起，利用快速解算法确定N0。然后利。然后利用逆向求解方法来确定载体在上述短时间内的瞬时位置。用逆向求解方法来确定载体在上述短时间内的瞬时位置。动态初始化法的特点：动态初始化法的特点：在载体的运动过程中，所观测的卫星一在载体的运动过程中，所观测的卫星一旦失锁，为确定整周未知数，运动载体旦失锁，为确定整周未知数，运动载体不需停下来重新进行初始化工作。不需停下来重新进行初始化工作。已在短距离（已在短距离（10km）的实时动态相）的实时动态相对定位中，得到了成功应用，定位精度对定位中，得到了成功应用，定位精度可达厘米级。可达厘米级。二、实时解

32、算模糊度的方法二、实时解算模糊度的方法作作 业业1.GPSGPS卫星定位的基本原理是什么？卫星定位的基本原理是什么？卫星定位的基本原理是什么？卫星定位的基本原理是什么？2.2.什么叫伪距？伪距测量的特点有哪些？什么叫伪距？伪距测量的特点有哪些？什么叫伪距？伪距测量的特点有哪些？什么叫伪距？伪距测量的特点有哪些？3.3.解释重建载波，主要方法有哪些？各有什么优缺点？解释重建载波，主要方法有哪些？各有什么优缺点？解释重建载波，主要方法有哪些？各有什么优缺点？解释重建载波，主要方法有哪些？各有什么优缺点？5.4整周跳变的修复整周跳变的修复5.4.1 屏幕扫描法屏幕扫描法5.4.2 用高次差或多项式拟

33、合法用高次差或多项式拟合法5.4.3 在卫星间求差法在卫星间求差法 5.4.4 用双频观测值修复周跳用双频观测值修复周跳5.5.5 根据平差后的残差发现和修复整周跳变根据平差后的残差发现和修复整周跳变5.4.1 整周跳变的修复任一时刻任一时刻任一时刻任一时刻ti ti卫星卫星卫星卫星SjSj到到到到k k接接接接收机的相位差收机的相位差收机的相位差收机的相位差不足一周的相位差不足一周的相位差不足一周的相位差不足一周的相位差ti ti 时刻的整周数时刻的整周数时刻的整周数时刻的整周数周跳的含义周跳的含义 在跟踪卫星过程中，由于某种原因，使得计在跟踪卫星过程中，由于某种原因，使得计数器无法连续计数

34、。当信号重新被跟踪后，数器无法连续计数。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。这种现象称为整相位观测值仍是正确的。这种现象称为整周跳变，简称周跳。周跳变，简称周跳。周跳的含义（续）周跳的含义（续）1.如果是因为电源的故障或振荡器本身的故障如果是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，不足整周的部分中不但整周计数不正确，不足整周的部分也不对。这时，修复周跳没有什么意

35、义。也不对。这时，修复周跳没有什么意义。2.必须将资料分为两个时段，各设一个整周未必须将资料分为两个时段，各设一个整周未知数单独进行处理。知数单独进行处理。整周跳变的修复方法整周跳变的修复方法1.屏幕扫描法屏幕扫描法2.用高次差或多项式拟合法用高次差或多项式拟合法3.在卫星间求差法在卫星间求差法4.用双频观测值修复周跳用双频观测值修复周跳5.根据平差后的残差发现和修复整周跳变根据平差后的残差发现和修复整周跳变5.4.1 屏幕扫描法屏幕扫描法 作业员在计算机屏幕前依次对每个站、每个时作业员在计算机屏幕前依次对每个站、每个时段、每颗卫星的相位观测值的变化率的图像进段、每颗卫星的相位观测值的变化率的

36、图像进行逐段检查，观测其是否连续。如果出现不规行逐段检查，观测其是否连续。如果出现不规则的突然变化，说明出现了周跳现象。手工编则的突然变化，说明出现了周跳现象。手工编辑修复。辑修复。5.4.2 用高次差或多项式拟合法用高次差或多项式拟合法5.4.2.1.高次差法：高次差法：1.依据：该方法是根据有周跳现象的发生将会破坏载波依据：该方法是根据有周跳现象的发生将会破坏载波 相位测量的观测值相位测量的观测值Int（）+随时间而有规律随时间而有规律变化的特性来探测的变化的特性来探测的 2.方法：方法：在相邻的观测值间依次求差（一次差、二次在相邻的观测值间依次求差（一次差、二次 差、差、五次差），检查是

37、否出现异常。、五次差），检查是否出现异常。3.缺点：用求差法一般难于探测出只有几周的小周跳，缺点：用求差法一般难于探测出只有几周的小周跳，可用曲线拟合方法即可可用曲线拟合方法即可5.4.2 用高次差或多项式拟合法（续）用高次差或多项式拟合法（续）5.4.2.2多项式拟合法：多项式拟合法：根据几个相位观测量拟合一个根据几个相位观测量拟合一个n阶多项式，阶多项式，据此预估下一个观测值，并与实测值比较，据此预估下一个观测值，并与实测值比较，从而来发现周跳并修正整周计数。从而来发现周跳并修正整周计数。5.4.2 用高次差或多项式拟合法（续）用高次差或多项式拟合法（续）用高次差检查周跳用高次差检查周跳高

38、次差具有随机特性，无周跳现象存在。高次差具有随机特性，无周跳现象存在。高次差具有随机特性，无周跳现象存在。高次差具有随机特性，无周跳现象存在。5.4.2 用高次差或多项式拟合法（续）用高次差或多项式拟合法（续）历元历元历元历元t t5 5观测值有周跳，使四次差产生异常。观测值有周跳，使四次差产生异常。观测值有周跳，使四次差产生异常。观测值有周跳，使四次差产生异常。用高次差检查周跳（续）用高次差检查周跳（续）用高次差检查周跳（续）用高次差检查周跳（续）5.4.3 在卫星间求差法在卫星间求差法 由于每颗卫星的载波相位观测值受到接收机振由于每颗卫星的载波相位观测值受到接收机振荡器的随机误差的影响相同

39、，所以在卫星间求荡器的随机误差的影响相同，所以在卫星间求差即可消除接收机振荡器的随机误差引起的周差即可消除接收机振荡器的随机误差引起的周跳误差跳误差5.4.4 用双频观测值修复周跳用双频观测值修复周跳1.又称电离层残差法又称电离层残差法2.对双频载波相位观测值进行组合运算，同时对双频载波相位观测值进行组合运算，同时考虑电离层折射改正，结果中只剩下整周考虑电离层折射改正，结果中只剩下整周数之差和电离层折射的残差项。利用此结数之差和电离层折射的残差项。利用此结果即可探测周跳。果即可探测周跳。5.4.4 用双频观测值修复周跳用双频观测值修复周跳（续）（续）双频接收机的两个载波频率的相位观测量：双频接

40、收机的两个载波频率的相位观测量：双频接收机的两个载波频率的相位观测量：双频接收机的两个载波频率的相位观测量：考虑到电离层折射改正考虑到电离层折射改正考虑到电离层折射改正考虑到电离层折射改正 则有：则有：则有：则有：已消去距离项和钟差项，以及对流层改正项。只剩整已消去距离项和钟差项，以及对流层改正项。只剩整已消去距离项和钟差项，以及对流层改正项。只剩整已消去距离项和钟差项，以及对流层改正项。只剩整周数之差与电离层折射的残差项（值很小）。周数之差与电离层折射的残差项（值很小）。周数之差与电离层折射的残差项（值很小）。周数之差与电离层折射的残差项（值很小）。5.4.4 用双频观测值修复周跳（续）用双

41、频观测值修复周跳（续）优点：优点：-中只涉及频率，取决于电离层残差影响，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坐标。无须预先知道测站和卫星坐标。缺点：缺点：1.如果两个载波相位观测值中都出现周跳，则如果两个载波相位观测值中都出现周跳，则无法采用此方法。无法采用此方法。2.不能顾及多路径效应和测量噪声的影响。不能顾及多路径效应和测量噪声的影响。5.4.5根据平差后的残差根据平差后的残差发现和修复周跳发现和修复周跳1.经过上述处理的观测值中还可能存在一些小周跳经过上述处理的观测值中还可能存在一些小周跳,修复后的周跳可能会引入修复后的周跳可能会引入12周的偏差。周的偏差。2.对修

42、复后的观测值进行平差计算，求得各观测值的对修复后的观测值进行平差计算，求得各观测值的残差。有周跳的观测值会出现很大的残差。残差。有周跳的观测值会出现很大的残差。5.5 GPS绝对定位与相对定位绝对定位与相对定位 一、绝对定位一、绝对定位1.GPS绝对定位也叫单点定位，即直接确定用户接收机绝对定位也叫单点定位，即直接确定用户接收机天线在天线在WGS-84坐标系中相对于坐标系原点坐标系中相对于坐标系原点地球地球质心的绝对位置。质心的绝对位置。5.5 GPS绝对定位与相对定位绝对定位与相对定位 2.绝对定位实质：应用测距交会的原理，利用绝对定位实质：应用测距交会的原理，利用三颗以上卫星的已知空间位置

43、交会出地面未知三颗以上卫星的已知空间位置交会出地面未知点（用户接收机）的在点（用户接收机）的在WGS-84坐标系中的位坐标系中的位置。置。5.5 GPS绝对定位与相对定位绝对定位与相对定位 静态静态 动态：动态：伪距法伪距法伪距法伪距法3 3、绝对定位、绝对定位、绝对定位、绝对定位分类分类分类分类 伪距法（测码）伪距法（测码）伪距法（测码）伪距法（测码）载波相位测量（测相）载波相位测量（测相）载波相位测量（测相）载波相位测量（测相）载波相位测量较难应用于动态绝对定位中的原因：载波相位测量较难应用于动态绝对定位中的原因：载波相位测量较难应用于动态绝对定位中的原因：载波相位测量较难应用于动态绝对定

44、位中的原因：载体在运动过程中，要保持对所测相同卫星的连续跟踪，载体在运动过程中，要保持对所测相同卫星的连续跟踪，载体在运动过程中，要保持对所测相同卫星的连续跟踪，载体在运动过程中，要保持对所测相同卫星的连续跟踪，技术上有一定困难技术上有一定困难技术上有一定困难技术上有一定困难 动态解算整周未知数的方法，其应用尚有一定的局限动态解算整周未知数的方法，其应用尚有一定的局限动态解算整周未知数的方法，其应用尚有一定的局限动态解算整周未知数的方法，其应用尚有一定的局限5.5 GPS绝对定位与相对定位绝对定位与相对定位4.受卫星轨道误差、钟差以及信号传播误差受卫星轨道误差、钟差以及信号传播误差等影响，定位

45、精度较低等影响，定位精度较低 -静态绝对定位精度约为米级静态绝对定位精度约为米级 -动态绝对定位精度为动态绝对定位精度为1040m5.5 GPS绝对定位与相对定位绝对定位与相对定位二、二、相对定位相对定位1.定义：是至少用两台定义：是至少用两台GPS接收机，同步观测相同的接收机，同步观测相同的GPS卫星，确定两台接收机天线之间的相对位置（坐卫星，确定两台接收机天线之间的相对位置（坐标差）标差）2.它是目前它是目前GPS定位中精度最高的一种定位方法定位中精度最高的一种定位方法3.应用范围：精密导航、大地测量、精密工程测量、地应用范围：精密导航、大地测量、精密工程测量、地球动力学研究等球动力学研究

46、等5.5 GPS绝对定位与相对定位绝对定位与相对定位5.5.1静态绝对定位静态绝对定位5.5.2静态相对定位静态相对定位5.5.1静态绝对定位静态绝对定位5.5.1.1 伪距法绝对定位伪距法绝对定位5.5.1.2 伪距法绝对定位的解算伪距法绝对定位的解算5.5.1.3 应用载波相位观测值进行静态绝对定位应用载波相位观测值进行静态绝对定位5.5.1.4 绝对定位精度评价绝对定位精度评价5.5.15.5.1静态绝对定位静态绝对定位静态绝对定位静态绝对定位注：上式中有注：上式中有4个未知数（用户三维坐标和接收个未知数（用户三维坐标和接收机的钟差机的钟差dT）。在任何一个观测瞬间，用户至）。在任何一个

47、观测瞬间，用户至少需要同时观测少需要同时观测4颗卫星，以便解算颗卫星，以便解算4个未知数。个未知数。1.观测方程：观测方程：5.5.1.1 伪距法绝对定位伪距法绝对定位5.5.1.1 伪距法绝对定位伪距法绝对定位令令(X0 Y0 Z0)T，(x y z)T分别为测站坐标分别为测站坐标的近似值与改正数。令的近似值与改正数。令其中：其中：伪距观测方程的线性化形式：伪距观测方程的线性化形式：2.观测方程的线性化：观测方程的线性化：5.5.15.5.1静态绝对定位静态绝对定位静态绝对定位静态绝对定位5.5.1.2 伪距法绝对定位的解法伪距法绝对定位的解法 1 1 利用最小二乘原理（通过最小化误差的平方

48、和利用最小二乘原理（通过最小化误差的平方和找到一组数据的最佳函数匹配）求解测站坐标的找到一组数据的最佳函数匹配）求解测站坐标的改正数改正数(x x y y z z)。2 2 是一个迭代的过程。将每次计算出的坐标和钟是一个迭代的过程。将每次计算出的坐标和钟差作为初始值，重新代入进行解算。直到结果符差作为初始值，重新代入进行解算。直到结果符合一定阈值。合一定阈值。注：具体解算看书注：具体解算看书5.5.15.5.1静态绝对定位静态绝对定位静态绝对定位静态绝对定位5.5.1.3 应用载波相位观测值进行静应用载波相位观测值进行静态绝对定位态绝对定位f：接收机产生的固定参考频率：接收机产生的固定参考频率

49、c:光速光速：卫星至接收机之间的距离：卫星至接收机之间的距离（未知数）（未知数）:整周未知数（未知数）整周未知数（未知数）1：电离层影响：电离层影响2：对流层影响：对流层影响ta ：卫星钟差：卫星钟差tb ：接收机钟差（未知数）：接收机钟差（未知数）1.接收机接收机 k 对卫星对卫星 j 的载波相位测量的观测方程：的载波相位测量的观测方程：5.5.15.5.1静态绝对定位静态绝对定位静态绝对定位静态绝对定位5.5.1.3 应用载波相位观测值进行静态绝对定位应用载波相位观测值进行静态绝对定位2.将观测方程线性化将观测方程线性化3.利用最小二乘原理求解测站坐标、接收机钟差、整周未知数利用最小二乘原

50、理求解测站坐标、接收机钟差、整周未知数4.由于存在整周未知数问题，在观测由于存在整周未知数问题，在观测4颗卫星的情况下，至少必颗卫星的情况下，至少必须须3个历元，对相同的卫星进行同步观测个历元，对相同的卫星进行同步观测 5.精度高于伪距法静态绝对定位精度高于伪距法静态绝对定位 整周未知数固定解整周未知数固定解/实数解实数解6.解算结果可为相对定位的参考站提供较为精密的起始坐标解算结果可为相对定位的参考站提供较为精密的起始坐标5.5.1.4 绝对定位精度评价绝对定位精度评价1.DOP值的性质值的性质 a 用于单点定位时，所观测卫星的数量与分布有关，它表示的用于单点定位时，所观测卫星的数量与分布有