卫星定位原理与应用复习参考ppt课件

汇报人：田彬,GNSS总复习,1,提纲,卫星,时空系和高程系统,GNSS,卫星运动与星历,卫星导航与信号,定位原理与应用,定位误差分析,控制测量实施及数据处理,2,坐标系统,天球定义坐标系,天球赤道坐标系(,r)天球直角坐标系(x,y,z),地球坐标系,地球直角坐标系(X，Y，Z)大地坐标系（B，L，H）,站心坐标系,站心直角坐标(N,E,U)站心极坐标(r,A,h),天球坐标系与地球自转无关，用于描述卫星运行位置和状态。地球坐标系随同地球自转，可看作固定在地球上的坐标，用于描述地面观测站的位置。站心坐标系随同地球自转，可看作固定在地球上的坐标，用于描述地面观测站与卫星的关系、卫星在空中的分布情况。,3,单击编辑标题,岁差,地球接近于一个赤道隆起的椭球体，在日月和其它天体引力对地球隆起部分的作用下，地球在绕太阳运行时，自转轴方向不再保持不变，从而使春分点在黄道上产生缓慢西移,章动,在天文学上天极相对于黄极的位置除有长周期的岁差变化外，还有许多短周期的微小变化,时间系统,极移,由于地球内部和外部的种种动力学因素，地球自转轴相对于地球体的位置不是固定的，地极点在地球表面上的位置随时间而变化的现象,4,坐标系统转换方程,单击编辑标题,地球直角坐标系的定义(X,Y,Z)和大地坐标系的定义（B,L,H）,天球赤道坐标系(,r)和天球直角坐标系(x,y,z),5,坐标系统转换方程,单击编辑标题,站心直角坐标(N,E,U)与站心极坐标(r,A,h)）,6,单击编辑标题,时刻,时刻是指发生某一现象的瞬间。在天文学和卫星定位中，所获取数据对应的时刻也称历元。,时间间隔,时间间隔是指发生某一现象所经历的过程，是这一过程始末的时间之差。,时间系统,7,单击编辑标题,时间系统,8,高程系统,单击编辑标题,高程系统,点的高程：有正高、正常高、大地高、相对高程。正高：地面点沿铅垂线至大地水准面的距离。正常高：地面点沿铅垂线至似大地水准面的距离。大地高：地面点沿法线至椭球面的距离。相对高：地面点沿铅垂线至任一水准面距离。,9,卫星运动与星历,单击编辑标题,开普勒行星运动三定律,一、卫星运行的轨道为一椭圆，该椭圆的一个焦点与地球质心重合,二、卫星的地心向径在单位时间内所扫过的面积相等。表明卫星在椭圆轨道上的运行速度是不断变化的，在近地点处速度最大，在远地点处速度最小。（动能、位能之和不变）,三、卫星运行周期的平方与轨道椭圆长半径的立方之比为一常量，等于GM的倒数。,10,卫星运动与星历,单击编辑标题,a为轨道的长半径,为升交点赤经,为近地点角距,v为卫星的真近点角,i为轨道面倾角,e为轨道椭圆偏心率,11,卫星运动与星历,单击编辑标题,（,i）确定了开普勒椭圆在轨道平面上的定向；（,i）唯一地确定了卫星轨道平面在真天球坐标系中的位置关系；（a,e,f）唯一的确定了卫星轨道的形状、大小和卫星在轨道上的瞬时位置。,12,卫星运动与星历,单击编辑标题,真近点角:,偏近点角（迭代计算）:,平近点角:,13,卫星运动与星历,单击编辑标题,地球格林尼治子午面绕地球自转轴旋转，约24小时/天。GPS卫星在椭圆轨道上，以3.87km/s的速度每天旋转两圈，k卫星在时刻的地心坐标可表示为：,式中，分别为k卫星时刻的升交点赤径，卫星轨道面倾角，近地点角距。,14,卫星运动与星历,单击编辑标题,协议地球坐标系中GPS卫星位置的计算步骤,第一步：计算平均角速度,第二步：计算归化时间,第三步：计算真近点角,第四步：计算升交距角及轨道摄动改正项,第五步：计算卫星在轨道坐标系中的坐标,15,卫星星历,单击编辑标题,卫星星历:预报星历（广播星历）后处理星历（精密星历、快速星历、超快速星历）,广播星历与精密星历的差异：1.来源不同：广播星历来源于卫星播发的导航电文，精密星历来源于某些部门的跟踪站观测计算结果；2.时间不同：广播星历实时获得，精密星历时候获得；3.精度不同：精密星历最高可达1-2cm；4.内容不同：广播星历提供轨道参数及改正项，精密星历提供协议地球坐标系（ITRF）下的卫星位置；5.计算方法不同：广播星历通过开普勒定律计算卫星位置，精密星历通过内插法；6.获取途径不同：广播星历通过无线电信号，精密星历通过网络通信下载。,16,卫星导航系统与信号,单击编辑标题,GPS系统由三部分组成,空间部分GPS卫星星座地面控制部分主控站：1个监测站：5个注入站：3个通讯与辅助系统用户设备部分用户机、车载机接收设备,17,卫星导航系统与信号,单击编辑标题,GPS卫星信号包含三种信号分量：载波、测距码和数据码,载波:运载调制信号的高频震荡波,测距码：用于测定从卫星到接收机间距离的二进制码,数据码:包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获P码等导航信息,18,卫星导航系统与信号,单击编辑标题,载波：L1载波，L2载波，L5载波,由卫星上的原子钟直接产生，频率为10.23MHz,卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频,19,卫星导航系统与信号,单击编辑标题,载波频率选择的因素所选择的频率有利于测定多普勒频移；所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响；选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟（电离层折射延迟于信号的频率有关）。,20,卫星导航系统与信号,单击编辑标题,测距码作用:识别不同卫星、捕获卫星信号测定伪距传递导航电文（D码）提高抗干扰能力,测距码：粗码C/A码、精码P码以及Y码粗码(C/A码)为主要民用导航测距码；Y码用于反欺骗模式启动时替代P码；精码(P码)，或者Y码主要是用于授权用户精确导航测距码。,21,卫星导航系统与信号,单击编辑标题,导航电文:遥测字交接字数据块1(含有卫星钟改正参数及形钟数据龄期IODC、星期的周数编号WN、电离层延迟改正TGD、和卫星工作状态等信息)数据块2向用户提供有关计算卫星运行位置的信息。该数据一般称为卫星星历（广播星历）数据块3向用户提供GPS卫星的概略星历及卫星的工作状态信息，称为卫星的历书,22,定位原理与方法,单击编辑标题,伪距基本观测方程：,23,卫星导航系统与信号,单击编辑标题,载波相位基本观测方程：,:波长,:整周模糊度,24,卫星导航系统与信号,单击编辑标题,载波相位特性：,整数性：载波相位模糊度为整数。不变性：在观测过程中，只要保持对卫星信号的连续跟踪，相位模糊度不变。周跳：载波相位观测值中整周计数发生错误周跳的大小为载波波长的整数倍障碍物遮挡、接收机天线运动、信号信噪比低、接收机质量或卫星故障等,25,卫星导航系统与信号,单击编辑标题,组合观测值:,卫星间求一次差,接收机间求一次差,接收机和卫星间求二次差,接收机、卫星、历元间三次差,26,卫星导航系统与信号,单击编辑标题,消电离层组合,无几何距离组合,宽巷组合,窄巷组合,27,卫星导航系统与信号,单击编辑标题,无几何距离组合：单独利用一台接收机的伪距观测值确定待定点绝对位置的方法,采用广播星历，结果为WGS84坐标采用IGS精密星历，结果为ITRF坐标,优点：原理简单，实时性好单台接收机的伪距观测值即可定位缺点：伪距精度低,28,卫星定位原理与方法,单击编辑标题,原始伪距基本观测方程为,对几何距离线性化,29,卫星定位原理与方法,单击编辑标题,单历元观测S颗卫星，并写成矩阵形式,30,卫星定位原理与方法,单击编辑标题,精度衰减因子：,空间位置精度因子PDOP,时钟差精度因子TDOP,定位几何精度因子GDOP,平面位置精度因子HDOP,垂直精度因子VDOP,31,卫星定位原理与方法,单击编辑标题,载波相对定位方法,优点精度高短基线省去多项误差改正,缺点：数据处理复杂实时性差,32,卫星定位原理与方法,单击编辑标题,原始载波基本观测方程为:,站间单差观测方程,33,卫星定位原理与方法,单击编辑标题,精密单点定位,特点单台接收机作业机动灵活单点精密定位，节约成本、提高效率不需参考站，定位不受作用距离限制,精度：厘米级用途：全球高精度测量、卫星定轨、对流层建模,与卫星有关的误差:卫星星历、钟差：采用IGS发布的精密星历文件和钟差文件。卫星天线相位中心偏差：利用IGS公布的相位中心偏差文件进行改正。相对论效应：采用模型改正地球自转改正：采用IGS公布的地球自转参数,34,卫星定位原理与方法,单击编辑标题,伪距观测方程,相位观测方程,PPP观测方程,35,卫星定位原理与方法,单击编辑标题,RTK：是一种利用载波相位观测值在流动站和基准站之间进行的一种实时动态相对定位技术。,双差相位观测值：,在一定距离内，基准站和流动站之间有较好的误差相关性，从而可以利用基准站载波相位或求得的载波相位改正（差分法、改正法）提高流动站的定位精度，RTK的定位精度可达到厘米级。,36,卫星定位误差分析,单击编辑标题,单击编辑标题,卫星有关的误差,卫星轨道误差卫星钟差相对论效应,传播途径有关的误差,传播途径有关的误差,电离层延迟对流层延迟多路径效应,接收设备有关的误差,接收机天线相位中心的偏移和变化,接收机钟差,接收机内部噪声,37,卫星定位误差分析,单击编辑标题,模型改正法,原理：利用模型计算出误差影响的大小，直接对观测值进行修正,所针对的误差源:相对论效应电离层延迟对流层延迟卫星钟差,38,卫星定位误差分析,单击编辑标题,求差法：原理：通过观测值间一定方式的相互求差，消去或消弱求差观测值中所包含的相同或相似的误差影响；所针对的误差源:电离层延迟对流层延迟卫星轨道误差,39,卫星定位误差分析,单击编辑标题,参数法：采用参数估计的方法，将系统性偏差求定出来适用情况：几乎适用于任何的情况,40,卫星定位误差分析,单击编辑标题,卫星钟差：卫星上虽使用了高精度的原子钟，但仍存在着误差，既含系统性的误差（由频偏、频漂等产生的误差），也含随机误差。系统误差远比随机误差大，但前者可以通过模型加以改正。,模型改正，采用钟差改正多项式：,a0为toc时刻的时钟偏差（钟偏）；a1为钟速的偏差（钟漂）；a2为钟速的漂移（钟漂率）；TGD卫星群延迟。Toc为卫星时钟修正参数的参考时间。,41,卫星定位误差分析,单击编辑标题,电离层延迟,对流层troposphere（8/18公里）；平流层stratosphere（8/1855/60公里）；电离层ionosphere（55/601000公里）；中间层和散逸层mesosphere；再上面为星际空间。,实质：大气对电磁波的折射效应,42,卫星定位误差分析,单击编辑标题,大气折射效应信号在穿过大气时，速度将发生变化，传播路径也将发生弯曲。,对GPS信号来说，电离层是色散介质，对流层是非色散介质,电子密度：单位体积中所包含的电子数。,总电子含量：底面积为一个单位面积时沿信号传播路径贯穿整个电离层的一个柱体内所含的电子总数。,43,卫星定位误差分析,单击编辑标题,电离层延迟特点：电离层延迟与信号频率的平方成反比,电离层对载波和测距码的影响，大小相等，符号相反,电离层延迟应对方法：模型改正单层电离层模型；差分处理；双频改正。,44,卫星定位误差分析,单击编辑标题,对流层延迟,同电离层影响相比，对流层的影响小一个量级,主要有两类经验模型，测站位置和气象要素：测站纬度、高程等干温、湿温、气压等,45,卫星定位误差分析,单辑标题,多路径误差,在GPS测量中，用户附近的物体所反射的卫星信号被接收机天线所接收，与直接来自卫星的信号产生干涉，从而使观测值偏离真值产生所谓的“多路径误差”。,应对方法：布站：选择合适的测站避开易产生多路径的环境硬件：采用抗多路径误差的设备抗多路径的天线：带抑径板或抑径圈的天线，极化天线抗多路径的接收机：窄相关技术,46,卫星定位误差分析,单击编辑标题,地球自转改正：,GNSS信号自卫星到地面测站，需要一段传播时间，如果以用户为标准，卫星坐标发生的变化量，这必然引起卫星到测站的几何距离发生变化，设变化量可由微分公式可算出：,47,卫星定位误差分析,单击编辑标题,接收机天线相位中心误差:接收机天线的相位中心相对测站标石中心位置的偏差,应对方法：正确对中整平或采用强制对中装置,接收机天线相位中心变化的改正GNSS测量和定位时是以接收机天线的相位中心位置为准，天线的相位中心与其几何中心理论上应保持一致。GNSS信号是来自四面八方，随着GPS信号方位和高度角的变化，接收机天线的相位中心的位置也在发生变化,48,卫星控制测量实施,单击编辑标题,GNSS控制网：采用GNSS定位技术所建立的测量控制网，由GNSS站点和基线向量构成。,优点：精度高/选点灵活/全天候作业/三维坐标缺点：对空通视/短距离测量精度受限,49,卫星定位误差分析,单击编辑标题,GNSS控制网分类,框架基准网大地测量控制网工程控制网测图控制网,观测时段,定义从测站上开始接收卫星信号至记录停止的连续观测的时间间隔，即时段长度。特点GNSS控制测量的基本时间单位不同等级对时段数和时段长度有不同的要求,50,卫星定位误差分析,单击编辑标题,同步观测,定义：两台或两台以上的接收机对同一组卫星信号进行的观测特点：某时段共有N台接收机进行了同步观测，则共可得到JN=N(N-1)/2条同步观测基线；当N2时，可以构成不同边数的同步环。,基线向量,利用两台接收机同步观测所得的站间三维坐标差即为基线向量，简称基线,必要基线,n个测站的GNSS网的必要基线数为Jn=n-1多余基线：J独-J必非独立基线：J总-J独,51,卫星定位误差分析,单击编辑标题,独立基线,定义：线性无关（相互函数独立）的一组基线向量,某时段N台GPS接收机构成的同步观测环，有JN条同步观测基线，其中独立基线数JD=N一1。,闭合环由多条基线向量首尾相连所构成的闭合图形,闭合差组成闭合环的基线向量按同一方向的矢量和,同步观测环（同步环）三台或三台以上的接收机同步观测所获得的基线向量所构成的闭合环，简称同步环。,52,卫星误差分析,单击编辑标题,异步观测环（异步环）异步观测环：在构成多边形环路的所有基线向量中，只要有非同步观测基线向量，则该多边形环路叫异步观侧环，简称异步环。,独立观测环（独立环）独立观测环：由独立观测所获得的基线向量构成的闭合环，简称独立环。,闭合差检验同步环：闭合差理论为零、实践不为零但通常很小。异步环：闭合差理论不为零、也不一定为微小值。,53,卫星误差分析,单击编辑标题,设计准备,项目规划,资料搜集整理,技术设计,仪器检验和检定,踏勘、选点和埋石,54,卫星误差分析,单击编辑标题,外业施测,实地了解测区情况：,卫星状况预报,确定作业方案,外业观测,数据传输备份,基线解算及其质量控制,55,卫星误差分析,单击编辑标题,数据处理,网平差及其质量控制,技术总结,成果验收,技术设计,56,卫星误差分析,单击编辑标题,设计目标,质量,精度,观测值间相互符合的程度观测值与已知值间符合的程度,可靠性,发现粗差的能力抵御粗差的能力,效率,理论最少观测时段数与设计时段数的比值,57,卫星误差分析,单击编辑标题,基准设计,位置基准,无固定（无联测）。自由网平差（最小范数、假定基准、重心基准、拟稳基准），也称无约束平差，对网的方向和尺度无影响。固定网中一点的坐标。最小约束平差，也称无约束平差，对网的方向和尺度无影响。固定网中多点的坐标。约束平差，对网的方向和尺度有影响。,58,卫星误差分析,单击编辑标题,图形设计,三角形网：优点：几何强度高、抗粗差能力强缺点：工作量大,多边形网：效率高，工作量较小图形强度不如三角形网,附合导线网：效率高，工作量较小图形强度不如三角形网和多边形网,星形网：作业速度快，抗粗差能力差,59,卫星误差分析,单击编辑标题,观测时段数计算公式（理论值）：,总基线数：J总=CN(N-1)/2必要基线数：J必=n-1独立基线数：J独=C(N-1)多余基线数：J多=C(N-1)(n-1)非独立基线数：J非独=CN(N-1)/2C(N-1),60,卫星测量数据处理,单击编辑标题,基线向量：利用由两台或两台以上的接收机同步观测所得的站间三维坐标差,空间直角坐标与大地坐标,61,卫星测量数据处理,单击编辑标题,空间直角坐标与站心直角坐标,62,卫星测量数据处理,单击编辑标题,单基线解/基线模式,解算方法一次仅同时提取两台GNSS接收机的同步观测数据进行基线解算。,特点模型简单，参数较少，计算量小，最为常用解算结果无法反映同步观测基线间的误差相关性无法充分利用观测数据之间的关联性,63,卫星测量数据处理,单击编辑标题,解算方法一次提取一个观测时段中所有进行同步观测的n台接收机所采集的同步观测数据，在单一解算过程求出所有n-1条相互函数独立的基线。,特点数学模型严密，并能反映同步观测基线间的误差相关性数学模型和解算过程复杂，计算量大,多基线解/时段模式,64,卫星测量数据处理,单击编辑标题,整体解/战役模式,解算方法一次提取整个观测过程中所有观测数据，在一个单一解算过程中同时处理，得出所有独立基线。特点数学模型严密，能反映出同步基线间的相关性避免了结果在几何上的不一致性和闭合差不为零将基线解算与网平差融为一体数学模型和解算过程复杂，计算量大,65,卫星测量数据处理,单击编辑标题,GNSS网外业施测的主要内容测绘资料收集整理仪器检验、检定踏勘、选点、埋石作业队进驻卫星状态预报观测计划制定作业调度及外业观测数据传输、转储、备份基线解算及质量控制重测和补测,66,卫星测量数据处理,单击编辑标题,测量任务完成后，应上交下列资料：测量任务书和技术设计书。点之记、环视图、测量标志委托保管书。卫星可见预报表和观测计划表。外业观测记录、仪器检测资料及气象资料。外业观测数据质量分析和野外检和计算资料。各种磁盘、原始观测资料和成果表。GNSS网展点图。技术总结、成果验收报告。,67,卫星误差分析,单击编辑标题,矩阵形式,68,卫星误差分析,单击编辑标题,参数估计,精度评定,69,卫星误差分析,单击编辑标题,基线解算的基本流程,70,卫星误差分析,单击编辑标题,基线解算的质量控制,质量评定通过一系列的指标，对基线向量结果的质量进行评估，发现质量差（不合格）的基线质量改善通过数据处理手段（基线精化处理），提高基线向量结果的质量,71,卫星误差分析,单击编辑标题,基线解算质量评定的指标基于测量规范的控制指标数据剔除率，同步环闭合差，异步环闭合差，复测基线长度较差基于统计学原理的参考指标单位权方差（参考方差），观测值残差的RMS，RATIO值，RDOP值,数据删除率定义在基线解算时，如果观测值的改正数大于某一个阈值时，则认为该观测值含有粗差。粗差数量与观测值的总数的比值，称为数据删除率作用数据删除率从某一方面反映出了GNSS原始观测值的质量。数据删除率越高，通常表明观测值的质量越差。要求根据GB/T18314-2009同一时段观测值的数据剔除率宜小于10%,72,卫星定位误差分析,单击编辑标题,同步环闭合差,异步环闭合差,复测基线互差,73,卫星定位误差分析,单击编辑标题,单位权方差,观测值残差,RATIO,RDOP,74,卫星定位误差分析,单击编辑标题,基线解算的质量控制影响因素,少数卫星的观测时间太短,个别卫星或个别时段周跳太多，使周跳修复不完善,多路径效应比较严重，观测值的改正数普遍较大,对流层折射影响或电离层折射影响较大,删除该卫星的观测数据，不让其参与基线,在发生周跳处增加新的模糊度参数删除周跳严重的时间段的方法,缩小编辑因子的方法来剔除残差较大的观测值删除多路径误差严重的时间段或卫星的数据,提高截止高度角，剔除易受对流层或电离层影响的低高度角观测数据采用模型对对流层和电离层延迟进行改正如果GNSS观测值是双频观测值，则可采用无电离层观测值（Iono-free）来进行基线解算,75,卫星定位误差分析,单击编辑标题,网平差的目的及意义,消除由观测量和已知条件中存在的误差所引起的GNSS网在几何上的不