绝对定位和相对定分解.ppt

绝对定位和相对定位 定位方法分类按参考点的不同位置划分为 1 绝对定位 单点定位 在地球协议坐标系中 确定观测站相对地球质心的位置 2 相对定位 在地球协议坐标系中 确定观测站与地面某一参考点之间的相对位置 GPS定位方法分类 按用户接收机作业时所处的状态划分 1 静态定位 在定位过程中 接收机位置静止不动 是固定的 静止状态只是相对的 在卫星大地测量中的静止状态通常是指待定点的位置相对其周围点位没有发生变化 或变化极其缓慢 以致在观测期内可以忽略 2 动态定位 在定位过程中 接收机天线处于运动状态 在绝对定位和相对定位中 又都包含静态和动态两种形式 GPS定位方法分类 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 绝对定位所依据的观测量都是所测的站星伪距 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 绝对定位的基本原理 以GPS卫星和用户接收机天线之间的距离 或距离差 观测量为基础 根据已知的卫星瞬时坐标 来确定接收机天线所对应的点位 即观测站的位置 GPS绝对定位方法的实质是测量学中的空间距离后方交会 原则上观测站位于以3颗卫星为球心 相应距离为半径的球与观测站所在平面交线的交点上 绝对定位方法概述 GPS相对定位也叫差分GPS定位 是至少用两台GPS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 坐标差 相对定位时 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 相对定位方法概述 相对定位方法概述 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 相对定位是目前GPS定位中精度最高的一种定位方法 S1 S2 S3 S4 动态绝对定位 在动态绝对定位的情况下 由于接收机处于运动状态 待定点的位置总是时时变化 因此 一般说来每个待定点只能获得一个历元的观测值 对于一个观测站点 只要获得一个观测历元4颗卫星的观测值 便可求得该测站点的坐标 如果多于4颗卫星 存在多于观测 则可以进行平差计算 动态绝对定位 测码伪距动态绝对定位载波相位测量动态绝对定位 需在运动中实时求解整周未知数Nji GPS开机后 需要静止至少1 3min完成初始化过程 锁定卫星信号和固定整模糊度 静态定位是接收机保持静止 因此 一个测站点上可以获得连续多个历元的观测值 随着观测历元的增加 每个历元可是卫星的数量可能发生变化 解算系数矩阵的构成可以有所不同 静态绝对定位可以根据伪距观测量或载波相位观测量来进行 静态绝对定位 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 DilutionOfPrecision 的概念 在实践中 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 平面位置精度因子HDOP horizontalDOP 高程精度因子VDOP VerticalDOP 空间位置精度因子PDOP PositionDOP 接收机钟差精度因子TDOP TimeDOP 几何精度因子GDOP GeometricDOP 描述空间位置误差和时间误差综合影响的精度因子 定位精度的评价 卫星的空间几何分布与精度因子的关系 卫星高度截止角 指接收机可接收的最小卫星高度角 一般在5 20 之间 一般卫星高度角越高 卫星受大气折射光的影响越小 一般认为 当一颗卫星靠近天顶 其余卫星之间相距近似120 时 所构成的卫星几何图形最佳 这是所构成的六面体较大 卫星的高度角也不至于太小 当观测卫星多于4颗时 需要对卫星有所取舍 已获得更小的精度因子 GDOP 1 V 六面体体积V最大情形 一颗卫星处于天顶 其余3颗卫星相距120 卫星的空间集合分布与精度因子的关系 一般精度因子越小 精度就越高 因此如何能使精度因子更小就成为提高定位精度的一种有效方式 假如测站与观测到的4颗卫星 构成六面体的体积等于Vol 经分析表明 精度因子与该六面体的体积的大小成反比 在野外开阔地带 精度因子的影响可以不考虑 而在周围有很多建筑物的情况下 要考虑精度因子的影响 相对定位 静态相对定位动态相对定位 将一台GPS接收机安置在已知坐标的地面点 已知点 上 另一台或多台GPS接收机安置在为未知坐标的地面点 待定点 上 安置在基线端点的接收机固定不动 同步连续观测相同的GPS卫星星座 用以取得未知点相对于已知点的坐标增量 基线矢量 从而由已知点坐标 推求各未知点坐标的方法 连续观测取得充分的多余观测数据 因而可以获得非常高的定位精度 静态相对定位 T1已知点 T2 S1 S2 S3 S4 至少两台接收机固定连续同步观测 中等长度的基线 100 500km 相对定位精度可达10 6 10 7甚至更好 采用载波相位观测值 或测相伪距 为基本观测量 参考站 未知站 静态相对定位 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地影响 从而提高相对定位的精度 静态相对定位 ti时刻载波相位观测量 观测量的线性组合 静态相对定位 GPS载波相位观测值可以在卫星间求差 在接收机间求差 也可以在不同历元之间求差 各种求差法都是观测值的线性组合 将观测值直接相减的过程叫做求一次差 所得结果称单差 对一次差继续求差 所得结果称为双差 同样还有三差 这些差分观测值模型能够有效地消除各种偏差项 求解过程也是首先将观测方程线性化后求解并确定误差 静态相对定位 动态定位方法 导航的概念首先起源于航海事业 其最初的含义是引导运载体从一个地点航行到另一个地点的过程 导航的首要问题就是确定航行体的即时位置 还要测定其速度 时间 姿态等状态参数 由此可见 导航是一种广义的动态定位 卫星导航是用导航卫星发射的导航定位信息引导运动载体安全到达目的地的一门新兴科学 GPS在导航领域的应用 有着比GPS静态定位更为广阔的前景 卫星导航概念 GPS导航是一种广义的GPS动态定位 从目前的应用看来 主要分为以下几种方法 1 单点动态定位 2 实时差分动态定位 3 后处理差分动态定位 GPS动态定位方法分类 单点动态定位是用安设在一个运动载体上的GPS信号接收机 自主地测得该运动载体的实时位置 从而描述出该运动载体的运动轨迹 所以单点动态定位又叫绝对动态定位 例如 行驶的汽车和火车 常用单点动态定位 GPS单点动态定位 实时差分动态定位是用安设在一个运动载体上的GPS信号接收机 及安设在一个基准站上的另一台GPS接收机 联合测得该运动载体的实时位置 从而描述出该运动载体的运行轨迹 故差分动态定位又称为相对动态定位 例如 飞机着陆和船舰进港 一般要求采用实时差分动态定位 以满足它们所要求的较高定位精度 GPS实时差分动态定位 后处理差分动态定位和实时差分动态定位的主要差别在于 在运动载体和基准站之间 不必像实时差分动态定位那样建立实时数据传输 而是在定位观测以后 对两台GPS接收机所采集的定位数据进行测后的联合处理 从而计算出接收机所在运动载体在对应时间上的坐标位置 例如 在航空摄影测量时 用GPS信号测量每一个摄影瞬间的摄站位置 就可以采用后处理差分动态定位 GPS后处理差分动态定位 对于动态GPS用户 除了需要确定GPS接收机载体的实时位置 往往还要测定载体的实时航行速度 假设于历元t1和t2测定的载体实时位置分别为X1 t1 和X2 t2 则其运动速度可简单地表示为 由此可得载体运行方向的速度为 GPS接收机载体航速的测定 定时有着广泛的应用 从日常生活到航天发射 从出外步行到航空航海 都离不开定时 利用GPS信号进行时间传递 一般采用两种方法 1 一站单机测时 应用一台GPS接收机在一个已知坐标的观测站上进行测时的方法 2 共视对比定时法 在两个测站上各设一台GPS接收机 同步观测同一卫星 来测定两用户时钟的相对偏差 达到高精度时间比对的目的 GPS定时 GPS数据处理目的 将采集的GPS数据 经测量平差后 归化到参考椭球面上并投影到所采用的平面上 得到点的准确位置 GPS定位数据处理特点 特点 1 海量的数据 2 复杂的处理过程 4 自动化程度高 3 多样的数学模型 GPS定位数据处理基本流程 其中 虚线右边的是测后数据处理的基本流程 GPS数据的预处理 1 2 预处理的主要目的是对原始观测数据进行编辑 加工与整理 剔除粗差 删除无效无用数据 分流出各种专用的信息文件 为下一步的平差计算做准备 GPS数据的预处理 2 2 预处理工作的主要内容有 数据传输 数据分流 平滑滤波检验 统一数据格式 标准化卫星轨道方程 探测周跳修复观测值 进行各种模型改正 GPS基线向量的解算 定义 利用多个测站的GPS同步观测数据 确定这些测站之间坐标差的过程 基线向量 GPS相对定位中 点位间的相对位置量 坐标差 为基线向量 GPS相对定位的结果是确定测站点间的相对位置关系 这种相对位置关系通常用空间直角坐标差或大地坐标差表示 解算的观测值 GPS载波相位观测值 主要 GPS伪距观测值 辅助 解算的结果 基线向量 精度 中误差 及误差相关性信息 协方差矩阵 GPS基线向量的解算 为了通过平差计算求解观测站之间的基线向量 一般均取相位观测值的线性组合 即差分模型 一般以双差观测值作为平差解算时的观测量 以测站间的基线向量坐标为主要未知量 建立误差方程式 法方程求解基线向量 GPS基线向量网的平差 1 3 X31 X73 X67 X69 X89 X48 X12 X24 3 2 4 8 9 6 5 7 X23 X35 X52 X45 X85 X95 X56 X36 GPS基线向量网 1 图中红色点代表测站 有方向的线段代表各个测站之间的基线向量 GPS基线向量网的平差 2 3 定义就是以载波相位观测解算得到的基线向量为观测值 以其方差阵的逆阵为权 进行平差计算 求得各GPS网点在WGS 84坐标系的坐标 并进行精度评定的过程 GPS基线向量网的平差 3 3 GPS基线网平差的目的 消除基线网中各类图形闭合条件的不符值 并建立网的基准 即网的位置 方向和尺度基准 目前主要采用的平差方法有 三维无约束平差 三维约束平差及三维联合平差三种平差模型 三维无约束平差解算 1 13 定义所谓GPS网的三维无约束平差是指平差在WGS 84三维空间直角坐标系下进行 GPS控制网中只需引入网中的一个位置基准 起始点 平差时不引入使得GPS网产生由非观测量所引起的变形的外部约束条件 三维无约束平差解算 2 13 主要作用 1 改善GPS网的质量 评定GPS网的内部符合精度 2 消除由观测量和已知条件中所存在的误差而引起的GPS网在几何上的不一致 3 确定GPS网中点在指定参照系下的坐标以及其他所需参数的估值 4 为将来可能进行的高程拟合 提供经过了平差处理的大地高数据 三维无约束平差解算 3 13 三维无约束平差解算 4 13 1 误差方程 设网中的固定点点号为1 网内测站点数为n 以待定测站点坐标改正数 为平差未知数 以基线向量坐标 及其方差的逆阵为观测值和权阵 并设固定点坐标和待定点近似坐标为 三维无约束平差解算 5 13 基线向量坐标协方差矩阵的逆阵为 对于任意i j两点有以下关系或 三维无约束平差解算 6 13 三维无约束平差解算 7 13 GPS网平差的基本误差方程推导 三维无约束平差解算 8 13 1 含固定点1的基线向量观测值的误差方程为 当i 1时 写成矩阵形式对应的权阵为 即前面的基线向量坐标 固定点坐标 待定点近似坐标 三维无约束平差解算 9 13 2 不含固定点的基线向量观测值的误差方程 为 写成矩阵形式对应的权阵为 三维无约束平差解算 10 13 2 法方程的组成及解算 由于各基线向量观测值之间认为是互相独立的 因而可根据最小二乘准则 分别对每个基线向量观测值的误差方程式组成法方程 然后合并这些法方程组成总法方程 三维无约束平差解算 11 13 对应于式的法方程为对应于式的法方程为可得到总法方程为式中 同理可得 三维无约束平差解算 12 13 于是可解得平差未知数为 各待定点坐标平差值为 此处 根据计算结果 逐点代入 三维无约束平差解算 13 13 至此三维无约束平差解算已全部完成 附加 协方差矩阵 在统计学与概率论中 协方差矩阵是一个矩阵 其每个元素是各个向量元素之间的方差 假设X是以n个标量随机变量组成的列向量 并且 k