第三章03GPS动态定位原理

1、导航概念的演变 众多运载工具的导航： 飞机、火箭、导弹、核潜艇、巨型油轮、人造卫星、宇宙飞船起源：起源：应用：应用： 航海： 引导运动载体从一个地点航行到另一个地点的过程 除了保证航行安全，还要为载体或载体中的监视、测量、装备除了保证航行安全，还要为载体或载体中的监视、测量、装备等系统提供精确的导航信息等系统提供精确的导航信息广义的导航导航种类 船位导航术 天文导航 无线电导航 惯性导航 卫星导航导航：与地理位置相关导航： 确定航行体运动到什么地方和向何方向运动。导航：广义的动态定位关键：确定航行体的即时位置其他：载体的瞬时速度，精确的时间，载体的姿态GPS卫星导航运动载体的七维状态参数 （三

2、维坐标、三维速度、时间） 运动载体的三维姿态参数 应用广泛： 航空航天、渔业、导游、农业、大地测量、地球物理学、气球气象学、载人航天一、动态定位的特点一、动态定位的特点 领域应用广泛其绝大多数用户均在陆、海、空军事领域。同时，在交通运输、地球物理勘探、航空摄影测量、采矿生产等领域中，也有着广泛的应用。应用载体多运动载体可以是地面运动的、水上航行的、空中飞行的，所以它的用户具有广泛性(与GPS静态定位相比较)1.1.用户的广泛性GPS动态定位是运动状态下的一种实时定位方法。GPS动态定位原理动态定位原理2.2.定位的实时性在静态定位时，用户天线相对于地球是固定不动的；动态定位，用户天线将随着运动

3、载体不停的运动，特别是对于高动态定位，要求以极短的时间（如亚秒级）采集一个点的实时定位数据，适时的处理定位数据，及时的给出定位成果。所以动态定位具有强烈和紧迫的实时性。 GPS动态定位分为低中高三种定位形式：低动态定位，载体的运动速度每秒几米至几十米；中等动态定位，载体的运动速度每秒100m至1000m； 高动态定位，载体的运动速度在每秒一公里以上。3.3.速度的多异性GPS动态定位时的载体多种多样，这些载体的速度从每秒几米到每秒几公里。 由上所述，动态定位显著区别于静态定位。在用户天线以每秒几米到几公里的速度相对于地球运动的情况下，需要用GPS信号测定它们的七维状态参数：三维坐标、三维速度、

4、时间。uGPS单点动态定位uGPS实时差分动态定位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。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。6.2 6.2 uGPS后处理差分动态定位后处理差分动态定位和实时差

5、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。二、绝对动态定位二、绝对动态定位 单点动态定位又叫绝对动态定位。例如在行驶的火车和汽车上，安置GPS信号接收机，独立自主地测得运动载体的实时位置，进而描绘出运动载体的运行轨迹。 在单点动态定位情况下，由于观测站是运动的，为了获得瞬时定位结果，必须至少同步观测4颗卫星，以便获取4个同步

6、伪距观测值，解得4个未知参数。（一）测码伪距动态绝对定位 修正了电离层、对流层折射，卫星钟差的影响，由误差方程得到四个未知参数的唯一解。0iiilZa（二）测相伪距动态绝对定位 依据误差方程，得到未知数的解： 观测量总数=卫星数n 待定参数=4+n（n为接收机在历元t时刻接收n个卫星的载波信号时产生的整周未知数） iiiiiilNteZatv)()( 若整周未知数未知，则利用载波相位观测量无法获得动态绝对定位的实时解。 获得测相伪距动态观测的实时解的关键： 能否预先或在运动中可靠的确定整周未知数。 条件：接收机保持对所测卫星的连续跟踪，使整周未知数保持为一常量。 误差方程变为： iiiiiil

7、NteZatv)()(两种观测量对比：两种观测量对比： 精度：精度：测相伪距测相伪距 测码伪距测码伪距 难易：难易：测相伪距测相伪距 测码伪距测码伪距一般情况下，实时动态绝对定位仍主要采用测码伪距作为一般情况下，实时动态绝对定位仍主要采用测码伪距作为观测量观测量 静态静态 动态：伪距法动态：伪距法绝对定位绝对定位 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）三、伪距差分动态定位三、伪距差分动态定位 所谓差分动态定位（所谓差分动态定位（DGPSDGPS），），就是就是使用两台接收机分别置于两个测站上同使用两台接收机分别置于两个测站上同时测量来自相同时测量来自相同GPSG

8、PS卫星的导航定位信卫星的导航定位信号，用以联合测出动态用户的精确位置。号，用以联合测出动态用户的精确位置。伪距差分动态定位原理一个测站是已知的基准点该点的GPS接收机称为基准接收机；另一台安设于运动载体上，称为动态接收机。两台接收机同时测量来自相同GPS卫星的导航定位信号。基准接收机所测得的三维位置与该点已知值进行比较，得GPS定位数据的改正值，据此来改正动态接收机所测得的实时位置。此时多项误差得到抵消，可以得到更为精确的动态用户位置。这种方法称为伪距差分动态定位。差分定位（一）测码伪距差分动态定位（一）测码伪距差分动态定位测码伪距观测方程的一般形式：测码伪距观测方程的一般形式： 减去大气折

9、射影响，在流动站和基准站之间求单差减去大气折射影响，在流动站和基准站之间求单差:卫星间求差：卫星间求差：)()()(t-(t)tc)()(,jijijitttttjtropijionoitcjjiji1jjikkiji11（一）测码伪距差分动态定位（一）测码伪距差分动态定位 动态相对定位通过数据传输系统，将同步观测数据按动态相对定位通过数据传输系统，将同步观测数据按单差双差观测方程处理，得到流动站相对于基准站的空间单差双差观测方程处理，得到流动站相对于基准站的空间位置。位置。 一般情况下，基准站不直接传输其伪距观测量，而一般情况下，基准站不直接传输其伪距观测量，而是经基准站已知坐标计算的伪距修

10、正量或三维坐标修正量。是经基准站已知坐标计算的伪距修正量或三维坐标修正量。 基准站伪距观测量与几何距离之差：基准站伪距观测量与几何距离之差：jjj111（一）测码伪距差分动态定位（一）测码伪距差分动态定位 流动站伪距观测量与几何距离之差：流动站伪距观测量与几何距离之差： 对两式求差：对两式求差： 忽略大气折射残差和不同接收机钟差变化，流动站与卫星忽略大气折射残差和不同接收机钟差变化，流动站与卫星之间几何距离公式可表示为：之间几何距离公式可表示为：)()()(t-(t)tc,jitttjtropijionoijijiji)()()( tc)(ttttjtropjionojjjijjjiji11（

11、一）测码伪距差分动态定位（一）测码伪距差分动态定位 将基准站的伪距差分将基准站的伪距差分 作为作为GPS的修正量传输给流动站，的修正量传输给流动站，改正流动站接收机相应的同步伪距观测量，进而确定流动改正流动站接收机相应的同步伪距观测量，进而确定流动站的位置。站的位置。 精度影响因素：精度影响因素：流动站与基准站之间的距离（流动站与基准站之间的距离（100km以内以内m级精度）；级精度）； 修正量修正量 的精度的精度 和有效作用期；和有效作用期；通信链质量。通信链质量。 j1j1（二）测相伪距差分动态定位（二）测相伪距差分动态定位 难点：难点：快速解算整周未知数快速解算整周未知数 条件：条件：用

12、快速确定整周未知数的方法进行初始化，流动站用快速确定整周未知数的方法进行初始化，流动站接收机在运动过程中保持对卫星的连续跟踪，一旦失锁，接收机在运动过程中保持对卫星的连续跟踪，一旦失锁，需重新进行初始化。需重新进行初始化。 其位置测定方法与测码伪距差分定位相同：其位置测定方法与测码伪距差分定位相同：)()()()(t-(t)tc)()(,1,101j1j11tttNtttjtropjionojj（二）测相伪距差分动态定位（二）测相伪距差分动态定位 在整周未知数已知的情况下，公式中多了整周未知数在整周未知数已知的情况下，公式中多了整周未知数的常数项。的常数项。)()()()(t-(t)tc,1,

13、101j11tttNtjtropjionojjjjtropjionojNtttt)()()( tc)(jjjijjjijiN11四、四、GPSGPS测速测速 利用GPS信号实时地测得载体的运动速度，称之为GPS测速。由于接收机所在的运动载体和GPS卫星之间有相对运动，使得接收机接收到的载波信号频率与卫星发射频率不同，频率差为多普勒频移多普勒频移与卫星接收机间距离变率的关系：测量伪距变率：dffc)()()(ttcttijiji 式中 是站星距离的变化率，由GPS信号接收机测得；卫星的三维速度 可根据导航电文求得；卫星时钟偏差变化率数值较小可略去其影响；电离层和对流层时延变化率和因测速时间短暂可

14、视其为零；伪距变量 可由误差方程表示： )()()(t-(t)tc)()(,jijijitttttjtropijionoijjjZYX、)(jit(t)tcZYX)()()()(iiiijitntmtltjijiji 这样，在高精度测速情况下，上式中只有动态用户三维速度 和接收机时钟偏差变化率（时速） 四个未知数。如果观测四颗在视GPS卫星，即可解得四个未知数。最后求得运动载体的运动速度为 （4-37） 另外，还可用GPS差分法测速，从而消除星历误差对测速精度的损失，可显著削弱电离层或对流层效应对测速精度的影响。XYZ（、）222kvXYZ（）(t)ti五、五、GPSGPS定时定时 人们的生活

15、离不开时间，从日常生活到航海、航空和航天，定时有着广泛的应用领域。随着使用目的的不同，人们对时间准确度的要求也不同。若用GPS卫星信号进行时间传递，只要有一台能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收机，就可以获得较高的定时精度。 GPS卫星上都安装有四台原子钟，GPS时间与世界协调时UTC之差经常保持在1s以内。因此，GPS卫星可以成为一种全球性用户的时间信号源，用以进行精确的时间比对。 在用GPS信号传递时间时，存在着三种时间尺度（时标）：GPS时间，它是一种全球性的时间信号源，用以进行精确的时间比对；每颗GPS卫星的时钟； 用户接收机的时钟。GPS定时的实质是测定用户时钟相对于GPS时间

16、的偏差，并根据卫星电文给出的有关参数，计算出世界协调时（UTC） （一）单站单点测时法（一）单站单点测时法 在观测点位置已知的情况下，利用测码伪距观测量得到历在观测点位置已知的情况下，利用测码伪距观测量得到历元元t时刻的接收机钟差。时刻的接收机钟差。 确定用户接收机相对于确定用户接收机相对于GPS时的钟差，可进一步根据导航时的钟差，可进一步根据导航电文给出的信息，计算相应的协调世界时电文给出的信息，计算相应的协调世界时UTCl 观测站已知情况下，只需观测观测站已知情况下，只需观测1颗卫星颗卫星l 未知时，至少观测未知时，至少观测4颗卫星颗卫星（二）共视法（二）共视法若要求定时更加准确，可采用如

17、右图所示的共视比对定时法。共视定时 在两个测站A和B上安一台GPS信号接收机，在相同的时间内观测同一颗GPS卫星。通过无线数据传输将测站A的用户钟差送到测站B，对两个共视用户的钟差进行比对，从而测定用户时钟的偏差。实验表明，两个测站共同见到同一颗卫星的时间并不要求严格同步，前后相差20分钟以内对定时准确度无显著区别；由于它有效的消除了卫星钟差和星历误差的影响，达到了5ns的定时准确度，所以这种方法成为目前用GPS信号传递时间的主要方法。本章小结本章小结 本章主要介绍了GPS定位的两种方式和两种定位的方法：伪距法、载波相位测量法。目前在测量工程中应用的主要方法是静态定位中的伪距法和载波相位测量法

18、，采用这两种方法可以获得高精度的定位成果。 利用GPS进行定位，就是把卫星视为“动态”的控制点，在已知其瞬时坐标的条件下，以GPS卫星和用户接收机天线之间的距离（或距离差）为观测量，进行空间距离后方交会，从而确定用户接收机天线相位中心所处的位置。 利用GPS进行定位有多种方式按用户接收机天线所处的状态而言，定位方式分为静态定位和动态定位； 静态定位是指GPS接收机在进行定位时，待定点的位置相对其周围的点位没有发生变化，其天线位置处于固定不动的静止状态。动态定位是指在定位过程中，接收机位于运动着的载体，天线也处于运动状态的定位。动态定位是用GPS信号实时地测得运动载体的位置。若按参考点位置的不同，又