绝对定位和相对定分解PPT课件

1、定位方法分类定位方法分类按参考点的不同位置划分为：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）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。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）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。观测站与地面某一参考点之间的相对位置。GPS定位方法分类定位方法分类第1页/共59页按用户接收机作业时所处的状态划分：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

2、是相对的，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。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）动态定位：在定位过程中，接收机天线处于运动状态。处于运动状态。在绝对定位和相对定位中，又都包含静态和在绝对定位和相对定位中，又都包含静态和动态两种形式。动态两种形式。GPS定位方法分类定位方法分类第2页/共59页 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

3、态还是静态，绝对定位所依据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。的观测量都是所测的站星伪距。第3页/共59页 绝对定位也称单点定位，是指在协议地球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。（地球质心）绝对坐标的一种方法。 绝对定位的基本原理：以绝对定位的基本原理：以GPS卫星和用户卫星和用户接收机天线之间的距离（或距离差）观测量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，来确定为基础，根

4、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。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间距离后方交会。原则上观测站位于以3颗颗卫星为球心，相应距离为半径的球与观测站卫星为球心，相应距离为半径的球与观测站所在平面交线的交点上。所在平面交线的交点上。绝对定位方法概述绝对定位方法概述第4页/共59页 GPS相对定位也叫差分相对定位也叫差分GPS定位，是至少用两定位，是至少用两台台GPS接收机，同步观测相同的接收机，同步观测相同的GPS卫星，确定卫星，确定两台接收机天线之间的

5、相对位置（坐标差）。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，同步观测相同的两端，同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端卫星，以确定基线端点的相对位置或基线向量。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第5页/共59页相对定位方法概述 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。S1S2S3S4第6页/共59页动态绝对定位动态绝对定位 在

6、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。第7页/共59页动态绝对定位动态绝对定位 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13min完成初始化过程：锁定卫星信号和固定整模糊度。第8页/共59页 静态定位是接收机保持静止。因此，一个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。测站点

7、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的数量可能发生变化，解算系数矩阵的构成可以有所不同。可以有所不同。 静态绝对定位可以根据伪距观测量或载波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。相位观测量来进行。静态绝对定位静态绝对定位第9页/共59页 为了评价定位结果，在导航学中，一般为了评价定位结果，在导航学中，一般采用有关精度因子（精度衰减因子、精度系采用有关精度因子（精度衰减因子、精度系数、精度弥散）数、精度弥散）DOP（Dilution Of Precision）的概念。）的概

8、念。 在实践中，根据不同在实践中，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：精度因子，通常有：平面位置精度因子HDOP(horizontal DOP)高程精度因子VDOP(Vertical DOP)空间位置精度因子PDOP(Position DOP)接收机钟差精度因子TDOP(Time DOP)几何精度因子GDOP(Geometric DOP)，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定位精度的评价第10页/共59页卫星的空间几何分布与精度因子的关系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

9、最小卫星高度角。一般在520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。第11页/共59页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第12页/共59页卫星的空间集合分布与精度因子的关系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

10、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。第13页/共59页相对定位相对定位 静态相对定位 动态相对定位第14页/共59页 将一台将一台GPS接收机安置在已知坐标的地面点（已知点接收机安置在已知坐标的地面点（已知点）上，另一台或多台）上，另一台或多台GPS接收机安置在为未知坐标的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不动，同步连续观测相同的GPS卫星星座，用以取得卫星星座

11、，用以取得未知点相对于已知点的坐标增量（基线矢量），从而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。位精度。静态相对定位静态相对定位T T1 1已知点已知点T2S1S2S3S4第15页/共59页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静态相对定位第16页/共59页

12、在两个观测站或多个观测站同步观测相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，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。响，从而提高相对定位的精度。静态相对定位静态相对定位第17页/共59页t ti i时刻载波相位观测量)()()()(2121

13、ijijikiktttt和，和观测量的线性组合静态相对定位静态相对定位第18页/共59页 GPS载波相位观测值可以在卫星间求差，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。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。值模型能够有效地消除各种偏差项。

14、求解过程也是首先将观测方程线性化后求解求解过程也是首先将观测方程线性化后求解并确定误差。并确定误差。静态相对定位静态相对定位第19页/共59页动态定位方法动态定位方法第20页/共59页 导航的概念首先起源于航海事业，其最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、姿态等状态参数。由此可见，导航是一种广义的动态定位。广义的动态定位。 卫星导航

15、是用导航卫星发射的导航定位信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息引导运动载体安全到达目的地的一门新兴科学。科学。GPS在导航领域的应用，有着比在导航领域的应用，有着比GPS静态定位更为广阔的前景。静态定位更为广阔的前景。卫星导航概念卫星导航概念第21页/共59页GPS导航是一种广义的导航是一种广义的GPS动态定位，从目前的应动态定位，从目前的应用看来，主要分为以下几种方法：用看来，主要分为以下几种方法：（1）单点动态定位）单点动态定位（2）实时差分动态定位）实时差分动态定位（3）后处理差分动态定位）后处理差分动态定位GPSGPS动态定位方法分类动态定位方

16、法分类第22页/共59页 单点动态定位是用安设在一个运动载体上单点动态定位是用安设在一个运动载体上的的GPS信号接收机，自主地测得该运动载体的信号接收机，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实时位置，从而描述出该运动载体的运动轨迹。所以。所以单点动态定位又叫绝对动态定位。单点动态定位又叫绝对动态定位。例如例如，行驶的汽车和火车，常用单点动态定位。，行驶的汽车和火车，常用单点动态定位。GPSGPS单点动态定位单点动态定位第23页/共59页 实时差分动态定位是用安设在一个运实时差分动态定位是用安设在一个运动载体上的动载体上的GPS信号接收机，及安设在一信号接收机，及安设在

17、一个基准站上的另一台个基准站上的另一台GPS接收机，联合测接收机，联合测得该运动载体的实时位置，从而描述出该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，故运动载体的运行轨迹，故差分动态定位又差分动态定位又称为相对动态定位称为相对动态定位。例如，飞机着陆和船。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。，以满足它们所要求的较高定位精度。GPSGPS实时差分动态定位实时差分动态定位第24页/共59页 后处理差分动态定位和实时差分动态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，在运动载体和基准定位的主

18、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，立实时数据传输，而是在定位观测以后，对两台对两台GPS接收机所采集的定位数据进行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，在航空摄影测量时，用GPS信号测量每信号测量每一个摄影瞬间的摄站位置，就可以采用后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。处理差分动态定位。 GPS GPS后处理差分动态定位后

19、处理差分动态定位第25页/共59页对于动态对于动态GPS用户，除了需要确定用户，除了需要确定GPS接接收机载体的实时位置，往往还要测定载体收机载体的实时位置，往往还要测定载体的实时航行速度。假设于历元的实时航行速度。假设于历元t1和和t2测定测定的载体实时位置分别为的载体实时位置分别为X1(t1)和和X2(t2)，则其运动速度可简单地表示为：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：由此可得载体运行方向的速度为：GPSGPS接收机载体航速的测定接收机载体航速的测定)()()()()()(111122212tZtYtXtZtYtXttZYXiiiiii21222ZYXvs第26页

20、/共59页定时有着广泛的应用。从日常生活到航天发射，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。从出外步行到航空航海，都离不开定时。利用利用GPS信号进行时间传递，一般采用两种方信号进行时间传递，一般采用两种方法：法：（1）一站单机测时：应用一台）一站单机测时：应用一台GPS接收机在接收机在一个已知坐标的观测站上进行测时的方法。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）共视对比定时法：在两个测站上各设一台台GPS接收机，同步观测同一卫星，来测定两接收机，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用户

21、时钟的相对偏差，达到高精度时间比对的目的。目的。GPSGPS定时定时第27页/共59页第28页/共59页GPSGPS数据处理目的：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。平差当前参考面坐标投影参考椭球面坐标野外数据第29页/共59页GPSGPS定位数据处理特点：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）多样的数学模型第30页/共59页GPSGPS定位数据处理基本流程：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。第31页/共59页GPSGPS数据的预处理数据的预处理：(

22、1/2)(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。 第32页/共59页GPSGPS数据的预处理：数据的预处理： (2/2)(2/2)预处理工作的主要内容有： 数据传输数据传输 数据分流数据分流 平滑滤波检验平滑滤波检验 统一数据格式统一数据格式 标准化卫星轨道方程标准化卫星轨道方程 探测周跳探测周跳 修复观测值修复观测值 进行各种模型改正进行各种模型改正第33页/共59页GPSGPS基线向量的解算：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

23、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）。第34页/共59页GPSGPS基线向量的解算基线向量的解算： 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。第35页/共59页GPSGPS

24、基线向量网的基线向量网的平差：平差：( (1 1/ /3 3) ) X31 X73 X67 X69 X89 X48 X12 X2432489657 X23 X35 X52 X45 X85 X95 X56 X36GPS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。第36页/共59页GPSGPS基线向量网的平差：基线向量网的平差：( (2 2/ /3 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。第37页/共59页GPS基线向量网的平差：(3/3)GPS

25、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。第38页/共59页三维无约束平差解算：三维无约束平差解算：(1/1(1/13 3) )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。第39页/共59页三维无约束平差解算：三维无约束平差解算：(2/1(2/13 3) )主要作用：(1) 改善GPS网的质量，评定GPS

26、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。第40页/共59页三维无约束平差解算：三维无约束平差解算：(3/1(3/13 3) )第41页/共59页三维无约束平差解算：三维无约束平差解算：(4/1(4/13 3) ) 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：第42页/共59页

27、三维无约束平差解算：三维无约束平差解算：(5/1(5/13 3) ) 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 。第43页/共59页三维无约束平差解算：三维无约束平差解算：( (6 6/1/13 3) )第44页/共59页三维无约束平差解算：三维无约束平差解算：( (7 7/1/13 3) )GPS网平差的基本误差方程推导：第45页/共59页三维无约束平差解算：三维无约束平差解算：( (8 8/1/13 3) )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第46页/共59页三维无约束平差解算：三维无约束平差解算：( (9 9/