第五章-距离测量与GPS定位1

1、GPS原理及应用原理及应用第五章第五章 距离测量与定位方法距离测量与定位方法GPS原理及应用原理及应用0 GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量GPS原理及应用原理及应用一、概述一、概述 1、定位原理：、定位原理： 距离交会距离交会 原理：通过测定到若干已知点的距离，来进行原理：通过测定到若干已知点的距离，来进行定位。定位。 2、进行定位的两个条件：、进行定位的两个条件： 测距信号测距信号 导航电文导航电文 利用测距信号确定站星距离利用测距信号确定站星距离 利用导航电文确定卫星位置利用导航电文确定卫星位置GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量概述概述GPS原理及应用原理及应用一、概述一

2、、概述 一个站星距离一个站星距离 测站位于以卫星为测站位于以卫星为球心，站星距离为球心，站星距离为半径的球面上半径的球面上GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量概述概述GPS原理及应用原理及应用一、概述一、概述 两个站星距离两个站星距离 作两个球面作两个球面 两个球面相交为圆两个球面相交为圆 测站位于圆圈上测站位于圆圈上GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量概述概述GPS原理及应用原理及应用一、概述一、概述 三个站星距离三个站星距离 作三个球面作三个球面 三个球面两两相交三个球面两两相交于两点于两点 测站位于其中一点测站位于其中一点GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量概述概述GP

3、S原理及应用原理及应用一、概述一、概述 GPS单点定位方法的实质是空间距离后方交单点定位方法的实质是空间距离后方交会会 一个站星距离一个站星距离 = 球面球面 两个站星距离两个站星距离 = 圆圆 三个站星距离三个站星距离 = 两点两点 三个站星距离三个站星距离 + 地球地球 = 一点一点GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量概述概述GPS原理及应用原理及应用一、概述一、概述GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量概述概述2121211)()()(ZZYYXXRsss2222222)()()(ZZYYXXRsss2323233)()()(ZZYYXXRsss阈值earthRZYX222GP

4、S原理及应用原理及应用二、定位方法的分类二、定位方法的分类 1、定位模式分：、定位模式分： 绝对定位（单点定位）绝对定位（单点定位） 相对定位相对定位 差分差分GPS定位定位 2、按用户接收机在作业中所处状态分：、按用户接收机在作业中所处状态分： 静态定位天线相对于地固坐标系静止静态定位天线相对于地固坐标系静止 动态定位天线相对于地固坐标系运动动态定位天线相对于地固坐标系运动GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量定位方法的分类定位方法的分类GPS原理及应用原理及应用二、定位方法的分类二、定位方法的分类 3、按照测距原理分：、按照测距原理分： 测距码伪距法定位测距码伪距法定位 载波相位测量定

5、位载波相位测量定位 4、按获得定位结果的时效、按获得定位结果的时效 事后定位事后定位 实时定位实时定位GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量定位方法的分类定位方法的分类GPS原理及应用原理及应用三、观测量的基本概念三、观测量的基本概念 GPS卫星信号含有多种定位信息，根据不同卫星信号含有多种定位信息，根据不同的要求，可以从中获得不同的观测量，其中的要求，可以从中获得不同的观测量，其中主要包括：主要包括： 根据测距码观测得出的伪距根据测距码观测得出的伪距 根据载波相位观测得出的伪距根据载波相位观测得出的伪距 由积分多普勒计数得出的伪距差由积分多普勒计数得出的伪距差 由干涉法测量得出的时间延迟

6、由干涉法测量得出的时间延迟 目前广泛采用的基本观测量主要有两种，即目前广泛采用的基本观测量主要有两种，即测距码观测量和载波相位观测量。测距码观测量和载波相位观测量。GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量观测量的基本概念观测量的基本概念GPS原理及应用原理及应用三、观测量的基本概念三、观测量的基本概念 所谓测距码观测，所谓测距码观测，即测量即测量GPS卫星发射的测距卫星发射的测距码信号（码信号（C/A码或码或P码），到达用户接收机天线码），到达用户接收机天线（观测站）的传播时间，因此这种观测方法，也（观测站）的传播时间，因此这种观测方法，也称为时间延迟测量。称为时间延迟测量。 只能用于单点绝

7、对定位，如只能用于单点绝对定位，如导航型导航型GPS接收机。接收机。 载波相位观测，载波相位观测，是测量接收机接收到具有多普是测量接收机接收到具有多普勒频移的载波信号，与接收机产生的参考载波信勒频移的载波信号，与接收机产生的参考载波信号之间的相位差。主要的应用是进行相对定位，号之间的相位差。主要的应用是进行相对定位，如测地型如测地型GPS接收机。接收机。GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量观测量的基本概念观测量的基本概念GPS原理及应用原理及应用三、观测量的基本概念三、观测量的基本概念 由于载波的波长远小于码的波长，所以在分辨率由于载波的波长远小于码的波长，所以在分辨率相同的情况下，载波

8、相位的观测精度远高于码相相同的情况下，载波相位的观测精度远高于码相位的观测精度。位的观测精度。 但是载波相位观测的主要问题是，它无法直接测但是载波相位观测的主要问题是，它无法直接测定卫星载波信号在传播路线上相位变化的整周数，定卫星载波信号在传播路线上相位变化的整周数，因而存在因而存在整周不确定性问题整周不确定性问题。另外，在接收机跟。另外，在接收机跟踪踪GPS信号进行观测的过程中，常常由于多种原因，信号进行观测的过程中，常常由于多种原因，还可能产生还可能产生整周跳变现象整周跳变现象。这样一来，使得数据。这样一来，使得数据处理变得很复杂。处理变得很复杂。GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量

9、观测量的基本概念观测量的基本概念GPS原理及应用原理及应用三、观测量的基本概念三、观测量的基本概念 高精度高精度GPS基线向量的获取：基线向量的获取： 将两台将两台GPS接收机分别安置在两个不同接收机分别安置在两个不同的点上，同时观测卫星载波信号，利用载波的点上，同时观测卫星载波信号，利用载波相位差分观测值，消除或削弱多种误差的影相位差分观测值，消除或削弱多种误差的影响，从而获得高精度响，从而获得高精度GPS基线向量。基线向量。GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量观测量的基本概念观测量的基本概念GPS原理及应用原理及应用三、观测量的基本概念三、观测量的基本概念 由于全球定位系统采用由于全

10、球定位系统采用单程测距原理单程测距原理，所以，要，所以，要准确地测定卫星至观测站的距离，就必须使卫星准确地测定卫星至观测站的距离，就必须使卫星钟与用户接收机钟保持严格同步。但在实践中这钟与用户接收机钟保持严格同步。但在实践中这是难以实现的。因此，实际上，通过上述码相位是难以实现的。因此，实际上，通过上述码相位观测或载波相位观测所确定的卫星至观测站的距观测或载波相位观测所确定的卫星至观测站的距离，都不可避免地会离，都不可避免地会含有卫星钟和接收机钟不同含有卫星钟和接收机钟不同步的误差的影响步的误差的影响。为了与上述的几何距离相区别，。为了与上述的几何距离相区别，这种含有误差影响的距离，通常均称为

11、这种含有误差影响的距离，通常均称为“伪距伪距”，并把它视为并把它视为GPS定位的基本观测量。定位的基本观测量。GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量观测量的基本概念观测量的基本概念GPS原理及应用原理及应用三、观测量的基本概念三、观测量的基本概念 伪距：伪距：GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟和接收机钟的的距离，由于含有接收机卫星钟和接收机钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。误差及大气传播误差，故称为伪距。 测码伪距：测码伪距： 由测距码观测所确定的伪距。由测距码观测所确定的伪距。 测相伪距：测相伪距： 由载波相位观测

12、所确定的伪距。由载波相位观测所确定的伪距。GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量观测量的基本概念观测量的基本概念GPS原理及应用原理及应用三、观测量的基本概念三、观测量的基本概念GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量观测量的基本概念观测量的基本概念 接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距地心SiPijPj riRjRj = ri +Pij有关各观测量及已知数据如下：有关各观测量及已知数据如下：r 为已知的卫地矢量P为观测量（伪距）R为未知的测站点位矢量GPS原理及应用原理及应用三、观测量的基本概念三、观测量的基本概念GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量观

13、测量的基本概念观测量的基本概念接收机至卫星的距离借助于卫星发射的码信号量测并计算得到的接收机本身按同一结构复制码信号将 接收机复制的码信号 和 到达的码信号 进行比较，确定传播延迟的时间t传播延迟时间乘以光速就是距离观测值=C t卫星钟调制的码信号接收机钟复制的码信号ttGPS原理及应用原理及应用5.1 利用测距码测定卫地距利用测距码测定卫地距GPS原理及应用原理及应用GPS定位的基本原理定位的基本原理 需解决的两个关键问题需解决的两个关键问题 如何确定卫星的位置如何确定卫星的位置 如何测量出站星距离如何测量出站星距离GPS原理及应用原理及应用测距方法测距方法 双程测距双程测距用于电磁波测用于

14、电磁波测距仪距仪 单程测距单程测距用于用于GPS距离测量与距离测量与GPS定位定位 利用测距码测定卫地距利用测距码测定卫地距 测距方法测距方法GPS原理及应用原理及应用测距码测距码C/A码（测距时有模糊度）码（测距时有模糊度）P码码距离测量与距离测量与GPS定位定位 利用测距码测定卫地距利用测距码测定卫地距 测距码测距码GPS原理及应用原理及应用信号传播时间测距码测距原理测距码测距原理 距离测定的基本思路距离测定的基本思路 信号（测距码）传播时间的测定信号（测距码）传播时间的测定dtTutTuTRT)()(1相关系数：ctc信号传播时间的测定信号传播时间的测定距离测量与距离测量与GPS定位定位

15、 利用测距码测定卫地距利用测距码测定卫地距 测距码测距原理测距码测距原理GPS原理及应用原理及应用测距码测距原理测距码测距原理 利用测距码测距的必要条件利用测距码测距的必要条件 必须了解测距码的结构必须了解测距码的结构 利用测距码进行测距的优点利用测距码进行测距的优点 易于捕获微弱的卫星信号易于捕获微弱的卫星信号 可提高测距精度可提高测距精度 采用的是采用的是CDMA（码分多址）（码分多址）技术技术 便于对系统进行控制和管理便于对系统进行控制和管理（如（如AS）每颗每颗GPS卫星都采用特定的卫星都采用特定的伪随机噪声码伪随机噪声码微弱信号的捕获微弱信号的捕获距离测量与距离测量与GPS定位定位

16、利用测距码测定卫地距利用测距码测定卫地距 测距码测距原理测距码测距原理GPS原理及应用原理及应用伪距测量的特点伪距测量的特点 优点优点 无模糊度无模糊度 缺点缺点 精度低精度低距离测量与距离测量与GPS定位定位 利用测距码测定卫地距利用测距码测定卫地距 伪距测量的特点伪距测量的特点GPS原理及应用原理及应用GPS测量的基本观测方程测量的基本观测方程距离测量与距离测量与GPS定位定位 利用测距码测定卫地距利用测距码测定卫地距 GPS测量的基本观测方程测量的基本观测方程SR( )tR( )tS接收机根据自身的钟在 时刻复制信号的相位tR接收机根据自身的钟在 时刻所接收到卫星在时刻所发送信号的相位t

17、RtS tR tSGPS原理及应用原理及应用对流层折射延对流层折射延迟改正迟改正电离层折射延电离层折射延迟改正迟改正接收机钟的接收机钟的改正数改正数卫星钟的改卫星钟的改正数正数信号离开信号离开卫星的时卫星的时刻刻(由卫星由卫星钟测定）钟测定）信号到达接信号到达接收机的时刻收机的时刻（由接收机（由接收机钟测定）钟测定）RSRSsRRStttropiontropionabttabtatbSRtRbtSaSRVcVcVVVVcVcVccVVcttcVtVtttc)()()()()()(故：站星真实距离：则：；设：伪距：测距码测距的观测方程测距码测距的观测方程距离测量与距离测量与GPS定位定位 利用测

18、距码测定卫地距利用测距码测定卫地距 测距码测距的观测方程测距码测距的观测方程GPS原理及应用原理及应用222222000000000000()()()()()()()()()()()()()SRiiiiiiiiiontropttiiiiiiiiiiiiiiixXyYzZixXyYzZVVc Vc VxXyYzZxXyYzdXdYdZdXdY 令真实的站星距离：， 为卫星则站星距离的观测值：将 用泰勒级数展开，保留一阶项，有0022200000000000000()()()()()()()()()()()SiRiiiiiiiiiiiiiiiiiionitropitiiiitiZdZxXyYzZX

19、XdXYYdYZZdZxXyYzZlmnLc VVVVl dXmdYndZc VL 其中：；令：；则误差方程为：伪距测量的误差方程伪距测量的误差方程距离测量与距离测量与GPS定位定位 利用测距码测定卫地距利用测距码测定卫地距 测距码测距的误差方程测距码测距的误差方程GPS原理及应用原理及应用5.2 载波相位测量载波相位测量GPS原理及应用原理及应用卫星信号的结构卫星信号的结构载波相位测量载波相位测量概述概述基准频率基准频率10.23 MHZ C/A码码 1.023MHZ P码码 10.23 MHZL21227.60 MHZL11575.42 MHZP码码 10.23 MHZ数据码数据码D码码

20、50 BPS数据码数据码D码码 50 BPS 15412020460010GPS卫星信号示意图卫星信号示意图GPS原理及应用原理及应用由于载波的波长远小于码长，由于载波的波长远小于码长，C/AC/A码码元宽度码码元宽度293m293m，P P 码码元宽度码码元宽度29.3m29.3m，而，而L L1 1载波波长为载波波长为19.03cm19.03cm， L L2 2载波波长为载波波长为24.42cm24.42cm，在分辨率相同的情况下，在分辨率相同的情况下， L L1 1载波的观测误差约为载波的观测误差约为2.0mm2.0mm， L L2 2载波的观测误差载波的观测误差约为约为2.5mm2.5

21、mm。而而C/AC/A码观测精度为码观测精度为2.9m2.9m，P P码为码为0.29m0.29m。载波相位观测是目前最精确的观测方法。载波相位观测是目前最精确的观测方法。载波相位测量载波相位测量概述概述GPS原理及应用原理及应用载波相位测量的特点载波相位测量的特点 优点优点 精度高，精度高，0.1毫米级精度毫米级精度 难点难点 载波重建载波重建 整周未知数问题整周未知数问题 整周跳变问题整周跳变问题载波相位测量载波相位测量概述概述GPS原理及应用原理及应用 重建载波：重建载波： 在在GPS信号中，由于已用相位调整的方法在载信号中，由于已用相位调整的方法在载波上调制了测距码和导航电文，因而接收

22、到的波上调制了测距码和导航电文，因而接收到的载波的相位已不再连续，所以在进行载波相位载波的相位已不再连续，所以在进行载波相位测量之前，首先要进行解调工作，设法将调制测量之前，首先要进行解调工作，设法将调制在载波上的测距码和卫星电文去掉，重新获取在载波上的测距码和卫星电文去掉，重新获取载波，这一工作称为重建载波。载波，这一工作称为重建载波。载波相位测量载波相位测量概述概述GPS原理及应用原理及应用载波相位测量的关键技术重建载波载波相位测量的关键技术重建载波 重建载波重建载波 将非连续的载波信号恢复成连续的载波信号。将非连续的载波信号恢复成连续的载波信号。载波调制了电文之后载波调制了电文之后变成了

23、非连续的波变成了非连续的波伪距测量与载波相位测量伪距测量与载波相位测量距离测量与距离测量与GPS定位定位 载波相位测量载波相位测量 载波相位测量的关键技术重建载波载波相位测量的关键技术重建载波GPS原理及应用原理及应用GPS载波相位测量的基本原理载波相位测量的基本原理距离测量与距离测量与GPS定位定位 载波相位测量载波相位测量 GPS载波相位测量的基本原理载波相位测量的基本原理SR SR)SR( )tR( )tS接收机根据自身的钟在 时刻复制信号的相位tR接收机根据自身的钟在 时刻所接收到卫星在时刻所发送信号的相位tRtS tR tS理想情况理想情况实际情况实际情况GPS原理及应用原理及应用

24、若卫星若卫星S S发出一载波信号，该信号向各处传发出一载波信号，该信号向各处传播。设某一瞬间，该信号在接收机播。设某一瞬间，该信号在接收机R R处的相位处的相位为为 R R，在卫星，在卫星S S处的相位为处的相位为 S S。 R R 和和 S S为从为从某一起始点开始计算的包括整周数在内的载某一起始点开始计算的包括整周数在内的载波相位，为方便计，均以周数为单位。若载波相位，为方便计，均以周数为单位。若载波的波长为波的波长为 ，则卫星，则卫星S S至接收机至接收机R R间的距离：间的距离： 但因无法观测但因无法观测 S S，因此该方法无法实施。，因此该方法无法实施。Rs载波相位测量的原理载波相位

25、测量的原理距离测量与距离测量与GPS定位定位 载波相位测量载波相位测量 GPS载波相位测量的基本原理载波相位测量的基本原理GPS原理及应用原理及应用载波相位测量的原理载波相位测量的原理 如果接收机的震荡器能产生一个频率与初相和卫星如果接收机的震荡器能产生一个频率与初相和卫星载波信号完全相同的基准信号，问题即可解决，因载波信号完全相同的基准信号，问题即可解决，因为任何一个瞬间在接收机处的基准信号的相位等于为任何一个瞬间在接收机处的基准信号的相位等于卫星处载波信号的相位。卫星处载波信号的相位。 因而，（因而，（ S - R）等于接收机产生的基准信号的相）等于接收机产生的基准信号的相位和接收到的来自

26、卫星的载波信号相位之差：位和接收到的来自卫星的载波信号相位之差： （ S- R）= ( b) - ( a) 因此，根据某一瞬间的载波相位测量值可求出该瞬因此，根据某一瞬间的载波相位测量值可求出该瞬间从卫星到接收机的距离。间从卫星到接收机的距离。距离测量与距离测量与GPS定位定位 载波相位测量载波相位测量 GPS载波相位测量的基本原理载波相位测量的基本原理GPS原理及应用原理及应用载波相位测量的实际观测值 跟踪卫星信号后的首次量测值假定：假定：a）接收机跟踪上卫星信号，接收机跟踪上卫星信号，并在并在t0 时刻进行时刻进行首次首次载波相载波相位测量，位测量，b） 此时接收机所产生的基准此时接收机所

27、产生的基准信号的相位为信号的相位为 0(R)，c）接收到的来自卫星的载波接收到的来自卫星的载波信号的相位为信号的相位为 0(S)，d） 0(R)和和 0(S)相位之差是相位之差是由由N0个整周及不足一整周的个整周及不足一整周的部分部分F0r( )组成，即组成，即 0(R) - 0(S) = s - R = N0+F0r( ) GPS原理及应用原理及应用载波相位观测值载波相位观测值 观测值观测值其中：其中： 整周计数整周计数 整周未知数（整周模糊度）整周未知数（整周模糊度）载波相位观测值载波相位观测值000( )( )( )( )( )iiiFrIntFrNIntFr以后的观测：通常表示为：首次

28、观测： Int0NN0Fr0N0Int( )iFrit0tiGPS原理及应用原理及应用载波相位测量的实际观测值 在进行测量时，仪器实际上测定的只是不足一整在进行测量时，仪器实际上测定的只是不足一整周的部分周的部分Fr( )。因为载波只是一种单纯的正（余）。因为载波只是一种单纯的正（余）弦波，不带有任何识别标记，因而无法判断正在弦波，不带有任何识别标记，因而无法判断正在量测的是第几周的信号。量测的是第几周的信号。 于是在载波相位测量中便出现了一个整周未知数于是在载波相位测量中便出现了一个整周未知数N0，需要通过其他途径解算出后，需要通过其他途径解算出后N0才能求得从卫才能求得从卫星至接收机的距离

29、，从而使数学处理较伪距测量星至接收机的距离，从而使数学处理较伪距测量更为麻烦。更为麻烦。 GPS原理及应用原理及应用载波相位测量的实际观测值其余各次量测值 首次载波相位测量后，首次载波相位测量后，以后以后进进行的实际量测值中不仅包含行的实际量测值中不仅包含不足一整波段的部分不足一整波段的部分Fir( )，而且包含了整波段数而且包含了整波段数Inti( )。GPS原理及应用原理及应用载波相位测量的实际观测值根据上述讨论可以看出：根据上述讨论可以看出：载波相位测量的实际观测值由整周部分载波相位测量的实际观测值由整周部分Int( )和不足整周部和不足整周部分分Fr( )组成，首次观测值中的组成，首次

30、观测值中的Int ( )为零，以后为零，以后Int ( ) 为为整数。整数。 只要接收机保持对卫星信号的连续跟踪而不中断，则在每只要接收机保持对卫星信号的连续跟踪而不中断，则在每个载波相位测量观测值都含有相同的整周未知数个载波相位测量观测值都含有相同的整周未知数N0。即每即每个完整的载波相位观测值：个完整的载波相位观测值： =N0+ Int ( )+Fr( ) 如果由于计数器无法连续计数，当信号被重新跟踪后，整如果由于计数器无法连续计数，当信号被重新跟踪后，整周计数中将丢失某一量而变得不正确。不足一整周部分由周计数中将丢失某一量而变得不正确。不足一整周部分由于是一个瞬时观测值，因而仍是正确的。

31、这种现象称整周于是一个瞬时观测值，因而仍是正确的。这种现象称整周跳变（简称周跳）或丢失整周（简称失周）。跳变（简称周跳）或丢失整周（简称失周）。 GPS原理及应用原理及应用载波相位观测方程载波相位观测方程 下面讨论建立在实际情况下（下面讨论建立在实际情况下（卫星钟及接收机钟卫星钟及接收机钟均有误差，信号不完全在真空中传播均有误差，信号不完全在真空中传播）载波相位）载波相位测量的观测方程。测量的观测方程。 设在标准时间设在标准时间为为 a，卫星钟读数为，卫星钟读数为ta的瞬间，卫的瞬间，卫星发出的载波信号的相位为星发出的载波信号的相位为 s (ta) 。 在标准时间在标准时间 b接收机接收到的来

32、自卫星的载波信接收机接收到的来自卫星的载波信号的相位为号的相位为 s (ta)。设该瞬间接收机钟的读数为设该瞬间接收机钟的读数为Tb，因而由接收机所产生的基准信号的相位为，因而由接收机所产生的基准信号的相位为 R(Tb)。于是有：于是有：GPS原理及应用原理及应用0)()(NtTasbRaabtabbtaaTbbVVtVT)(其中钟差关系为：对于稳定度较好的震荡器来讲，当时间有微小的增量t后，该震荡器产生的信号的相位满足下列关系式： (t+t)= (t)+f*t （其中（其中f f 为信号频率为信号频率 ）GPS原理及应用原理及应用由此，得到载波相位测量的基本方程：00()()batababt

33、iontropTtffVfVNffVfVNcjttrdrdr=-+-=-+-其中为载波相位测量的实际观测值。上式两边同时乘上 =c/f，则有：GPS原理及应用原理及应用将上式和伪距测量的观测方程（ ）进行比较： 可以看出，在载波相位测量的观测方程中，除了增加了整周未知数N0外，和伪距测量方程是完全相同的。abiontropTtcVcVrrdrdr=-+-abiontropT0tcVcVNrrrrl=-+-GPS原理及应用原理及应用5.3观测值的线性组合观测值的线性组合 同类型同频率观测值的线性组合同类型同频率观测值的线性组合 同类型不同频率观测值的线性组合同类型不同频率观测值的线性组合 不同类

34、型观测值的线性组合不同类型观测值的线性组合GPS原理及应用原理及应用与接收与接收机无关机无关与卫星与卫星无关无关空间相关空间相关性强性强空间相关空间相关性强性强不随时间不随时间变化变化原始载波相位观测值原始载波相位观测值mSRmmmLjiktitkiTropLkiIonoLkikiLkitVctVctVtVNtt)()()()()()(距离测量与距离测量与GPS定位定位 观测值的线性组合观测值的线性组合 同类型同频率相位观测值的线性组合同类型同频率相位观测值的线性组合GPS原理及应用原理及应用GPS测量中的未知参数及处理方法测量中的未知参数及处理方法 必要参数和多余参数必要参数和多余参数 必要

35、参数个数少必要参数个数少 多余参数个数很多多余参数个数很多 解决办法解决办法 约束条件约束条件消去法消去法 GPS原理及应用原理及应用同类型同频率相位观测值的线性组合同类型同频率相位观测值的线性组合差分观测值差分观测值 按差分方式可分为按差分方式可分为: 站间差分站间差分 星间差分星间差分 历元间差分历元间差分 按差分次数可分为：按差分次数可分为： 一次差一次差 二次差二次差 三次差三次差距离测量与距离测量与GPS定位定位 观测值的线性组合观测值的线性组合 同类型同频率相位观测值的线性组合同类型同频率相位观测值的线性组合GPS原理及应用原理及应用概述概述 差分观测值的定义差分观测值的定义 将相

36、同频率的将相同频率的GPS载波相位观测值依据某种方式求差所载波相位观测值依据某种方式求差所获得的新的组合观测值（虚拟观测值）获得的新的组合观测值（虚拟观测值） 差分观测值的特点差分观测值的特点 可以消去某些不重要的参数，或将某些对确定待定参数可以消去某些不重要的参数，或将某些对确定待定参数有较大负面影响的因素消去或消弱其影响有较大负面影响的因素消去或消弱其影响 求差方式求差方式 站间求差站间求差 卫星间求差卫星间求差 历元间求差历元间求差距离测量与距离测量与GPS定位定位 观测值的线性组合观测值的线性组合 同类型同频率相位观测值的线性组合同类型同频率相位观测值的线性组合GPS原理及应用原理及应

37、用站间求差（站间差分）站间求差（站间差分） 求差方式求差方式 同步观测值在接收机间求差同步观测值在接收机间求差 数学形式数学形式 特点特点 消除了卫星钟差影响消除了卫星钟差影响 削弱了电离层折射影响削弱了电离层折射影响 削弱了对流层折射影响削弱了对流层折射影响 削弱了卫星轨道误差的影响削弱了卫星轨道误差的影响ABI站间差分：B I-A I)()()(,tttIAIBIBA距离测量与距离测量与GPS定位定位 观测值的线性组合观测值的线性组合 同类型同频率相位观测值的线性组合同类型同频率相位观测值的线性组合GPS原理及应用原理及应用星间求差（星间差分）星间求差（星间差分） 求差方式求差方式 同步观

38、测值在卫星间求差同步观测值在卫星间求差 数学形式数学形式 特点特点 消除了接收机钟差的影响消除了接收机钟差的影响AI星间差分：A J-A IJJ为参考星)()()(,tttIAJAJIA距离测量与距离测量与GPS定位定位 观测值的线性组合观测值的线性组合 同类型同频率相位观测值的线性组合同类型同频率相位观测值的线性组合GPS原理及应用原理及应用历元间求差（历元间差分）历元间求差（历元间差分） 差分方式差分方式 观测值在历元间求差观测值在历元间求差 数学形式数学形式 特点特点 消去了整周未知数参数消去了整周未知数参数AI(t )i+1历元间差分：A I(t )-A I(t)i+1iI(t)i)(

39、)(),(11iIAiIAiiIAtttt距离测量与距离测量与GPS定位定位 观测值的线性组合观测值的线性组合 同类型同频率相位观测值的线性组合同类型同频率相位观测值的线性组合GPS原理及应用原理及应用单差、双差和三差单差、双差和三差 单差：站间一次差分单差：站间一次差分 双差：站间、星间各求一次差（共两次差）双差：站间、星间各求一次差（共两次差） 三差：站间、星间和历元间各求一次差（三三差：站间、星间和历元间各求一次差（三次差）次差）单差单差双差双差三差三差)()()(,tttjAjBjBA)()()(,tttjBAkBAkjBA)()(),(,1,1,ikjBAikjBAiikjBAttt

40、t距离测量与距离测量与GPS定位定位 观测值的线性组合观测值的线性组合 同类型同频率相位观测值的线性组合同类型同频率相位观测值的线性组合GPS原理及应用原理及应用采用差分观测值的缺陷（求差法的缺陷）采用差分观测值的缺陷（求差法的缺陷） 数据利用率低数据利用率低 只有同步数据才能进行差分只有同步数据才能进行差分 引入基线矢量替代了位置矢量引入基线矢量替代了位置矢量 差分观测值间具有了相关性，使处理问题复差分观测值间具有了相关性，使处理问题复杂化杂化 参数估计时，观测值的权阵参数估计时，观测值的权阵 某些参数无法求出某些参数无法求出 某些信息在差分观测值中被消除某些信息在差分观测值中被消除距离测量

41、与距离测量与GPS定位定位 观测值的线性组合观测值的线性组合 同类型同频率相位观测值的线性组合同类型同频率相位观测值的线性组合GPS原理及应用原理及应用同类型不同频率观测值的线性组合同类型不同频率观测值的线性组合 L1的特性的特性L2的特性的特性2111L1L11L1101)()()(cm0 .19MHz42.1575154LLLionionLionLLfAcfAfcfAff2222L2L22L2202)()()(cm4 .24MHz60.1227120LLLionionLionLLfAcfAfcfAffsedsNCA28.40距离测量与距离测量与GPS定位定位 观测值的线性组合观测值的线性组

42、合 同类型不同频率相位观测值的线性组合同类型不同频率相位观测值的线性组合GPS原理及应用原理及应用不同频率的载波不同频率的载波(L1,L2)相位观测值相位观测值 两个不同频率的载波两个不同频率的载波(L1,L2)相位观测值间线相位观测值间线性组合的一般形式性组合的一般形式 n,m)(,2121,LLLLmnfmfntftmftnftftfccf由于21,LLmnmn距离测量与距离测量与GPS定位定位 观测值的线性组合观测值的线性组合 同类型不同频率相位观测值的线性组合同类型不同频率相位观测值的线性组合GPS原理及应用原理及应用mnmnmnmnLLLLLionLionmnionLLmnmnmnL

43、LmnmnfffmfnAmnNmNnNfcfmfnf,2122211221,21,21,)()()()(：相位观测值的误差特性电离层延迟：整周未知数：波长：频率： n,m的特性的特性距离测量与距离测量与GPS定位定位 观测值的线性组合观测值的线性组合 同类型不同频率相位观测值的线性组合同类型不同频率相位观测值的线性组合GPS原理及应用原理及应用常见的线性组合常见的线性组合宽巷组合宽巷组合相位观测值相位观测值 宽巷组合（宽巷组合（wide-lane）(n=1, m=-1)*利于求解模糊度利于求解模糊度,测量噪声大测量噪声大.cmffffANNNfcffflanewideLLLLlanewideL

44、Llanewidelanewidewide-laneLLlanewideLLlanewide9 .121cm19.86MHz82.3472112212121距离测量与距离测量与GPS定位定位 观测值的线性组合观测值的线性组合 同类型不同频率相位观测值的线性组合同类型不同频率相位观测值的线性组合GPS原理及应用原理及应用常见的线性组合常见的线性组合无电离层折射无电离层折射的相位观测值的相位观测值 无电离层折射的组合（无电离层折射的组合（iono-free）098368. 154573. 221122212122221212122221211222121LLLLLLLLLLLfreeionoLLL

45、LLLLLLLLfreeionofffffffffffAfffffff距离测量与距离测量与GPS定位定位 观测值的线性组合观测值的线性组合 同类型不同频率相位观测值的线性组合同类型不同频率相位观测值的线性组合GPS原理及应用原理及应用不同类型观测值的线性组合不同类型观测值的线性组合n 不同类型双频观测值间的线性组合不同类型双频观测值间的线性组合n 不同类型单频观测值间的线性组合不同类型单频观测值间的线性组合距离测量与距离测量与GPS定位定位 观测值的线性组合观测值的线性组合 不同类型观测值的线性组合不同类型观测值的线性组合GPS原理及应用原理及应用5.4 整周跳变的探测修复整周跳变的探测修复G

46、PS原理及应用原理及应用整周未知数的确定整周未知数的确定载波相位测量载波相位测量整周未知数的确定整周未知数的确定Time (0)模糊度Time (i)模糊度整周计数小数部分1、载波相位观测值的组成、载波相位观测值的组成GPS原理及应用原理及应用一、概述一、概述 前面已经介绍，测站对某一卫星的载波相位前面已经介绍，测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成观测值由三部分组成 （1）初始整周未知数）初始整周未知数N； （2） t 0至至ti时刻的整周计数时刻的整周计数Int(i) ； （3）相位尾数）相位尾数(ti) 若接收机继续跟踪卫星信号，就可以不断若接收机继续跟踪卫星信号，就可以不断地测定地

47、测定(ti)，并且利用整波计数器，并且利用整波计数器Int(i)记录记录由由t0到到ti时间内的整周变化。时间内的整周变化。kj=N0+Int(i)+ (ti)整周跳变的修复整周跳变的修复概述概述GPS原理及应用原理及应用二、周跳的概念二、周跳的概念 周跳：周跳： 卫星信号受阻、计数器无法连续计数，整卫星信号受阻、计数器无法连续计数，整周计数不正确，但不足一整周的相位观测值仍周计数不正确，但不足一整周的相位观测值仍然正确。称为周跳。然正确。称为周跳。 所以，利用载波相位观测值进行定位，精所以，利用载波相位观测值进行定位，精度要比码相位测量定位精度高，只是要解决整度要比码相位测量定位精度高，只是

48、要解决整周模糊度和周跳修复问题。周模糊度和周跳修复问题。整周跳变的修复整周跳变的修复周跳的概念周跳的概念GPS原理及应用原理及应用产生周跳的原因产生周跳的原因 信号被遮挡，导致卫星信号无法被跟踪信号被遮挡，导致卫星信号无法被跟踪 仪器故障，导致差频信号无法产生仪器故障，导致差频信号无法产生 卫星信号信噪比过低，导致整周计数错误卫星信号信噪比过低，导致整周计数错误 接收机在高速动态的环境下进行观测，导致接收机在高速动态的环境下进行观测，导致接收机无法正确跟踪卫星信号接收机无法正确跟踪卫星信号 卫星瞬时故障，无法产生信号卫星瞬时故障，无法产生信号GPS原理及应用原理及应用周跳的特点周跳的特点 只影

49、响整周计数只影响整周计数 周跳为波长的整数倍周跳为波长的整数倍 将影响从周跳发生时刻（历元）之后的所有将影响从周跳发生时刻（历元）之后的所有观测值观测值周跳周跳T 周跳将使周跳发生后的所有观周跳将使周跳发生后的所有观测值包含相同的整周计数错误测值包含相同的整周计数错误GPS原理及应用原理及应用三、修复周跳的方法三、修复周跳的方法 修复周跳的方法：修复周跳的方法：屏幕扫描法屏幕扫描法用高次差或多项式拟合法用高次差或多项式拟合法在卫星间求差法在卫星间求差法用双频观测值修复周跳用双频观测值修复周跳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整周跳变的修复整周跳变的修复修复周跳

50、的方法修复周跳的方法GPS原理及应用原理及应用周跳的探测、修复方法周跳的探测、修复方法 屏幕扫描法屏幕扫描法 方法：人工在屏幕上方法：人工在屏幕上观察观测值曲线的变观察观测值曲线的变化是否连续。化是否连续。 特点特点 费时、只能发现大周跳。费时、只能发现大周跳。 由于原始的载波观测值由于原始的载波观测值变化很快，通常观察的变化很快，通常观察的是某种观测值的组合，是某种观测值的组合，如如 。2211LLLL距离测量与距离测量与GPS定位定位 周跳的探测与修复周跳的探测与修复 屏幕扫描法屏幕扫描法GPS原理及应用原理及应用周跳的探测、修复方法周跳的探测、修复方法 高次差法的原理高次差法的原理 由于

51、卫星和接收机间的距离在不断变化，因而由于卫星和接收机间的距离在不断变化，因而载波相位测量的观测值载波相位测量的观测值N0+Int() +Fr()也随时也随时间在不断变化。间在不断变化。 但这种变化应是有规律的，平滑的。周跳将破但这种变化应是有规律的，平滑的。周跳将破坏这种规律性。坏这种规律性。 对于对于GPS卫星而言，当求至四次差时，其值已卫星而言，当求至四次差时，其值已趋向于零。残留的四次差主要是由接收机的钟趋向于零。残留的四次差主要是由接收机的钟误差等因素引起的。误差等因素引起的。距离测量与距离测量与GPS定位定位 周跳的探测与修复周跳的探测与修复 高次差法高次差法GPS原理及应用原理及应

52、用周跳的探测、修复方法周跳的探测、修复方法 （续）（续） 高次差法高次差法距离测量与距离测量与GPS定位定位 周跳的探测与修复周跳的探测与修复 高次差法高次差法GPS原理及应用原理及应用周跳的探测、修复方法周跳的探测、修复方法 （续）（续） 高次差法的问题高次差法的问题 接收机钟差对此方法有效性的影响接收机钟差对此方法有效性的影响 克服接收机钟差影响的方法克服接收机钟差影响的方法 卫星间求差卫星间求差10911095 101511.57542 10,5 1015 1.57542 1011.8()LLfHz设接收机钟的稳定度为，接收机采样间隔为秒，对于 （）则接收机钟对相邻历元载波相位观测值的影

53、响为周。距离测量与距离测量与GPS定位定位 周跳的探测与修复周跳的探测与修复 高次差法高次差法GPS原理及应用原理及应用周跳的探测、修复方法周跳的探测、修复方法 （续）（续） 高次差法的问题高次差法的问题 即使发现相位观测值中存在数周的不规则变化，即使发现相位观测值中存在数周的不规则变化，也很难判断是否存在周跳。也很难判断是否存在周跳。 所以双差观测值被广泛采用。所以双差观测值被广泛采用。距离测量与距离测量与GPS定位定位 周跳的探测与修复周跳的探测与修复 高次差法高次差法GPS原理及应用原理及应用周跳的探测、修复方法周跳的探测、修复方法 多项式拟合法：多项式拟合法： 为了便于用计算机计算，常

54、采用多项式拟合的为了便于用计算机计算，常采用多项式拟合的方法。即根据方法。即根据n个相位测量观测值拟合一个个相位测量观测值拟合一个n阶阶多项式，据此多项式来预估下一个观测值并与多项式，据此多项式来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。实测值比较，从而来发现周跳并修正整周计数。 这种方法实质上和上面介绍的高次差法是相像这种方法实质上和上面介绍的高次差法是相像的，但便于计算。的，但便于计算。距离测量与距离测量与GPS定位定位 周跳的探测与修复周跳的探测与修复 多项式拟合法多项式拟合法GPS原理及应用原理及应用周跳的探测、修复方法周跳的探测、修复方法 （续）（续） 多项式拟合

55、法的应用特点多项式拟合法的应用特点 由于四次差或五次差一般巳呈偶然误差特性，由于四次差或五次差一般巳呈偶然误差特性，无法再用函数来加以拟合，所以用多项式拟合无法再用函数来加以拟合，所以用多项式拟合时通常也只需取至时通常也只需取至45阶即可。阶即可。 观测值可以是真正的（非差）相位观测值，也观测值可以是真正的（非差）相位观测值，也可以是经线性组合后的虚拟观测值：单差观测可以是经线性组合后的虚拟观测值：单差观测值和双差观测值。值和双差观测值。距离测量与距离测量与GPS定位定位 周跳的探测与修复周跳的探测与修复 多项式拟合法多项式拟合法GPS原理及应用原理及应用周跳的探测、修复方法周跳的探测、修复方

56、法 残差法残差法 方法方法 根据平差后的残差，进根据平差后的残差，进行周跳的探测与修复行周跳的探测与修复 特点特点 可以发现小周跳可以发现小周跳 残差（周） 时间 （周） 0.00 100.002 -100.00 SV12-SV15 载波相位双差观测值的残差图载波相位双差观测值的残差图距离测量与距离测量与GPS定位定位 周跳的探测与修复周跳的探测与修复 残差法残差法GPS原理及应用原理及应用5.5 整周未知数的确定整周未知数的确定GPS原理及应用原理及应用整周未知数的确定整周未知数的确定载波相位测量载波相位测量整周未知数的确定整周未知数的确定Time (0)模糊度Time (i)模糊度整周计数

57、小数部分1、载波相位观测值的组成、载波相位观测值的组成GPS原理及应用原理及应用整周未知数的确定整周未知数的确定载波相位测量载波相位测量整周未知数的确定整周未知数的确定 测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成成 （1）初始整周未知数）初始整周未知数n； （2） t 0至至ti时刻的整周记数时刻的整周记数Ci； （3）相位尾数）相位尾数 i 如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初始整周未知数一个初始整周未知数n 为了利用载波相位进行定位，必须先解算出为了利用载波相位进行定位，必须先解算出初始整周未知数，取得总

58、观测值初始整周未知数，取得总观测值n+Ci+ iGPS原理及应用原理及应用整周未知数的确定整周未知数的确定载波相位测量载波相位测量整周未知数的确定整周未知数的确定m精精度度1.000.10 0.01整周未知数确定后整周未知数确定前00308025时间（分）时间（分）2、初始整周未知数的确定与定位精度的关系、初始整周未知数的确定与定位精度的关系GPS原理及应用原理及应用整周未知数的确定整周未知数的确定载波相位测量载波相位测量整周未知数的确定整周未知数的确定 如果无法准确解出初始整周未知数，则定位精如果无法准确解出初始整周未知数，则定位精度难以优于度难以优于1m 随着初始整周未知数解算精度的提高，

59、定位精随着初始整周未知数解算精度的提高，定位精度也相应提高度也相应提高 一旦初始整周未知数精确获得，定位精度不再一旦初始整周未知数精确获得，定位精度不再随时间延长而提高随时间延长而提高 经典静态定位需要经典静态定位需要30-80分钟观测才能求定初始分钟观测才能求定初始整周未知数，快速静态定位将这个过程缩短到整周未知数，快速静态定位将这个过程缩短到2-5分钟分钟GPS原理及应用原理及应用整周未知数的确定整周未知数的确定载波相位测量载波相位测量整周未知数的确定整周未知数的确定 3、整周未知数的确定方法、整周未知数的确定方法（1）伪距法）伪距法（2）经典方法）经典方法整数解整数解实数解实数解（3）多

60、普勒法多普勒法（4）快速确定整周未知数法快速确定整周未知数法GPS原理及应用原理及应用静态相对定位中常用的几种方法静态相对定位中常用的几种方法 待定参数法待定参数法-经典方法经典方法1）取整法）取整法2）置信区间法）置信区间法整数解在置信区间之内。整数解在置信区间之内。3）模糊函数法）模糊函数法距离测量与距离测量与GPS定位定位 整周未知数整周未知数N0的确定的确定 静态相对定位中常用的几种方法静态相对定位中常用的几种方法GPS原理及应用原理及应用静态相对定位中常用的几种方法静态相对定位中常用的几种方法 一）整数解一）整数解 ：基本方法基本方法 1)求初始解求初始解确定基线向量的实数解和整周未