工程学院gnss定位原理与应用第5章静态

GNSS定位原理与应用HenanInstituteofEngineering河南工程学院王果2017年9月-11月5.1基本观测量5.2定位误差

5.3单点定位5.4静态相对定位5.5周跳探测和模糊度固定第5章静态定位定位过程5静态定位staticpositioning

用户部分空间部分1.利用卫星星历能够计算卫星在任一时刻的三维空间直角坐标概述2.测量天线到卫星之间的距离3.通过空间距离交会进行地面点定位如果在观测过程中接收机天线静止不动，被称为静态定位。静态单点定位静态相对定位5.1基本观测量basicobservation5.1.1伪距信号传播时间距离测定的基本思路

接收机在自己的时钟控制下产生一组完全相同的测距码（本地码）5.1基本观测量basicobservation5.1.1伪距P码接收机端，一个本地码，一个接收码信号传播时间的测定

5.1基本观测量basicobservation5.1.1伪距伪距由来1.卫星钟差和接收机钟差；2.电离层和对流层对信号的影响5.1基本观测量basicobservation5.1.2载波相位1.进行载波相位测量的原因伪距测量以测距码作为量测信号，采用码相关法时，其测量精度为码元宽度的百分之一：

C/A码精度为±3m；P码而言为±0.3m载波波长比较短：目前载波相位测量精度可达到0.2~0.3mm精度不高精度高5.1基本观测量basicobservation5.1.2载波相位5.1基本观测量basicobservation5.1.2载波相位理想情况实际情况5.1基本观测量basicobservation5.1.2载波相位完整的载波相位整周模糊度N实际观测值整周模糊度N首次观测计数器累加鉴相器测定5.1基本观测量basicobservation5.1.2载波相位载波相位距离测量观测值整周计数整周未知数（整周模糊度）载波相位观测值5.1基本观测量basicobservation5.1.2载波相位载波相位距离测量特点优点精度高，测距精度可达0.1mm量级难点整周未知数问题整周跳变问题5.1基本观测量basicobservation5.1.2载波相位载波相位实际观测值如果在观测过程接收机保持对卫星信号的连续跟踪，则整周模糊度将保持不变，整周计数也将保持连续，但当由于某种原因使接收机无法保持对卫星信号的连续跟踪时，在卫星信号重新被锁定后，将发生变化，而也不会与前面的值保持连续，这一现象称为整周跳变。周跳T5.2定位误差PositioningError误差分类与卫星有关的误差卫星星历误差

卫星钟误差

相对论效应与信号传播有关的误差

电离层折射误差对流层折射误差

多路径效应与接收机有关的误差

接收机钟差和接收机位置误差5.2.0概述空间星座部分用户部分5.2定位误差PositioningError1.卫星钟误差应对方法模型改正 钟差改正多项式

其中a0为ts时刻的时钟偏差，a1为钟的漂移，a2为老化率。相对定位或差分定位5.2.1钟差5.2定位误差PositioningError2.接收机钟误差定义GPS接收机一般采用石英钟，接收机钟与理想的GPS时之间存在的偏差和漂移。应对方法作为未知数处理相对定位或差分定位

5.2.1钟差5.2定位误差PositioningError广播星历和精密星历误差定义由卫星星历给出的卫星在空间的位置与卫星的实际位置之差称为卫星星历误差。广播星历精度(无SA)5～7米(有SA)50～100米精密星历精度可达1厘米

5.2.2卫星星历误差5.2定位误差PositioningError应对方法采用精密星历利用IGS提供的产品，进行精密定位利用相对定位模式利用求差法进行消除和削弱

5.2.2卫星星历误差5.2定位误差PositioningError概述电离层高度在60~1000km之间的大气层在太阳紫外线、X射线、γ射线、高能粒子作用下，电离层中性气体部分电离，产生大量电子和正离子电离层延迟GPS卫星信号穿过电离层，传播速度会变化传播路径会变化导致传播时间与光速成绩与实际距离不等天顶方向达十几米，高度角为5°可达50米与电子密度和信号频率有关很严重，必须改正！！！

5.2.3电离层误差5.2定位误差PositioningError电子密度与大气高度5.2.3电离层误差5.2定位误差PositioningError电子密度与地方时5.2.3电离层误差5.2定位误差PositioningError5.2.3电离层误差电离层延迟改正方法经验模型改正方法：根据以往观测结果所建立的模型改正效果：差实测模型改正方法：利用实际观测所得到的离散的电离层延迟（或电子含量），建立模型（如内插）效果：改正效果较好双频改正方法：利用双频观测值直接计算出延迟改正或组成无电离层延迟的组合观测量效果：改正效果最好5.2定位误差PositioningError5.2.3电离层误差电离层延迟改正方法水平轴-电离层延迟改正方法垂直轴-改正效果经验模型实测模型双频模型5.2定位误差PositioningError5.2.3电离层误差电离层延迟改正方法-经验模型Bent模型由美国的R.B.Bent提出描述电子密度是经纬度、时间、季节和太阳辐射流量的函数国际参考电离层模型（IRI–InternationalReferenceIonosphere）由国际无线电科学联盟（URSI–InternationalUnionofRadioScience）和空间研究委员会（COSPAR-CommitteeonSpaceResearch）提出描述高度为50km-2000km的区间内电子密度、电子温度、电离层温度、电离层的成分等以地点、时间、日期等为参数5.2定位误差PositioningError5.2.3电离层误差电离层延迟改正方法-经验模型Klobuchar模型由美国的J.A.Klobuchar提出描述电离层的时延广泛地用于GPS导航定位中GPS卫星的导航电文中播发其模型参数供用户使用5.2定位误差PositioningError5.2.3电离层误差电离层延迟改正方法-实测模型基本思想利用基准站的双频观测数据计算电离层延迟利用所得到的电离层延迟量建立局部或全球的的TEC实测模型类型局部模型适用于局部区域全球模型适用于全球区域5.2定位误差PositioningError5.2.3电离层误差电离层延迟改正方法-实测模型局部（区域性）的实测模型改正适用于局部区域电离层改正5.2定位误差PositioningError5.2.3电离层误差电离层延迟改正方法-实测模型全球（大范围）的实测模型改正适用于大范围和全球电离层改正5.2定位误差PositioningError5.2.3电离层误差电离层延迟改正方法-双频模型5.2定位误差PositioningError5.2.4对流层延迟误差对流层概述5.2定位误差PositioningError5.2.4对流层延迟误差对流层延迟改正1.霍普菲尔德（Hopfield）改正模型气象元素与高程的关系描述沿高度进行积分，导出垂直方向上的延迟通过投影（映射）函数，得出信号方向上的延迟5.2定位误差PositioningError5.2.4对流层延迟误差对流层延迟改正1.霍普菲尔德（Hopfield）改正模型改正模型5.2定位误差PositioningError5.2.4对流层延迟误差对流层延迟改正2.萨斯塔莫宁（Saastamoinen）改正模型原始模型拟合后模型5.2定位误差PositioningError5.2.4对流层延迟误差对流层延迟改正3.勃兰克（Black）改正模型5.2定位误差PositioningError5.2.6多路径误差概述5.2定位误差PositioningError5.2.6多路径误差多路径误差和多路径效应多路径误差在GPS测量中，被测站附近的物体所反射的卫星信号（反射波）被接收机天线所接收，与直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏离真值产生所谓的“多路径误差”。多路径效应由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应称为多路径效应。5.2定位误差PositioningError5.2.6多路径误差消除多路径误差方法选择合适站址易发生多路径的环境5.2定位误差PositioningError5.2.6多路径误差消除多路径误差方法选择合适GPS接收机采用抗多路径误差的仪器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MEDLL(MultipathEstimatingDelayLockLoop)等抗多路径效应的天线5.2定位误差PositioningError5.2.6多路径误差消除多路径误差方法延长观测时间多路径误差可视为周期性误差，数分钟至数十分钟变形监测监测点往往由业主指定，延长观测数据处理上加权参数法滤波法信号分析法5.1基本观测量5.2定位误差

5.3单点定位5.4静态相对定位5.5周跳探测和模糊度固定第5章静态定位5.3单点定位Point

Positioning单点定位利用1台GPS接收机对4颗以上卫星进行观测，获取接收机天线到卫星之间的伪距观测值，从而解算接收机天线的空间直角三维坐标，能够通过单个历元实时解算位置适用情形导弹制导、飞机导航、车载导航……多历元单点定位（单点静态定位）如果接收机静止在一个点上不动，观测一段时间，利用多个历元解算接收机天线的三维空间坐标5.3.0概述5.3单点定位Point

Positioning5.3.1伪距观测方程观测值改正数真值5.3单点定位Point

Positioning5.3.1伪距观测方程对于第i颗卫星（接收机位置（X,Y,Z),卫星位置（Xi,Yi,Zi)实际计算时：真值改正数观测值5.3单点定位Point

Positioning5.3.1伪距观测方程一个卫星可以列一个方程5.3单点定位Point

Positioning5.3.1伪距观测方程一个卫星可以列一个方程闪烁的为观测方程的未知数（4个，接收机三维坐标X,Y,Z和接收机钟差）四个未知数至少需要四个方程，至少需要接收4颗卫星数据5.3单点定位Point

Positioning5.3.2几何距离的线性化观测方程线性化（泰勒级数展开）：观测方程线性化（泰勒级数展开）：测站近似坐标（X0，Y0，Z0）按照泰勒级数展开：5.3单点定位Point

Positioning5.3.2几何距离的线性化观测方程线性化（泰勒级数展开）：5.3单点定位Point

Positioning5.3.3观测方程及参数求解对在某历元同时观测的n颗卫星，其误差方程及位置解为单点定位有4个待定参数，因而至少需要4颗以上的卫星，才能同时确定出所有的待定参数。5.3单点定位Point

Positioning5.3.4精度评定及精度衰减因子DilutionofPrecision(DOP):精度衰减因子显示的数字越小表示准确程度越高。1.GDOP（GeometryDOP几何形状的精密值强弱度）三维坐标与时间（即几何形状）之精度强弱度。为纬度、经度、高程和时间等误差平方和的开根号值，所以GDOP2=PDOP2+TDOP22.PDOP（PositionDOP位置的精密值强弱度）为纬度、经度和高程等误差平方和的开根号值。PDOP2=HDOP2+VDOP23.HDOP（HorizontalDOP水平坐标的精密值强弱度）为纬度和经度等误差平方和的开根号值。5.3单点定位Point

Positioning5.3.4精度评定及精度衰减因子DilutionofPrecision(DOP):精度衰减因子4.VDOP（VerticalDOP垂直坐标的精密值强弱度）为高程的误差值。5.TDOP（Timeclockoffset时间的精密值强弱度）为接收仪内时表偏移误差值。6.HTDOP（HorizontalDOP水平坐标的精密值强弱度）为纬度、经度和时间等误差平方和的开根号值，所以HTDOP2=HDOP2+TDOP25.4静态相对定位staticrelativePositioning单点定位利用1台GPS接收机对4颗以上卫星进行观测，获取接收机天线到卫星之间的伪距观测值，从而解算接收机天线的空间直角三维坐标，能够通过单个历元实时解算位置适用情形导弹制导、飞机导航、车载导航……多历元单点定位（单点静态定位）如果接收机静止在一个点上不动，观测一段时间，利用多个历元解算接收机天线的三维空间坐标5.4.0概述5.4静态相对定位staticrelativePositioning5.4.1载波相位基本观测方程载波相位测量与卫地距之间的关系代入伪距观测方程观测值改正数真值5.4静态相对定位staticrelativePositioning5.4.2观测值求差运算单差：站间一次差分在t1时刻，接收机i，j对卫星p进行载波相位测量5.4静态相对定位staticrelativePositioning5.4.2观测值求差运算单差优点：①消除卫星钟差的影响；②大大减弱星历误差及电离层、对流层折射的影响。单差5.4静态相对定位staticrelativePositioning5.4.2观测值求差运算双差：接收机间、星间各求一次差（共两次差）5.4静态相对定位staticrelativePositioning5.4.2观测值求差运算双差：接收机间、星间各求一次差（共两次差）5.4静态相对定位staticrelativePositioning5.4.2观测值求差运算双差优点：消去了接收机钟差的影响减少了计算量数据处理软件中被广泛采用5.4静态相对定位staticrelativePositioning5.4.2观测值求差运算三差：站间、星间和历元间各求一次差（三次差）5.4静态相对定位staticrelativePositioning5.4.2观测值求差运算三差：站间、星间和历元间各求一次差（三次差）5.4静态相对定位staticrelativePositioning5.4.2观测值求差运算三差优点：消去了整周未知数；但通过求三次差后，方程数大大减少，故解算结果的精度不是很高，通常被用来作为初次解。5.1基本观测量5.2定位误差

5.3单点定位5.4静态相对定位5.5周跳探测和模糊度固定第5章静态定位5.1基本观测量basicobservation载波相位距离测量观测值整周计数整周未知数（整周模糊度）载波相位观测值5.5.0概述5.5周跳探测和模糊度固定5.5.0概述完整的载波相位：整周模糊度N实际观测值整周模糊度N首次观测计数器累加鉴相器测定整周模糊度贯穿相对定位的始终周跳不可避免，1周的周跳导致基线向量大于10cm偏差5.5周跳探测和模糊度固定5.5.1周跳探测方法1.屏幕扫描法：适合于探测大周跳，以观测历元为横轴，载波相位观测为纵轴，通过绘制的载波相位曲线，如果存在跳跃则认为出现了周跳。5.5周跳探测和模糊度固定5.5.1周跳探测方法2.低阶多项式法：

便于用计算机计算，常采用多项式拟合的方法。即根据n个相位测量观测值拟合一个n阶多项式，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。5.5周跳探测和模糊度固定5.5.1周跳探测方法3.高次差法：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N0+Int(ф)+Fr(ф)也随时间在不断变化。但这种变化应是有规律的，平滑的，周跳将破坏这种规律性。对于GPS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误差等因素引起的。5.5周跳探测和模糊度固定5.5.1周跳探测方法3.高次差法：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N0+Int(ф)+Fr(ф)也随时间在不断变化。但这种变化应