GPS测量原理及应用51211课件

第五章GPS卫星定位的基本原理§5.1概述§5.2伪距测量§5.3载波相位测量§5.4整周跳变的修复§5.5

GPS绝对定位与相对定位§5.6差分GPS定位原理§5.7美国的GPS政策§5.1概述一、卫星定位的基本原理1、卫星的位置：靠地面监测站（点的坐标已知），GPS卫星发射测距信号和导航电文，导航电文中含有卫星的位置信息。地面监测站时刻监测卫星，测出二者之间的距离，然后由地面已知点的坐标交会出卫星的位置。

2、测站的(待测点)位置：

GPS卫星发射测距信号和导航电文，导航电文中含有卫星的位置信息。地面监测站时刻监测卫星，测出二者之间的距离，然后由空间卫星的位置交会出测站点的位置。监测方法：如果测距无误差，已知：（X,Y,Z）s，s=1,2,3

观测：ρ1，ρ2，ρ3

计算：（X,Y,Z）p原理：根据空中卫星的已知坐标，用空间距离后方交会的方法，求出测站点的位置。3、卫星定位的基本原理运用空间距离前方交会的方法求出卫星的位置。运用空间距离后方交会的方法求测站点的位置。观测值：距离用距离交会的方法求解P点的三维坐标（X，Y，Z）的观测方程：5、GPS定位的实质：

由GPS接收机在某一时刻，同时接收四颗以上的GPS卫星信号，测量出GPS接收机到GPS卫星的距离，根据空间距离后方交会的方法求测站点的位置。观测方程：（j=1，2，3，4）式中：为卫星的坐标；为测站的坐标；为接收机钟差。二、GPS定位方法及分类1、根据定位所采用的观测值分为：

伪距定位和载波相位定位

伪距定位所采用的观测值为GPS伪距观测值，既可以是C/A码伪距，也可以是P码伪距。优点是数据处理简单，对定位条件的要求低，不存在整周模糊度问题，可以非常容易的实现实时定位。缺点是观测值精度低，C/A码的精度一般为3米，而P码的精度一般也在30厘米左右。另外若采用精度较高的P码伪距观测值还存在AS政策问题。2、根据定位模式分为：

绝对定位又称单点定位。这是一种采用一台接收机进行定位的作业模式。它所确定的是接收机天线的绝对坐标。这种定位模式的特点是作业方式简单，可以单机作业，绝对定位一般用于导航和定位精度要求不高的应用中。

相对定位又称差分定位，这种定位模式采用两台以上的接收机同时对一组相同的卫星进行观测，以确定接收机相互为之间的关系。3、根据获取定位结果的时间分为：

实时定位是根据接收机观测到的数据，实时的解算出接收机天线所在的位置。

非实时定位又称后处理定位，它是通过对接收机接收到数据进行后处理，以定位的方法。4、根据定位时接收机的运动状态分为：

静态定位就是在整个观测过程中，接收机的位置是不变的。（接收机的位置是一个不随时间变化的量）

动态定位就是在整个观测过程中，接收机的位置是变化的（接收机的位置是一个随时间变化的量）返回时间的测定方法：卫星—测距码，经时间到达接收机。接收机—复制码时延器—延迟复制码，经延迟时间使两码对齐，。那么，延迟时间即为GPS卫星信号从卫星传播到GPS接收机的时间。使实际上是不可能的，只能使，两种码不可能完全对齐，导致时间有误差。二、伪距测量的原理码相关三、伪距定位观测方程所测伪距与真正的几何距离之间的关系：优点：定位速度快，无多值性。缺点：定位精度低，P码的测距精度30cm，C/A码的测距精度3m左右。返回§5.3载波相位测量一、载波相位测量原理载波相位测量的观测量是GPS接收机所接收的卫星载波信号与接收机本振信号的相位差。——在时刻j号卫星的相位——接收机在时刻的本振相位（以周为单位）在初始时刻，载波相位的观测值：二、载波相位测量的观测方程接收机k对卫星j的载波相位测量的观测方程：三、整周未知数的确定1、伪距法：方法简单，误差较大2、将作为待定参数进行平差如果将代入

可知，有5个未知数。把整周未知数当作平差计算中的待定参数来加以估计和确定有两种方法：（1）整数解（固定解）：适合于短基线（20km以内）步骤：

①按四舍五入的原则将平差后得到的实数化为整数；复习题1、GPS卫星定位的基本原理及相应的观测方程，并绘图说明。2、GPS定位的实质？3、GPS定位方法的分类？4、什么叫伪距？写出伪距观测方程？分析其优缺点？5、载波相位测量的基本原理？产生周跳的原因？§5.5GPS绝对定位与相对定位GPS绝对定位又称单点定位。即利用GPS卫星和用户接收机之间的距离观测值直接确定用户接收机天线在WGS-84坐标系中相对于坐标原点—地球质心的绝对坐标。GPS绝对定位又分为静态绝对定位和动态绝对定位。静态定位精度为米级，动态定位的精度为10~40米。相对定位至少用两台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）。是目前GPS定位中精度最高的一种定位方法。一、GPS绝对定位接收机天线处于静止状态下，确定观测站坐标的方法称为静态绝对定位。这时，可以连续地在不同历元同步观测不同的卫星，测定卫星至观测站的伪距，获得充分的多余观测量。测后通过数据处理求得观测站的绝对坐标。（1）伪距观测方程的线性化伪距观测方程：解方程可得，（接收机钟差），并且要进行精度评定。线性化方程：式中：将伪距方程按台劳级数展开：（2）伪距法绝对定位的解算对于任一历元ti，由观测站观测四颗卫星，则j=1，2，3，4，令：令上式可简写为：当同步观测卫星多于四颗时：根据最小二乘求解未知数：未知数中误差：——伪距测量中误差——为权系数阵主对角线元素在静态绝对定位的情况下，由于观测站不动，可以与不同历元同步观测不同的卫星，以n表示观测的历元数，忽略接收机钟差随时间变化的情况，可得误差方程式组：式中：3、绝对定位精度评价权系数阵在空间直角坐标系中的一般形式为：实际应用中，为了估算点的位置精度，常采用其在大地坐标中的表达形式。假设在大地坐标系统中相应点位的权系数阵为：根据误差传播率：式中：由权系数阵主对角线元素定义精度因子“DOP”后，则相应精度可表示为：式中为等效距离误差。精度因子通常有：（1）平面位置精度因子HDOP及其相应的平面位置精度：（2）高程精度因子VDOP及其相应的高程精度：（3）空间位置精度因子PDOP及其相应的三维定位精度：（4）接收机钟差精度因子TDOP及其相应的钟差精度：（5）几何精度因子GDOP及其三维位置和时间误差综合影响的中误差：精度因子的数值与所测卫星的几何分布图形有关。精度因子GDOP与六面体的体积V的倒数成反比，即：一般来说，六面体的体积越大，所测卫星在空间的分布范围也越大，GDOP值越小；反之，六面体的体积越小，所测卫星在空间的分布范围也越小，GDOP值越大。二、GPS相对定位GPS相对定位：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）。基线长度的中误差特点优点：定位精度高缺点：多台接收共同作业，作业复杂数据处理复杂不能直接获取绝对坐标应用高精度测量定位及导航相对定位相对定位的类型静态定位普通静态定位快速静态定位GoandStop快速确定整周未知数动态定位动态定位中整周未知数的确定静态初始化动态初始化（OTF）实时动态定位（RTK–RealTimeKinematic）单基准站RTK多基准站RTK（网络RTK）基本观测量：载波相位Ф中间成果：dX，dY，dZ，dis，及相应精度最终成果：观测站点的坐标及精度通过单差、双差和三差法可得到最终的dX，dY，dZ。GPS按载波相位观测值可以在卫星间求差，在接收机间求差，也可以在不同历元间求差。各类求差方法都是观测值的线性组合。S1S2S3S4B△X,△Y,△ZA1、单差观测（一次差）——在接收机间求差例：S1卫星测站1测站2同样在测站间可对每颗卫星的相位观测值求差。式中的ρ可用坐标表示。SDdX，dY，dZ，dis。Ф2i(ti)Ф1i(ti)P1P2为什么要进行单差观测？不同接收机观测同一颗卫星，在不同接收机间求一次差，可消除信号传播的误差（对流层、电离层等的误差），采用单差观测的目的就是要减少误差的影响提高定位结果的精度。优点：①可消除卫星钟差的影响；②削弱星历误差的影响；③可削弱电离层和对流层的影响。为了消除接收机间钟差的影响，需采用双差观测。2、双差观测（二次差）——在卫星间求差对载波相位观测值的一次差分观测值继续求差，所得的结果可以被当作虚拟观测值，作载波相位观测值的二次差或双差。常用的求二次差是在接收机间求一次差后再在卫星间求二次差，叫做星站二次差分。例：S1卫星，S2卫星DDdX，dY，dZ，dis。优点：可以消除掉接收机误差的影响。

P1P2S1S23、三次差—在星历间求差（两个历元的星历间求差）三次差是在接收机、卫星和历元之间求三次差。=S1从时刻ti到

tj

S2从时刻ti到

tj例：t1时刻含有t2时刻含有优点：可消除的影响（在确定过程中不准造成的影响）SDDD线性化，，TD返回在确定整周模糊度时，仅仅为一估值，不是真值，为减弱整周模糊度的影响，采用三差观测。§5.6差分GPS定位原理差分GPS定位技术是将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测。根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时地将这一改正数发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。GPS定位中，存在着三部分误差：一是多台接收机公有的误差，如：卫星钟误差、星历误差；二是传播延迟误差，如：电离层误差、对流层误差；三是接收机固有的误差，如：内部噪声、通道延迟、多路径效应。采用差分定位，可完全消除第一部分误差，可大部分消除第二部分误差（视基准站至用户的距离）。差分GPS可分为单基准站差分、具有多个基准站的局部区域差分和广域差分三种类型。差分GPS的基本原理利用误差的空间相关性以上各类误差中除多路径效应均具有较强的空间相关性，从而定位结果也有一定的空间相关性。差分GPS的基本原理利用基准站（设在坐标精确已知的点上）测定具有空间相关性的误差或其对测量定位结果的影响，供流动站改正其观测值或定位结果。差分改正数的类型距离改正数：利用基准站坐标和卫星星历可计算出站星间的计算距离，计算距离减去观测距离即为距离改正数。位置（坐标改正数）改正数：基准站上的接收机对GPS卫星进行观测，确定出测站的观测坐标，测站的已知坐标与观测坐标之差即为位置的改正数。一、单站GPS的差分（SRDGPS)单站差分按基准站发送的信息方式来分，可分为位置差分、伪距差分和载波相位差分三种，其工作原理大致相同。1．位置差分原理设基准站的精密坐标已知，在基准站上的GPS接收机测出的坐标为X，Y，Z（包含着轨道误差、时钟误差、SA影响、大气影响、多路径效应及其他误差），即可按下式求出其坐标改正数为：基准站用数据链，将这些改正数发送出去，用户接收机在解算时加人以上改正数：为用户接收机自身观测结果，为经过改正后的坐标。顾及用户接收机位置改正值的瞬时变化，上式可进一步写成：式中，to为校正的有效时刻。这样，经过改正后的用户坐标就消去了基准站与用户站共同的误差。优点：计算简单，适用于各种型号的GPS接收机。缺点：基准站与用户必须观测同一组卫星，这在近距离可以做到，但距离较长时很难满足。故位置差分，只适用于100km以内。2、伪距差分原理这是应用最广的一种差分。在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标和测出的各卫星的地心坐标，可计算卫星道测站的几何距离：其伪距为，则伪距改正数：基准站将和发送给用户，用户在测出的伪距上加改正，求出改正后的伪距：并按下式计算坐标：为钟差，为接收机噪声。优点：基准站提供所有卫星的改正数，用户接收机观测任意4颗卫星，就可完成定位。缺点：差分精度随基准站到用户的距离增加而降低。3、载波相位差分原理位置差分和伪距差分，能满足米级定位精度，已广泛应用于导航、水下测量等。而载波相位差分，可使实时三维定位精度达到厘米级。载波相位差分技术又称RTK（realTimeKinematic）技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。载波相位差分方法分为两类：一类是修正法，另一类是差分法。所谓修正法：即将基准站的载波相位修正值发送给用户，改正用户接收到的载波相位，再解求坐标。所谓差分法：即是将基准站采集的载波相位发送给用户，进行求差解算坐标。可见修正法属准RTK,差分法为真正RTK。三、广域差分四、多基准站RTK技术二、局部区域GPS差分系统（LADGPS)

RTK(RealTimeKinematic)技术是GPS实时动态定位技术，它将GPS与数传技术相结合，实时解算并进行数据处理，在1～2s的时间里得到高精度的位置信息。RTK工作原理

常规RTK技术是一种对动态用户进行实时相对定位的技术，该技术也可用于快速静态定位。进行常规RTK工作时，基准站需将自己所获得的载波相位观测值(最好加上测码伪距观测值)及站坐标，通过数据通信链实时播发给在其周围工作的动态用户。于是这些动态用户就能依据自己获得的相同历元的载波相位观测值(最好加上测码伪距观测值)和广播星历进行实时相对定位，并进而根据基准站的站坐标求得自己的瞬时位置。为消除卫星钟和接收机钟的钟差，削弱卫星星历误差、电离层延迟误差和对流层延迟误差的影响，在RTK中通常都采用双差观测值。多基准站RTK技术也叫网络RTK，这是对普通RTK方法的改进。目前应用于网络RTK数据处理的方法有：虚拟参考站法（VirtualReferenceStationVRS）、偏导数法、线性擂法和条件平差法，其中虚拟参考站VRS技术最为成熟。深圳市连续运行GPS系统就采虚拟参考站技术。常规单基站RTK受参考站至流动站距离限制（误差影响的相关性随边长的增长而减弱）；连续运行的永久GPS参考站的建立；网络技术和无线通讯技术的高速发展；建立国家统一的空间数据基础设施的需要，减少部门独立应用所造成的资源浪费。1、多基准站RTK系统工作原理在某一大区域（或某一城市）内，建立若干个（三个以上）连续运行的GPS基准站，根据这GPS基准站的观测值（由于GPS基准站有长时间的观测数据，故点位坐标精度很高），建立区域内GPS主要误差模型（如电离层、对流层、卫星轨道等误差模型），系统运行时，将这些误差从基准站的观测值中减去，形成“无误差”的观测值，然后利用这些无误差的观测值和移动站（用户—单台GPS接收机）的观测值，经有效地组合，在移动站附近（几米到几十米）建立起一个虚拟参考站，移动站与虚拟参考站进行载波相位差分改正，实现实时RTK。2、多基准站RTK系统组成及功能多基准站RTK系统由若干个连续运行的GPS基准站、计算中心、数据发布中心和移动站（用户—GPS接收机）组成。连续运行GPS基准站：连续进行GPS观测，并实时将观测值传输至计算中心。计算中心：根据各GPS基准站的观测值，计算区域电离层、对流层和卫星轨道等误差模型，并实时将各基准站的观测值减去其误差改正，得出无误差观测值，再结合移动站的观测值，计算出在移动站附近的虚拟参考站的相位差分改正，并实时地传给数据发布中心。数据发布中心：实时接收计算中心的相位差分改正信息，并实时发布（可采用FM、或GSM、或COPD、或CDMA或Internet）。移动站：接收数据发布中心发布的相位差分改正，结合自身GPS观测值，组成双差相位观测值，快速确定整周模糊度参数和位置信息，完成实时定位。多基准站RTK系统发播的差分信息，可应用于LADGPS和WADGPS。常规RTK存在的问题常规的RTK（实时动态测量）无论是在基线长度（流动站至参考站的距离）还是在解的质量控制与保障方面均存在很多问题，实际上常规RTK仅局限在短距离范围内。常规RTK仅局限在短距离范围内，原因：1、常规RTK的作业随着基线的增长，各类误差源的相关性减弱甚至消失，距离相关误差影响无法消除，整周模糊度不能实时的正确固定，导致定位精度下降。2、RTK要求实时（或准实时）解算，多余观测数大大减少（相对于后处理而言）；3、数传方式及其协议的影响，其数传方式和点对点的解算模式很难实现数据和解的实时质量控制与保障。4、解的可靠性缺乏理论和实际上的保证。5、常规RTK在参考站为中心15km范围内流动站与参考站之间误差强相关，但是，随着距离的增大，系统误差相关性减弱甚至消失，导致难以正确确定整周未知数，无法取得固定解，定位精度迅速下降。当间距大于50km时，常规RTK单历元解算精度仅为分米级。消除距离相关误差，解决精度均匀性；网络RTK定位技术的兴起为了解决常规RTK技术存在的缺陷，实现区域范围内厘米级、精度均匀的实时动态定位，网络RTK技术应运而生。GPS技术应用的日益广泛和不断发展，各种用途的连续运行参考站系统（CORS）相继建成，随着互联网的高速发展，区域和世界范围内的信息和据数交换已变得相当容易，这就决定了由多基站构成网络式的GPS服务体系成为GPS技术发展的最终目标，这种影响在实时动态定位领域产生了革命性的进步。最初的网络RTK是多参考站常规RTK，如果要使基线精度优于3厘米，需要在一个区域内密集的布设参考站，站间距离应小于30km。精度随着基线的增长而衰减，如果要求按一定精度覆盖整个区域，需要架设较多的参考站。多参考站常规RTK模式虽然控制范围大，但需要的投资也是巨大的，在一个较大的范围内均匀稀松的布设参考站，利用参考站网络的实时观测数据进行系统误差建模，然后对观测站系统误差进行估计，尽可能消除系统误差影响，获得厘米级实时定位结果，这样网络RTK技术的精度覆盖范围大大增大，且精度分布均匀，目前多数使用这种方式。虚拟参考站方式图解作业示意图网络RTK优势和布网要求

1、覆盖范围广，由三个参考站组成的参考站网可以覆盖两千平方千米以上，这就是网络RTK的优势所在。

2、网络RTK是在一个较大的区域内均匀布设参考站，参考站间距离依据RTK要达到的精度和当地的电离层活动状况而定，要提供1～3cm的相对定位精度，站间距离应在50～100km，在电离层活动频繁的区域，站间距离小于40km；而在有些大气稳定的区域，站间距离可以超过100km。网络RTK和测区的关系图VRS实际测量模拟国外发展现状网络RTK国外发展速度很快，主要是在以往稀松的CORS间增设新站，以满足RTK的要求，很多地区已经建立起实验性的多参考站网络，有些已经投入运行。比如：巴西Recife的RBMC、新加坡的SIMRSN、澳大利亚Victoria的GPSnet及其其它等。国内发展现状1从2000年起，我国深圳、香港、成都等各大城市采用网络RTK虚拟基站技术，相继建立了本地的城市综合卫星定位服务系统。国内发展现状2鉴于VRS技术的广泛应用前景，2004年下半年起，建立基于VRS技术的城市综合卫星定位服务系统在我国快速发展起来，目前天津、武汉\上海等城市正在建设之中，河北、广东、重庆江苏等省市也正在积极地筹备之中。国内发展现状32002年底，四川省地震局在成都启动了“成都虚拟参考站卫星定位服务系统”(简称CDVRS)的建设，2004年7月建成运行，成功搭建了我国第一个设计最合理、运行最稳定、功能最完善、覆盖面积最大的基于VRS技术的城市综合卫星定位服务系统。全球RTK实际上就是实时精密单点定位（PPP）成都VRS系统的介绍CDVRS以成都市为中心，建立了6个连续运行的永久卫星地面跟踪站，构成一个基准网。GPS基准站观测墩GPS重力点与水准点GPS基准站观测室CDVRS由下面四个子系统组成：卫星跟踪基准站、系统控制中心、数据通信网络、用户。昆明市VRS系统的介绍昆明市GPS参考站系统分布图昆明市赛马场站

2005年11月天宝公司宣布为我国提供了全球定位系统（GPS）参考站和Trimble虚拟参考站（VRS）软件，以便在中国增设5个新的基础设施网络。位于上海、武汉、东莞、天津和北京的这些多功能网络将在这些地区提供地理空间基础设施。网络将能够为不同的应用提供快速而精确的GPS定位，应用包括测量、城市规划、城市及乡村建设、环境监测、资源及区域管理、防灾救灾、精准农业、科研以及交通管理。在此之前，中国的成都和深圳已经安装了Trimble虚拟参考站。

珠峰HD6000网络TRK

GPS是中海达公司潜心研发的全新一代基于网络技术的RTKGPS系统。返回§5.7美国的GPS政策GPS卫星发射的无线电信号含有两种精度不同的测距码，即所谓P码（也称精码）和C/A码（也称粗码）。相应两种测距码GPS将提供两