GNSS定位测量技术（第二版）课件：GPS定位的基本原理

GPS卫星定位原理

GPS卫星定位原理●了解GPS测速原理和定时原理。●理解主动式测距和被动式测距、伪距及测定与计算、动态定位的特点。●掌握GPS定位、静态定位、动态定位、单点定位、相对定位等的基本概念和载波相位测量方法。学习目标

GPS卫星定位原理

任务一

GNSS卫星定位原理概况

任务二

载波相位测量

任务三

伪距测量

任务四

GNSS绝对定位

任务五

GNSS相对定位

本项目小结

GPS卫星定位原理

GPS的定位实质：把卫星视为“动态”的控制点，在已知其瞬时坐标的条件下，进行空间距离后方交会，确定用户接收机天线所处的位置。

GPS卫星定位原理需解决的两个关键问题如何确定卫星的位置如何测量出星站距离？？？？GPS定位方法分类定位模式（1）绝对定位（单点定位）（2）相对定位（3）差分定位定位时接收机天线的运动状态（1）静态定位－天线相对于地固坐标系静止（2）动态定位－天线相对于地固坐标系运动获得定位结果的时效（1）事后定位（2）实时定位观测值类型（1）测码伪距测量（2）载波相位测量

GPS定位方法分类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，确定观测站与地面某一参考点之间的相对位置。采用两台以上的接收机同步观测相同的GPS卫星，以确定接收机天线间的相互位置关系的一种方法。GPS定位方法分类相对定位（差分定位）优点：获得较高的精度缺点：增加了外业组织和实施难度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。（2）动态定位：在定位过程中，接收机天线处于运动状态。在绝对定位和相对定位中，又都包含静态和动态两种形式。GPS定位方法分类GPS定位方法分类静态定位与动态定位的不同点静态定位可靠性强，定位精度高，在大地测量、工程测量中得到了广泛的应用，是精密定位中的基本模式。动态定位可测定一个动点的实时位置、运动载体的状态参数。如速度、时间和方位等。GPS定位方法分类主动式测距（双程测距）用电磁波测距仪发射测距信号，通过反射器反射回来，再由测距仪接收。根据测距信号的传播时间求解距离ρ。只要求仪器钟自身能在信号往、返时间段中保持稳定，不影响测距精度。GPS定位方法分类主动式测距的优点主动式测距的缺点用户须发射信号，因而难以隐蔽自己。对军事用户十分不利。GPS定位方法分类被动式测距（单程测距）发射站在规定时刻内准确发出信号，用户根据自己的时钟记录信号到达时间，根据时差Δt求解距离ρ。GPS定位方法分类用户无需发射信号，便于隐蔽自己；所需装置也较简单，仅接收设备即可。被动式测距的优点被动式测距的缺点接收机钟和各卫星钟不能与GPS时间系统保持绝对同步，由此所引起的钟差对测距带来了影响。GPS观测量的基本概念无论采取何种GPS定位方法，都是通过观测GPS卫星而获得某种观测量来实现的。GPS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，主要包括：

（一）卫星射电干涉测量（二）多普勒定位法（三）测距码伪距定位法（四）载波相位测量（一）卫星射电干涉测量

利用GPS卫星射电信号，由两个测站同时观测一颗GPS卫星，通过测量这颗卫星的射电信号到达两个测站的时间差，可以求得两站间距离。干涉法测量时，所需设备较昂贵，数据处理复杂。（二）多普勒定位法

根据多普勒效应原理，利用GPS卫星较高的发射频率，由积分多普勒记数得出伪距差。采用积分多普勒计数法进行定位时，所需观测时间较长，一般数小时，同时观测过程中，要求接收机的震荡器保持高度稳定。（三）测距码伪距定位法

在某一瞬间利用GPS接收机同时测定至少四颗卫星的伪距，根据已知的卫星位置和伪距观测值，采用距离交会法求出接收机的三维坐标和时钟改正数。基本原理测距码伪距定位法的优点一次定位的精度并不高，但定位速度快，经几小时的定位也可达到米级。若再增加观测时间，精度还可以提高。（三）测距码伪距定位法（四）载波相位测量

把载波作为量测信号，对载波进行相位测量可以达到很高的精度。通过测量载波的相位而求得接收机到GPS卫星的距离。

任务二

测距码伪距测量导航定位的最基本方法优越性速度快、无多值性问题，利用增加观测时间可以提高定位精度虽然测量定位精度低，但足以满足部分用户的需要。

任务二

测距码伪距测量一、测定伪距的方法二、伪距法定位的原理三、伪距定位法的应用

一、测码伪距的方法将测距码和数据码调制到载波上由卫星发射机将调制信号发出接收机收到测距码接收机产生复制码测距码和复制码作相关处理一、测定伪距的方法

由时延器测定出两信号间的时间延迟。

在理想的情况下，时间延迟τ等于卫星信号的传播时间。将τ乘以光速c，就可以求得卫星至接收机的距离ρ。一、测定伪距的方法卫星钟和接收机钟不完全同步自相关系数最大条件下求得的时延τ和真空中光速c的乘积含有误差，这个乘积就称为伪距以伪距作基本观测量定位的方法伪距法定位二、伪距法定位的原理电离层折射延迟改正接收机钟的改正数卫星钟的改正数信号离开卫星的时刻（由卫星钟测定）信号到达接收机的时刻（由接收机钟测定）二、伪距法定位的原理将观测时得到的伪距改正为卫星至接收机之间的实际距离ρ。

—伪距—电离层折射改正—对流层折射改正—卫星的钟差—接收机的钟差二、伪距法定位的原理列出实际距离与卫星坐标和接收机坐标的关系（x、y、z）（X、Y、Z）—卫星坐标—接收机坐标四、测距码伪距法定位的应用

利用测距码进行测距的优点采用的是CDMA（码分多址）技术（即每颗卫星都采用特定的伪随机噪声码）易于捕获微弱的卫星信号便于对系统进行控制和管理（如AS）利用测距码进行测距的缺点精度低第三节载波相位测量

伪距以测距码作为量测信号，因测距码的波长较长，难以达到较高的精度。而载波相位测量不使用测距码信号，不受测距码控制，属于非测距码测量系统。

载波信号是一种周期性的正弦信号，相位测量只能测定起不足一个波长的小数部分，无法测定起正波长个数。因而存在着整周数的不确定性问题，使得解算过程复杂化。我们接收到的GPS信号是调制波，即在载波上搭载着测距码及导航电文，使得接收到的载波的相位不再连续，所以在使用载波信号测量之前必须先要进行重建载波的工作第三节载波相位测量重建载波--将非连续的载波信号恢复成连续的载波信号。载波调制了导航电文之后变成了非连续的波重建载波的方法码相关法方法将所接收到的调制信号（卫星信号）与接收机产生的复制码相乘。技术要点卫星信号（弱）与接收机信号（强）相乘。特点限制：需要了解码的结构。优点：可获得导航电文，可获得全波长的载波，信号质量好（信噪比高）平方法方法将所接收到的调制信号（卫星信号）自乘。技术要点卫星信号（弱）自乘。特点优点：无需了解码的结构缺点：无法获得导航电文，所获载波波长为原来波长的一半，信号质量较差（信噪比低，降低了30dB）互相关（交叉相关）方法在不同频率的调制信号（卫星信号）进行相关处理，获取两个频率间的伪距差和相位差技术要点不同频率的卫星信号（弱）进行相关。特点优点：无需了解Y码的结构，可获得导航电文，可获得全波波长的载波，信号质量较平方法好（信噪比降低了27dB）Z跟踪方法：将卫星信号在一个W码码元内与接收机复制出的P码进行相关处理。在一个W码码元内进行卫星信号（弱）与复制信号（强）进行相关。特点优点：无需了解Y码结构，可测定双频伪距观测值，可获得导航电文，可获得全波波长的载波，信号质量较平方法好（信噪比降低了14dB）第三节载波相位测量一、载波相位测量原理二、载波相位测量观测方程三、载波相位测量的特点一、载波相位测量原理将测距码和数据码调制到载波上由卫星发射机将调制信号发出接收机解调出纯净的载波信号接收机产生基准信号载波信号和基准信号求相位差若在t0时刻接收机产生的基准信号的相位是，接收机接收到的载波信号的相位是，若能测定出二者相位之差，则由载波波长λ就可以求出该瞬间从卫星至接收机的距离：

一、载波相位测量原理二、载波相位测量观测方程观测值整周计数整周未知数（整周模糊度）整周未知数

（整周模糊度Ambiguity）只与开机时间有关，与卫星有关，开机后，对同一颗卫星而言，整周未知数不变整周未知数确定整周未知数N0是载波相位测量的一项重要工作，常用的方法有下列几种：1、伪距法2、经典方法－将整周未知数作为待定参数求解3、多普勒法（三差法）4、快速确定整周未知数法整周未知数1、伪距法伪距法是在进行载波相位测量的同时又进行了伪距测量，将伪距观测值减去载波相位测量的实际观测值（化为以距离为单位）后即可得到λ×N0。但由于伪距测量的精度较低，所以要有较多的观测值取平均值后才能获得正确的整波段数。整周未知数2、经典方法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。分两种方法：（1）整数解由于误差影响，解得得整周未知数往往不是一个整数，然后将其固定为整数，并重新进行平差计算。也称为固定解（fixedsolution）（2）实数解当误差消除得不够完全时，整周未知数无法估计很准确，此时直接将实数解作为最后解。也称为浮点解（floatingsolution）整周未知数3、多普勒法（三差法）由于连续跟踪的所有载波相位测量观测值中均含有相同的整周未知数，所以将相邻两个观测历元的载波相位相减，就将该未知数消去，从而直接接触坐标参数，这就是多普勒法。由于三差法可以消除许多误差，所以使用较广泛。整周未知数4、快速确定整周位置数法1990年E.Frei和G.Beutler提出了快速模糊度（即整周未知数）解算法进行快速定位的方法。采用这种方法进行短基线定位时，利用双频接收机只需观测一分钟便能成功的确定整周未知数。整周跳变（周跳–CycleSlips）在某一特定时刻的载波相位观测值为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，就不会与前面的值保持连续，这一现象称为整周跳变。周跳T

产生周跳的原因主要原因就是信号失锁信号被遮挡，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，导致接收机无法正确跟踪卫星信号卫星瞬时故障，无法产生信号周跳的特点只影响整周计数

－周跳为波长的整数倍将影响从周跳发生时刻（历元）之后的所有观测值周跳T

因周跳而丢失的周数将使周跳发生后的所有相位观测值都含有这个周数的偏差解决周跳问题的方法探测与修复设法找出周跳发生的时间和大小常用的方法有下列几种方法：1、屏幕扫描法（也就是手工编辑）2、多项式拟合法3、卫星间求差法4、根据平差后的残差发现和修复整周跳变参数法将周跳标记出来，引入周跳参数，进行解算三、载波相位测量的特点优点精度高，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任务四绝对定位原理定义单独利用一台接收机确定待定点在地固坐标系中绝对位置的方法，又叫做单点定位定位结果

－与所用星历同属一坐标系的绝对坐标采用广播星历时属WGS-84采用IGS–InternationalGPSService精密星历时为ITRF–InternationalTerrestrialReferenceFrames（国际地球参考框架）特点优点：一台接收机单独定位，观测简单，可瞬时定位缺点：精度主要受系统性偏差的影响，定位精度低应用领域低精度导航、资源普查、军事、...单点定位的误差源及应对方法卫星星历精密星历卫星钟差精密钟差、地面跟踪电离层延迟双频改正对流层延迟模型改正精密单点定位PPP–PrecisePointPositioning特点主要观测值为载波相位采用精密的卫星轨道和钟数据采用复杂的模型定位精度亚分米级用途全球高精度测量卫星定轨定位精度评价——精度衰减因子DOP值DOP（DilutionOfPrecision）值DOP值与定位精度DOP值的性质DOP值与单点定位时，所观测卫星的数量与分布有关，它所表示的是定位的几何条件DOP值恒大于1，最高精度为1.DOP值越小，定位的几何条件越好定位精度评价——精度衰减因子DOP值在实践中，根据不同要求，可选用不同的精度评价模型和相应的精度因子，通常有：※平面位置精度因子HDOP(horizontalDOP)※高程精度因子VDOP(VerticalDOP)※空间位置精度因子PDOP(PositionDOP)※接收机钟差精度因子TDOP(TimeDOP)※几何精度因子GDOP(GeometricDOP)，描述空间位置误差和时间误差综合影响的精度因子任务五GPS相对定位定义

确定进行同步观测的接收机之间相对位置的定位方法，称为相对定位。定位结果与所用星历同属一坐标系的基线向量（坐标差）及其精度信息采用广播星历时属WGS-84采用IGS–InternationalGPSService精密星历时为ITRF–InternationalTerrestrialReferenceFrame基线向量中含有：2个方位基准（一个水平方法，一个垂直方位）和1个尺度基准，不含有位置基准优点：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

相对定位也分静态定位和动态定位。安置在基线端点的接收机固定不动，通过连续观测，取得充分的多余观测数据，改善定位精度。静态相对定位一般均采用载波相位观测值（或测相伪距）为基本观测量。静态相对定位T1T2S1S2S3S4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，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响，从而提高相对定位的精度。静态相对定位观测量的线性组合GPS相对定位是通过观测量的不同组合求差得到的差分观测值的定义将相同频率的GPS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）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有较大负面影响的因素消去或消弱其影响求差方式站间求差卫星间求差历元间求差站间求差（站间差分）求差方式同步观测值在接收机间求差数学形式特点消除了卫星钟差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卫星轨道误差的影响星间求差（星间差分）求差方式同步观测值在卫星间求差数学形式特点消除了接收机钟差的影响历元间求差（历元间差分）差分方式观测值在间历元求差数学形式特点消去了整周未知数参数单差、双差和三差单差：站间一次差分双差：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（三次差）单差采用差分观测值的缺陷（求差法的缺陷）数据利用率低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差分观测值间具有了相关性，使处理问题复杂化参数估计时，观测值的权阵某些参数无法求出某些信息在差分观测值中被消除差分GPS差分GPS产生的诱因：绝对定位精度不能满足要求GPS绝对定位的精度受多种误差因素的影响，完全满足某些特殊应用的要求美国的GPS政策对GPS绝对定位精度的影响（选择可用性SA）SA关闭前后GPS绝对定位精度的变化差分GPS差分GPS即动态相对定位利用设置在坐标已知点（基准点）上的GPS接收机测定GPS测量定位误差，用以提高在一定范围内其它GPS接收机（流动站）测量定位精度的方法影响绝对定位精度的主要误差主要误差卫星轨道误差卫星钟差大气延迟（电离层延迟、对流层延迟）多路径效应对定位精度的影响差分GPS的基本原理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GPS对测量定位精度的改进差分GPS的分类根据时效性实时差分事后差分根据观测值类型伪距差分载波相位差分根据差分改正数位置差分（坐标差分）距离差分根据工作原理和差分模型局域差分（LADGPS–LocalAreaDGPS）单基准站差分多基准站差分广域差分（WADGPS–WideAreaDGPS）位置差分距离差分距离改正坐标改正单基准站差分的分类位置（坐标差分）差分：基准站上的接收机对GPS卫星进行观测，确定出测站的