《GPS伪距定位原理》课件

GPS伪距定位原理投稿人：GPS系统组成空间段由31颗运行在地球轨道上的卫星组成，它们向地面发射信号。控制段地面控制站负责监测卫星运行状态，并对卫星进行控制和维护。用户段用户通过接收器接收卫星信号，并进行定位计算，获取自身的位置信息。GPS卫星概述GPS卫星是构成GPS系统的核心，它们在太空运行并发射导航信号。目前，GPS系统拥有31颗运行卫星，均匀分布在6个轨道面上，每轨道面4-6颗卫星，每个轨道面倾角55°，卫星轨道高度约20200公里。GPS卫星的主要功能是发射包含时间信息、轨道参数、卫星时钟误差等信息的导航信号，以及接收地面站的信号并进行数据传输。卫星轨道特点近圆形轨道GPS卫星的轨道接近圆形，这有助于保证信号强度和覆盖范围。中地球轨道GPS卫星位于中地球轨道，高度约为20,200公里，这保证了全球覆盖。GPS信号结构1导航电文包含卫星的轨道信息、时间信息、卫星状态等。2载波信号频率为1.57542GHz（L1）或1.2276GHz（L2），用于精确测量距离。3码信号用于粗略测量距离，并提供同步和导航信息。码相伪距测距原理1卫星信号卫星发射的信号包含伪随机码2接收器接收器同步生成相同的伪随机码3时间差比较接收到的信号与本地码的时间差4距离计算时间差乘以光速得到卫星与接收器之间的距离载波相位伪距测距原理1卫星信号载波相位和码相2接收机接收卫星信号3测量载波相位变化4计算伪距和位置伪距修正因子卫星钟差卫星内部计时误差，会造成伪距偏差。电离层延迟电离层对信号传播速度的影响，会导致伪距偏差。对流层延迟对流层对信号传播速度的影响，也会导致伪距偏差。接收机钟差接收机本身的计时误差，也会造成伪距偏差。几何因子GDOPGDOP几何精度衰减因子定义反映卫星几何分布对定位精度的影响影响因素卫星数量、卫星分布、卫星高度角数值越小越好，表示卫星几何分布越好定位计算步骤获取卫星信号接收机接收来自多颗卫星的信号。测量伪距根据信号的到达时间，计算卫星到接收机的距离（伪距）。解算位置通过最小二乘法或其他算法，利用多个伪距方程解算接收机的位置坐标。输出结果将计算得到的经纬度、高度等信息输出。伪距非线性方程组GPS定位的核心是通过测量卫星信号到达接收机的传播时间，计算卫星与接收机之间的距离，即伪距。由于卫星和接收机的运动以及大气层、电离层等的影响，伪距测量存在误差。通过建立伪距方程组，可以利用多颗卫星的观测数据，进行定位解算。伪距方程组是一个非线性方程组，需要进行线性化处理。通常采用泰勒展开式，将非线性方程组近似为线性方程组。然后，利用最小二乘法等方法求解未知参数，包括接收机的坐标和钟差等。由于伪距方程组中存在误差，因此解算得到的定位结果也存在误差。误差的来源包括卫星钟差、大气层延迟、电离层延迟、多路径效应等。最小二乘法解算法1建立方程组利用伪距观测值建立非线性方程组，包含未知参数和误差项.2线性化处理将非线性方程组线性化，通过泰勒展开将非线性方程组转换为线性方程组.3最小二乘估计运用最小二乘法原理，求解线性方程组的解，得到最佳估计值.单点定位计算1坐标计算根据伪距和几何因子，计算接收机坐标2伪距测量接收机接收卫星信号，测量卫星信号到达时间3卫星信息卫星轨道参数，时间信息，卫星信号强度定位精度影响因素接收机噪声接收机内部噪声会影响信号接收质量，降低定位精度。多路径效应信号反射造成误差，影响伪距测量。卫星几何配置卫星数量和分布影响定位精度，卫星几何配置越好，精度越高。大气影响电离层和对流层会对信号传播产生影响，导致定位误差。多星联合定位优势提高定位精度，减少误差。提升定位可靠性，增强定位抗干扰能力。原理利用多个卫星的观测数据，建立多方程组，求解出用户位置坐标。差分GPS技术参考站已知精确位置的参考站接收卫星信号，并计算出误差修正值。用户接收机用户接收机接收卫星信号，并使用参考站提供的修正值提高定位精度。实时动态定位1连续更新实时接收卫星信号并计算位置2动态追踪跟踪移动目标位置变化3应用广泛导航、测绘、无人机等领域后处理精密定位数据采集获取GPS数据和辅助数据，如气象数据、轨道数据等。数据处理对数据进行预处理，例如去噪、滤波、坐标转换等。定位计算利用精密轨道和大气模型进行定位计算，获得高精度坐标。结果分析对定位结果进行误差分析和精度评估，并进行相关修正。相对定位模型基线矢量相对定位测量的是两个接收机之间的距离和方位角，即基线矢量。坐标系转换通过已知点坐标，将相对定位测量的基线矢量转换为地理坐标系。误差源分析与修正1卫星钟差GPS卫星的原子钟会有微小的偏差，会造成时间误差。2卫星轨道误差卫星轨道并非完全精确，会造成距离误差。3电离层延迟信号穿过电离层会发生延迟，需要进行校正。4对流层延迟信号穿过对流层也会发生延迟，需要进行校正。定位算法原理分析最小二乘法通过最小化观测值与模型预测值之间的误差平方和来估计未知参数，例如卫星位置和接收机时钟误差。卡尔曼滤波利用系统状态方程和观测方程，结合噪声信息，对系统状态进行估计和预测，以提高定位精度。迭代算法由于伪距方程是非线性的，需要使用迭代算法，例如牛顿-拉夫森法，来求解未知参数。基线场合解算1观测方程建立观测值与未知参数之间的数学模型。2参数估计利用最小二乘法或其他估计方法求解未知参数。3解算结果计算出基线向量，并进行误差分析。基线双差解算消除大气误差双差解算可以消除大气误差的影响，提高定位精度。消除卫星钟差双差解算可以消除卫星钟差的影响，提高定位精度。消除接收机钟差双差解算可以消除接收机钟差的影响，提高定位精度。固定解与浮点解固定解当整周模糊度解算成功后，得到的解称为固定解。此时，解算结果精度显著提高，可达到厘米级。浮点解当整周模糊度无法解算或解算不成功时，得到的解称为浮点解。浮点解的精度会受到模糊度误差的影响，一般在米级或分米级。载波相位整周模糊度模糊度载波相位测量存在整周模糊度，因为测量得到的相位是相位差的整数倍。解模糊解决整周模糊度需要使用其他技术，例如双差解算或浮点解算。影响精度整周模糊度是影响载波相位定位精度的关键因素。相对定位精度分析1厘米级静态定位10米级动态定位100分米级实时动态定位RTK全局定位原理1基站数据接收来自参考站的差分校正数据2数据处理实时计算差分校正信息，消除误差3位置计算将校正后的数据应用于接收机的定位计算组网RTK技术提高精度通过多个基站建立网络，提高定位精度和可靠性。扩展覆盖范围基站网络可以覆盖更广的区域，满足更多用户需求。降低成本共享基站资源，降低用户使用成本。