《GPS相对定位原》课件

GPS相对定位原理GPS相对定位是一种常用的定位技术，它通过测量两个接收机之间的距离差来确定目标位置。相对定位不需要知道卫星的精确位置，因此可以用于没有卫星信号覆盖的区域。GPS基本概念全球定位系统GPS是美国国防部研制的全球卫星定位系统，能够提供全天候、全球范围内的三维位置、速度和时间信息。卫星星座GPS系统由24颗工作卫星组成，分布在6个轨道面上，每个轨道面有4颗卫星。信号传输GPS卫星向地面发射无线电信号，包含时间、轨道信息和卫星编号等数据。接收机定位地面接收机接收卫星信号，根据信号时间差和卫星位置信息计算出接收机的三维坐标。相对定位简介相对定位是一种重要的GPS定位技术，它利用多个接收机同时接收来自同一颗或多颗卫星的信号，通过测量接收机之间的距离变化来确定目标位置。与绝对定位不同，相对定位不需要已知位置的参考点，而是通过测量接收机之间的相对位置来确定目标位置。相对定位的优势1高精度消除卫星钟差和轨道误差影响，提高位置精度。2无需已知点不需要预先知道任何参考点的坐标，适用于未知区域测量。3适应性强适应各种地形和环境条件，应用范围广泛。4成本效益高相对定位技术降低了测量成本，提高了效率。相对定位的工作原理1接收信号两个或多个接收机同时接收来自同一颗卫星的信号。2时间差计算每个接收机接收到的信号到达时间差。3距离差将时间差转换为两个接收机到卫星的距离差。4基线解算通过多个卫星信号的距离差计算出两个接收机之间的距离和方向。相对定位的关键是利用多个接收机同时接收来自相同卫星的信号，从而精确测量接收机之间距离和方向，最终得到目标点的坐标。参考卫星的选择可见卫星数量选择至少4颗卫星，确保定位精度。卫星分布范围广，提高定位精度。卫星高度角卫星高度角高，信号强，降低误差。高度角低，信号弱，容易受到干扰，影响精度。卫星几何构型卫星几何构型好，定位精度高。卫星几何构型差，定位精度低，容易出现多解。卫星信号质量选择信号质量好的卫星，避免干扰。信号质量差，影响定位精度，甚至无法定位。伪距测量伪距测量是GPS定位中的一种基本测量方法。它通过测量卫星信号到达接收机的时间，进而计算出卫星到接收机的距离，即伪距。伪距测量需要考虑多种误差源，例如卫星钟差、大气延迟、多径效应等。这些误差会影响伪距的精度，从而影响最终的定位结果。双频伪距测量双频伪距测量单频伪距测量利用两个频率的伪距观测值只利用一个频率的伪距观测值可消除电离层延迟的影响无法消除电离层延迟的影响精度更高精度较低载波相位测量载波相位测量是相对定位中一种高精度测量方法，通过接收机接收到的卫星信号载波相位变化来确定接收机与卫星之间的距离变化。载波相位测量精度远高于伪距测量，可以达到毫米级甚至厘米级。1相位信号周期内变化的次数2频率信号每秒变化的次数3波长信号在一个周期内传播的距离4λ卫星信号波长载波相位平差多路径误差载波相位测量会受到多路径效应的影响，导致测量值偏差。平差过程中需要考虑多路径误差的影响，进行校正。大气层延迟大气层中的水汽和电离层会使信号延迟，导致测量偏差。平差过程需要考虑大气层延迟的影响，进行校正。卫星钟差卫星钟差会影响信号到达时间，导致测量偏差。平差过程需要考虑卫星钟差的影响，进行校正。接收机误差接收机本身也会产生误差，影响测量精度。平差过程需要考虑接收机误差的影响，进行校正。平差模型平差过程需要建立一个数学模型，将以上误差因素考虑进去，进行误差修正。协方差矩阵及误差分析协方差矩阵协方差矩阵反映观测值之间的相关性，评估定位误差的分布情况。误差分析分析各误差源对定位精度影响，包括大气层延迟、多径效应、卫星钟差等。精度评估通过协方差矩阵和误差分析，评估相对定位结果的精度。位置解算方法1最小二乘法最小二乘法是一种常用的方法，它通过最小化误差平方和来估计未知参数。该方法在GPS相对定位中广泛应用。2卡尔曼滤波卡尔曼滤波是一种递归算法，它利用所有可用信息来估计系统状态。该方法适用于动态相对定位，可以有效地处理噪声和系统误差。3粒子滤波粒子滤波是一种非线性滤波方法，它使用粒子群来近似系统状态的后验分布。该方法可以处理非线性系统和非高斯噪声。静态相对定位静态相对定位是一种常用的GPS相对定位方法，广泛应用于大地测量、工程测量等领域。1数据采集在同一时间段内对多个测站进行连续观测，获取GPS数据。2数据处理利用专用软件进行数据处理，计算基线向量和坐标。3精度评估通过误差分析和可靠性检验，评估定位精度。静态相对定位的优点是精度高，但需要长时间观测，效率较低。动态相对定位1实时测量接收机持续运动2快速处理实时计算位置3应用广泛导航、测绘、工程动态相对定位是指接收机在运动过程中进行的相对定位。这种方法通常用于实时导航和测绘应用，例如车辆导航、无人机测绘等。动态相对定位流程1数据采集接收机同步采集数据，记录卫星信号。2数据预处理对数据进行粗差剔除和信号质量评估。3解算定位使用卡尔曼滤波算法进行定位解算。4结果输出输出定位结果，包含经纬度、高度等信息。相对定位精度影响因素卫星信号干扰大气层延迟、多径效应等因素会影响卫星信号接收，导致定位误差。接收机噪声接收机内部噪声会影响信号处理精度，进而影响定位精度。基线长度基线长度越长，相对定位精度越高，反之亦然。大气层延迟效应电离层延迟电离层中的自由电子会使GPS信号速度变慢，导致到达接收机的信号延迟，从而影响定位精度。对流层延迟对流层中的水汽和气压会使GPS信号速度变慢，导致到达接收机的信号延迟，从而影响定位精度。延迟模型为了减小大气层延迟的影响，可以使用各种延迟模型，例如，克莱姆延迟模型和马普模型。多径效应11.信号反射卫星信号到达接收机时，会受到地面、建筑物等物体反射，产生多个信号路径。22.信号叠加多条路径的信号叠加会产生误差，影响接收机对信号的识别和定位精度。33.误差累积多径效应会导致伪距和载波相位测量误差，最终影响位置解算的精度。44.影响因素接收机天线高度、周围环境、信号频率等因素会影响多径效应的大小。卫星钟差和轨道误差卫星钟差每个卫星都配备了原子钟，但存在一定的误差，影响精度。轨道误差卫星轨道受到地球引力、太阳引力等影响，存在误差。误差修正通过精密钟差和轨道数据，进行误差修正，提高精度。接收机噪声和精密度接收机噪声接收机噪声影响接收机对卫星信号的测量精度，噪声越大，精度越低。使用高性能接收机，可降低噪声的影响。精密度精密度是指接收机重复测量同一位置的精度，也称为重复性。高精度接收机可提供更准确的测量结果。影响因素接收机噪声和精密度受多种因素影响，包括接收机类型、天线质量、信号强度等。相对定位精度评估精度指标评估相对定位精度，主要指标包括：水平精度垂直精度时间精度评估方法常用的评估方法包括：残差分析误差传播分析统计检验基线长度对精度的影响基线长度是指两个接收机之间的距离，基线长度越长，相对定位精度越高。基线长度是影响相对定位精度的关键因素之一，随着基线长度的增加，相对定位精度会逐步提高。可靠性检验数据一致性检查各观测值之间的一致性，如伪距和载波相位观测值是否符合预期关系。残差分析分析观测值与模型拟合之间的偏差，以识别异常数据或模型误差。卫星数量评估卫星数量是否足够，确保定位精度和可靠性。时间同步检查接收机时间同步是否准确，确保观测数据的时序性。数据采集要求接收机设置确保接收机正确设置时间、频率、采样率等参数。并检查天线连接是否牢固，周围是否有遮挡物。观测时间观测时间需满足相对定位精度要求，一般需要长时间观测，并尽量避开大气层延迟效应强的时段。同步观测多个接收机需同步观测，以保证观测数据的时间一致性，并确保所有接收机接收同一颗卫星信号。环境条件观测环境应尽量开阔，避免遮挡物影响卫星信号接收，并注意记录观测时的天气状况。数据处理注意事项数据质量数据质量对相对定位结果至关重要。需要进行数据预处理，例如剔除异常值和噪声，确保数据可靠性。数据校正应考虑卫星钟差、轨道误差等因素，对数据进行校正，提高定位精度。数据格式数据格式应符合相关标准，便于进行数据处理和分析。相对定位应用前景相对定位技术应用广泛，在测绘、导航、工程建设等领域发挥重要作用。该技术可应用于地形图绘制、城市规划、桥梁和隧道建设，以及精准农业和精准定位等方面。相对定位未来发展趋势多系统融合将GPS与北斗、伽利略等其他卫星导航系统整合，提高定位精度和可靠性。多传感器融合将GPS与惯性导航系统、视觉定位系统等融合，实现更精确、更鲁棒的定位。人工智能应用利用深度学习和机器学习技术，提升相对定位的精度和效率，并实现智能化。应用领域拓展将相对定位技术应用于更多领域，例如无人驾驶