5,距离测量与定位方法.ppt

1、GPS原理及其应用,联系信息,办公室： 南校区图书馆901室 E-mail： 考试成绩(70%)+平时成绩(30%),考核方式,第五章 距离测量与GPS定位,本章主要内容： 如何使用测距码和L1/L2载波相位实现测距 整周跳变的探测及其修复；整周模糊度的确定 GPS定位方法和原理：单点定位（伪距/载波）；相对定位和差分定位（网络RTK/CORS）等等 伪距/载波；单频/双频/多频；静态/动态；单站/多站,距离测量与GPS定位,5.1 利用测距码测定卫地距,利用测距码测定卫地距,GPS定位的基本原理,需解决的两个关键问题 如何确定卫星的位置（3.5节） 如何测量出卫地距,？,利用测距码测定卫地距

2、,测距方法,双程测距 用于电磁波测距仪 单程测距 用于GPS,利用测距码测定卫地距测距方法,测距码-类型,目前 C/A码（Coarse/Acquisition Code） 粗码/捕获码；码率：1.023MHz；周期：1ms；1周期含码元数：1023；码元宽度：（1ms/1023）C =293.05m；仅被调制在L1载波之上 P（Y）码（Precise Code） 精码；码率：10.23MHz；周期：7天；1周期含码元数：6187104000000；码元宽度：29.30m；被调制在L1和L2上 GPS现代化后 在L2上调制L2C码 在L1和L2增加调制M码 在L5载波上调制L5码,利用测距码测定

3、卫地距测距码,测距码,作用 捕获卫星信号 测距 性质 伪随机噪声码（PRN Pseudo Random Noise） 不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为0或1/n（n为码元数） 对齐的同一组码间的相关系数为1,利用测距码测定卫地距测距码,测距码测距原理,距离测定的基本思路 如何判断GPS信号和接收机复制码是否对齐？,信号传播时间的测定,利用测距码测定卫地距测距码测距原理,测距码测距原理,利用测距码测距的先决条件 必须了解测距码的结构（复制码） 然后不断的调整延迟时间 （这一过程称为搜索卫星信号），直至相关系数R=1为止（此时认为已锁定卫星信号）。 伪距观测值：在某一时刻读取时延值

4、（未考虑时间对齐误差卫星、接收机钟差） ，乘以光速c（考虑电离层、对流层延迟的存在，其实小于光速传播），这时所得的卫地距即称为伪距，得到该时刻的观测值即为伪距观测值。,利用测距码测定卫地距测距码测距原理,测距码测距原理,利用测距码进行测距的优点 易于捕获微弱的卫星信号 可提高测距精度（vs脉冲信号测距） 便于用码分多址（CDMA）技术对卫星信号进行识别和处理 便于对系统进行控制和管理（如AS）,每颗GPS卫星都采用特定的 伪随机噪声码（PRN）,微弱信号的捕获,利用测距码测定卫地距测距码测距原理,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

5、接收机的时刻（由接收机钟测定）,对流层折射延迟改正,测距码的观测方程,利用测距码测定卫地距测距码测距的观测方程,伪距测量的误差方程,利用测距码测定卫地距测距码测距的误差方程,Z跟踪技术,AS技术 P码+W码Y码 W码的码元宽度比P码大二十倍 Z跟踪技术 原理 将相关间隔（积分间隔）限定在一个W码码元内,利用测距码测定卫地距Z跟踪技术,5.2 载波相位测量,载波相位测量,载波相位测量,对于测距码来说，如果测量精度为码元宽度的百分之一，则P(Y)码约为0.3m，而C/A码为3m左右，只能满足一般卫星导航和低精度定位的要求。 而载波的波长很短，L1为19.0cm，L2为24.4cm，L5为25.5c

6、m，因此，载波相位的测量精度可以达到0.2-0.3mm，是测距码的测量精度的2-3个数量级。,载波相位测量的关键技术重建载波,将调制在载波上的测距码和导航电文去掉，使调制了测距码和导航电文的非连续的载波信号恢复成连续的载波信号，这一工作成为载波重建。,载波调制了导航电文之后 变成了非连续的波,载波相位测量重建载波,载波相位测量的关键技术重建载波,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：可获得伪距测量值和导航电文，可获得全波长的载波，信号质量好（信噪比高）,码相关法,载波相

7、位测量重建载波,载波相位测量的关键技术重建载波,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：无法获得伪距观测值和导航电文，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）,平方法,载波相位测量重建载波,载波相位测量的关键技术重建载波,互相关（交叉相关） 方法 在不同频率的调制信号（Y1和Y2）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L1和L2载波，信号质量较平方法好（信噪比降低了2

8、7dB），L2载波的信噪比比较差。,载波相位测量重建载波,载波相位测量的关键技术重建载波,Z跟踪技术 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，将Y码重新分解为W码和P码。 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）,载波相位测量重建载波,重建载波-总结,平方法、互相关法和Z跟踪技术都是在美国政府实施AS技术的情况下所采取的应对措施。GPS现代化后，用户可以通过L2C、L5I5和L5Q5码获得多个频率的伪距观测值，并用码

9、相关法来重建L2和L5载波。,载波相位测量重建载波,GPS载波相位测量的基本原理,载波相位测量GPS载波相位测量的基本原理,理想情况,实际情况,载波相位观测值,观测值 整周计数 整周未知数（整周模糊度）,载波相位观测值,载波相位测量载波相位观测值,载波相位测量的特点,优点 精度高，测距精度可达0.2mm量级 难点 整周未知数 问题 整周跳变问题,载波相位测量载波相位测量的特点,载波相位测量的观测方程,原始形式：,线性化后：,误差方程为：,载波相位测量载波相位测量的观测方程,思考题,在GPS系统是如何用测距码来测定伪距的？为什么叫伪距？ 用测距码来测定伪距的优点有哪些？ 写出伪距测量的观测方程并

10、详细阐述方程中各项的含义。 什么是载波重建？重建载波的方法有几种？ 载波相位测量的实际观测值是什么？载波相位测量与伪距测量观测方程的区别是？,载波相位测量思考题,第五章 距离测量与GPS定位,5.3 单差、双差和三差观测值,观测值的线性组合,同类型同频率观测值的线性组合（ 5.3） 同类型不同频率观测值的线性组合（ 5.4.1） 不同类型观测值的线性组合（ 5. 4.2）,类型（伪距/相位） 频率（L1 /L2/ L5),GPS测量中的未知参数及其处理方法,必要参数与多余参数 用户感兴趣想要得到的参数，称为必要参数。比如，对于GPS测量用户来说，待定点的坐标（X,Y,Z）就是必要参数 另一类是

11、用户不感兴趣，但为了保持模型的精度而不得不引入的一些参数，称为多余参数。比如卫星和接收机钟差 针对不同的用户，必要参数和多余参数的内涵是不一样的 在GPS测量中，多余参数的数量很大，影响解算速度，也不利于解的稳定性 解决方法 给多余参数一定的约束条件 比如，钟差的函数关系式： 通过同类型同频率观测值间求差来消除多余参数-求差法,观测值的线性组合单差、双差和三差观测值,GPS测量中的未知参数及其处理方法-求差法,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），称为差分观测值 按求差方式可分为: 站间差分 星间差分 历元间差分 按求差次数可分为： 一次差或单差

12、（3种） 二次差或双差（3种） 三次差（1种）,观测值的线性组合单差、双差和三差观测值,在接收机之间求一次差（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,观测值的线性组合单差、双差和三差观测值,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,观测值的线性组合单差、双差和三差观测值,历元间求差（历元间差分）,差分方式 观测值在历元间求差 数学形式 特点 消去了整周未知数（整周模糊度）,观测值的线性组合单差、双差和三差观测值,单差、双差和三差

13、,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,双差,三差,观测值的线性组合单差、双差和三差观测值,单差：站间一次差分,观测值的线性组合单差、双差和三差观测值,求一次差,一次差观测值,消掉卫星钟差,双差：站间和星间各求一次差,观测值的线性组合单差、双差和三差观测值,二次差观测值,求二次差,P,消掉接收机钟差,三差：站间、星间和历元间各求一次差,观测值的线性组合单差、双差和三差观测值,三次差观测值,求三次差,三差,j,i,p,q,消掉整周模糊度,求差法的优点,观测值的线性组合单差、双差和三差观测值,可以消去某些不重要的参数，或将某

14、些对确定待定参数有较大负面影响的误差源消去或消弱。 减少未知参数，提高数据解算速度。,求差法的缺点,数据利用率低 只有同步数据才能求差，组成差分观测值 引入基线矢量替代了位置矢量 差分观测值间具有相关性，使处理问题复杂化 参数估计时，观测值的权阵 解的通用性较差，某些可用的参数无法求出 某些有用信息在差分观测值中被消除,观测值的线性组合单差、双差和三差观测值,第五章 距离测量与GPS定位,5.4 其它一些常用的线性组合观测值,同类型不同频率观测值的线性组合,L1的特性L2的特性,观测值的线性组合同类型不同频相位观测值的线性组合,不同频率的载波(L1,L2)相位观测值,两个不同频率的载波(L1,

15、L2)相位观测值间线性组合的一般形式n,m,观测值的线性组合同类型不同频相位观测值的线性组合,组合观测值n,m的特性,观测值的线性组合同类型不同频相位观测值的线性组合,组合观测值应符合的标准（针对GPS测量）,应保持整周模糊度的整数特性，有利于正确快速的确定整周模糊度 波长应适当 应不受或基本不受电离层延迟的影响 测量噪声应比较小,观测值的线性组合组合观测值应符合的标准,常见的线性组合1宽巷组合相位观测值,宽巷组合（wide-lane）(n=1, m=-1) 波长达86cm，利于确定模糊度，但测量噪声大.,观测值的线性组合同类型不同频相位观测值的线性组合,常见的线性组合2无电离层延迟的相位观测

16、值,无电离层延迟的组合（4.5节：P100-P101）,观测值的线性组合同类型不同频相位观测值的线性组合,不同类型观测值的线性组合,不同类型双频观测值间的线性组合 不同类型单频观测值间的线性组合,观测值的线性组合不同类型观测值的线性组合,1. 不同类型双频观测值间的线性组合,观测值的线性组合不同类型观测值的线性组合,1. 不同类型双频观测值间的线性组合,观测值的线性组合不同类型观测值的线性组合,1. 不同类型双频观测值间的线性组合,观测值的线性组合不同类型观测值的线性组合,1. 不同类型双频观测值间的线性组合,观测值的线性组合不同类型观测值的线性组合,2. 不同类型单频观测值间的线性组合,观测

17、值的线性组合不同类型观测值的线性组合,思考题,在接收机之间求一次差可以消除或削弱的误差项有哪些？ 什么是单差、双差和三差，它们分别能消除/削弱哪些误差？ 为什么在静态相对定位载波相位测量中广泛采用求差法？ 求差法有什么缺点？ 什么是宽巷观测值？使用它有什么好处？,观测值的线性组合思考题,第五章 距离测量与GPS定位,5.5 周跳的探测与修复 5.6 整周模糊度的确定,5.5周跳的探测与修复,要点： 产生周跳的原因 周跳的探测与修复方法,载波相位观测值,观测值 整周计数 整周未知数（整周模糊度）,载波相位观测值,周跳探测与修复载波相位观测值,整周跳变（周跳 Cycle Slips）,在某一特定时

18、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， 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，简称周跳。,周跳的探测与修复整周跳变（周跳Cycle Slips）,产生周跳的原因,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,周跳的探测与修复产生周跳的原因,周跳的特点,只影响整

19、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,周跳将使周跳发生后的所有观测值包含相同的整周计数错误,周跳的探测与修复周跳的特点,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，并求出丢失的整周数n的准确数值，并对随后的观测值一一加以改正。 参数法 将周跳标记出来，引入周跳参数，进行解算,周跳的探测与修复解决周跳问题的方法,1-屏幕扫描法,方法：人工在屏幕上观察观测值曲线的变化是否连续。 特点 费时、只能发现大周跳。 由于原始的载波观测值变化很快，通常观察的是某种观测值的组合，如,周跳的探测与修复屏幕扫描法,2-高次差法（历元间）,周跳的探测与修复高次差

20、法,2-高次差法的原理,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() +Fr()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。,周跳的探测与修复高次差法,2-高次差法的问题,接收机钟差对此方法有效性的影响 即使发现相位观测值中存在数周的不规则变化，也很难判断是否存在周跳。 克服接收机钟差影响的方法 卫星间求差 双差观测值可较为完善的消除接收机钟差、卫星钟差、电离层延迟、对流层延迟等误差影响，周跳的探测和修复、确定整周模糊度都较为容易

21、，因此双差观测值得到了广泛的使用。,周跳的探测与修复高次差法,3-多项式拟合法,为了便于用计算机计算，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。 用最小二乘法求得上式中的多项式系数 ，并根据拟合后的残差 计算出中误差 当用求得的多项式系数外推的下一个历元相位观测值与实际观测值之差小于3a时，认为无周跳发生。否则，认为有周跳发生，以外推整周计数取代，但不足一周的部分仍使用实际观测值。 这种方法实质上和上面介绍的高次差法是一致的，其算法更适合于计算机运算，故被广泛使用。,周跳的探测与修复多项式拟合法

22、,3-多项式拟合法的应用特点,由于四次差或五次差一般已呈偶然误差特性，无法再用函数来加以拟合，所以用多项式拟合时通常也只需取至34阶即可。 观测值可以是真正的（非差）相位观测值，也可以是经线性组合后的虚拟观测值：单差观测值和双差观测值。 非差观测值和接收机间求差的单差观测值，二者由于受到接收机钟差的影响，无法用来探测和修复小的周跳。,周跳的探测与修复多项式拟合法,4-卫星间求差的单差观测值探测修复周跳,原因 相位观测值存在接收机钟差，受接收机振荡器噪声的影响，无法发现小于一周的小周跳。 方法和原理 如果在卫星间求一次差，便可以消除接收机的影响，便有可能使用该单差观测值发现小周跳。 特点 可以发

23、现小周跳。 如果由于某种原因每个卫星都产生了系统的周跳，便无法使用该方法探测出周跳。 可见，每个探测方法都有其优缺点，需要综合利用多种方法才能彻底的探测并修复观测值中的周跳。,周跳的探测与修复卫星间求差法,5-Melbourne-Wubbena公式法,周跳的探测与修复 MW观测值法,5-Melbourne-Wubbena公式法,周跳的探测与修复MW观测值法,6-三次差法,方法 利用整周跳变的继承性，根据三差观测方程的常数项或三差观测值的残差进行周跳的探测与修复 特点 可以发现小周跳,载波相位双差观测值的残差图,周跳的探测与修复三次差法,探测、修复周跳的方法还有不少, 如卡尔曼滤波法、线性拟合法

24、等。双频观测值还可根据求得的电离层延迟来探测、修复周跳, 利用小波理论也可探测、修复周跳, 此处不再一一介绍。 一般说来, 每种方法都有其优点, 也有局限性, 所以只有综合利用不同的方法, 取长补短, 才能形成一个较为完整有效的方案。 整周跳变与接收机的质量及观测条件有密切关系, 因而必须从选择机型、选点、组织观测时就加以注意, 以便能获得一组质量较好的观测值, 这是解决周跳问题的根本途径。 一组包含了大量周跳的、质量很差的观测值, 想单纯依靠内业处理的方法加以修补以获得高精度的结果几乎是不可能的, 而且将大大增加工作量, 因而决不能因为存在着用内业方法修复周跳的可能性而放松了对外业观测的要求

25、。,周跳的探测与修复总结,5.6 整周模糊度的确定,整周未知数（整周模糊度 Ambiguity）,整周未知数N0的确定整周未知数,若在k个历元里每历元均观测了n颗相同的卫星，则误差方程,整周未知数N0的确定静态相对定位常用的几种方法,5.6.1 静态相对定位中常用的几种方法,1-待定参数法,5.6.1 静态相对定位中常用的几种方法,1-待定参数法： 1）取整法 2）置信区间法 Ni为模糊度的实数解 mi=s0(QNi)1/2为该参数的中误差 置信区间为XNi- bmi，XNi+ bmi b xt(f,/2),根据自由度f和置信水平（1-），从t分布的数值表中查取。 如： f=2500,1-=9

26、9.9%, b =3.28 整数解在置信区间之内。 3）模糊函数法,整周未知数N0的确定静态相对定位常用的几种方法,5.6.1 静态相对定位中常用的几种方法,2-整数解 ： 1) 求初始解：确定整周未知数和基线向量的实数解 2) 将整周模糊度固定为整数 3) 求固定解 3-实数解 ： 基线较长，误差相关性减弱，初始解的误差将随之增大，从而使模糊度参数很难固定，整数化的意义不大。,整周未知数N0的确定静态相对定位常用的几种方法,5.6.2 快速定位中常用的方法,走走停停和快速静态定位法是两种具有代表性的快速定位法。 一）走走停停法（Go and Stop） 已知基线法 交换天线法 二）快速静态定

27、位法 快速模糊度解算法（FARA）,整周未知数N0的确定快速定位中常用的方法,已知基线法,将已修复周跳、剔除粗差后的双差载波相位观测值组成法方程式，然后将已知的基线向量代入法方程式并求解模糊度参数，最后再用取整法或置信区间法将求得的实数模糊度固定为整数。,整周未知数N0的确定已知基线法,交换天线法,在无已知基线的情况下，先通过交换天线法确定基线向量，再用已知基线法确定整周模糊度。,整周未知数N0的确定交换天线法,二）快速静态定位方法,基本原理： 在短时间内卫星位置变化不大, 故同一卫星在不同历元所建立的误差方程的系数和常数项也几乎相同。这就意味着这些方程几乎是线性相关的, 各历元的观测方程所起

28、的作用和在一个历元上进行重复观测所起的作用差不多。在这种情况下所求得的实数模糊度参数的中误差必然很大。 当实数模糊度的中误差mi = 1 周, 置信度取99. 9% 时, 置信区间的大小为6. 56 周, 在该区间中将包含6 7 个整数。 例如观测卫星数为7颗，每个卫星有6个备选解，则备选解排列组合起来有67=279936个备选组。,整周未知数N0的确定快速静态定位方法,快速静态定位方法,搜索原理： 如果我们将备选组中的整数模糊度组合一一代入法方程中进行计算, 那么能使观测值残差的平方和为最小的这组整数模糊度组合就是最终的正确解。,整周未知数N0的确定快速静态定位方法,快速模糊度解算法（FAR

29、A）,由瑞士的E.Frei和G.Beutler提出 实质：将代入式（5-57）计算之前，先对备选组进行数理统计检验，把大量的显然不合理的备选组先剔除掉，以减少计算工作量，达到快速模糊度解算的目的。,整周未知数N0的确定快速模糊度解算法（FARA）,快速模糊度解算法（FARA）（续）,3、对备选模糊度组合进行数理统计检验 1)互差检验：对XNAik=XNAi - XNAk进行检核。 P|XNijk-XNAik| bmxNik =1- 整数模糊度实数差：XNik=XNi-XNk (i,k=1,2r,ik) 对应的候选整数模糊度差：XNAik=XNAi-XNAk mXNik=s0(qNiNi-2qN

30、iNk+qNkNk)1/2 2)双频检验 XNi、XNk分别表示对同一卫星的L1、L2载波模糊度的实数解。令： XLik = XNi- XNk(2/1), XLAik = XNAi- XNAk(2/1) P|XLik-XLAik|bmXNLik=1-,整周未知数N0的确定快速模糊度解算法（FARA）,4、确认最优解的三项统计检验: 将搜索出来的最优整数模糊度组合，代回原法方程式平差计算,得出基线向量解和方差阵。 ）基线向量的整数解和初始解的一致性检验。 ）整数解和初始解的单位权中误差的一致性检验。 ）整数解中最小单位权中误差与次最小单位权中误差间的显著性检验。,快速模糊度解算法（FARA）（续

31、）,整周未知数N0的确定快速模糊度解算法（FARA）,LAMBDA法,1993年，荷兰Delft大学的Teunissen教授提出了最小二乘模糊度降相关平差法( Least square AMBiguity Decorrelation Adjustment)，简称LAMBDA法。 观测时间较短时, 初始解中的实数模糊度参数精度很低, 参数间的相关性又很强。 整数变换（使新参数之间的相关性显著减小） 搜索算法（搜索速度更迅速） 4. 该方法是一种公认的较好的确定整周模糊度的方法，适用于静态、快速静态和动态定位模式。,整周未知数N0的确定LAMBDA法,5.6.3 动态定位中常用的方法,一）初始化法

32、 使用在快速静态中的各种快速模糊度解算方法，在接收机载体处于静止状态时与地面基准站一起通过“初始化”来确定整周模糊度，然后运动载体开始运动，进行定位。缺点是需要保持卫星信号的连续观测，一旦信号失锁又无法修复时，便需要重新初始化。 二）实时解算模糊度的方法（AROF/OTF/OTR）,整周未知数N0的确定动态定位中常用的方法,实时解算模糊度的方法,（1）确定搜索区域 坐标搜索法 模糊度搜索法 （2）可采用的方法 模糊度函数法 最小二乘模糊度搜索法 FARA法 快速模糊度搜索滤波法 LAMBDA法,整周未知数N0的确定实时解算模糊度的方法,思考题,什么是整周跳变？在GPS测量中应如何来解决周跳问题

33、？ 详细介绍用高次差法或多项式拟合法修复整周跳变的算法。 在基线解算时，求解整周未知数的常用方法有哪些？ 为什么说准确快速确定整周未知数是载波相位测量中的关键问题？ 为什么在短基线GPS测量时一般都采用双差固定解？ 何谓基线解算中的整数解（固定解）？简要说明其计算方法及优点？,周跳探测与修复/整周模糊度的确定思考题,第五章 距离测量与GPS定位,5.7单点定位,GPS测量定位方法分类,定位模式 单点定位（绝对定位） 相对定位 差分定位 接收机天线的运动状态 静态定位天线相对于地固坐标系静止 动态定位天线相对于地固坐标系运动 定位结果的时效性 事后定位 实时定位 观测值类型 伪距测量 载波相位测

34、量,单点定位GPS测量定位方法分类,单点定位,定义 利用卫星星历和一台接收机的伪距观测值确定待定点在地固坐标系中绝对位置的方法，也称为绝对定位。 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 （International GNSS Service）精密星历时为国际地球参考框架（ITRF International Terrestrial Reference Frame） 特点 优点：只需一台接收机，观测简单，可瞬时/实时定位 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.,单点定位单点定位简介,伪距单点定位的误差方程,

35、单点定位伪距单点定位的误差方程,单点定位有4个待定参数，因而至少需要同时观测4颗以上的卫星，才能同时确定出所有的待定参数。,伪距单点定位的误差方程,某历元同时观测到n颗卫星，单点定位的误差方程组及位置解为,单点定位伪距单点定位的误差方程,DOP值,DOP（Dilution of Precision） GDOP Geometry Dilution of Precision PDOP Position Dilution of Precision TDOP Time Dilution of Precision HDOP Horizontal Dilution of Precision VDOP Ve

36、rtical Dilution of Precision,DOP值的定义,单点定位DOP值,DOP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值越小，定位的几何条件越好,单点定位 DOP值,DOP值,单点定位DOP值,DOP值,单点定位DOP值,精密单点定位（Precise Point Positioning，PPP）,利用双频接收机的载波相位观测值以及由IGS等组织提供的高精度卫星星历和钟差来进行高精度单点定位的方法，称为精密单点定位，简记为PPP技术。 特点 必须是双频接收机 主要使用载波相位观测值 必须精密卫星

37、轨道和卫星钟差 必须其它模型改正，如潮汐改正、（卫星/接收机）天线相位偏差改正、对流层延迟改正、引力延迟改正等。 定位精度 静态毫米级到厘米级（单天） 事后动态-水平3cm，垂直5cm；实时动态1020cm 用途 全球高精度定位测量 卫星定轨,单点定位精密单点定位,精密单点定位的误差方程,对于卫星i，精密单点定位的误差方程为,单点定位 精密单点定位的误差方程,精密单点定位的误差方程,若在k个历元里每历元均观测了n颗相同的卫星，则误差方程,单点定位精密单点定位的误差方程,精密单点定位的误差方程,单点定位精密单点定位的误差方程,精密单点定位的误差方程,单点定位精密单点定位的误差方程,假定在k个历元

38、中连续对n颗卫星进行了观测，则通常有3+k+n个待定参数（3个位置参数、k个整周模糊度参数和n个接收机钟差参数），因而，仅采用载波相位观测值无法实现瞬时单点定位。,精密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 电离层延迟 双频改正 对流层延迟 模型改正+参数估计 其它误差改正 模型改正（天线相位中心偏差/潮汐改正/地球自转改正/天线相位缠绕）,单点定位单点定位的误差源及应对方法,思考题,什么是单点定位？使用什么观测值？ 单点定位中使用的星历有哪几种，各属于哪个坐标系？ 用户在使用GPS接收机进行伪距单点定位时，为何需要同时观测至少4颗GPS卫星？ 伪距单点定位的未知数

39、有几类？精密单点定位呢？ 什么是精密单点定位？能达到什么定位精度？ 精密单点定位与伪距单点定位的区别在哪里？,单点定位 思考题,5.8相对定位,几个术语,相对定位 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，是精密测量的主要作业方式。 定位结果 基线向量（坐标差），与所用星历同属一坐标系 采用广播星历时属WGS-84 采用IGS International GPS Service精密星历时为ITRF International Terrestrial Reference Frame 基线向量中含有：2个方位基准（一个水平方位，一个垂直方位）和1个尺度基准，不含有位置基准,相对

40、定位 几个术语,几个术语,特点 优点：定位精度高 缺点： 多台接收机共同作业，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 几个术语,几个术语,静态定位 确定某个时段内被认为坐标固定不变的待定点位置，称为静态定位。 应用领域 GPS控制网的建立、板块运动和地壳形变监测等工作都可用静态定位方式完成。,静态相对定位,相对定位 几个术语,静态单点定位,几个术语,动态定位 确定某个时段内被认为坐标显著变化的待定点位置，称为动态定位。 应用领域 交通运输、军事等领域，如飞机、船舶和车辆的导航管理以及导弹的制导等。 卫星定轨、航空摄影测量、航空重力测量、机载

41、激光扫描等测量领域,动态定位,相对定位 几个术语,几个术语,准动态定位 “走走停停”法（Go and Stop）。在迁站过程中，接收机保持对卫星的连续观测。本质上是一种快速静态定位法。 应用领域 各流动站上静止观测数分钟，这种模式精度较低，适用于勘界测量、碎部测量等。,准动态定位,相对定位 几个术语,静态相对定位的观测方程,非差观测方程（测站i，j对卫星P同步观测） 如果i为基线一端的已知点，在该点的观测方程为 将式（5-77）第2式减去上式，组成站间单差方程：,相对定位静态相对定位的观测方程,相对定位静态相对定位的观测方程,静态相对定位的数据处理流程：,收集测区的资料 ，包括起算点坐标、观测

42、数据、卫星星历（广播/IGS精密）和钟差和气象数据，也许需要数据格式转换 周跳探测和修复，粗差剔除 基线向量解算 网平差，求得待定点坐标,相对定位静态相对定位的数据处理流程,动态相对定位,利用安置在基准站和运动载体上接收机的同步观测数据确定运动载体相对于基准点的位置（基线向量）的工作成为动态相对定位。基准点一般为坐标精确已知的地面静态固定点，也可以处于运动状态。 动态相对定位与静态相对定位的观测方程是相同的。 在动态定位中，由于运动载体的位置每个历元计算一次，未知参数的个数总是多于方程的个数，因此方程总是秩亏的。解算上述问题的关键是确定整周模糊度，使其成为已知值。 动态定位中整周未知数的确定

43、静态初始化（已知基线法、交换天线法等） 动态初始化（在航解算法OTF）,相对定位动态相对定位,实时动态相对定位 RTK,RTK(Real Time Kinematic)是一种利用GPS载波相位观测值进行实时动态相对定位的技术。 基本原理：将基准站上的GPS接收机采集的载波相位观测值以及其已知坐标通过数据通信链实时地发送给基准站附近的流动站用户，流动站用户根据接收到的基准站和自己采集的载波相位观测值进行实时地动态相对定位解算，确定流动站的三维坐标。,相对定位实时动态相对定位RTK,RTK需要配备的仪器设备,GPS接收机（基准站/流动站） 数据通信链：调制解调器和无线电台等 RTK软件：完成实时动

44、态相对定位的数据处理。 快速而准确的确定整周模糊度 基线向量解算 解算结果的质量分析和精度评定 坐标转换,相对定位 RTK需要配备的仪器设备,RTK 的特点及用途,用途： 利用RTK的用户可以在几秒钟内获得厘米级的定位结果，是一种高效的测量方式，已在图根控制测量、施工放样、工程测量与地形测量等领域得到广泛的应用。 不足： 需要在参考站的覆盖范围内工作。与基准站的距离越远，空间相关性降低，定位精度越低。15km 可靠性不够（基于一个基准站）。,相对定位 RTK 的特点及用途,思考题,什么是静态相对定位？使用的观测值是？解算的未知数是？静态相对定位的数据处理流程是？静态相对定位的应用领域有哪些？

45、什么是动态相对定位？动态相对定位确定整周模糊度的方法有哪些？ 什么是RTK？RTK的基本原理是？RTK需要配备的仪器设备有哪些？RTK的主要用途是？存在的缺点有？,相对定位思考题,联系信息,办公室： 南校区图书馆901室 E-mail： 考试成绩(70%)+平时成绩(30%),考核方式,第五章 距离测量与GPS定位,5.9网络RTK及连续运行参考站CORS 5.10 差分GPS,5.9网络RTK及连续运行参考系统 网络RTK 连续运行参考站CORS,网络RTK,网络RTK及连续运行参考系统CORS,网络RTK-基本概念,作业模型类似RTK 原理 利用基准站网计算出用户附近某点（虚拟参考站）各项

46、误差改正，再将它们加到利用虚拟参考站坐标和卫星坐标所计算出的距离之上，得出虚拟参考站上的虚拟观测值，将其发送给用户，进行实时动态相对定位。 特点 高精度和可靠性 覆盖区域大,网络RTK及连续运行参考系统CORS,网络RTK-系统组成,基本组成：网络RTK通常是由基准站网、数据处理及数据播发中心、数据通信链路和用户等几部分组成 （1）基准站网 至少3个基准站 配备全波长双频GPS接收机、数据传输设备和气象仪器 基准站的精确坐标已知 具有良好的GPS观测环境,网络RTK及连续运行参考系统CORS,网络RTK-系统组成,（2）数据处理中心及数据播发中心 收集数据并进行预处理和质量分析，统一解算出系统

47、误差，建立误差模型，再播发给用户 （3）数据通信链路 基准站、数据处理中心和数据播发中心之间的通信，可用光纤、光缆等方式链接 数据播发中心和流动站用户之间，可采用GSM、GPRS、CDMA等方式实现 （4）用户 GPS接收机和数据接收设备以及相应的数据处理软件,网络RTK及连续运行参考系统CORS,网络RTK-几种常用的方法,（1）美国天宝Trimble公司提出的虚拟参考站技术（Virtual Reference Station，VRS) 优点：只需使用常规RTK用户设备即可 缺点：双向通信，用户数受限,网络RTK及连续运行参考系统CORS,网络RTK-几种常用的方法,（2）瑞士徕卡Leica

48、公司的主辅站技术(MAX) 优点：单向通信，也可双向通信,网络RTK及连续运行参考系统CORS,网络RTK-几种常用的方法,（3）德国区域改正数法(FKP) 优点：单向通信，用户数不受限 缺点：用户需配备专用的数据处理软件,网络RTK及连续运行参考系统CORS,连续运行参考系统CORS,连续运行参考系统（ Continuous Operational Reference System，CORS）是一种以提供卫星导航定位服务为主的多功能服务系统，是建立数字地球（国家/城市）时必不可少的基础设施。也称为连续运行参考站网（Continuously Operating Reference Statio

49、n ，CORS）。 CORS系统由基准站网、数据处理中心、数据传输系统、定位导航数据播发系统、用户应用系统五个部分组成，各基准站与监控分析中心间通过数据传输系统连接成一体，形成专用网络。 与网络RTK相比，CORS更多地强调了所提供服务功能的多样性和运行的长期性,网络RTK及连续运行参考系统CORS,连续运行参考系统CORS,网络RTK及连续运行参考系统CORS,CORS的功能,地面车辆、船舶和飞机等交通工具提供导航定位服务 为工程测量、数据测图、地籍测量、GIS数据采集和更新的用户提供快速的厘米级定位服务 大地测量用户只需一台GPS接收完成控制点的建立机，与CORS参考站进行相对定位，即可

50、利用CORS的长期连续观测值，求得参考站坐标序列变化，可建立动态的四维的大地测量参考框架 为时间服务部门提供高精度的授时和时间比对服务 GPS气象学研究和服务：灾害天气预报和气候变化等研究 建立区域的电离层延迟模型,网络RTK及连续运行参考系统CORS,CORS的现状与发展IGS,网络RTK及连续运行参考系统CORS,CORS的现状与发展美国CORS系统,由美国国家大地测量局NGS组建。截止2011年6月，参考站数量已超过1800个，数量还在继续扩展。 建立和维持美国的国家参考框架，提供卫星定轨服务以及差分GPS服务，已用于气象预报和研究、地震监测、地球动力学研究等领域。,网络RTK及连续运行

51、参考系统CORS,CORS的现状与发展欧洲CORS系统,EUREF Permanent Network (EPN)覆盖整个欧洲大陆，由连续观测高精度的GPS / GLONASS接收机构成的200多个参考站组成，是欧洲参考框架EUREF建立的基础。,网络RTK及连续运行参考系统CORS,CORS的现状与发展德国CORS系统,德国的SAPOS网由德国国家测量部门联合德国运输，建筑，房屋等部门的差分GPS计划协调统一起来，建立了一个长期连续运行的，覆盖全国的多功能差分GPS系统，同时SAPOS也构成了德国国家动态大地测量框架，计划由200多个永久性GPS跟踪站组成，平均密度40km。,网络RTK及连

52、续运行参考系统CORS,CORS的现状与发展日本CORS系统,日本国家地理院(GSI)从上世纪90年代初开始着手布设地壳应变监测网，并逐步发展成日本GPS连续应变监测系统(COSMOS)，系统发展最终形成了由GPS连续观测站组成参考站网称为GEONET，该网平均密度17km,最密的地区如关东、东京、京都等地区达到1015km，已经建设完成1300多个遍布全日本的GPS连续运行参考站网。 GEONET应用主要面向地震监测和预报、控制测量、建筑、工程控制、测图和地理信息更新、气象监测和天气预报。,网络RTK及连续运行参考系统CORS,CORS的现状与发展澳大利亚CORS系统,网络RTK及连续运行参

53、考系统CORS,CORS的现状与发展国内CORS系统,网络RTK及连续运行参考系统CORS,2006年由中国地震局，总参测绘局，中国科学院，国家测绘局，中国气象局和教育部等六部委联合向国家发改委申请的“中国大陆环境构造监测网络”项目通过比准，该项目将在全国建成260个GNSS连续运行参考站，最终形成全国最大的连续运行参考网系统。目前已在深圳，北京，天津，上海，成都，重庆，长春，昆明，武汉，香港等城市建立了区域性连续参考网，江苏省，江西，广西等省目前也拥有省内CORS网络。,CORS的现状与发展国内CORS系统,网络RTK及连续运行参考系统CORS,北京连续运行参考站网,香港卫星定位参考站网 (

54、SatRef),CORS的现状与发展国内CORS系统,网络RTK及连续运行参考系统CORS,昆明的连续运行参考站网,上海市CORS基站网络分布图,CORS的现状与发展国内CORS系统,网络RTK及连续运行参考系统CORS,湖南省连续运行参考站网,江苏省CORS基站网络分布图,思考题,网络RTK的基本原理？能达到的精度？ 网络RTK的系统组成有哪几部分？ 目前的网络RTK使用的主要方法有哪几种？ 什么是CORS? CORS与网络RTK的区别是？,网络RTK及连续运行参考系统CORS 思考题,第五章 距离测量与GPS定位,5.10 差分GPS,概述,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，不能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（