GPS概论第五章 GPS卫星定位基本原理ppt课件.ppt

1,全球定位原理,资源与环境学院林承达,2,第五章 GPS卫星定位基本原理,GPS定位的方法与观测量利用测距码测定,3,GPS的基本定位原理,GPS的基本定位原理是：卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信息。,4,GPS定位的方法,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（认为参考点与地球质心相重合）相对定位 在地球协议坐标系中，确定观测站与某一地面参考点之间的相对位置,按参考点的位置不同分类,5,GPS定位的方法,按接收机在作业中所处的状态,静态定位在定位的过程中，接收机的位置是固定不动的。动态定位在定位的过程中天线处于运动状态,6,GPS观测量,根据码相位观测得出的伪距根据载波相位观测得出的伪距由积分多普勒计算得出的伪距差由干涉法测量得出的时间延迟。,7,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如何测量出站星距离,？,8,码相位观测和载波相位测量,码相位观测：测量GPS卫星发射的测距码信号（C/A码或P码），到达用户接收天线的传播时间，因此这种方法，也称为时间延迟测量。载波相位测量：是测量接收机接收到的，具有多普勒频移的载波信号，与接收机产生的参考载波信号之间的相位差。是目前最精确的观测方法。,9,5.2 伪距测量,双程测距用于电磁波测距仪单程测距用于GPS,测距方法,10,为什么叫伪距,全球定位系统采用单程测距原理，必须使卫星钟和接收机钟保持严格同步。在实践中，不可避免的含有卫星钟和接收机钟非同步的影响，为了与几何距离相区别，把这种含有钟差影响的距离，通常称为“伪距”。为简述方便，码相位观测确定的距离，称为测码伪距；由载波相位观测的伪距，称为测相伪距。,11,测距码,C/A码（测距时有模糊度）,P码,12,测距码测距原理,距离测定的基本思路信号（测距码）传播时间的测定,信号传播时间的测定,13,测距码测距原理,利用测距码测距的必要条件必须了解测距码的结构利用测距码进行测距的优点采用的是CDMA（码分多址）技术易于捕获微弱的卫星信号可提高测距精度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,微弱信号的捕获,14,伪距测量的特点,优点无模糊度缺点精度低,15,GPS测量的基本观测方程,16,测距码测距的观测方程,17,5.3 载波相位测量,载波相位测量,18,5.3 载波相位测量的基本原理,理想情况,实际情况,19,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,20,载波相位测量的观测方程,原始形式：,线性化后：,误差方程为：,21,载波相位测量的关键技术-重建载波将非连续的载波信号恢复成连续的载波信号。,载波调制了电文之后变成了非连续的波,伪距测量与载波相位测量,5.3 载波相位测量,22,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,5.3 载波相位测量,23,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,5.3 载波相位测量,24,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（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Y解码的结构，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）,5.3 载波相位测量,25,载波相位测量的关键技术-重建载波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）,5.3 载波相位测量,26,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,27,载波相位测量的主要问题,无法直接进行测量卫星载波信号在传播路线上相位变化的整周数，因存在整周不确定性的问题。GPS卫星测量受到阻挡、外界噪声的干扰，还可能产生整周跳变现象。,28,整周未知数的确定,常用方法：伪距法待定参数法三差法快速确定整周未知数法,29,5.4 GPS绝对定位与相对定位,定位模式绝对定位（单点定位）相对定位差分定位定位时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获得定位结果的时效事后定位实时定位观测值类型伪距测量载波相位测量,GPS测量定位方法分类,30,31,5.4 绝对定位（单点定位）,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 GPS Service精密星历时为ITRF International Terrestrial Reference Frames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、.,32,5.4 GPS的绝对定位技术,绝对定位：利用GPS确定用户接收机天线在WGS-84中的绝对位置。基本原理：是以GPS卫星和用户天线之间的距离（或距离差）观测量为基础，并根据已知卫星的瞬时坐标，来确定用户接收机天线所对应的点位。卫星钟差：可由导航电文给出。接收机钟差：不能确定。因此在一个观测站上，为了实时求解四个位置参数（3个点坐标分量和1个钟差参数），至少需要四个同步伪距观测值。,33,伪距单点定位的误差方程,对于卫星i，在某一个历元的误差方程为,34,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,对在某历元同时观测的n颗卫星，其误差方程及位置解为,35,载波相位单点定位的误差方程,对于卫星i，误差方程为,36,载波相位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,37,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,38,精密单点定位,精密单点定位PPP Precise Point Positioning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,39,观测卫星的几何分布及其对绝对定位精度的影响,单点定位的精度取决于： 所测卫星在空间的几何分布，通常称为卫星分布的几何图形；观测量的精度绝对定位的精度评价 采用有关精度因子DOP（Dilution of Precision).根据不同的要求，采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（Horizontal DOP). 高程精度因子VDOP（Vertical DOP) 空间位置精度因子PDOP（Position DOP) 几何精度因子（Geometric DOP) 接收机钟差精度因子（Time DOP),40,41,5.5 相对定位,42,概述,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 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（一个水平方法，一个垂直方位）和1个尺度基准，不含有位置基准,43,概述,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,44,5.5 GPS相对定位的原理,目前绝对定位的精度可以达到米级，这一精度远远不能满足于大地测量精密定位的要求。相对定位的最基本原理：利用两台GPS接收机，分别安置在基线的两端，并同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点在协议地球坐标系中的相对位置或基线向量。,45,为什么要观测同样的卫星,在同步观测卫星的情况下，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，所以利用这些观测量的不同组合，进行相对定位，便可消除或减弱上述误差的影响，从而提高相对定位的精度。,46,同步观测是生产基线向量的工艺,相对定位至少需要使用两台（多则不限）接收机同步观测，观测处理后的成果是基线向量。观测中要求各接收机的采样率一致，也是时间同步的体现。,BA,47,观测方程,非差观测方程单差观测方程双差观测方程,48,各种误差对相对定位结果的影响,卫星轨道误差 削弱卫星钟差 消除大气折射误差 削弱接收机钟差 消除接收机天线相位中心偏差和变化 消除,49,相对定位的类型,静态定位普通静态定位快速静态定位Go and Stop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 Real Time Kinematic）单基准站RTK多基准站RTK（网络RTK）,50,静态相对定位法,设置在基线端点的接收机是固定不动的，一般采用载波相位观测为基本观测量。是现在GPS定位中精度最高的一种方法，广泛应用于工程测量、大地测量和地球动力学研究工作。在载波相位观测的数据处理中，为了可靠的确定载波相位的整周未知数，一般需要较长的观测时间。,51,准动态相对定位法,一台接收机在参考点上固定不动，并对所有可见的GPS卫星进行连续观测，而另一台接收机在其周围的观测站流动，并在每一站上静止的 观测，一确定流动站和基准站之间的相对位置。在形式上与动态相对定位法相似，但是实际上在每个流动站上，仍需静止地观测，只是停留的时间很短。所以称为准动态相对定位法。缺点：在接收机移动的过程中，必须保持对观测卫星的连续跟踪。一旦失锁，重新初始化工作。,52,快速静态相对定位,可以快速地确定载波相位的整周未知数，所以当接收机在观测站之间移动时，无需保持对卫星的连续跟踪。在每一个流动观测站上，与基线站的同步观测时间只需数分钟，定位精度与经典静态相对定位相当,53,动态相对定位法,是用一台接收机安设在基准站上不动，另一台安设在运动的载体上，两台接收机同步观测卫星，以确定运动点相对基准站的实时位置。根据采用的观测量不同，通常可分为测码伪距观测量的动态相对定位和以测相码为观测量的动态相对定位。,54,动态相对定位,55,动态相对定位法（续）,动态定位根据数据处理的方式不同可分为：实时处理和测后处理。,56,静态相对定位差分模型,单差双差三差,57,站间单差：消除了与卫星有关的误差：如卫星钟差站间距不大时可消除大部分大气误差多测站时注意选取基站,单差（Single-DifferenceSD ）,58,星际二次差,在一次差的基础进一步消除了与接收机有关的载波相位及其钟差项 注意选取基星GPS基线向量处理时常用的模型,双差（Double-DifferenceDD）,59,历元间差分,在双差的基础上进一步消除了：初始整周模糊度当然还有一些其它的载波相位观测值的线性组合,三差（Triple-DifferenceTD),60,优点：消除或减弱一些具有 系统性误差的影响减少平差计算中未知 数的个数,缺点：原始独立观测量通过 求差将引起差分量之 间的相关性 平差计算中，差分法 将使观测方程数明显减少 基站和基星选取情况 随接收机的数量增多情况越来越复杂,差分模型的优缺点,61,主要特点,可以消除一些具有系统性误差的影响。可减少平差计算中未知数的数量原始的独立观测量，通过求差将引起分量之间的相关性。在平差计算中，差分法将使观测方程的数目明显减少。,62,RTK 实时动态,RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分（Real - time kinematic）方法，是GPS应用的重大里程碑,63,双频RTK GPS测量系统,64,GPS RTK（Real Time Kinematic）技术能够实时地提供测量点在指定坐标系中的三维坐标（x,y,z），并能够达到厘米级的精度。RTK技术的出现可以说是测量技术史上的一场革命，由于其在野外作业时能够实时提供测量点的三维坐标，具备灵活、快速、省时、省力及精度高等优点，能极大地提高工作效率，深受众多测量单位的欢迎。,65,5.6 差分GPS,什么是差分GPS（DGPS Differential GPS）基本思路：利用设于坐标已知的参考站，计算各类改正数影响GPS测量定位的误差目的: 消除公共误差， 提高定位精度,66,67,什么是差分GPS（续）,误差的特性卫星轨道误差：影响大小与测站位置有关，距离较近时，影响大小相近（误差的空间位置相关性）卫星钟差：影响大小与测站无关大气折射（电离层、对流层折射）：影响具有空间位置相关性SA：Epsilon可以归于卫星轨道误差，Dither可归于卫星钟差多路径：与测站有关，测站间无关差分GPS基准站（Reference/Base Station）与流动站（Mobile/Rover Station）差分改正数,68,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，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,69,概述,差分GPS（DGPS Differential GPS）利用设置在坐标已知的点（基准站）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RTCM SC 104格式：差分全球导航卫星系统（差分全球导航卫星） 标准格式,70,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（对流层延迟、对流层延迟）多路径效应对定位精度的影响,71,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,72,差分GPS的基本原理,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。,73,差分GPS对测量定位精度的改进,74,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 Local Area DGPS）单基准站差分多基准站差分广域差分（WADGPS Wide Area DGPS）,位置差分,距离差分,距离改正,坐标改正,75,位置差分和距离差分的特点,位置差分差分改正计算的数学模型简单差分数据的数据量少基准站与流动站要求观测完全相同的一组卫星距离差分差分改正计算的数学模型较复杂差分数据的数据量较多基准站与流动站不要求观测完全相同的一组卫星,76,单基准站局域差分,结构基准站（一个）、数据通讯链和用户数学模型（差分改正数的计算方法）提供距离改正和距离改正的变率特点优点：结构、模型简单缺点：差分范围小，精度随距基准站距离的增加而下降，可靠性低,77,78,结构基准站（多个）、数据通讯链和用户数学模型（差分改正数的计算方法）加权平均偏导数法最小方差法特点优点：差分精度高、可靠性高，差分范围增大缺点：差分范围仍然有限，模型不完善,多基准站局域差分,79,多基准站差分系统结构,80,广域差分,结构基准站（多个）、数据通讯链和用户数学模型（差分改正数的计算方法）与普通差分不相同普通差分是考虑的是误差的综合影响广域差分对各项误差加以分离，建立各自的改正模型用户根据自身的位置，对观测值进行改正特点优点：差分精度高、差分精度与距离无关、差分范围大缺点：系统结构复杂、建设费用高,81,差分GPS的新进展,增强型系统特点伪卫星技术卫星通讯技术类型LAAS Local Area Augmentation System采用地基伪卫星WAAS Wide Area Augmentation System采用空基伪卫星采用通讯卫星发送差分改正数,WAAS,82,差分GPS的新进展,网络RTK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，进行实时相对定位。特点精度和可靠性高,83,差分GPS的新进展,网络RTK,84,差分GPS发展与农业中的应用,精准灌溉技术的实现“精确农业”的实现农业信息采集与处方农作的空间定位农村规划、土地测量、资源管理、环境监测、作业调度中的定位服务,85,差分GPS发展与农业中的应用,利用GPS技术，配合遥感技术（RS）和地理信息系统（GIS），能够做到监测农作物产量分布、土壤成分和性质分布、做到合理施肥、播种和喷洒农药，节约费用、降低成本、达到增加产量提高效益的目的。利用差分GPS技术可以做到：（1）土壤养分分布调查（2）监测作物产量（3）合理施肥，精确农业管理,86,差分GPS发展与农业中的应用,GPS技术在农业领域中的应用不仅是大面积种植，在小面积的农田，特别是在格网种植的小面积内，应用小型自动化设备，配合差分GPS导航设备、电子监测和控制电路，能够适应科学种田的需要，作到精确管理。这种投资较低、安装方便、操作灵活。,