GPS测量原理及应用GPS卫星定位基本原理课件.pptx

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1、12:31:5311GPS定位的方法定位的方法第1页/共116页12:31:532一、概述一、概述1、定位原理：、定位原理：测距交会测距交会2、进行定位的两个条件：、进行定位的两个条件：测距信号测距信号导航电文导航电文利用测距信号确定站星距离利用测距信号确定站星距离利用导航电文确定卫星位置利用导航电文确定卫星位置GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量概述概述第2页/共116页12:31:543一、概述一、概述一个站星距离一个站星距离测站位于以卫星为球心，测站位于以卫星为球心，站星距离为半径的球面站星距离为半径的球面上上GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量概述概述第3页/共116页12

2、:31:544一、概述一、概述两个站星距离两个站星距离作两个球面作两个球面两个球面相交为圆两个球面相交为圆测站位于圆圈上测站位于圆圈上GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量概述概述第4页/共116页12:31:545一、概述一、概述三个站星距离三个站星距离作三个球面作三个球面三个球面两两相交于两三个球面两两相交于两点点测站位于其中一点测站位于其中一点GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量概述概述第5页/共116页12:31:546一、概述一、概述GPS单点定位方法的实质是空间距离后方交会单点定位方法的实质是空间距离后方交会一个站星距离一个站星距离=球面球面两个站星距离两个站星距离=圆圆

3、三个站星距离三个站星距离=两点两点三个站星距离三个站星距离+地球地球=一点一点GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量概述概述第6页/共116页12:31:547一、概述一、概述GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量概述概述第7页/共116页12:31:558二、定位方法的分类二、定位方法的分类1、按照参考点的不同位置分：、按照参考点的不同位置分：绝对定位（单点定位）绝对定位（单点定位）相对定位相对定位2、按用户接收机在作业中所处状态分：、按用户接收机在作业中所处状态分：静态定位静态定位动态定位动态定位另外在绝对定位和相对定位中，又都包含静态与另外在绝对定位和相对定位中，又都包含静态与动

4、态两种形式。动态两种形式。GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量定位方法的分类定位方法的分类第8页/共116页12:31:559二、定位方法的分类二、定位方法的分类3、按照测距原理分：、按照测距原理分：伪距法定位伪距法定位载波相位测量定位载波相位测量定位GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量定位方法的分类定位方法的分类第9页/共116页12:31:55102伪距伪距测量测量第10页/共116页12:31:5511伪距法定位是导航及低精度测量中所用的一种定伪距法定位是导航及低精度测量中所用的一种定位方法。它具有速度快、无多值性问题等优点，位方法。它具有速度快、无多值性问题等优点，其精度已

5、足以满足部分用户的需要。同时，在进其精度已足以满足部分用户的需要。同时，在进行载波相位测量时，精确的伪距测量资料也是极行载波相位测量时，精确的伪距测量资料也是极有用的辅助资料，有助于解决整周模糊度等问题。有用的辅助资料，有助于解决整周模糊度等问题。第11页/共116页12:31:5512一、伪距测量一、伪距测量1.如何进行伪距测量？如何进行伪距测量？测距码测距码复制码复制码时间延迟时间延迟自相关系数自相关系数伪距伪距第12页/共116页12:31:5613（1）为什么要用码相关法测定伪距？）为什么要用码相关法测定伪距？测距码看起来是杂乱无章的，其实是按照某一规测距码看起来是杂乱无章的，其实是按

6、照某一规律编排的，每个码都对应着某一特定的时间。律编排的，每个码都对应着某一特定的时间。为什么不用测距码的某一个标志来进行伪距测量为什么不用测距码的某一个标志来进行伪距测量呢？呢？每个码在产生的过程中都带有误差，信号经过长每个码在产生的过程中都带有误差，信号经过长距离传送后也会产生变形，因而根据某一标志来距离传送后也会产生变形，因而根据某一标志来进行量测会带来较大误差。进行量测会带来较大误差。第13页/共116页12:31:5614码相关技术码相关技术R（t）=max，误差：产生码、传送码的变形误差：产生码、传送码的变形参加比对的参加比对的n个标志的传播时间的平均值。个标志的传播时间的平均值。

7、优点：提高精度，消除随机误差。优点：提高精度，消除随机误差。第14页/共116页12:31:5615（2）自相关系数的测定）自相关系数的测定根据乘法原则，两个幅度根据乘法原则，两个幅度为为1的矩形波相乘后，仍的矩形波相乘后，仍然得到一个幅度为然得到一个幅度为1的矩的矩形波。因此，测距码与复形波。因此，测距码与复制码的自相关系数可以由制码的自相关系数可以由下式表示：下式表示：第15页/共116页12:31:5616从上面的讨论可以看出从上面的讨论可以看出（1）将接收到的来自卫星的测距码和延迟）将接收到的来自卫星的测距码和延迟后的由接收机所产生的复制码相乘，并在后的由接收机所产生的复制码相乘，并在

8、某一时间间隔某一时间间隔T（Tt0）中进行积分，积分）中进行积分，积分平均值即为平均值即为R（t）。）。（2）不断调整接收机延迟时间至）不断调整接收机延迟时间至R（t）最）最大即可得到信号传播时间。大即可得到信号传播时间。第16页/共116页12:31:5617（3）如果）如果R（t）值的最大值和最小值相差）值的最大值和最小值相差，而，而R（t）的分辨率是）的分辨率是/M，则两个码序列对齐的精，则两个码序列对齐的精度可达度可达/M个码位，目前个码位，目前M的实际值为的实际值为50-200。（4）测距码为周期性序列，因而自相关系数也具）测距码为周期性序列，因而自相关系数也具有相同的周期。理论上仍

9、会有多值问题。有相同的周期。理论上仍会有多值问题。第17页/共116页12:31:57182、用测距码测定伪距的原因、用测距码测定伪距的原因1、易于将微弱的卫星信号提取出来、易于将微弱的卫星信号提取出来2、可提高测距精度、可提高测距精度3、便于用码分多址技术对卫星信号进行识别和处理、便于用码分多址技术对卫星信号进行识别和处理4、便于对系统进行控制和管理、便于对系统进行控制和管理第18页/共116页12:31:57193.伪距测量的观测方程伪距测量的观测方程观测值观测值几何距离几何距离观测值与几何距离间的关系观测值与几何距离间的关系第19页/共116页假设几个时间参数：假设几个时间参数：信号发射

10、瞬间卫星钟的读数：信号发射瞬间卫星钟的读数：ta但但ta对应正确的标准时应为：对应正确的标准时应为：a信号在正确的标准时信号在正确的标准时b到达接收机到达接收机接收机钟读得的读数为：接收机钟读得的读数为：Tb卫星钟改正数：卫星钟改正数：V ta接收机钟改正数：接收机钟改正数：V Tb12:31:5720第20页/共116页12:31:5821二伪距定位二伪距定位1定位原理定位原理如果卫星钟和接收机钟改正数都精确已知，那么如果卫星钟和接收机钟改正数都精确已知，那么测定了伪距，就等于测定了几何距离。测定了伪距，就等于测定了几何距离。精确已知任一观测瞬间的时钟改正数只有对稳定精确已知任一观测瞬间的时

11、钟改正数只有对稳定度特别好的原子钟才有可能实现。度特别好的原子钟才有可能实现。接收机钟改正数的解决方法接收机钟改正数的解决方法第21页/共116页12:31:58222计算方法计算方法线性化线性化列出误差方程列出误差方程最小二乘原理求解最小二乘原理求解第22页/共116页12:31:5823三特殊情况下的定位三特殊情况下的定位加权约束解：不减少观测值的数量，而在求解时加权约束解：不减少观测值的数量，而在求解时给给“已知参数已知参数”以适当的权。允许该参数在以适当的权。允许该参数在“已已知值知值”附近作微小变动，则能加强解的强度，获附近作微小变动，则能加强解的强度，获得较精确的结果。得较精确的结

12、果。高程约束解高程约束解时间约束解时间约束解第23页/共116页12:31:58243载波相位测量载波相位测量第24页/共116页12:31:5925一、概述一、概述为了满足高精度定位的需要为了满足高精度定位的需要测距码伪距测量是全球定位系统的基本测距方测距码伪距测量是全球定位系统的基本测距方法。法。测距精度：测距精度：C/A码：码：2.93m码：码：0.293m载波：载波：L1=19cm，L2=24cm测距精度：测距精度：1-2mm载波相位载波相位测量测量概述概述第25页/共116页12:31:5926一、概述一、概述发自卫星的电磁波信号：信号量测精度优于波长的信号量测精度优于波长的1/10

13、0载波波长（载波波长（L1=19cm,L2=24cm)比比C/A码波长码波长 (C/A=293m)短得多短得多所以，所以，GPS测量采用载波相位观测值可以获得比伪距测量采用载波相位观测值可以获得比伪距（C/A码或码或P码）定位高得多的成果精度码）定位高得多的成果精度L1载波载波C/A码码P-码码 p=29.3 m L2=24 cm L1=19c m C/A=293 m载波相位载波相位测量测量概述概述第26页/共116页12:31:5927一、概述一、概述重建载波重建载波：在在GPS信号中，由于已用相位调整的方信号中，由于已用相位调整的方法在载波上调制了测距码和导航电文，法在载波上调制了测距码和

14、导航电文，因而接收到的载波的相位已不再连续，因而接收到的载波的相位已不再连续，所以在进行载波相位测量之前，首先要所以在进行载波相位测量之前，首先要进行解调工作，设法将调制在载波上的进行解调工作，设法将调制在载波上的测距码和卫星电文去掉，重新获取载波，测距码和卫星电文去掉，重新获取载波，这一工作称为重建载波。这一工作称为重建载波。载波相位载波相位测量测量概述概述第27页/共116页12:32:0028两种方法：两种方法：码相关法：接收机能够产生结构完全相同的测距码。码相关法：接收机能够产生结构完全相同的测距码。平方法：波形自乘。平方法：波形自乘。第28页/共116页12:32:0029二、载波相

15、位测量原理二、载波相位测量原理观测量包括两个部分：观测量包括两个部分：相位差的小数部分相位差的小数部分累计的整周数累计的整周数载波相位载波相位测量测量载波相位测量原理载波相位测量原理k kS Sj j(t(t0 0)S Sj j(t(ti i)N N0 0N N0 0INT(INT(i i)i i第29页/共116页12:32:0030从上面的讨论可以看出：从上面的讨论可以看出：1载波相位测量的实际观测值由整周部分和不足整周载波相位测量的实际观测值由整周部分和不足整周部分组成。首次观测值中整周部分为部分组成。首次观测值中整周部分为0，其余各次，其余各次观测值中整周部分可为正整数，也可为负整数。

16、观测值中整周部分可为正整数，也可为负整数。2只要接收机能保持对卫星信号的连续跟踪而不失锁，只要接收机能保持对卫星信号的连续跟踪而不失锁，那么在每个载波相位测量观测值中都含有相同的那么在每个载波相位测量观测值中都含有相同的整周未知数整周未知数N0，也就是说，每个完整的载波相位，也就是说，每个完整的载波相位观测值观测值=N0+=N0+=N0+int =N0+int（）+Fr+Fr（）第30页/共116页12:32:01313如果由于某种原因（例如卫星信号被障碍物挡住如果由于某种原因（例如卫星信号被障碍物挡住而暂时中断）使计数器无法连续计数，那么信号而暂时中断）使计数器无法连续计数，那么信号被重新跟

17、踪后，整周计数中将丢失某一量而变得被重新跟踪后，整周计数中将丢失某一量而变得不正确。而不足一整周的部分不正确。而不足一整周的部分Fr（）由于是）由于是一个瞬时量测值，因而仍是正确的。这种现象叫一个瞬时量测值，因而仍是正确的。这种现象叫做整周跳变（周跳）或（丢失整周）。周跳是数做整周跳变（周跳）或（丢失整周）。周跳是数据处理中令人感到头痛的问题之一。据处理中令人感到头痛的问题之一。第31页/共116页12:32:0132三、载波相位测量的观测方程三、载波相位测量的观测方程与伪距观测方程相比，主要有三点不同：与伪距观测方程相比，主要有三点不同：一是增加了整周未知数参数；一是增加了整周未知数参数；二

18、是电离层产生的信号延迟符号相反二是电离层产生的信号延迟符号相反(伪距滞后，相位超伪距滞后，相位超前前)；三是相位观测值噪声远小于伪距的观测噪声三是相位观测值噪声远小于伪距的观测噪声载波相位载波相位测量测量载波相位测量的观测方程载波相位测量的观测方程第32页/共116页12:32:0133三、载波相位测量的观测方程三、载波相位测量的观测方程载波相位载波相位测量测量载波相位测量的观测方程载波相位测量的观测方程第33页/共116页12:32:0134四、整周未知数的确定四、整周未知数的确定载波相位载波相位测量测量整周未知数的确定整周未知数的确定Time(0)AmbiguityTime(i)Ambig

19、uityCounted CyclesPhase Measurement1、载波相位观测值的组成、载波相位观测值的组成第34页/共116页12:32:0235四、整周未知数的确定四、整周未知数的确定载波相位载波相位测量测量整周未知数的确定整周未知数的确定测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成（1）初始整周未知数）初始整周未知数n；（2）t0至至ti时刻的整周记数时刻的整周记数Ci；（3）相位尾数）相位尾数i如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初始整周未知数始整周未知数n为了利用载波相位进行定位，必须先

20、解算出初始整为了利用载波相位进行定位，必须先解算出初始整周未知数，取得总观测值周未知数，取得总观测值n+Ci+i第35页/共116页12:32:0236四、整周未知数的确定四、整周未知数的确定载波相位载波相位测量测量整周未知数的确定整周未知数的确定m精精度度1.000.10 0.01整周未知数确定后整周未知数确定前00308025时间（分）时间（分）2、初始整周未知数的确定与定位精度的关系、初始整周未知数的确定与定位精度的关系第36页/共116页12:32:0237四、整周未知数的确定四、整周未知数的确定载波相位载波相位测量测量整周未知数的确定整周未知数的确定如果无法准确解出初始整周未知数，则

21、定位精度难以如果无法准确解出初始整周未知数，则定位精度难以优于优于1m随着初始整周未知数解算精度的提高，定位精度也相随着初始整周未知数解算精度的提高，定位精度也相应提高应提高一旦初始整周未知数精确获得，定位精度不再随时间一旦初始整周未知数精确获得，定位精度不再随时间延长而提高延长而提高经典静态定位需要经典静态定位需要30-80分钟观测才能求定初始整周未分钟观测才能求定初始整周未知数，快速静态定位将这个过程缩短到知数，快速静态定位将这个过程缩短到2-5分钟分钟第37页/共116页12:32:0338四、整周未知数的确定四、整周未知数的确定载波相位载波相位测量测量整周未知数的确定整周未知数的确定3

22、、整周未知数的确定方法、整周未知数的确定方法(1)伪距法伪距法(2)经典方法经典方法整数解整数解实数解实数解(3)多普勒法多普勒法第38页/共116页12:32:0339(4)走走停停法（走走停停法（goandstop）基本思想：既然在保持连续跟踪的所有载波相位基本思想：既然在保持连续跟踪的所有载波相位观测值中都含有同样的整周未知数，那么只要首观测值中都含有同样的整周未知数，那么只要首先设法确定这些整周未知数，并在随后的的迁站先设法确定这些整周未知数，并在随后的的迁站过程中继续保持对卫星的跟踪，当接收机到达新过程中继续保持对卫星的跟踪，当接收机到达新的测站就不需要再确定整周未知数了，这样在新的

23、测站就不需要再确定整周未知数了，这样在新点上只需进行点上只需进行12分钟的观测便可精确确定极限分钟的观测便可精确确定极限向量。向量。第39页/共116页12:32:0340（5）两次设站法）两次设站法只需要在观测时间的开始和结束处有少量观测值，只需要在观测时间的开始和结束处有少量观测值，就足以把整周未知数固定为整数值。就足以把整周未知数固定为整数值。只需在每个待定点待上几分钟，过只需在每个待定点待上几分钟，过12个小时后再个小时后再依次在每个待定点上观测几分钟就行，在此期间依次在每个待定点上观测几分钟就行，在此期间无需对卫星的连续跟踪。无需对卫星的连续跟踪。第40页/共116页12:32:03

24、41(6)快速确定整周未知数法快速确定整周未知数法利用双频接收机只需观测一分钟便能成功地确定利用双频接收机只需观测一分钟便能成功地确定整周未知数。利用单频接收机观测整周未知数。利用单频接收机观测78颗卫星也颗卫星也能在几分钟时间内确定整周未知数。能在几分钟时间内确定整周未知数。第41页/共116页12:32:0442思考题思考题1.简述对流层和电离层对电磁波传播影响各有什简述对流层和电离层对电磁波传播影响各有什么特点。么特点。2.什么是伪随机噪声码？什么是伪随机噪声码？3.自相关系数是如何定义的？自相关系数是如何定义的？4.C/A码和码和P码有什么区别？码有什么区别？5.导航电文有哪些内容？导

25、航电文有哪些内容？6.GPS卫星信号是如何调制的？通常有哪些方法卫星信号是如何调制的？通常有哪些方法对对GPS信号进行解调？信号进行解调？7.什么是什么是GPS天线的几何中心和平均相位中心？天线的几何中心和平均相位中心？第42页/共116页12:32:04438.GPS接收机按工作原理可分为哪几种类型？接收机按工作原理可分为哪几种类型？9.简述简述GPS定位的不同类型。定位的不同类型。10.什么是伪距？伪距测量的原理和观测方程各是什么是伪距？伪距测量的原理和观测方程各是什么？什么？11.载波相位测量原理是什么？载波相位测量原理是什么？12.什么是整周跳变？什么是整周模糊度？什么是整周跳变？什么

26、是整周模糊度？13.简述整周模糊度的解算方法。简述整周模糊度的解算方法。第43页/共116页12:32:04444整周跳变的修复整周跳变的修复第44页/共116页12:32:0445一、概述一、概述前面已经介绍，测站对某一卫星的载波相位观测值前面已经介绍，测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成由三部分组成（1）初始整周未知数）初始整周未知数N0；（2）t0至至ti时刻的整周记数时刻的整周记数INT()；（3）相位尾数）相位尾数Fr()若接收机继续跟踪卫星信号，就可以不断地测定若接收机继续跟踪卫星信号，就可以不断地测定(ti)，并且利用整波计数器，并且利用整波计数器Int(i)记录由记录由t

27、0到到ti时间时间内的整周变化。内的整周变化。kj=N0+Int(i)+(ti)整周跳变的修复整周跳变的修复概述概述第45页/共116页12:32:0446二、周跳的概念二、周跳的概念周跳：周跳：卫星信号受阻、计数器无法连续计数，整卫星信号受阻、计数器无法连续计数，整周计数不正确，称为周跳。但不足一整周的相周计数不正确，称为周跳。但不足一整周的相位观测值仍然正确。位观测值仍然正确。所以，利用载波相位观测值进行定位，精所以，利用载波相位观测值进行定位，精度要比码相位测量定位精度高，只是要解决整度要比码相位测量定位精度高，只是要解决整周模糊度和周跳修复问题。周模糊度和周跳修复问题。整周跳变的修复整

28、周跳变的修复周跳的概念周跳的概念第46页/共116页12:32:0447周跳产生的原因：周跳产生的原因：卫星信号被某些障碍物暂时中断；卫星信号被某些障碍物暂时中断；仪器线路出现瞬间故障，使仪器基准信号无法与卫仪器线路出现瞬间故障，使仪器基准信号无法与卫星信号产生混频，或产生了混频但无法正确计数；星信号产生混频，或产生了混频但无法正确计数；外界干扰或接收机所处动态条件恶劣，从而无法锁外界干扰或接收机所处动态条件恶劣，从而无法锁定信号；定信号；第47页/共116页12:32:0548整周跳变的探测及修复：如果能探测出在何时发整周跳变的探测及修复：如果能探测出在何时发生了整周跳变并求出丢失的整周数的

29、话，就有可生了整周跳变并求出丢失的整周数的话，就有可能对中断后的整周计数进行改正，将其恢复为正能对中断后的整周计数进行改正，将其恢复为正确的计数，使这部分观测值仍可照常使用。确的计数，使这部分观测值仍可照常使用。第48页/共116页12:32:0549发生整周跳变后的整周计数可以从中断处继续向发生整周跳变后的整周计数可以从中断处继续向后计数，也可以归零后重新计数或从任意一个整后计数，也可以归零后重新计数或从任意一个整数重新开始计数，这取决于接收机的类型及产生数重新开始计数，这取决于接收机的类型及产生周跳时的具体情况。周跳时的具体情况。第49页/共116页12:32:0550三、修复周跳的方法三

30、、修复周跳的方法修复周跳的方法：修复周跳的方法：屏幕扫描法屏幕扫描法观测值中出现整周跳变后，相位观测值的变化率观测值中出现整周跳变后，相位观测值的变化率就不再连续。就不再连续。整周跳变的修复整周跳变的修复修复周跳的方法修复周跳的方法第50页/共116页12:32:0551用高次差或多项式拟合法用高次差或多项式拟合法第51页/共116页12:32:0552序序号号iIntFr一次差一次差二次差二次差三次差三次差四次差四次差30464623.158131475333.225111210.067232487441.978411608.7531398.685933499450.545512008.56

31、71399.81401.128134511861.433812410.8883402.32122.50721.379135524676.571012815.1372404.24891.9277-0.579636537898.848713222.2777407.14052.89160.963937551530.886413632.0377409.76002.6195-0.272138565574.881714043.9951411.95762.1976-0.4219第52页/共116页12:32:0653序序号号iIntFr一次差一次差二次差二次差三次差三次差四次差四次差30464623.158

32、131475333.225111210.067232487441.978411608.7531398.685933499450.545512008.5671399.81401.128134511861.433812410.8883402.32122.50721.379135524576.5710*12715.1372*304.2489*-98.0723*-100.5795*36537798.8487*13222.2777507.1405*202.8916*300.9639*37551430.8864*13632.0377409.7600-97.3805*-300.2721*38565474.8

33、817*14043.9951411.95762.197699.5781*第53页/共116页12:32:0654曲线拟合：为便于计算机运算，将曲线拟合：为便于计算机运算，将n个载波观测值个载波观测值拟合成一个拟合成一个n阶多项式，以此来估计下一个拟合值阶多项式，以此来估计下一个拟合值与观测值之差，从而发现周跳。与观测值之差，从而发现周跳。第54页/共116页12:32:0755在卫星间求差法在卫星间求差法由于每一瞬间要对多颗卫星进行观测，因而在每由于每一瞬间要对多颗卫星进行观测，因而在每颗卫星的载波相位观测值中，所受到的接收机颗卫星的载波相位观测值中，所受到的接收机振荡器的随机误差的影响是相同

34、的。振荡器的随机误差的影响是相同的。第55页/共116页12:32:0756序号序号（四次差）（四次差）SV6SV8SV11SV6-SV8SV6-SV11SV8-SV11100-2.65-2.87-2.540.22-0.11-0.33101-0.120.080.02-0.20-0.14+0.061021.131.241.01-0.09+0.12+0.23103-1.00-1.25-0.92+0.25-0.08-0.33104-0.05*1.200.79-1.25*-0.84*+0.41105+0.54*-2.31-2.63-2.85*-3.19*+0.32106*+0.63*+3.71+3.5

35、6-3.08*-2.93*+0.151070.62*-1.46-1.71+0.84*+1.09*+0.251082.141.85+2.08+0.29+0.06-0.231090.140.01-0.05+0.13+0.19+0.06第56页/共116页12:32:0757用双频观测值修复周跳用双频观测值修复周跳第57页/共116页12:32:0758根据平差后的残差发现和修复整周跳变根据平差后的残差发现和修复整周跳变经过上述修复改正后，观测值中仍可能存在一些经过上述修复改正后，观测值中仍可能存在一些未被发现的小周跳。有周跳的观测值残差会很未被发现的小周跳。有周跳的观测值残差会很大。大。第58页/

36、共116页12:32:0759第59页/共116页12:32:08605载波相位测量的线性组合载波相位测量的线性组合一概述一概述载波相位测量的基本方程中包含了两种不同类型载波相位测量的基本方程中包含了两种不同类型的未知参数：一种是我们想要的。如测站坐标的未知参数：一种是我们想要的。如测站坐标（X,Y,Z）等，称为必要参数；另一种是我们不太）等，称为必要参数；另一种是我们不太感兴趣的参数，例如：观测瞬间接收机钟的钟差，感兴趣的参数，例如：观测瞬间接收机钟的钟差，观测瞬间信号的电离层延迟等，称为多余参数。观测瞬间信号的电离层延迟等，称为多余参数。第60页/共116页12:32:0861多余参数：多

37、余参数：对其进行约束对其进行约束求差法求差法在接收机间求差在接收机间求差在卫星间求差在卫星间求差在历元间求差在历元间求差第61页/共116页12:32:0862二在接收机间求一次差二在接收机间求一次差1可以消除卫星钟误差的影响可以消除卫星钟误差的影响2可以大大削弱卫星星历误差可以大大削弱卫星星历误差3大大削弱对流层和电离层折射的影响。短距离内大大削弱对流层和电离层折射的影响。短距离内即使使用单频接收机且不加电离层折射改正，仍即使使用单频接收机且不加电离层折射改正，仍可获得较高精度。可获得较高精度。第62页/共116页12:32:0863值得注意的是：值得注意的是：1上述结论针对相对定位而言上述

38、结论针对相对定位而言2非差法也可获得同样的精度。高精度的相对位置非差法也可获得同样的精度。高精度的相对位置是由于两站误差相关，而非求差这一数学处理而是由于两站误差相关，而非求差这一数学处理而造成的。造成的。第63页/共116页12:32:0864三在接收机和卫星间求二次差三在接收机和卫星间求二次差可消除接收机钟差可消除接收机钟差与非差法的比较：非差法中接收机的钟差是一个与非差法的比较：非差法中接收机的钟差是一个较难处理的问题。用多项式模拟效果不理想。较难处理的问题。用多项式模拟效果不理想。第64页/共116页12:32:0965四在接收机、卫星、历元间求三次差四在接收机、卫星、历元间求三次差可

39、消除整周未知数可消除整周未知数但精度不是很高，通常作为初次解，协助解决整但精度不是很高，通常作为初次解，协助解决整周未知数和整周跳变等问题。周未知数和整周跳变等问题。第65页/共116页12:32:0966历历元元两站共同观测的两站共同观测的卫星卫星二次差二次差三次差三次差三次差三次差的个数的个数t1S2,S3,S4,S5,S6(S3-S2),(S4-S2),(S5-S2),(S6-S2)t2S2,S3,S4,S5(S3-S2),(S4-S2),(S5-S2)(S3-S2),(S4-S2),(S5-S2)3t3S2,S3,S4,S5(S3-S2),(S4-S2),(S5-S2)(S3-S2),

40、(S4-S2),(S5-S2)3t4S1,S3,S4(S3-S1),(S4-S3),(S4-S3)1第66页/共116页12:32:0967五求差法与非差法的比较五求差法与非差法的比较求差法的缺点求差法的缺点1数据利用率低。数据利用率低。许多好的观测值因与之配对的数据出现了问题而许多好的观测值因与之配对的数据出现了问题而无法被利用。无法被利用。求差次数越多，丢失的数据就越多。求差次数越多，丢失的数据就越多。2在接收机间求差之后，会引进基线矢量而不是位在接收机间求差之后，会引进基线矢量而不是位置矢量作为基本未知数，这是一个新的复杂的概置矢量作为基本未知数，这是一个新的复杂的概念，在多台接收机进行

41、网定位时较难处理。念，在多台接收机进行网定位时较难处理。第67页/共116页12:32:09683求差后会出现观测值的相关性问题，增加计算工求差后会出现观测值的相关性问题，增加计算工作量。作量。4采用求差时多余参数已消去，因此难以对这些参采用求差时多余参数已消去，因此难以对这些参数做进一步研究。数做进一步研究。5某些情况下难以求差，如两站的数据输出率不相某些情况下难以求差，如两站的数据输出率不相同时。同时。第68页/共116页12:32:1069六两个载波（六两个载波（L1，L2）观测值间的线性组合）观测值间的线性组合前面介绍的是同一载波观测值之间求差以形成单前面介绍的是同一载波观测值之间求差

42、以形成单差观测值、双差观测值、三差观测值，其目的是差观测值、双差观测值、三差观测值，其目的是为了消除卫星钟误差、接收机钟误差和整周未知为了消除卫星钟误差、接收机钟误差和整周未知数等多余参数。数等多余参数。现在来讨论两个载波观测值间进行线性组合的问现在来讨论两个载波观测值间进行线性组合的问题。题。第69页/共116页12:32:1070线性组合观测值应符合下列标准：线性组合观测值应符合下列标准：1应能保持整周模糊度的整数性。应能保持整周模糊度的整数性。2具有适当的波长具有适当的波长3应不受或基本不受电离层折射的影响。应不受或基本不受电离层折射的影响。4具有较小的测量噪声。具有较小的测量噪声。第7

43、0页/共116页12:32:1071常用的线性组合常用的线性组合宽巷宽巷窄巷窄巷无电离层折射无电离层折射第71页/共116页12:32:10726GPS绝对定位与相对定位绝对定位与相对定位第72页/共116页12:32:1073一、概述一、概述绝对定位绝对定位单点定位单点定位WGS-84坐标坐标静态定位：米级精度静态定位：米级精度动态定位：动态定位：10-40米精度米精度相对定位相对定位相对坐标差相对坐标差静态定位：精度静态定位：精度mm级级动态定位：精度动态定位：精度cm级级绝对定位与相对定位绝对定位与相对定位概述概述第73页/共116页12:32:1174二、静态绝对定位二、静态绝对定位1

44、、绝对定位的概念、绝对定位的概念绝对定位，也叫单绝对定位，也叫单点定位，通常是指点定位，通常是指在协议地球坐标系在协议地球坐标系中，直接确定观测中，直接确定观测站相对于坐标系原站相对于坐标系原点（地球质心）绝点（地球质心）绝对坐标的一种定位对坐标的一种定位方法。方法。绝对定位与相对定位绝对定位与相对定位静态绝对定位静态绝对定位第74页/共116页12:32:1175二、静态绝对定位二、静态绝对定位2、静态绝对定位静态绝对定位接收机天线处于静止状态下，确定观测站点接收机天线处于静止状态下，确定观测站点坐标的方法称为静态绝对定位。坐标的方法称为静态绝对定位。绝对定位与相对定位绝对定位与相对定位静态

45、绝对定位静态绝对定位第75页/共116页12:32:11763伪距方程的线性化伪距方程的线性化第76页/共116页12:32:1177二、静态绝对定位二、静态绝对定位4绝对定位精度的评价绝对定位精度的评价：1.平面位置精度因子：平面位置精度因子：HDOP2.高程精度因子：高程精度因子：VDOP3.空间位置精度因子：空间位置精度因子：PDOP4.接收机钟差精度因子：接收机钟差精度因子：TDOP5.几何精度因子：几何精度因子：GDOP绝对定位与相对定位绝对定位与相对定位静态绝对定位静态绝对定位第77页/共116页12:32:1278卫星分布的几何图形对精度因子的影响卫星分布的几何图形对精度因子的影

46、响几何精度因子与六面体体积的倒数成正比几何精度因子与六面体体积的倒数成正比第78页/共116页12:32:1279三、静态相对定位三、静态相对定位相对定位相对定位是用两是用两台或两台以上台或两台以上GPS接收机分别接收机分别安置在不同的测安置在不同的测站上，同步观测站上，同步观测相同的相同的GPS卫星，卫星，以确定基线端点以确定基线端点的相对位置或基的相对位置或基线向量。线向量。绝对定位与相对定位绝对定位与相对定位静态相对定位静态相对定位第79页/共116页12:32:1280静态相对定位：设置在基线端点的接收机是固定静态相对定位：设置在基线端点的接收机是固定不动的，这样便可能通过连续观测，取

47、得充分的不动的，这样便可能通过连续观测，取得充分的多余观测数据，以改善定位的精度。多余观测数据，以改善定位的精度。静态相对定位，一般采用载波相位观测值为基本静态相对定位，一般采用载波相位观测值为基本观测量。这一定位是当前观测量。这一定位是当前GPS定位中精度最高的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等工作。球动力学研究等工作。第80页/共116页12:32:1281三、静态相对定位三、静态相对定位利用不同观测值的线性组合（求差）进行相对利用不同观测值的线性组合（求差）进行相对定位，有单差、双差、三差。求差过程可以有定位

48、，有单差、双差、三差。求差过程可以有效地消除或减弱相关误差的影响，从而提高相效地消除或减弱相关误差的影响，从而提高相对定位的精度。对定位的精度。绝对定位与相对定位绝对定位与相对定位静态相对定位静态相对定位第81页/共116页12:32:13827差分差分GPS定位原理定位原理第82页/共116页12:32:1383一、差分的基本概念一、差分的基本概念观测值之间求差，消除公共误差，以提高定位精观测值之间求差，消除公共误差，以提高定位精度。度。1、在一个测站上对两个观测目标观测、在一个测站上对两个观测目标观测,将观测值求差将观测值求差;2、在两个测站上对同一观测目标观测、在两个测站上对同一观测目标

49、观测,将观测值求差将观测值求差;3、在一个测站上对同一观测目标两次观测求差。、在一个测站上对同一观测目标两次观测求差。差分差分GPS定位原理定位原理差分的基本概念差分的基本概念第83页/共116页12:32:1384将一台将一台GPS接收机安置在基准站上进行观接收机安置在基准站上进行观测，根据基准站已知精密坐标，计算出基测，根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时地将这一改正数发送出去。用户接收机时地将这一改正数发送出去。用户接收机在进行在进行GPS观测的同时，也接收到基准站观测的同时，也接收到基准站的改正数，并将其定位结果进行

50、改正，从的改正数，并将其定位结果进行改正，从而提高定位精度。而提高定位精度。第84页/共116页12:32:1485二、差分的作用二、差分的作用GPS定位中，存在着三部分的误差：定位中，存在着三部分的误差：1、多台接收机公有的误差：如卫星钟差、星历误差等；、多台接收机公有的误差：如卫星钟差、星历误差等；2、传播延迟误差：如电离层误差、对流层误差；、传播延迟误差：如电离层误差、对流层误差；3、接收机固有的误差：如内部噪声、通道延迟、多路、接收机固有的误差：如内部噪声、通道延迟、多路径效应等。径效应等。差分差分GPS定位原理定位原理差分的作用差分的作用第85页/共116页12:32:1486二、差