1、GPS原理及其应用,徐晓华,地理信息系统专业20011130103 土地资源管理专业20019450102,5.1 概述,GPS系统利用距离交会的原理进行定位,五、GPS卫星定位基本原理,5.2 伪距测量,利用测距码进行测距的原理 基本思路:= c=t c 伪距 伪距的测定方法,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 便于对系统进行控制和管理,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：293.05m；仅被调制在L1上 P（Y）码（Precision Code） 精
2、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 L1 频率： 154f0 = 1575.43MHz；波长：19.03cm L2 频率： 120f0 = 1227.60MHz；波长：24.42cm,伪距测量的观测方程,伪距测量的误差方程,5.3 载波相位测量,载波相位测量的特点 优点 精度高,测距精度可达mm甚至亚mm级 难点 整周未知数问题 整周跳变问题,关键技术重建载波 码相关法 特点：需要了解码的结构，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） 平方法 特点：无需了解码的结构，无法获得导航电文
3、，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） 互相关（交叉相关） 方法：获取两个频率间的伪距差和相位差特点：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） Z跟踪 特点：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）,载波相位测量的基本原理 利用载波测定卫地距载波相位观测值的测定,利用载波测定卫地距,载波相位观测值 观测值,载波相位观测值,是整周未知数（整周模糊度）是整周计数,载波相位测量的观测方程,整周未知数的确定 伪距法 走走停停法 参
4、数法：将整周未知数当做平差中的特定参数经典方法 整数解 实数解 多普勒法（三差法） 快速确定整周模糊度方法 其他 新的整周模糊度确定方法的研究涉及了一些基本的数学问题,整周未知数的确定方法 伪距法,整周未知数的确定方法（续） 走走停停法（Stop and Go） 基本方法 整周未知数初始化的方法 已知基线法 交换天线法,整周未知数的确定方法（续） 参数法（搜索法） 基本方法 初始平差，确定基线向量的实数解和整周未知数的实数解 根据初始平差结果，确定整周未知数的整数备选解 从备选解中选出最终的整数解（RMS最小）,整周未知数的确定方法（续） 参数法（搜索法） 快速确定整周未知数法（FARA） 由
5、瑞士的E.Frei和G.Beutler提出 精髓：在基本方法基础上增加了进一步的判据 若有双频观测值，也可得出类似的双频检验法,5.4 整周跳变的修复,整周跳变（周跳） 什么是整周跳变（周跳） 产生周跳的原因 信号被遮挡 仪器故障 信号被干扰 接收机在高速动态的环境下进行观测 周跳的特点 只影响整周计数 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,周跳的探测与修复 GPS测量中站星距离的变化特点 周跳的探测与修复方法 屏幕扫描法 高次差/多项式拟合法 高次差/多项式拟合法 接收机钟差对此方法有效性的影响克服接收机钟差影响的方法 卫星间求差 残差法,5.5 GPS绝对定位与
6、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,绝对（单点）定位 定义：仅单独利用一台接收机确定待定点在地固坐标系中的绝对位置的方法 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，作业方
7、法简单 缺点：定位精度低 应用领域 低精度导航 资源普查 军事，等.,伪距绝对（单点）定位的观测方程,思考题1：如何将GPS到测站的距离 表示为线性形式？ 思考题2：载波相位测量中的关键问题是什么? 思考题3：分别写出载波相位测量和伪距测量的观测方程与误差方程.,伪距绝对（单点）定位 误差方程 对于卫星i，误差方程为若在某历元同时观测了n颗卫星，则误差方程及其解为,伪距绝对（单点）定位（续） DOP Dilution of Precision GDOP Geometry Dilution of Precision PDOP Position Dilution of Precision TDOP
8、 Time Dilution of Precision HDOP Horizontal Dilution of Precision VDOP Vertical Dilution of Precision,GDOP较小 GDOP较大,载波相位单点定位 误差方程 对于卫星i，误差方程为若在k个历元里每历元均观测了n颗相同的卫星，则误差方程,误差及应对方法 卫星星历精密星历 卫星钟差精密星历、地面跟踪 电离层延迟双频改正 对流层延迟模型改正 PPP Precision Point Positioning,相对定位 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
9、星历同属一坐标系的基线向量（坐标差） 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：精度高 缺点：多台接收共同作业，作业复杂 应用 高精度测量定位,相对定位观测方程,各种误差对相对定位结果的影响 卫星轨道误差卫星钟差 大气折射误差 接收机钟差 接收机天线相位中心偏差和变化,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（
10、OTF） 实时动态定位（RTK Real Time Kinematic） 单基准站RTK 多基准站RTK（网络RTK）,5.6 美国的GPS政策,SPS与PPS SPS 标准定位服务（Standard Positioning Service） 系统精度（ 实施SA时，95%）：平面100m，三维156m，速度0.3m/s，时间337ns PPS 精密定位服务（Precision Positioning System） 系统精度（95%）：三维37m，速度0.1m/s，时间100ns,SA Selective Availability（选择可用性） 技术 在广播星历中加入长周期的干扰 技术 在卫星的基准频率（原子钟信号）中加入快速的抖动 AS Anti-Spoofing（反电子欺骗） P+WY,GPS现代化 L2上增加C/A码 增加第三民用频率L5 增加军队专用码M1，M2 提高PPS信号质量 局部SA,5.7 差分GPS定位原理,差分观测值 站间差分、星间差分和历元间差分 站间差分 同步观测值在接收机间求差。可消除卫星钟差，削弱电离层、对流层折射影响。,星间差分 同步观测值在卫星间求差。可消除接收机钟差。,历元间差分 观测值在间历元求差。可消去整周未知数参数。,
